DE102014209010B4

DE102014209010B4 - Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung und Relativgeschwindigkeits-Messverfahren

Info

Publication number: DE102014209010B4
Application number: DE102014209010.5A
Authority: DE
Inventors: Shinsaku c/o Mitsubishi Electric Corp. Noda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2034-05-14
Also published as: DE102014209010A1; JP2015075450A; JP5746299B2

Abstract

Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung, die eine Relativgeschwindigkeit zu einem Zielobjekt (4) durch Senden eines Sendeimpulses mit einer spezifischen Sendefrequenz (f) und einer spezifischen Impulsbreite zu dem Zielobjekt (4) und Berechnen einer Dopplerfrequenz (f) aus einem von dem Zielobjekt (4) reflektierten Empfangsimpuls misst, wobei die Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung umfasst:eine Abtasteinheit (6), die empfangsdiskrete Daten (S(k)) durch Abtasten des Empfangsimpulses erzeugt; undeine Verarbeitungs-Berechnungseinheit (1), die eine Relativgeschwindigkeit (V) zum Zielobjekt (4) auf Basis der empfangsdiskreten Daten, die durch die Abtasteinheit erzeugt werden, berechnet, wobei die Verarbeitungsberechnungseinheit beinhaltet:eine Multiplikationseinheit, welche die empfangsdiskreten Daten (S(k)) mit einem vorab vorbestimmten Exponenten potenziert;eine Frequenzberechnungseinheit, die eine multiplizierte Frequenz berechnet, die eine Frequenz ist, die folgend der Potenzierung der empfangsdiskreten Daten (S(k)) erhalten wird; undeine Relativgeschwindigkeits-Messeinheit, welche die Relativgeschwindigkeit zum Zielobjekt (4) durch Berechnen der Dopplerfrequenz (f) des Empfangsimpulses auf Basis der berechneten multiplizierten Frequenz misst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung und ein Relativgeschwindigkeits-Messverfahren zum Messen einer Relativgeschwindigkeit zu einem Zielobjekt auf Basis einer durch einen Dopplereffekt verursachten Frequenzverschiebung in einem vom Zielobjekt reflektierten Empfangsimpuls.
HINTERGRUND
Eine Distanzmessvorrichtung, die Ultraschallwellensignale als ein Medium einsetzt, ist als Hindernissensor für ein Automobil in breiter Verwendung. Dieser Typ von Hindernissensor wird in einer Stoßstange oder dergleichen des Automobils installiert, um beispielsweise eine Distanz zu einem Hindernis oder einer Peripherie des Automobils während des Parkens oder dergleichen zu messen, und die Aufmerksamkeit des Fahrers durch Erteilen einer Warnung auf sich zu ziehen, wenn die Distanz zum Hindernis eine vorgegebene Distanz erreicht oder unterschreitet. Dieser Typ von Hindernissensor ist als eine Anwendung zum Messen von Kurzdistanzen von bis zu ungefähr 1 bis 2 m in breiter Verwendung, wenn das Automobil bei einer niedrigen Geschwindigkeit während des Parkens oder dergleichen fährt und daher kann ein Sensorelement zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen vergleichsweise preisgünstig erhalten werden.
Aus DE 10 2011 120 447 A1 ist eine Fahrerassistenzeinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die Ultraschallsensoren zum Senden eines Sendesignals und Empfangen eines von einem Objekt reflektierten Empfangssignals sowie eine Recheneinrichtung zur Auswertung aufweist. Dabei werden phasensprungmodulierte Sinusimpulse, also Sendeimpulse mit spezifischer Impulsbreite gesendet, deren Echos als Empfangssignal empfangen, an die elektronische Recheneinrichtung übermittelt, dort A/D-gewandelt und das erzeugte digitale Empfangssignal verarbeitet. Bei der Verarbeitung erfolgt eine Multiplikation des digitalen Empfangssignals mit einer komplexen e-Funktion zu einem zurückgedrehten Signal. Aus diesem Signal erfolgt über die zeitlichen Abstände der detektierten Phasensprünge eine Bestimmung der Frequenz bzw. Dopplerfrequenz und daraus eine Berechnung der relativen Geschwindigkeit zwischen Fahrzeug und Hindernis.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Wenn im Stand der Technik eine Relativgeschwindigkeit zu einem Zielobjekt gemessen wird, fehlt es jedoch an einer schnellen Antwort in einem Fall, bei dem Beobachtungswerte aus einer Mehrzahl von Reflektionswellen verwendet werden. Weiter ist es in einem Fall, bei dem eine Dopplerfrequenz beobachtet wird, schwierig, sowohl eine günstige Relativgeschwindigkeitsauflösung als auch eine günstige Detektionsleistungsfähigkeit in Bezug auf ein sich in der Nähe befindliches Zielobjekt zu realisieren.
Die vorliegende Erfindung ist entworfen worden, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und eine Aufgabe derselben ist es, eine Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung und ein Relativgeschwindigkeits-Messverfahren, mit dem eine Relativgeschwindigkeit zu einem Zielobjekt rasch, präzise und mit hoher Auflösung gemessen werden kann und ein sich in der Nähe befindliches Zielobjekt detektiert werden kann, zu erhalten.
Eine Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus Patentanspruch 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Relativgeschwindigkeits-Messverfahren zum Messen einer Relativgeschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus Patentanspruch 10.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Relativgeschwindigkeit zum Zielobjekt ohne Notwendigkeit für aktuelle und vorhergehende Distanzmesswerte gemessen, durch Potenzieren des vom Zielobjekt reflektierten Empfangsimpulses, um die Dopplerfrequenz zu berechnen. Als Ergebnis ist es möglich, eine Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung und ein Relativgeschwindigkeits-Messverfahren zu erhalten, mit denen eine Relativgeschwindigkeit zu einem Zielobjekt rasch, präzise und bei hoher Auflösung gemessen werden kann, und mit welchem ein sich in der Nähe befindliches Zielobjekt detektiert werden kann.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Ansicht, die ein Flussdiagramm eines Relativgeschwindigkeits-Messverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine Ansicht, die ein Spektrum eines multiplizierten Empfangsimpulses gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist eine Ansicht, die ein Flussdiagramm eines Relativgeschwindigkeits-Messverfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist eine Ansicht, die ein Spektrum eines Empfangsimpulses und einer Frequenz-Charakteristik eines diskreten Bandpassfilters gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine Ansicht, die ein Spektrum eines multiplizierten Empfangsimpulses gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine Ansicht, die ein Flussdiagramm eines Relativgeschwindigkeits-Messverfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Konfiguration einer Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine Ansicht, die ein Flussdiagramm eines Relativgeschwindigkeits-Messverfahrens gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer konventionellen Distanzmessvorrichtung zeigt; und
11 ist eine Ansicht, die eine Sendesignalspannung und eine Empfangssignalspannung der konventionellen Distanzmessvorrichtung und der Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESTER MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Bevorzugte Ausführungsformen einer Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung und eines Relativgeschwindigkeits-Messverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden unten unter Verwendung der Zeichnungen beschrieben. Man beachte, dass in den Zeichnungen identischen oder entsprechenden Teilen identische Bezugszeichen zugewiesen sind.
Erste Ausführungsform
Zuerst werden Probleme, die in einer konventionellen Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung auftreten, wodurch, wenn eine Relativgeschwindigkeit zu einem Zielobjekt gemessen wird, eine rasche Antwort in einem Fall fehlt, bei dem Beobachtungswerte aus einer Mehrzahl von Reflektionswellen verwendet werden, und in einem Fall, bei dem eine Dopplerfrequenz beobachtet wird, es schwierig ist, sowohl eine günstige Relativgeschwindigkeitsauflösung als auch eine günstige Detektionsleistungsfähigkeit in Bezug auf ein sich in der Nähe befindliches Zielobjekt zu realisieren, unter Verwendung der Zeichnungen beschrieben.
10 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer konventionellen Distanzmessvorrichtung zeigt. 11 ist eine Ansicht, die eine Sendesignalspannung eine Empfangssignalspannung der konventionellen Distanzmessvorrichtung und einer Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1, die in 10 gezeigt ist, legt ein Signal mit einer Sendefrequenz f0, eine Impulsbreite Tp und einem Impuls-Wiederholungsintervall PRI, wie durch die Sendesignalspannung in 11 gezeigt, an einen Transformator 2 an.
Man beachte, dass in 11 ein geleckter Impuls 9 erscheint, wenn ein Sendeimpuls 7 direkt an einem Verstärker 5 eingegeben wird. Der Transformator 2 treibt ein Sensorelement 3 durch Verstärken des angelegten Signals auf eine zum Antreiben des Sensorelements 3 erforderliche Spannung an. Das Sensorelement 3 wandelt das angelegte Spannungssignal in ein Ultraschallwellensignal und sendet das Ultraschallwellensignal zu einem Zielobjekt 4, das davon um eine Distanz R entfernt ist.
Der Sendeimpuls 7 wird wieder durch das Sensorelement 3 nach Reflektion am Zielobjekt 4 empfangen. Zu dieser Zeit, wie durch die Empfangssignalspannung in 11 gezeigt, wird ein Empfangsimpuls 8 mit einer Verzögerung relativ zum Sendeimpuls 7 entsprechend einer Verzögerungszeit Td, die erforderlich ist, um die Distanz R zum Zielobjekt 4 hin und zurückzulegen, empfangen. Hier, wenn die Schallgeschwindigkeit als c eingestellt wird, wird die Verzögerungszeit Td durch Formel (1) ausgedrückt. $T_{d} = \frac{2 R}{c}$
Das durch das Sensorelement 3 empfangene Signal wird durch den Verstärker 5 verstärkt und an einem A/D-Wandler 6 eingegeben. Der A/D-Wandler 6 erzeugt diskrete Daten aus dem Eingangssignal und gibt ein resultierendes, diskretes Datensignal in die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 ein. Die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 misst die Verzögerungszeit Td zum durch den A/D-Wandler 6 empfangenen Empfangssignal unter Verwendung eines Erzeugungs-Timings des Sendesignals als einer Referenz und berechnet dann die Distanz R bis zum Zielobjekt 4 auf Basis von Formel (1).
Wie oben angemerkt, wird dieser Typ konventioneller Distanzmessvorrichtung hauptsächlich während Fahrt bei niedriger Geschwindigkeit in Anwendung zum Messen von Kurzdistanzen bis zu ungefähr 1 bis 2 m verwendet. Daher besteht keine Notwendigkeit, eine Relativgeschwindigkeit zum Zielobjekt 4 zu messen. Hier wird ein Versuch zum Konstruieren einer Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung, welche die Möglichkeit einer Kollision durch Messen einer Distanz und einer Relativgeschwindigkeit zu einem Hindernis vor einem Automobil unter Verwendung des Ultraschallwellen-Sensorelements 3 bestimmt, was vergleichsweise preisgünstig erhalten werden kann, erwogen. In diesem Fall wird ein Verfahren zum Messen einer Relativgeschwindigkeit Vr als ein neues Problem exponiert, das bei konventionellen Anwendungen nicht auftritt.
Als ein Verfahren zum Messen der Relativgeschwindigkeit Vr unter Verwendung der oben beschriebenen konventionellen Distanzmessvorrichtung wird die Relativgeschwindigkeit Vr auf Basis eines Differenzwerts der Distanz unter Verwendung der Distanz R bis zum Zielobjekt 4, berechnet in einem aktuellen Beobachtungsintervall, eine Distanz Rp zum Zielobjekt 4, berechnet in einem vorhergehenden Beobachtungsintervall, und dem Beobachtungsintervall (mit anderen Worten, dem Impuls-Wiederholungsintervall PRI) berechnet, wie in Formel (2) gezeigt. $V_{r} \frac{R - R_{p}}{P R I}$
Dieses Verfahren zur Berechnung der Relativgeschwindigkeit Vr auf Basis des Differenzwerts der Distanz weist die folgenden zwei Probleme auf.
Ein Problem ist, dass aktuelle und vorhergehende Distanzmesswerte erforderlich sind, um die Relativgeschwindigkeit Vr zu berechnen. Mit anderen Worten ist zumindest eine Zeit entsprechend dem Beobachtungsintervall PRI erforderlich, um die Möglichkeit einer Kollision festzustellen. Dieses Verfahren ist daher nicht für eine Anwendung geeignet, die eine rasche Antwort zum Bestimmen der Möglichkeit einer Kollision erfordert.
Das zweite Problem ist, dass ein Fehler in einem Messwert der Relativgeschwindigkeit Vr aufgrund eines Distanzmessfehlers auftreten kann. Wenn beispielsweise das Automobil sich tatsächlich dem Zielobjekt 4 nähert, oder mit anderen Worten, wenn Vr < 0, kann R < Rp, aufgrund eines Distanzmessfehlers erhalten werden. In diesem Fall nimmt der aus Formel (2) ermittelte Relativgeschwindigkeits-Berechnungswert Vr einen Positivwert an und als Ergebnis wird fehlerhaft festgestellt, dass das Zielobjekt 4 sich wegbewegt, wenn sich tatsächlich das Automobil dem Zielobjekt 4 nähert.
Als ein anderes Verfahren zum Messen der Relativgeschwindigkeit Vr kann ein Verfahren zum Beobachten von Frequenzvariation aufgrund des Dopplereffekts verwendet werden. Hier ist allgemein bekannt, dass, wenn eine Sendefrequenz als f0 eingestellt ist, ein Empfangsfrequenz als fr eingestellt ist, eine Trägerfahrzeuggeschwindigkeit als Vs eingestellt ist, eine Geschwindigkeit des Zielobjekt 4 als Vt eingestellt ist, die Relativgeschwindigkeit als Vr = Vt - Vs eingestellt ist, und die Schallgeschwindigkeit als c gesetzt ist, die Empfangsfrequenz fr, wie in Formel (3) gezeigt ist, aufgrund der Dopplereffekts. $f_{r} = \frac{(c - V_{t}) (c + V_{s})}{(c - V_{s}) (c + V_{t})} f_{0} = f_{0} - \frac{2 c V_{r}}{c^{2} + c V_{r} - V_{s} V_{t}} f_{0}$
Wenn der zweite Term auf der rechten Seite von Formel (3) wie in Formel (4) gezeigt definiert ist, wird fd zu einer Frequenz, die anhand des Dopplereffekts variiert (d.h. eine Dopplerfrequenz). $f_{d} = \frac{2 c V_{r}}{c^{2} + c V_{r} - V_{s} V_{t}} f_{0}$
Hier, wenn beispielsweise eine erforderliche Relativgeschwindigkeitsauflösung ΔVr auf 1 km/h eingestellt wird, wird eine gemäß ΔVr erzeugte Dopplerfrequenz Δfd auf Basis von Formel (4) Δfd = -65 Hz. Man beachte, dass diese Berechnung unter der Annahme durchgeführt wird, dass die Schallgeschwindigkeit c = 340 m/s, die Sendefrequenz f0 = 40 kHz, die Träger-Fahrzeuggeschwindigkeit Vs = 1 km/h und die Geschwindigkeit Vt des Zielobjekts 4 = 0 km/h ist.
Daher, um die Relativgeschwindigkeit bei einer Relativgeschwindigkeitsauflösung ΔVr von 1 km/h zu messen, ist es notwendig, die Frequenz bei einer Frequenzauflösung von 65 Hz zu messen. Eine erforderliche Beobachtungszeit bei einer Frequenzauflösung von 65 Hz ist 1/65 Hz = 15,4 ms. Entsprechend muss eine Impulsbreite Tp zumindest 15,4 ms betragen. Dies entspricht einer Zeit, welche ein Ultraschallwellensignal benötigt, um eine Distanz von 5,2 m hin- und her zurückzulegen.
Es ist hier notwendig, sich bewusst zu machen, dass der geleckte Impuls 9, der erscheint, wenn der Sendeimpuls 7 direkt in den Verstärker 5 eingegeben wird, der Empfangssignalspannung überlagert wird, gezeigt in 11. In der Empfangssignalspannung überlappt der Empfangsimpuls 8 den geleckten Impuls 9 während eines Zeitraums, in welchem der geleckte Impuls 9 überlagert ist, was es unmöglich macht, das Zielobjekt 4 zu detektieren. Mit anderen Worten kann das Zielobjekt 4 nicht detektiert werden, wenn die Distanz entsprechend der Impulsbreite Tp gleich oder kleiner als 5,2 m ist. Wenn jedoch die Impulsbreite Tp reduziert wird, um das sich in der Nähe befindliche Zielobjekt 4 zu detektieren, steigt die Relativgeschwindigkeitsauflösung an.
Daher, wenn der vorherige Beobachtungswert verwendet wird, um die Relativgeschwindigkeit zu messen, wird eine unzureichend schnelle Antwort erhalten und wenn eine Dopplerfrequenz beobachtet wird, ist es schwierig, sowohl eine günstige Relativgeschwindigkeitsauflösung als auch eine günstige Detektionsleistungsfähigkeit in Bezug auf das sich in der Nähe befindliche Zielobjekt 4 zu realisieren.
In Reaktion auf diese Probleme wird nunmehr eine Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, bei der diese Probleme gelöst sind, spezifisch unter Verwendung der Zeichnung beschrieben. 1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Konfiguration einer Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in 1 gezeigte Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung beinhaltet die Berechnungseinheit 1, den Transformator 2, das Sensorelement 3, das Zielobjekt 4, den Verstärker 5 und den A/D-Wandler 6.
Ein Trägerfahrzeug (nicht gezeigt), in welchem die Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform installiert ist, bewegt sich bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit Vs, während sich das Zielobjekt 4 mit einer Geschwindigkeit Vt bewegt. Eine Reihe von durch die Berechnungseinheit 1 durchgeführten Operationen ab Erzeugung eines Impulssignals mit einer Sendefrequenz f0 von 40 kHz bis zur Übertragung des erzeugten Impulssignals zum Zielobjekt 4 hin ist identisch zu derjenigen der konventionellen Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung, und daher wird eine detaillierte Beschreibung derselben weggelassen.
Ein Signal (ein Empfangsimpuls), der wieder durch das Sensorelement 3 nach Reflektion durch das Zielobjekt 4 empfangen wird, wird bei einer in Formel (3) gezeigten Empfangsfrequenz fr gemäß dem Dopplereffekt empfangen.
Ein Verfahren zur Berechnung der Distanz R bis zum Zielobjekt 4 ist identisch zu derjenigen der konventionellen Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung und daher ist deren detaillierte Beschreibung weggelassen worden.
Man beachte, dass in der ersten Ausführungsform eine Abtastfrequenz des A/D-Wandlers 6 440 kHz beträgt und ein einzelner Empfangsimpuls 8 bei 2048 Punkten abgetastet wird. Die Impulsbreite Tp wird in Ausrichtung mit dieser Beobachtungszeit auf 2048 ÷ 440 kHz = 4,65 ms eingestellt. Bei dieser Impulsbreite Tp kann eine Distanz von 4,65 ms × 340 m/s ÷ 2 = 0,79 m, wobei die Schallgeschwindigkeit c = 340 m/s ist, hin und zurück zurückgelegt werden und daher kann das Zielobjekt 4 bei einer kurzen Distanz von 0,79 m oder größer detektiert werden.
2 ist eine Ansicht, die ein Flussdiagramm eines Relativgeschwindigkeits-Messverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diskrete Daten S1 (k) (k = 0, 1, 2, ...), eingegeben aus dem A/D-Wandler 6, weisen die Empfangsfrequenz fr = f0 + fd auf, die in den Formeln (3) und (4) gezeigt ist, und werden durch Formel (5) ausgedrückt. $S_{1} (k) = A_{1} cos (2 π f_{r} k T_{1} + ϕ_{1}) = A_{1} cos {2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{1} + ϕ_{1}}$
In Formel (5) ist A1 eine Amplitude von S1 (k), ist ϕ1 eine Anfangsphase von S1 (k), und ist T1 ein Abtastintervall (1/440 kHz). In Schritt S101 potenziert die Berechnungseinheit 1 S1 (k) mit Fünf. Zu dieser Zeit wird S1 (k) mit Fünf potenziert, wie in Formel (6) gezeigt, unter Verwendung von Eigenschaften einer trigonometrischen Funktion. $\begin{array}{l} S_{1}^{5} (k) = A_{1}^{5} {cos}^{5} {2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{1} + ϕ_{1}} \\ = \frac{A_{1}^{5}}{16} [10 cos {2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{1} + ϕ_{1}} + 5 cos {2 π (3 f_{0} + 3 f_{d}) k T_{1} + 3 ϕ_{1}} \\ + cos {2 π (5 f_{0} + 5 f_{d}) k T_{1} + 5 ϕ_{1}}] \end{array}$
Als Nächstes implementiert in Schritt S102 die Berechnungseinheit 1 eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) an S1 (k), potenziert mit Fünf. 3 ist eine Ansicht, die ein Spektrum des potenzierten Empfangsimpulses 8 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in Formel (6) und 3 gezeigt, beinhaltet ein mit Fünf potenziertes Signal von S1 (k) eine fünf Mal fr = f0 + fd entsprechende Frequenzkomponente, was anzeigt, dass S1 (k) mit Fünf potenziert ist.
Man beachte, dass in der ersten Ausführungsform, um das mit Fünf multiplizierte Signal genau zu extrahieren, 5fr = 200 kHz + 5fd auf nicht mehr als eine Nyquist-Frequenz eingestellt wird, oder mit anderen Worten die halbe Abtastfrequenz, das heißt 220 kHz.
Als Nächstes extrahiert in Schritt S103 die Berechnungseinheit 1 einen Frequenzbereich, der sich um 5f0 = 200 kHz zentriert, und einer erforderlichen maximalen Relativgeschwindigkeit entspricht, aus dem in Schritt S102 ermittelten Spektrum und extrahiert eine Frequenz mit einer maximalen Spektralhöhe aus dem extrahierten Frequenzbereich.
Hier, wie in Formel (7) gezeigt, wenn eine maximale, bebachtbare Relativgeschwindigkeit 30 km/h ist, wird der maximale Wert fdmax der Dopplerfrequenz fd auf Basis von Formel (4) bestimmt. Man beachte, dass in Formel (7) das Quadrat der Schallgeschwindigkeit c als ausreichend groß relativ zu einem Produkt der Trägerfahrzeuggeschwindigkeit Vs und der Geschwindigkeit Vt des Zielobjekts 4 angenommen wird, und daher VsVt ignoriert wird. In Formel (7), wenn die Relativgeschwindigkeit Vr = 30 km/h, die Schallgeschwindigkeit c = 340 m/s und die Sendefrequenz f0 = 40 kHz, ist ein Maximalwert fdmax der Dopplerfrequenz fd gleich 1,9 kHz. $| f_{d max} | ≅ \frac{2 V_{r}}{c + V_{r}} f_{0}$
Daher beträgt der erforderliche Frequenzbereich 200 kHz ± 5fdmax = 200 kHz ± 9,5 kHz. Entsprechend gewinnt die Berechnungseinheit 1 die Frequenz mit der maximalen Spektralhöhe aus dem Frequenzbereich zurück und berechnet einen Wert, der durch Subtrahieren eines Mehrfachen von Fünf der Sendefrequenz erhalten wird, oder mit anderen Worten 200 kHz, von der extrahierten Frequenz als 5fd. Man beachte, dass die Frequenzauflösung dieser FFT 440 kHz ÷ 2048 = 215 kHz beträgt.
Weiterhin berechnet die Berechnungseinheit 1 einen Wert, der durch Teilen der ermittelten Frequenz 5fd durch Fünf erhalten wird, als die Straßenoberfläche fd. Es kann daher gesehen werden, dass die Frequenzauflösung der Dopplerfrequenz fd 215 Hz ÷ 5 = 43 Hz beträgt. Schließlich berechnet die Berechnungseinheit 1 die Relativgeschwindigkeit Vr zum Zielobjekt 4 unter Verwendung von Formel (8), in welchem eine ähnliche Annäherung zu der oben beschriebenen auf Basis von Formel (7) durchgeführt wird. $V_{r} = - \frac{f_{d}}{f_{d} + 2 f_{0}} c$
Zu dieser Zeit ist es unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Frequenzauflösung der Dopplerfrequenz fd 43 Hz beträgt, aus Formel (8) ersichtlich, dass die Auflösung der Relativgeschwindigkeit Vr bei 0,66 km/h beobachtet werden kann.
Gemäß der ersten Ausführungsform, wie oben beschrieben, wird die Relativgeschwindigkeit zum Zielobjekt ohne Notwendigkeit für aktuelle und vorhergehende Distanzmesswerte gemessen, durch Potenzieren eines Signals eines einzelnen Empfangsimpulses mit Fünf, um eine Dopplerfrequenz zu berechnen. Da ein vorhergehender Beobachtungswert nicht erforderlich ist, kann die Relativgeschwindigkeit zum Zielobjekt rasch, präzise und ohne Beeinträchtigung durch einen Distanzmessfehler gemessen werden.
Weiterhin war es im spezifischen Beispiel eines konventionellen Verfahrens des Beobachtens einer Dopplerfrequenz ohne Verwendung von Potenzierung, wie oben beschrieben, unmöglich, das Zielobjekt innerhalb von 5,2 m zu detektieren. Gemäß der ersten Ausführungsform ist es andererseits möglich, eine Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung und ein Relativgeschwindigkeits-Messverfahren zu erhalten, mit denen ein Zielobjekt bei einer kurzen Distanz von 0,79 m oder mehr detektiert werden kann, während die Auflösung der Relativgeschwindigkeit auf eine kleinere Auflösung (0,66 km/h) als derjenigen des Stands der Technik (1 km/h) reduziert wird.
Man beachte, dass in der ersten Ausführungsform ein Fall, in welchem die durch Abtasten des Empfangsimpulses 8 ermittelten diskreten Daten mit Fünf potenziert werden, beschrieben wurde, aber der Exponent nicht notwendigerweise auf Fünf beschränkt ist.
Zweite Ausführungsform
In der ersten Ausführungsform oben wurde ein Verfahren, in welchem das Signal des Empfangsimpulses 8 mit einem Exponenten von Fünf potenziert wird, beschrieben. Wie oben erwähnt jedoch ist der Exponent nicht auf Fünf beschränkt, und daher wird in einer zweiten Ausführungsform ein Beispiel eines Verfahrens beschrieben, in welchem das Signal des Empfangsimpulses 8 mit einem Exponenten von Acht potenziert wird. Weiter wird ein, einen diskreten Bandpassfilter einsetzendes Verfahren als ein Verfahren zum Unterdrücken einer Negativ-Frequenzkomponente der diskreten Daten beschrieben.
Eine Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform ist identisch zur Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, gezeigt in 1, konfiguriert. In der zweiten Ausführungsform wird die Sendefrequenz auf f0 = 40 kHz eingestellt, wird die Abtastfrequenz des A/D-Wandlers 6 auf 320 kHz eingestellt und wird die Anzahl von Abtastpunkten, die während der Relativgeschwindigkeitsmessung verwendet werden, auf 1024 eingestellt. Entsprechend ist die Impulsbreite Tp 1024 ÷ 320 kHz = 3,2 ms. Daher kann bei einer Schallgeschwindigkeit c von 340 m/s das Zielobjekt 4 auf eine kurze Distanz von nicht weniger als 3,2 ms × 340 m/s ÷ 2 = 0,54 m detektiert werden.
Die Reihe von Prozessen zum Berechnen der Distanz R zum Zielobjekt 4, in welchem das durch die Berechnungseinheit 1 erzeugte Impulssignal zum Zielobjekt 4 gesendet wird, durch das Zielobjekt 4 reflektiert wird, wieder durch das Sensorelement 3 empfangen wird, und durch den A/D-Wandler 6 in diskrete Daten verwandelt wird, ist identisch zur ersten Ausführungsform und daher ist eine detaillierte Beschreibung weggelassen worden.
4 ist eine Ansicht, die ein Flussdiagramm eines Relativgeschwindigkeits-Messverfahrens gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diskrete Daten S2 (k), die aus dem A/D-Wandler 6 eingegeben werden, weisen eine Empfangsfrequenz fr = f0 + fd auf, gezeigt in Formeln (3) und (4) und werden durch Formel (9) ausgedrückt. Man beachte, dass fd die in Formel (4) gezeigte Dopplerfrequenz ist. Weiter ist in Formel (9) A2 die Amplitude von S2 (k), ist ϕ2 die Anfangsphase von S2 (k) und ist T2 das Abtastintervall (1/320 kHz). $S_{2} (k) = A_{2} cos (2 π f_{r} k T_{2} + ϕ_{2}) = A_{2} cos {2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{2} + ϕ_{2}}$
5 ist eine Ansicht, die das Spektrum des Empfangsimpulses 8 und eine Frequenz-Charakteristik des diskreten Bandpassfilters gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in Formel (10) gezeigt, beinhaltet das in 5A gezeigte Spektrum S2 (k) positive und negative Frequenzkomponenten fr und -fr. Hier ist j eine imaginäre Einheit. $S_{2} (k) = A_{2} cos (2 π f_{r} k T_{2} + ϕ_{2}) = \frac{A_{2}}{2} exp {j (2 π f_{r} k T_{2} + ϕ_{2})} + \frac{A_{2}}{2} exp {- j (2 π f_{r} k T_{2} + ϕ_{2})}$
In Schritt S201 implementiert die Berechnungseinheit 1 eine diskrete Bandpassfilter-Verarbeitung, die in Formel (11) gezeigt ist, an S2 (k), um die negative Frequenzkomponente zu reduzieren. In Formel (11) ist S3 (k) eine Ausgabe des diskreten Bandpassfilters, während b0, b1 und a1 jeweils Komplexzahl-Koeffizienten sind. $\begin{array}{l} S_{3} (k) = b_{0} S_{2} (k) + b_{1} S_{2} (k - 1) - a_{1} S_{3} (k - 1) \\ {\begin{array}{l} b_{0} = b_{1} = 0.038 + j 0.015 \\ a_{1} = - 0.65 - j 0.66 \end{array} \end{array}$
Formel (11) repräsentiert ein diskretes Bandpassfilter mit einer Zentralfrequenz von 40 kHz und einer -3 dB Bandbreite von ±4 kHz bei einer Abtastfrequenz von 320 kHz. Die Frequenz-Charakteristik des diskreten Bandpassfilters ist wie in 5B gezeigt. Wenn die negative Frequenzkomponente reduziert wird, wie in 5B gezeigt, ist ein Spektrum der Ausgabe S3 (k) des diskreten Bandpassfilters wie in 5C gezeigt. Als Ergebnis, wie in Formel (12) gezeigt, kann S3 (k) angesehen werden, nur eine positive Frequenzkomponente zu enthalten. In Formel (12) ist ϕ3 die Anfangsphase von S3 (k). $S_{3} (k) ≅ \frac{A_{2}}{2} exp {j (2 π f_{r} k T_{2} + ϕ_{3})}$
Im Schritt S202 berechnet die Verarbeitungsberechnungseinheit 1 S4 (k) in Relation zu S3 (k), das durch Potenzieren von S3 (k) mit Acht so erhalten wird. Wie in Formel (13) gezeigt, weist S4 (k) eine Frequenzkomponente von 8fr auf, was anzeigt, dass S4 (k) mit Acht potenziert worden ist. $S_{4} (k) = S_{3}^{8} (k) ≅ {(\frac{A_{2}}{2})}^{8} exp {j (2 π 8 f_{r} k T_{2} + 8 ϕ_{3})}$
Hier kann unter Berücksichtigung der Tatsache, dass fr = f0 + fd gesehen werden, dass die Frequenz 8fr von S4 (k) 320 kHz + 8fd ist. Da die Abtastfrequenz 320 kHz beträgt, wird S4 (k) als eine Anscheins-Frequenz von 8fd aufgrund von Aliasing beobachtet.
6 ist eine Ansicht, welche das Spektrum des potenzierten Empfangsimpulses 8 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In Schritt S203 implementiert die Berechnungseinheit 1 eine FFT an S4 (k) und als Ergebnis wird das in 6 gezeigte Spektrum erhalten. Es erübrigt sich zu erwähnen, dass, wenn die Dopplerfrequenz fd negativ ist, 8fd als eine Negativfrequenz gleichermaßen auf dem Spektrum von 6 erscheint.
In Schritt S204 extrahiert die Berechnungseinheit 1 die Frequenz mit der maximalen spektralen Höhe (d.h. 8fd) aus dem derart ermittelten Spektrum und berechnet einen Wert, der durch Teilen der extrahierten Frequenz durch Acht erhalten wird, als die Dopplerfrequenz fd. Man beachte, dass die Frequenzauflösung der in Schritt S203 durchgeführten FFT 320 kHz ÷ 1024 = 312,5 Hz ist und daher die Frequenzauflösung der Dopplerfrequenz fd 312,5 Hz ÷ 8 = 39 Hz beträgt.
Schließlich berechnet in Schritt S205 die Berechnungseinheit 1 die Relativgeschwindigkeit Vr zum Zielobjekt 4 auf Basis von Formel (8), was identisch zur ersten Ausführungsform ist. Da die Frequenzauflösung der Dopplerfrequenz fd zu dieser Zeit 39 Hz beträgt, kann aus Formel (8) gesehen werden, dass die Auflösung der Relativgeschwindigkeit Vr 0,60 km/h beträgt.
Daher wird gemäß der zweiten Ausführungsform, wie oben beschrieben, die Relativgeschwindigkeit des Zielobjekts ohne Notwendigkeit für aktuelle und vorhergehende Distanzmesswerte durch Potenzieren des Signals eines einzelnen Energieimpulses mit Acht gemessen, um die Dopplerfrequenz zu berechnen. Da ein voriger Beobachtungswert nicht erforderlich ist, kann die Relativgeschwindigkeit des Zielobjekts rasch, präzise und ohne durch einen Distanzmessfehler beeinträchtigt zu sein, gemessen werden.
Weiterhin war es im spezifischen Beispiel eines konventionellen Verfahrens des Beobachtens der Dopplerfrequenz ohne Verwendung von Potenzierung, wie oben beschrieben, unmöglich, das Zielobjekt innerhalb von 5,2 m zu detektieren. Gemäß der zweiten Ausführungsform kann andererseits ein Zielobjekt bei einer kurzen Distanz von 0,54 m oder mehr detektiert werden, während die Auflösung der Relativgeschwindigkeit auf eine kleinere Auflösung (0,60 km/h) als derjenigen des Stands der Technik (1 km/h) reduziert wird.
Darüber hinaus ist, wenn die Abtastfrequenz auf n Mal die Sendefrequenz eingestellt wird, durch Durchführen einer Potenzierung bis zur Anzahl von Frequenzen gleich oder größer der Abtastfrequenz unter Verwendung einer Ganzzahl von n oder mehr als dem Exponenten m, eine Abtastfrequenz, die zumindest das Doppelte der multiplizierten Frequenz ist, wie etwa derjenigen der ersten Ausführungsform, nicht erforderlich, und daher kann die Abtastfrequenz reduziert werden. Als Ergebnis kann ein preisgünstiger A/D-Wandler verwendet werden und die Auflösung der Relativgeschwindigkeit kann in einer kürzeren Beobachtungszeit reduziert werden. Mit anderen Worten kann durch Erhöhen des Exponenten die Anzahl von Datenpunkten reduziert werden und kann die Relativgeschwindigkeit zum Zielobjekt rascher gemessen werden.
Man beachte, dass in der zweiten Ausführungsform ein Fall, in welchem ein diskreter Bandpassfilter im Schritt S201 verwendet wird, als das Verfahren des Unterdrückens der negativen Frequenzkomponente von S2 (k), beschrieben wurde. Es versteht sich jedoch, dass die Effekte der vorliegenden Erfindung ähnlich unter Verwendung eines Verfahrens (ein sogenannter Effektivfilter) des Durchführens einer FFT an S2 (k), Einstellen der negativen Frequenzkomponente auf 0 aus dem FFT-Ergebnis und dann Durchführen einer inversen FFT am Ergebnis statt des Unterdrückens der Negativ-Frequenzkomponente erhalten werden.
Dritte Ausführungsform
In der zweiten Ausführungsform wurde ein Verfahren, das einen diskreten Bandpassfilter einsetzt, als das Verfahren des Reduzierens der Negativ-Frequenzkomponente der diskreten Daten beschrieben wurde. In einer dritten Ausführungsform wird ein Verfahren des Reduzierens der Negativ-Frequenzkomponente der diskreten Daten ohne Verwendung eines diskreten Bandpassfilters beschrieben.
Eine Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform ist identisch zur Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform konfiguriert. In der dritten Ausführungsform wird, identisch zur oben beschriebenen zweiten Ausführungsform, die Sendefrequenz auf f0 =40 kHz eingestellt, wird die Abtastfrequenz des A/D-Wandlers 6 auf 320 kHz eingestellt und wird die Anzahl von während der Relativgeschwindigkeitsmessung verwendeten Abtastpunkten auf 1024 eingestellt. Entsprechend ist die Impulsbreite Tp 1024 ÷ 320 kHz = 3,2 ms. Daher kann bei der Schallgeschwindigkeit c von 340 m/s das Zielobjekt 4 bei einer kurze Distanz von nicht weniger als 3,2 ms × 340 m/s ÷ w = 0,54 m detektiert werden.
Weiterhin ist die Reihe von Prozessen zum Berechnen der Distanz R zum Zielobjekt 4, in welcher das durch die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 erzeugte Impulssignal zum Zielobjekt 4 gesendet wird, durch das Zielobjekt 4 reflektiert wird, wieder durch das Verschlüsselungs-/Entschlüsselungs-Sensorelements 3 empfangen wird, und durch den A/D-Wandler 6 in diskrete Daten verwandelt wird, identisch zu derjenigen der ersten Ausführungsform, und daher ist eine detaillierte Beschreibung derselben weggelassen worden.
7 ist eine Ansicht, die ein Flussdiagramm eines Relativgeschwindigkeits-Messverfahrens gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die diskreten Daten S2 (k), die aus dem A/D-Wandler 6 eingegeben werden, werden durch Formel (9) ausgedrückt, was identisch zur zweiten Ausführungsform ist. Im Schritt S301 erzeugt die Verarbeitungsberechnungseinheit 1 Daten S5 (k), in denen S2 (k) und S2 (k-2) einem Realteil bzw. einem Imaginärteil gemäß Formel (14) zugewiesen sind. $\begin{array}{l} S_{5} (k) = S_{2} (k) + j S_{2} (k - 2) \\ = A_{2} cos {2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{2} + ϕ_{2}} + j A_{2} cos {2 π (f_{0} + f_{d}) (k - 2) T_{2} + ϕ_{2}} \end{array}$
Durch Durchführen einer Approximation, in welcher fd/f0 als 0 unter Berücksichtigung der Tatsache angesehen wird, dass T2 = 1/(8f0), ist S5 (k), wie in Formel (15) gezeigt. Als Ergebnis nimmt Formel (15) eine identische Form zu S3 (k) in Formel (12) an, außer dass die Amplitude doppelt ist und die Anfangsphase anders. Entsprechend wird nur eine positive Frequenzkomponente extrahiert. $\begin{array}{l} S_{5} (k) = A_{2} cos {2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{2} + ϕ_{2}} + j A_{2} cos {2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{2} + ϕ_{2} - (1 + \frac{f_{d}}{f_{0}}) \frac{π}{2}} \\ ≅ A_{2} cos {2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{2} + ϕ_{2}} + j A_{2} sin {2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{2} + ϕ_{2}} \\ = A_{2} exp {j (2 π f_{r} k T_{2} + ϕ_{2})} \end{array}$
Eine nachfolgende Reihe von Prozessen ab der Potenzierung mit Acht in Schritt S302 bis zur Berechnung der Relativgeschwindigkeit in Schritt S305 ist identisch zur zweiten Ausführungsform und daher ist deren detaillierte Beschreibung weggelassen worden.
Gemäß der dritten Ausführungsform, wie oben beschrieben, kann die Negativ-Frequenzkomponente ohne die Notwendigkeit für diskrete Bandpassfilter-Berechnungen einschließlich Potenzierung reduziert werden. Als ein Ergebnis kann eine Verarbeitungslast der Verarbeitungs-Berechnungseinheit erleichtert werden und daher kann ein preisgünstiger Mikrocomputer als die Verarbeitungs-Berechnungseinheit eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Verarbeitung bei einer höheren Geschwindigkeit durchgeführt werden.
Vierte Ausführungsform
In einer vierten Ausführungsform wird ein Verfahren, mit welchem die Relativgeschwindigkeit des Zielobjekts 4 genauer gemessen werden kann, selbst wenn die Sendefrequenz aufgrund von Temperaturvariation, zeitlicher Variation und so weiter, im Element variiert, durch Ausdrücken der Frequenz der diskreten Daten als einer Funktion einer Frequenzdifferenz zwischen der Sendefrequenz und der Empfangsfrequenz, beschrieben.
8 ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer Konfiguration einer Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in 8 gezeigte Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung beinhaltet die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1, den Transformator 2, das Sensorelement 3, das Zielobjekt 4, den Verstärker 5, den A/D-Wandler 6 und einen zweiten A/D-Wandler 10. Weiter bewegt sich das Trägerfahrzeug (nicht gezeigt), in welchem die vierte Ausführungsform installiert ist, mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit Vs, während sich das Zielobjekt 4 mit der Geschwindigkeit Vt bewegt.
Die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 erzeugt den Sendeimpuls 7 bei der Sendefrequenz f0 gleich 40 kHz und legt den erzeugten Sendeimpuls an den Transformator 2 an. Simultan wird der Sendeimpuls 7 durch den zweiten A/D-Wandler 10 abgetastet und in die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 als zweite diskrete Daten eingegeben. Eine Abtastgeschwindigkeit des zweiten A/D-Wandlers 10 wird auf 320 kHz eingestellt, so dass die Abtastung bei 1024 Punkten durchgeführt wird. Entsprechend ist die Impulsbreite Tp 1024 ÷ 320 kHz = 3,2 ms und daher kann bei der Schallgeschwindigkeit c von 340 m/s das Zielobjekt 4 bei einer kurzen Distanz von nicht weniger als 3,2 ms × 340 m/s ÷ 2 = 0,54 m detektiert werden.
Die Abfolge von Prozessen zum Berechnen der Distanz R bis zum Zielobjekt 4, in welchen das durch die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 erzeugte Impulssignal zum Zielobjekt 4 gesendet wird, durch das Zielobjekt 4 reflektiert wird, und wieder durch das Sensorelement 3 empfangen wird, und durch den A/D-Wandler 6 in diskrete Daten umgewandelt wird, ist identisch zur zweiten Ausführungsform und daher ist eine detaillierte Beschreibung derselben weggelassen worden. Man beachte, dass die Abtastfrequenz und Anzahl von Abtastpunkten des A/D-Wandlers 5 identisch zu jenen des zweiten A/D-Wandlers 10 sind.
9 ist eine Ansicht, die ein Flussdiagramm eines Relativgeschwindigkeits-Messverfahrens gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Es wird angenommen, dass ein Signal S6 (k) entsprechend dem in die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 aus dem zweiten A/D-Wandler 10 eingegebenen Sendeimpuls 7 wie durch Formel (16) ausgedrückt ist. In Formel (16) ist A6 die Amplitude von S6 (k), ist ϕ6 die Anfangsphase von S6 (k) und ist T6 das Abtastintervall (1/320 kHz). $S_{6} (k) = A_{6} cos (2 π f_{0} k T_{6} + ϕ_{6})$
Hier, in Schritt S401, erzeugt die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 Daten S7 (k), in denen S6 (k) und -S6 (k-2) dem Realteil bzw. dem Imaginärteil zugewiesen sind. mit anderen Worten wird Formel (17) erhalten. In Formel (17) wird eine Beziehung von T6 = 1/(8f0) verwendet. Wie in Formel (17) gezeigt, ist S7 (k) ein Signal einer Negativ-Frequenzkomponente des Sendeimpulses 7. $\begin{array}{l} S_{7} (k) = S_{6} (k) - j S_{6} (k - 2) \\ = A_{6} cos {2 π f_{0} k T_{6} + ϕ_{6}} - j A_{6} cos {2 π f_{0} (k - 2) T_{6} + ϕ_{6}} \\ = A_{6} exp {- j (2 π f_{0} k T_{6} + ϕ_{6})} \end{array}$
Derweil wird ein durch Abtasten des in Formel (18) gezeigten Empfangsimpulses 8 ermitteltes Signal S8 (k) aus dem A/D-Wandler 6 in die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 eingegeben. In Formel (18) ist A8 eine Amplitude von S8 (k) und ist ϕ8 die Anfangsphase von S8 (k). $S_{8} (k) = A_{8} cos (2 π f_{r} k T_{6} + ϕ_{8}) = A_{8} cos {2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{6} + ϕ_{8}}$
In Schritt S402 erzeugt die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 Daten S9 (k), in denen S8 (k) und S8 (k-2) dem Realteil bzw. dem Imaginärteil zugewiesen sind. Mit anderen Worten wird Formel (19) erhalten. In Formel (19) wird die Beziehung von T6 = 1/(8f0) verwendet und es wird eine Annäherung, in der fd/f0 als 0 berücksichtigt wird, eingesetzt. Wie in Formel (19) gezeigt, ist S9 (k) ein angenäherter Wert eines Signals nur der positiven Frequenzkomponente des Empfangsimpulses 8. $\begin{array}{l} S_{9} (k) = S_{8} (k) - j S_{8} (k - 2) \\ = A_{8} cos {2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{6} + ϕ_{8}} + j A_{6} cos {2 π (f_{0} + f_{d}) (k - 2) T_{6} + ϕ_{8}} \\ ≅ A_{8} exp {j (2 π (f_{0} + f_{d}) k T_{6} + ϕ_{8})} \end{array}$
In Schritt S403 multipliziert die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 S7 (k) mit S9 (k) und stellt ein Ergebnis als S10 (k) ein. Wenn S10 (k) tatsächlich berechnet wird, wird die Formel (20) berechnet. Es ist aus Formel (20) zu sehen, dass S10 (k) ein Signal mit einer Frequenz der Dopplerfrequenz fd ist, die als die Frequenzdifferenz zwischen den Sende- und Empfangsfrequenzen dient. $\begin{array}{l} S_{10} (k) = S_{7} (k) \cdot S_{9} (k) \\ ≅ A_{6} A_{8} exp {j (2 π f_{d} k T_{6} - ϕ_{6} + ϕ_{8})} \end{array}$
Als Nächstes berechnet in Schritt S404 die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 S11 (k) durch Potenzieren von S10 (k) mit Acht. Wie in Formel (21) gezeigt, ist S11 (k) die Frequenzkomponente von 8fd, ermittelt durch Potenzieren von S10 (k) mit Acht. $S_{11} (k) = S_{10}^{8} (k) ≅ {(A_{6} A_{8})}^{8} exp {j (2 π f_{d} k 8 T_{6} - 8 ϕ_{6} + 8 ϕ_{8})}$
In Schritt S405 führt die Verarbeitungs-Berechnungseinheit 1 eine FFT an S11 (k) durch, um das Spektrum von S11 (k) zu erhalten. Eine Reihe von Prozessen von der Berechnung der Dopplerfrequenz fd in Schritt S406 zur Berechnung der Relativgeschwindigkeit Vr zum Zielobjekt 4 in Schritt S407 ist identisch zur zweiten Ausführungsform und daher ist deren detaillierte Beschreibung weggelassen worden.
Gemäß der vierten Ausführungsform, wie oben beschrieben, wird die Relativgeschwindigkeit durch Erzeugen eines Signals mit einer Frequenz, welche die Frequenzdifferenz zwischen der Sendefrequenz und der Empfangsfrequenz angibt, berechnet. Als Ergebnis kann die Relativgeschwindigkeit Vr zum Zielobjekt genau gemessen werden, selbst wenn die Sendefrequenz aufgrund von Temperaturvariation, zeitlicher Variation und so weiter, im Element variiert.
Man beachte, dass in der vierten Ausführungsform ein Verfahren zum Ausdrücken der Frequenz der diskreten Daten als einer Funktion der Frequenzdifferenz zwischen der Empfangsfrequenz und der Sendefrequenz beschrieben wurde. Jedoch kann die Relativgeschwindigkeit Vr zum Zielobjekt 4 auch durch Einsetzen einer anderen spezifischen Referenzfrequenz auf die Sendefrequenz und Ausdrücken der Frequenz der diskreten Daten als eine Funktion der Frequenzdifferenz zwischen der Empfangsfrequenz und der Referenzfrequenz gemessen werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung kann als eine Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung verwendet werden, welche die Möglichkeit einer Kollision bei Messungen einer Distanz und einer Relativgeschwindigkeit zu einem Hindernis vor einem Automobil unter Verwendung von Ultraschallwellensignalen als einem Medium bestimmt.
Bezugszeichenliste

1: Verarbeitungs-Berechnungseinheit
2: Transformator
3: Sensorelement
4: Zielobjekt
5: Verstärker
6: A/D-Wandler
7: Sendeimpuls
8: Empfangsimpuls
9: Geleckter Impuls
10: Zweiter A/D-Wandler

Claims

Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung, die eine Relativgeschwindigkeit zu einem Zielobjekt (4) durch Senden eines Sendeimpulses mit einer spezifischen Sendefrequenz (f₀) und einer spezifischen Impulsbreite zu dem Zielobjekt (4) und Berechnen einer Dopplerfrequenz (f_d) aus einem von dem Zielobjekt (4) reflektierten Empfangsimpuls misst, wobei die Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung umfasst: eine Abtasteinheit (6), die empfangsdiskrete Daten (S₁(k)) durch Abtasten des Empfangsimpulses erzeugt; und eine Verarbeitungs-Berechnungseinheit (1), die eine Relativgeschwindigkeit (V_r) zum Zielobjekt (4) auf Basis der empfangsdiskreten Daten, die durch die Abtasteinheit erzeugt werden, berechnet, wobei die Verarbeitungsberechnungseinheit beinhaltet: eine Multiplikationseinheit, welche die empfangsdiskreten Daten (S₁(k)) mit einem vorab vorbestimmten Exponenten potenziert; eine Frequenzberechnungseinheit, die eine multiplizierte Frequenz berechnet, die eine Frequenz ist, die folgend der Potenzierung der empfangsdiskreten Daten (S₁(k)) erhalten wird; und eine Relativgeschwindigkeits-Messeinheit, welche die Relativgeschwindigkeit zum Zielobjekt (4) durch Berechnen der Dopplerfrequenz (f_d) des Empfangsimpulses auf Basis der berechneten multiplizierten Frequenz misst.
Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Relativgeschwindigkeits-Messeinheit in der Verarbeitungs-Berechnungseinheit die Relativgeschwindigkeit durch Berechnen der Dopplerfrequenz auf Basis einer Differenz zwischen der multiplizierten Frequenz und einer Frequenz, welche durch Multiplizieren der spezifischen Sendefrequenz mit dem Exponenten erhalten wird, misst.
Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Abtastfrequenz der Abtasteinheit n Mal (wobei n eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist) die spezifische Sendefrequenz beträgt, und der durch die Multiplikationseinheit verwendete Exponent in der Verarbeitungsberechnungseinheit m ist (wobei m eine Ganzzahl von n oder mehr ist).
Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verarbeitungsberechnungseinheit weiter eine Komplexsignal-Erzeugungseinheit enthält, die eine Verarbeitung zum Unterdrücken einer negativen Frequenzkomponente durch Erzeugen eines komplexen Signals aus den empfangsdiskreten Daten durchführt, und die Multiplikationseinheit mit dem Exponenten die empfangsdiskreten Daten nachfolgend der Unterdrückungsverarbeitung, welche durch die Komplexsignal-Erzeugungseinheit durchgeführt wird, potenziert.
Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Komplexsignal-Erzeugungseinheit aus einem diskreten Bandpassfilter, in welchem ein mit den diskreten Daten zu multiplizierender Koeffizient eine Komplexzahl ist, aufgebaut ist.
Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Abtastfrequenz der Abtasteinheit 4K Mal (wobei K eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist) die spezifische Sendefrequenz beträgt, und die Komplexsignal-Erzeugungseinheit in der Verarbeitungsberechnungseinheit ein komplexes Signal aus den empfangsdiskreten Daten durch Zuweisen der empfangsdiskreten Daten zu einem Realteil und Zuweisen der um K Abtastwerte verzögerten empfangsdiskreten Daten zu einem Imaginärteil erzeugt.
Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter umfassend eine zweite Abtasteinheit, die referenzdiskrete Daten durch Abtasten eines Referenzimpulses mit einer spezifischen Referenzfrequenz erzeugt, wobei die Multiplikationseinheit in der Verarbeitungsberechnungseinheit ein Differenzfrequenzsignal mit einer Differenzfrequenz erzeugt, die eine Differenz zwischen der spezifischen Referenzfrequenz und der Frequenz der empfangsdiskreten Daten auf Basis der referenzdiskreten Daten und der empfangsdiskreten Daten angibt, und das Differenzfrequenzsignal mit der die Differenzfrequenz angebenden Frequenz anstelle der referenzdiskreten Daten mit dem Exponenten potenziert, und die Frequenzberechnungseinheit in der Verarbeitungsberechnungseinheit eine Frequenz des Differenzfrequenzsignals anstelle der multiplizierten Frequenz berechnet.
Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die spezifische Referenzfrequenz die spezifische Sendefrequenz ist.
Relativgeschwindigkeits-Messvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die spezifische Referenzfrequenz ein beobachteter Wert der spezifischen Sendefrequenz ist.
Relativgeschwindigkeits-Messverfahren zum Messen einer Relativgeschwindigkeit zu einem Zielobjekt (4) durch Senden eines Sendeimpulses mit einer spezifischen Sendefrequenz (f₀) und einer spezifischen Impulsbreite zu dem Zielobjekt (4) und Berechnen einer Dopplerfrequenz (f_d) aus einem vom Zielobjekt (4) reflektierten Empfangsimpuls, wobei das Relativgeschwindigkeits-Messverfahren umfasst: einen Abtastschritt des Speicherns von durch Abtasten eines Empfangsimpulses erzeugten empfangsdiskreten Daten (S₁(k)) in einer Speichereinheit; und einen Verarbeitungs-Berechnungsschritt des Berechnens einer Relativgeschwindigkeit (V_r) zum Zielobjekt (4) auf Basis der in der Speichereinheit im Abtastschritt gespeicherten empfangsdiskreten Daten, wobei der Verarbeitungs-Berechnungsschritt beinhaltet: einen Multiplikationsschritt des Potenzierens der empfangsdiskreten Daten (S₁(k)) mit einem vorab vorbestimmten Exponenten; einen Frequenzberechnungsschritt des Berechnens einer multiplizierten Frequenz, die eine Frequenz ist, die nachfolgend der Potenzierung der empfangsdiskreten Daten erhalten wird; und einen Relativgeschwindigkeits-Messschritt des Messens der Relativgeschwindigkeit zum Zielobjekt (4) durch Berechnen der Dopplerfrequenz des Empfangsimpulses auf Basis der berechneten multiplizierten Frequenz.