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DE10050278A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit eines entfernten Objektes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit eines entfernten Objektes

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DE10050278A1
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Abstract

Die Bestimmung von Abstand R und Relativgeschwindigkeit v wenigstens eines entfernten Objekts von einem Beobachtungspunkt mit Hilfe von vom Beobachtungspunkt ausgesandten elektromagnetischen Signalen in Form von abwechselnd ausgesandten Signalabschnitten (A, B) einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz, die nach einer Reflektion an dem Objekt empfangen und ausgewertet werden, gelingt mit einer hohen Genauigkeit und einer kurzen Reaktionszeit dadurch, dass die Signalabschnitte (A, B) der beiden Frequenzen während eines Messintervalls über einen Modulationsbereich (f¶Sweep¶) um jeweils einen Frequenzschritt (f¶Incr¶) verschoben ausgesandt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Abstand und Relativge­ schwindigkeit eines entfernten Objektes von einem Beobachtungspunkt mit Hilfe von vom Beobachtungspunkt ausgesandten elektromagnetischen Signalen vorzugsweise Radarsignalen, in Form von abwechselnd ausgesandten Signalabschnitten einer er­ sten Frequenz und einer zweiten Frequenz, die nach einer Reflektion an dem Objekt empfangen und ausgewertet werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Vorrichtung zur Bestimmung von Abstand und Rela­ tivgeschwindigkeit eines entfernten Objektes zur Vorrichtung mit Hilfe einer elektro­ magnetischen Sendeeinrichtung vorzugsweise Radarsendeeinrichtung, zur Aussen­ dung von Signalabschnitten einer ersten und einer zweiten Frequenz und einer Empfangseinrichtung zum Empfang der von dem Objekt reflektierten Signalab­ schnitte.
Das Hauptanwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung im Automobilbereich, wo derartige Verfahren zur adaptiven Zielführung mit 77 GHz- Radaren bekannt sind. Für Sicherheitsanwendungen wie die Verhinderung von Zu­ sammenstößen oder ein führerloses Fahren wird eine hohe Zuverlässigkeit und ge­ ringe Reaktionszeit benötigt, die in den bisherigen Zielführungssystemen nicht reali­ siert ist.
Das eingangs erwähnte gattungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrich­ tung beruhen auf der Aussendung von Signalabschnitten mit einer festen Frequenz, wobei die vom Objekt reflektierten Signalabschnitte regelmäßig mit der entsprechen­ den Sendefrequenz gemischt werden, sodass im Basisband ein Messsignal für die Dopplerfrequenz bei bewegten Objekten entsteht.
Bei einer Frequenz-Shift-Codierung (Frequency Shift Keying - FSK) werden Signal­ abschnitte mit zwei verschiedenen Frequenzen während eines sogenannten co­ herenten Verarbeitungsintervalls (Cohereant Processing Interval - CPI) ausgesandt. Das Echosignal kann beispielsweise mit einem Homodyn-Empfänger in das Basis­ band umgesetzt werden. Der Frequenzabstand zwischen den beiden Frequenzen ist dabei sehr klein gegenüber den Frequenzen selbst. Das zeitdiskrete Empfangssignal wird innerhalb jedes CPI Fourier-transformiert und mit Hilfe eines Schwellwertdetek­ tors detektiert. Für die Detektion wird vorzugsweise das CFAR-Verfahren angewen­ det. Die Echosignale der beiden Frequenzen führen zu einer gleichen Dopplerfre­ quenzposition, da die Differenzfrequenz zwischen den beiden Frequenzen sehr klein gegenüber den Frequenzen selbst ist. Aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen ergeben sich für beide Echosignale jedoch unterschiedliche Phaseninformationen. Die Phasendifferenz Δϕ bildet die Basis für die Bestimmung des Abstandes R. Es gilt:
wobei fStep der Frequenzabstand zwischen den beiden Signalabschnitten ist. Dieses Verfahren lässt sich relativ einfach durch eine entsprechende Modulation eines spannungsgesteuerten Oszillators (Voltage Control Oscillator - VCO) realisieren. Allerdings erlaubt das Verfahren keine Entfernungsauflösung von Objekten gleicher oder annähernd gleicher Relativgeschwindigkeit in Messrichtung. Für Automobilan­ wendungen ist dieses Verfahren ungeeignet, da z. B. feststehende Ziele, wie z. B. Ver­ kehrsschilder, Laternen, Bäume, zu vielfachen, nicht voneinander zu trennenden Echosignalen führen. Auch sich bewegende Objekte können, wenn sie eine annä­ hernd gleiche Relativgeschwindigkeit zur Sendeeinrichtung haben, nicht in der Ent­ fernung aufgelöst werden. Ein solcher Zustand, der ein derartiges Auflösungspro­ blem beinhaltet, ist für eine automatische Auswertung nicht erkennbar, sodass Fehl­ auswertungen unvermeidlich sind.
Ein anderes bekanntes Verfahren verwendet eine lineare Frequenzmodulationstech­ nik (LFM), bei der die Sendefrequenz mit einer dreieckigen Wellenform über einen Modulationsbereich fSweep moduliert wird. Die Bereichsauflösung
führt bei einem einmaligen Überstreichen des Modulationsbereichs zu einer mehr­ deutigen Messung für den Abstand und die Relativgeschwindigkeit. Wenn innerhalb eines einzelnen CPI das abgemischte Empfangssignal digitalisiert und Fourier­ transformiert wird, entsteht im Fourierspektrum ein Peak an der Stelle κ. Die Mehr­ deutigkeiten für den Abstand und die Geschwindigkeit können durch folgende Glei­ chungen dargestellt werden:
wobei Δv die Geschwindigkeitsauflösung angibt, die sich aus der CPI-Länge TChirp ergibt
Wegen der Mehrdeutigkeiten werden mehrere Messungen mit unterschiedlichen Steigungen der Frequenzveränderung ausgeführt. Dadurch wird allerdings die Messzeit in unerwünschter Weise verlängert, was zu einer Beeinträchtigung der für Si­ cherheitsanwendungen gewünschten kurzen Reaktionszeit führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bestimmung von Abstand und Relativ­ geschwindigkeit mit einem Verfahren und/oder einer Vorrichtung der eingangs er­ wähnten Art anzugeben, die eine für Sicherheitsanwendungen hohe Zuverlässigkeit und kurze Reaktionszeit ermöglicht.
Ausgehend von dieser Problemstellung ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Signalabschnitte der beiden Frequenzen während eines Messintervalls über einen Modulationsbereich um jeweils einen Frequenzschritt verschoben ausgesandt werden. Dementsprechend ist auch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit erlaubt überraschend einfach eindeutige Abstands- und Geschwindigkeitsmessungen. Erfin­ dungsgemäß werden die beiden Signalabschnitte mit unterschiedlichen Frequenzen schrittweise über den endlichen Modulationsbereich 20 frequenzmoduliert. Das empfangene Echosignal kann in üblicher Weise in das Basisband heruntergemischt und am Ende jedes Frequenzschrittes ausgewertet werden.
Jede der beiden Signalsequenzen kann separat durch eine Fouriertransformation und eine Schwellwertdetektion ausgewertet werden. Ein einzelnes Objekt mit einem bestimmten Abstand und einer bestimmten Geschwindigkeit wird in beiden Sequen­ zen bei dem selben ganzzahligen Index κ = κA = κB im fouriertransformierten Aus­ gangssignal der beiden ausgewerteten Spektren detektiert. In beiden Signalsequen­ zen werden dieselben Abstands- und Geschwindigkeits-Mehrdeutigkeiten, die oben erwähnt worden sind, auftreten. Die gemessenen Phasen ϕA und ϕB der beiden komplexen Spektralpeaks unterscheiden sich und enthalten die differenzierende Ab­ stands- und Geschwindigkeitsinformation, die zur Auflösung der Mehrdeutigkeit ver­ wendet werden kann. Aufgrund der kohärenten Messtechnik in den beiden Sequen­ zen kann die Phasendifferenz Δϕ = ϕB - ϕA für die Abstandsbestimmung und die Geschwindigkeitsbestimmung ausgewertet werden. Die Phasendifferenz Δϕ kann analytisch durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
wobei N die Anzahl der Frequenzschritte in jeder Sendesignalsequenz A und B der beiden verschiedenen Frequenzen ist. Bei der ersten Berechnung ist Δϕ mehrdeutig, jedoch können die Mehrdeutigkeiten durch die Kombination der Messergebnisse gemäß den obigen Gleichungen aufgelöst werden. Der Schnittpunkt der beiden Messresultate führt zu einer eindeutigen Bestimmung des Abstands und der Relativ­ geschwindigkeit.
Während bei der herkömmlichen Frequenzshift-Codierung (FSK) die Signalab­ schnitte der beiden Frequenzen jeweils so lange ausgesendet werden, dass die empfangenen Echosignale mit der gewünschten Abtastrate (z. B. 64 samples) voll­ ständig abgetastet und die Abtastwerte der zugehörigen Auswertungseinrichtung (z. B. Fouriertransformation) zugeleitet werden, bevor die Abtastung des folgenden Signalabschnitts der anderen Frequenz durchgeführt und die Abtastwerte der dazu gehörenden anderen Auswertungseinrichtung zugeführt werden, sind die erfindungs­ gemäß verwendeten Signalabschnitte wesentlich kürzer. Die Umschaltung auf die andere Frequenz findet statt, bevor alle nötigen Abtastwerte für die eine Frequenz gesammelt worden sind. Im bevorzugten Fall wird für jeden Signalabschnitt nur ein Abtastwert detektiert, sodass die Abtastwerte abwechselnd den Auswertungsein­ richtungen der einen und der anderen Frequenz zugeleitet werden, bis in einem Messintervall die benötigte Anzahl von Abtastwerten für die beiden Frequenzen er­ halten worden sind.
Durch diese abwechselnd verwobene Aussendung der Teilsignale lassen sich gute Entfernungsauflösungen mit kurzer Messzeit realisieren und auch dynamische Ziel­ bewegungen gut detektieren.
Für eine Vereinfachung der Berechnung ist es zweckmäßig, wenn der Abstand der beiden Frequenzen über den gesamten Modulationsbereich gleichbleibt. Prinzipiell ist eine geringe Veränderung der beiden Frequenzen, d. h. ein unterschiedlicher Fre­ quenzhub für die beiden Frequenzen akzeptabel und ggf. mit Vorteil ausnutzbar.
Bevorzugt ist ferner, dass für jedes Aussenden der Signalabschnitte der beiden Fre­ quenzen die Verschiebung um einen Frequenzschritt vorgenommen wird, da die Aussendung von Signalabschnitten mit gleicher Frequenz lediglich redundante Mes­ sungen entstehen würden.
Für eine vereinfachte Auswertung ist es ferner zweckmäßig, wenn der Frequenz­ schritt dem Doppelten des Abstands der beiden Frequenzen entspricht.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für eine kontinuierliche Aussendung der abwechselnden Signalabschnitte als auch für einen Impulsbetrieb, bei dem zwischen der Aussendung eines Signalabschnitts der einen Frequenz und der Aussendung eines Signalabschnitts der anderen Frequenz ein zeitlicher Abstand eingehalten wird. Soll das nach dem Aussenden des Signalabschnitts empfangene Signal heruntergemischt werden, kann hierfür der Sendeoszillator mit der Trägerfre­ quenz weiter laufen.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzip der erfindungsgemäß ausgesendeten Wellenformen
Fig. 2 ein graphisch dargestelltes Prinzip zur Lösung der Mehrdeutigkeiten der Messungen
Fig. 3 ein Beispiel für eine optimierte erfindungsgemäße Wellenform
Fig. 4 ein Diagramm gemäß Fig. 2 für einen optimierten Frequenzschritt.
Fig. 1 zeigt Signalabschnitte A, die von einer Ausgangsfrequenz fT,A jeweils um einen Frequenzschritt fIncr zueinander versetzt sind. Die Signalabschnitte A werden abwechselnd mit ignalabschnitten B ausgesandt, die ausgehend von einer Aus­ gangsfrequenz fT,B ebenfalls um jeweils einen Frequenzschritt versetzt sind, um so einen Modulationsbereich fSweep zu überstreichen. Die Frequenzschritte fIncr sind über den Modulationsbereich fSweep gleich groß, sodass gilt
Die beiden so ineinander verwobenen Signalabschnittsfolgen A, B werden ausge­ sandt und nach dem Empfang der Echosignale separat durch Fouriertransformation und Schwellwerttechnik ausgewertet. Durch die oben erwähnte Kombination der Messergebnisse wird unter Berücksichtigung der Phasendifferenz Δϕ eindeutige Messergebnisse erhalten zu:
Fig. 2 verdeutlicht, dass die Phasenmessung und die Frequenzmessung an sich mehrdeutig sind, dass aber die Kombination der beiden Messungen zu einem Schnittpunkt der Geraden führt, der die gewünschten Werte für R0 und v0 ermitteln lässt.
In einem Beispiel für Automobilanwendungen beträgt die Signalbandbreite fSweep = 150 MHz, um eine Abstandsauflösung von 1 m zu gewährleisten. Die schrittweise Frequenzmodulation ist in N = 256 separate Bursts A oder B aufgeteilt, sodass sich ergibt
Die Messzeit innerhalb eines einzelnen Bursts A oder B beträgt beispielsweise 5 µs, woraus sich eine Chirp-Dauer der verwobenen Signale von TChirp = 2,56 ms ergibt, woraus eine Geschwindigkeitsauflösung von
zu 2,7 km/h ergibt.
Der Frequenzabstand fShift wird auf der Basis einer großen Abstands- und Ge­ schwindigkeitsgenauigkeit optimiert. Die größte Genauigkeit entsteht, wenn der Schnittpunkt der R-Geraden und der v-Geraden aus zwei orthogonalen Linien gebil­ det ist, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Für diese Optimierung ist der Frequenzab­ stand zwischen den Signalfrequenzen A und B
also im vorliegenden Fall 294 kHz. In diesem speziellen Fall ergeben sich die obigen Gleichungen zu
Es zeigt sich somit, dass mit der erfindungsgemäßen Wellenform in einfacher Weise eine Abstands- und Relativgeschwindigkeitsbestimmung während eines einzigen Chirps möglich ist, also in kürzester Messzeit. Die angegebenen Optimierungen und bevorzugten Ausführungsformen führen zu einfachsten Auswertungen und einem geringen Hardware-Aufwand.

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung von Abstand (R) und Relativgeschwindigkeit (v) we­ nigstens eines entfernten Objekts von einem Beobachtungspunkt mit Hilfe von vom Beobachtungspunkt ausgesandten elektromagnetischen Signalen in Form von abwechselnd ausgesandten Signalabschnitten (A, B) einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz, die nach einer Reflektion an dem Objekt empfan­ gen und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalab­ schnitte (A, B) der beiden Frequenzen während eines Messintervalls über einen Modulationsbereich (fSweep) um jeweils einen Frequenzschritt (fIncr) verschoben ausgesandt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (fShift) der beiden Frequenzen über den gesamten Modulationsbereich (fSweep) gleichbleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Aussenden der Signalabschnitte (A, B) der beiden Frequenzen die Verschie­ bung um einen Frequenzschritt (fIncr) vorgenommen wird.
4. Verfahren nach den Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das der Frequenzschritt (fIncr) dem Doppelten des Abstandes (fShift) der beiden Fre­ quenzen entspricht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die abwechselnden Signalabschnitte (A, B) kontinuierlich ausgesandt und empfangen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Aussendung eines Signalabschnitts (A) der einen Frequenz und der Aussendung eines Signalabschnitts (B) der anderen Frequenz ein zeitlicher Abstand eingehalten wird.
7. Vorrichtung zur Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit wenig­ stens eines von der Vorrichtung entfernten Objektes mit Hilfe einer elektroma­ gnetischen Sendeeinrichtung zur abwechselnden Aussendung von Signalab­ schnitten (A, B) einer ersten und einer zweiten Frequenz und einer Empfangs­ einrichtung zum Empfang der von dem Objekt reflektierten Signalabschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalabschnitte (A, B) der beiden Fre­ quenzen während eines Messintervalls über einen Modulationsbereich (fSweep) um jeweils einen Frequenzschritt (fIncr) verschoben ausgesandt werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (fShift) der beiden Frequenzen über den gesamten Modulationsbereich (fSweep) gleichbleibt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Aussenden der Signalabschnitte (A, B) der beiden Frequenzen die Verschie­ bung um einen Frequenzschritt (fIncr) vorgenommen wird.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das der Frequenzschritt (fIncr) dem Doppelten des Abstandes (fShift) der beiden Frequenzen entspricht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abwechselnden Signalabschnitte (A, B) kontinuierlich ausgesandt und empfangen werden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Aussendung eines Signalabschnitts (A) der einen Frequenz und der Aussendung eines Signalabschnitts (B) der anderen Frequenz ein zeit­ licher Abstand eingehalten wird.
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