DE102009000468A1

DE102009000468A1 - Radarverfahren und -systeme mit Rampensequenzen

Info

Publication number: DE102009000468A1
Application number: DE102009000468A
Authority: DE
Inventors: Volker Winkler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2029-01-30
Also published as: US20100289692A1; DE102009000468B4; US8026843B2

Abstract

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer Entfernung und einer Geschwindigkeit eines Ziels. Bei diesem Verfahren wird eine elekromagnetische Welle über einen Frequenzbereich gesendet, wobei eine Periode der Welle eine Anzahl fortlaufender Rampen umfasst. Eine erste Rampe in der Periode wird über einen ersten Teil des Frequenzbereichs gesendet und eine zweite Rampe in der Periode wird über einen zweiten Teil des Frequenzbereichs gesendet, der von dem ersten Teil verschieden ist. Die zweite Rampe ist um eine Frequenzverschiebung relativ zu der ersten Rampe versetzt. Eine gestreute Welle wird von dem Ziel empfangen und verarbeitet, um die Entfernung und die Geschwindigkeit des Ziels zu bestimmen. Außerdem werden andere Verfahren und Systeme offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Radarsysteme und insbesondere frequenzmodulierte Dauerstrich-(FMCW-)Radarsysteme.
Radarsysteme sind Systeme, die elektromagnetische Wellen verwenden, um die Entfernung, Richtung und/oder Geschwindigkeit sowohl von beweglichen Objekten als auch von stationären Zielen zu identifizieren. Zum Beispiel wird Radar oft verwendet, um Wetterbedingungen, Schiffe, Flugzeuge, Kraftfahrzeuge, geologische Formationen zu detektieren, und auch viele andere Anwendungen.
Um diese Funktionalität zu ermöglichen, enthalten Radarsysteme einen Radarsender, der elektromagnetische Wellen wie etwa Funkwellen sendet, die von einem Ziel gestreut oder reflektiert werden. Ein Radarempfänger, der sich in der Regel an ungefähr demselben Ort wie der Sender befindet, empfängt dann die gestreute Welle und analysiert sie, um Entfernung, Richtung und/oder Geschwindigkeit des Ziels zu bestimmen. Da sich Hochfrequenzsignale relativ leicht verstärken lassen, kann der Empfänger, obwohl die gestreute Welle gewöhnlich sehr schwach ist, die empfangene gestreute Welle so verstärken, dass sie geeignet verarbeitet werden kann. Deshalb können Radarsysteme Objekte in Entfernungen detektieren, in denen andere elektromagnetische Wellen, wie zum Beispiel Schall oder sichtbares Licht, zu schwach wären, um detektiert zu werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, bekannte Radarsysteme bzw. die mit solchen durchgeführten Messverfahren zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 8 bzw. durch die Radarsysteme gemäß den Ansprüchen 14, 19 und 23 gelöst. Weitere beispielhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es folgt eine vereinfachte Kurzfassung, um ein grundlegendes Verständnis eines oder mehrerer Aspekte der Erfindung zu ermöglichen. Diese Kurzfassung ist keine extensive Übersicht über die Erfindung und soll weder wesentliche oder kritische Elemente der Erfindung identifizieren, noch deren Schutzumfang abzeichnen. Statt dessen ist der Hauptzweck der Kurzfassung, als Einleitung für die später dargestellte ausführlichere Beschreibung bestimmte Konzepte der Erfindung in vereinfachter Form darzustellen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Detektieren einer Entfernung und einer Geschwindigkeit eines Ziels. Bei diesem Verfahren wird eine elektromagnetische Welle über einen Frequenzbereich gesendet, wobei eine Periode der Welle eine Anzahl aufeinanderfolgender Rampen umfasst. Eine erste Rampe in der Periode wird über einen ersten Teil des Frequenzbereichs gesendet und eine zweite Rampe in der Periode wird über einen zweiten Teil des Frequenzbereichs gesendet, der von dem ersten Teil verschieden ist. Die zweite Rampe ist um eine Frequenzverschiebung relativ zu der ersten Rampe versetzt. Eine gestreute Welle wird von dem Ziel empfangen und verarbeitet, um Entfernung und Geschwindigkeit des Ziels zu bestimmen.
Die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen legen bestimmte beispielhafte Aspekte und Implementierungen der Erfindung im Detail dar. Diese geben nur einige wenige der verschiedenen Weisen an, auf die die Prinzipien der Erfindung verwendet werden können.
1–2 zeigen ein Radarsystem, das einen Radarsender und einen Radarempfänger enthält;
3 zeigt eine Ausführungsform einer elektromagneti schen Welle gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer digitalen Schaltung für ein Radarsystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer analogen Schaltung für ein Radarsystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren einer Entfernung und Geschwindigkeit eines Ziels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
7 ist ein Flussdiagramm eines anderen Verfahrens zum Detektieren einer Entfernung und Geschwindigkeit eines Ziels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt eine graphische Betragsdarstellung für ein Beispiel für eine zweidimensionale schnelle Fourier-Rücktransformation (2D-IFFT); und
9 zeigt eine graphische Betragsdarstellung als graphische Oberflächendarstellung für ein Beispiel für eine zweidimensionale schnelle Fourier-Rücktransformation (2D-IFFT).
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bzw. Signale mit gleicher Bedeutung.
Eine oder mehrere Implementierungen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, indem durchweg gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Elemente zu kennzeichnen.
Mit Bezug auf 1–2 ist ein Beispiel für ein Radarsys tem 100 abgebildet, das einen Sender 102 und einen Empfänger 104 enthält. Bei einer Ausführungsform befinden sich der Sender 102 und der Empfänger 104 am selben Ort, wie zum Beispiel in einem mit einem Radarsystem ausgestatteten Kraftfahrzeug. Wie 1 zeigt, enthält der Radarsender 102 mindestens eine Antenne 106 zum Senden von elektromagnetischen Wellen 108, wie zum Beispiel Funkwellen. Ähnlich enthält der Radarempfänger 104 in 2 mindestens eine Antenne 110 zum Empfangen einer gestreuten Welle 112, die von einem Ziel 114 reflektiert wird. Bei einer Ausführungsform können der Sender 102 und der Empfänger 104 diese Signale 108, 112 in Verbindung miteinander senden und empfangen, um sowohl Entfernung als auch Geschwindigkeit des Ziels 110 zu bestimmen.
Bei einer Ausführungsform bilden das Radarsystem 100 und der Sender 102 und der Empfänger 104 ein Dauerstrich-Radarsystem. Dauerstrichradar funktioniert durch Detektieren einer Phasenverschiebung zwischen der gesendeten Welle 108 und der gestreuten Welle 112 und anschließende Analyse der Phasenverschiebung zur Bestimmung von Informationen über ein Ziel 114. Um diese Detektionsfähigkeit zu ermöglichen, ändert der Sender 102 die Frequenz der gesendeten Welle 108 als Funktion der Zeit. Nach dem Senden besteht eine Verzögerung, bevor die gesendete Welle 108 von dem Ziel 114 reflektiert und die gestreute Welle 112 durch den Empfänger 104 empfangen wird. Bei FMCW-Radarsystemen wird eine Frequenzrampe erzeugt und gesendet. Das gestreute Signal 112 wird in einem Mischer mit Hilfe des gesendeten Signals abwärts umgesetzt. Das empfangene Signal ist eine verzögerte Frequenzrampe mit einer Phasenverschiebung, die eine Funktion der Laufzeit ist. Eine durch einen Mischer durchgeführte Multiplikation des gesendeten und empfangenen Signals stellt ein Basisbandsignal bereit, das eine Frequenz aufweist, die direkt proportional zu der Distanz des Ziels von dem Radarsystem 100 ist. Während dieser Verzögerung verschiebt sich der Sender 102, um mit einer bestimmten anderen Frequenz zu senden. Die Menge an Verschiebung zwischen der gesendeten Welle 108 und der gestreuten Welle 112 ist im allgemeinen über längere Zeiten hinweg größer, so dass eine größere Phasenverschiebung zum Beispiel tendenziell längeren Distanzen entspricht. Auf diese Weise kann die Entfernung zu dem Ziel 114 bei einer Ausführungsform bestimmt werden. Eine unzweideutige Bestimmung sowohl von Geschwindigkeit als auch Entfernung eines gegebenen Ziels kann jedoch schwierig sein.
3 zeigt eine Ausführungsform einer elektromagnetischen Welle 300 gemäß Aspekten der Erfindung. Obwohl auch andere Lösungen in frequenzmodulierten Dauerstrich-(FMCW-)Radarsystemen Entfernungs- und Geschwindigkeitsdetektion bereitstellen können, ergeben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mehrere Vorteile. Im Vergleich zu vielen anderen Systemen gewährleistet diese Lösung zum Beispiel eine relativ kleine ZF-Bandbreite, wodurch sich die Schaltkreise des Radarsystems vereinfachen. Obwohl bestimmte vorbekannte Lösungen einen I/Q-Demodulator erfordern, kann die vorliegende Lösung außerdem mit oder ohne einen I/Q-Demodulator realisiert werden. I/Q-Demodulatoren erfordern in der Regel mindestens zwei Mischer und ein 90°-Phasenverschiebungsmodul. Bei Ausführungsformen ohne I/Q-Demodulator kann die vorliegende Erfindung nur einen einzigen Mischer zur Modulation umfassen, wodurch sich der Verbrauch des Stroms und die Fläche auf der Leiterplatte oder integrierten Schaltung reduziert. Deshalb können die elektromagnetische Welle von 3 und die zugeordneten Schaltkreise Leistungs- und Kostenvorteile bereitstellen.
Wie gezeigt überspannt die elektromagnetische Welle 300 einen gesamten Frequenzbereich F_t und weist eine Periode T_t auf, die bei bestimmten Ausführungsformen einer Periode einer Basisbandfrequenz entspricht. Innerhalb der dargestellten Periode T_t enthält die elektromagnetische Welle 300 eine Reihe von N fortlaufenden Rampen, die jeweils eine Dauer von T_s aufweisen, wobei die Rampen in aufsteigender oder absteigender Reihenfolge mit einer Frequenzverschiebung Δf dazwischen gesendet werden. Somit überdecken die N fortlaufenden Rampen den Frequenzbereich F_t, aber jede fortlaufende Rampe überdeckt nur einen Teil des Frequenzbereichs F. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Rampen dreieckige Rampen. Bei anderen Ausführungsformen können die Rampen jedoch auch im wesentlichen dreieckig sein und/oder andere Geometrien aufweisen.
Genauer gesagt enthält die Welle 300 eine erste fortlaufende Rampe (Rampe 1), die über einen ersten Teil F_P1 des Frequenzbereichs F_T gesendet wird. Die erste fortlaufende Rampe (Rampe 1) enthält ein erstes Rampensegment 302, das stückweise mit einem zweiten Rampensegment 304 kontinuierlich ist. Eine zweite fortlaufende Rampe (Rampe 2) wird über einen zweiten Teil F_P2 des Frequenzbereichs F_t gesendet und enthält ein drittes Rampensegment 306, das stückweise sowohl mit dem zweiten Rampensegment 304 als auch einem vierten Rampensegment 308 kontinuierlich ist. Oft weisen das erste und das dritte Rampensegment 302, 306 eine Steigung (z. B. eine positive Steigung) auf und das zweite und das vierte Rampensegment 304, 308 eine andere Steigung (z. B. eine negative Steigung). Wieder sind die erste und die zweite fortlaufende Rampe (Rampe 1, Rampe 2) relativ zueinander um die Frequenzverschiebung Δf versetzt. Außerdem werden innerhalb der Periode T_t auf ähnlich Weise wie gezeigt zusätzliche fortlaufende Rampen gebildet.
Entlang jeder Rampe befinden sich bei verschiedenen Ausführungsformen L Abtastpunkte 310. Im wesentlichen nimmt das Radarsystem Messungen (Abtastwerte) sowohl der gesendeten Welle als auch der empfangenen gestreuten Welle zu diesen Zeitpunkten und misst dann eine Phasendifferenz zwischen den gesendeten und empfangenen Signalen. Diese Phasendifferenz kann dann verwendet werden, um unzweideutig die Entfernung und Geschwindigkeit eines Ziels zu bestimmen. Wie gezeigt werden aufeinander folgende Abtastzeiten durch ein Abtastintervall T_A getrennt. Es besteht ein Frequenzschritt f_step zwi schen fortlaufenden Abtastzeiten zugeordneten Frequenzen.
Nunmehr mit Bezug auf 4 ist eine Ausführungsform eines Blockschaltbilds einer Schaltung 400 abgebildet, die dafür ausgelegt ist, die in 3 gezeigte elektromagnetische Welle zu realisieren. Um die elektromagnetische Welle zu senden, enthält die Schaltung 400 bei einer Ausführungsform einen Speicher 402, einen Steuerautomaten 404 (control statemachine), einen Akkumulator 406, eine Interpolationsschaltung 408, eine Kalibrationsspeicher-Abstimmgesetzschaltung 410 (calibration memory tuning law circuit), eine Linearinterpolationssteuerschaltung 412 (linear interpolation control circuit) und einen Digital-Analog-(DIA-)Umsetzer 414. Der DIA 414 sendet einen letzten interpolierten Wert zu einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 508, der wie zuvor besprochen eine elektromagnetische Welle 300 sendet. Um die abgetasteten Daten auf der Empfängerseite bereitzustellen, enthält die Schaltung 400 von 4 einen Analog-Digital-(A/D-)Umsetzter 416, der in Verbindung mit einer A/D-Steuerung 418 arbeitet. Der A/D-Umsetzer 416 empfängt ein Basisbandsignal, das eine abwärts umgesetzte Version des durch einen oder mehrere Empfänger empfangenen gestreuten Wellensignals ist.
Um die gewünschte elektromagnetische Welle 300 zu senden, speichert der Speicher 402 Daten, die die Rampen der elektromagnetischen Welle 300 betreffen. Genauer gesagt speichert ein Inkrementspeicher 420 die jeder Rampe zugeordnete Steigung, ein Zyklusspeicher 422 speichert die Dauer, für die jede Steigung gesendet werden soll, und ein Verzögerungsspeicher 424 bestimmt, wann der Steuerautomat 404 und der Analog-Digital-(A/D-)Umsetzer 416 zu starten sind.
Der Steuerautomat 404 liest periodisch durch Inkrementieren einer Speicheradresse aus dem Speicher 402, um die gewünschte Rampenformung (ramp shaping) zu ermöglichen. Um zum Beispiel die erste Rampe zu erzeugen, liest der Steuerautomat 404 den Inkrementspeicher 420, um die Steigung der ersten Rampe (z. B. „2") zu finden, liest den Zyklusspeicher 422, um die Dauer der ersten Rampe (z. B. „10 Taktzyklen") zu bestimmen, und liest den Verzögerungsspeicher 424 für die Verzögerung (z. B. „100 Taktzyklen"). Nach dem Empfangen des „Start"-Signals wartet der Steuerautomat 404 somit 100 Taktzyklen (Verzögerung) und führt dem Akkumulator 406 dann für die nächsten 10 Taktzyklen eine Rampensteigung von 2 zu.
Bei einer Ausführungsform addiert der Akkumulator 406 den Wert der derzeitigen Steigung zu einem darin gespeicherten derzeitigen Zählwert. Auf diese Weise gibt der Akkumulator 406 eine Reihe uninterpolierter Frequenzen an die Interpolationssteuerung 408 aus. Mit der Zeit werden die uninterpolierten Frequenzen verwendet, um die Rampen wie in 3 gezeigt zu bilden, können aber etwa nichtlinear sein. Unter der Annahme, dass der Akkumulator 406 in dem Beispiel aus dem vorherigen Absatz auf „0" initialisiert wurde, gibt der Akkumulator 408 zum Beispiel für die ersten 100 Taktzyklen eine uninterpolierte Frequenz von „0" an die Interpolationssteuerung 408 aus, legt dann in dem Taktzyklus 101 eine uninterpolierte Frequenz von 2 vor, legt dann in dem Taktzyklus 102 eine uninterpolierte Frequenz von 4 vor und so weiter. Auf diese Weise kann eine linear zunehmende uninterpolierte Frequenz bereitgestellt werden.
Die Interpolationssteuerschaltung 408 kann in Verbindung mit der Kalibrationsspeicher-Abstimmgesetzschaltung 410 arbeiten, um sicherzustellen, daß die tatsächlich gesendeten Rampensegmente linear sind. Zu diesem Zweck charakterisieren die Kalibrationsspeicher-Abstimmgesetzschaltkreise 410, bevor die Rampensegmenterzeugung beginnt (z. B. während der Verzögerungszyklen) das Verhalten des VCO 508 über die Frequenz, mit der die elektromagnetischen Wellen gesendet werden. Wenn das Abstimmgesetz des VCO nichtlinear ist, speichern die Kalibrationsspeicher-Abstimmgesetzschaltkreise 410 diese Nichtlinearität angebende Daten. Während der Übertragung empfängt die Interpolationssteuerschaltung 408 (interpolation control circuit) die zu sendende derzeitige Frequenz aus dem Akkumulator 406 und berechnet die notwendigen D/A-Umsetzerabtastwerte für eine lineare Rampe auf der Basis der durch die Kalibrationsspeicher-Abstimmgesetzschaltung 410 (calibration memory tuning law circuit) bereitgestellten Daten.
Bei einer Ausführungsform enthält die Linearinterpolationsschaltung 412 Subtrahierer 426, 428; Mischer 430, 432; und einen Addierer 434, der dem D/A-Umsetzer 414 einen letzten interpolierten Frequenzwert zuführt. Der D/A-Umsetzer 414 setzt diesen letzten interpolierten Frequenzwert in analoge Form um und leitet ihn zu dem VCO 508.
Auf der Empfängerseite empfängt die Schaltung 400 das Basisbandsignal (das abwärts umgesetzt wurde) und setzt es in dem A/D-Umsetzer 416 in ein digitales Signal um. Die A/D-Steuerung 418 arbeitet in Verbindung mit dem A/D-Umsetzer 416, um die abgetasteten Daten bereitzustellen, die die gestreute Welle repräsentieren.
Nunmehr mit Bezug auf 5 ist ein Beispiel für eine Analogschaltung 500 abgebildet, die an die Schaltung 400 angeschaltet werden kann, um die gewünschten elektromagnetischen Wellen zu senden und zu empfangen. Die Analogschaltung 500 enthält bei einer Ausführungsform einen Sendekanal 502; zwei Empfangskanäle 504, 506; und den VCO 508. Kurz gefasst kann der VCO 508 eine analoge Version des letzten interpolierten Frequenzwerts empfangen und ihn über eine Sendeantenne 510 mit Hilfe eines Ausgangspuffers 512 mit variabler Verstärkung, wie zum Beispiel eines Leistungsverstärkers, senden. Um die gestreute Welle auf der Empfängerseite zu verarbeiten, besitzt der VCO 508 ein Ausgangssignal 514 des Lokaloszillators (LO), das, nachdem es durch einen LO-Ausgangspuffer 516 geleitet wird, verwendet wird, um die empfangene gestreute Welle in die Basisbandfrequenz abwärts umzusetzen. Genauer gesagt enthält jeder Empfangskanal 504, 506 einen Empfangs puffer und einen Mischer (z. B. einen aktiven Gilbert-Mischer), der die empfangene gestreute Welle in das Basisband bzw. in ZF-Frequenz abwärts umsetzt. Somit enthält der erste Empfangskanal 504 einen ersten Empfangspuffer 518 und einen ersten Mischer 520 sowie einen ersten gemischten Puffer 522 und ein erstes Bandpassfilter 524. Ähnlich enthält der zweite Empfangskanal 506 einen zweiten Empfangspuffer 526 und einen zweiten Mischer 528 sowie einen zweiten gemischten Puffer 530 und ein zweites Bandpassfilter 532.
Da nun bestimmte beispielhafte Ausführungsformen von Systemen besprochen wurden, die vorteilhafte Radartechniken erzielen können, wird nun auf 6–7 Bezug genommen, die Verfahren gemäß Aspekten der Erfindung zeigen. 6 zeigt ein etwas allgemeines Verfahren, während 7 ein detaillierteres Verfahren zeigt. Obwohl diese Verfahren nachfolgend als eine Reihe von Schritten oder Ereignissen dargestellt und beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellte Anordnung solcher Schritte oder Ereignisse beschränkt. Zum Beispiel können bestimmte Schritte in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Schritten oder Ereignissen als den hier dargestellten und/oder beschriebenen auftreten. Außerdem sind möglicherweise nicht alle dargestellten Schritte erforderlich, um eine Methodologie gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Ferner können ein oder mehrere der hier abgebildeten Schritte in einem oder mehreren separaten Schritten oder Phasen ausgeführt werden.
In 6 beginnt das Verfahren 600 bei 602, wenn ein frequenzkontinuierliches Funksignal als eine Reihe von Rampen, wie zum Beispiel im wesentlichen dreieckigen Rampen, mit einer Periode und einem Frequenzbereich gesendet wird. In diesem Signal sind angrenzende Rampen um eine Frequenzverschiebung relativ zueinander versetzt und werden über verschiedenen Teilen des Frequenzbereichs gesendet.
Bei 604 wird eine gestreute Welle empfangen, wobei die gestreute Welle von einem Ziel reflektiert wird.
Bei 606 wird eine Phasenverschiebung zwischen der zur Zeit gesendeten Rampe und der zur Zeit empfangenen gestreuten Welle gemessen.
Bei 608 werden die Phasenverschiebung und Frequenz der Wellen analysiert, um die unzweideutige Entfernung und Geschwindigkeit des Ziels zu bestimmen. Deshalb können sowohl Entfernung als auch Geschwindigkeit des Ziels gemessen werden.
In 7 beginnt das etwas spezifischere Verfahren 700 bei 702, worin das frequenzkontinuierliche Funksignal gesendet wird.
Bei 704 wird die gestreute Welle nach Reflexion von einem Ziel empfangen und in ein abwärts umgesetztes Signal abwärts umgesetzt.
Bei 706 werden durch Abtasten des abwärts umgesetzten Signals abgetastete Daten erhalten.
Bei 708 wird eine zweidimensionale inverse schnelle Fourier-Rücktransformation (2D-IFFT) an den abgetasteten Daten ausgeführt.
Bei 710 wird ein Algorithmus für die Konstante Falschalarmrate ("constant false alarm rate algorithm", CFAR-Algorithmus) auf das Ergebnis der 2D-IFFT angewandt, um sowohl Entfernung als auch Geschwindigkeit des Ziels unzweideutig zu bestimmen.
Zum Zwecke des Verständnisses bestimmter Implementierungen der Erfindung folgt eine mathematische Erläuterung eines Messprinzips gemäß einer Rampensequenz, wie zum Beispiel in 3 dargelegt. Es versteht sich, dass, obwohl diese nachfolgende Implementierung eine vorteilhafte Lösung ist, auch andere Lösungen als in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallend betrachtet werden.
Die Senderfrequenz für die erste Rampe in 3 kann folgendermaßen ausgeführt werden:
Die Phase φ_T(t) des gesendeten Signals cos(φ_T(t)) wird nach Integration zu:
Dabei ist f_c die Frequenz einer Trägerwelle und f_step und T_A sind wie in 3 gezeigt und beschrieben. Die Phase des abwärts umgesetzten Signals Δφ(t) = φ_T(t) – φ_T(t – τ) ist:
τ ist die Verzögerung zwischen dem gesendeten und empfangenen Signal eines Ziels. Der letzte Term in der obigen Gleichung kann wegen τ/T « 1 vernachlässigt werden. Zur Berechnung der Verzögerung τ = 2(R + ν·t)/c wird ein Ziel in einer Distanz R mit konstanter Geschwindigkeit ν angenommen. Dies führt zu:
Der letzte Term wird als Entfernungs-Doppler-Kupplung bezeichnet und kann wieder vernachlässigt werden:
Wie in 3 beschrieben, werden N fortlaufende Rampen erzeugt, mit einer Frequenzverschiebung Δf zwischen angrenzenden Rampen. Für die N-te Rampe kann die Phasendifferenz im Empfänger folgendermaßen ausgedrückt werden:
Mit τ = 2(R + ν·t)/c kann die Phasendifferenz der obigen Gleichung folgendermaßen beschrieben werden:
Die Phasendifferenz wird zu dem diskreten Zeitpunkt t = n·T_S + l·T_A ausgewertet. Sortieren der Terme nach n und l führt schließlich zu:
Wenn ein I/Q-Demodulator in dem System vorliegt, lautet das Empfangssignal:
Um Ziele zu detektieren, kann eine zweidimensionale schnelle Fourier-Rücktransformation (2D-IFFT) angewandt werden:
N ist die Anzahl der Rampen in einer gegebenen Periode und L ist die Anzahl der Abtastpunkte auf einer Rampe. N_Z und L_Z sind die Anzahl der Punkte in der 2S-IFFT nach Nullstopfung. Die Fensterfunktion w(l, n) wird verwendet, um die Nebenkeulen nach der IFFT zu reduzieren. w(l, n) wird auf eins gesetzt, um die folgenden Gleichungen zu vereinfachen, ohne die Allgemeingültigkeit einzuschränken. Die obige Gleichung kann so umgeordnet werden, daß das zweidimensionale Spektrum aus eindimensionalen IFFT berechnet werden kann.
Eine Spitze eines Ziels mit der Distanz R und Geschwindigkeit ν tritt deshalb an der folgenden Position auf:
Die Position einer Spitze, die bei k und p detektiert wurde, kann verwendet werden, um die Distanz R und Geschwindigkeit v durch Lösen der obigen Gleichungen zu berechnen:
Die Entfernungsauflösung auf der k-Achse kann aus Gleichung 12 abgeleitet werden:
Die Geschwindigkeitsauflösung wird gegeben durch:
Die Entfernungsauflösung auf der p-Achse hängt mit der Bandbreite einer kurzen Rampe zusammen:
Die Geschwindigkeitsauflösung wird durch die Dauer der kurzen Rampe bestimmt:
Bei bestimmten Ausführungsformen umfaßt ein FMCW-Radarsystem einen einzigen Mischer statt eines I/Q-Demodulators, um den Stromverbrauch und den Platz für einen zweiten Mischer und das 90°-Phasenverschiebungsmodul zu reduzieren. Folglich geht die Hälfte der unzweideutigen Entfernung verloren. Das dargestellte Prinzip gilt auch für eine Ausführungsform mit einem einzigen Mischer. In Gleichung 9 geht das Q-Signal verloren und cos(Δφ) verbleibt im Fall eines einzigen Mischers, was zu Folgendem führt: SlF = cos(Δφ(n·TS + l·TA) (20)
Die 2D-IFFT wird zu:
Der Term cos(Δφ) kann als e^i·Δφ – i·e^i·Δφ geschrieben werden:
Eine Spitze eines Ziels tritt deshalb nicht nur bei k und p auf, sondern auch bei –k und –p
Das heißt, daß eine Drehung von 180° um die Mitte das 2D-IFFT-Spektrum wieder auf sich selbst abbildet. Die unzweideutige Entfernung wird deshalb im Vergleich zu der Ausführungsform mit einem I/Q-Demodulator um einen Faktor 2 reduziert:
Dies gilt auch für den unzweideutigen Geschwindigkeitsbereich:
Die Spitzenposition p ist nahezu unabhängig von der Geschwindigkeit und ist positiv, weil die Dauer T_s in einem praktischen System relativ kurz ist. Die Steigung der kurzen Rampe ermöglicht die Anwendung des Prinzips ohne den I/Q-Demodulator. Der Parameter Δf wird gemäß Gleichung 26 so gewählt, daß der gesamte interessierende Entfernungsbereich durch L_Z/2 abgedeckt wird. Wenn die Spitzenposition in p ∈ [0, L_Z/2] auftritt, liegt die wahre Position an dem Punkt P = (k, |p|). Andernfalls ist die wahre Position P = (–k, |p|) für p ∈ [–L_Z/2 + 1,0] oder p ∈ [L_Z/2 + 1,L_Z]. Die Entscheidungsregel ist schließlich: p ≥ 0 ⇒ P = (k, |p|) (28) p < 0 ⇒ P = (–k + r·NZ|–p|) r ∈ {0,1} (29)
Für den Fall p < 0 kann die Geschwindigkeit v gemäß der Gleichung 27 für die zwei Möglichkeiten r ∈ {0,1} berechnet werden. Somit wird für jede der zwei Möglichkeiten eine Geschwindigkeit berechnet. Die Geschwindigkeit, die den unzweideutigen Bereich von Gleichung 27 erfüllt, ist die wahre Geschwindigkeit für das Ziel, und die andere Geschwindigkeit kann verworfen werden. Der Fall r = 0 tritt auf, wenn k aufgrund einer negativen Geschwindigkeit negativ wird. Der andere Fall r = 1 deckt Situationen ab, in denen k aufgrund einer positiven Geschwindigkeit größer als N_Z/2 ist. Andere Fälle des Alias-Effekts, bei denen die Geschwindigkeit höher als der unzweideutige Bereich ist, werden häufig nicht detektiert.
In 8 ist ein Simulationsbeispiel mit den folgenden Parametern angegeben: f_step = Δf = 3,2 MHz, T_A = 0,4 μs, T_S = 24 μs f_c = 24 GHz. Es wurden drei Ziele angenommen, wobei jeder Fall besprochen wird:

• R = 1,5 m, ν = 50 km/h; k würde negativ werden, so daß die Spitze bei k = 21, p = 249 erscheint Fall: p < 0,r = 0 ⇒ P = (–20,256 – 248)
• R = 5 m, ν = 20 km/h; Spitzenposition: k = 88, p – 27 Fall: p ≥ 0 ⇒ P = (88,27)
• R = 20 m, ν = –220 km/h; Spitzenposition: k = 355, p = 147 Fall: p < 0,r = 1 ⇒ P = (–355 + N_Z = 669,109)

Wenn die Anzahl der Abtastpunkte auf einem Rampensegment niedrig ist, wird die Spitze auf der p-Achse sehr breit und die Spitzenposition p ist schwer zu schätzen. Dies beeinflusst die Genauigkeit der berechneten Distanz und Geschwindigkeit eines Ziels. Um dieses Problem zu überwinden, können zwei 2D-IFFT berechnet werden: Die erste ohne den letzten Punkt jedes Rampensegments, die zweite ohne den ersten Punkt jedes Rampensegments.
Die Spitze eines Ziels tritt an derselben Position k, p der beiden 2D-IFFT auf. Aber es besteht eine Phasendifferenz zwischen den beiden Spitzen gemäß der Frequenzverschiebung f_step und Zeitverschiebung T_A:
Zusammen mit Gleichung 23 kann die Phasendifferenz Δφ_R verwendet werden, um die Distanz und Geschwindigkeit genauer zu berechnen:
Auch kann anstelle von Gleichung 28 die Phasendifferenz Δφ_R verwendet werden, um das Vorzeichen von k zu bestimmen: ΔφR ≥ 0 ⇒ P = (k, |p|) (35) ΔφR < 0 ⇒ P = (–k + r·NZ, |–p|) r ∈ {0,1} (36)
8 zeigt ein Meßbeispiel mit drei signifikanten Spitzen;

• DC-Offset: Unerwünschtes Signal aufgrund eines nichtidealen Systems
• Beweglicher Eckenreflektor bei R = 1,82 m, ν = 12 km/h
• Türrahmen bei R = 4,3 m, ν = 0,48 km/h ≈ 0

Die Distanz und Geschwindigkeit wurden mit Gleichung 33 und 34 berechnet. Eine graphische Oberflächendarstellung der Szene ist in 9 abgebildet.
Bestimmte Verfahren und entsprechende Merkmale der vorliegenden Offenbarung können durch Hardwaremodule, Softwareroutinen oder eine Kombination von Hardware und Software durchgeführt werden. Soweit Software verwendet wird, wie zum Beispiel durch einen Basisbandprozessor oder einen anderen dem Leistungsverstärker zugeordneten Prozessor, kann die Software über ein „computerlesbares Medium" bereitgestellt werden, worin jedes Medium eingeschlossen ist, das bei der Bereitstellung von Anweisungen für den Prozessor teilnimmt. Ein solches computerlesbares Medium kann zahlreiche Formen annehmen, darunter, aber ohne Einschränkung, nichtflüchtige Medien, flüchtige Medien und Übertragungsmedien. Nichtflüchtige Medien wären zum Beispiel optische Datenträger (wie etwa CDs, DVDs usw.) oder magnetische Datenträger (wie etwa Disketten, Bänder usw.). Zu flüchtigen Medien gehören dynamische Speicher, wie zum Beispiel ferroelektrischer Speicher, SRAM oder DRAM. Zu Übertragungsmedien gehören Koaxialkabel, Kupferdraht, Faseroptik usw., die die Anweisungen über ein Netzwerk oder zwischen Kommunikationsgeräten abliefern könnten. Zu Übertragungsmedien können auch elektromagnetische Wellen gehören, wie etwa eine Spannungswelle, Lichtwelle oder Funkwelle.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen dargestellt und beschrieben wurde, können Abänderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen vorgenommen werden, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der angefügten Ansprüche abzuweichen. Obwohl oben mehrere Beispiele mit Bezug auf dreieckige oder im wesentlichen dreieckige Rampen besprochen werden, werden zum Beispiel auch andere nichtdreieckige Rampen als rechtliche Äquivalente in Betracht gezogen. Insbesondere in Bezug auf die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Baugruppen, Einrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) ausgeführten Funktionen sollen insbesondere die zur Beschreibung solcher Komponenten verwendeten Ausdrücke (einschließlich eines Verweises auf ein „Mittel"), wenn es nicht anders angegeben ist, einer beliebigen Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z. B. die funktional äquivalent ist), obwohl sie nicht strukturell der offenbarten Struktur äquivalent ist, die die Funktion in den hier dargestellten beispielhaften Implementierungen der Erfindung ausführt. Obwohl möglicherweise ein bestimmtes Merkmal der Erfindung mit Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart wurde, kann ein solches Merkmal zusätzlich mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, so wie es für eine beliebige gegebene oder konkrete Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein kann. Soweit die Ausdrücke „enthaltend", „enthält", „aufweisend", „aufweist", „mit" oder Varianten davon entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, sollen diese Ausdrücke ferner auf ähnliche Weise wie der Ausdruck „umfassend" einschließend sein.

Claims

Verfahren zum Detektieren einer Entfernung und einer Geschwindigkeit eines Ziels (114), mit den folgenden Schritten: Senden einer elektromagnetischen Welle (108; 300) über einen Frequenzbereich (F_t), wobei eine Periode (T_t) der Welle eine Anzahl (N) fortlaufender Rampen umfasst, wobei eine erste Rampe der Periode über einen ersten Teil (F_P1) des Frequenzbereichs gesendet wird und eine zweite Rampe der Periode über einen zweiten Teil (F_P2) des Frequenzbereichs gesendet wird, der von dem ersten Teil verschieden ist, wobei die zweite Rampe relativ zu der ersten Rampe um eine Frequenzverschiebung (Δf) versetzt ist; Empfangen einer von dem Ziel reflektierten gestreuten Welle (112), wobei die gestreute Welle (112) erzeugt wird, wenn die gesendete elektromagnetische Welle (108; 300) von dem Ziel (114) reflektiert wird; und Verarbeiten der empfangenen gestreuten Welle, um die Entfernung und die Geschwindigkeit des Ziels (114) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Rampe im wesentlichen dreieckige Rampen sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verarbeiten der gestreuten Welle (112) ferner die folgenden Schritte umfasst: Abtasten von Werten (310) in der empfangenen gestreuten Welle (300) in ungefähr gleich beabstandeten Abtastintervallen (T_A), und Assoziieren der abgetasteten Werte (310) mit einem Frequenzschritt (f_step).
Verfahren nach Anspruch 3, ferner mit dem folgenden Schritt: Bestimmen einer Entfernungsauflösung für das Ziel (114) als Funktion der Anzahl (N) fortlaufender Rampen in der Periode und des Frequenzschritts (f_step).
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, ferner mit dem folgenden Schritt: Bestimmen einer Geschwindigkeitsauflösung für das Ziel als Funktion der Anzahl (N) fortlaufender Rampen in der Periode und der Rampendauer (T_S).
Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, ferner mit den folgenden Schritten: Bestimmen der Entfernung und der Geschwindigkeit des Ziels (114) durch Ausführen einer zweidimensionalen Transformation an den abgetasteten Werten (310); und Anwenden eines CFAR-Algorithmus auf ein Ergebnis der zweidimensionalen Transformation, um die Entfernung und die Geschwindigkeit des Ziels (114) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine geschätzte Entfernung des Ziels durch die folgende Beziehung gegeben wird:
wobei c die Lichtgeschwindigkeit repräsentiert: L_Z und N_Z die Anzahl der Punkte in der zweidimensionalen Transformation nach Nullstopfung repräsentieren; T_S die Rampendauer der ersten und zweiten Rampe repräsen tiert; k und p Orte von Spitzen in der zweidimensionalen Transformation repräsentieren; Δf die Frequenzverschiebung repräsentiert; T_A das Abtastintervall repräsentiert; und f_step den Frequenzschritt repräsentiert.
Verfahren zum Detektieren einer Entfernung und einer Geschwindigkeit eines Ziels (114), mit den folgenden Schritten: Senden einer ersten fortlaufenden Rampe über einen ersten Teil (F_P1) eines Frequenzbereichs (F_t), wobei die erste fortlaufende Rampe ein erstes Rampensegment (302) umfasst, das stückweise mit einem zweiten Rampensegment (304) kontinuierlich ist, wobei das erste Rampensegment (302) eine positive oder eine negative Steigung aufweist und das zweite Rampensegment (304) eine andere, der einen Steigung entgegengesetzte Steigung aufweist; und Senden einer zweiten fortlaufenden Rampe über einen zweiten Teil (F_P2) des Frequenzbereichs (F_t), der von dem ersten Teil (F_P1) des Frequenzbereichs (F_t) verschieden ist, wobei die zweite fortlaufende Rampe folgendes umfasst: ein drittes Rampensegment (306), das stückweise mit dem zweiten Rampensegment (304) kontinuierlich ist und das ungefähr die eine Steigung aufweist, und ein viertes Rampensegment (308), das stückweise mit dem dritten Rampensegment (306) kontinuierlich ist und das ungefähr die andere Steigung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem folgenden Schritt: Senden von zusätzlichen Rampen über zusätzliche Teile des Frequenzbereichs (F_t), wobei jede zusätzliche Rampe um die Frequenzverschiebung (f_step) relativ zu den daran angrenzenden Rampen versetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, ferner mit den folgenden Schritten: Empfangen einer von dem Ziel (114) reflektierten gestreuten Welle (112; 300), wobei die gestreute Welle (112; 300) erzeugt wird, wenn die gesendeten Rampen von dem Ziel (114) reflektiert werden; Abtasten von Werten (310) in der empfangenen gestreuten Welle (300) in ungefähr gleichmäßig beabstandeten Abtastintervallen (T_A); und Assoziieren der abgetasteten Werte (310) mit einem jeweiligen Frequenzschritt.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit dem folgenden Schritt: Bestimmen einer Entfernungsauflösung für das Ziel (114) als Funktion sowohl einer Anzahl (N) fortlaufender Rampen in einer Periode (T_t) einer den gesendeten Rampen zugeordneten elektromagnetischen Welle (300) als auch des Frequenzschritts (f_step).
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, ferner mit dem folgenden Schritt: Bestimmen einer Geschwindigkeitsauflösung für das Ziel (114) als Funktion sowohl einer Anzahl (N) fortlaufender Rampen in einer Periode (T_t) einer den gesendeten Rampen zugeordneten elektromagnetischen Welle (300) als auch einer den gesendeten Rampen zugeordneten Rampendauer (T_S).
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, Bestimmen der Entfernung und der Geschwindigkeit des Ziels (114) durch Ausführen einer zweidimensionalen Transformationsfunktion an den abgetasteten Werten (310); und Anwenden eines CFAR-Algorithmus auf ein Ergebnis der zweidimensionalen Transformation, um die Entfernung und die Geschwindigkeit des Ziels (114) zu bestimmen.
Radarsystem, umfassend: einen Radarsender (102), der dazu ausgebildet ist, eine elektromagnetische Welle (112; 300) über einen Frequenzbereich (F_t) zu senden, wobei die elektromagnetische Welle (112; 300) eine erste, im wesentlichen dreieckige Rampe, die einem ersten Teil (F_P1) des Frequenzbereichs (F_t) zugeordnet ist, und eine zweite, im wesentlichen dreieckige Rampe, die einem zweiten Teil (F_P2) des Frequenzbereichs (F_t), der von dem ersten Teil verschieden ist, zugeordnet ist, enthält, wobei die zweite Rampe um eine Frequenzverschiebung (Δf) relativ zu der ersten Rampe versetzt ist.
Radarsystem nach Anspruch 14, wobei der Radarsender folgendes umfasst: eine Interpolationssteuerschaltung (408), die in Verbindung mit einer Kalibrationsspeicher-Abstimmgesetzschaltung (410) arbeitet, um ein lineares Rampensegment in der ersten und zweiten Rampe zu liefern.
Radarsystem nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Radarsender folgendes umfasst: einen Speicher (402), der dafür ausgelegt ist, Rampenformungsinformationen über die erste und zweite Rampe zu speichern; einen Steuerautomaten (404), der dafür ausgelegt ist, Rampenformungsinformationen aus dem Speicher (402) zu lesen und einem Akkumulator (406) die Rampenformungsinformationen betreffende Steigungsinformationen zuzuführen; und Kalibrations- und Interpolationsschaltkreise (408, 410, 412), die dafür ausgelegt sind, uninterpolierte Frequenzinformationen aus dem Akkumulator (406) zu empfangen und einem spannungsgesteuerten Oszillator einen interpolierten Wert zuzuführen.
Radarsystem nach Anspruch 14, 15 oder 16, ferner umfassend: einen Radarempfänger (102), der dazu ausgebildet ist, eine von einem Ziel (114) reflektierte gestreute Welle (112) zu empfangen und ferner dazu ausgebildet ist, eine Entfernung und eine Geschwindigkeit des Ziels (114) als Funktion einer an einem aus der empfangenen gestreuten Welle (112) abgeleiteten Basisbandsignal ausgeführten zweidimensionalen Transformation zu bestimmen.
Radarsystem nach Anspruch 17, wobei der Radarsender eine Analogschaltung umfasst, die folgendes umfasst: einen spannungsgesteuerten Oszillator (508), der dazu ausgebildet ist, eine über eine Antenne (110) zu sendende Reihe von fortlaufenden Rampen auszugeben und ferner dazu ausgebildet ist, eine Lokaloszillatorfrequenz auszugeben, die die gestreute Welle (112) in das Basisbandsignal abwärts umsetzt.
Radarsystem, umfassend: einen Speicher (402), der dazu ausgebildet ist, Rampenformungsinformationen über eine zu sendende Reihe fortlaufender Rampen zu speichern; einen Steuerautomaten (404), der dazu ausgebildet ist, den Speicher (402) zu lesen, und einem Akkumulator (406) die Rampenformungsinformationen betreffende Steigungsinformationen zuzuführen; und Kalibrations- und Interpolationsschaltkreise (408, 410, 412), die dazu ausgebildet sind, uninterpolierte Frequenzinformationen aus dem Akkumulator (406) zu empfangen und einer einen spannungsgesteuerten Oszillator (508) enthaltenden analogen Schaltung einen interpolierten Wert zuzuführen.
Radarsystem nach Anspruch 19, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (508) dazu ausgebildet ist, eine über eine Sendeantenne (110; 510) zu sendende Reihe fortlaufender Rampen auf der Basis der Rampenformungsinformationen auszugeben.
Radarsystem nach Anspruch 20, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (508) dazu ausgebildet ist, ein Lokaloszillatorsignal auszugeben, wobei das Radarsystem ferner folgendes umfasst: eine Empfangsantenne (110) zum Empfangen einer gestreuten Welle (112), die von einem Ziel (114) reflektiert wird, wobei die gestreute Welle erzeugt wird, wenn die gesendete Funkwelle (108; 300) von dem Ziel (114) reflektiert wird; einen Mischer (520; 528) zum Abwärtsumsetzen der gestreuten Welle in ein abwärts umgesetztes Signal als Funktion des Lokaloszillatorsignals.
Radarsystem nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Reihe fortlaufender Rampen folgendes umfasst: eine erste fortlaufende Rampe, die über einen ersten Teil (F_P1) eines Frequenzbereichs (F_t) gesendet wird, wobei die erste fortlaufende Rampe folgendes umfasst: ein erstes Rampensegment (302), das mit einem zweiten Rampensegment (304) stückweise kontinuierlich ist, wobei das erste Rampensegment eine erste, positive oder eine negative Steigung aufweist und das zweite Rampensegment eine zweite, der ersten Steigung entgegengesetzte Steigung aufweist; und eine zweite fortlaufende Rampe, die über einen zweiten Teil (F_P2) des Frequenzbereichs, der von dem ersten Teil (F_P1) verschieden ist, gesendet wird, wobei die zweite fortlaufende Rampe folgendes umfasst: ein drittes Rampensegment (306), das stückweise mit dem zweiten Rampensegment (304) kontinuierlich ist und ungefähr die erste Steigung aufweist, und ein viertes Rampensegment (308), das stückweise mit dem dritten Rampensegment (306) kontinuierlich ist und ungefähr die zweite Steigung aufweist und.
Radarsystem, umfassend: ein Sendermittel (102, 110; 502) zum Senden einer elektromagnetischen Welle über einen Frequenzbereich (F_t) als eine Reihe fortlaufender Rampen; wobei eine erste Rampe über einen ersten Teil (F_P1) des Frequenzbereichs (F_t) gesendet wird; und wobei eine zweite Rampe über einen zweiten Teil (F_P2) des Frequenzbereichs (F_t), der von dem ersten Teil (F_P1) verschieden ist, gesendet wird und die zweite Rampe um eine Frequenzverschiebung (Δf) relativ zu der ersten Rampe versetzt ist.
Radarsystem nach Anspruch 23, ferner umfassend: ein Empfängermittel (104, 110; 504, 506) zum Empfangen einer von dem Ziel (114) reflektierten gestreuten Welle (112), wobei die gestreute Welle erzeugt wird, wenn die gesendete elektromagnetische Welle (108; 300) von dem Ziel (114) reflektiert wird.
Radarsystem nach Anspruch 24, wobei das Sendermittel und das Empfängermittel in einem Automotive-Radarsystem enthalten sind.