CN113848553A - 用于运行机动车中的雷达传感器的方法、雷达传感器和机动车 - Google Patents

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Abstract

一种用于运行机动车(10)中的雷达传感器(14)的方法，在所述方法中，在SAR测量模式下，根据合成孔径原理，以高角度分辨率对对包括静止对象(12)在内的对象进行定位，其特征在于，同一雷达传感器(14)时间错开地或同时地在所述SAR测量模式和多普勒测量模式下运行，其中，在所述多普勒测量模式下，以比所述SAR测量模式下的时间分辨率更大的时间分辨率，对包括运动对象在内的对象的相对速度进行测量。

Description

用于运行机动车中的雷达传感器的方法、雷达传感器和机 动车
技术领域
本发明涉及一种用于运行机动车中的雷达传感器的方法，在该方法中，在SAR测量模式下，根据合成孔径原理，以高角度分辨率对包括静止对象在内的对象进行定位。
背景技术
用于测量对象的间距、相对速度和定位角度的雷达系统在机动车中用于不同的辅助功能，例如用于安全功能(例如自动碰撞警告或碰撞避免)以及用于舒适性功能(例如自动搜索停车位)。在DE 199 12 370 A1中描述一种用于运行机动车中的SAR雷达传感器的方法的示例。
合成孔径原理允许雷达传感器的自身运动中的特别精确的角度测量，其方式为：将不同局部位置处的雷达测量如此相互组合，使得以合成的方式产生大的天线孔径。合成孔径通过以下方式实现：发送和接收天线在每个单个雷达测量的时刻由于车辆和雷达传感器的自身运动而处于不同的位置处。因此，能够如此处理所接收的雷达回波，就好像沿着车辆的行驶轨迹存在大的天线孔径那样。由此，与在具有由安装决定地受限的物理孔径的天线阵列的情况下相比，能够实现明显更大的角度分辨能力。
为了根据合成孔径原理对所测量的雷达信号进行分析处理，必须已知雷达传感器的自身运动，即已知车辆的行驶轨迹。该行驶轨迹是SAR分析处理算法的输入参数，并且表示SAR图像计算的基础。根据分析处理算法，测量精确的行驶轨迹，或者基于所测量的车辆自身速度来估计行驶轨迹，其中，假设轨迹的线性走向。
一般，在常规的SAR分析处理算法中，将雷达周围环境假设为静止的。然而，也有将SAR分析处理延伸到非静止的雷达周围环境的方案，其方式为：针对对象的适度运动进行校正。
雷达传感器的发送频率通常位于大约24GHz或77GHz处。SAR分析处理一般不取决于分别使用的用于频率调制的方法。用于频率调制的最大可占用的带宽一般位于4GHz以下，在大多数情况下大约位于0.5GHz的数量级。
在用于机动车的雷达系统中经常使用的调制方法是具有“快速斜坡”(Fast-Chirp-Modulation，快速线性调频调制)的FMCW调制(Frequency Modulated ContinuousWave，调频连续波)，其中，具有相同坡度的多个线性频率斜坡依次通过。在低通滤波后，当前发送信号与接收信号的混频产生低频(差拍(Schwebung))信号，该低频(差拍)信号的频率与所定位的对象的间距成比例。通常如此设计该系统，使得在所定位的对象的通常的相对速度下，差拍频率的由多普勒效应所引起的份额可以忽略地小。如此，在适当地选择参数的情况下，获得唯一明确的间距信息。随后，多普勒位移以及因此相对速度能够通过观察(复)间距信号的相位越过多个斜坡的时间发展来进行确定。间距测量和速度测量可以相互独立地进行，例如借助二维快速傅里叶变换。
快速线性调频调制也可以在SAR雷达传感器中使用。然后，间距测量可以以与在经典的FMCW雷达中相同的方式进行。然而，越过频率斜坡的多普勒分析处理由SAR分析处理取代，从而作为测量结果，不是获得多普勒测量，而是在假设静止目标的情况下以及在了解车辆自身运动的情况下获得角度测量。
对于SAR分析处理，在文献中已知不同算法。对于机动车领域中的应用，优选如下算法：该算法在行驶轨迹的走向方面需要一定的限制，然而，对此能够借助在机动车中可用的数据处理能力实时高效地计算SAR图像。
由于角度分辨率取决于孔径大小并且因此取决于在一个测量周期内所驶过的轨迹的长度(该长度在其方面与行驶速度和时间的乘积成比例)，因此在具有高角度分辨率的SAR分析处理中时间分辨率必然是受限的。因此，SAR雷达传感器尤其用于如下应用：在这些应用中，待检测的雷达周围环境仅具有低的动态性。相反，为了检测高度动态的驾驶情况，使用如下雷达传感器：该雷达传感器设计用于经典的测量原理，并且尤其能够实现以高的时间分辨率和速度分辨率测量相对速度。
发明内容
本发明的任务是，使得简单构建的雷达系统能够用于更大范围的测量任务。
根据本发明，该任务通过如下方式来解决：将同一雷达传感器时间错开地或同时地在SAR测量模式和多普勒测量模式下运行，其中，在多普勒测量模式下，以比SAR测量模式下的时间分辨率更大的时间分辨率，对包括运动对象在内的对象的相对速度进行测量。
因此，本发明允许将同一雷达传感器不仅用于需要高角度分辨率的测量任务，而且用于如下测量任务：这些测量任务涉及更加动态的情况的检测，并且这些测量任务因此需要更高的时间分辨率，即每单位时间内测量过程的更大数量的重复。以这种方式，能够以最小的硬件成本实现提高的功能性，尤其是以单个的雷达传感器已经能够实现提高的功能性。与具有独立雷达传感器的系统相比，同时得到以下优点：避免雷达信号之间的干扰。
在下文中对本发明的有利构型进行说明。
在一种实施方式中，雷达传感器可以以频分复用运行，从而信号分析处理能够在SAR测量模式和多普勒测量模式下同时进行，其中，用于不同分析处理模式的测量信号基于其频率相互分离。在另一种实施方式中，雷达传感器在给定的时刻要么在SAR测量模式下运行，要么在多普勒测量模式下运行，并且两种测量模式之间的切换取决于情况地或者根据确定的时分复用方案进行。
在SAR模式下，对于以下对象达到最大的角度分辨率：这些对象横向于车辆的行驶轨迹，即相对于车辆的当前行驶方向具有90°的数量级的定位角度。相反，对于自动间距调节或碰撞警告或碰撞避免范畴内的测量任务，尤其关键的是测量在自身车辆之前或者之后的对象(即，具有0°或180°的数量级的定位角度的对象)的间距和相对速度。因此，安装在车辆前部的雷达传感器优选地通过数字射束成形或通过单基地的或双基地的天线阵列的相应设计如此配置，使得其定位区域不仅覆盖车辆的前向方向，而且覆盖车辆的至少一侧上的侧向方向。相应地，安装在车辆后部的雷达传感器应至少覆盖车辆的反向方向和一侧。在此，可以如此设计天线图，使得定位角度范围为90°或更大，并且使得在前向方向或后向方向上更大的发送功率可供使用，从而在那里能够定位更大间距处的对象，而在车辆旁侧通常仅具有到自身车辆的较小间距的对象是重要相关的。
测量模式之间的切换可以取决于情况地进行。例如，在以较高的速度行驶在乡村道路或高速公路上时，更可能使用经典的多普勒测量模式，而在城市交通中的停车位搜索的情况下，自动地或借助驾驶员指令切换到SAR模式，以便识别和测量停车位。
在以时分复用运行时，SAR模式下的测量周期和多普勒模式下的测量周期相互交错。在此，使用两种测量模式的相对频率(die relative
Figure BDA0003133154350000041
)再次可以取决于情况而变化。例如，在行驶在多车道的行车道上时，在大多数测量周期中使用多普勒模式，以便例如进行自动间距调节，而仅偶尔插入SAR模式下的测量周期，以便对相邻车道上的交通事件或静止的交通进行“侧视”，或者以便对周围环境进行测绘。相反，在以低速行驶时，可以增加SAR模式下的测量周期的份额。
由于SAR模式仅在自身车辆的行驶期间是可使用的，因此可以在车辆的静止状态下自动切换为多普勒模式。
在一种实施方式中，根据测量任务，也可以设置SAR测量模式和/或多普勒测量模式下的多个分析处理算法之间的切换，从而可以针对每个测量任务选择对此最佳的分析处理算法。
通常，测量模式不仅在分析处理算法方面有所不同，而且在用于雷达传感器的硬件的参数方面有所不同。例如，可以在考虑到分别选择的分析处理算法的情况下，对发送频率、调制方案、用于数字射束成形的参数和其他运行参数进行优化。
在以时分复用或频分复用的测量模式的混合运行中，也可以根据融合算法将在两种测量模式下获得的测量结果进行融合，尤其是借助如下算法：该算法分别根据在该测量模式下可实现的精度或可靠性来对在两种测量模式下所获得的结果进行加权。
本发明的主题还为一种雷达传感器，该雷达传感器具有模拟的发送和接收硬件以及数字分析处理系统，在该雷达传感器中，模拟的发送和接收硬件以及数字分析处理系统配置用于SAR测量模式和多普勒测量模式。
附图说明
以下基于附图进一步阐述实施例。
附图示出：
图1至3示出用于阐述SAR测量原理的图示；
图4示出配置用于根据本发明的方法的雷达传感器的方框图；和
图5示出根据本发明的方法的时间图。
具体实施方式
在图1中，在具有x轴和y轴的直角坐标系中，在三个不同的时刻示出以恒定速度在x轴方向上行驶的机动车10，在这三个不同的时刻中，该机动车分别占据沿x轴的不同位置x1、x2、x3。静止对象12处于由车辆10驶过的轨迹的旁侧的坐标位置(x0，y0)中。车辆10在右前方具有在此仅示意性示出的雷达传感器14，该雷达传感器的定位角度范围16不仅覆盖车辆10前方的空间，而且覆盖在y轴方向上位于车辆旁侧的空间。(在此未示出车辆另一侧上的与此镜像布置的传感器)。
由雷达传感器14在位置x1、x2、x3中的每个中以不同的定位角度α1、α2、α3对对象12进行定位。在此，定位角度α1至α3分别定义为从雷达传感器14到对象12的视线与车辆的前向方向(即，穿过雷达传感器14的位置的、轴x的平行线)之间的角度。
雷达传感器14如常具有天线阵列，该天线阵列具有多个在水平线上并排布置的天线元件，这些天线元件形成确定的物理孔径，从而即使仅以受限的角度分辨率，也能够基于到达两个天线元件的信号之间的相位关系和振幅关系来测量对象12的定位角度。然而，根据合成孔径原理，在车辆10沿其轨迹从位置x1运动到位置x3期间，将所接收的雷达信号进行记录并且如此相互计算(verrechnet)，使得得出如下合成孔径：该合成孔径相应于x1与x3之间的间距，并且比雷达传感器的物理孔径大许多倍。由此可以至少在测量周期结束时以明显更高的角度分辨率测量对象12的定位角度α3。此外，借助雷达传感器14以已知的方式测量对象12的相应间距，从而可以以高精确度确定对象12的坐标位置(x0，y0)。
该测量原理例如适用于以高精度对车辆10的较近的周围环境中的对象的轮廓进行制图，该对象例如是停在路边的其他车辆以及这些车辆之间的停车位。同样地，该方法也可以用于，在行驶期间对车辆的较远的周围环境中的对象进行测绘，或者相反地，如果从数字地图中已知对象的位置，则基于所测量的定位角度来精确定位车辆10的自身位置。
将基于图2和图3阐述一种可能的分析处理方法。
在图2中，示出对象12以及针对车辆的三个位置x1至x3中的每个的定位角度α1、α2和α3。此外，针对每个位置示出车辆10的速度矢量v。假设该速度矢量在车辆从x1向x3运动的测量周期内是恒定的。此外，在图2中，针对三个位置中的每个，示出速度矢量v在从车辆到对象12的视线上的正交投影p1、p2、p3。投影矢量的量值分别说明对象12的当前相对速度。当对象在x轴方向上距离车辆仍然很远时，相对速度几乎等于车辆的自身速度，但是随着车辆越来越接近对象12在x轴上的位置x0，相对速度减小。该相对速度在x0处达到值0，并且然后变为负(对象离开)。
在图3中，将相对速度或相应的多普勒位移D作为车辆10在x轴上的位置的函数示出。曲线的形状取决于对象12与车辆10的轨迹在y轴方向上的间距。当间距变大时，曲线沿x轴经历中心延伸，该中心延伸以点x0为延伸中心，如在图3中通过虚线所标记的曲线所表明的那样。
当雷达传感器14以快速线性调频调制工作时，对于每个调制斜坡，通过一维傅里叶变换，在调制斜坡的持续时间上，获得对象的当前间距的值，该值实际上不取决于相对速度。在彼此相继的调制斜坡上所获得的信号的二维快速傅里叶变换在第二维度中提供说明相对速度的频谱。如果将积分时间选择得如此之短，使得相对速度在该时间期间实际上是恒定的，则针对每个时刻——并且因此也针对车辆沿行驶轨迹的每个位置x——获得相对速度的当前值，如其通过投影矢量p1至p3所表示的那样。通过与在图3中所示出的曲线进行比较，然后可以求取对象12的位置x0。因此，然后可以针对车辆在x轴上的每个位置求取对象的所属的定位角度。
如果在傅里叶变换中在第二维度中选择较长的积分时间，则直接获得如下的频谱：该频谱对于相对速度越过整个测量周期的时间变化是有代表性的。基于该频谱，可以针对每个时刻以特别高的精度确定对象的位置坐标y0并且因此确定定位角度。
在图4中，以方框图示出雷达传感器14的关键部件。雷达传感器如往常一样具有模拟的发送和接收硬件18，该模拟的发送和接收硬件通常呈高频适用的电路板的形式，在该电路板上布置有多个天线贴片、一个用于产生调频发送信号的本地振荡器以及用于将接收信号与当前发送信号进行混频的混频器。通过模数转换器，将在不同接收通道(天线贴片)中所接收的并且向下混频到差拍频带中的接收信号作为时间信号传递给数字计算单元20。
通过第一数字开关矩阵22，根据雷达传感器的运行模式，将数字化的时间信号要么传递给经典的多普勒分析处理单元24，要么传递给SAR分析处理单元26。在多普勒分析处理单元24中，在测量周期的持续时间上记录接收信号的数字化的复振幅，该测量周期包括多个彼此相继的频率斜坡(线性调频)。通过二维傅里叶变换形成二维频谱，该频谱在一个维度上说明所定位的对象的间距，并且在另一维度上说明相对速度。在该频谱中，每个对象通过确定间距处和确定相对速度处的峰来呈现。将每个单个天线贴片的信号在专门的接收通道中进行分析处理，并转换为相应的频谱。通过比较在不同频谱中针对同一对象(同一峰值)获得的复振幅，然后通过角度估计以一定的精度确定对象的定位角度。通过第二数字开关矩阵28，然后将如此获得的定位数据递交给不同的下游辅助功能，例如递交给安全功能30(例如紧急制动功能、自适应巡航控制等)和/或递交给一个或多个舒适性功能32(例如制图、停车位搜索等)，进行。
在SAR分析处理单元26中，同样在确定的测量周期上记录数字化的接收信号，并且使其经受二维快速傅里叶变换。如此获得的频谱也在一个维度上针对每个所定位的对象提供所属的对象间距。然而，在另一维度上，频谱不是关于相对速度来分析处理的，而是关于在图3中说明的、相对速度对定位角度的依赖性，假设所定位的对象是静止的(这可以基于对象间距的特征变化进行验证)并且假设车辆10在测量周期的持续时间期间以恒定且已知的速度在线性轨迹上运动。根据可用的计算能力，该分析处理可以针对多个接收通道并行进行，或仅针对单个接收通道进行。作为SAR分析处理单元26中的分析处理的结果，再次获得对象的间距数据以及高分辨率的角度数据，或者等同于此获得每个对象的位置坐标(x，y)，然而通常没有相对速度数据，或者至少没有具有高时间分辨率的相对速度数据。这些数据也通过数字开关矩阵28递交给安全功能30和/或舒适性功能32。
在所示出的示例中，计算单元20还包含融合级34，在该融合级中，可选地将由分析处理单元24和26所获得的定位数据彼此融合，分别根据通过不同分析处理方法所获得的数据的质量进行加权。经融合的结果也通过第二数字开关矩阵进一步传递给安全功能30和舒适性功能32。
分析处理单元24和26此外还针对发送和接收硬件18确定对于相应的分析处理算法而言最佳的运行参数，并且将相应的控制信号36提供给该硬件，从而使运行参数匹配于相应的测量模式。
雷达传感器10还具有模式选择级38，该模式选择级可以集成到计算单元20中，然而，在此为了清楚起见作为单独的块示出。该模式选择级38接收来自安全功能30和舒适性功能32的请求信号，根据交通状况(或者根据驾驶员指令)给予这些请求信号较高或者较低的优先级，并且基于这些优先级来确定雷达传感器的当前运行模式。例如，如果安全功能30之一识别到即将发生碰撞的危急交通状况，则紧急制动功能所需的数据(即，尤其是高分辨率的间距数据和速度数据)获得最高的优先级，并且计算单元在如下模式下工作：在该模式下，主要或仅多普勒分析处理单元24是激活的。
图5以时间图的形式示出用于运行根据图4的雷达传感器10的方法，在该方法中，多普勒分析处理单元24和SAR分析处理单元26以时分复用方式工作。时分复用周期包括一定数量N的彼此相继的测量周期，这些测量周期在图5中从0至N连续编号。测量周期0至N-1是多普勒测量周期，这些多普勒测量周期分别具有持续时间Tcd，在该持续时间内记录接收信号。各个多普勒测量周期分别通过处理时间Tpd分隔开，在该处理时间内，在多普勒分析处理单元24中分析处理在之前的测量周期期间所记录的数据。
在最后的多普勒测量周期N-1之后、再次在长度为Tpd的处理时间之后是周期N，该周期是SAR测量周期，并且该周期在所示出的示例中具有比多普勒测量周期更大的持续时间Tcs。然后，在SAR测量周期N之后、在通过SAR分析处理单元26分析处理测量数据的处理时间Tps之后是下一复用周期的第一多普勒测量周期“0”。
如果模式选择级38确定舒适性功能需要更高的优先级——例如因为车辆10的驾驶员正在进行停车位搜索，则通过减少每个复用周期的多普勒测量周期的数量来改变复用方案，从而SAR测量周期的相对数量增加。在极端情况下，可以在停车位搜索的持续时间内将多普勒测量周期完全停止。

Claims (9)

1.一种用于运行机动车(10)中的雷达传感器(14)的方法，在所述方法中，在SAR测量模式下，根据合成孔径原理，以高角度分辨率对对包括静止对象(12)在内的对象进行定位，其特征在于，同一雷达传感器(14)时间错开地或同时地在所述SAR测量模式和多普勒测量模式下运行，其中，在所述多普勒测量模式下，以比所述SAR测量模式下的时间分辨率更大的时间分辨率，对包括运动对象在内的对象的相对速度进行测量。
2.根据权利要求1所述的方法，在所述方法中，根据交通状况，在所述SAR测量模式与所述多普勒测量模式之间进行切换。
3.根据权利要求1或2所述的方法，在所述方法中，所述多普勒测量模式下的测量周期序列(0至N-1)和所述SAR测量模式下的测量周期序列(N)根据复用方案相互交错。
4.根据权利要求3所述的方法，在所述方法中，所述多普勒测量模式下的测量周期和所述SAR测量模式下的测量周期的相对频率根据交通状况而变化。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，在所述方法中，将所述雷达传感器(14)的模拟的发送和接收硬件(18)的运行参数动态地匹配于分别要应用的测量模式。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，在所述方法中，将在不同测量模式下所获得的测量结果相互融合，其中，相应于所述测量结果在相应的测量模式下能够达到的质量，对在不同测量模式下所获得的、涉及同一测量参量的结果进行加权。
7.一种用于执行根据以上权利要求中任一项所述的方法的雷达传感器，所述雷达传感器具有模拟的发送和接收硬件(18)以及数字计算单元(20)，其特征在于，所述发送和接收硬件(18)以及所述计算单元(20)配置用于，时间错开地或同时地在所述SAR测量模式和所述SAR测量模式下运行所述雷达传感器(14)。
8.根据权利要求7所述的雷达传感器，所述雷达传感器具有定位角度范围(16)，所述定位角度范围在至少90°上延伸。
9.一种机动车，其具有根据权利要求8所述的雷达传感器(14)，在所述机动车中，所述雷达传感器(14)如此安装在车辆(10)中，使得所述雷达传感器的定位角度范围(16)至少覆盖所述车辆的前向方向以及所述车辆的至少一侧上的、所述车辆旁侧的区域。
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