DE19727288A1 - Verfahren zur Abstandsmessung mittels eines FMCW-Radarsensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsmessung mittels eines FMCW-Radarsensors gemäß Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist bereits bekannt aus dem Artikel von J. Otto: "Mikrowellen messen Füllstän­ de"; in: Design & Elektronik-Sensortechnik, Heft 10, 13. Mai 1997, Seiten 40 bis 44.

Verfahren dieser Art werden heutzutage in den unterschied­ lichsten Bereichen eingesetzt. So werden FMCW-Radarsensoren beispielsweise als Bewegungsmelder verwendet, die den Ein­ gangsbereich von automatisch sich öffnenden Türen in Super­ märkten überwachen. Ferner werden sie als Abstandswarnrada­ re in Kraftfahrzeugen verwendet, die den Abstand des Fahr­ zeugs zum voraus fahrenden Fahrzeug ermitteln und bei Unter­ schreiten eines vorgegebenen Mindestabstands zwischen den beiden Fahrzeugen ein Alarmsignal auslösen bzw. die Ge­ schwindigkeit des hinteren Fahrzeugs vermindern. Bekannt ist auch die Verwendung als Radarhöhenmesser für Luftfahr­ zeuge, z. B. Hubschrauber (vgl. hierzu z. B. DE 38 30 992 C2) und als Füllstandsmesser z. B. für Tank- bzw. Siloanlagen (vgl. hierzu z. B. DE 43 34 079 A1 bzw. den eingangs genann­ ten Artikel von J. Otto).

Die Entfernungsmessung nach dem FMCW-Radarprinzip ist seit langem bekannt und wird beispielsweise in M.I. Skolnik: "Radar Handbook" 2. Auflage (Mc Graw-Hill, New York, 1990) Seiten 1421 bis 1423 bzw. in dem eingangs genannten Artikel von J. Otto beschrieben. Ein FMCW-Radarsensor weist einen Sende- und einen Empfangszweig auf. Der Sender des Radar­ sensors sendet ein frequenzmoduliertes Signal aus, das an einem Objekt reflektiert und anschließend vom Empfänger des Radarsensors wieder empfangen wird. Im Empfänger wird das Empfangssignal mit dem momentanen Sendesignal zum Zeitpunkt t verglichen. Infolge der Frequenzmodulation haben diese beiden Signale unterschiedliche Frequenzen, da das Emp­ fangssignal gleich ist dem Sendesignal zum früheren Zeit­ punkt t - Δt, wobei Δt der Laufzeit des Sendesignals zwi­ schen Sensor und Objekt und Objekt und Sensor entspricht. Im einzelnen wird bei FMCW-Radar die Frequenz des Sende­ oszillators (in der Regel ein spannungsgesteuerter Oszilla­ tor VCO = Voltage Controlled Oscillator) entsprechend einer vorgegebenen Funktion variiert.

In den meisten Fällen wird die Frequenz streng monoton nach einer Geradengleichung y = ax + b verändert. Dabei ist a die Steilheit der Ansteuerung bzw. die erste zeitliche Ablei­ tung df/dt = _vco der Oszillatorfrequenz.

Wird das ausgesendete Signal von einem Objekt ("Target") reflektiert und wieder empfangen, ist es gegenüber der mo­ mentanen Frequenz des VCOs um

f_b = 2.R/c._vco

verschoben. Das Signal bei dieser Differenzfrequenz f_b wird als Beatsignal oder auch als Videosignal bezeichnet und ist direkt proportional zur Entfernung R des Radarsensors vom Objekt (c = Lichtgeschwindigkeit). Sie steht nach Mischung des Empfangssignals mit dem momentanen Sendesignal am Aus­ gang des Mischers zur weiteren Auswertung zur Verfügung.

Ist _vco bekannt, hängt die Genauigkeit der Entfernungsbe­ stimmung lediglich davon ab, wie gut die Frequenz des Vi­ deosignals bestimmt werden kann.

Die Genauigkeit, mit der eine Frequenz bestimmt werden kann, ist physikalisch mit der Länge des Beobachtungszeit­ raumes verknüpft. Ist der Beobachtungszeitraum unendlich lang, läßt sich die Frequenz durch eine kontinuierliche Fouriertransformation beliebig genau bestimmen. Bei realen Systemen ist der Beobachtungszeitraum stets endlich, aus der kontinuierlichen Transformation entsteht ein periodisches Spektrum. Die Genauigkeit der Frequenzbestimmung wird durch die spektrale Linienbreite eingeschränkt.

Aus dem eingangs genanntem Artikel von J. Otto sowie dem Artikel von R. Stolle, H. Heuermann, B. Schick: "Auswerte­ methoden zur Präzisionsentfernungsmessung mit FMCW-Systemen und deren Anwendung im Mikrowellenbereich"; in: tm-Tech­ nisches Messen 62 (1995) 2, Seiten 66 bis 73 ist bereits bekannt, daß zur Bestimmung der Frequenzlage der gesuchten Differenzfrequenz vorteilhaft die Diskrete Fourier-Trans­ formation (DFT), insbesondere in Form der Fast-Fourier-Trans­ formation (FFT) einsetzbar ist. Bei diesem Verfahren wird das abgetastete Videosignal mittels der FFT einer Spektralanalyse unterzogen und im erhaltenen Linienspektrum (im Frequenzbereich) diejenige Spektrallinie bestimmt, die die größte Amplitude aufweist. Die Frequenzlage dieser Linie wird als die gesuchte Differenzfrequenz identifi­ ziert. In dem Artikel von R. Stolle et al. wird auf Seite 70, linke Spalte, vorletzter Absatz ferner der Hinweis ge­ geben, daß zur Erhöhung der Genauigkeit der Frequenzlagen­ bestimmung an sich bekannte Interpolationsverfahren einge­ setzt werden können.

Ein Verfahren dieser Art, bei dem ein im Zeitbereich mit einem Hanning-Fenster gefenstertes Signal zunächst einer Spektralanalyse mittels DFT bzw. FFT unterzogen wird und anschließend im interessierenden Spektralbereich zur ge­ naueren Bestimmung der Frequenzlage von Spektrallinien ver­ schiedene Interpolationsverfahren eingesetzt werden, ist in dem Artikel von T. Grandke: "Interpolation Algorithms for Discrete Fourier Transforms of Weighted Signals"; in: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. IM-32, Nr. 2, June 1983, Seiten 350 bis 355 beschrieben. Auf Seite 355 dieses Artikels wird im letzten Absatz des Kapi­ tels "V. Conclusions" ferner der Hinweis gegeben, daß bei frequenzmodulierten Signalen die Verwendung von DFT und FFT um so aufwendiger sei, je höher die gewünschte Frequenzauf­ lösung sei und daß es in solchen Fällen besser sei, eine "Zoom-Transformation" oder ähnliche Methoden zu verwenden (vgl. hierzu z. B. die Artikel a) von P.C.Y. Yip: "Some Aspects of the Zoom Transform"; in: IEEE Transactions on Computers, Vol. C-25, No. 3, March 1976, Seiten 287 bis 296 bzw. b) von B. Liu, F. Mintzer: "Calculation of Narrow-Band Spectra by Direct Decimation"; in: IEEE Transactions on Acoustics, Speed, and Signal Processing, Vol. ASSP-26, No. 6, December 1978, Seiten 529 bis 534).

In dem Artikel von J. Otto: "Digitale Methoden zur Fre­ quenzbestimmung bei Mono- und Multifrequenten Signalen"; in: Tagungsbund MessComp., 5.-7.9.1995, Seiten 113 bis 117, wird im Zusammenhang mit der Abstandsmessung nach dem FMCW- Radarverfahren unter anderem die Frequenzanalyse anhand des Schwerpunktes zweier Linien im Linienspektrum beschrieben. Ein ähnliches FFT/Interpolations-Verfahren wird in dem Ar­ tikel von J. Otto: "Mikrowellensensor zur Füllstandsmes- Sung"; in: Sensoren-Technologie und Anwendungen", VDI Be­ richte 939, 1992, Seiten 95 bis 100 beschrieben.

Die Kombination FFT (oder DFT) mit anschließender Interpo­ lation im Frequenzbereich zur genaueren Bestimmung der Fre­ quenzlage findet ferner Anwendung in der sogenannten cell averaging CFAR (Constant-False-Alarm-Rate) -Empfangstechnik (vgl. hierzu M.I. Skolnik: "Radar Handbook" 2. Auflage (Mc Graw-Hill, New York, 1990) Seiten 3.46 bis 3.53 bzw. in der Spracherkennung (vgl. hierzu z. B. L. Arevalo: "Beiträge zur Schätzung der Frequenzen gestörter Schwingungen kurzer Dauer und eine Anwendung auf die Analyse von Sprachsigna­ len"; Seiten 17 bis 18 und 56 bis 57 sowie 161 und 164, erschienen 1991 in der Reihe "Arbeiten über Digitale Si­ gnalverarbeitung", herausgegeben von U. Heute, Arbeits­ gruppe Digitale Signalverarbeitung der Ruhr-Universität Bochum.

Wie bereits auf Seite 355 des bereits genannten Artikels von T. Grandke erwähnt wird, reicht die zuvor beschriebene Kombination der Spektralanalyse mittels DFT/FFT und an­ schließender Interpolation im Frequenzbereich häufig bei FMCW-Anwendungen nicht aus, um die Frequenzlage der gesuch­ ten Frequenzen mit der gewünschten Genauigkeit zu bestim­ men.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfah­ ren zur Abstandsmessung mittels eines FMCW-Radarsensors anzugeben, bei dem die Bestimmung der Differenzfrequenz zwischen Sende- und Empfangssignal mit einer höheren Genau­ igkeit erfolgen kann, als dies bisher mit der Kombination aus Spektralanalyse mittels DFT/FFT und anschließender Interpolation in dem interessierenden Spektralbereich mög­ lich war.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch die Merk­ male des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die übrigen Pa­ tentansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbil­ dungen der Erfindung.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß nach dem Interpolations-Verfahrensschritt mit der nach­ geschalteten zweiten Spektralanalyse, die auf den zuvor be­ stimmten Erwartungsbereich für die Frequenzlage der Diffe­ renzfrequenz beschränkt ist, die Differenzfrequenz mit ei­ ner weitaus höheren Genauigkeit bestimmt werden kann als mit dem bislang aus dem Stand der Technik bekannten Ver­ fahren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Das Ausführungsbeispiel geht von einem an sich bekannten FMCW-Radarsensor aus, dessen Aufgabe und Funktion aus dem Stand der Technik allgemein bekannt ist (vgl. die zuvor zitierten Literaturstellen) und deshalb hier nicht näher beschrieben werden muß und der durch Mischung des momenta­ nen Sendesignals mit dem Empfangssignal am Ausgang des Mi­ schers das Videosignal liefert, dessen Frequenz der Diffe­ renzfrequenz zwischen momentanem Sendesignal und Empfangs­ signal entspricht und im folgenden genau zu bestimmen ist, um daraus anschließend den Abstand zwischen Sensor und Ob­ jekt in an sich bekannter Weise zu bestimmen.

Die Bestimmung der Frequenzlage der Differenzfrequenz (= Frequenz des Videosignals) wird in diesem Ausführungsbei­ spiel der Erfindung wie folgt durchgeführt:

1. Grobe Spektralanalyse des Videosignals

Die Zeitfunktion des ggf. gefensterten Videosignals wird abgetastet und zwischengespeichert. Das abgetastete Vi­ deosignal wird einer ersten Spektralanalyse in Form ei­ ner FFT unterzogen. Im erhaltenen ersten Linienspektrum (oder "Range-Gates") im Frequenzbereich wird diejenige Spektallinie bestimmt, die die größte Amplitude auf­ weist. Die Genauigkeit der Frequenzbestimmung ist durch die Linienbreite der Spektrallinie begrenzt.

2. Interpolation

Anhand der Frequenzlage und Amplitude der beiden Spek­ trallinien ("Seitenbänder"), die die Spektrallinie mit der größten Amplitude einschließen, und der Spektralli­ nie mit der größten Amplitude wird mittels eines geeig­ neten und an sich bekannten Interpolationsverfahren eine Interpolation im Frequenzbereich durchgeführt und anhand der Ergebnisse der Interpolation ein Erwartungsbereich für die Frequenzlage der zu bestimmenden Differenzfre­ quenz festgelegt, der gleich oder vorzugsweise kleiner ist als die Linienbreite der Spektrallinie mit der größten Amplitude.

3. Genauere Spektralanalyse des Erwartungsbereichs

Innerhalb des aufgrund der Interpolation festgestellten Erwartungsbereichs wird das abgespeicherte abgetastete Videosignal einer zweiten genaueren Spektralanalyse in Form einer DFT unterzogen. Im erhaltenen zweiten Linien­ spektrum im Frequenzbereich wird erneut diejenige Spek­ trallinie bestimmt, die die größte Amplitude aufweist. Die Frequenzlage dieser Spektrallinie wird anschließend als die gesuchte Differenzfrequenz identifiziert. Mit dieser zusätzlichen DFT im festgestellten Erwartungsbe­ reich wird somit der festgelegte Erwartungsbereich für die Frequenzlage der Differenzfrequenz in weitere Spek­ trallinien (oder "Sub-Range-Gates") unterteilt, wodurch eine genauere Bestimmung der Spektrallinie mit der größ­ ten Amplitude und damit auch eine genauere Bestimmung der Frequenzlage dieses Maximums möglich ist.

Die Lage und Breite des Erwartungsbereichs bzw. die Anzahl der im Erwartungsbereich abgebildeten Spektral­ linien hängt von der geforderten Frequenzgenauigkeit ab und wird zweckmäßigerweise durch geeignete Parameterwahl vorher festgelegt.

Die Erfindung ist nicht auf das geschilderte Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertrag­ bar.

So ist es z. B. denkbar, die Interpolation auf der Basis von mehr als den drei im Ausführungsbeispiel herangezogenen Spektrallinien durchzuführen.

Ferner ist es möglich, bei der groben Spektralanalyse des Videosignals im ersten Linienspektrum einen spektralen Teilbereich vorher festzulegen, in dem diejenige Spektral­ linie mit der größten Amplitude anschließend ermittelt wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Abstandsmessung mittels eines FMCW-Radar­ sensors, bei welchem Verfahren vom Radarsensor ein fre­ quenzmoduliertes Sendesignal ausgesendet wird, das an einem Objekt reflektiert und anschließend als Empfangssi­ gnal vom Radarsensor wieder empfangen wird und dort mit dem momentanen Sendesignal verglichen wird, wobei aus dem Vergleich ein die Differenzfrequenz zwischen momentanem Sendesignal und Empfangssignal enthaltendes Videosignal abgeleitet wird, aus dem die Differenzfrequenz bestimmt wird, von der der gesuchte Abstand zwischen Radarsensor und Objekt abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Differenzfrequenz

• - das Videosignal abgetastet und anschließend zwischen­ gespeichert wird;
• - das abgetastete Videosignal einer ersten Spektralana­ lyse unterzogen wird und im erhaltenen ersten Linien­ spektrum diejenige Spektrallinie bestimmt wird, die die größte Amplitude aufweist;
• - anhand der Frequenzlagen und Amplituden der diese Spektrallinie umgebenden Spektrallinien mittels eines Interpolationsverfahrens ein Erwartungsbereich für die Frequenzlage der Differenzfrequenz festgelegt wird;
• - anschließend das abgespeicherte abgetastete Videosi­ gnal einer zweiten genaueren Spektralanalyse unterzo­ gen wird und im erhaltenen zweiten Linienspektrum er­ neut diejenige Spektrallinie bestimmt wird, die die größte Amplitude aufweist, und die Frequenzlage dieser Spektrallinie als die gesuchte Differenzfrequenz iden­ tifiziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spektralanalyse in Form einer Fast-Fourier-Trans­ formation erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite Spektralanalyse in Form einer Diskreten Fourier-Transformation erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Interpolationsverfahren auf der Basis der Frequenzlagen und Amplituden der ersten Spek­ trallinie und der beiden direkt benachbarten Spektrallinien erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der festgelegte Erwartungsbereich für die Frequenzlage der Differenzfrequenz kleiner oder gleich ist der Linienbreite der ersten Spektrallinie.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß im ersten Linienspektrum ein spektraler Teilbereich vorgegeben wird, in dem diejenige Spektrallinie bestimmt wird, die die größte Amplitude auf­ weist.