CN115427834A - 用于相位相干评估的雷达方法和雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在尤其是多基地雷达系统中对雷达信号进行相干评估的雷达方法，其中在天线系统的多个信道中接收至少一个或多个接收信号并且所述根据一个或多个接收信号在使用至少一个组合模型情况下生成虚拟发射及接收天线的合成接收信号。此外，本发明涉及一种根据权利要求9所述的雷达系统和一种根据权利要求14所述的雷达系统的应用。利用本发明实现了对雷达信号的相干评估，而不必在雷达系统的相关雷达单元之间使用互易的信号传播信道。

Description

用于相位相干评估的雷达方法和雷达系统

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的用于对雷达信号进行相干评价的雷达方法、一种根据权利要求10的雷达系统和雷达系统的一种根据权利要求15的应用。

背景技术

在(多基地)雷达系统中，已知对雷达信号进行相干评估是有利的，因为通过对雷达信号的相干评估，对于许多应用情况可以实现高精度。

这里，例如由雷达系统发射雷达信号，所述雷达信号在物体上发生反射或散射，接下来由雷达系统接收由环境物体散射回来或反射的雷达信号。通常，多基地雷达系统尤其是指一个由多个单态或双态雷达单元组成的雷达系统，这些雷达单元覆盖确定的环境或确定的区域。

在相干评估中，可以假设在雷达单元的发射信号和接收信号之间存在相位关系。

但在一个(多基地)雷达系统的多个有时在不同的时钟域中工作的雷达单元中不是必然存在这种相位关系。

因此，为了进行相干评估，使相关的雷达单元或雷达站相位精确地同步是绝对必要的。

在现有技术中存在一些方法，在这些方法中，利用附加的同步单元来实现相位精确的同步，所述同步单元使得(多基地)雷达系统的雷达单元彼此同步。但由此在雷达系统的硬件方面导致很大的额外开支，这种额外开支提高了雷达系统的制造成本。

美国专利申请US 2017/0176 583 Al(以下称为专利申请1)记载了一种雷达系统和一种雷达方法，其中，不是利用附加的同步单元，而是通过接收信号的后处理来实现在雷达系统的多个雷达单元之间的同步。

此外，在国际专利申请WO 2017/118 621 Al(以下称为专利申请2)中记载了，通过后处理抑制振荡器相位噪声，这里需要互易信道。作为适于实现互易信道的手段，在专利申请2中记载了一种传输混合器。由此，专利申请2公开了用于上述相位噪声抑制的另一个实施形式。

此外，在国际专利申请WO 2017/102 159 Al(以下称为专利申请3)记载了一种用于在使用全双工运行站点的情况下测量的无线电定位系统的传播时间差的(高精度)方法。这里，所出现的时钟误差通过适当的后处理来减少或(近似)消除。

但对于这样种后处理必不可少的是，每个相关的雷达单元具有至少一个在全双工模式下运行的天线。

这意味着，每个相关的雷达单元的至少一个天线这样运行，使得发出一个发射信号并且至少部分重叠地、优选(近似)同时地接收一个接收信号(即另一个雷达单元的发射信号)。

尤其是对于确定例如物体与雷达系统的距离和/或相对速度的测量或评估方法，对于可实现的精度有利的和有时必要的是，在雷达系统的相关雷达单元的不同时钟域之间存在或使用互易的信号传播通道。

但尤其是在无线电应用中，全双工运行会导致相关雷达单元的高信道动态，在这种高信道动态下，在信号传播通道中有时会出现高衰减，这只能通过大量的技术费用来控制。

例如，在D.Bharadia，E.McMilin和S.Katti的“Full duplex radios”,Proc.ofACM SIGCOMM,2013,pp.375-386中记载了，发射和接收单元(或发射及接收天线)的全双工运行尤其可能出现发射信道和接收信道之间的干扰或串扰(英文：Self-Interference)的过耦合。这导致在接收信道中的噪声水平由于(近似)同时发出的发射信号而显著提高。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种雷达方法和一种雷达系统，利用所述雷达方法和雷达系统消除由现有技术已知的雷达系统或雷达方法的缺点，并且利用所述雷达方法和雷达系统实现雷达信号的相干评估，而不必在雷达系统的相关雷达单元之间使用互易的信号传播通道。

所述目的通过根据权利要求1的用于对雷达信号进行相干评估的方法、根据权利要求10的雷达系统以及雷达系统根据权利要求15的应用来实现。

所述目的尤其是通过一种用于在雷达系统中对雷达信号进行相干评估的雷达方法来实现，所述雷达系统尤其是多基地雷达系统，其中，在天线系统的多个信道中接收至少一个或多个接收信号，并且根据所述一个或多个接收信号在使用至少一个组合模型情况下生成一个虚拟发射及接收天线的合成接收信号。

本发明的构思的基础是，即替代在互易的(发射和接收)信道或在发射及接收天线上直接物理检测接收信号，定义一个共同的虚拟发射及接收天线，并且由一个或多个信道计算得出所述虚拟发射及接收天线的接收信号。

首先，在雷达单元的天线系统的一个或多个信道上探测一个接收信号或多个接收信号。利用所述一个或多个接收信号，根据所述组合模型，尤其是在考虑传播条件的情况下，生成或计算出一个虚拟发射及接收天线的合成接收信号。

所述合成接收信号相当于一个(理想的)接收信号，该接收信号应可以借助于一个共同的发射及接收天线探测到(接收)，在这种虚拟的发射及接收天线中，有利地不可能发生干扰(串扰)的物理的过耦合。

此外，可以没有进一步的限制地针对干扰的过耦合特性选择天线设计。

这里特别有利的是，尤其是在根据本发明的雷达方法中或在根据本发明的雷达系统中，不需要针对发射天线和接收天线的信道之间的干扰(串扰)的过耦合采取有时很复杂的应对措施。

此外，不需要合并发射和接收路径，由此，根据具体结构，例如可以降低雷达系统的制造成本，可以实现更低的故障率，可以使用更宽的温度范围，和/或可以实现更好的灵敏度。

尤其是当例如存在关于接收信号的附加信息时，在使用组合模型情况下也可以仅根据一个接收信号生成合成接收信号。例如当根据本发明的雷达方法集成在一个跟踪框架中时，就是这种情况，所述跟踪框架中，关于要跟踪的物体，由先前的时间步骤例如已知接收信号的预期入射角。

接收信号的或多个接收信号的组合模型这里可以是指接收信号的传播分量的模型，这里可以例如通过将所述至少一个或多个接收信号分解成多个不同的传播分量来生成所述模型。

虚拟发射及接收天线可以是指，这样的发射及接收天线，所述发射及接收单元在物理上是不存在的，而其接收信号是合成的。

在一个优选的实施形式中，将时间复用法或传播时间复用法以这样的方式应用到所述至少一个或多个接收信号上，使得信道的数量大于天线系统的发射及接收天线的数量。

由此可以优选实现比由于天线系统的接收天线的数量而在物理上存在的信道的更多的信道。

例如，当使用时间复用法时，一个硬件信道(即天线系统的多个天线中的一个)可以按半双工运行，从而可以选择将所述硬件信道用作发射信道和接收信道。尤其是当雷达系统运动通过相对静止的场景时，使用时间多路复用方法可能是有利的。

在使用传播时间多路复用方法时，同样可以实现比由于天线系统的接收天线的数量而在物理上存在的信道的更多的信道。这例如可以在以下场景中实现，在这些场景中，反射表面在天线系统的周围区域中设置在已知的位置中。

在一个优选的实施形式中，所述接收信号分解成多个传播分量，所述传播分离尤其是包括以下分量中的至少一个：传播时间分量、多普勒分量、方位角分量和仰角分量。

由此实现了，尤其是在假设存在平面的相位波前，即远场近似的情况下，能够将相应的方位角和仰角分量换算成可由虚拟接收天线接收的虚拟接收信号。

当然也可以设想，在假设在远场和近场之间的过渡区域中存在球面形的相位波前情况下，就是说存在具有恒定的相位和近似恒定的幅值的球面的情况下，或者假设对于近场进行更复杂的逼近情况下，将相应的方位角和仰角分量换算成用于所述虚拟接收信号。

特别是由所述至少一个或多个接收信号的方位角和仰角分量计算所述合成的接收信号的传播分量。

在一个实施形式中，如果多个传播分量分解成相同的传播时间和/或多普勒分量，以小于其他传播分量的权重的权重考虑这些传播分量。

由此使得可以进一步减少可能的干扰性影响，因为分解成相同的传播时间和/或多普勒分量的传播分量可能已经使方位角和/或仰角分量的确定失真。

优选的是，如果多个传播分量分解成相同的传播时间和/或多普勒分量，则这些传播分量在计算合成接收信号的传播分量时不予考虑，由此可以进一步减少前面提到的干扰性影响。

所述至少一个或多个接收信号尤其是通过主分量分析分解成多个主分量。

借助于主分量分析，可以发现最强的信号分量，即主分量，此时，可以检查主分量的参数以发现，所述参数是否例如符合强点散射体或其他特征性散射体的模型。

在另一个(备选)实施形式中，所述至少一个或多个接收信号通过以下方法之一进行评估：独立分量分析、多重信号分类、借助旋转不变技术的信号参数估计(ESPRIT)或迭代稀疏近似最小方差(SAMV)

类似于主分量分析，利用独立分量分析可以将所述一个或多个接收信号可以分解成不同的传播分量。

多重信号分类法例如使得能够从其多个叠加的、易受干扰的(接收)信号中确定频率和接收方向。

使用借助旋转不变技术的信号参数估计尤其是主要还使得能够估算噪声影响的接收信号的入射角。

利用迭代稀疏近似最小方差(SAMV)法有时也可以估算噪声影响的接收信号的入射角，这个方法例如记载在Abeida Habti,Qilin Zhang,Jian Li,和Nadjim Merabtine的“Iterative sparse asymptotic minimum variance based approaches for arrayProcessing”IEEE Transactions on Signal Processing 61,no.4(2013):933-944中。

利用所述虚拟发射及接收天线尤其是向远离天线系统的另一个雷达单元或无线电设备的至少一个发射及接收天线提供一个至少大约完全互易的无线电信道。计算所述虚拟的发射及接收天线所针对的天线系统优选设置第一雷达单元中，其中，所述另一个雷达单元或无线电设备远离第一雷达单元设置。这里，所述另一个雷达单元或(另一个)无线电设备可以与第一雷达单元具有相同地或者也可可以不相同地构成。

此外，本发明的目的通过一种雷达系统、尤其是多基地雷达系统来实现的，所述雷达系统具有至少一个带有天线系统的雷达单元和/或至少一个另外的带有天线系统的雷达单元，所述雷达系统构造成用于执行上述方法。

根据本发明的雷达系统具有已经针对用于在(多基地)雷达系统中对雷达信号进行相干评估的方法说明的优点。

结合上述雷达方法说明的特征和与这些特征相关的优点也可以与根据本发明的雷达系统相组合并且尤其是可以作为所述系统、特别是雷达单元的相应配置来实现。

所述雷达单元的天线系统尤其是分别具有至少一个或多个发射及接收天线，所述至少一个或多个发射及接收天线与虚拟发射及接收天线一起设置在一条(假想的)直线上，由此实现了接收天线特别简单的设置。

所述至少一个或多个发射及接收天线以及所述虚拟发射及接收天线优选设置在等距的网格上，(各个)网格点之间的距离尤其是一个预先确定的距离的整数倍。所述至少一个或多个发射及接收天线以及虚拟发射及接收天线优选可以以这样设置在所述等距的网格上，使得网格只是稀薄地或稀疏地(英文：sparse)被占用，由此可以实现所谓的稀疏阵列天线系统。

通过接收天线的这种较为简单的布局，可以特别简单地建立这种布局的各个接收天线之间的相位关系，并在生成所述虚拟发射及接收天线的合成接收信号时考虑所述相位关系。所述预先确定的距离可以例如是所使用的雷达信号的波长的一半。

在另一个实施形式中，所述虚拟发射及接收天线至少基本上关于所述天线系统的发射及接收天线居中和对称地设置，由此进一步简化了这种布局的结构。此外，重构的合成的接收信号在确定信号分量的入射角中对于小的误差更为鲁棒。

信道的数量优选大于天线系统的发射及接收天线的数量，从而可以实现比由于天线系统的接收天线的数量而在物理上存在的信道的更多的信道。

此外，本发明的目的通过上述方法和/或上述系统在交通工具、优选在机动车中的应用来实现。同样可以设想根据本发明的在移动装置中的应用，如例如有人或无人驾驶飞机或优选乘用车和/或载重车。

另一方面，所有结合根据本发明的用于在(多基地)雷达系统中对雷达信号进行相干评估的方法和根据本发明的雷达系统已经说明的特征和相关优点都能应用和转用到根据本发明的雷达系统的应用上。

其他实施形式由从属权利要求得出。

附图说明

下面根据几个非限制性的实施形式参考附图详细说明本发明。

其中：

图1示出根据本发明的雷达方法的一个实施例的天线系统的示意性布局，其中示出信号处理的示意图；

图2示出根据本发明的雷达方法的另一个实施例的天线系统的示意性布局，其中示出信号处理的示意图；

图3示出根据本发明的雷达系统的一个实施例的示意性布局；以及

图4示出根据本发明的雷达系统的另一个实施例的示意性布局。

具体实施方式

图1示出根据本发明的雷达系统100的天线系统A的一个实施例子，其中示出信号处理的示意性流程。

在图1中所示的实施例中，天线系统A具有多个发射及接收天线，利用这些发射及接收天线使得能够通过多个信道K1、K2至Kn接收多个接收信号Rx1、Rx2至Rxn，所述天线系统A的发射及接收天线设置在规则的网格R中，所述网格在各个发射及接收天线的各个天线位置之间具有等距的距离Δa。

这里，在所述规则的网格R中的天线位置中的一个(中心)天线位置E保持空闲。对于在网格R中保持空闲的天线位置E，生成/计算出合成的接收信号Esyn，所述合成的接收信号对应于一个虚拟发射及接收天线的接收信号，所述虚拟发射及接收天线定义在网格R中保持空闲的天线位置E处。

利用物理地存在的发射及接收天线，先前由(多基地)雷达系统100发出的并在场景中可能的物体(在图1中未显示)上反射的雷达信号经由多个信道K1、K2至Kn由天线系统A的发射及接收天线接收。

在这个实施例中，首先根据传播时间分离天线系统A的发射及接收天线的接收信号Rx1至Rxn。因此，在接下来的处理中，只处理到雷达系统100在确定的距离之内的(接收)信号，即所谓距离筐之内的信号。

由在网格位置处记录的(接收)信号的(复数)幅值产生一个序列，其方式是，将所述(复数)幅值彼此组合。此外，对于虚拟发射及接收天线E的网格位置给由所述(复数)幅值得出的序列补充一个(复数)零并且在边缘处补充多个(复数)零，使得零的数量是2的幂，所述数量至少以系数m＝4高于相当于未处理(原始)接收信号的数量的数量n。

补充(复数)零的(复数)幅值序列现循环地移动，使得属于合成信道(即虚拟发射及接收天线E的接收信号)的零定位在经补充的序列的第一个位置处。

对经补充和循环移动的(复数)幅值序列应用快速傅里叶变换(FFT)。FFT的输出S(0)、S(l)、S(3)等这里对应于(反射回来的)所接收的雷达信号不同的入射方向的信号分量，此时已经建立了与合成信道(合成接收信号)的相位关系。

接下来，在FFT的输出S(0)、S(l)、S(3)等中确定具有最大幅值的元素：

具有最大幅度的元素D以适当的缩放、例如通过除以信道的n数直接用作虚拟发射及接收天线E的合成接收信号Esyn：

在图2中示意性地示出根据本发明的雷达系统的另一个实施例。

在该实施例中，天线系统A的发射及接收天线设置在一条直线G上，此时，各个发射及接收天线不是必须彼此等距地设置。

在这个实施例中，也根据传播时间事先分离接收的信号。为了进一步处理，也使用距离筐之内的(接收)信号，如已经参考上面的实施例说明的那样。

在这种根据接收信号分离的距离筐中，现在考察到多个快速彼此跟随的测量，即所谓的突发测量。根据突发测量，使得能够对发射及接收天线K1到Kn之间的协方差矩阵进行经验估算。通过主分量分析能够由协方差矩阵确定特征矢量H1、H2、H3、Hi至Hn，所述特征矢量对应于数值最大的特征值。

然后，由协方差矩阵确定的特征矢量的相位Phi线性内插到生成合成接收信号E的位置，即虚拟发射及接收天线的位置：

然后，将特征矢量Hl、H2、H3、Hi至Hn的元素与接收信号的相应(复数)幅值K1、K2至Kn(复数)相乘，此时，对于所有n个信道将乘积相加，由此实现向最强的信号传播分量会聚。此外，利用先前所确定的相位Phi来修正相位，使得对于计算合成接收信道Esyn最终得出以下结果：

Esyn＝exp(j·Phi)·∑_i＝1...nKi·conj(Hi).

在图3中示出根据本发明的雷达系统100的一个实施例。在这个实施例中，雷达系统100具有两个雷达单元10、20，此时，由雷达系统100检测存在多个物体210的场景200。

在这个实施例中，通过一个共同的时间和频率基准单元30同步或引导两个雷达单元10、20。同时，所述共同的时间和频率基准单元30可以集成在一个相关的雷达单元10、20中。

这里，所述共同的时间和频率基准单元30向相关的雷达单元10、20发送时间信号和/或频率信号。

在时间信号的传播和频率信号的相位上，将所述共同的时间和频率基准单元30与雷达单元10、20连接的线路的有效线路长度由于天气、温度和老化可能会发生波动。

这里，尤其是在相对静态的场景中，可能有利的是，在雷达单元在运行中探测到相同的场景时，首先不必校正这些波动，并且可以使用上述的雷达方法，以便接下来在相应的后处理中在测得的信号中校正雷达信号的相位。

图4示出根据本发明的雷达系统100的另一个实施例。在这个实施例中，雷达系统100包括两个雷达单元10、20，并检测场景200，如已在图3中示出的实施例中那样。

在图4中，在雷达单元10、20的视场中产生一个已知的传播分量，由此对于组合模型减少了搜索区域。因此，不再必须搜索整个场景200，而只需要搜索整个场景200的部分区域，由此可以进一步减少根据本发明的雷达方法的所需时间和费用。

例如，可以通过波导、反射表面或伸入光路中的小散射体产生一个已知的传播分量。在图4中，使用波导40用于产生已知的传播分量。

附图标记列表

A 天线系统

E 虚拟发射及接收天线

Esyn 合成接收信号

G 直线

Hl、H2、H3...Hi、Hn 借助于主分量分析所确定的特征矢量

K1、K2、...Kn 多个信道(发射及接收天线)

R 网格布局

Rx1、...Rxn 接收信号

100 雷达系统

10、20 雷达单元

30 时间和频率基准单元

40 波导

200 场景

210 在场景中的多个物体

Claims (15)

1.雷达方法，所述雷达方法用于在尤其是多基地的雷达系统中对雷达信号进行相干评估，

在天线系统(A)的多个信道(K1、K2、...Kn)中接收至少一个或多个接收信号(Rx1、...、Rxn)，并且

根据所述一个或多个接收信号(Rx1、...、Rxn)在使用至少一个组合模型情况下生成虚拟发射及接收天线(E)的合成接收信号(Esyn)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将时间多路复用方法或传播时间多路复用方法以这样的方式应用到所述至少一个或多个接收信号(Rx1、...、Rxn)上，使得信道(K1、K2、...Kn)的数量大于天线系统(A)的发射及接收天线的数量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一个或多个接收信号(Rx1、...、Rxn)分解成多个传播分量，所述至少一个或多个接收信号(Rx1、...、Rxn)尤其是分成其传播时间分量、多普勒分量、方位角分量和/或仰角分量。

4.根据前述权利要求中任一项、尤其是根据权利要求3所述的方法，其中，由所述至少一个或多个接收信号(Rx1、...、Rxn)的方位角和仰角分量计算合成的接收信号(Esyn)的传播分量。

5.根据前述权利要求中任一项、尤其是根据权利要求3或4所述的方法，其中，如果多个传播分量被分解成相同的传播时间和/或多普勒分量，这些传播分量的考虑权重要小于其他传播分量的权重。

6.根据前述权利要求中任一项，尤其是根据权利要求3或4所述的方法，其中，只要多个传播分量分解成相同的传播时间和/或多普勒分量，则这些传播分量在计算合成接收信号(Esyn)的传播分量时不予考虑。

7.根据前述权利要求中任一项、尤其是根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，利用主分量分析将所述至少一个或多个接收信号(Rx1、...、Rxn)分解成多个主分量。

8.根据前述权利要求中任一项、尤其是根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，利用以下方法之一评估所述至少一个或多个接收信号(Rx1、...、Rxn)：独立分量分析、多重信号分类、借助旋转不变技术的信号参数估计或迭代稀疏近似最小方差。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，借助于虚拟发射及接收天线(E)向远离所述天线系统(A)的另一个雷达单元或无线电设备的至少一个发射及接收天线提供至少大致完全互易的无线电信道。

10.雷达系统(100)，尤其是多基地雷达系统，所述雷达系统具有至少一个带有天线系统(A)的雷达单元(10)和/或至少一个另外的带有天线系统(A)的雷达单元(20)，其中所述雷达系统(100)构造成用于执行上述权利要求中任一项所述的方法。

11.根据权利要求10所述的雷达系统，其中，所述/各所述雷达单元(10、20)的天线系统(A)分别具有至少一个或多个发射及接收天线(K1、K2、...Kn)，所述至少一个或多个发射及接收天线(K1、K2、...Kn)与虚拟发射及接收天线(E)一起设置在一条直线上。

12.根据权利要求10或11所述的雷达系统，其中，所述至少一个或多个发射及接收天线(K1、K2、...Kn)以及虚拟发射及接收天线(E)设置在等距离的网格上，在网格点之间的距离尤其是一个预定距离的整数倍。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的雷达系统，其中，所述虚拟发射及接收天线(E)至少基本上关于所述天线系统(A)的发射及接收天线(K1、K2、...Kn)居中和对称地设置。

14.根据权利要求10至11中任一项所述的雷达系统，其中，所述信道(K1、K2、...Kn)的数量大于天线系统(A)的发射及接收天线的数量。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的雷达系统(100)按照根据权利要求1至9中任一项所述的方法在交通工具、优选是机动车辆中的应用。

Images