专利名称：电子扫描式雷达系统和接收天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子扫描式雷达系统，更具体而言，涉及车载电子扫描式 雷达系统和用于该系统的接收天线。
背景技术：
已开发了利用例如毫米波段的无线电波来测量例如与前方目标相关 联的距离、速度和方位的车载雷达，以^更应用于车辆之间的车辆间控制或 碰撞的减轻。近来，需要雷达例如在低速通过曲线时 从本车看去处在 斜前方的车辆，或者检测本车附近的障碍物。在这样的情况下，需要具有 方位检测性能以实现监视大的水平范围(大角度)的雷达。响应这一要求， 已逐渐采用了电子扫描式雷达系统，该系统利用了由多个天线单元构成的 阵列天线。
对于监视远方区域，重要的是雷达的方位分辨率。例如，为了分离并
检测在约100米前方沿两条车道并排行驶的两辆车，需要几度的方位分辨
率。 一般而言，通过扩大阵列天线的孔径，可实现方位分辨率的提高。然 而，扩大阵列天线的孔径造成雷a寸增大的问题。
而且，在^f吏用例如具有等间隔单元的阵列天线、通过数字波束形成
(DBF)来进行方位检测的情形下，依赖于用于接收的阵列天线之间的间 隔尺寸，可能造成栅瓣(grating lobe)。当接收信号的相位旋转2n7T时， 出现栅瓣。因此，避免可能造成栅瓣的方位的角度被确定为使得能够进行 检测的方位。
例如，如
图1所示，可存在这种情形通过借助于装载在车辆60上 的、具有等间隔单元的阵列天线进行数字波束形成(DBF)，来针对前行 物体或者说车辆61进行方位检测。在这种情形下，如图6所示，处在道 路两边的物体造成一些峰。具体而言，可造成与来自路边物体62的反射 即反射波Sl对应的峰PK1，可造成与来自路边物体63的反射即反射波 S2对应的峰PK2，并可造成与来自车辆61的反射即反射波S3对应的峰 PK3。除了这些峰以外，还可造成栅瓣PKN1、 PKN2和PKN3。造成这些栅瓣PKN1、 PKN2和PKN3的方位基本上与天线间隔的倒 数成比例。因而，当使用等间隔阵列天线进行DBF时，通过4吏天线间隔 减小(变窄)，可将栅瓣PKN1、 PKN2和PKN3 >^监视范围(雷达的扫 描范围)内去除，从而扩大检测角度。
基于这一思想，可使用天线单元之间的间隔小且天线孔径大的等间隔 阵列天线来实现高分辨率的、能够覆盖大的水平范围的电子扫描式雷达。 然而，这样的阵列天线是不实际的，因为它涉及到因单元数量的增加而导 致的成本的增加或每天线单元增益的下降。
在这种情况下，提出了不扩大天线孔径的面积而在阵列天线的单元之 间设置不均等的间隔，使得可抑制栅瓣的出现并且可尽量防止单元数量的 增加或雷达，尺寸的增大。
与构成这种不等间隔阵列天线的方法有关的技术记栽于例如非专利 文献1中。该文献提出了这一方法即，提^H吏得单元之间的间隔具有质 数比的构造，从而区分接收信号的相位，同时使用数字波束形成(DBF) 进行方位检测。
同时，为了提高方位分辨率，代替DBF， MUSIC等高分辨率方案作 为子间隔方法而为人所知。然而，当不等间隔阵列与MUSIC等称作子间 隔方法的高分辨率方案相结合使用时，已经知道，除了出现DBF的栅瓣 的方位以外，还在依赖于接收信号的入射方向和阵列天线单元之间的间隔 的方位处产生不希望的峰。
〔非专利文献1〕
论文标题"A Study on an Arrangement Spaces for a Non-uniform Array in Suppressing Grating Lobe"， Osamu MIZOKAMI等人，Institute of Electronics, Information and Communication Engineers ， 2000年1月 第J83-B巻，l号，141-143页
发明内容
发明要解决的问题
然而，在7>开于非专利文献1中的不等间隔阵列天线的单元的布置 中，未考虑到当使用高分辨率方案时造成有害影响的不希望的峰。因此， 在这种不等间隔阵列天线中，当使用高分辨率方案时不能实现检测角度的扩大。
本发明的目的是提供一种具有不等间隔阵列的接收阵列天线，其能够 以高的方位分辨率提供大的检测角度。
解决问题的手段
为了解决上述问题，权利要求l的电子扫描式雷达系统包括发射天
线，所狄射天线能够以在最小角度为e流且最大角度为emax的雷达扫描
区域内进行水平扫描的方式自由地发射由连续波构成的发射信号；接收天 线，所述接收天线由以预定的iE巨离间隔布置的多个阵列天线单元构成；混 频器，所述混频器将由各所述接收阵列天线单元分别接收到的接收信号与 所^射信号进行混频，以得到拍频信号；A/D转换器，所述A/D转换器 将由各所述混频器得到的、各信道的所述拍频信号转换成数字信号；以及 目标检测部，所述目标检测部基于所述接收数据即由所述A/D转换器数 字化的信号来检测至目标的距离或/和所述目标的相对速度，所述电子扫 描式雷达系统的特征在于
所述接收阵列天线的所述多个阵列天线单元的不等间隔即布置间隔 通过如下方式来i殳定
(1) 将所述阵列天线单元分成两组，以将包含各组的集合表达为G(2, p)(其中p是分配给全部可想到的分组方法的序列号)；
(2) 对于构成所述接收阵列天线的所述阵列天线单元的每一组合，进 行所述分组；
(3) 对于把构成各集合G (2， p)的各组中包含的单元间间隔的最大
公约数作为集合元素的集合(Dged (1)， Dged(2)}，求得所述集合(Dgcd
(1)， Dgcd (2))的最大公约数作为组间单元间隔的最大公约数Dgcd;以 及
(4) 使得组间单元间隔的所述最大公约数Dged不超过下式 [数学表达式2
U:接收信号(入射波)的波长，emax:发射信号在水平扫描范围内的最大角度，emin:发射信号在水平扫描范围内的最小角度)。
如权利要求2所述，电子扫描式雷达系统包括发射天线，所U射
天线能够以在最小角度为e流且最大角度为emax的雷达扫描区域内进行水
平扫描的方式自由地发射由连续波构成的发射信号；接收天线，所述接收
天线由以预定的距离间隔布置的多个阵列天线单元构成，所述接收天线被
预设以预定的最大入射波数量；混频器，所述混频器将由各所述接收阵列 天线单元分别接收到的接收信号与所^射信号进行混频，以得到拍频信 号；A/D转换器，所述A/D转换器以预定的采样频率对由各所述混频器得 到的、各信道的所述拍频信号进行采样，以得到接收数据；目标检测部， 所述目标检测部基于所述接收数据即由所述A/D转换器釆样的数据、使 用高分辨率方案来检测至目标的距离或/和所述目标的相对速度，所述电 子扫描式雷达系统的特征在于
所述接收阵列天线的所述多个阵列天线单元的不等间隔即布置间隔 通过如下方式来确定
(1) 鉴于所述接收阵列天线的所述最大入射波数量L皿，将所述阵列 天线单元分成个数为预定的任选自然数L的组，以将这些组的集合表达为 G (L， p )，所述自然数L小于或等于所述最大入射波数量Lmax;
(2) 对于构成所述接收阵列天线的所述阵列天线单元的每一组合，进 行所述分组，以得到表达为下式的集合
G(L，p)"gl,...，gk,...,gL}
(其中p是分配^部可想到的分组方法的序列号，k是分配给由所 述分组产生的各组的编号，k表达为k-l…L， gk是第k组中包含的单元 编号的集合)；
(3) 对于把构成各集合G (L， p)的各组gk中包含的单元间间隔的
最大公约数作为集合元素的集合(Dgcd(gl )，…，Dged(gk)，…，Dgcd(gL)h 求得所述集合(Dged ( gl ),…，Dged(gk)，…，Dged (gL))的最大公约 数作为组间单元间隔的最大公约数Dged (G (L， p));以及
(4) 对于各所述任选自然数L，求得组间单元间隔的所述最大公约数 Dgcd(G(L， p))，并使得组间单元间隔的所述最大公约数Dgcd (G (L， p))不超过下式U:接收信号(入射波)的波长，9max:发射信号在水平扫描范围 内的最大角度，e^n:发射信号在水平扫描范围内的最小角度，L:与组 间单元间隔的最大公约数对应的组数量)。
如权利要求3所述，装栽在车辆上的电子扫描式雷达系统包括发射 天线，所^JC射天线能够以在具有最小角度和最大角度的雷达扫描区域内 进行水平扫描的方式自由地发射由连续波构成的发射信号；以及接收天 线，所述接收天线由以预定的不等间隔布置的多个阵列天线单元构成；其 中对于由所述阵列天线单元接收到的接收信号，4吏用高分辨率方案处理信 号，以检测至本车周围的目标的距离或/和所述本车与所述目标之间的相 对速度，所述装载在车辆上的电子扫描式雷达系统的特征在于
在所述接收天线中，构成所述接收阵列天线的所述多个阵列天线单元 的布置间隔可适于通过如下方式来确定
(1) 鉴于所述接收阵列天线，将所述阵列天线单元分成个数为入射波 数量L (L是2或更大)的组，以将所得到的集合表达为G (L， p );
(2) 对于构成所述接收阵列天线的所述阵列天线单元的每一组合，进 行所述分组，以得到表达为下式的集合
G(L,pHgl，…,gk，…,gL)
(其中p是分配给全部可想到的分组方法的序列号，k是分配给由所 述分组产生的各组的编号，k表达为k-l…L, gk是第k组中包含的单元 编号的集合)；
(3) 对于把构成各集合G (L， p)的各组gk中包含的单元间间隔的 最大公约数作为集合元素的集合(Dgcd(gl )，…，Dgcd(gk),…，Dgcd(gL))， 求得所述集合{Dgcd ( gl )，…，Dgcd(gk)，…，Dgcd (gL))的最大公约 数作为组间单元间隔的最大公约数Dgcd (G (L， p));以及
(4) 对于各所述任选自然数L，求得组间单元间隔的所述最大公约数 Dgcd (G (L， p)),并使得组间单元间隔的所述最大公约数Dgcd (G (L， p))不超过下式
其中L是待由当前雷达系统1识别的目标数量或者说波数量。在这种 情形下，作为不等间隔阵列天线的接收天线的单元间间隔被按照集合G (L， P)分成1 L组，其中每组中包含一个或多个天线单元。
G(L,P)"gl,…,g/,…,gL)
(其中p是分配给全部可想到的分组方法的序列号，/是分配给各划 分的组的编号，即，例如/=1..丄，gl是第一组中包含的单元编号的集合，
例如{#1,#4，#5})。在这种情形下，使得集合(Dged(gl)，…，Dged(g/)，…， Dged (gL) }的最大公约数成为组间单元间隔的最大公约数，其中集合元
素是按照G(L， P)划分的各组g/中包含的单元间间隔的最大公约数。 以这种方式，如果响应于目标数量或者说波数量L而满足式(5):数学表达式5
Dgcd sin(emax)—Dgcd sin(0画) > 人 (5)
(其中Dged表示組间单元间隔的最大公约数)，则不仅可防止产生栅 瓣，而且可防止产生不希望的峰。换言之，不等间隔阵列天线仅可被布置成使得用入射波数量L划分检测角度所得到的角度范围变得大于不希望
的峰的产生周期即^Dged。
入射波数量L不会超过最h射波数量Lmax。如果考虑该最大入射 波数量L腦x，则不管入射波数量如何都不产生不希望的峰。应当理解，最 大入射波数量L腿是雷达系统1识别的目标的最大数量，并被确定为雷 达系统1的预设值。然而，只有仅比不等间隔阵列天线6的数量少1的值 可被物理地预设为Lmax并被识别为目标。例如，如图2B所示，当有6个 阵列天线6时，最多可识别5个目标，使得可使用从1到5的值作为最大 入射波数量L
max**
如果要抑制个数多达最大入射波数量Lmax的不希望的峰的产生，则 不等间隔阵列天线之间的间隔可被确定为满足下式
[数学表达式6
/n 、 . 、l匪、"ged …W
其中G(L， P)的L是l至L腦x。组间单元间隔的最大公约数可以 是把按照G (L， P)划分的各组的单元间间隔的最大公约数作为集合
元素的集合[Dged (gl)，…，Dged(g/)，…，Dged (gL咖x))的最大公约数。
换言之，使构成集合的组的数量L改变。然后，对于小于或等于最大 入射波数量Lmax的4^P数量L，计算组间单元间隔的最大公约数Dgcd (G (L， p))。然后，设定各阵列天线单元之间的间隔，以4吏得组间单元间 隔的各最大公约数不超过由式(3)确定的值，从而该间隔在雷达扫描区域内 不造成线性地依赖于所述L个入射波的方向。于是，如图5所示，在设计 上，对于小于或等于最大入射波数量Lmax的全部数量L，可有效地防止 在观测范围(雷达扫描范围)内产生数量超过该入射波数量的伪像(不希 望的峰PKN )。
应当理解，最;t^射波数量Lmax是在设计上设定的预设值(一般小 于或等于构成接收阵列天线的阵列天线单元的数量)。如上所述，L可以 取任何值(例如前面所述的2)，只要其小于或等于最大入射波数量Lmax 即可。
当数学表达式5中的L是从1到L腿的任选整数时，对于至多该任选整数的目标数量，不仅可防止产生栅瓣，而且可防止产生不希望的峰。
工业实用性
本发明可用于车载电子扫描式雷达系统。
权利要求
1.一种电子扫描式雷达系统，包括发射天线，所述发射天线能够以在最小角度为θmin且最大角度为θmax的雷达扫描区域内进行水平扫描的方式自由地发射由连续波构成的发射信号；接收天线，所述接收天线由以预定的距离间隔布置的多个阵列天线单元构成；混频器，所述混频器将由各所述接收阵列天线单元分别接收到的接收信号与所述发射信号进行混频，以得到拍频信号；A/D转换器，所述A/D转换器将由各所述混频器得到的、各信道的所述拍频信号转换成数字信号；以及目标检测部，所述目标检测部基于所述接收数据即由所述A/D转换器数字化的信号来检测至目标的距离或/和所述目标的相对速度，所述电子扫描式雷达系统的特征在于所述接收阵列天线的所述多个阵列天线单元的不等间隔即布置间隔通过如下方式来确定(1)将所述阵列天线单元分成两组，以将包含各组的集合表达为G(2，p)(其中p是分配给全部可想到的分组方法的序列号)；(2)对于构成所述接收阵列天线的所述阵列天线单元的每一组合，进行所述分组；(3)对于把构成各集合G(2，p)的各组中包含的单元间间隔的最大公约数作为集合元素的集合{Dgcd(1)，Dgcd(2)}，求得所述集合{Dgcd(1)，Dgcd(2)}的最大公约数作为组间单元间隔的最大公约数Dgcd；以及(4)使得组间单元间隔的所述最大公约数Dgcd不超过下式[数学表达式2]<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mo>×</mo> <mi>λ</mi></mrow><mrow> <mi>sin</mi> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>θ</mi> <mi>max</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mi>sin</mi> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>θ</mi> <mi>min</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></mrow> </mfrac>]]></math></maths>(λ接收信号(入射波)的波长，θmax发射信号在水平扫描范围内的最大角度，θmin发射信号在水平扫描范围内的最小角度)。
2. —种电子扫描式雷达系统，包括发射天线，所^射天线能够以在最小角度为e她且最大角度为e鹏x 的雷达扫描区域内进行水平扫描的方式自由地发射由连续波构成的发射信号；接收天线，所述接收天线由以预定的距离间隔布置的多个阵列天线单元构成，所述接收天线被预设以预定的最大入射波数量；混频器，所述混频器将由各所述接收阵列天线单元分别接收到的接收 信号与所U射信号进行混频，以得到拍频信号；A/D转换器，所述A/D转换器以预定的采样频率对由各所述混频器得 到的、各信道的所述拍频信号进行釆样，以得到接收数据；目标检测部，所述目标检测部基于所述接收数据即由所述A/D转换 器采样的数据、使用高分辨率方案来检测至目标的距离或/和所述目标的 相对速度，所述电子扫描式雷达系统的特征在于所迷接收阵列天线的所述多个阵列天线单元的不等间隔即布置间隔 通过如下方式来确定(1) 鉴于所述接收阵列天线的所述最大^v射波数量L鹏x,将所述阵列 天线单元分成个数为预定的任选自然数L的组，以将这些组的集合表达为 G(L， p)，所述自然数L小于或等于所述最;^射波数量L咖x;(2) 对于构成所述接收阵列天线的所述阵列天线单元的每一组合，进 行所述分组，以得到表达为下式的集合<formula>formula see original document page 3</formula>(其中p是分配^部可想到的分组方法的序列号，k是分配给由所 述分组产生的各组的编号，k表达为k-l…L,沐是第k组中包含的单元 编号的集合)；(3) 对于把构成各集合G (L， p)的各组gk中包含的单元间间隔的 最大公约数作为集合元素的集合{Dgcd( gl )，…，Dgcd( gk)，…，Dgcd( gL)}， 求得所迷集合(Dgcd ( gl),…，Dgcd(gk)，…，Dgcd (gL))的最大公约 数作为组间单元间隔的最大公约数Dgcd (G (L， p));以及(4)对于各所述任选自然数L,求得组间单元间隔的所述最大公约数 Dgcd(G(L， p))，并使得组间单元间隔的所述最大公约数Dgcd (G (L， p))不超过下式[数学表达式4<formula>formula see original document page 4</formula>U:接收信号(入射波)的波长，emax:发射信号在水平扫描范围 内的最大角度，e她发射信号在水平扫描范围内的最小角度，L:与组 间单元间隔的最大公约数对应的组数量)。
3. —种装载在车辆上的电子扫描式雷达系统，包括发射天线，所iUL射天线能够以在最小角度为e她且最大角度为e腿 的雷达扫描区域内进行水平扫描的方式自由地发射由连续波构成的发射信号；以及接收天线，所述接收天线由以预定的不等间隔布置的多个阵列天线单 元构成5其中对于由所述阵列天线单元接收到的接收信号，使用高分辨率方案 处理信号，以检测至本车周围的目标的距离或/和所述本车与所述目标之 间的相对iUt，所述装栽在车辆上的电子扫描式雷达系统的特征在于在所述接收天线中，构成所述接收阵列天线的所述多个阵列天线单元 的布置间隔通过如下方式来确定(1) 鉴于所述接收阵列天线，将所述阵列天线单元分成个数为入射波 数量L (L是2或更大)的组，以将这些组的集合表达为G (L， p);(2) 对于构成所述接收阵列天线的所述阵列天线单元的每一组合，进 行所述分组，以得到表达为下式的集合<formula>formula see original document page 4</formula>(其中p是分配给全部可想到的分组方法的序列号，k是分配给由所 述分组产生的各组的编号，k表达为k-l…L， gk是第k组中包含的单元 编号的集合)；(3) 对于把构成各集合G (L， p)的各组gk中包含的单元间间隔的最大公约数作为集合元素的集合(Dgcd(gl )，…，Dgcd(gk)，…，Dged(gL)),求得所述集合OVd (gl),…，Dgcd (gk),…，Dged (gL) }的最大'>约 数作为组间单元间隔的最大公约数Dgcd (G (L， p));以及(4)对于各所述任选自然数L，求得组间单元间隔的所述最大公约数 Dgcd(G(L, p))，并使得组间单元间隔的所述最大公约数Dgcd (G (L， p))不超过下式[数学表达式4U:接收信号(入射波)的波长，emax:发射信号在水平扫描范围 内的最大角度，emin:发射信号在水平扫描范围内的最小角度)。
4. 一种装栽在车辆上的电子扫描式雷达系统，包括发射天线，所U射天线能够以在具有最小角度和最大角度的检测角 度内进行水平扫描的方式自由地发射由连续波构成的发射信号；接收天线，所述接收天线由以预定的距离间隔布置的多个阵列天线单 元构成；混频器，所述混频器将由各所述接收阵列天线单元分别接收到的接收 信号与所U射信号进行混频，以得到拍频信号；A/D转换器，所述A/D转换器以预定的采样频率对由各所述混频器得 到的、各信道的所述拍频信号进行采样，以得到接收数据；以及目标检测部，所述目标检测部基于所述接收数据即由所述A/D转换 器采样的数据、使用高分辨率方案来险测至目标的距离或/和所述目标的 相对速度，所述装栽在车辆上的电子扫描式雷达系统的特征在于所述接收阵列天线的所述多个阵列天线单元的不等布置间隔通过如 下方式来确定使得所述多个阵列天线单元之间的间隔的最大公约数小于所述接收 信号的波长；当所述多个阵列天线单元被分组为由两组构成的集合时，针对全部分 组求得组间单元间隔的最大公约数，组间单元间隔的各最大公约lblie^成所述集合的两组中的每一组的单元间间隔的最大公约数作为集合元素的集合的最大y〉约数；以及在所述检测角度内不造成线性地依赖于与组间单元间隔的所述最大 公约数对应的入射波的方向。
5. —种装栽在车辆上的电子扫描式雷达系统，包括发射天线，所^JL射天线能够以在具有预定的最小角度和最大角度的 检测角度内进行水平扫描的方式自由地发射由连续波构成的发射信号；以 及接收天线，所述接收天线由以预定的不等间隔布置的多个阵列天线单 元构成；其中对于由所述阵列天线单元接收到的接收信号，使用高分辨率方案 处理信号，以检测至本车周围的目标的距离或/和所述本车与所述目标之 间的相对速度，所述装载在车辆上的电子扫描式雷达系统的特征在于在所述接收天线的所述多个阵列天线单元的布置中，所述接收天线中 的间隔通过如下方式来确定针对^P分组求得组间单元间隔的最大公约数；当所述多个阵列天线单元被分组为由与L个入射波对应的L个组构 成的集合时，针对全部分组求得组间单元间隔的最大公约数，组间单元间 隔的各最大公约数是把构成所述集合的所述L个组的单元间间隔的最大 公约数作为集合元素的集合的最大公约数；以及使得组间单元间隔的所述最大公约数不超过所述接收信号的波长的 L倍，以防止在通过将所述检测角度分成L个而得到的各角度内产生伪 像。
6. 根据权利要求5所述的电子扫描式雷达系统，其特征在于对于 L是从1到L的整数值的每一情形求得所述由组构成的集合，以基于4^ 所述由组构成的集合中的每个集合的最大公约数来求得组间单元间隔的 所述最大公约数。
7. 根据权利要求l至6中任一项所述的电子扫描式雷达系统，其特 征在于所述多个阵列天线单元之间的间隔被设定为当被任意重新布置时 具有质数比。
8.根据权利要求l至7中任一项所述的电子扫描式雷达系统，其特 征在于所述多个阵列天线单元被布置为关于所述接收天线的中心左右对 称。
全文摘要
将阵列天线单元分成构成集合的任意L个组。将由各组的单元间隔的最大公约数构成的集合的最大公约数确定为组间单元间最大公约数。然后，改变构成组的阵列天线单元的数量L。确定小于最大入射波数量的全部L个单元的组间单元间最大公约数。根据作为成分的组的数量L的组间单元间最大公约数，将阵列天线单元的布置间隔确定为这样的值其在雷达扫描区域内不产生L+1或更多个线性地依赖于与组间单元间最大公约数对应的入射波的方向。
文档编号G01S7/02GK101578531SQ20088000172
公开日2009年11月11日 申请日期2008年2月27日 优先权日2007年2月28日
发明者中林健人, 作间靖, 夏目一马, 山野千晴 申请人:株式会社电装