SE507996C2 - Förfarande för att bestämma relativa hastigheten mellan två objekt under rörelse - Google Patents

Description

507 996 |\} Periodlängden frán ett första till ett andra frekvenssvep ändras med ett belopp mindre eller lika med den tidsskillnad som krävs för att entydigt bestämma fasändringen baserat på givna gränsvärden för avstånd. hastighet och acceleration.

Lämpligen tilldelas åtminstone tre pa varandra följande frekvenssvep olika periodlängd.

För att öka noggrannheten i hastighetsbestämningen utökas tidsintervallet under vilket fasändringen studeras successivt utan att förlora entydigheten. Ett fördelaktigt förfarande kännetecknas därvid av att fasändringar. utöver för skillnader i periodlängder. studeras for en eller flera periodlängder och/eller en eller flera adderade periodlängder.

Uppfinningen kommer nedan att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritningar. där: Figur l visar exempel pà en utsänd och en mottagen signal vid linjär frekvensmodulering.

Figur 2 visar exempel på frekvenssvep med konstant periodlängd.

Figur 3 visar exempel på frekvenssvep enligt uppfinningen med varierande periodlängd.

Figur 4 visar ett schematiskt exempel pa en FNICW-radaranordning som kan utnyttjas vid förfarandet enligt uppfinningen.

Nedan redogörs först för teorin bakom linjär frekvensmodulering.

Därefter behandlas linjär frekvensmodulering med kontinuerliga frekvenssvep. s k linjär FMCW.

Vid linjär frekvensmodulering transmitteras idealt en signal med frekvensen jKr) : jKI) = jr) + at. Iz 0 _ där o: betecknar frekvenssvepets lutning och jj, signalens bärfrekvens.

För ett utsänt frekvenssvep kan argumentet (DU) för den transmitterade signalen skrivas: 507 996 t (í) = 2Jtf_/}(§)cl'§ = (()) + 2:: I fiir + 1/2 m3 I ll l tidsdomänen är den transmitterade signalen: afr) = (10 sinl (O) + 2:r(fi>r + 1/2 af3)l Den transmitterade signalen reflekteras och mottages efter tiden r och kan skrivas: hu) = bl) sinl (()) + 2:r(_/¿)(r - r) +l/2a(r - r)2)|. r 2 r Utsänd signal har betecknats med l och mottagen med 2 i figur l. vilken visar frekvensenf som funktion av tiden r. Gangtiden från sändare till mottagare motsvaras av T.

Vid linjär FMCW-modulering låter man svepet pagå en viss tid. varefter proceduren upprepas. Figur 2 visar exempel på linjär FMCW-modulering med frekvenssvep som har konstant periodlängd. Utsända svep visas med heldragen linje. medan returnerade svep visats med prickad linje.

Frekvenssvepen har numrerats med indexet i.

Tidpunkten för varje svep betecknas med t och betraktas som lokal med I = 0 för varje frekvcnssveps början. Den egentliga tidpunkten som är global betecknas med T. Ett objekt eller mål i radiell riktning vid frekvenssvepets tidpunkt t och frekvenssvep i. med hastigheten v och den konstanta accelerationen a parallella med signalens riktning. parametiseras enligt : r(I) = r,- + vi +l/2ur3 r,'= r(()) gällande för fixt i. 507 996 Detta ger: r; = 2r,~/c + ZvI/c + uIZ/c. där c är ljusets hastighet i mediet (luft).

Den resulterande mottagna signalen med r; substituerad kan skrivas: l- - f 7 \ f - - r _' arr i -ïzqrvi--ï--j fm [_ :av-wif- , . t ~ , -v+a) “ 4 c__it)=c\,cosl2:ri C L - l + \ C .- ]\ I C C C L l. f 2v aÛ f z f ---- z, --' a” U c a» f" lhfzf c c g Frekvensen för mottaget svep i_j;, för den resulterande mottagna signalen kan skrivas: f f '7v at f v\ f 7- Vi ZWJllJL--J Zavl: 1--' 'Zaatjll-ï-l--a-l' f(t)=_| \ c C _fot(2vi°at)_ \ C ___ k C ÉC/l 'i dtik c c c i c :N J 1? 2 f f _ = -l zæft-Jílfizvff; m”ef,+4avf1-ï)lr+6aaL1-3ïlr-8”” cl K c/ \ c \ c / _ c, 20 L För små värden på t kan, vid betraktande av ingående termer, uttrycket för frekvensen/i förenklas utan att avvika väsentligt från den egentliga frekvensen. Följande förenklade uttryck på frekvensen kan ställas upp: jL-(r) = l/cl2arf + Zvjb + 4av1l Vidare ser vi att (ar,~/c)//i> har ett litet värde, vilket motiverar att den resulterande mottagna signalen kan förenklas till: q-(I) = q; cos[ Znl Zara/c +j¿)r2v/c' + Zavfl/c + Zryïi/cll, Iz I _ 507 995 Efter en viss klocktid IC. se figur l. tas ett första av ett flertal sampel av signalen. Argumentet 6,- för den resulterande mottagna signalen benämnes fas och kan skrivas: G1: ...7r| ZQriQ/L' ffiiíc-Zv/c' + 2CzvíC3/t' + 227/(1/6] Om man tar fasskillnaden mellan två svep i.j erhålles: 9/ - 9,' = 2.11 Zaíc/c' + Z/(ß/c )( r; - ri) Medelhastigheten mellan tidpunkterna T; och Tj kan då uttryckas enligt följande: v = (r/ - rfl/(T/ - Tf) = (Qj- G),')/(T,' - Ti) - (c/ZJU/(ZGIL- + 2/13) Nedan beskrivs ett förfarande enligt uppfinningen utnyttjande pa varandra följande frekvenssvep med olika periodlängd under hänvisning till figur 3.

Målet är att få en noggrann bestämning av hastigheten v för en tidpunkt T. En god approximation av hastigheten v erhålls genom att enligt uppfinningen istället bestämma medelhastigheten under en tidsperiod under vilken hastigheten kan anses väsentligen konstant på grund av begränsad acceleration.

I figur 3 visas fem utsända konsekutiva FMCW-svep l.l-l.5 med olika periodlängder och tillhörande returnerade svep 2.l-2.5. För ett detekterat objekt tas FFT (Fast Fourier Transform) för fem konsekutiva FMCW- svep och fem intilliggande bäringar. För dessa fem FFT utses en frekvenslucka där det absoluta värdet i FFTzn anses störst. För denna frekvenslucka tas också respektive fasvärde *Pi vilket är ett närmevärde till 9,: 507 996 Fran FFlïn fås fem fasvärden: Wi. Wg. ....*l15. -Ir s W,- srr. ls i s 5 motsvarande tidpunkterna Tj. T). ...T5 Fasskillnaden mellan två intilliggande punkter blir då: N91 = (W: - Wfimtu :n- ÅTi = T: ~ Ti AW: = (Uh - Wflmtxi :in AT: = Ta - T: A45 = (Wi, - Wflmai 21» ÅTR = T4 - Ta A414 = (WS - llülmaa :m AT4 = TS - TJ, där mod 2:1 betecknar moduloberäkning över intervallet l -:r. :r |.

Tidsdifferenserna AT,~. l s i s 4, motsvarar fyra PRI-tider (Bulse Repetition lnterval). Tiden för ett FMCW-svep kan exempelvis vara 370 tis. varvid den minsta PRl-tiden kan uppga till ca 500 its". För att entydigt kunna bestämma en fasskillnad under gällande villkor. krävs en motsvarande tidsskillnad på högst ca 1.0 tu; Denna uppgift klaras enligt uppfinningen genom att utnyttja flera olika PRI-tider och sedan ta skillnaden mellan dessa. Den minsta skillnaden i PRl-tider är i sifferexemplet 8 tis.

Eventuella mätfel på fasvärden under korta tidsperioder får högt genomslag. För att förbättra precisionen i hastighetsbestämningen mäts fasskillnaden under längre tidsperioder samtidigt som det tillses att entydigheten inte går förlorad. PRl-tiderna väljs därför så att entydighet kombineras med god precision i hastighetsbestämningen.

Enligt ett exempel kan PRI-tiderna ha följande värden: AT; = 5l2 tis AT; = 520 tis AT3 = 544 _u.s' AT4 = 640 its' \i 507 996 Bl a följande differenser kan därvid bildas: AAT; : AT; - AT| AAT; : AT; - AT; AAT; : AT4 - AT| AAT4 : ATi AAT5 = A723 + AT4 AAT5 I AT] + AT: -l-ATg + ATJ, 8 _u.s' 32 ys 128 _u.s' 512 tis 1 184 _u.s' 2216 _u.s' Följande predikteringskvoter kan uppställas: 6/1 I AATQ/ AAT| '-' 6/3 = AAT3/I AAT; = 6/3 I AAT4/ AAT3 I 6/4 = AAT5/ AAT4 = q; = Anm' AATS = v-I-l-l- _3125 18716...

Baserat på ovanstående uppgifter fastställes nu hastigheten genom att successivt räkna fram fasskillnaden för den största differensen (summan) av PRI-tiderna. Kravet är att den första fasskillnaden har bestämts entydigt Detta är fallet om inte beloppet av hastigheten är väldigt stort. l varje steg beräknas enligt nedan först fasändringen modulo Zzr. xt . och sedan hela fasändringen x: x "_" (Agil ' AqjÜmod 2Jr 2. xt: (A115 -Alflflmnd 3,, x = heltalflqlx - xt + :U/Zzr) - 2:: +xt 3. xt: (A 'P4 - AQ/Umnd 3,, x : heltalflqgxf - xt + x)/2rr) - 2:: +xt 4. xt: (AU/l) x : heltal((q3x - xt + 10/2,1) - 2:: +xt 507 996 S. .ri= (A 1113 + All/pmm; 3,, .r = /ielnt/(U/tr - .rr + 10/2,1) - 2:r +.rl 6. xt: (A Wi + A LP; +A *P3 + All/omm; g, .r = /ielïrzlflqgr - x! + Jr)/2:r) - 2.1 +xr där ltelmlß) är heltalsdelen av (_). Hastigheten v fås sedan genom att beräkna i' ur sambandet: c/Zfr v = (Af/AA Tó) - Den i figur -l visade radaranordningen 3, som kan utnyttjas för att genomföra förfarandet enligt uppfinningen. innefattar en sändardel -l och en mottagardel 5. En antenn 6 är ansluten till sändardelen och mottagardelen via en cirkulator 7. l sändardelen ingår en oscillator- styranordning 8 kopplad till en oscillator 9 med variabel frekvens.

Frekvenssvep fràn oscillatorstyranordningen 8 styr oscillatorn 9 så att en signal med periodiskt varierande frekvens genereras med varierande periodlängder för på varandra följande frekvenssvep. Den genererade signalen sänds via en riktkopplare 10 och cirkulatorn 7 ut på antennen 6.

Oscillatorn kan arbeta inom Gigahertzsområdet. t ex 77 GHz. Av antennen 6 mottagen reflekterad signal förs via cirkulatorn till en blandare ll. där den reflekterade signalen blandas med den utsända signalen. Efter förstärkning i förstärkaren 12 och filtrering i filtret 13, tillförs signalen ett processorblock 14 i vilket bl a bestämning av den relativa hastigheten enligt ovan beskrivet förfarande utförs.

Uppfinningen skall inte på något sätt ses begränsad till exemplet ovan. inom uppfinningens ram definierad genom patentkraven ryms en mängd alternativa utföranden. Exempelvis kan andra kombinationer av fasändringar utnyttjas.

Claims (4)

1. 9 507 996 Patentkrav l. Förfarande för att bestämma relativa hastigheten i radiell riktning mellan två objekt under rörelse under utnyttjande av linjär frekvensmodulering med kontinuerliga frekvenssvep. varvid en transmitterad signal multipliceras med en mottagen signal för erhållande av en resulterande mottagen signal vars ändring i fas under viss tid utnyttjas för bestämning av den relativa hastigheten. kännetecknat av att periodlängden för på varandra följande frekvenssvep varieras och att skillnaden i periodlängd och motsvarande fasändring utnyttjas för bestämning av hastigheten.

2. Förfarande enligt patentkravet l. kännetecknat av att den relativa hastigheten v beräknas ur sambandet: v = lt' - .r /AT. där x är fasskillnaden under tiden AT och c/ZJI Å. : . där ZCIIC + t' betecknar ljusets hastighet i luft, a betecknar frekvenssvepets lutning. t, betecknar klocktiden och fo betecknar signalens bärfrekvens.

3. Förfarande enligt något av föregående patentkrav. kännetecknat av att periodlängden ändras från ett första till ett andra frekvenssvep med ett belopp mindre eller lika med den tidsskillnad som krävs för att entydigt bestämma fasändringen baserat på givna gränsvärden för avstånd. hastighet och acceleration.

4. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, kännetecknat av att åtminstone tre på varandra följande frekvenssvep tilldelas olika periodlängd. 507 996 10 S. Förfarande enligt något av föregående patentkrav. kännetecknat av att fasändringar. utöver för skillnader i periodlängder. studeras för en eller flera periodlängder och/eller en eller flera adderade periodlängder.