阅读说明：本技术 具有大天线阵列的用于机动车的雷达传感器的角度估计和多值性分辨 (Angle estimation and multivalued resolution of radar sensors for motor vehicles with large antenna arrays ) 是由 M·朔尔 于 2018-12-14 设计创作，主要内容包括：一种用于机动车的进行角度分辨的雷达传感器,所述雷达传感器具有天线装置以及控制和分析处理装置(30),所述天线装置具有设置用于接收的多个天线(10,12),所述多个天线布置在所述雷达传感器进行角度分辨的方向(y)上的不同位置(yi)中,所述控制和分析处理装置设计用于以下运行方式,在所述运行方式中所述雷达传感器的设置用于发送的至少一个天线(22)发送信号,所述信号被所述雷达传感器的设置用于接收的所述多个天线(10,12)接收,其中,所述控制和分析处理装置(30)设计用于在所提及的运行方式中,对于雷达目标的角度(θ)的单个估计,对于相应于发送天线和接收天线(22,10,12)的不同配置的相应的分析处理信道(i),确定所述雷达目标的相应的单独的距离(di),并在估计所述雷达目标的角度(θ)时使用所述单独的距离(di)；以及对此的方法。(An angle-resolved radar sensor for a motor vehicle, having an antenna arrangement with a plurality of antennas (10, 12) which are provided for receiving and which are arranged in different positions (yi) in a direction (y) in which the radar sensor is angle-resolved, and having a control and evaluation device (30) which is designed for an operating mode in which at least one antenna (22) of the radar sensor which is provided for transmitting transmits a signal which is received by the plurality of antennas (10, 12) of the radar sensor which is provided for receiving, wherein the control and evaluation device (30) is designed for evaluating the angle (θ) of a radar target for a single estimation in the mentioned operating mode for the transmitting antenna and the receiving antenna (22, 10, 12), determining respective individual distances (di) of the radar targets, and using the individual distances (di) in estimating angles (θ) of the radar targets; and a method therefor.)

具有大天线阵列的用于机动车的雷达传感器的角度估计和多 值性分辨

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的雷达传感器，该雷达传感器具有天线装置以及控制和分析处理装置，天线装置具有设置用于接收的多个天线，所述多个天线布置在雷达传感器进行角度分辨的方向上的不同位置上，控制和分析处理装置设计用于以下运行方式：在该运行方式中，雷达传感器的设置用于发送的至少一个天线发送信号，该信号被雷达传感器的设置用于接收的天线中的多个天线接收，其中，控制和分析处理装置设计用于在以上提及的运行方式中实施雷达目标的角度的估计。

背景技术

雷达传感器在机动车中例如用于测量定位在自己的车辆前方的车辆的或其他雷达目标的间隔、相对速度和方位角。然后，多个天线例如在水平线上彼此成一定的间隔地布置，使得所定位的雷达目标的不同方位角导致(雷达信号从雷达目标至相应的天线需要经过的)行程长度中的差。这些行程长度差导致由天线接收并在所属的分析处理信道中被分析处理的信号的幅度和相位中相应的不同。利用以下情况用于角度估计：从各个接收天线获得的信号的幅度和相位关系以一种独特的方式取决于雷达目标的角度。然后，通过将在各个信道中接收到的(复数的)幅度与天线图(Antennendiagramm)中的相应幅度进行比较，能够确定雷达信号的入射角，并且因此确定雷达目标的方位角。以相应的方式，借助垂直地彼此相继布置的天线也能够估计雷达目标的仰角。

对于单个目标，所接收的幅度和天线图中的幅度的之间的比较可以通过如下方式进行：对于天线图中每个角度，计算所测量的幅度的向量(在k个分析处理信道的情况下，这是一个具有k个复数分量的向量)与天线图中的相应的向量之间的相关性。这种相关性可以通过所谓的DML函数(确定性最大似然函数，英：Deterministic Maximum LikelihoodFunktion)表达，当给定所测量的幅度的一个确定的矢量时，该函数会为每个角度说明雷达目标位于该角度中的概率。于是，角度估计包含查找这些DML函数的最大值。

为了实现高角度分辨率，天线的孔径应尽可能大。然而，如果相邻的天线之间的间隔太大，则在角度测量中可能出现多值性，因为对于差为波长λ的整数倍的行程长度差而言，所接收的信号之间会获得相同的相位关系。例如借助ULA结构(均匀线性阵列，英：Uniform Linear Array)能够实现单值性的角度测量，在该ULA结构中天线以λ/2的间隔布置。然而在这种情况下，天线的数量以及因此所需的分析处理信道的数量随着孔径的增加而增加，从而产生相应的高硬件成本。

多值性的分辨也可以借助“追踪”雷达目标来进行，其中在较长的时间段上跟踪雷达目标，并考虑在先前的估计角度的情况下，由位置的变化过程进行选择多值性的估计的角度值。然而，在新出现的雷达目标的情况下分配需要时间。此外，尤其在嘈杂的雷达回波中，分配可能会出错，使得在具有多值性的情况下，所测量的方位角偶尔出现突然的变化。

在MIMO(英语：Multiple Input/Multiple Output，多输入/多输出)雷达中，由此实现更高的角度分辨能力

不仅借助多个接收天线工作，而且借助多个发送天线工作，其中，例如在时分复用中或者可选地也在频分复用或码分复用中分析处理发送天线和接收天线的不同组合。然后，改变发射天线的位置会导致附加的相位差，并且因此导致产生与借助以下配置将会获得的信号等效的信号：在该配置中具有单个发送天线和附加的(虚拟)接收天线。以这种方式，实际上增大孔径，并且因此改善角度分辨率。然而，这需要多个发送天线，使得同时也增加所需的分析处理信道数量，使得产生相应的高硬件成本。

关于最高可能的角度分辨率，在MIMO雷达中有利地是如此削减虚拟天线阵列，使得各个天线间彼此具有相对较大的间隔。然而在这种情况下，不再满足单值性条件，使得尤其在受噪声干扰的雷达回波中又出现多值性。

发明内容

在进一步提高雷达传感器性能的过程中，可以以提高的分辨率进行d、v估计。可用的传感器尺寸(即天线阵列的大小或孔径)的增加能够实现提高角度估计的准确性以及改善角度分离。在具有线性频率斜坡的FMCW(调频连续波)测量方法中以及在借助离散傅立叶变换(尤其是FFT(快速傅立叶变换))对接收信号进行分析处理时，傅立叶变换的距离区间(Entfernungsbins)的宽度对应于距离差Δr，其中，Δr＝c/(2F)，其中，c是光速，F是FMCW发送信号的线性频率斜坡的频率变化范围(Frequenzhub)。在此也将该距离差称为距离分辨率。

因此，“距离分辨率”应理解为这样的最小距离差：在雷达传感器的给定的运行方式下，在该最小距离差处雷达传感器的距离的(相同的相对速度)两个测量值仍可以映射到分开的区间(Bins)中。在执行FFT时，距离分辨率对应于FFT中两个距离区间之间的间隔，即距离区间的宽度。在此和下文中同义地使用术语“距离分辨率”和“距离区间的宽度”。与之不同，“距离可分离性”可理解为距离区间的宽度的两倍。如果增加雷达传感器的带宽，则在发送信号的频率变化范围F＝2GHz的情况下能够实现Δr＝7.5cm的距离分辨率。如果孔径同时增加到类似数量级的值，或在MIMO(多输入多输出)雷达传感器的情况下虚拟孔径增加到类似数量级的值，则根据雷达目标的角度，各个天线或分析处理信道的接收信号之间的行程长度差可能已经如此大，使得在分析处理信道的傅立叶频谱中，根据分析处理信道，不仅在通过所检测的雷达目标的d、v估计确定的频率区间中包含关于所接收的信号的幅度和/或相位的信息，而且在一个或多个相邻的频率区间中也包含这些信息。

本发明的任务在于实现一种雷达传感器，该雷达传感器实现用于分辨角度估计的多值性的新类型的可能性。

根据本发明，该任务通过以下方式解决：控制和分析处理装置设计用于，在所提及的运行方式中，对于雷达目标的角度的单个估计，对于相应于发送天线和接收天线的不同配置的相应的分析处理信道确定雷达目标的相应的单独(individuell)的距离，并在估计雷达目标的角度时使用该单独的距离。

能够确定两个或多个分析处理信道的单独的距离。因此，可以使用在各个分析处理信道中确定的单独的距离之间的差用于分辨角度估计中的多值性。由此例如可以通过提供附加的信息来替代或支持其他分辨多值性的方法方式。

对于相应的分析处理信道，符合目的地假设或确定从发送天线到雷达目标以及从雷达目标到接收天线的信号路径的平均距离作为单独的距离。

单独的距离涉及对象的相同的位置。例如可以同时(例如当多个接收天线接收发送天线的信号时)或至少以较低的时间间隔或时间上交织地实施对于各个分析处理信道的测量，使得在测量准确度的范畴内能够认为相同的位置。

天线布置优选地是天线的平面的布置，例如在接收天线之间具有规律的偏移的天线阵列或稀疏(ausgedünnt)的天线阵列。

另外，该任务通过一种用于机动车的雷达传感器的用于角度估计的方法解决，该雷达传感器具有天线装置，该天线装置具有设置用于接收的多个天线，所述多个天线布置在雷达传感器进行角度分辨的方向上的不同位置中，其特征在于，对于相应于发送天线和接收天线的不同配置的相应的分析处理信道的雷达目标的单个角度估计，确定雷达目标的相应的单独的距离，并在估计雷达目标的角度时使用该单独的距离。

在从属权利要求中说明本发明的有利构型和扩展方案。

在一种符合目的的实施方式中，控制和分析处理装置设计用于：在所提及的运行方式中，在考虑到相关的天线的位置的情况下(尤其考虑到在所提及的方向上的位置)，在雷达目标的角度估计时使用单独的距离。对于相应的分析处理信道，符合目的地将用于发送和用于接收的天线之间的中间位置考虑为位置，或将其假设为已知的位置。

在一种实施方式中，控制和分析处理装置设计用于：在所提及的运行方式中，对于雷达目标的单个角度估计，根据第一信息和第二信息进行角度的估计，其中，第一信息是相应的分析处理信道的信号之间的幅度关系和/或相位关系，其中，第二信息是角度范围的限制，其中，控制和分析处理装置设计用于在所提及的运行方式中基于单独确定的距离来确定对于单个角度估计的第二信息。可以以任何顺序和/或同时确定第一和第二信息。

在一种实施方式中，控制和分析处理装置设计用于：在所提及的运行方式中，对于雷达目标的角度的单个估计，根据相应的分析处理信道的信号之间的幅度关系和/或相位关系进行第一角度估计，并且如果获得多个可能的角度值作为第一角度估计的多值性的结果，则基于单独确定的距离选择可能的角度值之一作为角度估计的结果。换句话说，在所提及的运行方式中，基于单独确定的距离来分辨角度估计的多值性。例如，研究多值性的值中的哪个与分析处理信道的不同的单独的距离最佳地匹配。在此可以使用两个或多个分析处理信道。可以例如根据第一信息来确定可能的角度值，并且该多值性的分辨例如可以相应于角度范围的限制的确定(第二信息)。

在一种实施方式中，控制和分析处理装置设计用于：在所提及的运行方式中，对于雷达目标的单个角度估计根据单独确定的距离来进行对角度范围的限制，并且在所限制的范围内根据相应的分析处理信道的信号之间的幅度和/或相位关系进行角度估计。如此，基于范围限制能够避免角度估计的多值性。角度范围的限制例如可以相应于第二信息，其中，基于第一信息来执行角度估计。

在一种实施方式中，控制和分析处理装置设计用于：在所提及的用以选择作为角度的第一估计的多值性的结果而获得的可能的角度值之一的运行方式中，基于单独确定的距离实施角度的第二估计，并且基于角度的第二估计的结果与在第一估计中获得的可能的角度值的比较来选择可能的角度值之一。因此，根据分析处理信道的不同的单独的距离，研究多值性的值中的哪个与第二角度估计最佳地匹配。第二角度估计例如可以比第一角度估计更粗略，或者可以是近似的估计。在根据可能的角度值与近似的第二角度估计来进行选择时，如果存在可用的有关可能的角度值的检验的其他信息以及根据检查结果的选择，则比较至少能够支持该选择。

在一种实施方式中，控制和分析处理装置设计用于：在所提及的运行方式中，基于单独确定的距离，通过三边测量或多边测量来估计角度。如果分析处理信道的各个天线配置之间产生的距离差相对较大(例如在具有特别大的孔径的天线装置的情况下)，则这种用于角度估计的方案特别好。三边测量或多边测量基于以下事实：基于雷达目标至雷达传感器上的已知位置的相应的距离能够至少近似地推断出位置，并且因此推断出雷达目标的角度。

在一种实施方式中，控制和分析处理装置设计用于：在所提及的“选择作为角度的第一估计的多值性的结果而获得的可能的角度值之一”时，在将单独确定的距离分配给相关天线的位置的趋势方面对角度值的正负号和/或与直线方向相对应的角度值检验可信度。为此例如情况区分(Fallunterscheidung)可能就足够了。在此优选区分以下情况：

-可以将基本上(例如在阈值的范畴内)相同的单独的距离分配给相关天线的不同位置；

-相比于较小的单独的距离，根据趋势将较大的单独的距离分配给更靠左的位置；

-相比于较小的单独的距离，根据趋势将较大的单独的距离分配给更靠右的位置。

作为天线位置，对于相应的分析处理信道，符合目的地又将用于发送和用于接收的天线之间的中间位置考虑为位置或将其假设为已知的位置。

对于本发明和所述实施方式提及的特征在以下情况特别有利：在用于至少两个分析处理信道的雷达传感器的情况下，通过发送天线和接收天线的配置产生的至雷达目标的最大距离差相应于距离分辨率的至少40％，或尤其相应于距离分辨率的至少80％。优选地，对于至少两个分析处理信道，通过发送天线和接收天线的配置产生的至雷达目标的最大距离差优选相应于距离分辨率的至少20％，进一步优选至少33％，或至少40％，或至少50％，或至少80％或至少100％。通过发送天线和接收天线的配置产生的最大距离差在直至90°的范围内例如可以相应于天线装置的(虚拟)孔径。

附图说明

以下参照附图更详细地阐述实施例。

图1示出根据本发明的雷达传感器的框图；

图2示出相应的分析处理信道的傅立叶频谱的频率区间的示意图；

图3示出两个天线与雷达目标之间的关系。

具体实施方式

图1中示出的雷达传感器在共同的衬底18上具有多个接收天线或天线元件10、12。雷达传感器如此安装在机动车中，使得天线10、12中的多个以相同的高度彼此并排地处在水平位置yi(i＝0、…、k)处，使得在水平线(在方位角)中实现雷达传感器的角度分辨能力。在图1中象征性地示出由天线在相应的方位角θi下接收的雷达射束。

用于操控发送天线22的高频部件20包括本机(lokal)振荡器24，其产生待发射的雷达信号。将由天线10、12接收的雷达回波分别提供给混频器28，在此处将该雷达回波与由振荡器24提供的发送信号混合。以这种方式，对于天线10、12中的每个获得基带信号或中频信号Z0、Z1、...、Zi、...、Zk，该基带信号或中频信号将被提供给控制和分析处理单元30。控制和分析处理单元30包含控制部件32，该控制部件控制振荡器24的功能。在所示出的示例中，雷达传感器涉及FMCW雷达，即——由振荡器24提供的发送信号的频率以上升和/或下降的频率斜坡的序列的形式被周期性地调制。

此外，控制和分析处理装置30包含具有模数转换器34的分析处理部件，该模数转换器具有k个信道，该模数转换器将从k个天线10、12获得的中频信号Z0-Zk数字化并且分别在单个频率斜坡的持续时间上进行记录。然后，逐通道地在变换级36中通过快速傅里叶变换将如此获得的时间信号转换成相应的频谱。在这些频谱中，每个雷达目标都以峰的形式出现，该峰的频率位置取决于从雷达传感器到雷达目标再返回到雷达传感器的信号传播时间并且——由于多普勒效应——取决于雷达目标的相对速度。然后，由两个峰的频率位置(所述频率位置对于同一个雷达目标、然而在具有不同斜率的频率斜坡上——例如上升斜坡和下降斜坡——获得)能够以已知的方式计算相关的雷达目标的间隔d和相对速度v。

如在图1中根据雷达射束示意性示出的，天线10、12的不同位置导致由同一个天线发射的雷达射束在雷达目标处被反射，然后被不同的天线接收，经过不同的行程长度并且因此具有相同的相位差，所述相位差取决于雷达目标的方位角θ。所属的中频信号Z0-Zk也具有相应的相位差。不同天线的接收信号的幅度(量值)也不同，这同样取决于方位角θ。

对于每个所定位的对象，即——每个雷达目标(频谱中的每个峰)，角度估计器38将在k个接收信道中获得的复数幅度与天线图比较，以便估计雷达目标的方位角θ。结果，对于方位角θ，例如可能获得具有多个可能的角度值θe1、θe2、θe3的多值性的结果。

然而在高带宽的情况下，相应于FMCW调制的大的频率变化范围以及天线装置的大的延展，根据雷达目标的方位角θ以及根据雷达目标间隔d，在所接收的信号的频谱的不同频率位置fa(i)处的各个接收信道中包含复数幅度。这在图2中示意性地图示出，其中，在频率f增加的方向上中示出傅立叶频谱的彼此相继的频率区间。如图2中的阴影表示的，在频率位置fa处的接收信号中的峰在傅立叶变换中根据分析处理信道和角度被映射到多于一个频率区间上。频率fref表示平均频率位置，其相应于由角度估计分析处理的区间。

如图2中借助相应的频谱上的峰示意性地图示出的那样，然后例如通过在比频率区间的间隔更精细分辨的网格点处对频谱进行插值并且搜索峰最大值，或通过将峰函数局部匹配(拟合)到频谱中，由距离估计器40确定峰值的更准确的位置(频率位置)。

如图1所示，决策器42从距离估计器对于相应的分析处理信道i获得所估计的单独的距离值di，并且从角度估计器38获得角度估计的可能多值性的结果，即——方位角的可能的角度值θe1、θe2、θe3。在此基础上，在考虑到相应的天线的位置yi的情况下，决策器42选择这样的角度值：该角度值最佳地匹配于单独的距离值di。以下将对此进行详细阐述。

图3以俯视图图示出两个天线(在坐标(0，y0)和(0，yi)处用索引0和i标记)与坐标(x，y)处的点目标(作为雷达目标)的关系。用d0、di标记点目标与各个天线的间隔，并且用θ0或θi标记所接收的雷达信号的入射角(方位角)。为了简化图示，假设原点(0，0)代表天线阵列的中心点并且相应于接收天线10、12的平均位置，这描述单静态系统。

对于具有索引i的每个天线，对于雷达目标的单独的位置和角度适用的是：

di＝(x²+(y-yi)²)^1/2

和θi＝atan((y-yi)/x)

应以原点为基准求取雷达目标的坐标作为雷达传感器的估计参量，即：

d＝(x²+(y)²)^1/2

和θ＝atan(y/x)

每个天线与平均参量的差：

Δdi＝di-d＝(x²+(y-yi)²)^1/2-(x²+y²)^1/2

且Δθi＝θi-θ＝atan((y-yi)/x)-atan(y/x)

其中，Δdi表示距离差，Δθi表示方位角差。

对于距离差适用的是：

其中，最后一行为z的泰勒级数展开，

近似地，对于|y|＞＞|y_i|，d很大并且因此z很小，得到：

因此有：

近似地，通过这些容易实现的关系，对于相应的分析处理信道i，由距离差Δd_i以及相关的天线位置yi来估计方位角θ。通过比较可能的、更准确估计的角度值θe1、θe2、θe3，由决策器42将视为准确识别的角度值θe确定为所估计的方位角θ。

由于雷达传感器的行程长度差而“可见的”分析处理信道的单独的距离di取决于天线配置。如此，在双基地系统或MIMO系统中，将从发送天线到目标的路径的效果以及从目标到接收天线的路径的效果(距离或传播时间)相加并求平均。例如在信号的总传播时间上确定估计距离di，所估计的距离划分为去程和返程，并且因此将所估计的距离确定为在信号的平均传播时间上的平均距离。将相关的发送天线和接收天线的平均位置确定为天线位置yi。

在MIMO雷达传感器中，k个分析处理信道相应于发送天线和接收天线的不同配置。

在该示例中，角度估计器38构成角度估计器44的第一级，其包括角度估计器38、距离估计器40和决策器42。

在另一示例中，决策器42设置用于：由单独的距离di并且在考虑到天线位置yi的情况下，通过三边测量或多边测量近似地估计角度θ，并且通过与可能的、更准确估计的角度值θe1、θe2、θe3进行比较，将视为准确识别的角度值θe确定为所估计的方位角θ。

决策器42例如设置用于，在将单独确定的距离di分配给相关天线的位置的yi趋势方面检验可能的角度值θe1、θe2、θe3的可信度。如果要例如对(作为角度估计的多值性的结果的)角度-30°、0°、或+30°进行可信度检验，则可能划分以下情况：1.)在中间天线位置的左侧和右侧的天线位置处确定单独的距离基本上相同，则确定角度0°为可信；2.)相比于在右侧的天线位置处，在左侧的天线位置处确定单独的距离更大，则确定(位于中心右侧的)角度-30°为可信；3.)相比于在右侧的天线位置的单独的距离，在左侧的天线位置处确定更小的单独的距离，则确定角度+30°为可信。

在另一实施例中，以相应的方式进行角度估计，其中，但是首先根据将单独确定的距离di分配给相关的天线的位置yi的趋势推断出有限的角度范围，例如“左侧”、“以容差宽度居中地”、“右侧”，然后在有限的角度范围内以单值性的方式实施角度估计。角度范围可以重叠。

在另一实施例中，在不存在或未使用角度估计器38的情况下，例如通过三边测量或多边测量直接根据由距离估计器40确定的单独的距离来进行角度估计。

在一种实施例中，以上根据示例描述的控制和分析处理装置30的运行方式是用于紧急运行模式设置的运行方式。在正常运行模式中，角度估计器44借助角度估计器38来执行常规的角度估计，并且使用常规的方法来分辨角度估计的多值性。在一个或多个天线发生故障的情况下，控制和分析处理装置30切换到具有其余天线的紧急运行，在该紧急运行中，以上描述的运行方式用于角度估计或用于分辨多值性。

天线10、12和22可以涉及组天线(Gruppenantennen)，所述组天线分别包括贴片(Patch)阵列，同相地操控这些贴片阵列，或在保持相位的情况下将这些贴片阵列合并成接收信号。

对于在此描述的实施例，借助双基地天线设计进行工作。然而可选地也可以使用以下天线概念，其中使用相同的(组)天线进行发送和接收。

尤其在FMCW雷达传感器中可以有利地使用控制和分析处理装置的所描述的运行方式，FMCW雷达传感器以所谓的快速线性调频脉冲序列(Rapid-Chirp-Sequenzen)运行。在此遍历多个频率斜坡(线性调频脉冲)，所述频率斜坡具有大的斜率和仅相对较短的持续时间。