DE102012203172A1

DE102012203172A1 - Radarvorrichtung und Einfallswinkelberechnungsverfahren für eine Radarvorrichtung

Info

Publication number: DE102012203172A1
Application number: DE102012203172A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Kurono; Tomohiro Shinomiya; Kazuo Shirakawa
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: DE102012203172B4; JP2012185039A; JP5701106B2

Abstract

Es wird eine Radarvorrichtung vorgeschlagen, die konfiguriert ist zum Berechnen eines Einfallswinkels von Empfangssignalen, die durch Empfang von Wellen, welche mittels mehrerer Antennen basierend auf einem Modus-Vektor von einem Target reflektiert werden, und ein Ausgangssignal einer Empfangseinheit erhalten werden, in der eine individuelle Empfangs-Verarbeitung der Empfangssignale durchgeführt wird. Eine Speichereinheit ist zum Speichern eines gemessenen Modus-Vektors konfiguriert. Der Einfallswinkel der Empfangssignale wird unter Verwendung des gemessenen Modus-Vektors durchgeführt, der als Modus-Vektor aus der Speichereinheit ausgelesen wurde.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radarvorrichtung und ein Einfallswinkelberechnungsverfahren für eine Radarvorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Radarvorrichtung und ein für eine Radarvorrichtung vorgesehenes Einfallswinkelberechnungsverfahren, die in der Lage sind, eine Position eines Targets zu detektieren, indem reflektierte Funkwellen (reflektierte Wellen) einer Funkwelle, die von einem eigenen Fahrzeug her von dem Target gesendet wird (gesendete Welle), mittels mehrerer Antennen empfangen werden.
Eine Radarvorrichtung misst stets einen Abstand und eine Richtung zwischen dem eigenen Fahrzeug und einem vorausfahrenden Fahrzeug, einem vorausgehenden Hindernis (Target) oder einem Target wie z. B. einem sich von hinten nähernden Fahrzeug, um eine Kollision zwischen diesen zu verhindern oder einen automatischen Fahrvorgang durchzuführen. Bei einer derartigen Funkvorrichtung wird eine Funkwelle von einer am eigenen Fahrzeug installierten Antenne ausgesendet, und eine von dem Target her reflektierte Welle der Funkwelle wird von der Antenne empfangen. Anschließend wird das durch den Empfang erhaltene Signal einem Signalverarbeitungsvorgang unterzogen, um die Einfallsrichtung der reflektierten Welle zu schätzen und dadurch das Target zu detektieren. Als Verfahren zum Schätzen der Einfallsrichtung der reflektierten Welle existieren das DBF-(Digital Beam Forming)Verfahren, das Capon-Verfahren, das LP-(Linear Prediction) Verfahren, das Minimum-Norm-Verfahren, das MUSIC-(Multiple Signal Classification)Verfahren, das ESPRIT-(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)Verfahren, und das PRISM-(Propagator method based an an Improved Spatial-smoothing Matrix)Verfahren.
Bei einem Verfahren zum Schätzen der Einfallsrichtung der reflektierten Welle werden die von dem Target reflektierten Wellen mittels eines elektronischen Tastradars mit mehreren Empfangsantennen empfangen, und dann wird der Winkel der Einfallsrichtung der reflektierten Wellen geschätzt. Normalerweise wird der Winkel des Targets wie folgt geschätzt. Es wird eine Energie P_DSF (θ) der aus einer Richtung (θ) reflektierten Wellen berechnet, wenn die Richtung (θ) als Variable verwendet wird, d. h. es erfolgt eine Berechnung des Winkelspektrums. (Die Tiefstellungen bezeichnen hier ein zum Berechnen eines Spektrums verwendetes Winkelschätzverfahren; in diesem Fall das DBF-Verfahren), und der Wert der Variablen (θ) bei auf dem Peak befindlicher Energie wird als Einfallsrichtung (Winkel des Target) der reflektierten Wellen geschätzt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Quantität des Abtastens des Peaks in dem Spektrum in Form eines Vektors (Modus-Vektor) benutzt, wobei (θ) als Variable verwendet wird. Generell wird ein Idealwert (d. h. ein theoretischer Wert) verwendet, ohne die Eigenschaften der Radarvorrichtung oder der Antennen zu berücksichtigen.
Beispielsweise werden bei einer Richtungsdetektionsvorrichtung, die in dem Patentdokument 1 beschrieben ist, mehrere Messungen für das gleiche Target durchgeführt, und die von jeder Antenne her für jede Messung erhaltenen Empfangssignale werden mit einem Multiplikator multipliziert, der das Ausgangssignal aus einem komplexen Zufallszahlgenerator ist, der für jede Messung aktualisiert werden muss, um für jede Messung gestörte Empfangssignale zu erzeugen, wodurch jedes Mal Richtungsschätzungen vorgenommen werden. Anschließend wird ein Modus-Vektor, welcher der Einfallsrichtung der reflektierten Wellen entspricht, als Mittelwert der Ergebnisse der Richtungsschätzungen berechnet. Somit wird die Präzision der Winkelschätzung verbessert, indem ein kollektiver Mittelungsansatz verwendet wird.
Patentdokument 1: JP-A-8-82662 (1 and 3)
Bei dem in Echtzeit arbeitenden elektronischen Abtastradar, das mehrere Empfangsantennen aufweist, besteht jedoch beim Empfangen reflektierter Wellen von einem Target und beim Schätzen einer Einfallsrichtung der reflektierten Wellen unter Verwendung eines theoretischen Modus-Vektors das Problem, dass aufgrund der Auswirkung der in der Energiecharakteristik und der Phasencharakteristik auftretenden Fehler der Empfangsantennen möglicherweise ein Winkel geschätzt wird, der von einer ursprünglichen Einfallsrichtung der reflektierten Wellen abweicht, und somit bei der Detektion durch das elektronische Abtastradar eine fehlerhafte Detektion des Targets erfolgen kann. Es wird angenommen, dass dieses Problem durch die Verwendung eines theoretischen Modus-Vektors bei der Berechnung des Winkelspektrums verursacht wird, bei der es sich um einen Berechnungs-Verarbeitungsvorgang zum Schätzen des Winkels des Targets handelt. Der theoretische Modus-Vektor wird hier auf der Basis der Annahme errechnet, dass sämtliche Charakteristiken der Antenne einander gleich sind. Da es sich bei dem im Patentdokument 1 beschriebenen Verfahren grundsätzlich um eine Echtzeit-Präzisionsverbesserung handelt, besteht das schwerwiegende Problem, dass ein beträchtlicher Verarbeitungsaufwand bewältigt werden muss. Zudem ist bei einem sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Target die Verwendung des in dem Patentdokument 1 beschriebenen Verfahrens schwierig, da der Mittelwert-Verarbeitungsvorgang keine Bedeutung hat.
ÜBERBLICK
Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Radarvorrichtung und eine Einfallswinkelberechnungsvorrichtung für die Radarvorrichtung zu erstellen, die in der Lage sind, die Auswirkungen der Fehler der Energiecharakteristiken und der Phasencharakteristiken der Empfangsantennen zu unterdrücken, um eine Einfallsrichtung der reflektierten Wellen präzise zu schätzen.
Zur Lösung der genannten Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Radarvorrichtung geschaffen, die zum Berechnen eines Einfallswinkels der Empfangssignale konfiguriert ist, welche durch den mittels mehrerer Antennen erfolgenden Empfang von einem Target reflektierter Wellen auf der Basis eines Modus-Vektors und durch ein Ausgangssignal einer Empfangseinheit erhalten werden, in der das individuelle Empfangs-Verarbeiten der Empfangssignale durchgeführt wird, wobei die Radarvorrichtung eine Speichereinheit aufweist, die zum Speichern eines gemessenen Modus-Vektors konfiguriert ist, wobei der Einfallswinkel der Empfangssignale unter Verwendung des gemessenen Modus-Vektors berechnet wird, der aus der Speichereinheit als Modus-Vektor ausgelesen wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ferner ein für eine Radarvorrichtung vorgesehenes Einfallswinkelberechnungsverfahren angegeben, das zum Berechnen eines Einfallswinkels von Empfangssignalen konfiguriert ist, die durch den mittels mehrerer Antennen erfolgenden Empfang von einem Target reflektierter Wellen auf der Basis eines Modus-Vektors und durch ein Ausgangssignal einer Empfangseinheit erhalten werden, in der das individuelle Empfangs-Verarbeiten der Empfangssignale durchgeführt wird, wobei das Einfallswinkelberechnungsverfahren umfasst: Speichern eines gemessenen Modus-Vektors; und Berechnen des Einfallswinkes der Empfangssignale unter Verwendung des gemessenen Modus-Vektors, der in dem Speichervorgang als Modus-Vektor gespeichert worden ist.
Durch die Radarvorrichtung und das mit der Radarvorrichtung verwendbare Einfallswinkelberechnungsverfahren gemäß den oben angeführten Aspekten der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen gemessenen Modus-Vektor zu erzeugen, der in der Lage ist, die Auswirkungen des Fehlers in der Charakteristik der mehreren Empfangsantennen zu unterdrücken, und da im Voraus ein Soll-Modus-Vektor gemessen wird, ist es ferner möglich, die beim Patentdokument 1 bestehenden Probleme der Verarbeitungszeit und der Begrenzung der Target-Geschwindigkeit zu lösen. Ferner wird bei der Radarvorrichtung und dem mit der Radarvorrichtung verwendbaren Einfallswinkelberechnungsverfahren gemäß den oben angeführten Aspekten der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anstelle eines theoretischen Modus-Vektors ein gemessener Modus-Vektor für die Berechnung des Winkelspektrums verwendet, bei der es sich um einen Berechnungs-Verarbeitungsvorgang zum Schätzen des Winkels des Targets handelt, und somit ist es möglich, die Präzision des Schätzungswinkels des Targets zu verbessern. Folglich ist es möglich, die Auswirkungen der Fehler in den Energiecharakteristiken und den Phasencharakteristiken mehrerer Empfangsantennen zu unterdrücken und dadurch die Einfallsrichtung der reflektierten Wellen präzise zu schätzen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beigefügten Zeichnungen ist Folgendes gezeigt:
1 ist ein Konfigurationsdiagramm zur Darstellung einer Konfiguration einer FMCW-Radarvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist ein Wellenformdiagramm eines Sendesignals, das von einer Sendeeinheit der in 1 gezeigten Radarvorrichtung ausgegeben wird, 2B ist ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung einer Veränderung in der Frequenz eines von einem Target reflektierten Signals über der Zeit und eines Beat-Signals in einer Mischvorrichtung, und 2C ist ein Wellenformdiagramm eines Frequenzspektrums zur Veranschaulichung eines FFT-verarbeiteten Ergebnisses eines UP-Beat und eines DOWN-Beat, die von der jeweiligen Empfangseinheit einer in 1 gezeigten Empfangseinheit ausgegeben werden.
3 ist ein Charakteristik-Diagramm zur Veranschaulichung einer Größenordnung eines Spektrums über einem Winkel in einem Fall, in dem mehrere Antennen, die in regelmäßigen Intervallen angeordnet sind, eine von dem Target reflektierte Welle empfangen und diese reflektierte Welle mittels eines herkömmlichen Winkelschätzverfahrens verarbeitet wird.
4 ist eine Ansicht zur Veranschaulichung einer Situation, in der Peak-Information der UP-Beat-Seite und Peak-Information der DOWN-Beat-Seite in einer Azimutberechnungseinheit gemäß 1 gepaart werden.
5A ist eine Ansicht zur Veranschaulichung einer Phasendifferenz zwischen jeder der Antennen und einem Modus-Vektor, wenn mehrere in einer Linie angeordnete Empfangsantennen eine reflektierte Welle empfangen, die von einem einzigen Target reflektiert wird, und 5B ist eine Ansicht zur Veranschaulichung eines Empfangssignals in einem Fall, in dem die mehreren in einer Linie angeordneten Empfangsantennen eine reflektierte Welle empfangen, die von zwei Targets mit unterschiedlichen Winkeln reflektiert werden.
6 ist eine Ansicht einer Anordnung der Radarvorrichtung und eines Eckreflektors bei der Erzeugung eines Mess-Modus-Vektors.
7 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung einer Erzeugungsabfolge zum Erzeugen eines Modus-Vektors aus dem gemessenen Modus-Vektor.
8 ist ein Charakteristik-Diagramm zur Veranschaulichung einer Differenz der Winkelpräzision zwischen einem Echtwert-Vektor und einem Vektor des theoretischen Modus und zwischen einem Echtwert-Vektor und einem gemessenen Modus-Vektor.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
1 zeigt eine Konfiguration einer Radarvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Radarvorrichtung 100 weist eine Sendeeinheit S, eine Empfangseinheit R und eine Signalverarbeitungsvorrichtung P auf. Die Signalverarbeitungsvorrichtung P ist aus einem Mikroprozessor gebildet, der eine Fourier-Transformationseinheit 9, eine Peak-Extraktionseinheit 10, eine Azimutberechnungseinheit 15, eine Sende-/Empfangs-Steuereinheit 20, eine Distanz-/Relativgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 30 und eine Modus-Vektor-Erzeugungseinheit 50 enthält.
Die Sendeeinheit S enthält einen Oszillator 5 und einen Signalgenerator 25, der von der Sende-/Empfangs-Steuereinheit 20 der Signalverarbeitungsvorrichtung P gesteuert wird. Der Signalgenerator 25 führt dem Oszillator 5 ein triangulares Modulationssignal (triangulare Welle) als Sendesignal zu, damit eine Frequenzmodulation durchgeführt wird, und eine Funkwelle (Sendewelle) W wird von einer Sendeantenne 1 übertragen. Bei dieser Ausführungsform wird eine FMCW-Radarvorrichtung verwendet, und der Oszillator erzeigt die Sendewelle W, die durch die triangulare Welle des Signalgenerators 25 in einer konstanten Repetierperiode verändert wird. Somit ist die Sendewelle W eine FMCW-Welle, die sich in einer vorbestimmten Repetierperiode um die Nichtmodulations-Oszillationsfrequenz des Oszillators 5 herum vertikal verändert. Die Sendewelle W kann in ihrer Energie durch einen (nicht gezeigten) Sender verstärkt werden und dann von der Sendeantenne 1 an ein Target gesendet (emittiert) werden.
Die Radarvorrichtung 100 gemäß dieser Ausführungsform ist an einem Fahrzeug angeordnet, und die Sendewelle W wird in der vor oder hinter dem mit der Radarvorrichtung 100 versehenen Fahrzeug verlaufenden Richtung gesendet. Die Sendewelle W, die von der Sendeantenne 1 in der vor dem Fahrzeug verlaufenden Richtung gesendet wird, wird von einem (nicht gezeigten) Target wie z. B. einem vorausfahrenden Fahrzeug oder einem stationären Objekt reflektiert und somit zu dem Fahrzeug zurückgeleitet, um an der Empfangseinheit R empfangen zu werden.
Die Empfangseinheit R enthält eine Array-Antenne 3 mit einer Anzahl von Empfangsantennen A1-An und einzelnen Empfangseinheiten R1–Rn, die mit den Empfangsantennen verbunden sind. Jede der einzelnen Empfangseinheiten R1–Rn ist mit Mischvorrichtungen M1–Mn und (in den Zeichnungen mit A/D bezeichneten) A/D-Konvertern C1–Cn versehen. Empfangssignale, die aus den jeweiligen mittels der Array-Antenne empfangenen reflektierten Wellen RW1–RWn erhalten werden, werden in einem (nicht gezeigten) rauscharmen Verstärker verstärkt und dann an die Mischvorrichtungen M1–Mn übertragen. Sendesignale aus dem Oszillator 5 der Sendeeinheit S werden in die Mischvorrichtungen M1–Mn eingegeben. Die Sendesignale werden jeweils in den Mischvorrichtungen M1–Mn mit den Empfangssignalen gemischt, um Beat-Signale zu erhalten, die eine Frequenz haben, welche einer Differenz zwischen einer Frequenz der Sendesignale und einer Frequenz der Empfangssignale entspricht. Die Beat-Signale aus den Mischvorrichtungen M1–Mn werden durch die A/D-Konverter C1–Cn in digitale Empfangssignale X1–Xn umgesetzt und dann einem Fast-Fourier-Transformer der Fourier-Transformationseinheit 9 zugeführt. In diesem Fourier-Transformer wird jedes der digitalen Empfangssignale X1–Xn einer Frequenzanalyse (FFT-Verarbeitung) durch eine Fast-Fourier-Transformation unterzogen.
Bei der Radarvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird, wenn sich das Target bewegt, eine Doppler-Frequenz-Komponente, die der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Target und einem eigenen Fahrzeug proportional ist, in die Frequenz der reflektierten Welle RW einbezogen. Da ferner bei dieser Ausführungsform ein FMCW-Modulationsschema verwendet wird, enthält, wenn dessen Frequenzübergang ein modulares Chirp ist, die reflektierte Welle RW zusätzlich zu der Doppler-Frequenz-Komponente eine Frequenzkomponente, die eine Verzögerungszeit wiedergibt, welche dadurch hinzugefügt wird, dass die Sendewelle veranlasst wird, sich über eine relative Distanz zwischen dem Target und dem eigenen Fahrzeug zu bewegen.
Da das Sendesignal wie oben erwähnt ein lineares Chirp ist, werden in der Frequenz der Sendewelle W eine lineare ansteigende Periode (ansteigendes Intervall) der Frequenz und lineare abfallende Periode (abfallendes Intervall) der Frequenz wiederholt, wie in dem Wellenformdiagramm von 2A mittels einer durchgezogenen Linie gezeigt ist. Ferner wird im Gegensatz zu der Sendewelle W die reflektierte Welle RW sowohl durch den Doppler-Frequenz-Übergang aufgrund der Relativgeschwindigkeit als auch durch die Zeitverzögerung aufgrund der relativen Distanz beeinflusst. Aus diesem Grund nimmt eine Frequenzdifferenz zwischen der Sendewelle W und der reflektierten Welle RW in dem ansteigenden Intervall und dem abfallenden Intervall generell verschiedene Werte an, wie in dem Wellenformdiagramm von 2A mittels einer unterbrochenen Linie gezeigt ist.
Insbesondere ist bei der Differenz zwischen der Sendewelle W und der reflektierten Welle RW die ansteigende Periode als fup repräsentiert, und die abfallende Periode ist als fdown repräsentiert. Dementsprechend werden in jeder der Mischvorrichtungen M1–Mn Beat-Signale gemäß dem Wellenformdiagramm von 2B erhalten, bei denen die Doppler-Frequenz mit der Frequenz überlappt ist, die auf der Verzögerungszeit basiert. Das Beat-Signal in der ansteigenden Periode ist als UP beat bezeichnet, und das Beat-Signal in der abfallenden Periode ist als Down beat bezeichnet. Im Fall von
2A und 2B ist die Frequenz fdown des DOWN beat größer als die Frequenz fup des UP beat. Dadurch ist repräsentiert, dass das eigene Fahrzeug eine Relativgeschwindigkeit in einer Richtung (Näherungsrichtung) hat, bei der die relative Distanz zwischen dem Target und dem eigenen Fahrzeug klein wird.
Wie oben erwähnt werden die in jeder der Mischvorrichtungen M1–Mn erhaltenen Beat-Signale UP beat und DOWN beat durch die A/D-Konverter C1–Cn zu digitalen Empfangssignalen X1–Xn konvertiert und dann der Fourier-Transformationseinheit 9 zugeführt. In der Fourier-Transformationseinheit 9 werden eine UP-beat-Frequenz-fup-Komponente und eine DOWN-beat-Frequenz-fdown-Komponente aus jeder der Mischvorrichtungen M1–Mn jeweils dem Fourier-Transformer zugeführt und dann einer Frequenzanalyse (FFT-Verarbeitung) durch Fast-Fourier-Transformation unterzogen. Das Wellenformdiagramm im oberen Bereich von 2C zeigt ein Frequenzspektrum, das aus der UP-beat-Frequenz-fup-Komponente erhalten wird, und das Wellenformdiagramm im unteren Bereich von 2C zeigt ein Frequenzspektrum, das aus der DOWN-beat-Frequenz-fdown-Komponente erhalten wird.
Wie in 2C gezeigt, werden bei dem Frequenzspektrum, das dem FFT-Ergebnis von UP beat einer Antenne A1 entspricht, die Peaks Pu11, Pu12 und Pu13 an der entsprechenden UP-Frequenz fu1, fu2 und fu3 präsentiert. In ähnlicher Weise wird auch an den Empfangsantennen A2–An das gleiche Ergebnis mit der gleichen Peak-Frequenz erhalten. Beispielsweise wird bei der Antenne A2 ein FFT-Ergebnis erhalten, bei dem die Peaks Pu21, Pu22 und Pu23 jeweils an der entsprechenden UP-Frequenz fu1, fu2 und fu3 präsentiert werden. Ferner werden bei dem Frequenzspektrum gemäß dem FFT-Ergebnis des DOWN beat an einer Antenne A1 die Peaks Pd11 und Pd12 jeweils bei der entsprechenden DOWN-Frequenz fd1 und fd2 präsentiert. In ähnlicher Weise wird auch bei den Empfangsantennen A2–An das gleiche FFT-Ergebnis mit der gleichen Peak-Frequenz erhalten. Beispielsweise wird bei der Antenne A2 ein FFT-Ergebnis erhalten, bei dem die Peaks Pd21 und Pd22 jeweils an der entsprechenden DOWN-Frequenz fd1 und fd2 präsentiert werden.
Dies bedeutet, dass, da jede der Empfangsantennen A1–An die reflektierte Welle RW von dem gleichen Target empfängt, in dem FFT-Verarbeitungsvorgang ein Frequenzspektrum der gleichen Form erhalten wird, das die gleiche Peak-Frequenz hat. Da jedoch die Phase der reflektierten Welle RW je nach der Empfangsantenne unterschiedlich ist, ist die Phaseninformation bei einem Peak gleicher Frequenz für jede Empfangsantenne unterschiedlich.
Nochmals gemäß 1 wird ein Ausgangssignal der Fourier-Transformationseinheit 9 der Peak-Extraktionseinheit 10 zugeführt. Die Peak-Extraktionseinheit 10 extrahiert für jede der Empfangsantennen A1–An ein Peak über einer vorbestimmten Energie an jedem UP beat und DOWN beat in dem durch FFT-Verarbeitung erhaltenen Frequenzspektrum, und extrahiert eine Frequenz-, eine Energie- und eine Phaseninformation (im Folgenden als Peak-Frequenz-Information bezeichnet) des extrahierten Peaks. Die von der Peak-Extraktionseinheit 10 extrahierte Peak-Frequenz-Information wird der Azimutberechnungseinheit 15 zugeführt.
Ferner extrahiert die Peak-Extraktionseinheit 10 komplexe Daten, die der Peak-Frequenz fbu und fdb der durch FFT-Verarbeitung erhaltenen Beat-Signale für jede der Empfangsantennen A1–An entsprechen. Zudem werden für jede der Empfangsantennen die komplexen Daten mit der an der Peak-Extraktionseinheit 10 erhaltenen Peak-Frequenz fbu oder fdb der Modus-Vektor-Erzeugungseinheit 50 zugeführt.
Da ein Peak in dem Frequenzspektrum normalerweise Information enthält, die mehrere Targets betrifft, ist es erforderlich, jedes der Targets von einem Peak zu dividieren und einen Winkel des dividieren Targets zu schätzen. Aus diesem Grund wird in der Azimutberechnungseinheit 15 ein in 3 gezeigtes Winkelspektrum durch eine Berechnung erhalten, die auf der Peak-Frequenz-Information (z. B. im Fall von UP beat, Pu11, Pu21, ... Pun1, und im Fall von DOWN beat, Pd11, Pd21, ... Pdn1) eines Peaks basiert, der die gleiche Frequenz an jeder UP-Seite und DOWN-Seite bei sämtlichen Empfangsantennen A1–An hat. Als Verfahren zum Erhalt des Winkelspektrums können verschiedene Verfahren wie z. B. das Capon-Verfahren und das DBF-Verfahren verwendet werden. In 3 zeigt die durchgezogene Linie ein Winkelspektrum der UP-Peak-Frequenz fu1 (Pu11, Pu21, ... Pun1), und die unterbrochene Linie zeigt ein Winkelspektrum der DOWN-Peak-Frequenz (Pd11, Pd21, ... Pdn1).
In der Azimutberechnungseinheit 15 werden Peaks mit einer Energie über dem Schwellenwert in dem in 3 gezeigten Winkelspektrum, in diesem Fall Peak P1 und P2, als Target bestimmt, und der Winkel und die Energie des Targets werden extrahiert. Insbesondere wird das Winkelspektrum für jede Peak-Frequenz der FFT-Verarbeitung erhalten. Bei dem in 2C gezeigten Beispiel werden fünf Winkelspektra für fünf Frequenzen fu1, fu2, fu3, fd1 und fd2 berechnet. 3 zeigt ein Winkelspektrum, das aus einem Peak mit der UP-Peak-Frequenz fu1 erhalten wird, und ein Winkelspektrum, das aus einem Peak mit der DOWN-Peak-Frequenz fd1 erhalten wird. Wie 3 zeigt, werden zwei Targets P1 (Winkel 0°) und P2 (Winkel von ungefähr 3°) jeweils an der entsprechenden UP-Peak-Frequenz fu1 und DOWN-Peak-Frequenz fd1 präsentiert. Das mittels der Azimutberechnungseinheit 15 erhaltene Ergebnis ist in 4 gezeigt.
In der Azimutberechnungseinheit 15 werden eine Target-Information an der UP-beat-Seite und eine Target-Information an der DOWN-beat-Seite, bei der der Winkel und die Energie klein sind, auf der Basis der in 4 gezeigten Daten gepaart. 4 zeigt einen Zustand, in dem ein Target U1 mit einem Winkel θu1 der Frequenz fu1 auf der UP-beat-Seite und ein Target D2 mit einem Winkel θd2 der Frequenz fd1 auf der DOWN-beat-Seite gepaart werden und fünf Targets detektiert werden. Die Distanz und die Relativgeschwindigkeit werden anhand der UP-Frequenz und der DOWN-Frequenz berechnet, die durch die oben erwähnte Paarung erhalten werden.
Der Winkel des Targets wird als Mittelwert eines Winkels auf der UP-beat-Seite und eines Winkels auf der DOWN-beat-Seite genommen. Dessen Distanz und Relativgeschwindigkeit werden aus der UP-Peak-Frequenz fu1 und der DOWN-Peak-Frequenz fd1 erhalten, und dessen Winkel wird durch (θu1 + θd2)/2 erhalten.
Im Folgenden wird eine Operation der Azimutberechnungseinheit 15 unter der Annahme beschrieben, dass die Empfangsantennen A1–An sechs Antennen A1–A6 sind und nur eine Funkwelle an den sechs Antennen A1–A6 eintrifft, wie in 5A gezeigt ist. Der Abstand zwischen benachbarten Antennen mit d bezeichnet, und eine Einfallsrichtung einer eintreffenden Welle relativ zu einer Richtung, die rechtwinklig zu einer die sechs Antennen A1–A6 verbindenden Linie verläuft, ist mit 0 bezeichnet, und ferner ist eine Welle der eintreffenden Welle mit λ bezeichnet. In diesem Fall ist eine Phasendifferenz ϕ zwischen benachbarten Antennen repräsentiert als ϕ = (2n/λ)dsin(θ). Demgemäß ist, wenn eine Amplitude der eintreffenden Welle zu einer bestimmten Zeit in einer ersten Antenne A1 mit A(t) bezeichnet ist, eine Amplitude der eintreffenden Welle zu der bestimmten Zeit in einer zweiten Antenne A2 repräsentiert durch exp[j(2p/l)dsin(θ)].
Zur Erleichterung des Verständnisses ist ein Modus-Vektor α(θ) definiert als ein Vektor, der durch Anordnen eines idealen Signals jeder Antenne in einem aus der Richtung θ kommenden Signal der Amplitude 1 erhalten wird. Ferner sind unter der Annahme, dass sich zu der Zeit t1 eine Referenz der gleichen bewegenden Fläche in der Antenne A1 befindet, die Phasen der Antennen A1–A6 relativ zu der Antenne A1 zu der gleichen Zeit wie folgt: Antenne A2: exp[–j(2π/λ)dsin(θ)] Antenne A3: exp[–j(2π/λ)2dsin(θ)] Antenne A4: exp[–j(2π/λ)3dsin(θ)] Antenne A5: exp[–j(2π/λ)4dsin(θ)] Antenne A6: exp[–j(2π/λ)5dsin(θ)] Somit ist der Modus-Vektor a(θ) zu dieser Zeit repräsentiert als a(θ) = (1, exp[–j(2π/λ)dsin(θ)], exp[–j(2π/λ)2dsin(θ)], exp[–j(2π/λ)3dsin(θ)], exp[–j(2π/λ)4dsin(θ)], exp[–j(2π/λ)5dsin(θ)])^t (hier bedeutet T das Einsetzen eines Vektors, nicht die Zeit).
Ferner sind gemäß 5B unter der Annahme, dass Funkwellen aus zwei Richtungen θ1 und θ2 an der oben erwähnten Array-Antenne eintreffen, die Amplituden der beiden Signale, die an der Antenne A1 zu der Zeit t empfangen werden, mit θ1 und θ2 bezeichnet, und das überlappte Empfangssignal dieser Signale ist durch p1·exp[–j·θ1]•a(θ1) + p2·exp[–j·ϕ2]•a(θ2) repräsentiert. Ferner ist das überlappte Empfangssignal in der Antenne A2 zu der gleichen Zeit repräsentiert als p1·exp[–j·ϕ1]·exp[–j·5·ψ1] + p2·exp[–j·ϕ2]·exp[–j·5·ψ2]. Zudem ist das überlappte Empfangssignal in der Antenne A6 zu der gleichen Zeit repräsentiert als p1·exp[–j·ϕ1]·exp[–j·5·ψ1] + p2·exp[–j·ϕ2]·exp[–j·5·ψ2].
Es wird hier angenommen, dass eine gegenseitige Interferenz oder ein Rauschen nicht erzeugt wird. Wenn die Funkwellen aus mehreren Einfallsrichtungen her empfangen werden, kann das Empfangssignal als solches durch den Modus-Vektor der Funkwellen in jeder Einfallsrichtung repräsentiert werden.
Dabei sind a(θ1) und a(θ2) wie folgt repräsentiert. a(θ1) = [1, exp[–j·ψ1], exp[–j·2·ψ1], exp[–j·3·ψ1], exp[–j·4·ψ1], exp[–j·5·ψ1]] a(θ2) = [1, exp[–j·ψ2], exp[–j·2·ψ2], exp[–j·3·ψ2], exp[–j·4·ψ2], exp[–j·5·ψ2]]
Im Folgenden wird die Modusvektor-Erzeugungseinheit 50 beschrieben. Die Modusvektor-Erzeugungseinheit 50 enthält eine Kovarianzmatrix-Berechnungsvorrichtung 51, eine Eigenwert- und Eigenvektor-Berechnungsvorrichtung 52 und eine Modus-Vektor-Speichervorrichtung 70. Die Ausgangssignale der Antennen A1–An werden jeweils in entsprechende Empfangseinheiten R1–Rn eingegeben.
Das Beat-Signal wird aus einzelnen Empfangseinheiten R1–Rn ausgegeben, wie oben erwähnt über die Fourier-Transformationseinheit 9 in die Peak-Extraktionseinheit 10 eingegeben und dann aus der Peak-Extraktionseinheit 10 ausgegeben. Komplexe Daten X1–Xn der Peak-Frequenz fbu oder fbd des ausgegebenen Beat-Signals werden in die Kovarianzmatrix-Berechnungsvorrichtung 51 eingegeben. Die Kovarianzmatrix-Berechnungsvorrichtung 51 berechnet eine Kovarianzmatrix, die ihrerseits in die Eigenwert- und Eigenvektor-Berechnungsvorrichtung 52 eingegeben wird. Die Eigenwert- und Eigenvektor-Berechnungsvorrichtung 52 berechnet einen Eigenwert- und einen Eigenvektor auf der Basis der aus der Kovarianzmatrix-Berechnungsvorrichtung 51 ausgegebenen Kovarianzmatrix. Der von der Eigenwert- und Eigenvektor-Berechnungsvorrichtung 52 berechnete Eigenwert und Eigenvektor wird über die Modus-Vektor-Speichervorrichtung 70 in die Modus-Vektor-Speichervorrichtung 70 eingegeben.
Jede Antenne empfängt eine reflektive Welle von einem Target, um ein Empfangssignal zu erhalten. Die Azimutberechnungseinheit 15 berechnet einen Einfallswinkel aus dem Eigenwert und Eigenvektor auf der Basis des erhaltenen Empfangssignals, der durch die FFT-Verarbeitung erhaltenen Frequenz-Peak-Information und dem Modus-Vektor und gibt den Einfallswinkel als Winkelinformation der eintreffenden Welle an die Distanz-/Relativgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 30 aus. Die Distanz-/Relativgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 30 gibt die Distanz-/Relativgeschwindigkeits-Information und die Winkelinformation als Target-Information aus. In der Radarvorrichtung 100 wird aus der so erhaltenen Target-Information ein Verhältnis zwischen dem Target und dem eigenen Fahrzeug erhalten, und somit wird das Fahren des eigenen Fahrzeugs gesteuert.
Beispielsweise enthält die Radarvorrichtung 100 eine Sendeantenne 1 und sechs Empfangsantennen A1–A6. Wenn gemäß 6 ein gemessener Modus-Vektor erzeigt wird, ist ein Eckreflektor CR, der als virtuelles Target verwendet wird, vor der Radarvorrichtung 100 vorgesehen. Hier ist der Eckreflektor CR in einem bestimmten Abstand L unter einem vorbestimmten Winkel vor der Radarvorrichtung 100 angeordnet. Durch Senden eines Sendesignals von der Sendeantenne 1 zu dem Eckreflektor CR und Empfangen der reflektierten Welle des Signals an den sechs Empfangsantennen A1–A6 werden Modus-Vektoren unter dem oben erwähnten vorbestimmten Winkel im Voraus in einer geeigneten Reihenfolge gewonnen. Anschließend werden die in mehreren Winkeln vorliegenden Modus-Vektoren tatsächlich gemessen, während nur der Winkel des Eckreflektors CR relativ zu der Radarvorrichtung 100 verändert wird. Die in dieser Weise gewonnenen Modus-Vektoren sind gemessene Modus-Vektoren und werden zusammen mit der Winkelinformation in einem in der Radarvorrichtung 100 vorgesehenen Speicher gespeichert. In diesem Fall ist der Speicher in die Modusvektor-Erzeugungseinheit 50 eingebaut.
7 veranschaulicht ein Beispiel einer Erzeugungs-Abfolge zum Erzeugen eines Modus-Vektors aus dem gemessenen Modus-Vektor. Gemäß diesem Beispiel wird zuerst ein gemessener Modus-Vektor berechnet, während der in 6 gezeigte Eckreflektor CR in einem geeigneten Abstand unter einem Winkel von –21° relativ zu einer Vorderrichtung (0°; der Winkel ist in den Zeichnungen als Symbol ”°” repräsentiert) der Radarvorrichtung 100 platziert wird. Als Nächstes wird der gemessene Modus-Vektor berechnet, während konstant ein Abstand zwischen dem Eckreflektor CR und der Radarvorrichtung 100 gehalten wird und die Winkelposition zwischen diesen um nur 1° geändert wird. Diese Operation wird durchgeführt, bis der oben erwähnte Winkel in Bezug auf die Vorderrichtung der Radarvorrichtung 100 den Betrag von +21° erreicht hat.
In dem Schritt 501 wird zuerst ein Winkel θ relativ zu der Radarvorrichtung 100 als Winkel von –21° eingestellt. In dem nächsten Schritt 502 werden Empfangssignaldaten des (in 7 mit dem Symbol C/R gekennzeichneten) Eckreflektors bei einem bestimmten Abstand von der Radarvorrichtung 100 bei einem Winkel θ erfasst. Ferner wird in Schritt 503 ein Empfangssignalvektor (X) der Frequenz extrahiert, die einem Abstand des C/R entspricht, der durch FFT-Verarbeitung in der Fourier-Transformationseinheit 9 erhalten wurde. Dann wird in Schritt 504 eine (auch als Korrelationsmatrix bezeichnete) Kovarianzmatrix Rxx (= XX^H) aus dem Empfangssignal berechnet. Hier ist X = [X1,. .., Xn]^t. Natürlich kann zur Verbesserung der Winkelpräzision eine Technik wie z. B. räumliche Mittelung für die Kovarianzmatrix Rxx angewandt werden, auch wenn dabei ein Kompromiss mit der Bemessung des gemessenen Modus-Vektors geschlossen werden muss.
In dem nächsten Schritt 505 wird eine Eigenwert-Zerlegung der Kovarianzmatrix Rxx vorgenommen. In Schritt 506 wird der größte Eigenwert unter den erhaltenen Eigenwerten erfasst. Ferner wird in Schritt 507 ein dem erfassten Eigenwert entsprechender Eigenvektor ermittelt. In Schritt 508 wird der ermittelte Eigenvektor als Modus-Vektor unter einem Winkel θ in einem Speicher gespeichert. In Schritt 509 wird festgestellt, ob der Winkel θ größer als +21° oder nicht. Wenn der Winkel θ größer als +21° ist, wird die Routine beendet. Wenn der Winkel θ gleich oder kleiner als +21° ist, rückt der Vorgang auf Schritt 510. In Schritt 510 wird der Wert des Winkels θ um einen gewünschten Winkel vergrößert, z. B. um 1°, und somit kehrt der Vorgang zu Schritt 502 zurück. Anschließend werden die Operationen der Schritte 502 bis 509 wiederholt durchgeführt. In dieser Weise werden die gemessenen Modus-Vektoren in dem Winkelbereich von –21° bis +21° mit einem Intervall von 1° berechnet und zusammen mit der Winkelinformation in Form einer Karte im Speicher abgelegt.
Obwohl der Winkel θ für jede Messung in der oben erwähnten Modusvektor-Erzeugungs-Reihenfolge um 1° vergrößert wird, ist das Intervall des Winkels θ nicht auf 1° beschränkt. Beispielsweise kann das Intervall des Winkels kleiner als 1° sein. Ferner kann der Winkelbereich von –21° bis +21° je nach dem Intervall der Antenne verändert werden. Bei der Radarvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung wird beim Schätzen des Winkels des Targets der in der oben beschriebenen Weise berechnete gemessene Modus-Vektor anstelle des theoretischen Modus-Vektors verwendet. Somit kann die Auswirkung des Charakteristik-Fehlers in der Empfangsantenne reduziert werden. Dies wird nun anhand von 8 beschrieben.
Zunächst wird ein Festpunktverfahren zum Schätzen einer Position eines Eckreflektors einer elektronischen Abtastradarvorrichtung an dem festen Punkt durchgeführt, wie in 6 gezeigt ist. 8 veranschaulicht eine Differenz der Präzision der Winkelschätzung zwischen einem Fall, in dem ein theoretischer Modus-Vektors verwendet wird, und einem Fall, in dem der gemessene Modus-Vektor verwendet wird, den man durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erhält. Diese Schätzungs-Präzision wird anhand eines Fehlers zwischen dem tatsächlichen Winkel und dem geschätzten Winkel ausgewertet. In 8 repräsentiert die vertikale Achse einen Fehler zwischen dem geschätzten Wert und dem tatsächlichen Winkel, und die horizontale Achse repräsentiert einen Winkel einer linken und rechten Richtung einer Installationsposition des Eckreflektors, wenn die Vorderseite der elektronischen Abtastradarvorrichtung auf 0° gesetzt ist. Die Diamant-Markierungen repräsentieren die Schätzfehlerdaten in einem Fall, in dem gemessene Modus-Vektor verwendet wird, und die Quadrat-Markierungen repräsentieren die Schätzfehlerdaten in einem Fall, in dem theoretische Modus-Vektor verwendet wird.
Gemäß 8 beträgt der maximale Winkelfehler in einem sich von –20° bis +20° erstreckenden Winkelbereich 0,395° in einem Fall, in dem die Winkelschätzung mittels des theoretischen Modus-Vektors durchgeführt wird, und beträgt 0,049°, in dem die Winkelschätzung mittels des gemessenen Modus-Vektors durchgeführt wird. Somit wird bei Durchführung der Winkelschätzung mittels des gemessenen Modus-Vektors der Winkelfehler in einem sich von –20° bis +20° erstreckenden Winkelbereich maximal um 3,346° verbessert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird gemäß 1 ein Peak-Signal aus der Peak-Extraktionseinheit 10 an die Modusvektor-Erzeugungseinheit 50 ausgegeben. Somit kann der Verarbeitungsvorgang bei einer Einfallsrichtung θ des Empfangssignals im Bereich von –20° bis +20° in einem um den Peak herum liegenden begrenzten Bereich durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass der Rechenaufwand im Vergleich zu einem Fall reduziert werden kann, in dem die Einfallsrichtung θ der reflektiven Welle über den gesamten Detektionsbereich des Targets hinweg präzise geschätzt wird. In diesem Fall ist eine hohe Winkelschätzgenauigkeit insbesondere wichtig, wenn ein Blickwinkel der Radarvorrichtung spezifiziert ist. Somit kann durch Verwendung der Techniken der vorliegenden Erfindung eine effizientere Detektion realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 8-82662 A [0004]

Claims

Radarvorrichtung, konfiguriert zum Berechnen eines Einfallswinkels von Empfangssignalen, die durch den Empfang von Wellen, welche mittels mehrerer Antennen basierend auf einem Modus-Vektor von einem Target reflektiert werden, und durch ein Ausgangssignal einer Empfangseinheit erhalten werden, in der eine individuelle Empfangs-Verarbeitung der Empfangssignale durchgeführt wird, wobei die Radarvorrichtung eine Speichereinheit aufweist, die zum Speichern eines gemessenen Modus-Vektors konfiguriert ist, wobei der Einfallswinkel der Empfangssignale unter Verwendung des gemessenen Modus-Vektors berechnet wird, der als Modus-Vektor aus der Speichereinheit ausgelesen wird.
Radarvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Modusvektor-Erzeugungseinheit, wobei die Modusvektor-Erzeugungseinheit aufweist: eine Kovarianzmatrix-Berechnungsvorrichtung, die zum Berechnen einer Kovarianzmatrix unter Verwendung des Ausgangssignals der Empfangseinheit konfiguriert ist; eine Eigenwert- und Eigenvektor-Berechnungsvorrichtung, die zum Berechnen eines Eigenwerts und eines Eigenvektors aus der berechneten Kovarianzmatrix konfiguriert ist; eine Modus-Vektor-Berechnungseinheit, die zum Berechnen des von der Eigenwert- und Eigenvektor-Berechnungsvorrichtung berechneten Eigenvektors als Modus-Vektor konfiguriert ist; und einer Speichereinheit, die zum Speichern des von der Modus-Vektor-Berechnungseinheit berechneten Modus-Vektors konfiguriert ist.
Einfallswinkel-Berechnungsverfahren für eine Radarvorrichtung, welche konfiguriert zum Berechnen eines Einfallswinkels von Empfangssignalen, die durch den Empfang von Wellen, welche mittels mehrerer Antennen basierend auf einem Modus-Vektor von einem Target reflektiert werden, und durch ein Ausgangssignal einer Empfangseinheit erhalten werden, in der eine individuelle Empfangs-Verarbeitung der Empfangssignale durchgeführt wird, wobei das Einfallswinkel-Berechnungsverfahren umfasst: Speichern eines gemessenen Modus-Vektors; und Berechnen des Einfallswinkels der Empfangssignale unter Verwendung des gemessenen Modus-Vektors, der in dem Speichervorgang als Modus-Vektor gespeichert worden ist.
Einfallswinkel-Berechnungsverfahren nach Anspruch 3, bei dem der Modus-Vektor erzeugt wird durch: Erfassen von einem virtuellen Target reflektierter Wellen als Empfangssignaldaten, wobei das virtuelle Target in einem bestimmten Abstand von der Radarvorrichtung unter einem vorbestimmten Winkel platziert wird; Extrahieren eines Empfangssignals mit einer Frequenz, die dem Abstand des virtuellen Targets von der Radarvorrichtung entspricht; Berechnen einer Kovarianzmatrix aus dem extrahierten Empfangssignal; Durchführung einer Eigenwert-Zerlegung an der berechneten Kovarianzmatrix; Gewinnen eines Eigenwerts, der den größten Wert unter den bei der Durchführung erhaltenen Eigenwerten hat; Finden eines Eigenvektors, der dem gewonnenen Eigenwert entspricht; und Speichern des gefundenen Eigenvektors in dem Speicher als gemessener Modus-Vektor bei dem vorbestimmten Winkel.
Einfallswinkel-Berechnungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, ferner umfassend: wiederholtes Durchführen der vorausgegangenen Schritte während des Verändern einer Position des virtuellen Targets derart, dass der vorbestimmte Winkel verändert wird, ohne dass die Distanz von der Radarvorrichtung verändert wird; Berechnen von gemessenen Modus-Vektoren in einem vorbestimmten Winkelbereich; und Speichern der gemessenen Modus-Vektoren in dem Speicher unter Zuordnung zu Daten des vorbestimmten Winkels in Form einer Karte.