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DE10053061A1 - Verfahren zur adaptiven Zielverarbeitung in einem kraftfahrzeugradar - Google Patents

Verfahren zur adaptiven Zielverarbeitung in einem kraftfahrzeugradar

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DE10053061A1
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distance
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radar
range
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Joachim Flacke
Bruno Kaiser
Kuno Heckel
Ralph Speck
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ADC Automotive Distance Control Systems GmbH
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Dornier GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur adaptiven Zielverarbeitung in einem Kraftfahrzeugradar, wobei im Normalmodus des Radarsensors Ziele nach Geschwindigkeit und Ort in der Umgebung erfasst werden. Gemäß der Erfindung wird nach der Erfassung der Ziele im Normalmodus auf einen Feinmodus umgeschaltet, in welchem der Entfernungsmessbereich des Radarsensors an die im Normalmodus erfasste Zielumgebung angepasst wird, und innerhalb des an die Zielumgebung angepassten Entfernungsmessbereichs die Messgenauigkeit und/oder Auflösung bezüglich Entfernung und/oder Geschwindigkeit erhöht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur adaptiven Zielverarbeitung in einem Kraftfahr­ zeugradar nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die in Automobilen eingesetzten Radarsensoren werden üblicherweise für die Regelung der Geschwindigkeit in Verkehrsumgebungen wie Landstraße oder Autobahn eingesetzt. Die Randbedingungen für diese Anwendung sind derart, dass Umgebungsinformationen für einen Entfernungsbereich von ca. 10 m bis 150 m notwendig sind. Für den Stadtverkehr oder für Stop-und-Go-Betrieb ist es hingegen unerlässlich, bis auf einen kurzen Abstand vor dem Fahrzeug (< 2 m) zu messen.
Darüber hinaus gibt es bestimmte Verkehrssituationen, z. B. zwei nahezu gleich schnelle Autos in einem Überholvorgang im Erfassungsbereich der Radarantennen, in denen die notwendige Zieltrennung nicht in ausreichendem Maße erreicht wird. In solchen Fällen ist eine Nachbearbeitung, z. B. in einem nachgeschalteten Tracking- Filter notwendig. Das Tracking-Filter dient dazu, die einzelnen, vom Radargerät erfassten individuellen Ziele über der Zeit zu verfolgen.
Die Datenzykluszeit, d. h. die Zeit, die zur Erfassung des kompletten Messbereiches benötigt wird, ist bei Radarsystemen festgelegt durch die Verarbeitungszeit für Entfernungsmessung und Dopplermessung. Diese Zeit ist bei den gängigen Syste­ men für die Abstandsregelung in einem Kraftfahrzeug derart festgelegt, dass sie den Anforderungen der Anwender hinsichtlich Entfernungs- und Geschwindigkeitsmess­ genauigkeiten genügen, unter Akzeptierung der oben genannten Nachteile.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine adaptive Signalverarbeitung vor dem Tracking- Filter einzuführen, die es erlaubt, den Nahbereich bis kurz vor der Antenne abzude­ cken und die Zieltrennung erheblich zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Anschluss an den oben be­ schriebenen Normalmodus, in dem der Radarsensor Ziele nach Geschwindigkeit und Entfernung mit der für Fahrzeuganwendungen üblichen Auflösung und Messgenauig­ keit erfasst, ein Feinmodus mit erhöhter Auflösung und/oder erhöhter Messgenauig­ keit hinsichtlich Entfernung und Geschwindigkeit eingeführt. Gleichzeitig wird der Entfernungsmessbereich des Radars an die im Normalmodus erfasste Zielumgebung angepasst.
Ergibt z. B. die Erfassung im Normalmodus ein Ziel oder mehrere Ziele in einem bestimmten Entfernungsbereich, so kann innerhalb des Feinmodus speziell dieser Entfernungsbereich, und zwar mit erhöhter Entfernungsauflösung und/oder erhöhter Messgenauigkeit, erfasst werden. Gleichzeitig kann die Geschwindigkeitsauflösung und/oder Geschwindigkeitsmessgenauigkeit erhöht werden.
Es sind auch Fälle denkbar, wo innerhalb des an die Zielumgebung angepassten Entfernungsbereichs im Feinmodus lediglich die Geschwindigkeitsauflösung und/oder Geschwindigkeitsmessgenauigkeit erhöht wird, wobei die Entfernungsauflösung und/oder Entfernungsmessgenauigkeit unverändert bleibt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung erfolgt die Anpassung des Entfernungs­ messbereichs unter gleichzeitiger Erhöhung der Auflösung und/oder Messgenauig­ keit derart, dass die Datenzykluszeit und somit die Datenerneuerungsrate für den Feinmodus gegenüber dem Normalmodus unverändert bleibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren entspricht somit einem Einsatz adaptiver Filter in der Signalverarbeitung, die an die jeweilige Situation angepasst werden können.
Ausschließlich durch Änderung der Signalverarbeitung, ohne zusätzliche bauliche Maßnahmen am Radarsensor, kann somit eine verbesserte Zieltrennung und eine Nahbereichserfassung ermöglicht werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug­ nahme auf eine Figur näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung der Entfernungstore und der Dopplerverarbeitung bei einem Dopplerradarsystem. Die nach oben zeigende Achse bezeichnet die Zeitachse für die Dopplerverarbeitung. TD bezeichnet die Verarbeitungszeit für die Dopplerbe­ stimmung. fs ist die Dopplerabtastrate und 1/fs der zeitliche Abstand zwischen zwei Dopplerabtastwerten (laufende Nr. 1, . . . n in Fig. 1). Typische Werte sind: Anzahl n der Dopplerabtastwerte = 64; 1/fs = 20 µs. Aus diesen Größen folgt bei komplexer Zieldatenverarbeitung und für den Frequenzbereich der Kraftfahrzeugradare:
Geschwindigkeitsmessbereich: +/- 175 km/h
Geschwindigkeitsauflösung: ~ 5 km/h.
Die horizontale Achse bezeichnet die Zeitachse für die einzelnen Entfernungstore. TR ist die Zeit für einen Datenzyklus, d. h. die Zeit, die zur Erfassung des kompletten Messbereiches benötigt wird. Ein typischer Wert für TR ist 1 µs. TE bezeichnet die Breite eines Entfernungstores ETk mit k = 1, 2, . . ., m. Für die Anwendung in einem Kraftfahrzeugradar ist TR üblicherweise kleiner als TD.
Die üblichen Fahrzeugradare teilen den Entfernungsmessbereich in feste Entfer­ nungstore ETk ein, in denen mit vorgegebenen Dopplerbandbreiten die Geschwin­ digkeiten der detektierten Objekte ermittelt werden. Beispiel: Die Entfernungstorlänge ist ca. 5 m und die Geschwindigkeitsauflösung liegt im Bereich um 5 km/h.
Mehrere Entfernungstore können zu Blöcken (Breite eines Blocks: TRi) zusammen­ gefasst in der Dopplerebene verarbeitet werden, wobei die Dopplerverarbeitung für die Entfernungstore eines Blocks zeitlich parallel erfolgt. Hierzu kann z. B. ein mehrkanaliger Empfänger eingesetzt werden. Die Zeit TR wird in Zeitabschnitte TRi unter­ teilt, die der Bedingung genügen, dass
TRi < 1/fs
sein muss, wobei die Abtastfrequenz fs der Dopplerverarbeitung dem Abtasttheorem für die höchste vorkommende Dopplerfrequenz genügen muss. Die Unterteilung in die Zeitabschnitte TRi ist vorteilhaft angesichts des begrenzten Speicherplatzes in der Signalverarbeitung des Radars und ermöglicht eine Optimierung der Verarbeitungs­ zeit (Rechendauer für Transformationen). So kann z. B. bei Unterteilung von TR in 8 Teilabschnitte TRi der komplette Datenzyklus in einer Zeit TDat von
TDat = 8.TD
abgearbeitet werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei Kenntnis der Gesamtumgebung - nach Erfassung von Zielen im Normalmodus - auf einen Entfernungsbereich umgeschaltet, der einem oder mehreren Zeitabschnitten TRi entspricht, in dem die für die Regelung relevanten Ziele entdeckt wurden und der einen Teilbereich des ursprünglichen Entfernungsbereiches abdeckt.
Durch Reduzierung der Länge des Entfernungstors ETk und/oder Verlängerung der Beobachtungszeit TD in diesem Teilbereich können Verbesserungen in der Auflösung und/oder Messgenauigkeit hinsichtlich Entfernung und Geschwindigkeit erzielt werden. Die relevanten Ziele können jetzt genauer untersucht bzw. besser getrennt werden. Darüber hinaus können Mehrfachreflexionen, die speziell im Nahbereich zu Messungenauigkeiten führen, durch die erhöhte Auflösung/Messgenauigkeit besser von direkten Reflexionen unterschieden werden.
Mit der Reduzierung des Entfernungsbereiches bei gleichzeitig erhöhter Auflösung und/oder Messgenauigkeit für Geschwindigkeit und/oder Entfernung kann eine konstante Datenerneuerungsrate erreicht werden, so dass eine Umschaltung zwischen beiden Modi (Gesamtbereich im Normalmodus - Zielbereich im Feinmo­ dus) jederzeit möglich ist.
Die beiden der Erfindung zugrunde liegenden Konzepte, nämlich Reduzierung der Entfernungstorlänge und Verlängerung der Beobachtungszeit bei der Dopplerbe­ stimmung werden im folgenden näher erläutert.
1. Reduzierung der Länge eines Entfernungstors ETk
Bei Pulsradaren entspricht die Entfernungstorlänge TE üblicherweise der Sendeim­ pulslänge τ. Durch Verkürzung von τ kann die Entfernungsauflösung bei Impulsrada­ ren verbessert werden. Darüber hinaus ist es bei Pulsradarsystemen aber auch möglich, durch Verkürzung der Entfernungstorlänge TE unter Beibehaltung von τ eine Verbesserung in der Entfernungsbestimmung zu erreichen, allerdings auf Kosten der Energiebilanz. Diese Ausführung ist deshalb für den Nahbereich (hohe Echofeldstär­ ke) oder im Fernbereich für große Ziele von Bedeutung.
Bei FMCW-Radaren (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave) legt der Frequenzhub ΔF des HF-Signals die Entfernungstorlänge fest, wobei die einzelnen Entfernungstore durch Bandpassfilter bestimmt werden. Eine Reduzierung der Entfernungstorlänge kann durch Erhöhung des Frequenzhubs ΔF erreicht werden. Hierfür sind grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten vorhanden:
  • 1. durch Änderung der Steigung des Frequenzanstiegs des HF-Signals (bei dreieck- oder sägezahnförmiger Modulation) bei unveränderter Dauer einer Modulations­ periode, oder
  • 2. durch Verlängerung der Modulationsperiodendauer des HF-Signals bei unverän­ dertem Steigung des Frequenzanstiegs.
2. Verlängerung der Beobachtungszeit TD
Die Dopplerverarbeitung erfolgt üblicherweise nach zeitlicher Integration der Echo­ signale (lfd. Nr. 1, . . ., n in Fig. 1) innerhalb desselben Entfernungstors ETk. Bei einem Pulsradar wird aus jedem Puls ein Abtastwert für die Dopplerverarbeitung gewonnen.
Bei einem FMCW-Radar wird aus jeder Modulationsperiode ein Abtastwert für die Dopplerverarbeitung gewonnen.
Nach Abtastung der innerhalb eines Entfernungstors ETk integrierten Echosignale im Zeitbereich mit einer Abtastfrequenz fs wird eine Fourier-Transformation über die abgetasteten Werte durchgeführt. Diese ergibt die spektrale Darstellung des Dopp­ lersignals, aus der die Dopplerfrequenz fD des Zieles ermittelt werden kann, die mit der Zielgeschwindigkeit über
vZ = fD.λ0/2 mit λ0 = Wellenlänge des HF-Signals
zusammenhängt. Die zeitliche Länge der Abtastung
TD = n/fs
legt die Dopplerauflösung ΔfD
ΔfD = 1/TD
fest.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann im Feinmodus unter Beibehaltung der Abtastrate fs durch Erhöhung der Anzahl n der Abtastwerte die zeitliche Dauer der Abtastung TD verlängert und damit die Filterbandbreite in der Dopplerverarbeitung reduziert, d. h. die Geschwindigkeitsauflösung verbessert werden. Der gleiche Effekt einer Verlängerung von TD wird erzielt durch eine Reduzierung der Abtastfrequenz fs und Beibehaltung der Anzahl n der Abtastwerte. Die Reduzierung der Abtastfrequenz fs hat jedoch eine Reduzierung des eindeutig erfassbaren Geschwindigkeitsberei­ ches zur Folge.

Claims (11)

1. Verfahren zur adaptiven Zielverarbeitung in einem Kraftfahrzeugradar, wobei im Normalmodus des Radarsensors Ziele nach Geschwindigkeit und Ort in der Umgebung erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erfas­ sung der Ziele im Normalmodus auf einen Feinmodus umgeschaltet wird, in welchem der Entfernungsmessbereich des Radarsensors an die im Normalmo­ dus erfasste Zielumgebung angepasst wird, und innerhalb des an die Zielumge­ bung angepassten Entfernungsmessbereichs die Messgenauigkeit und/oder Auflösung bezüglich Entfernung und/oder Geschwindigkeit erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenerneue­ rungsrate für den Feinmodus gegenüber dem Normalmodus unverändert bleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Entfernungsmessbereichs an die im Normalmodus erfasste Zielumgebung mit einer Erhöhung der Anzahl der Dopplerabtastwerte bei un­ veränderter Dopplerabtastrate einhergeht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Entfernungsmessbereichs an die im Normalmodus erfasste Zielumgebung mit einer Reduzierung der Dopplerabtastrate bei unveränderter Anzahl der Dopplerabtastwerte einhergeht.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des Entfernungsmessbereichs an die im Normalmodus erfasste Zielumgebung mit einer Kombination der Maßnahmen gemäß Anspruch 3 oder 4 einhergeht.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Radarsensor ein Pulsradar eingesetzt wird, wobei die Anpassung des Entfer­ nungsmessbereichs an die im Normalmodus erfasste Zielumgebung mit einer Reduzierung der Länge der Entfernungstore unter Verkürzung der Sendeim­ pulslänge einhergeht.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Radarsensor ein Pulsradar eingesetzt wird, wobei die Anpassung des Entfer­ nungsmessbereichs an die im Normalmodus erfasste Zielumgebung mit einer Reduzierung der Länge der Entfernungstore bei gleichbleibender Sendeim­ pulslänge einhergeht.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Radarsensor ein FMCW-Radar eingesetzt wird, wobei die Anpassung des Ent­ fernungsmessbereichs an die im Normalmodus erfasste Zielumgebung mit einer Erhöhung des Sendefrequenzhubs einhergeht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung des Sendefrequenzhubs erfolgt durch eine Erhöhung der Steigung des Frequenz­ anstiegs innerhalb einer Modulationsperiode bei unveränderter Modulationspe­ riodendauer.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung des Sendefrequenzhubs erfolgt durch eine Verlängerung der Modulationsperioden­ dauer bei unveränderter Steigung des Frequenzanstiegs.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Unterdrückung von Mehrfachreflexionen im Nahbereich des Radarsensors.
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