DE19833519A1 - Verfahren zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung von Objekten mittels eines FMCW-Radargeräts und FMCW-Radargerät zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung von Objekten mittels eines FMCW-Radargeräts und FMCW-Radargerät zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungs- und/­ oder Geschwindigkeitsmessung von Objekten mittels eines FMCW-Radargeräts gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein FMCW-Radargerät zur Durchführung des Verfahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 15.
Verfahren dieser Art bzw. FMCW-Radargeräte dieser Art kön­ nen sowohl in zivilen wie auch militärischen Anwendungen zur Entfernungs- bzw. Geschwindigkeitsmessung eingesetzt werden. Besonders eignen sie sich für den Einsatz in Höhen­ messern (vgl. z. B. DE 38 30 992 C2), Füllstandsmessern (vgl. z. B. DE 43 34 079 Al bzw. J. Otto: "Mikrowellen mes­ sen Füllstände"; in: "Design & Elektronik-Sensortechnik, Heft 10, 13.05.97, S. 40-44) oder Radarannäherungszün­ dern. Das dabei verwendete und an sich bekannte (vgl. die zuvor genannten Literaturzitate) FMCW-Radarverfahren stellt dabei eine flexible, kostengünstige und realisierungs­ freundliche Lösung dar (FMCW-Radar = Frequency-Modulated- Continuous-Wave-Radar = frequenzmoduliertes Dauerstrich-Ra­ dar).
Das inherente ECCM-Feature eines breitbandigen, nicht pe­ riodischen FMCW-Radar ist dabei in militärischen Anwendun­ gen von besonderer Bedeutung.
Die Attraktivität des FMCW-Radars zeigt sich weiter im er­ freulich geringen Realisierungsaufwand im Sender und in der Empfängerhardware gemäß der folgenden Aufzählung:
  • - geringe Sendeleistung aufgrund der FMCW-Modulation,
  • - Homodynabmischung in den Basisband-Frequenzbereich und frühe Digitalisierung des reellen Zeitsignals, d. h. Weg­ fall von Zwischenfrequenzstufen und aufwendigen Inphase/­ Quadratur-Demodulatorschaltungen,
  • - relativ geringe Abtastrate bei der Analog/Digitalwand­ lung,
  • - die weitreichende Realisierung der Signalverarbeitung im digitalen Bereich (in frei programmierbaren DSP's) bietet die Chance, die Leistungsfähigkeit zukünftiger Prozessor­ generationen für die Steigerung der Sensorleistungsfähig­ keit, z. B. erhöhte Auflösung, zu nützen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das an sich be­ kannte FMCW-Radarverfahren bzw. -gerät derart abzuwandeln, daß mit möglichst geringem Hard- und Softwareaufwand eine Entfernungs- und Geschwindigkeitsbestimmung bewegter Ob­ jekte in einem weiten Entfernungs-/Geschwindigkeitsbereich möglich ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in bezug auf das zu schaffende Verfahren durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1 und in bezug auf das zu schaffende FMCW-Radar­ gerät durch die Merkmale des Patentanspruchs 15 wiedergege­ ben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (Ansprüche 2 bis 14) und des erfindungsgemäßen FMCW-Radargeräts (An­ spruch 16).
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß in der vorgeschlagenen Abwandlung des FMCW-Radarverfahrens bzw. -geräts optimal gewählte Modulationsparameter verwen­ det werden, um flexibel und adaptiv einen weiten Entfer­ nungs- und Geschwindigkeitsbereich abzudecken.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 Frequenzverlauf des Sendesignals und des doppler- und laufzeitverschobenen Empfangssignals eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungs­ gemäßigen FMCW-Radargeräts als Funktion der Zeit,
Fig. 2 Verläufe der Beatfrequenz, die sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei zwei unterschiedlich gewählten Mo­ dulationssteilheiten ergeben, als Funktion der Entfernung bei zwei verschiedenen Geschwindigkei­ ten vmin, vmax,
Fig. 3 die Signalverarbeitung einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen FMCW-Radargeräts gemäß Fig. 4,
Fig. 4 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen FMCW-Radargeräts.
Bei Verwendung des FMCW-Verfahren zur Entfernungs- bzw. Ge­ schwindigkeitsmessung wird in der Regel das Echo- oder Ent­ fernungssignal einer Modulationsperiode nach der Abmischung ins Basisband einer Frequenzanalyse unterworfen. In der so­ genannten Beatfreguenz fB eines Radarziels zeigt sich dabei eine Kopplung des Entfernungsanteils fR und des Geschwin­ digkeitsanteils fD gemäß der Beziehung
Den Frequenzverlauf des Sendesignals sowie des doppler- und laufzeitverschobenen Echosignals für zwei charakteristische Modulationssteilheiten zeigt Fig. 1, wobei
ist mit der Modulationsdauer TR = T2 - T1 = T1 - T0. Die zu­ vor genannten Größen haben dabei folgende Bedeutung:
vr = Relativgeschwindigkeit des Objekts
λ = Signalwellenlänge
R = Entfernung des Objekts mit T = 2R/c = Laufzeit
c = Lichtgeschwindigkeit
B = Modulationshub.
Durch Umschaltung der Modulationssteilheit 1, 2 in zeit­ lich aufeinanderfolgenden Modulationszyklen und Auswerten des Gleichungssytems
fB1 = fR1 + fD
fB2 = fR1 + fD
läßt sich eindeutig die Entfernung und Geschwindigkeit des angestrahlten Objekts bestimmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden mittels entfernungsspezifischen Modulationsparametern die Beatfrequenzen eines Radarechos in einen fixen Analogfil­ ter-Frequenzbereich plaziert. Bei sich ändernder Entfernung kann in einem weiten Geschwindigkeitsbereich durch einfache Modifikation der Modulationssteilheiten die Objektvermes­ sung bei unveränderter Sensor-Hardware und -Software durch­ geführt werden. Die in Fig. 2 dargestellten Beatfrequenz­ verläufe zeigen diese Zusammenhänge.
Die gewählten Modulationssteilheiten ergeben sich zu:
1= 2.(-2)
mit der positiven Steilheit 1 und der negativen Steilheit 2. Es ist zu beachten, daß in diesem Ausführungsbeispiel für die Ermittlung der Objektentfernung und -geschwindig­ keit lediglich ein Paar von Modulationszyklen erforderlich ist. Die zeitliche Wiederholung der Emission nach ΔT kann in stochastischer Weise geschehen, um durch Vermeidung von Periodizitäten die Aufklärbarkeit in militärischen Anwen­ dungen zu erschweren.
Die einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen FMCW-Radargeräts zugrunde liegende Signalverarbeitung zeigt Fig. 3. Einem Bandpaßfilter 80 ist ein A/D-Wandler 9, ein I/Q-Filter 100, eine Einheit 101 zur Berechnung von Auto­ korrelationskoeffizienten sowie eine Auswerteeinheit 102 nachgeschaltet (I/Q = Inphase/Quadraturphase). Die Digita­ lisierung des bandbegrenzten, reellen Videosignals erfolgt mit der Abtastfrequenz fs, die sich aus der maximalen Echoentfernung Rmax ableitet zu
mit
Vmax = maximale relative Objektgeschwindigkeit
Rmax = maximale Objektentfernung
λ= Signalwellenlänge
c = Lichtgeschwindigkeit
= gewählte Modulationssteilheit
fBmax = maximale Beatfrequenz.
Das reelle Signal x(n) wird mittels des digitalen I/Q-Fil­ ters in ein komplexes Basisbandsignal (n) umgeformt. Die­ ses I/Q-Filter kann z. B. als FIR-Bandpaßfilter realisiert werden, dessen Mittenfrequenz zu einem Viertel der Abtast­ frequenz des A/D-Wandlers gewählt wird. Dies stellt eine besonders realisierungsfreundliche Variante dar, da sich bei dieser Relation die Anzahl der Filterkoeffizienten ef­ fektiv halbiert. Die Bandbreite des Filters beträgt vor­ zugsweise ca. 0.4.fs. Die Abtastfrequenz am Filterausgang kann aufgrund des komplexen Signalcharakters halbiert wer­ den. In der Einheit 101 zur Berechnung der Autokorrela­ tionskoeffizienten AKF erfolgt die Berechnung des nullten und ersten Autokorrelationskoeffizienten jeweils für die beiden zeitlich aufeinanderfolgenden Modulationszyklen gemäß folgender Beziehungen:
wobei *(n-1) konjugiert komplex ist zu (n-1).
In der anschließenden Auswertung wird die Signaldetektion auf der Basis des Betrages des normierten ersten Korrela­ tionskoeffizienten durchgeführt. Die Phase des ersten Kor­ relationskoeffizienten andererseits erweist sich der Beat­ frequenz des Echosignals proportional und gestattet somit eine effiziente Frequenzmessung unter Umgehung einer Spek­ tralanalyse. Die oben angesprochene Entfernungs-/Geschwin­ digkeits-Kopplung kann schließlich durch Lösung eines li­ nearen Gleichungssystems in eindeutige Meßwerte für Entfer­ nung und Geschwindigkeit übergeführt werden. Die Meßge­ nauigkeit kann in einem Tracking-Filter, z. B. α-β-Filter, weiter verbessert werden. Der Prozessor übernimmt zudem die Steuerung des Sensorsystems, u. a. die Wahl der entfernungs­ abhängigen Modulationssteilheiten.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen FMCW-Radargeräts wird anhand der Fig. 4 erläutert. Das Blockschaltbild zeigt den frequenzmodulierten Sender 1, dessen Signal über einen Richtkoppler 2 einer Sendeanten­ ne 3 zugeführt und von dort abgestrahlt wird. Eine Emp­ fangsantenne 4 nimmt die vom angestrahlten Objekt 5 reflek­ tierte Energie auf. In einem Mikrowellenmischer 6 erfolgt unter Verwendung eines am Richtkoppler 2 ausgekoppelten Teils 7 des Sendesignals die Homodynabmischung ins Basis­ band. Im Videoteil 8 erfolgt über einen geeignet dimensio­ nierten Frequenzgang die in einem FMCW-Radar erforderliche Leakage-Unterdrückung und Anti-Aliasing-Frequenzbegrenzung. Ein nachgeschalteter Analog-/Digitalwandler 9 setzt das Analogsignal ins digitale Format um. Eine Signalverarbei­ tungseinheit 10 (z. B. in Form eines Prozessors) wandelt die reellen Zeitsignale des A/D-Wandlers 9 in komplexwertige Signale um, ermittelt in der oben beschriebenen Form aus Autokorrelationskoeffizienten die Entfernung des vom Radar­ sensor aufgefaßten Objekts, steuert alle Vorgänge im Radar­ sensor und ist mit einer Bedien-/Eingabe-/Ausgabe-Einheit 11 verbunden.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die geschil­ derten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern viel­ mehr auf weitere übertragbar ist. So ist es z. B. möglich, die Sende- und Empfangsantenne des FMCW-Radargeräts in Fig. 4 zu einer gemeinsamen Sende-/Empfangsantenne mit vorge­ schaltetem Zirkulator zusammenzufassen.
Ferner ist es möglich, mehr als zwei unterschiedliche Mo­ dulationssteilheiten zu verwenden, wobei es besonders vor­ teilhaft ist, diese Steilheiten immer paarweise zusammenzu­ fassen.
Schließlich können die Pausen bzw. die Dauer der einzelnen Modulationszyklen unterschiedlich lang gewählt werden.

Claims (16)

1. Verfahren zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmes­ sung von Objekten mittels eines FMCW-Radargeräts, bei wel­ chem Verfahren das am Objekt reflektierte und in Modula­ tionsperioden mit vorgegebener Modulationssteilheit unter­ teilte Sendesignal des FMCW-Radargeräts vom FMCW-Radargerät empfangen und nach Abmischung in das Basisband einer Fre­ quenzbestimmung unterzogen wird, wobei anhand der aus der Frequenzbestimmung genommenen Beatfrequenz die Entfernung und/oder die Geschwindigkeit des Objekts bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Modulations­ zyklen unterschiedliche Modulationssteilheiten gewählt wer­ den.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in zeitlich aufeinanderfolgenden Modulationsperioden unter­ schiedliche Modulationssteilheiten gewählt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zeitlich aufeinanderfolgende Modula­ tionsperioden alternierend zwei unterschiedliche Modula­ tionssteilheiten aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Modulationssteilheiten unterschiedliche Vorzei­ chen und/oder unterschiedliche Beträge aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aussendung des Sendesignals durch Pausen unterbrochen ist und daß die Dauer des Sende­ signals zwischen zwei Pausen mindestens zwei Modulations­ zyklen mit unterschiedlichen Modulationssteilheiten umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pausen und/oder die Dauer des Sendesignals zwischen den einzelnen Pausen unterschiedlich lang sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die zur Anwendung kommenden Modu­ lationssteilheiten adaptiv an die sich ändernde Entfernung des angestrahlten Objekts angepaßt werden, dergestalt, daß die abgeleiteten Beatfrequenzen in einem vorgegebenen Fre­ quenzbereich erscheinen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß aus dem Empfangssignal ein band­ begrenztes, reelles Videosignal abgeleitet wird, das mit­ tels eines A/D-Wandlers mit einer Abtastfrequenz fs, mit
digitalisiert wird, mit
Vmax = maximale relative Objektgeschwindigkeit
Rmax = maximale Objektentfernung
λ= Signalwellenlänge
c = Lichtgeschwindigkeit
= gewählte Modulationssteilheit
fBmax = maximale Beatfrequenz,
und daß das bandbegrenzte, reelle und digitalisierte Video­ signal mittels eines I/Q-Filters in ein komplexes Basis­ bandsignal umgeformt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß 5 die Mittenfrequenz des in Form eines FIR-Bandpaßfilters realisierten I/Q-Filters gleich oder in etwa gleich ist einem Viertel der Abtastfrequenz fs des A/D-Wandlers und daß die Bandbreite des FIR-Filters vorzugsweise in etwa 0,4.fs beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des I/Q-Filters einem Autokorrelationsverfahren unterzogen werden, derge­ stalt, daß die nullten und ersten Autokorrelationskoeffi­ zienten jeweils für zwei zeitlich aufeinanderfolgende Modu­ lationszyklen berechnet werden gemäß den Beziehungen
mit
AKF0= nullter Autokorrelationskoeffizient
AKF1= erster Autokorrelationskoeffizient
(n) = komplexes Basisbandsignal
*(n-1) = konjugiert komplex zu (n-1).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaldetektion auf der Basis des Betrags des normier­ ten ersten Autokorrelationskoeffizienten durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beatfrequenz fB des Empfangssignals proportional zur Phase des ersten Autokorrelationskoeffizienten ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung von Entfernung und/oder Geschwindigkeit des angestrahlten Objekts ein auf­ grund der unterschiedlichen Modulationssteilheiten abgelei­ tetes lineares Gleichungssystem der Art
gelöst wird mit
fB1, fB2 = Beatfrequenzen 1 und 2
fR1 = Entfernungsanteil von fB
fD = Geschwindigkeitsanteil von fB
vr = relative Geschwindigkeit des Objekts
λ= Signalwellenlänge
c = Lichtgeschwindigkeit
1, 2 = Modulationssteilheiten 1 und 2
R = Objektentfernung.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ein Trackingfilter in der Signalverarbeitung vorgesehen ist.
15. FMCW-Radargerät zur Durchführung des Verfahrens, da­ durch gekennzeichnet,
  • - daß ein FMCW-Sender (1) über einen Richtkoppler (2) mit einer Sendeantenne (3) verbunden ist,
  • - daß eine Empfangsantenne (4) über einen Mischer (6) mit dem Nebenzweig (7) des Richtkopplers (2) und einem Video­ teil (8) verbunden ist,
  • - daß der Videoteil (8) ausgangsseitig über einen A/D-Wand­ ler (9) mit einer Signalverarbeitungseinheit (10) verbun­ den ist.
16. FMCW-Radargerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net,
  • - daß der Videoteil (8) ausgangsseitig ein Bandpaßfilter (80) enthält,
  • - daß die Signalverarbeitungseinheit (10) ein I/Q-Filter (100), vorzugsweise in Form eines FIR-Filters, enthält, dem ausgangsseitig eine Einheit (101) zur Berechnung der Autokorrelationskoeffizienten nachgeschaltet ist,
  • - daß der Einheit (101) zur Berechnung der Autokorrela­ tionskoeffizienten ausgangsseitig eine Einheit (102) zur Signaldetektion, Entfernungs- und/oder Geschwindigkeits­ berechnung und/oder ein Trackingfilter nachgeschaltet ist.
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