WO1999036796A1 - Radarsignal-verarbeitungsverfahren - Google Patents

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Abstract

Für eine oberhalb einer reflektierenden Fläche angeordnete Radaranordnung wird zur Schätzung der Höhe eines Objekts über der Fläche ein Verfahren vorgeschlagen, welches ohne eine verfeinerte Winkelauflösung der Radarantenne auskommt und allein auf der Verarbeitung der Signale basiert. Die Erfindung macht sich das üblicherweise als nachteilig empfundene Entstehen eines Interferenzmusters des Strahlungsfeldes der Radarantenne zunutze, indem die Intensitätsmodulation eines Empfangssignals, welches von einem in dem Überwachungsbereich radial zur Radaranordnung bewegten Objekt herrührt, ausgewertet und in Verbindung mit der gemessenen Objektentfernung zur Schätzung eines Wertes für die Höhe des Objektes über der Fahrbahn herangezogen wird.

Description

Radarsignal-Verarbeitungsverfahren
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Radarsignal-Verarbeitungsverfahren zur Schätzung der Höhe eines Objekts über einer reflektierenden Fläche.
Über die Messung der Zielentfernung hinaus ist bei Radaranordnungen häufig eine Lokalisierung von Objekten in Azimut und Elevation bzw. Höhe zur besseren Bewertung der Situation im Überwachungsbereich wünschenswert. Hierzu sind eine Reihe von Realisierungsformen bekannt. In der Regel sind solche bekannten Realisierungsformen mit einer ausgedehnten Apertur der Antennenanordnung verbunden, die eine Bünde- lung der Strahlungsleistung bewirkt. Damit kann ein Ausschnitt des gesamten Überwachungsbereichs gezielt erfaßt werden. Der Überwachungsbereich wird dann in mehrere Raumwinkelabschnitte unterteilt, was eine genauere Aussage über die Position eines Objektes möglich macht. Diese Apertur kann real vorhanden oder synthetisch sein (SAR-Prinzip). Sie aber teilweise mit dem zur Verfügung stehenden Platz für den Einbau der Antennenanordnung, insbesondere im Frontbereich von Kraftfahrzeugen, schlecht vereinbar.
Zur Richtungsauflösung bei Radaranordnungen ist auch das Prinzip des Amplitudenoder Phasen-Monopuls-Betriebs bekannt, bei welchem kleine Antennenabmessungen möglich sind. Die Antenne muß dabei über wenigstens zwei verschiedene, sich überlappende Einzeldiagramme verfügen.
Die bekannten Lösungen zur Lokalisierung von Objekten innerhalb des Überwachungsbereichs sind dadurch im Regelfall von der benötigten Anordnung her aufwendig und hinsichtlich der Kosten der Anordnung und/oder deren Platzbedarf insbesondere bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen nachteilig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verarbeitung von Radarsignalen anzugeben, welches auch bei Einsatz von Radaranordnungen geringer Komplexität und geringen Raumbedarfs eine Lokalisierung von Objekten, insbesondere eine Schätzung der Höhe der Objekte über einer reflektierenden Fläche ermöglicht.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vor- teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt eine Lokalisierung der Objekte allein auf der Ebene der Signalverarbeitung durch und erlaubt die Verwendung aufwandsarmer und von den Abmessungen her kleiner Radaranordnungen, deren Antennenanordnung keine oder nur eine grobe Richtungsauflösung vorgibt. Insbesondere ist keine Mehrstrahlfähigkeit und kein Schwenken des Antennendiagramms erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen für den Einsatz in Situationen, bei welchen sich die Radaranordnung und die zu erfassenden Objekte oberhalb einer im we- sentlichen ebenen Fläche befinden, welche für die Sendesignale der Radaranordnung und/oder die von den Objekten zurückgestreuten Echosignale reflektierende Eigenschaften aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich dadurch eine Eigenschaft der genannten Fläche zunutze, welche ansonsten überwiegend als störend empfunden wird. Eine vollständige Spiegelung von Signalen an der Fläche wird dabei nicht vorausgesetzt, der Anteil von Objektechos im gesamten Empfangssignal, welcher auf Reflexionen an der Fläche zurückzuführen ist, muß lediglich das Summen in meßbarem Umfang beeinflussen. Flächen, welche diese Eigenschaften erfüllen, sind je nach Frequenzbereich der Radarsignale und Einfallswinkel bei der Reflexion beispielsweise asphaltierte oder betonierte Fahrbahnen, Wasseroberflächen oder auch die Erdoberflä- ehe. Das Maß der tolerierbaren Rauhigkeit oder Unebenheit der Fläche ist primär abhängig von der Betriebswellenlänge der Radaranordnung und vom Einfallswinkel.
Die Erfindung nutzt den Umstand aus, daß bei oberhalb einer solchen reflektierenden Fläche befindlicher Radaranordnung durch die Überlagerung von direktem und reflektiertem Signalweg die Empfindlichkeit des Radars im Überwachungsbereich ein Interferenzmuster zeigt. Dieser Effekt, der durch die dabei auftretenden Orte destruktiver Interferenz zu Signaleinbrüchen bei der Objektdetektion führen kann, wird bei der vorliegenden Erfindung gezielt ausgenutzt, indem der Zeitverlauf der Intensität von Echosi- gnalen detektiert und ausgewertet wird.
Die Erfindung macht sich ferner zunutze, daß bei den typischen Anwendungsfällen von Radaranordnungen, insbesondere Kfz-Radaranordnungen primär solche Objekte von Interesse sind, welche eine wesentliche Komponente der Relativgeschwindigkeit zwi- sehen Objekt und Radaranordnung aufweisen, welcher aus einer Verringerung des Objektabstands zur Radaranordnung resultiert, also Objekte, die sich relativ auf die Radaranordnung zu bewegen. Dies können insbesondere entgegenkommende Fahrzeuge oder ortsfeste Objekte sein. Für die Bewertung der Relevanz solcher Objekte innerhalb einer Verkehrssituation kann die Höhe der Objekte über der Fahrbahn ein wesentliches Beurteilungskriterium liefern.
Bei gegebener Höhe der Antenne über der reflektierenden Fläche ist das Interferenzmuster an sich festgelegt und kann durch Rechnung bestimmt, simuliert oder gemessen werden. Das Vorhandensein einer annähernd ebenen reflektierenden Fiäche ist im Regelfall für die in Betracht kommenden Entfernungsbereiche in den meisten Situationen erfüllt.
Die relative Bewegung eines Objekts innerhalb des Interferenzmusters des Strahiungs- feldes der Antennenanordnung führt zu einer Intensitätsmodulation des diesem Objekt zuzuordnenden Empfangssignals. Das Muster der Intensitätsmodulation ist abhängig von der Entfernung des Objekts von der Radaranordnung, der Höhe des Objekts über der reflektierenden Fläche sowie Betrag und Richtung der Relativbewegung und für jede Kombination von Werten dieser Parameter charakteristisch. Bei gegebenem Interfe- renzmuster des Strahlungsfeldes kann daher einer der vorstehend genannten Zielparameter bei Bekanntsein der übrigen Parameter aus der Intensitätsmodulation des Empfangssignals bestimmt werden. Bei einem typischen Einsatzfall des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem auf einer Fahrbahn bewegten Kraftfahrzeug seien für ein erstes Beispiel die zusätzlichen Annahmen gemacht, daß die Höhe des Objekts über der re- flektierenden Fläche während der Auswertezeit sich nicht wesentlich ändert und daß die Relativbewegung zwischen Objekt und Radaranordnung im wesentlichen rein radial erfolge. Diese Annahmen sind für die relevanten Ziele einer Kfz-Radaranordnung, nämlich feststehende Hindernisse oder Umgebungsobjekte, vorausfahrende Fahrzeuge oder entgegenkommende Fahrzeuge in dem interessierenden Entfernungs- und Winkelbe- reich im Regelfall gerechtfertigt. Die Zielentfernung und deren zeitliche Veränderung sind durch die Fähigkeit des Radars zur fortlaufenden Entfernungsmessung eines Objekts gegeben. Die Höhe des Objekts als unbekannte Größe läßt sich dann durch Messung des Musters der Intensitätsmodulation und der Verknüpfung mit dem vorgegebenen Interferenzmuster und der gemessenen Relativbewegung des Objekts zumindest ungefähr abschätzen. Ein ungefährer Schätzwert für die Höhe des Objekts ist im Regelfall ausreichend zur Bewertung der Relevanz des Objekts, insbesondere deren Eingrup- pierung in eine von mehreren Objektgruppen.
Für die Gewinnung eines Schätzwerts für die Objekthöhe kann insbesondere eine Be- rechnungsvorschrift vorgesehen sein, bei welcher beispielsweise die Objektentfernung, die Periodenlänge der Intensitätsmodulation und die während einer Periodendauer zurückgelegte Wegstrecke des Objekts als Eingangsgrößen dienen und welche einen Schätzwert für die Objekthöhe als Ausgangswert liefert. Alternativ kann die Schätzung der Objekthöhe auch in Form einer tabellarischen ZuOrdnungsvorschrift vorgenommen werden. Schließlich ist es auch möglich, die Schätzung der Objekthöhe als explizite Größe zu überspringen und mittels der Eingabe der Meßgrößen in einen Zielklassifikator direkt eine Eingruppierung eines Objekts in eine von mehreren Zielklassen, beispielsweise vorausfahrendes Fahrzeug, entgegenkommendes Fahrzeug, Hindernis auf der Fahrbahn, Lkw-Aufbau, Brücke über die Fahrbahn usw. vorzunehmen.
Zusätzliche Meßmöglichkeiten der Radar-Antennenanordnung wie beispielsweise eine grobe Richtungsauflösung nach mehreren Winkelbereichen, insbesondere eine azimutale Unterteilung des Überwachungsbereichs in mehrere Teil-Winkelbereiche kann zum einen eine weitere Präzisierung der Ortsbestimmung eines Objekts erlauben und zum anderen eine Verifizierung der für die erfindungsgemäße Signalverarbeitung gemachten Annahmen und/oder eine Einbeziehung einer Abweichung von diesen Annahmen als Korrekturgröße ermöglichen.
Neben der beschriebenen und bevorzugten Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Radaranordnung eines Kraftfahrzeugs sind in entsprechender Weise Einsatzfälle denkbar und vorteilhaft, die eine unter den gegebenen Randbedingungen als zumindest näherungsweise eben anzusehende Fläche im Überwachungsbereich einer Radaranordnung aufweisen wie beispielsweise Flugverkehr, See- und Binnen- Schiffahrt, Flughafen-Rollbahnen, Schienenverkehr und ähnliche.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch weiter veranschaulicht. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Interferenzfeld im Überwachungsbereich eines Kfz-Radars
Fig. 2 eine Intensitätsmodulation für eine erste Objekthöhe
Fig. 3 eine Intensitätsmodulation für eine zweite Objekthöhe Bei der in Fig. 1 skizzierten Modulation bewegt sich ein Kraftfahrzeug K auf einer im wesentlichen ebenen Fahrbahn F. Eine im Frontbereich des Kraftfahrzeugs K angeordnete Antennenanordnung A mit einem in Fahrtrichtung weisenden Überwachungsbereich ist in gegebener Höhe h über der Fahrbahn angeordnet und weist ein Antennen- diagramm mit einem vertikalen Öffnungswinkel W auf, der neben der direkten Ausleuchtung des Überwachungsbereichs auch eine Ausleuchtung der Fahrbahn umfaßt. Durch Überlagerung von Signalanteilen mit direktem Signalweg zur Radaranordnung und Signalanteilen mit Signalwegen über eine Reflexion an der Fahrbahnoberfläche ergibt sich das in Grautönen abgestufte Interferenzmuster IM. Entlang der Fahrbahn in Richtung vor dem Fahrzeug ist eine Entfernungsskala aufgetragen. Senkrecht dazu ist eine Skala für eine Objekthöhe h« eingetragen. Dunkle Stellen des Interferenzmusters stehen dabei für konstruktive Interferenz, helle Stelle für destruktive Interferenz von direktem und reflektiertem Signalanteil. Die Bewegung eines Objekts konstanter Höhe über der Fahrbahn F im Überwachungsbereichs der Radars relativ zu der Radaranord- nung entspricht einer zur Fahrbahnoberfläche F parallelen Schnittlinie durch das Interferenzmuster IM. Die Bewegung entlang einer solchen Schnittlinie entspricht wiederum einer Intensitätsmodulation der in der Radaranordnung überlagert empfangenen Echosignale. Wie leicht ersichtlich ist, ist das Muster der Intensitätsmodulation über dem dabei zurückgelegten Weg sowohl von der Höhe des Objekts hR über der Fahrbahn als auch von der Entfernung R des Objekts von der Antennenanordnung abhängig und für eine Kombination dieser beiden Größen charakteristisch.
Fig. 2 zeigt ein erstes Beispiel einer Intensitätsmodulation über der Objektentfernung R, wobei als Ordinate des Diagramms der relative Radarpegel in dB aufgetragen ist. Als Zielhöhe sei in diesem Beispiel eine Höhe h«=5 m angenommen. Aus der Modulation der Intensität kann beispielsweise für eine Anfangsentfernung der Messung von Ro«140 m eine Periodenlänge der Intensitätsmodulation von ca. 14 m gemessen werden, woraus sich anhand einer vorgegebenen Berechnungsvorschrift oder einer tabellarischen Zu- ordnungsvorschrift eine geschätzte Zielhöhe h» von 5 m bestimmen läßt. Für andere Anfangsentfernungen Ro des Objekts ergeben sich bei gleicher Objekthöhe andere Periodenlängen, aus der Kombination von Anfangsentfernung und Periodenlänge ist jedoch immer eindeutig eine Zielhöhe zuordenbar. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Objekt und Radaranordnung braucht dabei nicht konstant zu sein. Die Größen der anfänglichen Zielentfernung und der Periodenlänge können aber in entsprechender Umrechnung durch eine Periodenzeitdauer und eine mittlere Geschwindigkeit als Eingangsgrößen für die Höhenschätzung ersetzt werden.
Bei dem in Fig. 3 skizzierten Beispiel ist in wesentlicher Abweichung von Fig. 2 eine wesentlich geringere Objekthöhe von h.= 1 m angenommen. Es zeigt sich bei der daraus resultierenden Intensitätsmodulation bei ähnlicher anfänglicher Objektentfernung eine wesentlich größere Periodenlänge von ca. 50 m, so daß offensichtlich die Periodenlänge signifikant von der Objekthöhe abhängig ist und als Meßgröße zur Schätzung der Objekthöhe geeignet ist.
Für reflektierende Gegenstände in der Fahrbahn wie Schachtabdeckungen oder Dehnfugen ist keine Interferenzsituation gegeben. Die Echos von solchen Objekten zeigen daher keine periodische Intensitätsmodulation bei der Bewegung des Fahrzeugs relativ zu diesen Objekten. Solche Objekte können daher aufgrund ihrer im wesentlichen kon- stanten Echosignaiintensität als zur Fahrbahn gehörig erkannt und entsprechend bewertet werden. Reflektierende Objekte geringer Höhe über der Fahrbahn, die im Regelfall irrelevant für die Bewertung der Verkehrssituation sind, treten aufgrund eines Empfindlichkeitsminimums im fahrbahnnahen Bereich des Interferenzmusters IM bei den Empfangssignalen kaum in Erscheinung und sind somit vorteilhafterweise als für die übrige Objektdetektion störende Überlagerung von vornherein ausgeblendet.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Signalverarbeitung mit anderen Signalverarbei- tungsverfahren zur weiter verbesserten Bewertung einer Situation im Überwachungsbereich eines Radars kombiniert werden. Beispielsweise kann wie beschrieben eine zusätzliche azimutale Winkelauflösung des Radars benutzt werden. Auch der Einsatz einer bistatischen Antennenkonfiguration ist denkbar, wobei sich bei der vertikal bistatischen Anordnung ein komplexeres Interferenzmuster ergibt.

Claims

Patentansprüche
1 . Radarsignal-Verarbeitungsverfahren zur Schätzung der Höhe eines Objekts über ei- ner reflektierenden Fläche, bei welchem a) eine zeitliche Veränderung der Entfernung des Objekts von der Radaranordnung bestimmt und b) eine Intensitätsmodulation des Empfangssignals gemessen und c) aus dem Verlauf der Intensitätsmodulation über der Objektentfernung eine Aussage über die Höhe des Objekts über der reflektierenden Fläche abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzung der Objekthöhe nach einer Berechnungsvorschrift erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzung der Objekthöhe nach einer gespeicherten Zuordnungstabelle erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Pa- rameter des Verlaufs der Intensitätsmodulation über der Objektentfernung eine Periodenlänge der Intensitätsmodulation bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Veriauf der Intensitätsmodulation über der Objektentfernung oder daraus abgeleitete Größen als Eingangsgrößen einer Objektklassifikation verwandt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Intensitätsmodulation über der Entfernung oder daraus abgeleitete Größen mit einem auf einer Interferenz von Signalanteilen eines direkten und eines an der ebenen Fläche reflektieren Signalwegs zwischen Objekt und Radaranordnung beruhenden Modulationsmuster verknüpft werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß keine explizite Höhe be- stimmt, sondern nur eine Aussage über das Unterschreiten einer kritischen Mindestoder das Überschreiten einer kritischen Maximalhöhe abgeleitet wird.
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