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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Abstand und
Relativgeschwindigkeit umfassenden Orts- und Bewegungsparametern
wenigstens eines von einem Beobachtungspunkt entfernten Objekts
durch Aussendung mehrerer elektromagnetischer Signale von dem Beobachtungspunkt, die
zeitlich versetzt jeweils in Form während eines Messintervalls über einen
Modulationsbereich um jeweils einen Frequenzschritt stufenweise
versetzten Signalabschnitten ausgesandt werden, wobei die Signalabschnitte
der verschiedenen Signale jeweils aufeinander folgen und zueinander
einen vorbestimmten Frequenzabstand aufweisen, durch Empfang und
diskrete Abtastung der nach Reflektion an dem Objekt entstandenen
Echosignale und durch Auswertung der Echosignale durch Bestimmung
eines Frequenzspektrum mittels einer Fouriertransformation vom Zeitbereich
in den Frequenzbereich.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung von Abstand
und Relativgeschwindigkeit umfassenden Orts- und Bewegungsparametern
wenigstens eines von einem Beobachtungspunkt entfernten Objekts
mit einer im Beo bachtungspunkt angeordneten Sendeeinrichtung zur
Aussendung mehrerer elektromagnetischer Signale, die zeitlich versetzt
jeweils in Form von während
eines Messintervalls über
einen Modulationsbereich um jeweils einen Frequenzschritt stufenweise
versetzten Signalabschnitten ausgesandt werden, wobei die jeweils aufeinanderfolgend
ausgesandten Signalabschnitte der verschiedenen Signale einen vorbestimmten
Frequenzabstand zueinander aufweisen, mit einer Empfangseinrichtung
zum Empfangen und diskreten Abtasten der nach Reflektion an dem
Objekt entstandenen Echosignale und mit einer Auswertungseinrichtung,
in der die Abtastwerte mittels einer Transformationseinrichtung
einer Fouriertransformation vom Zeitbereich in den Frequenzbereich
unterworfen werden.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Art ist durch
DE 100 50 278 A1 bekannt.
Dabei werden zwei Sendesignale verwendet, die aus Signalabschnitten
bestehen, deren Frequenz sich um jeweils einen Frequenzabstand erhöht. Die
Signalabschnitte der beiden verschiedenen Signale werden jeweils
nacheinander ausgesandt, sodass ein aus den Signalabschnitten beider
Signale verschachteltes Sendesignal entsteht. Die Signalabschnitte
des zweiten Signals sind dabei gegenüber den Signalabschnitten des
ersten Signals um einen definierten Frequenzabstand versetzt. Diese
Art des Sendesignals ermöglicht
die Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit, indem die
beiden Sendesignale nach dem Empfang als Echosignale einer schnellen
Fouriertransformation (Fast Fourier Transformation – FFT) und
zweckmäßigerweise
einer Schwellwertdetektion unterzogen werden. Dadurch wird im Frequenzbereich
eine Spektrallinie für
eine bestimmte Frequenz festgestellt. Die Frequenz setzt sich zusammen
aus einer durch die treppenförmige Modulation
des Sendesignals entstehende Abstandsfrequenz und einer Dopplerfrequenz,
die eine Information über
die Relativgeschwindigkeit enthält. Da
das Sendesignal aus zwei verschachtelt ausgesandten Signalen besteht,
können
die beiden Informationen voneinander getrennt und separat erhalten werden,
sodass gleichzeitig die Information über Ort (Abstand) und Relativgeschwindigkeit
erhältlich
ist.
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Die
entsprechende Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit
kann beispielsweise dafür
vorgesehen werden, einen Autofahrer vor gefährlichen Situationen mit hoher
Relativgeschwindigkeit überholende
Fahrzeuge, kurzfristig eine Spur wechselnde Fahrzeuge usw. zu warnen.
Dabei sind die Informationen über
Ort und Geschwindigkeit nicht immer ausreichend, da beispielsweise
ein Spurwechsel zu Fehlern in der Messung der Relativgeschwindigkeit
führt,
da die Relativgeschwindigkeit nur in einer Richtung (nämlich radial)
feststellbar ist.
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Es
ist grundsätzlich
bekannt, mit Hilfe von Echosignalen eines Objekt auch einen Winkel
in der Ebene zu bestimmen, indem das Echosignal durch zwei Antennen
aufgefangen wird, die in einer festen und bekannten räumlichen
Beziehung zueinander stehen.
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Es
erscheint daher grundsätzlich
möglich, zusätzlich zu
der bekannten Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit
auch eine Bestimmung des Winkels durchzuführen. Da die Aussagekraft für die Winkelmessung
jedoch in Relation zu dem Zusatzaufwand gesetzt werden muss, ist
von dieser Möglichkeit
bisher abgesehen worden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ohne wesentlichen
zusätzlichen Aufwand
mit der für
die Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit geeigneten
Sensorik weitere Orts- und/oder Bewegungsparameter bestimmen zu
können.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art
dadurch gekennzeichnet, dass die Echosignale mit wenigstens zwei
Antennen empfangen werden und eine Differenz von zum gleichen Echosignal
gehörenden
Empfangssignalen der wenigstens zwei Antennen vor der Fouriertransformation
gebildet wird, um nach der Fouriertransformation eine Winkelgeschwindigkeit
des Objektes zu bestimmen.
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Zur
Lösung
der genannten Aufgabe ist ferner eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art
dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung wenigstens
zwei, in einem definierten Abstand voneinander angeordnete Antennen
aufweist, dass der Transformationseinrichtung ein Differenzbildner für die von
den wenigstens zwei Antennen empfangenen Echosignalen desselben
ausgesandten Signals vorgeschaltet ist und dass die Auswertungseinrichtung
zur Auswertung der Winkelgeschwindigkeit eines Objektes aus dem
transformierten Differenzsignal eingerichtet ist.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
somit neben der Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit
die Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit relativ zu dem Beobachtungspunkt,
wenn das Echosignal mittels zweier Antennen empfangen wird. In diesem
Fall lässt
sich in sehr einfacher Weise eine Differenz der empfangenen Signale
vor der Fouriertransformation in geeigneter Weise bilden. Dabei kann
eine Differenz der komplexen empfangenen Signale, aber auch lediglich
eine Phasendifferenz oder ein anderes geeignetes Differenzsignal
bilden. Nach der Fouriertransformation des Differenzsignals kann die
Winkelgeschwindigkeit aus dem transformierten Differenzsignal ermittelt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird zusätzlich
aus den empfangenen Echosignalen der wenigstens zwei Antennen nach einer
Fouriertransformation für
dieselbe Frequenzlinie eine Phasendifferenz zur Ermittlung eines
Winkels des Objektes bezogen auf den Beobachtungspunkt bestimmt.
Die Winkelbestimmung ist somit möglich,
wenn die von den wenigstens zwei Antennen empfangenen Signale zunächst einer
Fouriertransformation unterworfen werden und anschließend eine
Phasendifferenz für
die identischen Spektrallinien der beiden Signale ermittelt wird.
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Ein
Problem bei der erfindungsgemäß ermittelten
Winkelgeschwindigkeit besteht darin, dass bei mehreren reflektierenden
Objekten, wie sie regelmäßig vorkommen,
eine Zuordnung der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit zu den übrigen Ob jektparametern,
insbesondere Abstand und Relativgeschwindigkeit, nicht feststeht.
Für eine
Auswertung, beispielsweise in einer Verkehrssituation, ist es aber
naturgemäß erforderlich,
die Echosignale verschiedener Objekte mit den zutreffenden Winkelgeschwindigkeiten in
Relation zu setzen. Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, dass
für Echosignale
von mehreren Objekten eine Zuordnung der ermittelten Winkelgeschwindigkeiten
zu anderen ermittelten Orts- und/oder Bewegungsparametern der Objekte
dadurch vorgenommen wird, dass aus den ermittelten Winkelwerten
für die
mehreren, zeitlich versetzt ausgesandten Signale Schätzwerte
für die
Winkelgeschwindigkeit durch Bildung wenigstens einer Differenz der
für die
Signale ermittelten Winkelwerte und eines Quotienten aus der Differenz
und dem zeitlichen Abstand der Aussendung der Signale gebildet und
mit den ermittelten Werten für
die Winkelgeschwindigkeiten verglichen werden. Dabei wird ausgenutzt,
dass die erfindungsgemäß ineinander
verschachtelt ausgesandten mehreren Signale jeweils einen zeitlichen
Abstand voneinander aufweisen, sodass die für die verschiedenen Signale
ermittelten Winkelwerte bezogen auf den zeitlichen Abstand zur Ermittlung
von Schätzwerten
für die
Winkelgeschwindigkeit herangezogen werden können. Durch einen Vergleich
der Schätzwerte
mit den ermittelten Werten für
die Winkelgeschwindigkeiten kann die Zuordnung zu den Objekten bzw.
zu den die Objekte identifizierenden Parametern Abstand und Relativgeschwindigkeit,
vorgenommen werden.
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Ferner
erlaubt die vorliegende Erfindung aufgrund der Verwendung mehrerer
ineinander verschachtelten Signale die Ermittlung von mehreren Winkelgeschwindigkeiten,
aus denen, bezogen auf den zeitlichen Abstand der Signale voneinander, Schätzwerte
für Winkelbeschleunigungen
gebildet werden können.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
daher die Bestimmung und ggf. Zuordnung von verschiedenen Winkelwerten
zu objektidentifizierenden Parametern Abstand und Relativgeschwindigkeit,
um so das dynamische Verhalten des Objektes relativ zu dem Beobachtungspunkt
besser und sicherer zu ermitteln und darstellen zu können.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
dass sich der Beobachtungspunkt selbst bewegt, wie dies der Falls
ist, wenn sich die Sensorik, nämlich
der Sender mit der Sendeantenne und die Empfangsantennen an einem
sich bewegenden Kraftfahrzeug befinden.
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Die
Erfindung soll im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der Frequenzen der Signalabschnitte von
drei ineinander verschachtelt ausgesandten Sendesignalen
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2 eine
schematische Darstellung der Verarbeitung der von zwei Antennen
empfangenen Sendesignale gemäß 1 zur
Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit
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3 eine
schematische Darstellung der Verarbeitung der von zwei Antennen
empfangenen Sendesignale gemäß 1 zur
Winkelbestimmung.
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1 lässt erkennen,
dass drei elektromagnetische Signale tA,
tB, tC ausgesandt
werden, die aus frequenzmäßig verschachtelten
Signalabschnitten A, B, C gebildet sind. Die Frequenz fT,A des
Signalabschnitts A unterscheidet sich von der Frequenz fT,B um die Frequenz fShiftAB.
Die Frequenz fT,C unterscheidet sich von
der Frequenz fT,B wiederum um die Frequenz
fShiftBC. Der nächste Signalabschnitt A ist
von dem ersten Signalabschnitt A um eine Frequenz fIncr versetzt,
wobei N Signalabschnitte A zu dem Signal tA gehören, die
sich um die Frequenz fIncr unterscheiden.
Dabei ist fSweep der gesamte Frequenzhub
der Signale tA, tB und
tC über
einen Modulationszeitraum Tchirp, der sich
aus der Summe aller fIncr ergibt; fIncr kann daher – muss aber nicht – konstant
sein.
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Die
drei Signale tA, tB und
tC werden somit verschachtelt so ausgesandt,
dass jeweils drei Signalabschnitte A, B, C aufeinander folgen, bevor
die um die Frequenz fIncr versetzten Signalabschnitte
A, B, C ausgesandt werden. Die zeitliche Dauer jedes Signalabschnitts
A, B, C ist gleich groß und
beträgt TS.
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Gemäß
2 werden
die drei Sendesignale t
A, t
B und
t
C mit zwei Antennen I, II empfangen. Die
Signale werden diskret mit n-Abtastpunkten abgetastet und sortiert,
sodass an der Antenne 1 die Signale
anstehen.
Entsprechend stehen Signale
an
der Antenne II an.
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Erfindungsgemäß werden
die zueinander gehörenden
Empfangssignale
und
der beiden
Antennen I, II zu Differenzsignalen
und
gebildet.
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Die
gebildeten Differenzsignale
Δm werden einer
Fast-Fouriertransformation (FFT) unterzogen, wodurch Differenzsignale
entstehen.
An der Stelle einer Spektrallinie (κ
peak,ω)
lässt sich
die Winkelgeschwindigkeit ω
A unmittelbar bestimmen. In ähnlicher Weise
können
die Winkelgeschwindigkeit ω
B und ω
C ermittelt werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Verwendung der
Antennen I, II und die Bildung eines geeigneten Differenzsignals
der empfangenen Signale vor der FFT kann somit ohne weiteres die
Winkelgeschwindigkeit ωA, ωB und ωC bestimmt werden.
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Gemäß
3 kann
eine Winkelbestimmung dadurch erfolgen, dass die von den beiden
Antennen I, II empfangenen Signale
sofort
einer FFT unterzogen werden, um im Frequenzbereich die transformierten
empfangenen Signale
zu
bilden. Unter Benutzung zweier dieser Signale lässt sich der Abstand R und
die Relativgeschwindigkeit v an der Stelle κ
peak,Rν bestimmen, wie
dies bereits bekannt ist.
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Durch
die Bildung der Differenz der zu demselben Sendesignal gehörenden empfangenen transformierten
Signale der beiden Antennen I, II kann der Winkel ϑA (κpeak,Rν)
ermittelt werden. In ähnlicher
Weise können
für die
Sendesignale tB und tC die
Winkel ϑB und ϑC ermittelt werden.
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Die
Anzahl der Spektrallinien pro empfangenen Signal
ergibt
sich aus der Anzahl der Abtastwerte n=0... N-1 der ausgesandten
Signalabschnitte A, B, C und aus der Anzahl der reflektierenden
Objekte. Sind mehrere Objekte o = 0 ... O-1 vorhanden, kann die
Entfernung R und die relative Geschwindigkeit v des Objektes o (entsprechend
der Spektrallinie κ
peak,Rν)
ermittelt werden, wenn wenigstens
zur
Berechnung herangezogen werden.
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Die
Auswertung der weiteren vorhandenen Signale
ist für die Bestimmung von R und
v ebenfalls möglich,
um das erhaltene Ergebnis zu verifizieren und zu verbessern.
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Der
Winkel des Beobachtungspunktes zu einem Objekt lässt sich durch eine Phasendifferenzmessung,
beispielsweise aus den Spektren AI und AII ebenfalls an der Position κ
peak,Rν berechnen:
(komplexer Wert aus dem Spektrum
AI),
(komplexer Wert aus dem Spektrum
AII),
ΔφA(κpeak,Rν)
= ΔφAI(κpeak,Rν) – ΔφAII(κpeak,Rν),Phasendifferenz
der Spektren AI und AII,
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Winkelposition
des Objektes. Hierbei ist λ die Wellenlänge und
d der Abstand zwischen zwei zur Messung herangezogenen Antennen.
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Dies
ist für
jedes Objekt o = 0 ... O-1 möglich, jeweils
an der zum Objekt korrespondierenden spektralen Position κpeak,Rν.
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Bei
der Aussendung dreier Signale tA, tB und tC lässt sich
der Winkel dreifach bestimmen:
ϑA, ϑB, ϑC
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Durch
die mehrfache Messung des Winkels ist die erzielbare Genauigkeit
höher als
bei einer einfachen Messung. Ferner ist durch einen Vergleich der gewonnenen
Winkelwerte eine Plausibilitätsprüfung möglich, beispielsweise
dann, wenn die Messung bei ungünstigem
Signal- zu Rauschverhältnis
durchgeführt
wurde.
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Wie
erläutert,
kann aus den Signalen zweier Antennen
ein geeignetes Differenzsignal
gebildet werden. Dies ist möglich,
durch Bildung eines Diffrenzvektors, durch Bildung der Differenzphase
der Signale, durch Vorfilterung und anschließende Differenzbildung oder
durch eine ähnlich
geeignete Differenzbildung.
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Durch
Transformation (FFT) dieses Signal in den Frequenzbereich
ist im resultierenden Spektrum
an
der Stelle κ
peak,ω die
Winkelgeschwindigkeit ω
A eines Objektes o ermittelbar. Auch diese
Größe ist analog
zum Winkelwert dreifach bestimmbar, verbunden mit den o. g. Vorteilen.
Aus drei gewonnenen Winkelgeschwindigkeitswerten kann pro Objekt
jeweils ein resultierender Wert zusammengefasst werden.
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Dies
kann für
alle Objekte o = 0 ... O-1 erfolgen.
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Allerdings
sind die so ermittelten Winkelgeschwindigkeitswerte noch nicht ohne
weiteres den bereits gewonnenen Messwerten R und v zuzuordnen.
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Die
Zuordnung wird jedoch möglich,
wenn aus den Messwerten für
den Winkel ϑ
A, ϑ
B, ϑ
C, die aus
den Messwerten im zeitlichen Abstand aus T
S gewonnen
worden, Schätzwerte
für die
Winkelgeschwindigkeit gebildet werden:
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Die
drei Schätzwerte
können
auch zu einem zusammengefasst werden. Ein Schätzwert kann so für jedes
detektierte Objekt gewonnen werden. Durch einen Vergleich mit den
gewonnenen Messwerten ωA, ωB, ωC oder dem resultierenden Wert ω ist die
Zuordnung zu den ermittelten Daten R und v für jedes Objekt möglich.
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Darüber hinaus
kann für
jedes Objekt außerdem
ein Schätzwert α ^ für die Winkelbeschleunigung aus
den drei individuellen Schätzwerten
berechnet werden.
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Erfindungsgemäß sind somit
neben den Werten R und v auch Winkelwerte und insbesondere Winkelgeschwindigkeiten
sowie Schätzwerte
für die Winkelbe schleunigung
ohne wesentlichen zusätzlichen
Aufwand ermittelbar. Voraussetzung ist lediglich die Aussendung
wenigstens zweier Signale tA, tB, tC. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich
mit jeder Anzahl M an Signalen (M ≥ 2)
ausführen.
Die hier beispielhaft dargestellte Ausführung mit drei Signalen tA, tB und tC stellt einen in den meisten Anwendungsfällen sinnvollen
Kompromiss zwischen Aufwand und erzielbarer Verbesserung der Messsignale dar.
an der Antenne II an.
der beiden Antennen I, II zu Differenzsignalen
und
gebildet.
zu bilden. Unter Benutzung zweier dieser Signale lässt sich der Abstand R und die Relativgeschwindigkeit v an der Stelle κpeak,Rν bestimmen, wie dies bereits bekannt ist.
zur Berechnung herangezogen werden.
(komplexer Wert aus dem Spektrum AII),
an der Stelle κpeak,ω die Winkelgeschwindigkeit ωA eines Objektes o ermittelbar. Auch diese Größe ist analog zum Winkelwert dreifach bestimmbar, verbunden mit den o. g. Vorteilen. Aus drei gewonnenen Winkelgeschwindigkeitswerten kann pro Objekt jeweils ein resultierender Wert zusammengefasst werden.
