具有窄天线波瓣和宽的角探测范围的成像雷达传感器

摘要

本发明涉及用于检测旋转范围内的对象的设备，具有至少两个可切换发送天线(10)，多个接收天线(20)，其中发送天线(10)和接收天线延展，并且接收天线(10)布置成排列并且该排列在第二方向(x)上延展，其中接收天线(20)和发送天线(10)如此布置，使得其通过连续地操控发射器天线和发送和接收天线的位置产生组合接收天线阵列用于波束旋转，其中组合接收天线阵列中接收天线的位置的得出的距离在第二方向对应于d，其中在设备中相邻接收天线具有d2或更大的距离并且d2大小为距离d的两倍。(20)各自微长地，相互平行地，在第一方向(y)上

权利要求

1.一种用于确定物体的位置的设备，其具有-至少两个可切换发送天线(10)，

-多个接收天线(20)，

-其中发送天线(10)和接收天线(20)各自微长地，相互平行地，在第一方向(y)上延展，-并且接收天线(20)布置成排列并且所述排列在第二方向(x)上延展，其中相邻接收天线(20)彼此各自具有距离d2，-其中发送天线(10)沿着第一方向(y)平行于其移位，并且关于第二方向(x)彼此具有距离d，并且相邻接收天线(20)的距离d2大小至少是发送天线(10)的距离d的两倍。

2.如权利要求1所述的设备，

其中相邻位于内部的接收天线(20)在第二方向上彼此各自具有距离d2，其中两个外部接收天线在第二方向上具有到最接近接收天线的d2或d3的距离，其中d2为组合产生的天线阵列中的相邻接收天线的距离并且d2大小至少为d的两倍并且d3大小至少为d的三倍，其中用于产生组合天线阵列的发送天线的距离在第二方向上大小为d或d3。

3.如权利要求1或2所述的设备，

其中用于波束形成的组合天线阵列中使用的接收天线的数量是N，接收天线(20)接收具有波长 的信号，以及适用下式：。

4.如权利要求2所述的设备，

其中发送天线(10)中的第一个如此馈给，使得实现在第一方向(y)上的馈送并且发送天线(10)中的第二个如此馈给，使得实现与发送天线（10）中的在第一方向(y)上的第一个相反的馈送，其中用于产生组合天线阵列的发送天线的距离在第二方向上为d。

5.如权利要求2所述的设备，

其中发送天线(10)如此馈给，使得实现在第一方向(y)上的馈送，其中用于产生组合天线阵列的发送天线的距离在第二方向上为d3。

6.如权利要求1所述的设备，

其中第二方向(x)垂直于第一方向(y)。

7.如权利要求1或2所述的设备，

具有用于产生信号的频率生成器(13)，所述信号由发送天线(10)中的第一个在第一循环中并且由发送天线(10)中的第二个在时间上跟随其后的第二循环中发出。

8.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于数量超过或等于4个的接收天线。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于数量为8个、16个或32个的接收天线。

10.如权利要求1或2所述的设备，

具有用于物体的位置的表示或数据输出的显像装置。

11.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述物体是运动物体。

12.一种用于借助根据权利要求1至11之一所述的设备将雷达传感器波束旋转到极限旋转角的方法，具有方法步骤：-连续运行两个沿着第一方向(y)平行于其移位的发送天线并且通过接收天线阵列接收反射的信号，-数字化接收信号，

-交错布置接收信道的信号用于形成组合的阵列，-根据数字波束形成的方法将接收信号连结成捆绑的天线波束，-从两个发送信号之间的时间移位得出来实施速度校准并且借助于二维FFT通过比较来自对应于捆绑的天线波束的重叠的天线行列的输出信号实施速度过滤。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于从两个发送信号之间的时间移位得出来实施速度校准并且借助于二维FFT通过比较两个接收信号的输出信号实施速度过滤。

说明书

具有窄天线波瓣和宽的角探测范围的成像雷达传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及用于提高成像的雷达传感器的接收阵列的天线波束的旋转范围的设备和方法。

背景技术

[0002] 毫米波雷达传感器，例如对于在短间距的情况下的汽车应用，应当除了高间距和角分辨率之外还具有尽可能宽的角探测范围，因此在汽车周围安装的传感器的数量可以减少到最小。

[0003] 传感器通常用于应用“主动安全性”并且除了行人保护之外还用作协助在城市交通中以及在密集停止和行进交通中的驾驶员。

[0004] 根据Dr.Winfried Mayer的论文（题目为“Abbildender Radarsensor mit sendeseitig geschalteter Gruppenantenne”， Cuvillier出版社，哥廷根 2008， ISBN 978-3-86727-565-1）已知方法以及设备，其用数字波束形成的技术（其中使用了具有多个发送器和多个接收器的天线阵列）监视区域。

[0005] 通过在时间上相继地使用发送器，天线开口角可以变小，无需因此增加接收天线的物理大小。

[0006] 在公开（/1/“N. Kees. E. Schmidhammer 和 J. Detlefsen“ Improvement of angular resolution of a millimeterwave imaging system by transmitter location multiplexing”in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig.， Orlando， FL. May1995， vol.2， pp.969-972”）中描述用于产生组合天线孔径的方法，在其帮助下可以减少天线波束宽度并且因此可以改善角分辨率。

[0007] 所描述的方法具有在组合阵列的帮助下通过加倍孔径，然而不是提高最大可能的旋转角来减少天线波束宽度的目的。

发明内容

[0008] 本发明的任务在于，提供设备、方法以及雷达系统以供使用，其中避免了通过靠近天线行列的耦合，并且因此可以实现宽旋转角。

[0009] 该任务用独立权利要求的特征得以解决。

[0010] 线性天线阵列的最大可能的旋转角 以相同行列距离根据下式计算

[0011]

[0012] 其中

[0013] ：波长

[0014] d：单独行列的行列距离

[0015] N：天线行列的数量

[0016] 典型的波长 是3.9mm，其对应于大约77GHz的发送频率。典型的行列距离是在1.5或者1.8mm和3mm之间。

[0017] 根据该公式得出，天线行列之间的距离越短，旋转角因此越大。

[0018] 在毫米波范围中的所谓微条接线天线（Microstrip-Patch-Antenne）的情况下通常旋转角可达到直到+-40度。此外单独行列靠近到这个程度，使得行列之间形成可不再忽略的过耦合，并且波束形成不再可能。

[0019] 提供用于检测旋转范围内的对象的雷达传感器，其具有至少两个可切换发送天线和多个接收天线。发送天线和接收天线各自微长地，相互平行地，在第一方向上延展。

[0020] 接收天线布置成排列。该排列在第二方向上延展。因此相邻接收天线相互各自具有距离d2。

[0021] 在第一实施形式中发送天线关于第一方向相互移位，并且关于第二方向彼此距离d布置。相邻接收天线的距离d2大小至少是发送天线的距离d的两倍，优选地大小是发送天线的距离d的两倍。

[0022] 通过移位发送天线可能的是，发送天线之间的距离选择为如对于大旋转角必要的那样小，而发送天线的反射特性没有受相应其他发送天线的存在的严重干扰。

[0023] 优选地适用下式：

[0024]

[0025] 其中接收天线的数量是N。因此大于40度的旋转角是可能的。对于旋转角理解为主波束方向的偏转。在70°的旋转角的情况下可以在-70°和+70°之间的范围中旋转。

[0026] 在第一实施形式中发送天线中的第一个如此馈给，使得实现在第二方向上的馈送并且发送天线中的第二个如此馈给，使得实现与第二方向相反的馈送。

[0027] 因此在这个实施形式的情况下可能的是，用于两个发送天线的驱动器相邻布置并且然后在两个方向上分叉到两个发送天线，由此在发送放大器和发送天线之间的线路可以尽可能短并且同时尽可能均匀地构造。

[0028] 根据申请的另一方面用于旋转天线波瓣的设备包括至少2个发送天线，具有相同距离的许多多个布置成排列的接收天线（所谓“线性统一阵列”），其中发送天线在该第一实施形式中相互以距离d布置，其对应于两个接收行列之间的距离的一半。因此在此两个发送天线之间不形成过耦合，发送天线如在图2中所示彼此相对布置。

[0029] 现在为了实现例如70度的旋转角，接收天线如此密集地布置在一起，使得会形成单独天线之间的不可忽略的电磁耦合，该电磁耦合会干扰整体阵列的方向图。为了避免这一点，根据“发射机位置复用”的原理，如在/1/中描述的，产生人工阵列，其正好位于在接收行列之间。因此发送器在时间上相继地驱动并且来自两个测量循环的接收信号与彼此连结起来。第一实施形式的结果对应于对应的组合阵列，如在图3中所显示的。组合阵列的接收信号的相位在仅主动发送器的情况下在此对应于在交替发送器的情况下的真实阵列的相位。

[0030] 在运动物体的情况下波束旋转由多普勒效应歪曲。这通过具有随后的校准计算的多普勒过滤来补偿。

[0031] 在备选实施形式中真实和组合接收天线行列的叠加用测量技术检测多普勒相移并且因此校准计算如专利DE 102011113015.6“具有天线孔径和二维波束旋转的组合扩大的成像雷达传感器（Abbildender Radarsensor mit synthetischer Vergrößerung der Antennenaperatur und zweidimensionaler Strahlschwenkung）”中所述那样实施，其内容也涉及本发明的主题。

[0032] 此外设备包括用于产生由发送天线在时间上相继发出的信号的频率生成器、用于根据的数字波束形成的方法实施从接收天线发出的接收信号的至少一个连结以用于产生捆绑的天线波束的至少一个处理单元以及用于表示物体的位置的显像装置。

[0033] 根据申请的另外的方面提供用于将雷达传感器波束旋转到极限旋转角的设备，其具有至少两个可切换发送天线。此外设置许多多个布置成排列的接收天线，其中接收天线以某距离布置，该距离对应于两倍的距离，该距离是必要的以便以明确的方式旋转波束，其中发送天线在第一实施形式的情况下相对地以某距离布置，该距离对应于对明确的波束旋转要求的距离。

[0034] 符合目的的是设备具有8，16或32的数量的接收天线。

[0035] 根据优选的改进方案物体的位置可借助于显像装置通过天线方向图表示。

附图说明

[0036] 下面根据附图详细解释本发明的实施例。相互对应的部件在所有附图中设有相同的附图标记。

[0037] 图1示意性示出雷达传感器的功能块；

[0038] 图2示出雷达传感器的天线的布置；

[0039] 图3示出根据第一实施形式的真实孔径和得出的组合布置；

[0040] 图4a，b图示，如何实施波束旋转；

[0041] 图5示出无波束旋转的天线方向图

[0042] 图6示出具有强波束旋转的天线方向图。

[0043] 图7示出根据备选实施形式的真实孔径和得出的组合布置；

[0044] 图8图示，在备选实施形式中波束旋转如何用组合天线阵列中的重叠的接收天线实施；

[0045] 下面根据附图详细解释本发明的实施例。相互对应的部件在所有附图中设有相同的附图标记。

具体实施方式

[0046] 根据图1本发明涉及频率调制的连续波雷达(FMCW-雷达)，该雷达在数字波束形成的帮助下监视区域。对此雷达传感器包括具有两个输出的发送器和多个（在这个情况下是16个）接收器。图1示出集成的频率调制器和2个可切换输出的发送器 和每个具有 四个接收信道的4个接收器块。在接收器块中接收信号混合下来到基带上。

[0047] 图1在此示出具有发送器(1)，两个发送天线(10)，四个接收器块(2)和16个接收天线(20)的雷达传感器。发送器(1)包含调制器(16)、频率生成器(13)、分频器(14)、可调整放大器(12)以及两个可切换驱动器(11)。频率生成器(13)产生具有76到77GHz之间的连续变化的频率的输出信号。该变化由调制器(16)引起。输出信号输出到放大器(12)，该输出信号的幅度可调整。放大器(12)的输出信号输出到可接通和切断的两个驱动器(11)的输入。驱动器(11)的输出分别驱动发送天线(10)。

[0048] 发送器2的频率生成器(13)在其输出上还输出信号到分频器(14)，分频器输出具有频率生成器的输出信号的频率的一半的输出信号。

[0049] 接收器块2分别包含频率倍增器(22)和四个混合器(21)。频率倍增器(22)接收发送器(1)的分频器(14)的输出信号，分别产生具有比其输入信号加倍的频率的信号，并且分别输出其产生的信号到混合器(21)的第一输入。混合器(21)分别用第二输入分别与接收天线(20)的相连，使得在混合器(21)中由接收天线接收的信号分别混合下来到基带上。混合器(21)的输出信号在图1中未示出的处理单元中评估。

[0050] 图2示出在第一实施形式中天线的物理布置。在此该图以平面图示出发送天线(10)和接收天线(20)的布置。发送天线(10)和接收天线(20)实施为接线天线，其在x-y-平面上延展。接收天线(20)分别具有所谓的天线行列(28)，该天线行列分别由新接收波束元件(24)和位于其间的连接线路组成。天线行列(28)的接收波束元件(24)一个接一个地排成行，使得天线行列(28)是微长的并且在y-方向上延展。接收天线(20)的天线行列(28)所有相互平行地伸展并且位于关于y-方向的相同高度上。因此天线行列(28)关于x-方向并排布置，其中外部天线行列称为右天线行列或者称为左天线行列。

[0051] z-方向指向从附图页面出来向上。z-方向是其中应检测到对象的方向。如果例如雷达传感器在陆上交通工具中实现并且对象应该在行驶方向上检测到，则z-方向是行驶方向。

[0052] 天线行列(28)分别具有馈送点，用该馈送点天线行列通过条带线路(23)与接收器块(2)的输入相连。接收天线(20)分别有仅一个天线行列(28)，以便分别仅一个天线行列(28)通过其相应馈送点与接收器块(2)的输入相连。

[0053] 两个发送天线(10)分别包含天线行列(18)。天线行列(18)分别具有发送器波束元件(17)和位于其间的连接线路。天线行列(18)的发送器波束元件(17)一个接一个地排成行，以便天线行列(18)是微长地并且在y-方向上延展。天线行列(18)所有相互平行地伸展。当然在天线行列(18)相对彼此关于第一方向(y)相互移位。关于第二方向(x)天线行列10彼此具有距离d。该距离与相应天线行列的相重心有关。

[0054] 相邻接收天线(20)的距离d2大小是发送天线(10)的距离d的两倍。

[0055] 发送天线(10)的第一个如此馈给，使得实现在第一方向y的馈送并且发送天线(10)的第二个如此馈给，使得实现在方向(y)与第一发送天线相反的馈送。

[0056] 发送天线和接收天线阵列通常具有10度的垂直波束宽度。发送器的水平波束宽度设计，使得大致照亮+-70度的期望探测范围。这同样适用接收阵列的单独行列的的水平波束宽度。

[0057] 接收信号由接收器同相地转化到基带并且数字化。由备选发送天线辐射、反射和接收的信号现在在下面的信号处理器聚集在一起成组合阵列。波束形成和旋转现在根据“数字波束形成”的方法实现。

[0058] 图3示出根据第一实施形式的真实孔径和得出的组合布置。

[0059] 为了减小天线阵列的副瓣，首先加权单独行列的信号。这通常在所谓的“Dolph-Chebychev”功能之后进行。

[0060] 如果现在实施角 的波束旋转，则根据在图4a和4b中描绘的方法单独行列的信号在相位上移动多倍的角 。角 根据下式计算

[0061]

[0062] 其中

[0063] ：波长

[0064] d：组合阵列的行列距离

[0065] 图5示出无波束旋转的天线方向图。在图6中天线方向图可看作在70°的极限旋转角的情况。由于视角是斜的，首先进行天线波束的加宽。此外天线增益减低，这是因为单独行列的方向图在这个极限角的情况下同样具有减低的增益。同样地副瓣上升。然而尽管如此方向图还是足够好到认出在探测范围的外部边缘上的物体。在此对应于阵列方向图的主波瓣的加宽角测量精度减小。

[0066] 图7示出根据备选实施形式的具有用于波束旋转的天线行列的得出的组合布置和真实孔径。在备选实施形式的情况下由在第二方向上发送天线Tx1和Tx2之间的三倍的d的距离d3导致， 在组合阵列中位于外部的天线行列（其到下个位于内部的天线行列具有比d更大的距离）可以不考虑用于波束旋转，这是因为它不满足用于极限旋转角的标准。

[0067] 此外备选实施形式示出通过在外部在第二方向上到下个位于内部的天线行列远离d3的接收天线行列的布置的转化，其实现组合阵列中的接收信号的重叠用于速度校准。如果现在应实施角 的波束旋转，则根据在图8中描绘的方法单独行列的信号对于在波束旋转时考虑的接收信号在相位上移动多倍的角 。

[0068] 角 根据下式计算

[0069]

[0070] 其中

[0071] ：波长

[0072] d：组合阵列的行列距离

[0073] 附图标记列表

[0074] 1 发送器

[0075] 2 接收器电路

[0076] 10 发送天线

[0077] 11 驱动器

[0078] 12 放大器

[0079] 13 频率生成器

[0080] 14 分频器

[0081] 16 调制器

[0082] 17 发送阵列元件

[0083] 20 接收天线

[0084] 21 混合器

[0085] 22 分频器

[0086] 23 条带线路

[0087] 24 接收阵列元件

[0088] 25 芯片