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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Funktionstüchtigkeit eines MIMO-Radars-Sensors.
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Die Funktionstüchtigkeit eines Radarsensors kann durch verschiedene äußere Einflüsse beeinträchtigt werden. Solche äußeren Einflüsse sind Verdeckungen verursacht z. B. durch Folien, Laub, unsachgemäßes Anbringen von Aufklebern, Unfall mit Sensorverstellung, Ausbrechen von Montageteilen, umgefallene Hindernisse, Ansammlung einer Schmutzschicht z. B. während eines Produktionsprozesses, Wasserfilm, Vereisung der Sensoroberfläche.
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Insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen mit harten Sicherheitsanforderungen ist eine verlässliche Erkennung dieser Ausfälle von sehr großer Bedeutung. Beispielsweise darf es nicht dazu kommen, dass ein Sicherheitssystem eine Gefahr in einer Umgebung nicht wahrnimmt, weil es durch eine Verdeckung diese Gefahr nicht erkennen konnte.
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Aus der
EP2401630B1 ist ein „Verfahren zur Erkennung von Vereisung bei einem winkelauflösenden Radarsensor in einem Fahrerassistenzsystem für Kraftfahrzeuge“ bekannt, bei dem Signale von mehreren Antennenelementen, die jeweils eine spezifische Winkelcharakteristik aufweisen, mit den entsprechenden Winkelcharakteristiken verglichen werden und der Azimutwinkel eines georteten Objekts anhand einer Winkelfitgüte bestimmt wird, die angibt, wie gut die Signale der Antennenelemente für einen gegebenen Azimutwinkel mit den Winkelcharakteristiken übereinstimmen, wobei ein Indikator für Vereisung gebildet wird. Das verwendete Qualitätskriterium ist in manchen Fällen nicht ausreichend.
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Übliche weitere Verfahren zur Erkennung einer Sensorverdeckung nutzen eine bestimmte Erwartung an das Verhalten in ihrer eingesetzten Umgebung aus. Ist beispielsweise bei einem Einsatz an Fahrzeugen die Sensorausrichtung und die eigene Bewegung bekannt, so können nach einer Bewegung entlang einer bestimmten Strecke die gemessenen Daten mit der erwarteten Veränderung der Umgebung verglichen werden. Bei einer festen Sensorinstallation und einer wenig veränderlichen Umgebung kann über längere Zeitabschnitte eine Umgebungserwartung gelernt werden und eine Abweichung zu dieser Erwartung überprüft werden.
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Andere Verfahren nutzen die Redundanz mehrere Sensoren und vergleichen deren Daten jeweils gegenseitig untereinander. Ein Fusionssystem aus Radar und Kamera kann beispielsweise ein Fehlverhalten erkennen, wenn die Radar- und Kamera Objektlisten stark voneinander abweichen.
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Weitere Verfahren messen aktiv störende Einflüsse auf den Sensor. Beispielsweise kann durch eine Messung der elektrischen Eigenschaften der Gehäuseoberfläche eine Vereisung oder Verschmutzung des Sensors erkannt werden.
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Die bekannten Verfahren haben alle Einschränkungen oder zusätzliche Anforderungen an das Messsystem, die nicht immer erfüllt werden können. Die häufigsten Probleme sind:
- Sie arbeiteten zu langsam oder brauchen initial eine lange Anlaufzeit zum Lernen der Szene währenddessen eine Störung noch nicht erkannt werden kann.
- Sie sind unzuverlässig insbesondere in neuen Situationen die noch nicht erlernt oder berücksichtigt werden konnten.
- Sie funktionieren nur bei bestimmten Anwendungen und Abläufen und lässt sich nicht auf beliebige Anwendungen erweitern.
- Sie können nicht kontinuierlich Störungen erkennen, weil sie von sporadisch auftretenden Ereignissen abhängen.
- Sie benötigten zusätzliche Vorrichtungen die allerdings wegen Kosten, rechtlichen oder technischen Gründen nicht erfüllt werden können.
- Sie können keine teilweise Verdeckung der Sensorfläche erkennen.
- Sie können keine kontaktlose Verdeckung im Nahbereich des Sensors erkennen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erkennung der Funktionstüchtigkeit eines MIMO-Radars-Sensors, das insbesondere die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das einfach realisierbar ist und das kostengünstig umsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Erkennung der Funktionstüchtigkeit eines MIMO-Radars-Sensors gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert einen Radarsensors, mit mehreren Sendeantennen und mehreren Empfangsantennen, wobei für verschiedene Ziele in einer Zielliste, die Signalantwort in den einzelnen virtuellen Kanälen überprüft wird. Weicht mindestens eine Signalantwort von den übrigen ab liegt eine Fehlfunktion vor. Wird dieser Fehler für alle Ziele bestimmt, wird eine Verdeckung signalisiert.
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Wie bereits erwähnt kann die Funktionstüchtigkeit des MIMO-Radars durch Verschmutzung des Radardeckels beeinträchtigt oder durch eine Verdeckung (z. B. Alu-Folie) unmittelbar vor dem Radardeckel innerhalb der Blockdistanz des MIMO-Radar-Sensor als Fehlfunktionen beeinträchtigt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 Sendemodul und Empfangsmodul eines MIMO-Radars mit anschließender Signalverarbeitung
- 2 verschiedene Verfahrensschritte der Signalauswertung
- 3 schematische Darstellung einer Umgebung eines MIMO Radars mit einem Ziel ohne Verdeckung
- 4 schematische Darstellung einer Umgebung eines MIMO Radars mit einem Ziel mit einem verdeckenden Objekt
- 5 schematische Darstellung eines Radarsensors
- 6 Radarkeule eines 3D-Radars (FMCW MIMO)
- 7 Explosionsdarstellung eines MIMO Radar-Sensors
- 8 Punktewolke
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1 beschreibt einen solchen Radar mit FMCW Modulation wie er typischerweise im Industrie- und Automotive-Umfeld eingesetzt wird. Gezeigt wird beispielhaft eine Konfiguration aus 3 Sende- und 4 Empfangsantennen. Die verstärkten Empfangssignale werden dann mit dem Sendesignal gemischt und zu einem digitalen Basisbandsignal gewandelt. Die Signalverarbeitung erzeugt aus dem Radarsignal eine Radar Zielliste (auch Punktewolke genannt). In einem Nachverarbeitungsschritt der Signalverarbeitung wird dann die Erkennung der Sensor Verdeckung und Verschmutzung durchgeführt.
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Dabei ist das vorgestellte Verfahren komplett unabhängig von der Art der Radaranwendung, Beschaffenheit der Umgebung und benötigt keine zusätzlichen Sensoren. Es eignet sich daher für alle Anwendungen, insbesondere der Überwachung von Maschinen und Fußgängern im industriellen Umfeld und der Erkennung von Fahrzeugen und Hindernissen im Automobilbereich mit bewegtem Sensor.
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Der Status der Verdeckung kann unverzüglich und bereits nach dem ersten Radar Messzyklus ausgegeben werden. Es muss dabei keine Analyse über mehrere Messschritte durchgeführt werden (wie z.B. das Erzeugen von Vergleichsdaten über lange Zeitabschnitte) oder bestimmte Ereignisse die unregelmäßig auftreten (wie z.B. bewegte Objekte in der Szene, Fahrzeug fährt an) abgewartet werden.
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Der Sensor kann sowohl fest verbaut sein als sich auch beliebig durch den Raum bewegen. Insbesondere werden keine Annahmen oder Eingaben über die Art der Sensorbewegung benötigt.
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Verarbeitungsschritte
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Die Verarbeitungsschritte der Verdeckungserkennung sind in 2 dargestellt.
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Mit dem Einlesen des Radarsignals wird das Basisbandsignal dem Softwaremodul zugeführt.
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Die Berechnung der „Range Doppler Map“ besteht bei einem FMCW Radar typischerweise aus einer 2D-FFT der abgetasteten Werte von mehreren Frequenzrampen in Range- und Doppler Dimension.
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Die Kanalkorrektur wird mit einem Kalibriervektor durchgeführt der typischerweise nach der Produktion mit einem starken Ziel unter dem Winkel 0° ermittelt und gespeichert wird. Die Korrektur stellt sicher, dass ein einzelnes punktförmiges Ziel in allen virtuellen Kanälen (Rx/Tx Kombinationen) ein Signal gleicher Amplitude und mit einer Phasenlage entsprechend der Antennenanordnung und der Empfangsrichtung des Signals abgebildet wird.
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Das Erstellen der Radar Zielliste beinhaltet typischerweise eine Analyse von Signalzu Rauschverhältnis, lokalen Maxima und weiteren Ausschlusskriterien (z.B. Nebenkeulenabstand).
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Alle bisherigen Verarbeitungsschritte inklusive des Erstellens der Radar Zielliste werden üblicherweise bei FMCW und MIMO-Radaren durchgeführt und können für die Verdeckungserkennung genutzt werden, ohne nochmals berechnet zu werden.
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Der nächste Schritt ist nur notwendig bei Radaren, die so parametriert sind, um viele Ziele mit besonders niedriger Energie aber erhöhter Falschwahrscheinlichkeit auszugeben. Hierzu wird die Radar Zielliste zunächst gefiltert damit nur die verlässlichen Ziele oberhalb einer minimalen Leistung weiter untersucht werden. Ansonsten kann die gesamte Zielliste genutzt werden.
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Enthält die Zielliste keine Elemente steht die Entscheidung für den aktuellen Messzyklus fest. Verdeckung wurde erkannt und die Verarbeitung ist beendet.
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Ansonsten werden nun alle Elemente der Zielliste hinsichtlich ihrer Kanalqualität analysiert. Die Werte der Kanäle werden aus der „Range Doppler Map“ entnommen - und zwar aus dem entsprechenden Range-Index und Doppler-Index des jeweiligen Ziels. Damit ergibt sich eine komplexe Signalantwort für jeden Kanal. Für das Beispiel des MIMO-Radars aus 1 mit 3 Tx- und 4 Rx-Kanälen ergeben sich somit 12 komplexe virtuelle Kanalantworten Xi mit i = 1 ... 12 für jedes Ziel.
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Allgemein gilt die Anzahl der virtuellen Kanäle AVK ist das Produkt aus der Anzahl der Sendeantennen AS und der Anzahl der Empfangsantennen AE.
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Nun wird der Betrag für alle komplexen Signalantworten in den einzelnen Kanälen gebildet:
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Das Kriterium für die Signalkanalqualität y lautet:
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Die bestmögliche Signalkanalqualität ist gegeben durch y = 1. Größere Werte für y bedeuten eine schlechtere Kanalqualität. Die Entscheidung für ein ausreichend gutes Ziel wird daher durch den Vergleich zu einem Schwellwert Tgetroffen.
T wird anhand der Kanalqualität und Güte des Radarsensors festgelegt. Er liegt typischerweise bei T ≈ 2.
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Sobald ein Ziel in der Liste eine gute Kanalqualität anzeigt ist die Entscheidung für den aktuellen Messzyklus beendet und es wird „keine Verdeckung“ signalisiert. Zeigt allerdings kein Ziel eine ausreichend gute Kanalqualität wird „Verdeckung“ signalisiert.
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Um ein zu schnelles Umschalten zwischen „Verdeckung“ und „keine Verdeckung“ zu verhindern ist es sinnvoll eine Hysterese für die Bewertung über mehrere Messzyklen einzuführen. Wird beispielsweise ein zu häufiges Auslösen des Zustands „Verdeckung“ befürchtet, kann eine Umschaltung von „keine Verdeckung“ zu „Verdeckung“ erst nach mehrmaliger Bestätigung von „Verdeckung“ erfolgen. Entsprechendes gilt für den Übergang von „Verdeckung“ zu „keine Verdeckung“.
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Wirksamkeit des Kriteriums der Kanalqualität
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Der Hintergrund für das genutzte Kriterium der Kanalqualität soll beispielhaft erläutert werden. In 3 sind eine Sendeantenne Tx1 und zwei Empfangsantennen Rx1 und Rx2 eines Radarsystems dargestellt. Das ausgesendete Signal von Tx1 wird von einem Ziel im Fernfeld reflektiert und von Rx1 und Rx2 als ebene Wellenfront empfangen. Da beide Signalpfade (Tx1 zu Rx1 und Tx1 zu Rx2) nahezu identische Lauflänge und Reflexionswinkel haben, erfahren sie auch die gleiche Dämpfung. Somit haben beide Kanäle einen Phasenversatz durch den dargestellten Lauflängenunterschied aber eine betragsmäßig gleiche Amplitude. Nach dem Kriterium der Kanalqualität ergeben identische Amplituden die bestmögliche Kanalqualität.
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In 4 wird nun beispielhaft ein verdeckendes Objekt in den Signalpfad eingebracht. Der Signalpfad Tx1 zu Rx2 bleibt dabei unverändert, die direkte Strecke des reflektierten Signals zu Rx1 ist allerdings verdeckt. Dadurch treten jetzt verschiedene Effekte auf, die von Material und Struktur des verdeckenden Objekts bestimmt sind. Wäre das Objekt stark dämpfend oder hätte es eine Oberflächenstruktur, die nicht zu einer Reflexion in Richtung Rx1 führen würde, dann wäre das Empfangssignal in Rx1 sehr schwach bzw. nicht vorhanden. Ist das Objekt jedoch für den Radar stark reflektierend (z.B. eine Alufolie) gibt es eine Vielzahl von Reflexionen und damit mehrere Signalpfade, die im Empfänger Rx1 enden. Durch die unterschiedlichen Reflexionen und Lauflängen haben diese Signale in der Regel unterschiedliche Amplituden und Phasen. Die Kanalantwort Tx1 zu Rx1 entsteht durch additive Überlagerung dieser Signale was zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz und damit stark veränderter Amplitude führt. Nach dem Kriterium der Kanalqualität ergibt der Vergleich der Amplituden Tx1 zu Rx1 und Tx1 zu Rx2 eine schlechte Kanalqualität.
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Die Beispiele von 3 und 4 dienen nur zur Erläuterung. Das beschriebene Verhalten ist aber allgemeingültig hinsichtlich Anzahl und Position von Sende- und Empfangsantennen und der Position und Größe des eingebrachten verdeckenden Objektes.
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Mögliche Verdeckung- und Verschmutzungsfälle
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Zur Vollständigkeit werden die möglichen Verdeckung- und Verschmutzungsfälle mit dem zu erwartenden Ergebnis aufgelistet:
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1. Komplette Verdeckung und dichte Abschirmung der Antennen (beispielsweise durch eine Alufolie)
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Bei kompletter Abschirmung wird in der Regel kein Ziel erkannt oder durch Mehrfachreflexionen nur Ziele mit sehr niedriger Kanalqualität. Somit wird Verdeckung signalisiert.
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2. Teilweise Verdeckung mit dichter Abschirmung (beispielsweise durch eine Alufolie die über einen Teilbereich der Antennen aufliegt)
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Bei teilweiser Verdeckung sind einige Kanäle vollständig erhalten, andere enthalten dagegen durch die Abschirmung kein Signal oder durch Mehrfachreflexionen ein sehr gestörtes Signal. Insgesamt führt die niedrige Kanalqualität durch den Signalunterschied der gestörten und ungestörten Kanäle zu dem Ergebnis der Verdeckung.
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3. Verdeckung im Nahbereich (beispielsweise durch Einbringen eines Metallkörpers näher als der minimale Detektionsabstand)
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Da der Metallkörper sich näher als der minimale Detektionsabstand zum Sensor befindet kann er nicht als gültiges Ziel erkannt werden und ist selbst nicht in der Zielliste enthalten. Durch den kleinen Abstand und der räumlichen Ausbreitung der Antennen haben alle Kanäle ein unterschiedliches Reflexionsverhalten mit dem Metallkörper. Wenn daher Ziele hinter dem Metallkörper durch Reflexion um den Metallkörper herum oder durch einzelne unverdeckte Antennen detektiert werden können, so haben sie eine niedrige Kanalqualität. Somit wird Verdeckung signalisiert.
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4. Verschmutzung oder Vereisung an der Oberfläche des Radars
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Hier muss zwischen leichter und schwerer Verschmutzung unterschieden werden.
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Bei leichter Verschmutzung kann ein Radarsensor trotz leichter Dämpfung des reflektierten Signals noch korrekt messen. In diesem Fall werden Ziele mit guter Kanalqualität erkannt und es wird „keine Verdeckung“ signalisiert. Der Sensor arbeitet korrekterweise im Normalbetrieb.
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Bei starker Verschmutzung kommt es allerdings zu starker Dämpfung oder zu Reflexionen an der Dreck- oder Eisschicht. Der Radar kann nicht mehr korrekt messen und erkennt entweder keine oder nur noch Ziele mit niedriger Kanalqualität. Somit wird Verdeckung signalisiert.
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Falschausgaben können für einzelne Ziele nicht ausgeschlossen werden.
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Die Möglichkeit der falschen Ausgabe von „Verdeckung“ bei tatsächlicher Existenz von reflektierenden unverdeckten Radarzielen besteht, wenn es mehrere Ziele mit gleicher Distanz und Geschwindigkeit aber unterschiedlichem Winkel gibt. Denn diese Überlagerung mehrerer Signalpfade führt zur gleichen schlechten Kanalantwort wie die zuvor beschriebenen Mehrwegeausbreitungen in 4. Für das Ergebnis „Verdeckung“ in einem Messzyklus müssten allerdings ausnahmslos alle erkannten Ziele diese Eigenschaft aufweisen. Da heutige Radarsysteme aber üblicherweise über hohe Bandbreiten verfügen und mehrerer Rampen aussenden haben sie eine hohe Trennfähigkeit in Distanz und Geschwindigkeit. Daher wird es auch immer mindestens ein gut separiertes Ziel geben und dieser Fehlerfall tritt in der Praxis in realen Szenarien bei korrekter Parametrierung der Schwellwerte nicht auf.
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Die Möglichkeit der falschen Ausgabe von „keine Verdeckung“ bei tatsächlicher Verdeckung kann nur entstehen, wenn verdeckte Ziele als Ziele mit guter Kanalantwort detektiert werden. Dazu müsste das verdeckende Objekt so beschaffen sein, dass nur ein Signalpfad entsteht. Allerdings müsste dies für alle Kanalkombinationen erfüllt sein was bei typischen MIMO-Radaren mit vielen Kanälen (z.B. 12 Kanäle wie in 1.) in der Praxis nicht vorkommen kann.
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Die oben beschriebene Verdeckungserkennung ermöglicht sehr einfach die Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Radarsystems mit einem kooperativen Ziel. Dabei braucht der Radarsensor keine Information über die Szenerie und ein lästiges Konfigurieren des kooperativen Ziels entfällt. Bringt man beispielsweise einen Radar Reflektor als Testobjekt in die Nähe oder in den Hintergrund einer zu überwachenden Zone wird dieser im normalen Betrieb immer erkannt und führt zur ständigen Ausgabe von „keine Verdeckung“. Die schwierige und je nach Anwendung oft unmögliche Unterscheidung einer tatsächlich komplett leeren Szene oder einer leer aussehenden Szene durch eine perfekte Verdeckung wird damit gelöst. Erst wenn nun der überwachende Bereich und damit auch das Testziel verdeckt werden gibt es kein Ziel mehr mit guter Kanalantwort und die resultierende Ausgabe von „Verdeckung“ ist gleichzusetzen mit einer Störung des Radarsystems.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Vielzahl von Vorteilen erzielt.
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Das Verfahren arbeitet schnell und braucht initial keine lange Anlaufzeit zum Lernen der Szene währenddessen eine Störung noch nicht erkannt werden kann.
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Es ist sehr unzuverlässig insbesondere in neuen Situationen die noch nicht erlernt oder berücksichtigt werden konnten.
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Es funktioniert bei vielen Anwendungen und Abläufen und lässt sich auf beliebige Anwendungen erweitern.
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Es kann kontinuierliche Störungen erkennen, weil es nicht von sporadisch auftretenden Ereignissen abhängt.
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Es werden keine zusätzlichen Vorrichtungen benötigt, die zu rechtlichen oder technischen Problemen führen können.
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Es werden auch teilweise Verdeckung der Sensorfläche sicher erkannt.
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Es werden auch kontaktlose Verdeckungen durch Folien im Nahbereich des Sensors erkannt.
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5 zeigt einen Radar Sensor ganz schematisch.
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Die 6 zeigt eine Radarkeule mit Personen eines 3D-Radars (FMCW MIMO).
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Die Unterscheidung der Objekte erfolgt über die Geschwindigkeit, die Entfernung und den Horizontalwinkel.
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7 zeigt eine Explosionsdarstellung eine MIMO-Radar-Sensors.
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8 zeigt die Zielliste als Punktewolke links ohne Verdeckung rechts mit Verdeckung.
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Mit dem erfindungsgemäßen Qualitätskriterium, wird nicht der mittlere Fehler über alle Kanäle berücksichtigt, sondern ein härteres Kriterium verwendet.
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Bei 4 Kanälen und einer Teilverdeckung nur an einer Antenne (halbe Empfangsleistung) und bei der Berücksichtigung des mittleren Fehlers als Qualitätskriterium wirkt sich das nicht entscheidend aus.
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Wird jedoch das erfindungsgemäße Qualitätskriterium mit min- und max-Wert verwendet, so wirkt sich das entscheidend aus in der Hinsicht, dass wenn ein einzelnes Ziel bereits diese hohe Güte aufweist, es sich nicht um eine Störung oder eine Verdeckung handeln kann. Insbesondere bei sehr vielen Kanäle bekommt man eine bessere Aussagekraft im Hinblick auf die Funktionstüchtigkeit des MIMO-Radars.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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