DE102015218538A1 - Radar apparatus and method for estimating distance and speed of objects - Google Patents

Radar apparatus and method for estimating distance and speed of objects Download PDF

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Abstract

Die Erfindung schafft eine Radarvorrichtung und ein Verfahren zum Berechnen eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit mindestens eines Objekts. Die Radarvorrichtung ist ausgebildet mit: einer Sendeantenneneinrichtung (12; 12’), welche zum Aussenden (S01) von Radarsignalen (51) mit einer Folge von Signalstrukturen ausgelegt ist; einer Empfangsantenneneinrichtung (14; 14’), welche zum Erfassen (S02) von diskreten Abtastpunkten basierend auf Reflexionen (53) der ausgesendeten Radarsignale (51) an dem mindestens einen Objekt ausgelegt ist; einer Verarbeitungseinrichtung (15; 15’), welche zum Verarbeiten jeweils derjenigen Abtastpunkte, welche aus einer einzelnen ausgesendeten Signalstruktur resultieren, jeweils in Abhängigkeit von dieser Signalstruktur ausgelegt ist; und einer Recheneinrichtung (26; 26’), welche zum Schätzen (S04) eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit des mindestens einen Objekts basierend auf den verarbeiteten Abtastpunkten ausgelegt ist.The invention provides a radar apparatus and method for calculating a distance and / or a velocity of at least one object. The radar device is formed with: transmitting antenna means (12; 12 ') adapted to transmit (S01) radar signals (51) having a sequence of signal structures; receive antenna means (14; 14 ') adapted to detect (S02) discrete sample points based on reflections (53) of the transmitted radar signals (51) on the at least one object; a processing device (15; 15 ') which is designed to process in each case those sampling points which result from a single transmitted signal structure, in each case depending on this signal structure; and computing means (26; 26 ') adapted to estimate (S04) a distance and / or a velocity of the at least one object based on the processed sampling points.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radarvorrichtung und ein Verfahren zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsschätzung von Objekten. The present invention relates to a radar apparatus and a method for distance and / or velocity estimation of objects.

Stand der TechnikState of the art

Radarsysteme zur Messung von Abstand, Relativgeschwindigkeit und Winkeln von Objekten, wie zum Beispiel von Fahrzeugen und Hindernissen, werden zunehmend in Fahrzeugen für Komfort- und Sicherheitsfunktionen eingesetzt. Dabei spielt die Genauigkeit und Zuverlässigkeit solcher Radarsysteme eine immer größere Rolle. Radar systems for measuring distance, relative speed and angles of objects such as vehicles and obstacles are increasingly used in vehicles for comfort and safety functions. The accuracy and reliability of such radar systems plays an increasingly important role.

Übliche Radarsysteme funktionieren beispielsweise nach der frequenzmodulierten Dauerstrich-Radar-Technologie (Englisch: „frequency modulated continuous wave“, FMCW). Dabei werden nacheinander mehrere lineare Frequenzrampen unterschiedlicher oder gleicher Steigung durch die ausgesendeten Radarsignale durchlaufen. Durch Mischen eines aktuellen Sendesignals mit einem Empfangssignal wird ein niederfrequentes Signal erzeugt, dessen Frequenz zu einem Abstand von dem Radarsystem proportional ist, welches aber noch eine additive/subtraktive Komponente durch eine Dopplerfrequenz enthält, welche zur Relativgeschwindigkeit zwischen dem Radarsystem und dem Objekt proportional ist. Eine Trennung von Abstands- und Geschwindigkeitsinformationen mehrerer Ziele, das heißt Objekte, erfolgt durch ein aufwändiges und relativ fehleranfälliges Verfahren, in welchem die Ergebnisse der Abtastpunkte, welche auf verschiedenen Frequenzrampen beruhen, mit Ergebnissen vorheriger Messungen kombiniert werden. Werden besonders schnelle Frequenzrampen verwendet, wird die Dopplerverschiebung innerhalb einer Frequenzrampe kleiner, idealerweise vernachlässigbar. Als Fast-Chirp-Modulations-Verfahren werden solche Verfahren bezeichnet, welche schnelle Frequenzrampen mit immer der gleichen Steigung verwenden. Die verbliebene Doppler-Verschiebung kann durch Beobachtung einer zeitlichen Entwicklung einer Phase des komplexen Abstandssignals bestimmt werden. Eine Abstands- und Geschwindigkeitsbestimmung findet unabhängig voneinander statt, in der Regel unter Verwendung einer zwei-dimensionalen Fourier-Transformation.Conventional radar systems work, for example, according to the frequency-modulated continuous wave radar technology (English: "Frequency Modulated Continuous Wave", FMCW). Several linear frequency ramps of different or the same gradient are successively passed through the emitted radar signals. By mixing a current transmit signal with a receive signal, a low-frequency signal is generated whose frequency is proportional to a distance from the radar system, but which still contains an additive / subtractive component by a Doppler frequency, which is proportional to the relative velocity between the radar system and the object. Separation of distance and velocity information of multiple targets, ie objects, is accomplished by a complex and relatively error prone process in which the results of the sample points, which are based on different frequency ramps, are combined with results of previous measurements. If particularly fast frequency ramps are used, the Doppler shift within a frequency ramp becomes smaller, ideally negligible. Fast-chirp modulation methods are those methods which use fast frequency ramps with always the same slope. The residual Doppler shift can be determined by observing a temporal evolution of a phase of the complex distance signal. Distance and velocity determination occur independently of one another, typically using a two-dimensional Fourier transform.

Ein weiteres mögliches Modulationsverfahren ist das OFDM-Verfahren (Orthogonal Frequency Division Multiplex). In der Dissertation von Christian Sturm, „Gemeinsame Realisierung von Radar-Sensorik und Funkkommunikation mit OFDM-Signalen“, Karlsruher Forschungsberichte aus dem Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik, Band 66, 2012 , KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, Deutschland, ISSN 1868-4696 , ISBN 978-3-86644-879-7 , wird eine gemeinsame Realisierung von Radar-Sensorik und Funkkommunikation mit OFDM-Signalen erläutert. Another possible modulation method is the OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) method. In the dissertation of Christian Sturm, "Joint Implementation of Radar Sensors and Radio Communication with OFDM Signals", Karlsruhe Research Reports from the Institute for High Frequency Technology and Electronics, Volume 66, 2012 , KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, Germany, ISSN 1868-4696 . ISBN 978-3-86644-879-7 , a common realization of radar sensor technology and radio communication with OFDM signals is explained.

Bei solchen Verfahren werden sequentiell nacheinander gesendete OFDM-Symbole verwendet, wodurch die Abstands- und Geschwindigkeitsauswertung unabhängig voneinander durchgeführt werden kann. Bei dem OFDM-Verfahren handelt es sich um ein Multiplex-Verfahren, bei dem mehrere Datenströme auf orthogonalen Trägerfrequenzen übertragen werden. Die zu übertragenden Daten können mit einem beliebigen digitalen Modulationsverfahren auf die einzelnen Trägerfrequenzen aufmoduliert werden, beispielsweise mittels diskreter Phasenmodulationsverfahren oder Quadratur-Amplitudenmodulation. Einzelne Trägersignale werden auch als Unterträger bezeichnet. Ähnlich wie bei den Fast-Chirp-Verfahren kann auch bei OFDM-Verfahren eine voneinander unabhängige Abstands- und Geschwindigkeitsmessung durchgeführt werden. Dazu kann eine zwei-dimensionale Fourier-Transformation eingesetzt werden, wobei die gesendeten Modulationssymbole vorab eliminiert werden.In such methods sequentially transmitted OFDM symbols are used successively, whereby the distance and speed evaluation can be carried out independently of each other. The OFDM method is a multiplexing method in which multiple data streams are transmitted on orthogonal carrier frequencies. The data to be transmitted can be modulated onto the individual carrier frequencies using any digital modulation method, for example by means of discrete phase modulation methods or quadrature amplitude modulation. Individual carrier signals are also referred to as subcarriers. Similar to the fast chirp method, an independent distance and speed measurement can also be performed in OFDM methods. For this purpose, a two-dimensional Fourier transformation can be used, wherein the transmitted modulation symbols are eliminated in advance.

Es besteht weiterhin ein Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren, welche eine besonders hohe Trennfähigkeit in Abstandsmessungen mit einer sehr hohen Trennfähigkeit in Geschwindigkeitsmessungen gleichzeitig realisieren, ohne dass eine Migration des Objekts von einer Abstands- bzw. Geschwindigkeitszelle zu einer anderen Abstands- bzw. Geschwindigkeitszelle stattfindet, das heißt ohne dass eine „Verschmierung“ des Ziels über mehrere Abstands- bzw. Geschwindigkeitszellen erfolgt.There continues to be a need for devices and methods which simultaneously realize a particularly high separation capability in distance measurements with a very high separation capability in speed measurements without migration of the object from one distance or velocity cell to another distance or velocity cell, that is, without "smearing" the target over several distance or velocity cells.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Radarvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. The present invention discloses a radar apparatus having the features of claim 1 and a method having the features of claim 6.

Demgemäß ist eine Radarvorrichtung zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsschätzung für mindestens ein Objekt vorgesehen, mit einer Sendeantenneneinrichtung, welche zum Aussenden von Radarsignalen mit einer Folge von Signalstrukturen ausgelegt ist, einer Empfangsantenneneinrichtung, welche zum Erfassen von diskreten Abtastpunkten basierend auf Reflexionen der ausgesendeten Radarsignale an dem mindestens einen Objekt ausgelegt ist, mit einer Verarbeitungseinrichtung, welche zum Verarbeiten jeweils derjenigen Abtastpunkte, welche aus einer einzelnen ausgesendeten Signalstruktur resultieren, jeweils in Abhängigkeit von dieser Signalstruktur ausgelegt ist, und mit einer Recheneinrichtung, welche zum Schätzen eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit des mindestens einen Objekts basierend auf den verarbeiteten Abtastpunkten ausgelegt ist. Accordingly, a radar apparatus for distance and / or velocity estimation for at least one object is provided with a transmit antenna means adapted to transmit radar signals having a sequence of signal structures to a receive antenna means for detecting discrete sample points based on reflections of the radar signals transmitted the at least one object is designed, with a processing device which is designed to process in each case those sampling points which result from a single emitted signal structure, in each case depending on this signal structure, and with a computing device which is used to estimate a distance and / or a speed of at least one object based on the processed sampling points.

Unter einem Abtastpunkt ist insbesondere ein einzelner, analog erfasster, diskretisierter und zum Weiterverarbeiten vorgesehener Wert eines Radarempfangssignals zu verstehen, welches durch Reflexionen der ausgesendeten Radarsignale an einem oder mehreren Objekten entstanden ist und auf die Empfangsantenneneinrichtung der Radarvorrichtung reflektiert wurde. Ein Abtastpunkt entsteht durch ein regelmäßiges Abtasten eines empfangenen analogen Radarsignals durch einen Analog-Digital-Wandler.In particular, a single sampling point is to be understood as meaning a single, analogously detected, discretized value of a radar reception signal intended for further processing, which has been produced by reflections of the radar signals emitted at one or more objects and has been reflected onto the receiving antenna device of the radar device. A sample point is created by periodically sampling a received analog radar signal through an analog-to-digital converter.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsschätzung für mindestens ein Objekt mit den Schritten bereitgestellt: Aussenden von Radarsignalen mit einer Folge von Signalstrukturen; Erfassen von diskreten Abtastpunkten basierend auf Reflexionen der ausgesendeten Radarsignale an dem mindestens einen Objekt; Verarbeiten jeweils derjenigen empfangenen diskreten Abtastpunkte, welche aus einer einzelnen ausgesendeten Signalstruktur resultieren, jeweils in Abhängigkeit von dieser Signalstruktur; und Schätzen einer Geschwindigkeit und/oder eines Abstands des Objekts basierend auf den verarbeiteten Abtastpunkten. Furthermore, according to the invention, a method is provided for the distance and / or speed estimation for at least one object with the steps of: emitting radar signals with a sequence of signal structures; Detecting discrete sample points based on reflections of the transmitted radar signals on the at least one object; Processing in each case those received discrete sampling points which result from a single transmitted signal structure, in each case depending on this signal structure; and estimating a speed and / or a distance of the object based on the processed sample points.

Unter einer Signalstruktur ist beispielsweise eine Frequenzrampe oder ein OFDM-Symbol oder eine ähnliche Signalstruktur zu verstehen. Die Folge von Signalstrukturen kann eine Folge von stets gleichen Signalstrukturen sein. Alternativ können sich auch einige oder alle Signalstrukturen voneinander unterscheiden.By a signal structure is meant, for example, a frequency ramp or an OFDM symbol or a similar signal structure. The sequence of signal structures can be a consequence of always the same signal structures. Alternatively, some or all signal structures may differ from each other.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur neuartigen Abstands- und Geschwindigkeitsschätzung, welches bei Radarsystemen mit getrennter Abstands- und Geschwindigkeitsauswertung, beispielsweise Fast Chirp-Radarsystemen oder OFDM-Radarsystemen, negative Auswirkungen von Bewegungen von Objekten während einer Messung, szenenunabhängig und für beliebig viele Objekte mit beliebigen Geschwindigkeiten, verringert oder verhindert. Die erfindungsgemäße Radarvorrichtung ist insbesondere zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. The invention provides a method for novel distance and velocity estimation, which in radar systems with separate distance and velocity evaluation, for example fast chirp radar systems or OFDM radar systems, negative effects of movements of objects during a measurement, scene independent and for any number of objects with arbitrary Speeds, reduced or prevented. The radar device according to the invention is designed in particular for carrying out the method according to the invention.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht in einer Korrektur eines Einflusses von Bewegungen von Objekten während einer Messung, welcher sonst in Abstands- und Geschwindigkeitsmigrationen resultieren würde. Das erfindungsgemäße Verfahren ist szenenunabhängig und technologieunabhängig dazu in der Lage, Objekte in der Geschwindigkeit durch eine spezielle Transformation zu trennen, welche implizit die – unbekannten – Bewegungen der Objekte berücksichtigt. Nach dem Empfang bzw. nach einem Erfassen von einzelnen diskreten Abtastpunkten aus der Gesamtheit der empfangenen reflektierten Radarsignale, werden die Abtastpunkte in der Geschwindigkeit getrennt. Darauf können eine Trennung der Abtastpunkte im Abstand und eine anschließende Detektion der Objekte in einem Radarbild erfolgen.The idea underlying the present invention is a correction of an influence of movements of objects during a measurement, which would otherwise result in distance and speed migrations. The method according to the invention is independent of the scene and technology independent of being able to separate objects in velocity by a special transformation which implicitly takes into account the - unknown - movements of the objects. Upon receipt of individual discrete sample points from the totality of the received reflected radar signals, the sample points are separated in velocity. This can be followed by a separation of the sampling points in the distance and a subsequent detection of the objects in a radar image.

Somit ist mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie mittels der erfindungsgemäßen Radarvorrichtung eine hohe Trennfähigkeit in Abstand und Geschwindigkeit gleichzeitig erzielbar, so dass sich eine Leistungsfähigkeit der Radarvorrichtung bei der Detektion und Trennung von bewegten Objekten erhöht. Thus, with the aid of the method according to the invention and by means of the radar device according to the invention a high separation capability in distance and speed can be achieved simultaneously, so that a performance of the radar device increases in the detection and separation of moving objects.

Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and developments emerge from the subclaims and from the description with reference to the figures.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet mit einer Empfangsmatrix-Bildungseinrichtung, welche zum Bilden einer Empfangsmatrix ausgelegt ist. Jede Spalte der Empfangsmatrix entspricht einer einzelnen Signalstruktur der ausgesendeten Radarsignale derart, dass jede Spalte alle Abtastpunkte enthält, welche aus der ausgesendeten Signalstruktur resultieren. According to a preferred development, the processing device is designed with a reception matrix formation device which is designed to form a reception matrix. Each column of the receive matrix corresponds to a single signal structure of the transmitted radar signals such that each column contains all the sample points resulting from the transmitted signal structure.

Darunter, dass ein Abtastpunkt aus einer ausgesendeten Signalstruktur resultiert, soll insbesondere verstanden werden, dass der Abtastpunkt einem empfangenen reflektierten Radarsignal entnommen wurde, das dadurch erzeugt wurde, dass die besagte entsprechende Signalstruktur an dem Objekt oder den Objekten reflektiert wurde.By specifying that a sample point results from a transmitted signal structure, it should be understood, in particular, that the sample point was taken from a received reflected radar signal generated by reflecting said corresponding signal structure on the object or objects.

Die Verarbeitungseinrichtung kann außerdem eine Korrekturmatrix-Erstellungseinrichtung aufweisen, welche zum Erstellen von je einer spezifischen Korrekturmatrix für je eine Zeile der durch die Empfangsmatrix-Bildungseinrichtung gebildeten Empfangsmatrix ausgelegt ist. Die Verarbeitungseinrichtung kann weiterhin eine DFT-Matrix-Erstellungseinrichtung aufweisen, welche zum Erstellen von je einer spezifischen modifizierten diskrete-Fourier-Transformations-Matrix, DFT-Matrix, für je eine Zeile der Empfangsmatrix ausgelegt ist. Die diskrete-Fourier-Transformations-Matrix wird dazu durch eine elementweise Multiplikation mit der jeweiligen Korrekturmatrix modifiziert. The processing device can also have a correction matrix creation device, which is designed to create one specific correction matrix for each one line of the reception matrix formed by the reception matrix formation device. The processing device can furthermore have a DFT matrix generation device, which is designed to produce one specific modified discrete Fourier transformation matrix, DFT matrix, for each line of the reception matrix. The discrete Fourier transformation matrix is modified by an element-by-element multiplication with the respective correction matrix.

Die Verarbeitungseinrichtung kann eine Matrixmultiplikationseinrichtung umfassen, welche dazu ausgelegt ist, eine erste Ergebnismatrix durch Multiplizieren jeder Zeile der gebildeten Matrix mit der für die entsprechende Zeile spezifischen modifizierten DFT-Matrix von rechts zu berechnen. Die Recheneinrichtung kann dazu ausgelegt sein, das Schätzen des Abstands und/oder der Geschwindigkeit des mindestens einen Objekts basierend auf der ersten Ergebnismatrix durchzuführen.The processing device may comprise a matrix multiplication device which is designed to execute a first result matrix Multiply each row of the formed matrix with the modified DFT matrix for the corresponding row from the right. The computing device may be configured to perform the estimation of the distance and / or the velocity of the at least one object based on the first result matrix.

Die Verarbeitungseinrichtung kann eine Fourier-Transformationseinrichtung umfassen, welche dazu ausgelegt ist, durch spaltenweises Anwenden einer Fouriertransformation oder einer inversen Fouriertransformation auf jede Spalte der ersten Ergebnismatrix eine zweite Ergebnismatrix zu erzeugen. Die Recheneinrichtung kann dazu ausgelegt sein, das Schätzen des Abstands und/oder der Geschwindigkeit des mindestens einen Objekts auf der zweiten Ergebnismatrix zu basieren.The processing device may comprise a Fourier transformation device which is designed to generate a second result matrix by applying a Fourier transformation or an inverse Fourier transformation column by column to each column of the first result matrix. The computing device may be configured to base the estimation of the distance and / or the speed of the at least one object on the second result matrix.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Recheneinrichtung dazu ausgelegt, basierend auf der zweiten Ergebnismatrix eine Objektdetektion des mindestens einen Objekts durchzuführen.According to a further advantageous development, the computing device is designed to perform an object detection of the at least one object based on the second result matrix.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Recheneinrichtung dazu ausgelegt, für das bei der Objektdetektion detektierte mindestens eine Objekt eine Winkelschätzung, eine Radarquerschnittsschätzung und/oder eine Objektklassifikation durchzuführen. Die Winkelschätzung umfasst eine Schätzung des Azimutwinkels und/oder des Elevationswinkel des mindestens einen Objekts und basiert vorteilhaft ebenfalls auf der zweiten Ergebnismatrix. Der Radarquerschnitt (englisch: „radar cross section“, RCS) gibt an, wie groß die Reflexion des mindestens einen Objekts zurück in Richtung der Radarvorrichtung als Quelle der Radarsignale ist. Er gibt die Größe einer isotrop reflektierenden Fläche an, die ein gleich hohes Radarecho wie das mindestens eine Objekt liefert. Unter einer Objektklassifikation ist eine Einordnung des mindestens einen detektierten Objekts in eine oder mehrere Klassen zu verstehen. Die Klassifikation kann umfassen, die Objekte, denen durch Clustering die einzelnen Abtastpunkte zugeordnet wurden, basierend auf Parametern wie Ausdehnung und Dopplersignatur in Objektklassen einzuteilen, beispielsweise in „Fahrzeug“, „Fußgänger“, „Radfahrer“ oder ähnliches. Zusätzlich können weitere Verarbeitungsschritte durchgeführt werden.According to a further advantageous development, the computing device is designed to perform an angle estimation, a radar cross-sectional estimation and / or an object classification for the at least one object detected during the object detection. The angle estimation comprises an estimate of the azimuth angle and / or the elevation angle of the at least one object and is advantageously likewise based on the second result matrix. The radar cross section (RCS) indicates how large the reflection of the at least one object is back towards the radar device as the source of the radar signals. It indicates the size of an isotropically reflecting surface that provides an equal radar echo as the at least one object. An object classification is to be understood as an association of the at least one detected object into one or more classes. The classification may include classifying the objects to which the individual sample points have been assigned by clustering, based on parameters such as extent and Doppler signature, into object classes, such as "vehicle", "pedestrian", "cyclist" or the like. In addition, further processing steps can be carried out.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist oder umfasst jede Komponente der Korrekturmatrix eine Phasenverschiebung in Form einer Exponentialfunktion, deren Argument ein Quotient ist. Ein Dividend des Quotienten weist vorteilhaft einen Zeilenindex der Zeile der gebildeten Empfangsmatrix, für welche die aktuelle Korrekturmatrix spezifisch ist, als Faktor auf. Ein Divisor des Quotienten weist vorteilhaft eine Trägerfrequenz eines Trägersignals der Signalstruktur, und/oder der ausgesendeten Radarsignale als Faktor auf. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Verarbeitung der Abtastpunkte erfolgen.According to a further preferred development, each component of the correction matrix is or comprises a phase shift in the form of an exponential function whose argument is a quotient. A dividend of the quotient advantageously has as a factor a line index of the line of the received reception matrix for which the current correction matrix is specific. A divisor of the quotient advantageously has a carrier frequency of a carrier signal of the signal structure, and / or the emitted radar signals as a factor. As a result, a particularly advantageous processing of the sampling points can take place.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Signalstrukturen Frequenzrampen. Die Phasenverschiebung in jeder Komponente der Korrekturmatrix ist abhängig von einer Steilheit der Frequenzrampen und von einer Dauer der Frequenzrampen. Die Phasenverschiebung in jeder Komponente kann auch von einer Anzahl von Abtastpunkten pro Frequenzrampe abhängen. Hierdurch ist eine noch genauere und präzisere Verarbeitung der Abtastpunkte ermöglicht.According to a further preferred development, the signal structures are frequency ramps. The phase shift in each component of the correction matrix depends on a slope of the frequency ramps and on a duration of the frequency ramps. The phase shift in each component may also depend on a number of sample points per frequency ramp. This allows an even more accurate and precise processing of the sampling points.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Signalstrukturen OFDM-Symbole. Die Phasenverschiebung in jeder Komponente der Korrekturmatrix ist abhängig von einem Frequenzabstand zwischen Unterträgern der OFDM-Symbole. According to a further preferred development, the signal structures are OFDM symbols. The phase shift in each component of the correction matrix is dependent on a frequency spacing between subcarriers of the OFDM symbols.

Die vorstehend und im Folgenden beschriebenen Rechenvorschriften sind derart zu verstehen, dass sie eine Rechenprozedur beschreiben, an deren Ende ein vorteilhaftes Ergebnis steht, ohne dass das Ergebnis zwangsläufig auf genau diese Weise berechnet werden muss. In der Mathematik ist es üblicherweise der Fall, dass eine Vielzahl von Schritten auch in einer anderen Reihenfolge oder in formal anderer Weise durchgeführt werden können, ohne dass sich dies auf das Ergebnis der Berechnung auswirkt. Ebenso umfasst die Erfindung in analoger Technik durchgeführte Schritte, welche Approximationen der beschriebenen mathematischen Rechenschritte realisieren sowie programmierte Algorithmen, welche die beschriebenen mathematischen Rechenschritte numerisch implementieren. Die beschriebenen Rechenschritte, oder äquivalente Rechenschritte, welche zu demselben Ergebnis führen, können softwaremäßig, hardwaremäßig, oder als Kombination von Soft- und Hardware realisiert werden. The calculation rules described above and below should be understood as describing a calculation procedure at the end of which an advantageous result is obtained, without necessarily having to calculate the result in precisely this way. In mathematics, it is usually the case that a large number of steps can also be performed in a different order or in a formally different way, without this having an effect on the result of the calculation. Likewise, the invention comprises steps carried out in analogous technique, which implement approximations of the mathematical calculation steps described, as well as programmed algorithms which numerically implement the described mathematical calculation steps. The computation steps described, or equivalent computation steps, which lead to the same result, can be realized in terms of software, hardware, or as a combination of software and hardware.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Durchführen mittels einer erfindungsgemäßen Radarvorrichtung geeignet und ist in Bezug auf alle vorstehend und nachstehend beschriebenen Weiterbildungen, Varianten und Modifikationen der erfindungsgemäßen Radarvorrichtung entsprechend anpassbar und umgekehrt.The method according to the invention is suitable, in particular, for carrying out by means of a radar device according to the invention and is correspondingly adaptable and vice versa with respect to all developments, variants and modifications of the radar device according to the invention described above and below.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The present invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the schematic figures of the drawings. Show it:

1 ein schematisches Blockschaltbild zum Erläutern einer Radarvorrichtung zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsschätzung mindestens eines Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic block diagram for explaining a radar device for distance and / or or speed estimation of at least one object according to an embodiment of the present invention;

2 ein schematisches Blockschaltbild zum Erläutern einer Radarvorrichtung zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsschätzung mindestens eines Objekts gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 2 a schematic block diagram for explaining a radar device for the distance and / or speed estimation of at least one object according to another embodiment of the present invention; and

3 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsschätzung mindestens eines Objekts gemäß noch einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 a schematic flowchart for explaining a method for distance and / or speed estimation of at least one object according to another embodiment of the present invention.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - provided with the same reference numerals.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zum Erläutern einer Radarvorrichtung zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsschätzung mindestens eines Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient vornehmlich der Erläuterung und soll keine spezielle zeitliche Reihenfolge angeben, soweit dies nicht implizit oder explizit angegeben ist. 1 FIG. 12 is a schematic block diagram for explaining a radar apparatus for distance and / or velocity estimation of at least one object according to an embodiment of the present invention. The numbering of method steps is primarily for the purpose of explanation and is not intended to indicate a specific time sequence, unless this is stated implicitly or explicitly.

Die Radarvorrichtung 10 umfasst eine Sendeantenneneinrichtung 12, welche zum Aussenden von Radarsignalen 51 mit einer Folge von Signalstrukturen ausgelegt ist. Bei der Radarvorrichtung 10 sind die Signalstrukturen als Frequenzrampen mit einer positiven Steigung (oder „Steilheit“) k ausgebildet. The radar device 10 includes a transmitting antenna device 12 , which are used to send out radar signals 51 is designed with a sequence of signal structures. At the radar device 10 the signal structures are formed as frequency ramps with a positive slope (or "slope") k.

Die Sendeantenneneinrichtung 12 umfasst insbesondere mindestens eine Sendeantenne, beispielsweise eine Patch-Antenne mit einer Vielzahl von Patch-Elementen sowie eine Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen der auszusendenden Radarsignale 51. Durch die Erzeugungseinrichtung können die Radarsignale 51 mit steigenden Frequenzrampen (Chirp-Signale) sequentiell generiert, durch eine Hochmischung mittels einer Trägerfrequenz fc ins Hochfrequenzband (HF-Band) verschoben und zum Aussenden an die Sendeantenne der Sendeantenneneinrichtung 12 übermittelt werden. The transmitting antenna device 12 comprises in particular at least one transmitting antenna, for example a patch antenna with a plurality of patch elements and a generating device for generating the radar signals to be transmitted 51 , By the generation device, the radar signals 51 generated sequentially with increasing frequency ramps (chirp signals), shifted by a high mixing by means of a carrier frequency f c in the high frequency band (RF band) and for transmission to the transmitting antenna of the transmitting antenna device 12 be transmitted.

Die Radarvorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Empfangsantenneneinrichtung 14, welche zum Erfassen von diskreten Abtastpunkten der empfangenen Reflexionen 53 der ausgesendeten Radarsignale 51 an dem mindestens einen Objekt ausgelegt ist. Die Empfangsantenneneinrichtung 14 umfasst eine Empfangsantenne, mittels welcher die ausgesendeten reflektierten Radarsignale 51 empfangbar sind. Die Empfangsantenne kann beispielsweise eine Patch-Antenne mit einer Vielzahl von Patch-Elementen sein. Das empfangene Signal in seiner Gesamtheit besteht aus zeitlich verschobenen, im Fall von bewegten Objekten auch frequenzverschobenen, überlagerten Reflexionen 53. The radar device 10 further comprises a receiving antenna device 14 which is used to detect discrete sample points of the received reflections 53 the emitted radar signals 51 on which at least one object is designed. The receiving antenna device 14 comprises a receiving antenna, by means of which the emitted reflected radar signals 51 are receivable. The receiving antenna may be, for example, a patch antenna with a multiplicity of patch elements. The received signal in its entirety consists of time-shifted, in the case of moving objects also frequency-shifted, superimposed reflections 53 ,

Die Empfangsantenneneinrichtung 14 kann eine Vorverarbeitungseinheit aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, durch eine Mischung mit der Sende-Frequenzrampe, das empfangene Signal in einen niederfrequenten Bereich zu übertragen, wo jedem reflektierenden Objekt eine komplexe Schwingung mit Frequenz proportional zum Abstand und zur Geschwindigkeit des Objekts entspricht. Die Empfangsantenneneinrichtung 14 kann weiterhin eine Tiefpassfiltereinheit aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, Reflexionen von entfernten Objekten, welche außerhalb des Sichtbereichs der Radarvorrichtung liegen, zu unterdrücken. Die Empfangsantenneneinrichtung 14 kann weiterhin eine Abtasteinheit umfassen, mittels welcher das tiefpassgefilterte analoge Signal mit einer Analog-zu-Digital-Wandlung abgetastet wird, um Abtastpunkte zu erfassen.The receiving antenna device 14 may comprise a pre-processing unit which is adapted, by a mixture with the transmission frequency ramp, to transmit the received signal into a low-frequency region where each reflecting object corresponds to a complex vibration with frequency proportional to the distance and speed of the object. The receiving antenna device 14 may further comprise a low-pass filter unit which is adapted to suppress reflections from distant objects which are outside the field of view of the radar device. The receiving antenna device 14 may further comprise a sampling unit, by means of which the low-pass filtered analog signal is sampled with an analog-to-digital conversion to detect sampling points.

Für eine Messung mit unabhängiger Abstands- und Geschwindigkeitsauswertung wird dieses Vorgehen mehrmals wiederholt, das heißt es werden mehrere Frequenzrampen ausgewertet, wobei jeder Abtastpunkt einer Frequenzrampe zugeordnet ist. Eine Abstandsauswertung findet generell durch eine Frequenzschätzung innerhalb einzelner Frequenzrampen statt, während eine Geschwindigkeitsschätzung durch eine Auswertung von Phasenverläufen über die Frequenzrampen hinweg erfolgt.For a measurement with independent distance and speed evaluation, this procedure is repeated several times, that is, several frequency ramps are evaluated, each sampling point is assigned to a frequency ramp. A distance evaluation generally takes place by means of a frequency estimation within individual frequency ramps, while a speed estimation takes place by an evaluation of phase progressions over the frequency ramps.

Die Radarvorrichtung 10 umfasst zudem eine Verarbeitungseinrichtung 15, welche zum Verarbeiten jeweils derjenigen Abtastpunkte, welche aus einer einzelnen ausgesendeten Signalstruktur resultieren, jeweils in Abhängigkeit von dieser Signalstruktur ausgelegt ist.The radar device 10 also includes a processing device 15 which is designed to process in each case those sampling points which result from a single emitted signal structure, in each case depending on this signal structure.

Die Verarbeitungseinrichtung 15 umfasst eine Empfangsmatrix-Bildungseinrichtung 16, welche zum Bilden einer Empfangsmatrix ausgelegt ist. Jede Spalte der Empfangsmatrix entspricht einer einzelnen Frequenzrampe der ausgesendeten Radarsignale 51 derart, dass jede Spalte alle Abtastpunkte enthält, welche aus der einzelnen ausgesendeten Frequenzrampe resultieren. The processing device 15 comprises a reception matrix forming means 16 , which is designed to form a reception matrix. Each column of the receive matrix corresponds to a single frequency ramp of the transmitted radar signals 51 such that each column contains all the sample points resulting from the single frequency ramp sent out.

Weiterhin umfasst die Verarbeitungseinrichtung 15 eine Korrekturmatrix-Erstellungseinrichtung 18, welche zum Erstellen von je einer spezifischen Korrekturmatrix für je eine Zeile der Empfangsmatrix ausgelegt ist. Erfindungsgemäß haben die Komponenten Kix der Korrekturmatrix insbesondere die Form, oder umfassen als Faktor:

Figure DE102015218538A1_0002
wobei j die imaginäre Einheit, Pi (π) die Kreiszahl, k die Steilheit der Rampen mit der Dimension “Hertz pro Sekunde“ und i ein Index der Zeile der Empfangsmatrix ist, welche momentan transformiert wird, das heißt einem Index eines Abtastpunkts innerhalb der entsprechenden Frequenzrampe entspricht. N ist eine Anzahl von Abtastpunkten in der jeweiligen Frequenzrampe. Weiterhin ist Tchirp eine Dauer einer Frequenzrampe, fc die Trägerfrequenz, auf welche die Frequenzrampen aufmoduliert sind und Nstr eine Anzahl von Signalstrukturen, hier also von Frequenzrampen. Ein Index I ist ein Index von Geschwindigkeitszellen innerhalb eines zu erstellenden Geschwindigkeitsprofils oder Radarbilds und läuft von 0 bis zu Nstr – 1. µ ist ein Index, welcher eine jeweilige Frequenzrampe kennzeichnet und von 0 bis Nstr – 1 läuft.Furthermore, the processing device comprises 15 a correction matrix creator 18 , which is designed to create one specific correction matrix for each row of the reception matrix. According to have the Components K ix of the correction matrix, in particular the form, or comprise as factor:
Figure DE102015218538A1_0002
where j is the imaginary unit, Pi (π) is the circle number, k is the slope of the ramps of dimension "hertz per second", and i is an index of the row of the receive matrix that is being transformed, that is, an index of a sample point within the corresponding one Frequency ramp corresponds. N is a number of sampling points in the respective frequency ramp. Furthermore, T chirp is a duration of a frequency ramp, f c is the carrier frequency to which the frequency ramps are modulated, and N str is a number of signal structures, in this case of frequency ramps. An index I is an index of velocity cells within a velocity profile or radar image to be created and runs from 0 to N str - 1. Μ is an index which identifies a respective frequency ramp and runs from 0 to N str - 1.

Die Verarbeitungseinrichtung 15 umfasst zudem eine DFT-Matrix-Erstellungseinrichtung 20, welche zum Erstellen von je einer spezifischen modifizierten Diskrete-Fouriertransformations-Matrix, DFT-Matrix, für je eine Zeile der Empfangsmatrix ausgelegt ist.The processing device 15 also includes a DFT matrix builder 20 , which is designed to create one specific modified discrete Fourier transform matrix, DFT matrix, for each row of the receive matrix.

Die für jede Zeile spezifische modifizierte DFT-Matrix entsteht durch eine komponentenweise Multiplikation der für die jeweilige Zeile spezifischen Korrekturmatrix mit einer DFT-Matrix, welche bevorzugt für alle Zeilen gleich ist und deren Komponenten Dkl insbesondere die Form haben, oder als Faktor umfassen:

Figure DE102015218538A1_0003
The modified DFT matrix specific for each line is produced by a component-wise multiplication of the correction matrix specific for the respective line with a DFT matrix, which is preferably the same for all lines and whose components D kl have, in particular, the form or as a factor:
Figure DE102015218538A1_0003

Mit anderen Worten können Komponenten der für eine Zeile i spezifischen modifizierten DFT-Matrix als Smn bezeichnet werden und berechnet werden als Smn = Dmn·Kmn. Die DFT-Matrix ist in der Regel eine quadratische Matrix mit jeweils Nstr Zeilen und Spalten.In other words, components of the i-specific for one line modified DFT matrix can be referred to as S mn and are calculated as S = D mn mn · K mn. The DFT matrix is usually a square matrix with N str rows and columns each.

Die Verarbeitungseinrichtung 15 umfasst eine Matrixmultiplikationseinrichtung 22, welche dazu ausgelegt ist, eine erste Ergebnismatrix durch Multiplizieren jeder Zeile der gebildeten Matrix mit der für die entsprechende Zeile spezifischen modifizierten DFT-Matrix von rechts zu berechnen. Die Recheneinrichtung ist dazu ausgelegt, das Schätzen des Abstands und/oder der Geschwindigkeit des mindestens einen Objekts basierend auf der ersten Ergebnismatrix durchzuführen. Die erhaltenen Zeilen der ersten Ergebnismatrix können in der Ergebnismatrix entsprechend der Reihung der ursprünglichen Zeilen der Empfangsmatrix angeordnet sein.The processing device 15 comprises a matrix multiplier 22 which is adapted to calculate a first result matrix by multiplying each row of the formed matrix by the right-hand modified modified DFT matrix for the corresponding row. The computing device is configured to perform the estimation of the distance and / or the speed of the at least one object based on the first result matrix. The obtained rows of the first result matrix can be arranged in the result matrix corresponding to the order of the original rows of the reception matrix.

Die Verarbeitungseinrichtung 16 umfasst optional weiterhin eine Fourier-Transformationseinrichtung 24, welche dazu ausgelegt ist, durch spaltenweises Anwenden einer (schnellen) Fouriertransformation (englisch „fast Fourier transformation, FFT) auf jede Spalte der ersten Ergebnismatrix eine zweite Ergebnismatrix zu erzeugen. Die Recheneinrichtung kann dazu ausgelegt sein, das Schätzen des Abstands und/oder der Geschwindigkeit des mindestens Objekts auf der zweiten Ergebnismatrix zu basieren.The processing device 16 optionally further comprises a Fourier transform means 24 which is designed to generate a second result matrix by applying a (fast) Fourier transformation (FFT) to each column of the first result matrix in columns. The computing device may be configured to base the estimation of the distance and / or the velocity of the at least object on the second result matrix.

Mit Hilfe der Korrekturmatrix wird vorteilhaft eine Bewegung von Zielen während der Messung, welche zur Dopplerskalierung und zur Abstandsmigration führen kann, kompensiert. Durch die beschriebene Vorgehensweise werden das oder die Ziele, d.h. das oder die Objekte, in der Geschwindigkeit für jede Zeile und im Abstand für jede Spalte getrennt. Somit entsteht ein zweidimensionales Radarbild mit den Achsen Abstand (Ordinate) und Geschwindigkeit (Abszisse). Dieses Radarbild weist im Gegensatz zu Radarbildern, welche nach dem Stand der Technik mit 2D FFT erstellt wurden, keine oder nur sehr geringe Abstands- und Geschwindigkeitsmigrationen auf. With the aid of the correction matrix, a movement of targets during the measurement, which can lead to Doppler scaling and distance migration, is advantageously compensated. By the described approach, the goal (s), i. the object (s), separated in speed for each row and in spacing for each column. This results in a two-dimensional radar image with the axes distance (ordinate) and velocity (abscissa). This radar image, unlike radar images, which were created in the prior art with 2D FFT, no or only very small distance and speed migrations.

Basierend auf der zweite Ergebnismatrix können mittels der Recheneinrichtung 26 optional weitere Schritte durchgeführt werden, beispielsweise eine Objektdetektion, eine Winkelschätzung, eine Radarquerschnittsschätzung und/oder eine Objektklassifikation der detektierten Objekte.Based on the second result matrix, by means of the computing device 26 optionally further steps are performed, for example an object detection, an angle estimation, a radar cross-sectional estimation and / or an object classification of the detected objects.

2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Radarvorrichtung 10’ zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsschätzung mindestens eines Objekts gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 shows a schematic block diagram of a radar device 10 ' for the distance and / or speed estimation of at least one object according to another embodiment of the present invention.

Die Radarvorrichtung 10’ ist als Variante der Radarvorrichtung 10 bezeichenbar, welche sich von der Radarvorrichtung 10 vornehmlich dadurch unterscheidet, dass statt Frequenzrampen als Signalstrukturen bei der Radarvorrichtung 10’ OFDM-Symbole als Signalstrukturen verwendet werden. Entsprechend ist eine Sendeantenneneinrichtung 12’ zum Aussenden von Radarsignalen 51 mit einer Folge von OFDM-Symbolen ausgelegt und eine Empfangsantenneneinrichtung 14’ zum Erfassen von diskreten Abtastpunkten basierend auf den OFDM-Symbolen ausgelegt. Eine Verarbeitungseinrichtung 15’ ist der Radarvorrichtung 10’, insbesondere der Sendeantenneneinrichtung 12’ und der Empfangsantenneneinrichtung 14’, entsprechend angepasst.The radar device 10 ' is as a variant of the radar device 10 signable, which differ from the radar device 10 primarily distinguished by the fact that instead of frequency ramps as signal structures in the radar device 10 ' OFDM symbols are used as signal structures. Accordingly, a transmitting antenna device 12 ' for sending radar signals 51 designed with a sequence of OFDM symbols and a receiving antenna device 14 ' designed to detect discrete sample points based on the OFDM symbols. A processing device 15 ' is the radar device 10 ' , in particular the transmitting antenna device 12 ' and the receiving antenna device 14 ' , adjusted accordingly.

Die Sendeantenneneinrichtung 12’ ist dazu ausgelegt, ein Sendesignal durch OFDM-Signalerzeugung anhand bestimmter Modulationssymbole, welche auf die OFDM-Unterträger übertragen werden, zu erzeugen und mittels eines Digital-Analog-Wandlers in ein analoges Signal zu konvertieren, welches durch eine Mischung mit der Trägerfrequenz ins HF-Band verschoben und mittels der Sendeantenne der Sendeantenneneinrichtung 12’ als Radarsignal 51 ausgesendet wird. The transmitting antenna device 12 ' is adapted to generate a transmission signal by OFDM signal generation on the basis of certain modulation symbols, which are transmitted to the OFDM subcarriers, and to convert by means of a digital-to-analog converter into an analog signal, which by mixing with the carrier frequency in the RF Band shifted and by means of the transmitting antenna of the transmitting antenna device 12 ' as a radar signal 51 is sent out.

Die Empfangsantenneneinrichtung 14’ ist dazu ausgelegt, die an einem Ziel, d.h. an dem oder den Objekten, erzeugten Reflexionen 53 der Radarsignale 51 mittels einer Empfangsantenne der Empfangsantenneneinrichtung 14’ zu empfangen, mittels HF-Demodulation in Basisband oder eine Zwischenfrequenz zu verschieben und mittels eines Analog-zu-Digital-Wandlers zum Erfassen der diskreten Abtastpunkte abzutasten. Die erfassten diskreten Abtastpunkte werden weiter verarbeitet wie im Folgenden beschrieben.The receiving antenna device 14 ' is designed to reflect the reflections generated at a target, ie at the object (s) 53 the radar signals 51 by means of a receiving antenna of the receiving antenna device 14 ' to receive, by means of RF demodulation in baseband or to move an intermediate frequency and to sample by means of an analog-to-digital converter for detecting the discrete sampling points. The detected discrete sample points are further processed as described below.

Eine Empfangsmatrix-Bildungseinrichtung 16’ der Radarvorrichtung 10’ umfasst eine Ausgangsmatrix-Bildungseinheit 17’ auf, welche eine Ausgangsmatrix zu bilden ausgelegt ist, wobei jede Spalte der Ausgangsmatrix einem einzelnen OFDM-Symbol der ausgesendeten Radarsignale 51 derart entspricht, dass jede Spalte alle Abtastpunkte enthält, welche aus dem ausgesendeten OFDM-Symbol resultieren. Mit anderen Worten kann jede Spalte der Ausgangsmatrix ein zeitlich verzögertes, in der Frequenz verschobenes OFDM-Symbol darstellen. Die Empfangsmatrix-Bildungseinrichtung 16’ weist zudem eine Unterträger-Trennungseinheit 19’ auf, welche dazu ausgelegt ist, die OFDM-Unterträger innerhalb der zu einem OFDM-Signal gehörenden Abtastpunkte zu trennen, indem spaltenweise, das heißt über je eine Spalte der Ausgangsmatrix, eine schnelle Fouriertransformation (Englisch „fast Fourier transformation“, FFT) durchgeführt wird. Die durch die Empfangsmatrix-Bildungseinrichtung 16’ zu bildende Empfangsmatrix wird durch die mittels der Unterträger-Trennungseinheit 19’ verarbeiteten Spalten der Ausgangsmatrix gebildet. A receive matrix educator 16 ' the radar device 10 ' comprises an initial matrix forming unit 17 ' which is designed to form an output matrix, each column of the output matrix being a single OFDM symbol of the transmitted radar signals 51 such that each column contains all sample points resulting from the transmitted OFDM symbol. In other words, each column of the output matrix may represent a time-delayed, frequency-shifted OFDM symbol. The receive matrix educator 16 ' also has a subcarrier separation unit 19 ' which is designed to separate the OFDM subcarriers within the sampling points belonging to an OFDM signal by performing a fast Fourier transformation (FFT) in columns, that is to say over each one column of the output matrix , The message passing through the receive matrix educator 16 ' The reception matrix to be formed is determined by the subcarrier separation unit 19 ' processed columns of the output matrix formed.

Eine Korrekturmatrix-Erstellungseinrichtung 18’ der Radarvorrichtung 10’ ist, wie bei der Radarvorrichtung 10, zum Erstellen von je einer spezifischen Korrekturmatrix für je eine Zeile der gebildeten Empfangsmatrix ausgelegt. Die Matrixkomponenten K’ix der durch die Korrekturmatrix-Erstellungseinrichtung 18’ erstellten Korrekturmatrix sind gebildet durch, oder umfassen jeweils als Faktor:

Figure DE102015218538A1_0004
A correction matrix builder 18 ' the radar device 10 ' is like the radar device 10 , designed to each create a specific correction matrix for each line of the formed reception matrix. The matrix components K ' ix that are generated by the correction matrix generator 18 ' created correction matrix are formed by, or each include as a factor:
Figure DE102015218538A1_0004

Hierbei bezeichnet i einen Zeilenindex der gebildeten Empfangsmatrix, welcher einem OFDM-Unterträgerindex entspricht, welcher momentan transformiert wird, Δf ist ein Frequenzabstand zwischen den OFDM-Unterträgern, Nstr ist wiederum die Anzahl der Signalstrukturen, hier also der ausgesendeten OFDM-Symbole, und µ ist ein Index der OFDM-Symbole, welcher von 0 bis zu Nstr – 1 läuft.Here, i denotes a row index of the formed receive matrix, which corresponds to an OFDM subcarrier index which is currently being transformed, Δf is a frequency spacing between the OFDM subcarriers, N str is again the number of signal structures, in this case the transmitted OFDM symbols, and μ is an index of OFDM symbols that runs from 0 to N str - 1.

Die Verarbeitungseinrichtung 15’ umfasst zudem eine DFT-Matrix-Erstellungseinrichtung 20’, welche zum Erstellen von je einer spezifischen modifizierten Diskrete-Fouriertransformations-Matrix, DFT-Matrix, für je eine Zeile der Empfangsmatrix durch elementweises Multiplizieren der für jede Zeile spezifischen Korrekturmatrix K’ mit der oben beschriebenen DFT-Matrix ausgelegt ist. Die Verarbeitungseinrichtung 15’ umfasst eine Matrixmultiplikationseinrichtung 22’, welche dazu ausgelegt ist, eine erste Ergebnismatrix durch Multiplizieren jeder Zeile der gebildeten Matrix mit der für die entsprechende Zeile spezifischen modifizierten DFT-Matrix von rechts zu berechnen.The processing device 15 ' also includes a DFT matrix builder 20 ' which is designed for generating in each case one specific modified discrete Fourier transformation matrix, DFT matrix, for each row of the reception matrix by element-wise multiplying the correction matrix K 'specific for each row by the DFT matrix described above. The processing device 15 ' comprises a matrix multiplier 22 ' which is adapted to calculate a first result matrix by multiplying each row of the formed matrix by the right-hand modified modified DFT matrix for the corresponding row.

Die Verarbeitungseinrichtung 15’ umfasst weiterhin eine Divisionseinrichtung 23’, welche dazu ausgelegt ist, die erste Ergebnismatrix einer spektralen Division zu unterziehen. Die Verarbeitungseinrichtung 16’ kann weiterhin eine Dopplerkorrektureinrichtung aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, unmittelbar vor oder nach der Divisionseinrichtung eine Dopplerkorrektur durchzuführen. ’’The processing device 15 ' further includes a divider 23 ' , which is designed to subject the first result matrix to a spectral division. The processing device 16 ' may further comprise a Doppler correction device, which is designed to perform a Doppler correction immediately before or after the division device. ''

Eine Fouriertransformationseinrichtung 24’ der Verarbeitungseinrichtung 16’ ist dazu ausgelegt, nach der spektralen Division, gegebenenfalls auch nach der Dopplerkorrektur, durch spaltenweises Anwenden einer inversen (schnellen) Fouriertransformation (engl. „inverse fast Fourier transformation“, IFFT) auf jede Spalte der ersten Ergebnismatrix eine zweite Ergebnismatrix zu erzeugen.A Fourier Transformer 24 ' the processing device 16 ' is designed to generate a second result matrix for each column of the first result matrix after the spectral division, if appropriate also after the Doppler correction, by column-wise application of an inverse fast Fourier transformation (IFFT) to each column of the first result matrix.

Eine Recheneinrichtung 26’ kann ebenso ausgebildet sein wie vorstehend in Bezug auf die Recheneinrichtung 26 beschrieben. Insbesondere können auch mittels der Recheneinrichtung 26’ optional weitere Schritte durchgeführt werden, beispielsweise eine Objektdetektion, eine Winkelschätzung, eine Radarquerschnittsschätzung und/oder eine Objektklassifikation der detektierten Objekte, jeweils basierend auf der ersten und/oder der zweiten Ergebnismatrix.A computing device 26 ' may be formed as above with respect to the computing device 26 described. In particular, by means of the computing device 26 ' optionally further steps are performed, for example an object detection, an angle estimation, a radar cross-sectional estimation and / or an object classification of the detected objects, each based on the first and / or the second result matrix.

3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Schätzen eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit mindestens eines Objekts gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Durchführen mittels einer erfindungsgemäßen Radarvorrichtung, bevorzugt der Radarvorrichtung 10 oder der Radarvorrichtung 10’, geeignet und ist in Bezug auf alle in Bezug auf diese Radarvorrichtung beschriebenen Varianten und Weiterbildungen anpassbar und umgekehrt. 3 FIG. 12 is a schematic flowchart for explaining a method of estimating a distance and / or a velocity of at least one object according to another embodiment of the present invention. The inventive method is in particular for performing by means of an inventive Radar device, preferably the radar device 10 or the radar device 10 ' , and is adaptable with respect to all variants and developments described with respect to this radar device, and vice versa.

In einem Schritt S01 werden Radarsignale mit einer Folge von Signalstrukturen ausgesendet, etwa mittels der Sendeantenneneinrichtung 12 oder 12’ wie vorstehend beschrieben. Die Signalstrukturen können beispielsweise Frequenzrampen oder OFDM-Symbole sein. In einem Schritt S02 werden diskrete Abtastpunkte als Folge von Reflexionen der ausgesendeten Radarsignale an Objekten erfasst, etwa mittels der Empfangsantenneneinrichtung 14 oder 14’ wie vorstehend beschrieben. In einem Schritt S03 werden die empfangenen diskreten Abtastpunkte, welche aus einer einzelnen ausgesendeten Signalstruktur resultieren, jeweils in Abhängigkeit von dieser Signalstruktur verarbeitet, etwa mittels der Verarbeitungseinrichtung 15 oder 15’ wie vorstehend beschrieben. In a step S01, radar signals with a sequence of signal structures are transmitted, for example by means of the transmitting antenna device 12 or 12 ' as described above. The signal structures may be, for example, frequency ramps or OFDM symbols. In a step S02, discrete sampling points are detected as a consequence of reflections of the radar signals emitted on objects, for example by means of the receiving antenna device 14 or 14 ' as described above. In a step S03, the received discrete sampling points, which result from a single transmitted signal structure, are respectively processed in dependence on this signal structure, for example by means of the processing device 15 or 15 ' as described above.

Das Verarbeiten S03 der empfangenen diskreten Abtastpunkte umfasst bevorzugt die folgenden optionalen Schritte S31, S32, S33, S34 und S35.The processing S03 of the received discrete sampling points preferably comprises the following optional steps S31, S32, S33, S34 and S35.

In dem Schritt S31 wird eine Empfangsmatrix gebildet, von der jede Spalte einer einzelnen Signalstruktur der ausgesendeten Radarsignale 51 derart entspricht, dass jede Spalte alle Abtastpunkte enthält, welche aus der ausgesendeten Signalstruktur resultieren. Dies kann beispielsweise, wie in Bezug auf die In step S31, a reception matrix is formed, from which each column of a single signal structure of the transmitted radar signals 51 such that each column contains all the sample points resulting from the transmitted signal structure. This can be, for example, in relation to the

Empfangsmatrix-Bildungseinrichtung 16’ beschrieben, das Bilden einer Ausgangsmatrix und das Trennen von OFDM-Unterträgern mittels einer spaltenweisen schnellen Fourier-Transformation umfassen.Reception matrix educational institution 16 ' described forming an output matrix and separating OFDM subcarriers by means of a column-wise fast Fourier transform.

In dem Schritt S32 wird für je eine Zeile der Empfangsmatrix eine spezifische Korrekturmatrix erstellt, beispielsweise mittels der Korrekturmatrix-Erstellungseinrichtung 18 oder 18’ wie vorstehend beschrieben. In dem Schritt S33 wird für je eine Zeile der Empfangsmatrix eine spezifische modifizierte Diskrete-Fouriertransformations-Matrix, DFT-Matrix erstellt, etwa mittels der DFT-Matrix-Erstellungseinrichtung 20 wie vorstehend beschrieben. Die für jede Zeile der Empfangsmatrix spezifische modifizierte Diskrete-Fouriertransformations-Matrix geht bevorzugt durch elementweise, d.h. komponentenweise, Multiplikation der für jede Zeile erstellten spezifischen Korrekturmatrix mit einer, bevorzugt für alle Zeilen gleichen, Diskrete-Fouriertransformations-Matrix hervor.In step S32, a specific correction matrix is created for each line of the reception matrix, for example by means of the correction matrix creation device 18 or 18 ' as described above. In step S33, for each one row of the reception matrix, a specific modified discrete Fourier transformation matrix, DFT matrix, is created, for example by means of the DFT matrix generator 20 as described above. The modified discrete Fourier transformation matrix specific for each row of the reception matrix preferably proceeds by element-wise, ie component by component, multiplication of the specific correction matrix created for each row with a discrete Fourier transformation matrix which is preferably the same for all rows.

In dem Schritt S34 wird durch Multiplizieren jeder Zeile der gebildeten Matrix mit der für die entsprechende Zeile spezifischen modifizierten DFT-Matrix von rechts eine erste Ergebnismatrix berechnet. Die erste Ergebnismatrix kann durch Durchführen eine spektralen Division und/oder einer Dopplerkorrektur angepasst werden. Spektrale Division wird durch das elementweise Teilen der Elemente der Ergebnismatrix durch die entsprechenden gesendeten komplexen Modulationssymbole durchgeführt, und eliminiert die gesendeten bekannten Modulationsdaten von der Ergebnismatrix, um eine weitere Prozessierung mit FFT zur Abstandsschätzung zu ermöglichen. Alternativ kann die Prozessierung zur Abstandsschätzung mit einem Matched Filtering Ansatz durchgeführt werden.In step S34, a first result matrix is calculated by multiplying each line of the formed matrix by the modified line-specific modified DFT matrix from the right. The first result matrix may be adjusted by performing spectral division and / or Doppler correction. Spectral division is performed by dividing the elements of the result matrix by the respective transmitted complex modulation symbols, and eliminates the transmitted known modulation data from the result matrix to allow further processing with FFT for distance estimation. Alternatively, the processing for distance estimation can be carried out with a matched filtering approach.

In dem optionalen Schritt S35 wird durch spaltenweises Anwenden einer Fouriertransformation oder einer inversen Fouriertransformation auf jede Spalte der ersten Ergebnismatrix, ggfs. der angepassten ersten Ergebnismatrix, eine zweite Ergebnismatrix erzeugt.In the optional step S35, a second result matrix is generated by column-wise applying a Fourier transformation or an inverse Fourier transformation to each column of the first result matrix, if appropriate the adapted first result matrix.

In einem Schritt S04 wird ein Abstand und/oder eine Geschwindigkeit des mindestens einen Objekts basierend auf den verarbeiteten Abtastpunkten geschätzt. Das Schätzen S04 des Abstands und/oder der Geschwindigkeit kann auf der ersten Ergebnismatrix und/oder auf der zweiten Ergebnismatrix basieren.In a step S04, a distance and / or a velocity of the at least one object is estimated based on the processed sampling points. The estimation S04 of the distance and / or the velocity may be based on the first result matrix and / or on the second result matrix.

Statt der beschriebenen Verwendung einer modifizierten DFT-Matrix kann eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder innerhalb der erfindungsgemäßen Radarvorrichtung durch einen modifizierten FFT-Algorithmus durchgeführt werden, welcher, analog zu den vorstehend beschriebenen Erfindungsgedanken, implizit die – unbekannten – Bewegungen der Radarstrahlen reflektierenden Objekte berücksichtigt.Instead of the described use of a modified DFT matrix, an implementation of the method according to the invention or within the radar device according to the invention can be carried out by a modified FFT algorithm, which implicitly takes into account the - unknown - movements of the radar-reflecting objects analogous to the above-described inventive concept.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Christian Sturm, „Gemeinsame Realisierung von Radar-Sensorik und Funkkommunikation mit OFDM-Signalen“, Karlsruher Forschungsberichte aus dem Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik, Band 66, 2012 [0004] Christian Sturm, "Joint Implementation of Radar Sensors and Radio Communication with OFDM Signals", Karlsruhe Research Reports from the Institute for High Frequency Technology and Electronics, Volume 66, 2012 [0004]
  • ISSN 1868-4696 [0004] ISSN 1868-4696 [0004]
  • ISBN 978-3-86644-879-7 [0004] ISBN 978-3-86644-879-7 [0004]

Claims (10)

Radarvorrichtung (10; 10’) zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsschätzung mindestens eines Objekts, mit: einer Sendeantenneneinrichtung (12; 12’), welche zum Aussenden (S01) von Radarsignalen (51) mit einer Folge von Signalstrukturen ausgelegt ist; einer Empfangsantenneneinrichtung (14; 14’), welche zum Erfassen (S02) von diskreten Abtastpunkten basierend auf Reflexionen (53) der ausgesendeten Radarsignale (51) an dem mindestens einen Objekt ausgelegt ist; einer Verarbeitungseinrichtung (15; 15’), welche zum Verarbeiten jeweils derjenigen Abtastpunkte, welche aus einer einzelnen ausgesendeten Signalstruktur resultieren, jeweils in Abhängigkeit von dieser Signalstruktur ausgelegt ist; und einer Recheneinrichtung (26; 26’), welche zum Schätzen (S04) eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit des mindestens einen Objekts basierend auf den verarbeiteten Abtastpunkten ausgelegt ist.Radar device ( 10 ; 10 ' ) for the distance and / or speed estimation of at least one object, comprising: a transmitting antenna device ( 12 ; 12 ' ), which are used to transmit (S01) radar signals ( 51 ) is designed with a sequence of signal structures; a receiving antenna device ( 14 ; 14 ' ) for detecting (S02) discrete sample points based on reflections (S02) 53 ) of the transmitted radar signals ( 51 ) is designed on the at least one object; a processing device ( 15 ; 15 ' ) which are each adapted to process those sample points resulting from a single transmitted signal structure in response to said signal structure; and a computing device ( 26 ; 26 ' ) designed to estimate (S04) a distance and / or a velocity of the at least one object based on the processed sampling points. Radarvorrichtung (10; 10’) nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinrichtung (15; 15’) ausgebildet ist mit einer Empfangsmatrix-Bildungseinrichtung (16; 16’), welche zum Bilden (S31) einer Empfangsmatrix ausgelegt ist; wobei jede Spalte der Empfangsmatrix einer einzelnen Signalstruktur der ausgesendeten Radarsignale (51) derart entspricht, dass jede Spalte alle Abtastpunkte enthält, welche aus der ausgesendeten Signalstruktur resultieren; einer Korrekturmatrix-Erstellungseinrichtung (18; 18’), welche zum Erstellen (S32) von je einer spezifischen Korrekturmatrix für je eine Zeile der Matrix ausgelegt ist; einer DFT-Matrix-Erstellungseinrichtung (20; 20’), welche zum Erstellen (S33) von je einer spezifischen modifizierten Diskrete-Fouriertransformations-Matrix, DFT-Matrix, für je eine Zeile der Empfangsmatrix ausgelegt ist; und einer Matrixmultiplikationseinrichtung (22; 22’), welche dazu ausgelegt ist, eine erste Ergebnismatrix durch Multiplizieren jeder Zeile der gebildeten Matrix mit der für die entsprechende Zeile spezifischen modifizierten DFT-Matrix von rechts zu berechnen; und wobei die Recheneinrichtung (26; 26’) dazu ausgelegt ist, das Schätzen (S04) des Abstands und/oder der Geschwindigkeit des mindestens einen Objekts auf der ersten Ergebnismatrix zu basieren. ’’Radar device ( 10 ; 10 ' ) according to claim 1, wherein the processing device ( 15 ; 15 ' ) is formed with a reception matrix formation device ( 16 ; 16 ' ) adapted to form (S31) a reception matrix; wherein each column of the receive matrix of a single signal structure of the transmitted radar signals ( 51 ) such that each column contains all the sample points resulting from the transmitted signal structure; a correction matrix creator ( 18 ; 18 ' ) which is designed to create (S32) one specific correction matrix for each row of the matrix; a DFT matrix creator ( 20 ; 20 ' ) which is designed to produce (S33) in each case one specific modified discrete Fourier transformation matrix, DFT matrix, for each row of the reception matrix; and a matrix multiplier ( 22 ; 22 ' ) which is adapted to calculate a first result matrix by multiplying each line of the formed matrix by the modified line specific modified DFT matrix from the right; and wherein the computing device ( 26 ; 26 ' ) is adapted to base the estimation (S04) of the distance and / or the velocity of the at least one object on the first result matrix. '' Radarvorrichtung (10; 10’) nach Anspruch 2, wobei die Verarbeitungseinrichtung (15; 15’) eine Fourier-Transformationseinrichtung (24; 24‘) umfasst, welche dazu ausgelegt ist, durch spaltenweises Anwenden einer Fouriertransformation oder einer inversen Fouriertransformation auf jede Spalte der ersten Ergebnismatrix eine zweite Ergebnismatrix zu erzeugen; und wobei die Recheneinrichtung (26; 26’) dazu ausgelegt ist, das Schätzen (S04) des Abstands und/oder der Geschwindigkeit des mindestens Objekts auf der zweiten Ergebnismatrix zu basieren.Radar device ( 10 ; 10 ' ) according to claim 2, wherein the processing device ( 15 ; 15 ' ) a Fourier transformation device ( 24 ; 24 ' ) which is adapted to generate a second result matrix by column-wise applying a Fourier transform or an inverse Fourier transform to each column of the first result matrix; and wherein the computing device ( 26 ; 26 ' ) is adapted to base the estimation (S04) of the distance and / or the velocity of the at least object on the second result matrix. Radarvorrichtung (10; 10’) nach Anspruch 3, wobei die Recheneinrichtung (26; 26’) dazu ausgelegt ist, basierend auf der zweiten Ergebnismatrix eine Objektdetektion des mindestens einen Objekts durchzuführen.Radar device ( 10 ; 10 ' ) according to claim 3, wherein the computing device ( 26 ; 26 ' ) is adapted to perform an object detection of the at least one object based on the second result matrix. Radarvorrichtung (10; 10’) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Recheneinrichtung (26; 26’) dazu ausgelegt ist, basierend auf der zweiten Ergebnismatrix eine Winkelschätzung für das mindestens eine Objekt durchzuführen.Radar device ( 10 ; 10 ' ) according to claim 3 or 4, wherein the computing device ( 26 ; 26 ' ) is adapted to perform an angle estimation for the at least one object based on the second result matrix. Verfahren zum Schätzen eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit mindestens eines Objekts, mit den Schritten: Aussenden (S01) von Radarsignalen (51) mit einer Folge von Signalstrukturen; Erfassen (S02) von diskreten Abtastpunkten basierend auf Reflexionen (53) der ausgesendeten Radarsignale (51) an Objekten; Verarbeiten (S03) jeweils derjenigen empfangenen diskreten Abtastpunkte, welche aus einer einzelnen ausgesendeten Signalstruktur resultieren, jeweils in Abhängigkeit von dieser Signalstruktur; und Schätzen (S04) eines Abstands und/oder einer Geschwindigkeit des mindestens einen Objekts basierend auf den verarbeiteten Abtastpunkten.A method of estimating a distance and / or a velocity of at least one object, comprising the steps of: emitting (S01) radar signals ( 51 ) with a sequence of signal structures; Detecting (S02) discrete sample points based on reflections (S02) 53 ) of the transmitted radar signals ( 51 ) on objects; Processing (S03) in each case those received discrete sampling points, which result from a single transmitted signal structure, in each case depending on this signal structure; and estimating (S04) a distance and / or a velocity of the at least one object based on the processed sample points. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verarbeiten (S03) der Abtastpunkte die Schritte umfasst: Bilden (S31) einer Empfangsmatrix, von der jede Spalte einer einzelnen Signalstruktur der ausgesendeten Radarsignale (51) derart entspricht, dass jede Spalte alle Abtastpunkte enthält, welche aus der ausgesendeten Signalstruktur resultieren; Erstellen (S32) einer für je eine Zeile der Empfangsmatrix spezifischen Korrekturmatrix; Erstellen (S33) einer für je eine Zeile der Empfangsmatrix spezifischen modifizierten Diskrete-Fouriertransformations-Matrix, DFT-Matrix; wobei die für jede Zeile der Empfangsmatrix spezifische modifizierte Diskrete-Fouriertransformations-Matrix durch elementweise Multiplikation der für jede Zeile erstellten spezifischen Korrekturmatrix mit einer für alle Zeilen gleichen Diskrete-Fouriertransformations-Matrix hervorgeht; Berechnen (S34) einer ersten Ergebnismatrix durch Multiplizieren jeder Zeile der gebildeten Matrix mit der für die entsprechende Zeile spezifischen modifizierten DFT-Matrix von rechts; und wobei das Schätzen (S04) des Abstands und/oder der Geschwindigkeit des mindestens einen Objekts basierend auf der ersten Ergebnismatrix erfolgt.Method according to claim 6, wherein the processing (S03) of the sampling points comprises the steps of: forming (S31) a reception matrix from which each column of a single signal structure of the transmitted radar signals (S31) 51 ) such that each column contains all the sample points resulting from the transmitted signal structure; Creating (S32) a correction matrix specific to each row of the reception matrix; Creating (S33) a modified discrete Fourier transformation matrix, DFT matrix, specific for each line of the reception matrix; wherein the modified discrete Fourier transform matrix specific to each row of the receive matrix is derived by element-wise multiplication of the specific correction matrix created for each row with a discrete Fourier transform matrix equal to all rows; Calculating (S34) a first result matrix by multiplying each row of the formed matrix by the right-side modified modified DFT matrix for the corresponding row; and wherein estimating (S04) the distance and / or the velocity of the at least one object based on the first result matrix. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verarbeiten (S03) der Abtastpunkte ein Berechnen (S34) einer zweiten Ergebnismatrix durch spaltenweises Fourier-Transformieren oder inverses Fourier-Transformieren jeder Spalte der ersten Ergebnismatrix umfasst; und wobei das Schätzen (S04) des Abstands und/oder der Geschwindigkeit des mindestens einen Objekts auf der zweiten Ergebnismatrix basiert. Method according to claim 7, wherein processing (S03) the sampling points comprises calculating (S34) a second result matrix by column-wise Fourier transforming or inverse Fourier transforming each column of the first result matrix; and wherein estimating (S04) the distance and / or velocity of the at least one object is based on the second result matrix. Verfahren nach Anspruch 8, wobei basierend auf der zweiten Ergebnismatrix eine Objektdetektion des mindestens einen Objekts durchgeführt wird. The method of claim 8, wherein based on the second result matrix, an object detection of the at least one object is performed. Verfahren nach Anspruch 9, wobei für das bei der Objektdetektion detektierte mindestens eine Objekt eine Winkelschätzung, eine Radarquerschnittsschätzung und/oder eine Objektklassifikation durchgeführt wird. Method according to claim 9, wherein an angle estimation, a radar cross-sectional estimation and / or an object classification is carried out for the at least one object detected during the object detection.
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