DE102010048896A1

DE102010048896A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs mit einem Radarsensor

Info

Publication number: DE102010048896A1
Application number: DE102010048896A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Meinecke Marc-Michael; Dr. Max Stephan
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2030-10-20
Also published as: DE102010048896B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs (31), umfassend: eine Radareinrichtung mit einer Signalerzeugungseinrichtung (35) zum Erzeugen eines Sendesignals (37), einer Sendeantenne (33) zum Aussenden des Sendesignals (37), mindestens einer Empfangsantenne (34) zum Empfangen eines aus dem reflektierten Sendesignal (37) resultierenden Empfangssignals (40) und einer Auswerteeinrichtung (41) zum Auswerten von Echoprofilen des Empfangssignals und zum Ableiten von Belegungsaussagen für Raumbereiche einer Umgebung des Fahrzeugs, wobei die Signalerzeugungseinrichtung (35) eine Modulationseinrichtung (36) umfasst, die ein frequenzmoduliertes Dauerstrichsignal erzeugt, welches iterativ jeweils aus einer Mehrzahl n ineinander verschachtelter Frequenztreppen gebildet ist, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 3 ist, wobei die Auswerteeinrichtung (41) ausgebildet ist, für jeden Iterationsschritt Messwerte des Empfangssignals Frequenzstufen der einzelnen Frequenztreppen und hierüber den Frequenztreppen zuzuordnen und für jede der n Frequenztreppen aus diesen jeweils zugeordneten Messwerten ein Echoprofil zu erzeugen, wobei jedes der n Echoprofile die Umferdinformationen für einen von n verschiedenen Aperturpunkten einer synthetischen Apertur umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Umfelderfassung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
Seit einigen Jahren werden bereits Radarsysteme in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Objekte im Umfeld zu detektieren und/oder deren Relativgeschwindigkeit zu dem Fahrzeug zu bestimmen. Über eine Echoprofilauswertung mehrerer Messungen besteht die Möglichkeit, hochgenaue 3D-Bilder eines Erfassungsbereichs zu ermitteln. Solche Verfahren werden beispielsweise bei militärischen Anwendungen, in der Raumfahrt und in der Medizintechnik verwendet. Hierzu ist es erforderlich, Informationen in Form von Echoprofilen über das Umfeld an unterschiedlichen Positionen im Raum zu erfassen. Dies ist entweder über feste Antennenarrays, weiche mehrere Antennen umfassen oder synthetische Aperturen möglich, bei denen ein und dieselbe oder mehrere Antennen im Raum bewegt werden und mit der einen oder den mehreren Antennen an den unterschiedlichen Orten Informationen erfasst werden.
Während feste Antennenarrays die Kosten für eine Sensorik deutlich steigern; ist dieses für einen Aufbau einer synthetischen Apertur nicht notwendig. Hierfür ist es lediglich erforderlich, die eine oder mehrere, in der Regel wenigen, Antennen im Raum zu verschieben. Die Verschiebung muss jedoch mit einer sehr hohen Genauigkeit bekannt sein, die im Bereich von einem Zehntel der Wellenlänge der verwendeten Radarstrahlung liegt (siehe beispielhaft M. Vossiek, "Ein Ultraschall-Mehrwandlersystem zur lageunabhängigen Objekterkennung für die industrielle Automation," Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 8: Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik; vol. 564, pp. 1–151, 1996.). Um eine synthetische Apertur aufzubauen ist somit eine gute Relativsensorik erforderlich. Die erreichbaren Genauigkeiten hinsichtlich einer Umfelderfassung sind bei beiden Systemen, einem festen Antennenarray oder einer synthetischen Apertur, identisch.
Aus Kostengründen wurden im Kraftfahrzeugbereich bisher nur Antennenarrays mit einer geringen Anzahl von Antennen eingesetzt. Eine Erhöhung der Anzahl der Antennen führt zwar zu einer erheblichen Genauigkeitssteigerung, steigert jedoch ebenfalls die Kosten der Radarsensorik. Aus Kostengründen bietet es sich daher an, eine synthetische Apertur aufzuspannen. Hierbei werden keine zusätzlichen Antennen benötigt. Allgemein gilt, dass die Antennen eines Antennenarrays bzw. die Aperturpunkte einer synthetischen Apertur zueinander räumliche Abstände einhalten müssen, die das räumliche Abtasttheorem gemäß Shannon einhalten. Um dieses einzuhalten und so ein eindeutiges Umfeldbild zu erzeugen, dürfen die Abstände zwischen zwei Antennen bzw. Aperturpunkten maximal einer halben Wellenlänge des Radarsignals entsprechen, mit dem die Messung durchgeführt wird.
Mit den bekannten im automotiven serieneinsatz befindlichen Radarsystemen lässt sich dieses Abtasttheorem in einem mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 10 m/s fahrenden Fahrzeug nicht realisieren, da die Messraten nicht beliebig erhöht werden können. Messraten beziehen sich hier auf die Raten zur Erfassung von Echoprofilen. Eine zeitliche Abtastrate der Erfassung von Messwerten eines Empfangssignals ist hiervon zu unterscheiden und kann deutlich höher sein. Bei einer Verletzung des Abtasttheorems treten Mehrdeutigkeiten auf, sodass bei einer Auswertung eine Zahl von nichtrealen Geisterzielen deutlich ansteigt. Daher sind Messungen im Abstand von Wellenlänge/2 erforderlich. Bei einer Geschwindigkeit von 10 m/s und einer Wellenlänge von ~1,2 cm sind Messungen mit einer Messrate von ~2 kHz notwendig. Solche hohen Messraten sind mit den aktuellen Radarsensoren nicht umsetzbar. Daher können synthetische Aperturen im Stand der Technik lediglich für Fahrzeuge mit sehr geringen Eigengeschwindigkeiten umgesetzt werden.
Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine räumlich verbesserte Umfelderfassung, insbesondere auch bei Fahrzeugen mit einer höheren Eigengeschwindigkeit, und mit einer höheren räumlichen und vorzugsweise konstanten Auflösung zu ermöglichen.
Die Erfindung wird nach einem Aspekt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 6 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt gemäß einem ersten Aspekt der Gedanke zugrunde, eine verwendete Signalform eines Sendesignals des Radars so anzupassen, dass in angemessener kurzer Zeitfolge Informationen über das Umfeld des Fahrzeugs erfasst werden können, sodass die Orte dieser unterschiedlichen Erfassungen räumlich einen geringeren Abstand aufweisen, als dies gemäß dem räumlichen Abtasttheorem gefordert ist. Ein bereits bekanntes Radarsignalschema, welches als frequenzmoduliertes Dauer-Signal bezeichnet wird, bei dem die Frequenz des Sendesignals kontinuierlich oder diskret (siehe M.-M. Meinecke und H. Rohling "Combination of LFMCW and FSK Modulation Principles for automotive radar systems", German Radar Symposium GRS2000, Berlin, 2000), modifiziert wird, um die relative Verschiebung des Fahrzeugs per Inkrement mit dem Sendesignal zu verkoppeln, wird so verändert, dass mehrere Messungen ineinander verschachtelt werden, um Messungen in dicht beieinander liegenden räumlichen Abständen zu realisieren und so eine synthetische Apertur aufspannen zu können. Hierbei wird für jeden gewünschten Aperturpunkt eine entsprechende, aus dem Stand der Technik bekannte. Frequenzrampe in eine Frequenztreppe umgewandelt.
Die einzelnen Frequenztreppen der unterschiedlichen Aperturpunkte werden zeitlich verschachtelt und hinsichtlich ihrer Frequenzen leicht versetzt. Im Sendesignal treten somit zwischen den Frequenzstufen ein und derselben Frequenztreppe große Frequenzversätze, so genannte Stufenfrequenzversätze und zwischen zueinander korrespondierenden Frequenzstufen unterschiedlicher Frequenztreppen kleinere Treppenfrequenzversätze auf. Die Erzeugung des Sendesignals stellt somit eine besondere Form einer Modulation in Form einer speziellen Frequenzumtastung dar. Insbesondere wird eine Vorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs vorgeschlagen, welche eine Radareinrichtung mit einer Signalerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Sendesignals, einer Sendeantenne zum Aussenden des Sendesignals, mindestens einer Empfangsantenne zum Empfangen eines Empfangssignals und einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln von komplexen Echoprofilen und zum Fusionieren der Echoprofile umfasst, um Belegungsaussagen über eine Umgebung des Fahrzeugs abzuleiten, wobei die Signalerzeugungseinrichtung eine Modulationseinrichtung umfasst, die ein frequenzmoduliertes Signal erzeugt, welches eine Mehrzahl n ineinander verschachtelter Frequenztreppen umfasst, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 3 ist, und wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, die Messwerte des Empfangssignals den einzelnen verschachtelten Frequenztreppen zuzuordnen und die jeweils den Frequenztreppen zugeordneten Messwerte als einzelne Messungen von verschiedenen Aperturpunkten einer synthetischen Apertur auszuwerten. Die den einzelnen Frequenztreppen zuordenbaren Messinformationen werden als Messinformationen unterschiedlicher Aperturpunkte ausgewertet.
Ein Verfahren zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, besonders bevorzugt eines Personenkraftfahrzeugs, umfasst die Schritte: Erzeugen eines Sendesignals, Abstrahlen des Sendesignals mit einer Sendeantenne, Empfangen eines Empfangssignals mit mindestens einer Empfangsantenne, Auswerten des Empfangssignals und Erzeugen von Echoprofilen und Ableiten von Belegungsaussagen aus den Echoprofilen für Raumelemente im Umfeld des Fahrzeugs, wobei das Sendesignal als frequenzmoduliertes Dauerstrichsignal erzeugt wird, welches iterativ eine Mehrzahl n ineinander verschachtelter Frequenztreppen umfasst, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 3 ist und Messwerte des Empfangssignals eines Iterationsschrittes Frequenzstufen der verschiedenen Frequenztreppen und hierüber den verschiedenen Frequenztreppen selbst zugeordnet werden und für jede der Frequenztreppen in jedem der Iterationsschritte ein Echoprofil abgeleitet wird, und die so erhaltenen Echoprofile als Echoprofile von n verschiedenen Aperturpunkten einer synthetischen Apertur ausgewertet werden.
Auf diese Weise wird es möglich, in ausreichend kurzen zeitgleichen Abständen Informationen über das Umfeld zu erfassen, sodass zu den unterschiedlichen Zeitpunkten aufgrund der Eigenbewegung des Fahrzeugs die Position der mindestens einen Antenne sich um einen Abstand von einer Position entfernt hat, zu der eine vorausgehende Information erfasst wurde, welche geringer ist als das Abtasttheorem fordert. Dies bedeutet, dass das Fahrzeug während der Abstrahlung eine Eigenbewegung ausführt bzw. bewegt wird. Bei einem vollständigen Stillstand des Fahrzeugs kann somit die synthetische Apertur besonders für statische Ziele nicht befriedigend aufgespannt werden, da die Messungen keine neue Information für statische Ziele – bedingt durch die unveränderte Messposition – enthalten. Die Anzahl n der Frequenztreppen legt eine Winkelauflösung des abgeleiteten Umfeldbildes fest. Daher wird n sinnvoll wesentlich größer 3 gewählt.
Den einzelnen Messungen eines Iterationsschrittes werden jeweils Positionen als Messposition oder Aperturpunktpositionen zugeordnet. Hierzu wird aus den Messzeitpunkten der einzelnen Messwerte, die einer Frequenztreppe zugeordnet sind, ein zeitlicher Mittelwert bestimmt, der einen mittleren Messzeitpunkt festlegt. Die Position, an der sich die Sendeantenne zum mittleren Messzeitpunkt befindet bzw. befand, legt die Messposition bzw. die Position des Aperturpunktes fest.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Modulation mittels eines spannungsgesteuerten Oszilators ausgeführ. Die Modulationseinrichtung umfasst somit vorzugsweise einen spannungsgesteuerten Oszilator. Über eine Variation der Spannung, lässt sich somit sehr präzise und schnell die jeweils gewünschte Sendefrequenz einstellen.
Um sicher zu stellen, dass das räumliche Abtasttheorem jeweils zuverlässig eingehalten wird, kann die zeitliche Verschachtelung so gewählt werden, dass die Zeitdauer der Abstrahlung der verschachtelten Frequenztreppen eines Iterationsschrittes so kurz ist, dass eine während dieser Zeitdauer zurückgelegte Wegstrecke des Fahrzeugs aufgrund der Eigenbewegung auch bei einer maximal zu erwartenden Geschwindigkeit eingehalten wird.
Ebenso ist es möglich, einen Geschwindigkeitsbereich zu wählen, in dem die Umfelderfassung des Fahrzeugs möglich sein soll und hieran angepasst die Abstrahlungsdauern der einzelnen Frequenzstufen und eine Frequenzstufenanzahl zu wählen. Ein Nachteil an einer starren Festlegung der Abstrahlungsdauer der einzelnen Stufen auf einen einheitlichen Wert und ein Konstanthalten der Frequenzstufenzahl, orientiert an einer maximalen Eigengeschwindigkeit, liegt darin, dass der überspannte Raumbereich nicht optimal festgelegt ist. Es ist wünschenswert, mit der synthetischen Apertur möglichst einen großen Raumbereich zu überspannen. Dies bedeutet, dass es wünschenswert ist, die Abstände der Aperturpunkte möglichst dem Maximalwerten gemäß dem räumlichen Abtasttheorem anzunähern, um so die Qualität der Messungen konstant auf einem optimalen Wert zu halten.
Ein zweiter, auch eigenständiger, Aspekt der Erfindung sieht daher vor, eine Messsensorik des Fahrzeugs dahingehend auszuwerten, dass eine Geschwindigkeitsinformation über die aktuelle Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird und eine zeitliche Dauer der Iterationsschritte individuell an die Fahrzeuggeschwindigkeit angepasst wird, so dass eine von dem Fahrzeug bzw. der Empfangsantenne während des Sendens der einzelnen Iterationsschritte, d. h. jeweils während des Sendens der n verschachtelten verschiedenen Frequenztreppen zurückgelegte Wegstrecke nahezu konstant ist. Es wird somit ein Vorgabewert gewählt, welcher unterhalb des durch die halbe Wellenlänge der Trägerfrequenz des Radarsignals vorgegebenen Maximalabstands liegt und die Zeitdauer der einzelnen Frequenzstufen und eine Frequenzstufenanzahl so festgelegt, dass aufgrund der Eigenbewegung des Fahrzeugs die Empfangsantenne dieselbe Wegstrecke zwischen zwei Aperturpunkten, d. h. mittleren Messorten, zurücklegt. Hinsichtlich der Auswertung bedeutet dies, dass diese geschwindigkeitsunabhängig wird, sodass die Qualität der Messungen geschwindigkeitsunabhängig wird. Die Messsensorik kann beliebige Messsensoren oder Messeinrichtungen umfassen, die Informationen über die Eigenbewegung des Fahrzeugs oder der Empfangsantenne liefern. Insbesondere können diese das Tachometer, Radimpulssensoren, Beschleunigungssensoren, ein Dopplerradar, ein Gyroskop oder Ähnliches umfassen.
Eine Anzahl der Aperturpunkte wird beispielsweise auf 16 festgelegt.
Die Frequenzumtastung wird vorzugsweise so ausgeführt, dass die zeitlich aufeinander folgenden, zueinander korrespondierenden Frequenzstufen der verschiedenen verschachtelten Frequenztreppen einen konstanten Treppenfrequenzversatz aufweisen, welcher betragsgemäß geringer ist als ein Stufenfrequenzversatz zwischen Frequenzstufen ein und derselben Frequenztreppe. Der Treppenfrequenzversatz kann ein entgegengesetztes Vorzeichen zu dem Stufenfrequenzversatz aufweisen. Besonders bevorzugt ist der Stufenfrequenzversatz betragsmäßig größer als ein n-faches des Treppenfrequenzversatzes.
Nach einem dritten Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, eine Güte der Ortskenntnis der verschiedenen Aperturpunkte in Kombination mit der Güte des Sendesignals auszunutzen, um eine Auflösung der Umfelderfassung zu steigern. Insbesondere wird ein Verfahren zur verbesserten Umfeldauswertung mittels eines Radarsensors vorgeschlagen, bei dem die Belegung von Volumenelementen im Umfeld des Fahrzeugs über komplexe Zeiger, die aus den Echoprofilen abgeleitet werden, errechnet werden, wobei bei einem Betrieb des Radarsensors nach dem oben beschriebenen Verfahren für zwei zeitlich unmittelbar aufeinander folgende Frequenztreppen zunächst Echoprofile ermittelt werden, anhand der Phasenanteile der Echoprofile einer Relativgeschwindigkeit zu einem Objekt bestimmt wird und anschließend ein konstruiertes, komplexes Echoprofile erzeugt wird, dessen Phasenanteil bis auf eine Konstante durch einen Quotienten der ermittelten Relativgeschwindigkeit und einer maximalen Geschwindigkeit, die noch eindeutig messbar ist, gegeben ist und das konstruierte, komplexe Echoprofil anstelle des gemessenen Empfangsspektrums für die Ermittlung der Belegung im Umfeld des Fahrzeugs verwendet wird. Wie oben erwähnt, darf eine Schätzung bzw. Messung der Phase einen Fehler von λ/10 nicht überschreiten. λ gibt die Wellenlängen der Trägerfrequenz des Sendesignals an. Hierbei ist insbesondere die Relativgeschwindigkeit der Empfangsantenne von besonderer Bedeutung. Ist diese jedoch mit einer höheren Genauigkeit bekannt, als dies gemäß den Randbedingungen des räumlichen Abtasttheorem gefordert ist, so kann die aus der Relativgeschwindigkeitsmessung abgeleitete Phase um einen Faktor vergrößert werden. Dies bedeutet, dass das die Qualität des Messergebnisses direkt gemäß der Genauigkeit der Messung angepasst und optimiert werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Phase des konstruierten Zeigers um einen Rotationsfaktor a rotiert werden wird, wenn sich anhand einer Auswertung von Messinformationen der Messsensorik des Fahrzeugs ergibt, dass Randbedingungen für eine Genauigkeit einer Kenntnis der Eigengeschwindigkeit der Antenne unterschritten werden. Dies bedeutet, wenn eine Genauigkeit mit der die Eigengeschwindigkeit bekannt ist, größer als eine geforderte Genauigkeit ist, lässt sich die eine Schärfe eines sich aus der holographischen Rekonstruktion ergebenden Bildes verbessern. Ergibt die Auswertung der Sensorik, dass die Randbedingungen nicht eingehalten werden könne, so kann über den Rotationsfaktor auch eine Anpassung an die Genauigkeit der Relativsensorik ausgeführt werden. Die ursprünglich geforderte Genauigkeit für die Kenntnis der Positionen der Aperturpunkte bzw. der Abstände der Aparturpunkte von einem Zehntel der Wellenlänge wird durch die Umkonstruktion der Phase in den Term 2v_max/10 als Randbedingung für eine Kenntnis der Relativgeschwindigkeit überführt. Der Wert für die maximal eindeutig erfassbare Geschwindigkeit ist durch den Grad der Verschachtelung der einzelnen Frequenztreppen im Sendesignal festgelegt. Berücksichtigt man den in die Phase einführten Rotationsfaktor a, so wird die Randbedingung für die Relativsensorik von 2v_max/10 auf 2v_max/10a überführt. Es ergibt sich somit, dass über den Rotationsfaktor a auch die Phase des konstruierten Echoprofil so verändert werden kann, dass diese an eine Relativsensorik angepasst wird, die ansonsten die Randbedingungen nicht einhalten würde. Somit ist eine optimal ”scharfe” Bildkonstruktion angepasst an die Relativsensorik möglich.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 einen Vergleich eines festen Antennenarrays mit einer synthetischen Apertur mit gleicher erreichbarer Genauigkeit;
2a ein Ergebnis einer Vermessung eines Reflektors unter Einhaltung des räumlichen Abtasttheorems;
2b eine Vermessung desselben Reflektors unter Verletzung des räumlichen Abtasttheorems;
3 eine grafische Darstellung eines Sendesignals gemäß dem Stand der Technik zur zeitgleichen Messung einer Entfernung und Geschwindigkeit von entgegenkommenden Objekten;
4 eine schematische grafische Darstellung eines Sendesignals;
5 eine schematische grafische Darstellung eines Sendesignals, welches verschachtelte Frequenztreppen umfasst;
6 eine schematische Darstellung eines Sendesignals zur Ausbildung einer synthetischen Apertur mit 16 Aperturpunkten;
7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs; und
8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Auswirkung eines Rotationsfaktors bei einer Fusion von mehreren Messergebnissen.
In 1 ist auf einer linken Seite ein festes Antennenarray 1 mit vier Antennen 2 bis 5 dargestellt. Die einzelnen Antennen 2 bis 5 weisen zu ihrem jeweiligen Nachbarn jeweils einen Abstand d auf. Die einzelnen Antennen 2 bis 5 des Antennenarrays 1 sind starr miteinander verbunden. Über die vier Antennen 2 bis 5 können zeitgleich Signale erfasst und ausgewertet werden. Auf der rechten Seite der 1 ist eine synthetische Apertur 6 gezeigt. Diese umfasst eine Antenne 7, die entlang einer x-Achse im Raum bewegt wird. An vier Orten entlang der x-Achse, die als Aparturpunkte 9 bis 12 bezeichnet werden und jeweils zueinander denselben Abstand d wie die Antennen 2 bis 5 des festen Antennenarrays 1 aufweisen, werden zeitlich nacheinander von der Antenne 7 Signale empfangen. Hinsichtlich eines räumlichen Auflösungsvermögens, welches mit dem festen Antennenarray und den vier zeitgleich erfassten Messungen einerseits und andererseits den vier mittels der synthetischen Apertur zeitlich nacheinander erfassten Messungen erreichbar ist, sind die beiden Messanordnungen äquivalent. Während eine Steigerung einer Antennenanzahl zur Erzeugung eines festen Antennenarrays zusätzliche Kosten verursacht, ist ein Aufbau einer synthetischen Apertur in einem Kraftfahrzeug in der Regel ohne hohe Kosten für zusätzliche Hardware möglich, da eine Sensorik zur Erfassung einer Relativbewegung häufig bereits im Fahrzeug vorhanden ist.
Voraussetzung dafür, dass eine hohe Auflösung möglich ist und zuverlässige Ergebnisse erzielt werden, ist jedoch, dass ein räumliches Abtasttheorem eingehalten wird. Dieses fordert, dass die Abstände zwischen den einzelnen benachbarten Antennen bzw.
benachbarten Aperturpunkten der synthetischen Apertur, welche durch die unterschiedlichen Positionen, an denen Messungen erfasst werden, gegeben sind, höchstens einer Hälfte der Wellenlänge des Signals entsprechen, welches als Sende- und Empfangssignal verwendet wird. Es wird an dieser Stelle angemerkt, dass trotz einer Frequenzmodulation eine einheitliche Trägerfrequenz für diese Betrachtungen angenommen werden kann. Die durch die Modulation bedingten Änderungen der Wellenlänge sind gegenüber der Wellenlänge der Trägerfrequenz vernachlässigbar. Bei einer typischen Trägerfrequenz von 24 GHz liegt eine Modulationsbreite typischerweise im Bereich von einigen 100 MHz.
In 2 ist ein Ergebnis einer Vermessung eines Reflektors unter Einhaltung des Abtasttheorems dargestellt. Über eine Schwärzung ist eine Belegungswahrscheinlichkeit für die einzelnen Raumpunkte angegeben. Zu erkennen ist, dass der Reflektor 21 in x-Richtung 6 m und in y-Richtung 8 m von einem Ursprung 22 eines Koordinatensystems entfernt ist.
In 2b ist das Ergebnis einer Messung gezeigt, bei der das Abtasttheorem nicht eingehalten wurde. Neben dem Reflektor 21 erscheint eine Reihe von Geisterzielen 23 bis 27. Es ergibt sich somit, dass das räumliche Abtasttheorem einzuhalten ist, um sinnvolle Ergebnisse zu erzielen.
Wie beispielsweise aus der Veröffentlichung des Standes der Technik von M.-M. Meinecke und H. Rohling "Combination of LFMCW and FSK Modulation Principles for automotive radar systems", German Radar Symposium GRS2000, Berlin, 2000 bekannt ist, kann eine Verschachtelung von zwei frequenzmodulierten Rampen bzw. Frequenztreppen vorgenommen werden, um sowohl eine Relativgeschwindigkeit zu einem Objekt, als auch dessen Entfernung präzise und eindeutig zu bestimmen. Das vorgeschlagene Modulationsschema nach dem Stand der Technik ist beispielhaft in 3 dargestellt. Das dort beschriebene Signal umfasst zwei Frequenztreppen a, b, die zeitlich ineinander verschachtelt sind. Die Treppen umfassen jeweils n_z-Stufen mit einer Stufenversatzfrequenz Δω die jeweils zueinander korrespondierenden Treppenstufen A₁, B₁; ...A_i, B_i; ... weisen jeweils einen Treppenfrequenzversatz Δω_m auf. Eine Zeitdauer, während derer die jeweiligen Treppenstufen, das heißt die den Treppenstufen zugeordnete Frequenzen ausgesandt werden, beträgt Δt₀. Hierüber ist eine Abtastfrequenz f_mess festgelegt, welche sich zu f_mess = 1/Δt₀ ergibt. Während das Sendesignal im Stand der Technik lediglich dazu verwendet wird, Position und Geschwindigkeit in zeitlich kurzem Abstand zu ermitteln, wird das Sendesignal erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass eine synthetische Apertur ausgebildet werden kann, welche das räumliche Abtasttheorem auch bei Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs zuverlässig einhält.
In 4 ist das Sendesignal 61 grafisch aufgetragen. Hierbei ist die Frequenz des Sendesignals 61 gegen die Zeit aufgetragen. Das Sendesignal 61 besteht in dem dargestellten Ausschnitt aus sechs Frequenzrampen 62. Iterativ wird somit die Frequenz des Sendesignals kontinuierlich erhöht, bis sie zu Beginn eines nächsten Iterationsschrittes wieder bei einer niedrigen Frequenz beginnt. Während des Aussendens der einzelnen Frequenzrampen 62 werden eine Vielzahl von Messwerten eines zeitgleich an einer Empfangsantenne (welches auch die Sendeantenne sein kann) erfassten Empfangssignals erfasst. Die einzelnen Messwerte aufgetragen gegen die Zeit ergeben ein Echoprofil im Zeitraum. Für eine Auswertung wird in der Regel eine Transformation ausgeführt, um ein komplexes Echoprofil im Frequenzraum zu erhalten. Die während einer solchen Frequenzrampe 62 erfassten Messwerte werden als eine Messung aufgefasst und gemeinsam in einem Echoprofil ausgewertet. Für die einzelnen Frequenzrampen 62 lässt sich jeweils ein mittlerer Empfangszeitpunkt für die zeitgleich erfassten Messwerte festlegen. Diese mittleren Messzeitpunkte 63 sind durch Pfeile 64 in der Grafik angezeigt. Die Orte, an denen sich die Empfangsantenne zu den mittleren Empfangszeitpunkten befindet, legen die Messposition der entsprechenden Messung fest, der die einzelnen Messwerte zugeordnet werden. Ein räumlicher Abstand zwischen diesen mittleren Messpositionen ist von einer Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs bzw. der mit dem Fahrzeug verbundenen Empfangsantenne abhängig. Um das räumliche Abtasttheorem zuverlässig einzuhalten, sind die einzelnen Frequenzrampen 62 zeitlich so auszugestalten, dass eine Rampendauer ΔT_R, welche die Zeit eines Iterationszyklus angibt, so gering ist, dass auch bei hohen Geschwindigkeiten die Abstände zwischen den Messpositionen, die den einzelnen mittleren Messzeitpunkt im Raum zugeordnet werden, voneinander einen geringeren Abstand aufweisen als dies zur Einhaltung des räumlichen Abtasttheorems erforderlich ist.
In 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das Sendesignal aus jeweils monoton steigenden Frequenzrampen zusammengesetzt ist. Bei anderen Ausführungsformen kann das Sendesignal aus monoton fallenden Frequenzrampen zusammengesetzt sein. Die Rampen beginnen bei einer maximalen Frequenz, die abgesenkt wird und zu Beginn der nächsten Rampe wieder auf die maximale Frequenz springt. Wieder andere Ausführungsformen weisen ein Sendesignal mit alternierend wechselnden monoton steigenden und monoton fallenden Rampen auf.
In 5 ist ein Sendesignal 71 schematisch angedeutet, welches aus vier ineinander verschachtelten Frequenztreppen gebildet ist. Gezeigt ist lediglich das Sendesignal 71 eines Iterationsschritts. Die Frequenztreppen 72 bis 75 weisen bei der dargestellten Ausführungsform jeweils vier Frequenzstufen auf. Die Frequenztreppe 72 setzt sich somit aus den Frequenzstufen 72-1, 72-2, 72-3 und 72-4 zusammen. Entsprechend sind die anderen Frequenztreppen 73 bis 75 aufgebaut. Während des Sendens einer jeden Frequenzstufe, d. h. der Frequenzstufen 72-1 bis 75-4, wird bei dem dargestellten Beispiel jeweils ein Messwert des Empfangssignals aufgezeichnet. Dieses ist über Kreise 76 bis 91 angedeutet. Im Folgenden sollen die zu den Zeitpunkten 76 bis 91 erfassten Messwerte ebenfalls mit den zugehörigen Bezugszeichen assoziiert werden, um die Erläuterung der Auswertung zu vereinfachen. Somit existieren Messwerte 76 bis 91. Diese werden den entsprechenden Frequenzstufen 72-1 bis 75-4 und hierüber den einzelnen Frequenztreppen 72 bis 75 zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt in der Weise, dass der entsprechende Messwert 76 bis 91 der entsprechenden Frequenzstufe 72-1 bis 75-4 zugeordnet wird, die das Sendesignal zu dem Messzeitpunkt 76 bis 91 des entsprechenden Messwertes 76 bis 91 darstellt. Der zu dem Zeitpunkt 76 erfasste Messwert wird somit der Frequenzstufe 72-1 und hierüber der Frequenztreppe 72 zugeordnet. Die Messwerte 76 bis 91, die einer der Frequenztreppen 72 bis 75 zugeordnet sind, stellen für die Auswertung eine einzelne Messung dar, für die ein Echoprofil erzeugt und anschließend weiter ausgewertet wird. Im dargestellten Beispiel werden beispielsweise die Messwerte 76, 80, 84 und 88 der Frequenztreppe 72 zugeordnet und gemeinsam als eine Messung ausgewertet. Die Messwerte 77, 81, 85 und 89, die der Frequenztreppe 73 zugeordnet sind, repräsentieren eine zweite Messung usw. Anhand der Messzeitpunkte 76, 80, 84 und 88 wird ein mittlerer Messzeitpunkt 92 ermittelt. Der Ort, an dem sich die Empfangsantenne zum mittleren Messzeitpunkt 92 befindet, legt die Position eines ersten Aperturpunktes fest. Entsprechend wird für die weiteren Frequenztreppen 73 bis 75 verfahren, um die mittleren Messzeitpunkte 93 bis 95 festzulegen, über die dann entsprechend die Positionen der weiteren Aperturpunkte ermittelt werden können. In einem Iterationsschritt erhält man somit genau so viele Aperturpunkte, wie man Frequenztreppen ineinander verschachtelt hat. Entscheidend ist hier, dass die Aperturpunkte unter der Voraussetzung, dass die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs während eines Iterationsschrittes als nahezu konstant angesehen werden kann, zueinander einen äquidistanten Abstand zu ihren unmittelbaren Nachbarn aufweisen. Über die Iteration erhält man somit jeweils bei jedem Iterationsschritt einen Satz von Echoprofilen und einen zugehörigen Satz von Aperturpunkten. Die Aperturpunkte eines solchen Satzes, sind jeweils im Raum gleich beabstandet voneinander in der Weise, dass die Abstände benachbarter Aperturpunkte kleiner als eine Vorgabe sind, welche durch das räumliche Abtasttheorem vorgegeben ist. Angemerkt wird, dass die Aperturpunkte unterschiedlicher Sätze einen räumlichen Abstand aufweisen, der nicht dem räumlichen Abtasttheorem entspricht.
In 6 ist schematisch ein Frequenzdiagramm eines Iterationsschrittes für eine Ausführungsform dargestellt, welche 16 Aperturpunkte umfasst. Hierbei werden 16 Frequenzrampen bzw. Frequenztreppen A bis P zeitlich ineinander verschachtelt. Die Stufen ein und derselben Treppe weisen bei dieser Ausführungsform jeweils denselben Stufenfrequenzversatz Δω auf. Die einzelnen zueinander korrespondierenden Stufen der unterschiedlichen Treppen weisen jeweils den Treppenfrequenzversatz Δω_m auf. Dieser ist im dargestellten Ausführungsbeispiel negativ, wohingegen der Stufenfrequenzversatz positiv ist. Der Betrag des Stufenfrequenzversatzes Δω ist größer als das n-fache, hier 16-fache des Betrags des Treppenfrequenzversatzes Δω_m. Die zeitliche Dauer Δt₀ der einzelnen Stufen wird bei einer Ausführungsform als konstant gewählt und zwar so, dass das Abtasttheorem auch bei der höchsten möglichen Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs eingehalten wird. Dies bedeutet, dass Δt und hierüber die Mess-Abtastfrequenz f_mess so klein gewählt wird, dass die Abtastfrequenz eine Größe erreicht, dass auch bei der größten möglichen Eigengeschwindigkeit der sich ergebende Abstand zwischen benachbarten Aperturpunkten x_Abstand = v_ego/f_mess ergibt, der kleiner als die Hälfte der Wellenlänge des Radarsignals ist. Das heißt x_Abstand < λ/2.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird jedoch die zeitliche Dauer Δt₀, während der die einzelnen Frequenzstufen ausgesandt werden, in Abhängigkeit von der Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs für unterschiedliche Iteratonsschritte variiert, um hierüber den Abstand benachbarter Aperturpunkte eines Satzes von Aperturpunkten konstant und unterhalb der Randbedingung λ/2 zu halten. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Auswertung eigengeschwindigkeitsunabhängig wird.
Anhand der Aperturpunkte, die in einem Iterationszyklus aufgenommen werden, wenn eine Anzahl von Frequenztreppen ineinander verschachtelt ist, wird jeweils ein Bild der Umgebung ermittelt. Um in den unterschiedlichen Iterationszyklen abgeleitete Umgebungsbilder, welche eine Belegung des Umfelds repräsentieren, miteinander einfach vergleichen und fusionieren zu können, ist es von Vorteil, wenn diese dieselbe Qualität aufweisen. Eine Qualität dieser Bilder ist insbesondere davon abhängig, welchen Abstand die Aperturpunkte zueinander aufweisen, die zur Bestimmung eines solchen Umgebungsbilds verwendet sind. Besonders vorteilhaft ist es, dafür zu sorgen, dass die Aperturpunktabstände in den unterschiedlichen Iterationszyklen jeweils gleich oder zumindest nahezu gleich sind. Innerhalb eines bestimmten Eigengeschwindigkeitsbereichs lässt sich dieses realisieren. Bei Stillstand des Fahrzeugs oder unterhalb einer vorgegebenen Eigengeschwindigkeit ist dies in der Regel nicht mehr befriedigend möglich.
Um dafür zu sorgen, dass in aufeinanderfolgenden Iterationsschritten die Abstände zwischen den Aperturpunkten eines jeweiligen Iterationsschrittes nahezu gleich lang sind, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Modulation des Sendesignals so variiert wird, dass die Zeitdauer, welche für das Senden der ineinander verschachtelten Frequenztreppen eines Iterationsschrittes angepasst an die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs variiert wird.
Betrachtet man erneut das Beispiel der 5, so kann man zur Veranschaulichung jeder der Frequenztreppen 72 bis 75 jeweils eine Frequenzrampe 101 bis 104 gedanklich zuordnen. Diese Frequenzrampen 101 bis 104 weisen jeweils dieselbe Steigung auf und sind zeitlich voneinander so beabstandet, dass die Schnittpunkte dieser gedachten Frequenzrampen 101 bis 104 mit den Frequenzstufen 72-1 bis 75-4 der einzelnen Frequenztreppen 72 bis 75 jeweils Schnittpunkte bilden, welche mit den Messzeitpunkten 76 bis 91 zusammenfallen. Die Mittelpunkte 105 bis 108 der gedachten Frequenzrampen 101 bis 104 fallen zusammen mit den mittleren Messpositionen 92 bis 95. Um zu erreichen, dass die diesen Mittelpunkten 105 bis 108 zugeordneten Positionen im Raum zueinander den vorgegebenen Aperturabstand aufweisen, ist es nötig, abhängig von der Eigengeschwindigkeit diese hinter der Verschachtelung der einzelnen Frequenztreppen 72 bis 75 liegenden gedanklichen Frequenzrampen 101 bis 104 zeitlich zu entzerren oder zeitlich zusammenzuschieben. Wird die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs erhöht, so müssen die gedachten Frequenzrampen 101 bis 104 zeitlich entzerrt werden und im anderen Falle, wenn die Eigengeschwindigkeit verlangsamt wird, zeitlich zusammengeschoben werden. Entzerren bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein zeitlicher Abstand zwischen den gedachten Frequenzrampen 101 bis 104 vergrößert werden muss und entsprechend ein Zusammenschieben ein Verringern des zeitlichen Abstandes zwischen den gedachten Frequenzrampen 101 bis 104. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die zeitliche Länge ΔT_R des Sendesignals 71 des Iterationsschritts und somit die Dauer des Iterationsschritts vergrößert oder verringert wird. Wird beispielsweise die Anzahl der erfassten Messpunkte bzw. Frequenzstufen 72-1 bis 75-4 konstant gehalten, so lässt sich dieses darüber erreichen, dass eine Dauer Δt der einzelnen Frequenzstufen 72-1 bis 75-4 variiert wird. Eine andere Möglichkeit sieht vor, dass eine Anzahl der Frequenzstufen und hiermit eine Stufenversatzfrequenz variiert wird. Auch Kombinationen oder andere Umsetzungen sind möglich.
Auch bei den Ausführungsformen des Sendesignals nach 4 und 6 kann eine Anpassung der Modulation an die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs bzw. der Empfangsantenne ausgeführt werden.
Während bei den Ausführungsformen nach 5 und 6 die gedachten Frequenzrampen monoton steigend sind, so dass die Stufenversatzfrequenzen positiv sind, sehen andere Ausführungsformen gedachte monoton fallende Frequenzrampen vor, die zu negativen Stufenversatzfrequenzen führen. Zeitlich nachfolgende Stufen derselben Frequenztreppen weisen eine geringere Frequenz auf. Die Treppenversatzfrequenz kann positiv oder negativ gewählt sein. Wieder andere Ausführungsformen umfassend alternierend in den verschiedenen Iterationsschritten gedachte monoton steigende und monoton fallende Frequenzrampen. Die gedachten Frequenzrampen der verschiedenen Frequenztreppen in einem Iterationsschritt sind jeweils vom selben Typ, alle monoton steigend oder alle monoton fallend.
In 7 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 31 dargestellt. Das Kraftfahrzeug umfasst eine Radareinrichtung 32. Die Radareinrichtung 32 umfasst eine Sendeantenne 33 und eine Empfangsantenne 34. Mit der Sendeantenne 33 ist eine Signalerzeugungseinrichtung 35 verbunden. Die Signalerzeugungseinrichtung umfasst ihrerseits eine Modulationseinrichtung 36. Die Modulationseinrichtung 36 erzeugt ein Sendesignal 37, welches mittels der Sendeantenne 33 ausgesandt wird. Dieses wird als spezielles frequenzmoduliertes Dauer-Signal erzeugt, wie dies oben beschrieben ist. Hierzu nutzt die Modulationseinrichtung 36 vorzugsweise einen spannungsgesteuerten Oszillator 38. Das an einem Objekt 39 reflektierte Sendesignal 37 wird zu der Empfangsantenne 34 zurückreflektiert, die ein Empfangssignal 40 empfängt. Das Empfangssignal 40 wird von einer Auswerteeinrichtung 41 ausgewertet. Diese umfasst vorzugsweise einen IQ-Mischer 42, welcher zur Demodulation zusätzlich zu dem Empfangssignal 40 auch das Sendesignal 37 verarbeitet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Sendesignal in Form von zeitlich ineinander verschachtelten Frequenztreppen erzeugt. Eine zeitliche Sendedauer einer Frequenzstufe wird hierbei an eine Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs so angepasst, dass in aufeinanderfolgenden Iterationsschritten synthetische Aperturen mit einem festen Abstand zwischen den sich ergebenden Aperturpunkten entstehen. Hierfür werden Messinformationen 43 bis 46 einer Messsensorik 47 des Kraftfahrzeugs ausgewertet. Die Messsensorik kann unterschiedliche Messsensoren 48, 49 und/oder Messeinrichtungen 50, 51 umfassen. Diese können alle Sensoren und Messeinrichtungen umfassen, die Informationen über die Eigenbewegung des Fahrzeugs bereitstellen können. Insbesondere können diese ein Tacho, Radimpulssensoren, ein Dopplerradar, Gyroskope, Trägheitssensoren, Satellitennavigationseinrichtungen, Gierratenmesseinrichtungen, Kippratenmesseinrichtungen usw. umfassen, um nur einige zu nennen. Die Auswerteeinrichtung 41 ist in der Lage, aus den Messinformationen eine Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 31 zu ermitteln und diese der Signalerzeugungseinrichtung 35 zur Verfügung zu stellen, so dass diese angepasst an die Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 31 das Sendesignal 37 erzeugen kann.
Um eine präzise Umfeldauswertung vornehmen zu können, ist es darüber hinaus notwendig, den Abstand der Aperturpunkte voneinander mit einer Genauigkeit von besser als λ/10, also einem Zehntel der Wellenlänge, des Radarsignals zu kennen. Für diese Auswertung sind die Phasen der komplexen abgeleiteten Echoprofile von Bedeutung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird nun vorgeschlagen, die Phasenbestimmungen durch Geschwindigkeitsbestimmungen zu ersetzen. Ein komplex gemessenes Echoprofil lässt sich wie folgt schreiben F_emp(jω) = |F_emp(jω)|·e^{j arg(F'emp'(jω))}.
Hierzu werden Echoprofile zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t₀ und t₁ gemessen, sodass sich zwei unterschiedliche komplexe Echoprofile
und
ergeben.
Durch eine Differenzbildung der Phasenanteile der Echoprofile
und
wird unter Verwendung eines Faktors K, welcher die Trägerfrequenz, die Abtastfrequenz und die Lichtgeschwindigkeit berücksichtigt, die relative Geschwindigkeit v_rel des Ziels zum Radarsensor bestimmt:
Diese ermittelte Geschwindigkeit v_rel legt nun mit der maximalen Geschwindigkeit v_max, die maximal eindeutig zu messen ist, die Phase des neu konstruierten komplexen Echoprofils F_kon(jω) fest. Der Betrag des Echoprofils kann exemplarisch durch eine Mittlung der Beträge der Empfangsspektren
und
umgesetzt werden:
Durch diese Umkonstruktion des Echoprofil wird die ursprüngliche Randbedingung, dass die Position mit einer höheren Genauigkeit als Wellenlänge/10 bekannt sein muss, in die Randbedingung überführt, dass die Relativgeschwindigkeit, d. h. die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs, genauer als 2v_max/10 bekannt sein muss. Dies bedeutet, dass die Geschwindigkeit der Relativbewegung einer Antenne mit einer Genauigkeit bekannt sein muss, welche die Geschwindigkeitshypothese gemäß der Randbedingung nicht verletzt. Gerade für lange Aperturen, das heißt Aperturen mit vielen Aperturpunkten, summiert sich der Fehler der Relativsensorik der Eigengeschwindigkeit auf, so dass neben der Toleranz auch die Länge der Apertur berücksichtigt werden muss. Dies bedeutet, dass der relative Fehler der Sensorik der Eigengeschwindigkeit die maximale Aperturlänge bestimmt. Falls die Randbedingung nicht eingehalten werden kann, kann der Eindeutigkeitsbereich der Geschwindigkeitsmessung, der Wert für v_max, erhöht werden, da dieser lediglich von dem Grad der ”Verschachtelung” der einzelnen Frequenztreppen im Sendesignal abhängt.
Ist die Relativgeschwindigkeit des Fahrzeugs aufgrund der im Fahrzeug vorhandenen Sensorik, wie Tacho, Lenkwinkel, Gyroskopen, Dopplerradar, etc. mit einer deutlich besseren Genauigkeit bekannt, als dies durch die Randbedingung gefordert ist, so kann diese höhere Genauigkeit dazu verwendet werden, die Phase des konstruierten Echoprofils zu modifizieren. Hierzu wird ein Rotationsfaktor a in die Phase des konstruierten Echoprofils einmultipliziert. Das konstruierte Echoprofils ist dann durch folgende Formel gegeben:
Wird die geforderte Genauigkeit bei der Bestimmung der Relativgeschwindigkeit unterschritten, so weist der Faktor a einen Wert größer 1 auf. Über diesen Faktor ist es jedoch auch möglich, die Phase so anzupassen, dass die Randbedingung auch dann eingehalten wird, wenn die Sensorik nicht die ausreichende Genauigkeit aufweist. In diesem Fall wird a soweit reduziert, bis die Randbedingung 2v_max/10a eingehalten wird. Praktisch ist es somit möglich, den Eindeutigkeitsbereich, welcher über v_max definiert ist, an die Relativsensorik anzupassen. Hierbei wird der Eindeutigkeitsbereich über die Variable a soweit reduziert, dass die Relativsensorik mit der geforderten Sicherheit die Messung auf den Eindeutigkeitsbereich reduzieren kann. Hiermit ist eine Umsetzung eines Synthetic Apparture Radars (SAR) in einem Fahrzeug mit beliebig genauerer Radarsensorik innerhalb eines gegebenen Kostenrahmens möglich, da die Dopplermessung welche sich direkt über die Phasendifferenzmessung ergibt – an eine Güte der Relativgeschwindigkeitsmessung anpassbar ist.
Die Einführung des Rotationsfaktors a in die Phase bewirkt bildlich gesprochen, dass bei einer Fusion von zwei Messungen eine Belegungswahrscheinlichkeit an einem Raumpunkt sich dann erhöht, wenn die beiden zugehörigen Echoprofile denselben Phasenwert aufweisen. Weisen diese unterschiedliche Phasen auf, so ist dies ein Hinweis darauf, dass sich kein Objekt an dieser Position befindet. Durch das Einmultiplizieren des Faktors a, welcher für den Fall, dass die Relativsensorik die geforderte Messgenauigkeit unterschreitet, größer 1 ist, werden somit Phasenunterschiede auch um den Rotationsfaktor a vergrößert, sodass Phasenwerte, die ursprünglich einen geringeren Abstand zueinander aufweisen, nun einen vergrößerten Abstand aufweisen. Hierüber wird die Schärfe der Abbildung gesteigert. Innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfensters, in dem Phasenwerte als konstruktiv verstärkend angesehen werden, fallen somit nur noch Phasenwerte, die unter Nichtberücksichtigung des einmultiplizierten Faktors a einen geringeren Abstand aufweisen.
Bildlich soll dieser Zusammenhang anhand von 8 kurz erläutert werden. Beschreibt man eine Belegung für einen Umgebungsbereich des Fahrzeugs anhand eines komplexen Zeigers, so lässt sich die Belegung durch ein Aufeinanderstapeln mehrerer solcher Zeiger 121 bis 125 repräsentieren. Weisen sämtliche dieser aus den komplexen Echospektren abgeleiteten kompletten Zeiger 121 bis 125 dieselbe Phase auf, so addieren sich diese zu einem Summenzeiger 126 mit großer Länge. Geht man davon aus, dass ein Toleranzbereich 127 für das Vorliegen eines Objekts an derselben Position mit einer maximalen Winkelabweichung in der Phase von 3° einhergeht (zeichnerisch vergrößert dargestellt), so ergeben sich bei einer Addition von Zeigern 121' bis 125', welche unterschiedliche Phasenrichtungen aufweisen, ein Summenzeiger 126' mit geringerer Länge, welches ausdrückt, dass eine Belegungswahrscheinlichkeit dieses Raumbereiches geringer ist. Über die Einführung des Rotationsfaktors a wird nun erreicht, dass die Phasenabweichungen, d. h. die Winkelabweichungen der einzelnen betrachteten Zeiger 121'' bis 125'', vergrößert werden, wenn aufgrund der Eigengeschwindigkeit die Grenzbedingung unterschritten wird.
Zeiger 121' bis 125', die zuvor im Randbereich des Toleranzbereichs lagen, werden hierdurch hinsichtlich ihres Winkels in Zeiger 121'' bis 125'' so verdreht, dass sich diese nicht mehr konstruktiv zu einem großen Summenzeiger addieren, sondern wie rechts dargestellt ist, im Extremfall zu einem Summenzeiger 126'' einer geringen Länge addieren. Somit kann eine Auflösung des abgeleiteten Umgebungsbilds dadurch gesteigert werden, dass nur noch solche eine Raumbelegung repräsentierenden komplexen Zeiger die Belegungsaussage für einen Raumbereich steigern, die in einem geringeren Phasenwinkeltoleranzbereich liegen als dies ohne die Verwendung des Rotationsfaktors a der Fall wäre.
Es ergibt sich für den Fachmann das lediglich beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind. Beispielsweise kann die Zahl der gewünschten Aperturen auf einfache Weise angepasst werden. Insbesondere ist die Zahl der Frequenztreppen und Frequenzstufen in dem Beispiel der 4 gering gewählt worden, um die Erläuterung zu erleichtern.
Bezugszeichenliste

1: Antennenarray
2 bis 5: Antennen
d: Abstand zwischen Antennen
6: synthetische Apertur
7: Antenne
8: x-Achse
9 bis 12: Aperturpunkte
21: Reflektor
22: Ursprung
23 bis 27: Geisterziele
31: Kraftfahrzeug
32: Radareinrichtung
33: Sendeantenne
34: Empfangsantenne
35: Signalerzeugungseinrichtung
36: Modulationseinrichtung
37: Sendesignal
38: spannungsgesteuerter Oszillator
39: Objekt
40: Empfangssignal
41: Auswerteeinrichtung
42: IQ-Mischer
43 bis 46: Messinformationen
47: Messsensorik
48 bis 49: Messsensoren
50 bis 51: Messeinrichtung
61: Sendesignal
62: Frequenzrampen
63: mittlere Messzeitpunkte
64: Pfeile
71: Sendesignal
72 bis 75: Frequenzrampen
72-x: Frequenzstufen, x = 1, 2, 3, 4
73-x: Frequenzstufen, x = 1, 2, 3, 4
74-x: Frequenzstufen, x = 1, 2, 3, 4
75-x: Frequenzstufen, x = 1, 2, 3, 4
76 bis 91: Zeitpunkte der Messwerterfassung des Empfangssignals (zur Vereinfachung auch verwendet für eine Indexierung der Messwerte)
92 bis 95: mittlere Messpunkte
101 bis 104: gedachte Frequenzrampen
105 bis 108: Mittelpunkte
121 bis 125: komplexe Zeiger (ideale Messung mit real existierendem Objekt)
121' bis 125': komplexe Zeiger (Objekt existiert nicht)
121'' bis 125'': komplexe rotierte Zeiger
126, 126', 126'': Summenzeiger
127: Toleranzbereich

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 Nicht-Patentliteratur

M. Vossiek, ”Ein Ultraschall-Mehrwandlersystem zur lageunabhängigen Objekterkennung für die industrielle Automation,” Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 8: Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik; vol. 564, pp. 1–151, 1996. [0003]
M.-M. Meinecke und H. Rohling ”Combination of LFMCW and FSK Modulation Principles for automotive radar systems”, German Radar Symposium GRS2000, Berlin, 2000 [0008]
M.-M. Meinecke und H. Rohling ”Combination of LFMCW and FSK Modulation Principles for automotive radar systems”, German Radar Symposium GRS2000, Berlin, 2000 [0036]

Claims

Vorrichtung zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs (31) umfassend: eine Radareinrichtung mit einer Signalerzeugungseinrichtung (35) zum Erzeugen eines Sendesignals (37), einer Sendeantenne (33) zum Aussenden des Sendesignals (37), mindestens einer Empfangsantenne (34) zum Empfangen eines aus dem reflektierten Sendesignal (37) resultierenden Empfangssignals (40) und einer Auswerteeinrichtung (41) zum Auswerten von Echoprofilen des Empfangssignals und zum Ableiten von Belegungsaussagen für Raumbereiche einer Umgebung des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinrichtung (35) eine Modulationseinrichtung (36) umfasst, die ein frequenzmoduliertes Dauerstrichsignal erzeugt, welches iterativ jeweils aus einer Mehrzahl n ineinander verschachtelter Frequenztreppen gebildet ist, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 3 ist, wobei die Auswerteeinrichtung (41) ausgebildet ist, für jeden Iterationsschritt Messwerte des Empfangssignals Frequenzstufen der einzelnen Frequenztreppen und hierüber den Frequenztreppen zuzuordnen und für jede der n Frequenztreppen aus diesen jeweils zugeordneten Messwerten ein Echoprofil zu erzeugen, wobei jedes der n Echoprofile die Umfeldinformationen für einen von n verschiedenen Aperturpunkten einer synthetischen Apertur umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinrichtung (36) einen spannungsgesteuerten Oszillator (38) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinrichtung (35) ausgebildet ist, mindestens eine Messinformation (43–46), welche eine aktuelle Eigengeschwindigkeit der Empfangsantenne angibt oder aus der die Eigengeschwindigkeit ableitbar ist, zu empfangen und hinsichtlich der Eigengeschwindigkeit der Empfangsantenne auszuwerten, wobei die verschiedenen verschachtelten Frequenztreppen eines Iterationsschrittes jeweils an die aktuelle Eigengeschwindigkeit angepasst werden, so dass eine von der Empfangsantenne (34) während des Sendens der verschiedenen verschachtelten Frequenztreppen eines Iterationsschrittes zurückgelegte Wegstreckenlänge für aufeinanderfolgende Iterationsschritte nahezu konstant ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet; dass die Anzahl der Frequenzstufen der verschiedenen Frequenztreppen eines Iterationsschrittes jeweils gleich ist und die Anzahl der Frequenzstufen für aufeinanderfolgende Iterationsschritte konstant ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Dauer der einzelnen Frequenzstufen derselben und der verschiedenen Frequenztreppen konstant ist und die verschiedenen Frequenztreppen innerhalb eines Iterationsschrittes jeweils dieselbe Anzahl von Frequenzstufen aufweisen und die Anzahl der Frequenzstufen pro Frequenztreppe in den aufeinanderfolgenden Iterationsschritten angepasst wird.
Verfahren zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs (31), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfassend die Schritte: Erzeugen eines Sendesignals (37), Abstrahlen des Sendesignals (37) mit einer Sendeantenne (33), Empfangen eines Empfangssignals (40) mit mindestens einer Empfangsantenne (34), Auswerten des Empfangssignals (40) und Erzeugen von Echoprofilen und Ableiten von Belegungsaussagen aus den Echoprofilen für Raumelemente im Umfeld des Fahrzeugs (31), dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal (37) als frequenzmoduliertes Dauerstrichsignal erzeugt wird, welches iterativ eine Mehrzahl n ineinander verschachtelter Frequenztreppen umfasst, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 3 ist und Messwerte des Empfangssignals eines Iterationsschrittes Frequenzstufen der verschiedenen Frequenztreppen und hierüber den verschiedenen Frequenztreppen selbst zugeordnet werden und für jede der Frequenztreppen in jedem der Iterationsschritte ein Echoprofil abgeleitet wird, und die so erhaltenen Echoprofile als Echoprofile von n verschiedenen Aperturpunkten einer synthetischen Apertur ausgewertet werden.
Verfahren zur Umfelderfassung eines Fahrzeugs (31), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Messinformation, welche eine Eigengeschwindigkeit der Empfangsantenne angibt oder aus der die Eigengeschwindigkeit ableitbar ist, hinsichtlich der Eigengeschwindigkeit ausgewertet wird und die Modulation des Dauerstrichsignals, in jedem Iterationsschritt an die jeweils aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit angepasst wird, so dass die von der Empfangsantenne während des Sendens der n verschachtelten Frequenztreppen eines jeweiligen Iterationsschrittes zurückgelegten Wegstreckenlängen für aufeinanderfolgende Iterationsschritte nahezu gleich lang sind.
Verfahren zur verbesserten Umfeldauswertung mittels einer Radareinrichtung (32), wobei die Belegung über komplexe Phasen der Echoprofile errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei einem Betrieb der Radareinrichtung (32) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, für zwei zeitlich unmittelbar aufeinander folgende Treppenstufen unterschiedlicher Frequenztreppen zunächst Echoprofile erfasst werden, anhand der Phasenanteile der Echoprofile eine Relativgeschwindigkeit zu einem Objekt (39) bestimmt wird und anschließend ein konstruiertes komplexes Echoprofil erzeugt wird, dessen Phasenanteil durch einen Quotienten der ermittelten Relativgeschwindigkeit und einer maximalen Geschwindigkeit, die noch eindeutig messbar ist, multipliziert mit n gegeben ist, und das konstruierte komplexe Echoprofil anstelle des gemessenen Echoprofils für die Ermittlung der Belegung im Umfeld des Fahrzeugs (31) verwendet wird.
Verfahren zur verbesserten Umfeldauswertung mittels eines Radareinrichtung (32) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase des konstruierten Echoprofils um einen Faktor a erweitert wird, wobei der Faktor a größer oder gleich 1 gewählt wird, wenn sich anhand einer Auswertung von Messinformationen (43–46) des Fahrzeugs ergibt, dass Randbedingungen für eine Genauigkeit einer Kenntnis der Eigengeschwindigkeit der Empfangsantenne unterschritten werden, und kleiner 1 gewählt wird, wenn die Randbedingungen für eine Genauigkeit einer Kenntnis der Eigengeschwindigkeit der Empfangsantenne überschritten werden.
Verfahren zur verbesserten Umfeldauswertung mittels einer Radareinrichtung (32) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Randbedingung für die Kenntnis der Eigengeschwindigkeit durch die maximale Geschwindigkeit, welche eindeutig messbar ist, geteilt durch 10 gegeben ist und der Faktor a so angepasst wird, dass die modifizierte Randbedingung für die Kenntnis der Eigengeschwindigkeit unterschritten wird, wobei die modifizierte Randbedingung lautet: maximale Geschwindigkeit, welche eindeutig messbar ist, geteilt durch 10 geteilt durch den Faktor a.