DE4338511A1

DE4338511A1 - Anordnung zum Lokalisieren von Objekten

Info

Publication number: DE4338511A1
Application number: DE19934338511
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Gebauer
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-11-11
Filing date: 1993-11-11
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2013-11-12
Also published as: DE4338511C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Lokalisieren von Objekten, die eine Empfangsvorrichtung mit N Sensoren aufweist und die Schaltungsmittel besitzt, welche mit Hilfe der Fouriertransformation aus den von mehreren Sensoren empfangenen Signalen die Einstrahlwinkel der von den Objekten ausgesendeten Signale ermitteln.

Eine derartige Anordnung zur Bestimmung der Einstrahlwinkel von sendenden Quellen ist in dem Buch "Array Signal Processing" von S. Haykin, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1985, S. 194-207 beschrieben. Die Einstrahlwinkel werden hier aus den mit Hilfe der Fouriertransformation berechneten Periodogramm - das ist das Leistungsdichtespektrum der an verschiedenen Sensoren empfangenen zeitverzögerten Signale - abgeleitet. Bei diesem Verfahren hängt das Auflösungsvermögen, d. h. die Fähigkeit zwei benachbarte Quellensignale voneinander unterscheiden zu können, direkt von der Anzahl N der Sensoren ab. Zwei benachbarte Quellen können dann getrennt detektiert werden, wenn die Phasendifferenz ΔΨ der beiden Quellensignale mindestens

beträgt. Das Periodogramm wird direkt aus den Abtastwerten der Empfangssignale bestimmt. Der Einfluß von Rauschen, Störungen und dem momentanen Abtastwert führt dadurch zu starken Schwankungen der Schätzgenauigkeit der Einstrahlwinkel.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Einstrahlwinkel auch von dicht benachbarten Objekten mit möglichst hoher Genauigkeit schätzt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Mit den Maßnahmen der Erfindung lassen sich benachbarte Quellsignale detektieren, deren Phasendifferenz mindestens

beträgt. Wollte man mit der Anordnung der Erfindung die gleiche Ortungsgenauigkeit erzielen wie mit dem eingangs erwähnten Stand der Technik, so käme die erfindungsgemäße Anordnung mit weniger Sensoren aus als der Stand der Technik.

Auch unter Nahfeldbedingungen liefert die Erfindung sehr genaue Schätzwerte für die Einstrahlwinkel der zu ortenden Objekte.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nun die Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit z. B. 3 Sensoren und Fig. 2 zeigt schematisch den Strahleinfall von einer sendenden Quelle auf zwei Sensoren.

Die der Fig. 1 zu entnehmende Schaltungsanordnung dient dazu, in einem vorgegebenen Gebiet sich befindende Objekt zu orten, d. h. die Einstrahlwinkel der von den Objekten ausgesendeten Signale zu schätzen. Zu diesem Zweck ist eine Empfangsvorrichtung vorgesehen mit mehreren - hier z. B. drei - Sensoren SE (Antennenelemente). Die an den Sensorausgängen anliegenden Empfangssignale werden in bekannter, in Fig. 1 nicht dargestellter Weise verstärkt, in den Zwischenfrequenzbereich transformiert und im Basisband folgendermaßen weiterverarbeitet. Zweckmäßigerweise erfolgt die Weiterverarbeitung der Empfangssignale x_i(t), i=1. . .N mit N = Anzahl der Sensoren, digital.

Das Empfangssignal x_i(t) des i-ten Sensors setzt sich aus Q auf die Empfangseinrichtung einfallenden Signalen s_q(t)e^j(i-1) ^Ψ ^q, wobei q = 1. . . Q, s_q(t) das gesendete Signal zum Zeitpunkt und Ψ_q die Phasen der einfallenden Signale sind, und einem Rauschsignal n_i(t) wie folgt zusammen:

Die Phasenlage Ψ_q des q-ten auf die Empfangseinrichtung einfallenden Signals hängt mit dem Einfallswinkel R_q, wie Fig. 2 verdeutlicht, zusammen:

w_q = d sin R_q (2),

wobei d der Abstand zweier das q-te Signal empfangender Sensoren ist und für w_q, dem Signallaufwegunterschied zwischen beiden Sensoren, gilt:

Aus (2) und (3) resultiert für die Phasenlage Ψ_q:

Die Schaltblöcke K in Fig. 2 bilden von jedem Empfangssignal x_i(t) das konjugiert komplexe Signal x_i(t). In einer Matrix M aus N × N Multiplizierern werden nun folgende Produktsignale gebildet:

Sind die einzelnen Quellensignale und die Rauschsignale zueinander unkorreliert, d. h. gilt für die Erwartungswerte

dann vereinfacht sich Gleichung (5) nach Bildung des Erwartungswertes zu:

mit dem Kroneckersymbol

Aus (6) läßt sich die Phaseninformation q ableiten, wenn man

i-k = m′ mit -(N-1) m′ (N-1), m′ ε Z (7)

wählt. In (7) ergeben sich für verschiedene Werte i,k gleiche Werte m′. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, werden jeweils diejenigen Produktsignale x_i(t) x_k*(t) in Summierern addiert, für welche die Differenz i-k gleich ist. Es werden also ein erstes Summensignal aus den Produktsignalen x₁(t) x₂*(t) und x₂(t) x₃*(t), für die i-k = -1 ist, ein zweites Summensignal aus den Produktsignalen x₁(t) x₁*(t), x₂(t) x₂*(t) und x₃(t) x₃*(t), für die i-k = 0 ist und ein drittes Summensignal aus den Produktsignalen x₂(t) x₁*(t) und x₃(t) x₂*(t), für die i-k = 1 ist, gebildet. Addiert man nämlich die genannten Signale, so erhöht sich die Signalleistung um die quadratische Anzahl der summierten Werte, die Rauschleistung erhöht sich aber nur um die Anzahl der summierten Werte. Das Signal- zu Rauschleistungs- Verhältnis verbessert sich somit auch um die Anzahl der summierten Signale.

Für die aufsummierten Abtastwerte y_m gilt dann allgemein:

Die von einer Schaltung FT durchgeführte Fouriertransformation der zuvor in einer Anordnung E gemittelten Summensignale und der nicht an einer Summation beteiligten Signale liefert ein Spektrum mit einer hohen Auflösung, da mehr (2N-1) Eingangssignale für die Fouriertransformation zur Verfügung gestellt werden als Sensorempfangssignale (N) vorhanden sind.

Aus Gleichung (8) (9) und Fig. 1 ist ersichtlich, daß mit zunehmendem Index m (mN) immer mehr Werte aufsummiert werden. Die Signale werden zur "Mitte" hin verstärkt. Dadurch ergibt sich eine günstige Gewichtung der Signale durch ein Dreiecksfenster (vgl. Frederic J. Harris: On the Use of Windows for Harmonic Analysis with the Discrete Fourier Transform Proc. IEEE, Vol. 66, No. 1, Jan. 1978, S. 51-59). Durch diese Gewichtung werden Störquellen, die über Nebenkeulen einstrahlen, stärker gedämpft.

Durch die Summation bestimmter Produktsignale gemäß Gleichung (8) werden die Ausgangssignale y_m. Das Fenster kann durch zusätzliche Skalierung der für die Fouriertransformation vorgesehenen Signalwerte optimiert werden.

Die Abtastwerte y_m gemäß Gleichung (8) werden fouriertransformiert.

Das Betragsspektrum |y(l)|² wird dort maximal, wo gilt

Mit Hilfe der Vorschrift nach Gleichung (4) kann dann der Einstrahlwinkel R_q bestimmt werden.

Kennt man den Einstrahlwinkel, so lassen sich aus (6) die Signalleistung und die Rauschleistung bestimmen. Diese Größen sind hilfreich für Meßzwecke oder zur Störunterdrückung.

Claims

1. Anordnung zum Lokalisieren von Objekten, die eine Empfangsvorrichtung mit N Sensoren aufweist und die Schaltungsmittel besitzt, welche mit Hilfe der Fouriertransformation aus den von mehreren Sensoren empfangenen Signalen die Einstrahlwinkel der von den Objekten ausgesendeten Signale ermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsmittel (K, M, S) die Produkte aus dem Empfangssignal des i-ten Sensors und dem konjugiert komplexen Empfangssignal des k-ten Sensors bilden, wobei Q die Anzahl der aus verschiedenen Richtungen auf die Empfangsvorrichtung einfallenden Signale ist, s_q(t) bzw. s_l(t) die gesendeten Signale, Ψ_q bzw. Ψ_l die Phasenlagen dieser Signale sind und i,k = 1. . .N gilt, daß die Schaltungsmittel (K, M, S) jeweils solche Produktsignale zu Summensignalen zusammenfassen, die aus einem i-ten und einem k-ten Empfangssignal hervorgegangen sind, für welche die Differenz i-k gleich ist, und daß sowohl die Summensignale als auch die nicht an einer Summation beteiligten Produktsignale der Fouriertransformation unterzogen werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (E) vorhanden sind, welche von den für die Fouriertransformation vorgesehenen Produkt- und Summensignalen Mittelwerte bilden.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind um die gemittelten Signale für die Fouriertransformation skalieren zu können.