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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Objekterfassung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung einen MIMO-Radarsensor und ein Fahrzeugsensorsystem.
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Stand der Technik
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In
DE 10 2014 212 280 A1 ist ein Verfahren zur Objekterfassung mit zeitlich ineinander verschachtelten Frequenzrampen in dem Sendesignal eines Radarsensors beschrieben, das eine eindeutige Geschwindigkeitsschätzung der Objektgeschwindigkeit zulässt, indem nach einer zweidimensionalen FFT jeder Rampensequenz der Frequenzrampe die Relativphase zwischen denselben Positionen im zweidimensionalen Spektrum ausgewertet wird. In
DE 10 2014 212 284 A1 und
DE 10 2017 200 317 A1 ist das Verfahren auf mehrere Sendeantennen eines Radarsensors erweitert, die in
DE 10 2014 212 284 A1 in einem Zeitmultiplexverfahren und in
DE 10 2017 200 317 A1 in einem Codemultiplexverfahren mit periodischen Codes über die Frequenzrampen, welches nachfolgend auch als Doppler-Divisionsverfahren bezeichnet wird, betrieben werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Objekterfassung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Dadurch kann die Objekterfassung genauer, zuverlässiger und höher aufgelöst erfolgen. Die Objekterfassung kann einfacher und weniger rechenintensiv durchgeführt werden. Es können auch überlagerte Objekte oder verdeckte Objekte besser erfasst werden.
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Der Radarsensor kann in einem Fahrzeug angeordnet sein. Die Objekterfassung kann eine Umfeldüberwachung des Fahrzeugs sein. Die Objekterfassung kann einem Fahrerassistenzsystem und/oder einem teilautonomen oder autonomen Fahrsystem des Fahrzeugs zugeordnet sein.
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Das einzelne Sendeelement und Empfangselement kann baulich getrennt oder das gleiche Bauteil sein. Zwischen zwei Sendeelementen und/oder zwei Empfangselementen kann ein vorgegebener räumlicher Abstand vorhanden sein. Das Empfangselement kann eine Empfangsantenne sein. Das Sendeelement kann eine Sendeantenne sein.
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Der Radarsensor kann einen Objektabstand als Abstand zwischen dem Radarsensor und dem Objekt, eine Objektgeschwindigkeit als Relativgeschwindigkeit des Objekts zu dem Radarsensor, einen Azimutwinkel und/oder einen Elevationswinkel des Objekts in dem Erfassungsfeld des Radarsensors erfassen.
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Das Objekt kann ein Gebäude, ein anderes Fahrzeug, eine Fahrbahninfrastruktur oder auch ein Lebewesen sein.
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Der MIMO(Multiple Input Multiple Output)-Radarsensor kann ein FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)-Radarsensor sein, bei dem das Sendesignal frequenzmoduliert und kontinuierlich ist. Das Sendesignal kann wenigstens eine Rampensequenz mit mehreren zeitlich periodischen Frequenzrampen mit jeweils einer sich bevorzugt linear ändernden Frequenz aufweisen. Die Frequenzrampe kann im Verhältnis zu der Periodendauer einen steilen Frequenzanstieg aufweisen. Eine Dopplerverschiebung kann durch Abtastung der Rampensequenz erfasst werden. Ein Zeitabstand zwischen zeitlich aufeinander folgenden Frequenzrampen ist bevorzugt kleiner als eine halbe Periodendauer der Dopplerfrequenz.
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In dem ersten Erfassungsschritt können Erfassungsparameter, insbesondere eine Bandbreite, eine Frequenzrampendauer, eine Abtastrate und/oder eine Anzahl an Frequenzrampen in der Rampensequenz des Sendesignals wählbar sein, bevorzugt abhängig von einer Rechenleistung und einer Hardware. In dem ersten Erfassungsschritt kann der abgedeckte Geschwindigkeitsbereich der zu erfassenden Objektgeschwindigkeit, bevorzugt die im Strassenverkehr auftretenden Objektgeschwindigkeiten abdeckend ausgedehnt sein, besonders bevorzugt bei ± 80 m/s liegen.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn bei dem ersten Erfassungsschritt eine erste Anzahl an Sendeelementen und/oder Empfangselementen bei der Objekterfassung einbezogen sind und bei dem zweiten Erfassungsschritt eine von der ersten Anzahl abweichende zweite Anzahl an Sendeelementen und/oder Empfangselementen bei der Objekterfassung einbezogen sind. Die erste Anzahl an Sendeelementen und Empfangselementen kann eine gleiche Anzahl an Sendeelementen und Empfangselementen oder eine unterschiedliche Anzahl an Sendeelementen und Empfangselementen umfassen.
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Die zweite Anzahl an Sendeelementen und Empfangselementen kann eine gleiche Anzahl an Sendeelementen und Empfangselementen oder eine unterschiedliche Anzahl an Sendeelementen und Empfangselementen umfassen.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die erste Anzahl kleiner als die zweite Anzahl ist. Dadurch kann der Berechnungsaufwand bei dem ersten Erfassungsschritt verringert werden. Gleichzeitig lässt sich der Eindeutigkeitsbereich in der Geschwindigkeitsdimension erhöhen, da weniger Sendeelemente gemultiplexed (zeitlich oder in der Doppler-Dimension) werden müssen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft, bei der die erste Anzahl höchstens ein Sendeelement und/oder höchstens ein Empfangselement umfasst. In dem ersten Erfassungsschritt kann auch eine Strahlschwenkung mit mehreren Sendeelementen der ersten Anzahl durchgeführt werden.
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Bei einer speziellen Ausführung der Erfindung ist es von Vorteil, wenn in dem zweiten Erfassungsschritt eine volle Anzahl an Sendeelementen und/oder Empfangselementen bei der Objekterfassung verwendet wird. Dadurch kann die Auflösung bei der Objekterfassung bei dem zweiten Erfassungsschritt in dem ausgewählten eingegrenzten Erfassungsbereich erhöht werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der eingegrenzte Erfassungsbereich durch einen begrenzten Azimutwinkelbereich, Elevationswinkelbereich, Objektabstandsbereich, Frequenzbereich und/oder Objektgeschwindigkeitsbereich gegenüber dem entsprechenden Wertebereich bei dem ersten Erfassungsschritt eingegrenzt ist. Der Azimutwinkelbereich kann ein Wertebereich des Azimutwinkels, der Elevationswinkelbereich kann ein Wertebereich des Elevationswinkelbereichs, der Objektabstandsbereich kann ein Wertebereich des Objektabstands, der Frequenzbereich kann ein Wertebereich der Frequenz und der Objektgeschwindigkeitsbereich kann ein Wertebereich der Objektgeschwindigkeit sein. Dadurch kann eine Eingrenzung des Erfassungsbereichs, in dem die Objekterfassung durch den zweiten Erfassungsschritt durchgeführt wird, erfolgen. Der zweite Erfassungsschritt kann die Objekterfassung insbesondere zur Erkennung von Objektüberlagerungen gezielter und genauer durchführen.
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Bei einer speziellen Ausführung der Erfindung ist es von Vorteil, wenn anschließend an den ersten und zweiten Erfassungsschritt ein erstes Berechnungsergebnis des ersten Erfassungsschritts mit einem zweiten Berechnungsergebnis des zweiten Erfassungsschritts kombiniert wird. Das erste Berechnungsergebnis kann mittelbar oder unmittelbar auf der Anwendung einer zweidimensionalen FFT aufbauen. Das zweite Berechnungsergebnis kann mittelbar oder unmittelbar auf der Anwendung einer zweidimensionalen FFT aufbauen. Das zweite Berechnungsergebnis des zweiten Erfassungsschritts kann zur Verifizierung der Objekterfassung des ersten Erfassungsschritts dienen.
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In dem ersten und/oder zweiten Erfassungsschritt kann eine Amplitudenspitzenerkennung in dem aus der FFT jeweils erlangten Spektrum durchgeführt werden. Das Spektrum kann über verschiedene Frequenzrampen (z.B. Zeitmultiplex mit verschiedenen Sendeelementen), Empfangskanäle oder Teilspektren (Doppler-Division-Multiplex) erfolgen. Auch kann die Summation der Amplitudenspitzenerkennung nachgeordnet sein.
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Durch die Kombination aus dem ersten und dem zweiten Berechnungsergebnis kann eine Mehrdeutigkeit in der Dopplergeschwindigkeit und/oder eine Mehrdeutigkeit in der Zuordnung der Sendeelemente bei dem zweiten Erfassungsschritt aufgelöst werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn der zweite Erfassungsschritt ein Zeitmultiplexverfahren und/oder ein Doppler-Divisionsverfahren anwendet. Bei dem Zeitmultiplexverfahren kann eine Mehrdeutigkeit in der Dopplergeschwindigkeit aufgelöst werden. Bei dem Doppler-Divisionsverfahren kann eine Mehrdeutigkeit in der Zuordnung der Sendeelemente aufgelöst werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Objekterfassung mit den Merkmalen nach Anspruch 9 vorgeschlagen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhinein Verfahren zur Objekterfassung mit den Merkmalen nach Anspruch 10 vorgeschlagen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlich beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
- 1: Einen MIMO-Radarsensor und ein Verfahren zur Objekterfassung jeweils in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 2: Eine Eingrenzung des Erfassungsbereichs bei Anwendung des Verfahrens nach 1.
- 3: Einen ersten Erfassungsschritt eines Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 4: Einen zweiten Erfassungsschritt eines Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
- 5: Einen zweiten Erfassungsschritt eines Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt einen MIMO-Radarsensor und ein Verfahren zur Objekterfassung jeweils in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren zur Objekterfassung 10 eines Objekts 12 erfolgt mit wenigstens einem zumindest zwei Sendeelemente 14 und zwei Empfangselemente 16 aufweisenden (Multiple Input Multiple Output) MIMO-Radarsensor 17, bevorzugt in einem Fahrzeug 18 zur Umfeldüberwachung des Fahrzeugs. Die Umfeldüberwachung kann einem Fahrerassistenzsystem, einem teilautonomen oder autonomen Fahrsystem des Fahrzeugs 18 zugeordnet sein.
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Die Objekterfassung des Objekts 12 erfolgt über einen Erfassungsvorgang 19, mit dem zumindest ein Objektabstand d und eine Objektgeschwindigkeit v, ein Azimutwinkel und/oder ein Elevationswinkel des Objekts 12 erfasst wird und der hier zweigeteilt ist. Der Erfassungsvorgang 19 weist einen ersten Erfassungsschritt 20, bei dem ein Objektabstand d und/oder eine Objektgeschwindigkeit v des Objekts 12 erfasst wird und einen zeitlich nachfolgenden zweiten Erfassungsschritt 22, bei dem die Objekterfassung in wenigstens einem abhängig von dem ersten Erfassungsschritt 20 ausgewählten eingegrenzten Erfassungsbereich 23 mit einer gegenüber dem ersten Erfassungsschritt 20 höheren Winkelauflösung und/oder Abstandsauflösung durchgeführt wird, auf.
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Bei dem ersten Erfassungsschritt 20 ist eine erste Anzahl 24 an Sendeelementen 14 und Empfangselementen 16 bei der Objekterfassung einbezogen und bei dem zweiten Erfassungsschritt 22 ist eine von der ersten Anzahl 24 abweichende zweite Anzahl 26 an Sendeelementen 14 und Empfangselementen 16 bei der Objekterfassung einbezogen. Die erste Anzahl 24 ist kleiner als die zweite Anzahl 26. Bevorzugt umfasst die erste Anzahl 24 höchstens ein Sendeelement 14 und höchstens ein Empfangselement 16 und in dem zweiten Erfassungsschritt 22 wird die volle Anzahl, hier entsprechend der zweiten Anzahl 26 an Sendeelementen 14 und Empfangselementen 16 bei der Objekterfassung verwendet.
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Der erste Erfassungsschritt 20 umfasst zunächst einen ersten Transformationsschritt 28, bei dem eine zweidimensionale FFT(Fast Fourier Transformation) ausgeführt wird, die ein erstes Berechnungsergebnis 30 als zweidimensionales Spektrum ausgibt. Das erste Berechnungsergebnis 30 wird in einem ersten Überlagerungsschritt 32 weiterverarbeitet, indem eine Summation über verschiedene Frequenzrampen (z.B. Zeitmultiplex mit verschiedenen Sendeelementen), Empfangskanäle oder Teilspektren (Doppler-Division-Multiplex) erfolgt und anschließend in einem ersten Erkennungsschritt 34 eine Amplitudenspitzenerkennung, bevorzugt durch ein CFAR(Constant False Alarm Rate) Verfahren, in dem Spektrum durchgeführt wird. Ist der erste Überlagerungsschritt 32 dem ersten Erkennungsschritt 34 vorgeschaltet, liegt eine kohärente Summation vor. Auch kann die Reihenfolge des ersten Überlagerungsschritts 32 und den ersten Erkennungsschritts 34 im Rahmen einer nichtkohärenten Summation, bei der die Phaseninformationen des Empfangssignals verloren gehen, vertauscht sein.
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Anschließend wird in einem Ausgabeschritt 36 ein Objektabstand d und/oder eine Objektgeschwindigkeit v des Objekts 12 anhand der vorherigen Summation und Amplitudenspitzenerkennung ermittelt.
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In dem zweiten Erfassungsschritt 22 werden die insbesondere durch die zweite Anzahl 26 an Sendeelementen 14 ausgesendeten und von Objekten zurückgeworfenen Empfangssignale, insbesondere der vollen Anzahl an Empfangselementen 16, zunächst in einem zweiten Transformationsschritt 38 verarbeitet, bei dem eine zweidimensionale FFT(Fast Fourier Transformation) ausgeführt wird, die ein zweites Berechnungsergebnis 40, insbesondere als zweidimensionales Spektrum, ausgibt. Das zweite Berechnungsergebnis 40 wird in einem zweiten Überlagerungsschritt 42 weiterverarbeitet, indem die Spektren mehrerer Frequenzrampen der Empfangssignale für jedes einzelne Empfangselement 16 und der Sendesignale für jedes einzelne Sendeelement 14 nichtkohärent summiert und anschließend in einem dritten Überlagerungsschritt 44 die Spektren der Empfangssignale aller Empfangselemente 16 kohärent oder nichtkohärent summiert und der Sendesignale aller Sendeelemente 14 nichtkohärent summiert werden.
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In einem zweiten Erkennungsschritt 46 wird eine Amplitudenspitzenerkennung, bevorzugt durch ein CFAR(Constant False Alarm Rate) Verfahren, in dem Spektrum durchgeführt.
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Das erste Berechnungsergebnis 30 des ersten Transformationsschritts 28, das über den ersten Überlagerungsschritt 32, dem ersten Erkennungsschritt 34 und dem Ausgabeschritt 36 weiterverarbeitet wurde, wird mit dem zweiten Berechnungsergebnis 40 des zweiten Transformationsschritts 38, das über den zweiten Überlagerungsschritt 42, einen dritten Überlagerungsschritt 44 und einen zweiten Erkennungsschritt 46 weiterverarbeitet wurde, kombiniert.
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Dabei wird in einem Überprüfungsschritt 48 das erste und zweite Berechnungsergebnis 30, 40 als auch die Eingabe des zweiten Erkennungsschritts 46 verwendet, um eine Amplitudenspitzenüberlagerung, insbesondere wie in
DE 10 2014 223 990 A1 beschrieben, deren gesamter Inhalt hiermit als die vorliegende Beschreibung ergänzend eingeschlossen wird, zu ermitteln und aufzulösen. Das erste Berechnungsergebnis 30 kann dabei genutzt werden, um fehlende Erkennungen bei dem zweiten Erfassungsschritt 22 festzustellen und zu ergänzen.
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In einem abschließenden Abschlussschritt 52 wird eine Schätzung der Azimutwinkel und/oder Elevationswinkel, insbesondere wie in
DE 10 2014 212 284 A1 beschrieben, und gegebenenfalls eine Zuordnung der Sendeelemente 14, insbesondere wie in
DE 10 2017 200 317 A1 beschrieben, durchgeführt.
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2 zeigt eine Eingrenzung des Erfassungsbereichs bei Anwendung des Verfahrens nach 1. Bei dem zweiten Erfassungsschritt 22 wird ein abhängig von dem ersten Erfassungsschritt 20 festgelegter eingegrenzter Erfassungsbereich 23 in dem Spektrum mit einer höheren Geschwindigkeitsauflösung, Winkelauflösung und/oder Abstandsauflösung bearbeitet. Dabei werden die in dem Spektrum des ersten Erfassungsschritts 20 als erstes Berechnungsergebnis 30 erfasste Objektgeschwindigkeit v und der Objektabstand d in den entsprechenden eingegrenzten Erfassungsbereich 23 des Spektrums bei dem zweiten Erfassungsschritt 22 transformiert.
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3 zeigt einen ersten Erfassungsschritt eines Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Bei dem ersten Erfassungsschritt 20 werden die mit einem Zeitabstand T zeitlich aufeinander folgenden Frequenzrampen 54 einer Rampensequenz 56 bevorzugt über ein einzelnes Sendeelement ausgesendet, bevorzugt von einem einzelnen Empfangselement empfangen und aus dem Spektrum die Objektgeschwindigkeit v und der Objektabstand d in dem gesamten Erfassungsbereich erfasst. In dem ersten Erfassungsschritt 20 können die Erfassungsparameter, insbesondere eine Bandbreite B, eine Frequenzrampendauer Tf, eine Abtastrate und/oder eine Anzahl an Frequenzrampen 54 in der Rampensequenz 56 des Sendesignals wählbar sein, bevorzugt abhängig von einer Rechenleistung und einer Hardware einer die Signale auswertenden Auswerteeinheit.
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4 zeigt einen zweiten Erfassungsschritt eines Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. In dem zweiten Erfassungsschritt 22 wird mit der einer zweiten Anzahl an Sendeelementen, hier bevorzugt mit vier Sendeelementen gearbeitet. Dabei wird der abhängig von dem ersten Erfassungsschritt 20 festgelegte eingegrenzte Erfassungsbereich 23 in dem Spektrum ausgewählt und verarbeitet.
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Das Sendesignal umfasst mehrere Rampensequenzen 56 jeweils mit vier zeitlich mit einem Zeitabstand Tr2r aufeinander folgenden Frequenzrampen 54. Ein Zeitabstand Tr2r zwischen zwei Frequenzrampen 54 eines einzelnen Sendeelements ist hier viermal der Zeitabstand T. Die Frequenzrampen 54 der vier Sendeelemente sind dabei zeitlich nicht verschachtelt, entsprechend einem klassischen Rampensequenz-Verfahren. Die Sendeelemente 14 können wie hier gezeigt in einem Zeitmultiplexverfahren 58 betrieben werden.
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5 zeigt einen zweiten Erfassungsschritt eines Verfahrens in einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. In dem zweiten Erfassungsschritt 22 können die gesamten Sendeelemente alternativ oder zusätzlich zu der Ausführung in 4 in einem Doppler-Divisionsverfahren 60 betrieben werden. Dabei können beispielsweise Gruppen von Sendeelementen in dem Doppler-Divisionsverfahren 60 und die einzelnen Sendeelemente innerhalb einer jeweiligen Gruppe in einem Zeitmultiplexverfahren wie in 4 beschrieben betrieben werden.
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Bei dem Doppler-Divisionsverfahren 60 wird anstelle der Mehrdeutigkeit in der Dopplergeschwindigkeit wie bei dem Zeitmultiplexverfahren, die Zuordnung der Sendeelemente bzw. die Reihenfolge der Sendeelemente abhängig von dem ersten Berechnungsergebnis aus dem ersten Erfassungsschritt aufgelöst. Durch das erste Berechnungsergebnis kann in dem Spektrum die Amplitudenspitze des ersten Sendeelements Tx1 ermittelt und die Amplitudenspitze der weiteren Sendeelemente Txn abhängig von den periodischen Codes in dem Spektrum erfasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014212280 A1 [0002, 0010, 0033]
- DE 102014212284 A1 [0002, 0010, 0033, 0034]
- DE 102017200317 A1 [0002, 0010, 0033, 0034]
- DE 102014223990 A1 [0032]
