CN112313526A - 用于分析处理雷达信号的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对雷达信号、尤其对借助多个ULA天线接收的雷达信号的经改善的分析处理。通过对各个ULA天线的雷达信号应用不同的射束成形，可以通过射束成形补偿增益中的骤变。

Description

用于分析处理雷达信号的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于分析处理雷达信号的设备和一种用于分析处理雷达信号的方法。
背景技术
在汽车领域，雷达传感器越来越多地用于越来越多的任务。例如雷达传感器提供车辆的周围环境的数据，驾驶员辅助系统可以对所述数据进行分析处理和进一步处理。此外，雷达传感器尤其在自动驾驶领域非常重要。尤其同时具有高敏感度，即具有大的定位场的角度分辨率是决定性的。
为了减少计算开销，可以将具有天线的规则布置的天线阵列(所谓的均匀线性阵列(ULA))用于此类雷达系统。在此，可以借助快速傅立叶变换FFT实现有效的射束成形。
文献DE 10 2011 084 610 A1公开一种用于机动车的进行角度分辨的雷达传感器，其具有包括多个天线元件的天线。在此，每个天线元件可以连接到多个分析处理信道之一，并且与分析处理装置耦合，以确定接收信号的入射角。
发明内容
本发明提出一种具有权利要求1的特征的用于分析处理雷达信号的设备和一种具有权利要求8的特征的用于分析处理雷达信号的方法。
据此设置：
一种用于分析处理雷达信号的设备。该设备包括第一天线阵列、第二天线阵列、第一处理装置、第二处理单元和分析处理装置。第一天线阵列包括多个天线元件，尤其多个优选相同类型的沿着虚拟轴线布置的天线元件。第一天线阵列设计用于接收第一雷达信号。第二天线阵列包括多个天线元件。类似于第一天线阵列，第二天线阵列的天线元件也沿着虚拟轴线布置。其上布置有第一天线阵列的天线元件的虚拟轴线尤其平行于其上布置有第二天线阵列的天线元件的虚拟轴线地延伸。第二天线阵列设计用于接收第二雷达信号。第一处理装置设计用于将第一射束成形应用于由第一天线阵列接收的第一雷达信号。类似地，第二处理装置设计用于将第二射束成形应用于由第二天线阵列接收的第二雷达信号。第二射束成形尤其不同于第一射束成形。分析处理装置设计用于使用第一射束成形和第二射束成形的结果来分析处理所接收的雷达信号。
此外设置：
一种用于分析处理雷达信号的方法，其具有以下步骤：由第一天线阵列接收第一雷达信号，以及由第二天线阵列接收第二雷达信号。
此外，该方法包括以下步骤：将第一射束成形应用于所接收的第一雷达信号，以及将第二射束成形应用于所接收的第二雷达信号。第二射束成形尤其不同于第一射束成形。最后，该方法包括使用第一射束成形和第二射束成形的结果来分析处理所接收的雷达信号的步骤。
本发明的优点
本发明基于以下知识：当来自天线阵列的雷达信号被数字射束成形时，在定位场的角度范围上产生一个波动的增益。尤其在定位场的角度范围上可以记录增益中的显著骤变(Einbruch)。
因此，本发明的构思是考虑该知识并提供对雷达信号的分析处理，所述分析处理抵消增益中的这种骤变，并且使得能够在定位场的角度范围上以至少大约更均匀的变化曲线进行分析处理。
为此，本发明的一种方案是将多个不同的射束成形应用于所接收的雷达信号，其中，在此尤其使用多个线性天线阵列，优选地使用具有等距间隔的天线元件的多个天线阵列(Uniform Linear Array，缩写ULA)。在这种情况下，可以对来自天线阵列的每个雷达信号分别应用不同的射束成形。优选地，不同的射束成形在此可以至少近似地互相补充，以实现均匀的天线增益。例如在来自第二天线阵列的雷达信号的射束成形具有最小值的范围中，来自第一天线阵列的雷达信号的射束成形可以具有最大值。以这种方式，第一天线阵列的射束成形的增益骤变可以通过来自第二天线阵列的雷达信号的相应射束成形而至少近似地补偿。
在本发明的上下文中，雷达信号应理解为线性天线阵列的各个天线元件的各个接收信道的所有信号的总和。雷达系统例如可以有规律地、优选周期性地发射高频信号，该高频信号被待探测的对象反射。然后，反射信号可以由天线阵列的天线元件接收，并在各个接收信道中提供用以进一步处理。通过多次发射高频信号并接收相应的雷达响应，还可以以这种方式按时间顺序依次接收多个雷达信号，然后可以对其进行分析处理。
在此，在射束成形时可以形成多个射束。尤其可以对于每个天线执行分开的射束成形。因此，对于N个天线存在N个射束或雷达信号。
第一天线阵列和第二天线阵列可以分别是具有多个天线元件的分开的天线阵列。此外，两个天线阵列也可以由共同的二维天线阵列形成。第一天线阵列的和/或第二天线阵列的或共同的二维天线阵列的各个天线元件可以优选地通过合适的接收结构形成在载体基底、尤其共同的载体基底上。
根据一种实施方式，第一天线阵列和第二天线阵列分别包括相同数量的天线元件。第一天线阵列和第二天线阵列的天线元件的数量尤其可以匹配于例如借助快速傅里叶变换(FFT)的尽可能有效的进一步处理。此外，通过相同数量的用于第一和第二天线阵列的天线元件，也可以将用于射束成形的相应的计算规则特别简单地彼此协调。
根据一种实施方式，第一天线阵列和第二天线阵列的每两个相邻天线元件之间的间距相等。由此，两个天线阵列的接收特性彼此非常良好地匹配。此外，可以通过对第一和第二射束成形越过非常宽的角度范围进行合适匹配来实现平衡的天线增益。
根据一种替代的实施方式，第一天线阵列的相邻天线元件之间的间距和第二天线阵列的相邻天线元件之间的间距是不同的。由此得出第一天线阵列和第二天线阵列的不同的接收特性。这使得能够在预给定的优选范围中提高天线增益。
根据一种实施方式，处理装置和/或第二处理装置设计用于将多个射束成形应用于由相应的天线阵列接收的雷达信号。在此，通过将多个不同的射束成形应用于同一个雷达信号——在此例如应用于单个天线阵列，通过各个射束成形的适当叠加可以实现天线增益的均匀化。
此外，例如对于在时间上依次接收的雷达信号的序列，还可以对各个接收的雷达信号分别应用不同的射束成形。以这种方式，可以对接收的雷达信号分别应用不同的射束成形，而不必通过多次射束成形来增加计算开销。
根据一种实施方式，与第一射束成形的最大值相比，第二射束成形的最大值移位半个区间(Bin)。通过两个射束成形移位半个区间，第二射束成形的最大值位于第一射束成形的最小值的范围内。以这种方式，可以至少近似地实现增益在雷达信号的定位场的角度范围上的均匀的变化曲线。在此，区间相应于射束成形中天线波束(Antennenbeam)的两个相邻最大值之间的间距。
根据一种实施方式，该设备包括至少一个另外的天线阵列和与所述另外的天线阵列相对应的处理装置。另外的处理装置设计用于将一个另外的射束成形应用于由所述另外的天线阵列接收的雷达信号。通过增加天线阵列和相应的处理装置的数量，可以在相应地调整射束成形的情况下实现天线增益的进一步均匀化。
根据一种实施方式，第一射束成形的应用和第二射束成形的应用借助傅里叶变换、尤其快速傅里叶变换(FFT)来进行。由此可以实现特别节省资源且快速的射束成形。
根据一种实施方式，第一射束成形的应用和第二射束成形的应用可以通过应用复数窗函数来进行。例如，与第一射束成形的最大值相比，复数窗函数尤其可以实现第二射束成形的最大值移位半个区间。
上述构型和扩展方案可以在有意义的范围内任意相互组合。本发明的其他构型、扩展方案和实现方案还包括上文中或下文中参照实施例描述的本发明的特征的没有明确提及的组合。在此，本领域技术人员还将添加个别方面作为对本发明的相应基本方式的改进或补充。
附图说明
接下来根据附图阐述本发明的其他特征和优点。在此示出：
图1：根据一种实施方式的用于分析处理雷达信号的设备的方框图的示意图；
图2：根据一种实施方式的在射束成形之后的天线增益的示意图；以及
图3：根据一种实施方式的基于用于分析处理雷达信号的方法的流程图的示意图。
具体实施方式
图1示出雷达信号与用于分析处理雷达信号的设备1的方框图的示意图。该雷达系统包括发射高频信号的发射天线100。所发射的信号可以在对象上反射。然后，反射信号被天线阵列11和12的天线元件接收并被提供给分别连接的处理装置21和22。在上下文中，雷达信号应理解为天线阵列11或12的天线元件的分别对应于所发射的雷达信号的所有接收信道的总体。由于通过发射天线100多次发射发射信号，因此通过天线阵列11和12的天线元件也分别接收到多个雷达信号的时间序列。
天线阵列11和12优选是具有等距布置的多个天线元件的天线阵列，其中，天线阵列11或12的各个天线元件分别沿虚拟轴线布置。优选地，其上布置有第一天线阵列11的天线元件的虚拟轴线平行于其上布置有第二天线阵列12的天线元件的虚拟轴线地延伸。在此，两个天线阵列11和12可以是两个彼此完全独立的天线阵列。尤其可以分别在不同的载体基底上实现第一天线阵列11和第二天线阵列12。此外，第一天线阵列11和第二天线阵列12也可以实现为共同的二维天线阵列。例如，第一天线阵列11的和第二天线阵列12的天线元件可以布置在共同的载体基底上。此外，具有一个或多个天线元件的发射天线100也可以在用于第一天线阵列11和第二天线阵列12的载体基底上实现。
在此，图1中所示的分别具有用于第一天线阵列11和第二天线阵列12的四个天线元件的布置仅为了理解，而不表示本发明的任何限制。更准确地说，任何其他数量的用于第一天线阵列11和第二天线阵列12的天线元件也是可能的。在此，第一天线阵列11和第二天线阵列12优选具有相同数量的天线元件。然而，此外，第一天线阵列11的天线元件的数量原则上可以不同于第二天线阵列12的天线元件的数量。
第一天线阵列11和第二天线阵列12的每两个相邻的天线元件具有相等的间距，即天线阵列11和12的各个天线元件等距地布置。第一天线阵列11的两个相邻天线元件之间的间距和第二天线阵列12的两个相邻天线元件之间的间距尤其可以相等。然而，此外，第一天线阵列11的两个相邻天线元件之间的间距也可以大于或小于第二天线阵列12的两个相邻天线元件之间的间距。
为了进一步处理，将由第一天线阵列11的各个天线元件接收的信号作为第一雷达信号共同地输送给第一处理装置21。类似地，将由第二天线阵列12的天线元件接收的信号作为第二雷达信号输送给第二处理装置22。
第一处理装置11使用由第一天线阵列11的天线元件提供的信号来分别对于雷达信号计算第一射束成形。尤其在具有等距布置的天线元件的第一天线阵列的先前已经描述的配置下，可以借助快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，缩写FFT)特别简单地实施射束成形。由于已知借助FFT进行的这种射束成形的基础，因此在此不再做相应的阐述。在此，例如可以通过使用合适的窗函数来实现基于天线元件的各个信号的雷达信号的数字射束成形。
类似于第一处理装置21，第二处理装置22也对第二雷达信号实施射束成形，该第二雷达信号包括由第二天线阵列12的天线元件提供的信号。这种射束成形也可以借助合适的快速傅立叶变换来进行。
在此，第二处理装置22实施第二射束成形，该第二射束成形不同于通过第一处理装置21实施的第一射束成形。在此，第一射束成形的最大值优选地例如处于第二射束成形具有最小值的角度范围内。类似地，第一射束成形在第二射束成形具有最大值的角度范围中具有最小值。
图2示出关于第一射束成形的天线增益(以实线示出)以及关于第二射束成形的天线增益(以虚线示出)的示意图。通过叠加两个天线增益，可以在雷达系统的整个角度范围上得出待实现的天线增益的明显均匀化。
在此，第一处理装置21优选地分别实施固定地预给定的第一射束成形，并且第二处理装置22执行固定地预给定的第二射束成形。然而，此外，也可以可变地匹配待实施的第一和第二射束成形。此外，第一处理装置21和/或第二处理装置22也可以实施多于一个射束成形。例如，两个处理装置21、22中的每一个都可以实施两个射束成形，从而得出总共四个射束成形，其中，各个射束成形在此彼此匹配，使得可以通过叠加所有射束成形来实现尽可能均匀的天线增益。
在此，例如可以通过使用复数窗函数来实现各个射束成形的最大值的移位。例如，可以通过相应的复数窗函数来实现第二射束成形的最大值相对于第一射束成形的最大值移位半个区间。例如，可以通过以下公式来实现这种窗函数：
w(n)＝exp(j＊2＊pi＊0，5＊n/N)＝exp(j＊pi＊n/N)
在此：
w：复数窗函数；
N：天线阵列11或12的天线元件2-i的数量；
n：相应天线阵列11或12的天线元件2-i的接收信道。
除了上述具有两个天线阵列11和12的实施例之外，还可以使用多于两个——例如三个、四个或更多个天线阵列，尤其具有等距布置的天线元件的天线阵列。在此，可以对于雷达信号借助天线阵列的天线元件的接收信道分别实现实施适当的射束成形的相应处理装置。在此，在多于两个的射束成形的情况下，可以分别相应于射束成形的数量地移位各个射束成形的最大值。例如，当使用三个天线阵列时，各个最大值可以相对于彼此移位三分之一，或者通常在使用n个天线阵列时，最大值可以相对于彼此移位1/n。
将各个射束成形的结果输送给分析处理装置30，该分析处理装置可以使用各个射束成形分别处理雷达信号。在此，例如可以探测一个或多个对象、确定对象速度等。此外，当然也可以使用多个射束成形对雷达信号进行任何其他适当的分析处理。
图3示出根据一种实施方式的基于用于分析处理雷达信号的方法的流程图的示意图。在步骤S1中，第一天线阵列11接收第一雷达信号。此外，在步骤S2中，第二天线阵列12接收第二雷达信号。第一雷达信号的接收和第二雷达信号的接收优选在相同的时间点进行。在步骤S3中，对所接收的第一雷达信号进行第一射束成形，而在步骤S4中，对所接收的第二雷达信号进行第二射束成形。在此，第二射束成形不同于第一射束成形。最后，在步骤S5中，使用第一射束成形和第二射束成形的结果来分析处理所接收的雷达信号。分析处理例如可以包括探测一个或多个对象、确定对象的速度等。当然，对雷达信号的任何其他分析处理也是可能的。
总而言之，本发明涉及对雷达信号、尤其对借助多个ULA天线接收的雷达信号的经改善的分析处理。通过对各个ULA天线的雷达信号应用不同的射束成形，可以通过射束成形补偿增益中的骤变。

Claims (10)

1.一种用于分析处理雷达信号的设备(1)，所述设备具有：
第一天线阵列，所述第一天线阵列具有多个天线元件并且设计用于接收第一雷达信号；
第二天线阵列，所述第二天线阵列具有多个天线元件并且设计用于接收第二雷达信号；
第一处理装置(11)，所述第一处理装置设计用于将第一射束成形应用于由所述第一天线阵列接收的第一雷达信号；
第二处理装置(12)，所述第二处理装置设计用于将第二射束成形应用于由所述第二天线阵列接收的第二雷达信号，其中，所述第二射束成形与所述第一射束成形不同；
分析处理装置(13)，所述分析处理装置设计用于使用所述第一射束成形和所述第二射束成形的结果来分析处理所接收的雷达信号。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述第一天线阵列和所述第二天线阵列包括相同数量的天线元件。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其中，所述第一天线阵列的和所述第二天线阵列的相邻天线元件之间的间距相等。
4.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其中，所述第一天线阵列的相邻天线元件之间的间距和所述第二天线阵列的相邻天线元件之间的间距不同。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(1)，其中，所述第一处理装置(11)和/或所述第二处理装置(12)设计用于将多个射束成形应用于由相应的天线阵列接收的雷达信号。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备(1)，其中，与所述第一射束成形的最大值相比，所述第二射束成形的最大值移位半个区间。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备(1)，所述设备具有至少一个另外的天线阵列和与所述另外的天线阵列相对应的处理装置，所述处理装置设计用于将一个另外的射束成形应用于由所述另外的天线阵列接收的雷达信号。
8.一种用于分析处理雷达信号的方法，所述方法具有以下步骤：
由第一天线阵列(11)接收(S1)第一雷达信号；
由第二天线阵列(12)接收(S2)第二雷达信号；
将第一射束成形应用(S3)于所接收的第一雷达信号；
将第二射束成形应用(S4)于所接收的第二雷达信号，其中，所述第二射束成形不同于所述第一射束成形；
使用所述第一射束成形和所述第二射束成形的结果来分析处理(S5)所接收的雷达信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一射束成形的应用(S3)和所述第二射束成形的应用(S4)分别包括傅里叶变换。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一射束成形的应用(S3)和/或所述第二射束成形的应用(S4)包括复数窗函数的应用。
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