DE10219658A1

DE10219658A1 - Verfahren und mehrstrahliges Radarsystem zur Bestimmung eines Objektwinkels

Info

Publication number: DE10219658A1
Application number: DE2002119658
Authority: DE
Inventors: Thomas Sauer; Andreas Pfeiffer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2003-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Objektwinkels unter Verwendung eines mehrstrahligen Radarsystems insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei dem die Messung zwischen einem Objekt und einer Bezugsachse, vorzugsweise der optischen Achse des Radarsenders, ausgeführt und für die einzelnen Empfangskanäle ausgewertet und aus den einzelnen Objektwinkelwerten ein Objektwinkel festgelegt wird. Es werden N Meßzyklen zur Objektwinkelbestimmung zusammen ausgewertet und gemäß einem Übereinstimmungskriterium ein gemessener Winkelwert aus diesen N gemessenen Winkelwerten als tatsächlicher Objektwinkel festgelegt. Zweckmäßig wird eine Minimums- oder Maximumsfilterung durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein mehrstrahliges Radarsystem zur Bestimmung eines Objektwinkels, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei dem die Messung zwischen einem Objekt und einer Bezugsachse, vorzugsweise der optischen Achse des Radarsenders, ausgeführt und für die einzelnen Empfangskanäle ausgewertet und aus den einzelnen Objektwinkelwerten ein Objektwinkel festgelegt wird.

Verfahren der eingangs genannten Art werden z. B. zur automatischen Abstandsregelung und Spurbestimmung bezüglich vorausfahrender Fahrzeuge eingesetzt. Bei einem bekannten dreistrahligen Radarsystem gemäß DE 195 43 813 A1 wird der Objektwinkel aus den Phasendifferenzen oder Amplitudenwerten der Meßdaten bestimmt. Hierzu werden normierte Antennendiagramme eingesetzt, so daß die Messung unabhängig von der absoluten Rückstreustärke des jeweiligen Ziels ist. Als Normierungsverfahren werden die Summen- und Produktnormierung eingesetzt. Die so gewonnenen Meßwerte werden mit den Werten eines ebenso normierten gespeicherten Referenzantennendiagramms verglichen. Der Winkel, bei dem die gemessenen Empfangsdaten mit den gespeicherten Daten am besten übereinstimmen (d. h. Wert mit der kleinsten Abweichung des gemessenen vom gespeicherten Wert - wahrscheinlichster Winkel), wird als Ortungswinkel festgelegt. Aus diesem Winkel und dem Abstand zum Ziel kann dessen Querablage berechnet werden.

Das bekannte Radarsystem führt zu Fehlortungen, wenn das Zielobjekt groß ist, also deutlich von einem Punktstreuer verschieden ist. Infolge des gleichen Abstandes und Relativgeschwindigkeit kommt es phasenlagenbedingt zu Auslöschungen in den Radarkeulen und damit zu Winkelfehlbestimmungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Objektwinkels unter Verwendung eines mehrstrahligen Radarsystems zu schaffen, das die genaue Erfassung auch von größeren Zielobjekten ermöglicht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorteilhaft drei Empfangskanäle eingesetzt. Durch die Zusammenfassung von N Meßzyklen werden Fluktuationen des Objektwinkels ausgemittelt und Ausreißer machen sich weniger stark bemerkbar.

Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens (Minimumsfilterung) wird die minimale Differenz zwischen aktuell gemessenen und gespeicherten Empfangsdaten der drei Empfangskanäle (linke, mittlere und rechte Keule) entsprechend dem Ortungs- bzw. Objektwinkel als Kriterium für eine Filterung verwendet und im folgenden als Suchdifferenz bezeichnet. Die Suchdifferenzen der letzten N Meßzyklen werden mit den zugehörigen Objektwinkeln gespeichert und als tatsächlicher Objektwinkel wird derjenige festgelegt, für den die zugehörige Suchdifferenz den kleinsten Wert hat. Es ergeben sich mit wenigen Ausnahmen korrekte Werte der Querlage von Objekten.

Bei einer alternativen Verfahrensvariante (Maximumsfilterung) wird als Kriterium für eine Filterung die Summe der Beträge der Empfangsamplituden aus allen Kanälen verwendet. Zu dem größten von N Summenwerten wird der zugehörige Objektwinkel als tatsächlicher Objektwinkel festgelegt. Auf diese Weise können fehlerhafte Winkelbestimmungen vor allem in Bereichen der Interferenz vermieden werden. Auftretende Ausreißer der Querposition sind vom Betrag her im Vergleich zur Minimumsfilterung deutlich geringer.

Als weitere Maßnahme zur Unterdrückung oder zumindest Abschwächung von Fluktuationen des Objektwinkels kann ein Suchfenster angewendet werden. Hierbei werden die gemessenen und die gespeicherten Amplituden des Antennendiagramms nicht über den gesamten abgespeicherten Winkelbereich verglichen, sondern nur in einem Suchfenster um den zuletzt bestimmten Winkel α₀[α₀ - α_s, α₀ + α_s]. Zugleich ist durch diese Bereichsbeschränkung auch der Rechenaufwand reduziert.

Vorteilhaft wird eine Antennennormierung durchgeführt, die gegenüber dem Mehrfachstreuerproblem robuster ist. Ausgangspunkt sind zwei Streuer mit zwei Einzelrückstreuquerschnitten. Gemäß der Erfindung ist eine Verknüpfung der Empfangsfeldstärken vorgesehen derart, daß sich die Geometrieeinflüsse der beiden Streuer eliminieren. Die Normierung gemäß der Erfindung erlaubt eine vom Winkel abhängige Normierung. Zur Reduzierung des Rechenaufwandes wird zweckmäßig mit Winkelsuchfenster gearbeitet. Es konnte so bei einem Winkelsuchfenster von ±1° eine korrekte Winkelauswertung durchgeführt werden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen in der deutlich verbesserten Bestimmung der Querpositionen von Objekten, die sich aus mehreren Streuzentren zusammensetzen. Die Objekte, z. B. Kraftfahrzeuge können so besser einer Spur zugeordnet werden und Objekte in der eigenen Spur werden früher als relevante Zielobjekte erkannt. Sogenannte Nebenspurstörungen durch fälschliche Regelung auf Objekte in Nachbarspuren werden vermieden. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem ACC (Aktiven Geschwindigkeitsregler - Active Cruise Control) steigert dessen Qualität.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung weiter beschrieben und erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung einer simulierten Annäherung an eine 2-Streuer-Anordnung unter Anwendung der Minimumsfilterung mit N = 20,
Fig. 2 eine Darstellung einer simulierten Annäherung an eine 2-Streuer-Anordnung unter Anwendung der Maximumsfilterung mit N = 20,
Fig. 3 eine Veranschaulichung der Geometrie einer zur Berechnung einer Normierungsvorschrift gemäß der Erfindung verwendeten 2-Streuer-Anordnung,
Fig. 4 ein nach der erfindungsgemäßen Normierungsvorschrift erhaltenes Antennendiagramm und
Fig. 5 eine Darstellung einer simulierten Annäherung an eine 2-Streuer-Anordnung unter Verwendung eines nach der erfindungsgemäßen Normierungsvorschrift und eines Winkelsuchfensters in Form eines damit erhaltenen Antennendiagramms.
Es wird zunächst eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Objektwinkels (beispielsweise des Querversatzes Q eines vorausfahrenden Lastkraftwagens) mit Anwendung der Minimumsfilterung anhand von Fig. 1 beschrieben. Die jeweils von den beispielsweise drei Empfangskanälen des Radarsystems empfangenen Meßdaten werden mit den entsprechenden Werten des gespeicherten Antennendiagramms verglichen und der Winkel mit der minimalen Differenz von Meß- und Speicherwert, die im folgenden als Suchdifferenz bezeichnet wird, wird als Objektwinkel ermittelt. Zusätzlich zu diesen konventionellen Verfahrensschritten ist es nun vorgesehen, die letzten N (hier als Beispiel 20) Meßzyklen zur Auswertung zusammenzufassen, deren Suchdifferenz- und Objektwinkelwerte gespeichert werden. Von den letzten 20 Suchdifferenzen wird der minimale Wert ausgewählt und der zugeordnete Objektwinkel als tatsächlicher Objektwinkel festgelegt.
In Fig. 1 ist der Querversatz Q (m) eines Objekts gegen den Abstand A (m) aufgetragen. Das Objekt wird dabei als aus zwei Punktstreuern zusammengesetzt angesehen, die vom Radarsystem gleich weit entfernt sind. Die vorgegebenen Querpositionen Q der Streuer liegen bei -0,7 und +1,3 m. Die beiden Kurven zeigen den Querversatz Q und die Winkelabweichung ΔW (*5). Bis auf die Bereiche um 120 m und 80 m wird die Querlage korrekt bestimmt.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Diese bezweckt insbesondere eine Unterdrückung der Bereiche mit der (teilweisen) destruktiven Interferenz. Es werden mittels der Maximumsfilterung die Beträge der Amplituden aller drei Empfangskanäle addiert und unter den so erhaltenen Gesamtamplituden von N (hier als Beispiel 20) Meßzyklen der Maximalwert ermittelt. Der der betreffenden Gesamtamplitude zugeordnete Objektwinkel wird als tatsächlicher Objektwinkel festgelegt.
In Fig. 2 ist der Querversatz Q (m) eines Objekts gegen den Abstand A (m) aufgetragen, ähnlich wie im Fall der Fig. 1. Die beiden Kurven zeigen den Querversatz Q und die Gesamtleistung Ltot. Bei den Bereichen um 120 m und 80 m sind wieder Ausreißer vorhanden, deren Beträge aber deutlich geringer als bei der Minimumsfilterung sind.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Ausführung einer Normierung gemäß der Erfindung, die gegenüber dem Mehrfachstreuerproblem unempfindlicher ist. Es werden zwei Streuer mit Einzelrückstreuquerschnitten A₁ und A₂ und Positionen x₁, y₁ und x₂, y₂ angenommen, die von einem Sensor S unter den Winkeln w₁ und w₂ gesehen werden und die Abstände d₁ und d₂ besitzen:

E_{links,Mitte,rechts} = A₁ AntDia_{links,Mitte,rechts}(w₁) e^j4π*d₁/^λ + A₂ AntDia_{links,Mitte,rechts}(w₂) e^j4π*d ₂/^λ
Dabei ist λ die Wellenlänge des Trägersignals. Bei 77 GHz ist λ = 4 mm. AntDia_{links,Mitte,rechts}(w) ist das Antennendiagramm bezüglich der linken, mittleren oder rechten Keule und zwar für den Winkel w. Das Antennendiagramm wird um den mittleren Aspektwinkel w₀ der Streueranordnung linear genähert. Mit w_1,2 = w₀ ± δw und der Definition

ergibt sich zunächst die lineare Näherung des Antennendiagramms:

Antdia(w_1,2) ≍ Antdia (w₀) ± Antdia'(w₀) δw
Es wird die Näherung der Einzelabstände d_1,2 = d₀ ± 1/2 dy w₀ mit dy = gegenseitiger Querabstand der Einzelstreuer und Annahme gleich starker Einzelstreuer A₁ = A₂ = A verwendet. Für die gemessenen Empfangsfeldstärken ergibt sich:
Die Empfangsfeldstärken E_{links,Mitte,rechts} müssen nun so verknüpft werden, daß sich die unbekannten Geometrieeinflüsse dy und δw gegenseitig eliminieren und sich die ebenfalls unbekannte Reflexionsstärke herauskürzt. Es ergibt sich z. B. dann die folgende Normierung:
In Fig. 4 ist das unter Verwendung dieser Normierungsvorschrift erhaltene normierte Antennendiagramm - betragsmäßig - dargestellt, wobei die Amplitude A gegen die Azimutwinkel W (°) aufgetragen ist. Es wird nunmehr kein konstantes Triplett von aktuell gemessenen Amplituden mit dem normierten Antennendiagramm verglichen, sondern zu jedem möglichen Objektwinkel werden die Meßgrößen vom Winkel w abhängig normiert.
Um den Rechenaufwand zu reduzieren bzw. zu minimieren, kann ein Winkelsuchfenster benutzt werden, d. h. die Auswertung wird für die Winkelwerte durchgeführt, die im Intervall ±α_s liegen, wobei α der zuletzt festgelegte Objektwinkel ist.
Fig. 5 zeigt den Vorteil der letzteren Auswertung anhand eines Simulationsbeispiels. In diesem Diagramm ist der Querversatz Q (m) gegen den Abstand A (m) aufgetragen, wobei wieder wie im Fall der Fig. 1 und 2 von einer 2-Streuer-Anordnung ausgegangen worden ist und das Winkelsuchfenster α ± 1° verwendet wurde. Es wurde korrekt ein Querversatz von +0,3 m geortet.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Objektwinkels unter Verwendung eines mehrstrahligen Radarsystems, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bei dem die Messung zwischen einem Objekt und einer Bezugsachse, vorzugsweise der optischen Achse des Radarsenders, ausgeführt und für die einzelnen Empfangskanäle ausgewertet und aus den einzelnen Objektwinkelwerten ein Objektwinkel festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß N Meßzyklen zur Objektwinkelbestimmung zusammen ausgewertet werden und gemäß einem Übereinstimmungskriterium ein gemessener Winkelwert aus diesen N gemessenen Winkelwerten als tatsächlicher Objektwinkel festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Empfangskanalwerte mit den Werten eines gespeicherten Antennendiagramms verglichen werden und jeweils als vorläufiger Objektwinkel derjenige Winkelwert festgelegt wird, für den die Differenz zwischen gemessenem Empfangskanalwert und gespeichertem Wert am kleinsten ist, und aus den den N vorläufigen Objektwinkelwerten zugeordneten Differenzen diejenige mit dem kleinsten Wert bestimmt wird und der zugehörige vorläufige Objektwinkelwert als Objektwinkel festgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der gemessenen Empfangskanalwerte zusammen zu Gesamtamplituden addiert werden und aus den Gesamtamplituden von N Meßzyklen diejenige mit dem größten Wert bestimmt wird und der zugehörige Objektwinkelwert als Objektwinkel festgelegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Normierung des Antennendiagramms nach folgender Maßgabe ausgeführt wird:

wobei

w_1,2 = w₀ ± δw

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung für die Winkelwerte durchgeführt wird, die im Intervall ±α_s liegen, wobei α der zuletzt festgelegte Objektwinkel ist.

6. Mehrstrahliges Radarsystem zur Bestimmung des Objektwinkels, insbesondere für Kraftfahrzeuge, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen Radarsender und mindestens zwei Empfangskanäle, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher zur Speicherung der Meß- und Auswertewerte von N Meßzyklen vorgesehen ist und eine Auswertevorrichtung vorgesehen ist, die N Meßzyklen zur Objektwinkelbestimmung zusammen auswertet und gemäß einem Übereinstimmungskriterium einen gemessenen Winkelwert aus diesen N gemessenen Winkelwerten als tatsächlichen Objektwinkel festlegt.