WO2010003656A1 - Verfahren zur auswertung von radarsignalen einer in industriellen umgebungen eingesetzten radarsensorik - Google Patents

Verfahren zur auswertung von radarsignalen einer in industriellen umgebungen eingesetzten radarsensorik Download PDF

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WO2010003656A1
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individual targets
detection space
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Reik Winkel
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Indurad Gmbh
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    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Definitions

  • the invention relates to a method for evaluating radar signals for the determination of objects located in a detection space swept by at least one radar transmitter-receiver antenna.
  • radar sensor used in the industrial field only a few application areas, such as level radar with a one-dimensional distance measurement, as a motion sensor, especially for the door opening or in the form of small radar sensors in the automotive sector for distance measurement and collision avoidance.
  • level radar sensors is measured only one-dimensional, with automotive radar sensors two-dimensional.
  • the evaluation in the automotive sensors is carried out using a kinematic model of the movements, which are detected by the Doppler effect.
  • this differs greatly from applications in industrial environments, as in industrial applications objects compared to the road hardly
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method of the type mentioned above, which enables surface detection and / or simultaneous collision monitoring by means of radar in the industrial field of application.
  • the basic idea of the invention is that individual targets detected by the antenna in a detection space are recorded with their distance and angle values and with the intensity values, one of the individual targets summarized on the basis of their angle and / or distance values according to a predetermined evaluation scale being one in the detection space Defines lying surface and the not attributable to this surface, located between the surface and the antenna individual targets as collision targets and evaluated separately and classified on the side facing away from the antenna surface of the individual targets are classified as ghost targets.
  • the method is particularly and preferably used for the continuous acquisition of process data in the industry, in the form of a two-dimensional detection of surface structures.
  • the principle of the invention is therefore, a creating a geometric environment model with a surface in the middle and with background disturbances and a collision area in the foreground.
  • a finite number of individual objects is formed in the form of the surface or collision objects to be detected.
  • the collision objects are no longer grouped, but are evaluated individually depending on location, depending on angle, distance, intensity and frequency.
  • a radar sensor system is first installed on fixed and / or mobile installation points.
  • the angular imaging takes place via a continuous beam pivoting or a digital beam forming using frequency-swept antennas, electronic array antennas or mechanically rotating roller antennas.
  • the raw signal recording of the radar sensor system delivers reflection centers in two-dimensional space located in a detection space, basically, in radar detection, due to the predetermined lobe shape of the detection area, several targets may be at the same angle but at different distances.
  • the aim of the procedure according to the invention is therefore to establish a clear, mathematically continuous functional relationship between angle and distance.
  • the method according to the invention is based on the principle of picking up discrete targets with at least the dimensions angle "W", distance "D”, velocity "V” and intensity "I” from the reflection centers recorded in the detection space. This results in a different finite number of individual targets per measuring cycle.
  • the distances existing in each direction between all the individual destinations detected in the detection area are calculated and the individual destinations with the respective smallest distances to each other in a successive evaluation steps to a single target class and thus to the surface to be defined become.
  • the discrete individual targets with the smallest distance from each other is assigned a same identification number and included in subsequent evaluation steps by increasing the distance threshold further individual goals and are provided in ascending with associated identification numbers, with the inclusion of already provided with an identification number individual targets in a new evaluation step these individual goals each assigned the lower identification number and thereby one of the surface to be determined corresponding individual target class is formed with each other closest targets, and wherein the evaluation steps are terminated upon reaching a predetermined termination criterion.
  • a minimum number of individual destinations detected in a single destination class and / or the extension of the individual destinations recorded in a single destination class over a predefined angle range within the detection area and / or the achievement of a predetermined distance threshold may be selected as the termination criterion.
  • the smallest distance existing between two individual targets is weighted equally in the manner of a circle weighting in the X, Y direction or that the smallest distance existing between two individual targets in the manner of an ellipse weighting X, Y direction is weighted differently.
  • an averaging function or compensation function is defined for defining the surface by all individual targets to be used, or alternatively that the individual targets acquired in a single target class used for defining the surface are averaged in angle or distance segments transversely to the distance direction and under Application of a function, interpolating in missing sections.
  • the detection space can be subdivided into equally sized angle segments and those individual targets are eliminated as ghost targets in an angle segment used for the evaluation Collision targets are classified and separately evaluated, to which adjacent peer segments have no comparable distance-bearing individual targets, and then the remaining individual targets are averaged by statistical averaging for distance and intensity, and where subsequently on the basis of the individual Angle segments were determined, the meanings taken into account the individual targets corresponding to the angle segments across the surface lying in the detection space.
  • the recorded individual targets are processed in such a way that the detection area swept by the antenna is subdivided into equally sized angle segments, which according to exemplary embodiments of the invention can have a circumferential extent of 1 degree or 0.5 degrees. However, it can also be based on any other angle range depending on the size of the detection space and the desired accuracy of the evaluation. Insofar as it is generally assumed that there are individual targets located at different distances from the radar antenna in each individual angular segment, in a first step such individual targets are classified as ghost targets in an angle segment used for the evaluation, which have no individual targets in the adjacent angular segments attributable to comparable distance values.
  • both a surface detection and a collision monitoring are generally possible, wherein the two evaluation applications can be used both individually and in combination with each other.
  • the mean values of the individual targets considered for each individual radar segment emitted at a time interval from the radar transmitter-receiver antenna are determined over a plurality of times with respect to each other following radar shots are smoothed.
  • a minimum threshold value for the intensity of the reflection is set depending on the material of the individual targets to be detected such that only targets with one above the intensity threshold value as an individual target.
  • the method can be set so ' that from the outset only metallic targets are detected with a correspondingly strong reflectivity, whereby the evaluation and differentiation of other, not significant goals is facilitated.
  • the individual destinations before the averaging with respect to the speed information contained in the returned signal are subdivided into those at high speed and those at low speed, the limit for subdividing the individual destinations into high-speed destinations and into low-speed destinations at 2m / s can be scheduled. Any other reasonable limit is also applicable within the scope of the invention.
  • the limit for subdividing the individual destinations into high-speed destinations and into low-speed destinations at 2m / s can be scheduled. Any other reasonable limit is also applicable within the scope of the invention.
  • only the low-speed targets are used for the averaging, since the surface of a located in the detection space, essentially immovable object changes little over the time unit.
  • the individual angle segments are additionally subdivided in relation to the antenna location distance-dependent zones, wherein the distance-dependent zones in such zones, in which per unit of time any number may be contained in specific zones and in zones in which objectives may only be included in a given frequency per unit of time and in zones in which no destinations may be included per unit of time.
  • green zones may be provided according to a conventional color scheme, in which any number of destinations may be included, because these targets are not located at a dangerous distance. It can then be set up yellow zones in which no targets should be included. However, if targets appear here at a certain frequency per unit of time, a message with a corresponding warning is given indicating the affected zone. Finally, red zones may be set up in which no destinations may be included. If targets appear here with a certain frequency, a message for collision warning and / or switch-off of assigned functions is issued specifying the affected distance-dependent zones.
  • the Invention provided that the high-speed targets are weighted particularly high when performing the collision monitoring.
  • the high weighting of the high-speed targets results in a correspondingly strong consideration of the mobile individual targets in the detection area.
  • the evaluation method according to the invention makes it possible to further differentiate the individual targets in the angular segments or their distance-dependent zones additionally via their geometry, the surface material and the Doppler velocity.
  • the classification adjacent angle segments containing corresponding targets are evaluated together to quantify the geometric object size.
  • the object differentiation takes place and / or via a) the determination of the backscatter cross section, b) the geometric object size and the c) relative speed.
  • an outer distance zone is provided in which the detected individual destinations are deleted, since these individual destinations are irrelevant for collision protection because of the given distance.
  • At least one reference target is arranged in a zone located near the antenna, which is determined at each radar shot, but is not included in the evaluation. Furthermore, it can be provided that a distance zone is predetermined in which individual targets must be present for monitoring the sensor functionality.
  • FIG. 1 a schematic representation is shown in the drawing, wherein in Figure 1, a determination of the surface profile by means of a radar transmitter-receiver antenna 20 is shown.
  • a detection space 10 is divided into individual angle segments 1 1, which are to be based on the evaluation steps.
  • individual targets 13 which lie over the respective adjacent angle segments 1 1 away in an approximately equal distance range, this results in a surface contour, which is illustrated by a line 15.
  • a point accumulation of individual targets 12a lies on the side of the surface contour 15 remote from the radar transceiver antenna 20, and these individual targets 12a are classified as ghost targets and excreted.
  • these individual targets 12b are also separated from the individual targets 13, but classified not as ghost targets, but as collision objects and possibly subjected to a separate evaluation.
  • FIG. 2 schematically shows that the individual angle segments 11 are additionally subdivided by the definition of distance-dependent zones, so that distance-dependent zone segments 16 result in each angle segment 11.
  • the distances existing between all detected in the detection space 10 individual distances are calculated in each direction, wherein in a first evaluation step with a predetermined first range threshold assigned to the discrete targets with the smallest distance from each other a same identification number.
  • subsequent evaluation steps with an enlargement of the distance threshold further individual destinations are included and provided with an assigned identification number in ascending order.
  • the smallest distance in the X, Y direction may be equally weighted (circular weighted) or it may be weighted differently (Elypsen weighting).
  • n> 3 would have to be or, in the case of FIG. 1, the angular range would have to be> 50% of the angular range detected by the detection space.
  • the individual targets attributable to the surface 15 are averaged in angle or distance sections transversely to the distance direction (cross-range) (for example, mean, median) and connected to function (eg, spline), interpolating in missing sections , or an average function, for example in the form of a polynomial, is set by all the individual targets attributable to the surface 15.
  • cross-range for example, mean, median
  • function eg, spline
  • the inventive method can be used advantageously in particular in mining, because
  • due to a poor visibility caused by the dust load often fails an alternative to the radar sensor according to the invention forming and in industrial applications to a large extent already introduced laser technology.
  • the method can be used for monitoring the environment of mining machines used in underground mining as well as in over-mining, for which purpose the determination and monitoring of the surface profile is expedient.
  • the surface determination enables the acquisition of shotcrete jobs in tunneling and tunneling and the reinforcement of embankments. The same applies to the detection of protection zones in opencast mines along the ramps, which are identifiable via the radar sensor system.
  • Carrying out a collision monitoring evaluation may be useful for monitoring the space between the antenna and the surface of industrial vehicles or machinery and mechanical equipment as well as performing access control.

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Abstract

Verfahren zur Auswertung von Radarsignalen für die Bestimmung von in einem von wenigstens einer Radar-Sender-Empfänger-Antenne überstrichenen Erfassungsraum befindlichen Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass von der Antenne (20) in einem Erfassungsraum (10) erfasste Einzelziele (12a, 12b, 13) mit ihren Entfernungs- und Winkelwerten sowie mit den Intensitätswerten aufgenommen werden, wobei aus den aufgrund ihrer Winkel- und/oder Entfernungswerte nach einem vorgegebenen Auswertungsmaßstab zusammengefassten Einzelzielen eine im Erfassungsraum liegende definierte Oberfläche gebildet und die nicht der Oberfläche zuzuordnenden, zwischen der Oberfläche und der Antenne (20) gelegenen Einzelziele als Kollisionsziele (12b) klassifiziert und gesondert ausgewertet werden und die auf der der Antenne (20) abgewandten Seite der Oberfläche gelegenen Einzelziele als Geisterziele (12a) klassifiziert werden.

Description

WIN 18879 au29
Verfahren zur Auswertung von Radarsignalen einer in industriellen Umgebungen eingesetzten Radarsensorik
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Radarsignalen für die Bestimmung von in einem von wenigstens einer Radar-Sender-Empfänger- Antenne überstrichenen Erfassungsraum befindlichen Objekten.
Neben der bekannten Anwendung der Radartechnik in der Überwachung der Bewegungen von Flugzeugen und Schiffen findet bisher Radarsensorik im industriellen Bereich nur auf einigen wenigen Anwendungsgebieten Anwendung, wie beispielsweise als Füllstandsradar mit einer eindimensionalen Distanzmessung, als Bewegungsmelder insbesondere für die Türöffnung oder in Form von Radar-Kleinsensoren im Automobilbereich zur Abstandsmessung und Kollisionsyermeidung. Mit Füllstandsradarsensoren wird nur eindimensional gemessen, mit Automotiv-Radarsensoren zweidimensional. Die Auswertung bei den Automotiv-Sensoren erfolgt unter Nutzung eines kinematischen Modells der Bewegungen, welche durch den Doppler-Effekt erfasst werden. Dies unterscheidet sich jedoch stark von Anwendungen in industriellen Umgebungen, da sich bei industriellen Anwendungen Objekte im Vergleich zum Straßenverkehr kaum
BESTÄTIGUNQSKOPie beziehungsweise Kollisionsobjekte in alle drei Raumrichtungen bewegen können. Damit ist der im Automotivbereich gebräuchliche Modellansatz nicht mehr möglich. Weiterhin erfolgt keine Bestimmung der Oberflächenkontur von Objekten, sondern nur eine Längen- und Breitenschätzung entsprechender Obj ekte, welche insbesondere an ausgedehnten Obj ekten wie Böschungen oder Erdwällen scheitert. Damit ist die Radarsensorik bisher in solchen Fällen nicht einsetzbar, in denen es beispielsweise um die Erfassung und/oder Überwachung und/oder eine gleichzeitige Kollisionsüberwachung mittels Radar ermöglicht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches im industriellen Anwendungsbereich eine Oberflächenerfassung und/oder eine gleichzeitige Kollisionsüberwachung mittels Radar ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung nachgestellt sind.
Die Erfindung sieht in ihrem Grundgedanken vor, dass von der Antenne in einem Erfassungsraum erfasste Einzelziele mit ihren Entfernungs- und Winkelwerten sowie mit den Intensitätswerten aufgenommen werden, wobei aus den aufgrund ihrer Winkel- und/oder Entfernungswerte nach einem vorgegebenen Auswertungsmaßstab zusammengefassten Einzelzielen eine im Erfassungsraum liegende Oberfläche definiert und die nicht dieser Oberfläche zuzuordnenden, zwischen der Oberfläche und der Antenne gelegenen Einzelziele als Kollisionsziele klassifiziert und gesondert ausgewertet werden und die auf der der Antenne abgewandten Seite der Oberfläche gelegenen Einzelziele als Geisterziele klassifiziert werden. Somit dient das Verfahren insbesondere und bevorzugt zur kontinuierlichen Erfassung von Prozessdaten in der Industrie, und zwar in Form einer zweidimensionalen Erfassung von Oberflächenstrukturen. Das Prinzip der Erfindung besteht demnach darin, ein geometrisches Umgebungsmodell mit einer Oberfläche in der Mitte sowie mit Störungen im Hintergrund und mit einem Kollisionsbereich im Vordergrund zu schaffen. Es wird eine endliche Anzahl von Einzelobj ekten in Form der zu erfassenden Oberfläche beziehungsweise der Kollisionsobjekte gebildet. Die Kollisionsobjekte werden nicht weiter gruppiert, sondern werden ortsabhängig, in Abhängigkeit von Winkel, Entfernung, Intensität und Häufigkeit, einzeln bewertet.
Zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst eine Radarsensorik auf festen und/oder mobilen Aufstellpunkten installiert. Die Winkelabbildung erfolgt dabei über eine kontinuierliche Strahlschwenkung oder eine digitale Strahlformung unter Einsatz von frequenzgeschwenkten Antennen, elektronischen Gruppenantennen oder mechanisch drehenden Walzenantennen. Soweit die vorgenannten Aspekte zur Ausbildung der Radarsensorik an sich bekannt sind, bilden diese keinen Bestandteil der Erfindung.
Soweit die Rohsignalaufnahme der Radarsensorik in einem Erfassungsraum befindliche Reflektionszentren im zweidimensionalen Raum liefert, können grundsätzlich bei der Radarerfassung aufgrund der vorgegebenen Keulenform des Erfassungsbereichs mehrere Ziele im gleichen Winkel, jedoch in unterschiedlichen Entfernungen liegen. Das Ziel der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist es somit, einen eindeutigen, mathematisch stetigen funktionalen Zusammenhang zwischen Winkel und Entfernung aufzustellen. Dabei beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf dem Prinzip, aus den im Erfassungsraum aufgenommenen Reflektionszentren diskrete Ziele mit mindestens den Dimensionen Winkel „W", Entfernung „D", Geschwindigkeit „V" und Intensität „I" aufzunehmen. Dabei entsteht pro Messzyklus eine unterschiedliche endliche Zahl an Einzelzielen. Diese Einzelziele werden nun derart verarbeitet, dass die Erfassung einer im Erfassungsraum liegenden definierten Oberfläche, von Kollisionszielen sowie von Geisterzielen ermöglicht ist. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die in jeder Richtung zwischen allen im Erfassungsraum detektierten Einzelzielen bestehenden Abstände berechnet und in mehreren aufeinander folgenden Auswertungsschritten nach und nach die Einzelziele mit den jeweils geringsten Entfernungen zueinander zu einer Einzelzielklasse und damit zu der zu definierendenOberfläche zusammengefasst werden.
Im einzelnen kann vorgesehen sein, dass in einem ersten Auswertungsschritt den diskreten Einzelzielen mit dem geringsten Abstand zueinander jeweils eine gleiche Identifikationsnummer zugeordnet wird und in nachfolgenden Auswertungsschritten durch eine Vergrößerung des Entfernungsschwellwertes weitere Einzelziele einbezogen und aufsteigend mit zugeordneten Indentifikationsnummern versehen werden, wobei bei Einbeziehung von bereits mit einer Identifikationsnummer versehenen Einzelzielen in einem neuen Auswertungsschritt diesen Einzelzielen jeweils die geringere Identifizierungsnummer zugeordnet und dadurch eine der festzulegenden Oberfläche entsprechende Einzelzielklasse mit miteinander nächstliegenden Einzelzielen gebildet wird, und wobei die Auswertungsschritte bei Erreichen eines vorgegebenen Abbruchkriteriums beendet werden. Hierzu kann als Abbruchkriterium eine Mindestanzahl von in einer Einzelzielklasse erfassten Einzelzielen und/oder die Erstreckung der in einer Einzelzielklasse erfassten Einzelziele über einen vorgegebenen Winkelbereich innerhalb des Erfassungsraumes und/oder das Erreichen eines vorbestimmten Entfernungsschwellwertes gewählt sein.
Im Rahmen der Durchführung des Verfahrens kann alternativ vorgesehen sein, dass der zwischen zwei Einzelzielen bestehende geringste Abstand nach Art einer Kreis-Gewichtung in X, Y-Richtung gleich gewichtet ist oder dass der zwischen zwei Einzelzielen bestehende geringste Abstand nach Art einer Elipsen-Gewichtung in X, Y-Richtung unterschiedlich gewichtet ist. Zur Interpolation beziehungsweise Glättung kann vorgesehen sein, dass zur Definition der Oberfläche durch alle jeweils dazu heranzuziehenden Einzelziele eine Mittelungsfunktion beziehungsweise Ausgleichsfunktion gelegt wird, oder alternativ dass die zur Definition der Oberfläche herangezogenen, in einer Einzelzielklasse erfassten Einzelziele in Winkeloder Distanzabschnitten quer zur Entfernungsrichtung gemittelt und unter Anwendung einer Funktion verbunden werden, wobei in fehlenden Abschnitten eine Interpolation vorgenommen wird.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann hinsichtlich der Auswertung der mit ihren Entfernungs- und Winkelwerten sowie mit den Intensitätswerten aufgenommenen Einzelziele vorgesehen sein, dass der Erfassungsraum in gleich große Winkelsegmente unterteilt wird und in einem jeweils zur Auswertung herangezogene Winkelsegment diejenigen Einzelziele als Geisterziele ausgeschieden beziehungsweise als Kollisionsziele klassifiziert und gesondert ausgewertet werden, denen in den benachbarten Winkelsegmenten keine vergleichbare Entfernungswerte aufweisenden Einzelziele zuzuordnen sind, und anschließend den verbleibenden Einzelzielen im Wege einer statistischen Mittelung Mittelwerte für die Entfernung und die Intensität zugeordnet werden, und wobei nachfolgend auf der Basis der für die einzelnen Winkelsegmente ermittelten, den berücksichtigten Einzelzielen entsprechenden Mittelwerte über die Winkelsegmente hinweg die im Erfassungsraum liegende Oberfläche definiert wird.
Im Rahmen der Auswertung werden die aufgenommenen Einzelziele derart bearbeitet, dass der von der Antenne überstrichene Erfassungsraum in gleichgroße Winkelsegmente unterteilt wird, die nach Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Umfangserstreckung von 1 Grad oder 0,5 Grad aufweisen können. Es kann jedoch auch in Abhängigkeit von der Größe des Erfassungsraums und der gewünschten Genauigkeit der Auswertung jeder andere Winkelbereich zugrundegelegt werden. Soweit in der Regel von dem Vorhandensein von in unterschiedlichen Entfernungen von der Radar-Antenne befindlichen Einzelzielen in jedem einzelnen Winkelsegment auszugehen ist, werden in einem ersten Schritt solche Einzelziele in einem jeweils zur Auswertung herangezogenen Winkelsegment als Geisterziele eingeordnet, denen in den benachbarten Winkelsegmenten keine Einzelziele mit vergleichbaren Entfernungswerten zuzuordnen sind. Dies lässt nämlich im Wege einer hierdurch angestellten Plausibilitätsprüfung den Schluss zu, dass in dem betreffenden Entfernungsbereich ein sich über mehrere Winkelsegmente erstreckendes Obj ekt nicht vorhanden ist. Diese als Geisterziele klassifizierten Einzelziele werden für die weitere Auswertung eliminiert. Den verbleibenden Einzelzielen jedes einzelnen Winkelsegments werden zur Vereinfachung der weiteren Auswertung im Wege einer statistischen Mittelung Mittelwerte für die Entfernung und die Intensität zugeordnet, wobei nachfolgend auf der Basis der für die einzelnen Winkelsegmente ermittelten, den berücksichtigten Einzelzielen entsprechenden Mittelwerte über die Winkelsegmente hinweg eine im Erfassungsraum befindliche Oberfläche bestimmt wird.
Wie noch zu beschreiben sein wird, ist mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise generell sowohl eine Oberflächenerfassung wie auch eine Kollisionsüberwachung möglich, wobei die beiden Auswertungsanwendungen sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination miteinander anwendbar sind.
Soweit selbst bei in einem Winkelsegment vorhandenen Einzelzielen nicht in jedem Fall eine Reflektion der Radarstrahlen zurück zur Antenne vorausgesetzt werden kann, ist nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass in einem zur Auswertung herangezogenen Winkelsegment im Falle eines Fehlens von Einzelzielen in einem durch die Mittelwerte der benachbarten Winkelsegmente definierten Entfernungsbereich das betroffene Winkelsegment durch Ansatz von den benachbarten Winkelsegmenten entsprechenden Mittelwerten hinsichtlich eines unterstellten Vorhandenseins von Einzelzielen mit mathematischen Funktionen (wie Spline, Polygon) interpoliert und die vorhandenen Einzelziele geglättet werden.
Um ein gleichmäßiges Bild von der im Erfassungsraum gegebenenfalls befindlichen Oberfläche zu erhalten, kann vorgesehen sein, dass die bei jedem im Zeitabstand von der Radar-Sender-Empfänger-Antenne abgesetzten Radarschuss für die einzelnen Winkelsegmente ermittelten Mittelwerte der berücksichtigten Einzelziele über eine Mehrzahl von zeitlich aufeinander folgenden Radarschüssen geglättet werden.
Soweit in einem Erfassungsraum auch Einzelziele vorhanden sein können, an deren weiterer Detektion kein Interesse besteht, kann vorgesehen sein, dass ein Mindest-Schwellwert für die Intensität der Rückstrahlung in Abhängigkeit von dem Material der zu erfassenden Einzelziele gesetzt wird derart, dass nur Ziele mit einem oberhalb des Intensitätsschwellwertes gelegenen Intensitätswert als Einzelziel berücksichtigt werden. Hiermit'kann je nach den vorliegenden Gegebenheiten das Verfahren so eingestellt werden,' dass von vorneherein nur beispielsweise metallische Ziele mit einem entsprechend starken Reflektionsvermögen erfasst werden, wodurch die Auswertung und Unterscheidung von anderen, nicht bedeutsamen Zielen erleichtert wird.
Im Hinblick auf unterschiedliche Auswertungsanwendungen kann vorgesehen sein, dass die Einzelziele vor der Mittelwertbildung bezüglich der in dem zurückgestrahlten Signal enthaltenen Geschwindigkeitsinformation in solche mit Hochgeschwindigkeit und in solche mit Niedriggeschwindigkeit unterteilt werden, wobei der Grenzwert für die Unterteilung der Einzelziele in Hochgeschwindigkeitsziele und in Niedriggeschwindigkeitsziele bei 2m/s angesetzt sein kann. Jeder andere sinnvolle Grenzwert ist im Rahmen der Erfindung ebenfalls anwendbar. Soweit es im Rahmen der Erfindung um die Erfassung beziehungsweise Bestimmung einer Oberfläche oder um die Ermittlung des Oberflächenprofils eines im Erfassungsraum befindlichen Objektes geht, werden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nur die Niedriggeschwindigkeitsziele für die Mittelwertbildung herangezogen, da die Oberfläche eines im Erfassungsraum befindlichen, im wesentlichen unbeweglichen Objektes sich über der Zeiteinheit wenig ändert.
Besteht dagegen eine Zielrichtung der Auswertung in der Durchführung einer Kollisionsüberwachung hinsichtlich beweglicher Einzelziele, so kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Winkelsegmente zusätzlich in bezogen auf den Antennenstandort entfernungsabhängige Zonen unterteilt werden, wobei die entfernungsabhängigen Zonen in solche Zonen, in denen pro Zeiteinheit eine beliebige Anzahl von Einzelzielen enthalten sein dürfen, und in solche Zonen, in denen pro Zeiteinheit Ziele lediglich mit einer vorgegebenen Häufigkeit enthalten sein dürfen, und in solche Zonen, in denen pro Zeiteinheit keine Ziele enthalten sein dürfen, unterteilt sind.
Dabei können entsprechend einer üblichen Farbgebung grüne Zonen vorgesehen sein, in denen eine beliebige Anzahl von Zielen enthalten sein kann, weil sich diese Ziele nicht in einer gefahrbringenden Entfernung befinden. Es können sodann gelbe Zonen eingerichtet sein, in denen keine Ziele enthalten sein sollen. Erscheinen hier jedoch Ziele mit einer bestimmten Häufigkeit pro Zeiteinheit, wird eine Nachricht mit einem entsprechenden Warnhinweis unter Angabe der betroffenen Zone abgegeben. Schließlich können rote Zonen eingerichtet sein, in denen keine Ziele enthalten sein dürfen. Erscheinen hier Ziele mit einer bestimmten Häufigkeit, wird eine Nachricht zur Kollisionswarnung und/oder Abschaltung von zugeordneten Funktionen unter Angabe der betroffenen entfernungsabhängigen Zonen abgesetzt.
Ist davon auszugehen, dass im Erfassungsraum ganz überwiegend bewegliche Einzelziele anzutreffen sind, so ist nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass bei der Durchführung der Kollisionsüberwachung die Hochgeschwindigkeitsziele besonders hoch gewichtet werden. Die hohe Gewichtung der Hochgeschwindigkeitsziele hat eine entsprechend starke Berücksichtigung der beweglichen Einzelziele im Erfassungsraum zur Folge.
In Anwendungsfällen, in denen im Erfassungsraum bewegliche Objekte beziehungsweise Einzelziele vorhanden sind, die sich vor einer radarmäßig zu erfassenden Oberfläche bewegen, kann nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung alternativ vorgesehen sein, dass bei der Durchführung der Kollisionsüberwachung mit im Erfassungsraum sowohl beweglichen Objekten als auch stehenden und somit der Ermittlung ihres Oberflächenprofils zugänglichen Objekten nur die Hochgeschwindigkeitsziele herangezogen werden. Damit werden die eine Oberfläche eines stehenden Objektes versinnbildlichenden Einzelziele herausgefiltert.
Das erfindungsgemäße Auswertungsverfahren ermöglicht dabei eine weitergehende Differenzierung der Einzelziele in den Winkelsegmenten beziehungsweise deren entfernungsabhängigen Zonen zusätzlich über deren Geometrie, das Oberflächenmaterial und die Doppler-Geschwindigkeit. Bei der Klassifikation werden benachbarte Winkelsegmente, in denen entsprechende Ziele enthalten sind, gemeinsam ausgewertet, um die geometrische Objektgröße zu quantifizieren. Die Objektdifferenzierung erfolgt und/oder über a) die Ermittlung des Rückstreuquerschnitts, b) die geometrische Objektgröße und die c) Relativgeschwindigkeit.
In Ergänzung zu den Zonenunterteilung kann nach einem Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass eine äußere Entfernungszone vorgesehen ist, in der die erfassten Einzelziele gelöscht werden, da diese Einzelziele aufgrund der gegebenen Entfernung für einen Kollisionsschutz unerheblich sind.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in einer nahe der Antenne gelegenen Zone wenigstens ein Referenzziel angeordnet ist, welches bei jedem Radarschuss ermittelt wird, j edoch nicht in die Auswertung einbezogen wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass eine Entfernungszone vorgegeben ist, in denen Einzelziele vorhanden sein müssen zur Überwachung der Sensorfunktionalität.
Hierzu ist in der Zeichnung eine schematische Darstellung wiedergegeben, wobei in Figur 1 eine Ermittlung des Oberflächenprofils mittels eines Radar- Sender-Empfänger-Antenne 20 wiedergegeben ist. Zur Anwendung der erfindungsgemäß auf Winkelsegmente gestützten Auswertung ist ein Erfassungsraum 10 in einzelne Winkelsegmente 1 1 unterteilt, die jeweils den Auswerteschritten zugrundezulegen sind. Es sind Einzelziele 12a, b im Erfassungsraum dargestellt, hinsichtlich derer erkennbar ist, dass es sich nicht um einer im Erfassungsraum 10 befindlichen Oberfläche zuzuordnende Ziele handelt, weil sie sich nicht über eine größere Anzahl von benachbarten Winkelsegmenten 1 1 des Erfassungsraumes 10 erstrecken. Soweit Einzelziele 13 dargestellt sind, die über die jeweils angrenzenden Winkelsegmente 1 1 hinweg in einem in etwa gleichen Entfernungsbereich liegen, ergibt sich daraus eine Oberflächenkontur, die mit einer Linie 15 verdeutlich ist. Bezogen auf diese Oberflächenkontur 15 liegt eine punktuelle Anhäufung von Einzelzielen 12a auf der von der Radar-Sender-Empfänger-Antenne 20 entfernt liegenden Seite der Oberflächenkontur 15, und diese Einzelziele 12a werden als Geisterziele klassifiziert und ausgeschieden. Soweit auch in dem Raum zwischen der Radar-Sender-Empfänger-Antenne 20 und der Oberflächenkontur 15 eine punktuelle Anhäufung von Einzelzielen 12b erkennbar ist, werden diese Einzelziele 12b ebenfalls von den Einzelzielen 13 getrennt, jedoch nicht als Geisterziele, sondern als Kollisionsobjekte klassifiziert und gegebenenfalls einer gesonderten Auswertung unterzogen.
In Figur 2 ist schematisch dargestellt, dass die einzelnen Winkelsegmente 1 1 durch die Festlegung von entfernungsabhängigen Zonen zusätzlich unterteilt sind, so dass sich in jedem Winkelsegment 1 1 entfernungsabhängige Zonensegmente 16 ergeben. Bei einer Anwendung der insbesondere entfernungsbezogenen Auswertung werden in jeder Richtung die zwischen allen im Erfassungsraum 10 detektierten Einzelzielen bestehenden Abstände berechnet, wobei in einem ersten Auswertungsschritt mit einem vorgegebenen ersten Entfernungsschwellwert den diskreten Einzelzielen mit dem geringsten Abstand zueinander jeweils eine gleiche Identifikationsnummer zugeordnet. In nachfolgenden Auswertungsschritten mit einer Vergrößerung des Entfernungsschwellwertes werden weitere Einzelziele einbezogen und aufsteigend mit zugeordneten Identifikationsnummer versehen. Dabei kann der geringste Abstand in X, Y-Richtung gleich gewichtet sein (Kreis- gewichtet) oder er kann unterschiedlich gewichtet sein (Elypsen-Gewichtung). Haben nach mehreren Auswertungsschritten die zwei nächstliegenden Einzelziele bereits eine Identifikationsnummer, wird die geringere Identifikationsnummer auf die entsprechenden Einzelziele übertragen, so dass sich eine zugeordnete Einzelzielklasse ergibt. Diese Vorgehensweise mit aufeinanderfolgenden Auswertungsschritten wird über eine vorgegebene Mindestanzahl der vorhandenen Einzelziele durchgeführt und solange fortgesetzt, bis entweder nur noch eine Mindestanzahl n an unterschiedlichen Identifikationsnummern vorhanden ist oder eine der Einzelzielklassen sich über einen vorgegebenen Winkelbereich innerhalb des Erfassungsraumes erstreckt. Beispielsweise müsste im Fall der Darstellung von Figur 1 n > 3 sein beziehungsweise müsste der Winkelbereich im Falle von Figur 1 > 50% des vom Erfassungsraum erfassten Winkelbereiches sein. Zur Interpolation/Glättung werden die der Oberfläche 15 zuzurechnenden Einzelziele in Winkel- oder Distanzabschnitten quer zur Entfernungsrichtung (cross-range) gemittelt (zum Beispiel Mittelwert, Median) und mit Funktion (z. B. Spline) verbunden, wobei in fehlenden Abschnitten interpoliert wird, oder es wird durch alle der Oberfläche 15 zuzurechnenden Einzelziele eine Mittelungsfunktion, beispielsweise in Form eines Polynoms, gelegt.
Nach Ausführungsbeispielen der Erfindung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise insbesondere im Bergbau einsetzen, weil hier aufgrund einer durch die Staubbelastung bedingten schlechten Sicht häufig die eine Alternative zur erfindungsgemäßen Radarsensorik bildende und in der industriellen Anwendung in größerem Umfang bereits eingeführte Lasertechnik versagt.
So ist nach Ausführungsbeispielen der Erfindung das Verfahren zur Überwachung der Umgebung von im untertägigen wie auch im übertätigen Bergbau eingesetzten Gewinnungsmaschinen einsetzbar, wobei hierfür die Ermittlung und Überwachung des Oberflächenprofils zweckmäßig ist. Entsprechendes gilt auch für die Überwachung von Förderströmen auf Bandanlagen und bei der Schiffs- oder Zugbeladung, ferner für die Abbildung der Oberflächen von Schüttguthalden, Schüttgutlagerplätzen oder Schüttgutbunker. Ebenfalls lassen sich mit der Oberflächenermittlung Spritzbetonaufträge im Stollen- und Tunnelbau und bei der Verstärkung von Böschungen erfassen. Gleiches gilt auch für die Erfassung von Schutzzonen in Tagebauen entlang der Rampen, die über die Radarsensorik identifizierbar sind.
Die Durchführung einer Auswertung im Hinblick auf eine Kollisionsüberwachung kann sich empfehlen zur Überwachung des Raumes zwischen der Antenne und der Oberfläche von Industriefahrzeugen oder Maschinen und maschinellen Ausrüstungen wie auch bei der Durchführung einer Zugangskontrolle.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und der Zeichnung offenbarten Merkmale des Gegenstandes dieser Unterlagen können einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Auswertung von Radarsignalen für die Bestimmung von in einem von wenigstens einer Radar-Sender-Empfänger-Antenne überstrichenen Erfassungsraum befindlichen Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass von der Antenne (20) in einem Erfassungsraum (10) erfasste Einzelziele (12a, 12b, 13) mit ihren Entfernungs- und Winkelwerten sowie mit den Intensitätswerten aufgenommen werden, wobei aus den aufgrund ihrer Winkel- und/oder Entfernungswerte nach einem vorgegebenen Auswertungsmaßstab zusammengefassten Einzelzielen eine im Erfassungsraum liegende Oberfläche ( 15) definiert und die nicht dieser Oberfläche (15) zuzuordnenden, zwischen der Oberfläche ( 15) und der Antenne (20) gelegenen Einzelziele als Kollisionsziele (12b) klassifiziert und gesondert ausgewertet werden und die auf der der Antenne (20) abgewandten Seite der Oberfläche gelegenen Einzelziele als Geisterziele (12a) klassifiziert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Richtung zwischen allen im Erfassungsraum ( 10) detektierten Einzelzielen (12a, 12b, 13) bestehenden Abstände berechnet und in mehreren aufeinander folgenden Auswertungsschritten nach und nach die Einzelziele mit den jeweils geringsten Entfernungen zueinander zu einer Einzelzielklasse und damit zu der zu bestimmenden Oberfläche ( 15) zusammengefasst werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Auswertungsschritt den diskreten Einzelzielen mit dem geringsten Abstand zueinander jeweils eine gleiche Identifikationsnummer zugeordnet wird und in nachfolgenden Auswertungsschritten durch eine Vergrößerung des Entfernungsschwellwertes weitere Einzelziele einbezogen und aufsteigend mit zugeordneten Indentifikationsnummern versehen werden, wobei bei Einbeziehung von bereits mit einer Identifikationsnummer versehenen Einzelzielen in einem neuen Auswertungsschritt diesen Einzelzielen jeweils die geringere Identifizierungsnummer zugeordnet und dadurch eine der festzulegenden Oberfläche ( 15) entsprechende Einzelzielklasse mit miteinander nächstliegenden Einzelzielen gebildet wird, und wobei die Auswertungsschritte bei Erreichen eines vorgegebenen Abbruchkriteriums beendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Abbruchkriterium eine Mindestanzahl von in einer Einzelzielklasse erfassten Einzelzielen und/oder die Erstreckung der in einer Einzelzielklasse erfassten Einzelziele über einen vorgegebenen Winkelbereich innerhalb des Erfassungsraumes und/oder das Erreichen eines vorbestimmten Entfernungsschwellwertes gewählt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen zwei Einzelzielen bestehende geringste Abstand nach Art einer Kreis-Gewichtung in X, Y-Richtung gleich gewichtet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen zwei Einzelzielen bestehende geringste Abstand nach Art einer Elipsen-Gewichtung in X, Y-Richtung unterschiedlich gewichtet ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Definition der Oberfläche ( 15) durch alle jeweils dazu heranzuziehenden Einzelziele eine Mittelungsfunktion beziehungsweise Ausgleichfunktion gelegt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Definition der Oberfläche herangezogenen, in einer Einzelzielklasse erfassten Einzelziele in Winkel- oder Distanzabschnitten quer zur Entfernungsrichtung gemittelt und unter Anwendung einer Funktion verbunden werden, wobei in fehlenden Abschnitten eine Interpolation vorgenommen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsraum (10) in gleich große Winkelsegmente unterteilt wird und in einem jeweils zur Auswertung herangezogene Winkelsegment (1 1 ) diejenigen Einzelziele als Geisterziele (12a) ausgeschieden beziehungsweise als Kollisionsziele ( 12b) klassifiziert und gesondert ausgewertet werden, denen in den benachbarten Winkelsegmenten ( 1 1 ) keine vergleichbare Entfernungswerte aufweisenden Einzelziele zuzuordnen sind, und anschließend den verbleibenden Einzelzielen ( 13) im Wege einer statistischen Mittelung Mittelwerte für die Entfernung und die Intensität zugeordnet werden, und wobei nachfolgend auf der Basis der für die einzelnen Winkelsegmente ( 1 1 ) ermittelten, den berücksichtigten Einzelzielen (13) entsprechenden Mittelwerte über die Winkelsegmente (1 1 ) hinweg die im Erfassungsraum (10) liegende Oberfläche (15) definiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zur Auswertung herangezogenen Winkelsegment ( 1 1 ) im Falle eines Fehlens von Einzelzielen in einem durch die Mittelwerte der benachbarten Winkelsegmente ( 1 1 ) definierten Entfernungsbereich das betroffene Winkelsegment (1 1 ) durch Ansatz von den benachbarten Winkelsegmenten (1 1 ) entsprechenden Mittelwerten hinsichtlich eines unterstellten Vorhandenseins von Einzelzielen ( 13) interpoliert wird.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelsegmente ( 1 1 ) eine Erstreckung von 1 Grad aufweisen.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelsegmente ( 1 1 ) eine Erstreckung von 0,5 Grad aufweisen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die bei jedem im Zeitabstand von der Radar- Sender-Empfänger-Antenne (20) abgesetzten Radarschuss für die einzelnen Winkelsegmente ( 1 1 ) ermittelten Mittelwerte der berücksichtigten Einzelziele (13) über eine Mehrzahl von zeitlich aufeinander folgenden Radarschüssen geglättet werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Mindest-Schwellwert für die Intensität der Rückstrahlung in Abhängigkeit von dem Material der zu erfassenden Einzelziele ( 12, 13) gesetzt wird derart, dass nur Ziele mit einem oberhalb des Intensitätsschwellwertes gelegenen Intensitätswert als Einzelziel berücksichtigt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelziele (12, 13) vor der Mittelwertbildung bezüglich der in dem zurückgestrahlten Signal enthaltenen Geschwindigkeitsinformation in solche mit Hochgeschwindigkeit und in solche mit Niedriggeschwindigkeit unterteilt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert für die Unterteilung der Einzelziele ( 12, 13) in Hochgeschwindigkeitsziele und in Niedriggeschwindigkeitsziele bei 2 m/s angesetzt ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Oberflächenprofils ( 15) eines im Erfassungsraum ( 10) befindlichen Objektes nur die Niedriggeschwindigkeitsziele für die Mittelwertbildung herangezogen werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung einer Kollisionsüberwachung die einzelnen Winkelsegmente (1 1) zusätzlich in bezogen auf den Antennenstandort entfernungsabhängige Zonen ( 16) unterteilt werden, wobei die entfernungsabhängigen Zonen ( 16) in solche Zonen, in denen pro Zeitabschnitt eine beliebige Anzahl von Einzelzielen enthalten sein dürfen, und in solche Zonen, in denen pro Zeitabschnitt Ziele lediglich mit einer vorgegebenen Häufigkeit enthalten sein dürfen, und in solche Zonen, in denen pro Zeitabschnitt keine Ziele enthalten sein dürfen, unterteilt sind.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung der Kollisionsüberwachung die Hochgeschwindigkeitsziele besonders hoch gewichtet werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Durchführung der Kollisionsüberwachung mit im Erfassungsraum ( 10) sowohl beweglichen Objekten als auch stehenden und somit der Ermittlung ihres Oberflächenprofils zugänglichen Objekten nur die Hochgeschwindigkeitsziele herangezogen werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Entfernungszone vorgesehen ist, in der die erfassten Einzelziele gelöscht werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass in einer nahe der Antenne gelegenen Zone wenigstens ein Referenzziel angeordnet ist, welches bei jedem Radarschuss ermittelt wird, jedoch nicht in die Auswertung einbezogen wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entfernungszone vorgegeben ist, in denen Einzelziele vorhanden sein müssen zur Überwachung der Sensorfunktionalität.
24. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Überwachung der Umgebung von im untertägigen wie auch im übertägigen Bergbau eingesetzten Gewinnungsgeräten.
25. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Überwachung von Förderströmen auf Bandanlagen und bei der Schiffsoder Zugbeladung.
26. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Abbildung der Oberflächen von Schüttguthalden, Schüttgutlagerplätzen, Schüttgutbunkern.
27. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Erfassung des Spritzbetonauftrages im Stollen- und Tunnelbau und bei der Verstärkung von Böschungen.
28. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Erfassung von Schutzbermen im Tagebauen entlang der Rampen.
29. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Überwachung des Raumes zwischen der Antenne (20) und der Oberfläche von Industriefahrzeugen oder Maschinen und maschinellen Ausrüstungen.
30. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 23 im Rahmen der Durchführung einer Zugangskontrolle.
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