DE102016207871A1

DE102016207871A1 - Azimutbestimmung mittels eines Radarsensors

Info

Publication number: DE102016207871A1
Application number: DE102016207871.2A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Loesch; Volker Gross
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2017-11-09
Also published as: CN107356920B; US10768288B2; CN107356920A; US20170322295A1

Abstract

Ein Radarsensor umfasst eine Sendeantenne, mehrere erste Empfangsantennen mit gleichen vertikalen Höhen sowie eine zweite Empfangsantenne mit einer davon verschiedenen vertikalen Höhe. Ein Verfahren zum Bestimmen des Azimutwinkels eines Objekts bezüglich des Radarsensors umfasst Schritte des Bestimmens einer Näherung für den Azimutwinkel in einem groben Raster auf der Basis der Signale aller Empfangsantennen und des Bestimmens des Azimutwinkels in einem feinen Raster auf der Basis der Signale der ersten Empfangsantennen in einem Bereich um die Näherung.

Description

Stand der Technik
Eine relative Position eines Objekts gegenüber einem Radarsensor kann bestimmt werden, indem vom Radarsensor ein Radarsignal ausgesandt und seine Reflektion am Objekt wieder empfangen wird. Die Position des Objekts wird üblicherweise auf der Basis eines Elevationswinkels, eines Azimutwinkels und einer Entfernung angegeben. Beispielsweise kann an einem Kraftfahrzeug ein Radarsensor eingesetzt werden, um in Fahrtrichtung vor dem Kraftfahrzeug liegende Objekte zu erfassen. Dabei geht man üblicherweise von einem kraftfahrzeugfesten Koordinatensystem aus. Gegenüber einer Längsachse des Kraftfahrzeugs ist der Azimutwinkel üblicherweise um die Hochachse bestimmt. In entsprechender Weise ist der Elevationswinkel um die Querachse gegenüber der Längsachse des Kraftfahrzeugs bestimmt.
Insbesondere im Nahbereich, wenn sich das Objekt weniger als ca. 100 Meter weit vom Kraftfahrzeug entfernt befindet, wird der Azimutwinkel häufig mittels SIMO (Single Input, Multiple Output) bestimmt. Dabei wird ein Radarsignal von einer Radarantenne ausgesandt und von mehreren, horizontal versetzten Empfangsantennen wieder empfangen. Phasenunterschiede zwischen den Signalen der Empfangsantennen weisen auf den Azimutwinkel hin. Je nach benötigter horizontaler Fokussierung der Empfangsantennen können diese nur relativ weit voneinander entfernt platziert werden, wobei üblicherweise Abstände im Bereich der Wellenlänge des verwendeten Radarsignals eingesetzt werden. Da üblicherweise auch die Anzahl der Empfangsantennen und der für die Empfangsantennen zur Verfügung stehende Platz begrenzt sind, kann der Azimutwinkel nur mit einer begrenzten Genauigkeit und Trennfähigkeit bestimmt werden und es können Mehrdeutigkeiten (mehrdeutige Lösungen) auftreten.
US 8,436,763 B2 zeigt eine Anordnung gleichförmig horizontal versetzter Empfangsantennen an einem Radarsensor zur Bestimmung eines Azimutwinkels eines reflektierenden Objekts.
Es kann eine zusätzliche Empfangsantenne vorgesehen sein, die eine andere vertikale Höhe als die restlichen Empfangsantennen aufweist. Dadurch kann der Elevationswinkel des Objekts bestimmt werden. Wird die zusätzliche Empfangsantenne zur Bestimmung des Azimutwinkels des Objekts herangezogen, so ergibt sich ein systematischer Winkelfehler im bestimmten Azimutwinkel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zur Bestimmung des Azimutwinkels eines Objekts mittels eines Radarsensors anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung
Ein Radarsensor umfasst eine Sendeantenne, mehrere erste Empfangsantennen mit gleichen vertikalen Höhen sowie eine zweite Empfangsantenne mit einer davon verschiedenen vertikalen Höhe. Ein Verfahren zum Bestimmen des Azimutwinkels eines Objekts bezüglich des Radarsensors umfasst Schritte des Bestimmens einer Näherung für den Azimutwinkel in einem groben Raster auf der Basis der Signale aller Empfangsantennen und des Bestimmens des Azimutwinkels in einem feinen Raster auf der Basis der Signale der ersten Empfangsantennen in einem Bereich um die Näherung.
Die Anordnung der ersten und zweiten Empfangsantennen kann eine vergrößerte Apertur aufweisen, sodass eine Winkelgenauigkeit oder eine Trennfähigkeit verbessert ist. Durch das beschriebene Zweistufenverfahren kann der Azimutwinkel des Objekts mit verringerter Rechenleistung oder größerer Verarbeitungsgeschwindigkeit gefunden werden. Eine mehrdeutige Lösung kann bereits im ersten Schritt ausgeschlossen werden und im zweiten Schritt kann die korrekte Lösung verfeinert werden.
In einer weiteren Ausführungsform können auch mehrere zweite Empfangsantennen verwendet werden, deren vertikale Höhen zueinander gleich oder verschieden sein können. Dadurch kann insgesamt ein Radarsensor mit vertikal ungleichförmig ausgerichteten Empfangsantennen verwendet werden. Ein bekannter Radarsensor kann so verbessert verwendet werden. Das Verfahren kann an unterschiedliche Radarsensoren flexibel angepasst werden.
Es ist bevorzugt, dass das Bestimmen des Azimutwinkels oder der Näherung mittels eines deterministischen Maximum-Likelihood-Verfahrens erfolgt. Dabei kann insbesondere ein Vektor der Signale der verwendeten Empfangsantennen mit gespeicherten Vektoren der Empfangsantennen für ein Referenzsignal verglichen werden. Dieser Vergleich erfolgt üblicherweise nach einer Normierung der Vektoren, um die Signalstärke aus dem Vergleich zu lassen. Der Vergleich entspricht einer Kreuzkorrelation des Skalarprodukts der komplexen normierten Vektoren. Das Antennendiagramm, also der Vektor der antennenspezifischen Referenzsignale, ist üblicherweise für eine Anzahl vorbestimmter Winkel bestimmt, die untereinander ein vorbestimmtes Raster einhalten. Je feiner das Raster ist, desto größer ist der Suchraum, sodass eine Winkelbestimmung mehr Speicher und/oder mehr Verarbeitungsleistung erfordern kann. Durch das Verwenden zweier unterschiedlich großer Raster kann im ersten Schritt eine vereinfachte Suche auf dem groben Raster durchgeführt werden und im zweiten Schritt der Suchbereich auf der Basis der im ersten Schritt bestimmten Näherung eingegrenzt werden. Insgesamt können dadurch weniger Vergleiche erforderlich sein. Die Bestimmung kann einfacher und schneller durchgeführt werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass das grobe Raster wenigstens dreimal so groß wie das feine Raster ist. Dadurch kann ein guter Kompromiss zwischen einer Einsparung von Systemressourcen und einer Fehlerfreiheit im ersten Schritt gefunden werden.
Es ist besonders bevorzugt, dass das grobe Raster im Bereich von ca. 1–2° und das feine Raster im Bereich von ca. 0,1–0,5° liegt. Der Azimutwinkel kann so im ersten Schritt auf ca. 1–2° genau genähert und im zweiten Schritt auf ca. 0,1–0,5° genau bestimmt werden.
Ein Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Ein Radarsensor umfasst eine Sendeantenne, mehrere erste Empfangsantennen in gleichen vertikalen Höhen, eine zweite Empfangsantenne in einer davon verschiedenen vertikalen Höhe, und eine Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung einer Näherung für den Azimutwinkel in einem groben Raster auf der Basis der Signale aller Empfangsantennen und des Azimutwinkels in einem feinen Raster auf der Basis der Signale der ersten Empfangsantennen in einem Bereich um die Näherung.
Die Verarbeitungseinrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung insbesondere einen programmierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller umfassen und das Verfahren kann als Computerprogrammprodukt vorliegen.
Der Radarsensor kann mit verringerten Verarbeitungsressourcen eine rasche und genaue Bestimmung des Azimutwinkels eines Objekts ermöglichen.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens eine der Antennen eine Gruppenantenne bestehend aus einem Feld von Einzel-Patches (patch antenna array) ist. Insbesondere kann das Feld von Einzel-Patches stabförmig ausgebildet sein, sodass es sich in vertikaler Richtung mehrfach länger als in horizontaler Richtung erstreckt. Ein Phasenzentrum der Antenne definiert ihre vertikale Höhe gegenüber einem Referenz-Koordinatensystem.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Unterschied der vertikalen Höhe der zweiten Empfangsantenne zu den Höhen der ersten Empfangsantennen weniger als die vertikale Erstreckung der zweiten Empfangsantenne beträgt. Besonders bevorzugt ist, dass der Unterschied weniger als die halbe vertikale Erstreckung der zweiten Empfangsantenne beträgt. Auf diese Weise kann die Anordnung der Empfangsantennen in weiter verbesserter Weise zur Bestimmung des Azimutwinkels und des Elevationswinkels eines Objekts verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 ein Blockdiagramm eines Radarsensors;
2 eine exemplarische Antennenanordnung für den Radarsensor von 1;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Azimutwinkels mittels des Radarsensors von 1;
4 Ausreißer-Wahrscheinlichkeiten bei der Azimutbestimmung nach verschiedenen Verfahren; und
5 RMSE bei der Azimutbestimmung nach verschiedenen Verfahren
darstellt.
1 zeigt einen exemplarischen Radarsensor 100, der insbesondere zur Verwendung an einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein kann. Mithilfe des Radarsensors 100 soll die Position eines Objekts 105 erfasst werden. Dabei werden üblicherweise eine Elevationswinkel, ein Azimutwinkel und eine Entfernung des Objekts 105 bestimmt. In weiteren Ausführungsformen kann auch eine Größe oder eine Bewegung des Objekts 105 bestimmt werden. Im Folgenden wird jedoch lediglich die Bestimmung des Azimutwinkels des Objekts 105 genauer beschrieben. Dazu wird ein Koordinatensystem vorausgesetzt, das üblicherweise gegenüber dem Kraftfahrzeug aufgespannt ist. Das Koordinatensystem umfasst eine Längsachse 110, eine Hochachse 115 und eine Querachse 120, die sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden und miteinander paarweise Winkel von 90° einschließen. Ein Azimutwinkel 125 des Objekts 105 ist in 1 exemplarisch angedeutet.
Der Radarsensor 100 umfasst üblicherweise eine Anordnung 130 und eine Verarbeitungseinrichtung 135. Die Antennenanordnung 130 umfasst im Allgemeinen eine Sendeantenne 140 und mehrere Empfangsantennen. In der dargestellten Ausführungsform sind zwei erste Empfangsantennen 145 und eine zweite Empfangsantenne 150 vorgesehen. Höhen der ersten Empfangsantennen 145 über der Querachse 120 sind gleich, während die Höhe der zweiten Empfangsantenne 150 unterschiedlich ist. Es können noch weitere zweite Empfangsantennen 150 vorgesehen sein, deren vertikale Abstände 155 von der Querachse 120 bzw. der Höhe der ersten Empfangsantennen 145 gleich oder unterschiedlich sein können.
Die Antennen 140, 145 und 150 sind mit einer Verarbeitungseinrichtung 135 verbunden, die das Generieren und Empfangen von Radarsignalen mittels der Antennen 140, 145, 150 steuert und auf der Basis der Antennensignale den Azimutwinkel 125 bestimmt und bevorzugt an einer Schnittstelle 160 bereitstellt.
Zum Abtasten des Objekts 105 wird mittels der Sendeantenne 140 ein Radarsignal ausgesandt und mittels der Empfangsantennen 145, 150 wieder empfangen. Phasenunterschiede zwischen den Antennensignalen der Empfangsantennen 145, 150 werden mittels eines Suchverfahrens ausgenutzt, um den Azimutwinkel 125 und ggf. den Elevationswinkel des Objekts 105 zu bestimmen.
2 zeigt eine exemplarische Antennenanordnung 130 für den Radarsensor 100 von 1. Zusätzlich zur Sendeantenne 140 sind eine erste und eine zweite Fernbereichs-Sendeantenne 205 vorgesehen. Außerdem sind in der dargestellten Ausführungsform drei erste Empfangsantennen 145 und eine zweite Empfangsantenne 150 vorgesehen. Phasenzentren der Antennen 140, 145, 150, 205 sind jeweils dunkel gekennzeichnet. Die vertikale Richtung der Darstellung von 2 verläuft parallel zur Hochachse 115 und die horizontale Richtung der Darstellung parallel zur Querachse 120.
Alle dargestellten Antennen 140, 145, 150, 205 sind bevorzugt als phasengesteuerte Felder, insbesondere streifenförmige Phased-Array-Antennen ausgeführt. Dadurch kann eine beabsichtigte Richtwirkung für Radarsignale einfach umgesetzt werden. Vertikale Höhen der ersten Empfangsantennen 145 sind gleich, wobei horizontale Abstände der drei dargestellten Antennen unterschiedlich sein können. Die Fernbereichs-Sendeantennen 205 können zusammen mit der Sendeantenne 140 im Fernbereich des Objekts 105 im MIMO-Verfahren eingesetzt werden. Im Nahbereich werden die Sendeantennen 205 bevorzugt nicht verwendet und mittels der einzigen Sendeantenne 140 wird ein SIMO-Verfahren durchgeführt. Eine vertikale Höhe der Sendeantenne 140 kann gegenüber den Höhen der ersten Empfangsantennen 145 oder der zweiten Empfangsantenne 150 versetzt sein.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Bestimmen des Azimutwinkels 125 mittels des Radarsensors 100 von 1. Das Verfahren 300 kann insbesondere auf der Verarbeitungseinrichtung 135 ablaufen.
In einem ersten Schritt 305 wird mittels der Sendeantenne 140 ein Radarsignal in Richtung des Objekts 105 ausgesandt. In einem Schritt 310 wird eine Reflektion des ausgesandten Radarsignals mittels der Empfangsantennen 145, 150 empfangen. Ist eine Dejustage einer der Empfangsantennen 145, 150 bekannt, so kann diese appliziert werden, bevor auf der Basis der Antennensignale aller Empfangsantennen 145, 150 eine Näherung für den Azimutwinkel 125 in einem groben Raster bestimmt wird. Das Bestimmen kann insbesondere mittels eines Maximum-Likelihood-Verfahrens durchgeführt werden, bei dem ein Antennendiagramm mit dem Messsignal vergleichen wird. Dies entspricht einer Kreuzkorrelation des Skalarprodukts der komplexen normierten Vektoren. Dabei wird ein Winkelraster angenommen, das im Schritt 310 relativ grob ist und bevorzugt im Bereich von ca. 1–2° liegt.
In einem Schritt 320 wird dann die Bestimmung des Azimutwinkels 125 in einem Bereich um die zuvor bestimmte Näherung des Schritts 315 in einem feinen Raster durchgeführt. Das feine Raster kann beispielsweise ca. 0,1–0,5° betragen. Da die Suche im Schritt 320 nur in einem vorbestimmten Bereich von beispielsweise ±5° um die zuvor bestimmte Näherung durchgeführt werden muss, kann dieser Schritt mit wenig Aufwand zügig durchgeführt werden.
Anschließend kann der bestimmte Azimutwinkel 125 bereitgestellt werden, und zwar beispielsweise mittels der Schnittstelle 160.
3 und 4 zeigen Ergebnisse einer Simulation des Verfahrens 300 von 3 im Vergleich mit einem ersten Vergleichsverfahren 405, bei dem der Azimutwinkel 125 auf klassische Weise undifferenziert mittels der Empfangsantennen 145 und 150 bestimmt wird, und einem zweiten Vergleichsverfahren 410, bei dem der Elevationswinkel 125 lediglich auf der Basis der Signale der Empfangsantennen 145 bestimmt wird. Der Simulation ist dabei die geometrische Aufteilung der Antennenanordnung 130 von 2 zugrunde gelegt. In den 4 und 5 sind jeweils neun Diagramme dargestellt, die auf unterschiedlichen Phasenunterschieden Δϕ basieren, die jeweils oben an jedem Diagramm angegeben sind. Ein Phasenunterschied Δϕ von 9° entspricht hier einem Elevationswinkel von ca. 1°. In horizontaler Richtung ist jeweils das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) angetragen. In 4 sind in vertikaler Richtung Ausreißer-Wahrscheinlichkeiten in Prozent und in 5 die Wurzeln der mittleren Fehlerquadrate (RMSE: Root Mean Square Error) angetragen.
Es wird deutlich, dass das vorgeschlagene Verfahren 300 bessere Ergebnisse als die beiden Vergleichsverfahren 405 und 410 liefert, solange der Phasenunterschied nicht mehr als ca. 45° beträgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8436763 B2 [0003]

Claims

Verfahren (300) zum Bestimmen des Azimutwinkels (125) eines Objekts 105 bezüglich eines Radarsensors (100) mit einer Sendeantenne (140) und mehreren Empfangsantennen (145, 150), wobei mehrere erste Empfangsantennen (145) gleiche vertikale Höhen und eine zweite Empfangsantenne (150) eine davon verschiedene vertikale Höhe aufweist und das Verfahren (300) folgende Schritte umfasst: – Bestimmen (315) einer Näherung für den Azimutwinkel (125) in einem groben Raster auf der Basis der Signale aller Empfangsantennen (145, 150); und – Bestimmen (320) des Azimutwinkels (125) in einem feinen Raster auf der Basis der Signale der ersten Empfangsantennen (145) in einem Bereich um die Näherung.
Verfahren (300) nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen (315, 320) des Azimutwinkels (125) oder der Näherung mittels eines deterministischen Maximum-Likelihood-Verfahrens (300) erfolgt.
Verfahren (300) nach Anspruch 2, wobei das grobe Raster wenigstens drei Mal so groß wie das feine Raster ist.
Verfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das grobe Raster im Bereich von ca. 1–2° und das feine Raster im Bereich von ca. 0,1–0,5° liegt.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung (135) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Radarsensor (100), umfassend: – eine Sendeantenne (140); – mehrere erste Empfangsantennen (145) in gleichen vertikale Höhen; – eine zweite Empfangsantenne (150) in einer davon verschiedenen vertikalen Höhe; und – eine Verarbeitungseinrichtung (135) zur Bestimmung (315, 320) einer Näherung für den Azimutwinkel (125) in einem groben Raster auf der Basis der Signale aller Empfangsantennen (145, 150); und des Azimutwinkels (125) in einem feinen Raster auf der Basis der Signale der ersten Empfangsantennen (145) in einem Bereich um die Näherung.
Radarsensor (100) nach Anspruch 6, wobei mindestens eine der Antennen (140, 145, 150) eine Gruppenantenne bestehend aus einem Feld von Einzel-Patches ist..
Radarsensor (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Unterschied (155) der vertikalen Höhe der zweiten Empfangsantenne (150) zu den Höhen der ersten Empfangsantennen (145) weniger als die vertikale Erstreckung der zweiten Empfangsantenne (150) beträgt.