DE102019216879B3

DE102019216879B3 - FMCW-Radarmessgerät

Info

Publication number: DE102019216879B3
Application number: DE102019216879.5A
Authority: DE
Inventors: Levin Dieterle; Samuel Kleiser
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2039-11-01

Abstract

FMCW-Radarmessgerät zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Objekts, welches zwei hintereinander geschaltete Transformationen des Empfangssignals durchführt, zunächst aus dem Ortsbereich in den Ortsfrequenzbereich und danach vom Zeitbereich in den Frequenzbereich. Die erste Transformation erfolgt derart, dass die durch die erste Transformation für ein statisches Ziel berechnete Winkelposition sich nicht über die Zeit ändert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die FMCW-Radarmesstechnik. Insbesondere betrifft die Erfindung ein FMCW-Radarmessgerät, eingerichtet zum Erfassen der Topologie der Oberfläche oder der Position eines Objekts, die Verwendung eines FMCW-Radarmessgeräts zur Objektdetektion, die Verwendung eines FMCW-Radarmessgeräts zur Überwachung eines Gefahrenbereichs, die Verwendung eines FMCW-Radarmessgeräts zur Füllstandmessung, eine Steuereinrichtung für ein solches FMCW-Radarmessgerät, ein Verfahren zum Erfassen der Topologie der Oberfläche oder der Position eines Objekts, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
Hintergrund
Zur Erfassung von Prozessgrößen im industriellen Umfeld werden FMCW-Radarmessgeräte verwendet. Insbesondere können FMCW-Radarmessgeräte verwendet werden, die eingerichtet sind zum Erfassen der Topologie der Oberfläche oder der Position eines Objekts. Ein Anwendungsbeispiel ist die Füllstandmessung in geschlossenen oder offenen Behältern, und insbesondere auch die Bestimmung einer Schüttgutmenge. Die FMCW-Radarmessgeräte weisen eine Array-Antenneneinrichtung mit einer Vielzahl an Antennenelementen, beispielsweise in Form von flächigen Strahlerelementen, auf. Die Array-Antenneneinrichtung ist eingerichtet zum Aussenden des FMCW-Sendesignals in Richtung des Objekts und zum Empfangen eines entsprechenden, reflektierten Empfangssignals. Es kann sich um kombinierte Sende- und Empfangsantennen handeln oder um getrennte Sende- und Empfangsantennen. Bei dem FMCW-Sendesignal handelt es sich um ein frequenzmoduliertes Dauerstrichsignal (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave), bei dem die Sendefrequenz innerhalb eines Frequenzbandes während einer Messung verändert wird, typischerweise in Form einer kontinuierlichen oder gestuften Rampe.
Mit einem solchen FMCW-Radarmessgerät ist es möglich, eine sogenannte digitale Strahlformung durchzuführen, um einen Raumbereich mit dem Sendesignal abzutasten, so dass sich aus dem reflektierten Empfangssignal eine Oberflächentopologie im abgetasteten Raumbereich berechnen lässt.
Die Druckschrift „Feger, R.; et al.: Sparse Antenna Array Design and Combined Range and Angle Estimation for FMCW Radar Sensors. IEEE Radar Conference 2008, pp. 1-6‟ diskutiert Aspekte der Ausgestaltung eines sparse antenna arrays für hohe Auflösungen und Winkelabschätzung der Radarsensorarrays.
Die WO 2015 120 883 A1 betrifft ein Füllstandmessgerät zum Bestimmen einer Topologie einer Füllgutoberfläche.
Die EP 2 803 952 A1 betrifft eine Messgerätesteuerung zur Bestimmung einer Topologie einer Oberfläche eines Schüttguts.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes FMCW-Radarmessgerät und ein verbessertes Messverfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein FMCW-Radarmessgerät, eingerichtet zum Erfassen der Topologie der Oberfläche oder der Position eines Objekts in einem offenen Raum oder in einem Behälter. Das FMCW-Radarmessgerät kann insbesondere zum Einsatz in der Prozessautomation eingerichtet sein.
Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches alle Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.
Bei dem Objekt kann es sich beispielsweise um ein Füllmedium oder Schüttgut handeln, oder um ein Objekt auf einem Förderband oder in einem Raum, beispielsweise eine Person, eine Tür oder eine Maschine.
Das FMCW-Radarmessgerät weist eine Sendesignalerzeugungseinrichtung auf, die eingerichtet ist zum Erzeugen des FMCW-Sendesignals. Es ist eine Array-Antenneneinrichtung vorgesehen, die eine Vielzahl an einzelnen Antennenelementen aufweist, eingerichtet zum Aussenden des FMCW-Sendesignals in Richtung des Objekts und zum Empfangen eines reflektierten Empfangssignals, welches einer Reflexion des Sendesignals entspricht. Bei den Antennenelementen kann es sich um kombinierte Sende-/Empfangsantennen handeln, getrennte Antennen für das Senden und Empfangen des Signales sind jedoch auch möglich. Es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche eingerichtet ist zum Durchführen einer ersten Transformation des vom FMCW-Radarmessgerät empfangenen Empfangssignals aus dem Ortsbereich in den Ortsfrequenzbereich, wobei die Parameter der Transformation über die Zeit an die sich ändernde Wellenlänge des Sendesignals derart angepasst werden bzw. sind, dass die für ein statisches Ziel durch die erste Transformation errechnete Winkelposition sich nicht über der Zeit des Sweep oder der Frequenz des Sendesignales ändert. Die Steuereinrichtung ist darüber hinaus eingerichtet zum Durchführen einer darauffolgenden zweiten Transformation der durch die erste Transformation gewonnenen Daten vom Zeitbereich in den Frequenzbereich, woraus sich eine winkelaufgelöste Distanzkurve berechnen lässt. Daraufhin kann die Steuereinrichtung die Topologie der Oberfläche oder die Position des Objekts berechnen und ausgeben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht die winkelaufgelöste Distanzkurve aus einem in Winkel- und Distanzrichtung orthogonalen Raster von Datenpunkten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der ersten Transformation um eine Chirp Z-Transformation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der zweiten Transformation um eine tFFT-Transformation (temporal Fast Fourier Transformation).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung zum parallelen Abtasten eines Empfangssignals aller N_ant Empfangsantennen eingerichtet, sowie zum Durchführen der ersten Transformation in einem ersten Schritt für jeden ersten zeitlichen Abtastpunkt des von jedem Antennenelement empfangenen Empfangssignals, gefolgt von der Durchführung der Transformation für jeden weiteren zeitlichen Abtastpunkt. Die örtlichen Abtastpunkte und damit die Phasenbeziehungen zwischen den Antennenelementen sind durch ihre relative Position auf dem Antennen-Array vorgegeben.
Für die anschließende digitale Strahlformung muss das reflektierte Signal von der Steuereinrichtung des Antennen Array zeitlich gesampelt werden. Das örtliche Sampling sowie dessen Sampling-Frequenz wird von dem Antennenabstand innerhalb des Antennen Arrays bestimmt. Dieser wird durch die höchste noch aufzulösende Ortsfrequenz vorgegeben und wird somit von der höchsten auftretenden Frequenz der Frequenzrampe des FMCW Radars bestimmt. Trifft eine aus ±90° zur Antennennormalen einlaufenden ebenen Welle auf das Antennen Array, entspricht dies für d_ant = λ_min/2 = c/(2f_max) dann gerade der Nyquist-Frequenz v_Nyquist = v_s/2 = f_max/c. Ist die Frequenz kleiner, sprich die Wellenlänge größer, kann für eine aus ±90° einlaufende Welle die Nyquist-Frequenz nicht erreicht werden. Bei einer Transformation aus dem Ortsbereich in den Frequenzbereich erhält man hierdurch auch Ortsfrequenzen, denen keine reale Winkelrichtung zuordenbar ist. Somit ist es bei einer entsprechenden Transformation sinnvoll, den Winkelbereich auf den physikalisch nutzbaren Ortsfrequenzbereich zu beschränken. Um eine über der Zeit des Frequenz-Sweeps für ein statisches Ziel konstante Winkelzuordnung zu erhalten, muss der betrachtete Ortsfrequenzbereich über der Zeit entsprechend angepasst werden. Der physikalisch nutzbare Ortsfrequenzbereich läuft hierbei von - f(t)/c bis f(t)/c. Dieser Ortsfrequenzbereich entspricht einem Winkelbereich des Gesichtsfeldes von ± 90°. Umsetzbar ist dies bspw. mit einer Chirp-Z-Transformation. Diese liefert nicht wie die sFFT eine Transformation in den Ortsfrequenzbereich deren Frequenzgrenzen durch die Sampling Frequenz der Abtastung fest vorgegeben sind, sondern der Ortsfrequenzgrenzbereich kann dynamisch angepasst werden. Mit der Chirp-Z-Transformation kann für eine Eingabesequenz die Z-Transformation entlang einer Spiralkontur in der komplexen Ebene berechnet werden. Im Gegensatz zur FFT/DFT ist die CZT nicht gezwungen, entlang des Einheitskreises zu arbeiten, sondern die Z-Transformation kann dies entlang einer durch den Parameter z beschriebenen, beliebigen Kontur bzw. auf einem Teilbereich des Einheitskreises. Hierbei ist A der komplexe Startpunkt der Transformation und w ein komplexer Skalar, welcher das komplexe Verhältnis zwischen den Punkten auf der Kontur beschreibt. Im Falle der vorgeschlagenen Erfindung, müssen sowohl A als auch w an die sich ändernde abgestrahlte Wellenlänge/Frequenz des Sendesignales angepasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das FMCW-Radarmessgerät als Füllstandradar ausgebildet. Bei dem Objekt handelt es sich beispielsweise um ein Füllmedium, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut.
Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen FMCW-Radarmessgeräts zur Objektdetektion. Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen FMCW-Radarmessgeräts zur Überwachung eines Gefahrenbereichs. Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen FMCW-Radarmessgeräts zur Füllstandmessung.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Steuereinrichtung für ein oben und im Folgenden beschriebenes FMCW-Radarmessgerät. Diese Steuereinrichtung kann einen oder mehrere Prozessoren bzw. FPGAs (Field Programmable Gate Array) aufweisen und/oder in Form einer elektronischen Schaltung ausgeführt sein.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Objekts oder der Position eines Objekts, oder mehrerer Objekte, bei dem ein FMCW-Sendesignal erzeugt wird. Das Sendesignal wird in Richtung des Objekts bzw. der Objektoberfläche ausgesendet und wird reflektiert, zurückgestrahlt und wieder empfangen. Danach wird eine erste Transformation des empfangenen Empfangssignals aus dem Ortsbereich in den Ortsfrequenzbereich durchgeführt, wobei die Parameter der Transformation über die Zeit an die sich ändernde Wellenlänge des Sendesignals derart angepasst werden, dass die für ein statisches Ziel durch die erste Transformation berechnete Winkelposition sich nicht über der Zeit des Sweep oder der Frequenz des Sendesignales ändert. Darauffolgend wird eine zweite Transformation der so erhaltenen Daten durchgeführt, und zwar vom Zeitbereich in den Frequenzbereich, woraus sich eine winkelaufgelöste Distanzkurve berechnen lässt. Nach Berechnung der winkelaufgelösten Distanzkurve kann die Topologie der Oberfläche oder die Position des Objekts ausgegeben werden.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einer Steuereinrichtung eines FMCW-Radarmessgeräts ausgeführt wird, die Steuereinrichtung bzw. das FMCW-Radarmessgerät anleitet, die oben und im Folgenden beschriebenen Schritte durchzuführen.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein oben beschriebenes Programmelement gespeichert ist.
Das Programmelement kann beispielsweise in einem Arbeitsspeicher einer Datenverarbeitungseinrichtung, wie etwa eines Datenprozessors geladen und/oder gespeichert sein, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung auch Teil einer Ausführungsform sein kann. Diese Datenverarbeitungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, Verfahrensschritte des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, das Computerprogramm bzw. das Verfahren automatisch auszuführen und/oder Eingaben eines Benutzers auszuführen. Das Computerprogramm kann auch über ein Datennetzwerk, wie etwa das Internet, bereitgestellt und von einem solchen Datennetzwerk aus in den Arbeitsspeicher der Datenverarbeitungseinrichtung heruntergeladen werden. Das Computerprogramm kann auch eine Aktualisierung eines bereits vorhandenen Computerprogramms umfassen, wodurch das vorhandene Computerprogramm beispielsweise zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens befähigt werden kann.
Das computerlesbare Speichermedium kann insbesondere, aber nicht notwendigerweise, ein nichtflüchtiges Medium sein, das sich insbesondere zum Speichern und/oder Verteilen eines Computerprogramms eignet. Das computerlesbare Speichermedium kann eine CD-ROM, eine DVD-ROM, ein optisches Speichermedium, ein Festkörpermedium oder ähnliches sein, das zusammen mit oder als Teil anderer Hardware geliefert wird. Zusätzlich oder alternativ dazu, kann das computerlesbare Speichermedium auch in anderer Form verteilt bzw. vertrieben werden, beispielsweise über ein Datennetzwerk, wie etwa das Internet oder andere drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationssysteme. Hierzu kann das computerlesbare Speichermedium beispielsweise als ein oder mehrere Datenpakete ausgeführt sein.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen beschrieben. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
Figurenliste

1 zeigt beispielhaft die Gewinnung der Rohsignale mit einem FMCW-Radarmessgerät.
2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Phasenbeziehung benachbarter Antennen von der aktuellen Wellenlänge.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens.
4a zeigt die Gewinnung eines Rasters von Datenpunkten.
4b zeigt eine alternative Gewinnung eines Rasters von Datenpunkten.
5a zeigt ein Raster von Datenpunkten, das mit einem ersten Verfahren gewonnen wurde.
5b zeigt ein orthogonales Raster von Datenpunkten, das mit dem hier beschriebenen Verfahren gewonnen wurde.
6 zeigt ein FMCW-Radarmessgerät.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Zur rechenoptimierten, empfangsseitigen, digitalen Strahlformung ein- und zweidimensionaler Radar-Antennen-Arrays nach dem FMCW Prinzip, die im Rahmen der vorliegenden Beschreibung auch als Array-Antenneneinrichtung bezeichnet sind, wird beispielsweise eine mehrdimensionale FFT verwendet. Diese kann mittels aufeinanderfolgenden eindimensionalen FFTs durch Transformationen aus dem Ortsbereich in den Ortsfrequenzbereich (sFFT - spatial FFT) und aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich (tFFT - temporal FFT) realisiert werden. Anhand der digitalisierten Zwischenfrequenzen (zeitliches Sampling) der einzelnen Antennen mit vorgegebenem, definiertem Abstand (örtliches Sampling) kann somit die SignalAmplitude in Azimut-, (Elevations-) und Distanzrichtung des am Ziel reflektierten Sendesignales rekonstruiert werden. Um im Winkelbereich (Azimut/Elevation) von ± 90° keine Mehrdeutigkeiten zu erhalten, darf der Abstand der Antennen in der entsprechenden Winkelrichtung dabei maximal λ_min/2 sein.
Da sich bei einem FMCW-Radar-System, welches im Rahmen der vorliegenden Beschreibung auch als FMCW Radarmessgerät bezeichnet ist, die Sendefrequenz über der Zeit des Sweeps (Frequenzrampe) verändert, variiert auch die abgestrahlte/empfangene Wellenlänge λ(t). Somit verändert sich für ein statisches Ziel im Empfangsfall der Phasenversatz benachbarter Antennen, welche im Rahmen der vorliegenden Beschreibung auch als Antennenelemente bezeichnet sind, während des Sweeps, aufgrund ihres konstanten Abstandes, kontinuierlich. Für ein statisches Ziel mit Azimut Winkel θ_t ergibt sich die Phasenverschiebung φ zwischen zwei benachbarten Antennen, aus dem Wegunterschied ξ und der aktuelle Wellenlänge λ(t) zu (s. 3): $φ (t) = \frac{2 π ξ}{λ (t)} = \frac{π λ_{min} sin θ_{t}}{λ (t)}$
Daher ist die Reihenfolge bei der Signalverarbeitung im Falle des empfangsseitigen Beamformings (Strahlformung) äußerst wichtig. Wird zunächst die Transformation aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich (Distanz/Range) mittels tFFT durchgeführt, verteilt sich die eben angesprochene zeitlich verändernde Phaseninformation des Ziels über alle berechneten Frequenzen (Range-Bins). Als Folge wird bei dem Beamforming in Winkelrichtung die Amplitude der abgebildeten Ziele über einen gewissen Winkelbereich verschmiert und die Auflösung benachbarter Ziele sinkt.
Um diesem Effekt entgegenzuwirken wird vorgeschlagen, zunächst das Beamforming in Winkelrichtung (Azimut bzw. Elevation) unter Berücksichtigung dieses Effektes durchzuführen und im zweiten Schritt die Transformation aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich (Range) vorzunehmen.
Als weitere Konsequenz für die sich über der Sweep Zeit verändernde Wellenlänge kommt es im Falle des Beamformings in Winkelrichtung (Azimut, Elevation) mittels sFFT zu einer Begrenzung des physikalisch sinnvoll nutzbaren Ortsfrequenzbereichs (250). Die Nyquist-Frequenz v_Nyquist = v_s/2 kann physikalisch gesehen nur am Ende des Sweeps bei der kleinsten Wellenlänge λ_min in Richtung ± 90° erreicht werden (für Antennenabstandes d_ant = λ_min/2). Die Größe des nutzbaren Ortsfrequenzbereichs ist somit zeitabhängig, vergrößert sich im Falle einer ansteigenden Frequenzrampe bezogen auf den Gesamtfrequenzbereichs von Anfang bis Ende des Sweeps und ist am Ende des Sweeps maximal (5a, Bezugszeichen 250). Somit erhält man für ein statisches Ziel keine konstante Ortsfrequenz, sondern eine zeitabhängige Ortsfrequenz. Ein statisches Ziel scheint sich während des Sweeps axial zur Antenne hin zu größeren Ortsfrequenzen zu bewegen. Das Ergebnis der sFFT ist ein in Ortsfrequenz- und Zeitrichtung orthogonales Raster an Datenpunkten (5a, nicht gefüllte Kreise).
Die Vereinfachung und im Regelfall fälschliche Annahme, dass einer konstanten Ortsfrequenz eines FMCW Radar Systems ein zeitlich konstanter Winkel zuordenbar ist, führt dazu, dass ein statisches Ziel eine scheinbare Bewegung axial zur Antenne ausführt. Somit liegt vor dem Beamforming in Distanzrichtung (tFFT) das Zeitsignal bezogen auf einen konstanten Winkel nur für einen Bruchteil der Zeit des Sweeps an. Dies führt nach der tFFT zu einer Signalunschärfe in Winkel, als auch DistanzRichtung, welche umso ausgeprägter ist, je größer die Bandbreite des FMCW-Radars und der Winkel des Ziels zur Normalen der Antennen ist. Der Effekt skaliert zudem mit der Anzahl der Kanäle, welche für das Beamforming verwendet werden und somit mit der erzielbaren Winkelauflösung des Systems.
Ein Lösungsansatz besteht darin, ein Re-Sampling der Datenpunkte in Winkel Richtung (Azimut bzw. Elevation) mit bezogen auf die aktuelle Wellenlänge konstanter Ortsfrequenzauflösung A(t)/2 durchzuführen. Bildlich gesprochen entspricht dies einer Anpassung des Antennenabstandes über der Zeit. Da dies jedoch für jeden zeitlichen Sample-Punkt durchgeführt werden muss und die neue Abtastfrequenz sehr nahe bei der alten ist, ist dies sehr rechenintensiv. Es müsste zunächst auf eine sehr hohe Abtastrate konvertiert werden, um anschließend durch Dezimation die neue Rate zu erhalten. Alternativ kann das Re-Sampling im Frequenzbereich durchgeführt werden. Dies kann durch eine FFT mit hohem Zero-Padding erreicht werden. Das hohe Zero-Padding führt auch hier zu einer rechenintensiven Interpolation. Es ergibt sich zwar ein hochaufgelöstes Spektrum, benötigt wird jedoch nur ein Bruchteil der berechneten Punkte und zwar jene, die auf die neue Abtastrate fallen.
Daher kann in Winkel-Richtung eine Chirp-Z-Transformation, oder eine entsprechende Transformation, mit entsprechend angepassten Parametern vorgenommen werden. Mittels dieser ist die rechenoptimierte Bestimmung eines Teilspektrums mit vorgegebener Start-, Endfrequenz sowie Anzahl der Frequenz-Bins, ohne die zuvor beschriebenen Mängel des Re-Samplings oder Zero-Paddings möglich. Die Frequenzen der einzelnen Bins können bei der Transformation so gewählt werden, dass das Ergebnis einer beliebigen Abtastung der konventionellen Fourier Transformation entspricht. Die Chirp-Z-Transformation benötigt hierbei im Vergleich zu der Berechnung einer FFT ungefähr die dreifache Zeit, da diese als Faltung formuliert und mittels dreier FFTs durchgeführt werden kann. Eine Implementierung kann bspw. mittels des Bluestein-FFT-Algorithmus erfolgen. Somit ist diese deutlich effizienter als eine Abtastratenkonvertierung im Zeitbereich.
Formal ergeben sich die Frequenzkomponenten X_k der Chirp-Z-Transformation aus den abgetasteten Punkten x(n) zu: $X_{k} = \sum_{n = 0}^{N_{ant} - 1} x (n) z_{k}^{- n}$
mit z_k = A · w ^-k, k = 0,1, ... , M - 1
Hierbei ist N_ant die Anzahl der Eingangswerte (in diesem Fall die Anzahl der Antennen bzw. Anzahl der Samples in Azimut Richtung) und M die Anzahl der zu berechnenden Frequenzwerte bzw. Frequenz-Bins. Der komplexe Startpunkt entspricht $A = exp (- j \cdot 2 π \frac{v (t)}{v_{s}}) = exp (- j \cdot 2 π \frac{d_{ant}}{λ (t)}) = exp (- j \cdot 2 π \frac{f (t) \cdot d_{ant}}{c})$
Wobei v_s = 1/d_ant die Sampling-Frequenz im Ortsbereich ist, λ(t) die aktuelle Wellenlänge, f(t) die aktuelle Sendefrequenz und w dem komplexen Verhältnis der Punkte $w = exp (- j \cdot 4 π \frac{v (t)}{M \cdot v_{s}}) = exp (- j \cdot 4 π \frac{d_{ant} \cdot f (t)}{M \cdot c})$
Hierbei sind A und w die Parameter der Chirp-Z-Transformation, welche über der Zeit des Sweeps an die sich ändernde abgestrahlte Wellenlänge bzw. Frequenz für jeden Zeitschritt t des Sweeps angepasst werden müssen, um wie bspw. hier dargestellt ein Gesichtsfeldes mit einer Winkelausdehnung von ± 90° zu erhalten.
Nach der Transformation enthält man die entsprechenden Azimut Winkel der einzelnen Bins über: $θ_{k} = arcsin (2 \frac{l}{M}) mit l = - \frac{M}{2}, \dots,0,1, \dots, \frac{M - 1}{2}$
Für $A = 1, w = exp (- j \cdot 2 π \frac{1}{m}) und M = N$
erhält man die Disktrete Fouriertransformation (DFT) als Spezialfall der Chirp-Z-Transformation. $X_{k} = \sum_{n = 0}^{N - 1} x (n) exp (- j \cdot 2 π \frac{n}{N} k)$
Somit kann erreicht werden, dass nach der vorgeschlagenen Transformation das Signal eines statischen Zieles über die Zeit des Sweeps immer in denselben Frequenz Bins landet. Bildlich gesprochen entspricht dies einem Zoom im Spektrum der errechneten Ortsfrequenzen auf den nutzbaren Winkelbereich. Es ergibt sich somit vor der zweiten Transformation ein in Winkel- und Zeitrichtung orthogonales Raster an Datenpunkten (5b, ausgefüllte Punkte), welches ohne die zuvor angesprochenen Unzulänglichkeiten mittels Transformation aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich (tFFT) weiter verarbeitet werden kann.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zur digitalen Strahlformung eines bildgebenden, breitbandigen FMCW-Radar-Systems zur Verbesserung der Auflösung in Winkel- und Distanzrichtung. Hierfür wird zunächst eine Transformation aus dem Ortsbereich in den Ortsfrequenzbereich angewendet, wobei die Parameter der Transformation, bspw. Eine Chirp-Z-Transformation (sCZT - spatial CZT), über der Zeit an die sich ändernde Wellenlänge des abgestrahlten Signales angepasst werden, gefolgt von einer Transformation aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich (tFFT).
Zur besseren Veranschaulichung und einfacheren grafischen Darstellung wird das vorgeschlagene Verfahren anhand einer linearen, eindimensionalen Array-Antenneneinrichtung (101) gezeigt. Selbstverständlich ist aber auch eine Abstraktion dieses Verfahren für zwei- oder sogar dreidimensionale Arrays möglich.
1 zeigt beispielhaft die Gewinnung der Rohsignale für die empfangsseitige, digitale Strahlformung mittels eines linearen FMCW-Radar Antennen-Arrays 100 bestehend aus N_ant Patch-Empfangsantennen 101 mit Abstand d_ant = λ_min/2 102.
Der durch den Frequenzgenerator 105 erzeugte Frequenz-Sweep wird über die Sendeantenne (TX) 110 abgestrahlt, am statischen Ziel 115 reflektiert. Das reflektierte Signal 116 wird von den einzelnen Empfangsantennen (RX 1, ..., N_ant) 101 wieder empfangen. Durch Mischung 120 des empfangenen Signals mit dem aktuell abgestrahlten Signal, erhält man nach Tiefpass-Filterung 125 die Zwischenfrequenzen (ZF) der einzelnen Antennen, welche durch einen analog-digital Wandler 130 digitalisiert werden. Somit erhält man für jede einzelne Antenne ein digitales Zwischenfrequenz-Signal, welches für ein statisches Ziel eine zeitlich konstante Frequenz und Amplitude aufweist.
Entlang des Antennen-Arrays erfolgt eine direkte örtliche Abtastung des am Target reflektierten Hochfrequenz-Signales durch die einzelnen Patch-Antennen. Diese besitzen zueinander einen konstanten Abstand d_ant 102. Hierdurch ergibt sich ein örtliches Sampling mit konstanter Abtastfrequenz.
2 verdeutlicht für ein statisches Ziel 200 im Winkel θ_t zum Antennen-Array 101 (vgl. 1) den Zusammenhang zwischen der Phasenbeziehung benachbarter Antennen mit der aktuellen Wellenlänge. Die Antennen besitzen einen konstanten Abstand von d_ant = λ_min/2. Durch die zusätzliche Signallaufstrecke ξ der ankommenden ebenen Wellenfront für die Empfangsantenne RX j bezogen auf die Antenne RX j + 1 ergibt sich die Phasenbeziehung gemäß: $φ (t) = \frac{2 π ξ}{λ (t)} = \frac{π λ_{min} sin θ_{t}}{λ (t)}$
Aufgrund der sich über dem Sweep ändernden Wellenlänge λ(t), ändert sich somit die Phasenbeziehung benachbarter Antennen für ein statisches Ziel über der Zeit. Dies muss in der Reihenfolge der anschließenden Signalverarbeitung berücksichtigt werden.
3 zeigt eine vorgeschlagene Reihenfolge der Signalverarbeitung. Zunächst erfolgt die Erfassung der Messdaten 300, gefolgt von der Transformation aus dem Ortsbereich in den Frequenzbereich mittels Chirp-Z-Transformation (CZT) oder einer entsprechenden Transformation 301. Die Anzahl der nutzbaren Frequenz-Bins ist durch entsprechende Wahl der Transformationsparameter über den kompletten Sweep im physikalisch nutzbaren Winkelbereich konstant. Jedem berechneten Ortsfrequenz-Bin lässt sich hierbei eine zeitlich konstante Winkelrichtung bzw. Winkelposition zuordnen. Im nächsten Schritt erfolgt die Transformation der errechneten Daten aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich mittels tFFT 302. Jeder Frequenz kann dabei eine eindeutige Distanz zugeordnet werden. In Schritt 303 wird aus den durch die beiden Transformationen gewonnenen Daten eine Topologie oder Position eines oder mehrerer Objekte berechnet und ausgegeben.
4 zeigt einen Vergleich zwischen dem Beamforming nach dem Stand der Technik mittels sFFT (4a) und dem Verfahren mittels Chirp-Z-Transformation sCZT gemäß einer Ausführungsform (4b). Ausgehend von dem von jeder der N_ant Antennen mit relativen Abstand d_ant empfangenen zeitabhängigen Echosignalen 400, erhält man die zeitabhängigen Echokurven 405 der Ortsfrequenzen mittels Transformation aus dem Ortsbereich in den Ortsfrequenzbereich (sFFT). Hierfür wird für jeden Zeitschritt des Sweeps eine sFFT 410 über das digitalisierte ZF Signal aller Antennen (entlang der räumlichen Dimension des Datensatzes) errechnet. Zur Reduzierung des Leck-Effekt der räumlich begrenzten, nicht periodischen Signale wird idealerweise eine entsprechende Fensterung für die Fourier-Transformation (bspw. Dolph-Chebishev- oder Kaiser-Bessel-Fenster) verwendet. Da sich die Phasenbeziehung benachbarter Antennen aufgrund der sich ändernden Wellenlänge über dem FMCW Sweeps verändert, ändert sich die für ein statisches Ziel erhaltene Winkelrichtung bzw. Winkelposition über der Zeit 420. Dies ist umso ausgeprägter, je größer der Azimut Winkel des Zieles bezogen auf die Antenne bzw. breitbandiger das verwendete Radarsignal ist. Durch eine weitere Transformation aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich mittels tFFT 440 entlang der zeitlichen Dimension des errechneten Datensatzes, erhält man die winkelaufgelösten Distanzkurven 450. Auch hier ist zur Reduzierung des Leck-Effektes der zeitlich begrenzten Ausgangssignale eine Fensterung für die Fourier Transformation nötig, wobei sich das verwendete Fenster aber von dem ersten unterscheiden kann.
4b zeigt ausgehend von dem gleichen Datenmaterial 400 das alternative Vorgehen gemäß einer Ausführungsform. Die winkelaufgelösten, zeitabhängigen Echokurven 455 werden hierbei mittels Chirp-Z-Transformation 460 gewonnen. Durch Anpassung des zu berechnenden Ortsfrequenzbereiches der CZT ändert sich für ein statischen Zieles die Winkelzuordnung bzw. Winkelposition der errechneten Bins nicht über der Zeit 470. Lediglich die Winkelauflösung ist am Anfang etwas schlechter als am Ende des Sweep. Dies liegt in der Begrenzung auf den nutzbaren Winkelbereich begründet, welcher bildlich gesprochen durch einen Zoom auf den nutzbaren Spektralbereich erreicht wird.
Durch eine weitere Transformation aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich mittels tFFT 480, erhält man wiederum die winkelaufgelösten Distanzkurven 490. Hierbei wird deutlich, dass die mittels CZT-Beamforming erhaltene Auflösung der Echos eines einzelnen statischen Zieles 495 sowohl in Distanz- als auch Winkelrichtung besser ist, als die mittels FFT-Beamforming 455 erreichte.
5 zeigt einen direkten Vergleich zwischen dem Beamforming in Winkelrichtung mittels sFFT (O) und entsprechend parametrierter Chirp-Z-Transformation (sCZT) (•) detaillierter. 5a stellt die Lage der errechneten Bins bezogen auf die errechneten Ortsfrequenzen und 5b bezogen auf die Winkelrichtungen dar. Mittels sFFT wird das Ortsfrequenzspektrum der mit konstanter Ortsfrequenz v_s = 1/d_ant = 2/λ_min abgetasteten Ausgangssignale berechnet. Die berechneten Ortsfrequenzen sind dabei äquidistant zwischen ± v_s/2 verteilt (die Komponente für + v_s/2 entspricht im Falle einer geraden Anzahl an Samples der -v_s/2 Komponente). Die Nyquist-Frequenz v_Nyquist = ± v_s/2 kann physikalisch gesehen jedoch nur am Ende des Sweeps für ein Ziel in Richtung ±90° erreicht werden (bei einem Antennenabstand von d_ant = λ_min/2). Somit werden mit der sFFT auch Ortsfrequenz Bins berechnet, welche außerhalb des physikalisch sinnvoll nutzbaren Bereiches liegen (≥ ±90° zur Hautrichtung des Antennen-Arrays 550).
Die Parameter der Chirp-Z-Transformation (sCZT) können hingegen derart gewählt werden, dass nur physikalisch sinnvolle Bins errechnet werden. Dies entspricht somit einem Zoom im Ortsfrequenzspektrum auf den Nutzbereich. Somit kann erreicht werden, dass ein statisches Radarziel immer im selben mittels sCZT berechnetem Frequenz-Bin zum Liegen (5b) kommt. Des Weiteren ist sichergestellt, dass zu jedem Zeitpunkt t ein Frequenz-Bin für jede benötigte Winkelrichtung existiert und keine Zwischenwerte wie im Falle der sFFT interpoliert werden müssen. Somit bleibt auch die Anzahl der Frequenz-Bins über der Zeit des Sweeps konstant, während sich die Anzahl der nutzbaren Bins beim sFFT-Beamforming verändert, wie in 5b zu sehen.
6 zeigt ein FMCW-Radarmessgerät 100, eingerichtet zum Erfassen der Topologie der Oberfläche oder der Position eines Objekts 115. Das Radarmessgerät 100 weist eine Steuereinrichtung 603, eine daran angeschlossene Signalerzeugungseinrichtung 602 und eine daran angeschlossene Array-Antenneneinrichtung 101 auf. Die Array-Antenneneinrichtung 101 kann noch innerhalb des Gehäuses angeordnet sein.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims

FMCW Radarmessgerät (100), eingerichtet zum Erfassen der Topologie der Oberfläche oder der Position eines Objekts (115), aufweisend: eine Sendesignalerzeugungseinrichtung (602), eingerichtet zum Erzeugen eines FMCW Sendesignals; eine Array-Antenneneinrichtung (101) mit einer Vielzahl an Antennenelementen, eingerichtet zum Aussenden des FMCW Sendesignals in Richtung des Objekts und zum Empfangen eines reflektierten Empfangssignals; eine Steuereinrichtung (603), eingerichtet zum: Durchführen einer ersten Transformation des vom FMCW Radarmessgerät empfangenen Empfangssignals aus dem Ortsbereich in den Ortsfrequenzbereich, wobei die Parameter der Transformation über die Zeit an die sich ändernde Wellenlänge des Sendesignals derart angepasst werden, dass sich die für ein statisches Ziel durch die erste Transformation berrechnete Winkelposition nicht über der Zeit des Sweep oder der Frequenz des Sendesignales ändert; Durchführen einer darauf folgenden zweiten Transformation der durch die erste Transformation gewonnen Daten vom Zeitbereich in den Frequenzbereich, woraus sich eine winkelaufgelöste Distanzkurve (490) berechnen lässt; Ausgeben der Topologie der Oberfläche oder der Position des Objekts; wobei die erste Transformation eine Chirp-Z-Transformation ist.
FMCW Radarmessgerät nach Anspruch 1, wobei die winkelaufgelöste Distanzkurve (490) aus einem in Winkel- und Distanzrichtung orthogonalen Raster von Datenpunkten besteht.
FMCW Radarmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Transformation eine Fourier-Transformation, tFFT, ist.
FMCW Radarmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (603) zum Abtasten des Empfangssignals eingerichtet ist und die erste Transformation in einem ersten Schritt für jeden ersten zeitlichen Abtastpunkt des CGS:CGS von jedem Antennenelement empfangenen Empfangssignals durchführt, gefolgt von der Durchführung der Transformation für jeden weiteren Abtastpunkt.
FMCW Radarmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als Füllstandradar, wobei das Objekt (115) ein Füllmedium ist.
Verwendung eines FMCW Radarmessgeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Objektdetektion.
Verwendung eines FMCW Radarmessgeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Überwachung eines Gefahrenbereichs.
Verwendung eines FMCW Radarmessgeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Füllstandmessung.
Steuereinrichtung (603) für ein FMCW Radarmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zum Erfassen der Topologie der Oberfläche oder der Position eines Objekts (115), aufweisend die Schritte: Erzeugen eines FMCW Sendesignals; Aussenden des FMCW Sendesignals in Richtung des Objekts; Empfangen eines reflektierten Empfangssignals; Durchführen einer ersten Transformation des empfangenen Empfangssignals aus dem Ortsbereich in den Ortsfrequenzbereich, wobei die Parameter der Transformation über die Zeit an die sich ändernde Wellenlänge des Sendesignals derart angepasst werden, dass sich die für ein statisches Ziel durch die erste Transformation berechnete Winkelposition nicht über der Zeit des Sweep oder der Frequenz des Sendesignales ändert; Durchführen einer darauf folgenden zweiten Transformation der durch die erste Transformation gewonnen Daten vom Zeitbereich in den Frequenzbereich, woraus sich eine winkelaufgelöste Distanzkurve (490) berechnen lässt; Ausgeben der Topologie der Oberfläche oder der Position des Objekts; wobei die erste Transformation eine Chirp-Z-Transformation ist.
Programmelement, das, wenn es auf einer Steuereinrichtung (603) eines FMCW Radarmessgeräts (100) ausgeführt wird, das FMCW Radarmessgerät anleitet, die Schritte nach Anspruch 10 durchzuführen.
Computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement nach Anspruch 11 gespeichert ist.