DE102017211439A1 - Winkelschätzung für ein Automobilradar mit mehreren Sende- und Empfangsantennen bei Mehrwegeausbreitung - Google Patents

Abstract

Verfahren für ein Radarsystem zum Bestimmen eines Lagewinkels eines Objektes mit den Schritten:- Senden von Signalen mit mehreren Sendeantennen,- Empfangen der am Objekt reflektierten Signale mit mehreren Empfangsantennen,- Bestimmen eines Lagewinkels des Objektes aus Kombinationen von empfangenen Signalen aus unterschiedlichen Sende- und Empfangsantennen mittels eines Winkelbestimmungsverfahren,dadurch gekennzeichnet, dass- das Winkelbestimmungsverfahren die empfangenen Signale derselben Sendeantenne kohärent verarbeitet und die kohärent verarbeiteten Signale der unterschiedlichen Sendeantennen inkohärent kombiniert werden, oder- das Winkelbestimmungsverfahren die empfangenen Signale derselben Empfangsantenne kohärent verarbeitet und die kohärent verarbeiteten Signale der unterschiedlichen Empfangsantennen inkohärent kombiniert werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Winkelschätzung für ein Automobilradar mit mehreren Sende- und Empfangsantennen bei Mehrwegeausbreitung.
• Aufgabe und Lösung
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Azimut- oder Elevationswinkel von Zieles mit einem Radarsystem, das mehreren Sende- und Empfangsantennen aufweist, recheneffizient zu schätzen.
• Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch und ein Radarsystem gemäß dem Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Das erfindungsgemäße Verfahren für ein Radarsystem zum Bestimmen eines Lagewinkels eines Objektes umfasst folgende Schritte, Senden von Signalen mit mehreren Sendeantennen, Empfangen der am Objekt reflektierten Signale mit mehreren Empfangsantennen, Bestimmen eines Lagewinkels des Objektes aus Kombinationen von empfangenen Signalen aus unterschiedlichen Sende- und Empfangsantennen mittels eines Winkelbestimmungsverfahren, wobei das Winkelbestimmungsverfahren die empfangenen Signale derselben Sendeantenne kohärent verarbeitet und die kohärent verarbeiteten Signale der unterschiedlichen Sendeantennen inkohärent kombiniert werden, oder das Winkelbestimmungsverfahren die empfangenen Signale derselben Empfangsantenne kohärent verarbeitet und die kohärent verarbeiteten Signale der unterschiedlichen Empfangsantennen inkohärent kombiniert werden.
• In vorteilhafter Weise werden die empfangenen Signale aller Empfangsantennen, die von derselben Sendeantenne gesendet wurden, kohärent verarbeitet. Eine kohärente Verarbeitung bedeutet, dass die Signale komplex, also phasenrichtig verarbeitet werden. Es entstehen somit kohärente Signale je Sendeantenne. Die kohärent verarbeiteten Signale, die von verschiedenen Sendeantennen stammen, werden sodann inkohärent weiterverarbeitet, also betragsweise addiert. In vorteilhafter Weise lässt sich dadurch die Verarbeitungszeit im Vergleich zu einer kohärenten Weiterverarbeitung senken.
• Des Weiteren ist es ebenso möglich die empfangenen Signale derselben Empfangsantenne, die von unterschiedlichen Sendeantennen stammen kohärent zu verarbeiten und danach diese kohärent verarbeiteten Signale der verschiedenen Empfangsantennen inkohärent weiterzuverarbeiten.
• Bevorzugt kann das Winkelbestimmungsverfahren ein Signalmodel umfassen, das von reflektierten Signalen an mindesten zwei Objekten ausgeht. In vorteilhafter Weise kann dadurch ein Lagewinkel pro Objekt bestimmt werden. In einer danach folgenden Plausibilitätsprüfung kann anhand des Lagewinkels ein Objekt als Spiegelobjekt erkannt werden und so auf eine Mehrwegeausbreitung geschlossen werden.
• Weiter bevorzugt kann eine Mehrwegeausbreitung erkannt werden und nur beim Vorliegen einer Mehrwegeausbreitung das Winkelbestimmungsverfahren jeweils auf die empfangenen Signale derselben Sende- oder Empfangsantenne angewendet werden.
• Beispielsweise kann durch einen Wahrscheinlichkeitstest erkannt werden, ob eine Mehrwegeausbreitung vorliegt. In vorteilhafter Weise führt die inkohärente Weiterverarbeitung der kohärent verarbeiteten Signale dann zu einem vernachlässigbaren Fehler im Vergleich zu der kohärenten Weiterverarbeitung.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann zumindest ein Parameter des Winkelbestimmungsverfahrens für die empfangenen Signale der jeweiligen Sende- oder Empfangsantenne angepasst werden.
• Erfindungsgemäß ist ein Radarsensor in einem Fahrzeug eingerichtet ein Verfahren gemäß einer der bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung durchzuführen.
• Figurenliste
• 1 zeigt ein Fahrzeug 20 mit einem erfindungsgemäßen Radarsensor 1. Die ausgesendeten Radarsignale bewegen sich auf direktem Weg 21 zum Ziel 25. In Abhängigkeit der Beschaffenheit des Ziels 25 werden Radarsignal reflektiert, sodass sich die Radarsignale sowohl auf dem direkten Weg 21 als auch dem indirekten Weg 23 zurück zum Radarsensor bewegen können.
• 2 zeigt den Aufbau des Radarsensors 1. Dieser hat in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Sende- 3, 5 (TX0, TX1) und vier Empfangsantennen 7 (RX 0-3). Mittels der beiden Sendeantennen 3, 5 wird jeweils ein Signal 9, 11 abgestrahlt. Nach der Reflexion am Ziel werden beide Signale an den vier Empfangsantennen 7 empfangen, wobei die beiden Sendesignale 9, 11 beispielsweise durch Modulation beim Empfang unterscheidbar bleiben. Es werden somit zweimal vier Signale 13, 15, 17, 19 empfangen. Die Kombination der beiden Sendesignale 9, 11 mit den vier Empfangssignalen 13, 15, 17, 19 würde zu einem Modell mit acht Kanälen führen.
• Nach dem Empfangen der Signale, werden diese prozessiert mittels einer Pulskompression, einer Fourier Transformation und einer Leistungsdetektion, wodurch die Radardaten nach Entfernung und Relativgeschwindigkeit in Prozessierungszellen unterteilt werden.
• Wenn ein Ziel in einer solchen Zelle erkannt wird, dann ergibt sich das Signalmodell wie folgt: $$x_1\left({\phi }_1,s_1\right)=s_1\underset{v\left({\phi }_1\right)}{\underbrace{\left[a_{\text{t}}\left({\phi }_1\right)\otimes a_{\text{r}}\left({\phi }_1\right)\right]}},$$

  

  wobei ⊗ das Kroneckerprodukt, φ₁ der elektrische Winkel, s₁ der Zielantwortparameter und v{(φ) der Steeringvector ist.
• Die Sende- und Empfangs-Steeringvectoren ergeben sich jeweils zu: $$\begin{array}{l}{a}_{\text{t}}\left(\phi \right)=\left[\mathrm{1,}{e}^{j{\phi }_{\text{t}}},\dots ,e^{j\left(N_{\text{t}}-1\right){\phi }_{\text{t}}}\right]\\ a_{\text{r}}\left(\phi \right)=\left[\mathrm{1,}{e}^{j{\phi }_{\text{r}}},\dots ,e^{j\left(N_{\text{r}}-1\right){\phi }_{\text{r}}}\right]\end{array}$$

  
• Die elektrischen Winkel der Sende- und Empfangs-Steeringvector ergeben sich wie folgt: $${\phi }_{\text{t}}=\frac{2\pi }{\lambda }{d}_{\text{t}}\text{ sin}\left(\varphi \right)$$

  

  $${\phi }_{\text{r}}=\frac{2\pi }{\lambda }{d}_{\text{r}}\text{ sin}\left(\varphi \right)$$

  

  wobei $\phi ={\phi }_{\text{r}}=\frac{d_{\text{r}}}{d_{\text{t}}}{\phi }_{\text{t}}$

  

  und ϕ der physikalische Winkel ist.
• Werden zwei Ziele in einer Zelle erkannt, ergibt sich folgendes Signalmodell: $$\begin{array}{l}{x}_2\left({\phi }_1,{\phi }_2,s_1,s_2\right)\\ =s_1\underset{v\left({\phi }_1\right)}{\underbrace{\left[a_{\text{t}}\left({\phi }_1\right)\otimes a_{\text{r}}\left({\phi }_1\right)\right]}}+s_2\underset{v\left({\phi }_2\right)}{\underbrace{\left[a_{\text{t}}\left({\phi }_2\right)\otimes a_{\text{r}}\left({\phi }_2\right)\right]}},\end{array}$$

  

  wobei φ₁, φ₂ die elektrischen Winkel der zwei Ziele sind.
• Im Unterschied zu dem Modell mit zwei Zielen beinhaltet das Model mit nur einem Ziel bei einer Mehrwegeausbreitung vier Komponenten, nämlich direkte/direkte, indirekte/direkte, direkte/indirekte und indirekte/indirekte Ausbreitung. Der direkte 21 und indirekte 23 Weg ist in 1 dargestellt. Das dazu gehörige Signalmodell (xmp) ist: $$\begin{array}{c}{x}_{\text{mp}}\left({\phi }_1,{\phi }_2,s_{11},s_{12},s_{21},s_{22}\right)\\ =s_{11}\left[a_{\text{t}}\left({\phi }_1\right)\otimes a_{\text{r}}\left({\phi }_1\right)\right]\\ +s_{12}\left[a_{\text{t}}\left({\phi }_1\right)\otimes a_{\text{r}}\left({\phi }_2\right)\right]\\ +s_{21}\left[a_t\left({\phi }_2\right)\otimes a_{\text{r}}\left({\phi }_1\right)\right]\\ +s_2\left[a_{\text{t}}\left({\phi }_2\right)\otimes a_{\text{r}}\left({\phi }_2\right)\right]\\ =\left(\underset{A_{\text{t}}}{\underbrace{\left[a_{\text{t}}\left({\phi }_1\right),a_{\text{t}}\left({\phi }_2\right)\right]}}\otimes \underset{A_{\text{r}}}{\underbrace{\left[a_{\text{r}}\left({\phi }_1\right),a_{\text{r}}\left({\phi }_2\right)\right]}}\right)\left[\begin{array}{l}{s}_{11}\\ s_{12}\\ s_{21}\\ s_{22}\end{array}\right],\end{array}$$

  

  , wobei φ1, φ2 die elektrischen Winkel bezüglich des jeweiligen direkten und indirekten Ausbreitungsweges sind.
• Im Empfangspfad wird den Signalmodellen in Gleichung (1), (2), (3) ein zirkulärkomplexes Gaußrauschen hinzugefügt. Die elektrischen Winkel können dann optimal mit einem Maximum-Likelihood-Schätzer bestimmt werden
• Diese Maximum-Likelihood-Schätzer ergeben sich für die Signalmodelle in Gleichung (1) und (2) zu: $$\underset{{\phi }_1}{{\displaystyle \text{max}}}{\left|v{\left({\phi }_1\right)}^{H}x\right|}^2$$

  

  und $$\underset{{\phi }_1,{\phi }_2}{{\displaystyle \text{max}}}{\Vert P_2{\left({\phi }_1,{\phi }_2\right)}^{H}x\Vert }^2$$

  

  wobei $P_2=V{V}^1\text{ with }V=\left[v\left({\phi }_1\right),v\left({\phi }_2\right)\right].$

  
• Für ein Ziel und Mehrwegeausbreitung, also für das Signalmodell in Gleichung (3), ist der Maximum-Likelihood-Schätzer: $${\widehat{\phi }}_1,{\widehat{\phi }}_2=\text{arg }\underset{{\phi }_1,{\phi }_2}{{\displaystyle \text{max}}}{\Vert P_{\text{mp}}\left({\phi }_1,{\phi }_2\right)x\Vert }^2$$

  

  wobei $$P_{\text{mp}}=\left(A_{\text{t}}\otimes A_{\text{r}}\right){\left(A_{\text{t}}\otimes A_{\text{r}}\right)}^{+}=P_{\text{t}}\otimes P_{\text{r}}$$

  

  die Projektionsmatrix über die Gleichung (3) ist. $$P_{\text{t}}=A_{\text{t}}{A}_{\text{t}}^{+}$$

  

  $$P_{\text{r}}=A_{\text{r}}{A}_{\text{r}}^{+}$$

  

  wurde bereits in Gleichung 3 definiert. In Gleichung 6 werden die TX Signale kohärent kombiniert verarbeitet.
• In dem Spezialfall von zwei Sendeantennen (N=2) ergibt sich P_t =I, sodass die Kostenfunktion vereinfacht werden kann: $${\Vert \left[\begin{array}{cc}{P}_{\text{r}}& 0\\ 0& P_{\text{r}}\end{array}\right]\underset{x}{\underbrace{\left[\begin{array}{l}{x}_{\text{t}1}\\ x_{\text{t}2}\end{array}\right]}}\Vert }^2={\Vert P_{\text{r}}{x}_{\text{t}1}\Vert }^2+{\Vert P_{\text{r}}{x}_{\text{t2}}\Vert }^2,$$

  

  wobei x_t1,x_t2 Empfangssubarrayvektoren der Sendeantennen TX0 und TX1 sind. Die obige Gleichung ignoriert die Struktur der beiden Sendeantennen und kombiniert die beiden Empfangssubarrayvektoren inkohärent.
• Es reicht also zweimal, d.h. für jede Sendeantenne 3, 5 separat, das Signalmodell für zwei Ziele (x₂) für das Empfangsarray anzupassen. Der Maximum-Likelihood-Schätzer ermittelt dann aus dem Signalmodell das Maximum der Kostenfunktion. Damit wird für den Maximum-Likelihood-Schätzer die Anzahl der Rechenoperationen gegenüber dem direkten Verfahren in Gleichung (6) halbiert. Demzufolge erfolgt die Winkelschätzung zu $${\widehat{\phi }}_1,{\widehat{\phi }}_2=\text{arg }\underset{{\phi }_1,{\phi }_2}{{\displaystyle \text{max}}}\left[{\Vert P_{\text{r}}{x}_{\text{t}1}\Vert }^2+{\Vert P_{\text{t}}{x}_{t2}\Vert }^2\right]$$

  
• Bei Geleichung 7 erfolgt die Verarbeitung der TX Signale pro TX-Antenne kohärent und die Kombination der TX Signale der beiden RX-Antennen im Gegensatz zu Gleichung 6 inkohärent.
• Eine weitere Verbesserung kann durch einen Wahrscheinlichkeitstest erreicht werden, der erkennt welche Zielsituation vorliegt. Der einfachste Test ist der Vergleich der Verhältnisse der Fehlerquadrate zwischen den einzelnen Situationen x₂ und x₁, x_mp und x₁: $$\frac{{\text{MSE}}_{\text{1}}}{{\text{MSE}}_{\text{2}}}>T_2$$

  

  $$\frac{{\text{MSE}}_{\text{1}}}{{\text{MSE}}_{\text{mp}}}>T_{\text{mp}}$$

  

  wobei $${\text{MSE}}_1={\Vert x-x_1\left({\widehat{\phi }}_1,{\widehat{s}}_1\right)\Vert }^2$$

  

  $${\text{MSE}}_2={\Vert x-x_2\left({\widehat{\phi }}_1,{\widehat{\phi }}_2,{\widehat{s}}_1,{\widehat{s}}_2\right)\Vert }^2$$

  

  $${\text{MSE}}_{\text{mp}}={\Vert x-x_{\text{mp}}\left({\widehat{\phi }}_1,{\widehat{\phi }}_2,{\widehat{s}}_{11},{\widehat{s}}_{12},{\widehat{s}}_{21},{\widehat{s}}_{22}\right)\Vert }^2$$

  
• Hier sind T₂ und T_mp sinnvolle Schwellwerte und (^) wird verwendet, um den jeweiligen Maximum-Likelihood-Schätzerwert zu kennzeichnen.
• Durch einen Vergleich von T₂ und T_mp ist es also möglich, zu erkennen, ob ein Ziel, zwei Ziele oder ob lediglich ein Ziel mit einer Mehrwegeausbreitung vorhanden ist.
• Gemäß der Auswahl des Signalmodells anhand der Wahrscheinlichkeit kann so das optimale Modell für die Situation ausgewählt werden.

Claims (4)

1. Verfahren für ein Radarsystem zum Bestimmen eines Lagewinkels eines Objektes mit den Schritten: - Senden von Signalen mit mehreren Sendeantennen, - Empfangen der am Objekt reflektierten Signale mit mehreren Empfangsantennen, - Bestimmen eines Lagewinkels des Objektes aus Kombinationen von empfangenen Signalen aus unterschiedlichen Sende- und Empfangsantennen mittels eines Winkelbestimmungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass - das Winkelbestimmungsverfahren die empfangenen Signale derselben Sendeantenne kohärent verarbeitet und die kohärent verarbeiteten Signale der unterschiedlichen Sendeantennen inkohärent kombiniert werden, oder - das Winkelbestimmungsverfahren die empfangenen Signale derselben Empfangsantenne kohärent verarbeitet und die kohärent verarbeiteten Signale der unterschiedlichen Empfangsantennen inkohärent kombiniert werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Winkelbestimmungsverfahren ein Signalmodel umfasst, das von reflektierten Signalen an mindesten zwei Objekten ausgeht.
3. Verfahren gemäß einer der vorherigen Ansprüche wobei ferner eine Mehrwegeausbreitung erkannt wird und nur beim Vorliegen einer Mehrwegeausbreitung das Winkelbestimmungsverfahren jeweils auf die empfangenen Signale derselben Sende- oder Empfangsantenne angewendet wird.
4. Radarsensor in einem Fahrzeug, der eingerichtet ist ein Verfahren gemäß einer der vorherigen Ansprüche durchzuführen.

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