借助雷达传感器估计扩展雷达对象的笛卡尔速度的制作方法

本发明涉及一种用于雷达传感器、尤其用于机动车的雷达传感器的方法，本发明还涉及一种雷达传感器、尤其用于机动车的雷达传感器，其中，所述雷达传感器具有天线装置，该天线装置具有在一个方向上定位在不同位置处的多个天线。

背景技术：

常规的雷达传感器在极坐标中探测雷达目标。例如，测量径向距离、径向相对速度以及方位角和/或仰角形式的角度。横向速度(或切向速度)或角速度的确定只能通过所观察的角度随时间的变化或在对扩展雷达对象使用复杂对象模型的情况下来进行。

雷达传感器在机动车中例如用于测量至位于自身车辆前方的车辆或其他雷达目标的距离、相对速度和方位角。于是，多个天线例如彼此间隔一定距离地布置在水平线上，使得所定位的雷达目标的不同方位角导致雷达信号的传播长度上的差异，雷达信号从雷达目标直至各个天线经过所述传播长度。这种传播长度差异导致信号的幅度和相位上的相应差异，所述信号由天线接收并且在对应的分析处理通道中被分析处理。为了进行角度估计充分利用以下情况：由不同接收天线获得的信号的幅度关系和相位关系以特征性的方式取决于雷达目标的角度。然后，可以通过将在不同通道中接收到的(复)幅度与天线图中的各个幅度进行比较来确定雷达信号的入射角并因此可以确定雷达目标的方位角。以相应的方式，还可以借助竖直地彼此上下布置的天线来估计雷达目标的仰角。

为了在对象追踪中处理横向行驶的、扩展的雷达对象而提出：基于扩展雷达对象的假设和点目标至雷达对象的相应分配来共同地处理点目标，并且由分配给对象的n个点目标的不同的所观测的径向速度v1，...，vn和各个所测量的角度α1，...，αn根据如下超定方程组来估计扩展对象的速度(vx,vy)的实际方向：

该超定方程组写为vm＝mv。借助平方均值技术将该解求取为

技术实现要素：

在雷达传感器的性能进一步提高过程中，将可以以提高的分辨率进行d、v估计。可用的传感器参数(即天线装置的尺寸或孔径)的增加也将能够实现角度估计的精度的提高和角度分离的改善。在使用具有线性频率斜坡的fmcw(调频连续波)测量方法以及借助离散傅立叶变换(尤其fft(快速傅立叶变换))来分析处理接收信号的情况下，傅立叶变换的距离窗口的宽度相应于距离差δr，其中δr＝c/(2f)，其中，c是光速，f是fmcw发送信号的线性频率斜坡的频率偏移。在此，该距离差也称为距离分辨率。

因此，“距离分辨率”应理解为如下最小距离差：(在相同的相对速度情况下)在该最小距离差情况下，在雷达传感器的给定运行方式情况下，仍可以将雷达传感器的距离的两个测量值映射到独立的窗口上。在执行fft时，距离分辨率相应于fft中的两个距离窗口的间距、即距离窗口的宽度。在此及下文中，术语“距离分辨率”和“距离窗口的宽度”可以同义地使用。与此不同，“距离可分离性”理解为距离窗口的宽度的两倍。如果将雷达传感器的带宽增大，则例如在发送信号的频率偏移为f＝2ghz的情况下，能够实现δr＝7.5cm的距离分辨率。如果同时将孔径或(在mimo(多入多出)雷达传感器的情况下的虚拟孔径增加到类似数量级的值上，则取决于雷达目标的角度，各个天线或分析处理通道的接收信号之间的传播长度差已经可以如此大，使得在分析处理通道的傅立叶频谱中，(视分析处理通道而定)关于所接收的信号的幅度和/或相位的信息不仅包含在通过检测到的雷达目标的d、v估计所确定的频率窗口中，而且包含在一个或多个相邻的频率窗口中。在直接处于前面的雷达目标的距离为5m且中间天线位置与外部天线位置之间的偏移例如为40mm的情况下，得出约0.5°的角度差。如果雷达目标具有例如2.7m/s(10km/h)的横向速度，则在中间的天线位置处看不出相对速度，然而在外部天线位置处看出0.025m/s的径向相对速度或在另一侧看出-0.025m/s的径向相对速度。fft的窗口尺寸为0.1m/s(测量的速度分辨率)相应于在相应的三个分析处理通道中的-1/4窗口、0窗口或+1/4窗口的频率位置偏移。

本发明的任务是提出一种方法和一种雷达传感器，借助该方法和该雷达传感器能够实现点目标与扩展雷达对象的直接关联。

本发明的另一任务是提出一种方法和一种雷达传感器，借助该方法和该雷达传感器能够实现扩展雷达对象的速度(尤其笛卡尔速度)的快速和简单的估计。

为了解决所述任务中的至少一个，根据本发明的用于雷达传感器、尤其用于机动车的雷达传感器(所述雷达传感器具有带有多个天线的天线装置，所述多个天线在一个方向上布置在不同位置处)的方法包括以下步骤：针对各个分析处理通道(所述分析处理通道相应于在一个方向上的相关的发送和接收天线的不同中间天线位置)并且针对各个单个的雷达目标，根据在各个分析处理通道中获得的信号来确定各个雷达目标的个体径向速度，该个体径向速度被分配给各个分析处理通道；针对各个雷达目标，基于雷达目标的所确定的个体径向速度来估计各个雷达目标的各个速度，其中，所述各个速度包括关于相对于雷达传感器在前进方向上的速度和切向速度的信息；至少根据雷达目标的所估计的速度，将雷达目标分配成属于扩展雷达对象。所估计的速度包括关于相对于雷达传感器在前进方向上的速度和切向速度的信息(即包括二维速度)。所述速度尤其可以是笛卡尔速度(即在正交坐标系中说明的速度)。对于直接在前进方向上定向的雷达传感器，切向速度相应于横向速度。

这使得那个基于具有单个发送信号调制周期的单个测量(尤其例如对于具有频率斜坡或快速线性调频序列形式的频率调制模式的发送信号)来估计各个雷达目标的(笛卡尔)速度。尤其可以基于各个分析处理通道中的径向速度的单个测量来由各个频谱估计雷达目标的(笛卡尔)速度。

因此，可以非常快速地进行速度测量和雷达目标至扩展雷达对象的分配(关联)。尤其可以直接针对单个雷达目标进行(笛卡尔)速度的测量，并且可以根据在发送信号的单个调制周期内或频率斜坡内的雷达目标的检测进行(笛卡尔)速度的测量。由此，即使在仅在一个周期内或几个周期内可见并且因此难以通过复杂对象模型来处理的对象(例如快速横向运动的对象或在道路边缘的建筑物)的情况下，也能够测量笛卡尔速度并且实施至扩展对象的关联。

这使得能够实现驾驶员辅助系统或用于自动化驾驶的系统的(尤其在相对较短距离处的雷达目标的情况下的)明显更快的反应。这对于保护弱势交通参与者(vru，英语：vulnerableroadusers)、例如行人是特别有利的。

雷达目标应理解为仅分配有单个位置的反射中心，这与分配有多个反射中心的扩展雷达对象不同。术语“雷达目标”与“点目标”同义地使用。

在该方法中，由至少一个天线发送雷达传感器的发送信号，并且由至少一个天线接收信号。在一种有利的实施方式中，所发送的信号以斜坡的形式进行频率调制。在一种有利的实施方式中，雷达传感器是fmcw雷达传感器。

该方法可以进一步包括以下步骤：基于所分配的雷达目标的所确定的个体径向速度来估计扩展雷达对象的速度。因此，这涉及一种用于估计扩展雷达对象的速度的方法。与传统方法相比，这能够实现对扩展对象的更快且改善的速度估计。该速度可以包括关于相对于雷达传感器在前进方向上的速度和切向速度的信息。所述速度尤其可以是笛卡尔速度。

在此及下文中，与雷达传感器在总体上相关的所估计或确定的参量也称为“全局”参量，而与各个分析处理通道以及发送和接收天线的相关中间天线位置相关的参量称为“个体”参量。因此，例如可以将待估计的切向速度称为全局切向速度。

此外，该任务还通过一种雷达传感器、尤其用于机动车的雷达传感器来解决，该雷达传感器具有天线装置以及控制和分析处理，该天线装置具有在一个方向上布置在不同位置处的多个天线，该控制和分析处理装置设计用于实施所述方法。

本发明的有利构型和扩展方案在从属权利要求中说明。

在一种有利的实施方式中，在估计各个雷达目标的速度的步骤中，基于以下关系来估计雷达目标的笛卡尔速度：

其中，i＝1，...，1表示各个分析处理通道，其中，vr,i是雷达目标的所确定的个体径向速度，θi是雷达目标的分配给各个分析处理通道的个体纵横角(aspektwinkel)，(vx,vy)是雷达目标的笛卡尔速度，其中，vy是切向速度，vx是雷达目标在相对于雷达传感器在前进方向上的速度。

在一种有利的实施方式中，在针对各个分析处理通道确定雷达目标的各个个体径向速度的步骤中，基于分析处理通道中的信号的相应频率位置来确定各个个体径向速度。

在一种有利的实施方式中，在各个分析处理通道中借助傅立叶变换计算离散频谱，并且针对雷达目标，以比离散频谱的支持点的频率间距更精细的分辨率来确定信号在相关分析处理通道中的各个频率位置。在此，频率位置的分辨率应理解为如下参量：该参量说明在确定过程中可以获得的频率位置的可能值的精细度。离散频谱的支持点也可以称为频率点或频率窗口。

例如，可以通过频谱的内插、对信号的峰值最大值的搜索或者通过将模型函数的频率参数匹配(拟合，英语fitting)于频谱中的信号来确定各个频率位置。

附图说明

下面根据附图进一步阐述实施例。附图示出：

图1示出根据本发明的用于机动车的雷达传感器的方框图；

图2示出各个分析处理通道的傅立叶频谱的频率窗口的示意图；

图3示出天线位置与雷达目标的关系；

图4示出用于阐述根据本发明的方法的第一部分的方框图；

图5示出用于阐述该方法的第二部分的流程图；

图6示出交通情况的示意图。

具体实施方式

图1中所示的雷达传感器在共同衬底18上具有多个接收天线或天线元件10、12。雷达传感器如此安装在机动车中，使得天线10、12中的多个以相同的高度彼此相邻地位于水平位置yi(i＝0，...，k)处。在图1中象征性地示出雷达射束，该雷达射束由天线以相应的方位角θi(纵横角)接收。

用于操控发送天线22的高频部分20包括本地振荡器24，该本地振荡器产生待发射的雷达信号。将由天线10、12接收的雷达回波分别提供给混频器28，在混频器处将雷达回波与由振荡器24提供的发送信号混频。以这种方式，针对天线10、12中的每个获得基带信号或中频信号z0、z1，...，zi，...，zk，将所述基带信号或中频信号提供给电子的控制和分析处理单元30。

控制和分析处理单元30包括控制部分32，该控制部分控制振荡器24的功能。在所示的示例中，雷达传感器涉及fmcw雷达，也就是说，以上升和/或下降的频率斜坡的序列形式周期性地调制由振荡器24提供的发送信号的频率。

此外，控制和分析处理装置30包括分析处理部分，该分析处理部分具有带有k个通道的模数转换器34，该模数转换器将从k个天线10、12获得的中频信号z0至zk数字化，并在单个频率斜坡的持续时间上分别将其记录。然后，在变换级36中通过快速傅里叶变换(fft)将如此获得的时间信号逐通道地变换到相应的频谱中。在这些频谱中，每个雷达目标都以峰的形式呈现，该峰的频率位置取决于从雷达传感器到雷达目标再返回到雷达传感器的信号传播时间并且(由于多普勒效应)而取决于雷达目标的相对速度。

然后，由两个峰的频率位置(所述频率位置针对同一雷达目标已经获得，但在频率斜坡方面具有不同的斜率、例如上升斜坡和下降斜坡)，可以以已知的方式计算相关雷达目标的距离d和相对速度v。与分配给各个分析处理通道的个体距离di不同，所估计的距离d可以称为雷达目标的全局距离。

如在图1中根据雷达射束示意性所示，天线10、12的不同位置导致：由同一天线发射、在雷达目标处反射并且然后由不同天线接收的雷达射束经过不同的传播长度并且因此具有相位差，这种相位差取决于雷达目标的方位角θ。对应的中频信号z0至zk也具有相应的相位差。所接收的信号的幅度(量值)也随天线的不同而不同，并且同样取决于方位角θ。

速度估计装置38根据分析处理通道的频谱中的信号来估计各个雷达目标的笛卡尔速度，该笛卡尔速度具有分量vx(相对于雷达传感器在前进方向上的速度)和切向速度vy。接下来将对此做进一步阐述。角度估计装置40根据这些信号来估计各个雷达目标的方位角。

在高带宽(相应于fmcw调制的大频率偏移)和天线装置的大尺寸情况下，取决于雷达目标的方位角θ和雷达目标的距离d，各个接收通道中的复幅度被包含在所接收的频谱中的不同频率位置fa(i)处。图2示意性地示出在分析处理通道i中针对雷达目标获得的信号(频谱的峰)的频率位置fa(i)，其中，在频率f增大的方向上示出傅立叶频谱的彼此相继的频率窗口。

图3以俯视图针对分析处理通道的在坐标(0,yi)处以角标i表示的天线位置，示出与坐标(x,y)处的作为雷达目标的点目标的关系，该点目标具有笛卡尔速度(vx,vy)。点目标的距离以di表示，所接收的雷达信号的纵横角以θi表示。为了简化图示，假设原点(0,0)表示天线阵列的中间点并且相应于中间天线位置。在该示例中，vx＝0，这相应于以下情况：在该情况中，点目标在雷达传感器前面恰好沿横向运动。为了简化，该附图示出以下情况：在该情况中，相对径向速度和绝对径向速度相对于原点为零。在处于原点的天线位置(0,y0)处测量到径向速度测量为vr,0＝0。在天线位置(0,yi)处测量到径向速度vr,i。这相应于笛卡尔速度(vx,vy)在天线位置的径向方向上的投影，并且因此取决于雷达目标在天线位置处的纵横角θi。

通过等式(1)说明分析处理通道i的纵横角θi、点目标的笛卡尔速度(vx,vy)以及个体径向速度之间的关系，该个体径向速度在各个分析处理通道i中由频谱估计得出。借助矩阵m的相应定义，可以将该其改写为：

vr＝mvxy

然后，可以根据最小二乘法(kq估计)由各个分析处理通道中的个体径向速度vr,i估计笛卡尔速度vxy的向量：

角度差越大，并且能够越精确地确定相对速度，则相应的估计就越好。例如可以借助伪逆、奇异值分解(svd，英语singularvaluedecomposition)或qr分解来数值地计算最小二乘估计。

分析处理通道的由于传播长度差而由雷达传感器“看到”的距离di取决于天线配置。在双基地系统或mimo系统中，将从发送天线到目标以及从目标到接收天线的路径的效应(距离或传播时间)相加并求平均。因此，距离di是去程和返程在信号的平均传播时间上的平均距离。相应地，考虑发送天线和接收天线的中间天线位置。

控制和分析处理装置30构造用于执行用于估计雷达目标的笛卡尔速度的方法，该方法示例性地根据图4阐述并且在速度估计装置38中实现。

在步骤s10中，通过对频谱进行内插，以高分辨率确定通道i的信号的频率位置fa(i)(峰值位置)。

在步骤s12的第一角度估计中，对于每个所定位的对象、即每个雷达目标(频谱中的每个峰值)，将在i个接收通道中获得的复幅度与天线图进行比较，以便由此估计雷达目标的方位角θ。在此，在通道的各个频谱中的各个相同的频率位置fref处分析处理复幅度的向量。与各个分析处理通道的个体纵横角不同，所估计的纵横角θ可以称为“全局”纵横角。

在步骤s14中，由方位角θ和天线位置yi确定通道的由距离决定的窗口偏移(频率位置的偏移δfa(i))。频率位置偏移可以称为由距离决定的频率位置偏移。频率位置偏移也可以称为频率位置校正。如上所述，频率位置偏移通过测量的高距离分辨率决定。频率位置偏移随着纵横角出现。取决于纵横角，频率位置偏移也可以为零。

在步骤s16中，从频率位置fa(i)中减去偏移δfa(i)，并且在步骤s18中分析处理剩余的频率位置fa(i)-δfa(i)，以便由所述剩余的频率位置来确定通道i的个体径向速度vr,i。这根据fmcw等式来实现。在此，k是相应于剩余的频率位置的窗口位置，c是光速，d是距离，f是斜坡的频率偏移，f0是中间频率，vr是径向速度，t是斜坡的持续时间。分析处理的频率位置是在考虑到频率位置偏移情况下的剩余的频率位置。

在步骤s20中，例如在考虑天线位置yi的情况下，由全局距离d和所估计的方位角θ(例如根据这些参量的几何关系)确定个体纵横角θi。例如，也可以由雷达目标的笛卡尔坐标和中间天线位置来计算个体纵横角。

在步骤s22中，根据等式(1)和(2)来估计雷达目标的笛卡尔速度。对于雷达传感器的输出，可以将其转换为例如与原点相关的的径向和切向速度(或角速度)。

在可选的步骤s24中，由角度估计装置40在经改善的第二角度估计中估计方位角θ，其中，在考虑到频率偏移δfa(i)和/或(由方位角θ和天线位置yi得出的)相应的由速度决定的频率偏移δfa(i)的情况下，在通道的相应频谱中的相应频率位置处分析处理复幅度向量。这尤其涉及雷达目标的纵横角的第二估计的步骤，除了上述纵横角的(第一)估计步骤s12以外，也实施该步骤。

该方法尤其可以是迭代方法，在该迭代方法中基于对纵横角的第二估计再次实施取决于纵横角的估计步骤s14、s16、s18、s20、s22。

如从图中可以看出，可以彼此并行地或以其他顺序实施这些步骤。

在一种有利的实施方式中，如果雷达目标的距离低于距离阈值，则考虑所述个体径向速度的差异。因为在很大的距离上，这种效应太小而无法区分个体径向速度。可以根据测试测量或基于雷达传感器的理论速度分辨率来选择距离阈值。

图5示出基于上述方法的用于估计扩展雷达对象的速度的方法步骤，所述方法针对各个所定位的雷达目标(点目标)实施。从各个步骤s22的结果出发，在步骤s30中，基于所估计的雷达目标的笛卡尔速度，对属于扩展雷达对象的多个雷达目标进行关联(彼此分配)。在此，例如做出决策：笛卡尔速度是否在公差范围内一致，以及雷达目标的位置或距离以及角度是否在有限范围内一致。图6示意性地示出具有不同的径向速度vr的三个所定位的雷达目标，但是关于这三个所定位的雷达目标都已经估计出相同的笛卡尔速度(vx,vy)。这些雷达目标都关联至扩展对象60。

借助以涉及到的属于相同扩展对象的其他相关雷达目标的矩阵的行和左侧向量的行对等式(1)进行扩展，可以在步骤32中以相应的方式通过等式(2)来估计扩展对象的笛卡尔速度。

在此处描述的实施例中，借助双基地天线方案工作。然而可选地，也可以使用单基地天线方案，在该单基地天线方案中使用相同的(组)天线来进行发送和接收。

所述方法尤其可以有利地在借助所谓的快速线性调频序列工作的fmcw雷达传感器中使用。在此，以快速的序列遍历多个频率斜坡(线性调频脉冲)，所述频率斜坡具有大的斜率并且仅具有相对较短的持续时间。通过在各个斜坡上以及在斜坡序列上实施的2d-fft得出每个分析处理通道i上的二维频谱。相应地，频率位置fa(i)以及频率偏移δfa(i)和δfb(i)在一般情况下是二维向量。