JP7116072B2 - 連続する同種の送信信号の周波数変調を監視するレーダシステム - Google Patents
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Description
する垂直面の右を意味する)および仰角αEl=0(基板面に対する垂直面に平行である)における放射経路が示され、オブジェクトは、放射経路が平行であると仮定できるほど大きく離間しており、つまりオブジェクトはアンテナ構成の遠隔領域にある。送信アンテナTXmTXからオブジェクトまで、そして受信アンテナRXmRXまで戻る、アンテナ組み合わせm=4・mTX+mRXの経路長r(m)は次式である:
r(m)=2・rRP + sin(-αAz)・(a+mTX・4d+a+d/2+mRX・d)=2・rRP + sin(-αAz)・(2a+d/2+m・d)
ここで、rRPはアンテナ基板上の基準点RPからオブジェクトまでの経路長、aは基準点と送信アンテナTX0との水平方向の間隔である。この関係式から、間隔がアンテナ組み合わせの数mとともに線形に変化することがわかる。(2a+d/2+m・d)の値はアンテナ組み合わせmのいわゆる相対位相中心の、基準点RPとの水平方向の間隔を示し、対応する送信アンテナおよび受信アンテナの、基準点との水平方向の間隔からなる和である(送信アンテナと受信アンテナの組み合わせの相対位相中心は、ここでは、基準点から送信アンテナおよび受信アンテナの位相中心への両方のベクトルの和と定義される)。
φ(m)-φ(0)=-2π/λ・[r(m)- r(0)]
= -2π/λ・[2・rRP + sin(-αAz)・(2a+d/2+m・d)-2・rRP -sin(-αAz)・(2a+d/2+0・d)]
=-2π/λ・sin(-αAz)・d・m=2π/λ・sin(αAz)・d・m
により得られ、したがって同様にアンテナ組み合わせの数mとともに線形に変化する。異なるアンテナ組み合わせで受信される信号の振幅が一定なのは、すべてのアンテナは同一の放射特性を有し、アンテナの、大きく離間したオブジェクトとの間隔は、レベルを考慮するには無視できるほどわずかにしか異ならないからである。
いくつかの値は直接1つのサイクルで決定できるのではなく、連続するサイクルにわたる変化に基づくことのみにより決定でき(例えば縦方向の加速度と横方向の速度)、
オブジェクトの動きは複数のサイクルにわたってプロージビリティチェックされ、その結果一層ロバストで確実な周辺記述が得られ、こうして例えば連続するサイクルにわたって生じる(動径)距離の変化が、測定される(動径)相対速度に合致することになり、それにより周辺記述における冗長性したがってさらなる確実性が得られ、
複数のサイクルにわたる時間のフィルタ処理により測定雑音を減少させるからである。
fT(t,k,m)=fTM+bT・(t-4μs)= fTS+bT・t 0≦t≦8μsのとき
ここでfTM=11.8MHz、 fTS=11.75MHzおよびbT=91.6kHz/8μs
sT(t,k,m)=As・cos(φT(t,k,m))
ここでφT(t,k,m)=2π・[fTS・t + bT/2・t2]+φ0(k,m),
ここでφ0(k,m)は各ランプ開始時(つまりt=0)の位相を表し、一般に周波数ランプから周波数ランプへと変化し、Asは信号の振幅である。
sTA(n,k,m)=As・cos(2π・[fTS/fA・n+bT/2/fA 2・n2] +φ0(k,m)).
fE(n)=T/(2π)・[φTE(n)-φTE(n-1)]・fA.
さらに、実信号sTA(n,k,m)も、例えば発振器の位相雑音とA/D変換回路での量子化により発生する雑音成分r(n,k,m)を有する。よって、合計で得られる実信号sTA(n,k,m)は:
sTA(n,k,m)=As・cos(2π・[fTS/fA・n+bT/2/fA 2・n2]+φ0(k,m)+φTE(n))+r(n,k,m),
ここで0≦n≦8μs・fA,つまり0≦n≦320。
φTEmess(n)=φTE(n)-φTE(0)+φr(n)
を求めることができる。この測定により決定される位相誤差を、位相誤差φTE(n)と周波数誤差fE(n)の上記関連で用いる場合、測定により決定される位相誤差fEmess(n)を以下の関係式の値を求めることにより得る
fEmess(n)=T/(2π)・[φTEmess(n)-φTEmess(n-1)]・fA;
測定された周波数誤差ΔfEmess(n)は、実際の周波数ΔfE(n)とは一般に小さい測定誤差分のみ異なる
fEmessE(n)=T/(2π)・[φr(n)-φr(n-1)]・fA.
上記関連から明らかなように、位相雑音φr(n)(例えばA/D変換回路の量子化雑音により生成される)は分周比Tだけ強くなる影響を測定誤差に与えるため、より大きい分周比は不利であり、混合による発振器信号の低減においてはこの問題は発生しないが、24GHz領域に第2信号を生成するのは高コストであるため、分周と混合の組み合わせも実装でき、このために、例えば発振器信号がまずファクタ64で約377MHzの領域で分周され、そして367MHzの固定周波数で混合されてよい、
位相正規化について、以上で用いられた第1値(n=0)以外の値、例えば周波数ランプの平均値を用いてよい、
平均化された信号の値sTAM(n)を求める前に、再びヒルベルトフィルタ処理を実施し、より厳密な解析有効信号を生成し、負の周波数の雑音成分を低減させてよく、なお、完全ではない解析信号は位相正規化についてわずかな影響しか有さない(わずかな均化誤差のみ)一方、周波数誤差fE(n)の評価についてはより大きな影響を有し、
ヒルベルトフィルタ処理の係数は変化して選択してもよく、つまり各所望の周波数プロファイルに適合させてよく、例えば、零点が各所望周波数の負につねに位置するように、1次ヒルベルトフィルタにおいて係数を周波数ランプ内で変化させてよく、
上記では周波数誤差fE(n)が8個のアンテナ組み合わせ(m=0,1,…,7)すべてについて同一であると想定されているが、例えば発振器周波数の負荷感度に起因して誤差はアンテナ組み合わせ間で異なる可能性もあり、その場合アンテナ組み合わせごとに各関連する256個の周波数ランプについて平均化とそれに続いて周波数誤差fE(n,m)の決定が実施される。
fist(n)=fsoll(n)+fE(n) 0≦n≦320の場合
ここでfsoll(n)=fM+b・(n/fA-4μs)=fS+b・n/fA
ここでfM=24.15GHz,fS=24.06MHzおよびb=187.5MHz/8μs,
ここで期間8μsの周波数ランプの開始から終了までのサンプリングレートfA=40MHzの離散時間指数nが存在する。受信信号の標本化は周波数ランプの後方6.4μs間に実施され、前方1.6μsは過渡効果(特に周波数生成におけるフィルタと受信経路による)と最大に意義のある距離に対応する伝搬時間(最大に意義のある99mの距離では0.66μs)のために必要とされる。最初の例えば20個の値(言い換えると最初の0.5μs)が周波数変調を評価するためには用いられないのは、そこでは周波数生成の過渡効果がまだ大きく、この周波数期間は実際には受信信号にまだ影響を与えないからである。
ここでsum(g(n),u,o)は、連続g(n)をu≦n≦oについて加算したものであることを意味する。この信号のスペクトルe(j)はDFTにより得られ、周辺認識用の通常のデータ評価において窓関数w(i)が用いられる限り、ここでは同じ窓が用いられる(つまりDFTを適用する前に信号s(i)をw(i)で乗算する)。図11の周波数誤差fE(n)について、図12aには、得られる距離スペクトルe(j)が数値で示され(実線、対数グラフ、つまりdBあたり)、ここで指数jは距離ゲートを示す。比較のため、図12aは、所望の周波数プロファイルにおいて目標点について同一距離、同一振幅1で、同一の窓関数を用いるときに生じる(破線)、距離スペクトルも示す。実際のプロファイルの湾曲により、小さい偏移に加えて目標点に関する出力ピークがj=45の周りで拡大することにより、例えば、大きい目標点の周辺のより小さい目標点がもはや検出不可能になる(それらが同一の相対速度および略同一の角度を有している場合に限られるのは、そうでなければそれらはこれらの尺度により分離可能だからである)。出力が「ぼやけて」幅広の出力ピークになることで、レベルも低減される結果、検出感度が低下し、これにより、さらに距離のある、より小さいオブジェクトが一般にもはや検出できなくなる。周波数位置の周期的な外乱により、さらなるより小さな出力ピークがj=29およびj=59で発生し、これが特に決定的であるのは、これにより実際のオブジェクトが、同一の相対速度を有する近くに位置するゴーストオブジェクトを生成する可能性があるからであり、それによって、例えば穏やかな制動の代わりに、遅いオブジェクトに関して強い緊急制動がかかる場合がある(なぜなら非常に近くで遅いゴーストオブジェクトが検出されるからである)。
E(j)=20・log10[|2π・sin(π・j/256・fA・Δt)/(π・j/256・fA)・FE(j)/WS|]
=20・log10[|2π・Δt・si(π・j/256・fA・Δt)・FE(j)/WS|] 0≦j≦255の場合
と表され、ここでFE(j)は65≦n≦320における周波数誤差fE(n)のDFTを示し、この長さ256のDFTには再び窓関数wを用い、WSは256個の窓値の総和を表し、ここでは対数グラフ(つまりdBあたり)が示される。この誤差関数は位置に関して相対的、つまり目標点の距離ゲートに関して相対的であり、距離スペクトル間の実際の相対差の値を算出するために、誤差関数はしたがって目標点の距離ゲートに関して周期的に位置を変えられる。また、誤差関数は、他の距離ゲートの出力損失(つまり特に新たに生じるさらなる出力ピーク)により引き起こされる、出力ピークの小さな絶対的な減少も示していない。
zN(n,k,m)=z(n,k,m)-z(0,k,m) n=0,1,...,320の場合;
したがって、各周波数ランプにおいて略同一のプロファイルが存在し、なお、他の値においてでも、例えば周波数ランプの平均において正規化できることに注意されたい。図13は周波数ランプkおよびアンテナ組み合わせmについての正規化されたカウンタ値zN(n,k,m)のプロファイルを示す。破線で示されるのは、線形周波数変調による放物線の一部を表す、期待される所望のプロファイルであり(正規化されたカウンタ値は、ランプ開始時に開始する積分により線形信号周波数について得られ、したがって直交成分を有する、信号位相に比例する)、なお、図中の所望のプロファイルの湾曲は誇張して示されていることに注意されたい。図13の点は測定され正規化されたカウンタ値zN(n,k,m)を示す。
Claims (11)
- 車両の周辺を認識し、運転支援用および/または自律走行操作用の機能を実現するレーダシステム用の方法において、
‐制御可能または調整可能な発振器を用いて周波数変調を行うステップと、
‐連続するK0(K0>1)個の送信周波数が変調された送信信号を生成するステップであって、前記送信信号はそれぞれ、必要に応じて周波数位置の変動、つまり特に開始周波数にしたがって同等の中心周波数の変動を除いた、同一の所望の周波数プロファイルを有するステップと、
‐送信手段を用いて送信信号を放射するステップと、
‐受信手段を用いてオブジェクトにおいて反射した送信信号を受信するステップと、
‐前記送信信号の周波数変調を解析するステップと、
‐信号処理手段を用いて前記受信信号を特にオブジェクトを検出するために評価するステップと、を備え、
‐送信信号内の送信周波数の実際のプロファイル、または前記所望のプロファイルとの実際のプロファイルの偏差が絶対的または相対的に算出されるのであって、
‐その場合、特に同種のプロファイルまたは偏差を正確に決定するために、前記K0個の送信信号にわたって平均化が実施され、
‐平均化のために、送信信号ごとに、それぞれ前記送信信号の周波数プロファイルの情報を含み、好ましくはそれぞれアナログ信号の標本化またはフリーランカウンタの読み出しにより所定の時点で生成されている、離散時間信号が用いられ、
‐前記K0個の送信信号の前記離散時間信号がその位相および/またはその初期値の位置に関して正規化されていなく、
‐前記離散時間信号の評価中、明示的に正規化が実施されるか、または暗黙的にその位相および/またはその初期値の前記位置の影響が除去され、
‐このようにして算出された実際のプロファイルおよび/またはこのようにして算出された、周波数位置の前記所望のプロファイルとの実際のプロファイルの偏差および/またはそれに基づいて導出された、周波数変調の品質基準の偏差に応じて、前記発振器の制御の補正ならびに/または前記受信信号の評価の補正ならびに/または運転支援用および/または自律走行操作用の前記機能の調整が実施され、又は当該補正及び/又は当該調整の停止が実施され、
前記個別送信信号の周波数変調のパラメータ、特に周波数位置および/または前記発振器の周波数プロファイルのパラメータが前記送信信号間で変更され、前記個別送信信号にわたって変化するような前記発振器の位相位置を前記送信信号の開始時に保証し、前記平均化時の同種のエラー影響を防止することを特徴とする、レーダシステム用の方法。 - 送信周波数の実際のプロファイルの厳密な決定または前記所望のプロファイルとのその偏差に関する前記K0個の送信信号の平均化が、
‐解析のために、前記送信信号に対してファクタがT>1の分周および/または周波数の混合により低減される信号が用いられ、
‐前記送信信号に関して生成された前記低周波信号が必要に応じてフィルタ処理後に標本化され、
‐前記送信信号に関して生成された前記被標本化信号が必要に応じてさらなるフィルタ処理後に少なくとも略位相正規化、つまり少なくとも略同一位相位置に位相偏移され、
‐前記位相被正規化信号が次いで合算され、
‐前記累積され必要に応じて予めさらにフィルタ処理された信号の位相プロファイルに基づいて実際の周波数プロファイルが決定される、請求項1記載のレーダシステム用の方法。 - 前記低周波被標本化信号が実数値である場合の位相正規化は、
‐前記低周波被標本化信号はそれぞれ少なくとも略その解析信号に、つまり正または負の周波数成分のみを有する複素数値信号に変換されるのであって、さらに、好ましくは、前記周波数被変調信号の中心周波数の略負または正の零点を有する1次のヒルベルトフィルタが用いられ、
‐前記解析信号に基づいてそれぞれ同様に値、例えば第1信号値または前記所望の周波数プロファイルが平均周波数をとる時点における信号値の共役複素数が決定され、
‐前記解析信号が前記値それぞれを用いて乗算される、
ことにより実現される、請求項2に記載のレーダシステム用の方法。 - 前記送信信号にわたり前記累積される信号またはそれに基づいて導出された信号がヒルベルトフィルタ処理により高精度でその解析信号に変換される、請求項2に記載のレーダシステム用の方法。
- ‐前記被放射送信信号の周波数が線形変調され、
‐オブジェクトにおける前記送信信号の反射による前記受信信号が、その周波数が現在の送信周波数に対応するかまたはそれと一定のファクタだけ異なる信号との混合により低周波領域に伝送され、
‐前記低周波受信信号が等距離ラスタにおいてNA回標本化され、
‐前記NA個の標本値に関して第1のスペクトル解析が特に離散フーリエ変換の形態で構成され、これにより特にオブジェクトの距離測定と、複数のオブジェクトの同時認識の分離を実現することができる、請求項4に記載のレーダシステム用の方法。 - ‐前記送信信号内の非遅延そして時間Δt遅延する測定された実際の周波数プロファイルの差が構成され、
‐その周波数プロファイルが前記差に対応する信号が算出され、
‐前記信号に関して、スペクトルを生成する第2のスペクトル解析が特に離散フーリエ変換の形態で実施され、
‐その結果得られるスペクトルまたはその値が直接周波数変調の品質基準を導出するために用いられ、そして/または、
‐伝搬時間Δtに対応する距離rのオブジェクトの、前記所望の周波数位置における予想スペクトルとのスペクトルの偏差に基づいて品質基準が導出されるのであって、前記第1のスペクトル解析及び前記第2のスペクトル解析に対して同じ窓関数が用いられ、その結果得られるスペクトルが比較のために同一のレベルに関連付けられる、請求項5に記載のレーダシステム用の方法。 - 実際の周波数プロファイルと所望の周波数プロファイルとの差に関して、第3のスペクトル解析が特に離散フーリエ変換の形態で実施され、その結果得られるスペクトルまたはその値が直接またはファクタを用いて乗算した後に周波数変調の品質基準として用いられるのであって、前記ファクタが、推定オブジェクト距離に比例してよく、または、その偏角がオブジェクト距離に比例し、前記第3のスペクトル解析の前記周波数格子点それぞれに比例する正弦関数を含んでよい、請求項5に記載のレーダシステム用の方法。
- 算出された品質基準に基づいて、前記所望の周波数プロファイルとの実際の周波数プロファイルの偏差による検出が他の被検出オブジェクトに基づいて発生したかまたは発生した可能性があるかどうかが導出され、その場合前記検出が必要に応じてすべて除去されるか、または潜在的な仮検出として特徴づけられる、請求項6または7に記載のレーダシステム用の方法。
- 実際の周波数プロファイルの平均周波数勾配、または所望の周波数勾配とのその偏差が決定され、オブジェクトの距離を算出するために用いられる、請求項5に記載のレーダシステム用の方法。
- 実際の周波数プロファイルの中心周波数、または所望の中心周波数とのその偏差が決定され、オブジェクトの相対速度および/または角位置を算出するために用いられる、請求項5に記載のレーダシステム用の方法。
- 請求項1~10のいずれか1項に記載の方法を実施するように構成されているレーダシステム。
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