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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Radarsysteme zur Messung von Abstand, Relativgeschwindigkeit und Winkel von Objekten wie etwa Fahrzeugen oder Hindernissen werden zunehmend in Kraftfahrzeugen für Sicherheits- und Komfortfunktionen eingesetzt. Dabei finden zunehmend sogenannte MIMO-Systeme (MIMO: Multiple Input Multiple Output) Verwendung, bei denen mehrere Sende- und Empfangsantennen eingesetzt werden. Mithilfe des MIMO-Prinzips lassen sich besonders genaue Winkelmessungen vornehmen, wobei die für die Winkelmessung wichtige Antennenapertur, d. h. eine Antennenfläche, virtuell vergrößert wird. Dabei senden mehrere Sendeantennen unbeeinflusst voneinander ihre Signale aus. Diese Signale werden in den Empfangskanälen getrennt. Die virtuelle Vergrößerung der Apertur kommt dadurch zustande, dass der Abstand der Sendeantennen zu den Empfangsantennen unterschiedlich ist und somit rechnerisch so verfahren werden kann, als ob nur eine Sendeantenne vorhanden wäre, wobei sich die Zahl der Empfangsantennen vervielfältigt und sich somit virtuell eine größere Antennenapertur ergibt.
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Die Trennung der Signale der verschiedenen Sendeantennen kann im Frequenz- oder Zeitbereich erfolgen. Die Trennung im Frequenzbereich, auch Frequency Division Multiplex oder kurz FDM genannt, erfolgt typischerweise dadurch, dass verschiedene Sendeantennen zum gleichen Zeitpunkt verschiedene Frequenzbereiche belegen. Dadurch reduziert sich jedoch die verfügbare Bandbreite pro Sendekanal. Die Abstandstrennfähigkeit eines Radarsystems ist direkt proportional zu seiner Bandbreite. Somit sinkt die Abstandstrennfähigkeit bei konventionellem Frequenzmultiplex.
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Die Trennung der Sendeantennen erfolgt daher häufig im Zeitbereich, d. h., die Antennen senden nacheinander im Zeitmultiplex, auch Time Division Multiplex oder kurz TDM genannt. Durch die sequenzielle Messung erhöht sich allerdings die Messzeit, sodass sich Objekte während der erhöhten Messzeit schon deutlich bewegt haben können, was die Genauigkeit der Messung vermindern kann. Außerdem wird bei einem solchen Zeitmultiplex der zeitliche Abstand zwischen zwei sequenziellen Messungen der jeweiligen Sendeantenne vergrößert, was zu einer Verringerung des maximal eindeutig messbaren Geschwindigkeitsbereiches führen kann.
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Die obigen Ausführungen gelten unabhängig vom eingesetzten Modulationsverfahren. Typische Sendefrequenzen liegen heute bei 24 oder 77 GHz. Die maximal belegbaren Bandbreiten liegen bei bis zu 4 GHz, typischerweise aber deutlich darunter, beispielsweise bei 0,5 GHz.
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Heutige Kfz-Radarsysteme setzen in der Regel eine FMCW-Modulation ein (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave Radar), bei der nacheinander mehrere lineare Frequenzrampen unterschiedlicher Steigung durchlaufen werden. Die Mischung des aktuellen Sendesignals mit dem Empfangssignal ergibt ein niederfrequentes Signal, dessen Frequenz zum Abstand proportional ist, das aber noch eine additive oder subtraktive Komponente durch eine Dopplerfrequenz, die zur Relativgeschwindigkeit proportional ist, enthält. Die Trennung von Abstands- und Geschwindigkeitsinformation mehrerer Ziele erfolgt in der Regel durch ein relativ kompliziertes und daher fehleranfälliges Verfahren, bei dem die Ergebnisse der verschiedenen Rampen mit den Ergebnissen früherer Messzyklen verglichen werden.
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Neuere Systeme
US 20150331096 A1 setzen auf eine FMCW-Modulation mit deutlich schnelleren Rampen, auch als Fast-Chirp-Modulation bekannt, wodurch die Dopplerverschiebung innerhalb einer Rampe vernachlässigbar wird. Die gewonnene Abstandsinformation ist weitgehend eindeutig. Eine Dopplerverschiebung kann anschließend durch Beobachtung der zeitlichen Entwicklung der Phase des komplexen Abstandssignals bestimmt werden. Die Abstandsbestimmung und die Geschwindigkeitsbestimmung finden unabhängig voneinander statt, in der Regel mit zweidimensionaler Fourier-Transformation.
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Zukünftig werden auch digital erzeugte Modulationsverfahren eine wichtige Rolle in Kfz-Radarsystemen spielen. Digitale Modulationsverfahren wie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) werden bereits heute in vielen Anwendungen wie WLAN, LTE oder DVB-T erfolgreich für Kommunikationszwecke eingesetzt. Beispielsweise können durch sequenzielles Senden von OFDM-Symbolen Abstands- und Geschwindigkeitsauswertungen unabhängig voneinander durchgeführt werden. Ähnlich wie bei Fast-Chirp-Systemen werden auch hier die Abstands- und Geschwindigkeitsmessungen unabhängig voneinander durchgeführt. Dafür kann beispielsweise eine zweidimensionale Fourier-Transformation eingesetzt werden, wobei die gesendeten Modulationssymbole vorab eliminiert werden sollten. Alternativ kann die Geschwindigkeitsmessung mit Fourier-Transformation und die Abstandsmessung mit Matched Filtering durchgeführt werden.
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Fast-Chirp- und OFDM-Radarsystemen liegt ein gemeinsames Messprinzip zur Abstands- und Geschwindigkeitsmessung zugrunde, denn bei beiden Systemen entsteht nach der analogen bzw. digitalen Demodulation eine zweidimensionale Schwingung, deren Frequenz in einer Dimension zum Abstand und in anderer Dimension zur Dopplerfrequenz, d. h. zur Geschwindigkeit der Ziele, proportional ist. Bei der Erweiterung dieser Radarsysteme mit MIMO-Ansatz zur verbesserten Winkelschätzung ist eine Trennung der Sendeantennen erforderlich. Das einfache TDM-Multiplexverfahren zur Trennung der Sendeantennen führt jedoch in der Regel zu den oben beschriebenen Einschränkungen.
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Es sind somit MIMO-Radarsysteme mit unabhängiger Abstands- und Geschwindigkeitsschätzung, beispielsweise Fast-Chirp- oder OFDM-Radarsysteme, bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zur Erfassung eines Parameters eines Objektes mittels Radar, eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, und ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Es wird ein Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Parameters eines Objektes mittels Radar mit folgenden Schritten vorgestellt:
- Senden zumindest eines ersten Radarsignals mittels zumindest einer ersten Sendeeinheit und eines zweiten Radarsignals mittels einer zweiten Sendeeinheit entsprechend einem Senderaster aus einer Mehrzahl erster Sendeintervalle, in dem jeweils das erste Radarsignal gesendet wird, und einer Mehrzahl zweiter Sendeintervalle, in dem jeweils das zweite Radarsignal gesendet wird, wobei in dem Senderaster erste Sendeintervalle zumindest zeitweise nicht-äquidistant beabstandet sind und/oder zweite Sendeintervalle zumindest zeitweise nicht-äquidistant beabstandet sind;
- Empfangen zumindest eines dem ersten Radarsignal der ersten Sendeeinheit zugeordneten ersten Antwortsignals und eines dem zweiten Radarsignal der zweiten Sendeeinheit zugeordneten zweiten Antwortsignals durch eine Empfangseinheit; und
- Auswerten des ersten Antwortsignals und des zweiten Antwortsignals unter Verwendung des Senderasters, um zumindest einen Parameter des Objekts zu ermitteln.
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Beispielsweise können im Schritt des Sendens die ersten Sendeintervalle je eine erste zeitliche Breite und die zweiten Sendeintervalle je eine von der ersten zeitlichen Breite abweichende zweite zeitliche Breite aufweisen und/oder die ersten Sendeintervalle und die zweiten Sendeintervalle in dem Senderaster in unregelmäßiger Reihenfolge sequenziell aneinandergereiht sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird hier unter Verwendung von zwei Sendern bzw. zwei Sendesignalen vorgestellt, wobei offensichtlich ist, dass auch mehr als zwei Sender bzw. Sendesignale bei analoger Ausgestaltung der Schritte des Empfangens und Auswertens verwendet werden können. Unter einem ersten und einem zweiten Radarsignal kann beispielsweise je ein Rampensignal mit zeitabhängig zunehmender Frequenz, auch Chirp-Signal genannt, verstanden werden. Unter einer ersten und einer zweiten Sendeeinheit kann beispielsweise je eine einen eigenen Sendekanal repräsentierende Sendeantenne eines MIMO-Radarsystems verstanden werden. Unter einer Empfangseinheit kann eine einen Empfangskanal repräsentierende Empfangsantenne verstanden werden. Unter einem Sendeintervall kann ein Zeitabschnitt verstanden werden, in dem Radarsignale von den Sendeeinheiten ausgesendet werden. Unter einer (zeitlichen) Breite kann vorliegend beispielsweise eine zeitliche Länge verstanden werden. Unter einem zumindest zweiweisen nicht-äquidistanten Abstand von Sendeintervallen kann verstanden werden, dass beispielsweise innerhalb eines Zeitfensters ein erster Abstand von ersten Sendeintervallen größer oder kleiner als ein zweiter Abstand von ersten Sendeintervallen ist. Zusätzlich oder alternativ kann auch innerhalb eines Zeitfensters ein erster Abstand von zweiten Sendeintervallen größer oder kleiner als ein zweiter Abstand von zweiten Sendeintervallen sein. Unter einer unregelmäßigen Reihenfolge kann insbesondere eine zufällig oder pseudozufällig generierte Reihenfolge verstanden werden. Die Sendeintervalle können sich beispielsweise unterbrechungsfrei aneinanderreihen. Unter einem Parameter des Objekts, der ermittelt wird, kann beispielsweise ein Abstand, eine Geschwindigkeit und/oder ein Winkel des Objekts in Bezug zu einer Sende- und/oder Empfangseinheit verstanden werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass die Verwendung der nicht-äquidistanten Sendeintervalle im Senderaster es nun ermöglicht, mehrere Antennen zu betreiben und hierbei den Bereich der eindeutig messbaren Dopplerfrequenzen (Geschwindigkeiten) jeder Sendeeinheit zu maximieren. Dabei kann der ursprünglich eindeutige Messbereich der Dopplerfrequenzen pro Sendeeinheit beibehalten werden, wobei auch die erforderliche Messzeit nicht verlängert wird. Das ermöglicht die Verwendung von mehr Sendeantennen, da der Betrieb mehrerer Sendeeinheiten den eindeutig messbaren Bereich der Dopplerfrequenzen nicht reduziert. Auf diese Weise können die Sendeintervalle der ersten und der zweiten Sendeantennen in an sich unterschiedlichen Abständen ausgelegt werden, und auch die Breite jedes Sendeintervalls unterschiedlich sein kann. Somit entsteht für die mittleren Zeitpunkte der ersten Sendeintervalle eine nicht äquidistante Auslegung, was sich von denen zweiter Sendeintervalle unterscheidet. Die Auslegungsmuster können beispielsweise komplementär sein. Die nicht-äquidistanten Phasenzentren der Sendeintervalle pro Sendeantenne führen zu nicht-äquidistanten und dafür eindeutigen DopplerMessungen pro Sendekanal. Werden die Breiten der Sendeintervalle gleich gewählt, entsteht ein äquidistantes Senderaster, worin die Sendeintervalle der ersten und der zweiten Sendeantenne nicht äquidistant verteilt werden. Diese führt pro Sendekanal zu nicht-äquidistanten Dopplermessungen in einem Raster.
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Insbesondere kann ein derartiges Verfahren modulationsunabhängig für MIMO-Radarsysteme mit unabhängiger Abstands- und Geschwindigkeitsschätzung, beispielsweise Fast-Chirp- oder OFDM-Radarsysteme, eingesetzt werden. Dadurch können Unzulänglichkeiten herkömmlicher Zeit- oder Frequenzmultiplexsysteme, wie lange Messzeiten oder ein begrenzter Geschwindigkeitsmessbereich, umgangen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform können im Schritt des Sendens zeitlich gleich lange erste und zweite Sendeintervalle ausgesandt werden, was beispielsweise einem äquidistanten Senderaster entspricht. Dadurch kann mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand eine Ermittlung der Parameter der Objekte erreicht werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn sich im Schritt des Sendens eine Breite der ersten Sendeintervalle zumindest teilweise von einer Breite der zweiten Sendeintervalle unterscheidet. Hierdurch kann die Steilheit der Senderampe reduziert werden, wobei dennoch ein benötigter Eindeutigkeitsbereich erhalten bleibt und eine kosteneffiziente Realisierung dieser Ausführungsform ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Sendens ein Rampensignal als das erste Radarsignal gesendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch das zweite Radarsignal in Form eines Rampensignals gesendet werden. Unter einem Rampensignal kann ein Signal mit zeitlich änderbarer Frequenz, insbesondere ein Chirp mit zeitlich linear zunehmender oder abfallender Frequenz, verstanden werden. Hierdurch kann eine präzise Abstandsschätzung bei geringem Hardwareaufwand erreicht werden.
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Von Vorteil ist zudem, wenn im Schritt des Auswertens das erste Antwortsignal oder, zusätzlich oder alternativ, das zweite Antwortsignal in zumindest ein Empfangsspektrum transformiert wird. Das Empfangsspektrum kann ausgewertet werden, um einen Abstand oder ein Abstandsprofil des Objekts zu ermitteln. Die Transformation der Antwortsignale in den Frequenzbereich kann beispielsweise mittels einer schnellen Fourier-Transformation erfolgen. Dadurch wird eine schnelle und effiziente Abstandsschätzung zur Ortung des Objekts ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Auswertens das erste Antwortsignal entsprechend dem Senderaster aufgeteilt werden, um ein erstes Aufteilungsergebnis zu erhalten, in dem Abschnitte, die keinem ersten Sendeintervall des Senderasters zuordenbar sind, ausgeblendet sind. Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Antwortsignal entsprechend dem Senderaster aufgeteilt werden, um ein zweites Aufteilungsergebnis zu erhalten, in dem Abschnitte, die keinem zweiten Sendeintervall des Senderasters zuordenbar sind, ausgeblendet sind. Das erste Aufteilungsergebnis oder das zweite Aufteilungsergebnis kann ausgewertet werden, um eine Geschwindigkeit oder ein Geschwindigkeitsprofil des Objekts zu ermitteln. Das Ausblenden der ersten oder zweiten Sendeintervalle kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die jeweiligen Abschnitte mit Nullen befüllt werden. Durch diese Ausführungsform wird eine einfache und effiziente Auswertung der Aufteilungsergebnisse etwa mittels schneller Fourier-Transformation ermöglicht.
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Des Weiteren kann im Schritt des Auswertens das Auswerten des Empfangsspektrums vor dem Auswerten des ersten Aufteilungsergebnisses oder, zusätzlich oder alternativ, des zweiten Aufteilungsergebnisses erfolgen. Dadurch können die Anforderungen an einen erforderlichen Dynamikbereich bei der Geschwindigkeitsermittlung deutlich reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Auswertens das erste Aufteilungsergebnis in ein erstes Geschwindigkeitsspektrum transformiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Aufteilungsergebnis in ein zweites Geschwindigkeitsspektrum transformiert werden. Dementsprechend kann das erste Geschwindigkeitsspektrum oder das zweite Geschwindigkeitsspektrum ausgewertet werden, um die Geschwindigkeit zu ermitteln. Unter einem Geschwindigkeitsspektrum kann ein durch Fourier-Transformation, beispielsweise durch schnelle Fourier-Transformation, erzeugtes Geschwindigkeitsprofil verstanden werden. Durch diese Ausführungsform kann die Effizienz der Auswertung weiter gesteigert werden.
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Insbesondere können im Schritt des Auswertens das erste Geschwindigkeitsspektrum und das zweite Geschwindigkeitsspektrum integriert werden, um ein Integrationsergebnis zu erhalten. Die Geschwindigkeit kann unter Verwendung des Integrationsergebnisses ermittelt werden. Dadurch können Nebenkeulen, die aus der ungleichförmigen Aufteilung der Sendeintervalle auf die Sendeeinheiten resultieren, effektiv unterdrückt werden.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit beispielsweise ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch die Vorrichtung ferner eine Steuerung eines Fahrzeugs. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise auf Sensorsignale wie Beschleunigungs-, Druck-, Lenkwinkel- oder Umfeldsensorsignale zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie Brems- oder Lenkaktoren oder ein Motorsteuergerät des Fahrzeugs.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 ein Blockschaltbild eines Fast-Chirp-Radarsystems;
- 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 ein Diagramm zur Darstellung eines Senderasters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 ein Diagramm zur Darstellung eines mittels einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel ermittelten Geschwindigkeitsprofils; und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung von vorteilhaften Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Fast-Chirp-Radarsystems 100 bestehend aus einer Einheit 102 zur sequenziellen Generierung von Rampen, einem HF-Modulator 104, einer Sendeantenne 106, einer Empfangsantenne 108, einer Einheit 110 zur Mischung mit der Senderampe, einem Analog-digital-Wandler 112 sowie einer Auswerteeinheit 114. Die von der Sendeantenne 106 ausgesandte Senderampe wird von einem Ziel 116 reflektiert. Dieser Reflex wird von der Empfangsantenne 108 empfangen und in den nachgeschalteten Einheiten 110, 112, 114 in geeigneter Weise aufbereitet und ausgewertet. Ferner kann das Chirp-Sendesignal direkt in der HF-Band generiert werden, beispielsweise mithilfe eines PLLs.
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Im Folgenden wird ein Fast-Chirp-Verfahren für eine Sendeantenne beschrieben und anschließend mittels eines MIMO-Multiplexverfahrens gemäß dem hier vorgestellten Ansatz erweitert.
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Durch die Sendeeinrichtung 106 werden Radarsignale mit steigender Frequenz, sogenannte Chirp-Signale, sequenziell generiert und gesendet. Die gesendeten Signale werden von den Objekten 116 in der Umgebung reflektiert und durch das Radarsystem empfangen. Das empfangene Signal besteht aus zeitlich verschobenen, im Fall bewegter Objekte auch frequenzverschobenen überlagerten Reflexionen. Diese werden durch eine Mischung mit der Senderampe in den niederfrequenten Bereich gebracht, wo die Frequenz jeder Reflexion dem Abstand zu dem reflektierenden Objekt entspricht. Danach erfolgt eine Tiefpassfilterung, um die Reflexionen von entfernten Objekten, die außerhalb des Sichtbereichs des Radarsensors liegen, zu unterdrücken. Das tiefpassgefilterte analoge Signal wird mit Analog-digital-Wandlern 112 abgetastet. Für eine Messung mit unabhängiger Abstands- und Geschwindigkeitsauswertung wird dieses Vorgehen beispielsweise mehrmals wiederholt, d. h., es werden mehrere Rampen ausgewertet. Dabei findet die Abstandsauswertung durch eine Frequenzschätzung innerhalb der einzelnen Rampen statt, während die Geschwindigkeitsschätzung durch die Auswertung der Phasenverläufe über die Rampen hinweg erfolgt.
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Demgegenüber schafft der hier vorgestellte Ansatz ein spezielles Multiplexingverfahren für MIMO-Radarsysteme mit unabhängiger Abstands- und Geschwindigkeitsbestimmung, bei dem der eindeutig messbare Abstands- und Geschwindigkeitsbereich sowie die Abstands- und Geschwindigkeitstrennfähigkeit trotz der Verwendung mehrerer Sendeantennen erhalten bleiben. Dies wird dadurch erreicht, dass die Sendeantennen sequenziell nacheinander senden und somit ohne gegenseitige Störungen operieren können, aber die Aufteilung der Zeitintervalle zum Senden auf eine nicht äquidistante Weise geschieht, beispielsweise pseudozufällig. Die Aufteilung der Zeitintervalle soll dabei so erfolgen, dass der Eindeutigkeitsbereich in Geschwindigkeitsrichtung für jede Sendeantenne erhalten bleibt. Vorteilhaft ist dabei die Anordnung der Zeitintervalle in einem äquidistanten Raster, da dadurch besonders kostengünstige Realisierungen mit langsameren Analog-digital-Wandlern und einer effizienten FFT-Auswertung (FFT: Fast Fourier Transform) möglich sind. Die Aufteilung soll auch so erfolgen, dass die komplette Messzeit eines Messzyklus für jede Sendeantenne zur Verfügung steht. Somit wird die maximale Geschwindigkeitstrennfähigkeit für jede Sendeantenne erreicht. Da die Sendeantennen im Zeitbereich aufgeteilt nacheinander senden, steht ferner jeder Antenne die komplette Bandbreite zur Verfügung. Somit bleibt sowohl der Abstandseindeutigkeitsbereich als auch die Abstandstrennfähigkeit für jede Antenne unverändert. Zusammengefasst hat das hier vorgestellte Multiplexingverfahren den Vorteil, dass durch die Nutzung mehrerer Sendeantennen besonders genaue Winkelmessungen ermöglicht werden, wobei die restlichen Radarparameter wie Abstands- und Geschwindigkeitseindeutigkeitsbereich oder Abstand- und Geschwindigkeitstrennfähigkeit bei allen Sendeantennen maximal bleiben.
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Die Abstandsauswertung wird für jede einzelne Signalstruktur, d. h. beispielsweise für jede Rampe oder jedes OFDM-Symbol, durchgeführt, etwa mit einer Fourierauswertung. Die Geschwindigkeitsschätzung erfolgt beispielsweise über die Auswertung eines Phasenverlaufs über die Signalstrukturen hinweg. Da aber die einzelnen Signalstrukturen von unterschiedlichen Sendeantennen gesendet werden und somit nicht phasenkohärent sind, werden die Signalstrukturen vor der Geschwindigkeitsschätzung aufgeteilt und entsprechend der Sendeaufteilung, d. h. dem Multiplexingschema, gruppiert. Dabei fehlen im Messsignal der jeweiligen Sendeantennen die Signalstrukturen zu denjenigen Zeitpunkten, zu denen die anderen Sendeantennen aktiv waren. Diese Lücken werden mit Nullen gefüllt und damit wird die Geschwindigkeitsauswertung für das Empfangssignal jeder Sendeantenne durchgeführt, etwa mit einer Fourier-Auswertung. Daraus ergeben sich die gesuchten Objektechos mit Maxima an den entsprechenden Abstands- und Geschwindigkeitspositionen, aber auch Nebenkeulen wegen der fehlenden Signalstrukturen, d. h. Mehrdeutigkeiten. Um den negativen Einfluss dieser Nebenkeulen auf den Dynamikbereich in der Geschwindigkeitsschätzung zu verhindern, können diese mit passenden Auswertealgorithmen beseitigt oder vermindert werden. Die weitere Verarbeitung der Echos erfolgt nach klassischem Schema: Detektion und Berechnung von Abstand, Geschwindigkeit und Winkel der Zielobjekte.
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Im Folgenden wird das Multiplexingverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes im Einsatz mit einem Fast-Chirp-Radarsystem mit unabhängiger Abstands- und Geschwindigkeitsauswertung und zwei Sendeantennen beschrieben. Der hier vorgestellte Ansatz eignet sich analog jedoch auch zur Anwendung mit anderen Modulationsverfahren mit unabhängiger Abstands- und Geschwindigkeitsauswertung wie etwa OFDM-Radarsystemen sowie mit mehr als zwei Sendeantennen.
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2 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel, hier beispielhaft in Form eines Fast-Chirp-MIMO-Radarsystems mit einer ersten Sendeeinheit 202 zum Senden eines ersten Radarsignals 204 und einer zweiten Sendeeinheit 206 zum Senden eines zweiten Radarsignals 208. Das in der 2 beschriebene Ausführungsbeispiel lässt sich jedoch mit dem Verfahren auch auf die Verwendung einer beliebigen Anzahl von Sendeeinheiten analog erweitern. Bei den Radarsignalen 204, 208 handelt es sich beispielsweise um Rampensignale, die mittels einer entsprechenden Generierungseinheit 210 zum Generieren von Rampen und einer zwischen die Generierungseinheit 210 und die Sendeeinheiten 202, 204 geschalteten HF-Modulatoreinheit 212 erzeugt werden. Die beiden Radarsignale 204, 208 werden dabei unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Senderasters, gesendet. Das Senderaster ist entsprechend der Anzahl der Sendeeinheiten 202, 206 aus einer Mehrzahl erster Sendeintervalle, in dem jeweils das erste Radarsignal 204 gesendet wird, und einer Mehrzahl zweiter Sendeintervalle, in dem jeweils das zweite Radarsignal 208 gesendet wird, zusammengesetzt, wobei in dem Senderaster erste Sendeintervalle zumindest zeitweise nicht-äquidistant beabstandet sind und/oder zweite Sendeintervalle zumindest zeitweise nicht-äquidistant beabstandet sind. Je nach Ausführungsbeispiel sind die ersten Sendeintervalle und die zweiten Sendeintervalle entweder gleich oder unterschiedlich breit. Zusätzlich oder alternativ reihen sich die Sendeintervalle in einer unregelmäßigen, beispielsweise pseudozufälligen Reihenfolge in dem Senderaster aneinander. Weisen die ersten und zweiten Sendeintervalle jeweils die gleiche Breite auf, so können sich beispielsweise auch mehrere erste bzw. mehrere zweite Sendeintervalle unmittelbar aneinanderreihen, um zur pseudozufälligen Aufteilung des Senderasters zu gelangen.. Die beiden Radarsignale 204, 208 werden von dem Objekt 214 in Form entsprechender Antwortsignale 216, 218 reflektiert und von einer Empfangseinheit 220 der Vorrichtung 200, auch Empfangsantenne genannt, empfangen. Die Auswertung der Antwortsignale 216, 218 zur Ortung des Objekts 214, etwa zur Ermittlung eines Abstands oder einer Geschwindigkeit des Objekts 214 oder zur Winkelmessung bezüglich des Objekts 214, erfolgt in einer entsprechenden Auswerteeinheit 222 der Vorrichtung 200 unter Verwendung des Senderasters.
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Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die beiden Antwortsignale 216, 218 in einer optionalen Mischereinheit 224 mit den Senderampen gemischt, d. h., es erfolgt ein Abgleich der empfangenen Antwortsignale 216, 218 mit dem Senderaster, wie es nachfolgend anhand von 3 näher beschrieben wird. Die Mischereinheit 224 ist beispielsweise über eine Analog-digital-Wandlereinheit 226 mit der Auswerteeinheit 222 verbunden.
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Eine Abstands- und Geschwindigkeitsauswertung wird in der Regel mithilfe einer zweidimensionalen Fourier-Transformation durchgeführt. Die Fourier-Transformation über einzelnen Rampen liefert die Abstandsprofile, während die Fourier-Transformation über die Rampen hinweg die Geschwindigkeitsprofile liefert. Nach der zweidimensionalen Fourier-Transformation entsteht ein zweidimensionales Radarbild, in dem für jedes Ziel ein lokales Maximum vorhanden ist.
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Im Fall von MIMO-Fast-Chirp-Radar werden die Radarsignale von mehreren Sendeantennen übertragen, wodurch eine verbesserte Winkelschätzung ermöglicht wird. Die Senderampen werden gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ungleichförmig auf die Sendeantennen aufgeteilt, sodass nicht äquidistante Sequenzen für jede Sendeantenne entstehen. Dieses Prinzip ist in 2 grafisch dargestellt.
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Dabei erfolgt die Aufteilung der Senderampen beispielsweise so, dass die Senderampen in einem äquidistanten Raster, aber ungleichförmig aufgeteilt werden. Alternativ erfolgt die Aufteilung mittels eines Rasters mit beliebiger nicht äquidistanter Aufteilung. In diesem Fall ist die Signalverarbeitung jedoch komplexer und die herkömmliche Fourier-Auswertung mittels FFT kann in der Regel nicht durchgeführt werden. Daher wird im Folgenden bevorzugt auf ein Ausführungsbeispiel mit ungleichförmiger Aufteilung in einem äquidistanten Raster näher eingegangen, obwohl beide Ansätze grundsätzlich möglich sind.
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Werden die Rampen in einem äquidistanten Raster ungleichförmig aufgeteilt, so werden die Positionen beispielsweise so gewählt, dass der erforderliche Eindeutigkeitsbereich, etwa der ursprüngliche, d. h. für eine Sendeantenne, in Geschwindigkeitsrichtung erhalten bleibt. Dies wird beispielsweise direkt durch unmittelbar aufeinanderfolgende Zeitintervalle für je eine Sendeantenne erreicht. Alternativ erfolgt die Aufteilung der Zeitintervalle je Sendeantenne so, dass nie unmittelbar aufeinanderfolgende Zeitintervalle benötigt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Steilheit der Senderampen reduziert werden kann und dennoch der benötigte Eindeutigkeitsbereich erhalten bleibt und somit kosteneffizientere Realisierungen möglich sind. Eine solche Aufteilung ist in 3 beispielhaft für 64 Rampen dargestellt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird jede Rampe in dem in 2 gezeigten Auswerteblock mittels FFT transformiert, wodurch die Abstandsprofile entstehen. Danach wird das Signal gemäß der Sendeaufteilung aufgeteilt, wobei die Werte für die nicht vorhandenen Rampen, d. h. die Rampen anderer Sendeantennen, beispielsweise mit Nullen befüllt werden. Anschließend wird eine Geschwindigkeitsschätzung durchgeführt, typischerweise mittels FFT, die Peaks an den entsprechenden Geschwindigkeitspositionen für die vorhandenen Ziele liefert. Dabei entstehen wegen der fehlenden, mit Nullen befüllten Messwerte Nebenkeulen, die jedoch in einer nachfolgend anhand von 4 beschriebenen Weise unterdrückt werden können.
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3 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Senderasters 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa eines vorangehend anhand von 2 beschriebenen Senderasters. Gezeigt ist eine Aufteilung von Zeitintervallen auf zwei Sendeantennen bei 64 Rampen. Das Senderaster 300 entspricht einer sequenziellen Aneinanderreihung einer Mehrzahl erster Streifen 302, die je das erste Sendeintervall repräsentieren, und zweiter Streifen 304, die je das zweite Sendeintervall repräsentieren. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Streifen 302, 304 gleich bereit, d. h., das Senderaster 300 ist äquidistant. Die pseudozufällige Wellenformung der Radarsignale wird dabei durch unmittelbare Aneinanderreihung mehrerer erster Streifen 302 oder mehrerer zweiter Streifen 304 oder auch durch alternierende Aneinanderreihung je eines ersten Streifens 302 mit je einem zweiten Streifen 304 erreicht.
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4 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines mittels einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel ermittelten Geschwindigkeitsprofils 400. Das Geschwindigkeitsprofil 400 wurde beispielsweise mittels einer Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand der 2 und 3 beschrieben ist, ermittelt. In dem Diagramm ist eine Amplitude in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit aufgetragen. Gezeigt ist ein Integrationsergebnis 402 zweier Kurven 404, 406, die je ein durch Fourier-Transformation erzeugtes Geschwindigkeitsspektrum bezüglich einer Geschwindigkeit des zu ortenden Objekts repräsentieren. Das Integrationsergebnis 402 wurde insbesondere durch eine nicht kohärente Integration der beiden Kurven 404, 406 ermittelt. Die Geschwindigkeit des Objekts ist durch einen Peak 408 abgebildet. Beispielhaft ist in 4 ein Geschwindigkeitsprofil für ein Ziel mit der Geschwindigkeit -20 m/s bei 256 Rampen ohne Rauschen dargestellt. Die Nebenkeulen kommen vom Ziel.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt eine nicht kohärente Integration der Radarbilder (Mittelung der Betragsspektren) aller Sendeantennen. Dadurch können die Nebenkeulen reduziert werden. Das Geschwindigkeitsprofil eines solchen nicht kohärent integrierten Bildes für ein Ziel mit der Geschwindigkeit - 20 m/s und 256 Rampen ohne Rauschen ist in 4 beispielhaft dargestellt. Für beide Tx-Kanäle sind Nebenkeulen zu sehen, die jedoch wegen der unterschiedlichen Aufteilungen der Zeitintervalle unterschiedliche Muster aufweisen. Es ist ersichtlich, dass das nicht kohärent integrierte Spektrum niedrigere Nebenkeulen aufweist. Darüber hinaus wird das Signal-zu-RauschVerhältnis durch die nicht kohärente Integration verbessert, da alle vorhandenen Informationen von allen Sende- und Empfangskanälen für eine gemeinsame Auswertung kombiniert werden.
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Im Fall mehrerer Objekte in derselben Abstandszelle mit stark unterschiedlichen Amplituden kann es dazu kommen, dass bei konventioneller Fourier-Auswertung die schwächeren Ziele durch die Nebenkeulen der stärkeren Ziele abgedeckt werden und nicht detektiert werden können. Um solche Fälle zu vermeiden, können anstatt der Fourier-Auswertung andere, aus dem Stand der Technik bekannte Frequenzschätzalgorithmen angewendet werden, wie beispielsweise sogenannte Compressed-Sensing-Algorithmen. Diese sind grundsätzlich in der Lage, Objekte zu detektieren, die bei der Fourier-Auswertung durch die Nebenkeulen der stärkeren Objekte abgedeckt sind. Dies ermöglicht eine hohe Dynamik in der Geschwindigkeitsschätzung.
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Insbesondere erfolgt die Geschwindigkeitsschätzung nach der Abstandsschätzung, d. h. für jede Abstandszelle einzeln. Dadurch sind die Ziele bereits im Abstand getrennt, sodass bei der Geschwindigkeitsschätzung nur Ziele mit demselben Abstand vorhanden sind. Das hat den Vorteil, dass keine Amplitudenunterschiede wegen der R^4-Freiraumdämpfung zwischen den Zielen in einer Geschwindigkeitsschätzung vorhanden sind. Das bedeutet, dass die Amplitudenunterschiede zwischen den Zielen bei der Geschwindigkeitsschätzung hauptsächlich durch die Radarquerschnitte (englisch RSC) der Ziele gegeben sind. Dies reduziert massiv die Anforderungen an den erforderlichen Dynamikbereich bei der Geschwindigkeitsschätzung.
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Ein anderer Vorteil des hier vorgestellten Ansatzes besteht darin, dass der Peak der internen Kopplung beim Abstand 0 und Geschwindigkeit 0 Nebenkeulen aufgrund der Rampenaufteilung nur in Geschwindigkeitsdimension aufweist, d. h. bei der Abstandszelle 0. Da diese für die Radarschätzung irrelevant ist, entstehen durch die interne Kopplung für die Radarschätzung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz keine zusätzlichen Nachteile.
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Zusammengefasst ermöglicht der hier vorgestellte Ansatz eine verbesserte MIMO-basierte Winkelschätzung, indem vorhandene Radarressourcen vorteilhaft auf mehrere Sendeantennen aufgeteilt werden. Vorteilhafterweise ist dazu keine Änderung der Rampensteilheit bzw. Verlängerung der Messzeit erforderlich. Ferner können Radarparameter wie Eindeutigkeitsbereich und Trennfähigkeit im Abstand und in der Geschwindigkeit für jede Sendeantenne maximal erhalten bleiben.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Ermittlung zumindest eines Parameters eines Objekts mittels Radar. Das Verfahren 500 kann beispielsweise mittels einer Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand der 2 bis 4 beschrieben ist, ausgeführt werden. Dabei werden in einem Schritt 510 die beiden Radarsignale entsprechend dem Senderaster ausgesendet. In einem Schritt 520 werden die entsprechenden Antwortsignale empfangen, die in einem Schritt 530 unter Verwendung des Senderasters ausgewertet werden, um die Parameter derObjekte zu ermitteln.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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