DE102010007415A1

DE102010007415A1 - Radarsignal-Verarbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE102010007415A1
Application number: DE102010007415A
Authority: DE
Inventors: Fabian Dipl.-Ing. Diewald; Jens Dr.rer.nat. Klappstein; Jürgen Dr.-Ing. Dickmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2010-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radarsignal-Verarbeitungsverfahren zur Schätzung einer Objekthöhe (h) eines Objekts über einer reflektierenden Fläche, bei welchem eine zeitliche Veränderung einer Entfernung (r) des Objekts von einer Radaranordnung (RA) bestimmt und eine Intensitätsmodulation eines Empfangssignals ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird aus einem Verlauf (V2, V3) der Intensitätsmodulation über einer reziproken Entfernung (1/r) des Objekts und/oder über dem Quotienten aus einer Radarhöhe (h) und der Entfernung (r) des Objekts eine Aussage über die Objekthöhe (h) des Objekts über der reflektierenden Fläche abgeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radarsignal-Verarbeitungsverfahren nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der Druckschrift WO 99/36796 der Anmelderin, welche hiermit durch Referenz aufgenommen wird, ist ein Radarsignal-Verarbeitungsverfahren zur Schätzung der Höhe eines Objekts über einer reflektierenden Fläche bekannt. In diesem Radarsignal-Verarbeitungsverfahren wird eine zeitliche Veränderung der Entfernung des Objekts von der Radaranordnung bestimmt, eine Intensitätsmodulation des Empfangssignals gemessen und aus dem Verlauf der Intensitätsmodulation über der Objektentfernung eine Aussage über die Höhe des Objekts über der reflektierenden Fläche abgeleitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Radarsignal-Verarbeitungsverfahren anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Radarsignal-Verarbeitungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In einem Radarsignal-Verarbeitungsverfahren zur Schätzung einer Objekthöhe eines Objekts über einer reflektierenden Fläche wird eine zeitliche Veränderung einer Entfernung des Objekts von einer Radaranordnung bestimmt und eine Intensitätsmodulation eines Empfangssignals ermittelt.
Erfindungsgemäß wird aus einem Verlauf der Intensitätsmodulation über einer reziproken Entfernung des Objekts und/oder über dem Quotienten aus einer Radarhöhe und der Entfernung des Objekts eine Aussage über die Objekthöhe des Objekts über der reflektierenden Fläche abgeleitet.
Aktive Sicherheits- und Assistenzsysteme in Fahrzeugen erfordern eine sehr hohe Qualität und Zuverlässigkeit einer Fahrumfelderfassung, insbesondere eine sichere Klassifikation und Relevanzbeurteilung stationärer Objekte. Ein wesentliches Merkmal zur Relevanzbeurteilung von Objekten ist deren Objekthöhe über einer Fahrbahn. So sind ein Kanaldeckel in sehr geringer Höhe sowie eine Brücke in verhältnismäßig großer Höhe für Sicherheitssysteme unbedeutend, während Objekte in Höhe des Fahrzeuges meist relevant sind.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sind aus den Daten eines Radarsignals der Radaranordnung des Fahrzeuges indirekt Höheninformationen von Objekten ermittelbar. Eine mittels des Verfahrens ermittelte Objekthöhe der Objekte führt zu einer verbesserten Klassifikation und Relevanzbeurteilung der Objekte. Dies ermöglicht beispielsweise eine robuste Segmentierung einer Brücke und einer Randbebauung durch deren unterschiedliche Höhe. Des Weiteren kann ein Höhenunterschied der Brücke zum Fahrzeug als Klassifikationsmerkmal verwendet werden. Dadurch ist eine sichere Erfassung von Objekten in einer gefährlichen Höhe zum Fahrzeug möglich, so dass eine Kollision mit derartigen Objekten verhindert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Interferenz von Radarwellen, welche durch Reflexion an einer Fahrbahnoberfläche entstehen. Die Interferenzmuster führen während der Fahrzeugannäherung an ein Objekt zu einer Intensitätsmodulation, d. h. zu einer oszillierenden Rückstreuamplitude des Radarsignals.
Durch Auftragen der Rückstreuamplitude des jeweiligen Objektes über dessen reziproker Entfernung zur Radaranordnung, d. h. zu deren Radarsensor, erhält man bei gleich bleibender Radarhöhe der Radaranordnung und bei gleich bleibender Objekthöhe ein Signal konstanter Frequenz. Dieses Signal kann durch einfache und robuste Standardsignalverarbeitungsverfahren wie eine schnelle Fourier-Transformation, auch Fast-Fourier-Transformation genannt, verarbeitet und die Frequenz identifiziert werden. Eine dadurch ermittelte Frequenz ist direkt proportional zur Objekthöhe. Daher kann aus dieser ermittelten Frequenz die Objekthöhe geschätzt werden.
Starke Längsbeschleunigungen während einer Annäherung an das Objekt führen jedoch durch Nickbewegungen des Fahrzeuges zu einer variablen Radarhöhe der Radaranordnung. Daher ist es besonders vorteilhaft, die Rückstreuamplitude über dem Quotienten aus der Radarhöhe und der Entfernung des Objekts zur Radaranordnung aufzutragen und dadurch die Robustheit des Verfahrens bei signifikanten Nickbewegungen des Fahrzeuges zu erhöhen. Die Radarhöhe ist beispielsweise über Federwege des Fahrzeuges mittels entsprechender Federwegsensoren ermittelbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 ein Interferenzmuster im Überwachungsbereich eines Fahrzeugradars,
2 ein Diagramm eines ersten Verlaufs einer Intensitätsmodulation über einer Entfernung eines Objekts,
3 ein Diagramm eines zweiten Verlaufs einer Intensitätsmodulation über einer reziproken Entfernung eines Objekts,
4 ein Diagramm eines dritten Verlaufs einer Intensitätsmodulation über einem Quotienten aus einer Radarhöhe und einer Entfernung eines Objekts, und
5 ein Diagramm eines Frequenzspektrums.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Modulation eines Radarsignals eines Fahrzeuges F, welches sich auf einer im Wesentlichen ebenen Fahrbahn FB bewegt. Eine im Frontbereich des Fahrzeuges F angeordnete Radaranordnung RA mit einem in Fahrtrichtung weisenden Überwachungsbereich ist in gegebener Radarhöhe h_R über der Fahrbahn FB angeordnet und weist ein Antennendiagramm mit einem vertikalen Öffnungswinkel W auf, der neben einer direkten Ausleuchtung des Überwachungsbereichs auch eine Ausleuchtung der Fahrbahn FB umfasst. Durch Überlagerung von Signalanteilen mit einem direktem Signalweg zur Radaranordnung RA und Signalanteilen mit Signalwegen über eine Reflexion an einer Fahrbahnoberfläche ergibt sich ein in Grautönen abgestuftes Interferenzmuster IM.
Entlang der Fahrbahn FB in Richtung vor dem Fahrzeug F ist eine Entfernungsskala einer Entfernung r eines Objekts von der Radaranordnung RA aufgetragen. Senkrecht dazu ist eine Skala für eine Objekthöhe h_T aufgetragen. Dunkle Stellen des Interferenzmusters IM stehen dabei für konstruktive Interferenz, helle Stellen für destruktive Interferenz von direktem und reflektiertem Signalanteil. Die Bewegung eines Objekts konstanter Objekthöhe h_T über der Fahrbahn FB im Überwachungsbereichs der Radaranordnung RA und relativ zur Radaranordnung RA entspricht einer zur Fahrbahnoberfläche parallelen Schnittlinie durch das Interferenzmuster IM. Eine Bewegung entlang einer solchen Schnittlinie entspricht wiederum einer Intensitätsmodulation von in der Radaranordnung RA überlagert empfangenen Echosignalen.
Wie leicht ersichtlich ist, ist das Muster der Intensitätsmodulation über einem dabei zurückgelegten Weg sowohl von der Objekthöhe h_T über der Fahrbahn FB als auch von der Entfernung r des Objekts von der Radaranordnung RA abhängig und für eine Kombination dieser beiden Größen charakteristisch.
Die Näherungsformel für das Interferenzmuster IM lautet:
bzw.
Dabei ist der Quotient E_e/E₀ die Intensitätsmodulation, d. h. eine Rückstreuamplitude des Radarsignals, und wird von der Radaranordnung RA ermittelt, k ist eine Wellenzahl und bekannt. Die Radarhöhe h_R der Radaranordnung RA bzw. deren Antenne über der Fahrbahn FB und die Entfernung r des Objekts von der Radaranordnung RA wurden bereits erläutert. Die Objekthöhe h_T ist zu bestimmen.
2 zeigt zur Verdeutlichung des Standes der Technik ein Beispiel eines ersten Verlaufs V1 der Intensitätsmodulation über der Entfernung r des Objekts, welches im hier dargestellten Beispiel eine Objekthöhe h_T von vier Meter aufweist. Dieser erste Verlauf V1 der Intensitätsmodulation, mittels welchem eine Objekthöhenschätzung nach dem Stand der Technik durchgeführt wird, weist eine variable Frequenz auf, da diese neben der Objekthöhe h_T auch von der Entfernung r des Objekts und von der Radarhöhe h_R der Radaranordnung RA über der Fahrbahn FB abhängt. Daher ist eine Auswertung mehrerer Perioden schwierig, so dass eine gute Objekthöhenschätzung nicht sichergestellt ist.
3 zeigt ein Diagramm eines zweiten Verlaufs V2 der Intensitätsmodulation über einer reziproken Entfernung 1/r des Objekts entsprechend der Näherungsformel [1]. Bei dieser Näherungsformel [1] ist der Term kh_Th_R konstant für eine jeweilige zu ermittelnde Objekthöhe h_T. Die reziproke Entfernung 1/r des Objekts ist variabel während einer Annäherung an das Objekt, d. h variabel im Zeitverlauf. Aus dieser Näherungsformel [1] resultiert daher eine sinusförmige Schwingung konstanter Frequenz f auf einer reziproken Entfernungsachse des Diagramms. Mit anderen Worten: Dieser zweite Verlauf V2 der Intensitätsmodulation, d. h. der Rückstreuamplitude des Radarsignals, weist bei gleich bleibender Radarhöhe h_R der Radaranordnung RA und bei gleich bleibender Objekthöhe h_T die konstante Frequenz f auf, welche direkt proportional zur Objekthöhe h_T ist. Die ermittelte konstante Frequenz f ist in 5 näher dargestellt.
Bei nicht gleich bleibender Radarhöhe h_R der Radaranordnung RA, beispielsweise aufgrund von starken Längsbeschleunigungen während einer Annäherung des Fahrzeuges F an das Objekt, ist es besonders vorteilhaft, wie in 4 dargestellt, einen dritten Verlauf V3 der Intensitätsmodulation, d. h. der Rückstreuamplitude des Radarsignals über einem Quotienten aus der Radarhöhe h_R und der Entfernung r des Objekts zur Radaranordnung RA entsprechend der Näherungsformel [2] aufzutragen und dadurch die Robustheit des Verfahrens bei signifikanten Nickbewegungen des Fahrzeuges F, beispielsweise bei Vollbremsungen, zu erhöhen.
Bei dieser Näherungsformel [2] ist der Term kh_T konstant für eine jeweilige zu ermittelnde Objekthöhe h_T. Der Quotient aus der Radarhöhe h_R und der Entfernung r des Objekts zur Radaranordnung RA ist variabel während einer Annäherung an das Objekt, d. h variabel im Zeitverlauf. Aus dieser Näherungsformel [2] resultiert daher eine sinusförmige Schwingung konstanter Frequenz f auf einer Achse des Quotienten aus der Radarhöhe h_R und der Entfernung r des Objekts zur Radaranordnung RA des Diagramms. Mit anderen Worten: In diesem Fall weist auch bei nicht konstanter Radarhöhe h_R der dritte Verlauf V3 der Intensitätsmodulation, d. h. der Rückstreuamplitude des Radarsignals, die konstante Frequenz f auf, welche direkt proportional zur Objekthöhe h_T ist. Die Radarhöhe h_R ist beispielsweise über Federwege des Fahrzeuges F mittels entsprechender Federwegsensoren ermittelbar.
Die konstante Frequenz f des zweiten bzw. dritten Verlaufs V2, V3 der Intensitätsmodulation, d. h. der Rückstreuamplitude, kann, wie in 5 dargestellt, durch einfache und robuste Standardsignalverarbeitungsverfahren wie eine schnelle Fourier-Transformation, auch Fast-Fourier-Transformation genannt, identifiziert werden. Sie ist in diesem Ausführungsbeispiel für den zweiten und dritten Verlauf V2, V3 gleich, da bei dem zweiten Verlauf V2 das Fahrzeug F keine Nickbewegung ausführte, so dass die Radarhöhe h_R konstant blieb. Da die Frequenz f direkt proportional zur Objekthöhe h_T ist, kann mit der ermittelten Frequenz f die Objekthöhe h_T geschätzt werden, wie in 5 dargestellt. Ein mittels der schnellen Fourier-Transformation ermitteltes Frequenzspektrum weist jeweils ein Maximum bei der zu identifizierenden Frequenz f des jeweiligen Verlaufs V2, V3 der Intensitätsmodulation, d. h. der Rückstreuamplitude des Radarsignals, auf. Da die Frequenz f proportional zur Objekthöhe h_T ist, kann sie in einem Objekthöhen-Intensitätshöhen-Diagramm dargestellt werden. Daraus ist dann die jeweilige Objekthöhe h_T näherungsweise ablesbar, im hier dargestellten Beispiel die Objekthöhe h_T von vier Metern.
Das Verfahren ist besonders wichtig für aktive Sicherheits- und Assistenzsysteme in Fahrzeugen F, da diese eine sehr hohe Qualität und Zuverlässigkeit einer Fahrumfelderfassung erfordern, insbesondere eine sichere Klassifikation und Relevanzbeurteilung stationärer Objekte. Ein wesentliches Merkmal zur Relevanzbeurteilung von Objekten ist deren Objekthöhe h_T über einer Fahrbahn FB. So sind ein Kanaldeckel in sehr geringer Höhe sowie eine Brücke in verhältnismäßig großer Höhe für Sicherheitssysteme unbedeutend, während Objekte in Höhe des Fahrzeuges F meist relevant sind.
Mittels des Verfahrens sind aus den Daten des Radarsignals der Radaranordnung RA des Fahrzeuges F indirekt Höheninformationen von Objekten ermittelbar. Eine mittels des Verfahrens ermittelte Objekthöhe h_T der Objekte führt zu einer verbesserten Klassifikation und Relevanzbeurteilung der Objekte. Dies ermöglicht beispielsweise eine robuste Segmentierung einer Brücke und einer Randbebauung durch deren unterschiedliche Höhe. Des Weiteren kann ein Höhenunterschied der Brücke zum Fahrzeug F als Klassifikationsmerkmal verwendet werden. Dadurch ist eine sichere Erfassung von Objekten in einer gefährlichen Höhe zum Fahrzeug F möglich, so dass eine Kollision mit derartigen Objekten verhindert werden kann.
Neben der beschriebenen und bevorzugten Anwendung des Verfahrens in einer Radaranordnung RA eines Fahrzeuges F sind in entsprechender Weise Einsatzfälle denkbar und vorteilhaft, die eine unter den gegebenen Randbedingungen als zumindest näherungsweise eben anzusehende Fläche im Überwachungsbereich einer Radaranordnung RA aufweisen, wie beispielsweise Flugverkehr, See- und Binnenschifffahrt, Flughafen-Rollbahnen, Schienenverkehr und ähnliche.

f: konstante Frequenz
F: Fahrzeug
FB: Fahrbahn
RA: Radaranordnung
h_R: Radarhöhe
h_T: Objekthöhe
IM: Interferenzmuster
r: Entfernung des Objekts
1/r: reziproke Entfernung
V1: erster Verlauf
V2: zweiter Verlauuf
V3: dritter Verlauf
W: vertikaler Öffnungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 99/36796 [0002]

Claims

Radarsignal-Verarbeitungsverfahren zur Schätzung einer Objekthöhe (h_T) eines Objekts über einer reflektierenden Fläche, bei welchem eine zeitliche Veränderung einer Entfernung (r) des Objekts von einer Radaranordnung (RA) bestimmt und eine Intensitätsmodulation eines Empfangssignals ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Verlauf (V2, V3) der Intensitätsmodulation über einer reziproken Entfernung (1/r) des Objekts und/oder über dem Quotienten aus einer Radarhöhe (h_R) und der Entfernung (r) des Objekts eine Aussage über die Objekthöhe (h_T) des Objekts über der reflektierenden Fläche abgeleitet wird.
Radarsignal-Verarbeitungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf (V2, V3) der Intensitätsmodulation über der reziproken Entfernung (1/r) des Objekts und/oder über dem Quotienten aus der Radarhöhe (h_R) und der Entfernung (r) des Objekts einer schnellen Fourier-Transformation unterzogen wird.
Radarsignal-Verarbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Radaranordnung (RA) an einem Fahrzeugaufbau eines Fahrzeuges (F) angeordnet ist, wobei die Radarhöhe (h_R) aus einer Einbauhöhe der Radaranordnung (RA) am Fahrzeugaufbau und zumindest einem aktuell ermittelten Federweg zwischen dem Fahrzeugaufbau und einem Fahrwerk des Fahrzeuges (F) ermittelt wird.
Radarsignal-Verarbeitungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Federweg mittels zumindest eines Federwegsensors des Fahrzeuges (F) ermittelt wird.
Radarsignal-Verarbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Objekthöhe (h_T) als Eingangssignal einer Objektklassifikation verwendet wird.