DE102014114110A1

DE102014114110A1 - Radarsensor

Info

Publication number: DE102014114110A1
Application number: DE102014114110.5A
Authority: DE
Inventors: Ridha Farhoud; Ernst Warsitz
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-03-31
Also published as: CN107076831A; CN107076831B; WO2016050628A1; US10551481B2; US20170234967A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radarsensor (10) mit einer Signalerzeugungseinrichtung (11, 18, 19, 20), welche ein Sendesignal (16) erzeugt als abzustrahlendes Radarsignal, mit einer Signalempfangseinrichtung (12, 13, 17, 19, 20) zum Empfang und zur Verarbeitung Empfangssignale (14, 15) als reflektierte Radarsignale, wobei die Empfangssignale (14, 15) mit einem Prädiktionsverfahren bearbeitbar sind, um ein prädiziertes Signal zu bestimmen, mittels welchem das Empfangssignal vergleichbar ist, um davon abweichende Störungen auszuschließen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Radarsensor, wie insbesondere einen Radarsensor für ein Kraftfahrzeug.
Stand der Technik
In Kraftfahrzeugen werden Radarsensoren immer häufiger eingesetzt. Solche Radarsensoren werden beispielsweise bei Fahrerassistenzsystemen eingesetzt, um beispielsweise entgegenkommende Fahrzeuge oder sich nähernde Fahrzeuge bereits bei größerer Distanz sicher zu erkennen und deren Position und Geschwindigkeit bzw. Relativgeschwindigkeit und Azimutwinkel möglichst genau bestimmen zu können. Auch werden Radarsensoren eingesetzt, um das nähere Umfeld des Kraftfahrzeugs zu überwachen.
Derzeit werden Radarsensoren eingesetzt, welche ein Ausgangssignal erzeugen, welches ausgesendet wird und das an Objekten reflektierte Ausgangssignal als Eingangssignal empfangen und verarbeiten. Das Ausgangssignal ist dabei eine Reihe von Einzelsignalen mit einer vorgegebenen Zeitdauer und Frequenz, auch „Burst“ genannt, die von Einzelsignal zu Einzelsignal in der Frequenz variieren.
Die Radarsensoren werden beispielsweise mit dem so genannten LFMSK-Sendeverfahren (Linear-Frequency-Modulated-Shift-Keying) betrieben. Bei diesem Verfahren werden verschachtelt drei Einzelsignale A, B, C ausgesendet. Dabei wird für eine Zeitdauer von jeweils ca. 25 μs (Burst) eine konstante Frequenz gesendet, welche dann für jede der drei Einzelsignale linear verändert wird. Bei einer steigenden Frequenz spricht man von einem Up-Chirp und bei einer fallenden Frequenz spricht man von einem Down-Chirp. Neben dem Up-Chirp und Down-Chirp wird auch ein monofrequentes Einzelsignal, den so genannten Doppler-Chirp verwendet. Die drei Signalarten werden dabei alternierend eingesetzt.
Aufgrund der Begrenzung des zulässigen Frequenzbereichs für automotive Anwendungen und der gleichzeitige vermehrte Einsatz solcher Radarsensoren, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Fahrzeuge, die mit Radarsensoren ausgestattet sind, sich gegenseitig stören. Im Falle einer solchen Störung empfängt der empfängerseitigen Radarsensor (Opfer) zusätzlich zu den Reflektionen des eigenen Sendesignals auch Sendesignale eines fremden Radarsensors (Störer).
Dies führt zu Fehlauswertungen, wenn das Sendesignal des Störers als reflektiertes Sendesignal des eigenen Radarsensors betrachtet wird.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Radarsensor zu schaffen, der gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Auch soll ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines solchen Radarsensors geschaffen werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Radarsensor mit einer Signalerzeugungseinrichtung, welche ein Sendesignal erzeugt als abzustrahlendes Radarsignal, mit einer Signalempfangseinrichtung zum Empfang und zur Verarbeitung von Empfangssignalen als reflektierte Radarsignale, wobei die Empfangssignale mit einem Prädiktionsverfahren bearbeitbar sind, um ein prädiziertes Signal zu bestimmen, mittels welchem das Empfangssignal vergleichbar ist, um davon abweichende Störungen zu reduzieren oder auszuschließen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hinsichtlich des Verfahrens wird mit den Merkmalen gemäß Anspruch 2 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Radarsensors, insbesondere eines obigen erfindungsgemäßen Radarsensors, wobei der Radarsensor mit einer Signalerzeugungseinrichtung versehen ist, welche ein Sendesignal erzeugt als abzustrahlendes Radarsignal, mit einer Signalempfangseinrichtung zum Empfang und zur Verarbeitung von Empfangssignalen als reflektierte Radarsignale, wobei die Empfangssignale mit einem Prädiktionsverfahren bearbeitet werden, um ein prädiziertes Signal zu bestimmen, mittels welchem das Empfangssignal verglichen wird, um davon abweichende Störungen zu reduzieren oder auszuschließen. Dadurch wird die Störung erkannt und mittels der Prädiktion wird das ohne Störung erwartete Signal bestimmt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Empfangssignal oder ein gemischtes Empfangssignal im Zeitbereich ein sinusähnliches Signal darstellt, welches prädiziert wird. Dadurch kann das erwartete prädizierte Signal gut angenähert werden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn eine linear prädiktive Kodierung vorgenommen wird. Dadurch wird die Prädiktion einfach durchzuführen, weil sie mit einfachen Berechnungen durchführbar ist, was Rechenkapazität reduziert und die Prädiktion ist einfacherweise in die Zukunft gerichtet.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn Diskontinuitäten im Empfangssignal oder im gemischten Empfangssignal aufgrund von Interferenzen durch Auswertung des Prädiktionsfehlers detektiert werden. So kann bei einem signifikanten Anstieg des Prädiktionsfehlers auf eine Diskontinuität im Empfangssignal geschlossen werden, was auf eine Störung aufgrund von Interferenzen schließen lässt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Prädiktionsfehler als Prüfgröße herangezogen wird. So kann die Anwesenheit von Störungen einfach vorgenommen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Prädiktionsfehler im Vergleich der tatsächlichen Signalamplitude x(k) mit dem prädizierten Wert x ^(k) berechnet wird.
Auch ist es vorteilhaft, wenn optional zusätzlich zu der kausalen Vorwärtsprädiktion auch eine nicht kausale Rückwärtsprädiktion verwendet wird. Dadurch kann die Prädiktion verbessert werden, wenn mehr als ein Verfahren zur Prädiktion verwendet wird.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der zu prädizierende Amplitudenwert aus der gewichteten Mittelung der beiden Prädiktionsergebnisse ermittelt wird. So können die verwendeten Verfahren relativ zueinander gewichtet werden, um ein optimiertes Prädiktionsergebnis zu bekommen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben. Es zeigen:
1 ein Diagramm mit eine Sendesignal,
2 eine schematische Darstellung eines Radarsensors,
3 ein Diagramm eines Signalverlaufs,
4 ein Diagramm eines Signalverlaufs,
5 ein Diagramm eines gestörten Signals, und
6 ein Diagramm eines Signalverlaufs nach Interferenzreduzierung.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt ein Diagramm 1 zur Erläuterung von einem Sendesignal, das aus einer Folge von Einzelsignalen besteht. Das Diagramm zeigt die Frequenz f(t) des Sendesignals als Funktion der Zeit t. Die Einzelsignale f₀ ^A, f₀ ^B, f₀ ^C, f₁ ^A, f₁ ^B, f₁ ^C, etc. bilden eine Folge, die als Sendesignal ausgesendet werden. Wird der Radarsensor mit dem so genannten LFMSK-Sendeverfahren (Linear-Frequency-Modulated-Shift-Keying) betrieben, werden verschachtelt drei Einzelsignale A, B, C ausgesendet. Dabei wird für eine Zeitdauer von jeweils ca. 25 μs (Burst) eine konstante Frequenz gesendet, welche dann für jede der drei Einzelsignale linear verändert wird. Dabei ist zu erkennen, dass die Frequenzen der Signale f₀ ^A, f₀ ^B, f₀ ^C ansteigen, wobei bei der nächsten Folge der Signale f₁ ^A, f₁ ^B, f₁ ^C die Frequenzen wiederum ansteigen, wobei die Frequenz f₁ ^A größer ist als die Frequenz f₀ ^A. Bei einer steigenden Frequenz spricht man von einem Up-Chirp und bei einer fallenden Frequenz spricht man von einem Down-Chirp. Neben dem Up-Chirp und Down-Chirp wird auch ein monofrequentes Einzelsignal, den so genannten Doppler-Chirp verwendet. Die drei Signalarten werden dabei alternierend eingesetzt. Im Beispiel der 1 sind nur Up-Chirps gezeigt. Es können aber auch Down-Chirps oder Doppler-Chirps eingesetzt werden.
Die 2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Radarsensor 10, welcher über eine Sendeantenne 11 und über zwei Empfangsantennen 12, 13 verfügt. Das reflektierte, empfangene Signal 14, 15 wird in den Empfängern 17 mit dem Sendesignal 16 des Senders 18 gemischt und in den Frequenzbereich transformiert. Dieses Signal 21 wird im HF-Element 19 gemischt und an den digitalen Signalprozessor 20 zur weiteren Auswertung übertragen. Der digitale Signalprozessor 20 überträgt zum HF-Element Steuersignale 22 zur Steuerung des Radarsensors. Der Radarsensor 10 weist dabei also eine Signalerzeugungseinrichtung auf, welche den Sender 16, das HF-Element 19 und den Signalprozessor 20 aufweist. Der Radarsensor 10 weist dabei auch eine Signalempfangseinrichtung auf, welche den Empfänger 17, das HF-Element 19 und den Signalprozessor 20 aufweist.
Das empfangene Signal 14, 15 stellt dabei eine Überlagerung von Reflektionen von relevanten Zielen aber auch von Reflektionen von unerwünschten Zielen dar, welche auch in der Radartechnik als Clutter, so genannte Störechos bedingt durch Reflexionen am Boden, Randbebauung und durch Regen, bezeichnet werden. Zur Detektion der relevanten Ziele wird das OS-CFAR-Verfahren (Ordered Statistic – Constant False Alarm Rate) eingesetzt. Nach der Detektion ergibt sich für ein relevantes Ziel ein Basisfrequenzsignal, dessen Frequenz aus dem Abstand des Zieles und seiner Relativgeschwindigkeit resultiert. Bei einem Doppler-Chirp ist die Frequenz lediglich von der Relativgeschwindigkeit abhängig. Die Phasendifferenz zwischen den Spektralkomponenten im Basisband jeweils zwischen zwei Rampen ergibt sich ebenfalls durch den Abstand und die Relativgeschwindigkeit des relevanten Zieles. Durch Lösen eines linearen Gleichungssystems können aus der Frequenz und dieser Phasendifferenz der Abstand und die Relativgeschwindigkeit des Zieles für jeden Messzyklus bestimmt werden. Weiterhin kann mittels der Phasendifferenz zwischen den beiden Empfangsantennen an der Stelle der auszuwertenden Frequenz die Laufzeitdifferenz des reflektierten Signals und somit der Einfallswinkel bestimmen werden.
Aus diesen Signalen können ggf. unter Verwendung weiterer Informationen Rohzielparameter ermittelt werden, welche mittels nachgeordneter Verarbeitungsstufen zur Identifizierung von Objekten herangezogen werden. Als weitere Informationen können vorteilhaft der Signalpegel und/oder eine Zuverlässigkeit der generierten Werte heran gezogen werden.
Die 3 und 4 zeigen einen Signalverlauf 30 mit einer Störung. Die 3 zeigt einen Up-Chirp im Frequenz-Zeit-Diagramm, der von einem CW-Störer geschnitten wird. Die CW-Störung führt zu einem impulsartigen Anstieg 31 der Amplitude des Zeitsignals im Bereich des Schnittpunktes beider Signale, siehe 4. Dieser Anstieg 31, der sich auch über mehrere Messpunkte erstrecken kann, bewirkt eine breitbandige Anhebung des Rauschens im Frequenzbereich. Reflektionen von relevanten Zielen werden dadurch maskiert und können in der Folge nicht mehr detektiert werden.
Dabei ist die CW-Störung ein Beispiel einer Störung. Es können auch andere Störungen auftreten. Komplexere Störungen können beispielsweise durch LFMCW (Linear-Frequency-Modulated-Continuous-Wave) und FCSM (Fast Chirp Sequence Modulation) hervorgerufen werden. Bei diesen Störungen entstehen im Frequenzverlauf vermehrte Schnittpunkte zwischen dem Sendesignal des Opfers und dem Störersignal.
Folglich können in mehreren Zeitfenstern Störungen in Form eines Amplitudenanstiegs empfangen werden, die das Rausch-Niveau derart erhöhen, dass eine Detektion von relevanten Zielen ohne Korrektur des Empfangssignals erschwert wird.
Da die Empfangsantennen aufgrund von Fertigungsabweichung und unsymmetrischen Verkopplungen unterschiedlicher Antennendiagramme unterliegen, können die Auswirkungen der Störungen auf das Nutzsignal in den beiden Empfangsantennen auch unterschiedlich ausfallen. In einem beispielweisen Fall wird nur eine der beiden Antennen gestört. Ferner können je nach Störung entweder nur einzelne oder alle drei A-, B- und C-Rampen betroffen sein. Dieses kann darauf zurückzuführen sein, dass die drei Rampen unterschiedliche Frequenzen aufweisen und zeitlich versetzt sind, siehe 1. So wird beispielsweise bei einem schmalbandigen Doppler-Störer mit der gleichen Dopplerfrequenz im Bereich der Rampe A Frequenz nur diese Rampe stark gestört. Die Störungen der beiden anderen Rampen werden von den Oberwellen des Störers verursacht und können oft aufgrund der geringen Störintensität nicht detektiert werden.
Um eine fehlerfreie Detektion der Reflektionen von relevanten Zielen im Empfangsspektrum zu ermöglichen, müssen Störungen detektiert und beseitigt werden.
Da es ausreichend ist, die Störung bei nur einer der sechs Rampen bei drei Rampen je Empfangsantenne zu detektieren, können auch Signale korrigiert werden, bei denen die Störung nicht direkt gemessen wird.
Da das Zeitsignal jedes zu detektierenden Zielobjektes nach der Mischstufe etwa einer Sinusfunktion oder einem sinusähnlichen Signal, beispielsweise als Überlagerung von Sinussignalen, entspricht, besteht das Empfangssignal, das die Überlagerung aller Reflektionen der beleuchteten Ziele darstellt, nur aus harmonischen Schwingungen. Diese Signalform der harmonischen Schwingungen lässt sich unter Anwendung eines linearen Prädiktors sehr gut vorhersagen.
Das Verfahren der linearen prädiktiven Kodierung LPC (Linear Predictive Coding) sagt den zukünftigen Verlauf eines Signals anhand der vorangegangenen Signalwerte voraus. Dabei wird eine Linearkombination aus den vorherigen Abtastwerten gebildet.
Für den prädizierten Wert an der Stelle k folgt demnach:
wobei a_i die Prädiktionskoeffizienten darstellen mit i = 1 bis n.
Diese Prädiktionskoeffizienten werden mit Hilfe einer Korrelationsmatrix ermittelt. Dazu wird aus den vorangegangenen Signalwerten eine Korrelation gebildet, die Informationen der Signalcharakteristik beinhaltet. Anhand dieser Signalcharakteristik kann dann der zukünftige Verlauf des Signals anhand der letzten Werte prädiziert werden.
Diskontinuitäten im Empfangssignal aufgrund von Interferenzen können durch Auswertung des Prädiktionsfehlers bzw. des LPC-Pradiktionsfehlers detektiert werden. Dieser Prädiktionsfehler wird somit als Prüfgröße herangezogen.
Der Prädiktionsfehler lässt sich gemäß der nachfolgenden Gleichung durch Vergleich der tatsächlichen Signalamplitude x(k) mit dem prädizierten Wert x ^(k) berechnen:
Im Falle einer Störung entsteht aufgrund der Diskontinuität ein erhöhter Prädiktionsfehler, der bestimmbar ist.
Bei der Detektion durch lineare Prädiktion wird der gesamte Signalverlauf des untersuchten Chirps vorhergesagt werden. Der geschätzte Wert wird dann mit dem tatsächlichen Signalwert verglichen. Mithilfe eines geeigneten Schwellwertes kann so ein Detektionskriterium hergeleitet werden, um eine Diskontinuität zu bestimmen.
Eine impulsförmige Störung im Signal wird anschließend mit Hilfe der vorangegangenen ungestörten Signalwerte repariert werden. Diese Reparatur erfolgt durch die Fortschreibung des prädizierten Verlaufs ohne den Einfluss der Störung.
Um Amplitudensprünge zu verhindern kann optional zusätzlich zu der kausalen Vorwärtsprädiktion auch eine nicht kausale Rückwärtsprädiktion verwendet werden. Der zu prädizierende Amplitudenwert soll anschließend aus der gewichteten Mittelung beider Prädiktionsergebnisse ermittelt werden.
Das Ergebnis der obigen Interferenzreduzierung ist in den 5 und 6 zu erkennen.
Die 5 zeigt einen sinusähnlichen Signalverlauf 40 mit diskontinuierlichen, impulsartigen Erhöhungen 41 aufgrund von Störungen. Nach der Prädiktion und der Bestimmung des sinusartigen Anteils sind die Störungen im korrigierten Signal 50 der 6 nicht mehr zu erkennen. Die Reduzierung des Fehlers führt auch zu einer Reduzierung des Rauschniveaus. Maskierte relevante Ziele im Frequenzbereich des Empfangssignals können nun unter Verwendung des korrigierten Signals detektiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Diagramm
10: Radarsensor
11: Sendeantenne
12: Empfangsantenne
13: Empfangsantenne
14: Signal
15: Signal
16: Sendesignal
17: Empfänger
18: Sender
19: HF-Element
20: Signalprozessor
21: Signal
22: Steuersignal
30: Signalverlauf
31: Anstieg
40: Signalverlauf
41: Erhöhung
50: korrigiertes Signal

Claims

Radarsensor (10) mit einer Signalerzeugungseinrichtung (18, 19, 20), welche ein Sendesignal (16) erzeugt als abzustrahlendes Radarsignal, mit einer Signalempfangseinrichtung (17, 19, 20) zum Empfang und zur Verarbeitung von Empfangssignalen (14, 15) als reflektierte Radarsignale, wobei die Empfangssignale (14, 15) mit einem Prädiktionsverfahren bearbeitbar sind, um ein prädiziertes Signal zu bestimmen, mittels welchem das Empfangssignal vergleichbar ist, um davon abweichende Störungen zu reduzieren oder auszuschließen.
Verfahren zum Betreiben eines Radarsensors (10), insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radarsensor (10) mit einer Signalerzeugungseinrichtung (18, 19, 20) versehen ist, welche ein Sendesignal (16) erzeugt als abzustrahlendes Radarsignal, mit einer Signalempfangseinrichtung (17, 19, 20) zum Empfang und zur Verarbeitung von Empfangssignalen (14, 15) als reflektierte Radarsignale, wobei die Empfangssignale (14, 15) mit einem Prädiktionsverfahren bearbeitet werden, um ein prädiziertes Signal zu bestimmen, mittels welchem das Empfangssignal verglichen wird, um davon abweichende Störungen zu reduzieren oder auszuschließen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangssignal (14, 15) oder ein gemischtes Empfangssignal im Zeitbereich ein sinusähnliches Signal darstellt, welches prädiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine linear prädiktive Kodierung vorgenommen wird.
Radarsensor nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Diskontinuitäten im Empfangssignal (14, 15) oder im gemischten Empfangssignal aufgrund von Interferenzen durch Auswertung des Pradiktionsfehlers detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prädiktionsfehler als Prüfgröße herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Prädiktionsfehler im Vergleich der tatsächlichen Signalamplitude x(k) mit dem prädizierten Wert x ^(k) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optional zusätzlich zu der kausalen Vorwärtsprädiktion auch eine nicht kausale Rückwärtsprädiktion verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zu prädizierende Amplitudenwert aus der gewichteten Mittelung der beiden Prädiktionsergebnisse ermittelt wird.
Radarsensor nach Anspruch 1 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 9.