DE102021213495A1

DE102021213495A1 - Radarmessverfahren

Info

Publication number: DE102021213495A1
Application number: DE102021213495.5A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Loesch; Arthur Hipke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-06-01
Also published as: KR20230081654A; JP2023081335A; US20230168360A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit eines Radarziels, bei demeine FMCW-Radarmessung ausgeführt wird, bei der ein rampenförmig frequenzmoduliertes Sendesignal gesendet wird, dessen Modulationsmuster eine erste Sequenz von mit einem Zeitintervall zeitversetzt aufeinander folgenden Rampen und wenigstens eine weitere Sequenz von mit demselben Zeitintervall zeitversetzt aufeinander folgenden Rampen umfasst, wobei die Sequenzen zeitlich ineinander verschachtelt sind,empfangene Signale zu Basisbandsignalen heruntergemischt werden und aus den Basisbandsignalen gesondert für jede der Sequenzen durch zweidimensionale Fourier-Transformation ein zweidimensionales Spektrum berechnet wird,wobei in der ersten Dimension Rampe für Rampe transformiert wird und in der zweiten Dimension über einen Rampenindex transformiert wird, undanhand der Positionen eines Peaks in wenigstens zweien der zweidimensionalen Spektren der Basisbandsignale ein Wert für die Relativgeschwindigkeit eines Radarziels bestimmt wird.

Description

STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit eines Radarziels, bei dem:

(a) eine FMCW-Radarmessung ausgeführt wird, bei der ein rampenförmig frequenzmoduliertes Sendesignal gesendet wird, dessen Modulationsmuster eine erste Sequenz von mit einem Zeitintervall zeitversetzt aufeinander folgenden Rampen und wenigstens eine weitere Sequenz von mit demselben Zeitintervall zeitversetzt aufeinander folgenden Rampen umfasst, wobei die Sequenzen zeitlich ineinander verschachtelt sind, (b) empfangene Signale zu Basisbandsignalen heruntergemischt werden und aus den Basisbandsignalen gesondert für jede der Sequenzen durch zweidimensionale Fourier-Transformation ein zweidimensionales Spektrum berechnet wird, wobei in der ersten Dimension Rampe für Rampe transformiert wird und in der zweiten Dimension über einen Rampenindex transformiert wird, und
(c) anhand der Positionen eines Peaks in wenigstens zweien der zweidimensionalen Spektren der Basisbandsignale ein Wert für die Relativgeschwindigkeit eines Radarziels bestimmt wird.

Weiter betrifft die Erfindung einen Radarsensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, der zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist.
Bei Kraftfahrzeugen werden FMCM-Radarsensoren zur Erfassung des Verkehrsumfelds eingesetzt, insbesondere zur Ortung anderer Fahrzeuge. Die Ortungsergebnisse können für verschiedene Assistenzfunktionen genutzt werden, beispielsweise für eine automatische Abstandsregelung, eine automatische Kollisionswarnung oder auch die automatische Auslösung eines Notbremsvorgangs bei akuter Kollisionsgefahr.
Bei FMCW-(Frequency Modulated Continuous Wave)-Radarsensoren wird ein Sendesignal verwendet, dessen Sendefrequenz rampenförmig moduliert ist, wobei das Signal während des Verlaufs der Rampe kontinuierlich gesendet wird. Aus einem Empfangssignal wird durch Mischen mit dem Sendesignal ein Basisbandsignal erzeugt, welches abgetastet und ausgewertet wird.
Die Frequenz des Basisbandsignals entspricht dem Frequenzunterschied zwischen dem zu einem gegebenen Zeitpunkt gesendeten Signal und dem zum selben Zeitpunkt empfangenen Signal. Aufgrund der Frequenzmodulation des Sendesignals ist dieser Frequenzunterschied von der Laufzeit des Signals vom Radarsensor zum Objekt und zurück und somit vom Abstand des Objekts abhängig. Aufgrund des Doppler-Effektes enthält der Frequenzunterschied jedoch auch einen Anteil, der durch die Relativgeschwindigkeit des Objektes bedingt ist. Die Messung des Frequenzunterschieds auf einer einzelnen Rampe erlaubt deshalb noch keine Bestimmung des Abstands und der Relativgeschwindigkeit, sondern liefert nur eine lineare Beziehung zwischen diesen Größen. Diese Beziehung lässt sich in einem Abstands-Geschwindigkeits-Diagramm (d-v-Diagramm) als Gerade darstellen.
Es sind FMCW-Radarsensoren bekannt, bei denen mit einer Sequenz von identischen, verhältnismäßig kurzen Rampen, sogenannten „Rapid Chirps“ gearbeitet wird, die im Verhältnis zu ihrer Dauer einen hohen Frequenzhub haben und deshalb so steil sind, dass im Basisbandsignal der abstandsabhängige Anteil der Frequenzverschiebung dominiert. Die Dopplerverschiebung wird dann durch Abtastung der Sequenz der Rampen bestimmt.
Um innerhalb eines gewünschten Messgebereichs der Relativgeschwindigkeit eine eindeutige Bestimmung der Relativgeschwindigkeit zu gestatten, ist eine ausreichend hohe Wiederholrate der Rampen erforderlich. Insbesondere muss der Zeitversatz zwischen aufeinander folgenden kurzen Rampen kleiner sein als die halbe Periodendauer der Dopplerfrequenz.
Um eine genaue Geschwindigkeits- und Abstandsschätzung von Radarobjekten bei einem möglichst geringen Hardware-Aufwand und Rechenaufwand zu ermöglichen, ist vorgeschlagen worden, mehrere Sequenzen von Frequenzmodulationsrampen mit einem zeitlichen Abstand der Rampen zu verwenden, bei dem über die Sequenz der Rampen eine Unterabtastung der Dopplerverschiebung erfolgt, so dass die erhaltene Information über die Relativgeschwindigkeit mit einer Mehrdeutigkeit behaftet ist.
Aus DE 10 2024 212 280 A1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Mehrdeutigkeit dadurch aufgelöst wird, dass
anhand einer Position eines Peaks in wenigstens einem zweidimensionalen Spektrum der Basisbandsignale Werte für mögliche Relativgeschwindigkeiten eines Radarziels bestimmt werden, die mit einer vorbestimmten Geschwindigkeitsperiode periodisch sind;
eine Phasenbeziehung zwischen Spektralwerten, die an jeweils der gleichen Position in den gesondert berechneten zweidimensionalen Spektren erhalten werden, überprüft wird auf Übereinstimmung mit für mehrere der bestimmten periodischen Werte der Relativgeschwindigkeit erwarteten Phasenbeziehungen, und
aus den bestimmten, periodischen Werten der Relativgeschwindigkeit anhand des Ergebnisses der Überprüfung ein Schätzwert für die Relativgeschwindigkeit des Radarziels ausgewählt wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sich bessere Detektionsergebnisse erzielen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jedes der für die verschiedenen Sequenzen gebildeten zweidimensionalen Spektren durch Multiplikation mit einer von einer Geschwindigkeitsvariablen und vom Zeitversatz der zugehörigen Sequenz zu der ersten dieser Sequenzen abhängigen Strahlformungsfunktion umgeformt wird und die Relativgeschwindigkeit des Radarziels anhand einer kohärenten Summe der umgeformten Spektren bestimmt wird.
Mit Hilfe der Strahlformungsfunktion lässt sich die Sensitivität des Radarsensors für Objekte mit bestimmten Relativgeschwindigkeiten gezielt variieren. So kann beispielsweise die Sensitivität des Radarsensors für vorausfahrende Fahrzeuge erhöht und damit die Reichweite des Radarsensors für diese spezielle Objektklasse sowie der Signal-Rausch-Abstand vergrößert werden. Da vorausfahrende Fahrzeuge in der Regel eine Relativgeschwindigkeit in der Nähe von null haben werden, wird die Strahlformungsfunktion so gewählt, dass der Radarsensor für Objekte mit der Relativgeschwindigkeit null eine maximale Sensitivität hat.
Das Funktionsprinzip ist analog zu dem Prinzip der Strahlformung beim Senden und Empfangen von Radarsignalen mit einem Antennenarray, das mehrere gegeneinander versetzt angeordnete Antennenelemente aufweist. Beim Senden eines Radarsignals werden die Antennenelemente mit Sendesignalen gespeist, deren Phasen um eine zu dem Versatz der Antennenelemente proportionale Phasendifferenz verschoben sind. Das hat zur Folge, dass die maximale Sendeleistung sich nicht in Richtung der zu der Reihe der Antennenelemente senkrechten Normalen abgestrahlt wird, sondern in einer Richtung, die mit dieser Normalen einen von dem Phasenversatz abhängigen Winkel bildet. Ebenso lässt sich beim Empfang von Radarsignalen die Richtung der maximalen Sensitivität des Radarsensors bestimmen, indem die von den einzelnen Antennenelementen empfangenen Signale mit einem zu dem Versatz der Antennenelemente proportionalen Phasenfaktor multipliziert werden. Die Strahlformungsfunktion ist in diesem Fall eine Funktion einer Winkelvariablen, die die Richtung der maximalen Empfindlichkeit bestimmt, und des räumlichen Versatzes der Antennenelemente.
Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren wird nach einem analogen Prinzip mit Hilfe der Strahlformungsfunktion die Sensitivität des Radarsensors für bestimmte Relativgeschwindigkeiten gesteigert. Dementsprechend ist die Strahlformungsfunktion abhängig von einer Geschwindigkeitsvariablen und vom zeitlichen Versatz der Sequenzen der Frequenzrampen.
Die Strahlformungsfunktion lässt sich wahlweise auch so gestalten, dass die Sensitivität des Radarsensors für Objekte mit einer bestimmten Relativgeschwindigkeit reduziert wird. Das lässt sich beispielsweise dazu nutzen, in Mehrzielszenarien die Objekttrennung zu vereinfachen und zu verbessern und/oder die Auflösung von Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Relativgeschwindigkeit zu erleichtern, indem die Sensitivität des Radarsensors für ruhende, für die Abstandsregelung nicht relevante Objekte, also für Objekte, deren Relativgeschwindigkeit entgegengesetzt gleich der Absolutgeschwindigkeit des eigenen Fahrzeugs ist, reduziert wird.
Die Auflösung von Mehrdeutigkeiten bei der Messung von Relativgeschwindigkeiten wird bei herkömmlichen Verfahren vor allem dann erschwert, wenn es aufgrund der Unterabtastung in der Doppler-Dimension zu Überlagerungen zwischen Radarzielen mit unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten kommt. Zur Auflösung der Mehrdeutigkeiten muss dann in den zweidimensionalen Spektren eine Vielzahl von in Frage kommenden Kombinationen von Mehrdeutigkeitshypothesen überprüft werden, was einen sehr hohen Rechenaufwand erfordert. Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sensitivität für ruhende Objekte herabgesetzt wird, lässt sich die Zahl der zu überprüfenden Hypothesen deutlich reduzieren. Das erlaubt es, ein größeres Ausmaß an Unterabtastung zu tolerieren und entsprechend den zeitlichen Abstand der Rampen zu vergrößern und dadurch den Rechenaufwand und die benötigte Rechenleistung der Hardware zu verringern.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat darüber hinaus den Vorteil, dass durch die geringere Sensitivität für ruhende Ziele die Größe der zu den Zielen gehörenden Peaks im Spektrum reduziert wird, womit zugleich die Häufigkeit und das Ausmaß von Peaküberlagerungen abnimmt. Dadurch lässt sich insbesondere auch die Häufigkeit von Situationen verringern, in denen ein Peak in einer bestimmten Zelle in d-V-Raum durch einen sehr ausgeprägten Peak in einer Nachbarzelle maskiert wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorzugsweise haben innerhalb einer jeweiligen Sequenz die aufeinanderfolgenden Rampen die gleiche Rampensteigung und eine gleiche Differenz ihrer Rampenmittenfrequenzen sowie besonders bevorzugt einen gleichen Frequenzhub, wobei die besagte Differenz der Rampenmittenfrequenzen optional ungleich null ist, und wobei Rampen, welche den gleichen Rampenindex in den jeweiligen Sequenzen haben, die gleiche Rampensteigung und die gleiche Rampenmittenfrequenz sowie besonders bevorzugt einen gleichen Frequenzhub aufweisen.
Wenn, bis auf die optional ungleich null gewählte Frequenzdifferenz von Rampe zu Rampe, der Frequenzverlauf aller Rampen aller Sequenzen identisch ist, können die aus der Relativgeschwindigkeit eines Radarziels resultierenden Phasenbeziehungen besonders genau gemessen werden.
Wenn der Zeitversatz zwischen den Sequenzen und der Zeitabstand der Rampen innerhalb einer Sequenz in der gleichen Größenordnung liegen, kann die zur Verfügung stehende Messzeit besonders gut genutzt werden. Außerdem können Einflüsse einer Objektbeschleunigung auf die Phasenbeziehung zwischen den Basisbandsignalen der einzelnen Sequenzen so möglichst klein gehalten werden. Außerdem können so günstige Werte für den Zeitversatz zwischen den Sequenzen und dem Zeitabstand der Rampen innerhalb einer Sequenz gewählt werden, die möglichst „inkommensurabel“ sind, also nicht etwa Vielfache voneinander sind. Aus der Auflösung der Mehrdeutigkeit ergibt sich dann ein besonders großer Messbereich für die Relativgeschwindigkeit. Dementsprechend enthält das Modulationsmuster Pausen zwischen den Rampen. Insbesondere weist das Modulationsmuster vorzugsweise wenigstens eine Pause auf, die regelmäßig zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Rampen einer Sequenz wiederkehrt, mit einem Zeitintervall von Pause zu Pause, das gleich dem Zeitintervall zwischen den Rampen einer Sequenz ist.
Vorzugsweise sind während eines überwiegenden Zeitraums des Modulationsmusters abwechselnd Rampen der jeweiligen Sequenzen angeordnet, d.h. die Sequenzen überlappen sich zeitlich weitgehend. Vorzugsweise ist der einer jeweiligen weiteren Sequenz zugeordnete Zeitversatz zwischen den Rampen der weiteren Sequenz und den betreffenden Rampen der ersten Sequenz kleiner als das Zweifache des Zeitintervalls zwischen den Rampen innerhalb einer jeweiligen Sequenz, besonders bevorzugt kleiner als dieses Zeitintervall. Letzteres ist gleichbedeutend damit, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rampen der ersten Sequenz stets eine jeweilige Rampe der jeweiligen weiteren Sequenz von Rampen gesendet wird.
Weitere Beispiele für Modulationsverfahren und -muster, mit denen das hier vorgeschlagene Verfahren kombinierbar ist, werden beschrieben in DE 10 2014 122 284 A1 und DE 10 2017 200 317 A1 .
Wahlweise kann sich an die Bestimmung der Abstände und Relativgeschwindigkeiten der Objekte eine Winkelschätzung anschließen. Ein Beispiel eines geeigneten Verfahrens wird beschrieben in DE 10 2014 223 990 A1 .
Das hier vorgeschlagene Verfahren eignet sich insbesondere auch für Radarsensoren, in denen Radarmessungen im Zeitmultiplex oder Doppler-Division-Multiplex mit unterschiedlichen Kombinationen von Sende- und Empfangsantennen vorgenommen werden. Die Geschwindigkeits-Strahlformung und die kohärente Summation der Spektren erfolgt dann für jede der Sendeantennen. Anschließend können die Spektren über die Sendeantennen und die Empfangsantennen nicht-kohärent oder kohärent (mit räumlicher Strahlformung) aufsummiert werden. Im Fall von Doppler-Division-Multiplex kann im Anschluss an die Auflösung der Geschwindigkeitsmehrdeutigkeiten auch eine Senderzuordnung erfolgen, beispielsweise nachdem in DE 10 2017 200 317 A1 beschriebenen Verfahren.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm eines FMCW-Radarsystems;
2 ein Modulationsmuster mit zwei Sequenzen gleichartiger Rampen, die mit einem Zeitversatz T12 gesendet werden;
3 ein Geschwindigkeits/Abstands-Diagramm mit einem vorbestimmten Intervall periodischen Werten der Relativgeschwindigkeit eines Radarziels;
4 ein Diagramm einer Likelihood-Funktion für den Parameter der Relativgeschwindigkeit;
5 ein detaillierteres Blockdiagramm einer Auswerteeinrichtung eines FMCW-Radarsensors;
6 ein Flussdiagramm für ein Verfahren gemäß der Erfindung;
7 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Sensitivität des Radarsensors bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten; und
8 und 9 Detailvergrößerungen zu 7.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In 1 ist als vereinfachtes Blocksdiagramm 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 Auswert- und Steuereinrichtung 22 weiter ausgewertet wird. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 22 enthält einen Steuerungsteil 24, der die Funktion des Oszillators 16 steuert. Die Frequenz des vom Oszillator gelieferten Sendesignals wird innerhalb einer Radarmessung mit Sequenzen von steigenden oder fallenden Rampen moduliert.
2 zeigt die Sendefrequenz f des Sendesignals 28 aufgetragen über der Zeit t. Bei einer Messung werden mit einer Sendeantenne zwei Sequenzen von Rampen mit identischen Rampenparametern gesendet, die ineinander zeitlich verschachtelt sind. Eine erste Sequenz 30 von Rampen 32 ist in 2 mit durchgezogenen Linien dargestellt, während eine zweite Sequenz 34 von Rampen 36 mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Nummer i der Sequenz, zu der eine Rampe gehört, und der jeweilige Rampenindex j der Rampe innerhalb einer Sequenz sind angegeben.
Die Rampen 36 der zweiten Sequenz 34 sind jeweils gegenüber den Rampen 32 der ersten Sequenz 30 mit gleichem Rampenindex j um einen Zeitversatz T12 verschoben. Innerhalb jeder Sequenz 30, 34 sind die aufeinanderfolgenden Rampen 32 bzw. 36 zueinander um einen Zeitabstand Tr2r verschoben. Der Zeitabstand Tr2r ist also für beide Sequenzen gleich. Weiter ist eine Pause P jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rampen einer Sequenz vorhanden.
In dem in 2 dargestellten Beispiel ist die Differenz der Rampenmittenfrequenzen von innerhalb einer Sequenz 30, 34 aufeinanderfolgenden Rampen 32 bzw. 36 gleich Null. Daher haben alle Rampen denselben Frequenzverlauf. Die Rampenmittenfrequenz entspricht hier der mittleren Sendefrequenz f₀.
5 zeigt schematisch ein detaillierteres Blockdiagramm der von der Steuer- und Auswerteeinheit 22 durchgeführten Bestimmung der Relativgeschwindigkeit.
Die empfangenen, abgetasteten Basisbandsignale b1 und b2, die jeweils für die entsprechende Sequenz 30, 34 der Rampen erhalten werden, werden jeweils einer zweidimensionalen Fourier-Transformation (2D-FFT) unterzogen. 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 Größen der jeweiligen Transformationen, d.h. die jeweiligen Anzahlen der Bins (Abtastpunkte oder Stützstellen), sind vorzugsweise für die erste Dimension einheitlich für alle Spektren, und für die zweite Dimension einheitlich für alle Spektren.
Aufgrund der Relativgeschwindigkeit des Radarziels 12 und dem Zeitversatz T12 zwischen den einzelnen Sequenzen von Rampen entsprechenden Teilmessungen, tritt ein Phasenunterschied zwischen den zwei Teilmessungen auf. Der Phasenunterschied wird dabei als Phasenunterschied zwischen den komplexen Amplituden (Spektralwerten) eines in beiden zweidimensionalen Spektren 50, 52 an der gleichen Position auftretenden Peaks erhalten. Aufgrund des relativ gro-ßen Zeitversatzes T12, zwischen den einander entsprechenden Rampen 32, 36 der beiden Sequenzen 30, 34 erlaubt die Bestimmung des Phasenunterschieds zwischen den beiden Teilmessungen jedoch keinen direkten Rückschluss auf die Relativgeschwindigkeit. Denn aufgrund der Periodizität der Phasen ergibt sich für einen einzelnen Phasenunterschied eine Mehrdeutigkeit für den dazugehörigen Wert der Relativgeschwindigkeit.
Die erhaltenen zweidimensionalen Spektren 50 bzw. 52 werden in einem ersten Funktionsblock 54 mithilfe eines „Geschwindigkeitsbeamformers“ kohärent aufsummiert.
Der Geschwindigkeitsbeamformer ermöglicht es, relevante Geschwindigkeiten (beispielsweise Geschwindigkeiten nahe 0 m/s für ACC-Objekte oder Geschwindigkeiten nahe der negativen Egogeschwindigkeit des Fahrzeugs für Standziele) zu verstärken oder zu unterdrücken. Beispiele für relevante Geschwindigkeiten wären etwa Geschwindigkeiten nahe 0 m/s für ACC-Objekte oder Geschwindigkeiten nahe der negativen Egogeschwindigkeit des Fahrzeugs für Standziele oder auch Geschwindigkeiten von Zielen, die beim Objekttracking als besonders relevant erkannt wurden. Zur Strahlformung kann der Geschwindigkeitsbeamformer eines der zahlreichen Strahlformungsvefahren nutzen, die aus der Literatur bekannt sind (siehe z.B.: H. L. Van Trees, „Optimum array processing - Part IV of detection, estimation, and modulation theory“, John Wiley, 2002; J. Capon, „High-Resolution Frequency-Wavenumber Spectrum Analysis,“ Proceedings of the IEEE, 1969, Vol. 57, pp. 1408-1418; oder H. Cox, R. Zeskind, and M. Owen, „Robust adaptive beamforming,“ IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. 35, no. 10, pp. 1365-1376, 1987) wie z.B. Delay-and-Sum bzw. Conventional Beamforming, Minimum Variance Distortionless Response (MVDR) bzw. Capon Beamforming oder Null-Steering.
Die Definitionsmenge jedes der zweidimensionalen Spektren 50, 52 ist ein zweidimensionales Raster von Abstands-Geschwindigkeits-Bins (d-v-Bins), denen jeweils ein bestimmter Wert einer Abstandsvariablen d und einer Geschwindigkeitsvariablen v eines Objekts zugeordnet ist. Die Wertemenge des Spektrums ist eine Menge von komplexen Zahlen, die für jedes d-v-Bin die komplexe Amplitude des fouriertransformierten Signals angeben. Bei den oben genannten Strahlformungsverfahren wird generell der Spektralwert, also die komplexe Amplitude in jedem Bin, mit einer Strahlformungsfunktion multipliziert, die von der Geschwindigkeitsvariablen v und von dem Zeitversatz der Sequenz abhängig ist. Die Form dieser Strahlformungsfunktion variiert je nach angewandtem Strahlformungsverfahren.
Zum Beispiel wird bei dem Delay-and-Sum Verfahren für die Geschwindigkeitsvariable v und N Sequenzen (in dem Beispiel nach 2 und 5 ist N = 2) mit einer vektoriellen Strahlformungsfunktion a_i(v) gearbeitet, die die folgende Form hat: $a_{i} (v) = (1 / \sqrt N) exp (2 π j (2 / c) f_{0} t_{i} v)$
Darin ist j die imaginäre Einheit, i ist ein Index, der die Sequenzen zählt (i = 1 ...N), f₀ ist die Mittenfrequenz der Rampen, π ist die Kreiszahl und t_i (= (i-1(T₁₂)) ist der Zeitversatz zwischen der ersten Rampe und der i-ten Rampe (in dem Beispiel nach 2 und 5 hat i nur die Werte 1 und 2 und es gilt t₁ = 0 und t₂ = T₁₂).
Die durch Multiplikation mit der Strahlformungsfunktion umgewandelten Spektren werden dann über den Sequenz-Index i kohärent summiert. Dadurch erhöht sich das Signal-Rausch-Verhältnis um den Faktor N.
Als weiteres Beispiel soll kurz das MVDR-Strahlformunsverfahren skizziert werden, mit dem sich die Sensitivität für eine bestimmte Geschwindigkeit v₀ gezielt unterdrücken lässt. Bei diesem Verfahren wird mit einer Strahlformungsfunktion w(v, vo) gearbeitet, welche die folgende Form hat: $\begin{array}{l} d (v, v_{0}) = (R^{- 1} (v_{0}) a (v)) / (a^{H} (v) R^{- 1} (v_{0}) a (v) \\ R (v_{0}) = a (v_{0}) a^{H} (v_{0}) + σ l \end{array}$
Darin ist R(v₀) eine Korrelationsmatrix, a(v₀) ist ein Vektor, dessen Komponentten so definiert sind wie Gleichung (1), und a^H(v) ist der hermitesch adjungierte Vektor zu a(v). I ist die Einheitsmatrix der Dimension NxN. Der Term σ I dient zur Regularisierung der Korrelationsmatrix R(v₀) und stellt sicher, dass die Matrix R(v₀) invertiert werden kann. Dabei lässt sich σ so wählen, dass eine Verstärkung des Rauschens vermieden wird.
Bei einem winkelauflösenden Radarsensor mit mehreren Sendeantennen kann die Strahlformung auf die Empfangssignale jeder Sendeantenne angewendet werden. Anschließend wird über die Sendeantennen eine nicht-kohärente Mittelung durchgeführt (eine kohärente Summation ist hier nicht möglich, da die Phasen auch vom Ortungswinkel des Objekts abhängig sind).
Die nichtkohärente Summation ergibt ein zweidimensionales Leistungsspektrum 56. In einem Funktionsblock 58 erfolgt dann die Detektion der Ziele mit bekannten Verfahren wie CFAR (constant false alarm rate).
Die Position eines einem Radarziel 12 entsprechenden Peaks im Leistungsspektrum 56, die nachfolgend als Bin k, l angegeben wird, entspricht der Position des Peaks in den einzelnen Spektren 50, 52. Aus der ersten Dimension, entsprechend dem Bin k der Position des Peaks, wird gemäß der FMCW-Gleichung k = 2/c(d F + fov T), ein linearer Zusammenhang zwischen der Relativgeschwindigkeit v und dem Abstand d des Radarziels erhalten. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, F der Rampenhub, T die Rampendauer einer einzelnen Rampe 32 bzw. 36 und f₀ die mittlere Sendefrequenz.
3 zeigt schematisch ein Diagramm, in dem die Relativgeschwindigkeit v über den Abstand d aufgetragen ist. Die lineare Beziehung zwischen v und d ist als Gerade eingezeichnet. Im dargestellten Beispiel ist aufgrund eines relativ großen Zeitabstandes Tr2r die aus der Abtastung der Dopplerfrequenz erhaltene Information über die Relativgeschwindigkeit des Radarziels mit einer Mehrdeutigkeit gemäß einem vorbestimmten Intervall behaftet, da die aus der Relativbewegung mit der Geschwindigkeit v resultierende Dopplerfrequenz durch die relativ großen Zeitabstände Tr2r nicht eindeutig abgetastet wird. Zusätzlich zu der v-d-Geraden, die sich gemäß dem Frequenzbin k ergibt, sind die aus dem Frequenzbin l bestimmten, periodischen Werte der Relativgeschwindigkeit v durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Schnittpunkte mit der v-d-Geraden sind gekennzeichnet. Sie entsprechen möglichen Wertepaaren (v, d) von Relativgeschwindigkeit und Abstand des detektierten Radarziels 12. Das tatsächliche Ziel, dessen Geschwindigkeit v bestimmt werden soll, ist in 3 durch ein Kreuz X markiert.
Die Mehrdeutigkeit der ermittelten Geschwindigkeit v wird nun aufgelöst, wie nachfolgend erläutert wird. Die Information v* über die in Frage kommenden, periodischen Werte der Relativgeschwindigkeit v wird an einen zweiten Funktionsblock 60 (5) übergeben, der außerdem auch die komplexen, zweidimensionalen Spektren 50, 52 der Teilmessungen erhält.
Zur Auswertung des gemessenen Phasenunterschieds wird ein Steuerungsvektor einer idealen Messung in Abhängigkeit der Relativgeschwindigkeit v berechnet. Die Komponenten dieses Steuerungsvektors sind die gleichen wie in Gleichung (1).
Es wird dann ein Messvektor gebildet, der sich von dem Steuerungsvektor dadurch unterscheidet, dass seine Komponenten nicht durch die erwarteten, geschwindigkeitsabhängigen komplexen Werte die komplexen Amplituden (Spektralwerte) gebildet werden, sondern durch die tatsächlich gemessenen Werte. Der Steuerungsvektor und der Messvektor werden dann skalar multipliziert, um das Maß der Übereinstimmung festzustellen. Eine Normierung des Produkts liefert dann eine Likelihood-Funktion.
4 zeigt schematisch mit einer durchgezogenen, sinusförmigen Linie das Relativgeschwindigkeitsspektrum S(v) über der Relativgeschwindigkeit v. Die Maxima der Likelihood-Funktion entsprechen den wahrscheinlichsten Werten des Parameters v. Für sich alleine genommen ist das Relativgeschwindigkeitsspektrum S(v) mehrdeutig; ein Maximum bei dem Maximalwert 1 entspricht jeweils einer optimalen Übereinstimmung der sich für die betreffende Relativgeschwindigkeit v ergebenden, idealen Phasenverschiebungen mit der gemessenen Phasenverschiebung gemäß dem Messvektor.
Eine Auswertung der Funktion S(v) ist jedoch lediglich an den Stellen 40 erforderlich, die den periodischen Werten der Relativgeschwindigkeit v entsprechen, die aus den Auswertungen gemäß der Position des Peaks in den Bins (k, l) erhalten wurden. Diese Stellen 40, die den Geschwindigkeitswerten der in 3 markierten Schnittpunkte entsprechen, sind in 4 auf den Kurvenverlauf der Funktion S(v) markiert. Im dargestellten Beispiel ergibt sich eine maximale Übereinstimmung bei einer Relativgeschwindigkeit v = 0 m/s, wo die Funktion S(v) den erwarteten Maximalwert 1 annimmt. Dies entspricht dem tatsächlichen Wert der Relativgeschwindigkeit v.
Die Mehrdeutigkeit, die sich aus der Position des Peaks ergibt, kann somit durch die zusätzliche Information aus der Phasenbeziehung aufgelöst werden. Anhand des linearen Zusammenhangs wird ein zu dem ausgewählten Schätzwert für die Relativgeschwindigkeit v gehörender Schätzwert für den Abstand d bestimmt.
Der zweite Funktionsblock 60 gibt die ermittelten Schätzwerte für die Relativgeschwindigkeit v und den Abstand d aus.

- In 6 sind die wesentlichen Schritte des Verfahrens als Flussdiagramm dargestellt. In den in 6 als Blöcke dargestellten Schritten S1 bis S7 werden die folgenden Aktionen ausgeführt:
- S1 2D-FFT für jede Rampensequenz (und jeden Empfangskanal)
- S2 kohärente Summation der Einzelspektren der Rampensequenzen für jede Sende- und Empfangsantenne mittels Geschwindigkeitsstrahlformung
- S3 nichtkohärente oder kohärente Summation der Spektren über die Sende- und/oder Empfangantennen
- S4 Zieldetektion mittels CFAR inklusive Peakinterpolation
- S5 Spektraler Leistungsvergleich und ggf. Zusammenführen der Detektionslisten und für alle Detektionen
- S6 Auflösung von Geschwindigkeits-Mehrdeutigkeiten und -Überlagerungen sowie ggf. Senderzuordnung (bei Doppler-Division-Multiplex)
- S7 Winkelschätzung nach Phasenkompensation

Ein Vergleich der spektralen Leistung vor und nach dem Geschwindigkeits-Beamforming bzw. zwischen verschiedenen Geschwindigkeits-Beamformern erlaubt eine Aussage, ob in dieser spektralen Zelle lediglich ein Standziel vorhanden ist (großer Leistungsunterschied durch Beamforming) oder ob evtl. noch weitere Ziele vorhanden sind (kleinerer Leistungsunterschied). Diese Information kann auf dreierlei Arten verwendet werden:

- Wahrscheinlichkeit, dass es sich um ein Standziel handelt;
- (Zusätzliches) Kriterium, um bei der Auflösung der Geschwindigkeitsmehrdeutigkeiten ein Mehrzielmodell anzuwenden und so Signalbeiträge von Standzielen und bewegten Zielen für die nachfolgende Winkelschätzung zu trennen;
- durch die verbesserte Genauigkeit der Peakinterpolation können im Mehrzielmodell genauere Geschwindigkeiten zu Grunde gelegt werden.

In 7 bis 9 ist der durch die Geschwindigkeits-Strahlformung erreichte Effekt graphisch dargestellt. In diesen Diagrammen ist jeweils die relative Empfangsleistung Q gegen die Relativgeschwindigkeit des georteten Objekts aufgetragen. Die fett eingezeichnete Kurve 62 zeigt jeweils die Ergebnisse für das Delay-and-Sum Verfahren, während die dünner eingezeichnete Kurve die Ergebnisse für das MVDR-Verfahren zeigt.
In 8 ist der Bereich der Relativgeschwindigkeiten in der Umgebung des Wertes null mit höherer Auflösung gezeigt. Man erkennt hier, dass die relative Empfangsleistung und damit die Sensitivität des Sensors bei der Relativgeschwindigkeit null deutlich erhöht ist.
Bei dem MVDR-Verfahren wurden die Parameter so gewählt, dass die Sensitivität bei Relativgeschwindigkeiten in der Nähe von -30 m/s (stationäre Ziele bei einer Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs von 30 m/s) reduziert wird. In 9 ist dieser Geschwindigkeitsbereich mit höherer Auflösung gezeigt. Das ausgeprägte Minimum der Kurve 64 bei v = -30 m/s ist deutlich zu erkennen. Durch diese Unterdrückung stationärer Ziele wird die Zieldetektion deutlich verbessert und die und die Auflösung von Mehrdeutigkeiten in den Schritten S4 bis S6 mit Hilfe des spektralen Leistungsvergleichs unterstützt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102024212280 A1 [0009]
DE 102014122284 A1 [0023]
DE 102017200317 A1 [0023, 0025]
DE 102014223990 A1 [0024]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit (v) eines Radarziels (12), bei dem: (a) eine FMCW-Radarmessung ausgeführt wird, bei der ein rampenförmig frequenzmoduliertes Sendesignal (28) gesendet wird, dessen Modulationsmuster eine erste Sequenz (30) von mit einem Zeitintervall (Tr2r) zeitversetzt aufeinander folgenden Rampen (32) und wenigstens eine weitere Sequenz (34) von mit demselben Zeitintervall (Tr2r) zeitversetzt aufeinander folgenden Rampen (36) umfasst, wobei die Sequenzen (30; 34) zeitlich ineinander verschachtelt sind, (b) empfangene Signale zu Basisbandsignalen (b1; b2) heruntergemischt werden und aus den Basisbandsignalen (b1; b2) gesondert für jede der Sequenzen (30; 34) durch zweidimensionale Fourier-Transformation ein zweidimensionales Spektrum (50; 52) berechnet wird, wobei in der ersten Dimension Rampe für Rampe transformiert wird und in der zweiten Dimension über einen Rampenindex (j) transformiert wird, (c) anhand der Positionen (k, l) eines Peaks in wenigstens zweien der zweidimensionalen Spektren (56) der Basisbandsignale (b1; b2) ein Wert für die Relativgeschwindigkeit eines Radarziels (12) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der für die verschiedenen Sequenzen (30; 34) gebildeten zweidimensionalen Spektren (50; 52) durch Multiplikation mit einer von einer Geschwindigkeitsvariablen (v) und vom Zeitversatz (T₁₂) der zugehörigen Sequenz zu der ersten (30) dieser Sequenzen abhängigen Strahlformungsfunktion umgeformt wird und die Relativgeschwindigkeit des Radarziels (12) anhand einer kohärenten Summe der umgeformten Spektren bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Strahlformungsfunktion entsprechend dem Delay-and-Sum Verfahren gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Strahlformungsfunktion entsprechend dem MVDR-Verfahren gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, für Radarsensoren mit mehreren Sendeantennen und/oder mehreren Empfangsantennen, bei dem nach der kohärenten Summation der umgeformten Spektren eine nichtkohärente oder kohärente Summation über die Sende- und/oder Empfangsantennen erfolgt und eine Detektion einzelner Radarziele auf der Basis des Ergebnisses dieser Summation stattfindet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Zeitintervall (Tr2r), mit dem die Rampen (32) einer einzelnen Sequenz (30, 34) aufeinanderfolgen, so gewählt wird, dass in der zweiten Dimension eine Unterabtastung stattfindet, und bei dem die Auflösung der daraus resultierenden Mehrdeutigkeiten anhand der umgeformten Spektren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem durch Vergleich der spektralen Leistung in den umgeformten und dem nicht umgeformten Spektren zwischen Einzel- und Mehrzielszenarien unterschieden wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, für Radarsensoren, die sich mit einer Eigengeschwindigkeit relativ zu ihrer Umgebung bewegen, bei dem die Strahlformungsfunktion so gewählt wird, dass die Sensitivität des Radarsensors für Ziele reduziert wird, deren Relativgeschwindigkeit entgegengesetzt gleich der Eigengeschwindigkeit ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Strahlformungsfunktion so gewählt wird, dass die Sensitivität des Radarsensors für Ziele erhöht wird, die die Relativgeschwindigkeit null haben.
FMCW-Radarsensor mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (22), in der ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 implementiert ist.