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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Objekten in einer
Umgebung eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung eines Schmalband-Radarsystems,
das einen Sendepfad, einen Empfangspfad, einen Auswertepfad und
wenigstens einen Demodulator aufweist, in dem Signale aus dem Empfangspfad
mit Signalen aus dem Auswertepfad zu demodulierten Signalen überlagert
werden, und das eine Verteilung spektraler Komponenten der demodulierten
Signale im Frequenzbereich auswertet.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Radarsystem, das Objekten in einer
Umgebung eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung eines Schmalband-Radarsystems
detektiert, das einen Sendepfad mit einer Sendefrequenzmodulation,
einen Empfangspfad, einen Auswertepfad und wenigstens einen Demodulator
aufweist, in dem Signale aus dem Empfangspfad mit Signalen aus dem
Auswertepfad zu demodulierten Signalen überlagert werden, und das eine
Verteilung spektraler Komponenten der demodulierten Signale im Frequenzbereich
auswertet.
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Ein
solches Verfahren und ein solches Radarsystem ist jeweils per se
bekannt. Die bei einer durch Radar erfolgenden Entfernungsmessung
erzielbare Genauigkeit wird im Allgemeinen durch die Bandbreite
der verwendeten Radarstrahlung begrenzt. Je größer die Bandbreite ist, desto
besser ist auch die Auflösung
und Genauigkeit. Es sind zwar bereits Ultra-Breitband-Radarsensoren für die Messung
kurzer Entfernungen bei Anwendungen wie Einparkhilfen, Seiten-Aufprall-Antizipierungen,
Frontal-Aufprall-Antizipierungen und Stop and Go Betrieb entwickelt
worden; diese Systeme sind aber aufgrund gesetzlicher Vorschriften
in Europa derzeit nicht zugelassen. Eine typische Bandbreite eines
bei einer Mittenfrequenz von 24 GHz arbeitenden Ultra-Breitband-Radarsensors
liegt bei etwa 5 GHz. Eine bekannte Alternative zur Verwendung dieser Radarsensoren
besteht in der Verwendung von Ultraschallsensoren, die eine Genauigkeit
in der Größenordnung
einiger Zentimeter bei einer Reichweite von einigen Metern erlauben.
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Ferner
sind Schmalband-Radarsysteme bekannt, die typischerweise FMCW- oder
FSK-Modulationsverfahren für
Entfernungsmessungen benutzen und in diesem Zusammenhang eine Verteilung
von spektralen Komponenten reflektierter Strahlung zur Bestimmung
der Position von Objekten benutzen. Die typische Genauigkeit, die
zum Beispiel mit einem Schmalband-Radarsystem in dem zugelassenen ISM-Band
bei 24 GHz mit einer Bandbreite von typischerweise 200 MHz erzielt
werden kann, liegt etwa zwischen einem halben und einem ganzen Meter.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
eines auch in Europa zulassungsfähigen
Schmalband-Radarsystems
mit verbesserter Genauigkeit der Entfernungsbestimmung.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass ergänzend
zur Auswertung der Verteilung spektraler Komponenten im Frequenzbereich
eine Auswertung einer Phasenverschiebung zwischen demodulierten
Signalen im Zeitbereich erfolgt.
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Ferner
wird diese Aufgabe bei einem Radarsystem der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass
das Radarsystem ergänzend
zur Auswertung der Verteilung spektraler Komponenten im Frequenzbereich
eine Phasenverschiebung zwischen demodulierten Signalen im Zeitbereich
auswertet.
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Durch
diese Merkmale hat sich in praktischen Untersuchungen eine Verbesserung
der Genauigkeit um ein bis zwei Zehnerpotenzen ergeben.
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Mit
Blick auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass in
einem ersten Schritt mit Hilfe einer Auswertung im Frequenzbereich
geprüft wird,
ob sich nur ein Objekt im Erfassungsbereich des Radarsystems befindet,
und dass dann, wenn dies der Fall, die Entfernung dieses Objekts
mit Hilfe der Auswertung im Zeitbereich erfolgt.
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Diese
Ausgestaltung berücksichtigt,
dass die mit dem neuen Verfahren erzielte Genauigkeit nicht mit
einer Verbesserung der Auflösung
einhergeht, die nach wie vor durch die verhältnismäßig schmale Bandbreite begrenzt
ist. Entsprechend lässt
sich die mit der verbesserten Genauigkeit ermittelte Entfernung
nur dann sinnvoll einem Objekt zuordnen, wenn Beeinflussungen durch
andere Objekte ausgeschlossen sind.
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Ferner
ist bevorzugt, dass das Radarsystem einen I-Demodulator (I = „in phase") und einen Q-Demodulator
(Q = „quadrature") und einen Phasenvergleicher
aufweist, der eine Phasenverschiebung zwischen Ausgangsignalen des
I-Demodulators und des Q-Demodulators bestimmt.
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Durch
diese Ausgestaltung kann die Entfernung aus der Phasenverschiebung
von zwei kontinuierlich gebildeten Signalen abgeleitet werden. Alternativ
kann das Verfahren mit eingeschränkter
Genauigkeit aber auch mit nur einem Demodulator verwendet werden.
In diesem Fall muss die Phasenverschiebung des Ausgangssignals dieses
Demodulators zu einem Referenzsignal ermittelt werden, dass zum
Beispiel durch Kalibrationsmessungen mit Objekten in bekannter Entfernung
gebildet werden kann.
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Mit
Blick auf Ausgestaltungen des Radarsystems ist bevorzugt, dass das
Radarsystem eine Sendeantennenstruktur und eine Empfangsantennenstruktur
aufweist, die jeweils entweder linear polarisierte Radarwellen,
in zwei zueinander orthogonalen Richtungen polarisierte Radarwellen,
oder elliptisch polarisierte Radarwellen sendet, beziehungsweise empfängt.
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Wesentlich
ist hier lediglich, dass Sendeantennenstruktur und Empfangsantennenstruktur
in dem Sinne aufeinander abgestimmt sind, dass sie jeweils Signale
mit sende- und empfangsseitig gleicher Polarisierungen verarbeiten.
Die Erfindung ist damit universell verwendbar.
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Bevorzugt
ist auch, dass die Sendefrequenzmodulation nach einer FMCW-Methode
(FMCW = frequency modulated continuous wave), einer schrittweise
erfolgenden Modulations-Methode, einer FSK-Methode (FSK = frequency
shift keying) oder einer anderen Modulationsmethode erfolgt.
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Auch
diese Ausgestaltung belegt die universelle Verwendbarkeit der Erfindung.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Auswertepfad einen lokalen Oszillator aufweist, der das im Auswertepfad
propagierende Sendesignal auf eine Zwischenfrequenz umsetzt.
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Diese
Ausgestaltung erlaubt eine Verarbeitung der Radarsignale auf einer
für notwendige
Filterungen und Weiterverarbeitungen günstigen Zwischenfrequenz.
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Bevorzugt
ist auch, dass der lokale Oszillator zusätzlich mit einer Bias-Frequenz
gespeist wird.
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Durch
diese Ausgestaltung kann die gesteigerte Genauigkeit bei jedem vorbestimmten
Entfernungsabschnitt innerhalb der Reichweite des Radarsystems erzielt
werden.
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Als
Alternative zu einem lokalen Oszillator ist bevorzugt, dass das
Radarsystem einen aktiven Mixer aufweist, der ein von einem Teil
des Kraftfahrzeugs reflektiertes Signal auf die Zwischenfrequenz umsetzt.
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Hier
ergibt sich der Vorteil, dass ein lokaler Oszillator eingespart
werden kann, was die Realisierung des Radarsystems vereinfacht.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Radarsystems;
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2 verschiedene
Signale, wie sie bei der Durchführung
eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
auftreten; und
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3 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
ein Schmalband-Radarsystem 10 mit einem Oszillator 12,
der elektromagnetische Schwingungen als Sendesignal mit Frequenzen
erzeugt, die in vorbestimmter Weise wiederholt eine schmale Bandbreite
um eine Mittenfrequenz herum durchlaufen. Dazu weist der Oszillator 12 zum
Beispiel einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 14 mit
einer Spannungssteuerung 16 auf, die eine Gleichspannung
variabler Höhe
an den VCO 14 liefert.
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Die
Mittenfrequenz beträgt
zum Beispiel 24 GHz und die Bandbreite erstreckt sich zum Beispiel über 200
MHz zwischen einer unteren Grenzfrequenz f1 und einer oberen Grenzfrequenz
f2 und wird periodisch zwischen diesen Werten variiert. Ein Beispiel
einer solchen periodischen Variation ist in der 2a dargestellt,
die zwischen den Grenzfrequenzen f1 und f2 über der Zeit t variierende
Werte einer Frequenz F_LO(t) eines Sendesignals zeigt.
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Das
Sendesignal mit der Frequenz F_LO(t) wird durch einen Signalteiler 18 (vergleiche 1) aufgeteilt
und parallel sowohl in einen Auswertepfad 20 als auch in
einen Sendepfad 22 mit einer Sendeantennenstruktur 24 eingespeist.
Die Sendeantennenstruktur 24 strahlt das Sendesignal in
der Form von Radarwellen ab, wobei die Radarwellen entweder linear
polarisierte Radarwellen, in zwei zueinander orthogonalen Richtungen
polarisierte Radarwellen, oder elliptisch polarisierte Radarwellen
sein können.
Der Auswertepfad 20 weist fakultativ einen lokalen Oszillator 26 auf,
der das Sendesignal durch Multiplikation mit einer Bias-Frequenz
f_bias auf eine Zwischenfrequenz verlagert. Die Bias-Frequenz f_bias
wird durch einen Signalgenerator 28 erzeugt. Für verschiedene
Entfernungsstufen werden fakultativ verschiedene Bias-Frequenzen
verwendet.
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Als
Alternative zu einem lokalen Oszillator kann das Radarsystem 10 einen
aktiven Mixer aufweist, der ein von einem Teil des Kraftfahrzeugs,
zum Beispiel einem Stoßfänger, reflektiertes
Signal auf die Zwischenfrequenz umsetzt.
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Ein
im Auswertepfad 20 hinter dem lokalen Oszillator 26 liegender
weiterer Signalteiler 30 verteilt das auf die Zwischenfrequenz
verlagerte Sendesignal auf zwei Teilpfade 32 und 34 des
Auswertepfades 20. Wenigstens einer der beiden Teilpfade 32, 34 weist
wenigstens einen Phasenschieber 36 auf, der eine Phasenverschiebung
von 90° zwischen
den in beiden Teilpfaden 32, 34 propagierenden
Signalen erzeugt.
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Jeder
der beiden Teilpfade 32, 34 mündet in einen Demodulator 38, 40,
dem darüber
hinaus ein von einer Empfangsantennenstruktur 42 empfangenes
Radarsignal zugeführt
wurde, das vorher an einem Objekt 44 reflektiert wurde.
In der Darstellung der 1 ist der Demodulator 38 ein „in phase". Demodulator, während der
Demodulator 40 wegen der davor durch den Phasenschieber 36 erfolgenden Phasenverschiebung
um 90° ein „quadrature"-Demodulator ist.
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Zusätzlich zu
einer durch den genannten Phasenschieber 36 erzeugten konstanten
Phasenverschiebung von 90° weisen
Ausgangssignale S_i und S_q der beiden Demodulatoren 38, 40 relativ
zueinander eine weitere Phasenverschiebung und damit auch eine individuelle
Verteilung ihrer jeweiligen spektralen Komponenten auf. Sowohl die
weitere Phasenverschiebung als auch die individuellen Verteilungen
spektraler Komponenten resultieren aus unterschiedlichen Frequenzen
der zu einem bestimmten Zeitpunkt t1 gesendeten und empfangenen Radarsignale.
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Die
empfangenen Radarsignale haben zum Zeitpunkt t1 die Summe der Abstände zwischen
Sendeantennenstruktur 24 und reflektierendem Objekt 44 sowie
zwischen reflektierendem Objekt 44 und Empfangsantennenstruktur 42,
also das Doppelte der Entfernung s zwischen den Antennenstrukturen 24, 42 und
dem Objekt 44 durchlaufen. Wegen der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit
c der Radarwellen sind die reflektierten und zum Zeitpunkt t1 empfangenen
Radarwellen daher zu einem früheren Zeitpunkt
t0 = t1 – c/2s
mit einer Frequenz gesendet worden, die sich von der zum Zeitpunkt
t1 in den Auswertepfad 20 eingespeisten Frequenz unterscheidet.
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Daher
weisen die in jeweils einen der Demodulatoren 38, 40 eingespeisten
Sendesignale und Empfangssignale eine zusätzliche Phasenverschiebung
auf, die von der Laufzeit für
das Doppelte der Strecke s und damit von der Entfernung des Objekts 44 abhängt.
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Resultierende
Ausgangssignale S_i und S_q sind in der 2 b dargestellt.
Die Ausgangssignale S_i und S_q weisen eine insgesamt resultierende Phasenverschiebung
dφ auf,
in der sich die Entfernung s des Objekts 44 von dem Radarsystem 10 abbildet.
Außerdem
weisen die Ausgangssignale S_i und S_q eine unterschiedliche Verteilung
spektraler Komponenten auf.
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Bei
dem per se bekannten Verfahren wird die unterschiedliche Verteilung
der spektralen Komponenten der Ausgangsignale der beiden Demodulatoren 38, 40 ausgewertet.
Dies kann zum Beispiel durch eine Peak-Detektion im Rahmen einer
Fourieranalyse erfolgen. Mit derartigen Methoden der Auswertung
im Frequenzbereich hat sich bei praktischen Untersuchungen unter
Verwendung der genannten Frequenz von 24 GHz und der Bandbreite
von 200 MHz eine Genauigkeit von bestenfalls ca. 40 cm erzielen
lassen.
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Im
Unterschied zu diesem bekannten Verfahren wird im Rahmen der vorliegenden
Erfindung, die sich auf das spezielle Gebiet der Detektion von Objekten 44 in
einer Umgebung eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung eines Schmalband-Radarsystems beschränkt, ergänzend zur
Auswertung der Verteilung spektraler Komponenten im Frequenzbereich eine
Auswertung einer Phasenverschiebung dφ zwischen den demodulierten
Signalen im Zeitbereich vorgenommen.
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Die
damit erzielte Genauigkeit, die nicht mit der Auflösung gleichzusetzen
ist, hat sich in praktischen Untersuchungen bis auf ca. 2 cm verbessern lassen.
Dazu wird die Phasenverschiebung dφ der Ausgangssignale der Demodulatoren
in einem Phasenvergleicher 46 ermittelt, der in der 1 dargestellt
ist.
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Die
Phasenverschiebung dφ kann
zum Beispiel direkt aus dem zeitlichen Verhalten der S_i und S_q
Signale ermittelt werden. Alternativ können Vektoren 48 und 50 in
der S_i/S_q-Ebene gebildet werden, wie sie in der 2c dargestellt
sind. Der Vektor 48 wird aus den genannten Ausgangssignalen
S_i, S_q zum Beispiel für
die untere Grenzfrequenz f1 gebildet, während der Vektor 50 aus
den Ausgangssignalen S_1, S_2 gebildet wird, die sich zum Beispiel bei
der oberen Grenzfrequenz f2 einstellen.
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Die
Entfernung s des Objekts 44 bildet sich im Winkel α zwischen
den beiden Vektoren 48, 50 ab, der mit der Phasenverschiebung
dφ korreliert.
Bei einer praktischen Realisierung hat sich zum Beispiel für eine Entfernung
von 70 cm ein Winkel α von
360° ergeben.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dazu wird in einem ersten Schritt 52 eine an sich bekannte
Auswertung im Frequenzbereich vorgenommen, mit der sich auch eine
Anzahl n reflektierender Objekte 44 im Erfassungsbereich
des Radarsystems 10 feststellen lässt. Daran schließt sich
ein Schritt 54 an, in dem geprüft, wird, ob n gleich 1 ist.
Wenn n ungleich 1 ist, verzweigt das Verfahren in einen Schritt 56,
in dem zum Beispiel einem Fahrer des Kraftfahrzeuges die Zahl n und
die ungefähre,
das heißt
die mit der Frequenzauswertung bestimmbare Entfernung von Objekten 44 signalisiert
wird. Anschließend
kehrt das Verfahren in den Schritt 52 zurück. Solange
n ungleich 1 ist, wird die Schleife aus den Schritten 52, 54 und 56 wiederholt
durchlaufen.
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Wird
dagegen im Schritt 54 festgestellt, dass sich nur ein Objekt 44 im
Erfassungsbereich des Radarsystems 10 befindet, schließt sich
ein Schritt 58 an, in dem die Entfernung dieses Objekts
mit größerer Genauigkeit
durch eine im Zeitbereich erfolgende Auswertung ermittelt wird.
Die so ermittelte Entfernung wird dann dem Fahrer dann in einem
Schritt 60 signalisiert, bevor das Verfahren durch Rückkehr in den
ersten Schritt 52 erneut beginnt.