DE102017200706A1

DE102017200706A1 - Mehrfach unterabgetastetes Chirp-Sequence-Radar

Info

Publication number: DE102017200706A1
Application number: DE102017200706.0A
Authority: DE
Inventors: Goetz Kuehnle; Michael Schoor
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2018-07-19
Also published as: CN108333581B; CN108333581A; US20180203105A1; US10545227B2

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Abständen (d) und Relativgeschwindigkeiten (v) von Objekten mit einem Radar, bei dem ein rampenförmig frequenzmoduliertes Sendesignal gesendet wird, dessen Modulationsmuster mehrere Sequenzen von Rampen gleicher Rampensteigung aufweist, die abwechselnd aufeinander folgen, wobei die Sequenzen zueinander einen Frequenzversatz (Δf-Δf) und einen Zeitversatz (Δt-Δt) aufweisen; sowie Radarsensor. Basisbandsignale (b) für die einzelnen Rampen werden unterabgetastet und einer 2D-Fouriertransformation unterzogen. Hypothesen für Abstand d und Relativgeschwindigkeit v eines Objekts werden bestimmt anhand alternativer d-v-Beziehungen und anhand periodisch mehrdeutiger Information über v. Ausmaße der Übereinstimmungen Ξ (d,v) einer Phasenbeziehung von Spektralwerten der Spektren mit für die Hypothesen erwarteten Phasenbeziehungen zwischen Spektralwerten a(d,v) der Sequenzen werden ermittelt, und eindeutige Schätzwerte für den Abstand d und die Relativgeschwindigkeit v werden bestimmt durch Auswählen einer Hypothese mit maximaler Übereinstimmung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Abständen und Relativgeschwindigkeiten von Objekten mit einem Radar, bei dem ein rampenförmig frequenzmoduliertes Sendesignal gesendet wird, dessen Modulationsmuster eine erste Sequenz erster Rampen gleicher Rampensteigung und eine zweite Sequenz zweiter Rampen gleicher Rampensteigung aufweist, wobei die ersten und zweiten Rampen abwechselnd aufeinander folgen, die Sequenzen zueinander einen Frequenzversatz und einen Zeitversatz aufweisen, das Sendesignal mit einem empfangenen Signal zu einem Basisbandsignal gemischt wird und die Basisbandsignale der Rampen zu Spektren transformiert werden, wobei durch Transformation in einer ersten Dimension für die Rampen und in einer zweiten Dimension für die Sequenzen zweidimensionale Spektren berechnet werden.
Weiter betrifft die Erfindung einen Radarsensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, der zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist.
Stand der Technik
Radarsensoren dieser Art werden in Kraftfahrzeugen in Verbindung mit Fahrerassistenzsystemen, beispielsweise Abstandsregelsystemen oder Kollisionswarnsystemen eingesetzt und dienen dazu, das Verkehrsumfeld des Fahrzeugs zu erfassen. Insbesondere dienen solche Radarsensoren zur Messung der Abstände und Relativgeschwindigkeiten vorausfahrender Fahrzeuge.
WO 2015/197222 A1 beschreibt einen Radarsensor der eingangs genannten Art, bei dem ein Modulationsmuster eines Sendesignals zeitlich ineinander verschachtelte Sequenzen von Frequenzrampen mit gleicher Steigung und gleichem Hub umfasst. Aus den erhaltenen Basisbandsignalen wird gesondert für jede der Sequenzen ein zweidimensionales Spektrum berechnet. Aus einer Position eines Peaks im Spektrum werden Werte für die Relativgeschwindigkeit eines Radarziels bestimmt, die mit einer vorbestimmten Geschwindigkeitsperiode periodisch sind. Eine Phasenbeziehung zwischen Spektralwerten, die an jeweils der gleichen Position in den gesondert berechneten zweidimensionalen Spektren erhalten wurden, wird auf Übereinstimmung überprüft mit erwarteten Phasenbeziehungen, welche für mehrere der periodischen Werte der Relativgeschwindigkeit erwartet werden. Anhand der Überprüfung auf Übereinstimmung wird aus den periodischen Werten ein Schätzwert für die Relativgeschwindigkeit des Radarziels ausgewählt.
WO 2014/075838 A1 beschreibt ein Rapid-Chirps-FMCW-Radar, bei der ein Modulationsmuster mindestens zwei Rampen umfasst, die sich nur um einen festen Frequenzversatz unterscheiden und in einem bestimmten zeitlichen Abstand aufeinanderfolgen, und bei dem anhand einer Phasendifferenz der Zwischenfrequenzsignale für diese beiden Rampen ein eindeutiger Näherungswert für den Objektabstand berechnet wird.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur Bestimmung von Abständen und Relativgeschwindigkeiten von Objekten mit einem Radar anzugeben, das es erlaubt, die Abstände und Relativgeschwindigkeiten eindeutig und mit hoher Genauigkeit zu messen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass:

- die Basisbandsignale für die einzelnen Rampen unterabgetastet werden und dann der Transformation unterzogen werden,
- Hypothesen für Abstand und Relativgeschwindigkeit eines Objekts bestimmt werden anhand von alternativen Beziehungen zwischen Abstand und Relativgeschwindigkeit, von denen eine Beziehung der ersten Dimension einer ersten Position eines Spektralwerts der Spektren entspricht und wenigstens eine weitere Beziehung der ersten Dimension einer zu der ersten Position gemäß der Unterabtastung korrespondierenden Position oberhalb der halben Abtastfrequenz der Unterabtastung entspricht, und anhand von periodisch mehrdeutiger Information über die Relativgeschwindigkeit gemäß der zweiten Dimension einer Position eines Spektralwertes der Spektren,
- Ausmaße der Übereinstimmungen von einer Phasenbeziehung zwischen Spektralwerten der Spektren mit für die Hypothesen erwarteten jeweiligen Phasenbeziehungen zwischen Spektralwerten der Sequenzen ermittelt werden, und
- eindeutige Schätzwerte für den Abstand und die Relativgeschwindigkeit des Objektes bestimmt werden durch Auswählen einer Hypothese mit maximaler Übereinstimmung.

Es werden somit Ausmaße der Übereinstimmungen von, einerseits, einer Phasenbeziehung zwischen Spektralwerten der einzelnen Spektren mit, andererseits, für die Hypothesen erwarteten jeweiligen Phasenbeziehungen zwischen Spektralwerten der einzelnen Sequenzen ermittelt. Insbesondere werden für eine Phasenbeziehung zwischen Spektralwerten, die an jeweils der gleichen Position in den für die Sequenzen gesondert berechneten zweidimensionalen Spektren erhalten wurden, Ausmaße der Übereinstimmungen ermittelt mit erwarteten Phasenbeziehungen, welche für die Hypothesen erwartet werden. Anhand der ermittelten Ausmaße der Übereinstimmungen wird aus den Hypothesen eine ausgewählt.
Die einzelnen Rampen werden auch als Frequenz-Chirps bezeichnet. Durch die Unterabtastung der Basisbandsignale für die einzelnen Rampen wird ein Aliasing-Effekt zugelassen, der es ermöglicht, Basisbandsignale zu erfassen, deren Frequenz außerhalb des Frequenzumfangs der Spektren liegt. Insbesondere können weiter entfernte Objekte in den erhaltenen Spektren durch Frequenzverschiebung und/oder Frequenzspiegelung in den Spektren erfasst werden, obwohl ihr Basisbandsignal außerhalb des Frequenzumfangs der Spektren liegt, bezogen auf die Abtastung der einzelnen Rampen. Es wird somit ermöglicht, ein Objekt in den Spektren zu erfassen, dessen Basisbandsignal, bezogen auf die Abtastung der einzelnen Rampen, aufgrund des Abstands des Objekts oberhalb des Frequenzumfangs der einzelnen Spektren liegt. Dadurch kann die maximale Reichweite vergrößert werden, in der ein Radarsensor noch Objekte erfassen kann. Alternativ oder zusätzlich können die Anforderungen an Speicher und Rechenleistung einer Auswerteeinrichtung reduziert werden, da die Abtastfrequenz durch Zulassen der Unterabtastung verringert werden kann.
Die Phase des Basisbandsignals reagiert relativ empfindlich auf die geringe Änderung des Objektsabstands d, die aus der Relativbewegung des Objektes während des kurzen Zeitintervalls von einer Frequenzrampe zur nächsten resultiert. Da die Phasenänderung eine periodische Funktion der Relativgeschwindigkeit v ist, lässt sich die Relativgeschwindigkeit nur dann eindeutig direkt durch Transformation aus einer Sequenz von Rampen bestimmen, wenn sie so klein ist, dass die Phasenänderung weniger als eine halbe Periode (also weniger als PI) beträgt. Da erfindungsgemäß periodisch mehrdeutige Information über die Relativgeschwindigkeit für die Bestimmung von Hypothesen für Abstand und Relativgeschwindigkeit eines Objekts verwendet wird, genügt es, wenn aus der Position des betreffenden Spektralwertes der zweidimensionalen Spektren die periodisch mehrdeutige Information über die Relativgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Das Zeitintervall zwischen den Rampen einer Sequenz und die Dauer einer Rampe können daher relativ groß gewählt werden, so dass Anforderungen an die Rechenleistung und Speicher weiter gesenkt werden können. Die periodisch mehrdeutige Information über die Relativgeschwindigkeit kann gegeben sein durch bezüglich der Relativgeschwindigkeit periodisch mehrdeutige Beziehungen zwischen d und v, die sich von den zuerst genannten alternativen Beziehungen unterscheiden. Wenn die Frequenzdifferenz von aufeinander folgenden Rampen einer Sequenz gleich Null ist, enthält die Peakposition (Position des Spektralwerts) in der zweiten Dimension nur Information über die Relativgeschwindigkeit des Objekts. Die periodisch mehrdeutige Information über die Relativgeschwindigkeit ist dann ein periodisch mehrdeutiger Wert der Relativgeschwindigkeit.
Es wird somit sowohl eine Unterabtastung der Phasenänderung des Basisbandsignals über die Folge der Rampen zugelassen als auch eine Unterabtastung des Basisbandsignals der einzelnen Rampen vorgenommen. Es wird somit nicht nur periodisch mehrdeutige Information über die Relativgeschwindigkeit erhalten, sondern aus den einzelnen Rampen werden mehrere alternative Beziehungen zwischen d und v erhalten, die beispielsweise Geraden im d-v-Diagramm entsprechen können.
Die Abtastfrequenz f_s der Unterabtastung der einzelnen Rampen wird so niedrig gewählt, dass ein oberer Maximalwert d_max des Messbereichs für den zu bestimmenden Abstand d den durch die Abtastung der jeweiligen Rampe mit der Abtastfrequenz f_s eindeutig auflösbaren Abstandsbereich überschreitet. Insbesondere ist f_s so niedrig gewählt, dass der obere Maximalwert d_max des Messbereichs für den zu bestimmenden Abstand in folgender Beziehung zu der Abtastfrequenz f_s steht: d_max > cfs/(4F/T), wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und F/T die Rampensteigung ist, d.h. die Frequenzänderung pro Zeit.
Aufeinanderfolgende Rampen einer gleichen Sequenz sind zeitlich um ein Zeitintervall T_r2r versetzt, bezogen auf die Rampenmitten, welches so groß gewählt ist, dass ein oberer Maximalwert des Absolutbetrags V_max des Messbereichs für die zu bestimmende Relativgeschwindigkeit den durch die Sequenz der Rampen eindeutig auflösbaren Geschwindigkeitsbereich überschreitet. Insbesondere ist T_r2r so groß gewählt, dass der genannte obere Maximalwert V_max des Messbereichs für die zu bestimmende Relativgeschwindigkeit in folgender Beziehung zu dem Zeitabstand T_r2r der Rampenmittelpunkte innerhalb einer Sequenz steht: T_r2r > c/(4f₀v_max), wobei fo eine mittlere Sendefrequenz ist.
Um die entstehenden, vielfachen Mehrdeutigkeiten in Relativgeschwindigkeit und Abstand auflösen zu können, werden Hypothesen für Abstand und Relativgeschwindigkeit eines Objekts bestimmt, es werden Ausmaße der Übereinstimmungen von für die Hypothesen erwarteten Phasenbeziehungen zwischen Spektralwerten für die Sequenzen mit Phasenbeziehungen der tatsächlich erhaltenen, d.h. gemessenen, Spektren ermittelt, und es wird eine Hypothese mit maximaler Übereinstimmung ausgewählt. Deren Werte des Abstands und der Relativgeschwindigkeit werden dann als eindeutige Schätzwerte für den Abstand und die Relativgeschwindigkeit eines Objektes bestimmt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zu den einzelnen alternativen Beziehungen zwischen Abstand und Relativgeschwindigkeit können, bei der Bestimmung der Hypothesen, beispielsweise durch Verknüpfung einer jeweiligen Beziehung mit der periodisch mehrdeutigen Information über die Relativgeschwindigkeit mehrere diskrete Hypothesen für Abstand und Relativgeschwindigkeit bestimmt werden, die der betreffenden Beziehung genügen. Auf diese Weise können die in Betracht kommenden Hypothesen effizient ermittelt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ändern sich innerhalb einer jeweiligen Sequenz die Rampenmittenfrequenzen von Rampe zu Rampe um eine gleiche Frequenzdifferenz, wobei die Sequenzen die gleiche Frequenzdifferenz von Rampe zu Rampe innerhalb der jeweiligen Sequenz aufweisen. Die Änderung der Rampenmittenfrequenz erhöht die zur Bestimmung von Abständen von Objekten verfügbare Bandbreite der Signale. Dies ermöglicht eine bessere Trennung der Basisbandsignale von stehenden Objekten, die aufgrund einer exakt gleichen Relativgeschwindigkeit nur anhand der jeweiligen Abstände getrennt werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weist das Modulationsmuster weiter wenigstens eine weitere Sequenz weiterer Rampen gleicher Rampensteigung auf, wobei die ersten, zweiten und weiteren Rampen der wenigstens einen weiteren Sequenz abwechselnd aufeinander folgen, wobei die erste Sequenz und die wenigstens eine weitere Sequenz zueinander einen Zeitversatz aufweisen, bezogen auf die Rampenmitten. Vorzugsweise weisen die ersten und zweiten Sequenzen und die wenigstens eine weitere Sequenz paarweise untereinander einen Frequenzversatz auf, bezogen auf die Rampenmitten, der sich von den Frequenzversatzen zwischen den jeweiligen anderen Paaren der Sequenzen unterscheidet. Beispielsweise kann das Modulationsmuster eine dritte Sequenz dritter Rampen gleicher Rampensteigung aufweisen, wobei die ersten, zweiten und dritten Rampen abwechselnd aufeinander folgen, und wobei die erste Sequenz und die dritte Sequenz zueinander einen Frequenzversatz aufweisen, bezogen auf die Rampenmitten, der sich von dem Frequenzversatz zwischen der ersten Sequenz und der zweiten Sequenz unterscheidet und sich von einem Frequenzversatz zwischen der zweiten Sequenz und der dritten Sequenz unterscheidet, und wobei die erste Sequenz und die dritte Sequenz zueinander einen Zeitversatz aufweisen, bezogen auf die Rampenmitten. Durch jeweils unterschiedliche Frequenzversatze wird der Informationsgehalt der erhaltenen Basisbandsignale verbessert.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch einen Radarsensor mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung, in der das oben beschriebene Verfahren implementiert ist.
Figurenliste
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm eines FMCW-Radarsensors;
2 ein Modulationsmuster eines Sendesignals mit zwei Sequenzen von zeitversetzten Rampen, mit einem Frequenzversatz zwischen den Sequenzen;
3 ein detaillierteres Blockdiagramm eines Radarsensors; und
4 ein Modulationsmuster eines Sendesignals, das für zwei Sender jeweils drei Sequenzen von zeitversetzten Rampen umfasst.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In 1 ist als vereinfachtes Blockdiagramm ein FMCW-Radarsensor 10 dargestellt, der beispielsweise vorn in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist und dazu dient, Abstände d und Relativgeschwindigkeiten v von Objekten 12, 14 zu messen, beispielsweise von vorausfahrenden Fahrzeugen. Der Radarsensor 10 weist einen spannungsgesteuerten Oszillator 16 auf, der ein frequenzmoduliertes Sendesignal über einen Mischer 18 an eine Sende- und Empfangseinrichtung 20 liefert, von der das Signal in Richtung auf die Objekte 12, 14 ausgesandt wird. Das an den Objekten reflektierte Signal wird von der Sende- und Empfangseinrichtung 20 empfangen und im Mischer 18 mit einem Anteil des Sendesignals gemischt. Auf diese Weise erhält man ein Basisbandsignal b, das in einer elektronischen Auswerte- und Steuereinrichtung 22 weiter ausgewertet wird.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 enthält einen Steuerungsblock 24, der die Funktion des Oszillators 16 steuert. Die Frequenz des vom Oszillator 16 gelieferten Sendesignals wird periodisch in Form mehrerer Sequenzen von steigenden und/oder fallenden Frequenzrampen moduliert, wobei die Sequenzen zeitlich miteinander verschachtelt sind.
In der schematischen Darstellung von 2 folgen demgemäß die fett dargestellten Rampen 26, 28, 30 einer ersten Sequenz und die dünn dargestellten Rampen 32, 34, 36 einer zweiten Sequenz abwechselnd aufeinander. Insbesondere überlappen die Sequenzen sich zeitlich weitgehend. Die aufeinander folgenden Rampen der jeweiligen Sequenz werden mit einem laufenden Index j gezählt. Die Frequenzrampen beider Sequenzen haben jeweils den gleichen Frequenzhub F, die gleiche Dauer T und die gleiche Rampensteigung F/T. Dadurch können die aus der Relativgeschwindigkeit eines Radarziels resultierenden Phasenbeziehungen besonders genau gemessen werden. Aufeinanderfolgende Rampen einer gleichen Sequenz unterscheiden sich von Rampe zu Rampe um eine Frequenzdifferenz F_r2r und sind zeitlich um ein Zeitintervall T_r2r versetzt, bezogen auf die Rampenmitten. Die Sequenzen haben eine übereinstimmende Frequenzdifferenz F_r2r innerhalb der jeweiligen Sequenz. Auch das Zeitintervall T_r2r ist für die Sequenzen jeweils das gleiche.
Bezogen auf einen festen Referenzzeitpunkt to = 0 hat die erste Rampe der ersten Sequenz einen Zeitversatz Δt₁. Die erste Rampe der zweiten Sequenz hat gegenüber der ersten Rampe der ersten Sequenz einen Zeitversatz Δt₂-Δt₁. Bezogen auf eine feste Referenzfrequenz hat die erste Rampe der ersten Sequenz einen Frequenzversatz Δf₁. Die erste Rampe der zweiten Sequenz hat gegenüber der ersten Rampe der ersten Sequenz einen Frequenzversatz Δf₂-Δf₁. Zeitversatz und Frequenzversatz sind hier und im folgenden stets bezogen auf die Rampenmitten.
Vorzugsweise ist der Betrag des Zeitversatzes Δt₂-Δt₁ zwischen zwei jeweiligen Sequenzen ungleich der Hälfte des Zeitintervalls T_r2r zwischen den Rampenmitten aufeinanderfolgender Rampen einer jeweiligen Sequenz. Dies kann dazu beitragen, den Informationsgehalt der Messungen zu erhöhen.
Vorzugsweise ist der Betrag des Zeitversatzes Δt₂-Δt₁ zwischen den Sequenzen kleiner als das Zweifache des Zeitintervalls T_r2r zwischen den Rampenmitten aufeinanderfolgender Rampen einer jeweiligen Sequenz. Durch eine enge Verschachtelung der Sequenzen können Einflüsse einer Objektbeschleunigung auf die Phasenbeziehung zwischen den Basisbandsignalen der einzelnen Sequenzen möglichst klein gehalten werden. Besonders bevorzugt wird zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rampen der ersten Sequenz stets eine jeweilige Rampe der jeweiligen zweiten bzw. weiteren Sequenz von Rampen gesendet.
Ein Modulationsblock der Länge T_r2r des Modulationsmusters umfasst aus jeder Sequenz eine einzelne Rampe. Das Modulationsmuster entspricht einer Folge wiederholter Modulationsblöcke, wobei sich die Rampenmittenfrequenzen der jeweiligen Rampen von Block zu Block um die gleiche Frequenzdifferenz F_r2r ändern.
Innerhalb eines Modulationsblocks sind die Rampen vorzugsweise in ungleichmäßigen Zeitabständen angeordnet, so dass das Modulationsmuster trotz des regelmäßigen Zeitintervalls T_r2r möglichst wenig Symmetrie aufweist. Dementsprechend umfasst das Modulationsmuster Pausen zwischen einzelnen Rampen. Insbesondere umfasst jeder Modulationsblock der Länge T_r2r wenigstens eine Pause. Außerdem können so günstige Werte für den Zeitversatz zwischen den Sequenzen und den Zeitabstand der Rampen innerhalb einer Sequenz gewählt werden, die möglichst „inkommensurabel“ sind, also nicht etwa Vielfache voneinander sind. Aufgrund des einheitlichen Zeitintervalls T_r2r wiederholen sich die Zeitversätze zwischen den Rampen unterschiedlicher Sequenzen von Modulationsblock zu Modulationsblock.
Wie in 3 gezeigt ist, werden die zu den einzelnen Rampen der Sequenzen empfangenen Basisbandsignale b in einem A/D-Wandlerblock 38 jeweils einer A/D-Wandlung unterzogen. Dazu wird das Basisbandsignal (reelle Amplitude als Funktion der Zeit) an mehreren gleichmäßig über die Dauer der Rampe verteilten Zeitpunkten abgetastet. Bei dieser A/D-Wandlung erfolgt durch entsprechende Wahl der Abtastfrequenz f_s eine Unterabtastung, die weiter unten erläutert wird. Die Abtastzeitpunkte werden mit einem Index k gezählt.
In einem ersten Transformationsblock 40 wird das Basisbandsignal b jeder einzelne, unterabgetastete Rampe (mit dem Index j) einer eindimensionalen diskreten Fourier-Transformation (FFT) unterzogen, die ein eindimensionales Spektrum für diese Rampe liefert, also eine komplexe Amplitude s_j als Funktion einer Frequenzvariablen f_k (entsprechend einem Bin k). Insgesamt erhält man so für jede Sequenz eine Anzahl verschiedener Spektren. Wenn man nun einen bestimmten Frequenzwert f_k festhält, kann man die zugehörigen Amplituden s_j(f_k) als eine Funktion des Rampenindex j auffassen, der dann als diskrete Zeitvariable dient, und man kann für diese Funktionen in einem zweiten Transformationsblock 42 für jedes f_k erneut eine diskrete Fourier-Transformation (FFT) nach dem Rampenindex j ausführen. Das Ergebnis ist eine Funktion, die die Amplitude (für ein festes f_k) als Funktion einer weiteren Frequenzvariablen f_j (entsprechend einem Bin j) angibt. Zusammengefasst kann man dann die komplexen Amplituden in einem zweidimensionalen Frequenzraum als Funktion der Frequenzvariablen f_k und f_j (oder Bins k, j)darstellen, weshalb der gesamte Prozess als zweidimensionale Fourier-Transformation (2D-FFT) bezeichnet wird. Die erste Dimension entspricht einer Transformation der zu den einzelnen Rampen erhaltenen Basisbandsignale. Die zweite Dimension entspricht einer Transformation über die Sequenz der Rampen, d.h. über den Rampenindex j. Die Transformationen in den zwei Dimensionen können nacheinander ausgeführt werden, wie dargestellt, oder gemeinsam durchgeführt werden. Für jede der Sequenzen wird ein zweidimensionales Spektrum berechnet. Detektierte Objekte entsprechen Peaks im jeweiligen Spektrum.
Zur weiteren Auswertung der zweidimensionalen Spektren werden nun Hypothesen für Relativgeschwindigkeit v und Abstand d eines detektierten Objektes bestimmt. Es wird beispielsweise eine Position eines Spektralwertes der Spektren bestimmt anhand eines Leistungspeaks wenigstens eines der zweidimensionalen Spektren, und insbesondere anhand eines Peaks in einem Leistungsspektrum, welches aus wenigstens einem oder aus den zweidimensionalen Spektren berechnet wird, z.B. durch Summation von Quadraten von Absolutbeträgen. Dazu kann beispielsweise auf ein zweidimensionales Leistungsspektrum zurückgegriffen werden, indem durch einen Zusammenführungsblock 43 aus den komplexen zweidimensionalen Spektren der Sequenzen jeweils durch Bildung des Quadrates des Absolutbetrags der jeweiligen Spektralwerte ein Leistungsspektrum berechnet wird und die Leistungsspektren der Sequenzen durch punktweise Summation oder Mittelung zusammengeführt werden.
Ein erfasstes Objekt 12 bewirkt einen Peak (lokaler oder relativer Spitzenwert) im Leistungsspektrum. Die spektrale Position des Peaks wird ausgewertet. In einem ersten Auswertungsblock 44 wird aus der ersten Dimension, entsprechend dem Bin k der Position des Peaks, gemäß der FMCW-Gleichung k = 2/c(dF + fovT) eine lineare Beziehung zwischen der Relativgeschwindigkeit v und dem Abstand d eines Radarobjekts erhalten. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, F der Rampenhub, T die Rampendauer einer einzelnen Rampe und f₀ die mittlere Sendefrequenz.
Aufgrund der Unterabtastung mit der Abtastfrequenz f_s (Abtastung mit einer Sub-Nyquist-Abtastrate) kann ein Peak bei einer Basisbandsignal-Frequenz f_observed jedoch nicht nur einem Objekt beim Abstand d und mit der Relativgeschwindigkeit v entsprechen. Vielmehr kann es sich ebenso um ein gespiegeltes oder verschobenes Signal höherer Frequenz handeln, entsprechend einem größeren Abstand d.
Aufgrund der Unterabtastung werden Signale mit Frequenzen zwischen f_s/2 und f_s gespiegelt, so dass gilt: f_observed = f_s - f_true. Gleichzeitig sind die erhaltenen Phasen der komplexen Amplituden im zweidimensionalen Spektrum invertiert, d.h. die Amplituden sind konjugiert komplex zu den wahren Amplituden des Signals. Ein erster Frequenzbereich der Basisbandsignale unterhalb von f_s/2 wird somit im Spektrum mit einer Spiegelung eines zweiten Frequenzbereichs oberhalb von f_s/2 und unterhalb von f_s überlagert. Eine Spiegelung findet entsprechend bei Signalen mit Frequenzen zwischen 3fs/2 und 2fs statt.
Signale mit Frequenzen zwischen f_s und 3fs/2, bzw. zwischen 2fs und 5fs/2, werden durch die Unterabtastung um f_s bzw. 2f_s verschoben und direkt mit Signalen mit Frequenzen zwischen 0 und f_s/2 überlagert.
Je nach Auslegung oder Vorhandensein eines Anti-Aliasing-Filters des A/D-Wandlers können auch höhere Frequenzbereiche zugelassen werden, die in entsprechender Weise gespiegelt bzw. verschoben werden, oder weniger Frequenzbereiche, jedoch wenigstens ein solcher Frequenzbereich oberhalb f_s/2.
Entsprechend den aufgrund der Unterabtastung zugelassenen Mehrdeutigkeiten in der ersten Dimension der Spektren wird daher in dem Auswertungsblock 44 zu der ermittelten Beziehung zwischen v und d wenigstens eine weitere, alternative Beziehung zwischen v und d bestimmt. Die weitere, alternative Beziehung umfasst für einen gleichen Bereich von v größere Abstände als die erste Beziehung, die jedoch noch innerhalb eines gewünschten Messbereichs für den zu ermittelnden Abstands von maximal d_max liegen. Die alternative Beziehung entspricht beispielsweise einem zu dem Spektralwert im Bin k der Position des Peaks korrespondierenden Spektralwert im hypothetischen Bin 2k_max-k außerhalb des Spektrums, wobei k_max die Anzahl der Frequenzen bzw. Bins des Spektrums in der ersten Dimension ist.
Aus der Position des Peaks in der zweiten Dimension der Spektren, entsprechend einem Bin j der Position des Peaks, wird gemäß der FMCW-Gleichung für die Folge der Rampenmittenfrequenzen der jeweiligen Sequenz in einem zweiten Auswertungsblock 46 periodisch mehrdeutige Information über die Relativgeschwindigkeit v bestimmt. Aufgrund eines relativ großen Zeitabstandes T_r2r ist die aus der Abtastung der Dopplerfrequenz erhaltene Information über die Relativgeschwindigkeit des Objekts innerhalb des gewünschten Messbereichs für die zu ermittelnde Geschwindigkeit bis zu einem Absolutbetrag von maximal v_max mit einer Mehrdeutigkeit behaftet, da bei größeren Relativgeschwindigkeiten v die resultierende Dopplerfrequenz durch die relativ großen Zeitabstände T_r2r unterabgetastet wird. Über die Sequenz der Rampen erfolgt somit eine Unterabtastung der Dopplerfrequenz. Die erhaltene Information über die Relativgeschwindigkeit v ist, für ein jeweiliges d, periodisch mit einem Geschwindigkeitsintervall $Δν = \frac{c}{2 f_{0} T_{r 2 r}}$
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und fo die mittlere Sendefrequenz. Die Information entspricht beispielsweise einer linearen Beziehung zwischen d und v sowie deren Wiederholungen im Abstand Δv, wobei die Beziehung sich jedoch von den oben genannten alternativen Beziehungen durch eine andere Steigung der d-v-Geraden unterscheidet.
Die alternativen Beziehungen zwischen Relativgeschwindigkeit v und Abstand d werden nun in einem Verknüpfungsblock 48 jeweils mit der periodisch mehrdeutigen Information über die Relativgeschwindigkeit v verknüpft, wobei sich für jede der alternativen Beziehungen eine Reihe von (d,v)-Paaren als Hypothesen für d und v ergibt. Bei der Erzeugung der Hypothesen wird somit erste, mehrdeutige Information aus den aus den erhaltenen Spektralwerten der Spektren und dazu gemäß dem Unterabtasten korrespondierenden, hypothetischen Spektralwerten bei Frequenzen oberhalb der halben Abtastfrequenz verknüpft mit zweiter, mehrdeutiger Information aus den Phasendifferenzen zwischen den erhaltenen Spektralwerten der Spektren für die Rampen einer Sequenz. Die erste Information stammt aus der ersten Dimension der Transformation, die zweite Information stammt aus der zweiten Dimension der Transformation.
Um die mehrfachen Mehrdeutigkeiten der erzeugten Hypothesen für (d,v) aufzulösen, werden Übereinstimmungsgrade von für die Hypothesen erwarteten Phasenbeziehungen zwischen Spektralwerten für die Sequenzen mit Phasenbeziehungen der erhaltenen Spektren ermittelt. Dann werden eindeutige Schätzwerte für den Abstand und die Relativgeschwindigkeit eines Objektes bestimmt durch Auswählen einer Hypothese mit maximalem Übereinstimmungsgrad.
Dazu wird für jede Hypothese für Abstand d und Relativgeschwindigkeit v in einem Berechnungsblock 50 der Steuerungsvektor a(d,v) der Messung berechnet. Dieser kann berechnet werden als: $\begin{array}{l} a (d, v) = \frac{1}{\sqrt{Ι}} [\begin{array}{l} e^{2 π j \frac{2}{c} (f_{0} + Δ f_{1}) (d + ν Δ t_{1})} \\ \overset{M}{e^{2 π j \frac{2}{c} (f_{0} + Δ f_{Ι}) (d + ν Δ t_{Ι})}} \end{array}] \\ = \frac{1}{\sqrt{Ι}} [\begin{array}{l} e^{2 π j \frac{2}{c} (d Δ f_{1} + f_{0} ν Δ t_{1} + ν Δ f_{1} Δ t_{1})} \\ \overset{M}{e^{2 π j \frac{2}{c} (d Δ f_{Ι} + f_{0} ν Δ t_{Ι} + ν Δ f_{Ι} Δ t_{Ι})}} \end{array}] \cdot e^{2 π j \frac{2}{c} d f_{0}} \end{array}$
mit d als Abstand und v als Relativgeschwindigkeit der Hypothese und I als Anzahl der Sequenzen, wobei in den Komponenten des Vektors zu der jeweiligen Sequenz i=1,...,l der Zeitversatz Δt_i und der Frequenzversatz Δf_i sind, bezogen auf die mittlere Sendefrequenz fo und den festen Zeitpunkt to. Die Anzahl der Komponenten des Vektors ist I. Der gemeinsame Vorfaktor ist ein Normierungsfaktor und beträgt 1, geteilt durch die Quadratwurzel aus der Anzahl I der verwendeten Sequenzen. Im Exponenten der Exponentialfunktion bezeichnet j die imaginäre Einheit, sofern nicht anders angegeben. Der Steuerungsvektor bestimmt die Phasenbeziehungen zwischen den komplexen Amplituden der Signale, die zu den I Sequenzen empfangen werden. Somit werden die erwarteten Phasenbeziehungen bestimmt. Die Bezugswerte f₀ und t₀ können so gewählt werden, dass Δt₁ und Δf₁ gleich Null sind; die Komponenten des Vektors geben dann in der Phase der komplexen Exponentialfunktion direkt die erwartete Phasenbeziehung zwischen der betreffenden Sequenz und der ersten Sequenz an. Die erwarteten Phasenbeziehungen hängen aufgrund des Frequenzversatzes Δf_i-Δf₁, der ungleich Null ist, von dem Abstand d ab.
Ein Messvektor a_m wird beispielsweise für einen Empfangskanal n definiert als $a_{m} (n) = [\begin{matrix} x_{1} (n) \\ ⋮ \\ x_{Ι} (n) \end{matrix}]$
wobei n die Empfangskanäle zählt, und wobei in der i-ten Komponente des Vektors xi(n) einen komplexen Spektralwert des zweidimensionalen Spektrums der abgetasteten Basisbandsignale der i-ten Sequenz von Rampen des Empfangskanals n bezeichnet.
Für jede Hypothese (d,v) wird nun eine etwaige Invertierung der Phase aufgrund der Unterabtastung berücksichtigt. Dies kann jeweils im Messvektor a_m(n) oder in dem Steuerungsvektor a(d,v) durch Umkehr des Vorzeichens der betreffenden Phase erfolgen, d.h. die Komponente des Vektors wird durch ihr konjugiert-komplexes ersetzt.
Aus dem unter Berücksichtigung der etwaigen Phaseninvertierung korrigiertem Messvektor und Steuerungsvektor wird dann in einem Bewertungsblock 52 zur betreffenden Hypothese ein Abstands-Relativgeschwindigkeits-Spektrum ≡(d,v) ausgewertet, welches definiert ist als $Ξ (d, v) = \frac{1}{\sum_{n = 1}^{N} {| a_{m}^{H} (n) |}^{2}} \sum_{n = 1}^{N} {| a_{m}^{H} (n) a (d, v) |}^{2}$
wobei $a_{m}^{H}$
den hermetisch adjungierten Vektor zum Messvektor a_m bezeichnet, also einen Zeilenvektor, bei dem die einzelnen Komponenten komplex konjugiert zu den Komponenten des Vektors am sind. Das Vektorprodukt wird jeweils über die Länge des Steuerungsvektors a ausgeführt, entsprechend der Anzahl I der Sequenzen. Die Summe wird über die Empfangskanäle N ausgeführt.
Als eindeutige Schätzung für d und v wird dann eine Hypothese ausgewählt, für die ≡(d,v) einen maximalen Wert annimmt. Somit wird insbesondere der Schätzwert für die Relativgeschwindigkeit v in einem Messbereich für die Relativgeschwindigkeit eindeutig bestimmt, wobei ein oberer Maximalwert v_max des Messbereichs in folgender Beziehung zu dem Zeitabstand T_r2r der Rampenmittelpunkte innerhalb einer Sequenz steht: $T_{r2r} > c/ ({4f}_{0} v_{max})$
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und f₀ die mittlere Sendefrequenz. Vorzugsweise beträgt T_r2r wenigstens ein Mehrfaches der genannten Größe auf der rechten Seite der Beziehung.
Das beschriebene Verfahren kann erweitert werden für das Ausführen einer Radarmessung mit mehreren Übertragungskanälen eines Radarsensors. Hierzu wird zu jedem Sender von mehreren, zeitversetzt nacheinander sendenden Sendern ein jeweiliger Steuerungsvektor definiert.
Für mehrere Sender wird die Summe in ≡(d,v) entsprechend über die Übertragungskanäle n ausgeführt, also dem Produkt aus der Anzahl der Sender und Empfänger, wobei a(d,v) für den jeweiligen Sender definiert wird und a_m(n) der Messvektor des Übertragungskanals n ist.
In 4 ist schematisch ein Modulationsmuster für zwei Sender mit jeweils drei Sequenzen von Rampen dargestellt. Rampen des ersten Senders sind mit durchgezogenen Linien dargestellt, Rampen des zweiten Senders mit gestrichelten Linien. Unterschiedliche Linienstärken stellen die unterschiedlichen Sequenzen dar. Die Rampen der jeweiligen Sequenzen folgen abwechselnd reihum aufeinander.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/197222 A1 [0004]
WO 2014/075838 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Abständen (d) und Relativgeschwindigkeiten (v) von Objekten mit einem Radar, bei dem ein rampenförmig frequenzmoduliertes Sendesignal gesendet wird, dessen Modulationsmuster eine erste Sequenz erster Rampen (26, 28, 30) gleicher Rampensteigung und eine zweite Sequenz zweiter Rampen (32, 34, 36) gleicher Rampensteigung aufweist, wobei die ersten und zweiten Rampen abwechselnd aufeinander folgen, die Sequenzen zueinander einen Frequenzversatz (Δf₂-Δf₁) und einen Zeitversatz (Δt₂-Δt₁) aufweisen, das Sendesignal mit einem empfangenen Signal zu einem Basisbandsignal (b) gemischt wird und die Basisbandsignale der Rampen zu Spektren transformiert werden, wobei durch Transformation in einer ersten Dimension für die Rampen und in einer zweiten Dimension für die Sequenzen zweidimensionale Spektren berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass: - die Basisbandsignale (b) für die einzelnen Rampen unterabgetastet werden und dann der Transformation unterzogen werden, - Hypothesen für Abstand (d) und Relativgeschwindigkeit (v) eines Objekts bestimmt werden anhand von alternativen Beziehungen zwischen Abstand (d) und Relativgeschwindigkeit (v), von denen eine Beziehung der ersten Dimension einer ersten Position eines Spektralwerts (a_m) der Spektren entspricht und wenigstens eine weitere Beziehung der ersten Dimension einer zu der ersten Position gemäß der Unterabtastung korrespondierenden Position oberhalb der halben Abtastfrequenz (f_s) der Unterabtastung entspricht, und anhand von periodisch mehrdeutiger Information über die Relativgeschwindigkeit (v) gemäß der zweiten Dimension einer Position eines Spektralwertes (a_m) der Spektren, - Ausmaße der Übereinstimmungen Ξ (d,v) von einer Phasenbeziehung zwischen Spektralwerten der Spektren mit für die Hypothesen (d,v) erwarteten jeweiligen Phasenbeziehungen zwischen Spektralwerten (a(d,v)) der Sequenzen ermittelt werden, und - eindeutige Schätzwerte für den Abstand (d) und die Relativgeschwindigkeit (v) des Objektes bestimmt werden durch Auswählen einer Hypothese (d,v) mit maximaler Übereinstimmung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Unterabtasten der Basisbandsignale ein Alias-Effekt zugelassen wird, der es ermöglicht, Basisbandsignale zu erfassen, deren Frequenz außerhalb des Frequenzumfangs der Spektren liegt, bezogen auf die einzelnen Rampen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu den einzelnen alternativen Beziehungen zwischen Abstand (d) und Relativgeschwindigkeit (v) durch Verknüpfung einer jeweiligen Beziehung mit der periodisch mehrdeutigen Information über die Relativgeschwindigkeit (v) mehrere diskrete Hypothesen für Abstand (d) und Relativgeschwindigkeit (v) bestimmt werden, die der betreffenden Beziehung genügen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer jeweiligen Sequenz die Rampenmittenfrequenzen sich von Rampe zu Rampe um eine gleiche Frequenzdifferenz (F_r2r) ändern, wobei die Sequenzen die gleiche Frequenzdifferenz (F_r2r) von Rampe zu Rampe innerhalb der jeweiligen Sequenz aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Hypothesen für Abstand (d) und Relativgeschwindigkeit (v) eines Objekts eine Position des Spektralwertes der Spektren bestimmt wird anhand eines Leistungspeaks wenigstens eines der zweidimensionalen Spektren.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmuster weiter wenigstens eine weitere Sequenz weiterer Rampen (54, 56, 58) gleicher Rampensteigung aufweist, wobei die ersten, zweiten und weiteren Rampen (54, 56, 58) der wenigstens einen weiteren Sequenz abwechselnd aufeinanderfolgen, wobei die erste Sequenz und die wenigstens eine weitere Sequenz zueinander einen Zeitversatz (Δt₃) aufweisen, bezogen auf die Rampenmitten.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Sequenzen und die wenigstens eine weitere Sequenz paarweise untereinander einen Frequenzversatz (Δf₂, Δf₃, Δf₃-Δf₂) aufweisen, bezogen auf die Rampenmitten, der sich von den Frequenzversatzen (Δf₃, Δf₃-Δf₂; Δf₂, Δf₃-Δf₂; Δf₂, Δf₃) zwischen den jeweiligen anderen Paaren der Sequenzen unterscheidet.
Radarsensor mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung, in der das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 implementiert ist.