DE4200299C2 - Verfahren und Anordnung zur Objektklassifizierung mit Radarwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung nach den Patentansprüchen 1 und 4.

Die Erfindung findet Verwendung für die Klassifizierung räumlich homogen verteilter reflektierender Objekte, z. B. zur Straßenzustandserkennung, Vegetationsartenerkennung sowie der Wasser-Land-Unterscheidung. Bezogen auf z. B. die Straßenzustandserkennung werden verschiedene Straßenbe­ lagsarten oder auch witterungsbedingte Belagsunterschiede klassifiziert. Außerdem kann der Verlauf und die Beschaf­ fenheit des Straßenrandes bestimmt werden.

Aus US 4849762 ist ein Verfahren und eine dazu geeignete Vorrichtung zur Objektklassifika­ tion mit Radarwellen bekannt. Hierbei werden gleichzeitig drei unterschiedlich polarisierte Wellen bei jeweils anderer Frequenz ausgesendet und das resultierende reflektierte Signal in drei separaten Empfangskanälen ausgewertet. Da es sich hierbei um ein kohärentes Meßver­ fahren handelt, ist es notwendig stabile Phasenbeziehungen zwischen den Sende- und Emp­ fangszweigen der Meßanordnung zu garantieren. Dies führt, nicht zuletzt wegen des mehrfre­ quenten Meßverfahrens, zu erhöhtem schaltungstechnischen Aufwand und Störanfälligkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb ein Verfahren und dazu geeignete Vorrichtungen zur Objektklassifizierung mit Radarwellen anzugeben, wobei die meßtechnische Erfassung der reflektierten Signale technisch einfach und zuverläs­ sig realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 4 beanspruchten Merk­ male. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildun­ gen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen be­ schrieben unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

Zur Auswertung der Radarsignale können vorteilhafterweise getrennte mm-Wellen-Module eingesetzt werden, wobei die Module keine Frequenz- und Phasenkohärenz besitzen müssen und eine Phasenauswertung nicht durchgeführt werden muß. Die für die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigten Bau­ elemente sind monolithisch gut integrierbar.

Eine Klassifizierungsmöglichkeit eines Objektes ist durch die Kenntnis der Müller-Matrix des Objektes gegeben, die in ihrer Struktur und Art für ein Objekt charakteristisch ist. Bei der Müller-Matrix M handelt es sich um eine re­ elle 4 × 4-Matrix, die die Transformation eines auf ein Ob­ jekt einfallenden Signales, beschrieben durch den Stokes Vektor G ⁱ, und dem reflektierten Signal, beschrieben durch den Stokes Vektor G ^r, angibt:

G ^r = M . G ⁱ.

Zum einen kann der Stokes Vektor aus vektoriellen Messun­ gen zum anderen aber auch aus skalaren Messungen ermittelt werden. Die Objektklassifizierung gemäß der Erfindung wird mit der Ermittlung der Müller-Matrix durch die skalare meßtechnische Erfassung des Stokes Vektors mit Hilfe von mm-Wellen Reflexionsmessungen erreicht.

Um den Stokes Vektor aus skalaren Messungen bestimmen zu können sind sechs Messungen mit unterschiedlicher Polari­ sation der verwendeten mm-Wellen nötig. Der Stokes Vektor ergibt sich dann zu:

wobei a_H, a_V, a₄₅, a₁₃₅, a_R und a_L die Meßamplituden des reflektierten Signals bei horizontal linearer, vertikal linearer, in 45° linearer, in 135° linearer, rechtsdrehend zirkularer und linksdrehend zirkularer Polarisation bedeu­ ten.

Die Müller-Matrix kann durch die sequentielle Messung von vier reflektierten Stokes Vektoren G ^r _n bei vorgegebenen unterschiedlichen gesendeten Stokes Vektoren G ⁱ _n ermit­ telt werden. Beispielsweise kann eine horizontal linear, eine vertikal linear, eine in 45° linear und eine links­ drehend zirkular polarisierte Welle für die Anregung ge­ wählt werden.

Beispiele für zwei mögliche Meßsysteme sind in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten System werden entsprechend den obigen Ausführungen minimal vier, allgemein n Sendermodule bestehend aus dem Oszillator 3 und der Antenne 5 mit jeweils eigener Polarisation durch eine Sendersteuerung 1 sequentiell angesteuert. Die vom angesteuerten Sendermodul ausgesendete Welle 6 wird an ei­ nem Objekt wie z. B. einem Straßenbelag 8 teilweise in Richtung des Meßsystems reflektiert. Die reflektierte Welle 7 wird mit entsprechend den obigen Ausführungen mi­ nimal sechs, allgemein m, Empfangsmodulen bestehend aus der Antenne 5 und dem Detektor 4 gleichzeitig empfangen. Die Empfangssignale werden einer Auswerteeinheit 2 zuge­ führt, mit der die Müller-Matrix bestimmt wird.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die verschiedenen Polarisationen durch Umschalten der Polari­ sation mit einem Polarisationsschalter 9 erzeugt, wobei während des Sendens einer polarisierten Welle empfangssei­ tig sequentiell die Leistungsanteile der reflektierten Welle mit den entsprechenden Polarisationen detektiert werden.

Die durch die Verwendung von mehr Polarisationen als mini­ mal nötig gewonnene Redundanz kann sowohl zur Kompensation von z. B. durch nichtideale mm-Wellen-Komponenten auftre­ tenden Fehlern als auch zur Verbesserung des Signal- Rausch-Verhältnisses genutzt werden. Die Fehlerkompensa­ tion und die Anhebung des Signal-Rausch-Verhältnisses kann z. B. durch mehrdimensionale lineare Regression erfolgen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Klassifizierung räumlich homogen verteilter, reflektierender Objekte, wobei die Objektklassifizierung über die Bestimmung der Müller-Matrix M erfolgt, die die Transformation des gesendeten in das reflektierte Radarsignal angibt, und das gesendete und das reflektierte Signal durch die entsprechenden Stokes-Vektoren G ⁱ, G ^r angegeben wird, und die Stokes Vektoren mittels mm-Wellen-Reflexionsmessungen skalar gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Müller-Matrix M durch sequentielle Messungen von zumindest vier reflektierten Stokes Vektoren G ^r ermittelt wird, wobei die reflektierten Stokes-Vektoren G ^r durch bekannte, unterschiedlich polarisiert gesendete Signale erzeugt werden, und daß der reflektierte Stokes Vektor G ^r über mindestens sechs Messungen mit unterschiedlich polarisierten mm-Wellen-Antennen bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sechs Meßamplituden des reflektierten Signals bei horizontal linearer, vertikal linearer, 45° linearer, 135° linearer rechtsdrehender und linksdrehender zirkularer Polarisation bestimmt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit den redundanten Polarisationsmessungen, die nicht zur Bestimmung der Müller-Matrix M benötigt werden, Fehler im Meßsystem kompensiert werden und/oder das Signal-Rausch- Verhältnis verbessert wird.

4. Anordnung für ein Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß mindestens vier Sendermodule bestehend aus einem Oszillator (3) und einer Antenne (5) mit jeweils eigener Polarisation derart angeordnet sind, daß sie durch eine Sendesteuerung (1) sequentiell ansteuerbar sind,
• 2. daß mindestens sechs Empfangsmodule bestehend aus einer Antenne (5) und einem Detektor (4) derart angeordnet sind, daß sie an einem Objekt reflektierte Welle (7) gleichzeitig empfangen, und
• 3. daß eine Auswerteeinheit (2) die Empfangssignale verarbeitet (Fig. 1).

5. Anordnung für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß das Sendermodul einen Oszillator (3), eine Antenne (5) und einen Polarisationsschalter (9) enthält, wobei im Polarisationsschalter (9) mindestens vier verschiedene Polarisationen erzeugbar sind,
• 2. daß ein Empfangsmodul bestehend aus einem Detektor (4), einer Antenne (5) und einem Polarisationsschalter (9) sequentiell die Leistungsanteile der reflektierten Welle (7) mit mindestens sechs Polarisationen detektiert werden, und
• 3. daß eine Auswerteeinrichtung (2) die Empfangssignale verarbeitet (Fig. 2).