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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Radarsignalen, sowie eine Vorrichtung zur Auswertung von Radarsignalen.
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Stand der Technik
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Im Automobilbereich werden Radarsensoren zunehmend für immer mehr Aufgaben eingesetzt. Beispielsweise liefern sie Daten aus dem Umfeld eines Fahrzeugs, die von einem Fahrassistenzsystem ausgewertet und weiterverarbeitet werden können. Darüber hinaus sind Radarsensoren insbesondere auch im Bereich des automatisierten Fahrens von großer Bedeutung. Dabei ist insbesondere die Winkelauflösung bei gleichzeitig hoher Sensitivität, das heißt bei einem großen Ortungsfeld, entscheidend.
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Zur Reduzierung des Rechenaufwands können für solche Radarsysteme Antennenarrays mit einer regelmäßigen Anordnung der Antennen, sogenannte Uniform Linear Array (ULA) eingesetzt werden. Hierbei kann mittels einer schnellen Fourier-Transformation, FFT, eine effiziente Strahlformung realisiert werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 084 610 A1 offenbart einen winkelauflösenden Radarsensor für Kraftfahrzeuge mit einer Antenne, die mehrere Antennenelemente umfasst. Jedes Antennenelement ist dabei auf einen von mehreren Auswertungskanälen schaltbar und mit einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung des Einfallswinkels eines empfangenen Signals gekoppelt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Auswertung von Radarsignalen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Auswertung von Radarsignalen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Ein Verfahren zur Auswertung von Radarsignalen, mit einem Schritt zum Empfangen einer Mehrzahl von Radarsignalen von einem Antennenarray. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Anwenden einer ersten Strahlformung auf ein Radarsignal der Mehrzahl von Radarsignalen, sowie einen Schritt zum Anwenden einer zweiten Strahlformung auf ein Radarsignal der Mehrzahl von Radarsignalen. Die zweite Strahlformung ist dabei insbesondere von der ersten Strahlformung verschieden. Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt zum Auswerten der empfangenen Radarsignale unter Verwendung der Ergebnisse der ersten Strahlformung und der zweiten Strahlformung.
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Weiterhin ist vorgesehen:
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Eine Vorrichtung zur Auswertung von Radarsignalen, insbesondere einer Mehrzahl von Radarsignalen, die von einem Antennenarray empfangen worden sind. Die Vorrichtung umfasst eine erste Verarbeitungseinrichtung, eine zweite Verarbeitungseinrichtung und eine Auswerteeinrichtung. Die erste Verarbeitungseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine erste Strahlformung auf ein Radarsignal der Mehrzahl von Radarsignalen anzuwenden. Die zweite Verarbeitungseinrichtung ist dazu ausgelegt, eine zweite Strahlformung auf ein Radarsignal der Mehrzahl von Radarsignalen anzuwenden, wobei die zweite Strahlformung von der ersten Strahlformung verschieden ist. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgelegt, die empfangenen Radarsignale unter Verwendung der Ergebnisse der ersten Strahlformung und der zweiten Strahlformung auszuwerten.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einer digitalen Strahlformung der Radarsignale von einem Antennenarray über den Winkelbereich des Ortungsfeldes zu einem schwankenden Gewinn kommt. Insbesondere sind über den Winkelbereich des Ortungsfeldes signifikante Einbrüche in dem Gewinn zu verzeichnen.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Auswertung der Radarsignale bereitzustellen, welche diesen Einbrüchen in dem Gewinn entgegenwirkt und eine Auswertung mit einem zumindest annähernd homogeneren Verlauf über den Winkelbereich des Ortungsfeldes ermöglicht.
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Hierzu ist es ein Ansatz der vorliegenden Erfindung, mehrere unterschiedliche Strahlformungen auf die Radarsignale anzuwenden, wobei die unterschiedlichen Strahlformungen sich im Idealfall zu einem zumindest annähernd homogenen Antennengewinn ergänzen. Beispielsweise kann auf die Radarsignale von dem Antennenarray eine zweite Strahlformung angewendet werden, welche ihre Maxima vorzugsweise in den Bereichen der Minima der ersten Strahlformung aufweist. Auf diese Weise können die Gewinneinbrüche der ersten Strahlformung durch die zweite Strahlformung zumindest annähernd kompensiert werden
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Die Radarsignale, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgewertet werden sollen, können hierbei vorzugsweise von einem Antennenarray mit gleichmäßig verteilten, äquidistant angeordneten, Antennenelementen bereitgestellt werden. Beispielsweise kann jedes Antennenelement ein Signal für einen Empfangskanal eines Radarsignals bereitstellen. Bei solchen Antennenarrays mit äquidistant angeordneten Antennenelementen (Uniform Linear Area, ULA) kann die Strahlformung besonders effizient mittels einer schnellen Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform, FFT) realisiert werden. Hierdurch ist eine besonders schnelle und effiziente Strahlformung möglich, die einen relativ geringen Hardware-Aufwand zur Berechnung erfordert.
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Als ein Radarsignal ist in diesem Kontext die Summe aller Signale der einzelnen Empfangskanäle der einzelnen Antennenelemente des Antennenarrays zu verstehen. Ein Radarsystem wird hierbei regelmäßig, vorzugsweise periodisch, Hochfrequenzsignale aussenden, die von einem zu detektierenden Objekt reflektiert werden, und die reflektierten Signale können daraufhin von den Antennenelementen des Antennenarrays empfangen und in den einzelnen Empfangskanälen zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden. Durch das mehrfache Aussenden von Hochfrequenzsignalen und das Empfangen der entsprechenden Radarantworten werden auf diese Weise auch mehrere Radarsignale in einer zeitlichen Abfolge hintereinander empfangen, die daraufhin ausgewertet werden können.
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Bei der Strahlformung können dabei mehrere Strahlen ausgeformt werden. Insbesondere kann für jede Antenne eine separate Strahlformung durchgeführt werden. Für N Antennen existieren somit auch N Strahlen bzw. Radarsignale.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die erste Strahlformung und die zweite Strahlformung jeweils auf das gleiche Radarsignal angewendet. Mit anderen Worten, die erste Strahlformung und die zweite Strahlformung werden jeweils auf die gleichen Signale der Empfangskanäle der Antennenelemente des Antennenarrays angewendet. Es erfolgt somit für jedes empfangene Radarsignal eine mehrfache Strahlformung.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform werden die erste Strahlformung und die zweite Strahlformung auf unterschiedliche Radarsignale angewendet. Beispielsweise kann bei einer zeitlichen Folge von empfangenen Radarsignalen jeweils abwechselnd eine erste Strahlformung und eine zweite Strahlformung angewendet werden. Auf diese Weise ist keine Erhöhung des Rechenaufwands für die zwei unterschiedlichen Strahlformungen erforderlich.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgen das Anwenden der ersten Strahlformung und/oder das Anwenden der zweiten Strahlformung durch Anwenden einer komplexen Fensterfunktion. Derartige komplexe Fensterfunktionen ermöglichen eine besonders einfache und effiziente Anpassung der Strahlformung auf die jeweiligen Erfordernisse.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Maximum der zweiten Strahlformung gegenüber dem Maximum der ersten Strahlformung um ein halbes Bin verschoben. Durch die Verschiebung der beiden Strahlformungen um ein halbes Bin liegen die Maxima der zweiten Strahlformung in den Bereichen der Minima der ersten Strahlformung. Auf diese Weise kann ein zumindest annähernd homogener Verlauf des Gewinns über den Winkelbereich des Ortungsfeldes realisiert werden. Bei der Strahlformung, insbesondere einer Strahlformung mittels FFT entspricht dabei ein Bin dem Abstand zweier benachbarten Maxima des Antennenbeams.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner einen Schritt zum Anwenden mindestens einer weiteren Strahlformung auf ein Radarsignal der Mehrzahl von Radarsignalen. Durch das Anwenden von drei oder mehr unterschiedlichen Strahlformungen kann eine weitere Homogenisierung des Gewinns über das Ortungsfeld realisiert werden. Es versteht sich hierbei, dass bei mehr als zwei unterschiedlichen Strahlformungen die einzelnen Strahlformungen jeweils derart angepasst werden, dass sie bei einer Überlagerung zu einem möglichst homogenen Antennengewinn führen. Beispielsweise können die Maxima der einzelnen Strahlformungen bei drei Strahlformungen um jeweils ein Drittel gegenüber einander verschoben sein, oder allgemein bei n Strahlformungen jeweils um 1/n.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst jedes Radarsignal der Mehrzahl von Radarsignalen jeweils Empfangssignale von mehreren Antennenelementen des Antennenarrays. Wie zuvor bereits beschrieben, handelt es sich bei dem Antennenarray vorzugsweise um ein Antennenarray mit äquidistant angeordneten Antennenelementen. Hierdurch kann die Strahlformung mittels einer schnellen Fourier-Transformation besonders effizient durchgeführt werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung, Insbesondere wird der Fachmann dabei auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds einer Vorrichtung zur Auswertung von Radarsignalen gemäß einer Ausführungsform;
- 2: eine schematische Darstellung des Antennengewinns nach den Strahlformungen gemäß einer Ausführungsform; und
- 3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Auswertung von Radarsignalen gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaltbilds eines Radarsystems mit einer Vorrichtung 1 zur Auswertung von Radarsignalen. Das Radarsystem umfasst mindestens eine Sendeantenne 3, welche Hochfrequenzsignale aussendet. Die ausgesendeten Signale können an einem Objekt O reflektiert werden. Die reflektierten Signale werden daraufhin von den Antennenelementen 2-i empfangen und an der Vorrichtung 1 zur Auswertung der Radarsignale bereitgestellt. Als ein Radarsignal wird hierbei in diesem Zusammenhang die Gesamtheit der Empfangskanäle aller Antennenelemente 2-i verstanden, die zu einem ausgesendeten Radarsignal korrespondieren. Aufgrund der mehrfachen Aussendung von Sendesignalen durch die Sendeantenne 3 werden durch die Antennenelemente 2-i auch eine zeitliche Abfolge von mehreren Radarsignalen empfangen.
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Bei dem Antennenarray mit den Antennenelementen 2-i handelt es sich vorzugsweise um ein Antennenarray mit mehreren äquidistant angeordneten Antennenelementen 2-i, wobei die einzelnen Antennenelemente 2-i auf einer virtuellen Achse angeordnet sind.
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Die empfangenen Radarsignale werden in der Vorrichtung 1 zur Auswertung der Radarsignale bereitgestellt. Die Vorrichtung 1 zur Auswertung der Radarsignale umfasst mindestens eine erste Bearbeitungseinrichtung 11, eine zweite Verarbeitungseinrichtung 12 und eine Auswerteeinrichtung 13. Die erste Verarbeitungseinrichtung 11 berechnet unter Verwendung der Signale der Antennenelemente 2-i für jeweils ein Radarsignal eine erste Strahlformung. Insbesondere bei der zuvor beschriebenen Konfiguration eines Antennenarrays mit gleichmäßig verteilten Antennenelementen 2-i (ULA) kann die Strahlformung besonders einfach mittels einer schnellen Fourier-Transformation ausgeführt werden. Da die Grundlagen einer solchen Strahlformung mittels FFT grundsätzlich bekannt sind, wird auf eine entsprechende Ausführung hier verzichtet. Die digitale Strahlformung des Radarsignals kann dabei beispielsweise durch Anwenden einer geeigneten Fensterfunktion realisiert werden.
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Die zweite Verarbeitungseinrichtung
12 führt, analog zu der ersten Verarbeitungseinrichtung
11, ebenfalls eine Strahlformung aus. Die Strahlformung durch die zweite Verarbeitungseinrichtung
12 ist dabei jedoch von der Strahlformung durch die erste Verarbeitungseinrichtung
11 verschieden. Insbesondere kann durch die zweite Verarbeitungseinrichtung
12 eine Strahlformung realisiert werden, deren Maxima sich in den Minima der ersten Strahlformung befinden. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass für die zweite Strahlformung eine Fensterfunktion mit einem komplexen Anteil genutzt wird, die eine Verschiebung der Maxima um einen halben Bin bewirkt. Eine solche Fensterfunktion kann beispielsweise durch die folgende Formel realisiert werden:
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Hierbei ist:
- w:
- die komplexe Fensterfunktion
- N:
- die Anzahl der Antennenelemente 2-i des Antennenarrays
- n:
- der Empfangskanal eines Antennenelements 2-i des Antennenarrays
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Die Durchführung von zwei Strahlformungen mit einem Versatz eines halben Bins ist identisch zu einer Strahlformung, bei der in der FFT mit Zero-Padding die Länge verdoppelt wird. Hierdurch steigt jedoch der Rechenaufwand.
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Die beiden Strahlformungen können, wie zuvor bereits beschrieben, durch die zwei separaten Verarbeitungseinrichtungen 11 und 12 realisiert werden. Es versteht sich jedoch, dass die beiden Strahlformungen auch durch eine gemeinsame Verarbeitungseinrichtung realisiert wird, welche ausreichend Rechenkapazitäten umfasst, um die Berechnung der beiden Strahlformungen durchführen zu können.
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2 zeigt als durchgezogene Linie den Gewinn gemäß der ersten Strahlformung. Ferner ist in 2 als gestrichelte Linie der Gewinn der zweiten Strahlformung dargestellt. Die zweite Strahlformung ist dabei derart eingestellt, dass die Maxima der zweiten Strahlformung zumindest annähernd mit den Minima der ersten Strahlformung übereinstimmen. Auf diese Weise ist gut zu erkennen, dass durch eine Überlagerung der beiden Verläufe ein zumindest annähernd homogener Verlauf des Antennengewinns erzielt werden kann. Auf diese Weise kann über das gesamte Ortungsfeld eine gute Detektion von Objekten erzielt werden.
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Neben der zuvor bereits beschriebenen gleichzeitigen Anwendung von zwei unterschiedlichen Strahlformungen auf die Kanäle eines Radarsignals, welche zu einem gemeinsamen Zeitpunkt empfangen worden ist, ist es auch möglich, auf jedes Radarsignal jeweils nur eine Strahlformung anzuwenden, und dabei auf zeitlich nacheinander empfangene Radarsignale jeweils eine andere Strahlformung anzuwenden. Beispielsweise kann zu einem ersten Radarsignal, welches zu einem ersten Zeitpunkt empfangen worden ist, eine erste Strahlformung angewendet werden, und auf ein Radarsignal, welches anschließend zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt empfangen worden ist, kann eine zweite Strahlformung angewendet werden. Ein weiteres daraufhin empfangenes Radarsignal kann wieder mit einer ersten Strahlformung verarbeitet werden, usw. Auf diese Weise können die Vorteile unterschiedlicher Strahlformungen genutzt werden, ohne dass hierbei ein zusätzlicher erhöhter Rechenaufwand entsteht.
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Es versteht sich, dass die Darstellung gemäß 1 mit nur einer Sendeantenne 3 und nur vier Empfangsantennenelementen 2-i nur schematisch zu verstehen ist und keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung darstellt. Vielmehr können auch davon abweichende Anzahlen von Sendeantennen 3 und/oder Empfangsantennenelementen 2-i realisiert werden.
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Entsprechend ist die vorliegende Erfindung auch nicht nur auf die Anwendung von zwei unterschiedlichen Strahlformungen eingeschränkt. Vielmehr ist es auch möglich, mehr als zwei unterschiedlichen Strahlformungen gleichzeitig oder hintereinander auszuführen. Auf diese Weise kann eine weitere Homogenisierung des Antennengewinnverlaufs erreicht werden. Bei einer Erhöhung der Anzahl von unterschiedlichen Strahlformungen ist dabei die Verschiebung der einzelnen Strahlformungen gegeneinander entsprechend anzupassen. Beispielsweise können bei drei unterschiedlichen Strahlformungen die Maxima der einzelnen Strahlformungen jeweils um ein Drittel gegeneinander verschoben sein.
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Die Ergebnisse der einzelnen Strahlformungen werden abschließend einer Verarbeitungseinrichtung 13 zugeführt, welche unter Verwendung der einzelnen Strahlformungen jeweils eine Verarbeitung der Radarsignale ausführen kann. Beispielsweise kann hierbei eine Detektion von Objekten, eine Bestimmung einer Objektgeschwindigkeit oder ähnliches ausgeführt werden. Selbstverständlich sind auch beliebige andere geeignete Auswertungen der Radarsignale unter Verwendung der mehreren Strahlformungen möglich.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Auswertung von Radarsignalen gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. In Schritt S1 werden mehrere Radarsignale von einem Antennenarray mit den Antennenelementen 2-i empfangen. In Schritt S2 wird eine erste Strahlformung auf ein empfangenes Radarsignal angewendet, und in Schritt S3 wird eine zweite Strahlformung auf ein Radarsignal angewendet. Wie zuvor bereits beschrieben, kann die Strahlformung und die zweite Strahlformung dabei entweder auf ein und dasselbe Radarsignal angewendet werden, oder es wird nacheinander jeweils nur eine Strahlformung auf mehrere zeitlich hintereinander empfangene Radarsignale angewendet.
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In Schritt S4 schließlich erfolgt eine Auswertung der Radarsignale unter Verwendung der unterschiedlichen Strahlformungen. Die Auswertung kann beispielsweise eine Detektion von einem oder mehreren Objekten oder eine Geschwindigkeitsbestimmung eines Objekts umfassen. Selbstverständlich sind auch beliebige andere geeignete Auswertungen der Radarsignale möglich.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Auswertung von Radarsignalen, insbesondere von Radarsignalen, welche mittels einer ULA-Antenne empfangen worden sind. Durch die Anwendung mehrerer unterschiedlicher Strahlformungen auf die Radarsignale können Einbrüche in dem Gewinn durch die Strahlformung kompensiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011084610 A1 [0004]
