DE102005033403A1

DE102005033403A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur genauen Entfernungsbestimmung

Info

Publication number: DE102005033403A1
Application number: DE200510033403
Authority: DE
Inventors: Siegbert Steinlechner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-07-18
Filing date: 2005-07-18
Publication date: 2007-01-25
Also published as: WO2007009833A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur genauen Entfernungsbestimmung durch genaue Echolaufzeitmessung eines wellenförmigen, pulsmodulierten Signals beschrieben, bei dem die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: DOLLAR A - Erzeugung und Entsendung des wellenförmigen, pulsmodulierten Signals, DOLLAR A - Empfangen des von einem entfernten Gegenstand reflektierten Echos des Signals, DOLLAR A - Erzeugung eines Echoabtastwerte und zugeordnete, diskrete Echoabtastzeitpunkte umfassenden Echosignals durch Abtasten des empfangenen Echos mit einer endlichen Abtastrate, DOLLAR A - Vergleich des Echosignals mit einem der Form des gesendeten Signals entsprechenden, gespeicherten Referenzsignals, wobei durch Veränderung der Referenzsignalparameter Referenzsignalamplitude und Referenzsignalphasenverschiebung diejenigen Referenzsignalparameter bestimmt werden, für die die größte Ähnlichkeit zwischen Referenzsignal und Echosignal erzielt wird, DOLLAR A - Bestimmung der genauen Echolaufzeit anhand der Referenzsignalparameter, bei denen die größte Ähnlichkeit zwischen Empfangssignal und Referenzsignal vorliegt, sowie DOLLAR A - Bestimmung der Entfernung des Gegenstandes anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Echolaufzeit des Signals. DOLLAR A Darüber hinaus wird eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.

Description

Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, gemäß Anspruch 9.

Die technische Messung von Entfernungen erfolgt häufig durch eine Bestimmung der Echolaufzeit eines von einem Messgerät ausgesandten und von einem Ziel oder einem entfernten Gegenstand reflektierten wellenförmigen Signals. Häufig werden hierzu elektromagnetische Wellen, wie beispielsweise bei der Entfernungsmessung mittels RADAR oder LIDAR, oder akustische Wellen, wie beispielsweise bei der Entfernungsmessung mittels Ultraschall, verwendet.

Um die Echolaufzeit bestimmen zu können, muss das ausgesandte Signal geeignet moduliert werden. Verbreitete Modulationsarten sind hierbei die Pulsmodulation, die sinusförmige Amplitudenmodulation mit gegebenenfalls mehreren, sequenziell verwendeten Modulationsfrequenzen, die Frequenzmodulation, beispielsweise verwendet beim FMCW-RADAR, und die Pseudo-Noise-Modulation. Im Folgenden wird die Pulsmodulation genauer betrachtet.

Pulsmodulation wird beispielsweise bei PulsLIDAR und PulsRADAR angewandt. Bei der Pulsmodulation wird das Trägersignal mit einem kurzen, typischerweise etwa zwischen 0.1 ns bis 30 ns dauernden Sendeimpuls moduliert. Dieser gelangt nach der Reflektion am Ziel nach der Echolaufzeit τ zum Empfänger. Eine Auswerteschaltung im Empfänger hat die Aufgabe, die Echolaufzeit τ möglichst genau zu schätzen und daraus unter Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Signals die Entfernung d zum Ziel oder zu einem Gegenstand zu berechnen.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Signals ist dabei im Falle einer Verwendung von elektromagnetischen Wellen die Lichtgeschwindigkeit und im Falle einer Verwendung von akustischen Wellen die Schallgeschwindigkeit.

Aus der Wiener Filter-Theorie und aus der Radartechnik ist das auch als Matched Filter bezeichnete, Optimalfilter bekannt. Es besitzt eine Impulsantwort, die der zeitlich rückwärts laufenden Sendeimpulsform entspricht. Aus Skolnik „Introduction to Radar Systems", McGraw-Hill, 1962, Kap. 9.2 Matched-Filter Receiver ist bekannt, dass der Spitzenwert des Ausgangssignals ein maximales Verhältnis zum vorhandenen Systemrauschen erreicht, wenn das empfangene Echo des Sendeimpuls auf ein solches Matched Filter gegeben wird. Dieselbe Eigenschaft besitzt auch der so genannte Korrelationsempfänger, bei dem das empfangene Echo mit dem gesendeten Signal korreliert wird.

Wird der Zeitpunkt des Maximalwerts am Ausgang des Matched Filters oder des Korrelators genau gemessen, kann daraus die Echolaufzeit bestimmt werden.

In der Praxis können jedoch Zeiten nur mit endlicher Auflösung gemessen werden. Wird beispielsweise ein 150 MHz Quarzoszillator und ein digitaler Zähler zur Zeitmessung benutzt, so beträgt die Zeitauflösung 6,67 ns, was bei Entfernungsmessungen mittels RADAR oder LIDAR einer Entfernungsauflösung von 1 m entspricht.

Weiterhin werden die empfangenen Echos nach dem Stand der Technik nicht analog weiter verarbeitet. Sie werden in einem Abtaster und A/D-Wandler digitalisiert, wobei die Abtastrate typischerweise im Nanosekunden-Bereich liegt. Das Matched Filter kann hierbei vor oder nach dem A/D-Wandler angeordnet sein.

Durch die Abtastung mit endlicher Abtastrate f_a wird die Pulsmodulation beim empfangenen Echo durch wenige Abtastwerte dargestellt. Da die zeitliche Auflösung der Abtastwerte dem Kehrwert der Abtastrate entspricht, muss der Verlauf des den am Ziel reflektierten Sendeimpuls beinhaltenden, analogen Echos, beispielsweise der Zeitpunkt und die Höhe des Spitzenwerts oder des Schwerpunkts aus den Abtastwerten rechnerisch rekonstruiert werden, um daraus die Echolaufzeit mit deutlich erhöhter Auflösung zu bestimmen. Im obigen Beispiel bedeutet dies, aus Echoabtastwerten mit 1 m Abstandsauflösung eine rechnerische Auflösung von beispielsweise 1 mm zu gewinnen.

Da die empfangenen Echos häufig oberhalb der halben Abtastrate noch zumindest schwache Frequenzanteile besitzen, wird im Abtaster das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem verletzt. Dadurch wird die rechnerische Rekonstruktion ungenau, und es werden systematische, über dem Abstand periodische Fehler in der Entfernungsmessung erzeugt. Hieraus folgt, dass nach dem Stand der Technik keine genaue Echolaufzeitmessung und damit auch keine genaue Entfernungsmessung möglich ist.

Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:

Die Nachteile des Standes der Technik werden bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung vermieden durch die Verfahrensschritte

– Erzeugung und Entsendung des wellenförmigen, pulsmodulierten Signals,
– Empfangen des von einem entfernten Gegenstand reflektierten Echos des Signals,
– Erzeugung eines Echoabtastwerte und zugeordnete, diskrete Echoabtastzeitpunkte umfassenden Echosignals durch Abtasten des empfangenen Echos des Signals in diskreten Abtastintervallen mit einer endlichen Abtastrate,
– Vergleich des Echosignals mit einem der Form des gesendeten Signals entsprechenden, gespeicherten Referenzsignal, wobei durch Veränderung der Referenzsignalparameter Referenzsignalamplitude und Referenzsignalphasenverschiebung diejenigen Referenzsignalparameter bestimmt werden, für die die größte Ähnlichkeit zwischen Referenzsignal und Echosignal erzielt werden,
– Bestimmung der genauen Echoamplitude und der Echolaufzeit anhand der Referenzsignalparameter, bei denen die größte Ähnlichkeit zwischen Empfangssignal und Referenzsignal vorliegt, sowie
– Bestimmung der Entfernung des Gegenstandes anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Echolaufzeit des Signals.

Die Erfindung ermöglicht die hoch genaue Messung von Echolaufzeiten bzw. von Entfernungen, ohne dass die endliche Abtastrate bzw. eine Verletzung des Abtasttheorems zu systematischen Fehlern führen.

Die Erfindung basiert darauf, dass die Form des empfangenen Echos des entsandten Signals als Referenzsignal bekannt ist. Das Referenzsignal liegt dabei entweder als Formel, oder als gespeicherte Messwertfolge mit einer höheren als durch die Abtastrate erzielbaren Auflösung vor.

Es werden die Amplitude und die zeitliche Position dieses Referenzsignals so gewählt, dass sie den Abtastwerten des tatsächlichen Empfangsechos möglichst ähnlich sind, und zwar im Sinne der kleinsten Fehlerquadratsumme. Dadurch weisen das so konstruierte Referenzsignal und das Echo dieselben Verletzungen des Abtasttheorems auf, wodurch systematische Fehler bereits im Ansatz vermieden werden. Die Parameter des Referenzsignals liefern die Echo-Amplitude und die Echolaufzeit.

Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wege zur Ausführung der Erfindung:
Eine Steuerung 1 regt periodisch den Sender TX zur Abgabe eines pulsmodulierten, wellenförmigen Signals mit der normierten Hüllkurve f(t) an. Das von einem Ziel G im Abstand d reflektierte Echo des Signals besitzt die Hüllkurve A·f(t – τ),wobei A die Amplitude des Echos und τ die Echolaufzeit darstellen. Nach Abtastung und A/D-Wandlung in einem kombinierten Abtaster und A/D-Wandler 2 mit der Abtastrate f_a stehen digitalisierte Echoabtastwerte mit zugeordneten, beispielsweise durch fortlaufende Indizes I wiedergegebenen Echoabtastzeitpunkten zur Verfügung, die in einem Speicher 3, beispielsweise einem First-In-First-Out-Speicher, FIFO, zwischengespeichert werden. Die Folge der Echoabtastwerte und der zugeordneten Echoabtastzeitpunkte bilden das zu betrachtende Echosignal.
Anschließend wird das Echosignal mit einem der Form des gesendeten Signals entsprechenden, gespeicherten Referenzsignal verglichen. Durch Veränderung der Referenzsignalparameter Referenzsignalamplitude und Referenzsignalphasenverschiebung werden diejenigen Referenzsignalparameter bestimmt, bei denen die größte Ähnlichkeit zwischen Referenzsignal und Echosignal vorliegt. Dies geschieht durch Verschieben der Phasenlage, entsprechend einer zeitlichen Verschiebung, sowie durch Anheben oder Absenken der Amplitude des Referenzsignals, bis das Referenzsignal mit allen im zwischengespeicherten Abschnitt des Echosignals liegenden Echoabtastwerten in Deckung gebracht ist. Anhand der so gewonnenen Referenzsignalparameter wird die genaue Echoamplitude und die genaue Echolaufzeit bestimmt. Anhand der Echolaufzeit und der der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals wird im letzten Schritt die Entfernung zum Ziel G berechnet.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird nach der Erzeugung des die Echoabtastwerte und zugeordneten Echoabtastzeitpunkte umfassenden Echosignals durch Abtasten des Echos mittels des kombinierten Abtasters und A/D-Wandlers 2 zunächst eine grobe Zieldetektion durchgeführt. Dazu wird beobachtet, ob die Echoabtastwerte einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten und an welchem Echoabtastwert mit dem den Echoabtastzeitpunkt charakterisierenden Index I das Maximum auftritt.
Das Echosignal wird hierzu einem Matched Filter zugeführt. Danach wird durch Vergleich mit einem Schwellwert die Bestimmung des dem Echoabtastzeitpunkt des jeweiligen Echoabtastwerts entsprechenden Indexes I durchgeführt, bei dem die Echoabtastwerte ein Maximum aufweisen. Matched Filter und die nachgeschaltete Schaltungsanordnung zur groben Entfernungsberechnung sind in einer gemeinsamen Schaltungsanordnung 4 untergebracht.
Danach steht ein in ganzen Abtastperioden I/f_a seit dem Sendezeitpunkt gemessener Grobwert für den Echoempfangszeitpunkt I zur Verfügung. Die Zahl I ist hierbei eine ganze Zahl, welche den durch die zeitliche Auflösung der Abtastwerte bzw. den Kehrwert der Abtastrate bestimmten Echoabtastzeitpunkt charakterisiert, bei dem der zugehörige Echoabtastwert ein Maximum einnimmt.
Im nächsten Schritt werden die den Grobwert des Echoempfangszeitpunkts umgebenden ,Echoabtastwerte s_i mit den Indizes i = {I – k, ..., I + k}mit k ∈ Z,beispielsweise k = 5 sowie dem Echoabtastwert mit dem Index I einer Schaltung zur genauen Zielberechnung 5 zugeführt. In dieser Schaltung 5 wird die zusätzlich notwendige zeitliche Verschiebung Δi und die Amplitude A des Referenzsignals bestimmt, so dass das Referenzsignal den tatsächlichen, übergebenen Echoabtastwerten im Sinne der kleinsten Fehlerquadratsumme möglichst ähnlich wird. Hierzu werden die folgende Schritte durchgeführt:

a) Δi wird im Bereich –0.5 ... +0.5 um den grobbestimmten Echoabtastwert mit dem Index I herum variiert.
b) Für jede betrachtete Verschiebung Δi wird eine hypothetische Amplitude A_mess(Δi) berechnet zu:
c) Für jeden betrachteten Wert Δi wird die Fehlerquadratsumme e(Δi) berechnet zu:
d) Es wird derjenige Wert von Δi bestimmt, bei dem e(Δi) minimal wird.
e) Die genaue Echolaufzeit ist dann (I + Δi)/f_a.

Falls das Referenzsignal mit der Hüllkurve f(t) als Formel vorliegt, kann Δi beliebig genau berechnet werden. Dazu wird die Gleichung in Schritt c) nach Δi abgeleitet und gleich Null gesetzt. Die genaue Lösung kann dann beispielsweise mit Hilfe weniger Iterationen des Newton-Verfahrens gefunden werden.
Falls das Referenzsignal mit der Hüllkurve f(t) nur als gespeicherte Messwertfolge verfügbar ist, werden Referenzsignalabtastwerte von f(t) mit einer gegenüber der Abtastperiode 1/f_a um den Faktor N erhöhten zeitlichen Auflösung, beispielsweise N = 16 der Schaltung zur genauen Zielberechnung 5 als Tabelle zur Verfügung gestellt. Dies bedeutet, dass Δi im interessierenden Bereich –0.5 ... 0.5 um den Echoabtastzeitpunkt I herum insgesamt N+1 verschiedene Werte annehmen kann. Ist derjenige diskrete Wert Δi_min gefunden, für den die Fehlerquadratsumme e minimal wird, wird eine Nachverbesserung durchgeführt. Dazu werden die Werte der Fehlerquadratsumme e zusätzlich an den Nachbarstellen Δi_min – 1 und Δi_min + 1 betrachtet:
Aus den Werten von I, Δi, f_a und der Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit c des entsandten Signals kann dann die Entfernung d zum Ziel G berechnet werden. Der Wert A_mess(Δi) in Schritt b) entspricht dabei der Zielamplitude A.
Gewerbliche Anwendbarkeit:
Die Erfindung ist insbesondere für die Herstellung und den Betrieb von Entfernungsmessvorrichtungen, wie beispielsweise zur Abstandsregelung, zur Kollisionserkennung, zur Fahrspurerkennung oder zur allgemeinen Umfelderfassung mittels RADAR, LIDAR oder Ultraschall in Kraftfahrzeugen gewerblich anwendbar.

Claims

Verfahren zur genauen Enffernungsbestimmung durch genaue Echolaufzeitmessung eines wellenförmigen, pulsmodulierten Signals, umfassend die Verfahrensschritte – Erzeugung und Entsendung des wellenförmigen, pulsmodulierten Signals, – Empfangen des von einem entfernten Gegenstand reflektierten Echos des Signals, – Erzeugung eines Echoabtastwerte und zugeordnete, diskrete Echoabtastzeitpunkte umfassenden Echosignals durch Abtasten des empfangenen Echos mit einer endlichen Abtastrate, – Vergleich des Echosignals mit einem der Form des gesendeten Signals entsprechenden, gespeicherten Referenzsignal, wobei durch Veränderung der Referenzsignalparameter Referenzsignalamplitude und Referenzsignalphasenverschiebung diejenigen Referenzsignalparameter bestimmt werden, für die die größte Ähnlichkeit zwischen Referenzsignal und Echosignal erzielt werden, – Bestimmung der genauen Echolaufzeit anhand der Referenzsignalparameter, bei denen die größte Ähnlichkeit zwischen Empfangssignal und Referenzsignal vorliegt, sowie – Bestimmung der Entfernung des Gegenstandes anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Echolaufzeit des Signals.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Bestimmung der größten Ähnlichkeit zwischen Echosignal und Referenzsignal die Fehlerquadratsumme zwischen den beiden Signalen gebildet wird und die Referenzsignalparameter so variiert werden, dass die Fehlerquadratsumme ein Minimum einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Referenzsignal in Form einer mathematischen Funktion und/oder in Form einer vorzugsweise in einer höheren Auflösung als das Empfangssignal vorliegenden Messwertfolge gespeichert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Echosignal zwischengespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei zunächst anhand des Echosignals eine Grobbestimmung der Echolaufzeit durch Bestimmung desjenigen Abtastzeitpunkts erfolgt, bei dem der zugeordnete Echoabtastwert im Vergleich zu den benachbarten Echoabtastwerten ein der Pulsmodulation entsprechendes Maximum einnimmt, und anschließend eine Feinabstimmung der Echolaufzeit durch Vergleich des zwischengespeicherten Echosignals mit dem Referenzsignal erfolgt, wobei die Referenzsignalparameter ausgehend von dem grobbestimmten Abtastzeitpunkt im Bereich der benachbarten Abtastintervalle so verändert werden, dass die größte Ähnlichkeit zwischen Referenzsignal und Echosignal erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grobbestimmung des der Echolaufzeit entsprechenden Abtastzeitpunkts, bei dem der zugehörige Abtastwert ein Maximum einnimmt, mittels eines Matched-Filters erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal durch Abtastung des gesendeten Signals mit einer endlichen Abtastrate gewonnene Signalabtastwerte sowie zugeordnete, diskrete Signalabtastzeitpunkte umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalabtastwerte sowie die zugeordneten, diskreten Signalabtastzeitpunkte zwischengespeichert werden.
Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (1, TX) zur Erzeugung und Entsendung eines pulsmodulierten, wellenförmigen Signals, Mittel (RX) zum Empfangen eines an einem entfernten Gegenstand (G) reflektierten Echos des entsandten Signals, Mittel (3) zur Speicherung eines Referenzsignals, Mittel (5) zum Vergleich des Echosignals mit dem Referenzsignal, Mittel (5) zur Veränderung der Referenzsignalparameter, sowie Mittel (5) zur Bestimmung der Echolaufzeit sowie der Entfernung des entfernten Gegenstandes anhand der Referenzparameter Referenzsignalamplitude und Referenzsignalphasenverschiebung, bei denen die größte Ähnlichkeit zwischen Referenzsignal und Echosignal erzeugt wurde.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel (3) zur Zwischenspeicherung des Echosignals.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Mittel (4) zur Grobbestimmung der Echolaufzeit.