WO2001050152A1 - Verfahren zur messung des abstands und der geschwindigkeit von objekten - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten mit Hilfe elektromagnetischer Wellen bei einem Kraftfahrzeug-Radarsystem, wobei elektromagnetische Wellen ausgesendet und gleichzeitig empfangen werden, wobei die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen rampenförmig moduliert werden, wobei wenigstens die während eines Anstiegs und eines Abfalls der Frequenz des ausgesendeten Signals empfangenen Signale mit dem jeweils ausgesendeten Signal gemischt werden, wobei mehrere Zwischenfrequenzsignale gebildet werden und wobei mit Hilfe der Zwischenfrequenzsignale der Abstand und die Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden, wobei anhand charakteristischer Zwischenfrequenzsignale ein Witterungszustand in der Umgebung des Kraftfahrzeugs und/oder eine Störung des Kraftfahrzeug-Radarsystems bestimmt wird.

Description

Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs . Solche Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten werden beispielsweise im Rahmen einer automatischen Geschwindigkeitsregelung eines Fahrzeugs zur Detektion vorausfahrender Fahrzeuge eingesetzt. Ein gattungsgemäßes System wird auch als Adaptive Cruise Control (ACC) bezeichnet.
Stand der Technik
Zur Abstandsmessung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen (Radar) sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden. Bei dem sogenannten FMCW-Radar werden kontinuierlich elektromagnetische Wellen ausgesendet, deren Frequenz zwischen zwei Werten im wesentlichen rampenförmig moduliert wird. Bei den bekannten Verfahren dieser Art werden die empfangenen reflektierten Wellen mit den gleichzeitig ausgesendeten
Wellen gemischt. Während der Frequenzänderung, also während der Rampe des Modulationssignals, kann aus der durch einfache Mischung gewonnenen Zwischenfrequenz in einfacher Weise auf die Laufzeit und damit auf den Abstand des Objekts geschlossen werden. w w H
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berechnet werden, anhand charakteristischer Zwischenfrequenzsignale ein Witterungszustand in der Umgebung des Kraftfahrzeugs und/oder eine Störung des Kraftfahrzeug- Radarsystems bestimmt wird.
Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens kann auf einfache und zuverlässige Weise eine Aussage über die Umgebungsbedingungen und den Betriebszustand des Kraftfahrzeug-Radarsystems gemacht werden. Insbesondere kann zwischen den Witterungs- zuständen Trockenheit und Schlechtwetter unterschieden werden, sowie eine Verschmutzung einer Abdeckung des Kraftfahrzeug-Radarsystems bestimmt werden. Die charakteristischen Zwischenfrequenzsignale werden erfindungsgemäß dadurch bestimmt, daß die Zwischenfrequenzsignale zueinander ungefähr die gleiche Größe aufweisen.
Die bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß anhand des bestimmten Witterungszustan- des und/oder der Störung eine Bestimmung der aktuellen Reichweite und/oder eine aktuelle Systemperformance des Kraftfahrzeug-Radarsystems durchgeführt wird. Hierzu wird vorteilhafterweise in einem Speicher des Kraftfahrzeug- Radarsystems ein Kennfeld zur Bestimmung der aktuellen Reichweite und/oder der aktuellen Systemperformance abgelegt, das wenigstens charakteristische Zwischenfrequenzsignale enthält. Aufgrund der bestimmten Systemperformance wird vorteilhafterweise eine Geschwindigkeitsempfehlung an der Fahrer des Kraftfahrzeugs signalisiert, damit dieser seine Geschwindigkeit an die äußeren Umgebungsbedingungen anpassen kann.
Radarsignale werden durch Regen nur unwesentlich gedämpft und Schneefall führt zu einer Reichweiteneinbuße, die von der Dichte des Schneefalls und der Schneeform abhängt. In beiden Fällen werden Radarreflexionen erzeugt, die charakteristisch für die Wetterverhältnisse sind und deren Amplitude ein Maß für die verfügbare Radar-Reichweite ist . Durch die Regentropfen oder Schneeflocken wird ein Teil der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen gestreut und gelangt zurück in den Empfänger. Dort werden diese Streuechos erfindungsgemäß detektiert und ausgewertet. Regen- bzw. Schneereflexe weisen insbesondere die charakteristischen Eigenschaften auf, daß sie in extrem geringem Abstand unmittelbar vor dem Fahrzeug entstehen und näherungs eise mit einer Relativgeschwindigkeit gemessen werden, die der Fahrzeugeigengeschwindigkeit entspricht (nahezu stehende Objekte) .
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten anhand einer Zeichnung erläutert.
Figur 1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Frequenz eines ausgesendeten Signals 10 und eines empfangenen Signals 11 eines nach dem FMCW-Verfahren arbeitenden Kraftfahzeug- Radarsystems . In dem dargestellten Koordinatensystem ist auf der waagerechten die Zeit t und auf der Senkrechten die
Frequenz f aufgetragen. Das empfangene Signal 11 stellt die von einem Objekt reflektierte elektromagnetische Welle dar.
In einem (bei diesem Ausführungsbeispiel vier Rampen umfas- senden) Meßzyklus steigt die Frequenz des ausgesendeten
Signals 10 während einer ersten Rampe (Dauer T^_) an, fällt während einer zweiten Rampe (Dauer 2) wieder ab und steigt während einer dritten Rampe (Dauer T3) wieder an, um während einer vierten Rampe (Dauer T4) wieder abzufallen. Während der beiden letzen Rampen steigt bzw. fällt die Frequenz mit einer Änderungsgeschwindigkeit, die kleiner ist, als die während der ersten beiden Rampen. Die Wahl der entsprechenden Änderungsgeschwindigkeit, bzw. der Rampensteigung wird vorteilhaft so gewählt, daß der Einfluß des Dopplereffekts kleiner als der Einfluß der Laufzeit ist. Darüber hinaus beeinflußt die Steigung der Rampen die Auflösung derart, daß bei einer relativ geringen Rampensteigung durch den größeren Einfluß des Dopplereffekts eine Größere Auflösung der Geschwindigkeit gegeben ist, während bei steileren Rampen der Dopplereffekt einen geringeren Einfluß hat und dadurch eine leichtere Identifizierung eines Objekts durch seinen Abstand möglich ist. Durch den in diesem Ausführungsbeispiel vorgenommenen Wechsel der Rampensteigung kann sowohl die Geschwindigkeit als auch der Abstand eines detektierten Zielobjekts mit guter Auflösung ermittelt werden.
Der Verlauf der Frequenz des ausgesendeten Signals 10 steigt jeweils von einer Trägerfrequenz frp um einen ersten oder einen zweiten Frequenzhub Hl/H2 an' um dann wieder auf die Trägerfrequenz f^ abzufallen. Die Rampendauer T (in diesem
Ausführungsbeispiel ist T]_= 2=T3=T =T gewählt, was keine Einschränkung der Erfindung bedeutet) beträgt bei den im Straßenverkehr zu messenden Abständen und Geschwindigkeiten vorzugsweise etwa 1 ms .
Frequenzerhöhungen 12, 13, 14 und 15 ergeben sich durch den Dopplereffekt derart, daß die Frequenz des empfangenen Signals bei Objekten, welche sich relativ in Richtung auf den Ort der Messung (das eigene mit dem Radarsystem ausge- stattete Kraftfahrzeug) bewegen, erhöht und bei sich entfernenden Objekten verringert wird. Erkennbar ist die Detektion eines solchen Objektes in den Verläufen nach Figur 1 daran, daß der Verlauf des empfangenen Signals 11 ein höheres Maximum als der Verlauf des gesendeten Signals 10 aufweist. Die Frequenzerhöhungen 12, 13, 14 und 15 aufgrund des Doppier- effekts ergeben sich allgemein zu fp=2-fτ-vr/c, wobei vr die (vorzeichenbehaftete) Relativgeschwindigkeit zwischen dem eigenen Kraftfahrzeug und dem detektάerten Objekt und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Hierbei können im allgemeinen die Frequenzerhöhungen 12, 13, 14 und 15 aufgrund des Dopplereffekts in jeder Rampe eine unterschiedliche Höhe aufweisen, je nachdem, ob das selbe oder ein anderes Objekt detektiert worden ist. Bei konstanter Trägerfrequenz fτ ist die Frequenzerhöhung 12, 13, 14 und 15 aufgrund des Doppler- effekts frj somit proportional zur Relativgeschwindigkeit vr. Für den Spezialfall, daß ein stehendes Objekt (beispielsweise am Straßenrand) detektiert wird, entspricht die Relativgeschwindigkeit vr der Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ve . Erfindungsgemäß wird diese Beziehung ausgenutzt, um detektierte Regentropfen, Nebel, Hagel oder Schnee unter anderem daran zu erkennen, daß die Relativgeschwindigkeit vr des detektierten Objekts in etwa der Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ve entspricht : vr«ve.
Eine zusätzliche Verschiebung des Verlaufs der Frequenz des empfangenen Signals 11 gegenüber dem Verlauf der Frequenz des ausgesendeten Signals 10 würde sich durch die Signal- laufzeit der elektromagnetischen Welle ergeben. Der Verlaufs der Frequenz des empfangenen Signals 11 wäre um die Laufzeit tL=2-d/c verschoben, wobei d die Entfernung des Reflexionsobjektes ist. Die Frequenz des ausgesendeten Signals 10 würde sich während dieser Laufzeit t^ um den Wert Δf = (fH/T)-tL=2-d-fH/ (T-c) erhöhen. Hierbei stellt /T die Anstiegsgeschwindigkeit der Frequenz dar. In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist der Sonderfall dargestellt, in dem die Laufzeit tL ungefähr 0 ist . Eine solche Laufzeit ergibt sich bei Zielobjekten bzw. Reflexionsobjekten, die sich unmittelbar vor dem Kraftfahrzeug-Radarsystem befinden. Erfindungsgemäß wird diese Beziehung ausgenutzt, um detek- tierte Regentropfen, Nebel, Hagel oder Schnee unter anderem daran zu erkennen, daß der Abstand d des detektierten Objekts in etwa 0 ist. Hier gilt: Entfernung des Reflexionsobjektes d∞O . Bei dieser Vereinfachung wird davon ausgegan- gen, daß sich bei Regen, Nebel, Hagel oder Schnee immer Reflexionsobjekte unmittelbar vor dem Kraftfahrzeug- RadarSystem befinden.
Im allgemeinen ergibt sich somit der aktuelle Frequenzwert des empfangenen Signals aus der Summe der Frequenzerhöhungen aufgrund des Dopplereffekts und aufgrund der Signallaufzeit der elektromagnetischen Welle. Damit ist die Frequenzerhöhung im allgemeinen von der Entfernung des Reflexions- Objektes d und der Relativgeschwindigkeit vr des Reflexions- Objektes abhängig. Werden bei der Auswertung wenigstens die Abhängigkeiten während zweier Frequenzrampen ausgenutzt, so stehen wenigstens zwei Gleichungen für die Bestimmung der beiden Unbekannten d und vr zur Verfügung. In der praktischen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die empfangenen Signale 11 mit den ausgesendeten Signalen 10 gemischt, so daß sich Zwischenfrequenzsignale ergeben, die auch die Frequenzerhöhungen 12, 13, 14 und 15 enthalten. Eine Nachbearbeitung der Zwischenfrequenzen, insbesondere eine Spektralanalyse, kann sich anschließen. Die Spektral- analyse kann beispielsweise durch Abtastung, Digitalisierung und anschließende Fourier-Transformation geschehen.
Für den Spezialfall, daß als Reflexionsobjekte Regen, Nebel, Hagel oder Schnee detektiert werden und unter Berücksichti- gung der Näherungen d«0 und vr∞ve ergeben sich die Frequenz- erhöhungen 12, 13, 14 und 15 zu: fD12= fD13= fD14= fD15=2-fT've/C
Es entstehen somit in allen Modulationsrampen unabhängig vom
Modulationshub dieselben Frequenzerhöhungen, während „normale" Zielobjekte (beispielsweise andere Kraftfahrzeuge) Frequenzerhöhungen aufweisen, die vom Modulationshub abhängig sind. Die entsprechende Frequenzumgebung kann durch ein geeignetes Filter in allen Modulationsrampen auf schwache Detektionen überprüft werden. Durch die Korrelation der erhaltenen Frequenzerhöhungen über alle Rampen mehrerer
Messungen kann die Detektion abgesichert werden. Die Amplitude der Detektion ist ein Maß für die atmosphärische Streuung der Radarstrahlen bzw. ein Maß für die Dichte des Regens oder des Schnees . Die Beziehung bzw. die charakteristischen Zwischenfrequenzsignale, werden erfindungsgemäß ausgenutzt, um aufgrund der Analyse der Frequenzerhöhungen 12, 13, 14 und 15 den Witterungszustand „Schlechtwetter" in der Umgebung des Kraftfahrzeugs zu bestimmen. Der Witterungszustand „Trockenheit" ergibt sich für die Fälle, in denen obige Beziehung nicht erfüllt ist.
Reflexionsobjekte, die sich unmittelbar auf dem Kraftfahrzeug-Radarsystem befinden, zum Beispiel eine Dreckverunrei- nigung auf einer Abdeckung des Systems, zeichnen sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Entfernung des Reflexionsobjektes d«0 ist und daß die Relativgeschwindigkeit vr des detektierten Objekts vr«0 ist. Mit anderen Worten: Wenn sich ein Verlauf der Frequenz des empfangenen Signals 11 ergibt der mit dem Verlauf der Frequenz des ausgesendeten Signals 10 übereinstimmt, kann auf eine Störung durch Verschmutzung oder allgemein auf eine „Abdeckung" des Kraftfahrzeug-Radarsystems geschlossen werden. Hierbei sind die charakteristischen Zwischenfre- quenzsignale praktisch 0: fD12= fD13= fD14= fD15=°
Es wird erfindungsgemäß also insgesamt anhand der charakteristischen Zwischenfrequenzsignale (fßi2= fül3= fül4= ^Dlδ) ein Witterungszustand in der Umgebung des Kraftfahrzeugs und/oder eine Störung des Kraftfahrzeug-Radarsystems bestimmt .
Die Häufigkeit bzw. die Anzahl der detektierten Regen- /Nebel-/Schnee- oder Hageltropfen läßt somit einen Rückschluß auf die aktuelle Reichweite und/oder eine aktuelle Systemperformance des Kraftfahrzeug-Radarsystems zu. Hierzu kann beispielsweise in einem Speicher des Kraftfahrzeug- Radarsystems ein Kennfeld zur Bestimmung der aktuellen Reichweite und/oder der aktuellen Systemperformance abgelegt ist, das wenigstens charakteristische Zwischenfrequenzsignale (foi2= fül3 = ^D14 = ^D15 ) n <^ entsprechend zugeord¬ nete Reichweiten- und/oder Systemperformancewerte enthält. Aufgrund der bestimmten Reichweite bzw. der bestimmten Systemperformance kann eine Geschwindigkeitsempfehlung an der Fahrer des Kraftfahrzeugs signalisiert werden.

Claims

25 . 09 . 00 WjAnsprüche
1. Verfahren zur Messung des Abstands und der Geschwindigkeit von Objekten mit Hilfe elektromagnetischer Wellen bei einem Kraftfahrzeug-Radarsystem, wobei elektromagne- tische Wellen ausgesendet und gleichzeitig empfangen werden, wobei die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen rampenförmig moduliert werden, wobei wenigstens die während eines Anstiegs und eines Abfalls der Frequenz des ausgesendeten Signals empfangenen Signale mit dem jeweils ausgesendeten Signal gemischt werden, wobei mehrere Zwischenfrequenzsignale gebildet werden und wobei mit Hilfe der Zwischenfrequenzsignale der Abstand und die Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß anhand charakteri- stischer Zwischenfrequenzsignale ein Witterungszustand in der Umgebung des Kraftfahrzeugs und/oder eine Störung des Kraftfahrzeug-Radarsystems bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Zwischenfrequenzsignale dadurch bestimmt werden, daß die Zwischenfrequenzsignale zueinander ungefähr die gleiche Größe aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Witterungszustand Trockenheit oder Schlechtwetter erkannt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Störung des Kraftfahrzeug-Radarsystems eine Verschmutzung einer Abdeckung des Kraftfahrzeug- Radarsystems bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anhand des bestimmten Witterungszustandes und/oder der Störung eine Bestimmung der aktuellen Reichweite und/oder eine aktuelle Systemperformance des Kraftfahrzeug-Radarsystems durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Speicher des Kraftfahrzeug-Radarsystems ein Kennfeld zur Bestimmung der aktuellen Reichweite und/oder der aktuellen Systemperformance abgelegt ist, das wenigstens charakteristische Zwischenfrequenzsignale enthält .
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der bestimmten Systemperformance eine Geschwindigkeitsempfehlung an der Fahrer des
Kraftfahrzeugs signalisiert wird.
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