DE102006022948A1

DE102006022948A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kostengünstigen Ermittlung der Geschwindigkeit aus einem Mikrowellen-Dopplersignal

Info

Publication number: DE102006022948A1
Application number: DE102006022948A
Authority: DE
Inventors: Wassilij Herbrandt; Wulf Kolbe
Original assignee: Deuta Werke GmbH
Current assignee: Deuta Werke GmbH
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: DE102006022948B4

Abstract

Verfahren mittels elektronischer Schaltung zur kontinuierlichen Abtastung analoger Signale, für die ein Quadratursignal zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Komparator das Signal Inphasesignal mit dem Quadratursignal verglichen wird und hierdurch ein Trigger-Signal erzeugt wird, welches einen Timer zur Messung der Periodendauern und eine Abtastung der analogen Werte steuert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kostengünstigen und realistischen Frequenzschätzung der Momentan-Frequenz von Doppler-Signalen aus einem Mikrowellen-Dopplerradar mit ausreichender Genauigkeit und ausreichendem Messbereich.
Stand der Technik:
Für die Bestimmung der Frequenz eines Doppler-Signals sind verschiedene Verfahren bekannt:
Fast Fourier Transformation (FFT), speziell komplexe FFT:
Die am weitesten verbreitete Methode ist die komplexe FFT. Sie erlaubt eine Bewertung der Signal-Integrität, da sich bei einem rotierenden Zeiger jeweils ein Spektrum entsprechend der Drehrichtung ergibt, wogegen alle Störungen zu symmetrischen Beiträgen in beiden Richtungen führen. Hier ist eine frequenzabhängige Einstellung der Abtastrate, d. h. analogdigitale Umwandlung mit entsprechendem Feedback-Kreis erforderlich (z. B. kostengünstige DSP-Lösung oder programmierbarer A/D-Wandler). Nachteilig bei dieser Methode ist, dass die im Niedrigfrequenzbereich benötigte Datenmenge zu zeitlichem Versatz zwischen berechnetem Wert und aktueller Geschwindigkeit führt, insbesondere bei Geschwindigkeiten unter 20 km/h. Daher bedarf dieses Verfahren einer besonderen Behandlung des Niedriggeschwindigkeitsbereiches mit Einsatz eines sehr leistungsfähigen DSP-Signal-Prozessors, der jedoch im allgemeinen zu höheren Kosten führt.
Nullstellenzählen/Zero-Crossing-Methode (ZCR):
Verfahren ist sehr einfach zu implementieren und hat große Ähnlichkeit mit dem oben beschriebenen Verfahren. Aus der Lage der Nullstellen lässt sich das Signal nicht rekonstruieren. Nachteil des Nullstellzählens ist aber der Einfluss von Rausch-Anteilen im Signal.
FSA Frequenzschätz-Algorithmen:
Bestimmung der Phase eines komplexen Signals als Funktion der Zeit und Berechnung der Frequenz anhand der Phasenänderung über der Zeit. Es kann anhand von nur zwei komplexen Werten bereits eine Schätzung erfolgen, die aber wegen der Bildung der arctan Funktion und der Differenzbildung leicht durch Rauschanteile gestört wird. Fehler in der Orthogonalität (Amplitude und Phasenlage) führen zu einem Offset bei der Berechnung.
Autoregressive Filter Methoden:
Frequenzschätzung erfolgt implizit durch Anpassung eines regressiven Modells an die Messwerte, und anschließend wird aus den Modellparametern auf die Frequenz geschlossen. Für Abtastraten in festem Verhältnis zur unbekannten Signalfrequenz existieren recht einfache direkte Formeln. Berechnung liefert wie FSA oft einen Offset. Formeln für offsetfreie Schätzung sind bekannt aber deutlich aufwendiger. Eine einfache Implementation erfordert eine Nachführung der Abtastrate durch einen Regelalgorithmus, d. h. es geht eine vorhergehende Schätzung in das Ergebnis ein.
Das beschriebene Verfahren erreicht eine Frequenzschätzung der Momentan-Frequenz unter Verwendung orthogonaler Signale (Inphase- und Quadratursignale), in welchem nicht-äquidistante Abtastzeitpunkte durch die Kreuzungspunkte zwischen Inphase- und Quadratursignal definiert werden. Das Beispiel gemäß 1 stellt I 1 und Q 2 dar. Die Bedingung für die Kreuzungspunkte kann als Q ≈ I oder vorteilhafter als |Q| ≈ |I|3 definiert werden. Die Gleichheit der Werte von I und Q Kanal definiert Zeitpunkte und Amplituden, die mit einer der beschriebenen Realisierungen erfasst werden. Eine statistische Auswertung der Zeitdifferenzen liefert die Geschwindigkeit, wobei die Amplituden als zusätzliches Qualitätskriterium bei der statistischen Auswertung herangezogen werden. Eine ungefähre Gleichheit reicht aus, da es für das beschriebene Verfahren nicht wichtig ist, eine exakte Gleichheit zu erreichen. Notwendig ist nur, zwei (bzw. vier) Kreuzungspunkte pro Signalperiode zu definieren, damit die zeitlichen Abstände der Kreuzungspunkte und deren Amplituden die gesamte Information des Signals beinhalten. 2 zeigt das aus diesem Verfahren wiederhergestellte Doppler-Spektrum. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Schaltung oder einen Prozessor und zugehörige Speichermedien, durch die das beschriebene Verfahren implementiert wird. Insbesondere sind lediglich ein Mikrowellen-Senderempfänger (z. B. mit einer Patch-Antenne), eine einfache DSP-Lösung oder ein programmierbarer A/D-Wandler und ein Speichermedium erforderlich.
Vorteile:
Die durch das beschriebene Verfahren ermittelten Daten enthalten die vollständige Information über den Signalverfall. Aus den gewonnenen Daten lässt sich das Signal durch einfache Anwendung des Abtasttheorems rekonstruieren.
Das Verfahren lässt sich sehr einfach und damit kostengünstig als elektronische Schaltung realisieren, oder aber in Form eines Algorithmus für die Ausführung aus einem digitalen Signalprozessor definieren.
Der Einfluss von Rausch-Anteilen wird minimiert, da der Vergleich im Bereich großer Amplitude und Amplitudenänderung stattfindet.
Die Amplitudeninformation liefert direkt den RMS-Wert.
Der Signalvergleich findet bei einer implizit definierten Signal-Amplitude statt, daher muß keine Schwelle nachgeregelt oder berechnet und nachgeführt werden.

Claims

Verfahren mittels elektronischer Schaltung zur kontinuierlichen Abtastung analoger Signale, für die ein Quadratursignal zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Komparator das Signal Inphasesignal mit dem Quadratursignal verglichen wird und hierdurch ein Trigger-Signal erzeugt wird, welches einen Timer zur Messung der Periodendauern und eine Abtastung der analogen Werte steuert.
Verfahren mittels DSP mit kontinuierlicher Abtastung analoger Signale, für die ein Quadratursignal zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen digitalen Signalprozessor alle oben beschriebenen Abläufe realisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Auswertung der durch einen Dopplerradar registrierten statistisch schwankenden Periodendauern ein Kalman-Filter verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die analogen Signale vor der Auswertung durch steuerbares Band-Filter in ihrem Signal-Rausch-Verhältnis verbessert bzw. Störungen der Signalamplituden reduziert werden.