專利名稱：具有固定目標(biāo)抑制的fmcw雷達的制作方法
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明涉及一個用于汽車的FMCW雷達系統(tǒng)。
FMCW雷達系統(tǒng)在汽車中例如用于自動的間距控制(ACCAdaptiveCruise Control)，并且在此用于測量在前面行駛的汽車的間距和相對速度。原則上以一個雷達系統(tǒng)能夠從雷達回波的信號傳輸時間中確定雷達目標(biāo)的間距。在雷達目標(biāo)上、其離開雷達傳感器或朝著雷達傳感器移動、此外根據(jù)多普勒效應(yīng)產(chǎn)生接收信號的頻率偏移并且從這個頻率偏移中能夠計算出目標(biāo)的相對速度。
FMCW雷達(FMCW＝Frequency Modulated Continuous Wave)的功能原理基于此，即連續(xù)發(fā)送雷達信號，可是該信號具有一個調(diào)制的、也就是時間變化的頻率。因為在雷達信號到達雷達目標(biāo)并且返回期間發(fā)送信號的頻率以已知的方式變化，因此在發(fā)送信號和接收信號之間的頻率差依賴于信號的傳輸時間并因此依賴于雷達目標(biāo)的間距。這種依賴性當(dāng)然還不能夠明確地確定間距，因為在雷達目標(biāo)移動時頻率差也依賴于相對速度。已知了若干消除這種多義性的可能性。在一個常用的方法中、比如在DE 42 42 700 A1中描述的、調(diào)制具有兩個彼此交替跟隨的斜坡的頻率，該斜坡的斜率不同(主要僅僅是斜率的符號不同)。從如此獲得的目標(biāo)應(yīng)答中然后能夠?qū)τ诿總€雷達目標(biāo)明確地確定間距和相對速度。
考慮到較高的間距分辨率希望調(diào)制具有盡可能陡的斜坡的頻率。但是這引起依賴于相對速度的多普勒頻移小于依賴于間距的頻率偏移。由于這個原因常常很難分離具有不同相對速度、可是處在接近相同距離的相互目標(biāo)。
當(dāng)然由此特別產(chǎn)生這樣的問題，除了在前面行駛的汽車外雷達傳感器也定位大量的固定目標(biāo)。這例如在建筑工地或橋梁上行車道變窄的區(qū)域內(nèi)是這種情況，在那里護欄到行車道中心具有如此小的側(cè)間距，致使雷達波瓣能探測到護欄。豎直的柱子當(dāng)然形成大量的固定目標(biāo)，在該柱子上安裝護欄，這些固定目標(biāo)掩蓋了前面行駛的汽車獲得的目標(biāo)應(yīng)答，如此不能或至少不能可靠或僅僅以非常高的計算費用識別汽車的目標(biāo)應(yīng)答。

發(fā)明內(nèi)容
具有在權(quán)利要求1中給出的特征的本發(fā)明有這樣的優(yōu)點，當(dāng)存在固定目標(biāo)時能夠可靠定位移動的雷達目標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明由此能夠?qū)崿F(xiàn)具有濾波裝置的雷達系統(tǒng)，該濾波裝置有選擇地抑制固定目標(biāo)的目標(biāo)應(yīng)答。在這種關(guān)系中“有選擇”意味著通濾波波不或至少不十分顯著地抑制或甚至放大移動物體的目標(biāo)應(yīng)答，使得移動物體明顯地從固定目標(biāo)的背面下突顯出來，可以簡單并且可靠地識別移動物體。
由從屬權(quán)利要求中得出本發(fā)明的有益設(shè)計方案和改進。
在一個優(yōu)選實施形式中如此形成濾波裝置，即其如此疊加多個以確定的時間偏移接收的目標(biāo)應(yīng)答，使得針對固定目標(biāo)的破壞性干擾占支配地位。這是可能的，因為在以時間偏移ΔT接收的目標(biāo)應(yīng)答之間的相位差依賴于間距差，在時間ΔT內(nèi)目標(biāo)物體間距的變化為所述間距差。該間距差等于相對速度和時間偏移ΔT之積。對于固定目標(biāo)相對速度在數(shù)值上等于汽車的本身速度。通過適當(dāng)選擇時間偏移ΔT因此能夠?qū)崿F(xiàn)，如果相對速度和本身速度之比等于1，也就是在固定目標(biāo)的情況下剛好出現(xiàn)破壞性的干擾。
可是根據(jù)雷達波的周期性本質(zhì)不僅僅在這種特殊速度比的情況下出現(xiàn)破壞性的干擾，而是如果相對速度和本身速度之比為奇整數(shù)時也出現(xiàn)破壞性的干擾。可是這種附加的破壞性干擾通常處在這樣的速度范圍內(nèi)，在實際使用的雷達系統(tǒng)中不出現(xiàn)這樣的速度范圍。
另一方面通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)在相對速度接近于零的情況下出現(xiàn)有益的干擾，使得通濾波波甚至還能放大以大致相同速度在前面行駛的汽車的目標(biāo)應(yīng)答。
通過根據(jù)本發(fā)明的濾波抑制的、受到干擾的固定目標(biāo)通常不處在行車道上而是處在行車道的邊緣，雷達系統(tǒng)關(guān)注的重點在于固定目標(biāo)以相對于汽車的前進方向的一個確定的方位角α出現(xiàn)。因此在本身速度和相對速度的矢量之間產(chǎn)生一個相應(yīng)的角度差α，根據(jù)本發(fā)明的一個改進在設(shè)計濾波器的情況下通過相應(yīng)的矯正項考慮該角度差。
在本發(fā)明的一個實施形式中，在發(fā)送的雷達信號的兩個不同調(diào)制斜坡內(nèi)、例如在兩個連續(xù)的斜坡內(nèi)接收在濾波的情況下彼此疊加的目標(biāo)應(yīng)答。原則上這兩個斜坡可以具有不同的斜率并且甚至具有相反符號的斜率。但是對于信號的簡單分析以下情況有益的即具有相同符號的斜率而且特別是斜率彼此相同。
在另一個實施形式中，在調(diào)制信號的同一斜坡內(nèi)時間偏移地接收兩個疊加的目標(biāo)應(yīng)答也是可能的，在這種情況下通過適當(dāng)?shù)男Ｕ齺砜紤]這種情況，即在已發(fā)送的雷達信號的不同頻率范圍接收目標(biāo)應(yīng)答。
分別對目標(biāo)應(yīng)答進行頻譜分析(最好借助于快速傅立葉變換(FFT))，并且由此實現(xiàn)疊加(按單元進行復(fù)數(shù)相加)所獲得的頻譜。


在附圖中示出了本發(fā)明的實施例并且在下面的描述中詳細闡述本發(fā)明的實施例。
圖示圖1示出了用于闡述所提出問題的原理圖；圖2示出了FMCW雷達系統(tǒng)的方框圖；圖3示出了一個目標(biāo)應(yīng)答的未濾波的頻譜；圖4示出了濾波器的衰減函數(shù)；圖5示出了已濾波的頻譜；圖6和7示出了雷達信號的不同調(diào)制形式的頻率/時間簡圖。
具體實施形式圖1示出了一個汽車10，其行使在行車道12上并且配備了一個FMCW雷達系統(tǒng)。該雷達系統(tǒng)例如用于測量汽車10到在前面行駛的汽車14的間距。為了這個目的在汽車10的前面安裝一個雷達傳感器16，其發(fā)射雷達波瓣，其覆蓋行車道12的前面路段并因此也覆蓋汽車14。被汽車14的后部正面反射的雷達信號作為所謂的目標(biāo)應(yīng)答由雷達傳感器16接收。通過分析該目標(biāo)應(yīng)答來確定汽車14的間距和相對速度。
在行車道12側(cè)面安裝了護欄20，其被支撐在支柱20上。通常護欄20在側(cè)面放置在如此遠的地方，即其不被雷達波瓣覆蓋。但是在較窄的區(qū)域、例如在橋下、可能接近行車道12的護欄20這樣的距離雷達波瓣18覆蓋了支柱22并因此由雷達傳感器16定位為存在的反射目標(biāo)(固定目標(biāo))。該固定目標(biāo)的目標(biāo)應(yīng)答可能如此掩蓋真正的有用信號、汽車14的目標(biāo)應(yīng)答，使得不再能夠正確檢測并分析該有用信號。在這種如此描述的雷達系統(tǒng)中因此設(shè)置一個濾波裝置，通過該裝置在真正分析之前如此濾波由雷達傳感器16接收的信號，即抑制固定目標(biāo)的目標(biāo)應(yīng)答、也就是例如支柱22的目標(biāo)應(yīng)答。
在圖2中汽車10的雷達系統(tǒng)作為方框圖示出。該雷達系統(tǒng)包含一個例如通過一個數(shù)字計算機形成的控制與分析設(shè)備24、其通過一個線性裝置26給發(fā)送設(shè)備28提供一個調(diào)制信號，該發(fā)送設(shè)備28是雷達傳感器16的一部分。該發(fā)送設(shè)備28產(chǎn)生一個具有一個通過調(diào)制信號確定的頻率的雷達信號R。該雷達信號R通過傳輸設(shè)備30和天線32輻射出去。由雷達目標(biāo)反射的回波再度由天線32接收并經(jīng)過傳輸設(shè)備30作為接收信號E傳遞給一個混頻器34。在混頻器34中，接收信號E與發(fā)送的雷達信號R或與其成正比的信號混頻。這種混頻在數(shù)學(xué)上相當(dāng)于信號值相乘并且除了通濾波波器清除的高頻成分外獲得一個低頻的插拍分量，其頻率相當(dāng)于雷達信號R的頻率與接收信號E的頻率之差。該低頻分量作為混頻信號M輸出到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器36，其以均勻一致的時間間隔把混頻信號數(shù)字化并且把數(shù)字化的信號輸出給控制與分析設(shè)備24用于進一步分析。
控制與分析設(shè)備24包含一個濾波器設(shè)備38，其在進一步分析之前首先對數(shù)字混頻信號進行濾波。
在這個濾波過程中首先對體現(xiàn)已定位信號目標(biāo)的目標(biāo)應(yīng)答的數(shù)字混頻信號進行快速的傅立葉變換(FFT)。通過這種方式以頻率(f)的函數(shù)S(f)的形式獲得目標(biāo)應(yīng)答的頻譜。該函數(shù)是依賴于時間t的混頻信號M(t)的傅立葉變換并且具有復(fù)數(shù)的函數(shù)值。
圖3示出了如此頻譜的實例。從這個復(fù)數(shù)函數(shù)值S(f)中在此僅僅圖示示出了絕對值|S|。在每個雷達目標(biāo)的這個頻譜中一般在一個確定的頻率處標(biāo)出一個峰值。例如圖3在頻率f1處示出了一個如此的孤立峰值。該峰值的位置、也就是頻率f1在FMCW雷達中一方面依賴于目標(biāo)物體的間距d并且另一方面依賴于目標(biāo)物體的相對速度Vr。根據(jù)在圖3中示出的頻譜因此在沒有附加信息的情況下還不能判斷在f1處的峰值屬于一個固定目標(biāo)還是屬于一個移動目標(biāo)。但是已知消除這種多義性的方法，并且在下面進一步簡短闡述。
圖3此外在稍微高些的頻率處示出了多個峰值40。作為實例假設(shè)，在該峰值處涉及在圖1中的支柱22的目標(biāo)應(yīng)答。汽車14的目標(biāo)應(yīng)答其實體現(xiàn)于在頻率f2處的另一個峰值?？墒怯捎谄?4的間距大致上等于支柱22的間距并且汽車14和支柱的不同的相對速度僅僅導(dǎo)致相對較低的頻率偏移，因此在圖3中在f2處的峰值幾乎完全被峰值40的稠密序列掩蓋，如此不能識別或很難識別該峰值的位置。
如此形成濾波器設(shè)備38、其工作原理在下面進一步詳細闡述，即不同程度地衰減一方面來源于固定目標(biāo)并且另一方面來源于移動目標(biāo)的目標(biāo)應(yīng)答。在所描述的實例中通過濾波器設(shè)備38引起的衰減或增益G特別依賴于相關(guān)的目標(biāo)物體的相對速度Vr與汽車10的本身速度Ve之比Vr/Ve。
在圖4中繪出了對于速度比Vr/Ve的增益函數(shù)G(以分貝形式[dB])。在此在靠近目標(biāo)物體的情況下相對速度Vr取正數(shù)。因此速度比Vr/Ve＝1相當(dāng)于一個固定目標(biāo)。在圖4中可以看出，對于這樣的固定目標(biāo)目標(biāo)應(yīng)答衰減非常大。在所有奇數(shù)速度比的位置、也就是在-1、+1、3、...、周期性地重復(fù)這種衰減圖形。在中間區(qū)域衰減非常小并且在在偶數(shù)速度比0、2、...的位置該濾波引起增益(G＞0)。速度比Vr/Ve＝0適用于這樣的目標(biāo)物體，其相對速度Vr等于零，也就是適合于這樣的物體，其幾乎以同汽車10一樣的速度移動。如果對于前面行駛的汽車、比如汽車14至少近似滿足該條件，則通過該濾波過程對于前面行駛的汽車來說提高了雷達傳感器的靈敏度，同時顯著抑制了固定目標(biāo)。
在圖5中示出了結(jié)果。在此以類似于圖3的簡圖示出了在濾波之后的頻譜|S`|。提高了在f1處的峰值，同時顯著抑制了峰值40，這樣在頻率f2處呈現(xiàn)一個明顯的、同樣升高的峰值42，其代表汽車14。然后在控制與分析設(shè)備24中以通常的方式分析儀濾波的頻譜，以便確定汽車14的間距d和相對速度。
從圖4中看出的、在速度比為-1、3等處的顯著衰減實際上一般沒有意義，可以不必進一步理會。例如速度比為-1相當(dāng)于前面行駛的汽車遠離自身汽車10并且絕對速度是汽車10的本身速度的兩倍。例如在本身速度Ve＝130km/h情況下，如果該汽車的絕對速度為260km/h，則抑制前面行駛的汽車的目標(biāo)應(yīng)答。速度比為3相當(dāng)于一個汽車極其快速地迎面而來，也就是對于間距調(diào)整就不是重要的。
參考圖6闡述濾波設(shè)備38的功能原理。在此繪出了對于時間t的已調(diào)制的、由天線32發(fā)射的雷達信號R的頻率f。可以看出，斜坡形調(diào)制該信號，具有一個第一斜坡44和一個時間偏移ΔT之后的第二斜坡46。這兩個斜坡42、46在示出的實例中具有相同的持續(xù)時間和相同的斜率。在處于斜坡44上的時間間隔T1內(nèi)，在濾波設(shè)備38中以較快速的時間序列記錄由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器36提供的數(shù)字混頻信號M，從而得到數(shù)字化的函數(shù)M1(t)，其代表在時間間隔T1內(nèi)的目標(biāo)應(yīng)答。相應(yīng)在時間間隔T2內(nèi)、在斜坡46的持續(xù)時間內(nèi)以函數(shù)M2(t)的形式記錄目標(biāo)應(yīng)答。然后對這兩個目標(biāo)應(yīng)答進行快速傅里葉變換，從而獲得兩個頻譜S1(f)和S2(f)。然后通過分別把屬于相同頻率f的復(fù)數(shù)函數(shù)值S1(f)和S2(f)相加來形成已濾波的頻譜S`。通過相加或頻譜疊加按相位產(chǎn)生破壞性的或有益的干擾并因此或者衰減或放大。對于固定目標(biāo)、也就是對于速度比Vr/Ve＝1由此實現(xiàn)選擇性的衰減，即根據(jù)下面的公式依賴于汽車10的本身速度Ve確定在兩個斜坡44、46之間或更準確地說在相應(yīng)的測量間隔T1、T2之間的時間偏移ΔtΔt＝a*(λ/2)*(2Ve)-1(1)在該公式中a是奇整數(shù)，其一方面既可能小，可是另一方面必須是如此大，即為斜坡提供足夠的時間，λ是發(fā)射的雷達信號R的平均波長。
在時間ΔT內(nèi)在目標(biāo)物體和雷達傳感器16之間的間距d改變了ΔT*Vr，并且由雷達信號經(jīng)過的、從雷達傳感器到目標(biāo)物體并且返回的路程ΔL改變了該值的兩倍。
ΔL＝2*Vr*ΔT＝a*(λ/2)*(Vr/Ve) (2)因此對于Vr/Ve＝1，ΔL是半波長的奇整數(shù)倍，如此通過破壞性的干擾抑制目標(biāo)應(yīng)答。
必須說明，該濾波功能的速度選擇性不基于多普勒效應(yīng)，相反而是基于在時間ΔT內(nèi)在雷達傳感器和目標(biāo)物體之間的距離變化。顯而易見必須把一個信號供給控制與分析設(shè)備24，該信號代表本身速度Ve，并且必須如此設(shè)計該設(shè)備或?qū)ζ渚幊蹋雌湓诋a(chǎn)生調(diào)制信號時根據(jù)公式(1)確定時間偏移。對此在必要的情況下也可以匹配斜坡的重復(fù)頻率。
在上面的描述中沒有考慮應(yīng)當(dāng)抑制其目標(biāo)應(yīng)答的固定目標(biāo)、比如支柱不處于行車道12上而是處于行車道的側(cè)面，因此從雷達傳感器看去成角度α，正如在圖1中示出的。因此間距變化ΔL不是恰好正比于本身速度Ve，而是正比Ve*cos(α)。在一個簡化的濾波器設(shè)備38的實施形式中因此按照下面的公式確定時間偏移ΔTΔT＝a*(λ/2)*(2Ve*cos(α))-1(3)為了消除提到的、目標(biāo)應(yīng)答的多義性并且從根據(jù)圖5的已濾波的頻譜中計算出移動目標(biāo)物體的間距和相對速度，以兩個不同斜坡斜率交替實施上述過程。在兩個斜坡44、46之后跟隨例如兩個下降的斜坡，其具有與斜坡44、46相同的斜率值。通過一方面形成以上升的與下降的斜坡測量的峰值42的頻率f2的和并且另一方面形成二者的差，這樣就能夠計算出汽車14的相對速度Vr和間距d。
一般不要求在圖6中的斜坡44和46有相同的斜率和相同的持續(xù)時間。甚至代替上升的斜坡46應(yīng)用一個下降的斜坡也是可能的，正如在圖6中虛線繪出的。必須通過計算修正由不同頻率特性引起的效應(yīng)。與此相比開始描述的、具有兩個上升斜坡44、46的實施形式具有以下的優(yōu)點降低了濾波過程的計算復(fù)雜性并且此外在相對接近于零的情況達到非常理想的信號放大。
圖7說明了一個變化的實施形式，在該實施形式中兩個測量間隔T1和T2處在同一斜坡44上并且彼此重疊，如此時間偏移ΔT非常小。該實施形式特別是在a＝1的較高本身速度的情況下實現(xiàn)。當(dāng)然在該實施形式中兩個頻譜S1和S2可以不直接疊加，因為在不同的頻率下接收這兩個頻譜S1和S2。該頻率差引起這兩個傅里葉頻譜S1和S2相差這種形式的一個附加相位系數(shù)exp(-i*2π*(2*d/c)*m*ΔT (4)
其中，d是目標(biāo)物體的間距、c是光速并且m是斜坡44的斜率。在兩個頻譜相加之前必須以計算方式補償該相位差。由于提到的多義性還不知道間距d，但是能夠近似地在這種假設(shè)情況下確定該間距，即在目標(biāo)物體是固定目標(biāo)的情況下(Vr＝Ve，多普勒頻移已知)。然后對以如此確定的值d實施所要求的校正。在這種情況下，斜坡44的斜率盡可能小是有利的，因此盡可能地避免移動物體“盲區(qū)”(具有較強衰減的速度區(qū)域)的出現(xiàn)。在本身速度Ve較低的情況下，可以考慮鑒于本身速度Ve和現(xiàn)有重要目標(biāo)來匹配斜坡斜率m。
權(quán)利要求
1.用于汽車(10)的FMCW雷達系統(tǒng)，其特征在于，用于有選擇地抑制固定目標(biāo)(22)的目標(biāo)應(yīng)答的濾波設(shè)備(38)。
2.按照權(quán)利要求1的雷達系統(tǒng)，其特征在于，形成濾波設(shè)備(38)，用于在兩個相差時間偏移ΔT的時間間隔(T1、T2)內(nèi)接收目標(biāo)應(yīng)答(M)并且彼此疊加，其中根據(jù)汽車(10)的本身速度Ve來確定所述時間偏移ΔT使得在疊加時破壞性地干擾固定目標(biāo)(22)的目標(biāo)應(yīng)答。
3.按照權(quán)利要求2的雷達系統(tǒng)，其特征在于，形成濾波設(shè)備(38)，用于把在兩個時間間隔(T1、T2)內(nèi)接收的目標(biāo)應(yīng)答作為時間函數(shù)記錄，通過該函數(shù)的傅立葉變換計算所屬的頻譜(S)并且把所述頻譜復(fù)數(shù)地相加。
4.按照上述權(quán)利要求之一的雷達系統(tǒng)，其特征在于，形成控制與分析設(shè)備(24)，用于斜坡形狀地調(diào)制發(fā)送的雷達信號(R)的頻率，并且所述的時間間隔(T1、T2)處在連續(xù)的斜坡上(44、46)，在該時間間隔內(nèi)接收目標(biāo)應(yīng)答(M)。
5.按照權(quán)利要求4的雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述斜坡(44、46)具有相同的斜率(m)。
6.按照權(quán)利要求2或3的雷達系統(tǒng)，其特征在于，形成控制與分析設(shè)備(24)，用于斜坡形狀地調(diào)制所發(fā)送的雷達信號(R)的頻率，并且所述的時間間隔(T1、T2)處在同一斜坡(44)上并且彼此疊加，在所述的時間間隔(T1、T2)內(nèi)記錄目標(biāo)應(yīng)答(M)。
7.按照權(quán)利要求6的雷達系統(tǒng)，其特征在于，形成控制與分析設(shè)備(24)，用于根據(jù)汽車(10)的本身速度(10)來改變斜坡(44)的斜率(m)。
全文摘要
用于汽車(10)的FMCW雷達系統(tǒng)，其特征在于，用于有選擇地抑制固定目標(biāo)(22)的目標(biāo)應(yīng)答的濾波設(shè)備。
文檔編號G01S13/00GK101052891SQ200580037546
公開日2007年10月10日 申請日期2005年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者J·希爾澤貝歇爾, J·豪克, H·奧爾布里希 申請人:羅伯特·博世有限公司