用于求取雷达目标的横向相对速度分量的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于求取雷达目标的横向相对速度分量的方法。本发明还涉及一种用于求取雷达目标的横向相对速度分量的设备。

背景技术：

在现有技术中，例如由《雷达手册》(m.skolnik，第3版，2008年)已知雷达系统。图1示出已知雷达设备100的原理性图示。在发射器1中产生的调制雷达信号通过发射天线10发射。然后，所发射的电磁信号在可能存在于探测场中的雷达目标200(例如机动车、人员、支柱、护栏、不同材料之间的过渡部等)处被反射，并且在延迟时间t之后通过接收天线20再次接收该电磁信号，并且在接收器2中借助分析处理装置30进一步处理该电磁信号。

新型雷达系统使用所谓的快速线性调频调制或迅速线性调频调制作为发送信号——例如由steffenlutz、danielellenrieder、thomaswalter、robertweigel所著的《汽车雷达应用的快速线性调频调制和压缩感知》(国际雷达研讨会，2014年)所已知。在此，如图2所示，在例如20ms长的测量区间t测量＝m×trr期间，发送总共m个具有例如10μs至100μs的持续时间t调制的短调频连续波(英文frequencymodulatedcontinuouswave)斜坡。各个斜坡之间的时间间隔trr处于相同的数量级上，其中，这些时间间隔也可以略微大于或小于斜坡持续时间。斜坡也可以在时间上不等距地布置(未示出)。

例如，由de102012220879a1、wo2015197229a1或wo2015197222a1已知具有交错重叠的斜坡的雷达系统，这些雷达系统例如用于化解速度或距离的模糊性。

其结果是，首先针对每个单独的斜坡在(调制)频率上获得接收信号。从而现在可以通过傅里叶逆变换将属于相应斜坡的所测量的且通常数字化的接收信号变换到时域中。然而，在大多数情况下，为此使用借助具有适当加窗的数字傅里叶变换(dft)或快速傅里叶变换(fft)，并且将如此变换后的区域称为“拍频区域(beatfrequenzbereich)”。所设置的另一步骤是(从斜坡到斜坡地)执行到多普勒频域中的傅立叶变换。为此，(在多普勒方向或速度方向上)沿着单个斜坡的对应值执行傅里叶变换。也可以按顺序调换两种变换或者将这两种变换视为二维傅里叶变换。

通常接下来跟随其他步骤——例如探测、根据二维频谱中的峰值位置来对距离和相对速度的径向分量进行估计、以及不同的误差补偿。在此，峰值相应于目标反射，其中，物理目标(例如机动车、人员、支柱等)可以具有多个目标反射。

如果雷达系统具有带有多个发送信道和/或接收信道的天线(例如通过贴片天线的各个贴片实现)——即天线阵列，则可以附加地执行目标反射的角度估计，并且因此执行空间中的3d目标位置的确定。为此，针对发送信道与接收信道的各个组合单独地实施探测之前的第一信号处理步骤。根据各个信道的组合频谱执行角度估计。所估计的目标(反射)参数例如可以用于不同应用的后续追踪、聚类、目标分类或数据融合(例如自适应巡航控制(acc)、盲点检测、自动紧急制动功能等)。

由d.kellner等人所著的《使用多普勒雷达的车辆的瞬时横向速度估计》(第16届国际信息融合会议，土耳其伊斯坦布尔，2013年)已知一种用于估计雷达目标的横向速度的方法。在此，通过对被分配给各个刚体的多个目标反射进行组合来确定横向速度。这是可能的，因为相对速度的所测量的径向分量的分布取决于空间中的各个位置。为此前提是：还可以测量相应物理目标的多个空间分布的反射位置，并且可以将这些反射位置作为整体聚集在一起。但是，在聚类中也可能出现不正确的分配。

雷达信号处理中的已知方法仅确定了雷达传感器与目标的各个反射位置之间的相对速度的径向分量或纵向分量。

技术实现要素：

本发明的一个任务是提供一种用于求取雷达目标的横向速度的改善的方法。

根据第一方面，该任务借助如下方法来解决：该方法用于借助雷达设备来求取至少一个雷达目标的横向速度分量，该方法包括以下步骤：

在定义的测量持续时间期间，借助发送装置将相同调制的发送信号周期性地发送到雷达设备的定义的检测范围内，所述发送装置具有定义数量的发送元件；

借助接收装置接收在雷达目标处反射的至少一个雷达接收信号，所述接收装置具有定义数量的接收元件；

将所接收的雷达接收信号传输给分析处理装置，并且对所接收的雷达接收信号进行模数转换；

为了针对发送元件与接收元件的每个组合分别产生数字测量值的速度-距离谱，执行二维傅里叶变换；

根据在速度-距离谱的幅度谱中定义的峰值来探测雷达目标的至少一个目标反射；

由速度-距离谱求取雷达目标至雷达设备的距离以及雷达目标相对于雷达设备的径向速度分量；

确定雷达目标相对于天线的至少一个角度；

选择应对其求取横向速度分量的雷达目标；

对雷达目标的如此选择的目标反射执行傅里叶逆变换；

由经变换的测量值求取雷达目标的横向速度分量。

有利地，以这种方式能够实现：借助唯一的测量来测量雷达目标的横向速度分量。有利地，由此不需要开销大的追踪方法，因此借助唯一的测量检测到完整的速度矢量。

根据第二方面，该任务借助如下设备来解决：该设备用于借助雷达设备来求取至少一个雷达目标的横向速度分量，该设备包括：

具有定义数量的发送元件的发送装置，该发送装置构造用于在定义的测量持续时间期间将相同调制的雷达发送信号周期性地发送到雷达设备的定义的检测范围内；

具有定义数量的接收元件的接收装置，该接收装置构造用于接收在雷达目标处反射的至少一个雷达接收信号；

处理装置，该处理装置构造用于：

对所接收的雷达接收信号执行模数转换；

为了产生数字测量值的速度-距离谱而执行二维傅里叶变换；

根据在速度-距离谱的幅度谱中定义的峰值来执行雷达目标的至少一个目标反射的探测；

由速度-距离谱执行雷达目标至天线的距离的求取以及雷达目标相对于天线的径向速度分量的求取；

执行雷达目标相对于天线的至少一个角度的确定；其中，

对除了应对其估计横向速度分量的雷达目标之外的所有目标反射和干扰进行抑制；并且其中，

对雷达目标的如此选择的目标反射执行傅里叶逆变换，其中，由经变换的测量值求取雷达目标的横向速度分量。

该方法的有利扩展方案是从属权利要求的主题。

该方法的有利扩展方案设置，相同调制的发送信号是斜坡形调频的雷达信号或非线性的斜坡信号或周期性的脉冲信号或正交频分复用(ofdm)信号。以这种方式可以有利地使用不同的雷达信号来执行该方法。

该方法的另一有利扩展方案设置，求取至少一个雷达目标在方位角方向和/或仰角方向上的横向速度分量。由此有利地支持雷达设备的全面探测特性。

该方法的另一有利扩展方案设置，使用以下数学模型来对物理条件进行建模：

具有参数：

距离变化在总测量时间上的平均值

vq横向速度(横向速度分量)

r(t)随测量持续时间变化的距离(从斜坡到斜坡)

方位角或仰角随时间的变化

ve由横向速度得到的径向速度分量

ae由横向速度得到的径向加速度分量

r0在时刻t＝0s的最小目标距离

由此，可以基于简单的数学模型来执行横向速度分量的求取。

该方法的另一有利扩展方案设置，通过在使用以下数学关系的情况下使质量函数最大化来求取横向速度分量的估计值：

具有参数：

q方位角和仰角上的横向速度分量的质量函数

vqa方位角上的横向速度分量

vqe仰角上的横向速度分量

k波数

am具有相应于虚拟接收信道(发送信道与接收信道的组合)的数量的项的向量

ac校准矩阵

m时间索引号

rm在时刻tm时，至所有接收信道的目标距离的向量

ωd所估计的多普勒角频率

测量区间内的平均目标距离

trr斜坡信号之间的持续时间

δβm在时刻tm时，测量信号的相位变化

在时刻tm时，具有经预处理的、经选择且经傅里叶逆变换的测量信号的转置向量，该测量信号尽可能仅应包含当前应对其估计横向速度的物理目标的反射(峰值)的信号部分。

以这种方式提供易于执行的相关性(korrelation)，借助该相关性，将雷达目标200的距离和所寻求的相对速度分量换算成测量信号的相位。

该方法的一种有利扩展方案设置，通过角度谱执行目标反射信号的选择和重构，其中，通过方位角和/或仰角将目标反射位置彼此分离。以这种方式，对于多个目标反射在距离-速度空间内布置在相同距离/速度位置处的情况下，可以执行雷达目标的区分。

该方法的另一有利扩展方案设置，为了求取雷达目标，借助横向速度如此选择检测范围，使得该检测范围内的质量函数是凸函数，此外，不完全地扫描检测范围。以这种方式，不必计算完整的检测范围，使得不会“停滞在(bleiben)”局部最大值处。以这种方式支持了本方法的一种高效执行，例如这可以借助已知的梯度法(例如牛顿迭代)来执行。

该方法的另一有利扩展方案设置，特定于应用地针对所选择的雷达目标执行该方法。由此，该方法可以有利地用于机动车中的雷达系统的各种应用(例如自适应巡航控制系统、自动紧急制动功能、盲点检测等)。

该方法的另一有利扩展方案设置，将该方法用于基于追踪的方法。以这种方式，可以更准确地执行已知的基于追踪的方法，由此改善雷达目标的预测。

下面根据多个附图详细地描述本发明的其他特征和优点。在此，在说明书和附图中公开的特征构成本发明的主题，而与这些特征在权利要求中的引用关系无关。这些附图主要用于阐释对于本发明而言重要的原理。

所公开的方法特征类似地由相应公开的设备特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于该方法的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由关于该设备的相应特征、技术优点和实施方案得出，反之亦然。

附图说明

附图示出：

图1示出雷达系统的原理性方框图；

图2示出用于该方法的示例性斜坡信号的调制频率的时间变化过程；

图3示出用于求取雷达目标的横向速度分量的信号处理的原理性流程；

图4示出距离-速度空间中的幅度谱的多个雷达目标；

图5示出雷达目标的横向速度的物理关系的图示；

图6示出至雷达目标的变化的向量；

图7示出雷达目标的变化参数的多个时间变化过程；

图8示出用于求取雷达目标的横向速度分量的另一信号处理的原理性流程；

图9示出雷达目标的加窗或选择的图示。

具体实施方式

本发明的任务尤其是：在没有预先聚类或追踪的情况下，根据单个测量来求取雷达目标的速度的横向分量或雷达目标的完整速度向量。

为此，使用图1的本身已知的雷达设备100，其中，发送装置1、10在测量区间或测量持续时间t测量内将相同调制的发送信号发送到探测范围中。在此，相同调制的发送信号可以是斜坡形调频的雷达信号或非线性斜坡信号或周期性脉冲信号或正交频分复用信号。

根据测量持续时间t测量内的测量值来确定横向速度分量，并且所述横向速度分量例如作为附加信息可供用于随后的追踪、聚类、目标分类等。以这种方式，有利地避免在追踪中(从测量到测量的)反射位置的可能错误分配，并且有利地避免了反射位置的时间导数。

根据本发明，可以使用所获得的关于横向速度分量的附加信息来改善机动车的驾驶员辅助系统的功能性(例如自动紧急制动功能的功能性)。在此，可以有利地识别：目标例如从自身车道运动离开还是运动到自身车道中。也可以将所求取的横向速度分量用于对待追踪的目标进行死角探测和/或自适应巡航控制。

可选地，借助所提出的方法还可以实现对坠落对象(例如山中的落石、桥梁的坠石等)的警报功能或碰撞避免功能。在此，可以将所估计的横向速度附加地用于追踪，其中，需要具有足够大的(尤其仰角方向上的)探测场的合适的天线设计。

所提出的方法所需的信号处理的基本过程如图3所示。根据在步骤300中经模数转换的测量值，在步骤310中针对每个信道、即针对天线10、20的发送元件与接收元件的每个组合(例如贴片阵列)执行二维傅里叶变换(2d-dft)之后，在距离-速度空间中获得(多普勒拍频中的或补偿多普勒分量之后的拍频中的(未示出))二维频谱，如原理性地在图4中作为幅度谱示出。图4仅示例性地示出总共八个目标反射，这些目标反射在距离-速度空间中在相同径向速度的情况下布置在不同距离处。

对于这些目标反射，在步骤320中获得在幅度谱中探测到的峰值(峰)，该幅度谱由信道的单个频谱计算出，在步骤330中估计这些峰值的位置。根据属于相应探测到的反射位置的多信道(例如mimo天线系统)的测量值，接下来在步骤340中执行对于相关目标反射在方位角和/或仰角方向上的角度估计。

因此，步骤300至340包括本身已知的信号处理的标准步骤。

根据本发明，现在对于一个或多个所选的所探测的目标反射，还附加地估计或近似计算横向速度分量。为此目的，在步骤350中，在单个频谱中将不属于相应目标反射或峰的值置于零(“加窗”，如在图9中更详细地阐述的那样)，由此，执行对代表目标反射的测量值的选择。替代地，为此目的也可以执行复值的峰值幅度和位置的准确估计。然后，在步骤360中在多普勒方向上对这种重构进行傅里叶逆变换，从而获得预处理的复值信号值xm的序列，这些复值信号值分别对应于时间上彼此相继的斜坡。

根据如此获得且预处理的测量值xm，在步骤370中估计方位角和/或仰角方向上的横向速度分量。为此，通过以下简单的数学模型来反映随测量持续时间t测量＝m×trr(即从斜坡m到斜坡m+1)变化的距离：

在此，平均距离变化、径向速度和加速度定义如下：

具有参数：

b辅助参数，用于便于理解的目的

r0雷达目标在测量区间中间(在时刻t＝0)的最小距离

δr(t)雷达目标的时间上的距离变化

vq要么在方位角方向、要么在仰角方向上的横向速度

ve相对速度的由横向速度得到的角度相关的径向分量

ae由横向速度得到的角度相关的径向加速度分量

要么在方位角方向、要么在仰角方向上或者在两者的线性组合方向上的角度变化。

因此，如接下来在图5、6和7中所示，横向速度不仅通过时间上的距离变化、而且通过角度变化来影响测量信号。

图5示出天线10、20与雷达目标200在时刻t＝0时的距离r0，以及在时间t之后由于横向速度分量vq而经过的路程vq×t以及由于径向速度分量ve而得到的路程ve×t。

图6示出天线10、20、斜坡信号的中间时刻tm以及由此得到的雷达目标200至天线10、20的距离rm。

图7仅示例性地在四个曲线图中从上到下地示出：由于横向速度分量vq而导致的径向速度分量ve的时间变化过程、由此得到的距离变化δr、由此得到的角度变化以及由此得到的雷达目标200的加速度ae的变化。

为了估计横向速度分量vq，现在作为vq的函数计算相应斜坡m时刻的目标位置，并且求取各个接收信道中的由此得到的相位变化δβm，其中，mimo系统在此表示由实际的发送与接收信道的组合得到的虚拟接收信道。

针对每个时间步长m获得向量am(vq,a；vq,e)，该向量的元素代表接收信道。所有m个向量的总体产生矩阵，该矩阵的列代表接收信道并且该矩阵的行代表斜坡时刻。分别针对横向速度的待检查的组合，在方位角方向vq,a和仰角方向vq,e上计算该矩阵并且将该矩阵与预处理的测量值向量xm相乘。然后，通过按照下面的数学模型使关于vq,a和/或vq,e的质量函数q(vq,a；vq，e)最大化来进行横向速度的估计：

具有参数：

q方位角和仰角上的横向速度分量的质量函数

vqa方位角上的横向速度分量

vqe仰角上的横向速度分量

k波数

am具有相应于虚拟接收信道(发送信道与接收信道的组合)的数量的项的向量

ac校准矩阵

m时间索引号

rm在时刻tm时，至所有接收信道的目标距离的向量

ωd所估计的多普勒角频率

测量区间中的平均目标距离

trr斜坡信号之间的持续时间

在时刻tm时，方位角和/或仰角的变化

在时刻tm时，具有经预处理的、经选择且经傅里叶逆变换的测量信号的转置向量，该测量信号尽可能仅包含当前应对其估计横向速度的物理目标的反射(峰值)的信号部分。

图8示出该方法的基本上相应于图3的流程的原理性流程，其与图3的不同之处在于：在图8中，在步骤310中说明针对多个信道(或虚拟接收信道)执行二维傅立叶变换。在步骤331中，还示出用于角度估计的测量值的选择。这种可选的附加步骤对于降低用于角度估计340的开销尤其是有意义的，也就是说，仅针对距离-速度谱中的如下峰值位置执行角度估计：这些峰值位置被分配给与后续应用重要相关的目标。

如果虚拟接收天线的位置彼此基本上彼此等距地布置，由此例如可以通过快速傅立叶变换(fft)加窗(例如凯撒窗、dolphchebyshev窗)来抑制旁瓣，并且由此支持角度谱中的高动态，从而(附加地在角度谱中)更易于实现用于估计横向速度350的雷达目标的选择。

如果不是这种情况，则在多个仅能够在角度上被区分的雷达目标的情况下，对横向速度分量vq的估计受到影响，因为这些雷达目标处于相同的距离-速度单元内。

借助雷达设备100的对应操控程序，在图3和图8中示出的信号处理步骤不仅可以以在计算机装置(例如微控制器、数字信号处理器等)上运行的软件而且可以以硬件(例如fpga、asic等)实现。

图9示出在距离-速度谱中选择雷达目标200的原理，该距离-速度谱具有第k个目标反射r的多个作为点示出的反射位置，应对该第k个目标反射计算当前的横向速度分量vq。现在仅使用在所估计的距离rk处的向量xm中的值。通过加窗或置零来抑制向量xm中的在vk附近的峰值宽度之外的值。其结果是，由此仅剩下实际上当前应对其求取横向速度的目标反射r。向量xm的元素是虚拟角度谱在速度方向v上在频谱索引号m处的值，或者是虚拟角度谱在进行傅里叶逆变换xm＝ifft(xm)之后在时间斜坡索引号m处的值。加窗在一维或二维的角度谱中类似地进行。针对每个如此加窗的目标反射r，按顺序地执行所提出的方法。在步骤360中，通过傅里叶逆变换在多普勒方向上构成向量x＝ifft(x)，该向量在步骤370中用于横向速度的后续估计的输入值。

根据本发明的方法的有利应用可以在于实现如下系统：该系统警告提防坠落的对象(例如从桥上掉落的对象或山中的落石)和/或防止与所述坠落的对象的碰撞和/或至少最小化由此导致的事故的严重性。

在不脱离本发明的核心的情况下，本领域技术人员还可以实现该方法和该设备的之前未公开的实施方式。