具有频率依赖的波束控制的雷达传感器的制造方法

具有频率依赖的波束控制的雷达传感器的制造方法
【专利摘要】说明了一种具有频率扫描波束控制的雷达系统，其用于安全带提醒功能(SBR)和安全气囊抑制的车内乘员检测和分类。系统包括天线系统，其主波瓣方向(方位角o)通常随频率线性地改变；RF电子收发器电子器件，其具有至少一个发送信道以及一个或多个接收信道，每个信道都具有两个输出(I/Q)。由微控制器系统来进行数据采集和信号处理/解释。
【专利说明】
具有频率依赖的波束控制的雷达传感器
技术领域
[0001] 本发明总体上设及例如在车辆中的用于乘用检测的雷达传感器的技术领域，具体 而言，设及用于乘用检测(OD)或乘用分类(OC)或安全带提醒(SBR)功能的具有频率依赖的 波束控制(beam steering)的雷达传感器。
【背景技术】
[0002] 用于乘员分类和检测的现有技术是基于锥的压力传感器系统，其被集成在每一个 座位中。锥传感器在每一个个体座位中的集成导致相对高的集成成本。而且，基于锥的压力 传感器的布线尤其在可动车辆座位的情况下会引起问题。最终，传统的基于锥的系统仅可 W检测人们是否直接坐在座位上。不能检测不在适当位置的情况(如坐在两个座位之间或 者睡在后排长椅上）。
[0003] 由于高成本，在市场上还没有建立基于雷达的车载系统。通常，每一个座位都需要 单独的雷达传感器。
[0004] 另一方面，雷达技术相比于其它乘用检测和分类方法提供了一些优势。它是不接 触且不可见的测量系统，其可W容易地被集成在塑料覆盖物和织物后面。雷达系统可W测 量微米范围内的最小运动。现有技术的解决方案使用传统单频多普勒雷达作为运动传感 器。运不足W得到与乘用状态W及人在车内还是车外有关的可靠声明。

【发明内容】

[0005] 技术问题
[0006] 本发明的目的在于提供一种用于乘用检测的改进的雷达传感器。通过如权利要求 1中所要求保护的本发明来实现该目的。
[0007] 发明概述
[000引在本发明的可能的实施例中，一种车辆乘用检测和/或分类系统，包括雷达系统， 其具有频率扫描波束控制。车辆乘用检测和/或分类系统例如可W用于安全带提醒功能 (SBR)和/或用于诸如安全气囊之类的辅助约束系统的控制中。雷达系统可W包括天线系 统，其主波瓣方向（方位角巧）随频率而改变，最优选地是线性地随频率而改变;RF电子收发 器电子器件，其具有至少一个发送信道W及一个或多个接收信道，每个信道具有两个输出 (I/Q)。由微控制器系统来进行数据采集和信号处理/解释。
[0009] 雷达系统可W使用具有频率依赖的福射方向的天线（例如，一种漏泄波天线或者 超材料天线），W使得天线可W在不同方向进行感测。通过观测纯连续波(CW)信号中的运 动，可W确定运动角度的最大值。通过使用先进的自动校准方法，可W提取运动并对其进行 分类。运允许区分具有任意运动（由于驾驶状况）的对象和固有地存在胸部的呼吸运动的 人/动物。通过对人/动物的表面进行扫描并解释反射的运动信号，可W估计人的大小，其进 一步允许乘员的分类。
[0010] 运个系统通过确定乘员的位置可W检测并分离汽车中的多个乘员。传统基于到达 角度的系统不能分离彼此靠近的对象(例如，并肩坐的乘员）。实际的基于雷达的乘员分类 系统针对每一个座位使用单独的雷达系统（通过天线波瓣、MIMO/MISO雷达而进行空间分 离），运由于多信道电子器件而产生高集成成本和材料成本。
[0011] 将意识到，提出的雷达传感器的主要优点如下：
[0012] ?单个雷达传感器(具有I/Q输出的一个单个RF信道)可W用于针对车辆的整个后 排长椅对乘用进行检测和/或分类；
[0013] ?与集成成本和材料成本相关的杰出的成本效率(同样相比于传统雷达系统）；
[0014] ?作为附加功能的免费的生命体征监测。
[0015] 还应当注意到，根据本发明的雷达传感器可W有利地与光学传感器系统组合，W 便验证检测和/或分类的结果。在运个组合系统中，乘员的分类可W通过雷达传感器来确 定，并随后借助于光学系统来进行验证。
[0016] 将注意到，尽管在辅助约束系统的控制中所使用的安全带提醒传感器或乘用分类 传感器的背景下对本发明进行说明，但是举出运些应用示例仅仅作为雷达检测系统的可能 的应用。技术人员将意识到，提出的检测系统不限于运些应用。
[0017] 在本发明的优选实施例中，用于机动车辆的乘用检测和/或分类系统，包括至少一 个雷达模块，其用于在车辆内部之内检测对象的存在，所述至少一个雷达模块包括天线系 统，其具有频率依赖的主波瓣方向，其中，所述乘用检测和/或分类系统包括控制模块，其用 于W多个频率对所述至少一个雷达模块进行操作。
[0018] 天线系统优选地被设置为在操作中当所述控制模块在所述多个频率的范围内改 变操作所述雷达模块的频率时，所述频率依赖的主波瓣方向扫描多个车辆座位，例如后排 座位长椅的座位。
[0019] 天线系统例如可W被设置在车辆车顶、车体柱、车辆中央控制台、仪表盘或车辆方 向盘中的一个中，并且方向朝向相邻于安装位置的车辆座位。
[0020] 控制模块优选地包括至少一个RF电子收发器电子器件，其具有至少一个发送信道 W及一个或多个接收信道，每个信道都具有两个输出（I/Q)，而所述天线系统包括行波天线 (TWA)、漏泄波天线(LWA)或串联贴片阵列（series patch arrayKSPA)的至少其中之一。
[0021] 在可能的实施例中，天线系统包括至少两个天线，所述至少两个天线中的每一个 都具有其主波瓣方向的个体频率依赖性，并且其中，所述至少两个天线的主波瓣方向的各 自的个体频率依赖性彼此不同。替换地或者另外地，所述天线系统包括至少一个天线，其具 有被设置在所述天线的相对两侧上的第一连接点和第二连接点，并且其中，所述控制模块 被配置为从所述第一连接点和所述第二连接点来操作所述至少一个天线。
[0022] 优选地，所述系统还包括静态杂波模块，其用于过滤来自非运动对象的雷达福射 的静态散射。
【附图说明】
[0023] 现在将参考附图、W举例的方式说明本发明的优选实施例，附图示出：
[0024] 图1示出具有弯曲微带线行波天线的PCB;
[0025] 图2示出车辆的车厢内的传感器位置的示意图；
[0026] 图3示意性地例示了后排长椅之上福射波瓣的控制；
[0027] 图4示意性地例示了借助于多音FSK调制的多普勒测量的概念；
[0028] 图5示出具有两个不同的弯曲微带线行波天线的PCB;
[0029] 图6示出具有从两侧馈送的单个弯曲微带线行波天线的PCB;
[0030] 图7示意性地示出雷达系统的结构。
【具体实施方式】
[0031] 在复杂环境(例如，汽车舱的内部）内的雷达感测极具挑战性，并且算法与用于外 部雷达感测的算法大有不同。
[0032] 雷达系统的优点在于，与被动摄像机系统相反，雷达系统由于其主动地照明场景， 在夜晚也进行操作。主动摄像机系统需要在光谱中的照明，其对于人眼是可见的（相比于红 外摄像机的昏暗）。雷达系统在对于人眼完全不可见的微波波段内工作。另外，其穿透到材 料中，并可W穿过材料进行传输。所W在塑料覆盖物和织物后面的集成也是可能的，而基于 摄像机的系统需要开口W穿过其进行查看。
[0033] 传统多普勒雷达(CW雷达）由于多普勒效应而极为灵敏，并且能够跟踪微米范围内 的小目标运动。运些雷达系统常常用于开口器、运动/存在检测器，但也用于呼吸和皮肤的 屯、震图运动的生命体征监测。CW雷达仅福射一个单个频率的电磁波，因此不能确定运动目 标的范围，且不能分离多个目标。由于灵敏性，CW雷达记录天线波束中的所有运动。为了测 量专用对象运动，操作者必须确保天线波束仅指向该对象，并且不存在对于雷达系统可见 的其它运动对象。运在汽车内部中是无法确保的，在汽车内部中，天线波瓣会直接或者经由 多次反射部分地指向外部。因此，需要确定范围信息，W便能够区分运动信号是源自汽车的 内部还是外部。
[0034] FMCW雷达通常能够由于宽带频率扫描而确定目标的范围，其中对于宽带频率扫 描，分辨率随着增加的带宽而提高。术语分辨率在此表示可W清楚地分离两个目标的最小 距离。对于工作在具有Af = 250MHz带宽的24G化ISM频带中的FMCW雷达，范围分辨率A R是 60cm，借助W下等式计算(Cd是光在自由空间中的速度）：
[0035]
[0036] 在汽车内部中，目标的范围和速度由一个增大的频率斜坡和一个减小的频率斜坡 (两者均为线性的）的单次测量来确定。
[0037]
[00；3 引
[0039] 测量的频率(拍频fbi和拍频fb2)不同，因为高目标速度在增大的斜坡和减小的斜 坡过程中引起相反的多普勒频移。调频时间（chirp time)Tc是一个斜坡的持续时间。
[0040] 速度分辨率是
[0041；
[0042] 在l-2cm/s的呼吸速度情况下，最小调频时间需要为30-60S，其中，速度必须是恒 定的。因而，借助于传统FMCW算法不能测量小呼吸速度。
[0043] 另一方面，运允许我们假定身体位置在具有几毫秒的持续时间的斜坡测量期间是 恒定的，而运几毫秒的持续时间对于诸如汽车或者甚至飞机之类的快速运动的目标是不正 确的。在乘用状态监测中，在斜坡测量期间不存在显著的多普勒频移。
[0044] 而且，由于低的范围分辨率和静态杂波，W时间序列对范围值的记录不够准确。
[0045] 产生小的身体运动信号的唯一方式是在连续FMCW模式或多级FSK模式下从范围域 中获得目标相位，或者在FSK模式下评估每一个测量的频率的相位。对于两个模式，在乘用 分析前必须去除静态杂波。
[0046] 典型的雷达类型可W在从24.OOG化直到24.25G化的整个频率范围内具有几乎固 定且恒定的天线波瓣，但本发明不限于运个频率范围。其它雷达频率例如是60G化、77G化、 79G化、120G化或任何其它适当的雷达频率。
[0047] 在汽车内部乘用状态监测的情况下，若干种概念是可能的，W便借助于多输入多 输出(MIMO)和多输入-单输出(MISO)系统来区分每一个座位：
[0048] ?通过每一个雷达信道的非常窄的天线波瓣来实现每个单个座位之间的空间分 离。在单个天线之间基本上没有干扰。主波瓣直接地指向座位的中间。
[0049] 运个概念的优点在于可WW分散的方式(decen化alized)来集成所有传感器，其 中传感器之间具有任意的距离(但传感器不应当面向彼此）。
[0050] ?到达角度(AoA)/到达方向（DoA):具有宽福射波瓣的至少两个或更多个天线。天 线W彼此间明确限定的距离被印刷在相同PCB上。必须在每个单个信道中单独地识别目标 (例如，借助于距离和/或借助于运动速度），并且通过相位比较来找到方位角方向。运只有 在对象用距离良好地分离或者具有不同速度(在最佳情况下是均匀化omogenous)且恒定的 速度)时才是可能的。在后排长椅SBR的情况下，所有乘员位于距雷达传感器类似的距离处， 肩并肩，且呼吸信号彼此几乎类似。运个概念仅适合于集中式版本。
[0051] ?单脉冲雷达，其与基于AoA原理的雷达类似地工作，但通过幅度上的差异来确定 方向。
[0052] ?波束控制和波束切换雷达，其中，福射波束可W个别地改变为不同方向。
[0053] 最后的波束控制/切换概念允许仅借助于一个传感器在所有可用方向上测距 (ranging)(发送宽带信号），但其通常比具有固定天线波瓣的雷达系统复杂得多并且更为 昂贵。
[0054] 在多散射环境中，通过"传统测距"对乘员进行检测是不可能的。来自A柱、B柱和C 柱、车顶、座位等的反射重叠并导致宽杂波，由于其，乘员的分离几乎是不可能的。出于运个 原因，运动感测（例如，利用纯CW雷达传感器)是利用雷达系统来跟踪乘员的非常稳定的方 法。因而，通过人体运动（其为人的呼吸）来完成检测/跟踪。出于运个原因，单个频率测量 (CW)对于人体运动的观测是足够的。
[0055] 应用随频率而改变主福射波瓣的天线（例如，行波天线(TWA)、漏泄波天线(LWA)、 串联贴片阵列(SPA)等)允许极具成本效益的波束控制，因为可W W频率来控制大多数雷达 收发器半导体系统。典型的TWA可W是如图1所示的弯曲微带线或者是开槽的中空波导。
[0056] 具有频率调节(例如，VCO输入）的CW雷达传感器可W W时分复用来测量一组多个 CW运动测量。利用频率改变主波瓣福射方向的天线（例如，漏泄波天线(LWA)或超材料天线 (MMA))的使用允许测量来自不同方向的运动信号。现在运可W是从后排长椅上的左侧座位 到右侧座位的范围，其提供了对位于中间座位位置上的人的检测。
[0057] 传感器安装的位置在乘员的前面，W便照射身体的整个区域或者其部分。可能的 集成位置可W在顶棚与车体之间，在车体柱、中央控制台、顶置控制台、仪表盘、方向盘中 等，如图2所示的。因而，位于中央位置处的单个雷达系统可W覆盖全部座位，例如如图3所 示的后排长椅。
[0058] 运动感测(例如，利用纯连续波(CW)雷达传感器)是在多杂波和多径环境中利用雷 达系统来跟踪乘员的非常稳定的方法。仅具有一个单个频率的纯CW雷达传感器能够跟踪在 静态环境内运动的单个目标。多普勒信号的幅值是对象的雷达截面积(RCS)的量。借助于频 率控制天线的多频率测量(例如，多级FSK)，产生了达到如图4所示的频率处理的不同福射 角度的准同步单个CW测量。
[0059] 运可W解释为如图4中描绘的在相同时间对相同目标运动的准并行测量。
[0060] 多音FSK频率的步阶不必是升序或降序的，而可W是任意顺序的。所使用的频率图 案仅应当对于在时间上等距的多普勒运动测量是重复的。
[0061] 如果单个对象运动相比于采样率足够慢(对于诸如呼吸或屯、跳之类的人体运动而 言是运种情况），则在相邻频率处的多普勒信号几乎相似。
[0062] 导致基带中的DC偏移的诸如柱、车体车顶等之类的非运动对象的静态散射被过滤 掉，并且信号处理可W集中在单个目标的运动信息上。例如可W通过W下方法中的一种来 去除静态偏移：
[0063] 1、传统带通滤波，其具有在数十毫赫兹到数十赫兹之间的通过频率；
[0064] 2、针对I/Q信号的复数域中和针对一个信道信号（仅I信号）的一维实数域中的信 号的质屯、（centroid)的估计；
[0065] 3、仅针对形成正交信号集的I/Q信号的圆估计方法(例如，Izhak Butcher所描述 的方法）；
[0066] 4、取得两个连续测量之间的差；
[0067] 5、对复数I/Q信号或纯实数I信号的FFT。
[0068] 方法1-5依赖于时间序列测量，并且总是在复数域中有效。当目标运动幅度在半波 长范围内，使得基带信号覆盖谐波函数(正弦/余弦）的整个明确范围，且完全在复数域中围 绕旋转时，只有前两个方法(方法1&方法2)达到良好的DC偏移减去。方法3隐含地需要复数 信号，但是仅利用复数域上的圆的一部分来正确地估计DC偏移。如果不可用，则用于从纯实 数信号中估计复数信号的化Ibert变换可W提供可能的解决方案。方法4是最简单的，其在 两次测量之后具有即时响应，而无需考虑整组的测量。主要缺点是在运动信号频率具有与 采样频率相同的大小时的不准确性W及对噪声的敏感性。理论上FFT DC偏移去除可W在频 率域中的一次单个测量的情况下工作，但是在此意味着对每个单个频率的时间序列测量的 FFT。
[0069] 要注意其是非相关的，无论是在频率域中还是在范围域中执行静态杂波去除。两 个替代方案产生相同的最终结果。
[0070] 利用运个方法无法直接确定运动目标的距离。紧密邻近传感器的小对象和距传感 器较远、具有相等运动的大对象产生类似的基带信号。在使用CW雷达的本发明的情况下，不 能确定信号是由车辆内部还是外部的运动产生的，运在天线波瓣指向窗外时是一个问题。 出于运个原因，天线应当被设计为仅集中在后排长椅的靠背和/或座椅上。
[0071] 另一种可能性是采用针对相同福射角具有不同控制频率的两个不同频率控制天 线(参见图5)。因此，可W从在来自两个天线系统的被跟踪运动之间的相位差中确定对象运 动距离。
[0072] 替代使用不同的天线，可W应用如图6所示的一个单个天线，但从不同侧进行馈 送。
[0073] 当多个目标位于视场中时会引起其它问题。当所有对象W相同的方式运动时，会 正确地检测正确的运动。
[0074] 在全部多个对象的运动是均匀的且速度明显不同的情况下，也可W通过对时间序 列测量进行傅里叶变换来分离目标。因而，在恒定的个体速度的假定下，每个目标在频率域 中产生单独的多普勒频移。可W将在驾驶时靠近的机动车辆或外部运动场景与人类乘员呼 吸清楚地分离。
[0075] 而且，利用一个单个天线系统，并且如果没有先验数据可用，不能清楚地分离具有 不同的非均匀运动的多个目标(例如，若干人呼吸或人体的不同部分）。如"盲源分离"或"独 立分量分析"之类的方法能够在CW模式下W多于一个频率来估计不同种类的任意运动，针 对该频率使用了两个频率依赖的天线（图5)的输出或者具有两个馈送的一个频率的天线 (图6)的输出。也可W与两个相邻频率一起使用一个单个馈送频率依赖天线（图1)，针对该 两个相邻频率，福射点强烈重叠，W使得在两个信号之间存在强相关性，其充当"盲源分离" 方法的良好基础，W便是稳健的。
【主权项】
1. 一种用于机动车辆的乘用检测和/或分类系统，所述乘用检测和/或分类系统包括用 于在车辆内部之内对对象的存在进行检测的至少一个雷达模块，所述乘用检测和/或分类 系统的特征在于，所述至少一个雷达模块包括具有频率依赖的主波瓣方向的天线系统，并 且所述乘用检测和/或分类系统包括用于以多个频率对所述至少一个雷达模块进行操作的 控制模块。2. 根据权利要求1所述的乘用检测和/或分类系统，其中，所述天线系统被设置为在操 作中当所述控制模块在所述多个频率的范围内改变操作所述雷达模块的频率时，所述频率 依赖的主波瓣方向对多个车辆座位进行扫描。3. 根据权利要求1或2中任一项所述的乘用检测和/或分类系统，其中，所述天线系统被 设置在车辆车顶、车体柱、车辆中央控制台、仪表盘或车辆方向盘的其中之一中。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的乘用检测和/或分类系统，其中，所述控制模块包 括至少一个RF电子收发器电子器件，所述至少一个RF电子收发器电子器件具有至少一个发 送信道以及一个或多个接收信道，每个信道都具有两个输出（I/Q)。5. 根据权利要求1至4中任一项所述的乘用检测和/或分类系统，其中，所述天线系统包 括行波天线(TWA)、漏泄波天线(LWA)或者串联贴片阵列(SPA)的至少其中之一。6. 根据权利要求1至5中任一项所述的乘用检测和/或分类系统，其中，所述天线系统包 括至少两个天线，所述至少两个天线中的每一个天线都具有对其主波瓣方向的个体频率依 赖性，并且其中，所述至少两个天线的所述主波瓣方向的各自的个体频率依赖性彼此不同。7. 根据权利要求1至5中任一项所述的乘用检测和/或分类系统，其中，所述天线系统包 括至少一个天线，所述至少一个天线具有被设置在所述天线的相对两侧上的第一连接点和 第二连接点，并且其中，所述控制模块被配置为从所述第一连接点和所述第二连接点两者 对所述至少一个天线进行操作。8. 根据权利要求1至6中任一项所述的乘用检测和/或分类系统，其中，所述系统还包括 静态杂波模块，所述静态杂波模块用于过滤来自非运动对象的雷达辐射的静态散射。
【文档编号】G01S13/88GK105981223SQ201480067209
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年11月28日
【发明人】A·迪瓦尔德
【申请人】Iee国际电子工程股份公司