CN114167420A - 雷达系统和用于运行雷达系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于机动车的雷达系统，该雷达系统具有发送接收装置和分析处理装置。该发送接收装置具有真实孔径，该发送接收装置构造用于，发出雷达辐射，接收所反射的雷达辐射，并产生雷达测量信号。该分析处理装置构造用于，在使用所产生的雷达测量信号的情况下，基于真实孔径，为反射雷达辐射的对象计算至少一个第一角度估计值。此外，该分析处理装置构造用于，在使用关于雷达系统运动的运动信息的情况下并在使用所产生的雷达测量信号的情况下，借助合成孔径雷达算法，为该对象计算至少一个第二角度估计值。最后，该分析处理装置构造用于，将至少一个第一角度估计值与至少一个第二角度估计值融合。本发明还涉及一种用于运行雷达系统的方法。

Description

雷达系统和用于运行雷达系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的雷达系统以及一种用于运行用于机动车的雷达系统的方法。
背景技术
在机动车领域，将用于测量对象(例如车辆和障碍物)的距离、相对速度和角度的雷达系统用于安全性功能和舒适功能。对此，从DE102015218538A1中已知一种示例性的雷达设备。
为此，尤其对具有合成孔径的雷达设备(英语：synthetic aperture radar，SAR，合成孔径雷达)在汽车领域中的应用进行研究。“SAR传感器”表示由多普勒测量获得角度信息的雷达传感器。在Harrer等人的《Synthetic aperture radar algorithm for a globalamplitude map》(2017年第14届定位、导航与通信研讨会(WPNC)，不来梅，2017年，第1-6页)中对SAR系统进行描述。从Gisder等人的《Application of AStream-Based SAR-Backprojection Approach For Automotive Environment Perception》(2018年第19届国际雷达会议，2018年)中已知其他应用。
合成孔径原理允许雷达传感器的自运动中的特别准确的角度测量，其中，将不同局部位置处的雷达测量作为合成天线孔径或天线面使用。合成孔径通过以下方式实现：发送和接收天线在每个测量的时刻由于雷达的自运动而处于不同的局部位置处，并且因此可以在计算方面如此处理，犹如沿着行驶轨迹存在大的天线孔径那样。因此，借助单个的发送和接收天线能够实现借助现有真实天线孔径无法实现的角度测量分辨率。这尤其是因为，通过雷达的自运动能够实现大的合成孔径，由于所需天线元件的大的数量以及车辆中的有限的结构空间，在借助真实天线孔径的情况下，该孔径是不实际的或者说不可能的。
在固定的测量持续时间情况下，合成孔径的大小取决于运动速度。因此能够在快速运动的情况下实现显著改善的角度分辨率，而在非常缓慢的行驶的情况下仅能够实现低的角度分辨率。与此不同，在真实天线阵列的情况下，角度分辨率固定地由阵列几何形状预先给定。
为了将所测量的雷达信号作为合成孔径进行分析处理，通常假设雷达环境是静止的。附加地，应已知雷达传感器的自运动，以便确定单个测量进行的位置。为此，雷达的自身轨迹用作SAR分析处理算法的输入，并且表示计算SAR图像的基础。
根据分析处理算法，替代于更准确的雷达轨迹，自速度估计足以用于雷达图像的计算。在此，将轨迹假设为线性的，并且不能对更复杂的轨迹进行映射。
合成孔径原理与所使用的调制方法无关。如今，典型的发送频率位于24GHz或77GHz，最大可占用的带宽小于约4GHz，但是通常还显著低于此，例如为0.5GHz。
机动车领域中的雷达系统通常使用具有快速斜坡(快速线性调频调制)的FMCW调制(英语：frequency modulated continuous wave，调频连续波)，其中，相同斜率的多个线性频率斜坡相继通过。瞬时发送信号与接收信号的混合产生具有所谓的拍频的低频信号，其中，该频率与距离成比例。通常如此设计雷达系统，使得由多普勒频率所引起的拍频分量变得可以忽略不计。所获得的距离信息在很大程度上是唯一明确的，随后可以通过观察复距离信号的相位在斜坡上的时间发展来确定多普勒频移。距离确定和速度确定通常借助二维傅里叶变换彼此独立地进行。
在SAR分析处理中，可以使用相同的快速线性调频调制测量原理。距离分析处理在很大程度上是相同的。跨越斜坡的多普勒分析处理由SAR分析处理取代。在结果中，这不提供多普勒测量，而是在假设静止目标的情况下和在具有自运动的知识的情况下提供角度测量。
对于SAR分析处理，可以区分两类算法。首先，如下算法：这些算法以更大的计算开销为代价而能够处理任意合成孔径，例如反投影。其次，如下算法：这些算法限于一定的孔径类型(例如线性孔径)，但是为此是更加计算高效的。一个示例是Keystone算法，如在Perry等人的《Coherent Integration With Range Migration Using KeystoneFormatting》(2007年IEEE雷达会议，2007年)中所描述的那样。
在机动车领域中，SAR图像的高效计算是非常重要的，因为要求实时处理。
能够用于借助数字波束成形(英语：Digital Beamforming，DBF)进行角度估计的真实天线阵列的最大有效孔径是在垂直于孔径面的方向上实现的。合成孔径在SAR分析处理中沿行驶方向构建。因此，最大角度分辨率垂直于行驶方向实现(英语：boresight，视轴)。通常，有效孔径从最大角度分辨率，以余弦函数，从视轴到宽侧(broadside)(在行驶方向上)降低。在汽车应用中，SAR分析处理因此尤其适用于行驶轨迹侧面的静止目标，因为其为这些静止目标提供高角度分辨率。
相反地，SAR分析处理不适用于运动目标以及不适用于行驶方向上的目标。如果在应用中对所述目标进行检测和处理，则需要替代的或附加的测量方法。为此，通常能够使用传统的雷达系统。然后，借助真实孔径来进行角度估计。
发明内容
本发明提供一种用于机动车的雷达系统以及一种用于运行用于机动车的雷达系统的方法。
优选的实施方式在下文中描述。
根据第一方面，本发明因此涉及一种用于机动车的雷达系统，该雷达系统具有发送接收装置和分析处理装置。该发送接收装置具有真实孔径，该发送接收装置构造用于发出雷达辐射、接收所反射的雷达辐射和产生雷达测量信号。该分析处理装置构造用于，在使用所产生的雷达测量信号的情况下，基于真实孔径，为如下对象计算至少一个第一角度估计值：在该对象处反射雷达辐射。此外，该分析处理装置构造用于，在使用关于雷达系统运动的运动信息的情况下并在使用所产生的雷达测量信号的情况下，借助合成孔径雷达——SAR——算法，为该对象计算至少一个第二角度估计值。最后，该分析处理装置构造用于，将至少一个第一角度估计值与至少一个第二角度估计值融合。
根据第二方面，本发明涉及一种用于运行机动车的雷达系统的方法。通过雷达系统的具有真实孔径的发送接收装置发出雷达辐射。该发送接收装置接收所反射的雷达辐射并产生雷达测量信号。为如下对象计算至少一个第一角度估计值：在该对象处反射雷达辐射。在此考虑所产生的雷达测量信号和真实孔径。此外，借助合成孔径雷达——SAR——算法，在使用所产生的雷达测量信号和关于雷达系统运动的运动信息的情况下，为该对象计算至少一个第二角度估计值。将至少一个第一角度估计值与至少一个第二角度估计值融合。
本发明的优点
该雷达系统包括发送接收装置(即雷达传感器)，该发送接收装置同时具有用于传统角度估计(例如基于数字波束成形，DBF)的真实孔径和用于基于SAR的角度估计的合成孔径。传统角度估计具有垂直于真实孔径的最大分辨率，而在SAR分析处理的情况下，垂直于运动方向的角度分辨率最大。根据运动方向和传感器的安装角度，所述两个方向可能明显彼此不同。由此能够在整个视距上实现大的孔径并且由此实现良好的角度分辨率。基于真实(尤其也是多输入多输出，MIMO)孔径所估计的、静止目标的一维或二维目标角度通过如下方式得到改善：将该目标角度连同通过SAR角度估计所求取的第二角度估计值融合成新的、更准确的角度估计值。
根据角度，真实孔径和合成孔径具有不同大的有效分量。由于在其他方面相同的测量参数(例如信噪比)下，有效孔径确定角度估计的准确度，因此可以在考虑相应孔径的大小的情况下以与角度相关的方式将所述两个角度估计值融合。因此，不仅与专用SAR传感器相比，而且与具有真实天线阵列的专用传感器相比，角度的估计准确度在整个角度范围内得到改善——只要车辆至少缓慢地运动。
在车辆处于静止状态的情况下，根据本发明的方法隐含地简化为具有在此所达到的分辨率和准确度的、基于真实天线阵列的传统角度估计。
因此，根据本发明，进行如下角度估计值的融合：所述角度估计值一方面基于真实孔径并且另一方面基于合成孔径产生。可以如此组合角度估计值，使得能够在整个角度范围上并且针对每个运动速度实现通过组合得到改善的角度分辨率和角度准确度。通过雷达系统的设计和两个孔径(即真实孔径和合成孔径)的组合，能够在整个视距上实现最佳角度分辨率。还可以在静止运行中(即在雷达系统的速度微不足道的情况下)保证固定的角度分辨率，而在快速行驶的情况下，角度分辨率通过然后较大的合成孔径而明显得到改善。
本发明将基于SAR原理从多普勒测量中获得角度分辨率的传感器的优点与基于真实天线阵列执行角度估计的传感器的优点进行组合。由此省去针对两种角度估计方法实现单独传感器的必要性。由此也有效避免切换两种测量方法的双模式组合，由此节省成本并降低传感器系统的复杂度。
根据本发明的雷达系统的另一优点是SAR角度估计的多值性分辨
Figure BDA0003256598310000051
就其本身而言，SAR角度估计关于目标所处于的那一侧不是唯一明确的。在此，多值性关于通过行驶方向所给定的轴是镜像对称的(spiegelbildlich)。通过将借助SAR算法所估计的多值性角度与真实(尤其也是MIMO)孔径的唯一明确地估计的角度进行融合，该多值性能够得到解决。
根据用于机动车的雷达系统的另一实施方式，分析处理装置构造用于，在融合时对至少一个第一角度估计值和至少一个第二角度估计值进行加权。
根据用于机动车的雷达系统的另一实施方式，分析处理装置构造用于，在融合时，根据第一角度估计值和/或第二角度估计值，对第一角度估计值进行加权。因此，加权至少不仅取决于外部参量、例如雷达系统的定向，而且取决于角度自身的相应值。加权尤其可以导致，在确定的角度范围内，要么仅将第一角度估计值要么仅将第二角度估计值进一步传递以用于分析处理。
根据用于机动车的雷达系统的另一实施方式，分析处理装置构造用于，根据真实孔径对第一角度估计值进行加权，并且根据雷达系统的合成孔径对第二角度估计值进行加权。加权同样可以以与角度相关的方式执行。
根据用于机动车的雷达系统的另一实施方式，分析处理装置构造用于，根据与真实孔径有关的有效孔径和与雷达系统的合成孔径有关的有效孔径将至少一个第一角度估计值与至少一个第二角度估计值融合。
根据用于机动车的雷达系统的另一实施方式，至少一个第一角度估计值和至少一个第二角度估计值分别包括方位角和仰角。
根据用于机动车的雷达系统的另一实施方式，分析处理装置还构造用于，在使用所产生的雷达测量信号的情况下执行运动目标识别，以便识别对象是否静止。该分析处理装置构造用于，仅针对静止对象地为该对象计算至少一个第二角度估计值。
根据用于机动车的雷达系统的另一实施方式，分析处理装置构造用于，从雷达孔径(即，从发送和接收通道上的相位曲线)求取第一角度估计值。例如可以为此使用数字波束成形(英语：digital beamforming，DBF)算法。
根据另一实施方式，用于机动车的雷达系统还包括接口，该接口构造用于，从外部传感器接收关于雷达系统运动的运动信息。因此，从附加的传感器(例如里程表)接收运动信息。替代地，也可以通过算法自身，借助自动对焦方法来估计运动信息。
根据另一实施方式，该雷达系统是侧向定向的雷达系统。这就是说，雷达系统垂直于行驶方向定向。角度融合能够改善侧视雷达系统的性能。也就是说，在这种情况下，有效真实孔径和有效合成孔径的曲线具有相似的角度相关性。但是，能够根据自速度得出改善。在速度缓慢的情况下，真实孔径保证更好的估计准确度，因为该真实孔径大于合成孔径。在高速情况下，情况正好相反：与通过真实孔径相比，通过合成孔径实现更好的估计准确度。
根据用于机动车的雷达系统的另一实施方式，分析处理装置构造用于，在将至少一个第一角度估计值与至少一个第二角度估计值融合时，不仅考虑方位角，而且考虑仰角。
根据用于运行用于机动车的雷达系统的方法的另一实施方式，根据与真实孔径有关的有效孔径和与雷达系统的合成孔径有关的有效孔径，将至少一个第一角度估计值与至少一个第二角度估计值融合。
附图说明
附图示出：
图1示出根据本发明的一种实施方式的用于机动车的雷达系统的示意性方框图；
图2示出作为自速度的函数的孔径长度；
图3示出具有根据本发明的一种实施方式的雷达系统的机动车的示意性俯视图；
图4示出根据本发明的一种实施方式的角雷达系统的、取决于方位角的有效孔径；
图5示出根据本发明的一种实施方式的在行驶方向上定向的雷达系统的、取决于方位角的有效孔径；
图6示出根据本发明的一种实施方式的侧雷达系统(Seiten-Radarsystem)的、取决于方位角的有效孔径；和
图7示出根据本发明的一种实施方式的用于运行雷达设备的方法的流程图。
在所有附图中，相同或功能相同的元件和设备配备有相同的参考标记。方法步骤的编号是为了清楚起见，并且一般不应隐含确定的时间顺序。尤其也可以同时执行多个方法步骤。
具体实施方式
图1示出用于机动车的雷达系统1的示意性方框图。该雷达系统包括发送接收装置2。该发送接收装置尤其也可以构型为MIMO系统。发送接收装置2具有真实孔径。这应理解为，发送接收装置2产生雷达测量信号或传感器数据，能够基于传统的(即，不是基于SAR方法的)方法对所述雷达测量信号或所述传感器数据进行分析处理，以便尤其求取角度估计值。
将传感器数据传输到分析处理装置4。分析处理装置4例如包括微处理器、集成电路等，以便分析处理雷达测量信号。借助传统方法(例如FMCW方法、快速线性调频方法、MIMO方法等)，生成第一角度估计值。该第一角度估计值为如下对象说明至少一个角度：在该对象处反射雷达辐射。在此，可以对方位角和(可选地附加地)仰角进行估计。
此外，分析处理装置4与接口3耦合。接口3可以从外部传感器(例如里程传感器)检测关于雷达系统1的运动的运动信息。运动信息例如可以包括雷达系统1的速度。在使用关于雷达系统1的运动的运动信息的情况下并且在使用所产生的雷达测量信号的情况下，分析处理装置4借助SAR算法为该对象计算至少一个第二角度估计值。
最后，分析处理装置4将至少一个第一角度估计值与至少一个第二角度估计值融合。
雷达系统1因此也作为SAR传感器起作用，其应理解为从多普勒测量中获得角度信息。在下文中，将基于线性调频序列方法来对此进行解释。然而，本发明不限于此。如此，也可以应用其他调制类型，所述调制类型将所发送的波形的序列用于距离确定和速度确定或SAR估计。
在借助线性调频序列调制方法的SAR传感器的情况下，发送FMCW斜坡的时间序列，在此期间雷达系统1在空间上运动。由此，每个斜坡是在不同的位置处发送和接收的，由此，可以将频率斜坡的时间序列解读为合成孔径，借助该合成孔径，在某一时刻进行雷达测量。因此，能够借助小的真实孔径通过运动来合成大的孔径。
即使在SAR传感器的情况下，也可以在一些设计方案中使用多个发送和/或接收通道。所述发送和/或接收通道例如可以用于识别运动目标。除了SAR之外，还可以将多个发送和/或接收通道(真实孔径)用于传统的角度估计。因此，在一个传感器中实现真实孔径和合成孔径。
真实孔径优选地可以主要用于SAR功能性，但是可以并行地用于传统的角度估计。在此，有利地将相同的波形用于两个分析处理。
合成孔径的长度LSAR与车辆的自速度vEgo并且与测量的持续时间TMess成比例。
LSAR＝vEgo TMess
图2示出作为自速度v(以米每秒m/s为单位)的函数的合成(虚拟)孔径的长度l(以米为单位)。SAR1、SAR2和SAR3相应于针对不同测量时间0.03秒、0.05秒和0.1秒的的虚拟孔径。DBF相应于5厘米的、与速度无关的真实孔径。
可以通过来自两个天线阵列(合成和真实)的有效孔径Leff的单调函数来生成用于组合两个角度测量值的权重，所述有效孔径分别在所给定的方向上获得。有效孔径Leff又是相应孔径的长度L以及天线阵列的定向δ的函数。
Leff＝L cos(θ-δ)
在该公式中，θ是定义在车辆坐标系中的方位角。在此，θ＝0°相应于行驶方向上的对象。SAR的定向δ是-90°。
图3为此示出具有雷达系统1的机动车的示意性俯视图，以便示出角度定义和标记惯例(Vorzeichenkonventionen)。合成孔径的观察方向A2总是正交于行驶方向A1。真实的(尤其MIMO)阵列的观察方向A3取决于相对于行驶方向A1的定向δ。
在以下附图4至6中，所有角度换算为车辆坐标系，其中，0°相应于行驶方向。
图4针对角雷达系统(即具有定向δ＝45°)示出取决于方位角θ的有效孔径Leff。有效孔径Leff相应于在确定角度下看到目标的孔径。曲线301和302相应于21cm或10.5cm的合成孔径，并且曲线303相应于5厘米的真实孔径。线304说明传感器定向。
合成孔径和真实(或MIMO)孔径在不同的位置处具有其最大值和最小值。通过融合，能够实现如下角度分辨率和准确度：所述角度分辨率和准确度与相应角度下的有效孔径(真实和合成)的最大值成比例。
图5针对在行驶方向上定向的雷达系统1(即具有定向δ＝0°)示出取决于方位角θ的有效孔径Leff。曲线401和402再次相应于21cm和10.5cm的合成孔径，并且曲线403相应于5厘米的真实孔径。线404说明传感器定向。
图6针对侧雷达系统1(即具有定向δ＝90°)示出取决于方位角θ的有效孔径Leff。曲线501和502再次相应于21cm和10.5cm的合成孔径，并且曲线503相应于5厘米的真实孔径。线504说明传感器定向。在此，有效孔径的大小在角度范围内对于真实孔径和合成孔径而言以同样的方式升级(eskalieren)。对于角度融合，真实孔径(例如借助DBF)提供基础性能，该基础性能在与速度相关的更大SAR孔径的情况下得到改善。
图7示出用于运行雷达设备1的方法的流程图，该方法尤其能够用于上述雷达设备1。反之，上述雷达设备1可以构造用于实施下述方法。
在第一方法步骤S1中，通过雷达系统1的具有真实孔径的发送接收装置2发出雷达辐射。发送接收装置2接收所反射的雷达辐射，并且产生雷达测量信号。对该雷达测量信号进行预处理。
在步骤S2中，借助SAR算法进行范围(Range)多普勒处理。在此，考虑关于雷达系统1的运动的运动信息、尤其是雷达系统1的速度和/或轨迹。该考虑例如借助线性调频Z变换进行。
在步骤S3中，进行峰值探测。针对可能的目标(对象)说明距离和速度。
在步骤S4中，在考虑真实孔径的情况下，借助DBF算法进行分析处理。由此求取至少一个第一角度估计值，尤其是方位角和(可选地)仰角。
在步骤S5中，进行运动目标识别，以便识别相应对象是否静止。在此可以考虑在步骤S4中所求取的角度、在步骤S3中所求取的距离和同样在步骤S3中所求取的速度以及雷达系统1的自速度。
如果不涉及运动目标，即如果该对象是静止的，则在步骤S7中借助SAR算法基于多普勒信息计算至少一个第二角度估计值，其中，考虑雷达系统1的自速度。尤其可以再次计算方位角和(可选地)仰角。
在步骤S8中，将至少一个第二角度估计值与在步骤S4中所计算的至少一个第一角度估计值进行角度融合。在角度融合时，如果发送接收装置2具有在行驶方向两侧上延伸的视距，则也可以对借助SAR算法所计算的、对象的至少一个第二角度估计值执行多值性分辨。在角度融合时，不仅考虑方位角，而且考虑仰角。
如果在步骤S6中已经识别到目标不是静止的，则在步骤S10中基于多普勒信息计算目标的速度。借助DBF信息确定方位角。
最后，在步骤S9中，估计或输出参数，例如距离(范围)、仰角、方位角以及经融合的方位角和仰角。

Claims (10)

1.一种用于机动车的雷达系统(1)，所述雷达系统具有：
具有真实孔径的发送接收装置(2)，所述发送接收装置构造用于发出雷达辐射、接收所反射的雷达辐射和产生雷达测量信号；
分析处理装置(4)，所述分析处理装置构造用于，
a.在使用所产生的雷达测量信号的情况下，基于所述真实孔径，为如下对象计算至少一个第一角度估计值：在所述对象处反射所述雷达辐射；
b.在使用关于所述雷达系统(1)的运动的运动信息的情况下并且在使用所产生的雷达测量信号的情况下，借助合成孔径雷达——SAR——算法，为所述对象计算至少一个第二角度估计值；
c.将所述至少一个第一角度估计值与所述至少一个第二角度估计值融合。
2.根据权利要求1所述的雷达系统(1)，其中，所述分析处理装置(4)构造用于，在所述融合时，对所述至少一个第一角度估计值和所述至少一个第二角度估计值进行加权。
3.根据权利要求2所述的雷达系统(1)，其中，所述分析处理装置(4)构造用于，根据所述第一角度估计值和/或所述第二角度估计值，对所述第一角度估计值进行加权。
4.根据权利要求2或3所述的雷达系统(1)，其中，所述分析处理装置(4)构造用于，根据所述真实孔径对所述第一角度估计值进行加权，和根据所述雷达系统(1)的合成孔径对所述第二角度估计值进行加权。
5.根据前述权利要求中任一项所述的雷达系统(1)，其中，所述分析处理装置(4)构造用于，根据与所述真实孔径有关的有效孔径和与所述雷达系统(1)的合成孔径有关的有效孔径将所述至少一个第一角度估计值与所述至少一个第二角度估计值融合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的雷达系统(1)，其中，所述至少一个第一角度估计值和所述至少一个第二角度估计值分别包括方位角和仰角。
7.根据前述权利要求中任一项所述的雷达系统(1)，其中，所述分析处理装置(4)还构造用于，在使用所产生的雷达测量信号的情况下执行运动目标识别，以便识别所述对象是否静止，其中，所述分析处理装置(4)构造用于，仅针对静止对象地为所述对象计算所述至少一个第二角度估计值。
8.根据前述权利要求中任一项所述的雷达系统(1)，其中，所述分析处理装置(4)构造用于，在所述至少一个第一角度估计值与所述至少一个第二角度估计值的融合时，不仅考虑方位角，而且考虑仰角。
9.一种用于运行机动车的雷达系统(1)的方法，所述方法具有以下步骤：
借助所述雷达系统(1)的具有真实孔径的发送接收装置(2)，发出雷达辐射，接收所反射的雷达辐射并且产生雷达测量信号；
在使用所产生的雷达测量信号的情况下，基于所述真实孔径，为如下对象计算至少一个第一角度估计值：在所述对象处反射所述雷达辐射；
借助合成孔径雷达——SAR——算法，在使用所产生的雷达测量信号和关于所述雷达系统的运动的运动信息的情况下，为所述对象计算至少一个第二角度估计值；
融合所述至少一个第一角度估计值与所述至少一个第二角度估计值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述融合时，对所述至少一个第一角度估计值和所述至少一个第二角度估计值进行加权。
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