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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Radarvorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner eine Radarvorrichtung.
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Stand der Technik
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Im Kraftfahrzeugbereich werden zunehmend Radarsysteme eingesetzt, um fortgeschrittene Fahrerassistenzsysteme der Kraftfahrzeuge zu unterstützen. Eine der Hauptaufgaben der genannten Radarsysteme ist es, eine Distanz zu Objekten und eine Geschwindigkeit der Objekte (zum Beispiel Fahrzeuge, Fußgänger, stationäre Hindernisse, usw.) in der Nähe der Kraftfahrzeuge zu ermitteln. Dies ist zum Beispiel wichtig für das Fahrerassistenzsystem „Adaptive Cruise Control“ (ACC), wo eine genaue Schätzung einer Distanz und einer relativen Geschwindigkeit des Fahrzeugs verwendet wird, um geeignete Aktionen des Kraftfahrzeugs zu ermitteln.
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In Kraftfahrzeugen können die genannten Radarsysteme auch eingesetzt werden, um Sicherheitsfunktionen zu realisieren, wie z.B. den Fahrer in kritischen Situationen zu warnen oder eine Vollbremsung zu veranlassen, wenn ein Zusammenstoß nicht mehr vermieden werden kann.
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Verschiedene unterschiedliche Signalmodulationsverfahren sind bekannt, wobei die Chirp-Sequence-Modulation (CS-Modulation) eine Modulationsart darstellt, die besonders häufig in automobilen Radarsystemen eingesetzt wird. Bei dieser Modulationsart wird eine Folge von sogenannten Chirp-Signalen (linear frequenzmodulierte elektromagnetische Signale) ausgesendet, bei denen die aktuelle Frequenz der Signale linear zeitveränderlich ist. Einer der Vorteile der Chirp-Sequence-Modulation ist es, dass sie eine gleichzeitige Schätzung einer Distanz und einer relativen Geschwindigkeit von Objekten ermöglicht.
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Nach dem Empfang von reflektierten Chirp-Signalen und nach geeigneter Vor-Verarbeitung werden die reflektierten Zeitsignale typischerweise in einer zweidimensionalen Matrix gespeichert, wobei jede Spalte der Matrix Werte von empfangenen Signalen eines Chirps enthält, wobei eine Anzahl von Spalten der Matrix einer Anzahl von Chirp-Signalen einer Sendesequenz entspricht.
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Eine diskrete Fouriertransformation (DFT) für Datenelemente eines Chirps entlang einer Spalte der Datenmatrix erlaubt eine Schätzung einer Distanz (bzw. eines Distanzbereichs) von Zielen in einer Ausleuchtzone des Radars. Die Datenelemente der Spalten der Matrix repräsentieren Entfernungen von Zielobjekten. Eine Durchführung einer zweiten diskreten Fouriertransformation entlang der Zeilen der resultierenden Matrix erlaubt eine Schätzung der Relativgeschwindigkeit der Zielobjekte.
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Eine Durchführung einer zweidimensionalen diskreten Fouriertransformation erzeugt eine Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix (d-v-Matrix), wobei Amplitudenwerte der Elemente der d-v-Matrix in einer dritten Dimension Schätzungen der reflektierten Signalenergie für den entsprechenden Abstand und die entsprechende Geschwindigkeit des Zielobjekts repräsentieren. In der Praxis wird zu diesem Zweck typischerweise eine Fast-Fourier-Transformation durchgeführt, die eine effiziente Implementierung der diskreten Fourier-Transformation realisiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Radarvorrichtung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben einer Radarvorrichtung, aufweisend die Schritte:
- – Ermitteln einer Matrix mit Zeitsignalen von reflektierter Radarstrahlung;
- – Ermitteln von Elementen einer Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix eines Radarziels aus den Zeitsignalen;
- – Durchführen einer ersten diskreten eindimensionalen Fourier-Transformation für die Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix in einer ersten Dimension; und
- – Durchführen einer zweiten diskreten eindimensionalen Fouriertransformation für die Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix in einer zweiten Dimension derart, dass die zweite diskrete eindimensionale Fouriertransformation für jedes zweite Element der Distanz-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix der zweiten Dimension mathematisch definiert versetzt durchgeführt wird.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Radarvorrichtung, aufweisend:
- – eine Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Elementen einer Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix eines Radarziels; und
- – eine Evaluierungseinrichtung zum Evaluieren der Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix, wobei mittels der Evaluierungseinrichtung Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix in einer ersten Dimension gleichmäßig evaluierbar sind, und wobei mittels der Evaluierungseinrichtung Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix in einer zweiten Dimension mathematisch definiert versetzt evaluierbar sind.
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Auf diese Weise können leistungsmäßige Spitzenwerte von Elementen der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix besser ermittelt werden. Im Ergebnis wird dies dadurch möglich, dass eine Art hexagonales „Abtastgitter“ realisiert wird, wodurch zu einer Evaluierung Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix vorteilhaft nur mit sechs anderen Werten verglichen werden müssen. Der „echte“ d-v-Raum (Abstands-Geschwindigkeits-Raum) ist ein kontinuierlicher zweidimensionaler Raum, in welchem Werte an jedem Punkt des d-v-Raums einer Amplitude eines empfangenen Radarsignals entspricht, das von einem Objekt mit definiertem Abstand und definierter Geschwindigkeit relativ zum Radar erzeugt wurde. Da nur eine begrenzte Anzahl von Eingangsdaten vorhanden ist, kann der „echte“ d-v-Raum somit nur an bestimmten Punkten „abgetastet“ werden. Im Ergebnis kann damit vorteilhaft eine Erhöhung einer „Granularität“ der Matrix bereitgestellt werden, wodurch vorteilhaft eine verbesserte Schätzung von Abstand und Relativgeschwindigkeit von Zielen unterstützt ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix mittels einer Chirp-Sequence-Modulation erzeugt werden. Auf diese Weise wird eine im automobilen Bereich günstige Modulationsart verwendet, die besonders für hohe Echtzeitanforderungen geeignet ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zunächst die diskrete Fouriertransformation für alle Elemente von Spalten der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix durchgeführt wird, wobei die diskrete Fouriertransformation danach für alle Elemente von Zeilen der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix durchgeführt wird. Auf diese Weise kann ein spaltenweises Erzeugen von Matrixelementen vorgenommen werden, wobei vorteilhaft Datenelemente des vorhergehenden Chirp-Signals mittels diskreter Fouriertransformation bereits dann verarbeitet werden können, wenn nachfolgende Chirpsignale empfangen und nächstfolgende Matrixelemente erzeugt werden. Auf diese Weise ist eine hohe Echtzeitfähigkeit des Verfahrens unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass zunächst die diskrete Fouriertransformation für alle Elemente von Zeilen der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix durchgeführt wird, wobei die diskrete Fouriertransformation danach für alle Elemente von Spalten der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix durchgeführt wird. Dadurch kann die Reihenfolge der Durchführung der diskreten Fouriertransformation für die gesamte Matrix umgekehrt werden, wodurch ein in mathematischer Hinsicht gleichwertiger Effekt bereitgestellt werden kann, der insbesondere für weniger zeitkritische Radaranwendungen (z.B. in der Astronomie, Geodäsie, usw.) geeignet sein kann.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass jedes Element jeder zweiten Zeile der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix mit dem Faktor e–jπn/N multipliziert wird, mit den Parametern:
- n
- Spaltennummer der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix
- N
- Gesamtzahl der Spalten der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix
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Auf diese Weise wird eine mathematisch definierte technische Realisierung des Verfahrens bereitgestellt.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren.
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In den Figuren zeigt:
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1 ein herkömmliches Abtastschema für eine d-v-Matrix mit einer Prüfzelle;
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2 ein bekanntes Anordnungsschema von Telekommunikationseinrichtungen;
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3 ein erfindungsgemäßes Abtastschemas für eine d-v-Matrix mit einer Prüfzelle;
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4 ein Worst-Case Szenario eines herkömmliches Abtastschema für eine d-v-Matrix;
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5 ein Worst-Case-Szenario eines erfindungsgemäßes Abtastschema für eine d-v-Matrix;
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6 ein herkömmliches Abtastschema für eine d-v-Matrix mit einem länglich ausgebildeten Zielobjekt;
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7 ein erfindungsgemäßes Abtastschema für eine d-v-Matrix mit einem länglich ausgebildeten Zielobjekt;
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8 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Radarvorrichtung; und
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9 ein prinzipielles Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radarvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines konventionellen Abtastschemas für eine Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix (d-v-Matrix) in der d-v-Ebene. Die d-v-Ebene skaliert in x-Richtung eine Geschwindigkeit v und in y-Richtung einen Abstand d einer Radarvorrichtung eines Kraftfahrzeugs eines zu einem Zielobjekt (nicht dargestellt). Es ist zu einer zuverlässigen Ermittlung des Zielobjekts erforderlich, Spitzenwerte von Elementen der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix zu ermitteln, wobei jeder Spitzenwert ein potentielles Zielobjekt repräsentiert, vorausgesetzt, dass seine Leistungs-Amplitude, die in einer dritten Dimension aufgetragen ist, oberhalb von Grundrauschen liegt. In dem dargestellten bekannten Abtastschema mit rechteckförmig angeordneten Prüfzellen 1 bzw. Abtastpunkten können lokale Spitzen durch ein Vergleichen jedes Matrizenelements mit acht benachbarten Matrizenelementen gefunden werden. 1 zeigt angedeutet mit einer quadratischen Umrahmung, dass eine Prüfzelle 1 (engl. cell under test, CUT) in der d-v-Ebene von acht potentiellen Nachbarelementen bzw. Prüfzellen 1 umgeben ist.
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In typischen Anwendungen weist ein d-v-Spektrum eines Zielobjekts aufgrund von Effekten von begrenzten Fenstergrößen ein zweidimensionales Muster auf, welches eine Hauptkeule (engl. main lobe) und mehrere Seitenkeulen (engl. side lobe) umfassen kann. Dies hat den Effekt eines Spreitzens von elektromagnetischer Signalenergie über mehrere benachbarte Zellen. Wenn nur die Hauptkeule betrachtet wird, ist eine umso höhere Signalenergie vorhanden, je näher die Prüfzelle 1 am Spitzenwert des d-v-Spektrums liegt.
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Obwohl die vier nächstgelegenen Nachbar-Prüfzellen 1 (im „Norden“, „Süden“, „Osten“ und „Westen“) zu einer spezifischen Prüfzelle 1 einen minimalen Abstand zur Prüfzelle 1 aufweisen, sind Distanzen zu diagonal angeordneten Nachbar-Prüfzellen (im Nordosten, Nordwesten, Südosten und Südwesten) beträchtlich größer. Dadurch erkennt man, dass Abstände zwischen Abtastpunkten der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix und der Prüfzelle 1 sehr unterschiedlich sein können. Dies ist eine immanente Eigenschaft von rechteckförmigen Abtastschemata und bedeutet, dass die weiter entfernten Zellen („Nordost“, „Nordwest“, „Südost“ und „Südwest“) empfindlicher auf Einflüsse von anderen Zielobjekten sind.
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Eine Alternative zu rechteckförmigen Abtastschemata stellt ein hexagonales Abtastschema dar, wo jeder zweite Zeilen- oder Spaltenwert um einen Halbwert verschoben ist. Die Vorteile von hexagonalen Abtastschemata bezogen auf örtlich abgetastete Daten sind zum Beispiel für geophysikalische Anwendungen bekannt, indem auf diese Weise ein effizientes Abdecken einer Fläche ermöglicht ist. Dadurch kann eine maximale bzw. Worst-Case-Distanz zwischen jedem Punkt und einem Abtastpunkt reduziert sein. Aus diesem Grund werden Mobilfunkmasten oder andere Einrichtungen der drahtlosen Telekommunikation häufig örtlich nach einem hexagonalen Muster angeordnet, wie im Diagramm von 2 mit x- und y-Achse prinzipiell erkennbar.
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In den genannten geophysikalischen Anwendungen ist der abzutastende zweidimensionale Bereich ein physikalischer Bereich einer Erdoberfläche, bei dem beide Dimensionen die gleiche physikalische Längeneinheit aufweisen.
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Vorgeschlagen wird, eine herkömmliche zweidimensionale Matrix mit Chirp-Sequence-Daten einer diskreten zweidimensionalen digitalen bzw. diskreten Fouriertransformation zu unterziehen, wobei die Fouriertransformation gemäß einem hexagonalen Abtastschema angewendet wird.
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Dabei wird zunächst beispielsweise eine zweidimensionale d-v-Matrix erzeugt, in der jedes Datenelement einer Signalenergie eines zeitlichen Chirp-Sequence-Signals entspricht. Beispielsweise kann auf diese Weise mit 32 Chirp-Signalen zu jeweils 512 Werten eine d-v-Matrix mit 512 Zeilen und 32 Spalten erzeugt werden.
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Danach wird eine eindimensionale digitale Fouriertransformation (vorzugsweise unter Verwendung von Fast-Fouriertransformation, FFT) entlang jeder Spalte der d-v-Matrix durchgeführt.
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Danach wird für jede zweite Zeile (z.B. jede geradzahlige Zeile) der d-v-Matrix die eindimensionale digitale Fouriertransformation für alle Elemente der gesamten Zeile durchgeführt.
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Schließlich werden alle Elemente jeder zweiten Zeile (z.B. jeder ungeradzahligen Zeile) mit dem Faktor e–jπn/N multipliziert, wobei gilt:
- n
- Spaltennummer der d-v-Matrix, 0 bis N – 1
- N
- Anzahl der Spalten der d-v-Matrix
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Danach wird die eindimensionale digitale Fouriertransformation über die mathematisch derart bearbeiteten Elemente jeder zweiten Zeile (z.B. jeder ungeradzahligen Zeile) durchgeführt.
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Der Effekt des letztgenannten Schritts ist es, die digitale Fouriertransformation bei sogenannten Halb-Frequenz-Bins durchzuführen bzw. die digitale Fouriertransformation bei Frequenzen zwischen den üblichen Standard-Frequenz-Bins zu evaluieren, anstatt, wie bei der konventionellen digitalen Fouriertransformation bei k/N Zyklen pro Abtastschritt, wobei gilt:
- k
- ganze Zahl mit Werten zwischen 0 und N – 1
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Im Ergebnis wird dadurch die digitale Fouriertransformation bei Keulen von (k + 1/2)/N Zyklen pro Abtastung evaluiert.
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Alternativ kann das Verfahren auch realisiert werden, indem zuerst die digitale eindimensionale Fouriertransformation über alle Zeilen der d-v-Matrix vollständig durchgeführt wird bis alle Elemente der d-v-Matrix transformiert sind. Danach wird die Multiplikation der Elemente jeder zweiten Spalte mit dem Faktor e^–j·π·m/M durchgeführt mit den Parametern:
- m
- Zeilennummer
- M
- Gesamtzahl der Zeilen
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Dadurch ist es möglich, zuerst die Zeilen abzuarbeiten und danach die geshiftete digitale Fouriertransformation auf alternative Spalten anzuwenden (äquivalent zu einem Transponieren der d-v-Datenmatrix).
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Ein MATLAB-Code, mit dem das Verfahren realisiert werden kann, ist nachfolgend aufgelistet:
function XX = fft2hex (x)
% x – time domain data matrix
% XX – calculated d-v matrix
X1 = fft(x, [], 1);
N = size(x, 2);
for ii = 2:2:size(X1, 1),
X1(ii, :)= X1(ii, :).·exp(–1j·pi·(0:(N – 1))/N);
end
XX = fft(X1, [], 2);
end
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Aus 3 erkennt man, dass durch ein derartiges Abtasten eine Prüfzelle 1 jeweils nur noch sechs Nachbar-Prüfzellen 1 besitzt. 3 deutet dies mit einer hexagonalen Umrandung der Prüfzelle 1 an.
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In der nachfolgenden Tabelle 1 ist dargestellt, dass sich eine Anzahl von Nachbarelementen zur Prüfzelle
1 in folgender Weise verringert hat:
| Anzahl von Nachbarelementen | Geschwindigkeitsdomäne | Abstandsdomäne |
| 2 | 1 | 0 |
| 4 | ½ | 1 |
Tabelle 1
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Im Vergleich dazu hat ein konventionelles Abtastschema folgende Abstände von Nachbarzellen zur Prüfzelle
1, wie in der folgenden Tabelle 2 dargestellt:
| Anzahl von Nachbarzellen | Geschwindigkeitsdomäne | Abstandsdomäne |
| 2 | 1 | 0 |
| 4 | 1 | 1 |
| 2 | 0 | 1 |
Tabelle 2
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5 zeigt einen Vorteil eines derartigen Abtastens der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix im Vergleich zu 4.
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4 deutet mit vier Pfeilen an, dass in einem herkömmlichen rechteckigen Abtastschemas in einem Worst-Case-Szenario ein Abtastpunkt vier benachbarte, im Wesentlichen gleich beabstandete Abtastpunkte aufweisen kann. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Detektion eines Zielobjekts erschwert sein.
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Demgegenüber erkennt man aus 5 mit dem abgeänderten Abtastschema, dass in einem Worst-Case-Szenario ein Abtastpunkt nur noch drei benachbarte Abtastpunkte mit jeweils gleichem Abstand aufweist, wobei die Abstände zu den benachbarten Abtastpunkte im Vergleich zu 4 verringert sind. Dadurch kann ein Prozess eines Evaluierens von Zielobjekten bedeutend vereinfacht und verbessert sein, weil ein Abstand einer Spitze im d-v-Raum zum nächstgelegenen Abtastpunkt verringert ist. Aus 3 erkennt man, dass in diesem Fall nur sechs Vergleiche mit benachbarten Abtastpunkten erforderlich sind, anstatt acht, wie aus 1 erkennbar.
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6 zeigt ein herkömmliches rechteckförmiges Abtastschema einer d-v-Matrix, wobei ein länglich ausgebildetes Zielobjekt 200 detektiert werden soll. Es ist erkennbar, dass aufgrund der regelmäßigen Struktur des Abtastschemas ein Abstand des Zielobjekts 200 gegenüber allen Abtastpunkten bzw. Prüfzellen 1 im Wesentlichen gleich groß ausgebildet ist.
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Demgegenüber zeigt 7, dass mit einem hexagonalen Abtastschema einzelne Abtastpunkte bzw. Prüfzellen 1 der d-v-Matrix näher am Zielobjekt 200 liegen als andere. Dadurch kann eine Detektion des länglich ausgebildeten Zielobjekts 200 leichter und genauer sein. Dies kann insbesondere dann nützlich sein, wenn das Zielobjekt 200 schwach ist (z.B. ein schwach reflektierender Fußgänger), nachdem ein Beitrag des Signalspitzenwerts des Zielobjekts 200 zur Amplitude des nächstliegenden d-v-Matrixelements umso stärker ist, je näher der Abtastpunkt am Spitzenwert des Zielobjekts 200 liegt. Im Ergebnis ist bei Verwendung des Abtastschemas von 7 also ein Abstand eines „echten“ Ziels im d-v-Raum zum nächsten Abtastpunkt nur ca. halb so groß wie bei Verwendung des herkömmlichen Abtastschemas von 6.
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8 zeigt prinzipiell einen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem Schritt 300 werden ein Ermitteln einer Matrix mit Zeitsignalen von reflektierter Radarstrahlung und ein Ermitteln von Elementen einer Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix eines Radarziels durchgeführt.
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In einem Schritt 310 wird eine erste diskrete eindimensionale Fourier-Transformation für die Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix in einer ersten Dimension durchgeführt.
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In einem Schritt 320 wird eine zweite diskrete eindimensionale Fouriertransformation für die Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix in einer zweiten Dimension derart durchgeführt, dass die zweite diskrete eindimensionale Fouriertransformation für jedes zweite Element der Distanz-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix mathematisch definiert versetzt durchgeführt wird.
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9 zeigt stark vereinfacht eine Radarvorrichtung 100 mit einer Erzeugungseinrichtung 10 zum Erzeugen von Elementen einer Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix eines Radarziels 200. Die Radarvorrichtung 100 weist ferner eine Evaluierungseinrichtung 20 zum Evaluieren der Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix auf, wobei mittels der Evaluierungseinrichtung 20 Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix in einer ersten Dimension gleichmäßig evaluierbar sind, und wobei mittels der Evaluierungseinrichtung 20 Elemente der Abstands-Geschwindigkeits-Leistungs-Matrix in einer zweiten Dimension mathematisch definiert versetzt evaluierbar sind.
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Vorteilhaft kann die Radarvorrichtung 100 als eine herkömmliche elektronische Hardware ausgebildet sein, wobei mittels Software ein Konfigurieren der Hardware durchgeführt werden kann, zum Beispiel eine Realisierung der Fast Fouriertransformation und anderer Radarsignal-Verarbeitungsschritte. Alternativ kann das Verfahren auch vollständig in Software implementiert werden. Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren auch für andere Anwendungen, wie z.B. eine Ultraschall-Vorrichtung verwendet werden, sofern eine Chirp-Sequence-Modulation eingesetzt wird.
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Der Fachmann kann die beschriebenen Merkmale der Erfindung geeignet abwandeln und miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
