DE102022108836A1

DE102022108836A1 - Kalibrierung von Radar mit mehreren Sendern

Info

Publication number: DE102022108836A1
Application number: DE102022108836.7A
Authority: DE
Inventors: Mayeul Jeannin; Farhan Bin Khalid; Dian Tresna NUGRAHA
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-10-12
Also published as: US20230333208A1

Abstract

Ein Radarsystem weist mehrere Radarsender und mindestens einen Radarempfänger auf, wobei jeder Radarsender einen Sendereinsteller zum Abstimmen der Ausgabe des jeweiligen Senders aufweist, beispielsweise Abstimmen der Phase von jedem von mehreren Konstellationspunkten einer Konstellation. Das Radarsystem kann in einem Kalibrierzyklus arbeiten durch Senden von einem einzelnen Radarsender unter Verwendung des Sendereinstellers; Erhalten eines Schätzwerts des Fehlers in dem Sendereinsteller, und Einstellen des Sendereinstellers gemäß dem Schätzwert des Fehlers. In einem Arbeitszyklus kann das Radarsystem unter Verwendung der mehreren Radarsender senden, wobei das Signal von jedem unter Verwendung des Sendereinstellers abgestimmten Radarsender gesendet wird. Kalibrierzyklen sind zwischen Arbeitszyklen während des Betriebs eingestreut.

Description

Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Radarverfahren mit mehreren Sendern, beispielsweise für eine automotive Applikation, sowie eine Vorrichtung zum Ausführen eines Radarverfahrens, beispielsweise einschließlich Kalibrierung.
Allgemeiner Stand der Erfindung
Es besteht eine zunehmende Nachfrage nach Sensoren von verschiedenen Arten, um die Umgebung um ein Fahrzeug zu detektieren und somit Eingaben für verschiedene Fahrsteuer- und -überwachungsapplikationen zu liefern. Radar spielt eine wichtige Rolle beim Detektieren der Anwesenheit von Objekten. Zunehmend werden Radare für automotive und andere Fahrzeugapplikationen in Wagen eingebaut. Oftmals werden mehrere Sender (Tx) und Empfänger (Rx) bereitgestellt, um eine verbesserte Radardetektion zu gestatten, insbesondere beispielsweise, um die Richtung von Objekten präzise detektieren zu können, beispielsweise unter Verwendung von MIMO(Multiple Input Multiple Output)-Radarempfängern.
Eine ST-PC(Slow-Time Phase-Coded)-Wellenform ist eine populäre frequenzmodulierte Dauer-(FMCW)-Rampenmodulationstechnik für automotive MIMO(Multiple Input Multiple Output)-Radare. Eine präzise Modulation des gesendeten Signals ist erforderlich, um eine zuverlässige und präzise Messung der Position von Objekten zu erhalten.
Beispielsweise erfordern automatisierte Fahrapplikationen eine höhere Winkelauflösung von Radarsensoren im Vergleich zu fortgeschrittenen Fahrerassistenzsystemen. Eine höhere Winkelauflösung in FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)-MIMO(Multiple Input Multiple Output)-Radarsystemen kommt auf Kosten einer erhöhten Anzahl physikalischer Kanäle, sowohl auf der Sendeseite (Tx) als auch auf der Empfangsseite (Rx). Solche Radarsysteme nutzen Multiplexiertechniken, um MIMO-Eigenschaften vorteilhaft zu nutzen. Einige bekannte Tx-Multiplexiertechniken für automotive FMCW-MIMO-Radarsysteme sind Zeitmultiplex (TDM) und ST-PC(Slow-Time Phase-Coded)-FMCW.
Die Kalibrierung der Phasenschieber kann am Ende einer Straße ausgeführt werden, d.h. am Ende des Produktionsprozesses in der Fabrik. Solche Ansätze bewältigen jedoch nicht den Drift bei Parametern, der über der Zeit stattfinden kann, oder Änderungen bei Arbeitsbedingungen wie etwa Temperatur.
Es besteht dementsprechend eine Notwendigkeit für verbesserte Kalibriertechniken, die verwendet werden können, um mehrere Radarsender zu kalibrieren, beispielsweise für ST-PC. FMCW-Systeme.
Kurze Darstellung der Erfindung
Dementsprechend wird entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Radarsystems mit mehreren Radarsendern und mindestens einem Radarempfänger bereitgestellt, wobei jeder Radarsender einen Sendereinsteller zum Abstimmen der Ausgabe des jeweiligen Senders aufweist, wobei das Verfahren umfasst:

in einem Kalibrierzyklus, Senden von einem einzelnen Radarsender unter Verwendung des Sendereinstellers;
Erhalten eines Schätzwerts des Fehlers in dem Sendereinsteller,
Einstellen des Sendereinstellers gemäß dem Schätzwert des Fehlers; und
in einem Arbeitszyklus, Senden unter Verwendung von mehreren Radarsendern, des Signals, das von jedem Radarsender gesendet wird, unter Verwendung des abgestimmten Sendereinstellers; und
Wiederholen von Kalibrierzyklen, eingestreut zwischen Arbeitszyklen während der Arbeit.

Durch Betreiben eines Radarsystems mit Kalibrierung auf diese Weise ist es möglich, eine relativ präzise Sende(Tx)-Phasenmodulation bereitzustellen, um Modulationsartefakte zu vermeiden, die ansonsten die Radarsystemleistung degradieren würden.
Gesteigerte Erfassungsanforderungen für eine automatisierte Fahrapplikation unter Verwendung von Radarsensortechnologie werden durch die driftende Natur von Phasenfehlern begrenzt. Eine Tx-Phasenschieberfehlerdrift kann für das Modell eine Herausforderung darstellen, was die klassische End-Of-Line-Kalibrierung suboptimal macht.
Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung betreffen die Verwendung von ST-PC-Systemen. Man beachte jedoch, dass die gleichen Techniken auch von Vorteil für ein beliebiges System sein können, wo eine Phasenkalibrierung von Tx-Phasenschiebern erfordert oder vorteilhaft ist.
Für niedrigere Stufen an autonomem Fahren (AD) ist TDM bevorzugt wegen seiner Einfachheit der Umsetzung und seiner niedrigen Signalverarbeitungsanforderungen. Mit höheren AD-Stufen und der assoziierten erhöhten Anzahl von Tx-Kanälen eignet sich die TDM nicht länger, da die Anzahl von Tx-Kanälen der maximalen eindeutigen Geschwindigkeit eine direkte Beschränkung auferlegt. Weiter leiden TDM-Systeme unter einer Geschwindigkeits-Winkel-Kopplung. Im Gegensatz zu TDM bieten ST-PC-FMCW-Radarsysteme die Möglichkeit einer gleichzeitigen Tx-Emission unter Verwendung einer Rampen-Rampen-Phasencodierung.
ST-PC-FMCW-Systeme nutzen Tx-Phasenschieber (PS), um individuelle Rampenphasen zu steuern. Eine etwaige PS-Unvollkommenheit würde zu einer inkorrekten Modulation und Verschlechterung der idealen Systemleistung führen. Um diese Phasenschieber zu kalibrieren, kann eine Kalibrierung in dem Herstellungsprozess während einer End-of-Line-Kalibrierung (EoLC) erfolgen. Unglücklicherweise behandelt die EoLC nicht einen Drift von Fehlern und insbesondere einen Drift von Tx-PS-Fehlern entlang Parametern wie etwa Temperatur und Alter des Systems.
Das hier beschriebene Verfahren kann diese spezifische Schwierigkeit behandeln durch Bereitstellen einer Korrektur von Tx-PS-Fehlern auf einer fortlaufenden Basis während des Betriebs.
Der Schritt des Einstellens des Sendereinstellers kann einen iterativen Ansatz verwenden, um den Sendereinsteller über mehrere Iterationen des Kalibrierzyklus einzustellen. In einem bestimmten Beispiel stellt der Schritt des Einstellens des Sendereinstellers unter Verwendung eines Schätzwerts des Fehlers den Sendereinsteller unter Verwendung eines Bruchteils p des geschätzten Fehlers ein, wobei p nicht größer als 0,2 ist, so dass der jeweilige Sender aufeinanderfolgend über mehrere Kalibrierzyklen abgestimmt wird. Der Bruchteil kann beispielsweise konstant oder dynamisch angepasst werden. Wenn beispielsweise eine starke Spitze entsprechend einem Ziel detektiert und verwendet wird, kann der Fehlerschätzwert präziser sein und so kann ein höherer Wert von p verwendet werden.
Um jeden Radarsender zu kalibrieren, können in aufeinanderfolgenden Kalibrierzyklen verschiedene einzelne Radarsender verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung verwenden mehrere Radarempfänger in einem MIMO(Multiple Input Multiple Output)-Ansatz.
In Ausführungsformen des Verfahrens kann der Kalibrierzyklus nach dem Übertragen von dem einzelnen Radarsender enthalten
Empfangen eines resultierenden Signals auf den mehreren Radarempfängern;
Ausführen eines Entfernungs-FFT über die Fast-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Slow-Time-Darstellung zu erhalten
Ausführen eines Doppler-FFT über die Slow-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Doppler-Darstellung zu erhalten;
Ausführen einer Spitzendetektion auf der Entfernungs-Doppler-Darstellung, um eine Zielliste anzulegen;
Wählen eines Ziels aus der Zielliste;
Ausführen einer Entfernungsvektorextraktion auf der decodierten Entfernungs-Fourier-Transformation entsprechend dem entfernungsgewählten Ziel, um einen extrahierten Entfernungsvektor zu erhalten; und
Ausführen des Schritts des Erhaltens eines Schätzwerts des Fehlers unter Verwendung des extrahierten Entfernungsvektors.
Das Verfahren kann weiter den Schritt des Ausführens einer Bewegungskompensation auf dem extrahierten Entfernungsvektor und Verwenden des bewegungskompensierten extrahierten Entfernungsvektors verwenden.
Der Schritt des Wählens eines Ziels kann ein Ziel aus der Zielliste wählen, das auf dem Kriterium gewählt wird, hinsichtlich Entfernung und Doppler von anderen Zielen in der Zielliste getrennt zu sein und/oder durch das Darstellen einer starken Signalspitze.
Die Schritte des Empfangens eines resultierenden Signals auf dem mindestens einen Radarempfänger, des Ausführens eines Entfernungs-FFT über die Fast-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Slow-Time-Darstellung zu halten, und des Ausführens eines Doppler-FFT über die Slow-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Doppler-Darstellung zu erhalten, kann sowohl in dem Kalibrierzyklus als auch dem Betriebszyklus ausgeführt werden. Das Verfahren kann weiter die empfangene Entfernungs-Doppler-Darstellung verarbeiten, um Positionen von Zielen sowohl in dem Betriebszyklus als auch dem Kalibrierzyklus zu identifizieren. Man beachte, dass dies stattfinden kann, obwohl die Entfernungs-Doppler-Darstellung in dem Kalibrierzyklus durch die Verwendung von nur einem Sender, nicht mindestens zwei, beeinträchtigt wird.
Jeder Sender kann bei mehreren Konstellationspunkten eine Konstellation senden, und jeder Sendereinsteller ist ein Senderphasenschieber, ausgelegt zum Steuern der Phase individueller Rampenphasen von jeweiligen Konstellationspunkten auf dem jeweiligen individuellen Sender. Wenn beispielsweise Quadratur-Phasenumtastung, QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) verwendet wird, enthält die Konstellation vier Konstellationspunkte bei den Phasen nominal bei 0, π/2, π und 3π//2. Der Phasenfehler an jedem dieser Konstellationspunkte kann gemessen und dann angewendet werden, um jeden der Konstellationspunkte getrennt individuell zu korrigieren.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Radarkalibrierung bereitgestellt, umfassend:

Empfangen von Radardaten als eine Funktion einer Slow-Time und einer Fast-Time;
Ausführen eines Entfernungs-FFT über die Fast-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Slow-Time-Darstellung zu erhalten
Ausführen eines Doppler-FFT über die Slow-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Doppler-Darstellung zu erhalten;
Identifizieren eines Ziels zusammen mit einer entsprechenden Entfernung, empfangenen Amplitude, gemessenen Ankunftsrichtung und gemessenem Doppler-Signal,
Extrahieren des Vektors entsprechend der Entfernungs-Slow-Time-Darstellung bei der Entfernung des Ziels als eine Funktion der Slow-Time (m); und
Berechnen der Phase entsprechend den Bins in der Entfernungslinie unter Berücksichtigung der empfangenen Amplitude, gemessenen Ankunftsrichtung und gemessenen Doppler-Signals.

Für den Fall, dass das Ziel das dominante oder einzige Ziel in der Entfernung ist, wobei jeder der Bins der Entfernungslinie einem von mehreren Punkten einer Konstellation entspricht, kann der Schritt des Berechnens für jeden Konstellationspunkt ausgeführt werden durch Mittelung der Phasenabweichung für jeden der Bins entsprechend jener Konstellation nach dem Korrigieren der gemessenen Phase jedes Konstellationspunktes für die gemessene Ankunftsrichtung und das Dopplersignal.
In einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Radarvorrichtung bereitgestellt, umfassend:

mehrere Radarsender, wobei jeder Radarsender einen Sendereinsteller zum Abstimmen der Ausgabe des jeweiligen Senders aufweist;
mindestens einen Radarempfänger; und
einen Radar-Prozessor, ausgelegt:
- in einem Kalibrierzyklus zum Senden von einem einzelnen Radarsender unter Verwendung des Sendereinstellers;
- zum Erhalten eines Schätzwerts des Fehlers in dem Sendereinsteller,
- zum Einstellen des Sendereinstellers gemäß dem Schätzwert des Fehlers; und
- in einem Betriebszyklus zu bewirken, dass die Radarsender unter Verwendung von mehreren der Radarsendern senden, wobei das Signal, das von jedem Radarsender gesendet wird, durch den Sendereinsteller abgestimmt wird; und
- zum Wiederholen von Kalibrierzyklen eingestreut zwischen Betriebszyklen während des Betriebs.

Ausführliche Beschreibung
Eine Ausführungsform der Erfindung wird im Kontext eines FMCW-ST-PC-Systems vorgelegt. Dementsprechend wird zuerst eine mathematische Beschreibung dieses Systems vorgelegt, so dass die Schwierigkeit beim Extrahieren des Fehlers in der Phasenverschiebung verstanden werden kann, bevor die vorgeschlagene Lösung beschrieben wird.
Phasenschieberfehler
Dieser Abschnitt legt ein mathematisches Modell der ST-PC-FMCW-Wellenform einschließlich Tx-PS-Fehlern vor. Das Modell hilft, die Auswirkung von Tx-PS-Fehlerartefakten auf das Radarsystem zu verstehen. Die allgemeine ST-PC-FMCW-Wellenformgleichung kann geschrieben werden als $s (t) = \sum_{k = 0}^{N_{Tx} - 1} \sum_{m = 0}^{N_{R} -} u (t - m T) \cdot e^{i θ_{k} [m]},$
wobei i die imaginäre Einheit ist, u(t) ein einzelnes, über das Intervall 0<t<T definiertes FMCW-Chirp ist, wobei T die Chirpdauer ist und wobei die Rücklaufzeit vernachlässigt wird.
Der Rampenindex ist durch m = 0, ... N_R-1 gegeben, und der Tx-Index ist durch k = 0, ... N_TX -1 gegeben.
Es sei k ein spezifischer Tx-Index, θ_k ist der Tx spezifische PS-Vektor, der den mit jeder Rampe m assoziierten ST-PC-Code enthält. $\begin{array}{l} θ_{k} [m] = θ_{k}^{ideal} [m] + θ_{k}^{err} [m] \\ θ_{k} [m] \in C_{k} = \underset{C_{k}^{ideal}}{\underset{︸}{{ϕ_{1}, \dots, ϕ_{N_{k}}}}} + \underset{C_{k}^{err}}{\underset{︸}{{δ_{1}, \dots, δ_{N_{k}}}}}, \end{array}$
wobei jedes Element des Vektors zu einem Punkt der Tx-PS-Konstellation C_k gehört. Jedes Element j der Konstellation ist die Kombination aus der gewünschten Phasenverschiebung ϕ und dem Fehler δ mit dem Konstellationsindex j = 1, ... N_k und ϕ_j, δj ∈ [0,2π].
Das entchirpte und diskretisierte empfangene Signal kann ausgedrückt werden als $\begin{array}{l} S_{IF} [q, m, n] = \sum_{z = 0}^{z - 1} \sum_{k = 0}^{N_{Tx} - 1} \overset{x_{k, z} [q, m, n]}{\overset{︷}{e^{i (2 π (ƒ_{z}^{R} q + ƒ_{z}^{D} m) + ϕ_{z} [k, n])}}} \\ \cdot e^{i θ_{k} [m]}, \end{array}$
wobei q der Abtastindex der Fast-Time mit q = 0, ... N_sample-1 ist, n der Rx-Index mit n = 0, ... N_Rx - 1 ist, Z die Anzahl von Streupunkten (Zielen) ist. X_k,z [q,m,n] ist eine Einzelziel-z-Reflexion von normierter Amplitude mit Frequenzen f_z ^R entlang der Fast-Time q ist, f_z ^D entlang der Slow-Time m und mit der Raumphasenkomponente ϕ_z [k,n] abhängig von dem Tx- und Rx-Index gemäß dem standardmäßigem FMCW-Signalmodell ist. α_z ist die Zielstreuamplitude. Additives Mischrauschen wird vernachlässigt, um die Gleichung zu vereinfachen.
Es seien nun zwei aufeinanderfolgende diskrete Fourier-Transformationen (DFT) von (3) betrachtet $\begin{array}{l} \underset{S_{R} [r, m, n]}{\underset{︸}{F_{q} (S_{IF} [q, m, n])}} = \sum_{z = 0}^{Z - 1} α_{z} \sum_{k = 0}^{N_{Tx} - 1} (\overset{Y_{k, z} [r, m, n]}{\overset{︷}{F_{q} (X_{IF} [q, m, n])}} \\ \cdot e^{i θ_{k} [m]}), \end{array}$
$\begin{array}{l} \underset{S_{RD} [r, p, n]}{\underset{︸}{F_{m} (S_{R} [r, m, n])}} = \sum_{z = 0}^{Z - 1} α_{z} \sum_{k = 0}^{N_{Tx} - 1} (F_{m} Y_{k, z} [r, m, n] \cdot e^{i θ_{k}^{ideal} [m]}) \\ * \underset{Q_{k} [m]}{\underset{︸}{F_{m} (e^{i θ_{k}^{err} [m]})}}), \end{array}$
wobei F_q die DFT-Operation entlang der Fast-Time-Dimension q darstellt, F_m die DFT-Operation entlang der Slow-Time-Dimension m darstellt, * der Faltungsoperator ist, r der Entfernungsindex ist und p der Geschwindigkeits (Doppler)-Index ist. Die Fast Fourier Transformation (FFT) wird gewöhnlich im automotiven Bereich verwendet und deshalb werden diese DFT-Operationen entlang der Fast- bzw. Slow-Time-Dimensionen später als die Entfernungs-FFT (R-FFT) und die Doppler-FFT (D-FFT) bezeichnet.
Die mit jedem Ziel in der Geschwindigkeitsdimension assoziierte DFT wird mit dem Artefaktausdruck Q_k [m] gefaltet. Gleichung (5) gilt nur für ST-PC-Verfahren, wo das Decodieren nach dem D-FFT wie etwa Doppler-Multiplexieren (DDM - Doppler-Division Multiplexing) erfolgt. DDM wird in dem folgenden Beispiel verwendet, da es die Verwendung von fremden Modulationsartefakten als sekundäre Metriken gestattet, um die Leistung des vorgelegten Verfahrens zu evaluieren. Dementsprechend funktioniert DDM gut als ein Beispiel. Jedoch ist die Erfindung nicht auf solche Verfahren beschränkt.
Für andere Verfahren, die das Decodieren vor dem zweiten DFT beinhalten, würde der Artefaktausdruck Q_k [m] durch Decodieren abgeändert und würde immer noch die Radarleistung verzerren. Gemäß dieser Gleichung generiert jedes Ziel Artefakte entlang der Geschwindigkeitsdimension proportional zu der Zielstreuamplitude. Somit kann eine Zielreflexion die Detektion eines schwächeren Ziels in der gleichen Entfernung negativ beeinflussen.
Mit anderen Worten erzeugt der Artefaktausdruck Q_k [m] Artefakte in den gemessenen Daten, die minimiert werden sollten, um die Radardetektion zu verbessern.
Online-Kalibrierverfahren für Phasenschieber
Ausführungsformen minimieren den Einfluss des Artefaktausdrucks Q_k [m] in (5) durch Schätzen jeder individuellen Tx-Konstellation C_k und Einstellen der Tx-PS-Konfiguration entgegengesetzt zu einer etwaigen beobachteten Abweichung. Gemäß (4) und (5) ist θ_k ^err tief innerhalb zweier Summierungen vergraben, die es schwierig machen, ihn abzutrennen und somit in nachfolgender Verarbeitung zu verwenden.
Um diese Trennung zu erzielen, kann das vorgeschlagene Online-Kalibrierverfahren auf einem speziellen Kalibriermodus basieren, in dem ein bestimmter Tx-Pfad individuell aktiviert wird, während seine spezifische ST-PC-Modulation aufrechterhalten wird. Weiter können zum Schätzen der fehlerhaften Konstellation genutzte Ziele von Interesse nach D-FFT derart gewählt werden, dass zwischen Zielen keine Zweideutigkeit existiert. Beide Schritte sind in dem folgenden Abschnitt detailliert. 1 zeigt die vollständige Tx-PS-Kalibrierroutine für eine einzelne Tx-Antenne. Nachdem alle Tx-PS kalibriert sind, können alle Tx gleichzeitig für einen normalen Radarbetrieb aktiviert werden.
Es sei k der Index einer bestimmten, individuell aktivierten Tx (Tx_k), während sein Txspezifischer ST-PC-Modulationscode θ_k aufrechterhalten wird. Da nur ein Tx aktiviert ist, ist das Decodieren unter Verwendung des Kehrwerts des idealen Codes, -0_k ^ideal, auf jeder Entfernungslinie trivial. Für eine unbekannte Anzahl von Zielen Z nach dem Decodieren wird (4) $S_{R, k} [r, m, n] = \sum_{z = 0}^{Z - 1} α_{z} \cdot Y_{k, z} [r, m, n] \cdot e^{i θ_{k}^{err} [m]} .$
Lösung der Zielzweideutiqkeit
In (6) verhindert die Summierung über alle Z Ziele eine direkte Evaluierung von θ_k ^err. Um dies zu lösen, muss ein spezifisches Ziel isoliert werden.
1 veranschaulicht einen verwendeten beispielhaften Prozessfluss.
Eine MMIC 10 enthält mehrere Sender Tx 12 und mehrere Empfänger Rx 14. In einem herkömmlichen Arbeitsmodus arbeiten die Sender 12 und Empfänger 14 zusammen. 1 veranschaulicht den Fall von drei Sendern 12 und vier Empfängern 14, was unter Verwendung von MIMO-Techniken bedeutet, dass es 12 (3 mal 4) virtuelle Kanäle gibt. Jeder Sender weist einen assoziierten Sendereinsteller auf, in dem dargestellten Beispiel einen Phasenschieber 16, zum Feinabstimmen der Phase jedes jeweiligen Senders.
1 veranschaulicht den Fall eines Betriebs nicht in dem herkömmlichen Betriebsmodus, sondern in einem Kalibrierungmodus, in dem nur einer der Sender 12 betrieben wird. Die verwendete Konstellation bleibt die gleiche, das heißt die Daten werden auf die gleiche Weise übertragen. Für das Beispiel einer Quadraturphasenumtastung (QPSK) bedeutet dies, dass der Sender Chirps wiederum unter Verwendung jedes der vier Konstellationspunkte (0, π/2, π, 3π/2) sendet unter Verwendung der gleichen Phasenverschiebung auf dem Phasenschieber wie in dem herkömmlichen Arbeitsmodus.
Die Ausgabe des MMIC 10 wird durch einen Radarcontroller mit einer Anzahl von Arbeitsblöcken 20, in 1 dargestellt, geschickt. Diese können in dem MMIC oder in einem mit dem MMIC verbundenen Mikrocontrollerchip umgesetzt sein oder sogar in einem mit dem MMIC verbundenen oder mit dem MMIC durch einen Mikrocontrollerchip verbundenen allgemeinen Prozessor. Der Fachmann wird verstehen, dass verschiedene Radarsysteme die verschiedenen Arbeitsblöcke bereitstellen, unterteilt über mehrere Hardwarechips auf diese Weise oder tatsächlich in einem einzelnen Chip.
Der erste Arbeitsblock ist die Entfernungs-FFT 22 (Gleichung (4)). Die Ausgabe dieses Blocks wird dann zu dem Decodierblock 24 geschickt. Die Ausgabe von diesem wird an den Doppler-FFT 26 geschickt, der die Doppler-FFT von Gleichung (5) ausführt, sowie zu dem Entfernungslinien-Extraktionsblock 28. Die Ausgabe der Doppler-FFT 26 wird zu einem Spitzendetektor 30 geschickt und dann zu dem Zielwahlblock 32, der ein einzelnes Ziel wählt. Somit wird die Trennung des Ziels durch diese Radarverarbeitung bereitgestellt. 2 veranschaulicht die Zieltrennung.
Die Entfernungs-FFT 22 trennt das/die Ziele in dem Entfernungsbereich, die Doppler-FFT 26 trennt das/die Ziele in dem Geschwindigkeitsbereich.
Der Entfernungslinien-Extraktionsblock 28 erhält das durch den Zielwahlblock 32 gewählte Ziel und extrahiert den entsprechenden Entfernungsvektor 50 (Entfernungslinie). Dies wird dann an den Bewegungskompensationsblock 36 weitergeleitet, der ebenfalls eine Eingabe von dem Zielwahlblock 32 aufweist und der zu dem Fehlerschätzblock 38 ausgibt.
Die Ausgabe des Fehlerschätzblocks 38 wird nicht direkt an den Phasenschieber 16 angelegt, da der Fehlerschätzblock nur den Fehler schätzt und ihn möglicherweise nicht genau berechnet. Deshalb wird nur ein kleiner Bruchteil des geschätzten Fehlers durch einen stochastischen Gradientenabstiegsblock 40 an den Phasenschieber 16 angelegt. Der geschätzte Fehler wird dann mit dem berechneten Idealwinkel θ_k verknüpft.
Die Fehlerschätzung wird wiederholt berechnet, und der stochastische Fehlerschätzblock konvergiert langsam auf einen geschätzten Fehler entsprechend dem echten Fehler über der Zeit. Weil die Korrektur kontinuierlich stattfindet, kann sich der Ansatz mit langsam variierenden Fehlern beschäftigen, wie etwa jenen, die durch die Einrichtungsalterung verursacht werden, oder sogar, über einen kürzeren Zeitrahmen, Änderungen bei der Temperatur oder anderen Arbeitsbedingungen.
Man beachte, dass ein Kalibriermoduszyklus oder mehrere Kalibriermoduszyklen zwischen mehrere normale Arbeitszyklen eingestreut werden können. Im letzteren Fall arbeiten alle Sender. 7 veranschaulicht die Einstreuung von einzelnen Kalibriermoduszyklen 72 zwischen normale Arbeitszyklen 70. Die Zeitachse verläuft horizontal.
Man beachte, dass, obwohl Kalibriermoduszyklen 72 mit nur einem Sender arbeiten, sie immer noch Nutzdaten sammeln können und die Ausgabe kann auch in eine (nicht gezeigte) nachfolgende Datenverarbeitung eingespeist werden, um Änderungen bei der Umgebung zu detektieren, lediglich mit geringerer Genauigkeit als die Arbeitsmoduszyklen 70.
Fehlerschätzung
Der Weg, auf dem eine Fehlerschätzung ausgeführt wird (Block 38) wird nun für das oben beschriebene spezifische Beispiel ausführlicher beschrieben.
Sei z_d eine bestimmte Detektion mit keiner anderen Detektion auf der gleichen Entfernungslinie (50, siehe 2). Eine derartige Detektion kann anhand der durch den in 1 dargestellten Spitzendetektionsbetrieb gegebenen Zielliste identifiziert werden. Die Zielliste liefert sowohl die Entfernungs- als auch die Geschwindigkeitsinfomationen von detektierten Spitzen nach dem D-FFT-Schritt. Es sei r_d der Entfernungs-Bin des Spektrums, das mit dem Frequenzausdruck f_Zd ^R aus (3) assoziiert ist, und es sei p_d der Geschwindigkeits-Bin-Index, der mit dem Frequenzausdruck f_Zd ^D und der gemessenen Phase ϕ̃_zd,k,n aus (3) assoziiert sein kann, mit dem gewählten Ziel z_d assoziiert. Diese gemessene Phase ist die Phase der Daten in dem Daten-Bin an dem in 2(b) dargestellten Zielort 52.
Der Vektor entsprechend der Entfernung von Interesse r_d, aus (6), für einen willkürlichen Rx-Antennenindex n extrahiert, ist gegeben durch $S_{R, T_{d}, n} [m] = α_{z} \cdot e^{i (2 π ƒ_{z_{d}}^{D} m + ϕ_{z_{d}, k, n})} \cdot e^{i θ_{k}^{err} [m]} .$
Dieser Vektor wird unten als Entfernungsvektor bezeichnet werden; er repräsentiert eine präzise definierte Entfernungslinie.
Danach bleiben einige wenige Unbekannte: die Amplitude α_Zd, die zu der Ankunftsrichtung in Beziehung stehende Phasenkomponente φ_zd,k,n und der Tx_k-PS-Fehlerausdruck θ_k ^err, was gemessen werden muss. f_D ^z ist aus dem D-FFT-Schritt bekannt. α_Zd, und f_D ^z werden beseitigt durch Extrahieren des Arguments von (6) und Kompensieren der bereits geschätzten Bewegung $\begin{array}{l} β_{k} [m] = ({arg s}_{R, r_{d}, n} [m]) - 2 π ƒ_{z_{d}}^{D} m \\ = e^{i θ_{k}^{err} [m]} + ϕ_{z_{d}, k, n} . \end{array}$
Das Ergebnis von (8) ist in 3 für eine Quadraturphasenumtastungs(QPSK)-Konstellation {φ1+δ1, ··· , φ4+δ4} über 32 Rampen dargestellt. Jeder Punkt stellt ein Element von βk [m] für m=1, ... , 32 dar. Der Konstellationspunkt, mit dem die Rampe m moduliert wurde, entspricht den horizontalen Zeilen von Daten, die den vier Phasen von QPSK auf der rechten entsprechen.
In dem Beispiel von 3 verläuft die tatsächliche Richtung des Ziels unter einem Winkel von 1 Radian, dargestellt durch die horizontale volle Linie. Die gemessene Ankunftsrichtung ist der Mittelwert der Phasenwerte für alle die Daten, d.h. über alle die Konstellationspunkte. Diese gemessene Ankunftsrichtung wird durch die horizontale gestrichelte Linie dargestellt, d.h. in diesem Beispiel befindet sie sich unter einem Winkel von 1.02 Radian. Dieser Wert ist der gleiche wie die Phase des Zielkonstellationspunkts in der Entfernungs-Doppler-Darstellung von 2(b), d.h. die Phase des angezeigten Punkts in dieser Figur. Die horizontalen Zeilen von Punkten entsprechen jedem der vier Konstellationspunkte einer QPSK-Konstellation, nominell bei 0, π/2, π und 3π//2, wobei 3 bereits für diese Nennwerte korrigiert ist. Somit wird in dem dargestellten Beispiel die Phase des Konstellationspunkts entsprechend den in 3 obersten Bins (die oberste gestrichelte Linie) so gemessen, dass sie ein Mittelwert von 1,09 Radian beträgt. Der auf diesen Konstellationspunkt anzuwendende Korrekturwert ist dementsprechend dieser Mittelwert 1,09 minus der gemessenen Phase des Ziels bei 1,02 Radian, d.h. die auf diesen Konstellationspunkt anzuwendende Korrektur δ beträgt -,07 Radian. Die Mathematik hinter diesem Beispiel wird nun ausführlicher beschrieben.
Für ein ideales System ohne Tx-PS-Fehler oder Rauschen kann erwartet werden, dass β_k[m] = ϕ̃_zd,k,n die gemessene Phase der detektierten Zielkomplexspitze. Stattdessen ist jedes Element des Vektors um seinen assoziierten Tx-PS-Fehler {δ1, ···, δ4} verschoben.
Eine Mittelung über die Indizes m entsprechend dem j-ten Konstellationspunkt und
Vergleichen des Ergebnisses mit ϕ̃_zd,k,n ergibt die finalen Schätzwerte von Tx-PS-Fehlern δj für jeden der durch j indexierten vier Konstellationspunkte gemäß $\begin{array}{l} {\tilde{δ}}_{j} = mean (β_{k} [m \in M_{k, j}]) - {\tilde{ϕ}}_{z_{d}, k, n} \\ = δ_{j} + \underset{Tx PS bias}{\underset{︸}{(ϕ_{z_{d}, k, n} - {\tilde{ϕ}}_{z_{d}, k, n})}} . \end{array}$
wobei M_k,j die Menge von Rampenindizes zu dem gleichen Konstellationspunkt j gemäß einem Tx_k-Modulationscode gehört.
Ein kleiner absoluter Phasenfehler verbleibt auf allen Elementen der Konstellation. Dieser Fehler ist ein durch Tx-PS-Fehler eingeführter Bias. Das vorgeschlagene Kalibrierverfahren adressiert nur Tx-PS-Ungleichgewichte und nicht Bias, der Tx-PS-Bias bleibt somit unberührt.
Das Ergebnis von (9) kann verwendet werden, um die Konfiguration des Tx-Phasenschiebers 16 einzustellen. In der beschriebenen Ausführungsform sollte eine Fehlerschätzung verwendet werden, um die Tx-PS-Konfiguration in einem Verfahren der stochastischen Gradientenabnahme (SGD) über mehrere Iterationen einzustellen. Da eine Tx-PS-Fehlerschätzung auf vielen Annahmen über das gewählte Ziel basiert, werden mehrere Iterationen benötigt, um etwaige übersehene Annahmen auszumitteln. Mehrere Ziele des gleichen Frames könnten verwendet werden, um die SGD zu speisen.
Evaluierung eines automotiven ST-PC-FMCW-Radars
Das vorgelegte Tx-PS-Kalibrierverfahren wurde an einem realen Aufbau mit einer Radarsystemevaluierungsplatine getestet. Eine HF-Evaluierungsplatine wurde verwendet, um die Rohdaten zu erfassen, und die Radarsignalverarbeitung wurde auf einem PC durchgeführt. Dies ist in 4 dargestellt.
Die gewählte MMIC weist drei Tx- und vier Rx-Kanäle auf. Alle drei Tx-PS erfahren die gleiche Onlinekalibierung gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren, für das die gleiche QPSK-DDM-Sequenz gewählt ist {0°,90°,180°,270°}.
In 5a werden geschätzte Tx-PS-Fehler als eine Metrik verwendet, um eine Konvergenz des Algorithmus in einem Einzel-Tx-Modus zu zeigen. Unter Verwendung von DDM als ein Modulationsschema für die Kalibrierung wird eine Spurhöhe nach inkohärenter Integration (NCI - Non-Coherent Integration) als eine sekundäre Metrik verwendet, wie in 5b dargestellt.
Nach Konvergenz der Kalibrierung auf allen Tx wird ein Multi-Tx-DDM-Rahmen unter Verwendung des in Tabelle 1 eingeführten Codes unter Verwendung der durch das Onlinekalibrierverfahren gelieferten eingestellten Tx-PS-Konfiguration abgetastet. Tabelle 1. DMM-QPSK-Phasencode, für die Versuche verwendet

Phasenverschiebung 1 Phasenverschiebung 2 Phasenverschiebung 3 Phasenverschiebung 4

Tx1 0° 0° 0° 0°

Tx2 0° 180° 0° 180°

Tx3 0° 90° 180° 270°
Dementsprechend kann man drei Hauptspitzen in 6 sehen (die erste Spitze ist zwischen dem ersten und letzten Bin geteilt). Es wird erwartet, dass sowohl Tx2 als auch Tx3 Spuren anlegen. Tx2 legt eine Spur an, die perfekt auf mit Tx1 assoziierte Spitzen fällt. Tx3 erzeugt drei Spuren, die perfekt auf die mit Tx1 und Tx2 assoziierten Spitzen fallen. Die dritte Spur von Tx3 bleibt auf dem freigelassenen Raum isoliert.
Zur Verifizierung, dass die Kalibrierung die Detektion nach dem Umschalten zurück von einem Einzel-Tx-Kalibriermodus zu einem Multi-Tx-Modus verbessert, wird die Höhe der verbleibenden isolierten Spur als eine Metrik verwendet, In 6 liegt die Tx3-isolierte Spurhöhe nahe bei -60 dB, was der in 5c gesehenen Kalibrierspurhöhe entspricht.
Ergebnisse
Der durchgeführte Versuch zeigt die Konvergenz des vorgeschlagenen Algorithmus während des Einzel-Tx-PS-Kalibriermodus und zeigt die Gültigkeit der Korrektur, wenn alle kalibrierten Sender in einem normalen Multi-Tx-Modus verwendet werden. Während eines Einzel-Tx-PS-Kalibriermodus fiel die Tx-Phasenfehlerschätzung unter 0,2° für jeden Konstellationspunkt ab. Es wurde verifiziert, dass die Nach-Kalibrierartefaktenhöhe ebenfalls beibehalten wird, wenn alle Tx unter Verwendung ihrer kalibrierten Tx-PS wieder aktiviert werden.
Obwohl das Verfahren in dem Kontext eines bestimmten Ansatzes beschrieben worden ist, wird der Fachmann erkennen, dass das Verfahren nicht auf die präzise vorgeschlagene Kalibrierung beschränkt ist.
Unter Verwendung eines iterativen Kalibrierverfahrens ist es möglich, PS-Tx in einem beliebigen Stadium des Radarsystemlebensyzklus zu kalibrieren. Dies lockert den EoL-Kalibrieraufwand und gestattet eine kontinuierliche optimale Systemempfindlichkeit gemäß der theoretischen Modulationsleistung. Insbesondere werden Tx-PS-Modulationsartefakte wie etwa Spuren reduziert.
Es versteht sich, dass zusätzlich zu dem Kalibrieren des Phasenfehlers für jeden Tx dieses Verfahren auch auf allgemeinere IQ-Fehler angewendet werden kann, indem auch Verstärkungsfehler für Tx-PS berücksichtigt werden, die für derartige Modulationen in der Lage sind.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Radarsystems mit mehreren Radarsendern und mindestens einem Radarempfänger, wobei jeder Radarsender einen Sendereinsteller zum Abstimmen der Ausgabe des jeweiligen Senders aufweist, wobei das Verfahren umfasst: in einem Kalibrierzyklus, Senden von einem einzelnen Radarsender unter Verwendung des Sendereinstellers; Erhalten eines Schätzwerts des Fehlers in dem Sendereinsteller, Einstellen des Sendereinstellers gemäß dem Schätzwert des Fehlers; und in einem Arbeitszyklus, Senden unter Verwendung von mehreren Radarsendern, des Signals, das von jedem Radarsender gesendet wird, unter Verwendung des abgestimmten Sendereinstellers; und Wiederholen von Kalibrierzyklen, eingestreut zwischen Arbeitszyklen während der Arbeit.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einstellens des Sendereinstellers einen iterativen Ansatz zum Einstellen des Sendereinstellers über mehrere Iterationen des Kalibrierzyklus verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Einstellens des Sendereinstellers unter Verwendung eines Schätzwerts des Fehlers den Sendereinsteller unter Verwendung eines Bruchteils p des geschätzten Fehlers einstellt, wobei p nicht größer als 0,2 ist, so dass der jeweilige Sender aufeinanderfolgend über mehrere Kalibrierzyklen abgestimmt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei in aufeinanderfolgenden Kalibrierzyklen aufeinanderfolgende individuelle Radarsender für das Senden verwendet werden.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, weiter umfassend, in dem Kalibrierzyklus, nach dem Senden von dem einzelnen Radarsender, Empfangen eines resultierenden Signals auf dem mindestens einen Radarempfänger; Ausführen eines Entfernungs-FFT über die Fast-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Slow-Time-Darstellung zu erhalten Ausführen eines Doppler-FFT über die Slow-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Doppler-Darstellung zu erhalten; Ausführen einer Spitzendetektion auf der Entfernungs-Doppler-Darstellung, um eine Zielliste anzulegen; Wählen eines Ziels aus der Zielliste; Ausführen einer Entfernungsvektorextraktion auf der decodierten Entfernungs-Fourier-Transformation entsprechend dem entfernungsgewählten Ziel, um einen extrahierten Entfernungsvektor zu erhalten; und Ausführen des Schritts des Erhaltens eines Schätzwerts des Fehlers unter Verwendung des extrahierten Entfernungsvektors.
Verfahren nach Anspruch 5, weiter umfassend das Ausführen einer Bewegungskompensation an der extrahierten Entfernungslinie und unter Verwendung des bewegungskompensierten extrahierten Entfernungsvektors.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Schritt des Wählens eines Ziels ein Ziel aus der Zielliste wählt, das auf dem Kriterium gewählt wird, hinsichtlich Entfernung und Doppler von anderen Zielen in der Zielliste getrennt zu sein, und/oder durch Darstellen einer starken Signalspitze.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei die Schritte des Empfangens eines resultierenden Signals auf dem mindestens einen Radarempfänger, des Ausführens eines Entfernungs-FFT über die Fast-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Slow-Time-Darstellung zu erhalten, und des Ausführens eines Doppler-FFT über die Slow-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Doppler-Darstellung zu erhalten, sowohl in dem Kalibrierzyklus als auch dem Betriebszyklus ausgeführt werden, wobei das Verfahren weiter das Verarbeiten der empfangenen Entfernungs-Doppler-Darstellung umfasst, um Positionen von Zielen sowohl in dem Betriebszyklus als auch in dem Kalibrierzyklus zu identifizieren.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei jeder Sender aufeinanderfolgend an mehreren Konstellationspunkten einer Konstellation sendet und jeder Sendereinsteller ein Senderphasenschieber ist, ausgelegt zum Steuern der Phase von individuellen Rampenphasen von jeweiligen Konstellationspunkten auf dem jeweiligen individuellen Sender.
Verfahren der Radarkalibrierung, umfassend: Empfangen von Radardaten als eine Funktion einer Slow-Time und einer Fast-Time; Ausführen eines Entfernungs-FFT über die Fast-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Slow-Time-Darstellung zu erhalten Ausführen eines Doppler-FFT über die Slow-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Doppler-Darstellung zu erhalten; Identifizieren eines Ziels zusammen mit einer entsprechenden Entfernung, empfangenen Amplitude, gemessenen Ankunftsrichtung und gemessenem Doppler-Signal, Extrahieren des Entfernungsvektors entsprechend der Entfernungs-Slow-Time-Darstellung bei der Entfernung des Ziels als eine Funktion der Slow-Time (m); Berechnen der Phase entsprechend den Bins in der Entfernungslinie unter Berücksichtigung der empfangenen Amplitude, gemessenen Ankunftsrichtung und gemessenen Doppler-Signals.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ziel das dominante oder einzige Ziel in dem Bereich ist und wobei jeder der Bins der Entfernungslinie einem von mehreren Punkten einer zum Senden von Daten verwendeten Konstellation ist, wobei: das Berechnen des Phasenfehlers für jeden Konstellationspunkt das Mitteln der Phasenabweichung für jeden der Bins entsprechend diesem Konstellationspunkt und Subtrahieren der Phase entsprechend der gemessenen Ankunftsrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Phase entsprechend der gemessenen Ankunftsrichtung die mittlere Phasenabweichung für jeden der Bins entsprechend aller Konstellationspunkte ist.
Radarvorrichtung, umfassend: mehrere Radarsender, wobei jeder Radarsender einen Sendereinsteller zum Abstimmen der Ausgabe des jeweiligen Senders aufweist; mindestens einen Radarempfänger; und einen Radar-Controller, ausgelegt: in einem Kalibrierzyklus zum Senden von einem einzelnen Radarsender unter Verwendung des Sendereinstellers; zum Erhalten eines Schätzwerts des Fehlers in dem Sendereinsteller, zum Einstellen des Sendereinstellers gemäß dem Schätzwert des Fehlers; und in einem Betriebszyklus zu bewirken, dass die Radarsender unter Verwendung von mehreren der Radarsender senden, wobei das Signal, das von jedem Radarsender gesendet wird, durch den Sendereinsteller abgestimmt wird; und zum Wiederholen von Kalibrierzyklen eingestreut zwischen Betriebszyklen während des Betriebs.
Radar-Controller, ausgelegt: zum Empfangen von Radardaten als Funktion von Slow-Time und Fast-Time; zum Ausführen eines Entfernungs-FFT über der Fast-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Slow-Time-Darstellung zu erhalten; zum Ausführen einer Doppler-FFT über der Slow-Time-Dimension, um eine Entfernungs-Doppler-Darstellung zu erhalten; zum Identifizieren eines Ziels zusammen mit einer entsprechenden Entfernung, einer empfangenen Amplitude, einer gemessenen Ankunftsrichtung und eines gemessenen Dopplersignals, zum Extrahieren des Entfernungsvektors entsprechend der Entfernungs-Slow-Time-Darstellung bei der Entfernung des Ziels als Funktion der Slow-Time (m); und zum Berechnen der Phase entsprechend den Bins in der Entfernungslinie unter Berücksichtigung der empfangenen Amplitude, der gemessenen Ankunftsrichtung und des gemessenen Dopplersignals.
Radarvorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Radar-Controller der Radar-Controller von Anspruch 14 ist.