CN114814735A - 具有同步的高频芯片的mimo雷达传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MIMO雷达传感器，所述MIMO雷达传感器具有发送天线元件和接收天线元件的阵列，所述发送天线元件和接收天线元件在预给定的方向(x)上相互移位，雷达传感器具有至少两个电子芯片C1和C2，所述电子芯片分配给所述发送天线元件和接收天线元件的不同的选择，其特征在于，至少一个接收天线元件R0能够与两个芯片C1和C2连接，并且所述阵列具有天线元件的至少一个配置，所述配置由分配有所述芯片C1的发送天线元件T1、分配有所述芯片C1的接收天线元件R1、分配有所述芯片C2的发送天线元件T2和分配有所述芯片C2的接收天线元件R2组成，并且在所述配置中，所述发送天线元件T1与T2之间的移位与所述接收天线元件R1与R2之间的移位一致。
Description
技术领域
本发明涉及一种MIMO雷达传感器，该MIMO雷达传感器具有发送天线元件和接收天线元件的阵列，所述发送天线元件和接收天线元件在预给定的方向上相互移位，并且具有至少两个电子芯片C1和C2，所述电子芯片分配给所述发送天线元件和接收天线元件的不同的选择。
本发明尤其涉及一种用于机动车的雷达传感器。
背景技术
当在用于机动车的驾驶员辅助系统中进行环境监控时，除了被定位的雷达目标的间距和相对速度之外，所述目标的方位角和仰角也是重要的。例如，需要关于方位角的信息，以便能够将对象分配给车行道的确定的车道。关于仰角的信息能够实现如下估计：该对象是否可在上方驶越或者可在下方驶越或者是否是相关的障碍物。目标的方位角和仰角能够由接收天线元件的信号的幅度差异和/或相位差异来求取。根据MIMO原理(MultipleInput Multiple Output：多输入多输出)，例如在时分复用中或者在频分复用中将接收天线元件与不同的发送天线元件结合。每个组合相应于一虚拟的天线元件，该虚拟的天线元件相对于另一虚拟的天线元件的移位(Versatz)由所涉及接收天线元件的和所涉及的发送天线元件的移位相加组成。虚拟的阵列能够具有比真实的阵列更大的孔径，并且因此能够实现更高的角度分辨率。
如果该阵列具有非常大数量的发送天线元件和接收天线元件，则能够产生相应更大的虚拟的阵列并且能够实现相应更高的角度分离能力。然而，随后能够将发送信号馈入到多个发送天线元件中，并且对大量接收天线元件的接收信号的分析处理不再能够借助唯一的集成的电子结构元件来完成。然后，雷达传感器的高频部分必须具有多个集成的模块、例如MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuits：单片微波集成电路)，所述MMIC在此简称为“芯片”。在理想情况下，这些芯片应该完美地同步工作，使得接收信号之间的相位差仅通过雷达信号的不同运行时间并且进而通过待测量的角度来确定，而与不同芯片之间的相位差无关。然而，在实践中在不同芯片之间可能出现相位差，例如由于生产公差，但是也可能由于芯片与芯片间的温度差异和/或由于不同进行的老化过程。因此，这些相位差通常在时间上不是恒定的，并且因此不能够通过对芯片的一次性校准而消除。
在WO 2019/170277 A1中描述了一种用于对多个MMIC之间的相位进行在线校准的方法，其中，借助温度传感器来测量芯片的温度，然后根据芯片的温度相关性的模型来校正相位。
DE 10 2014 208 899 A1描述了一种用于基于雷达测量数据和经测量的天线图的偏差进行在线校准的方法。
C.M.Schmid等，《Motion Compensation and Efficient Array Design for TDMAFMCW MIMO Radar Systems》，第六届欧洲天线与传播会议(EUCAP)，2012年3月，第1746-1750页，描述一种天线布置，该天线布置具有重叠的虚拟通道，所述虚拟通道允许基于经测量的相对速度来补偿相同的MMIC的两个发送天线之间的相位移位。
发明内容
本发明的任务是提出一种MIMO雷达传感器，其中，能够在使用雷达传感器期间直接测量芯片之间的相位偏差。
根据本发明，该任务通过下述方式来解决：至少一个接收天线元件R0能够与两个芯片C1和C2连接，并且阵列具有天线元件的至少一个配置，该配置由分配有芯片C1的发送天线元件T1、分配有芯片C1的接收天线元件R1、分配有芯片C2的发送天线元件T2和分配有芯片C2的接收天线元件R2组成，并且在所述配置中，发送天线元件T1和T2之间的移位与接收天线元件R1和R2之间的移位一致。
表述——芯片“分配给”发送天线元件或者接收天线元件——在此意味着，雷达传感器能够如此运行，使得发送天线元件由芯片来馈送或该芯片处理该接收天线元件的接收信号。芯片之间的相位差由发送通道分量DELTA_TX和接收通道分量DELTA_RX组成。由于芯片中的不同的信号路径而产生这两个分量，这取决于：对于所涉及的虚拟的天线元件，该芯片恰好是在进行发送，进行接收，还是进行发送和接收。
由于根据本发明至少一个接收天线元件R0能够与两个芯片C1和C2连接，因此，能够测量接收通道分量DELTA_RX，其方式是，在芯片中的仅一个芯片(例如芯片C1)进行发送的状态中将接收信号的在两个芯片中获得的相位进行相互比较。由于对于两个信号而言发送通道分量是相同的，因此，所测量的相位差必须是接收通道分量DELTA_RX。
由于发送天线元件T1和T2之间的移位与接收天线元件R1和R2之间的移位一致，因此，四个天线元件T1、R1、T2、R2的配置是冗余的，因为发送天线元件T1与接收天线元件R2的组合和发送天线元件T2与接收天线元件R1的组合产生相同的虚拟的天线元件。如果不存在因芯片与芯片间的相位差，则应该与目标的定位角度无关地在两个组合中获得相同的相位。如果现在将在这两个组合中实际测量的相位进行相互比较，则获得芯片之间的总相位差DELTA_TX+DELTA_RX。因此，由于不仅接收通道分量DELTA_RX、还有两个分量的和都是已知的，因此也能够计算发送通道分量DELTA_TX。然后，借助已知的分量DELTA_RX和DELTA_TX，能够为每个虚拟的天线元件、即为发送天线元件和接收天线元件的每个组合补偿相位差，无论两个芯片中的哪个芯片在该组合中进行发送，哪个芯片处理所接收的信号。
附图说明
下面基于附图更详尽地阐述实施例。
图1示出根据本发明的MIMO雷达传感器的方框图。
具体实施方式
该附图示出具有天线阵列的MIMO雷达传感器(FMCW雷达)作为简化的示例，该天线阵列具有两个发送天线元件TX和七个接收天线元件RX。接收天线元件RX在方向x上相互移位，在所示出的示例中分别以相同的间距移位。如果方向x是水平方向，则通过比较对于给定的雷达目标(在确定的间距单元和速度单元中)在七个接收天线元件中接收的信号的相位，能够(在一定的精度界限内)测量雷达目标的方位角。如果方向x是竖直方向，则相应地能够测量该目标的仰角。
在图1中象征性地示出雷达目标Z，该雷达目标能够被雷达传感器定位。在实践中，目标Z与天线阵列的平面在垂直于附图平面的方向上具有显著的间距。作为示例，在此假设：方向x是水平方向，使得雷达传感器能够测量目标Z的方位角。另外假设：目标在竖直方向上延伸，使得在附图中能够看到的、在一方面发送天线元件TX与另一方面接收天线元件RX之间的竖直移位不影响信号传播长度
因此，仅通过天线元件在方向x上的移位来确定信号传播长度。
为了更好地进行区分，两个发送天线元件TX用标签T1或T2来表示。如果发送天线元件T1发送在目标Z上被反射且随后被接收天线元件RX中的一个接收天线元件所接收的信号，则信号传播路径的x分量相应于由发送天线元件T1与目标Z在方向x上的间距和目标Z与接收天线元件RX在方向z上的间距组成的和。相反，如果不借助发送天线元件T1、而是借助发送天线元件T2发送雷达信号，则所有信号传播路径都减小一相同的量值，该量值即发送天线元件T1与T2之间的间距。
在附图中，通过虚拟的阵列VX来代表用于发送天线元件和接收天线元件的所有组合的不同信号传播路径。前七个天线元件V1至V7与目标Z的间距与真实的接收天线元件RX与目标Z的间距相同，因此，所述前七个天线元件代表如下情况：借助发送天线元件T1发送该信号。在其余的虚拟的天线元件的情况下，与目标Z的间距缩短，即以T1与T2之间的间距被缩短。因此，这些虚拟的天线元件相应于如下情况：借助T2进行发送。
在这里示出的天线阵列的特殊之处在于，发送天线元件T1和T2彼此之间的间距与接收阵列中的第一个接收天线元件R1和最后一个接收天线元件R2彼此之间的间距相同。这导致，虚拟的天线元件V7在此能够以两种不同的方式来合成，即一种是通过借助T1进行发送并且借助R2进行接收，另一种是通过借助T2进行发送并且借助R1进行接收。由于该“冗余”，虚拟的天线阵列VX不具有2*7＝14个元件，而是只具有最多13个元件(在示例中具有12个元件)。因此，最后一个虚拟的天线元件V12相应于如下情况：借助T2进行发送并且借助倒数第二个接收天线元件进行接收。
在该示例中，为了产生发送信号并且为了将所述发送信号馈入到接发送天线元件T1和T2中以及为了处理在接收天线元件RX中接收的信号，设置有两个分开的芯片C1和C2，所述芯片能够是例如MMIC。芯片C1对发送天线元件T1进行馈送，并且处理前四个接收天线元件的接收信号，所述前四个接收天线元件从第一个接收天线元件R1开始并且以第四个接收天线元件结束，该第四个接收天线元件在此用R0表示。芯片C2对发送天线元件T2进行馈送，并且处理从R0至R2的后四个接收天线元件的接收信号。接收天线元件R0的输出端通过功率分配器接通(或者至少暂时能够接通)到两个芯片C1和C2上。
控制与分析处理装置D控制芯片C1和C2的运行，并且对在不同的接收通道中接收的信号进行分析处理。交替地激活发送天线元件T1和T2，使得在时分复用中能够对总共十二个虚拟的天线元件进行全部测量。根据FMCW原理，对于每个天线元件，所接收的信号被向下混频到中频带中、被数字化并且跨越一测量周期地被记录为时间信号。通过快速傅立叶变换由该时间信号形成频谱，在该频谱中，每个被定位的目标呈现为在一频率处的峰值，该频率取决于该目标的间距和相对速度。根据这些数据，以已知的方式计算每个被定位的目标的间距和相对速度。通过将在不同的虚拟的天线元件中对于相同的被定位的目标获得的信号的复数幅度进行比较，获得关于该目标的角度信息。为此，将复数幅度在虚拟的天线元件上的分布与先前测量和存储的天线图进行比较。
在芯片C1和C2中的每个芯片中，不仅在发送部分中、还在接收部分中出现一定的相位延迟。由于这些信号延迟能够在芯片与芯片间不同并且能够例如根据芯片的温度而变化，因此，在两个芯片之间出现相位差，需要在与天线图进行比较之前以计算的方式对该相位差进行补偿。为此需要时不时地测量两个芯片之间的相位差。
该测量通过下述方式来实现：在每个测量周期中对虚拟的天线元件V7进行两次测量，即一次是借助天线组合T1、R2，一次是借助天线组合T2、R1。如果将在这两个测量中获得的信号进行比较，则获得总相位差DD，该总相位差与被定位的目标的角度信息无关并且由四个分量组成：
DD＝DT1+DR2-DT2-DR1＝DELTA_RX+DELTA_TX (1)
其中，DT1是由芯片C1的发送部分中的信号延迟造成的分量，DR2是由芯片C2的接收部分中的信号延迟造成的分量，DT2是由芯片C2的发送部分中的信号延迟造成的分量，并且DR1是由芯片C1的接收部分中的信号延迟造成的分量。当借助T1和R2进行测量时，前两个相加数(Summand)确定总信号延迟，当借助T2和R1进行测量时，前两个相加数根据总信号延迟确定另外两个相加数。
虚拟的天线元件V4相应于组合T1、R0。由于接收天线元件R0接通到两个芯片上，因此对于该天线元件获得两个信号，所述信号是两个芯片中的每个芯片的各一个信号。这两个信号之间的相位差等于DR2-DR1，因为由进行发送的芯片C1的发送部分中的信号延迟造成的分量对于两个信号而言是相同的。因此，对该相位差的测量提供总相位差的接收通道分量DELTA_RX。
相应地，对于虚拟的天线元件V10(该虚拟的天线元件相应于组合T2、R0)还获得两个信号。因此，可选地能够将这两个信号用于测量DELTA_RX，或者为了控制目的而使用两个方法。如果DELTA_RX＝DR2-DR1且已知DD，则基于等式(1)也能够计算发送通道分量DELTA_TX＝DT1-DT2。
借助两个参量DELTA_RX和DELTA_TX，对于每一对虚拟的天线元件，能够补偿由于芯片的相位差引起的误差。如果在角度估计时例如将虚拟的元件V1和V12的相位进行比较，则校正值是DELTA_TX+DELTA_RX，因为对于V1而言，借助芯片C1进行发送和接收，然而对于V12而言，发送和接收都借助芯片C2来进行。相反，如果将虚拟的元件V1和V6的相位进行比较，则在两个情况下发送信号都来源于芯片C1，并且只有所接收的信号才从不同的芯片获得，使得校正值是DELTA_RX。相反，如果将虚拟的元件V5和V11的信号进行比较，则在两个情况下都借助芯片C2进行接收，但是所发送的信号来自于不同的芯片，使得校正值是DELTA_TX。
确定的校正值DELTA_TX和DELTA_RX分别适用于两个芯片C1和C2的所有发送通道或接收通道的相位关系。即，所述确定的校正值能够应用于在图1中未示出的发送天线组合或者接收天线组合或者说虚拟的天线元件。
上述原理能够套用到具有明显更大数量的发送天线元件和接收天线元件的天线阵列上，所述发送天线元件和接收天线元件不仅能够水平移位、还能够竖直移位，并且在所述发送天线元件和接收天线元件的情况下，必要时需要三个或者更多的芯片以操控天线元件。例如，如果总共存在三个芯片C1、C2和C3，则需要存在至少两个接收天线元件，所述接收天线元件以与接收天线元件R0类似的方式连接，并且需要存在至少两个天线配置，所述天线配合相应于天线元件T1、T2、R1和R2的配置。因此，随后能够为两对芯片测量相位差，所述两对芯片例如是(C1、C2)和(C2、C3)。然后，用于所述对(C1、C3)的相位差是这些相位差的和，然而如果在天线阵列中存在3个相应于R0的、“分开的”天线元件并且存在与T1、T2、R1、R2类似的三个不同的配置，则可选地也能够直接测量用于所述对(C1、C3)的相位差。
Claims (4)
1.一种MIMO雷达传感器，所述MIMO雷达传感器具有发送天线元件和接收天线元件(TX、RX)的阵列，所述发送天线元件和接收天线元件在预给定的方向(x)上相互移位，所述MIMO雷达传感器具有至少两个电子芯片C1和C2，所述电子芯片分配给所述发送天线元件和接收天线元件的不同的选择，其特征在于，至少一个接收天线元件R0能够与两个芯片C1和C2连接，并且所述阵列具有天线元件的至少一个配置，所述配置由分配有所述芯片C1的发送天线元件T1、分配有所述芯片C1的接收天线元件R1、分配有所述芯片C2的发送天线元件T2和分配有所述芯片C2的接收天线元件R2组成，并且在所述配置中，所述发送天线元件T1与T2之间的移位与所述接收天线元件R1与R2之间的移位一致。
2.根据权利要求1所述的雷达传感器，所述雷达传感器具有控制与分析处理装置(D)，所述控制与分析处理装置配置用于测量由所述芯片C1和C2同时从所述接收天线元件R0接收的两个信号之间的相位差(DELTA_RX)。
3.根据权利要求2所述的雷达传感器，其中，所述控制与分析处理装置(D)配置用于测量以下两个信号之间的相位差：当所述发送天线元件T1进行发送时，由所述接收天线元件R2接收所述两个信号中的一个信号，当所述发送天线元件T2进行发送时，由所述接收天线元件R1接收所述两个信号中的另一个信号。
4.根据权利要求3所述的雷达传感器，其中，所述控制与分析处理装置(D)配置用于，由所测量的相位差计算用于所述阵列的虚拟的天线元件(VX)之间的相位差异的校正值，并且基于经校正的相位差异进行角度估计。
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