CN111512494B - 用于发送和接收电磁辐射的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于发送(6，7)和接收(8，9)电磁辐射的设备(1)，其中，使用不同的天线(3，4，5)以进行发送和接收，为此，第一天线(3)或第一天线组(3)用于以第一极化形式(6)进行发送，第二天线(4)或第二天线组(4)用于以第二极化形式(7)进行发送，第三天线(5)或第三天线组(5)用于接收反射的电磁辐射，所述电磁辐射由第一天线(3)或第一天线组(3)以及第二天线(4)或第二天线组(4)发送。在本发明的范畴中公开的设备(1)可以有利地固定在机动车(23)上，并且在间距和速度调节或碰撞避免的范畴中用于对象探测(24)，并且当两个不同极化的电磁波(6，7)在不同的传播路径(28，29)上传播时，将由不同的接收电平获得的极化信息用于道路状况识别(29)、尤其用于求取天气相关的道路状况(29)。

Description

用于发送和接收电磁辐射的设备

技术领域

本发明涉及一种用于发送和接收电磁辐射的设备，其中，使用不同的天线来进行发送和接收，为此，第一天线或第一天线组用于以第一极化形式(Polarisationsform)进行发送，第二天线或第二天线组用于以第二极化形式进行发送，第三天线或第三天线组用于接收经反射的电磁辐射，所述电磁辐射由第一天线或第一天线组以及第二天线或第二天线组发送。在本发明的范畴中公开的设备可以有利地固定在机动车上，并且在间距和速度调节或碰撞避免的范畴中用于对象探测，并且在此当两个不同极化的电磁波在不同的传播路径上传播时，将由不同的接收电平获得的极化的(polarimetrisch)信息用于道路状况识别、尤其用于求取天气相关的道路状况。

背景技术

由DE 10 2015 200 027 A1已知用于确定测量点的特性的一种设备和一种方法。该设备构造为具有如下发送装置：借助该发送装置可以发送具有第一极化的电磁波，从而可以通过与测量点的光学相互作用以第二极化产生电磁波和/或产生具有第三极化的电磁波。此外，该设备具有第一探测装置，用于探测在测量点处产生的具有第二极化的电磁波的第一辐射功率，该第一辐射功率基于所探测的第一辐射功率来产生第一测量信号。此外，设置一种第二探测装置，用于探测在测量点处产生的具有第三极化的电磁波的第二辐射功率，该第三极化不同于第二极化并且设置用于基于所探测的第二辐射功率来产生第二测量信号。通过将第一测量信号与第二测量信号进行比较可以确定测量点的特性。

发明内容

本发明的核心是说明一种尤其用于微波或毫米波的系统，借助该系统可以发送和接收不同极化形式的接收信号，并且可以通过对接收信号进行电平比较来将接收信号彼此分离，从而例如执行道路状况识别、尤其对路面天气状况的识别。

根据本发明，这通过独立权利要求的特征来解决。有利的扩展方案和构型由从属权利要求得出。

在此设置，用于发送和接收电磁辐射的系统构造为收发分置(bistatisch)的传感器，其中，为了发送和接收电磁辐射而分别设置分离的天线或分离的天线组。

有利地设置，第一极化形式和第二极化形式是基本上正交的极化。在此可以设置，第一和第二极化形式分别线性/垂直地和线性/水平地极化，或者右旋圆极化和左旋圆极化，或者线性/对角地和线性/反对角地极化，或具有其他形式的相互正交的极化。在此，术语“正交极化”应理解为两个极化方向彼此线性独立。此外，该扩展方案的主题在于，两种极化形式仅基本上彼此正交，因为实际上难以实现两种极化形式的100％正交性。实际上，本发明在仅接近正交性的情况下起作用，使得虽然精确、纯的正交性是该扩展方案的主题，但是本发明不限于此。

此外有利的是，第三天线或第三天线组不仅可以接收第一极化形式，而且可以接收第二极化形式。在借助第一天线或第一天线组以及第二天线或第二天线组发送电磁信号之后，借助第三天线或第三天线组接收电磁信号。在此，接收天线或多个接收天线如此构造，使得其可以借助单个天线来接收基本上彼此正交的两个信号。

此外有利的是，第一天线或第一天线组包括水平极化地发送的单缝隙(Einzelspalten)或双缝隙(Doppelspalten)。在此，单缝隙是如下输送线路：该输送线路通过供电线路通到分流的分支线路(Stichleitung)，其中，分支线路在其长度和宽度方面如此构造，使得分支线路可以发射电磁信号。与第二天线或第二天线组相比，当馈电线路在电路板上(其中，电路板的法向量朝向发送和接收方向)垂直定向时，得出在主射束方向上的大约+/-60°的宽的视野范围以及低的增益。由于天线的孔径小，因此产生宽的、但范围不是很广的检测场。

在第一天线或第一天线组以双缝隙形式实施的情况下，发射功率和天线孔径都增加，因此与借助单缝隙的实施方式相比，还可以根据应用情况将检测区域构型得范围更广和更窄。此外有利的是，第三天线或第三天线组包括根据第一天线或第一天线组水平极化地进行接收的单缝隙或双缝隙和根据第二天线或第二天线组垂直极化地进行接收的贴片天线的多缝隙阵列的组合。由此使得接收天线或接收天线组能够接收两个发送天线的或两个发送天线组的发送信号，并且为此不需要电路板上的双倍空间需求，并且可以在相同的接收通道中对两种极化形式进行分析处理，使得多个并行实施的接收通道也不是必要的。

此外设置，第二天线或第二天线组包括一个或多个垂直极化地进行发送的贴片天线的多缝隙阵列。在第二天线或第二天线组的这种类型的实施方案中，使并联连接的、分支的供电线路(即对于每个天线缝隙一条线路)耦合到馈电线路，其中，这些供电线路在几何上彼此平行地继续延伸，并且在此分别给一系列彼此串联连接的贴片天线进行供电。在多缝隙天线阵列的馈电线路垂直地定向的情况下，与第一天线或第一天线组相比，由于所述天线的较大孔径得出主射束方向上的大约+/-20°的更窄的视野范围以及更高的增益。由此产生更窄的、但范围更广的检测区域。

此外有利的是，第一天线或第一天线组的发送信号以及第二天线或第二天线组的发送信号检测不同的距离范围。此外，对此可以组合地或替代地设置，第一天线或第一天线组的发送信号以及第二天线或第二天线组的发送信号具有对检测区域的不同张开角

特别有利的是，由水平极化地发送的单缝隙或双缝隙构成的第一天线或第一天线组具有短的距离范围和检测区域的大张开角，而由一个或多个垂直极化地发送的贴片天线的多缝隙阵列构成的第二天线或第二天线组具有长的距离范围和检测区域的小的张开角。

此外设置，第三天线或第三天线组根据两个正交极化形式的接收信号的接收电平来确定进行反射的对象的极化信息。在此尤其有利的是，在确定两个基本上正交的极化形式的接收信号的接收电平时，考虑分别参与的发送和接收天线的不同组因子(Gruppenfaktor)以及天线的不同增益因子。

由于不同的孔径以及因此不同的作用距离和张开角，具有不同极化形式的两个电磁信号的接收电平不能够直接相互比较。然而，如果将接收电平以相应的增益因子和组因子加权，则这些接收电平可以相互比较，并且可以分析处理(必要时在不同的接收路径上的)各个极化形式的反射率。

此外有利的是，该设备固定在机动车中、尤其固定在机动车前部，并且在间距和速度调节或碰撞避免功能的范畴内执行对象探测。由于除了极化的测量之外，接收信号还可以实现对信号传播时间和对所探测的对象的多普勒效应的分析处理，因此除了进行极化的测量外，根据本发明的系统还可以执行间距调节或触发紧急制动以避免碰撞。

在此特别有利的是，当两个不同极化的电磁波在不同的传播路径上传播时，将由不同的接收电平获得的极化的信息用于道路状况识别、尤其用于求取天气相关的道路状况。这例如可以如此进行，使得分析不同传播路径的反射能力，并且因此识别所行驶道路的沥青表面的粗糙度、在行车道表面上是否存在坑洼、行车道中的路面起伏(Bodenwellen)或行车道表面的天气状况，并且在此尤其求取路面是否干燥、潮湿、被雪覆盖或结冰。有利地，可以将μ因子直接分配给测量结果，以便描述轮胎在当前行驶的行车道表面上的附着力。

附图说明

本发明的其他特征、应用可能性和优点由本发明的实施例的以下描述得出，所述实施例在附图中示出。在此，所有描述或示出的特征无论单独还是以任意组合都构成本发明的主题，而不取决于其在权利要求书中的概述或其引用关系，也不取决于其在说明书或附图中的表述或表示。

以下根据附图阐述本发明的实施例。附图示出：

图1示出根据本发明的发送和接收系统的作用方式的示意图；

图2示出有利地用作第一天线的作为单缝隙的天线实施方式；

图3示出作为双缝隙的第一天线或第一天线组的实施方式；

图4示出作为贴片天线的多缝隙阵列的第二天线或第二天线组的实施方式；

图5示出第三天线或第三天线组的实施方式，其包括单缝隙天线和贴片天线的多缝隙阵列的组合；

图6示出第三天线或第三天线组的实施方式，其包括双缝隙天线和贴片天线的多缝隙阵列的组合；

图7示出三个天线或三天线组在电路板上的示例性布置；

图8示出具有多路径接收和对接收信号的极化的分析处理的示例性行驶情况；

图9示出根据行车道表面的天气状况示出不同极化形式的接收电平的示图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的发送和接收系统的作用方式的示意图。可以看到雷达传感器1(显示在左侧)和探测的对象2(在图中右半部分示意性地显示为圆圈)。雷达传感器1还具有第一天线或第一天线组3，借助所述第一天线或第一天线组发送第一发送信号Tx1。此外，雷达传感器1具有第二天线或第二天线组4，借助所述第二天线或第二天线组发送第二发送信号Tx2。在此，第一天线或第一天线组3例如在待探测的对象2的方向上发送水平极化的发送信号6。第二天线或第二天线组发送垂直极化的发送信号7，该信号也示出为Tx2。具有彼此基本上正交地极化的极化形式的两个发送信号Tx1和Tx2 6、7在探测对象2上反射，并且由雷达传感器1的第三天线或第三天线组5接收实施为水平极化的接收信号的接收信号8和实施为垂直极化的接收信号的接收信号9。雷达传感器1的第三天线或第三天线组5实施用于接收经反射的发送信号Tx1和Tx2作为接收信号Rx。在此，接收信号8、9在探测对象2和雷达传感器1之间也可以具有不同的传播路径。由雷达传感器1中的两个接收信号8、9的接收电平的分析还可以执行极化的分析处理，并且因此确定反射点材料的特性，并且因此例如求取道路状况、尤其行车道表面的天气状况，以及关于车辆的行驶功能使用所述特性。

在图2中示出用于发送具有第一极化形式的第一发送信号Tx1的第一天线或第一天线组3的实施方式。在使用第一天线组3时，多次实施所示的单缝隙，从而所述单缝隙以多个单缝隙天线的形式实施天线组——例如用以提高设备的孔径。因此，接下来仅将第一天线3描述为单个天线，但是该实施方案也适用于单缝隙天线被实施多次并且用作天线组的实施方式。在示图的下端输送发送信号Txl，将该发送信号通过例如垂直定向的馈电线路输送给天线。在此，在其上施加天线3的电路板平行于图表面地定向并且具有正交于图平面的发送和接收装置。在垂直定向的馈电线路上布置有作为发送元件起作用的分支线路(所谓的短截线(Stubs))。在此，所述短截线的长度、短截线的宽度以及馈电线路10上的各个短截线11的连接点的间距应根据天线特性的度量和所使用的发送信号、尤其发送频率来确定尺寸和设计。

图3示出以双缝隙天线形式的第一天线或第一天线组3的另一实施方案。在此，图2中描述的单缝隙天线3被彼此并排地实施两次，其中，两个天线缝隙彼此并排地平行定向，使得两个馈电线路10彼此平行地延伸。双缝隙天线的两个单缝隙天线都被供应相同的发送信号Txl，并且因此同时发送电磁辐射。通过将图2中的单缝隙天线加倍成根据图3的双缝隙天线来扩大孔径，可以获得具有更大的作用距离和更窄的发送波瓣的天线。将第一天线或第一天线组3选择为单缝隙天线还是双缝隙天线取决于相应的发送功率、设备的应用以及传播条件，并且可以由本领域技术人员容易地执行。

由根据图2的单缝隙天线3或根据图3的双缝隙天线发射的发送信号在此是水平极化的电磁信号，所述电磁信号的极化平面平行于发送元件11的定向并因此正交于馈电线路10的定向。

图4示出作为垂直极化地进行发送的贴片天线的多缝隙阵列的第二天线或第二天线组4的实施方式。在图4的下端可以看到馈电线路12，通过该馈电线路可以输送第二发送信号Tx2。馈电线路12分岔成分配线路13，多个缝隙14连接到该分配线路。在此，共同构成一阵列的贴片天线的缝隙14彼此平行地定向。每个缝隙由一序列的矩形的天线贴片15构成，其通过串联馈电元件16彼此串联地连接。在此，每个天线缝隙14具有相同数量的天线贴片15以及在贴片天线15之间的相同长度的串联馈电元件16。通过分配线路13分配到天线阵列4的所有天线缝隙14的发送信号Tx2通过天线贴片15来发射，其中，所发射的电磁信号Tx2是垂直极化的信号，其极化平面平行于天线缝隙14的定向地定向。

图5示出用于接收两种极化形式的接收信号Rx的第三天线或第三天线组5的实施方式。因此，第三天线或第三天线组5的所示实施方式包括贴片天线的多缝隙阵列，其中已省略优选地在天线的中间的一缝隙的贴片天线。替代地，根据第一天线或第一天线组3的实施方案在该省略的位置处插入单缝隙天线。因此，在图5中，在天线结构中居中地示出单缝隙天线3，该单缝隙天线包括具有在其处分支的发送元件11(短截线)的馈电线路10。这种水平极化地进行接收的天线结构在左侧和右侧被垂直极化地进行接收的贴片天线的多缝隙阵列的缝隙包围，所述多缝隙阵列包括多个天线缝隙14并且包括串联地布置的贴片天线。所有的天线结构都通过在图5的下端示出的分配线路13相互连接，并且通过接收线路17与分析处理电路连接，从而将接收信号Rx通过接收线路17传递到接收电路。在该天线结构中居中地示出的单缝隙3也可以可选地安装在天线结构的左边缘、天线结构的右边缘或天线结构的两侧。

在图6中示出图5中提出的接收天线的修改方案。如针对图5已经描述的那样，在图6的变型方案中将由根据图3的双缝隙构成的结构居中地插入。根据图3的这种双缝隙结构由两个单缝隙天线3构成，所述单缝隙天线又分别由馈电线路10和水平极化地进行接收的发送元件11(所谓的短截线)构成。在该双缝隙结构的两侧又布置有串联连接的贴片天线缝隙14，其作为垂直极化地进行接收的多缝隙贴片天线起作用。同样在该实施例中，将所有天线缝隙3、14通过连接线路13或分配线路13聚集成接收线路17，通过该接收线路可以将接收信号Rx输送给分析处理电路19。也可以例如通过如下方式灵活地改变图6中所示的接收天线的实施例：将两个单缝隙3分别施加在贴片天线结构的左边缘和右边缘，或者例如将单缝隙天线3与由贴片天线的阵列构成的天线缝隙14交替地相互组合。

在图7中示例性地示出可以包含在雷达传感器1中的发送和接收电路。在此示出高频电路板18，在该高频电路板上施加有发送和接收电路19。该发送和接收电路19例如可以实施为MMIC(英语Monolithic Microwave Integrated Circuit，单片微波集成电路)，并且能够不仅产生发送信号Tx1、Tx2，而且对接收信号Rx进行分析处理。所设置的天线结构连接到该发送和接收电路19。因此，两个第一天线3或第一天线组3通过两个输送线路20连接，用以发送发送信号Txl。在此，第一天线3或第一天线组3是水平极化地进行发送的单缝隙3。此外，发送和接收电路19通过输送线路21将发送信号Tx2引导到第二天线4或第二天线组4中，所述第二天线或第二天线组发送垂直极化的发送信号。这些第二天线4或第二天线组4实施为贴片天线的多缝隙阵列。如果要借助雷达传感器1来探测所识别的对象2的方位角，建议将所属的第一天线3、第二天线4或第三天线5分别水平地彼此并排地布置，使得可以通过每个天线组的单个天线的相位差来求取所识别的对象2的方位角。在高频电路板18的上部分示出构成第三天线5和第三天线组5的接收天线5。这些第三天线5或第三天线组5由多个(在所示的示例中4个)组合的接收天线构成，所述接收天线分别由单缝隙3和布置在其左侧和右侧的贴片天线14的多缝隙阵列组成。整个系统的所示出的天线结构当然也可以借助替代地示出的具有双缝隙天线而不是单缝隙天线的实施方式或借助已知实施方式的本领域技术人员熟悉的其他变型方案进行修改。

因此，借助根据图7的系统也可以通过输送线路20发射水平极化的发送信号Tx1，并且也可以通过输送线路21发射垂直极化的发送信号Tx2。借助接收天线5和输送线路22可以同时接收垂直极化的和水平极化的接收信号Rx，或者可以在交替的发送中在任何时刻接收相应的接收信号Rx，因此不需要双倍地实施接收通道。

在图8中示出该系统的示例性应用，其中，车辆23在车辆前部装配有雷达传感器1。车辆23在行车道25上跟随行驶在前的车辆24。在此，雷达传感器1例如可以执行间距和速度调节(ACC)或监测紧急制动功能性并触发必要时所需的紧急制动。通过根据本发明的实施方案，雷达传感器1能够求取行车道25的表面的情况、尤其行车道25的天气条件。为此，通过雷达传感器1在行驶在前的车辆24(即所识别的对象2)的方向上发射发送信号26。在此，发送信号26包括水平极化的和垂直极化的发送信号，所述发送信号以例如时间复用的通用复用方法相应地发送。

在行驶在前的车辆24上反射的发送信号作为接收信号27、28反射回到雷达传感器1。在此，接收信号有可能作为直接的接收信号27反射回到传感器1。此外也可能的是，在行驶在前的车辆24上反射的接收信号在行车道表面25的方向上反射回，并在行车道表面上的反射点29处反射，因此被传感器1接收作为通过反射点29的间接接收信号28。通过行车道上的反射29能够实现间接接收的信号28的特定的极化分量被吸收或在传感器1以外的方向上反射。因此，通过对直接接收信号27和间接接收信号28的两个接收电平的分析处理可以分析处理行车道表面的反射率、尤其具有不同极化的信号分量的不同反射率，由此尤其可以推断和求取反射点29处行车道表面的天气状况。

图9示例性地示出针对不同天气状况(潮湿和干燥)的接收信号的图。在横坐标上示出间距轴线31，该间距轴线说明行驶在前的车辆24至自身车辆23的间距。在纵坐标30上标注接收信号27、28的接收电平的信噪比SNR。通过所示的曲线可以区分行车道表面25的干燥情况和潮湿情况。因此，通过实线35、36绘出接收电平在干燥道路的间距上的变化曲线，其中，线35表示干燥的行车道表面上的垂直极化，而线36表示干燥道路上的水平极化。在此，垂直极化的接收信号代表直接的接收信号27，而较弱的接收信号36代表水平极化的间接接收信号28。如果从干燥的行车道行驶到潮湿的行车道区段，则接收电平的距离不会改变，但其强度会改变。因此，在潮湿的行车道上的垂直极化的直接接收信号27的接收电平从曲线变化过程35提升至曲线变化过程33，并且水平极化的间接接收信号28被变化过程36削弱，从而得出虚线34的变化过程。在此，通过改变两个接收电平的强度可以推断出潮湿的行车道，因为曲线的特性彼此不同并且在两个极化之间的相消干涉(destruktivenInterferenz)的位置不同。

Claims (13)

1.一种用于发送和接收电磁辐射的设备(1)，其中，使用不同的天线(3，4，5)用以进行发送和接收，其特征在于，第一天线(3)或第一天线(3)组用于以第一极化形式(6)进行发送，第二天线(4)或第二天线(4)组用于以第二极化形式(7)进行发送，第三天线(5)或第三天线(5)组用于接收经反射的电磁辐射(8，9)，所述电磁辐射由所述第一天线(3)或所述第一天线(3)组以及所述第二天线(4)或所述第二天线(4)组发送，其中，所述第一极化形式(6)和所述第二极化形式(7)是基本上彼此正交的极化，其中，所述第三天线(5)或所述第三天线(5)组被设计用于不仅接收所述第一极化形式(6)，而且接收所述第二极化形式(7)。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一天线(3)或所述第一天线(3)组由水平极化地进行发送的单缝隙(11)或双缝隙构成。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第二天线(4)或所述第二天线(4)组由一个或多个垂直极化地进行发送的贴片天线(15)的多缝隙阵列(14)构成。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述第三天线(5)或所述第三天线(5)组由根据所述第一天线(3)或所述第一天线(3)组水平极化地进行接收的单缝隙(11)或双缝隙与根据所述第二天线(4)或所述第二天线(4)组垂直极化地进行接收的贴片天线(15)的多缝隙阵列(14)的组合构成。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第一天线(3)的或所述第一天线(3)组的发送信号(6，26)以及所述第二天线(4)的或所述第二天线(4)组的发送信号(7)检测不同的距离范围。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第一天线(3)的或所述第一天线(3)组的发送信号(6)以及所述第二天线(4)的或所述第二天线(4)组的发送信号(7)具有检测区域的不同张开角。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，由水平极化地进行发送的单缝隙(11)或双缝隙构成的所述第一天线(3)或所述第一天线(3)组具有短的距离范围和所述检测区域的大张开角，而由一个或多个垂直极化地进行发送的贴片天线(15)的多缝隙阵列(14)构成的所述第二天线(4)或所述第二天线(4)组具有长的距离范围和所述检测区域的小张开角。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第三天线(5)或所述第三天线(5)组由两个正交极化形式(6，7)的接收信号(8，9，27，28)的接收电平被确定进行反射的对象(24，25，29)的极化的信息。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，在确定基本上正交的两个极化形式(6，7)的所述接收信号(8，9，27，28)的接收电平时，考虑分别参与的发送和接收天线(3，4，5)的不同组因子以及所述天线(3，4，5)的不同增益因子。

10.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备固定在机动车(23)上，并且在间距和速度调节或碰撞避免的范畴内执行对象探测(24)。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，当两个不同极化的电磁波(6，7)在不同的传播路径(28，29)上传播时，将由所述不同的接收电平获得的极化的信息用于道路状况识别(29)。

12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述设备固定在机动车前部。

13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，将由所述不同的接收电平获得的极化的信息用于求取天气相关的道路状况(29)。

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