专利名称：用于借助雷达识别降水的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前述部分的、用于在由雷湖寸束所检测的 区域内识别降水的方法， 一种用于执行这种方法的装置， 一种计算mii序以及一 种计^mii^产品。
背景技术：
降水，例如雨、冰雹、雾或者降雪，可以借助于雷达被识别。例如在气象学 中，il31定向天线脉冲状地，微波范围内的电磁波束，可以借助于雷达确定降 水弓驢。对此可以{顿一雷&系统，该雷达系统辐射具有约3至10 M^波长的雷 湖寸束。如果该棘在大气中避i淇直径大于约0.2敏的颗粒，另H么该^^被该 颗粒g。在此该皿的波长不改变。该皿的一部分被该雷达的一接收装置接 收，并且反射率被测量。由该^lt率可以计算降水纟艘，如果关于该降水的颗粒 或者液滴大小分布的某離设被满足。然后利用卵胃的Z-R^^进行换算，其中， Z代表反射率而R條降水鹏。
WO 1993002370 Al描述了一种用于识别雨的方法。^jth^射出多个雷达信 号。反,信号鹏收，以,生多普勒频谱。在该多普勒频谱中、特别是在该 频谱的職区域中的减小的振幅指示雨。EP 122938 Al描述一种借助T^象雷达 i明U雨m^冰雹的系统。对此不同的标准差图和g强度图被相互结合。
JP 0724830 A描述与雷达相关的一种用于修JE0fi十算的雨强度的设备。
JP 1004833 A描^"种雷达设备，M^l^fg的信号和测fi^信号的电 平，借助于该雷达设备可以i湖鹏雪g雨。
发明内容
在这样的背景下，本发明提出根据^3l权利要求的一种用于在由雷超寸束所 检测的范围内识别降水的方法，还提出按并列权利要求的用于执fi^种方法的装 置以及相应的计鄉辦和计靴辦产品。从各自的从属权利要求和以下的描述中给出有利的构型。
在该用于在由雷鄉束所检测的范围内识别降水的、根据本发明的方法中，
求得一个第一反散射的雷达信号的第一平均功，n—个第二反i[M的雷达信号的 第二平均功率。根据本发明，通M^辨均功率的相互比棘确定降水的存在。
在一个优选的实施方式中，借助于分别求得的平均功率的相关求得戶;f^平均 功率的一致。
在根据本发明的方法的一个有利的方案中，求出一个另外的反散射的 雷达信号的一另外的平均功率。对多于两个的反散射的雷达信号的分析处 理提高了降水识别的准确性。在所述反散射的雷达信号中可以涉及由相邻 安装的雷达发射器发射出的雷达信号的反射。
在一个优选的实施方式中，这些平均功率的一致的确定在考虑至少一 个加权因子的情况下进行，其中该至少一个加权因子被形成，以便平衡不 同的雷达天线方向图。当作为基础的雷达信号来自于不同地被构造的雷达 发射器时，通过使用加权因子也可以比较这些平均功率。这提高了该根据 本发明的方法的灵活性。
根据一个优选的实施方式，分别对所检测的区域的一无物体的区段求 出平均功率。
根据一个实施方式，为求出这些平均功率，每一个反散射的雷达信号 的频谱的功率密度分别被检测并且在该无物体的区段上被积分。
根据该根据本发明的方法的一个优选构型，该无物体的区段可以通过 分析所述反散射的雷达信号的频谱的功率密度被确定。在此该无物体的区 段对应于这些频谱的功率密度的一个共同的子区域，在该子区域内这些频 谱的功率密度不具有在各自的频谱的功率密度的基本噪声之上凸起的尖 峰。
根据一个另外的优选实施方式，降水的密度或者雷达信号衰减可以被 确定。这可以通过分析这些频谱的功率密度至少之一的基本噪声的升高来 实现。
降水例如可以是雨、降雪、雾或者冰雹。降水的主运动方向可以垂直 于所述雷达射束。优选的是，根据本发明的技术方案，可以在不分析多普 勒效应的情况下识别降水。根据一个优选的实施方式，使用一远距离雷达、即FMCW雷达发射器， 以便产生部分重叠的或者相邻的锥形雷达射束(Radars1rahlungskegel)。在 此这些反散射的雷达信号可以分别对应于一个锥形射束(Strahhmgskegd)。 FMCW雷达(英语frequency Modulated ￡ontinuous豆ave:调频连续波)， 也被称作调制的连续波雷达，是一种具有不断变化的频率的雷达信号。该 频率或者线性地增大，以便在一个特定的频率时突然重新下降至起始值(锯 齿状)，或者该频率可以交替地以恒定的变化速度上升和下降。通过该频率 的这样的线性变化和与此同时的持续的发射，除了发射器和物体之间的差 速外还可以同时求得它们相互之间的绝对距离。
一种根据本发明的装置执行该根据本发明的方法的所有步骤。 具有程序代码单元的根据本发明的计算机程序被设计用于执行该根据 本发明的方法的所有步骤，当这个计算机程序在一计算机上或者在一相应 的计算单元、特别是一根据本发明的装置上被执行时。
具有被存储于可被计算机读取的数据载体上的程序代码单元的根据本 发明的计算机程序产品被设置用于执行该根据本发明的方法，当这个计算 机程序在一计算机上或者在一相应的计算单元、特别是在一根据本发明的 装置上被执行时。
本发明以这样的知识为基础，即雷达传感器由于信号传输介质中降水 的发生，根据工作频率而定被不同地衰减。降水例如可以是雨或者降雪。 该衰减效应特别是出现在更高的频率的情况下，该频率例如被使用于汽车 雷达传感器中，并且根据降水强度而定，可以引起该雷达信号的不同的衰 减率。在远距离雷达或者远范围雷达中，使用多于两个的锥形射束或者天 线波束用于在交通场景中定位物体。仅当该发射出的雷达信号被均质地或 者均匀地填充一雷达空间(Radarzelle)的物体、例如雨反散射时，所设置 的接收器或者传感器在道路交通中才接收到相同的强度I。所述雷达空间在 此对应于该雷达的视野。
该根据本发明的技术方案可以被用于多个应用。首先本发明可以在雷 达信号传输介质中识别降水的发生。此外可以确定该降水的强度并且可以 估计雷达发射器性能损耗。为了在恶劣的天气情况下保持该雷达发射器的 有限的功能，本发明可被用于系统、例如调制系统对当前的信号传输介质的转换或者适配。也就是说，例如可以考虑，根据所确定的降水来改变被 发射的信号的功率。根据本发明的技术方案的一个另外的优点在于，该根 据本发明的方法可以被部分无修改地用于现有的汽车雷达发射器，所述汽 车雷达发射器产生至少两个锥形射束。将来的雷达发射器或者雷达系统可 以如此地被优化，以使得其可以充分地利用本发明的优点。此外，该根据 本发明的技术方案适合作为用于机动车中与安全相关的系统的信号源。 本发明其它的优点和构型由说明书和附图给出。
可以理解的是，以上所述和以下将要解释的特征不仅可用于相应地被 说明的组合中，而且也可用于其它的组合中或者独立应用，而不脱离本发 明的范围。
本发明借助于实施例在附图中被示意性地示出并且接下来参照附图被 详细地描述。
图1:根据本发明的一实施方式，示出在iili^I中的雷达系统的应用的示意
图2:鹏本发明的一实施方式，示出在由雷iilt束所检测的区域内的均匀介 质的示意图3示出 本发明的一实 式的一雷达信号频谱； 图4示出鹏本发明的方法的一雌的实施例的繊图；以及 图5示出 本发明的體的~^的实施例的滩具体实施例方式
图1示出在iMCT中的一多gn^雷达系统的应用。 一机动车1，也被称 作雷达，，装M"^范围雷]&^^^iS巨离雷达(LRR)。该雷达系统包括 至少^hMf器或t"^，至少一个接收器或者4专 ，以及处理^g、例如一 个用于分析被该接收器所接收的反散射波束的微处理器。发射器和接收器按 目的地构造为满足发射功能和接收功能的天线。
该机动车1在一道路上运动，该道路可以例如被形式为护轨或者护栏 的界限构成边界。在该道路上运动着可以被机动车1的雷达检测到的其它机动车3。为了检测机动车3，机动车1的雷达辐射多个锥形雷达射束或者 天线波束4。由天线波束4所检测的区域被降水，在此情况下被雨5填充。
降水的主运动方向与所述雷达射束垂直。在图1中所示的实施例中， 雷达射束在水平方向上被发射出。雨在垂直方向上降落。
图2示出在一单基地雷达空间中的雨滴的示意图。雷达空间可以是被 图1中所示锥形射束4之一所检测的一个区域。该单基地雷达空间以位于 锥形射束的尖端上的雷达为起始点。角0和<D在此表明水平的或垂直的天 线张角。该雷达空间可以被分为两个区段。第一区段V,以该雷达为起始点
并且被半径Rmh限定。第二区段VRz与第一区段邻接，具有长度(k并且因
此被半径Rmin+dR限定。该雷达空间的第二区段Vrz被雨5填充并因此成为 雨空间(Regenzelle)。在该雨空间内除了形式为雨5的降水外不存在不均 匀的物体，例如机动车3。
在借助于远距离雷达测量时，雷达波从位于机动车1上的发射器被发 射出，在该物体上、例如在机动车3上被反射并又被与该发射器对应的接 收器接收。传播时间和在此出现的多普勒偏移在雷达传感器中被用于确定 该物体的距离和相对速度。在远距离雷达中，根据对雷达视野的要求，多 个锥形射束4被用于在交通场景中定位需探测的物体。在此一物体，例如 对于FMCW雷达系统来说形成频谱中的一个尖峰，该尖峰同时被两个相邻 的锥形射束探测到。通过在所谓的"单脉冲方法"中分析所述相邻的锥形 的振幅和相位关系可以确定至该物体的角度。
图3示出以FMCW雷达为例的信号频谱。在水平轴上记录频率f而在 垂直轴上记录反散射信号(回声)的振幅谱A。
第一频谱31示出一应用情况，在该应用情况中雷达信号被固定的物体 反射。该物体可以例如是图1中所示机动车3之一。该雷达信号未被降水 衰减。因此该第一频谱31具有低的基本噪声32和一个高的尖峰。形式为 明显从该基本噪声32中凸起的峰状的尖峰通过该雷达信号在该物体上的反 射引起。
第二频谱34示出一应用情况,在该应用情况中雷达信号再次被该物体 反射。而且该雷达信号被降水衰减。因此该第二频谱34具有高的基本噪声 35。该基本噪声35明显位于该第一频谱31的基本噪声之上。此外，该第二频谱34具有一个比该第一频谱31更低的尖峰。该基本噪声的由于降水 引起的升高通过参考标号37标明而物体尖峰的降低通过参考标号38标明。
被均质或者均匀地填充该雷达空间的物质、例如降水所反射的信号在 FMCW雷达的频谱中不形成尖峰。取而代之地产生分布在宽的频率范围内 的信号功率，该信号功率明显地升高该第二频谱34的基本噪声35。该信号 功率被全部的、例如在图1中所示的锥形射束4反射，并且对于该雷达空 间的无物体的区段，该信号功率可以从被测得的频谱的功率密度中计算出。 这例如根据窄波束一阶多次散射原理进行(英语"Narrow-Beam First Order Multiple Scattering")。
在图2中所示的长度为&的、无物体的区域Vrz的位置在國3中表征
为位于频率f、min和f、n^+dR之间的频谱区域。因此该被频率fR_min和fR—min+dR 限定的区域显示雨空间5中的平均的雨反散射。该被雨反散射的平均功率
根据所提到的多次散射原理通过借助于LRR测量的频谱的功率密度在雷达
空间的fk一min至f、min+dR区段内的积分来计算。由此可以确定雨的反散射截 面上的雨强度并且因此可以确定雷达信号衰减或者LRR性能损耗。
图4示出根据本发明的一个优选实施例的在一由雷ii^j"束检测的范围内
识别降水的方法的流程图。錢一歩骤401中借助于至少一个相应的鄉器沃
线)进行至少两个相互不M或者仅部分地重叠的锥 W束的，。在另一的步
骤402中进行第一反散射的雷达信号的第一平均功率的计算。在一个另外的步骤 404中进行第二反散射的雷达信号的第二平均功率的计算。，三步骤406中在两 个反t^H言号的平均功率一致的情况下进行降水存在的确定以^1、要时的显示。
由这，鹏寸，者雷Mf，检测的区域可以例如是在图1中示出的被这 離^lif束4鶴的区域。降水可以均匀地填充由雷iiM^^检测的区域，除非 存在固定的物体，该物体关于该M^测的区^M现不均匀性，例如形式为图1中 戶^的机动车3。与雷皿束^T穿透的固定的物做目反，雷皿束可以部分iM 入降水。
女成图1中戶标，^ffi鹏本发明的方法时可以4顿多铺^f束4。在图 1戶^的实施例中使用4个锥^M束。因llW于该根据本发明的方法可以使用另外 的反翻寸的雷达信号用于识别降水。在这种情况中，该根据本发明的方法可以具 有计算一个或者多个另外的平均功率的一个或者多个另外的步骤。在此，所述另外的平均功率由所述另外的反散射的雷达信号求得。所述反散射的雷达信号可以
MM由相邻地安置的雷达刻寸器(纖)對棚雷达信号的反射产生。在图1中 这些雷达信号由相邻地安置在机动车1的前面的雷达^1"器或者M发射出。同 样可以考虑，借助于一个单个的^S盖全部的由这些锥形射束4覆盖的区域，
该，可在^l,束的^M之间相i^也摆动地构成。
如果所有用于产生反舰的雷达信号的锥形射束具有相同的天线特征，男p么
所属的雷达传離^"接收器将检湖倒如下相同的反翻寸平均5雖L-
Ibl = Ib2 = Ib3 = Ib4 = ..= Ibn
Ibi (—l-n)在此表示第i个锥形射束的反散射的雷达信号的平均强度。 如果所述锥形射束具有不同的天线方向图，那么所述平均功率可以相互 适配。所述平均功率I的一致的确定则可以在考虑至少一个加权因子的情 况下进行，其中该至少一个加权因子被构造，以便平衡不同的雷达天线方 向图。
根据该实施例，在考虑不同的天线方向图时的平均强度可以被如下计
算
Ctbilbl = Ctb2lb2 = ab3王b3 = Ctb4lb4 = .-.= abn Ibn
在此(Xbi(i斗Il)表示加权因子或者锥胸寸束i与被选取作为参考的锥，
束、例如具有最大功率的HJW束之间的功率比。这种方案可以被用于在使用所有的雷达类型的情况下的降水的自动识别。
根据这个实施例，分别对所检测的区域的一个无物体的区段求得所述 平均功率。对此，所述计算步骤分别包括一个检测该反散射的雷达信号的
频谱的功率密度的步骤和一个对分别在无物体的区段上的频谱的功率密度
进行积分的步骤。结合图3，这意味着例如在区段fR—min， flonin+dR上进行该
第二特征曲线34的积分。
该无物体的区段可以通过分析该反散射的雷达信号的频谱的功率密度 来确定。在此，该无物体的区段对应于频谱的功率密度的一个共同的子区 域，在该子区域中所述频谱的功率密度不具有尖峰。 一个这样的尖峰的特 征在于，它明显地凸起在相应的频谱的功率密度的噪声之上并且因此表明
了固定的、相对于其均匀的环境不均匀的物体。这样凸显的尖峰在图3中
被示出。根据所示实施例，借助于所述平均功率的相关求得所述平均功率的一 致。如果该相关结果显示所述平均功率的一致，那么均匀分布的介质如降 水被识别到。这可以例如通过一个信号显示出。
如在图3中所示，在由雷达射束所检测的区域内，降水引起基本噪声 的升高。通过分析所述频谱的功率密度中至少一个频谱的功率密度的升高 可以借助于雷达信号衰减确定该均匀分布的介质的密度，即例如雨强度。 该升高可以例如通过当前的基本噪声与一被存储的参考基本噪声的比较进 行。雷达信号衰减飙明雷达信号被该降水多强程度地衰减。表示均匀分布 的介质的密度以及雷达信号衰减的值同样可以借助于信号被显示出。
图5示出一用于在由雷达射束所检测的区域内识别降水的、根据本发 明的一个实施例的装置。该装置被构造，以便接收第一反散射的雷达信号 501和第二反散射的雷达信号502并且提供确定信号或者显示信号503，该 确定信号或者显示信号503显示均匀分布的介质、例如降水的存在。对此， 该装置具有两个用于发射雷达射束或者雷达信号560， 562的发射器550， 552以及两个用于接收反散射的雷达信号501， 502的接收器512， 513。接 收器512， 513被构造，以便向计算器514， 516提供反散射的雷达信号501 ， 502的频谱。所述计算器514， 516被构造，以便由所述频谱计算出平均的 信号功率并且向比较装置518提供这些平均的信号功率。该例如形式为相 关器的比较装置518被构造，以便相互比较所述平均的信号功率。这些信 号功率的一致源于在由雷达射束所检测的区域中具有均匀分布的介质。为 了确定一致，可以使用预给定的公差范围。该公差范围可以以基本噪声的 高度为指导。
为了求得无物体的区域，该装置可以具有分析器522 ，该分析器被构造， 以便从该被所述接收器512， 513提供的频谱求得该无物体的区域并且将该 无物体的区域提供给所述计算器514， 516。
根据该根据本发明的方案，雷达信号是与降水垂直的。因此不能进行 多普勒分析，而是通过反射率和通过在例如一个FMCW雷达系统的附近区 域内的雨反散射或者噪声平面升高的积分进行该雨强度的计算。
在道路交通中的雨识别通过多个相邻的天线阵列的平均功率的相关来 进行。该所应用的雷达系统例如可以涉及76.4GHz的汽车雷达系统，因为例如设置在机动车上，该雷达系统不是位置固定的'
权利要求
1. 用于识别一由雷达射束(4)所检测的区域中的降水(5)的方法，其中，该方法以下列步骤为特征发射(401)至少两个雷达信号；求出(402)一第一反散射的雷达信号(501)的一第一平均功率；求出(404)一第二反散射的雷达信号(502)的一第二平均功率；通过比较这些已求出的平均功率对降水的存在进行确定(406)。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于求出一另外的反散射的雷达信 号的一另外的平均功率的一另外的步骤，其中，这些反散射的雷达信号可 以通过由相邻地设置的雷达天线或发射器(550， 552)发射出的雷达信号(4; 560， 562)的反射产生。
3. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，这些平均功率的 比较在考虑至少一个加权因子的情况下进行，其中，该至少一个加权因子 被构造，以便平衡不同的雷达天线方向图。
4. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对所检测的区域 的一无物体的区段(Vrz)分别求出这些平均功率。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，该求出的步骤具有以下步骤 对每个反散射的雷达信号(501， 502)分别检测一频谱的功率密度； 分别对所述频谱的功率密度(31， 34)在所述无物体的区段(Vrz)上积分，以便获得所述平均功率。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过分析所述反散射的雷达 信号(501， 502)的所述频谱的功率密度(31， 34)确定所述无物体的区 段，其中，所述无物体的区段(Vrz)相应于所述频谱的功率密度的一共同 的子区域，在该子区域中所述频谱的功率密度中的任一个功率密度都不具 有在相应的频谱的功率密度的基本噪声(32， 35)之上突起的尖峰。
7. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述平均功率的 比较包括所述平均功率的一致的确定，特别是借助相关来进行一致的确定。
8. 如权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，该方法的特征还在于 一分析所述频谱的功率密度(31， 34)至少之一的基本噪声的升高(37)的步骤，以便确定降水(5)的密度或者雷达信号衰减。
9. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述降水是雨、 冰雹或者降雪，该降水的主运动方向垂直于所述雷达射束(4)。
10. 如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用一远距离 雷达——FMCW雷达发射器，以便产生相互部分地重叠的或者相互并排的 锥形射束，其中，所述反散射的雷达信号可以各对应一个锥形射束。
11. 用于执行根据权利要求1至10中任一项的方法的所有步骤的装置。
12. 具有程序代码单元的计算机程序，当该计算机程序在一计算机或者 一相应的计算机单元上被执行时，该计算机程序用于执行根据权利要求1 至10中任一项的方法的所有步骤。
13. 具有被存储于一可被计算机读取的数据载体上的程序代码单元的计 算机程序产品，当该计算机程序产品在一计算机或者一相应的计算机单元 上被执行时，该计算机程序产品用于执行根据权利要求1至10中任一项的 方法的所有步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于识别在由雷达射束(4)所检测的区域内的降水(5)的方法，该方法包括求得(402)第一反散射的雷达信号(501)的第一平均功率，求得(404)第二反散射的雷达信号(502)的第二平均功率以及在这些平均功率一致的情况下确定一均匀介质的存在。
文档编号G01S13/95GK101535834SQ200780042515
公开日2009年9月16日 申请日期2007年9月17日 优先权日2006年11月17日
发明者A·阿拉戈哈桑 申请人:罗伯特·博世有限公司