DE19912370A1

DE19912370A1 - Method of radar signal processing for radar system, especially for motor vehicles

Info

Publication number: DE19912370A1
Application number: DE19912370A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schaller
Original assignee: DaimlerChrysler Aerospace AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-05-02
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 1999-12-16

Abstract

The method involves coherently integrating the signals of each target track so the target (or vehicle) is divided into a number of Doppler cells, whereby an image generating monopulse mode is enabled. Residual errors of movement compensation are prevented with the aid of the Hilbert transformation. An Independent claim is also included for a radar system.

Description

Nach vorn gerichtete Radare für Kraftfahrzeuge haben die Aufgabe, das Verkehrsgeschehen zu erfassen, um den Fahrer zu unterstützen. In einer heute technisch beherrschten Rea lisierungsform wird nur der Abstand zum Vordermann gemes sen. Wenn er kleiner als ein vorgegebener Mindestabstand wird, greift das System in die Bremse ein. Als Abstandsre geltempomat ist dieses System als eine Erweiterung des be kannten Tempomaten zu einem intelligenten Tempomaten zu verstehen.Forward-facing radars for motor vehicles have the Task to capture traffic to the driver to support. In a technically dominated Rea Only the distance to the vehicle in front is measured sen. If it is smaller than a specified minimum distance the system engages the brake. As a distance geltempomat, this system is an extension of the be awarded cruise control to an intelligent cruise control understand.

Immer dann, wenn die Verkehrssituation das Ausfahren der eingestellten Geschwindigkeit nicht zuläßt, hängt sich das Fahrzeug gewissermaßen an den Vordermann an und regelt die Geschwindigkeit durch Gas- und Bremseingriffe. Der Fahrer braucht nur noch zu lenken.Whenever the traffic situation is extending the does not allow the set speed, it depends The vehicle to a certain extent to the person in front and controls it Speed through throttle and brake interventions. The driver only needs to steer.

Aufwendiger wird es, wenn auch feststehende Hindernisse so wie der Straßenrand erkannt werden sollen und wenn das Sy stem auch für den Stop-and-Go Verkehr geeignet sein soll.It becomes more complex, even if there are fixed obstacles how the roadside should be recognized and if the sy stem should also be suitable for stop-and-go traffic.

Die bevorzugte Frequenz für KFZ-Radare ist 76 Ghz. Mit ei ner Antennenöffnung von einigen cm ist eine Antennenkeule von einigen Grad zu erreichen. Die seitliche Zielablage wird entweder mit dem Monopulsverfahren oder mit einem Sy stem mit vielen Keulen gemessen. Das Radar bildet Entfer nungs- und Geschwindigkeitszellen, um die Fahrzeuge zu trennen. Eine Trennung allein über die Antennenkeulen wird nicht praktiziert. Für jedes erfaßte Fahrzeug wird eine Spur angelegt und in einem (inkohärenten) Trackingprozeß fortgeschrieben. Die durch das Tracking geglätteten Meßwer te für relative Position und Geschwindigkeit werden an den Computer für die Regelung der Fahrzeuggeschwindigkeit wei tergereicht.The preferred frequency for automotive radars is 76 Ghz. With egg An antenna beam of a few cm is an antenna lobe of a few degrees. The side target tray is either with the monopulse method or with a Sy stem measured with many clubs. The radar forms range voltage and speed cells to close the vehicles separate. A separation is made solely via the antenna lobes not practiced. For each registered vehicle there is one Track created and in an (incoherent) tracking process updated. The measured values smoothed by the tracking for relative position and speed are given to the Computer for regulating vehicle speed white handed.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Radarsignalverarbeitung, insbe sondere in einem Kraftfahrzeug, sowie eine Anordnung hier für anzugeben.The present invention is based on the object improved method for radar signal processing, esp special in a motor vehicle, as well as an arrangement here for specify.

Ein Verfahren und eine Anordnung zur erfindungsgemäßen Lö sung der Aufgabe sind in den Patentansprüchen angegeben.A method and an arrangement for Lö according to the invention Solution of the task are specified in the claims.

Um auch die stehenden Hindernisse zu erfassen und Ziele im Stop-and-Go-Verfahren zu erkennen, sollte die echte Winkel auflösung des Radars (Trennung zweier Reflexionspunkte) auf ca. 1° verbessert werden. Das Monopulsradar kann für mehre re Reflexionspunkte in derselben Entfernungs-/Geschwindig keitszelle überhaupt keine Winkelauflösung leisten. Diese Situation liegt beispielsweise bei einer extremen Festziel situation wie Stau vor. Bei winkelmäßig ausgedehnten Zielen im Nahbereich (Stop-and-Go) ist auch keine Winkelauflösung möglich, selbst wenn diese Fahrzeuge in Bewegung sind, weil alle Reflexionspunkte eines Fahrzeugs in dieselbe Ge schwindigkeitszelle fallen.In order to also recognize the standing obstacles and goals in the Stop-and-go procedures should recognize the real angle resolution of the radar (separation of two reflection points) approx. 1 ° can be improved. The monopulse radar can be used for several re reflection points at the same distance / speed cell do not perform any angular resolution at all. This Situation lies, for example, with an extreme fixed goal situation like traffic jam before. For angular targets in the near range (stop-and-go) there is also no angular resolution possible even if these vehicles are in motion because all reflection points of a vehicle in the same ge speed cell fall.

Die Alternative in Gestalt des abbildenden Radars (Vielzahl von Keulen, sehr aufwendig) ist prinzipiell geeignet, er fordert aber eine große Antennenapertur.The alternative in the form of the imaging radar (variety of clubs, very complex) is suitable in principle, he but requires a large antenna aperture.

Da der Einbauraum für das Radar bei vielen Fahrzeugen sehr beschränkt ist, kommt eine große Antennenapertur zur Erzie lung der verbesserten Winkelauflösung meist nicht in Frage. Eine Erhöhung der Frequenz auf 140 Ghz, um die Apertur zu verkleinern, hat den Nachteil, daß die Technologie teurer ist, und für den Fernbereich bereits Wetterdämpfung störend wird.Because the installation space for the radar in many vehicles is very great is limited, a large antenna aperture comes to education development of the improved angular resolution is usually out of the question. Increasing the frequency to 140 Ghz to close the aperture downsize has the disadvantage that the technology is more expensive is, and for the long range weather damping already disturbing becomes.

Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein KFZ-Radar mit einer besonderen Ausprägung einer synthetischen Apertur (Synthetic Aperture Radar, SAR) zu realisieren. Das Radar verfahren kann die Funktionen Abstandsregelung, Stau- und Straßenranderkennung sowie Stop-and-Go abdecken. Es kann sie sogar in einem Gerät mit gemeinsamer Hardware und ver schiedenen Algorithmen realisieren. Dazu kann zwischen den Betriebszuständen "Nah" (Stop-and-Go) und "Fern" situa tionsgesteuert umgeschaltet werden. It is therefore proposed according to the invention to use a motor vehicle radar a special form of a synthetic aperture (Synthetic Aperture Radar, SAR). The radar The functions distance control, traffic jam and Cover roadside detection and stop-and-go. It can they even in one device with common hardware and ver implement different algorithms. You can do this between the Operating conditions "near" (stop-and-go) and "far" situa can be switched under control.

Da der Geschwindigkeitsvektor und die Hauptstrahlrichtung des Radars zusammenfallen können, ist das klassische SAR nicht geeignet. Es wird vielmehr eine spezielle Kombination von Forward Looking SAR (FLSAR), Monopulstechnik und Ge schwindigkeitskompensation verwendet, um die Winkelauflö sung um bis zu zwei Zehnerpotenzen zu steigern. Die Anten nenapertur kann dabei sogar noch kleiner als beim Abstands radar sein.Because the velocity vector and the main beam direction of the radar can collapse is the classic SAR not suitable. Rather, it will be a special combination by Forward Looking SAR (FLSAR), Monopulstechnik and Ge speed compensation used to the angular resolution solution by up to two powers of ten. The antenna Nape aperture can be even smaller than the distance be radar.

Description of the procedure for high-resolution target location of a motor vehicle radar

Aus den Zielsignalen der erfaßten Fahrzeuge werden wie beim herkömmlichen Dopplerradar unter Berücksichtigung von Ent fernung und zumindest grob bestimmter Dopplerfrequenz Ziel spuren gebildet. Wie beim Doppleradar werden die Signale längs der Spur integriert. Der Unterschied besteht darin, daß die Signale kohärent integriert werden. Das ist das Prinzip der synthetischen Apertur. Beim FLSAR fallen die Punkte eines in Querrichtung ausgedehnten Ziels auf ver schiedene Dopplerfrequenzen (Feindoppler), können also durch eine Filterbank getrennt werden.The target signals of the detected vehicles become like in the conventional Doppler radar considering Ent distance and at least roughly determined Doppler frequency target traces formed. As with the Doppler radar, the signals integrated along the track. The difference is that the signals are integrated coherently. This is the Principle of the synthetic aperture. At the FLSAR they fall Points of a target extended in the transverse direction to ver different Doppler frequencies (fine Doppler), can be separated by a filter bank.

Der gesuchte Zielwinkel (Zielablage von der Fahrtrichtung) ist leider nicht ausreichend zuverlässig aus der Doppler frequenz zu entnehmen, da sowohl der Winkel als auch die unbekannte Geschwindigkeitsdifferenz zwischen den Fahrzeu gen in die Bestimmung der Dopplerfrequenz eingehen. Der Winkel wird daher vorzugsweise nach einem Monopulsverfahren gepeilt. Der Vorteil gegenüber dem Monopulsradar ohne kohä rente Integration besteht darin, daß das Ziel in eine Viel zahl kleiner Dopplerzellen zerfällt, die zwar mit ihrer Frequenz nichts über den gesuchten Winkel aussagen, die aber jede einen ungestörten Peilwinkel liefern. Damit wird das Monopulsverfahren gewissermaßen mehrzielfähig. Die Auf lösung hängt von der kohärenten Integrationsstrecke (Zeit mal Geschwindigkeitsdifferenz) ab.The desired target angle (target placement from the direction of travel) is unfortunately not sufficiently reliable from the Doppler frequency because both the angle and the unknown speed difference between the vehicles conditions in the determination of the Doppler frequency. Of the Angle is therefore preferably based on a monopulse method direction. The advantage over the monopulse radar without kohä pension integration is that the goal in a lot number of small Doppler cells disintegrate, although with their Frequency do not say anything about the angle you are looking for but each deliver an undisturbed bearing angle. So that will the monopulse method is more or less multi-target. The on solution depends on the coherent integration distance (time times speed difference).

Die Integrationsstrecke bestimmt die synthetischen Anten nenkeulen des Radars. Eine Antennenkeule ist das Azimut gebiet einer Dopplerzelle. Für Bewegtziele gilt das aller dings nur für alle "mitfahrenden" Reflexionspunkte. Andere Fahrzeuge haben ihren eigenen Cluster von Dopplerfrequen zen. Die Fig. 1 zeigt die geometrischen Verhältnisse bei der Annäherung.The integration path determines the synthetic antenna lobes of the radar. An antenna beam is the azimuth area of a Doppler cell. For moving targets, however, this only applies to all "moving" reflection points. Other vehicles have their own cluster of Doppler frequencies. Fig. 1 shows the geometric relationships in the approximation.

Je nach Azimutwinkel ergeben sich unterschiedliche Entfer nungsveränderungen ΔR während der Weiterfahrt um die Strecke S. Eine azimutale Auflösungszelle ist dadurch de finiert, daß sich ΔR an ihren Rändern um λ/2 (mit λ als Ra darwellenlänge), entsprechend einer Dopplerperiode, unter scheidet. Ihre Breite ist
Depending on the azimuth angle, there are different changes in distance ΔR while continuing to travel the distance S. An azimuthal resolution cell is defined by the fact that ΔR differs at its edges by λ / 2 (with λ as Ra wavelength), corresponding to a Doppler period. Your width is

Δα = λ/(2S sin α).Δα = λ / (2S sin α).

Das Diagramm D(α) der Fig. 2 zeigt qualitativ die Form der Antennenkeulen. Da hier eine ungewichtete Integration ange setzt wurde, kommt die Funktion si(x)=sin x/x heraus:
The diagram D (α) of FIG. 2 shows qualitatively the shape of the antenna lobes. Since an unweighted integration was applied here, the function si (x) = sin x / x comes out:

D(α) = si (2S π (1 - cos α)/λ).D (α) = si (2S π (1 - cos α) / λ).

Weil die Frequenz für α=0 normalerweise nicht genau auf einen Punkt des Kanalrasters der Filterbank fällt, ist die Abbildung nur ein Spezialfall. Die Keulen können auch ver schoben sein. Aber immer werden sie zum Winkel Null hin in der dargestellten Weise breiter.Because the frequency for α = 0 is usually not exactly accurate one point of the filter bank's channel grid is the Figure just a special case. The clubs can also ver be pushed. But they always get to zero angle the way shown wider.

Bisher wurde davon ausgegangen, daß die Differenzgeschwin digkeit zwischen dem Radar und den Zielfahrzeugen konstant sei. Dann bildet sich für jedes Fahrzeug ein Spektrum aus, in dem die Dopplerkeulen wie auf dem Bild dem Winkel zuge ordnet sind. Wenn jedoch beschleunigte Bewegungen vorlie gen, können sich die Dopplerkeulen nicht in dieser Genauig keit ausbilden, da sie verwischt werden. Vor der Spektrum bildung durch Integration wird daher vorteilhafterweise erst eine Bewegungskompensation durchgeführt werden.So far it has been assumed that the differential speed constant between the radar and the target vehicles be. Then a spectrum is formed for each vehicle, in which the Doppler lobes are drawn to the angle as in the picture are arranged. However, if there were accelerated movements the Doppler clubs cannot do so precisely training because they are blurred. In front of the spectrum Education through integration is therefore advantageous motion compensation must first be carried out.

Für die Kompensation der Bewegung wird eine Entfernung r_e(t) bis auf einen konstanten Anteil geschätzt und dann in bekannter Weise zur Aufhebung der Annäherungsgeschwindig keit im Zielsignal s eingesetzt:
To compensate for the movement, a distance r _e (t) is estimated up to a constant component and then used in a known manner to cancel the approach speed in the target signal s:

r_e(t) = r(t) + const. + Restfehler(t)
r _e (t) = r (t) + const. + Residual error (t)

Φ(t) = 4π.r_e(t)/λ
Φ (t) = 4π.r _e (t) / λ

s_korr = s.exp(-jΦ(t))
s _corr = s.exp (-jΦ (t))

mit λ als Radarwellenlänge und Φ(t) als Phasenverlauf.with λ as the radar wavelength and Φ (t) as the phase profile.

Die Bewegung muß aus dem Phasen- oder Frequenzverlauf des Zielsignals geschätzt werden. Dafür gibt es nach dem Stand der Technik Verfahren, die hier nicht weiter beschrieben werden. Ein neues besonders geeignetes Verfahren wird wei ter unten noch dargelegt.The movement must be based on the phase or frequency curve of the Target signal can be estimated. According to the status there is the technology processes that are not described here become. A new, particularly suitable method is white ter outlined below.

Die Kompensation muß sehr genau sein, da für gute Zielauf lösung der mittlere Restfehler der Beschleunigung um mehre re Zehnerpotenzen unter 1.g liegen muß.The compensation has to be very precise, because for good aim solution the mean residual error of the acceleration by several re powers of ten must be below 1.g.

Die Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Anordnung der Kompo nenten des erfindungsgemäßen Radars. Fig. 3 shows an exemplary arrangement of the compo nents of the radar according to the invention.

Der Sensorkopf, ein Dopplerradar, liefert Kanäle R_iD_k an die spektrale Feinanalyse zur Ermittlung der Zielstruktur. Im Falle von Bewegtzielen interessiert von der Feinstruktur primär die seitliche Ausdehnung des Ziels. Die anschließen de Peilung liefert dann die Zielkanten. Da die Ergebnisse frühestens nach Durchfahren der Annäherungsstrecke S vor liegen können, wird noch eine unverzögerte Peilung der Zielmitte hinzugefügt, um die Reaktionszeit des Systems klein zu halten.The sensor head, a Doppler radar, supplies channels R _i D _k to the spectral fine analysis to determine the target structure. In the case of moving targets, the fine structure is primarily interested in the lateral extension of the target. The subsequent de bearing then delivers the target edges. Since the results can only be obtained after driving through the approach section S at the earliest, an undelayed bearing is added to the target center in order to keep the response time of the system short.

Da die Breite eines Fahrzeugs sich mit der Zeit nicht än dert, ist die Frage nach der Reaktionszeit der Breitenmes sung unerheblich. Alle Fahrzeuge im Erfassungsbereich des Radars können in der Spurverarbeitung ständig verfolgt wer den. Ihre Breite ist im Regelfall längst erfaßt, ehe sie für die eigenen Fahrmanöver interessant wird. Es ist daher unschädlich, wenn die aktuelle Messung den Wert liefert, der gültig war, als das Fahrzeug noch um S weiter oder nä her war, denn er ändert sich ja nicht wesentlich. Wichtig ist nur die Veränderung von Abstand und Richtung zur Ziel mitte. Diese Veränderung wird verzögerungsarm bestimmt. Because the width of a vehicle does not change over time is the question of the response time of the latitude measurement irrelevant. All vehicles in the detection area of the Radars can be tracked constantly in track processing the. As a rule, its width has long been recorded before it becomes interesting for your own driving maneuvers. It is therefore harmless if the current measurement provides the value, that was valid when the vehicle was S or closer was ago, because it does not change significantly. Important is only the change of distance and direction to the goal center. This change is determined with little delay.

Das Verfahren zeigt zwar geringere Winkelauflösung in ge nauer Vorwärtsrichtung, es zeigt sich aber, daß dies bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeugradar keinen gravieren den Nachteil bedeutet. Bei allen Nahsituationen wird die bessere Winkelauflösung seitlich gebraucht. Für den Fernbe trieb, z. B. für die Stauerkennung, wird jedoch ein Maximal wert für die Vorwärtskeule gesetzt. Dieser läßt sich mit dem beschriebenen Verfahren erfüllen.The method shows lower angular resolution in ge closer forward direction, but it turns out that this at do not engrave the application in a motor vehicle radar the disadvantage means. In all close-up situations, the better angular resolution used laterally. For the Fernbe drove, e.g. B. for traffic jam detection, however, is a maximum value set for the forward lobe. This can be done with meet the described procedure.

Ziele, die sich beidseitig zur Fahrtrichtung ausbreiten, können durch die Dopplerkeulen nicht mehr eindeutig aufge teilt werden, denn die Dopplerfrequenz unterscheidet nicht zwischen rechts und links. Das führt bei Bewegtzielen prak tisch zu keiner Einschränkung, kann aber bei ausgedehnten Festzielen nachteilig sein. Daher werden vorzugsweise Echos von Festzielen nach einem gesonderten Verfahren verarbei tet, welches eher einer FLSAR-Verarbeitung entspricht. Die Information der zwei Antennenkanäle des Monopulsradars wird dann nicht zur Peilung verwendet, sondern zur Seitentren nung der Zielstrukturinformation. Ein solches Verfahren wird nachfolgend im Detail geschildert.Destinations that spread on both sides of the direction of travel can no longer be clearly opened by the Doppler legs be divided, because the Doppler frequency does not differentiate between right and left. This leads practically to moving targets table to no restriction, but can be used for extended Fixed targets are disadvantageous. Therefore, echoes are preferred of fixed targets according to a separate procedure which corresponds more to FLSAR processing. The Information of the two antenna channels of the monopulse radar is then not used for bearing, but for side centers target structure information. Such a process is described in detail below.

Method for fixed target recognition with a motor vehicle represents

Die Erkennung von feststehenden Hindernissen ist eine wich tige Forderung an ein Kraftfahrzeugradar. Auch der Straßen rand soll erkannt werden. Die Extremform von feststehenden Hindernissen ist der Stau, bei dem der ganze Straßenraum versperrt ist.The detection of fixed obstacles is important term requirement for a motor vehicle radar. The streets too rand should be recognized. The extreme form of fixed Obstacles is the traffic jam, in which the whole street space is blocked.

Das bereits beschriebene FLSAR-Monopuls-Verfahren kann zwar auch Festziele erkennen. Wenn diese aber zu beiden Seiten der Fahrtrichtung auftreten, kann die Erkennung erschwert sein. Dies gilt insbesondere, wenn zu einem reflektierenden Objekt auf der einen Seite ein weiteres genau spiegelbild lich dazu auf der anderen Seite hinzutritt. Diese beiden Reflexionen fallen dann in die gleiche Dopplerkeule und führen zu einer fehlerhaften Monopulsmessung.The FLSAR monopulse method already described can also recognize fixed goals. But if this on both sides the direction of travel can make detection difficult be. This is especially true when becoming a reflective Object on one side another exactly mirror image on the other side. These two Reflections then fall into the same Doppler club and lead to an incorrect monopulse measurement.

Wenn die reflektierenden Objekte nicht vereinzelt auftre ten, sondern quasi kontinuierlich, wie z. B. Stau und Stra ßenrand, dann treten solche Störungen verstärkt auf. Das beschriebene FLSAR-Monopuls-Verfahren arbeitet daher in solchen Situationen nicht zufriedenstellend. Das nachfol gend erläuterte Verfahren zur Festzielerkennung mit einem Kraftfahrzeugradar ist für solche Situationen besonders vorteilhaft.If the reflective objects do not appear occasionally ten, but quasi continuously, e.g. B. traffic jam and road outside edge, then such disturbances occur more. The The FLSAR monopulse method described therefore works in not satisfactory in such situations. The following gend explained method for fixed target detection with a Motor vehicle radar is special for such situations advantageous.

Description of the procedure for fixed target recognition

Abweichend von dem beschriebenen FLSAR-Monopuls wird die Winkelbestimmung von punktförmigen oder ausgedehnten Fest zielen ohne Rückgriff auf die Winkelmeßwerte des Monopuls durchgeführt. Für Festziele ist nämlich die zum Winkelwert Null gehörende Dopplerfrequenz ermittelbar (Dopplerkante). Damit ist eine Umrechnung der Frequenzen auf die Winkel möglich. Das Radar wird also im reinen FLSAR-Mode betrie ben.Deviating from the described FLSAR monopulse, the Determining the angle of punctiform or extended fixed aim without recourse to the angular measurements of the monopulse carried out. For fixed goals is the angle value Doppler frequency belonging to zero can be determined (Doppler edge). This is a conversion of the frequencies to the angles possible. The radar is therefore operated in pure FLSAR mode ben.

Die Bewegungskompensation kann dann auf die Relativge schwindigkeit ausgedehnt werden. Die Relativgeschwindigkeit ist die Differenz der Geschwindigkeitsvektoren. Bei Bewegt zielen kann nur die Annäherungsgeschwindigkeit kompensiert werden. Die Annäherungsgeschwindigkeit ist die Ableitung der Entfernung. Für die Dopplerkante gilt Relativgeschwin digkeit = Annäherungsgeschwindigkeit. The motion compensation can then on the Relativge speed can be expanded. The relative speed is the difference of the speed vectors. When moving only the approach speed can compensate become. The speed of approach is the derivative the distance. Relative speed applies to the Doppler edge digkeit = approach speed.

Die nun frei gewordene Information des Differenzkanals kann statt zur Peilung zur Seitentrennung der Festziele genutzt werden. Bei einem Monopulssystem bilden sich Summen- und Differenzsignal im Dopplerkanal für den Winkel ±α gemäß
The information of the differential channel that has now become available can be used instead of bearing to separate the fixed destinations. In the case of a monopulse system, sum and difference signals are formed in the Doppler channel for the angle .alpha

S_S (|α|) = S (α) + S (-α)
S _S (| α |) = S (α) + S (-α)

S_D (|α|) = m.α.(S(α) - S (-α)).S _D (| α |) = m.α. (S (α) - S (-α)).

S(α) und S(-α) seien die Signalanteile aus den Richtungen α und -α. Die Monopulssteilheit ist mit m bezeichnet. Für die rechts- und linksseitigen Festzielanteile erhält man
S (α) and S (-α) are the signal components from the directions α and -α. The monopulse steepness is denoted by m. For the right and left-hand parts of the fixed target you get

S(α) = 0.5.(S_S(|α|) + S_D (|α|)/(m.α))
S (α) = 0.5. (S _S (| α |) + S _D (| α |) / (m.α))

S(-α) = 0.5.(S_S(|α|) - S_D (|α|)/(m.α)).S (-α) = 0.5. (S _S (| α |) - S _D (| α |) / (m.α)).

Der Zusammenhang zwischen dem Winkel α und der Frequenz f_D im bewegungskompensierten Dopplerspektrum ist
The relationship between the angle α and the frequency f _D in the motion-compensated Doppler spectrum is

cos α = 1 - λf_D/(2v),
cos α = 1 - λf _D / (2v),

wobei die für die Bewegungskompensation ermittelte Relativ geschwindigkeit v als Skalenfaktor eingeht. Damit ist im Rahmen der Dopplerauflösung eine Bilderzeugung für die Festziele beiderseits der Fahrtrichtung möglich. where the relative determined for the motion compensation speed v is received as a scale factor. So that is in Under the Doppler resolution an image generation for the Fixed destinations possible on both sides of the direction of travel.

Die Dopplerkante sollte genau bestimmt werden, um Winkel meßfehler möglichst klein zu halten. Wenn genau in Fahrt richtung keine ausreichend starken Reflexionen (von der Fahrbahndecke) vorhanden sind, können Echos von vereinzel ten Festzielen in Verbindung mit ihren Peilwerten herange zogen werden, um nach Umrechnung auf α=0 einen Schätzwert für die Dopplerkante zu liefern. Dabei wird vorteilhafter weise auf eine statistische Auswertung zurückgegriffen. Werte, die zu falschgepeilten Doppelzielen gehören, fallen vom Häufungspunkt der übrigen entfernt und werden nicht berücksichtigt.The Doppler edge should be determined precisely by angle to keep measuring errors as small as possible. When on the move no sufficiently strong reflections (from the Lane cover) are present, echoes from isolated ten fixed targets in connection with their bearing values are drawn to get an estimated value after conversion to α = 0 to deliver for the Doppler edge. This will be more advantageous wisely used a statistical evaluation. Values belonging to incorrectly targeted double targets fall removed from the cluster point of the rest and will not considered.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen gerechnete Beispiele für die Bilderzeugung mit dem FLSAR bei 5 m Integrationsstrecke. Die Festziele wurden linienförmig mit diffuser Reflexion ange nommen, so wie in den Diagrammen durch einen Balken ange deutet. Es handelt sich um Single-look Aufnahmen, also ohne inkohärente Mittelung. Daher ist die Fluktuation noch voll erhalten. FIGS. 4 to 6 show examples of the projected image formation with the FLSAR at 5 m integration route. The fixed targets were assumed to be linear with diffuse reflection, as indicated by a bar in the diagrams. These are single-look recordings, i.e. without incoherent averaging. The fluctuation is therefore still fully intact.

Die Fig. 4 zeigt gewissermaßen die Impulsantwort des Sy stems. Sie ist in Geradeausrichtung 2° breit. Bei seitlich liegendem Ziel wird die Auflösung in FLSAR-typischer Weise besser, wie Fig. 5 zusammen mit dem Effekt der Seitentren nung zeigt. Einem Stau über alle Fahrbahnen entspricht das Diagramm der Fig. 6. Fig. 4 shows to a certain extent the impulse response of the system. It is 2 ° wide in a straight line. With a laterally lying target, the resolution in the FLSAR-typical manner is better, as FIG. 5 shows together with the effect of the side separation. The diagram of FIG. 6 corresponds to a traffic jam over all lanes.

Process compensation method

Durch die Kombination von Monopulsverfahren und FLSAR-Ver fahren wird eine hohe Zielauflösung erreicht. Für jedes FLSAR wird eine Bewegungskompensation benötigt. The combination of monopulse method and FLSAR-Ver driving a high target resolution is achieved. For each FLSAR requires motion compensation.

In einfacher Ausführung wird nur die Annäherungsgeschwin digkeit kompensiert, was aber zur Folge hat, daß nach der Kompensation der FLSAR-typische Zusammenhang zwischen Dopp lerfrequenz und Ablagewinkel entfällt, da dabei die Ziel mitte auf die Frequenz Null gezwungen wird. Der Winkel kann nicht mehr aus dem Signalspektrum, sondern nur noch aus den Monopulsmeßwerten bestimmt werden.In a simple version, only the approximate speed compensated for, but with the result that after the Compensation of the FLSAR-typical relationship between doubles lerfrequency and placement angle is eliminated, since the target center is forced to zero frequency. The angle can no longer from the signal spectrum, but only from the Monopulse measurements can be determined.

Für die Schärfung der Dopplerkanäle reicht statt einer Ge schwindigkeitskompensation auch schon die Kompensation der Beschleunigung. Ein konstanter Geschwindigkeitsfehler ver schiebt nur das Spektrum, ohne aber die Auflösung zu beein trächtigen. Da der Mehraufwand vernachlässigbar ist, wird dennoch vorteilhafterweise die Geschwindigkeit und vorzugs weise auch der Ort mitgeschätzt. Das hat den Vorteil, daß die Größen v und r vorhanden sind, um die Fahrzeugspur durch die Entfernungs- und Dopplerzellen zu verfolgen, und daß für die Vermessung ausgedehnter Festziele der Skalie rungsfaktor v zur Verfügung steht.For the sharpening of the Doppler channels instead of a Ge is sufficient speed compensation already the compensation of the Acceleration. A constant speed error ver only shifts the spectrum without affecting the resolution pregnant. Since the additional effort is negligible, nevertheless advantageously the speed and preference also wisely estimated the location. This has the advantage that the sizes v and r are available to the vehicle lane to track through the range and doppler cells, and that for the measurement of extensive fixed goals of the scale ration factor v is available.

Es ist ferner vorteilhaft, die Fouriertransformation in Ortsfrequenzen, also über der Annäherungsstrecke, durchzu führen, anstatt über der Annäherungszeit. Der Weg-Zeit-Zu sammenhang ermöglicht eine Umwandlung der Signalfunktion, so daß die seitlich liegenden Spektrallinien in Gegenwart von Beschleunigung nicht verwischt werden. Die Bewegungs kompensation allein beseitigt nämlich die durch Beschleu nigung hervorgerufene Störung nur für die Zielmitte exakt.It is also advantageous to use the Fourier transform in Spatial frequencies, i.e. over the approach distance lead rather than over the approach time. The way-time-to context enables a conversion of the signal function, so that the lateral spectral lines in the presence not be blurred by acceleration. The movement Compensation alone eliminates that through acceleration disruption caused only for the center of the target.

Die übliche Methode der Schätzung von Zuständen eines dyna mischen Systems sind lineare Filter, z. B. der sogenannte α/β-Tracker, oder optimal das Kalman-Filter. Die Störgröße im System, hier die Fluktuation des komplexen Zielsignals, führt zu Restfehlern der gesuchten Zustände Weg, Geschwin digkeit und Beschleunigung. Da für das Kraftfahrzeugradar mit synthetischer Apertur eine hohe Genauigkeit der Zu standsgrößen im Promillebereich und noch darunter vorteil haft ist, haben sich die klassischen Verfahren als unzurei chend erwiesen.The usual method of estimating a dyna's states mixing systems are linear filters, e.g. B. the so-called α / β tracker, or optimally the Kalman filter. The disturbance variable in the system, here the fluctuation of the complex target signal, leads to residual errors in the searched conditions Weg, Geschwin speed and acceleration. As for the automotive radar with a synthetic aperture a high accuracy of the closing stand sizes in the alcohol range and even less advantageous the classic processes have proven to be inadequate proven.

Um eine Trennung der schnellen Frequenzschwankungen durch Fluktuation von den langsameren Schwankungen durch verän derliche Annäherungsgeschwindigkeit zu erreichen, wird eine blockweise Kompensation auf Basis eines Modells für die Zielbewegung gewählt. Das Modell besteht aus Integratoren für die Zielzustände Weg, Geschwindigkeit und Beschleuni gung. Es wird gespeist aus Meßwerten, die in geeigneter Weise aus dem Zielsignal extrahiert werden.To separate the rapid frequency fluctuations Fluctuation from slower fluctuations due to changes To achieve such a speed of approach will be a Blockwise compensation based on a model for the Target movement selected. The model consists of integrators for the target states of travel, speed and acceleration supply. It is fed from measured values that are suitable Way extracted from the target signal.

Die Blocklänge T wird beispielsweise am durchschnittlichen menschlichen Reaktionsvermögen ausgerichtet, z. B. T=0,5 s. Durch Wahl eines niedrigen Grades des Schätzpolynoms (Modell) wird eine "glatte" Bewegungsfunktion erzwungen. Diese unterdrückt die schnellen Fluktuationen, folgt aber den langsameren menschlichen Eingriffen in Gas und Bremse.The block length T is, for example, at the average human responsiveness aligned, e.g. B. T = 0.5 s. By choosing a low degree of the estimation polynomial (Model) a "smooth" movement function is forced. This suppresses the fast fluctuations, but follows the slower human intervention in the accelerator and brake.

The motion compensation is achieved in three steps

Das Signal wird blockweise mit der geschätzten Zielmitten frequenz aus dem Modell korrigiert. Dabei bleibt wie immer ein Restfehler bestehen. Die Blöcke werden anschließend über die geschätzte Weg/Zeitfunktion in Ortsfunktionen um gewandelt und laufend aneinandergefügt. Wegen des Restfeh lers würde eine Fouriertransformation an dieser Stelle bei Transformationsgrößen »T eventuell noch keine zufrieden stellenden Ergebnisse bringen. Deshalb wird zuvor vorteil hafterweise eine Korrektur mit Hilfe der Hilberttransfor mation durchgeführt. The signal is blocked in blocks with the estimated target centers frequency corrected from the model. Remains as always there is a residual error. The blocks are then via the estimated path / time function into local functions changed and continuously joined together. Because of the remainder A Fourier transformation would also help at this point Transformation variables »T may not yet be satisfied bring leading results. Therefore, it will be advantageous beforehand unfortunately a correction with the help of Hilberttransfor mation carried out.

Für jede angelegte Spur werden geschätzte Zustandsgrößen für die Relativbewegung zwischen Radar und Zielfahrzeug fortgeschrieben. Es handelt sich um die Schrägentfernung r_e zur Zielmitte und ihre Ableitungen v_e und a_e. Sie werden blockweise aktualisiert (Block i, Sample k):
Estimated state variables for the relative movement between the radar and the target vehicle are updated for each track created. It is the slant distance r _e to the target center and its derivatives v _e and a _e . They are updated in blocks (Block i, Sample k):

r_e (i + 1,0) = r_e (i, k_max)
r _e (i + 1.0) = r _e (i, k _max )

v_e (i + 1,0) = v_e (i, k_max)
v _e (i + 1.0) = v _e (i, k _max )

r_e (i, k + 1) = r_e (i, k) + v_e (i, k).dt, k = 0 . . . k_max - 1
r _e (i, k + 1) = r _e (i, k) + v _e (i, k) .dt, k = 0. . . k _max - 1

v_e (i, k + 1) = v_e (i, k) + a_e (i, k).dt, dt = T/k_max.v _e (i, k + 1) = v _e (i, k) + a _e (i, k) .dt, dt = T / k _max .

Die k_max Beschleunigungswerte a_e eines Blockes dienen als Input. Sie werden ihrerseits durch eine quadratische Aus gleichsrechnung aus mindestens 4 geschätzten Stützwerten a_s (i,16), a_s (i,48), a_s (i,80), a_s (i,112) gebildet (Beispiel für k_max=128).The k _max acceleration values a _{e of} a block serve as input. They are in turn formed by a quadratic equalization calculation from at least 4 estimated base values a _s (i, 16), a _s (i, 48), a _s (i, 80), a _s (i, 112) (example for k _max = 128).

Die Berechnung der Stützwerte geschieht wie folgt. Der Sum mensignalblock wird in 4 (oder <4 überlappende) Teilblöcke von k_max/4 Samples aufgeteilt. Die Teilblöcke werden fou riertransformiert. Zuvor werden sie bewegungskorrigiert mit einer Folge (n) von Beschleunigungsparabeln:
The base values are calculated as follows. The sum signal block is divided into 4 (or <4 overlapping) sub-blocks of k _max / 4 samples. The sub-blocks are Fourier-transformed. Before that, they are motion-corrected with a sequence (s) of acceleration parabolas:

r (n, k) = 0,5.a(n).(k.dt)²
r (n, k) = 0.5.a (n). (k.dt) ²

Φ (n, k) = 4 π.r(n, k)
Φ (n, k) = 4 π.r (n, k)

s_korr (n, k) = s(k).exp (-jΦ (n, k)).s _corr (n, k) = s (k) .exp (-jΦ (n, k)).

Die Folge von Spektren eines Teilblocks hat bei dem "rich tigen" n die größte Schärfe, was sich mit einem Kriterium ermitteln läßt. Das dazugehörige a(n) ist der gesuchte Stützwert a_s.The sequence of spectra of a sub-block has the greatest sharpness at the "correct" n, which can be determined using a criterion. The corresponding a (n) is the required base value a _s .

Die Bewegungskompensation lautet mit den bisherigen Maßnahmen:
The motion compensation with the previous measures is:

Φ (i, k) = 4 π.r_e (i, k)/λ
Φ (i, k) = 4 π.r _e (i, k) / λ

s_korr (i, k) = s.exp (-jΦ (i, k)).s _corr (i, k) = s.exp (-jΦ (i, k)).

Damit der durch Integration akkumulierte Geschwindigkeits fehler von v_e nicht zu groß wird, muß für jeden Block noch eine Geschwindigkeitskorrektur durchgeführt werden. Dazu wird im Spektrum der Abstand des Maximums vom Nullpunkt als Fehler der geschätzten Geschwindigkeit interpretiert und diese entsprechend korrigiert.So that the speed error of v _e accumulated by integration does not become too large, a speed correction must be carried out for each block. For this purpose, the distance of the maximum from the zero point is interpreted in the spectrum as an error in the estimated speed and this is corrected accordingly.

Bei Anlegen einer neuen Spur werden die Werte für r_e (0,0) und v_e (0,0) aus der R/D-Zelle des CFAR-Alarms abgeleitet. Umgekehrt werden die fortgeschriebenen Werte des Bewegungs modells dazu verwendet, die Kanalnummern der Radars für die weitere Verfolgung der Spur fortzuschalten.When a new track is created, the values for r _e (0.0) and v _e (0.0) are derived from the R / D cell of the CFAR alarm. Conversely, the updated values of the motion model are used to advance the channel numbers of the radars for the further tracking of the track.

Equalize the signal sequence

Wenn die Geschwindigkeit sich im Verlauf der Integrations strecke ändert, dann wird die Zielfeinstruktur verwischt. Um das zu verhindern, wird nicht die Signal-Zeitfunktion s(t) der abschließenden Integration zugeführt, sondern die Ortsfunktion
If the speed changes in the course of the integration route, the target fine structure is blurred. In order to prevent this, the signal-time function s (t) is not fed to the final integration, but the location function

s_r(r) = s(t(r)).s _r (r) = s (t (r)).

Für den Zusammenhang t(r) wird die geschätzte Wegfunktion r_e (i,k) verwendet. Dies ist dann letzlich eine Interpola tionsaufgabe, da die Samples von s_r und s sich nicht decken.The estimated path function r _e (i, k) is used for the relationship t (r). This is ultimately an interpolation task since the samples of s _r and s do not coincide.

Das Abtastraster im Ort wird fest gewählt. Das Ortsfre quenzspektrum (FFT) für die Zielfeinstruktur hat nun immer die gleiche Blockgröße, unabhängig von der zugrunde liegen den Zeit. Die tatsächliche Linienauflösung ist davon aber nicht betroffen, da das Signal in jedem Fall überabgetastet bleibt,wenn man das Ortsabtastintervall ausreichend klein gewählt hat.The scanning grid in place is chosen permanently. The Ortsfre quenzspektrum (FFT) for the target fine structure now always has the same block size regardless of the underlying the time. The actual line resolution is of that not affected as the signal is oversampled in any case remains if the location sampling interval is sufficiently small has chosen.

Im Falle der Festziele ist das so gewonnene Spektrum be reits das Ergebnis. Die Peilwerte können ihm entnommen wer den. Bei Bewegtzielen und daher langsamer Annäherung kann ein Block eine zu kurze Wegstrecke und damit zu wenig Ab tastwerte enthalten. Die Fouriertransformation unterbleibt dann vorteilhaft zunächst. Aufeinanderfolgende Blöcke wer den solange aneinandergehängt, bis die gewünschte Transfor mationsgröße erreicht ist.In the case of the fixed goals, the spectrum thus obtained is be ride the result. The bearing values can be taken from him the. With moving targets and therefore slow approach can one block a too short distance and therefore too little down sample values included. The Fourier transformation is omitted then advantageous at first. Successive blocks who which are attached to each other until the desired Transfor mation size is reached.

Da die unvermeidlichen Phasenfehler sich von Block zu Block akkumulieren und deshalb das Feinspektrum gestört sein könnte, wird eine zusätzliche Korrekturmaßnahme - wie nach folgend beschrieben - vorgeschlagen.Because the inevitable phase errors vary from block to block accumulate and therefore the fine spectrum may be disturbed could be an additional corrective measure - like after described below - suggested.

Information über das Spektrum steckt nicht nur in der Phase einer Zeitfunktion, sondern auch in der Amplitude. Wenn die Zeitfunktion ein analytisches Signal ist, sind der Pegel und die Phase durch die Hilberttransformation miteinander verknüpft. Das Spektrum kann dann z. B. allein aus der Am plitude berechnet werden. Information about the spectrum is not only in the phase a time function, but also in amplitude. If the Time function is an analytical signal, are the level and the phase through the Hilbert transformation with each other connected. The spectrum can then e.g. B. solely from the Am plitude can be calculated.

Mit dieser Methode kann das Problem der verbleibenden Pha senfehler bei der Bewegungskompensation langsamer Ziele entschärft werden. Dazu wird die Phase des Summensignals aus rechtem und linken Peilkanal vollständig ausgeregelt. Der Korrektur mit der gleichen Phase wird auch das Diffe renzsignal unterzogen. Dabei verschwindet dessen Phase nicht ganz, weil die Korrekturphase ja für das Summensignal ermittelt wurde.With this method the problem of the remaining Pha error in motion compensation of slow targets be defused. This is the phase of the sum signal completely corrected from the right and left DF channel. The correction with the same phase also becomes the diffe subjected to the limit signal. The phase disappears not quite because the correction phase for the sum signal was determined.

Im Summenkanal steht jetzt nur noch die Amplitude. Aus ihr wird mit der Hilberttransformation die zugehörige Phase ermittelt. Sie ist nunmehr frei von allen Restfehlern der Bewegungskompensation. Summen- und Differenzkanal werden beide mit der einen ermittelten Phase gedreht und stellen nun wieder ein vollwertiges Signal dar, aber ohne die Pha senfehler aus der Bewegungskompensation.Now only the amplitude is in the sum channel. From her becomes the associated phase with the Hilbert transformation determined. It is now free of all residual errors Motion compensation. Sum and difference channel both rotated with the one determined phase and set now a full signal again, but without the Pha error from motion compensation.

Die Hilbertransformation wird als Schnelle Faltung reali siert, indem im Bildbereich eine 90°-Phasendrehung durch geführt wird. Der Einfachheit halber wird der Signalblock zyklisch interpretiert, also ohne Anhängen von Nullen, was Rechenoperationen erspart.The Hilber transformation is realized as a fast convolution based on a 90 ° phase rotation in the image area to be led. For the sake of simplicity, the signal block interpreted cyclically, i.e. without appending zeros what Arithmetic operations saved.

Ein Spektrum mit zwei Linien erfüllt die Bedingung des analytischen Signals, ein solches mit mehreren Linien im allgemeinen nicht. Dennoch bringt die Korrektur mit der Hilberttransformation auch dann noch einen Vorteil.A spectrum with two lines fulfills the condition of analytical signal, one with multiple lines in the general not. Nevertheless, the correction brings with it Hilbert transformation still has an advantage.

Method for combining a long-range and a short-range radars

Fernbereichsanwendungen wie Abstandsregeltempomat und Stauerkennung erfordern einen kleinen Winkelbereich bei Entfernungen bis 150 m. Die Nahbereichsanwendung Stop-and-Go benötigt einen großen Winkelbereich aber nur bei Entfer nungen bis 30 m. Bisher werden die beiden Funktionen kon zeptionell durch separate Geräte abgedeckt, weil eine Um schaltung des Ausleuchtungswinkels nicht ohne größeren Auf wand möglich ist.Long-range applications such as adaptive cruise control and Traffic jam detection require a small angular range Distances up to 150 m. The short-range application stop-and-go requires a large angular range but only at a distance up to 30 m. So far, the two functions are con partially covered by separate devices because one order Switching the illumination angle not without a large opening wall is possible.

Ziel ist es, ein Radar zu schaffen, das beide Funktionen in einem Gerät abdeckt. Ein Radar mit dem großen Ausleuch tungswinkel und der großen Reichweite ist nicht ohne weite res realisierbar, da die Sendeleistung sehr groß sein müß te. Wenn statt der Sendeleistung die Signalintegrationszeit genügend erhöht wird, dann können Fern- und Nahbereich ge meinsam abgedeckt werden. Mit der kohärenten Spurbildung des FLSAR/Monopuls-Verfahrens ist das möglich.The aim is to create a radar that functions in both one device. A radar with the large coverage angle and the large range is not without distance res realizable, since the transmission power must be very large te. If instead of the transmission power the signal integration time is increased sufficiently, then far and close range can ge to be covered together. With the coherent lane formation the FLSAR / monopulse method is possible.

Die Monopuls-Antennenkeule wird ca. ±20° in der Breite und ca. ±3° in der Höhe gewählt. Dann ist ein Defizit von maximal 20 dB an Sendeleistung für den Fernbereich aus zugleichen. Das erreicht man mit einer kohärenten Integra tionszeit von 0,5 Sekunden, wie sie auch für die Doppler selektion des FLSAR/Monopuls-Verfahrens gebraucht wird.The monopulse antenna lobe is approximately ± 20 ° in width and approx. ± 3 ° in height. Then there is a deficit from a maximum of 20 dB of transmission power for the long range equalize. This is achieved with a coherent integra tion time of 0.5 seconds, just like for the Doppler selection of the FLSAR / monopulse method is required.

Die Erstakquisition von Zielen erfolgt wegen des dabei feh lenden Integrationsgewinns mit stark reduzierter Schwelle. Die sich daraus ergebenden vielen Fehlalarme werden in ko härenten Spuren falsifiziert.The initial acquisition of goals is due to the feh gain in integration with greatly reduced threshold. The resulting many false alarms are inherent traces falsified.

Da für die beiden Bereiche Nah und Fern weitere Systempara meter wie Entfernungszelle, Dopplerzelle und verarbeiteter Winkelbereich unterschiedliche Werte haben, können die Funktionen nicht simultan realisiert werden. Je nach Ver kehrssituation schaltet das Gerät auf einen der beiden Be triebszustände um.As further system para for the two areas near and far meters such as distance cell, Doppler cell and processed Angular range can have different values Functions cannot be implemented simultaneously. Depending on the ver traffic situation, the device switches to one of the two Be drive states around.

Claims

1. Process for radar signal processing, especially in a motor vehicle, the signals of each target track so long coherently integrated that the targets (vehicles) split into a plurality of Doppler cells, resulting in a imaging monopulse bearing is possible.

2. The method according to claim 1, characterized in that Residual errors in motion compensation using Hilbert transformation can be reduced.

3. radar arrangement, in particular in a motor vehicle, with a monopulse antenna arrangement, the Signalver work simultaneously with a short integration time for quick target center determination and a long one Integration time for high-resolution target width determination is operated.

4. Radar arrangement according to claim 3, wherein fixed targets with a different algorithm can be detected, based on the Monopulse evaluation to determine the angle and the Target distribution using a synthetic aperture determines where used for the two monopulse channels for side separation become.

5. Radar arrangement according to claim 3, wherein traffic-dependent an automatic switchover between the operating states the "Fernmode" for normal driving and "Nahmode" for the Stop-and-go traffic is made.