本發(fā)明涉及一種用于利用如下雷達傳感器測量對象的垂直位置的方法，所述雷達傳感器執(zhí)行兩次交錯的水平掃描。

毫米波雷達傳感器、例如用于汽車和航空應用的毫米波雷達傳感器應該有緊湊并且成本低廉的結構。

如果探測僅限于一個平面(大多是水平平面)(這在大多數(shù)汽車雷達傳感器中都是這種情況)，那么這可以以成本低廉的方式通過使用平板天線和多個接收機來實現(xiàn)。在此，根據(jù)“數(shù)字波束形成(digitalbeamforming)”的原理來實現(xiàn)波束形成和控制。

隨著對可靠性的要求的提高，在汽車領域中的雷達傳感器尤其是應該能夠將不相關的障礙物(如橋梁和橋形路標牌)與在道路上停留的對象區(qū)別開，所述在道路上停留的對象對于道路交通來說是危險。

近來在航空領域也將所述傳感技術用于近距離監(jiān)控直升機。這里，尤其在起飛和著陸階段需要對障礙物進行三維測量。單純的二維測量無法勝任。

背景技術：

從winfriedmayer博士發(fā)表的題為“具有在發(fā)射側切換的分組天線的成像雷達傳感器(abbildenderradarsensormitsendeseitiggeschaltetergruppenantenne)”的論文(cuvillier出版社，哥廷根2008年，isbn978-3-86727-565-1)公知了如下方法以及裝置，所述方法利用數(shù)字波束形成的技術來監(jiān)控一個區(qū)域，在所述方法和裝置的情況下使用具有多個發(fā)射機和多個接收機的天線陣列。

在de102008052246a1中描述了一種用于測定對象的垂直位置的具有可調節(jié)的仰角波束方向的傳感器系統(tǒng)。在這種情況下，通過反射器的機械運動來實現(xiàn)調節(jié)。

在pct/ep2012/003702中描述了一種具有對天線孔徑的合成放大以及二維波束掃描的成像雷達傳感器。在此，在水平方向通過由多個接收信道構成的數(shù)字波束形成、在垂直方向通過比較兩個接收信號的振幅來實現(xiàn)所述二維波束掃描，所述兩個接收信號由兩個發(fā)射機產(chǎn)生，所述兩個發(fā)射機具有彼此在垂直方向傾斜的天線圖。然而，該方法實際上有如下缺點：由于傳感器前面的結構(如天線罩、塑料保險杠和類似的遮蓋物)而使得天線圖的振幅特性失真。這意味著應根據(jù)遮蓋物情況執(zhí)行對雷達傳感器的校準，以便以測量技術檢測和補償這些失真。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務是提供一種用來避免上面所描述的諸如機械波束掃描和校準那樣的缺點的裝置、方法以及雷達系統(tǒng)。此外，本發(fā)明的任務還是提供一種可用來測定對象的垂直位置的裝置和方法。

該任務按照具有權利要求1所述的特征的裝置、按照具有權利要求4所述的特征的方法以及按照具有權利要求3所述的特征的雷達系統(tǒng)來解決。

傳感器至少由距離為d的接收天線的陣列和兩個發(fā)射天線構成。尤其為了確保單值性并且避免多值性，發(fā)射天線的相位中心在垂直方向錯開距離z，該距離z小于或等于所發(fā)射的信號的半個自由空間波長(l)。因此，可切換的發(fā)射天線具有不同的垂直位置的相位中心，就是說第一可切換的發(fā)射天線的相位中心的第一位置、第二可切換的發(fā)射天線的相位中心的第二位置等等，由此，相位中心的垂直位置是不同的，所述相位中心垂直地錯開距離z。在水平方向，第二天線相對第一天線錯開了接收陣列的行距離d。

針對接收陣列的行距離d適用：

其中

n＝天線行數(shù)

l＝所發(fā)射的信號的波長

fmax＝數(shù)字形成天線波束的最大掃描角度。

附圖說明

圖1示例性地示出了這種利用平板天線結構來實現(xiàn)的天線裝置。

具體實施方式

現(xiàn)在按如下地執(zhí)行對三維空間中的對象的探測：

如可在圖2中看到的那樣，發(fā)射機1和發(fā)射機2交替運行，其中在所謂的fmcw雷達的情況下，頻率線性失調。在所述失調期間，ad轉換器檢測接收信號，使其受到第一次快速傅立葉變換(fft)并且存儲。接著，所存儲的數(shù)據(jù)根據(jù)分別活躍的發(fā)射機來分類并且被整理在一個頻譜圖中。然后，通過所述頻譜圖的列計算第二次fft。結果是，得到所謂的距離多普勒矩陣(range-doppler-matrix)，所述距離多普勒矩陣的列號對應于距離單位(所謂的rangebin(距離筐))，而所述距離多普勒矩陣的行號對應于雷達傳感器的速度單位(所謂的velocitybin(速度筐))。復數(shù)的矩陣元素對應于信號的振幅和相位。

現(xiàn)在，就數(shù)字波束形成而言，如在pct/ep2012/003702中詳細描述的那樣，形成接收陣列的陣列圖。在此，各個接收信道的距離多普勒矩陣首先被加權，接著根據(jù)所希望的波束方向(γ)在相位(α)漂移并且緊接著相加。接著，得到一系列距離多普勒矩陣，所述距離多普勒矩陣對應于接收陣列的主波束方向的接收信號。在這些距離多普勒矩陣存在之后，借助于所謂的cfar算法在各個距離多普勒矩陣中搜索如下對象，所述對象從傳感器的噪聲中或者從干擾背景(所謂的雜波(clutter))中突出出來。如果檢測到這種對象，那么根據(jù)所謂的單脈沖原理考慮將相鄰波束的相同的距離多普勒單元用于精確地測定水平角度。在此，可以或者僅僅考慮兩個相鄰波束的振幅比，如在圖3a、3b中所示出的那樣，或者考慮所謂的誤差信號。所述誤差信號通過如下方式產(chǎn)生，首先形成和信號、也就是將相鄰矩陣的兩個元素矢量相加。隨后，形成差信號，并且將所述差信號除以所述和信號。兩個復數(shù)的所述除法的實部被稱作所謂的誤差信號。所述誤差信號與在兩個被考慮的波束之間的相對角度成比例。以這種方式可以精確地測定水平位置。

替代于搜索對象所在的波束和根據(jù)單脈沖方法精確地測定水平角度，可以將數(shù)字波束對準對象的原理簡單地顛倒過來并且測量在兩個相鄰天線行之間的相移。因為適用：

因此，從中可以直接測量對象的水平取向，然而，實際上，各個信道的信號都太弱并且與噪聲疊加，使得在所述信道之間的準確的相位測量是不可能的。但是如果對象信號足夠強，那么可以從中推導出一種測量方法。

現(xiàn)在創(chuàng)新之處在于將該測量方法應用于測定對象的垂直位置。

首先利用所述兩個發(fā)射天線的數(shù)據(jù)記錄來執(zhí)行“數(shù)字波束形成”。

接著，在第一天線的數(shù)據(jù)記錄中檢測對象，或波束編號和距離多普勒矩陣的元素。

隨后，測量相對來自第二天線的數(shù)據(jù)記錄中的相同波束編號的距離多普勒矩陣的相同元素的相位差(β)。由于所述發(fā)射天線在垂直方向彼此錯開距離z，所以如上面那樣適用：

其中，這里，角度是對象的垂直角位置。這里，與水平法不同，因為根據(jù)陣列波束測定相位差，所以該方法起作用。這里，信噪比足夠高。然而，只有當?shù)诙炀€的相位中心處在與第一天線相同的水平位置時，才適用等式[3]。然而，這在垂直方向延伸的平板天線行的情況下是不可能的。出于該原因，應使所述天線行在水平方向錯開。這里，優(yōu)選地，選擇與在接收陣列中的行距離相同的距離(d)。

現(xiàn)在被測量的角度(βm)是垂直相位差β與水平相位差α之和。接著，利用等式[3]得出垂直對象位置為：

因此，對垂直位置的測定的精度不僅取決于信噪比，而且取決于可用來測定水平角位置γ并且借此測定相位差α的精度。

為了避免在極限的垂直角位置的情況下的多值性，優(yōu)選地選擇相位中心的垂直距離小于等于λ/2。

如果現(xiàn)在對象運動，那么由于多普勒效應引起的相移被疊加給所測量的相位。在進行角度計算之前，應修正在來自對天線1測量的數(shù)據(jù)記錄與來自對天線2測量的數(shù)據(jù)記錄之間的所述相移。

因此，對來自第二測量的距離多普勒矩陣的相位修正的角度為

δφ：＝2·π·ldopp·δfd·δt

其中，idopp：多普勒濾波器編號；

δfd：多普勒濾波器的帶寬；

δt：在激活左側的發(fā)射極與激活右側的發(fā)射機之間的時間差。

在此，多普勒濾波器編號對應于距離多普勒矩陣的行號。根據(jù)如下公式，從對所述對象的觀察持續(xù)時間計算出帶寬：

其中，1/fm＝圖2中的頻率斜坡的持續(xù)時間，以及

nsweep＝頻率斜坡的數(shù)目。