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DE19963625A1 - Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten - Google Patents

Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten

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DE19963625A1
DE19963625A1 DE19963625A DE19963625A DE19963625A1 DE 19963625 A1 DE19963625 A1 DE 19963625A1 DE 19963625 A DE19963625 A DE 19963625A DE 19963625 A DE19963625 A DE 19963625A DE 19963625 A1 DE19963625 A1 DE 19963625A1
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Ralph Lauxmann
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Abstract

Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten mit Hilfe elektromagnetischer Wellen bei einem Kraftfahrzeug-Radarsystem, wobei elektromagnetische Wellen ausgesendet und gleichzeitig empfangen werden, wobei die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen rampenförmig moduliert werden, wobei wenigstens die während eines Anstiegs und eines Abfalls der Frequenz des ausgesendeten Signals empfangenen Signale mit dem jeweils ausgesendeten Signal gemischt werden, wobei mehrere Zwischenfrequenzsignale gebildet werden und wobei mit Hilfe der Zwischenfrequenzsignale der Abstand und die Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden, wobei anhand charakteristischer Zwischenfrequenzsignale ein Witterungszustand in der Umgebung des Kraftfahrzeugs und/oder eine Störung des Kraftfahrzeug-Radarsystems bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Solche Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten werden beispielsweise im Rahmen einer automatischen Geschwindig­ keitsregelung eines Fahrzeugs zur Detektion vorausfahrender Fahrzeuge eingesetzt. Ein gattungsgemäßes System wird auch als Adaptive Cruise Control (ACC) bezeichnet.
Stand der Technik
Zur Abstandsmessung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen (Radar) sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden. Bei dem sogenannten FMCW-Radar werden kontinuierlich elektromagne­ tische Wellen ausgesendet, deren Frequenz zwischen zwei Werten im wesentlichen rampenförmig moduliert wird. Bei den bekannten Verfahren dieser Art werden die empfangenen reflektierten Wellen mit den gleichzeitig ausgesendeten Wellen gemischt. Während der Frequenzänderung, also während der Rampe des Modulationssignals, kann aus der durch einfache Mischung gewonnenen Zwischenfrequenz in einfacher Weise auf die Laufzeit und damit auf den Abstand des Objekts geschlossen werden.
Bewegt sich das reflektierende Objekt relativ zum Ort der Messung, erfährt das reflektierte Signal eine Dopplerver­ schiebung. Dies wird bei einem durch DE 40 40 572 A1 bekann­ ten Verfahren zur Messung des Abstandes und der Geschwindig­ keit dadurch ausgenutzt, daß der Frequenzunterschied während eines Anstiegs und während eines Abfalls der Frequenz der ausgesendeten Wellen gemessen und daß die Geschwindigkeiten aus der Differenz der Frequenzunterschiede und der Abstand aus dem Mittelwert der Frequenzunterschiede berechnet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel dieses bekannten Verfahrens wird die von einem Objekt reflektierte Welle bzw. das daraus abgeleitete Zwischenfrequenzsignal ausgewertet.
Aus der DE 42 42 700 A1 ist ein Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten bekannt, das die durch Mischung der ausgesendeten und empfangenen Signale entstandenen Zwischenfrequenzsignale spektral analysiert und aus der Frequenz von Spektrallinien Abstand und Geschwindig­ keit mindestens eines Objekts berechnet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten wird gegenüber dem Stand der Technik dadurch weitergebildet, daß bei einem Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten mit Hilfe elektromagnetischer Wellen bei einem Kraftfahrzeug-Radarsystem, wobei elektromagnetische Wellen ausgesendet und gleichzeitig empfangen werden, wobei die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen rampenförmig moduliert werden, wobei wenigstens die während eines Anstiegs und eines Abfalls der Frequenz des ausgesendeten Signals empfangenen Signale mit dem jeweils ausgesendeten Signal gemischt werden, wobei mehrere Zwischenfrequenz­ signale gebildet werden und wobei mit Hilfe der Zwischenfre­ quenzsignale der Abstand und die Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden, anhand charakteristischer Zwischenfre­ guenzsignale ein Witterungszustand in der Umgebung des Kraftfahrzeugs und/oder eine Störung des Kraftfahrzeug- Radarsystems bestimmt wird.
Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens kann auf einfache und zuverlässige Weise eine Aussage über die Umgebungsbedingun­ gen und den Betriebszustand des Kraftfahrzeug-Radarsystems gemacht werden. Insbesondere kann zwischen den Witterungs­ zuständen Trockenheit und Schlechtwetter unterschieden werden, sowie eine Verschmutzung einer Abdeckung des Kraft­ fahrzeug-Radarsystems bestimmt werden. Die charakteristi­ schen Zwischenfrequenzsignale werden erfindungsgemäß dadurch bestimmt, daß die Zwischenfrequenzsignale zueinander ungefähr die gleiche Größe aufweisen.
Die bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens sieht vor, daß anhand des bestimmten Witterungszustan­ des und/oder der Störung eine Bestimmung der aktuellen Reichweite und/oder eine aktuelle Systemperformance des Kraftfahrzeug-Radarsystems durchgeführt wird. Hierzu wird vorteilhafterweise in einem Speicher des Kraftfahrzeug- Radarsystems ein Kennfeld zur Bestimmung der aktuellen Reichweite und/oder der aktuellen Systemperformance abge­ legt, das wenigstens charakteristische Zwischenfrequenz­ signale enthält. Aufgrund der bestimmten Systemperformance wird vorteilhafterweise eine Geschwindigkeitsempfehlung an der Fahrer des Kraftfahrzeugs signalisiert, damit dieser seine Geschwindigkeit an die äußeren Umgebungsbedingungen anpassen kann.
Radarsignale werden durch Regen nur unwesentlich gedämpft und Schneefall führt zu einer Reichweiteneinbuße, die von der Dichte des Schneefalls und der Schneeform abhängt. In beiden Fällen werden Radarreflexionen erzeugt, die charakteristisch für die Wetterverhältnisse sind und deren Amplitude ein Maß für die verfügbare Radar-Reichweite ist. Durch die Regentropfen oder Schneeflocken wird ein Teil der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen gestreut und gelangt zurück in den Empfänger. Dort werden diese Streuechos erfindungsgemäß detektiert und ausgewertet. Regen- bzw. Schneereflexe weisen insbesondere die charakteristischen Eigenschaften auf, daß sie in extrem geringem Abstand unmittelbar vor dem Fahrzeug entstehen und näherungsweise mit einer Relativgeschwindigkeit gemessen werden, die der Fahrzeugeigengeschwindigkeit entspricht (nahezu stehende Objekte).
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Verfahrens zur Messung des Abstands und der Geschwin­ digkeit von Objekten anhand einer Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Frequenz eines ausgesendeten Signals 10 und eines empfangenen Signals 11 eines nach dem FMCW-Verfahren arbeitenden Kraftfahzeug- Radarsystems. In dem dargestellten Koordinatensystem ist auf der waagerechten die Zeit t und auf der Senkrechten die Frequenz f aufgetragen. Das empfangene Signal 11 stellt die von einem Objekt reflektierte elektromagnetische Welle dar.
In einem (bei diesem Ausführungsbeispiel vier Rampen umfas­ senden) Meßzyklus steigt die Frequenz des ausgesendeten Signals 10 während einer ersten Rampe (Dauer T1) an, fällt während einer zweiten Rampe (Dauer T2) wieder ab und steigt während einer dritten Rampe (Dauer T3) wieder an, um während einer vierten Rampe (Dauer T4) wieder abzufallen. Während der beiden letzen Rampen steigt bzw. fällt die Frequenz mit einer Änderungsgeschwindigkeit, die kleiner ist, als die während der ersten beiden Rampen. Die Wahl der entsprechen­ den Änderungsgeschwindigkeit, bzw. der Rampensteigung wird vorteilhaft so gewählt, daß der Einfluß des Dopplereffekts kleiner als der Einfluß der Laufzeit ist. Darüber hinaus beeinflußt die Steigung der Rampen die Auflösung derart, daß bei einer relativ geringen Rampensteigung durch den größeren Einfluß des Dopplereffekts eine größere Auflösung der Geschwindigkeit gegeben ist, während bei steileren Rampen der Dopplereffekt einen geringeren Einfluß hat und dadurch eine leichtere Identifizierung eines Objekts durch seinen Abstand möglich ist. Durch den in diesem Ausführungsbeispiel vorgenommenen Wechsel der Rampensteigung kann sowohl die Geschwindigkeit als auch der Abstand eines detektierten Zielobjekts mit guter Auflösung ermittelt werden.
Der Verlauf der Frequenz des ausgesendeten Signals 10 steigt jeweils von einer Trägerfrequenz fT um einen ersten oder einen zweiten Frequenzhub fH1/H2 an, um dann wieder auf die Trägerfrequenz fT abzufallen. Die Rampendauer T (in diesem Ausführungsbeispiel ist T1 = T2 = T3 = T4 = T gewählt, was keine Einschränkung der Erfindung bedeutet) beträgt bei den im Straßenverkehr zu messenden Abständen und Geschwindigkeiten vorzugsweise etwa 1 ms.
Frequenzerhöhungen 12, 13, 14 und 15 ergeben sich durch den Dopplereffekt derart, daß die Frequenz des empfangenen Signals bei Objekten, welche sich relativ in Richtung auf den Ort der Messung (das eigene mit dem Radarsystem ausge­ stattete Kraftfahrzeug) bewegen, erhöht und bei sich entfer­ nenden Objekten verringert wird. Erkennbar ist die Detektion eines solchen Objektes in den Verläufen nach Fig. 1 daran, daß der Verlauf des empfangenen Signals 11 ein höheres Maxi­ mum als der Verlauf des gesendeten Signals 10 aufweist. Die Frequenzerhöhungen 12, 13, 14 und 15 aufgrund des Doppler­ effekts ergeben sich allgemein zu fD = 2.fT.vr/c, wobei vr die (vorzeichenbehaftete) Relativgeschwindigkeit zwischen dem eigenen Kraftfahrzeug und dem detektierten Objekt und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Hierbei können im allgemeinen die Frequenzerhöhungen 12, 13, 14 und 15 aufgrund des Doppler­ effekts in jeder Rampe eine unterschiedliche Höhe aufweisen, je nachdem, ob das selbe oder ein anderes Objekt detektiert worden ist. Bei konstanter Trägerfrequenz fT ist die Frequenzerhöhung 12, 13, 14 und 15 aufgrund des Doppler­ effekts fD somit proportional zur Relativgeschwindigkeit vr. Für den Spezialfall, daß ein stehendes Objekt (beispiels­ weise am Straßenrand) detektiert wird, entspricht die Relativgeschwindigkeit vr der Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ve. Erfindungsgemäß wird diese Beziehung ausgenutzt, um detektierte Regentropfen, Nebel, Hagel oder Schnee unter anderem daran zu erkennen, daß die Relativ­ geschwindigkeit vr des detektierten Objekts in etwa der Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ve entspricht: vr ≈ ve.
Eine zusätzliche Verschiebung des Verlaufs der Frequenz des empfangenen Signals 11 gegenüber dem Verlauf der Frequenz des ausgesendeten Signals 10 würde sich durch die Signal­ laufzeit der elektromagnetischen Welle ergeben. Der Verlaufs der Frequenz des empfangenen Signals 11 wäre um die Laufzeit tL = 2.d/c verschoben, wobei d die Entfernung des Reflexionsobjektes ist. Die Frequenz des ausgesendeten Signals 10 würde sich während dieser Laufzeit tL um den Wert Δf = (fH/T).tL = 2.d.fH/(T.c) erhöhen. Hierbei stellt fH/T die Anstiegsgeschwindigkeit der Frequenz dar. In dem Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Sonderfall dargestellt, in dem die Laufzeit tL ungefähr 0 ist. Eine solche Laufzeit ergibt sich bei Zielobjekten bzw. Reflexionsobjekten, die sich unmittelbar vor dem Kraftfahrzeug-Radarsystem befinden.
Erfindungsgemäß wird diese Beziehung ausgenutzt, um detek­ tierte Regentropfen, Nebel, Hagel oder Schnee unter anderem daran zu erkennen, daß der Abstand d des detektierten Objekts in etwa 0 ist. Hier gilt: Entfernung des Reflexions­ objektes d ≈ 0. Bei dieser Vereinfachung wird davon ausgegan­ gen, daß sich bei Regen, Nebel, Hagel oder Schnee immer Reflexionsobjekte unmittelbar vor dem Kraftfahrzeug- Radarsystem befinden.
Im allgemeinen ergibt sich somit der aktuelle Frequenzwert des empfangenen Signals aus der Summe der Frequenzerhöhungen aufgrund des Dopplereffekts und aufgrund der Signallaufzeit der elektromagnetischen Welle. Damit ist die Frequenz­ erhöhung im allgemeinen von der Entfernung des Reflexions­ objektes d und der Relativgeschwindigkeit vr des Reflexions­ objektes abhängig. Werden bei der Auswertung wenigstens die Abhängigkeiten während zweier Frequenzrampen ausgenutzt, so stehen wenigstens zwei Gleichungen für die Bestimmung der beiden Unbekannten d und vr zur Verfügung. In der prakti­ schen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die empfangenen Signale 11 mit den ausgesendeten Signalen 10 gemischt, so daß sich Zwischenfrequenzsignale ergeben, die auch die Frequenzerhöhungen 12, 13, 14 und 15 enthalten. Eine Nachbearbeitung der Zwischenfrequenzen, insbesondere eine Spektralanalyse, kann sich anschließen. Die Spektral­ analyse kann beispielsweise durch Abtastung, Digitalisierung und anschließende Fourier-Transformation geschehen.
Für den Spezialfall, daß als Reflexionsobjekte Regen, Nebel, Hagel oder Schnee detektiert werden und unter Berücksichti­ gung der Näherungen d ≈ 0 und vr ≈ re ergeben sich die Frequenz­ erhöhungen 12, 13, 14 und 15 zu:
fD12 = fD13 = fD14 = fD15 = 2.fT.ve/c
Es entstehen somit in allen Modulationsrampen unabhängig vom Modulationshub dieselben Frequenzerhöhungen, während "normale" Zielobjekte (beispielsweise andere Kraftfahrzeuge) Frequenzerhöhungen aufweisen, die vom Modulationshub abhän­ gig sind. Die entsprechende Frequenzumgebung kann durch ein geeignetes Filter in allen Modulationsrampen auf schwache Detektionen überprüft werden. Durch die Korrelation der erhaltenen Frequenzerhöhungen über alle Rampen mehrerer Messungen kann die Detektion abgesichert werden. Die Ampli­ tude der Detektion ist ein Maß für die atmosphärische Streu­ ung der Radarstrahlen bzw. ein Maß für die Dichte des Regens oder des Schnees.
Die Beziehung bzw. die charakteristischen Zwischenfrequenz­ signale, werden erfindungsgemäß ausgenutzt, um aufgrund der Analyse der Frequenzerhöhungen 12, 13, 14 und 15 den Witte­ rungszustand "Schlechtwetter" in der Umgebung des Kraftfahr­ zeugs zu bestimmen. Der Witterungszustand "Trockenheit" ergibt sich für die Fälle, in denen obige Beziehung nicht erfüllt ist.
Reflexionsobjekte, die sich unmittelbar auf dem Kraftfahr­ zeug-Radarsystem befinden, zum Beispiel eine Dreckverunrei­ nigung auf einer Abdeckung des Systems, zeichnen sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Entfernung des Reflexionsobjektes d ≈ 0 ist und daß die Relativgeschwindig­ keit vr des detektierten Objekts vr ≈ 0 ist. Mit anderen Worten: Wenn sich ein Verlauf der Frequenz des empfangenen Signals 11 ergibt der mit dem Verlauf der Frequenz des ausgesendeten Signals 10 übereinstimmt, kann auf eine Störung durch Verschmutzung oder allgemein auf eine "Abdeckung" des Kraftfahrzeug-Radarsystems geschlossen werden. Hierbei sind die charakteristischen Zwischenfre­ quenzsignale praktisch 0:
fD12 = fD13 = fD14 = fD15 = 0
Es wird erfindungsgemäß also insgesamt anhand der charakte­ ristischen Zwischenfrequenzsignale (fD12 = fD13 = fD14 = fD15) ein Witterungszustand in der Umgebung des Kraftfahrzeugs und/oder eine Störung des Kraftfahrzeug-Radarsystems bestimmt.
Die Häufigkeit bzw. die Anzahl der detektierten Regen- /Nebel-/Schnee- oder Hageltropfen läßt somit einen Rück­ schluß auf die aktuelle Reichweite und/oder eine aktuelle Systemperformance des Kraftfahrzeug-Radarsystems zu. Hierzu kann beispielsweise in einem Speicher des Kraftfahrzeug- Radarsystems ein Kennfeld zur Bestimmung der aktuellen Reichweite und/oder der aktuellen Systemperformance abgelegt ist, das wenigstens charakteristische Zwischenfrequenz­ signale (fD12 = fD13 = fD14 = fD15) und entsprechend zugeord­ nete Reichweiten- und/oder Systemperformancewerte enthält. Aufgrund der bestimmten Reichweite bzw. der bestimmten Systemperformance kann eine Geschwindigkeitsempfehlung an der Fahrer des Kraftfahrzeugs signalisiert werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindig­ keit von Objekten mit Hilfe elektromagnetischer Wellen bei einem Kraftfahrzeug-Radarsystem, wobei elektromagne­ tische Wellen ausgesendet und gleichzeitig empfangen werden, wobei die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen rampenförmig moduliert werden, wobei wenigstens die während eines Anstiegs und eines Abfalls der Frequenz des ausgesendeten Signals empfangenen Signale mit dem jeweils ausgesendeten Signal gemischt werden, wobei mehrere Zwischenfrequenzsignale gebildet werden und wobei mit Hilfe der Zwischenfrequenzsignale der Abstand und die Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß anhand charakteri­ stischer Zwischenfrequenzsignale ein Witterungszustand in der Umgebung des Kraftfahrzeugs und/oder eine Störung des Kraftfahrzeug-Radarsystems bestimmt wird.
2. Verfahren nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Zwischenfrequenzsignale dadurch bestimmt werden, daß die Zwischenfrequenzsignale zueinander ungefähr die gleiche Größe aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Witterungszustand Trockenheit oder Schlechtwetter erkannt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Störung des Kraftfahrzeug-Radarsystems eine Verschmutzung einer Abdeckung des Kraftfahrzeug- Radarsystems bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anhand des bestimmten Witterungszustandes und/oder der Störung eine Bestimmung der aktuellen Reichweite und/oder eine aktuelle Systemperformance des Kraftfahrzeug-Radarsystems durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Speicher des Kraftfahrzeug-Radarsystems ein Kennfeld zur Bestimmung der aktuellen Reichweite und/oder der aktuellen Systemperformance abgelegt ist, das wenigstens charakteristische Zwischenfrequenzsignale enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der bestimmten Systemperformance eine Geschwindigkeitsempfehlung an der Fahrer des Kraftfahrzeugs signalisiert wird.
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