CN113811789A - 用于评估雷达系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对雷达系统进行评估、尤其是成像和/或MIMO处理的的方法，所述雷达系统包括用于发射和接收信号的至少一个第一雷达单元和用于发射和接收信号的至少一个第二雷达单元，所述至少一个第一雷达单元和所述至少一个第二雷达单元构成总雷达阵列，其中，在评估时仅考虑所述总雷达阵列的部分雷达阵列。

Description

用于评估雷达系统的方法
技术领域
本发明涉及对雷达系统、尤其是稀疏的雷达系统进行评估的方法以及设备。
背景技术
用于具有(通常称为稀疏阵列的)稀疏的天线装置的雷达的现有技术是例如根据A.Schiessl、A.Genghammer、S.Ahmed和L.-P.Schmidt于2012年在欧洲雷达遥感大会发表的Hardware Realization of a 2m×1m Fully Electronic Real-Time mm-Wave ImagingSystem的用于成像和用于MiMo处理的评估方法。在此，尤其是在非常稀疏的阵列中产生高的旁瓣/衍射图案，所述旁瓣/衍射图案使得实际的评估非常困难。此外，这样的阵列经常强烈地扩展并且因此不能利用波束成形器文献中的传统的波束成形器方法来解决，例如根据WO2018/158281A1，这样的扩展的稀疏阵列特别经常地出现在分布式雷达系统中，其在后处理中才建立相关性。
发明内容
本发明的任务是，提出一种用于对尤其是稀疏的雷达系统的信号进行评估、尤其是成像和/或MIMO处理的相对简单但精确的方法。此外，还应提出一种对应的评估设备、一种对应的雷达系统以及一种对应的移动装置。
所述任务尤其是通过权利要求1来解决。
尤其地，所述任务通过一种用于对尤其是稀疏的雷达系统(稀疏雷达阵列)的和/或具有大口径的雷达系统的信号进行评估(必要情况下进行成像和/或进行MIMO处理和/或进行目标识别或进行定位和/或进行目标速度确定)的方法来解决，所述雷达系统包括用于发射和/或接收信号的至少一个第一雷达单元和用于发射和/或接收信号的至少一个第二雷达单元，所述至少一个第一雷达单元和所述至少一个第二雷达单元构成(虚拟的)总雷达阵列(具有天线信道或者说物理信道和虚拟信道)，其中，在(用于)评估时仅考虑总雷达阵列的部分雷达阵列。
每个雷达单元可以包括至少两个(或至少三个或至少四个)接收天线和/或至少两个(或至少三个)发射天线。多个、必要情况下全部的天线可以设置在一条(直)线上。
相应的雷达单元也可以被称作发射-接收单元。
总体上和/或在两个雷达单元之间可以构造有至少六个、优选至少十二个、必要情况下至少20个虚拟信道。
在实施方式中，所述部分雷达阵列仅包括虚拟信道。
优选地，所考虑的部分雷达阵列(完全)位于第一雷达单元与第二雷达单元之间。
对于部分雷达阵列，可以考虑在第一雷达单元与第二雷达单元之间必要情况下全部的虚拟信道。
优选地，所述部分雷达阵列选择成，使得可以使用远场近似。
优选地，至少一个目标位于总雷达阵列的近场中和/或位于部分雷达阵列的远场中。
优选地，所述评估包括波束成形(Beamforming)(字面上翻译成波束成形(Strahl-Formung))。
优选地，在评估步骤中假设目标的位置位于椭圆上，并且雷达位置位于椭圆焦点中。所述椭圆尤其不是圆形。雷达位置可以通过相应的雷达单元的天线的中心点来近似。在此，也有利地充分利用的是：在雷达位置方面的误差由于椭圆的曲率而仅具有小的影响(或者说在多倍波长的情况下才变得重要)。
所述评估、尤其是波束成形可以包括窗函数、尤其是汉宁窗的应用。
在评估时可以考虑波束成形器权重，必要情况下可以事先确定、尤其是计算所述波束成形器权重，必要情况下能够由假设向量进行所述确定，和/或能够存储所述波束成形器权重，其中，所述波束成形器权重在后一种情况下尤其是仅确定、尤其是计算一次并且考虑用于不同的雷达测量。
优选地，所述评估、尤其是波束成形适配成，使得考虑到远场近似不适用于总雷达阵列，然而适用于部分雷达阵列。
优选地，目标(关于由第一雷达单元和第二雷达单元形成的交叉路径)在相同的距离FFT块(Range-FFT-Bin)中。
至少一个发射天线、必要情况下所有发射天线的发射频率优选为至少1GHz、优选至少10GHz、例如77GHz。
上述任务还通过一种评估设备、尤其是用于实施上述或下述的用于对尤其是稀疏的雷达系统的信号进行评估(必要情况下进行成像和/或进行MIMO处理和/或进行目标识别或进行定位和/或进行目标速度确定)的评估设备来解决，所述雷达系统包括用于发射和接收信号的至少一个第一雷达单元和用于发射和接收信号的至少一个第二雷达单元，所述至少一个第一雷达单元和所述至少一个第二雷达单元构成(虚拟的)总雷达阵列(具有天线信道或者说物理信道和虚拟信道)，其中，在(用于)评估时仅考虑总雷达阵列的部分雷达阵列。
所述评估设备可以具有至少一个(电子)存储器和/或至少一个(微)处理器和/或用于电流传输的至少一个接口和/或用于数据传输的至少一个接口。
上述任务还通过一种雷达系统以及所述评估设备来解决，所述雷达系统包括用于发射和接收信号的至少一个第一雷达单元和用于发射和接收信号的至少一个第二雷达单元，所述至少一个第一雷达单元和所述至少一个第二雷达单元构成(虚拟的)总雷达阵列。
上述任务还通过一种移动装置、尤其是车辆、优选机动车和/或船和/或飞机、进一步优选轿车或载重车来解决，所述移动装置包括所述评估设备和/或所述雷达系统。在实施方式中，第一雷达单元和/或第二雷达单元、必要情况下所述雷达系统可以设置(集成)在保险杠中/在保险杠上。
其它实施方式由从属权利要求得出。
附图说明
在下面的说明中也参考附图描述本发明的其它基本原理、方面和实施方式。在这里，在附图中：
图1示出根据本发明的雷达系统的示意图；
图2示出图1的局部；
图3示出具有明显的旁瓣的图像；
图4示出雷达图像；
图5示出伪谱；
图6示出伪谱；
图7示出伪谱；
图8示出伪谱。
具体实施方式
在下面的说明中，对于相同的和相同作用的部件使用相同的附图标记。
图1和图2高度示意性地示出具有两个雷达单元10和11以及虚拟信道组12、13和14的雷达系统9。虚拟信道组12设置在雷达单元10与11之间。每个虚拟信道组可以具有多于通过星形符号表示的信道17(例如24个信道)。第一雷达单元和/或第二雷达单元可以具有多个(例如四个或更多个)接收天线15和/或多个(例如三个或更多个)发射天线16。
在根据图1和图2的可以实施为具有多个发射和接收信道的MIMO系统的稀疏阵列中，只要给出远场近似，就可以将附加的虚拟信道表示实施为空间卷积。原则上，近场近似从
Figure BDA0003346329350000041
的目标距离起才适用，其中，L是天线口径的空间延伸尺寸，f是发射频率，并且c是光速。
在图1中变得清楚的是真实信道和虚拟信道如何形成稀疏阵列。
通常，这样的布置结构具有窄的主瓣和高且大量的旁瓣。用非常稀疏的阵列记录的图像例如在图3中示出。
优选地，从所述布置结构中选择位于所述两个阵列之间并且较少稀疏的部分布置结构(在图1中的信道组12)。通过较小的延伸尺寸降低可达到的分辨率，对此，旁瓣较小。图4示出参考两个彼此紧密相邻的目标。可以很好地看出的是，不出现强的旁支。
在此，特别有利的是，在阵列的中心仅使用虚拟的阵列元件，因为这些阵列元件由于子阵列的空间卷积而总是位于两个雷达的中心。在此，在中心的虚拟信道的相对距离(至少基本上或至少以第一近似)仅与模块(雷达单元10、11)中的天线彼此相关。由此省去精确地知道模块之间的距离以及必要情况下校准由于热膨胀引起的变化的必要性。因此优选省去相对于现有技术比较耗费的步骤。此外，所述距离例如在振动时也可以是不恒定的。
原则上，任何类型的波束成形器都可应用于总阵列和/或部分阵列。然而，在伸展的(稀疏阵列)的天线装置中由于较大的延伸尺寸以及例如77GHz的高发射和接收频率，不再给出远场近似。
在这些情况下，根据现有技术，例如根据F.Ali,G.Bauer和M.Vossiek于2014年7月在IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES VOL.62,NO.7上发表的ARotating Synthetic Aperture Radar Imaging Concept for Robot Navigation，选择完全全息的解决方案。由此实现了良好的结果，然而这与非常高的计算耗费相对立。因此特别有利的是实现为适配的波束成形器。
当由于天线阵列的尺寸或所使用的带宽，目标在距离FFT之后出现在不同的块中时，全息重建通常是必要的。因此，既对于目标频率也对于目标相位建立假设，这在计算上是耗费的。
在这里，所考虑的稀疏阵列的优点是，即使目标位于总天线装置的近场中，该目标也位于由两个雷达单元的口径构成的部分口径的远场中。在这里，特别有利的是，目标因此在两个交叉路径中处于相同的距离FFT块中。这能够借助合适的波束成形器实现对两个雷达(雷达单元)的交叉路径频谱的高效计算的计算。尽管当目标位于总天线装置的近场中时传统的MIMO处理不能在这里应用，但是可以借助波束成形器有利地使用TX和RX天线阵列的组合。由两个雷达单元构成的布置结构的交叉路径的距离信息将目标的位置限制到椭圆上，其中，雷达位置在椭圆焦点上。椭圆参数如下：
偏心距是
Figure BDA0003346329350000061
其中，b为两个雷达站之间的距离。
对于假设的往返交叉路径距离dhyp，例如从雷达单元10的TX(发射天线)到目标到雷达单元11的RX(接收天线)的距离(或反之亦然)，对于椭圆长轴得出
Figure BDA0003346329350000062
椭圆短轴是
Figure BDA0003346329350000063
因此，对于假定的方位角
Figure BDA0003346329350000064
可以如下计算在笛卡尔坐标系中的假定的目标位置phyp：
Figure BDA0003346329350000065
Figure BDA0003346329350000066
phyp＝[xhyp,yhyp]T。
利用TX天线n的位置
Figure BDA0003346329350000067
或RX天线m的位置
Figure BDA0003346329350000068
可以计算从相应的TX天线到目标以及从目标到相应的RX天线的往返距离：
Figure BDA0003346329350000069
其中，‖·‖2为欧几里得距离。利用斜坡开始频率和斜坡开始带宽f0和B或光速c0可以计算相位假设
Figure BDA00033463293500000610
Figure BDA0003346329350000071
项0.5B考虑(FMCW)带宽对相位的影响。
然后可以如下计算假设向量的元素：
Figure BDA0003346329350000072
雷达图像
Figure BDA0003346329350000073
从对假设与测量sm,n(dhyp)的比较中得出：
Figure BDA0003346329350000074
在图5和图6中分别针对在15°和40°时在近场中的目标示出模拟结果为“NFBF”。当将波束成形扩展了窗口w(例如汉宁窗)
Figure BDA0003346329350000075
时，获得“NFBF WND”的频谱。如看出的那样，所述窗口减少了频谱的一些区域中的旁瓣。然而对于成像应用，高达-15dB的剩余旁瓣是不允许地高的。这是因为两个部分口径的组合不是产生全部被占的均匀线性阵列(ULA)，而是产生稀疏阵列。
为了降低旁瓣水平，对波束成形器权重的优化可以如例如在P.Gerstoft、A.Xenaki和C.F.
Figure BDA0003346329350000076
在2015年10月在The Journal of the AcousticalSociety of America,vol.138,No.4第2003-2014页的文章“Multiple and singlesnapshot compressive beamforming”中所描述地实施。这对应于一种简单的非迭代的压缩感知方法或最小二乘优化方案。
如果将对于距离和所有角度的假设组合在一个矩阵H中，则可以如下计算优化的权重：
H0＝H(HHH+μI)，
其中，μ为正则化参数和I为单位矩阵。优化的权重与测量数据无关。因此，可以仅对优化的权重计算和存储一次并且然后应用于每次测量。因此，对于优化的波束成形器的应用的计算耗费等于最简单的延迟求和波束成形器的计算耗费。
在图7和图8中，优化的权重的应用的结果针对在15°和40°时在近场中的目标的示出为“NFBF CS”。如可看出的那样，由此将远离主峰的旁瓣减小到约-25dB。例如利用汉宁窗的附加的窗口化导致旁瓣以主瓣的扩张为代价进一步减小到-35dB。
本发明的重点是：
1)使用具有比主阵列更好的总体特性的子阵列。
2)利用合适的波束成形器计算子阵列，该波束成形器考虑到a)远场近似不适用于总口径并考虑到且b)远场近似适用于子口径。
这些重点被认看作是上述任务的独立的和所要求保护的解决方案并且可以可选地与一个或多个所附权利要求和/或上面的说明中的特征组合。
就此要指出的是，上面描述的所有部件或功能，自身单独地或者以任何组合，尤其是在附图中示出的细节，被作为对于本发明而言重要的内容而要求保护。由此的变型对于本领域技术人员而言是熟悉的。
附图标记列表
9 雷达系统
10 第一雷达单元
11 第二雷达单元
12 虚拟信道组
13 虚拟信道组
14 虚拟信道组
15 发射天线
16 接收天线
17 虚拟信道

Claims (13)

1.用于对尤其是稀疏的雷达系统的信号进行评估、尤其是成像和/或MIMO处理的方法，所述雷达系统包括用于发射和接收信号的至少一个第一雷达单元和用于发射和接收信号的至少一个第二雷达单元，所述至少一个第一雷达单元和所述至少一个第二雷达单元构成总雷达阵列，其中，在评估时仅考虑所述总雷达阵列的部分雷达阵列。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所考虑的部分雷达阵列位于所述第一雷达单元与所述第二雷达单元之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述部分雷达阵列选择成，使得能够使用远场近似。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少一个目标位于所述总雷达阵列的近场中并且位于所述部分雷达阵列的远场中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述评估包括波束成形。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在评估步骤中假设，目标的位置位于椭圆上，并且第一雷达单元和第二雷达单元的位置位于椭圆焦点中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述评估、尤其是波束成形包括窗函数、尤其是汉宁窗。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述评估时考虑波束成形器权重，能够事先确定、尤其是计算所述波束成形器权重，必要情况下由假设向量进行所述事先确定，和/或能够存储所述波束成形器权重，所述波束成形器权重在后一种情况下尤其是仅确定、尤其是计算一次并且考虑用于不同的雷达测量。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述评估、尤其是波束成形适配成，使得考虑到远场近似不适用于所述总雷达阵列，然而适用于所述部分雷达阵列。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，目标在由第一雷达单元和第二雷达单元形成的交叉路径中在同一块中、尤其是在距离FFT块中。
11.评估设备，尤其是用于实施根据前述权利要求中任一项所述的用于对尤其是稀疏的雷达系统的信号进行评估、尤其是成像和/或MIMO处理的方法的评估设备，所述雷达系统包括用于发射和接收信号的至少一个第一雷达单元和用于发射和接收信号的至少一个第二雷达单元，所述至少一个第一雷达单元和所述至少一个第二雷达单元构成总雷达阵列，其中，在评估时仅考虑所述总雷达阵列的部分雷达阵列。
12.雷达系统，所述雷达系统包括用于发射和接收信号的至少一个第一雷达单元和用于发射和接收信号的至少一个第二雷达单元，以及所述雷达系统包括根据权利要求11所述的评估设备，所述至少一个第一雷达单元和所述至少一个第二雷达单元构成总雷达阵列。
13.移动装置、尤其是车辆、优选轿车或载重车，所述移动装置包括根据权利要求11所述的评估设备和/或根据权利要求12所述的雷达系统。
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