DE102019202936A1

DE102019202936A1 - Verfahren zur radarbasierten Umfelderfassung in einem Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019202936A1
Application number: DE102019202936.1A
Authority: DE
Inventors: Rachid Khlifi
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2020-09-10

Abstract

Verfahren zur radarbasierten Umfelderfassung mit einem Radarsensor (1) in einem Kraftfahrzeug (18), umfassend folgende Schritte:- Aufnahme von ersten Radardaten (16) durch eine bildgebende Radarmessung mit dem Radarsensor (1) in einem ersten Erfassungsraster,- Aufnahme von zweiten Radardaten (17) durch eine polarimetrische Radarmessung mit dem Radarsensor (1) in einem zweiten Erfassungsraster, und- Ermittlung wenigstens einer Umfeldinformation durch Fusionierung der ersten und der zweiten Radardaten (16, 17).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur radarbasierten Umfelderfassung mit wenigstens einem Radarsensor in einem Kraftfahrzeug. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
Radarsensoren werden in modernen Kraftfahrzeugen häufig zur Überwachung der Umgebung des Kraftfahrzeugs eingesetzt. Die entstehenden Radardaten können für eine Vielzahl von Funktionen und/oder Fahrzeugsysteme nutzbringend eingesetzt werden, beispielsweise für Anwendungen wie Einparkhilfen, Totwinkelüberwachungen, Pre-Crash-Sensing sowie Stopand-Go-Systeme. Beispielsweise können Radarsensoren in Kraftfahrzeugen verdeckt in Stoßfängern des Kraftfahrzeugs verbaut werden. Derartige Radarsensoren können beispielsweise ein Hochfrequenzteil und ein Niederfrequenzteil aufweisen, wobei das Hochfrequenzteil hochfrequente Radarsignale im Bereich von ca. 10 - 80 GHz generiert, welche über eine Antennenanordnung versendet werden. Über dieselbe Antennenanordnung können an Objekten in der Umgebung reflektierte Radarsignale wieder empfangen werden. Diese empfangenen, reflektierten Radarsignale können beispielsweise auf eine Niederfrequenz heruntergemischt werden, wobei die Verarbeitung der niederfrequenten Signale dann im Niederfrequenzteil erfolgt.
Ein aktuelles Thema ist die Steigerung der Leistungsfähigkeit von Radarsensoren in automotiven Anwendungen, insbesondere im Hinblick auf hochautomatisierte Fahrfunktionen, bei denen das Kraftfahrzeug vollständig automatisch betrieben werden soll. Die Leistungsfähigkeit klassischer Radarsensoren, die aktuell beispielsweise bei assistierten und Sicherheitsfunktionen im Einsatz sind, ist für automatisierte Fahrfunktionen höheren Niveaus (beispielsweise Level 3 bis Level 5) oft nicht ausreichend, insbesondere, wenn die Klassifikationsperformance hinsichtlich bewegter oder statischer Objekte betrachtet wird. Beispielsweise ist es bei heutigen Radarsensoren üblicherweise nicht möglich, hinreichend genau die Ausdehnung von Objekten in drei Dimensionen zu erfassen. Weiterhin verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit von Radarsensoren drastisch, wenn das Kraftfahrzeug sich in komplexeren urbanen Umfeldern, in Tunneln, in Parkhäusern oder dergleichen, befindet.
Hinsichtlich Radarsensoren kann zwischen einer sogenannten bildgebenden Messung und einer sogenannten polarimetrischen Messung unterschieden werden. Eine bildgebende Messung bedeutet im Wesentlichen, dass ein Erfassungsraster definiert wird, dessen einzelne Rasterzellen wenigstens durch Winkelbereiche, beispielsweise in Azimut und Elevation, je nach der Winkelauflösung des Radarsensors definiert werden. Ergebnis sind mithin einzelnen Rasterzellen zugeordnete Radardaten, so dass die Rasterzellen beispielsweise als eine Art „Pixel“ eines Radarbildes verstanden werden können, deren Bildinhalt, falls nicht im Raster selbst abgebildet, Abstands- und/oder Geschwindigkeitswerte (Dopplerwerte) sein können. Solche bildgebenden Radarmessungen zielen üblicherweise auf die Maximierung der Winkelauflösung ab, wobei beispielsweise eine Erhöhung der Anzahl der Antennenkanäle angestrebt werden kann. Auf diese Weise entsteht eine erhöhte Apertur, die eine höhere Winkeltrennfähigkeit, mithin eine höhere Winkelauflösung, erlaubt und somit eindeutige und scharfe Reflexionspunkte erzeugt. Dabei ist allerdings darauf hinzuweisen, dass trotz höherer Winkelauflösung durch Mehrwegausbreitung auch mehrdeutige Reflexionspunkte entstehen können, die das gesamte Reflexionsmuster verfälschen können. Beispielsweise können sogenannte Spiegelpunkte über Mauern, Decken oder Leitplanken entstehen.
Bei polarimetrischen Radarsensoren werden Antennenkanäle, die unterschiedliche Polarisationen empfangen können, eingesetzt. Beispielsweise können vertikal polarisierte Radarsignale ausgesendet werden, die reflektierten Radarsignale dann aber vertikal und horizontal polarisiert empfangen werden, so dass durch die Trennung beim Empfang die vertikal polarisierten Anteile und die horizontal polarisierten Anteile im Verhältnis ausgewertet werden können.
US 2017/0299714 A1 betrifft Systeme und Verfahren zur seitlich ausgerichteten Radarbildgebung eines Kraftfahrzeugs. Ein zur Seite des Kraftfahrzeugs ausgerichteter Radar wird auf eine oder beide Seiten eines bodenbasierten Kraftfahrzeugs montiert und nimmt Messdaten der Umgebung des Kraftfahrzeugs auf, während sich das Kraftfahrzeug bewegt. Dabei wird ausgenutzt, dass die Bewegung des Fahrzeugs eine weitere Informationsdimension für den Scan der Umgebung bietet. Das verwendete Radarsystem kann auch polarimetrische Radarsensoren verwenden, welche weitere Merkmale der Umgebung erfassen können.
US 2017/0307735 A1 betrifft die Objektdetektion unter Verwendung von Radar und Maschinenlernen. Darin wird vorgeschlagen, einen Radarsensor oder eine Kombination von Radarsensoren an einem Kraftfahrzeug zu befestigen, um dessen Umgebung zu erfassen. Die Radardaten können dabei als dreidimensionale Punktewolke, zweidimensionales Radarbild oder dreidimensionales Radarbild erfasst werden. Ein Maschinenlernalgorithmus wird auf die erfassten Daten angewendet, um dynamische oder statische Objekte in der Umgebung zu detektieren und wenigstens ein Objektmerkmal zu identifizieren. Dabei kann das dort verwendete Radarsystem auch polarimetrische Radarsensoren verwenden, welche mehr Eigenschaften der Umgebung erfassen, die in eine dreidimensionale Karte der Umgebung aufgenommen werden können.
DE 10 2016 001 772 A1 betrifft ein Verfahren zur Bewegung- und Verhaltensprognose in einer Fahrzeugumgebung befindlicher Objekte. Dabei soll die Fahrzeugumgebung mittels hochaufgelöster Radarsensoren oder hochaufgelösten Radarnetzwerken, hochauflösenden Radaralgorithmen, einer Doppleranalyse oder Mikrodoppleranalyse oder 2,5-dimensionalen Dopplerprofilanalyse, Radar-Tiefenkarten, einer Objektklassifikation und einer Kopplung von neurologischen und/oder physiologischen Mustern mit Radarbeobachtungen zu einer Bewegungsprognose überwacht und ausgewertet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur höherperformanten Erfassung des Umfelds eines Kraftfahrzeugs durch Radar anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur radarbasierten Umfelderfassung mit einem Radarsensor in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, welches folgende Schritte aufweist:

- Aufnahme von ersten Radardaten durch eine bildgebende Radarmessung mit dem Radarsensor in einem ersten Erfassungsraster,
- Aufnahme von zweiten Radardaten durch eine polarimetrische Radarmessung mit dem Radarsensor in einem zweiten Erfassungsraster, und
- Ermittlung wenigstens einer Umfeldinformation durch Fusionierung der ersten und der zweiten Radardaten.

Erfindungsgemäß wird mithin vorgeschlagen, mit demselben Radarsensor sowohl bildgebende, erste Radardaten als auch polarimetrische, zweite Radardaten aufzunehmen und zu fusionieren, um eine hochqualitativere Umfeldinformation zu ermitteln. Die Kombination der innovativen und zukunftsträchtigen polarimetrischen und bildgebenden Radarkonzepte kann die Leistungsfähigkeit der Radarsensorik von Kraftfahrzeugen insbesondere im Hinblick auf zukünftige automatisierte Fahrfunktionen deutlich steigern.
Dabei zielen, wie bereits erwähnt, bildgebende Radarsensoren auf die Maximierung der Winkelauflösung ab, indem durch eine Erhöhung von Antennenkanälen, mithin eingesetzten Antennenelementen einer Antennenanordnung des Radarsensors, eine erhöhte Apertur entsteht, die es ermöglicht, eine hohe Winkelauflösung und damit ein scharfes Abbild der Umgebung des Kraftfahrzeugs zu bilden. Mit anderen Worten definiert das Erfassungsraster gemäß der hohen Winkelauflösung der bildgebenden Messung Radarzellen als eine Art „Bildpunkte“, das bedeutet, für jede wenigstens durch einen Elevationswinkelbereich und einen Azimutwinkelbereich definierte Radarzelle liegen letztlich ein Abstandswert und ein Geschwindigkeitswert vor, so dass das erste Erfassungsraster auch als 4D-Grid bezeichnet werden kann. Die bildgebende Radarmessung erfolgt mit einer einmalig festgelegten Polarisastion, beispielsweise horizontal polarisiert, vertikal polarisiert oder diagonal polarisiert.
Bei der polarimetrischen Messung werden Antennenkanäle der Antennenanordnung des Radarsensors mit unterschiedlichen Polarisationen eingesetzt. So kann beispielsweise in einer bestimmten, festgelegten Polarisation, beispielsweise in vertikaler Polarisation, gesendet werden, wobei jedoch Antennenelemente und somit Antennenkanäle existieren, die entweder vertikal polarisierte, reflektierte Radarsignale oder horizontal polarisierte, reflektierte Radarsignale empfangen. Das bedeutet, in einem derartigen Beispiel liegen sowohl die vertikal polarisierten Anteile der reflektierten Radarstrahlung als auch die horizontal polarisierten Anteile der reflektierten Radarstrahlung für jede Radarzelle des zweiten Erfassungsrasters vor. Beispielsweise kann nun das Verhältnis dieser Anteile ausgewertet werden. Durch Analyse des Verhältnisses kann eine Aussage zur Beschaffenheit und/oder Form der Objekte getroffen werden. Dabei ist eine polarimetrische Messung auch mit zirkular polarisierten Radarwellen möglich, beispielsweise durch linksdrehend zirkulare Polarisation für die ausgesendeten Radarsignale und eine Aufteilung der empfangenden Antennenelemente für linksdrehend zirkulär und rechtsdrehend zirkulär polarisierte reflektierte Radarsignale. Dabei resultiert bei der polarimetrischen Messung aufgrund der Nutzung unterschiedlicher Antennenelemente für unterschiedliche zu empfangende Polarisationen eine deutlich geringere Winkelauflösung, das bedeutet, die Rasterung des zweiten Erfassungsrasters ist im Winkel gröber als beim ersten Erfassungsraster, kann allerdings bezüglich der Abstandswerte und der Geschwindigkeitswerte gleich sein. Mit anderen Worten können sich die Abstandsauflösung und die Geschwindigkeitsauflösung der bildgebenden Messung und der polarimetrischen Messung vorteilhaft entsprechen. Allerdings liegt bei der polarimetrischen Messung aufgrund der Polarimetrieinformation wenigstens eine weitere Größe in den Radardaten vor, so dass neben einem Azimutwinkel, einem Elevationswinkel, einem Abstandswert und einem Geschwindigkeitswert auch wenigstens ein Polarisationswert in den zweiten Radardaten enthalten ist, wobei der Polarisationswert insbesondere eine Verhältnis der Anteile zweier Polarisationen zueinander sein kann.
Zusammengefasst bedeutet dies, dass erfindungsgemäß vorgesehen sein kann, dass die ersten Radardaten mit einer festen Polarisation und/oder einer größeren Winkelauflösung als die zweiten Radardaten gemessen werden und/oder jeder Rasterzelle des ersten Erfassungsrasters zugeordnet einen Azimutwinkel, einen Elevationswinkel, einen Abstandswert und einen Geschwindigkeitswert umfassen, und/oder dass die zweiten Radardaten unter Verwendung einer horizontalen und einer vertikalen Polarisierung und/oder mehrerer zirkularer Polarisierungen gemessen werden und/oder jeder Rasterzelle des zweiten Erfassungsrasters zugeordnet neben einem Azimutwinkel, einem Elevationswinkel, einem Abstandswert und einem Geschwindigkeitswert auch wenigstens einen Polarisationswert, insbesondere ein Verhältnis der Anteile zweier Polarisationswerte zueinander, umfassen.
Dabei sei darauf hingewiesen, dass sich die Begriffe des ersten und des zweiten Erfassungsrasters (englisch häufig „grid“) auch auf den Abstandswert und den Geschwindigkeitswert beziehen können, so dass mithin 4D-Erfassungsraster vorliegen, die entsprechend mit Reflexionspunkten anhand der empfangenen Radarsignale gefüllt werden können, wobei im Fall der zweiten Radarraten auch eine Zuordnung des wenigstens einen Polarisationswertes erfolgt.
Nachdem die ersten und die zweiten Radardaten von demselben Radarsensor, besonders bevorzugt auch unter Nutzung derselben Antennenanordnung, aufgenommen werden, gestaltet sich eine Fusionierung besonders einfach, nachdem zwar eine gröbere Winkelrasterung für die zweiten Radardaten vorliegt, diese aber dennoch eine Überlappung erlaubt, wobei mit besonderem Vorteil die Zuordnung erster und zweiter Radardaten zueinander auch unter Berücksichtigung der Abstandswerte und der Geschwindigkeitswerte erfolgt. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die Fusionierung der Radardaten durch Zuordnung von durch Winkel definierten Radarzellen der Erfassungsraster zueinander erfolgt, wobei die Zuordnung anhand der Winkel bevorzugt durch eine Zuordnung anhand eines Abstandswerts und eines Geschwindigkeitswerts ergänzt wird.
Dabei ist es erfindungsgemäß besonders bevorzugt, wenn die ersten Radardaten und die zweiten Radardaten gleichzeitig gemessen werden, das bedeutet, die bildgebende Radarmessung und die polarimetrische Radarmessung finden zumindest im Wesentlichen simultan statt. Hierzu kann in einer weniger bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass für die polarimetrische Messung und die bildgebende Messung jeweils eine getrennte Antennenanordnung des Radarsensors verwendet werden, wobei die Messung der ersten und der zweiten Radardaten gleichzeitig erfolgt. Das Vorsehen mehrerer Antennenanordnungen führt jedoch zu einer Erhöhung der Baugröße der Radarsensoren, so dass dies weniger bevorzugt ist.
In einer demgegenüber besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass für die polarimetrische Messung und die bildgebende Messung jeweils unterschiedliche, insbesondere ineinander verschachtelt angeordnete Antennenkanäle einer gemeinsamen Antennenanordnung des Radarsensors verwendet werden, wobei die Messung der ersten und der zweiten Radardaten gleichzeitig erfolgt. Mit anderen Worten wird eine eine Vielzahl von Antennenelementen, denen jeweils ein Antennenkanal zugeordnet ist bzw. entspricht, verwendet, wobei die Antennenelemente derart aufgeteilt werden, dass jeweils ein Teil der Antennenelemente und somit Antennenkanäle der bildgebenden Messung und der polarimetrischen Messung zugeordnet sind. Besonders bevorzugt wird hierbei eine Verschachtelung dieser Antennenelemente ineinander, so dass beispielsweise immer abwechselnd wenigstens ein Antennenelement für die bildgebende Messung und wenigstens ein Antennenelement für die polarimetrische Messung in wenigstens einer Richtung aufeinanderfolgen. Die so gebildeten Teilantennenanordnungen arbeiten bei der gleichzeitigen polarimetrischen Messung und bildgebenden Messung kohärent miteinander. Als beispielhafte Antennenanordnung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Gridantenne verwendet werden, das bedeutet, eine vertikale und horizontale Aneinanderreihung von Microstrip-Patchstrukturen. Auch eine dreidimensionale Wave-Guide-Gridstruktur kann als Antennenanordnung vorteilhaft eingesetzt werden. Dabei kann die Anzahl der Antennenelemente und somit Antennenkanäle beispielsweise durch die Größe einer verwendeten Leiterplatte des Radarsensors bestimmt werden.
Polarimetrische Radarmessungen liefern ihre beste Leistungsfähigkeit in einem Nahbereich, während bildgebende Radarverfahren bis zu einer Reichweite von 300 m eingesetzt werden. Die Wahl der Anzahl der Antennenelemente und somit Antennenkanäle für die bildgebende Messung und die polarimetrische Messung kann daher besonders vorteilhaft einen optimalen Kompromiss zwischen der maximal nötigen Winkelauflösung und der ausreichenden polarimetrischen Leistungsfähigkeit des Radarsensors bestimmt werden. Dabei kann eine entsprechende Zuordnung bei Vorsehen von geeigneten Schalteinrichtungen zwischen dem Radartransceiver und der Antennenanordnung, beispielsweise durch Verwendung von Hochfrequenzschaltern, mit besonderem Vorteil auch dynamisch erfolgen.
Das bedeutet, eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass bei Verwendung derselben Antennenanordnung und gleichzeitigen Messungen die Zuteilung von Antennenkanälen zur bildgebenden und zur polarimetrischen Messung dynamisch anhand wenigstens eines die aktuelle Betriebssituation des Kraftfahrzeugs beschreibenden Situationsparameters erfolgt. Dabei kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer des wenigstens einen Situationsparameters einen relevanten Reichweitenbereich, aus dem Radardaten des Radarsensors benötigt werden, beschreibt, insbesondere eine aktuelle Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und/oder eine aktuell befahrene Straßenklasse ist. In einem Beispiel kann dann, wenn das Kraftfahrzeug mit hoher Geschwindigkeit auf einer Autobahn unterwegs ist, ein entfernter Reichweitenbereich deutlich relevanter sein als in Fällen, in denen das Kraftfahrzeug mit langsamer Geschwindigkeit in einer urbanen Umgebung betrieben wird. Daher kann beispielsweise vorgesehen werden, bei hohen relevanten Reichweitenbereichen den Fokus mehr auf eine hohe Winkelauflösung zu legen und daher mehr Antennenelemente der bildgebenden Messung zuzuordnen, während die erwartete Leistungsfähigkeit der polarimetrischen Messung ohnehin eingeschränkt ist und diese damit weniger Antennenelemente zugeteilt erhält. In der zweiten beschriebenen Betriebssituation liefert die polarimetrische Messung jedoch auch hochqualitative und hochrelevante Informationen, zudem ist meist eine deutlich komplexere und schwieriger zu interpretierende Umgebung gegeben, so dass die Zusatzinformation durch die Polarimetrie äußerst nützlich ist. Mithin können dann mehr Antennenelemente und somit Antennenkanäle der Polarimetrie zugeordnet werden, beispielsweise eine Gleichverteilung von Antennenkanälen zwischen der Radarbildgebung und der Polarimetrie angestrebt werden. Auf diese Weise ist auch für unterschiedliche Betriebssituationen ein hervorragender Kompromiss gegeben, der die vorliegende Anzahl von Antennenkanälen optimal nutzt.
In einer weniger bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens zeitweise die Messung der ersten und der zweiten Radardaten zeitlich abwechselnd mit denselben Antennenkanälen derselben Antennenanordnung des Radarsensors erfolgt. Auf diese Art und Weise ist eine Art zeitliches Multiplexing gegeben, welches beispielsweise durch einen Hochfrequenzschalter realisiert werden kann. Allerdings existiert dann auch ein gewisser zeitlicher Versatz zwischen den Messungen und ein erhöhter Umsetzungsaufwand, so dass diese Ausgestaltung insgesamt weniger bevorzugt ist.
Zweckmäßigerweise kann durch Auswertung der zweiten Radardaten, insbesondere der Polarisation der rückreflektierten Radarstrahlung im Vergleich zur Polarisation der ausgesandten Radarstrahlung, für die ersten Radardaten jeweils ermittelt werden, ob es sich um eine direkte oder indirekte Reflexion handelt. Anhand polarimetrischer Messungen kann unterschieden werden, ob ein empfangenes, reflektiertes Radarsignal eine gerade oder eine ungerade Anzahl an Reflexionen hinter sich hat, nachdem durch die jeweilige Reflexionen eine Umkehrung der Polarisierung erfolgt. Dabei ist festzuhalten, dass in Abhängigkeit von der Entfernung meist ohnehin nur einfache oder zweifache Reflexionen wieder am Radarsensor vermessen werden können, nachdem ein deutlicher Stärkeverlust spätestens nach der zweiten Reflexion auftritt. Daher kann in den üblichen Anwendungsfällen mithin unterschieden werden, ob ein direkter Pfad (eine Reflexion) oder ein indirekter Pfad (zwei Reflexionen) vorliegt. In dieser Hinsicht hilft die polarimetrische Messung und der wenigstens eine hierdurch erhaltene Polarisationswert mithin, das Problem der bildgebenden Messung, dass nicht zwischen Einfach- und Mehrfachreflexionen unterschieden werden kann, deutlich zu reduzieren.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass durch Auswertung der zweiten Radardaten, insbesondere eines Verhältnisses von Anteilen verschiedener Polarisationen, eine durch die ersten Radardaten beschriebenen Objekt als Zusatzinformation eine Hauptausdehnungsrichtung des Objekts und/oder eine Ausdehnungsgröße des Objekts und/oder eine zwischen Flächigkeit und Nichtflächigkeit unterscheidende Klassifizierung zugeordnet wird. Mithin können anhand der zweiten Radardaten beispielsweise flächige Strukturen von stabförmigen-dünnen Strukturen und dergleichen unterschieden werden. Die Raumverteilung der Verhältnisse von entgegengesetzten Polarisationen zueinander gibt hierbei ein Indiz über die Ausdehnung des Objekts. Die Auswertung der zweiten Radardaten liefert zudem Hinweise auf die Hauptausdehnungsrichtung, also die Richtung, in der das Objekt die größte Ausdehnung hat. Mit der Verfügbarkeit derartiger Zusatzinformationen wird über die Ausfilterung der Mehrwegausbreitung, die ein klares Erfassungsbild mit nur direkten Pfaden und ohne Rauschen durch Mehrwegausbreitung liefert, hinaus auch eine verbesserte Klassifizierung von Objekten durch die zusätzliche Verwendung polarimetrischer Radardaten erlaubt.
So kann in konkreter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Zusatzinformation, insbesondere die Hauptausdehnungsrichtung, wenigstens teilweise zur Unterscheidung zwischen dynamischen und statischen Objekten und/oder in einem weiteren Klassifizierungsalgorithmus berücksichtigt wird. Zur Trennung von bewegten Objekten vom statischen Umfeld kann beispielsweise die Hauptausdehnungsrichtung herangezogen werden, nachdem es sich bei Fußgängern und/oder Radfahrern beispielsweise um vertikal ausgedehnte Objekte handelt, welche mithin starke vertikale Polarisationsanteile zeigen. Viele statische Objekte, wie beispielsweise Leitplanken, sind horizontal ausgedehnt, weisen also starke horizontale Polarisationsanteile auf, so dass ein hervorragendes weiteres Kriterium zur Unterscheidung von statischen und dynamischen Objekten vorliegt, welches gewinnbringend genutzt werden kann. Doch auch anderweitig kann die Klassifikationsperformance erhöht werden, insbesondere auch im Zusammenhang mit künstlicher Intelligenz, nachdem durch den wenigstens einen Polarisationswert bzw. die Zusatzinformation weitere nützliche Daten über ein Objekt vorliegen, die dessen Klassifizierung vereinfachen.
Vorzugsweise können die zweiten Radardaten ferner zur Erkennung von von einem von dem Kraftfahrzeug befahrenen Untergrund reflektierten Radarsignalen, insbesondere gemeinsam mit einem Elevationswinkel, ausgewertet werden. Von einem Objekt erhält ein Radarsensor im Kraftfahrzeug in vielen Fällen zwei reflektierte Radarsignale, nämlich eine direkte Reflexion vom Objekt und eine indirekte Reflexion über den Untergrund. Dann, wenn auch der Elevationswinkel berücksichtigt wird, können also sozusagen direkte Pfade und indirekte Pfade getrennt und beide bewertet werden, was wiederum eine Zusatzinformation darstellt, zum einen über die Eigenschaften des Untergrunds an sich, zum anderen aber auch bezüglich des reflektierenden Nicht-Untergrund-Objekts. Dabei kann konkret vorgesehen sein, dass aufgrund der Polarisation erkannte, zweifach reflektierte, als vom Untergrund stammend erkannte Radarsignale einem erkannten Nicht-Untergrund-Objekt zugeordnet werden, wobei wenigstens eine Eigenschaft des Bodens und/oder des Objekts durch gemeinsame Auswertung eines einfach reflektierten Radarsignals des Objekts und eine zweifach über den Untergrund reflektierten Radarsignals des Objekts ermittelt wird. Beispielsweise können über trigonometrische Betrachtungen Ausmessungen erfolgen, beispielsweise hinsichtlich der Höhe, an der das Objekt reflektiert hat. Auch bezüglich der Bodenbeschaffenheit des Untergrunds können hier Schlussfolgerungen gezogen werden, beispielsweise dadurch, dass betrachtet wird, wie der Untergrund das Radarsignal modifiziert. Dies ist aufgrund des möglichen Vergleichs mit dem Direktreflexionssignal möglich.
Es kann ferner konkret vorgesehen sein, dass durch eine getrennte Auswertung von von dem Untergrund stammenden einfach reflektierten Radarsignalen der ersten und/oder der zweiten Radardaten wenigstens eine Untergrundeigenschaft des Bodens, insbesondere eine Rauigkeit und/oder eine Nässe ermittelt wird. Beispielsweise kann also die Fahrbahn, der Untergrund, vom Rest der durch den Radarsensor aufgenommenen Szene abstrahiert werden, um eine Fahrbahnanalyse auf Glätte, Nässe und dergleichen vorzunehmen. So äußern sich beispielsweise unterschiedliche Rauigkeitseigenschaften des Untergrunds in unterschiedlichen Polarisationswerten. Auch eine Mehrschichtigkeit des Bodens, beispielsweise bei Nässe/Eis, wo beispielsweise Reflexionen an verschiedenen Schichten auftreten, kann festgestellt und mit analysiert werden, um die Untergrundeigenschaft zu bestimmen.
Eine Separierung des Untergrunds von den restlichen Radardaten kann im Übrigen auch die Erfassung kleinerer Hindernisse verbessern, beispielsweise die von schwachen Zielen wie Reifen oder dergleichen auf dem Untergrund.
Mit besonderem Vorteil kann wenigstens ein die ersten und die zweiten Radardaten gemeinsam auswertender Auswertungsalgorithmus der künstlichen Intelligenz, insbesondere ein Klassifizierungsalgorithmus, verwendet werden. Hierbei kann der Auswertungsalgorithmus der künstlichen Intelligenz insbesondere durch Deep Learning trainiert werden. Der Einsatz von künstlicher Intelligenz wird durch die vorliegende Erfindung vereinfacht, da durch die polarimetrische Messung weitere Informationen vorliegen, die ein besseres Trainieren von Algorithmen der künstlichen Intelligenz und somit eine hochqualitativere Klassifizierung und dergleichen ermöglichen.
Neben dem Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, aufweisend wenigstens einen Radarsensor und eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, mit welchem ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können. Dabei kann die Steuereinrichtung insbesondere auch eine Steuereinheit des Radarsensors umfassen.
Der Radarsensor kann insbesondere ein auf Halbleiter-Technologie basierender Radarsensor sein, mithin beispielsweise einen Halbleiterchip, insbesondere CMOS-Chip, aufweisen, welcher wenigstens einen Radartransceiver des Radarsensors realisiert. Durch den Halbleiterchip können ferner eine digitale Signalverarbeitungskomponente (DSP) und/oder eine Steuereinheit des Radarsensors realisiert sein und/oder der Halbleiterchip kann als ein Package mit der Antennenanordnung realisiert sein. Vorliegend ist es aufgrund der zweckmäßigerweise größer ausgelegten Antennenanordnung jedoch zweckmäßiger, die Antennenanordnung auf einer Leiterplatte vorzusehen, welche dann beispielsweise den Halbleiterchip ebenso tragen kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

1 eine Skizze zur Erläuterung der bildgebenden Messung,
2 eine Skizze zur Polarisierung bei der polarimetrischen Bildgebung,
3 eine die Trennung von Reflexionen erläuternde Darstellung,
4 eine Darstellung zur Ausfilterung von Mehrwegreflexionen,
5 eine schematische Skizze zur Aufteilung von Antennenelementen einer Antennenanordnung,
6 einen Ablaufplan zum erfindungsgemäßen Verfahren, und
7 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.

1 illustriert das grundlegende Prinzip einer bildgebenden Messung mit einem Radarsensor 1. Der Radarsensor 1 sendet Radarsignale gemäß dem Pfeil 2 mit einer festen, beispielsweise horizontalen, Polarisierung aus. Diese Radarsignale werden im Erfassungsbereich, wie durch die Punkte 3 angedeutet, reflektiert, und kehren gemäß dem Pfeil 4 wieder zum Radarsensor 1 zurück. Dabei werden keine veränderten Polarisationen gemessen.
Auf diese Weise ist es mithin nicht möglich, Direktreflexionen, also einfache Reflexionen, beispielsweise unmittelbar von Objekten 5 zum Radarsensor 1 zurückkehrende Radarsignale, von mehrfach, insbesondere zweifach, reflektierten Radarsignalen, die beispielsweise über den Boden zurückkehren, zu unterscheiden.
2 erläutert, wie bei einer polarimetrischen Messung mit einem Radarsensor 1 zwischen einer geradzahligen und einer ungeradzahligen Anzahl von Reflexionen empfangener Radarsignale unterschieden werden kann. Auch dort werden Radarsignale in einer bestimmten Polarisation 6, hier beispielhaft einer linkszirkularen Polarisation, gemäß dem Pfeil 7 ausgesendet. Bei einer ungeraden Anzahl an Reflexionen wird kreuzpolar reflektiert, das bedeutet, die Polarisation dreht sich um, so dass es sich im Beispiel bei dem im oberen Teil einmal reflektierten Radarsignal gemäß dem Pfeil 8 um eine rechtszirkulare Polarisation 9 handelt. Darunter ist gemäß dem Pfeil 10 eine Zweifach-Reflexion angedeutet, die wiederum zu einer linkszirkularen Polarisation 11 führt. Im Englischen wird die rechtszirkulare Polarisation 9 auch als RHC (right hand circular) bezeichnet, die linkszirkulare Polarisation 11 als LHC (left hand circular).
Die in 2 beispielhaft für eine zirkuläre Polarisation 6, 9, 11 dargestellten Zusammenhänge gelten analog für lineare Polarisationen, beispielsweise vertikale und horizontale Polarisationen oder die beiden denkbaren diagonalen Polarisationen.
Können nun, wie in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, mit dem Radarsensor 1 sowohl erste Radardaten in einer bildgebenden Messung als auch zweite Radardaten in einer polarimetrischen Messung, vorliegend gleichzeitig mit derselben Antennenanordnung, aufgenommen werden, liegen, wenn auch in gröberer Winkelauflösung, zusätzliche Polarisationsinformationen vor, die im Rahmen einer Fusionierung der ersten und der zweiten Radardaten den hinsichtlich der Winkelauflösung hochaufgelösten ersten Radardaten zugeordnet werden können, so dass beispielsweise, wie in 3 illustriert, direkte (Einfach-) Reflexionen von den Objekten 5, vgl. Reflexionspunkte 3a, von den in 3 zur Unterscheidung andersartig dargestellten indirekten (Zweifach-) Reflexionen unterschieden werden können. Somit können beispielsweise nur die Einfachreflexionen bzw. nur die indirekten Reflexionen in einer weiteren Auswertung, worauf noch genauer eingegangen werden wird, betrachtet werden.
Beispielhaft kann so das in 4 gezeigte Radarbild entstehen, welches nur noch die durch direkte Reflexion zurück zum Radarsensor 1 entstandenen Radardaten enthält.
5 zeigt ein Prinzipskizze relevanter Komponenten des Radarsensors 1 zum Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren. Der Radarsensor 1 weist vorliegend eine Leiterplatte 12 auf, auf der neben einem Halbleiterchip 13, der vorliegend den Radartransceiver, eine Steuereinheit und eine digitale Signalverarbeitungskomponente des Radarsensors 1 realisiert, eine Antennenanordnung 14 vorgesehen ist, welche eine Vielzahl von Antennenelementen 15, die matrixartig angeordnet sind, aufweist. Jedes der Antennenelemente 15 ist einzeln ansteuerbar bzw. auslesbar, bildet also einen Antennenkanal.
Zur simultanen bildgebenden und polarimetrischen Messung ist nun vorgesehen, einen ersten Anteil der Antennenelemente 15 und somit Antennenkanäle für die bildgebende Messung zu verwenden, den verbleibenden zweiten Anteil für die polarimetrische Messung, wobei der erste und der zweite Anteil bevorzugt ineinander verschachtelt sind. Beispielhaft sind bei einer gleichmäßigen Aufteilung Antennenelemente 15 des ersten Anteils ohne Schraffur, Antennenelemente 15 des zweiten Anteils mit Schraffur in 3 dargestellt. Selbstverständlich sind auch andere Arten der Verschachtelung denkbar.
Während es möglich ist, die Zuordnung der Antennenelemente 15 und somit Antennenkanäle zu den Messungen fest vorzugeben, sieht eine zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vor, die Zuordnung von Antennenkanälen zur polarimetrischen und zur bildgebenden Messung dynamisch anhand einer aktuellen Betriebssituation des Kraftfahrzeugs anpassbar zu gestalten, wobei vorliegend wenigstens ein Situationsparameter genutzt wird. Der Situationsparameter kann einen relevanten Reichweitenbereich, aus dem Radardaten des Radarsensors 1 benötigt werden, beschreiben, hierbei also beispielsweise eine aktuelle Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und eine aktuell befahrene Straßenklasse sein. Denn beim Betrieb mit hohen Geschwindigkeiten bzw. auf Autobahnen oder dergleichen sind Radardaten aus großer Entfernung notwendig, welche bevorzugt mit hoher Winkelauflösung erhalten werden, während die polarimetrische Performance in solchen großen Reichweitenbereichen eher schlecht ist. Werden jedoch im Stadtverkehr eher Informationen über den Nahbereich benötigt, können mehr Antennenelemente der polarimetrischen Messung bereitgestellt werden.
Die Antennenanordnung 14 ist vorliegend eine sogenannte Gridantenne, umfasst also eine vertikale und horizontale Anreihung von Microstrip-Patchstrukturen. Alternativ ist auch eine 3D-Waveguide-Gridstruktur denkbar.
Die Steuereinheit des Radarsensors 1, unabhängig davon, ob sie in dem Chip 13 oder extern dazu realisiert ist, bildet einen Teil einer Steuereinrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Insbesondere ist es auch denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren gänzlich in einer Steuereinheit des Radarsensors 1 durchzuführen, so dass entsprechend hinsichtlich der polarimetrischen Messung verfeinerte, vorklassifizierte bzw. vorausgewertete Radardaten an Steuergeräte des Kraftfahrzeugs, in dem der Radarsensor 1 verwendet wird, weitergegeben werden können.
Den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert 6. In den Schritten S1 und S2 werden gleichzeitig die bildgebende Messung (Schritt S1) und die polarimetrische Messung (Schritt S2) mittels des Radarsensors 1 durchgeführt, wobei als Ergebnis erste Radardaten 16 und zweite Radardaten 17 erhalten werden. Die ersten Radardaten 16 liegen in einem ersten Erfassungsraster vor, das eine bessere Winkelauflösung aufweist. Beispielsweise können die empfangenen Radarsignale als Reflexionspunkte in ein 4D-Grid als erstes Erfassungsraster einsortiert werden, welches durch Azimutwinkelbereiche, Elevationswinkelbereiche, Abstandsbereiche und Geschwindigkeitsbereiche gebildete Radarzellen aufweisen kann, wobei es jedoch auch denkbar ist, die Radarzellen allein anhand des Elevationswinkels und des Azimutwinkels zu definieren, so dass dann entsprechende Abstandswerte und Geschwindigkeitswerte (Dopplerwerte) dort einsortiert werden können.
Die zweiten Radardaten 17 liegen in einem zweiten Erfassungsraster vor, wobei Reflexionspunkte erneut durch Elevationswinkel, Azimutwinkel, Abstandswert und Geschwindigkeitswert definiert sein können, hier aber eine gröbere Winkelauflösung vorliegt, da ja wenigstens zwei verschiedene Polarisationen vermessen werden sollen. Jedem Reflexionspunkt der zweiten Radardaten 17 ist nun jedoch auch wenigstens ein Polarisationswert zugeordnet, insbesondere das Verhältnis der Anteile zweier Polarisationen, beispielsweise horizontaler und vertikaler Polarisationen.
Die ersten Radardaten 16 und die zweiten Radardaten 17 werden in einem Schritt S3 fusioniert, indem letztlich die Erfassungsraster übereinandergelegt werden, wobei die Zuordnung zusätzlich abhängig vom Abstandswert und vom Geschwindigkeitswert erfolgt, bezüglich denen die Auflösung ungeändert ist, so dass eine hervorragende Zuordnung im Schritt S3 möglich ist.
Im Schritt S4 kann die nun zusätzlich vorhandene Information aus der Polarimetrie, insbesondere der Polarimetriewert, dann in der Auswertung der Radardaten genutzt werden, beispielsweise zur verbesserten Klassifizierung von Objekten 5. Ein entsprechender Klassifizierungsalgorithmus kann ein Klassifizierungsalgorithmus der künstlichen Intelligenz sein, der mit der zusätzlichen Information aus der Polarimetrie noch besser trainiert werden kann, beispielsweise durch ein Deep Learning-Verfahren. Die zusätzliche Information aus der Polarimetrie kann jedoch auch, wie bereits erläutert, anderweitig oder zusätzlich zweckmäßig bei der Auswertung der Radardaten eingesetzt werden, beispielsweise indem einem durch die Radardaten beschriebenen Objekt 5 als Zusatzinformationen eine Hauptausdehnungsrichtung des Objekts und/oder eine Ausdehnungsgröße des Objekts und/oder eine zwischen Flächigkeit und Nichtflächigkeit unterscheidende Klassifizierung zugeordnet wird. Dabei kann die Zusatzinformation insbesondere auch zur Unterscheidung zwischen dynamischen und statischen Objekten eingesetzt werden. Ferner kann es auch zweckmäßig sein, vom Untergrund reflektierte Radarsignale getrennt zu analysieren, wobei insbesondere bei Zuordnung von indirekten Reflexionen über den Untergrund zu entsprechenden Direktreflexionen bzw. dem entsprechenden Objekt 5 durch Vergleich auch weitere Untergrundeigenschaften festgestellt werden können. Eine Auswertung der Radardaten vom Untergrund, insbesondere auch umfassend die Mehrfachreflexionen, kann auch Untergrundeigenschaften herleitbar machen.
7 zeigt schließlich eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 18. Dieses weist in seinen vorderen und hinteren Stoßfängern 19 verdeckt verbaut jeweils wenigstens einen Radarsensor 1 auf. Ferner ist gestrichelt auch die bereits erwähnte Steuereinrichtung 20, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, gezeigt, welche jedoch auch, wie dargelegt wurde, durch Steuereinheiten der Radarsensoren 1 realisiert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017/0299714 A1 [0006]
US 2017/0307735 A1 [0007]
DE 102016001772 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur radarbasierten Umfelderfassung mit einem Radarsensor (1) in einem Kraftfahrzeug (18), gekennzeichnet durch folgende Schritte: -Aufnahme von ersten Radardaten (16) durch eine bildgebende Radarmessung mit dem Radarsensor (1) in einem ersten Erfassungsraster, -Aufnahme von zweiten Radardaten (17) durch eine polarimetrische Radarmessung mit dem Radarsensor (1) in einem zweiten Erfassungsraster, und - Ermittlung wenigstens einer Umfeldinformation durch Fusionierung der ersten und der zweiten Radardaten (16, 17).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Radardaten (16) mit einer festen Polarisation und/oder einer größeren Winkelauflösung als die zweiten Radardaten (17) gemessen werden und/oder jeder Rasterzelle des ersten Erfassungsrasters zugeordnet einen Azimutwinkel, einen Elevationswinkel, einen Abstandswert und einen Geschwindigkeitswert umfassen, und/oder dass die zweiten Radardaten (17) unter Verwendung einer horizontalen und einer vertikalen Polarisierung und/oder mehrerer zirkularer Polarisierungen gemessen werden und/oder jeder Rasterzelle des zweiten Erfassungsrasters zugeordnet neben einem Azimutwinkel, einem Elevationswinkel, einem Abstandswert und einem Geschwindigkeitswert auch wenigstens einen Polarisationswert, insbesondere ein Verhältnis der Anteile zweier Polarisationen zueinander, umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zeitweise für die polarimetrische Messung und die bildgebende Messung jeweils eine getrennte Antennenanordnung (14) des Radarsensors (1) und/oder jeweils unterschiedliche, insbesondere ineinander verschachtelt angeordnete Antennenkanäle einer gemeinsamen Antennenanordnung (14) des Radarsensors (1) verwendet werden, wobei die Messung der ersten und der zweiten Radardaten gleichzeitig erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung derselben Antennenanordnung (14) und gleichzeitigen Messungen die Zuteilung von Antennenkanälen zur bildgebenden und zur polarimetrischen Messung dynamisch anhand wenigstens eines die aktuelle Betriebssituation des Kraftfahrzeugs (18) beschreibenden Situationsparameters erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zeitweise die Messung der ersten und der zweiten Radardaten (16, 17) zeitlich abwechselnd mit denselben Antennenkanälen derselben Antennenanordnung (14) des Radarsensors (1) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fusionierung der Radardaten (16, 17) durch Zuordnung von durch Winkel definierten Radarzellen der Erfassungsraster zueinander erfolgt, wobei die Zuordnung anhand der Winkel bevorzugt durch eine Zuordnung anhand eines Abstandswerts und eine Geschwindigkeitswerts ergänzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung der zweiten Radardaten (17), insbesondere der Polarisation der rückreflektierten Radarstrahlung im Vergleich zur Polarisation der ausgesandten Radarstrahlung, für die ersten Radardaten (16) jeweils ermittelt wird, ob es sich um eine direkte oder indirekte Reflexion handelt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung der zweiten Radardaten (17), insbesondere eines Verhältnisses von Anteilen verschiedener Polarisationen, einem durch die ersten Radardaten (16) beschriebenen Objekt (5) als Zusatzinformation eine Hauptausdehnungsrichtung des Objekts (5) und/oder eine Ausdehnungsgröße des Objekts (5) und/oder eine zwischen Flächigkeit und Nichtflächigkeit unterscheidende Klassifizierung zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzinformation, insbesondere die Hauptausdehnungsrichtung, wenigstens teilweise zur Unterscheidung zwischen dynamischen und statischen Objekten (5) und/oder in einem weiteren Klassifizierungsalgorithmus berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Radardaten (17) zur Erkennung von von einem von dem Kraftfahrzeug (18) befahrenen Untergrund reflektierten Radarsignalen, insbesondere gemeinsam mit einem Elevationswinkel, ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Polarisation erkannte, zweifach reflektierte, als vom Untergrund stammend erkannte Radarsignale einem erkannten Nichtuntergrundobjekt zugeordnet werden, wobei wenigstens eine Eigenschaft des Untergrunds und/oder des Objekts (5) durch gemeinsame Auswertung eines einfach reflektierten Radarsignals des Objekts (5) und eines zweifach über den Untergrund reflektierten Radarsignals des Objekts (5) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine getrennte Auswertung von von dem Untergrund stammenden einfach reflektierten Radarsignalen der ersten und/oder der zweiten Radardaten (16, 17) wenigstens eine Untergrundeigenschaft des Untergrunds, insbesondere eine Rauigkeit und/oder eine Nässe, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein die ersten und die zweiten Radardaten (16, 17) gemeinsam auswertender Auswertungsalgorithmus der künstlichen Intelligenz, insbesondere ein Klassifizierungsalgorithmus, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswertungsalgorithmus der künstlichen Intelligenz durch Deep Learning trainiert wird.
Kraftfahrzeug (18), aufweisend einen Radarsensor (1) und eine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildete Steuereinrichtung (20).