DE4040572A1 - Verfahren zur messung des abstandes und der geschwindigkeit eines objekts - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Zur Abstandsmessung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen (Radar) sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden. Bei dem sogenannten FMCW-Radar werden kontinuierlich elektromagnetische Wellen ausgesendet, deren Frequenz zwischen zwei Werten im wesentlichen rampenförmig moduliert wird. Bei den bekannten Verfahren dieser Art werden die empfangenen reflektierten Wellen mit den gleichzeitig ausgesendeten Wellen gemischt. Während der Frequenzänderung, also während der Rampe des Modulationssignals, kann aus der durch die Mischung gewonnenen Zwischenfrequenz in einfacher Weise auf die Laufzeit und damit auf den Abstand des Objekts geschlossen werden.

Bewegt sich das reflektierende Objekt relativ zum Ort der Messung, erfährt das reflektierte Signal eine Dopplerverschiebung. Bei den bekannten Verfahren verfälscht diese Dopplerverschiebung die Abstandsmessung. Deshalb wird bei den bekannten Verfahren eine möglichst kurze Rampendauer gewählt, wodurch der Zwischenfrequenzbereich in Richtung auf hohe Frequenzen verschoben wird, so daß die Dopplerverschiebung relativ klein wird.

Eine Messung der Relativgeschwindigkeit ist bei den bekannten Verfahren durch eine Differentiation der Abstandswerte aufeinanderfolgender Messungen möglich. Insbesondere bei der Abstands- und Geschwindigkeitsmessung von Straßenfahrzeugen ist eine Messung der relativen Geschwindigkeit mit dem bekannten Verfahren jedoch zu ungenau.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Messung des Abstandes und der Geschwindigkeit eines Objekts mit Hilfe elektromagnetischer Wellen anzugeben, bei welchem sowohl der Abstand als auch die Geschwindigkeit möglichst genau gemessen werden können. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren für die im Straßenverkehr vorkommenden relativ geringen Abstände und Geschwindigkeiten geeignet sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß eine genaue Abstands- und Geschwindigkeitsmessung mit relativ einfachen und an sich bekannten Mitteln möglich ist. Insbesondere die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung wird gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich erhöht. Es wird jedoch auch die Genauigkeit der Abstandsmessung erhöht durch eine Kompensation des Dopplereffektes.

Als weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber dem bekannten Verfahren, bei dem die Geschwindigkeitsinformation durch Differenzieren aufeinanderfolgender Abstandsmessungen erfolgt, ist anzusehen, daß das Meßergebnis sehr schnell, nämlich nach einem Meßzyklus, zur Verfügung steht. Bei dem Differentiationsverfahren muß hingegen relativ lange der Abstandsverlauf gemessen werden, um statistische Meßwertschwankungen, die durch das Differenzieren noch verstärkt werden, herauszumitteln.

Dieser Vorteil ist besonders bedeutsam bei Anwendungen im Straßenverkehr, wie z. B. Kollisionsvermeidung oder Abstandsregelung, da hier schnelle Reaktionszeiten gefordert sind.

Durch die genannten Vorteile ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut für Abstandswarneinrichtungen an Kraftfahrzeugen geeignet. Dabei kann unter Zuhilfenahme der eigenen Fahrzeuggeschwindigkeit in einfacher Weise zwischen entgegenkommenden, stehenden und vorausfahrenden Objekten unterschieden werden.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Frequenzmodulation derart vorgenommen, daß der Übergang zwischen zwei Frequenzen in Form einer Rampe erfolgt, wobei die Rampendauer vorzugsweise in der Größenordnung von 1 ms liegt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf der Frequenzen des ausgesendeten und des empfangenen Signals bei der Reflektion an einem sich gegenüber dem Ort der Messung bewegenden Objekt und bei einem Objekt in konstanter Entfernung,

Fig. 2 die sich bei dem Frequenzverlauf nach Fig. 1 ergebenden Zwischenfrequenzspektren und

Fig. 3 eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist über die Zeit t die Frequenz f aufgetragen. Die Frequenz des ausgesendeten Signals ist als durchgezogene Linie dargestellt, während die Frequenz des empfangenen Signals im Falle eines sich nicht bewegenden Objekts strichpunktiert und im Falle eines sich bewegenden Objekts gestrichelt dargestellt ist. Die Frequenzen steigen jeweils von einer Trägerfrequenz f_T um einen Frequenzhub f_H rampenförmig an, um nach einer kurzen, für die Messung an sich unwesentlichen Zeit, rampenförmig wieder auf die Trägerfrequenz f_T abzufallen. Die Rampendauer T beträgt bei den im Straßenverkehr zu messenden Abständen und Geschwindigkeiten vorzugsweise etwa 1 ms. Der Verlauf der Frequenz des empfangenen Signals ist gegenüber dem Verlauf der Frequenz des ausgesendeten Signals um die Laufzeit t_L = 2s/c verschoben. Dieses gilt sowohl für die ansteigende als auch für die abfallende Rampe.

Eine zusätzliche Frequenzverschiebung ergibt sich durch den Dopplereffekt derart, daß die Frequenz des empfangenen Signals bei Objekten, welche sich in Richtung auf den Ort der Messung bewegen, erhöht und bei sich entfernenden Objekten verringert wird. Für den Fall eines näherkommenden Objekts ist die Frequenz des empfangenen Signals in Fig. 1 gestrichelt dargestellt. Damit ergibt sich die Zwischenfrequenz f_z als Funktion des Abstands s und der relativen Geschwindigkeit v_r zu f_z(s, v_r) = f_o ± f_D. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit. Das positive Vorzeichen gilt für die abfallende, das negative Vorzeichen für die ansteigende Rampe. Für die Dopplerverschiebung gilt f_D = 2v_o·f_T/c und für f_o = 2s·f_H/(T·c).

Fig. 2 zeigt die spektrale Leistung N des Zwischenfrequenzsignals als Funktion der Frequenz. Im Falle der ansteigenden Rampe (Fig. 2A) ist eine Verschiebung in Richtung auf niedrigere Frequenzen erfolgt, während im Falle der abfallenden Rampe (Fig. 2B) das Spektrum in Richtung auf höhere Frequenzen verschoben ist. Mit Hilfe eines geeigneten Frequenzanalysators können die jeweiligen Frequenzen gemessen werden. Die Mittelfrequenzen der verschobenen Zwischenfrequenzsignale ergeben sich dann zu f_m = f_o - f_D im Falle der ansteigenden Rampe und zu f_m = f_o + f_D im Falle der abfallenden Rampe. Unter Benutzung der oben angegebenen Gleichungen werden der Abstand s und die relative Geschwindigkeit v berechnet. Dabei wird der Abstand s über die Frequenz f_o aus dem Mittelwert der Mittelfrequenzen f_m berechnet. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit über die Frequenz f_D dient die Differenz beider Mittelfrequenzen f_m.

Gegenüber dem bekannten Verfahren, bei welchem die Geschwindigkeit durch Differentiation aufeinanderfolgender Abstände erfolgt, wird die Geschwindigkeitsauflösung beim erfindungsgemäßen Verfahren um den Faktor f_T/f_H, der in der Praxis zwischen 100 und 300 liegt, erhöht. Für eine Abstands- und Geschwindigkeitsmessung zu vorausfahrenden Verkehrsteilnehmern sind bei einer Reichweite von etwa 150 m Trägerfrequenzen von 50 GHz bis 100 GHz und Frequenzhübe bis 300 MHz vorteilhaft.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein an sich bekanntes FMCW-Radar-Frontend enthält im wesentlichen einen steuerbaren Oszillator (VCO) 2, einen Zirkulator 3, eine Antenne 4 und einen Mischer 5. Das Ausgangssignal des steuerbaren Oszillators wird über den Zirkulator der Antenne zugeführt und von dieser abgestrahlt. Die nach der Reflektion zurückkehrende Welle wird als entsprechendes Signal über den Zirkulator dem Mischer 5 zugeleitet und dort mit dem Ausgangssignal des Oszillators 2 gemischt. Die entstandene Zwischenfrequenz entspricht der Differenz der Frequenzen des ausgesendeten Signals und des empfangenen Signals und steht am Ausgang 6 des Mischers 5 zur Verfügung.

Einem Steuereingang 7 des steuerbaren Oszillators 2 wird ein Signal zur Frequenzmodulation des ausgesendeten Signals zugeführt. Dieses Signal weist die in Fig. 3 schematisch dargestellte Rampenform auf und wird von einem Rampengenerator 8 erzeugt, der in an sich bekannter Weise im wesentlichen aus einem Integrator besteht, dem während der Rampen Spannungen mit entgegengesetztem Vorzeichen zugeführt werden. Zur Steuerung dieser Auf- und Abintegration werden den Eingängen 9 und 10 des Rampengenerators 8 die in Fig. 3 dargestellten Impulse von einer Kontroll- und Recheneinheit 11 zugeführt.

Die Kontroll- und Recheneinheit 11 enthält außer einer Einrichtung zur Erzeugung der Steuerimpulse für den Rampengenerator einen Frequenzanalysator sowie eine Recheneinheit zur Berechnung des Abstandes s und der relativen Geschwindigkeit f. Da die Kontroll- und Recheneinheit grundsätzlich solchen entspricht, die bei den bekannten FMCW-Radar-Geräten verwendet werden, erübrigt sich eine Erläuterung im einzelnen. Gegenüber diesen bekannten Kontroll- und Recheneinheiten sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im wesentlichen die dem Rampengenerator 8 zugeführten Impulse verbreitert und ein Rechenprogramm entsprechend den im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 erläuterten Rechenoperationen vorgesehen. Die Zwischenfrequenz wird der Kontroll- und Recheneinheit über einen Analog/Digital-Wandler 12 zugeführt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Messung des Abstandes und der Geschwindigkeit eines Objekts mit Hilfe elektromagnetischer Wellen, wobei aus dem Frequenzunterschied der ausgesendeten und der gleichzeitig empfangenen Wellen der Abstand berechnet wird (FMCW-Radar), dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzunterschied während eines Anstiegs und während eines Abfalls der Frequenz der ausgesendeten Wellen gemessen wird und daß die Geschwindigkeit aus der Differenz der Frequenzunterschiede und der Abstand aus dem Mittelwert der Frequenzunterschiede berechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgesendete Welle trapezförmig moduliert ist, wobei zwischen Intervallen mit im wesentlichen konstanter Frequenz eine ansteigende und eine abfallende Rampe vorgesehen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Rampen in der Größenordnung von 1 ms liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Frequenz der ausgesendeten Welle und der Frequenz der empfangenen Welle durch nichtlineare Mischung ein Zwischenfrequenzsignal gebildet wird, daß die Mittenfrequenz des Zwischenfrequenzsignals während des Frequenzanstiegs und während des Frequenzabfalls gemessen wird, daß aus dem Mittelwert der Mittenfrequenzen der Abstand und aus der Differenz der Mittenfrequenzen die Geschwindigkeit berechnet werden.