CN101573633A - 雷达运行方法及雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达运行方法，包括以下步骤：由第一或者第二发射调频信号和第一或第二发射调频信号的由多个目标反射的接收部分中确定第一和第二差动信号；针对每个第一和第二差动信号分别确定一个第一或第二线性调频脉冲信号，其中第一线性调频脉冲信号对应于第一或第二差动信号按时间的二阶导数；依据配属于其中一个第一差动信号的第一线性调频脉冲信号同配属于其中一个第二差动信号的第一线性调频脉冲信号的对应关系，给该第二线性调频脉冲信号分配该第一差动信号；依据第一差动信号和配属于该第一差动信号的第二差动信号，确定其中一个目标的距离和/或相对速度。

Description

雷达运行方法及雷达

技术领域

本发明涉及雷达、尤其是用于汽车中的驾驶员辅助系统的雷达的运行方法，以及执行上述方法的雷达。

背景技术

驾驶员辅助系统减轻了日常情况中的汽车驾驶，例如在驻车、车队行驶时，甚至在特殊情况下，例如为了避免撞车。为此，驾驶员辅助系统需要可靠的雷达系统，其确定至障碍物的距离，并且有可能确定相对车辆的相对速度。

采用FMCW雷达(调频连续波雷达)是适当的。FMCW雷达按照多个可调的调频速率发出具有单调变化频率的初始信号。被潜在障碍物反射回的发射信号部分由雷达接收。根据从发射信号到潜在障碍物的渡越时间及发射信号的瞬时调频速率，瞬时收发的信号在频率方面不相同。分析计算装置从频差中确定渡越时间，进而确定至潜在障碍物的距离。

在障碍物相对雷达做相对运动时，频率改变也按照双向作用出现。频移的分析计算允许确定相对速度。

因为频移不仅能归究于距离，也能归究于相对速度，所以，一次单独测量无法与这两个参数一一对应起来。要执行二次测量。二次测量时的调频速率不同于一次测量时的调频速率。识别相对速度对频移的影响程度可以依据同发射信号的调频速率变化的无关性来实现，这与针对距离的信号渡越时间的测量不同。

上述方法要求一次测量能明确无疑地对应二次测量。只要只存在一个障碍物，这就能以平常的方式实现。但当接收到来自不同远近和/或以不同的相对速度运动的多个目标的信号时，就有很大的困难。针对一个目标先后进行的多次测量的对应关系需要复杂的搜索算法，该搜索算法还遵循一个目标的轨迹。

发明内容

按照本发明的、具有权利要求1的特征的方法提供一种雷达运行方法，其特别适用于相互划分来自多个目标的反射信号并估算相对目标的各自距离和/或速度。

为此，规定以下方法步骤：

-由第一发射调频信号和第一发射调频信号的、由多个目标反射的接收部分中，确定第一差动信号；

-针对每个第一差动信号，分别确定一个第一线性调频脉冲信号，其中第一线性调频脉冲信号对应于第一差动信号按时间的二阶导数；

-由第二发射调频信号和第二发射调频信号的、由多个目标反射的接收部分中，确定第二差动信号；

-针对每个第二差动信号，分别确定一个第二线性调频脉冲信号，其中第二线性调频脉冲信号对应于第二差动信号按时间的二阶导数；

-依据配属于其中一个第一差动信号的第一线性调频脉冲信号同配属于其中一个第二差动信号的第二线性调频脉冲信号的对应关系，将该其中一个第一差动信号分配给该其中一个第二差动信号；

-依据第一差动信号和配属于该第一差动信号的第二差动信号，确定其中一个目标的距离和/或相对速度。

信号相位描述振幅随时间的变化过程。相位随时间的变化通常按照其时间关系被分为多个部分。频率描述相位随时间的变化，该变化本身关于时间是稳定不变的。频率线性调频脉冲或者短暂的线性调频脉冲表示相位变化，变化本身同样关于时间连续变化。通过按照时间对相位二阶导数即二次微分，获得了与线性调频脉冲成比例的参数。

在前言中讨论了来自第一次测量的第一差动信号与来自第二次测量的差动信号是否需要对应，以便由这两个差动信号确定距离和或许相对速度。人们已经发现，这样的对应可以通过将来自第一次测量的第一差动信号的线性调频脉冲与来自第二次测量的每个第二差动信号的线性调频脉冲做比较来实现。线性调频脉冲具有与频率相比是不同的、并非微小的、关于距离、相对速度和所用调频速率的关联性。因此，在线性调频脉冲中获得了可考虑用于分析计算的其它附加信号。

一个实施方案规定，第一和/或第二线性调频脉冲信号的确定包括以下步骤：

-使各自一个理论的复频谱匹配于复频谱的每个极值；

-确定频谱相位，按照

$\mathrm{\Φ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{Im}\left(A\right)}{\mathrm{Re}\left(A\right)}\right),$

其中，Im(A)表示匹配频谱的虚部，Re(A)表示实部；

-在频谱此时取极值的频率下，作为对频率的相位二阶导数值来确定第一和/或第二线性调频脉冲信号。

理论频谱可以通过差动信号的傅立叶变换来确定。

一个实施方案规定，第一调频信号具有第一调频速率，第二调频信号具有第二调频速率，并且第一调频速率和第二调频速率不相同。

一个实施方案规定，如果第一线性调频脉冲信号除以第一调频速率的商不同于第二信号除以第二调频速率的商之差不大于一个预定阈值，则第一线性调频脉冲信号对应于第二线性调频脉冲信号。此方法尤其适用于能假定所出现的加速度值小的情况。

一个实施方案规定，由第一和第二差动信号的频率中确定一个目标的潜在所取速度的第一取值区，由第一和第二线性调频脉冲信号确定目标潜在所取速度的第二取值区，并且就像利用落入两个取值区的速度那样来确定目标。早前说过，如果因为有多个目标而出现多于一个的第一差动信号，则从第一和第二差动信号的频率中无法找到对一个目标的速度的明确指明。但是，相应研究把可行的速度数量限制到第一取值区。在计算多个线性调频脉冲信号时，相似出现了相同的不明确性问题。如果有多个目标，则这些线性调频脉冲信号也无法从第一和第二次测量中被事先明确对应地分配。不过，线性调频脉冲信号的计算也把可能速度的数量限制到第二取值区。因为线性调频脉冲信号同差动信号的速度和频率的关联性是不同的，所以这两个取值区的相交量少，在大多数情况下，相交量只包括实际所取的速度。

附图说明

以下，将结合优选实施例和附图来详细说明本发明，其中：

图1示意表示街道行驶时的示范状况；

图2表示具有不同调频速率的发射信号；

图3表示按照现有技术依靠雷达来确定距离和速度的情况；

图4表示频谱；

图5表示一个实施方式的框图；

图6、7表示有两个反射目标时的频谱；

图8表示在有两个目标的情况下确定距离和速度时的一个问题；

图9是一个实施方式的框图。

具体实施方式

图1表示街道行驶中的典型路况。一辆车1跟着一辆车2，路旁有杆柱3。前行车辆2基本具有与车辆1一样的速度，即相对速度近似为零。车距几十米。车辆1相对杆柱3的相对速度对应于车辆1的驾驶员的驾车速度。在街道上有多个相对车辆1有不同距离和相对速度的其它目标，在此所述的杆柱3和前行车辆2只是用于举例说明以后描述的实施方式。车辆1具有FMCW雷达4。雷达朝前行车辆2和杆柱3发出初始信号5。前行车辆2反射所发射的初始信号5的、反射向雷达4的一部分。反射信号6由雷达4接收。同样得到来自杆柱的反射信号7，其对准雷达4。

FMCW雷达调制所发出的信号5的频率。在一个时间段T1、T2内，一个初始值的频率f以固定的调频速率被改变(参见图2)。通过雷达4发出的信号5至前行车辆2的渡越时间和作为反射至雷达4的反射信号的反射，中间时间改变了现在发出的信号5的频率，在本例子中是提高。因此在已知的调频速率下，一般为稳定不变的调频速率，从瞬时发出的信号5和瞬时接收的反射信号6之间的频差确定至前行车辆2的距离。

在以上的距离确定方法中假定，前行车辆2相对车辆1具有为零的相对速度，即没有相对速度。杆柱3移向车辆1。由于相对运动，反射信号7相对发射信号5经历被称为复作用或复移动的频移。频率改变与相对速度成比例地极度近似。如果雷达4没有随时间改变发射信号5的频率，则可以从频移推断相对速度。

通常，反射目标如杆柱3具有相对速度，发射信号5的频率随时间而变。瞬时接收的反射信号相对瞬时发射信号的频差f_d按照以下公式得出：

$f_d=\frac{2}{c}[\mathrm{sd}+f_{c}v],---\left(1\right)$

其中，c是光速，s是发射信号5的调频速率，f_c是发射时刻的发射信号5的频率，v是相对速度。相当近似中的f_c可以通过发射信号的平均频率代替。

从公式(1)中看到，在已知的平均频率f_c、已知的调频速率s和某个频差f_d的情况下，在反射目标的可能距离d和可能的相对速度v之间得到线性关系。该关系可以用图表作为直线G1显示在一个坐标系中，该坐标系的x轴等于距离d，外轴等于速度v(图3)。距离d的明确确定和速度v的明确确定将通过二次测量实现，二次测量中将改变调频速率。在图表显示中，这导致了第二直线G2，其斜率相对第一直线G1有所改变。两条直线交点在图中给出了实际距离d和实际相对速度v。

为了说明以下描述的雷达运行方法实施方式，将描述先获知的差动信号的性能，其可被用于且将被用于该方法。

差动信号的相位具有可近似通过公式2表述的时间关系：

其中，

表示稳定不变的相位，f_d表示瞬时反射信号相对瞬时发射信号的频差，β表示所谓的频率线性调频脉冲，t表示时间。相位

与时间三阶项的关系对于街道行驶中所用的FMCW雷达来说小到可被忽略。

频率线性调频脉冲β对应于频差f_d随时间的非恒定改变。FMCW雷达中，频率线性调频脉冲β按照公式3组成：

$\mathrm{\β}=\frac{2}{c}(f_{c}a+2\mathrm{sv}+d\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}})---\left(3\right)$

ds/dt表示调频速率的非线性。在小于2.5*10¹⁰Hz/s²的调频速率非线性的情况下，在通常出现的距离d、速度v和加速度a时的条件对于线性调频脉冲β是可忽略的。

FMCW雷达的平均发射频率f_c和街道行驶中典型出现的加速度a的乘积比调频速率s和街道行驶中典型出现的速度v的乘积小至少一个数量级。典型的平均发射频率介于7.65*10¹⁰Hz，典型的调频频率介于5.0*10¹⁶Hz。车辆的典型速度v介于10至50m/s，而加速度值a只在特殊情况下达到5m/s²。相当近似中，频率线性调频脉冲β因此只与速度v和调频速率s相关。

线性调频脉冲β的确定可以由时间关联相位

中通过二阶微分即按时间的求导来算出，如从公式2中所看到。不过在以下描述的实施方式中，按照以下描述的步骤来确定线性调频脉冲β被证明是适当的。尤其是，事实证明求出一个与线性调频脉冲β成比例的参数就够了。总体示出线性调频脉冲β或与其成比例的参数如何通过二阶频率求导而从一频谱中得到。

频谱对应于相位或相位信号的傅立叶变换。如果相位信号基本上在频率f_d下只有一个极值，则频谱可以通过以下公式来调整：

$A=\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}}{4\mathrm{\ρ}}}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{f-f_d}{\mathrm{\ρ}}\right)}^2]\exp [-\mathrm{i\φ}]+c.c.---\left(4\right)$

Ψ＝arctan(2πβσ²)       (6)

ρ²＝1/(2πσ)²+(βσ)²    (7)

参数ρ、σ和ψ表示允许按照公式(4)的理论频谱适应实际频谱。频率轴线用f表示，差动信号的频率用f_d表示，线性调频脉冲用β表示。频谱A的共轭整体通过缩语c.c.表示。公式(5)、(6)和(7)给出用于按照公式(4)的频谱所用参数的定义。

如果相位信号或差动信号具有多于一个的极值，则调整按照公式(4)的频谱A的线性组合。在频率f_d或者源于各目标的每个差动信号下的每个极值因此配有一个独自的频谱A。

想象中，对于频谱A导入相位Φ。相位Φ表示频谱与频率轴线f的关系。以下，

$\mathrm{\Φ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{Im}\left(A\right)}{\mathrm{Re}\left(A\right)}\right)---\left(8\right)$

频率区中的相位Φ依赖频率线性调频脉冲β。频率线性调频脉冲β导致频谱A极值的扩展，其通过参数ρ来定。由于扩展只在百分之几范围内，所以可忽略不计。

与频率线性调频脉冲β成比例的参数通过在频率区中对频率f的相位二阶导数来算出。在频率区中对频率f的相位Φ二阶导数和线性调频脉冲β之间的比例常数基本上只取决于所选的用于计算傅立叶变换的窗口函数，例如高斯窗口函数，在独立的傅立叶变换情况下，取决于频率区的解。

在频率fd时的频率区中在极值近似确定相位Φ的二阶导数可以如下进行：

$\frac{d^2\mathrm{\Φ}}{d{f}^2}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_b-2\mathrm{\Φ}+{\mathrm{\Φ}}_a}{(f_b-f_d)(f_d-f_a)},---\left(9\right)$

此时，Φ_a表示频率f_a时的相位，Φ_b表示频率f_b时的相位，适用f_a小于频率f_b，频率f_d小于f_b，参见图4中的频谱。

用于确定线性调频脉冲或与线性调频脉冲成比例的参数的方法包括以下步骤：

-根据公式(4)调整频谱A的线性组合；

-从各频谱中计算频率区中的相位Φ；和

-确定一个与线性调频脉冲成比例的参数，作为在频率f_d时的频率区中的相位Φ的二阶导数值，频谱在此频率f_d下具有一个极值。

例如，结合图1所示的情况来描述本发明的一个实施方式，其作为流程图在图5中被示意示出。

首先，确定第一调频速率(30)。FMCW雷达求出用于一个时间段的信号5，在该时间段内，发射信号频率根据第一调频速率s被改变(31)。雷达4接收两个反射信号6、7。FMCW雷达4混合所接收的信号6、7与瞬时发射信号5。从相应的混合结果中，唯一求出瞬时发射信号和瞬时接收信号6、7之间的差动信号，有时如此设立混频器，只出现差动信号。当时得到的两个反射信号6、7相对瞬时发射信号的差动频率fd例如在图6中以频率f1和f2表示。通常，这两个频率f1和f2不相同。

在随后的时刻，通常在一毫秒或几毫秒内，执行二次测量，为此，发射信号5的频率的调频速率s被改变(35)。一次测量的调频速率s和二次测量的调频速率s不相同。现在由差动信号得到的频谱例如可以如图7所示地看到。频谱又具有两个峰值或极值，这次是频率f3和f4。但是从两个频谱中无法事先发现，频率f1时的极值和反射信号7的频率f3时的极值是否对应于同一目标，例如杆柱3或者前行车辆，或者频率f1和f4时的频率是否对应于同一目标的反射信号7。

可以针对每个极值来确定可能距离d与可能的相对速度v的关系，其例如在图8中用曲线图表示。两条直线21和22例如对应于一次测量中的极值f1和f2，直线23和24对应于二次测量的频率f3和f4时的两个极值。对应于一次测量的直线21不仅与直线23相交，而且与直线24相交，其都对应于二次测量。因此在不做进一步识别的情况下，得不到关系对应明确的结果，一个目标具有哪个距离d和哪个相对速度v，一次测量中具有频率f1的反射信号源于该目标。同样的情况也出现在其它目标上，其在一次测量中通过二次测量f2的极值来识别。

以下方法步骤允许提供附加信息，其能够或至少简化在二次测量的频率f3时或频率f4时的极值与在一次测量的频率f1时的极值对应，不管直线21和直线23的交点或者直线21与直线24的交点是否被用到。

从一次测量的差动信号中，将确定线性调频脉冲和频率线性调频脉冲。为此，最好采用已经加以描述的方法步骤。在所述例子中，由两个理论频谱A构成的线性组合适应于来自一次测量的测定频谱(40)。频率区中的相位可以针对每个频谱A被具体确定。利用上述公式(4)-(9)，适当的插入(41)确定了频率区中的相位对频率二阶导数的值，此时的极值直接源于当时频谱的整个振幅。由此获得的参数表示线性调频脉冲。对于每个目标及由此得到的通过频谱A来调整的差动信号，计算出线性调频脉冲的当时值。最好只确定一个与线性调频脉冲成比例的参数。

相似的，为二次测量的一个频谱的每个极值求出线性调频脉冲(42，43)。

在下一个步骤(44)，来自一次测量的各线性调频脉冲与来自二次测量的线性调频脉冲做比较。首先已经说明线性调频脉冲基本尚与相对速度v和调频速率s成比例。在一次测量和二次测量之间假定，一个目标的相对速度v不改变。相应的，频率线性调频脉冲β和调频速率s的商是不变量。因此，寻找由来自一次测量和二次测量的线性调频脉冲构成的脉冲对，其除以一次测量或二次测量的调频速率后是相同或近似相同的。在公差范围内的商偏差被视为相同。

每个线性调频脉冲从一个频谱A中求出，该频谱在一个频率f_d时恰好有一个极值。线性调频脉冲因而能总是对应于在一个测定频谱内的一个极值。对于由来自一次测量的第一线性调频脉冲和来自二次测量的第二线性调频脉冲构成的一对，求出由具有对应频率的第一线性调频脉冲和具有对应频率的第二线性调频脉冲构成的相应对(45)。从频率对中，利用公式(1)来确定相对目标的距离和/或相对速度(46)。

各方法步骤的时间次序不受所述次序的限制。线性调频脉冲或线性调频脉冲信号的求出适当地在独立的数据处理装置中完成，因而可以实现并行处理以获得并确定差动信号。

在另一个设计中，在线性调频脉冲中考虑加速度a的成分。在以不同的调频速率先后两次测量时，加速度对线性调频脉冲的作用不改变，其改变相对速度，例如如公式(3)所示。因此对于一次和二次测量，得到了针对一个测定的线性调频脉冲的可能有的加速度和相对速度的线性关系。该关系可以作为直线标记在一个图中，该图的轴线作为加速度和相对速度。两条直线的交点于是给出目标的实际加速度和实际相对速度。在有多个目标的情况下，出现了与图8相似的多重对应，因为无法实现看清要考虑哪些直线交点。

从相对速度和距离的关系中，由来自一次测量和二次测量的测定差动频率(公式2)确定地得到解答空间中的交点。这样，至少可能采取的速度被限制到一个无穷数。从相对速度和加速度的关系中，由来自一次测量和二次测量的测定线性调频脉冲(公式3)确定地得到解答空间中的交点。这样，同样限制了可能采取的速度。对尚包含在两个解答空间中的速度取值的研究实现了进一步限制或者同样精确确定速度。

按照图9，用于执行上述实施方式的装置规定了用于雷达高频信号的至少一个发射器和接收器。混频器51从瞬时发射信号和瞬时接收信号中求出差动信号。数据处理装置52从频谱中求出对频率的相位二阶导数。

尽管结合一个优选实施方式描述了本发明，但本发明不局限于此。尤其是，本发明不局限于求出线性调频脉冲的各方法步骤。线性调频脉冲也可以通过在几点附近简单的频谱求微分来获得，即便上述方法因其高质量而是优选的。

Claims (6)

1.一种雷达运行方法，尤其是用于汽车中的驾驶员辅助系统的雷达的运行方法，包括以下步骤：

-由第一发射调频信号和该第一发射调频信号的由多个目标反射的、被接收的部分中确定第一差动信号；

-针对每个第一差动信号分别确定一个第一线性调频脉冲信号，其中第一线性调频脉冲信号对应于第一差动信号按时间的二阶导数；

-由第二发射调频信号和该第二发射调频信号的由多个目标反射的、被接收的部分中确定第二差动信号；

-针对每个第二差动信号分别确定一个第二线性调频脉冲信号，其中第二线性调频脉冲信号对应于第二差动信号按时间的二阶导数；

-依据配属于其中一个第一差动信号的第一线性调频脉冲信号同配属于其中一个第二差动信号的第二线性调频脉冲信号的对应关系，将该其中一个第一差动信号分配给该其中一个第二差动信号；

-依据第一差动信号和配属于该第一差动信号的第二差动信号，确定其中一个目标的距离和/或相对速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，第一和/或第二线性调频脉冲信号的确定包括以下步骤：

-使各一个理论复频谱匹配复频谱的每个极值；

-确定频谱相位，其按照

$\mathrm{\Φ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{Im}\left(A\right)}{\mathrm{Re}\left(A\right)}\right),$

-其中，Im(A)表示匹配频谱的虚部分，Re(A)表示实部分；

-在频谱取极值的频率下，作为相位按频率的二阶导数的值来确定第一和/或第二线性调频脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，理论频谱通过差动信号的付里叶变换来确定。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征是，第一调频信号具有第一调频速率，第二调频信号具有第二调频速率，并且第一调频速率和第二调频速率有区别。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，若第一线性调频脉冲信号除以第一调频速率的商与第二信号除以第二调频速率的商之间的差别不大于一个预定阈值，则第一线性调频脉冲信号对应于第二线性调频脉冲信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，由第一和第二差动信号的频率中确定一个目标的潜在所取速度的第一取值区，由第一和第二线性调频脉冲信号确定目标的潜在所取速度的第二取值区，并且作为利用包含在两个取值区中的速度来确定该目标。

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