用于运行多输入多输出雷达的方法
【专利摘要】一种用于运行MIMO雷达(100)的方法，其中，对象运动对角度估计的影响基本上被消除，其中，通过以下数学关系的优化求取具有MIMO雷达(100)的发送器(TX1...TXn)的发送顺序和发送时刻的时分复用方案：具有的参数：d脉冲,优化……在发送器进行发送的顺序中发送器的优化的位置d脉冲……在发送器进行发送的顺序中发送器的位置t……发送时刻VarS……样本方差CovS……样本协方差。
【专利说明】用于运行多输入多输出雷达的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于运行ΜΜ0(多输入多输出)雷达的方法。本发明还涉及MMO雷达在机动车领域中的应用。
【背景技术】
[0002]在机动车中使用雷达系统，以便确定在机动车附近的对象的距离和相对速度。所提到的雷达系统可以用于实现舒适性功能(例如自适应巡航控制(Adaptive CruiseControl(ACC))和安全性功能(例如在危急情况下警告驾驶员或者如果不再能避免碰撞那么促使全制动)。
[0003]对于这些应用，必须精确地求取对象的距离和相对速度以及所反射的雷达波的角。出于该目的应该准确地实施特别是角(direct1n of arrival (DOA):到达的方向)的估计。待估计的角在此可以是方位角和/或仰角。具有多个发送天线和接收天线的MIMO雷达系统相比于传统的单输入多输出(SMO)雷达系统提供的优点在于，在相同或更小的几何尺寸下更大的虚拟孔径。因此，借助于MIMO雷达通常可以实现所估计的DOA的更大的精度。
[0004]然而，如果对象相对于雷达运动，那么在MMO雷达中DOA估计的精度通常变小，因为该运动基于多普勒效应产生基带信号的未知的相位变化(多普勒相位)。
[0005]R.Feger> C.Wagner> S.Schuster> S.Scheiblhofer> H.Jagei% A.Stelzer 所著的《A77GHz FMCff MIMO Radar based on a SiGe Single-Chip Transceiver》” (2009 年)公开了一种MIMO雷达,其中，如此定位接收天线和发送天线,使得一个虚拟阵列的至少两个天线元件具有相同的几何位置(“冗余位置”)。基于目标运动，基带信号的未知的相位变化(多普勒相位)通过在冗余位置上的天线元件的相位差的计算来估计。所估计的多普勒相位随后用作在用于角度估计的算法中的校正。
[0006]然而，仅仅在冗余位置上的天线元件用于求取未知的多普勒相位。随后，所有天线元件用于求取以下角:信号以所述角到达。因此，在冗余位置上的天线元件的噪声相比于在其余天线元件上的噪声对DOA估计具有更大的影响。根据所使用的时分复用方案以及天线的设置，这样的系统的DOA估计相比于单个发送天线的使用，可能是甚至更差的。
[0007]Μ.Wintermantel 所著的《Radar system with Elevat1n Measuring Capability))(2010年)公开了一种具有多个发送天线和接收天线的MMO雷达系统。发送天线发送短持续时间的多个Chirp (线性调频脉冲)序列，例如具有例如分别10 μ s的持续时间的512或1024个Chirp。发送器在此顺序地或同时地但是以不同的相位调制进行发送。间距、相对速度和DOA借助于三维离散傅里叶变换来估计。然而，所提出的系统可以仅仅实施不准确的角度估计并且此外完全不可以与具有长斜坡的调频连续波雷达(英语frequencymodulated continuous wave (FMCff)) 一起使用。除此之外，基于Chirp序列原理随着快速的频率变化，硬件必须相对复杂并且高成本地实现。
【发明内容】
[0008]因此，本发明的任务是提供一种用于运行MIMO雷达的改进的方法。
[0009]所述任务按照第一方面借助一种用于运行MMO雷达的方法来解决，其中，对象运动对角度估计的影响基本上被消除，其中，通过以下数学关系的优化求取具有MMO雷达的发送器的发送顺序和发送时刻的时分复用方案:
[0010]
4脉冲’优化=arg max[Vars(这咏冲)-(Covs(这脉冲,1))2/Vars(O]
d咏冲
[0011]具有的参数:
[0012]■……在发送器进行发送的顺序中发送器的优化的位置
[0013]……在发送器进行发送的顺序中发送器的位置
[0014]t......发送时刻
[0015]Vars......样本方差
[0016]Covs......样本协方差。
[0017]按照第二方面，该任务借助用于运行MIMO雷达的方法来解决，其中，对象运动对角度估计的影响基本上被消除，其中，通过以下数学关系的优化求取具有MMO雷达的发送器的发送顺序和发送时刻的时分复用方案:
[0018]|&),@脉冲’!^，1)|=最小
[0019]|&),@脉冲’!^，1)|=最小
[0020]具有的参数:
[0021]……在发送器进行发送的顺序中发送器的χ位置
[0022]……在发送器进行发送的顺序中发送器的I位置
[0023]t......发送时刻
[0024]見……发送能量
[0025]Covws……经加权的样本协方差。
[0026]其中，有:
[0027]Covws (χ, Σ, w): = Ews ([x_Ews (x, I).I] Θ [^-Ews (I，w).Jj，w)
/I K
[0028]E'WS(^ w):=^^Σχ> 'w!
[0029]具有的参数:
[0030]w......加权向量
[0031]Ews......经加权的样本平均值
[0032]0......逐元素乘法。
[0033]按照第三方面该任务借助用于运行MMO雷达的方法解决，其中，对象运动对角度估计的影响基本上被消除，其中，使用具有不同的激活时间框的至少两个发送器，其中，所述发送器在其不同的激活时间框中不同频率地被激活，从而对于所述激活时间框提供用于所述发送器的一个共同的中心时刻。
[0034]有利地按照本发明可以实施用于MMO雷达的改进的角度估计。例如，上述数学关系的各个参数越不相关，那么可以越准确地实施该估计。基于该事实一即发送时刻对于多普勒效应和发送天线的位置对于角度估计是重要的，所提到的参量如果不相关，那么它们可以不相互影响。结果，人么可以有利地正如同目标或对象没有运动时那样准确地实施角度估计。有利地，按照本发明的切换方案可以按照第一和第二方面用于平面天线，按照第三方面可以用于不同的天线类型和天线拓扑(例如用于平面天线、透镜天线、天线阵列等坐')
寸/ O
[0035]按照本发明的方法的优选实施方式是从属权利要求的主题。
[0036]按照本发明的方法的优选实施方式规定，实施以下数学关系的优化:
[0037]Covws(i 脉冲’x，i，i) = O
[0038]Covws(fW’y，i，i)=0
[0039]通过这种方式可以在考虑发送器的发送能量的情况下实现最优的切换方案，其中，目标相对于雷达的运动保持完全不影响角度估计。
[0040]按照本发明的方法的另一有利的改进方案规定，所述发送器中的一个分别与另一发送器时间错开地被激活，其中，分别稍后激活的发送器在其激活时间框的边缘范围中比所述另一发送器少至少一次地被激活，其中，所述发送器分别在其激活时间框的开始和结束时相同频率地不被激活。
[0041]由此有利地实现了，两个发送器具有相同的观察时刻。因此，在这些发送时刻等距的情况下能够应用傅里叶变换，这能够实现非常高效的分析处理算法。如此调节发送器在其时间框内的激活的不对称性，使得实现相同的中心时刻。
[0042]按照本发明的方法的另一优选实施方式规定，实施离散傅里叶变换用于信号分析处理，其中，借助于补零(Ze1-Padding)根据所述发送器的采样值的数量补充所述发送器的采样值，其中，校正在所述发送器的采样信号中的相位差，其中，借助于幅度系数调整所述发送器的米样信号。
[0043]由此，有利地提供用于傅里叶变换的随后的实施的缺少的测量值。通过这种方式有利地实现了具有相同的频率窗口(Frequenzbin)的待有效计算的傅里叶变换。有利地可以通过这种方式优化用于分析处理算法的计算效率和成本。
[0044]按照本发明的方法的另一优选实施方式规定，使用基于发送斜坡的雷达调制用于所述发送器的信号。由此，合适的调制方法可以用于按照本发明的切换方案，所述合适的调制方法可以通过有效的方式确定距离和相对速度。
[0045]按照本发明的方法的另一优选实施方式规定，设有两个发送器或分别设有多对发送器。有利地，按照本发明的切换方案特别高效地在偶数个发送器的情况下是可实现的，因为由此能够特别简单地叠加有效的观察时刻。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]以下借助于其他的特征和优点根据多个附图详细地阐述本发明。在此，所有所描述或示出的特征单独地或任意组合地形成本发明的主题，不依赖于这些特征在发明权利要求或引用关系中的概括，并且不依赖于这些特征在说明书或附图中的表达或表示。不再进一步赘述MMO雷达的已经已知的原理。
[0047]附图示出:
[0048]图1:用于MMO雷达的常规的时分复用方案；
[0049]图2:用于确定MMO雷达的最优发送顺序的原理上的方法；
[0050]图3-7:按照本发明的用于MMO雷达的时分复用方案的多个实施方式；
[0051]图8:用于按照本发明的切换方案的仿真结果；
[0052]图9:另一常规的时分复用方案；
[0053]图10:按照本发明的时分复用方案的另一实施方式；
[0054]图11:借助于离散傅里叶变换的常规的信号分析处理的原理图；
[0055]图12:借助于离散傅里叶变换的未经校正的信号分析处理的原理图；
[0056]图13:借助于离散傅里叶变换的经校正的信号分析处理的原理图；
[0057]图14:ΜΜ0雷达的原理方框图，其中，可使用按照本发明的切换方案。
【具体实施方式】
[0058]为了可以利用MMO雷达的优点，所使用的发送信号优选可以相互正交，也就是说相互不具有依赖性。为此原则上具有三种可能性，但是它们分别具有特定的缺点:
[0059]?在快速或缓慢的时间中的码分复用具有高的技术耗费或者仅仅有限的正交性
[0060].频分复用造成依赖于波长的相位偏移和多普勒偏移
[0061].时分复用在切换之间在对象运动的情况下导致不同的相位，这使得随后的角度估计变得困难。
[0062]在下文中仅仅进一步考虑时分复用方法，因为该方法在电路技术上可相对较简单地实现并且由此是成本有利的。按照本发明，提出一种时分复用切换方案，该切换方案的特征在于，在发送器切换之间对象运动对随后的角度估计不具有影响。
[0063]图1示出不限于发送信号的特定调制方式的常规的时分复用方案。例如对此可以使用Chirp序列调制或FMCW调制。仅仅要表明的是，在四个时刻tl、t2、t3和t4对于一定的持续时间分别接通或激活不同的发送器TX1、TX2、TX3、TX4。基于该事实——即通过这种方式对于相对于雷达运动的目标产生相位偏移，随后的角度估计可能提供不准确的结果。
[0064]按照本发明规定，通过数学模型描述所接收的基带雷达信号。在此对于角度估计计算克拉美罗界(英语:Cramer-Rao bound (CRB))。这在原理上表示最大可能的精度,该精度是人们以无偏的角度估计器可以实现的并且因此不依赖于所使用的分析处理算法。由克拉美罗界推导出在发送器TXn的发送天线的各个位置、发送顺序和发送时刻之间的关系，该关系应该被满足以便实现尽可能准确的角度估计。
[0065]由该建模然后可以导出不同的最优的时分复用方案。在角度估计中不仅考虑在基于该角度产生的基带信号中的相位差而且也考虑由多普勒效应引起的相位差。通过一种最优的方式选择分别进行发送的发送器TXn的发送时间和位置，使得在发送器进行发送的顺序中发送器TXn的发送位置及其发送时间尽可能不相关。由此对于角度估计实现了这样的精度，该精度正如目标对象相对于雷达完全没有运动时那么大。有利地，该原理不仅可以用于仰角估计而且可以用于方位角估计。结果，通过这种方式可以有利地完全充分利用MIMO雷达的技术潜力。
[0066]为了实现尽可能准确的角度估计，必须优化以下数学表达式:
[0067]
【权利要求】
1.一种用于运行MMO雷达(100)的方法，其中，对象运动对角度估计的影响基本上被消除，其中，通过以下数学关系的优化求取具有所述MMO雷达(100)的发送器(ΤΧ1...ΤΧη)的发送顺序和发送时刻的时分复用方案:
具有的参数:
……在发送器进行发送的顺序中发送器的优化的位置 d?#……在发送器进行发送的顺序中发送器的位置 t……发送时刻 Vars......样本方差 Covs......样本协方差。
2.一种用于运行MMO雷达(100)的方法，其中，对象运动对角度估计的影响基本上被消除，其中，通过以下数学关系的优化求取具有所述MMO雷达(100)的发送器(TX1...TXn)的发送顺序和发送时刻的时分复用方案: Covws (d_’x，i，1)1 =最小 I Covffs=最小 具有的参数: d — ’x...…在发送器进行发送的顺序中发送器的X位置 ……在发送器进行发送的顺序中发送器的y位置 t……发送时刻 見……发送能量 Covffs……经加权的样本协方差 其中，有:
EKK^x,w):=—K-X-v, -W1.具有的参数: W……加权向量 Ews……经加权的样本平均值 O……逐元素乘法。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，实施以下数学关系的优化:
Covws (d 脉冲’x，i，i) =0 Covws(d_’y，i，i) =0
4.一种用于运行MMO雷达(100)的方法，其中，对象运动对角度估计的影响基本上被消除，其中，使用具有不同的激活时间框(A、B)的至少两个发送器(TX1、TX2)，其中，所述发送器(TX1、TX2)在其激活时间框(A、B)中不同频率地被激活，从而对于所述激活时间框(A、B)提供用于所述发送器(TX1、TX2)的一个共同的中心时刻(tM)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述发送器中的一个(TX2)分别与另一发送器(TXl)时间错开地被激活，其中，分别稍后激活的发送器(TX2)在其激活时间框(B)的边缘范围中比所述另一发送器(TXl)少至少一次地被激活，其中，所述发送器(TX2)分别在其激活时间框(B)的开始和结束时相同频率地不被激活。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，实施离散傅里叶变换用于信号分析处理，其中，借助于补零将所述发送器(TX2)的采样值补充到所述发送器(TXl)的采样值的数量上，其中，校正在所述发送器(TX1、TX2)的采样信号中的相位差(Δφ)其中，借助于幅度系数(G2/G1)调整所述发送器(ΤΧ1、ΤΧ2)的采样信号。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，使用基于发送斜坡的雷达调制用于所述发送器(ΤΧ1...ΤΧη)的信号。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，设有两个发送器(ΤΧ1...ΤΧη)或分别设有多对发送器(ΤΧ1...TXn)。
9.MMO雷达(100)在机动车领域中的使用，其中，按照根据权利要求1至8中任一项所述的方法运行所述MMO雷达(100)用于求取以下参量中的至少一个:间距、相对速度、角度。
10.一种具有计算机代码单元的计算机程序产品，其用于当所述计算机程序产品在电子控制装置(10)上运行或者存储在计算机可读的数据载体上时实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
【文档编号】G01S7/41GK104181517SQ201410224655
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2013年5月24日
【发明者】M·朔尔, G·屈恩勒, K·兰巴赫, B·勒施 申请人:罗伯特·博世有限公司