CN107110955B - 用于校准雷达系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种雷达系统(100)，其具有：主通道(10)；相对于所述主通道(10)对称构造的参考通道(20)；其中，借助第一振荡器(VCO1)能够产生第一输入信号(S1)，所述第一输入信号能够在所述主通道(10)中提供给天线(14)，其中，所述第一输入信号(S1)的反射的部分能够提供给第一混频器(16)；其中，所述第一输入信号(S1)能够在所述参考通道(20)中通过第二定向耦合器(22)提供给第二混频器(25)；其中，借助第二振荡器(VCO2)能够产生具有相对于所述第一输入信号(S1)的定义得不同的频率的第二输入信号(S2)，所述第二输入信号能够提供给所述第一混频器(16)和所述第二混频器(25)；其中，从所述主通道(10)的混频器(16)出去的信号和从所述参考通道(20)的混频器(25)出去的信号能够彼此比较；其中，所述参考通道(20)的终端阻抗的大小能够取决于所述比较如此确定，使得所述主通道(10)和所述参考通道(20)的输出信号具有相同的特性。

Description

用于校准雷达系统的方法

技术领域

本发明涉及一种雷达系统和一种用于校准雷达系统的方法。

背景技术

在已知的雷达系统中，一些问题与在高频前端中的系统性误差有关。直流偏移问题尤其导致接收器的功率下降并且能够由此降低所接收的信号的可探测性。

在图1中原理性地示出了外差式雷达系统中的高频损害的可能来源。第一振荡器VCO1的散射信号t_L可以散射到第一混频器16，还由于错误匹配能够由天线14并且由连接元件13产生散射信号t_Ant。此外可设想由于通过布置在天线14前面的罩元件或天线罩30引起的反射和/或由于电路不准确性而导致的干扰信号t_R。

所有提及的系统性误差可能导致雷达传感器的显著的功率下降，尤其在近距离测量的情况下。为了补偿这些系统性损害，已经进行了一些研究。

《A fundamental frequency 143-152 GHz Radar Transceiver with Built-InCalibration and Self-Test》(CSICS，2013年)公开了一种外差式雷达收发器，所述外差式雷达收发器包含一些自测试校准特征，以便能够实现简单的产品测试以及模拟的前端损害的校正。

DE 10 2009 029 052 A1公开了一种外差式雷达系统，其中，反射信号构造为中间频率信号。

《A Digital Leakage Cancellation Scheme for Monostatic FMCW-Radar》(IEEE MTT-S摘要，2004年)公开了用于消除泄漏效应的外差式电路图，其基于数字的实时信号处理。提出产生相对于待消除的泄漏信号具有相同幅度和相反相位的信号。但是，没有考虑由于天线错误匹配或连接错误匹配而导致的系统性误差，以及在存在天线罩的情况下的不期望的反射。

DE 10 2012 202 007 A1公开了一种雷达传感器，其包括偏移补偿单元，所述偏移补偿单元产生补偿信号，以便和接收信号一起被发送到接收器。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种改善的雷达系统。

根据第一方面，借助一种雷达系统解决所述任务，所述雷达系统具有：

-主通道；

-相对于主通道对称构造的参考通道；其中，

-借助第一振荡器能够产生第一输入信号，所述第一输入信号能够在主通道中提供给天线，其中，所述第一输入信号的反射的部分能够提供给第一混频器；

-其中，所述第一输入信号能够在所述参考通道中通过第二定向耦合器提供给第二混频器；

-其中，借助第二振荡器能够产生具有相对于所述第一输入信号的定义得不同的频率的第二输入信号，所述第二输入信号能够提供给所述第一混频器和所述第二混频器；

-其中，从所述主通道的混频器出去的信号和从所述参考通道的混频器出去的信号能够彼此比较；并且，

-其中，取决于所述比较能够如此确定所述参考通道的终端阻抗的大小，使得所述主通道的和所述参考通道的输出信号具有相同的特性。

借助雷达系统的对称构造充分利用如下事实：系统性误差能够在两个信道中出现并且由此共同地模拟地被校准去除。在结果中，由此提供外差式雷达系统的舒适的模拟校准。

根据第二方面，所述任务借助用于校准雷达系统的方法来解决，所述雷达系统具有：

-主通道和相对于主通道对称构造的参考通道；其中，

-借助第一振荡器能够产生第一输入信号，所述第一输入信号能够在主通道中提供给天线，其中，所述第一输入信号的反射的部分能够提供给第一混频器；

-其中，在所述参考通道中第一输入信号能够经过第二定向耦合器提供给第二混频器；

-其中，借助第二振荡器能够产生具有相对于所述第一输入信号的定义得不同的频率的第二输入信号，所述第二输入信号能够提供给所述第一混频器和所述第二混频器；

其中，所述方法具有下列步骤：

-将所述雷达系统定向到没有可探测的目标的区域上；

-对于所述参考通道的分别不同的终端阻抗，至少三次求取所述主通道的输出信号与所述参考通道的输出信号之间的比；

-由所求取的比求取最终所得的反射系数；

-由所述反射系数求取所述天线的校准系数；并且

-借助所述阻抗调节装置将所述参考通道的终端阻抗调节到相应于所述校准系数的阻抗。

所述雷达系统的优选的扩展方案的特征在于，所述参考通道具有阻抗调节装置，借助所述阻抗调节装置能够调节所述参考通道的终端阻抗。以这种方式能够以舒适的方式调节参考通道的终端阻抗，其中，整体的雷达系统的所有系统性误差被校准去除。

所述雷达系统的另一个有利的扩展方案的特征在于，为了调节所述参考通道的终端阻抗，能够使用由主通道的和参考通道的输出信号求取的校正系数。以这种方式求取误差向量，由此应用类似于单端口网络矢量分析器的校准原理。

所述雷达系统的另一有利的扩展方案设置，借助数字控制装置能够求取校正系数，其中，将所述校正系数换算成用于阻抗调节装置的控制信号，其中，所述控制信号能够借助控制装置提供给数字调节装置。以这种方式能够以简单的方式以已知的原理计算外差式雷达系统的校准系数或校正系数。

以下借助多个附图以其它特征和优点详细描述本发明。在此，所有的特征，与其在说明书中和在附图中的表达无关地以及与其在权利要求中的引用无关地构成本发明的主题。附图尤其设想用于表明对于本发明关键的原理。同样的或功能相同的元件具有相同的附图标记。

附图说明

在附图中示出：

图1传统的外差式雷达系统的原理性框图；

图2根据本发明的雷达系统的一种实施方式；

图3用于根据本发明地校准所述雷达系统的原理的图示；

图4用于示出根据本发明的校准的原理的模型；

图5根据本发明的方法的一种实施方式的原理性流程图。

具体实施方式

图2示出根据本发明的雷达系统100的一种实施方式的框图。可看出外差式雷达系统100的对称构造，所述外差式雷达系统具有主通道10 和与主通道10对称构造的参考通道20。在此，“对称”意思是，在主通道10中以及在参考通道20中使用具有相同系统性误差的相同元件。主通道10与参考通道20的对称性用于自测试或用于接下来描述的校准过程。

借助第一振荡器或频率发生器VCO1将第一信号S1馈送到主通道 10中以及参考通道20中。在此，在主通道中通过第一功率放大器11、第一定向耦合器12、连接元件13将信号S1传输到天线14。信号S1由天线14作为电磁辐射发射并且碰到天线罩30，所述天线罩设置用于保护雷达系统100的天线14。

雷达系统100例如能够作为电子构件实现。所述电磁辐射由目标200 反射并且作为电信号经过天线14、连接元件13和第一定向耦合器12到达第一小信号放大器15。从第一小信号放大器15，所述信号到达第一混频器16。

第一混频器16将所述信号与第二振荡器VCO2的第二信号S2一起混频到随后可更好地分析处理的基带中，例如混频成具有100MHz频率的信号，所述第二信号的频率与第一振荡器VCO1的第一信号S1的频率略微不同。

在参考通道20中，信号流类似于在主通道10中那样，而具有如下区别：替代天线14，作为参考通道20的终端设置数字的阻抗调节装置 23(英语：digital impedancetuner/数字阻抗调谐器)用于调节参考通道 20的复终端阻抗。借助数字的阻抗调节装置23能够在参考通道20上调节不同的复终端阻抗，由此能够影响参考通道20的电输出信号IF_R。

将第二信号S2分别提供给主通道10和参考通道20的混频器16、 25，其中，混频器16、25将第二信号S2与从定向耦合器12、22出来的并且借助小信号放大器15、24放大的信号进行混频。

将从主通道10的第一混频器16出来的信号提供给A/D转换器40，由此构成数字信号IF_M，将所述数字信号提供给控制装置60的计算装置 61。将从参考通道20的第二混频器25出来的信号提供给A/D转换器50，所述A/D转换器将所述信号转换成数字值IF_R，将所述数字值同样提供给计算装置61。

控制装置60设置用于计算所述两个输出信号IF_M、IF_R的比。为此目的，计算装置61求取至少三个反射系数或反射因数，由这些反射系数或反射因数求取用于雷达系统100的校准系数Γ_Kal。将校准系数Γ_Kal换算成控制信号，所述控制信号由控制装置60的控制元件63提供给数字的阻抗调节装置23。以这种方式达到如下结果：参考通道20的输出信号IF_R在它的电性能方面相应于主通道10的输出信号IF_M，这相应于雷达系统100的经校准的状态。

以这种方法和方式，经校准的外差式雷达系统100能够在使用它的整个带宽的情况下在正常运行中工作，而没有由于系统性误差造成的损害。

以下更详细地描述根据本发明的校准的工作方式，其将雷达系统 100的系统性误差校准去除。

外差式雷达系统100的在发送与接收路径中具有仅仅一个天线14 的单基地(monostatisch)的结构具有如下问题，在发送路径与接收路径之间的隔离不是无限的，由此可能导致所设置的信号路径中的不期望的泄漏或损耗(英语：leakage泄漏)。

两个振荡器VCO1、VCO2具有确定的相位噪声，所述相位噪声通过在混频过程中的叠加进行相关，由此系统准确性能够显著提高。

图3示出用于示出雷达系统100的对称构造的原理性电路图。可以看出用于主通道10的误差单元70和用于参考通道20的误差单元80。使用彼此对称构造的误差单元70、80用于根据本发明的校准原理。

在图4中，示出具有误差单元90的电路技术模型，所述电路技术模型例如由向量网络分析器的校准过程已知。可以将图3的误差单元70、 80视为图4的误差单元90。

图4的模型包括一种系统，所述系统包括在输入端上的和在输出端上的反射系数，所述反射系数代表确定的负载情况。在误差单元90中，系统性误差借助如下参数示出，所述参数与待校准的雷达系统100关联地具有如下意义：

e₀₀.....方向因数的误差(英语：directivity error/方向性误差)

e₁₁.....来源错误匹配

e₁₀、e₀₁.....频率响应误差(英语：reflection tracking error/反射跟踪误差)

Γ_M.....负载的所测量的反射系数

Γ_L.....负载的当前的反射系数

在此，反射系数Γ_M代表所测量的信息，所述信息包括系统性误差和关于负载、例如目标200的信息，其中，在雷达系统100的经校准的状态中仅期望关于负载而没有系统性误差的信息。负载的反射系数Γ_L包含关于所测量的目标200的信息。

接下来可以在数学上示出图4的模型：

图5示出根据本发明的方法的原理性流程图。

在步骤300中，将待校准的外差式雷达系统100置于校准模式中。这例如可以在将具有雷达系统100的雷达传感器装配到机动车的情况下执行。替代地，也能够实现，在期望的、定义的时刻将雷达系统100置于校准模式中，例如借助由车辆驾驶员发动的控制信号。

在步骤310中，将雷达系统100指向没有可探测的目标200的自由空间。以这种方式确保，对于校准仅仅考虑雷达系统100的系统性误差。

在步骤320中，将数字的阻抗调节装置23的值调节到已知的值，其中，在A/D转换器40、50之后，求取在参考通道20上和在主通道10 上的输出电压的幅度和相位差。为此目的，将数字的阻抗调节装置23 至少三次调节到已知的值上，由此仅仅改变参考通道20的输出信号IF_R，因为仅所述参考通道与数字的阻抗调节装置23连接。这至少三次地相继执行，由此确定具有三个未知数的线性方程组并且能够将其解出。可选地也能够实现，执行多于三次的测量，其中，由此使所求取的误差参数变得更稳定。

在步骤330中，通过解出获得的线性方程组来计算误差系数，类似于在单端口网络矢量分析程序中那样。在此，可以通过下面的数学关系式示出主通道10和参考通道20的输出信号：

IF_R＝A_R×sin(2πft+φ₁) (2)

IF_M＝A_M×sin(2πft+φ₂) (3)

其中，具有如下参数：

IF_M 主通道的输出信号

IF_R 参考通道的输出信号

A_R 参考通道的输出信号的幅度

A_M 主通道的输出信号的幅度

Φ₁ 参考通道的输出信号的相位

Φ₂ 主通道的输出信号的相位

可以由下面的等式计算反射系数 Γ_M：

Γ_M＝IF_M/IF_R＝ΔAe^jΔφ (4)

可以通过解出下面的线性关系式求取所述反射系数：

其中，e_Δ＝e₀₀e₁₁-e₁₀e₀₁ (6)

在执行校准之后，能够在使用下面的数学关系式的情况下，由所测量的反射系数Γ_M计算要么与参考通道20要么与主通道10连接的负载的反射系数：

Γ_L＝(Γ_M-e₁₁)/(e₀₀-e_ΔΓ_M) (7)

当不存在目标200时，Γ_M＝1，其中，然后能够由下面的数学关系式求取校准系数Γ_Kal：

在步骤340中，由等式(8)求取雷达系统100的复校准系数Γ_Kal。

在步骤350中，最后将数字的阻抗调节装置23的值调节成校准系数Γ_Kal的值，从而现在确保雷达系统100在不考虑系统误差的情况下工作并且因此使经校准的。

对于具有目标200的雷达系统100的正常运行的测量，将参考通道 20的终端阻抗调节到相应于校准系数Γ_Kal的值，由此参考通道20对于主通道10变成一种“校准通道”。为了将数字的阻抗调节装置23的值调节到所计算的值Γ_Kal，例如可以使用具有校准系数和阻抗值的相应的数据的表格。

在实现校准后，如果不改变测量，则所述两个通道10、20的相位差和幅度差为零。以这种方式完全地补偿系统性误差。

在步骤360中询问：是否某些环境影响已经改变，例如是否温度、设置、集成等等已经改变。如果不是这种情况，例如在雷达收发器集成到芯片中的情况中，参考通道20与主通道10之间不存在工艺变化，由此两个通道20、10完全对称。然后，在步骤370中，将雷达系统100 切换到运转中的正常运行模式。否则，又借助步骤300从头开始所述过程。

有利地，可以借助根据本发明的方法在完全保留雷达系统的动态带宽的情况下消除雷达系统100的系统性误差。

根据本发明的雷达校准可以以这种方式实现显著的时间节省并且在当前的运行条件下非常好地适用于迭代的实现。

总之，以本发明提出一种自校准的外差式雷达系统和一种用于校准这种雷达系统的方法，其中，为了校准，应用网络分析器的校准原理。有利地，可以以这种方式提供一种例如在机动车的雷达传感器中的雷达系统的精确的运行行为。

虽然在前面借助具体的实施方式已经描述了本发明，但本发明不限于此。也就是说，本领域技术人员也将可以实现本发明的前面未示出的实施方式，而不偏离本发明的核心。

Claims (6)

1.一种雷达系统(100)，其具有：

主通道(10)；

相对于所述主通道(10)对称构造的参考通道(20)；其中，

借助第一振荡器(VCO1)能够产生第一输入信号(S1)，所述第一输入信号能够在所述主通道(10)中提供给天线(14)，其中，所述第一输入信号(S1)的反射的部分能够提供给第一混频器(16)；

其中，所述第一输入信号(S1)能够在所述参考通道(20)中通过第二定向耦合器(22)提供给第二混频器(25)；

其中，借助第二振荡器(VCO2)能够产生具有相对于所述第一输入信号(S1)的定义地不同的频率的第二输入信号(S2)，所述第二输入信号能够提供给所述第一混频器(16)和所述第二混频器(25)；

其中，从所述主通道(10)的所述第一混频器(16)出去的信号和从所述参考通道(20)的所述第二混频器(25)出去的信号能够彼此比较；并且

其中，所述参考通道(20)的终端阻抗的大小能够取决于所述比较如此确定，使得所述主通道(10)和所述参考通道(20)的输出信号具有相同的特性，

其中，所述参考通道(20)具有阻抗调节装置(23)，借助所述阻抗调节装置能够调节所述参考通道(20)的终端阻抗，

其中，为了调节所述参考通道(20)的终端阻抗，能够使用由所述主通道(10)的和所述参考通道(20)的输出信号求取的校正系数。

2.根据权利要求1所述的雷达系统(100)，其特征在于，所述校正系数能够借助数字控制装置(63)求取，其中，所述校正系数被换算成用于所述阻抗调节装置(23)的控制信号，其中，所述控制信号能够借助所述控制装置(63)提供给所述阻抗调节装置(23)。

3.一种雷达传感器，其具有根据上述权利要求中任一项所述的雷达系统(100)。

4.根据权利要求3所述的雷达传感器，其特征在于，所述雷达传感器能够借助天线罩(30)保护。

5.一种用于校准雷达系统(100)的方法，所述雷达系统具有：主通道(10)和相对于所述主通道(10)对称构造的参考通道(20)；

其中，借助第一振荡器(VCO1)能够产生第一输入信号(S1)，所述第一输入信号能够在所述主通道(10)中提供给天线(14)，其中，所述第一输入信号(S1)的反射的部分能够提供给第一混频器(16)；

其中，所述第一输入信号(S1)在所述参考通道(20)中能够通过第二定向耦合器(22)提供给第二混频器(25)；

其中，借助第二振荡器(VCO2)能够产生具有相对于所述第一输入信号(S1)的定义地不同的频率的第二输入信号(S2)，所述第二输入信号能够提供给所述第一混频器(16)和所述第二混频器(25)；

其中，所述方法具有下列步骤：

将所述雷达系统(100)定向到没有可探测的目标(200)的区域上；

对于所述参考通道(20)的分别不同的终端阻抗，至少三次求取所述主通道(10)的输出信号(IF_M)与所述参考通道(20)的输出信号(IF_R)之间的比；

由所求取的比求取最终得出的反射系数；

由所述反射系数求取所述天线(14)的校准系数；

借助阻抗调节装置(23)将所述参考通道(20)的终端阻抗调节到相应于所述校准系数的阻抗。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在定义的时刻执行所述方法。

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