针对汽车扩展雷达系统的到达方向的估计的制作方法

本发明一般涉及一种利用汽车扩展雷达系统来估计到达方向的方法，一种被配置用于估计到达方向的汽车扩展雷达系统，以及一种用于控制该方法的自动执行的软件模块。在本领域中已知采用雷达技术，特别是在75和81ghz之间的毫米波范围内，在诸如驾驶员辅助系统的外部汽车应用中，通过利用适当警告来促进车辆驾驶员的优化反应或甚至通过自动接管对车辆的控制(例如在防撞系统中)来提供改进的安全性。
背景技术：
：在汽车雷达应用中，一个挑战是确定向目标发射并由目标反射的入射雷达波的到达方向(doa)。常见的实现涉及大型贴片天线和波束成形算法。然而，未来的需求是针对安装在车辆上的多个小天线以提供多功能性(比较图1)。作为示例，专利申请ep2105758a2描述了一种到达方向估计装置，其具有信号矢量生成单元，该信号矢量生成单元可操作以根据由n个传感器从目标接收的到达信号来生成由n个基带信号v1至vn组成的信号矢量v。到达方向估计装置包括hankel矩阵生成单元，其可操作以优先设置矩阵的列的顺序为自然数m，其中1≤m且m≤(n-1)/2并且根据信号矢量的元素v1到vn-1来生成(n-m)xm矩阵rf1、rf2、rb1或rb2。到达方向估计装置还包括估计单元，其可操作以使用矩阵rf1、rf2、rb1或rb2生成矩阵r，通过r＝[r1|r2]t将矩阵r划分为两个子矩阵r1和r2，并且基于子矩阵r1和r2来估计到达信号的到达方向。为了执行doa估计，需要使用包含在子矩阵r1和r2中的相位信息。专利us8,994,581b1描述了一种doa估计的方法，其中车辆配置有用于辅助车辆引导的雷达系统。该方法可以包括由多个天线形成的天线阵列，该多个天线被配置为接收雷达信号。天线阵列在给定天线和相邻天线之间具有相应的间隔；然而，多个间隔包括至少两个不同的间隔。该方法的一部分可以由处理器执行，该处理器被配置为基于与阵列中的两个天线对相关联的差分相位之间的差异来计算检测信道。处理器还可以基于检测信道和多个天线间隔来计算无模糊角度。另外，处理器可以基于计算的无模糊角度来控制雷达单元。为了使用所描述的传统doa估计方法，因此必须确保载波频率范围上的天线同步，在示例性载波频率为100ghz的情况下意味着同步的规模为皮秒(10-12秒)，或者，对于光，甚至在阿秒(10-18秒)的范围内。此外，当使用传统dbf执行时，多个波长的天线位移导致角度重建的模糊性。技术实现要素：发明目的因此，期望提供一种能够估计到达方向而不需要确保雷达载波频率范围上的天线同步的方法和雷达系统。发明概述在本发明的一个方面，该目的通过一种利用汽车扩展雷达系统的到达方向估计的方法来实现。该汽车扩展雷达系统包括多个至少两个收发器天线单元，其被配置为以多输入和多输出(mimo)配置工作。收发器天线单元布置在先验已知位置。雷达系统被配置为针对多个收发器天线单元中的每个特定收发器天线单元，通过读出分配给特定收发器天线单元的多个距离门(rangegate)，确定至少由特定收发器天线单元发送的目标反射雷达波的范围。该方法包括步骤-对于多个收发器天线单元中的每个特定的收发器天线单元，通过从特定收发器天线单元的多个距离门读出距离门，来确定在位于角度范围内的分离角度方向之一中发生的目标的范围，该角度范围是围绕至少从由特定收发器天线单元发射并且由目标反射的雷达波的共同方向布置的。-根据多个收发器单元天线单元的读出的距离门来确定占用的距离门的模式，以及-基于将占用距离门的所确定的模式与在分离的角度方向上发生的目标的多个预期的占用距离门的多个预期的模式相关联来估计到达方向，所述多个占用距离门的预期的模式是根据多个收发器单元天线单元的先验已知的位置来预先确定的。所提出的解决方案是将波束成形技术适应于由多个收发器天线单元的位置给出的较大基线。每个收发器天线单元具有用于粗略地但在唯一的角度区域中分离周围空间的能力，该角度区域的大小取决于收发器天线单元的大小。在该独特的角度范围内，利用收发器天线单元的位移来基于收发器天线单元的飞行时间分布来细化角分辨率。由此，在所提出的到达方向估计方法中，可以有利地省略雷达载波频率规模上的同步。本发明基于以下见解：利用由各个收发器天线单元的相互移位的距离门分配来创建的占用距离门的模式而不是入射波的相位信息(这是传统数字波束形成(dbf)的基础)。该方法可以以特别简单的方式执行，以用于在远离收发器天线单元的地方，即在它们的“远场”中发生的目标。在本申请中使用的术语“汽车”应特别理解为包括用于车辆的应用，例如但不限于乘用车、卡车和公共汽车。在本申请中使用的短语“被配置为”应特别理解为具体编程、布局、提供或布置。雷达的距离识别可以通过所谓的距离门来调节。这意味着对接收的回波信号进行采样，并且通过本领域已知的不同解码技术之一根据不同距离门中的接收信号来解码范围信息。优选地，分离的角度方向的量等于多个收发器天线单元中的收发器天线单元的数量。还优选地，分离的角度方向在角度范围内均匀分布。在该方法的优选实施例中，对于多个收发器天线单元中的每个特定的一个收发器天线单元，确定目标的范围的步骤包括通过根据特定收发器天线单元和多个收发器天线单元中的至少另一个收发器天线单元的多个距离门中读出距离门来从由特定收发器天线单元和至少另一个发送的并且由目标反射的雷达波确定目标的范围。通过接收和解码已经由另一收发器天线单元发送的反射雷达波，可以获得附加的独立信息，其可以使得能够区分否则将是模糊的目标配置。需要强调的是，附加的独立信息仅基于范围，而不是基于相位的。优选地，在确定在分离的角度方向之一中发生的目标的范围的步骤之前，针对所有收发器天线单元执行将每个多个距离门的连续距离门合并到预定数量的距离门的封装中的步骤。通过降低范围内的分辨率，可以有利地扩大目标检测的无模糊性的空间状态。在该方法的优选实施例中，估计到达方向的步骤包括求解线性方程系统rδm＝a·t其中t表示如下矢量，该矢量表示在分离的角度方向上检测到的发生目标，rδm表示如下矢量，该矢量包括来自读出多个距离门的结果的矢量。a是从先验已知位置计算的矩阵，并且表示线性映射，通过该线性映射将矢量t变换为矢量rδm。以这种方式，基于将占用距离门的所确定的模式与针对在分离的角度方向上发生的目标的多个占用距离门的预期的模式相关，来对多个距离门中读出的数据的评估可以被形式化，并且通过应用求解线性方程组的公知的方法来有效地执行。在本发明的另一方面，提供了一种用于到达方向估计的汽车扩展雷达系统，其包括多个至少两个收发器天线单元，其被配置为在多输入和多输出(mimo)配置中工作，其中收发器天线单元被布置在先验已知位置。对于多个收发器天线单元中的每个特定收发器天线单元，汽车扩展雷达系统还包括多个距离门，其被配置为指示至少由特定收发器天线单元发送的目标反射雷达波的范围。此外，汽车扩展雷达系统包括评估和控制单元。评估和控制单元被配置用于读出针对所有收发器天线单元的多个距离门，并用于确定来自多个收发器单元天线单元的读出距离门的占用距离门的模式。此外，评估和控制单元被配置用于基于将占用距离门的所确定的模式与针对在分离的角度方向上发生的目标的占用距离门的多个预期模式相关来估计到达方向，所述占用距离门的多个预期模式是根据多个收发器单元天线单元的先验已知位置预先确定的。之前描述的益处在于到达方向估计方法的上下文应用于最大程度。具体地，在mimo配置中，每个收发器天线单元被理解为能够以表示相互正交码的独立方式发送雷达波。每个收发器天线单元还被理解为能够接收已经由其自身和任何其他收发器天线单元发射并且已被物体反射的雷达波而没有任何串扰干扰。这些实施例提供了关于虚拟孔径的放大尺寸、改进的空间分辨率和对干扰信号的较低灵敏度的mimo雷达配置的益处，如本领域所公知的。如果多个收发器天线单元布置在先验已知位置以形成一维线性阵列，则可以以特别简单的方式估计到达方向。在汽车扩展雷达系统的优选实施例中，多个收发器天线单元的先验已知位置布置在车辆的前部区域。以这种方式，汽车扩展雷达系统可以有利地用于提供可以用在驾驶员辅助系统(例如，碰撞警告系统和车道变换辅助系统)中的信息。优选地，评估和控制单元包括处理器单元和处理器单元对其具有数据访问权的数字数据存储器单元。以这种方式，可以在汽车扩展雷达系统内执行到达方向的估计，以确保快速且不受干扰的信号处理和评估。优选地，汽车扩展雷达系统包括调制装置，其用于以相位调制连续波(pmcw)模式来操作多个至少两个收发器天线单元。使用pmcw作为调制技术，特别是对于mimo雷达系统，可以通过使用二进制符号来促进向收发器天线单元的发送天线提供正交波形。在本发明的又一个方面，提供了一种用于控制本文公开的方法的实施例的步骤的自动执行的软件模块。将要进行的方法步骤转换为软件模块的程序代码，其中程序代码可在汽车扩展雷达系统的数字存储器单元中实现，并且可由汽车扩展雷达系统的处理器单元执行。优选地，数字存储器单元和/或处理器单元可以是数字存储器单元和/或汽车扩展雷达系统的评估和控制单元的处理单元。作为替代或补充，处理器单元可以是另一个处理器单元，其特别指定用于执行方法的至少一些步骤。软件模块可以实现方法的鲁棒且可靠的执行，并且可以允许快速修改方法步骤。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。应该指出的是，在上述说明中单独详述的特征和措施可以以任何技术上有意义的方式彼此组合，并且示出了本发明的其他实施例。该描述特别结合附图来表征和指定本发明。附图说明通过以下参考附图对非限制性实施例的详细描述，本发明的进一步细节和优点将变得显而易见，其中：图1示出了处于安装在车辆中的状态的根据本发明的汽车扩展雷达系统的可能实施例，图2示意性地示出了根据图1的汽车扩展雷达系统的多个收发器天线单元，图3示出了根据图2的用于操作收发器天线单元的相位调制连续波，图4示出了由哈达玛矩阵编码的收发器天线单元发送的序列，图5示出了围绕共同角度方向布置在±α的角度范围内的分离的到达方向，图6示出了根据图2的多个收发器天线单元的多个距离门的内容的示例，其中目标发生在角度范围内，图7示出了用于固定到达方向的占用距离门的确定模式，图8示出了在将每个多个距离门的连续距离门合并到预定数量的距离门的封装中之后，多个收发器天线单元的多个距离门，图9示意性地示出了确定在不同的分离角度到达方向上发生目标的范围的情况，图10示意性地示出了与两个收发器天线单元的范围单元有关的发生目标，图11示意性地示出了检测双目标配置的两个收发器天线单元的情况，图12示意性地示出了通过从收发器天线单元之间的串扰得到的基于范围的解码信息来区分两种可能的双目标配置，图13示出了解码它们自己的雷达信号以及由目标反射的其他收发器天线单元发送的雷达信号的收发器天线单元的多个距离门，以及图14是汽车扩展雷达系统的信号处理单元的示意性布局。具体实施方式图1示出了根据本发明的用于由目标28反射的雷达波的到达方向估计的汽车扩展雷达系统10的可能实施例。汽车扩展雷达系统10安装在由乘用车形成的车辆26中，以提供将用作用于车辆26的防撞系统的输入的信息。汽车扩展雷达系统10包括多个n＝4个收发器天线单元trxk，k＝1-n，其布置在车辆26的前部区域处的先验已知位置处。图2示意性地示出了根据图1的汽车扩展雷达系统10的多个n＝4个收发器天线单元trxk，k＝1-n。在图2中，示出了收发器天线单元trxk被布置在先验已知位置处以形成一维线性阵列24，其中收发器天线单元trxk以距离d(例如，0.5m)均匀地间隔。出于简化后续考虑的原因，该布置与图1中所示的布置不同。然而，本领域技术人员将意识到，类似的几何考虑适用。在该特定实施例中，收发器天线单元trxk被相同地设计。每个收发器天线单元trxk包括多个n＝4个贴片。在其他实施例中，对于收发器天线单元trxk中的一些或所有，贴片的数量可以是不同的。多个收发器天线单元trxk被配置为以多输入和多输出(mimo)配置工作。各个收发器天线单元trxk发送正交码，即每个收发器天线单元trxk可以解码其自身的回声和由其他收发器天线单元trxk产生的回声而没有串扰干扰。为此，汽车扩展雷达系统10包括调制装置，其用于以相位调制连续波(pmcw)模式来操作多个收发器天线单元trxk。在该实施例中，pmcw基于双相调制，这意味着对于发射信号或者可以适当地选择要发送的相位码例如作为几乎完美的自相关序列(apas)或最大长度-序列(m序列)，这取决于要求。然后可以经由如下来建模相位具有啁啾持续时间tctc和代码长度lc。潜在的相位调制雷达波形如图3所示。对于pmcw汽车扩展雷达系统10，可以经由哈达玛编码实现mimo概念以提供正交信号。这种本身已知的技术称为外码mimo概念。为此目的，必须从walsh-hadamard族中获取矩阵(存在所有长度的2的倍数，从4到664)，其中所有行都是正交的。所需外码的长度等于收发器天线单元trxk的数量。对于具有四个收发器天线单元trxk的该特定实施例，由以下给出一个哈达玛矩阵然后，发送出的序列s将由这样的哈达玛矩阵编码(乘)，如图4所示。对于多个收发器天线单元trxk中的每个特定收发器天线单元trxk，汽车扩展雷达系统10包括多个距离门12，其被配置为指示反射已由特定收发器天线单元trxm发射的雷达波以及由多个收发器天线单元trxk中的所有其他收发器天线单元trxk，k＝1-n,k≠m发射的雷达波的目标28的范围。距离门的数量是l。用于获得针对doa的附加信息的方法基于收发器天线单元trxk的不同距离门12的分配。在下文中，将描述根据本发明的利用汽车扩展雷达系统的到达方向估计方法的实施例。每个收发器天线单元trxk确定在位于±α的角度范围内的分离的角度到达方向dk之一中的发生目标28的范围，该角度范围围绕公共方向(唯一性箱)布置。分离的角度到达方向dk对应于角度αk的值(图5)：对于多个收发器天线单元trxk中的每一个，接收信号在第一步骤中针对已经由其自身发送的接收雷达波进行解码，并且读出多个距离门12(图6)。对于固定的角度到达方向dkadk位于该到达角度方向dk的固定目标28，各个收发器天线单元trxk的占用距离门12相互移位(图7)：收发器天线单元trxjtotrxj+1的范围分辨率单位(用r表示)的左侧延迟δlk(如果)：对于收发器天线单元trxjtotrxj+1的范围分辨率单位r的右侧延迟δrk(如果)：因此，相邻收发器天线单元trxk之间的最大延迟是距离门12。在该方法的另一步骤中，确定来自多个收发器单元天线单元trxk的读出距离门的占用距离门12的模式。如图7所示，该模式表示多个收发器单元天线单元trxk中的占用距离门12的相互移位。基于将占用距离门12的所确定的模式与针对在分离的角度方向dk上发生的目标的占用距离门12的多个预期模式相关来估计到达方向dk。已经从多个收发器单元天线单元trxk的先验已知位置预先确定了占用距离门12的多个预期模式。为了获得明确性，在确定发生目标28的范围的步骤之前，对于所有收发器天线单元trxk执行将每个多个距离门12的连续距离门12合并到预定数量距离门12的封装中的步骤。合并如图8所示。然后，对于收发器天线单元trx1，在角度方向上检测到的目标28被检测为针对其他收发器天线单元trxl,l>1的范围所述角度方向对应于角度αk,和距离d∈[j·δm,(j+1)·δm]＝:rδm(1,l),如图8所示。因此，在与角度αk,相对应的方向上，距离门12被占用用于目标28。前一个范围分辨率在较细的角度网格上从r减小到sin(α1)d。更精细的角度分辨率需要的额外计算工作量，其中表示landau符号。此时可以进行重要的观察：收发器天线单元trxk的较高角度分辨率将减少精细角度网格中的距离分辨率损失，但同时会增加计算成本。例如，所考虑的pmcw汽车扩展雷达系统10具有参数n＝4,n＝4,d＝0.5m,r＝0.01m,l＝1000将增加16个角度方向(从4个方向)的间隔。精细角度网格上的距离分辨率减小到0.1米，并且更精细的角度分辨率需要额外的计算工作量操作，这是在标准处理范围内。将占用距离门12的所确定的模式与在分离的角度方向αk上发生的目标的占用距离门12的多个预期模式相关的步骤可以形式地描述为线性映射。从所有可能的目标配置的空间到不同收发器天线单元trxk的得到的距离门占用发生线性映射，并且该线性映射可以通过以下等式描述：其中t表示如下矢量，所述矢量表示在分离的角度方向αk上检测到的发生目标，并且如果在角度方向αk上并且与收发器天线单元trx1的距离为[j·δm,(j+1)·δm]发生目标28，则t(j,k)具有值1，否则值为0。rδm表示包括从多个距离门12读出的结果的矢量，并且a是从先验已知位置计算的并且表示线性映射的矩阵，通过该线性映射将矢量t变换为矢量rδm。然后通过求解上述线性方程系统来执行估计到达方向dk的步骤。在许多情况下，矩阵a是稀疏矩阵，即，与矩阵元素的总数相比，非零矩阵元素的数量较小，并且用稀疏矩阵来数值求解线性方程组系统的公知的方法可以有利地应用。通常，矩阵a不是方阵。假定满足已知的方法特定先决条件，则可以应用用于求解由这种矩阵表示的线性方程系统的众所周知的方法，例如压缩感测。取决于实际参数，例如检测目标和估计由目标反射的雷达波的到达方向的场景的范围值，可以采用不同的矩阵a来用于将占用距离门12的所确定的模式与占用距离门12的多个预期模式相关。参考图1，汽车扩展雷达系统10包括配置用于以下的评估和控制单元16-读出针对所有收发器天线单元trxk的多个距离门12，-确定来自多个收发器单元天线单元(trxk)的读出距离门的占用距离门12的模式，以及-基于将占用距离门12的所确定的模式与针对在分离的角度方向αk上发生的目标的占用距离门12的多个预期模式相关来估计到达方向dk，所述占用距离门12的多个预期模式是根据多个收发器单元天线单元trxk的先验已知位置预先确定的。具体地，评估和控制单元16被配置用于通过求解上述线性方程系统rδm＝a·t来将占用距离门12所确定的模式与多个预期模式相关。评估和控制单元16可以位于车辆26内看起来适合于本领域技术人员的任何地方。为了能够执行这些步骤，评估和控制单元16配备有处理器单元和处理器单元，处理器单元具有对数字数据存储器单元的数据访问权，以及信号处理单元18(图14)，其功能将在后面描述。矩阵a的元素值位于数字数据存储单元中。评估和控制单元16配备有软件模块。要进行的方法步骤被转换为软件模块的程序代码。程序代码在评估和控制单元的数字数据存储器单元中实现，并且可由评估和控制单元的处理器单元执行。在到目前为止考虑的收发器天线单元trxk的远场中发生目标28的情况下，发生的目标28的范围由多个收发器天线单元trxk中的每一个在分离的角度方向上的与位于角度范围内角度αk的相对应的角度方向的相同的一个上确定。在收发器天线单元trxk的近场中发生目标28的情况下，发生目标28的范围可以由多个收发器天线单元trxk中的每一个在分离的角度方向上的与位于角度范围内角度αk的相对应的角度方向的不同的一个上确定。为了清楚起见，仅在两个收发器天线单元trx1、trx2中示出了这种情况。当收发器天线单元trx1和trx2距离门2r1，距离门2r2分别显示峰值时，目标28位于x＝cos(φ)r1,y＝sin(φ)r1其中，并且坐标如图9所示。对于这些情况，必须相应地调整映射矩阵a.目标28位于(x,y)＝(cos(φ)r1,sin(φ)r1)将生成距离门峰值分别在收发器天线单元trx1,trx2处。要解码的单元14的数量立即与网格的粗糙度(单元14的大小，比较图10)相链接。为了降低问题的复杂性并实现无歧义，可以通过合并距离门来增加单元14的尺寸，如前所述。与所有角度解码技术一样，需要在决策和明确性之间进行权衡。如前所述，非一致性处理不能区分如图11所示的目标配置(三角形a1、a2与交叉b1,b2)。然而，关于距离分辨率的一致性处理产生目标配置的唯一性。为了实现这一点，针对多个收发器天线单元trxk中的每一个，来自目由标反射的雷达波的接收信号不仅针对已经由特定收发器天线单元trxm发射的接收的雷达波，而且针对由多个收发器天线单元trxk，k＝1-n,k≠m的平衡发射的雷达波进行解码，并且读出多个距离门12。收发器天线单元trxk的多个距离门在解码其自己的雷达信号之后以及已经由其他收发器天线单元trxk，k＝1-n,k≠m发射并且已经由图13中示出的目标反射的雷达信号。这里，占用距离门r(i,j,k)对雷达波进行符号化，所述雷达波已经由收发器天线单元trxk发射，已经由收发器天线单元trxj解码，并且已经在与距离分辨率r的i倍相对应的时隙中接收到。在下表中给出了可以从完整mimo概念中获得的范围信息。a1a2b1b2tx1torx12r22r12r12r2tx1torx2r2+s2r1+s1r1+s2r2+s1tx2torx1s2+r2s1+r1s2+r1s1+r2tx2torx22s22s12s22s1收发器天线单元trxk的交叉通话提供了进一步的信息(表的第2和第3行)，其可用于区分不同的目标配置。同样，强调该信息仅基于范围，而不是基于相位的。从解码相互信号获得的附加信息对应于椭圆的距离分离(这里由常数c1、c2指定)，如图12所示。由收发器天线单元trxk接收的信号由形成汽车扩展雷达系统10的一部分的信号处理单元18处理。信号处理单元18本身是已知的并且为了完整起见在此描述。信号处理单元18的布局在图14中示出。相关器20将执行测距，类似于全球定位系统(gps)。并行相关器20的数量等于序列长度lc，以在一个步骤中提供范围处理。一致性累加器22将经由m累加增加信噪比(snr)，并且将执行至少快速傅立叶变换(fft)以提取多普勒信息。在接收机侧，需要将信号v与哈达玛矩阵h.i的每一行相乘以区分每个发射机(在相关之后，参见下面的草图)。汽车扩展雷达系统10的设计参数是：总停留时间td＝tc·lc·m·n范围分辨率明确的范围速度分辨率其中，载波频率的波长为λc再次处理gprefft＝10log10(lcm)gfft＝10log10(n)尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述被认为是说明性或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图，公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现要公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个，其意味着表示至少两个的量。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。参考符号列表10汽车普及雷达系统12距离门14单元16评估和控制单位18信号处理单元20相关22累加器24线性阵列26车28目标d距离dk角度到达方向αk角度共同方向trxk收发器天线单元当前第1页12