EP4533122A1 - Verwendung eines radarsensors mit einem hohlleiterantennenarray für ein verfahren zur bestimmung eines eigengeschwindigkeits-schätzwerts und eines winkel-schätzwerts von zielen - Google Patents

Verwendung eines radarsensors mit einem hohlleiterantennenarray für ein verfahren zur bestimmung eines eigengeschwindigkeits-schätzwerts und eines winkel-schätzwerts von zielen

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EP4533122A1
EP4533122A1 EP23715517.1A EP23715517A EP4533122A1 EP 4533122 A1 EP4533122 A1 EP 4533122A1 EP 23715517 A EP23715517 A EP 23715517A EP 4533122 A1 EP4533122 A1 EP 4533122A1
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EP
European Patent Office
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radar sensor
estimate
angle
airspeed
target
Prior art date
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Pending
Application number
EP23715517.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gor Hakobyan
Thomas Binzer
Johannes Fink
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
    • H01Q1/3233—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/28—Combinations of substantially independent non-interacting antenna units or systems

Definitions

  • the present invention lies in the field of radar sensing and particularly relates to the fields of multiple-input-multiple-output (MIMO) and synthetic aperture radar (SAR).
  • MIMO multiple-input-multiple-output
  • SAR synthetic aperture radar
  • the radar environment is usually assumed to be stationary.
  • the radar sensor's own movement and thus the positions at which the individual measurements took place must be known.
  • the trajectory of the radar is incorporated into the SAR evaluation algorithm and forms the basis for calculating the SAR image.
  • an estimated airspeed value may be sufficient for calculating the SAR image instead of the more precise trajectory.
  • the trajectory is typically assumed to be linear, but more complex trajectories cannot be depicted.
  • Today's radar systems in the automotive sector generally use a frequency-modulated continuous wave radar (FMCW) with rapidly increasing ramps - a so-called fast chirp modulation - in which several linear frequency ramps with the same steep gradient are run through one after the other.
  • FMCW frequency-modulated continuous wave radar
  • the mixture of the current transmitted signal with the received signal results in a low-frequency signal (called beat frequency), the frequency of which is proportional to the distance.
  • the system is usually designed in such a way that the proportion of the beat frequency caused by the Doppler frequency becomes negligible.
  • the distance information obtained is largely clear.
  • a Doppler shift can be determined by observing the temporal development of the phase of the complex distance signal across the ramps and the relative speed can be determined from this. The determination of the distance and the determination of the relative speed take place independently of each other. As a rule, a two-dimensional Fourier transformation is used for this.
  • the subject of the invention is the use of a radar sensor described in detail below with a waveguide antenna array for a method for determining an airspeed estimate and an angle estimate of several targets in the environment, the method steps of which are described in detail below.
  • the waveguide antenna array of the radar sensor has at least two groups of antenna units, with antenna elements in each antenna unit being arranged next to one another in a first direction.
  • the antenna units are arranged offset from one another in a second direction that is perpendicular to the first direction.
  • the antenna units are arranged offset from one another in the first direction. This creates a multiple-input-multiple-output (MIMO) radar sensor.
  • MIMO multiple-input-multiple-output
  • the radar sensor uses digital beamforming (DBF), so that the antenna elements of an antenna unit can record and evaluate a radar signal together.
  • DBF digital beamforming
  • the first group with the antenna units in the second direction is preferably used to measure the azimuth angle and the second group with the antenna units in the first direction is preferably used to measure the elevation angle.
  • the antenna units In the second group, provision can be made for the antenna units to be arranged offset from one another only in the first direction. This leads to reduced computing effort in digital beamforming.
  • the antenna units can also be arranged offset from one another in the second direction. This enables measurement in the second direction for the second group and the radar sensor is designed for multiple-input-multiple-output (MIMO).
  • MIMO multiple-input-multiple-output
  • the array groups are alternately assigned to either the transmitting side or the receiving side.
  • transmitting and receiving antennas are in principle interchangeable.
  • stationary targets also referred to as stationary targets
  • moving targets also referred to as moving targets.
  • Stationary targets are objects in the environment that do not move themselves, e.g. E.g. buildings, trees, infrastructure on and along roads, etc.
  • Moving targets are objects in the environment that are moving, e.g. B. other vehicles, pedestrians, other road users, etc.
  • the radar sensor moves and sends out a plurality of measurement signals and receives signals that are reflected from targets.
  • the radar sensor is therefore a radar sensor with a synthetic aperture.
  • a relative speed is determined for each target from the signals sent and received.
  • the Doppler effect in the measurement signals is evaluated and, in particular, a Doppler shift is determined.
  • a distance between the radar sensor and the target is also determined from the transmitted and received signals. This can be done, for example, using Fourier processing.
  • detection with a constant false alarm rate (CFAR) is carried out.
  • a rough angle estimate is then carried out.
  • An estimated angle value is estimated for each target, which characterizes the target angle between the direction of the radar sensor's own speed - i.e. the direction in which the radar sensor moves ("forward direction") - and the respective target.
  • the angle estimation can be done, for example, using digital beamforming.
  • the radar sensor has at least one additional reception channel and/or at least one additional transmission channel.
  • the angle estimate directly indicates the target angle.
  • the target angle can also arise indirectly from a transformation or from mathematical connections from the angle estimate. Since the angle estimates are further processed later, the angle estimate can be significantly less accurate compared to conventional angle measurement.
  • an individual airspeed estimate for the radar sensor is calculated separately for each target using the relative speed and the angle estimate. This means that the measured or estimated values are used for each goal to create an individual Obtain airspeed estimate for the radar sensor. Accordingly, a large number of individual airspeed estimates are typically determined, which are therefore dependent on the speed of the target. For the stationary targets, the individual airspeed estimates are close to each other because the relative speed between the target and the radar sensor is proportional to the radar sensor's airspeed and the target angle. For the moving targets, however, the individual airspeed estimates are further apart because the relative speed depends not only on the airspeed of the radar sensor and the target angle but also on the speed of the target. In addition, in a typical situation there are significantly more stationary targets in the environment than moving targets with the same relative speed to the radar sensor and the moving targets normally have different speeds from one another.
  • a range is defined for the individual airspeed estimates, with which a distinction between stationary targets and moving targets is possible.
  • Individual airspeed estimates that lie within a predeterminable range of each other are assigned to stationary targets.
  • Individual airspeed estimates that are out of range are assigned to moving targets. This allows moving targets to be identified (MTI - Moving Target Indication).
  • the individual egg speed estimates calculated in each case can be included in a histogram for classification purposes, for example.
  • the individual airspeed estimates are then evaluated separately depending on the assignment.
  • a combined airspeed estimate is determined from the individual airspeed estimates assigned to the stationary targets.
  • the combined airspeed estimate can be viewed as the actual airspeed of the radar sensor, since in principle it was only calculated from the stationary targets (autofocus).
  • a corrected angle estimate is calculated for the stationary targets using the combined airspeed estimate and the respective measured relative speed.
  • the corrected angle Estimate can be viewed as the actual angle of the target with respect to the radar sensor.
  • the method also enables the determination of the airspeed estimate and the angle estimate directly from the measurements, without the need for additional sensors such as.
  • B. IMU or odometry sensors are necessary.
  • the odometry sensors typically used in vehicles are usually located too far away from the radar sensor and also carry out too few measurements per time interval.
  • a waveguide antenna is combined with MIMO and the SAR concept.
  • Antenna elements used for both MIMO and SAR can be reduced and thus the antenna area can be minimized. Reducing the number of channels is particularly advantageous for waveguide antennas, as these typically require a large installation space due to the three-dimensional structure and require complex production.
  • v rel,r,u denotes the bandwidth of the maximum clearly detectable Doppler frequency
  • c denotes the wave propagation speed
  • f c the carrier frequency for the radar signal
  • T ctc the duration between two frequency ramps (chirp-to-chirp) of the same transmitting antenna.
  • multiplexing In time division multiplexing, the duration between two frequency ramps T ctc with a fixed bandwidth and fixed ramp steepness or ramp duration increases with the number of transmitters, so that the number of transmitters in conventional FMCW MIMO radar sensors, which are based on time division multiplexing, is limited.
  • multiplexing is preferably carried out in the frequency dimension (FDM, Frequency Division Multiplexing) or in the code dimension (CDM, Code Division Multiplexing).
  • FDM Frequency Division Multiplexing
  • CDM Code Division Multiplexing
  • the predeterminable range that is used in the classification and division of the individual airspeed estimates is an error tolerance range for the measurements. This is determined from the error for measuring the relative speed and from the error for estimating the angle. This ensures that the division is specific to the measurements within the error limits and thus offers the greatest possible selectivity.
  • an average speed value of the individual airspeed estimates can be calculated.
  • Classic averaging such as e.g. B. an arithmetic mean, a weighted averaging, e.g. B. with weights dependent on the signal-to-noise ratio, determining the maximum in the histogram, forming a median, etc. can be carried out.
  • a respective angle estimate and a respective speed estimate for the moving targets are also made.
  • the angle estimate that resulted from the above-mentioned angle estimate for this moving target can be used as the angle estimate for the respective moving target. This does not mean any improvement Angle estimation achieved, but the incorrect angle estimation was avoided.
  • a radial velocity estimate for the respective moving target can be determined from the relative velocity measured using Doppler shift.
  • the combined airspeed estimate determined above is assumed to be the airspeed of the radar and, weighted with the cosine of the target angle, is subtracted from the relative speed.
  • the movements of both the radar and the moving targets are assumed to be two-dimensional in one plane.
  • the target measured by the sensor can be at different heights from the plane. This can happen in particular if, for example, only part of an object is detected.
  • an elevation angle between the plane and the target can be determined for the target.
  • the elevation angle is taken into account for each target when determining the individual airspeed estimate of the radar sensor using the relative speed and the estimated angle.
  • the radar sensor is a chirp sequence radar, which functions as a frequency-modulated continuous wave radar and emits chirp signals with rapidly increasing ramps. This makes it easy to measure the distance in a manner known per se.
  • the Doppler effect in particular the Doppler shift, can be determined from the temporal development of the phase of the complex distance signal across the ramps and the relative speed can thereby be measured.
  • Figure 1 shows an isometric view of a waveguide antenna of a radar sensor that is used for the method according to the invention.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a traffic situation, with a vehicle with the radar sensor and various targets and associated angles and relative speeds.
  • Figure 3 shows a flowchart of an exemplary embodiment of the method.
  • Figure 4a shows a diagram of the distribution of individual airspeed estimates of the radar sensor for different targets.
  • Figure 4b shows a histogram for the distribution from Figure 4a.
  • Figure 5 shows a location diagram of a trajectory that was generated using an embodiment of the method according to the invention and a trajectory that was generated using an odometry sensor
  • FIG 1 shows a waveguide antenna 100 of a radar sensor S, not shown here.
  • the waveguide antenna 100 has a waveguide antenna array consisting of several antenna elements 101.
  • Several antenna elements 101, twelve each in this example, are arranged in a column in a first direction R1 and together form an antenna unit 102 (In Figure 1, an antenna unit is marked with a frame, for example).
  • the first direction R1 corresponds to the vertical in a global reference system.
  • the antenna elements 101 of an antenna unit 102 send and receive radar signals together.
  • the phase centers 103 are marked for each antenna unit 102.
  • the antenna units 102 of the waveguide antenna array are divided into two groups 104, 105.
  • the first group 104 comprises eight antenna units 102, each of which has twelve antenna elements 101 arranged in columns in the first direction R1.
  • the antenna units 102 are arranged offset from one another in the second direction R2.
  • the second direction R2 corresponds to one in this example global reference system of one of the horizontals and in this example, as shown in Figure 2, runs in the direction of the airspeed v ego of a vehicle F, which has the radar sensor S.
  • the second direction R2 can also be at an angle to the airspeed v ego of the vehicle F. This only causes the antenna lobe to pivot.
  • the second direction R2 is connected to the azimuth angles ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 and the first group 104 of the antenna units 102 serves to measure the azimuth angles ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 .
  • the second group 105 comprises three antenna units 102, which in turn each have twelve antenna elements 101 arranged in columns in the first direction R1.
  • the antenna units 102 are arranged offset from one another in both the first direction R1 and the second direction R2.
  • the second group 105 of antenna units 102 is used to measure the elevation angles ⁇ i and to measure the azimuth angles ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 .
  • the first group 104 of the antenna units 102 is assigned to the receiver side RX and the second group 105 of the antenna units 102 is assigned to the transmitter side TX.
  • the radar signals received by the first group 104 are processed using digital beamforming.
  • the assignment can also be changed so that the first group 104 is assigned to the transmitting side TX and the second group 105 is assigned to the receiving side RX.
  • the waveguide antenna 100 is therefore designed for MIMO.
  • the antenna units 102 can only be arranged offset from one another in the first direction R1. This simplifies two-dimensional digital beamforming.
  • the radar sensor S with the described waveguide antenna 100 or the described waveguide antenna array is used for the method described below.
  • FIG 2 shows a schematic representation of a traffic situation, with a vehicle F, which has a radar sensor S with a waveguide antenna 100 described above, and several other vehicles, which are designated as targets Z1 to Z3. Typically there are other targets in the area that are not shown here, such as: B. buildings, the infrastructure of the road, i.e. traffic signs, guardrails and the like, or the road itself.
  • the vehicle F and thus also the radar sensor S move along a straight line at a speed v ego .
  • the azimuth angle ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 is the azimuth angle ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 for each target Z1, Z2 , Z3 shown between the direction of the own speed v ego and the direction of the respective target Z1, Z2, Z3.
  • the relative speed v rel,1 , v rel,2 , v rel,3 of each target Z1, Z2, Z3 is shown in relation to the radar sensor S. If one of the targets, for example the target Z1, is a stationary target, ie it does not move, the associated relative speed v rel,1 is given as a projection of the airspeed v ego of the radar sensor S onto the associated azimuth angle ai.
  • the projections are shown in Figure 1 for all three targets Z1, Z2, Z3.
  • the speed of the target Z2 is part of the relative speed v rel,2 and the measured relative speed v rel,2 deviates from the projection.
  • FIG. 3 shows a flow chart of an exemplary embodiment of the method according to the invention.
  • a large number of goals, generally referred to here as i, are examined. While the vehicle F and the radar sensor S are moving, measurements 1 are carried out. Measurements 1 are carried out using frequency-modulated continuous-wave radar modulation (FMCW), in which chirp signals with rapidly increasing linear frequency ramps of the same gradient are output at predetermined time intervals. The reflected signals are recorded and processed as received signals. A mixture of the current transmitted signal with the received signal results in a low-frequency beat signal whose frequency is proportional to the distance of the target i. Measurements 1 are carried out in such a way that the Doppler effect or the Doppler shift in the beat frequency is negligible or is taken into account in the evaluation.
  • FMCW frequency-modulated continuous-wave radar modulation
  • an estimate of the Doppler shift or the Doppler frequency is carried out by determining the temporal development of the phase of the complex measurement signals across the frequency ramps and compensating for the corresponding linear change in distance (migration) for each estimated value. This causes relative velocities determined for each target i.
  • a distance estimation then takes place using conventional Fourier processing 3, in particular a Fast Fourier Transformation (FFT) from the time domain to the frequency domain.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • the generated two-dimensional spectra (distance and relative speed) of the individual transmitters Receiving channel combinations are averaged non-coherently 4. For this purpose, the magnitude of each of these spectra is formed and these amounts or their magnitude squares are then added up.
  • CFAR constant false alarm rate
  • an angle estimate 6 is carried out, in which azimuth angle estimates for the goals can be determined.
  • a clustering 8 takes place, in which the individual airspeed estimates are within the area B are assigned to stationary targets and the individual airspeed estimates that are outside area B are assigned to moving targets.
  • the area B is defined by the errors in measurement 1 and in angle estimation 6 and represents an error tolerance range.
  • the individual airspeed estimates correspond to the stationary ones Targets assigned to them, ie those located within area B, are averaged 9 to produce a combined airspeed estimate to obtain.
  • Different types of averaging can be carried out, for example classic averaging such as: B. an arithmetic mean, a weighted averaging, e.g. B. with weights dependent on the signal-to-noise ratio, determining the maximum in the histogram, forming a median, etc. Since the combined airspeed estimate was in principle calculated without the moving targets, it can be used as an estimate for the actual airspeed of the Radar sensor S can be viewed. This achieves autofocus.
  • an angle calculation 10 is also carried out from the relative speed for the stationary target determined by the keystone processing 2 using the Doppler effect and the calculated one Individual airspeed estimate for the stationary target using Formula 3: (Formula 3)
  • the angle calculation 10 described above would lead to an incorrect angle estimate since the speed component of the moving target is unknown and therefore cannot be taken into account. Consequently, for a moving target, the azimuth angle estimate determined in angle estimation 6 is adopted 11.
  • a radial velocity estimate of the moving target can be calculated 12 by averaging the relative velocity for the stationary targets determined by keystone processing 2 using the Doppler shift 9 The combined airspeed estimate determined is weighted is subtracted from the cosine of the azimuth of that target.
  • FIG. 5 shows a comparison between an odometry trajectory T o , which was determined in a conventional manner using an odometry sensor, and a trajectory Tv, which was generated using an embodiment of the method according to the invention. It can be seen that the two trajectories match very well and therefore the autofocus delivers precise results using the method according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Radarsensors mit einem Hohlleiterantennenarray, aufweisend zumindest zwei Gruppen von Antenneneinheiten, die mehrere Antennenelemente aufweisen, wobei Antennenelemente in jeder Antenneneinheit in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei bei einer ersten Gruppe (104) die Antenneneinheiten in einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung steht, versetzt zueinander angeordnet sind und wobei bei einer zweiten Gruppe die Antenneneinheiten in der ersten Richtung versetzt zueinander angeordnet sind, für ein Verfahren zur Bestimmung eines Eigengeschwindigkeits-Schätzwerts und eines Winkel-Schätzwerts von Zielen mit folgenden Schritten. Mit Hilfe des Radarsensors mit synthetischer Apertur wird jeweils ein Abstand zwischen dem Radarsensor mit synthetischer Apertur und des jeweiligen Ziels gemessen. Mit Hilfe des Radarsensors mit synthetischer Apertur wird zudem jeweils eine Relativgeschwindigkeit des jeweiligen Ziels mit Hilfe des Dopplereffekts gemessen. Es erfolgt eine Winkelschätzung eines Winkel-Schätzwerts, der den Winkel zwischen der Richtung der Eigengeschwindigkeit des Radarsensors mit synthetischer Apertur und dem jeweiligen Ziel charakterisiert. Dann wird ein Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwert (Formula A) des Radarsensors mit synthetischer Apertur mittels der Relativgeschwindigkeit und dem Winkel-Schätzwert für jedes Ziel ermittelt. Es erfolgt ein Klassifizieren und Aufteilen der Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte (Formula A) betreffend stationäre Ziele, deren Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte innerhalb eines vorgebbaren Bereichs (B) zueinander liegen, und betreffend bewegte Zielen, deren Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte (Formula A) außerhalb des Bereichs (B) liegen. Für die stationären Ziele wird ein kombinierter Eigengeschwindigkeits-Schätzwert aus den Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerten (Formula A) der stationären Ziele ermittelt. Schließlich wird ein korrigierter Winkel-Schätzwert für die stationären Ziele mittels des kombinierten Eigengeschwindigkeits-Schätzwerts und der jeweiligen gemessenen Relativgeschwindigkeit ermittelt.

Description

Beschreibung
Titel
Verwendung eines Radarsensors mit einem Hohlleiterantennenarray für ein Verfahren zur Bestimmung eines Eigengeschwindigkeits-Schätzwerts und eines Winkel-Schätzwerts von Zielen
Die vorliegende Erfindung liegt im Gebiet der Radarsensorik und betrifft im Speziellen die Gebiete Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) und Radar mit synthetischer Apertur (SAR).
Stand der Technik
Radarsysteme zur Messung von Abstand, Relativgeschwindigkeit und Winkel von Objekten werden zunehmend in Kraftfahrzeugen für Sicherheits- und Komfortfunktionen eingesetzt. Heutzutage wird hierfür insbesondere Radar mit Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO), also mit mehreren Übertragungskanälen zum Senden und Empfangen von Radarsignalen, verwendet. In letzter Zeit ist Radar mit synthetischer Apertur (SAR) bekannt geworden. Das Prinzip der synthetischen Apertur erlaubt bei einer Eigenbewegung des Radarsensors besonders genaue Winkelmessungen. Die synthetische Apertur nutzt den Umstand, dass sich die Sende- und Empfangsantennen zum Zeitpunkt jeder Messung aufgrund der Eigenbewegung des Radarsensors an unterschiedlichen örtlichen Positionen befinden. Die Messungen werden dann zu einer synthetischen Antennenapertur verarbeitet. Bei der Auswertung kann dies mit einer großen Antennenapertur entlang der Fahrttrajektorie gleichgesetzt werden. Dadurch wird eine große synthetische Apertur erreicht, die mit einer realen Antennenapertur aufgrund der großen Anzahl der notwendigen Antennenelemente unpraktisch oder gar unmöglich wäre. Durch SAR sind in der Winkelmessung höhere Auflösungen als mit realen Antennenaperturen möglich.
Um die gemessenen Radarsignale als eine synthetische Apertur auszuwerten, wird die Radarumgebung üblicherweise als stationär angenommen. Zusätzlich sollen die Eigenbewegung des Radarsensors und somit die Positionen, an denen die einzelnen Messungen stattfanden, bekannt sein. Die Trajektorie des Radars fließt in den SAR-Auswertealgorithmus ein und stellt die Basis für die Berechnung des SAR-Bildes dar. Je nach Auswertealgorithmus kann ein Eigengeschwindigkeits-Schätzwert anstelle der genaueren Trajektorie für die Berechnung des SAR-Bildes ausreichend sein. Dabei wird die Trajektorie typischerweise als linear angenommen, komplexere Trajektorien sind hingegen nicht abbildbar.
Heutige Radarsysteme im Kraftfahrzeugbereich setzen in der Regel ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradar (FMCW) mit schnell ansteigenden Rampen - eine sogenannte Fast-Chirp-Modulation - ein, bei der nacheinander mehrere lineare Frequenzrampen mit der gleichen steilen Steigung durchlaufen werden. Die Mischung des momentanen Sendesignals mit dem Empfangssignal ergibt ein niederfrequentes Signal (Beatfrequenz genannt), dessen Frequenz zum Abstand proportional ist. Das System wird in der Regel so ausgelegt, dass der durch die Dopplerfrequenz versursachte Anteil der Beatfrequenz vernachlässigbar wird. Die gewonnene Abstands-Information ist weitgehend eindeutig. Zudem kann eine Dopplerverschiebung durch Beobachtung der zeitlichen Entwicklung der Phase des komplexen Abstandssignals über die Rampen hinweg bestimmt werden und daraus die Relativgeschwindigkeit ermittelt werden. Die Ermittlung des Abstands und die Ermittlung der Relativgeschwindigkeit finden unabhängig voneinander statt. In der Regel wird hierfür eine zweidimensionale Fourier-Transformation verwendet.
Die herkömmliche SAR-Auswertung geht von stationären Zielen aus. Bewegte Ziele, welche diese Annahme nicht erfüllen, führen zu einer fehlerhaften, im Winkel verschobenen und unscharfen Abbildung im SAR-Bild. Bei Kraftfahrzeugen sind bewegte Ziele allerdings ebenso von Interesse (z.B. um Kollision mit solchen zu vermeiden). Um die Eigentrajektorie bzw. Eigengeschwindigkeit des Radarsensors zu schätzen, sind zwei Ansätze bekannt: Zum einen wird ein externer Sensor - z.B. eine inertiale Messeinheit (IMU) oder ein Odometrie-Sensor - verwendet. Zum anderen werden sehr rechenaufwendige Autofokus-Algorithmen verwendet, welche für die Echtzeitverarbeitung nicht anwendbar sind. Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines nachfolgend im Detail beschriebenen Radarsensors mit einem Hohlleiterantennenarray für ein Verfahren zur Bestimmung eines Eigengeschwindigkeits-Schätzwerts und eines Winkel-Schätzwerts von mehreren Zielen in der Umgebung, dessen Verfahrensschritte weiter unten detailliert beschrieben werden.
Das Hohlleiterantennenarray des Radarsensors weist zumindest zwei Gruppen von Antenneneinheiten auf, wobei Antennenelemente in jeder Antenneneinheit in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind. Bei einer ersten Gruppe sind die Antenneneinheiten in einer zweiten Richtung, die senkrecht zur ersten Richtung steht, versetzt zueinander angeordnet. Bei einer zweiten Gruppe sind die Antenneneinheiten in der ersten Richtung versetzt zueinander angeordnet. Dadurch wird ein Radarsensor mit Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) geschaffen.
Der Radarsensor nutzt Digital Beamforming (DBF, digitale Strahlformung), sodass die Antennenelemente einer Antenneneinheit ein Radarsignal gemeinsam aufnehmen und auswerten können. Die erste Gruppe mit den Antenneneinheiten in zweiter Richtung wird bevorzugt zur Messung des Azimutwinkels verwendet und die zweite Gruppe mit den Antenneneinheiten in erster Richtung wird bevorzugt zur Messung des Elevationswinkels verwendet.
Bei der zweiten Gruppe kann es vorgesehen sein, die Antenneneinheiten nur in der ersten Richtung zueinander versetzt anzuordnen. Dies führt zu einem reduzierten Rechenaufwand bei dem digital Beamforming. Optional können bei der zweiten Gruppe die Antenneneinheiten zusätzlich in der zweiten Richtung versetzt zueinander angeordnet sein. Dadurch wird für die zweiten Gruppe eine Messung in der zweiten Richtung ermöglicht und der Radarsensor ist auf Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) ausgelegt.
Vorzugsweise sind die Arraygruppen wechselweise entweder der Sendeseite oder der Empfangsseite zugeordnet. Nach dem MIMO-Prinzip sind Sende- und Empfangsantennen prinzipiell austauschbar. Es wird nachfolgend zwischen stationären Zielen (auch als Standziele bezeichnet) und bewegte Zielen (auch als Bewegtziele bezeichnet) unterschieden. Stationäre Ziele sind Objekte in der Umgebung, die sich nicht selbst bewegen, also z. B. Gebäude, Bäume, Infrastruktur auf und an Straßen usw. Bewegte Ziele sind Objekte in der Umgebung, die sich bewegen, also z. B. andere Fahrzeuge, Fußgänger, andere Verkehrsteilnehmer usw.
Der Radarsensor bewegt sich und sendet dabei eine Mehrzahl von Messsignalen aus und empfängt Signale, die von Zielen reflektiert werden. Der Radarsensor ist somit ein Radarsensor mit synthetischer Apertur. Aus den ausgesendeten und empfangenen Signalen wird für jedes Ziel eine Relativgeschwindigkeit ermittelt. Zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit wird der Dopplereffekt in den Messsignalen ausgewertet und insbesondere eine Dopplerverschiebung ermittelt. Zudem wird ein Abstand zwischen dem Radarsensor und dem Ziel ebenfalls aus den ausgesendeten und empfangenen Signalen ermittelt. Dies kann beispielsweise über eine Fourierverarbeitung erfolgen. Um die Ziele in den Messungen zu erkennen, wird eine Detektion mit einer konstanten Falschalarmrate (CFAR) durchgeführt.
Anschließend wird eine grobe Winkelschätzung durchgeführt. Hierbei wird für jedes Ziel jeweils ein Winkel-Schätzwert geschätzt, der den Zielwinkel zwischen der Richtung der Eigengeschwindigkeit des Radarsensors - also der Richtung, in der sich der Radarsensor bewegt („Vorwärtsrichtung“) - und dem jeweiligen Ziel charakterisiert. Die Winkelschätzung kann beispielsweise mittels digitalem Beamforming erfolgen. Dafür weist der Radarsensor mindestens einen zusätzlichen Empfangskanal und/oder mindestens einen zusätzlichen Sendekanal auf. Vorzugsweise gibt der Winkel-Schätzwert direkt den Zielwinkel an. Allerdings kann der Zielwinkel indirekt auch aus einer Transformation oder aus mathematischen Zusammenhängen aus dem Winkel-Schätzwert hervorgehen. Da die Winkel-Schätzwerte später noch weiterverarbeitet werden, kann die Winkelschätzung im Vergleich zur herkömmlichen Winkelmessung deutlich ungenauer sein.
Durch Rückprojektion werden für jedes Ziel mittels der Relativgeschwindigkeit und dem Winkel-Schätzwert separat ein Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwert für den Radarsensor berechnet. Das heißt für jedes Ziel werden die gemessenen bzw. geschätzten Werte verwendet, um daraus jeweils einen Individual- Eigengeschwindigkeits-Schätzwert für den Radarsensor zu erhalten. Demnach wird typischerweise eine Vielzahl von Individual-Eigengeschwindigkeits- Schätzwerten ermittelt, die folglich abhängig von der Geschwindigkeit des Ziels sind. Für die stationären Ziele liegen die Individual-Eigengeschwindigkeits- Schätzwerte nahe beieinander, da die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Ziel und dem Radarsensor proportional zur Eigengeschwindigkeit des Radarsensors und zum Zielwinkel ist. Für die bewegten Ziele liegen die Individual- Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte allerdings weiter auseinander, da die Relativgeschwindigkeit neben der Eigengeschwindigkeit des Radarsensors und dem Zielwinkel auch von der Geschwindigkeit des Ziels abhängt. Hinzu kommt, dass in einer typischen Situation deutlich mehr stationäre Ziele in der Umgebung vorhanden sind als bewegte Ziele mit gleicher Relativgeschwindigkeit zum Radarsensor und die bewegten Ziele im Normalfall voneinander unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen.
Damit ist eine Klassifizierung und Aufteilung der I ndividual- Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte, insbesondere durch Clustering, möglich. Hierfür wird ein Bereich für die Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte definiert, mit dem eine Unterscheidung zwischen stationären Zielen und bewegten Zielen möglich ist. Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte, die innerhalb eines vorgebbaren Bereichs umeinander liegen, werden stationären Zielen zugeordnet. Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte, die außerhalb des Bereichs liegen, werden bewegten Zielen zugeordnet. Damit können bewegte Ziele identifiziert werden (MTI - Moving Target Indication). Die jeweils berechneten Individual-Eigeschwindigkeit-Schätzwerte können zur Klassifizierung beispielsweise in ein Histogramm aufgenommen werden.
Die Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte werden im Anschluss je nach Zuordnung gesondert ausgewertet. Für die stationären Ziele wird ein kombinierter Eigengeschwindigkeits-Schätzwert aus den Individual- Eigengeschwindigkeits-Schätzwerten, die den stationären Zielen zugeordnet sind, ermittelt. Der kombinierte Eigengeschwindigkeits-Schätzwert kann als tatsächliche Eigengeschwindigkeit des Radarsensors angesehen werden, da dieser prinzipiell nur aus den stationären Zielen berechnet wurde (Autofokus). Zudem wird für die stationären Ziele ein korrigierter Winkel-Schätzwert mittels des kombinierten Eigengeschwindigkeits-Schätzwerts und der jeweiligen gemessenen Relativgeschwindigkeit berechnet. Der korrigierte Winkel- Schätzwert kann als tatsächlicher Winkel des Ziels bezüglich des Radarsensors angesehen werden.
Das Verfahren ermöglicht außerdem die Bestimmung des Eigengeschwindigkeits-Schätzwerts und des Winkel-Schätzwerts direkt aus den Messungen, ohne dass zusätzliche Sensoren, wie z. B. IMU oder Odometrie- Sensoren, notwendig sind. Die typsicherweise in Fahrzeugen verwendeten Odometrie-Sensoren sind meist zu weit von dem Radarsensor entfernt angeordnet und führen zudem zu wenige Messungen pro Zeitintervall aus.
Durch die Verwendung des Radarsensors mit Hohlleiterantennenarray für das beschriebene Verfahren wird eine Hohlleiterantenne mit MIMO und dem SAR- Konzept kombiniert. Dabei werden dieselben Antenneneinheiten bzw.
Antennenelemente sowohl für MIMO als auch für SAR verwendet. Im Ergebnis kann die Anzahl der Kanäle des Radarsensors reduziert werden und somit die Antennenfläche minimiert werden. Besonders bei Hohlleiterantennen ist die Reduzierung der Kanäle von großem Vorteil, da diese aufgrund der dreidimensionalen Struktur typischerweise einen großen Bauraum benötigen und eine aufwändige Fertigung mi sich ziehen.
Durch die Verwendung von Hohlleiterantennen wird eine große Freiheit in der Anordnung der Antennenarrayelemente erreicht. Dadurch kann in einfacher Weise eine vorteilhafte λ/2-Anordnung der Antenneneinheitenerreicht werden, die sowohl hinsichtlich der Dynamik als auch einer eindeutigen Winkelschätzung vorteilhaft ist.
Damit die empfangenen, heruntergemischten und im Basisband abgetasteten Radarsignale des Antennenarrays mit der Kombination von MIMO und SAR kompatibel sind, muss eine eindeutige Abtastung der Dopplerfrequenz ermöglicht werden. Für den eindeutig erfassbaren Bereich des radialen Anteils der Relativgeschwindigkeit vrel,r,u gilt: Dabei sind vrel,r,max und vrel,r,min die obere bzw. untere Grenze dieses Bereichs. fD,u bezeichnet die Bandbreite der maximal eindeutig erfassbaren Dopplerfrequenz, c bezeichnet die Wellenausbereitungsgeschwindigkeit, fc die Trägerfrequenz für das Radarsignal und Tctc die Dauer zwischen zwei Frequenzrampen (chirp-to-chirp) derselben Sendeantenne.
Im Zeitmultiplexverfahren wird die Dauer zwischen zwei Frequenzrampen Tctc bei fester Bandbreite und fester Rampensteilheit bzw. Rampendauer mit der Anzahl der Sender größer, sodass die Anzahl der Sender bei herkömmlichen FMCW- MIMO-Radarsensoren, welche auf Zeitmultiplex basieren, begrenzt ist. Vorzugsweise wird in der vorliegenden Erfindung ein Multiplexing in der Frequenz-Dimension (FDM, Frequency Division Multiplexing) oder in der Code- Dimension (CDM, Code Division Multiplexing) durchgeführt. Für SAR bestehen dann keine derartigen Begrenzungen hinsichtlich der Anzahl der Sender.
Vorteilhafterweise ist der vorgebbare Bereich, der bei der Klassifizierung und Aufteilung der Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte verwendet wird, ein Fehler-Toleranzbereich für die Messungen. Dieser wird aus dem Fehler für die Messung der Relativgeschwindigkeit und aus dem Fehler für die Winkelschätzung ermittelt. Dadurch wird erreicht, dass die Aufteilung innerhalb der Fehlergrenzen für die Messungen spezifisch erfolgt und somit größtmögliche Selektivität bietet.
Um den kombinierten Eigengeschwindigkeits-Schätzwert zu bestimmen, kann ein gemittelter Geschwindigkeitswert der Individual-Eigengeschwindigkeits- Schätzwerte berechnet werden. Hierbei kann eine klassische Mittelung, wie z. B. ein arithmetisches Mittel, eine gewichtete Mittelung, z. B. mit vom Signal-Rausch- Verhältnis abhängigen Gewichten, ein Bestimmen des Maximums im Histogramm, eine Bildung eines Medians usw. durchgeführt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, auch für die bewegten Ziele einen jeweiligen Winkel- Schätzwert und einen jeweiligen Geschwindigkeits-Schätzwert zu ermitteln. Da die Geschwindigkeit des bewegten Ziels aber nicht bekannt ist, würde die vorstehend beschriebene Auswertung zu einem fehlerhaften Winkel-Schätzwert führen. Als Winkel-Schätzwert für das jeweilige bewegte Ziel kann der Winkel- Schätzwert, der sich bei der obengenannten Winkelschätzung für ebendieses bewegte Ziel ergeben hat, verwendet werden. Damit wird zwar keine verbesserte Winkelschätzung erreicht, aber die fehlerhafte Winkelschätzung vermieden. Ferner kann ein radialer Geschwindigkeits-Schätzwert für das jeweilige bewegte Ziel aus der mittels Dopplerverschiebung gemessenen Relativgeschwindigkeit ermittelt werden. Hierfür wird der vorstehend ermittelte kombinierte Eigengeschwindigkeits-Schätzwert als Eigengeschwindigkeit des Radars angenommen und gewichtet mit dem Kosinus des Zielwinkels von der Relativgeschwindigkeit subtrahiert.
Die Bewegungen sowohl des Radars als auch der bewegten Ziele werden als zweidimensional in einer Ebene angenommen. Allerdings kann sich das vom Sensor gemessene Ziel in unterschiedlicher Höhe zu der Ebene befinden. Dies kann insbesondere vorkommen, wenn beispielsweise nur ein Teil eines Objekts erfasst wird. In diesem Fall kann für das Ziel ein Elevationswinkel zwischen der Ebene und dem Ziel ermittelt werden. Vorzugsweise wird für jedes Ziel der Elevationswinkel beim Ermitteln des Individual-Eigengeschwindigkeits- Schätzwerts des Radarsensors mittels der Relativgeschwindigkeit und dem geschätzten Winkel berücksichtigt.
Vorzugsweise ist der Radarsensor ein Chirp-Sequenz-Radar, der als frequenzmoduliertes Dauerstrichradar fungiert und Chirp-Signale mit schnell ansteigenden Rampen aussendet. Dadurch lässt sich der Abstand in an sich bekannter Weise leicht messen. Zudem kann der Dopplereffekt, insbesondere die Dopplerverschiebung aus der zeitlichen Entwicklung der Phase des komplexen Abstandssignals über die Rampen hinweg bestimmt werden und dadurch die Relativgeschwindigkeit gemessen werden.
Für die Ermittlung der Relativgeschwindigkeit mit Hilfe des Dopplereffekts können an sich bekannte Verfahren verwendet werden. Bevorzugt wird hierbei eine Keystone-Verarbeitung basierend auf der Chirp-Z-Transformation (CZT), da diese besonders recheneffizient ist und auftretende Migrationseffekte kompensieren kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt eine isometrische Darstellung einer Hohlleiterantenne eines Radarsensor, der für das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet wird.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Verkehrssituation, mit einem Fahrzeug mit dem Radarsensor und verschieden Zielen und dazugehörigen Winkel und Relativgeschwindigkeiten.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens.
Figur 4a zeigt ein Diagramm der Verteilung von Individual- Eigengeschwindigkeits-Schätzwerten des Radarsensors für unterschiedliche Ziele.
Figur 4b zeigt ein Histogramm für die Verteilung aus Figur 4a.
Figur 5 zeigt ein Ortsdiagramm einer Trajektorie, die anhand einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wurde, und einer Trajektorie, die mittels eines Odometrie-Sensors erzeugt wurde
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Hohlleiterantenne 100 eines hier nicht weiter dargestellten Radarsensors S. Die Hohlleiterantenne 100 weist ein Hohlleiterantennenarray bestehend aus mehreren Antennenelementen 101 auf. Mehrere Antennenelemente 101, in diesem Beispiel jeweils zwölf, sind in einer Spalte in einer ersten Richtung R1 angeordnet und bilden gemeinsam eine Antenneneinheit 102 (In Figur 1 ist eine Antenneneinheit beispielhaft mit einem Rahmen markiert). Die erste Richtung R1 entspricht in diesem Beispiel in einem globalen Bezugssystem der Vertikalen. Die Antennenelemente 101 einer Antenneneinheit 102 senden und empfangen gemeinsam Radarsignale. In Figur 1 sind für jede Antenneneinheit 102 die Phasenzentren 103 gekennzeichnet. Die Antenneneinheiten 102 des Hohlleiterantennenarrays sind in zwei Gruppen 104, 105 eingeteilt. Die erste Gruppe 104 umfasst in diesem Beispiel acht Antenneneinheiten 102, die jeweils zwölf in der ersten Richtung R1 in Spalten angeordnete Antennenelemente 101 aufweisen. Bei der ersten Gruppe 104 sind die Antenneneinheiten 102 zueinander in der zweiten Richtung R2 versetzt angeordnet. Die zweite Richtung R2 entspricht in diesem Beispiel in einem globalen Bezugssystem einer der Horizontalen und verläuft in diesem Beispiel, wie in Figur 2 dargestellt, in Richtung der Eigengeschwindigkeit vego eines Fahrzeugs F, welches den Radarsensor S aufweist. Generell kann die zweite Richtung R2 auch in einem Winkel zu der Eigengeschwindigkeit vego des Fahrzeugs F stehen. Dadurch wird lediglich die Antennenkeule geschwenkt. Die zweite Richtung R2 ist mit den Azimut-Winkeln α1 , α2 , α3 verbunden und die erste Gruppe 104 der Antenneneinheiten 102 dient zur Messung der Azimut-Winkeln α1 , α2 , α3 . Die zweite Gruppe 105 umfasst in diesem Beispiel drei Antenneneinheiten 102, die wiederum jeweils zwölf in der ersten Richtung R1 in Spalten angeordnete Antennenelemente 101 aufweisen. Bei der zweiten Gruppe 105 sind die Antenneneinheiten 102 sowohl in der ersten Richtung R1 als auch in der zweiten Richtung R2 zueinander versetzt angeordnet. Die zweite Gruppe 105 der Antenneneinheiten 102 dient zur Messung der Elevations-Winkel Φi und zur Messung der Azimut-Winkel α1 , α2 , α3 . Im hier gezeigten Zustand ist die erste Gruppe 104 der Antenneneinheiten 102 der Empfängerseite RX zugeordnet und die zweite Gruppe 105 der Antenneneinheiten 102 der Sendeseite TX zugeordnet. Die von der ersten Gruppe 104 empfangenen Radarsignale werden mittels digitalem Beamforming verarbeitet. Die Zuordnung kann aber auch gewechselt werden, sodass die erste Gruppe 104 der Sendeseite TX zugeordnet wird und die zweite Gruppe 105 der Empfängerseite RX zugeordnet wird. Die Hohlleiterantenne 100 ist somit für MIMO ausgelegt. In anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispielen, können bei der zweiten Gruppe 105 die Antenneneinheiten 102 nur in der ersten Richtung R1 zueinander versetzt angeordnet sind. Dadurch wird das zweidimensionale digitale Beamforming vereinfacht. Der Radarsensor S mit der beschriebenen Hohlleiterantenne 100 bzw. dem beschriebenen Hohlleiterantennenarray wird für das nachfolgend beschriebene Verfahren verwendet.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Verkehrssituation, mit einem Fahrzeug F, das einen Radarsensor S mit einem oben beschriebenen Hohlleiterantenne 100, und mehreren anderen Fahrzeugen, die als Ziele Z1 bis Z3 bezeichnet sind. Typischerweise sind weitere Ziele in der Umgebung vorhanden, die hier nicht dargestellt sind, wie z. B. Gebäude, die Infrastruktur der Straße, also Verkehrsschilder, Leitplanke und dergleichen, oder die Straße selbst. Das Fahrzeug F und somit auch der Radarsensor S bewegen sich mit einer Eigengeschwindigkeit vego entlang einer Geraden. Vom Radarsensor S aus ist zu jedem dargestellten Ziel Z1, Z2, Z3 jeweils der Azimut-Winkel α1 , α2 , α3 zwischen der Richtung der Eigengeschwindigkeit vego und der Richtung des jeweiligen Ziels Z1, Z2, Z3 dargestellt. Zudem ist die Relativgeschwindigkeit vrel,1, vrel,2, vrel,3 jedes Ziels Z1, Z2, Z3 bezogen auf den Radarsensor S dargestellt. Ist eines der Ziele, beispielsweise das Ziel Z1, ein stationäres Ziel, d.h. es bewegt sich nicht, ist die zugehörige Relativgeschwindigkeit vrel,1 als Projektion der Eigengeschwindigkeit vego des Radarsensors S auf den zugehörigen Azimut-Winkel ai gegeben. Die Projektionen sind in Figur 1 für alle drei Ziele Z1, Z2, Z3 gezeigt. Bei einem bewegten Ziel, beispielsweise das Ziel Z2, das sich mit einer unbekannten Geschwindigkeit bewegt, ist die Geschwindigkeit des Ziels Z2 Teil der Relativgeschwindigkeit vrel,2 und die gemessene Relativgeschwindigkeit vrel,2 weicht von der Projektion ab.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei werden eine Vielzahl von Zielen, die hier allgemein mit i bezeichnet werden, untersucht. Während sich das Fahrzeug F und der Radarsensor S bewegen werden Messungen 1 durchgeführt. Die Messungen 1 werden mit einer frequenzmodulierten-Dauerstrichradar- Modulation (FMCW) durchgeführt, bei der in vorgegebenen zeitlichen Abständen Chirp-Signale mit schnell ansteigenden linearen Frequenzrampen der gleichen Steigung ausgegeben werden. Die reflektierten Signale werden als Empfangssignale aufgenommen und verarbeitet. Eine Mischung des momentanen Sendesignals mit dem Empfangssignal ergibt ein niederfrequentes Beatsignal, dessen Frequenz zum Abstand des Ziels i proportional ist. Die Messungen 1 werden so durchgeführt, dass der Dopplereffekt bzw. die Dopplerverschiebung in der Beatfrequenz vernachlässigbar sind oder in der Auswertung berücksichtigt werden.
In der Folge wird eine Keystone-Verarbeitung 2 ausgeführt. Hierbei wird eine Schätzung der Dopplerverschiebung bzw. der Dopplerfrequenz durchgeführt, indem die zeitliche Entwicklung der Phase der komplexen Messsignale über die Frequenzrampen hinweg bestimmt wird und bei der für jeden geschätzten Wert die entsprechende lineare Abstandsänderung (Migration) kompensiert wird. Dadurch werden Relativgeschwindigkeiten für jedes Ziel i ermittelt. Anschließend findet eine Abstandsschätzung mittels einer konventionellen Fourierverarbeitung 3, insbesondere einer Fast- Fourier-Transformation (FFT) vom Zeitbereich in den Frequenzbereich statt. Die erzeugten zweidimensionalen Spektren (Abstand und Relativgeschwindigkeit) der einzelnen Sende- Empfangskanalkombinationen werden nicht-kohärent gemittelt 4. Dazu wird der Betrag jedes einzelnen dieser Spektren gebildet und diese Beträge bzw. deren Betragsquadrate werden dann aufsummiert. Um die Ziele in den Messungen zu erkennen, wird eine Detektion mit einer konstanten Falschalarmrate (CFAR) 5 durchgeführt.
Des Weiteren wird eine Winkelschätzung 6 durchgeführt, bei denen Azimut- Winkel-Schätzwerte für die Ziele ermittelt werden. Der Azimut-Winkel- Schätzwert repräsentiert den Azimut-Winkel zwischen einer Messachse des Radarsensors S und dem Ziel i und spiegelt somit auch die Einbausituation des Radarsensors S wider. Da die Einbausituation bekannt ist, kann der Azimut- Winkel-Schätzwert durch Koordinatentransformation in einen Schätzwert für den Azimut-Winkel αi zwischen der Richtung der Eigengeschwindigkeit vego und der Richtung des Ziels i umgerechnet werden. Für den in Figur 2 gezeigten Fall steht die Messachse senkrecht zur Richtung der Eigengeschwindigkeit νego. Damit besteht der folgende Zusammenhang: θi = 90 - αi . Für die Winkelschätzung 6 wird digital Beamforming eingesetzt. Dabei werden über die mehreren Antenneneinheiten 102 auf dem Hohlleiterantennenarray gleichzeitige Messungen durchgeführt und eine Phasendifferenz berechnet, aus der dann der Azimut-Winkel-Schätzwerte ermittelt werden kann. Der Einfluss der Eigengeschwindigkeit vego des Radarsensors S ist für diese Art der Winkelschätzung vernachlässigbar, sodass die Azimut-Winkel-Schätzwerte unabhängig von der Eigengeschwindigkeit vego des Radarsensors S ermittelt werden. Bei der Winkelschätzung 6 wird zudem ein Elevationswinkel Φi zwischen der Ebene, in der sich das Fahrzeug bewegt, und der Höhe, in der das Ziel i erfasst wird, ermittelt.
Für jedes Ziel i sind somit die Relativgeschwindigkeit der Azimut-Winkel- Schätzwert sowie gegebenenfalls der Elevationswinkel bekannt. Damit wird für jedes Ziel i separat ein Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwert gemäß Formel 2 berechnet 7: In Figur 4a sind auf diese Weise berechnete Individual-Eigengeschwindigkeits- Schätzwerte für einige Ziele i in einem Diagramm gezeigt. Figur 4b zeigt ein Histogramm, bei dem für eine Vielzahl von unterschiedlichen I ndivid ual- Eigengeschwindigkeits-Schätzwerten jeweils deren ermittelte Anzahl n aufgetragen ist. In beiden Figuren ist zu erkennen, dass sich die Individual- Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte in einem Bereich B häufen. In einer typischen Verkehrssituation sind deutlich mehr stationäre Ziele als bewegte Ziele mit derselben Relativgeschwindigkeit radial zum Radarsensor S vorhanden.
Mit Bezug auf Figur 3 erfolgt ein Clustering 8, bei dem die I ndivid ual- Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte die sich innerhalb des Bereichs B befinden, stationären Zielen zugeordnet werden und die Individual- Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte die sich außerhalb des Bereichs B befinden, bewegten Zielen zugeordnet werden. Somit werden die bewegten Ziele identifiziert (MTI - Moving Target Indication) und von den stationären Zielen getrennt. Der Bereich B wird über die Fehler bei der Messung 1 und bei der Winkelschätzung 6 definiert und stellt einen Fehler-Toleranzbereich dar.
Die Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte die den stationären Zielen zugeordnet sind, d.h. die sich innerhalb des Bereichs B befinden, werden gemittelt 9, um einen kombinierten Eigengeschwindigkeits-Schätzwert zu erhalten. Es können verschiedene Arten von Mittelungen durchgeführt werden, beispielsweise eine klassische Mittelung, wie z. B. ein arithmetisches Mittel, eine gewichtete Mittelung, z. B. mit vom Signal-Rausch-Verhältnis abhängigen Gewichten, ein Bestimmen des Maximums im Histogramm, eine Bildung eines Medians usw. Da der kombinierte Eigengeschwindigkeits- Schätzwert prinzipiell ohne die bewegten Ziele berechnet wurde, kann er als Schätzwert für die tatsächliche Eigengeschwindigkeit des Radarsensors S angesehen werden. Dadurch wird ein Autofokus erreicht. Für jedes stationäre Ziel erfolgt zudem eine Winkelberechnung 10 aus der durch die Keystone-Verarbeitung 2 mit Hilfe des Dopplereffekts ermittelten Relativgeschwindigkeit für das stationäre Ziel und dem berechneten Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwert für das stationäre Ziel mittels Formel 3: (Formel 3)
Folglich wird ein korrigierter Winkel-Schätzwert berechnet, der als tatsächlicher Azimut-Winkel des Ziels bezüglich des Radarsensors S angesehen werden kann.
Für die bewegten Ziele würde die vorstehend beschriebene Winkelberechnung 10 allerdings zu einer fehlerhaften Winkelschätzung führen, da die Geschwindigkeitskomponente des bewegten Ziels unbekannt ist und daher nicht berücksichtigt werden kann. Folglich wird für ein bewegtes Ziel der bei der Winkelschätzung 6 ermittelte Azimut-Winkel-Schätzwert übernommen 11.
Damit wird zwar keine verbesserte Winkelschätzung erreicht, aber die fehlerhafte Winkelschätzung vermieden. Schließlich kann ein radialer Geschwindigkeits- Schätzwert des bewegten Ziels berechnet 12 werden, indem von der durch die Keystone-Verarbeitung 2 mit Hilfe der Dopplerverschiebung ermittelten Relativgeschwindigkeit der für die stationären Ziele durch Mittelung 9 ermittelte kombinierte Eigengeschwindigkeits-Schätzwert gewichtet mit dem Kosinus des Azimut dieses Ziels subtrahiert wird.
In Figur 5 ist ein Vergleich zwischen einer Odometrie-Trajektorie To, die auf herkömmliche Weise mittels eines Odometrie-Sensors ermittelt wurde, und einer Trajektorie Tv, die anhand einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wurde, gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die beiden Trajektorien sehr gut übereinstimmen und somit der Autofokus mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens präzise Ergebnisse liefert.

Claims

Ansprüche
1. Verwendung eines Radarsensors (S) mit einem Hohlleiterantennenarray, aufweisend zumindest zwei Gruppen (104, 105) von Antenneneinheiten (102), die mehrere Antennenelemente (101) aufweisen, wobei Antennenelemente (101) in jeder Antenneneinheit (102) in einer ersten Richtung (R1) nebeneinander angeordnet sind, wobei bei einer ersten Gruppe (104) die Antenneneinheiten (102) in einer zweiten Richtung (R2), die senkrecht zur ersten Richtung (R1) steht, versetzt zueinander angeordnet sind und wobei bei einer zweiten Gruppe (105) die Antenneneinheiten (102) in der ersten Richtung (R1) versetzt zueinander angeordnet sind, für ein Verfahren zur Bestimmung eines Eigengeschwindigkeits-Schätzwerts und eines Winkel- Schätzwerts von Zielen (i) mit folgenden Schritten:
Mit Hilfe des Radarsensors (S) Messen (1) jeweils eines Abstands (A) zwischen dem Radarsensor (S) und dem jeweiligen Ziel (i), Mit Hilfe des Radarsensors (S) Messen (1) jeweils einer Relativgeschwindigkeit des jeweiligen Ziels (i) mit Hilfe des Dopplereffekts;
Winkelschätzung (6) jeweils eines Winkel-Schätzwerts , der den Winkel zwischen der Richtung der Eigengeschwindigkeit des Radarsensors (S) und dem jeweiligen Ziel (i) charakterisiert;
Ermitteln (7) eines Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerts des Radarsensors (S) mittels der Relativgeschwindigkeit und dem Winkel-Schätzwert für jedes Ziel (i);
Klassifizieren und Aufteilen (8) der Individual-Eigengeschwindigkeits- Schätzwerte betreffend stationäre Ziele, deren Individual- Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte innerhalb eines vorgebbaren Bereichs (B) zueinander liegen, und betreffend bewegte Ziele, deren Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerte außerhalb des Bereichs (B) liegen; Ermitteln (9) eines kombinierten Eigengeschwindigkeits-Schätzwerts aus den Individual-Eigengeschwindigkeits-Schätzwerten der stationären Ziele; und
Ermitteln (10) eines korrigierten Winkel-Schätzwerts für die stationären Ziele mittels des kombinierten Eigengeschwindigkeits- Schätzwerts und der jeweiligen gemessenen Relativgeschwindigkeit Verwendung des Radarsensors für das Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der zweiten Gruppe die Antenneneinheiten zusätzlich in der zweiten Richtung versetzt zueinander angeordnet sind. Verwendung des Radarsensors für das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Arraygruppen wechselweise entweder der Sendeseite oder der Empfangsseite zugeordnet sind. Verwendung des Radarsensors für das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgebbare Bereich (B) ein Fehler- Toleranzbereich ist, der aus dem Fehler für die Messung (1) der Relativgeschwindigkeit und aus dem Fehler für die Winkelschätzung (6) ermittelt wird. Verwendung des Radarsensors für das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein gemittelter Geschwindigkeitswert für die stationären Ziele als kombinierter Eigengeschwindigkeits-Schätzwert durch gewichtete oder ungewichtete Mittelung bestimmt wird. Verwendung des Radarsensors für das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für ein bewegtes Ziel der aus der Winkelschätzung (6) resultierende Winkel-Schätzwert als Winkel- Schätzwert für das bewegte Ziel übernommen (11) wird. Verwendung des Radarsensors für das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Geschwindigkeits-Schätzwert für ein bewegtes Ziel aus der Relativgeschwindigkeit des Ziels, die mit Hilfe des Dopplereffekts gemessen wird, ermittelt (12) wird. Verwendung des Radarsensors für das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Ermitteln (7) des Individual- Eigengeschwindigkeits-Schätzwerts des Radarsensors (S) mit synthetischer Apertur mittels der Relativgeschwindigkeit und dem Winkel-Schätzwert für jedes Ziel (i) ein Elevationswinkel (Φi ) berücksichtigt wird. Verwendung des Radarsensors für das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Radarsensor (S) ein Chirp- Sequenz-Radar ist. Verwendung des Radarsensors für das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ermittlung der Relativgeschwindigkeit mit Hilfe des Dopplereffekts mittels einer Keystone- Verarbeitung (2) erfolgt.
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