DE102021201968B4 - Verfahren zum Betreiben einer Ultrabreitbandvorrichtung, Ultrabreitbandvorrichtung und Fahrzeug umfassend eine Ultrabreitbandvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Ultrabreitbandvorrichtung (1). Die Erfindung sieht vor, dass durch einen Ultrabreitbandsensor (2) zu unterschiedlichen Zeitpunkten (t) Impulsfunksignale (TX) ausgesandt und jeweilige Kanalimpulsantworten (h(τ)) generiert werden, welche ein jeweiliges reflektiertes Signal (RX) in Abhängigkeit von einer Pfadverzögerung (τ) beschreiben. Aus den Kanalimpulsantworten (h(τ)) wird eine zeitvariante Kanalimpulsantwort (h(t, τ)) generiert, in welchem die Kanalimpulsantworten (h(τ)) gemäß den Zeitpunkten (t) des Aussendens der jeweils zugehörigen Impulsfunksignale (TX) geordnet sind. In Streufunktionen (hs(v, τ)) jeweiliger Zeitfenster wird zumindest ein jeweiliges lokales Maximum (P) der Streufunktionsgröße, charakterisiert durch eine jeweilige Dopplerfrequenz (vP) und eine jeweilige Pfadverzögerung (τP), erfasst. Nach einem vorbestimmten Auswahlverfahren wird zumindest ein lokales Maximum (P) als jeweiliges für eine Bewegungserkennung zu verfolgendes Beobachtungsmaximum ausgewählt. Ein Signalverlauf (ϕ(t)) der Kanalimpulsantwort (h(t, τ)) wird für das jeweilige zu verfolgende Beobachtungsmaximum generiert und durch ein vorbestimmtes Bewegungserkennungsverfahren zumindest eine vorbestimmte Bewegung (7) erfasst.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Ultrabreitbandvorrichtung, eine Ultrabreitbandvorrichtung und ein Fahrzeug, das eine Ultrabreitbandvorrichtung umfasst.
• Der Automobilsektor verändert sich derzeit stark in Richtung Elektromobilität und Konnektivität. In Zukunft werden Fahrzeuge und Benutzer ständig miteinander verbunden sein, Fahrzeuge werden intuitiv wissen, was der Benutzer braucht, und das Fahrzeug wird in der Lage sein, auf die Bedürfnisse des Benutzers und die sich ändernde Umgebung und Bedingungen zu reagieren und sich entsprechend anzupassen. Fahrzeuge werden in naher Zukunft permanent miteinander vernetzt sein und ihre Umgebung beobachten.
• Das Beobachten und Erfassen der Umgebung des Fahrzeugs sowie eines Zustands des Fahrzeugs selbst wird dabei ein aufwändiger Vorgang sein, der vor einem autonomen Analyse- und Reaktionsprozess erforderlich sein wird. Das Fahrzeug wird zukünftig entscheiden, welche Informationen für den Fahrer relevant und wichtig sind und diese Informationen dem Fahrer zur Unterstützung bereitstellen. Zudem übernimmt das Fahrzeug komplexe Aufgaben, um den Fahrer zu entlasten und zu schützen.
• Um solche intelligenten Dienste bereitzustellen, muss eine Vielzahl an Aufgaben gelöst werden. Der Umgang und die Verarbeitung der großen Datenmengen und der durch diese bereitgestellten Informationen ist ein komplexes Thema. Der erste Schritt zur Ermöglichung der intelligenten Dienste ist die Bereitstellung aussagekräftiger Daten durch zuverlässige Sensoreinheiten des Fahrzeugs. Dieser Punkt ist eine der größten Herausforderungen in der gesamten Dienstleistungskette. Dabei ist zu klären, welche Sensoreinheit sinnvoll und notwendig für die Bereitstellung einer Funktion ist, und ob die Sensoreinheiten voll integriert und kosteneffizient sind. Eventuell kann eine Sensoreinheit verschiedene Aufgaben erfüllen. Sensoreinheiten können fusionieren, um eine notwendige Redundanz aufzubauen und/oder unnötige Redundanz zu reduzieren. Um eine Sensoreinheit für unterschiedliche Aufgaben nutzen zu können, sind jedoch spezifische Datenverarbeitungsroutinen erforderlich.
• Ein Teil der Fahrzeugsensorik ist zur Erfassung von Bewegungen in dem Fahrzeuginnenraum oder in einer Umgebung des Fahrzeugs vorgesehen. Die hierfür verwendeten Sensoreinheiten sind nach derzeitigem Stand der Technik kapazitiv, radar-, ultraschall-, laser- oder kamerabasiert. Die Sensorik zur Bewegungserfassung in dem Fahrzeuginnenraum ist beispielsweise dafür vorgesehen, eine Person oder einen Zustand einer Person in dem Fahrzeuginnenraum zu erfassen. Eine Bewegungserfassung kommt auch in Systemen zum Einsatz, die einen Müdigkeitszustand oder einen Gesundheitszustand eines Fahrers überwachen sollen. Nach derzeitigem Stand der Technik werden für die besagten Systeme zur Fahrzeuginnenraumüberwachung komplexe kamerabasierte Systeme verwendet, bei denen Bilderkennungsverfahren angewandt werden, um den Fahrzeuginnenraum zu beobachten.
• Ein weiterer Anwendungsbereich für Bewegungserkennungssensoren sind Systeme zur automatischen Kofferraumentriegelung und/oder Kofferraumöffnung. Diese erfassen einen ein bestimmtes Bewegungsmuster wie beispielsweise einen Fußtritt einer Person, um bei Vorliegen vorbestimmter Bedingungen den Kofferraum zu entriegeln und/oder zu öffnen. Bei der Verwendung der typischen kapazitiven Sensoren, radarbasierten Sensoren oder Ultraschallsensoren ergeben sich mehrere Probleme. Zum einen ist ein spezielles Bewegungserkennungsverfahren erforderlich, um den Schritt in den Sensordaten erkennen zu können. Ein zweites Problem stellt das Auftreten fehlerhafter Schritterkennungen dar, welche beispielsweise auftreten können falls sich Tiere wie beispielsweise Katzen oder Hunde hinter oder unter dem Fahrzeug befinden. Ein Bewegungsmuster dieses Tiers kann fälschlicherweise als Schritt erkannt werden und zu einer Öffnung des Kofferraums führen. Ein weiteres Problem ergibt sich, falls ein Sensor durch Schmutz oder Schnee bedeckt ist. In diesem Fall ist die Bewegungserkennung eingeschränkt oder nicht möglich. Dieses Problem tritt insbesondere bei kamerabasierten und kapazitiven Sensoren auf.
• Eine Alternative zu einer Bereitstellung zusätzlicher Sensoren zur Bewegungserkennung ist die Verwendung bereits vorhandener Sensoren. Hierfür ist insbesondere die Ultrabreitbandsensorik eines Fahrzeugs geeignet. Durch die jüngste Integration der Ultrabreitbandlokalisierungstechnologien in Smart-Accesssowie Relay-Attack-Defense-Dienste wird eine neuartige Technologie für den Automotive-Bereich zur Verfügung stehen, die neben der genauen Bestimmung einer Signallaufzeit zwischen den Sensoren und einem Schlüssel zusätzlich eine einfache Radar-Funktionalität bietet. Die Ultrabreitbandsensorik deckt dabei beispielsweise mindestens eine Bandbreite von 500 MHz ab.
• Ultrabreitbandsysteme sind primär zur Bestimmung der Entfernung und der Position des digitalen Ultrabreitbandschlüssels des Nutzers ausgelegt. Hierfür ist das Fahrzeug mit mehreren breitbandigen Kommunikationstransceivern (Respondern) an verschiedenen Positionen, beispielsweise im Innenraum oder in einem Außenbereich ausgestattet, die zur Ortung des digitalen Schlüssels mit mindestens einem breitbandigen Gegenstück-Transceiver (Initiator) in dem digitalen Schlüssel kommunizieren, um über die Signallaufzeit die Entfernung zwischen dem Initiator und den Respondern zu bestimmen. Durch die Bestimmung der Entfernungen zwischen dem Initiator und den einzelnen Respondern kann die Position des digitalen Schlüssels durch Trilateration berechnet werden.
• Die Kanalimpulsantwort wird bei den bekannten Schlüsselortungsverfahren zur Bestimmung der Signallaufzeit auf beiden Seiten (Initiator, Responder) verwendet. Das heißt, die Grundlage für eine passive Auswertung einer räumlichen Kanalimpulsantwort ist bereits gegeben. Hierbei kann ein durch einen Sensor ausgesandter Impuls mit dem reflektierten Impuls, der durch den Sensor erfasst wird, korreliert werden, ohne dass ein aktives Gegenstück notwendig ist. Durch die kontinuierliche Wiederholung eines Sende-Empfangs-Korrelationsprozesses können räumliche Veränderungen wie vorbestimmte Bewegungsmuster, wie zum Beispiel ein Fußtritt oder eine Atembewegung einer Person detektiert werden.
• Konkrete Ansätze zur Bewegungserkennung mittels Ultrabreitbandsensoren sind in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben.
• In der Veröffentlichung YIN, Wenfeng, et al. Hear: Approach for heartbeat monitoring with body movement compensation by ir-uwb radar. Sensors, 2018, 18. Jg., Nr. 9, S. 3077 ist ein Ansatz zur Erfassung eines Herzschlages beschrieben. Der Ansatz sieht vor, die vitalen Signale zu erfassen, indem die maximalen Echoamplituden auf die Pfadverzögerung abgebildet werden.
• In KIM, Seong-Hoon; GEEM, Zong Woo; HAN, Gi-Tae. A Novel Human Respiration Pattern Recognition Using Signals of Ultra-Wideband Radar Sensor. Sensors, 2019, 19. Jg., Nr. 15, S. 3340 wird eine Auswertung von Atmungssignaldaten, die mittels Ultrabreitband-Radar erfasst wurden, beschrieben. Dabei wird ein neuronales Netz verwendet, um Atmungsmuster in den Atmungssignaldaten zu erkennen.
• In AHMED, Shahzad; CHO, Sung Ho. Hand Gesture Recognition Using an IR-UWB Radar with an Inception Module-Based Classifier. Sensors, 2020, 20. Jg., Nr. 2, S. 564. wird eine Erfassung von Gesten mittels UWB-Radar beschrieben.
• KOO, Yun Seo, et al. UWB MicroDoppler Radar for human Gait analysis, tracking more than one person, and vital sign detection of moving persons. In: 2013 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (MTT). IEEE, 2013. S. 1-4 beschreibt eine Verwendung eines UWB-Microdopplerradars zur Erfassung von Vitaldaten.
• LI, Xin, et al. A novel through-wall respiration detection algorithm using UWB radar. In: 2013 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). IEEE, 2013. S. 1013-1016 Offenbart ein Verfahren zur Erkennung einer Atembewegung durch Wände mittels eines UWB-Radars.
• Bei den letztgenannten Verfahren ergibt sich für den praktischen Einsatz in Fahrzeugen das Problem, dass Ultrabreitbandsensoren, die in Fahrzeugen verbaut werden, in der Regel nicht die benötigte Ortsauflösung zur Durchführung dieser Verfahren aufweisen. Für die in diesen Schriften angewandte Analyse des Dopplerspektrums ist es nämlich erforderlich, einen genauen Abstand des Objekts zu kennen, das über das Dopplerspektrum untersucht werden soll.
• Das Problem besteht darin, dass die Orts- bzw. Entfernungsauflösung der üblichen Sensorik nicht ausreicht, um bestimmte, kleinere Änderungen von Abständen eines Objekts zu einem Sensor, wie sie beispielsweise bei einer Bewegung des Brustkorbes während einer Atmung erfolgen, zu erfassen. Dasselbe Problem besteht auch bei der Erkennung eines schnellen Schrittes oder Kicks einer Person.
• In einer wissenschaftlichen Veröffentlichung von Sharafi et al. (SHARAFI, Azadeh, et al. Respiration-rate estimation of a moving target using impulse-based ultra wideband radars. Australasian physical & engineering sciences in medicine, 2012, 35. Jg., Nr. 1, S. 31-39) ist ein Verfahren zur Erkennung einer Atemfrequenz eines sich bewegenden Ziels offenbart. Das offenbarte Verfahren sieht eine Ermittlung einer Korrelation zwischen Wellenformen der Kanalimpulsantwort und einer Basiswellenform zur Erfassung einer von Körperbewegung vor. Nach einer Unterdrückung der Körperbewegung erkennt das Verfahren die Atemfrequenz anhand einer Energie im Frequenzbereich.
• In der DE 10 2013 010 994 A1 sind ein Stellverfahren und eine Stellvorrichtung für eine Fahrzeugtür beschrieben. In dem Stellverfahren wird auf Grundlage einer erfassten Bewegung ein Testsignal erzeugt und mit einem vorgegebenen Referenzsignal verglichen wird. Das Referenzsignal ist charakteristisch für ein vorgegebenes Bewegungsmuster eines Körperteils. Eine Verstellung der Fahrzeugtür wird eingeleitet, wenn das Testsignal dem Referenzsignal nach Maßgabe eines vorgegebenen Kriteriums entspricht.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das eine Bewegungserkennung von kleinen Bewegungen ohne eine Verfügbarkeit von genauen Abstandsinformationen mittels einer Ultrabreitbandsensorik ermöglicht.
• Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass mittels einer Auswertung eines zeitvarianten Dopplerspektrums einen Abstand zu einem sich bewegenden Objekt ermittelt wird, um für diesen Abstand eine Signalanalyse zur Erkennung der Bewegung zu ermöglichen.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Ultrabreitbandvorrichtung. Es ist vorgesehen, dass durch einen Ultrabreitbandsensor der Ultrabreitbandvorrichtung zu unterschiedlichen Zeitpunkten Impulsfunksignale ausgesandt und jeweilige Kanalimpulsantworten h(τ) generiert werden, welche ein jeweiliges reflektiertes Echosignal in Abhängigkeit von einer Pfadverzögerung τ beschreiben. Die Pfadverzögerung τ beschreibt die Zeit zwischen der Aussendung eines Impulsfunksignals und dem Empfang des reflektierten Echosignals durch den Ultrabreitbandsensor. Die Pfadverzögerung τ wird auch als fast time oder Echozeit bezeichnet. Das Ultrabreitbandvorrichtung kann beispielsweise in einem Fahrzeug angeordnet sein und einen oder mehrere der Ultrabreitbandsensoren aufweisen. Die jeweiligen Ultrabreitbandsensoren können dazu eingerichtet sein, die Impulsfunksignale zu senden und/oder die Echosignale der Impulsfunksignale zu empfangen. Die ausgesandten Impulsfunksignale können zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit konstanten oder variierenden zeitlichen Abständen zueinander entlang einer Zeit t ausgesandt werden. Die Zeit t beschreibt die als slow time bezeichnete Zeit, welche den Aussendezeitpunkt des jeweiligen Impulsfunksignals angibt. Die Impulsfunksignale können von statischen und bewegten Objekten in der Umgebung reflektiert werden. Einzelne Reflektionen eines Impulsfunksignals können an verschiedenen Objekten in der Umgebung erfolgen. In Abhängigkeit von dem Abstand, den das jeweilige Objekt zu dem Ultrabreitbandsensor aufweist, wird das Echosignal nach einer jeweiligen Pfadverzögerung τ durch den Ultrabreitbandsensor erfasst. Zur Beschreibung der Antwort des Systems auf ein Impulsfunksignal, das zu einem bekannten Zeitpunkt der Zeit t versandt wird, kann durch die Ultrabreitbandvorrichtung die Kanalimpulsantwort h(τ) generiert werden, welche einen Parameter, wie eine Intensität oder eine Phase des empfangenen Echosignals über die Pfadverzögerung τ beschreiben kann. Eine solche Kanalimpulsantwort h(τ) wird für jedes Impulsfunksignal erstellt, das zu einem jeweiligen Zeitpunkt der Zeit t ausgesandt wurde. Die Antwort des Systems auf das Impulsfunksignal kann dadurch in Abhängigkeit von der Pfadverzögerung τ, welche mit einem Abstand eines reflektierenden Objekts korreliert, und in Abhängigkeit einer Zeit t beschrieben werden. Hierfür werden die Kanalimpulsantworten h(τ), zu einer zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, τ) zusammengefügt. Aus den Kanalimpulsantworten h(τ) wird somit eine zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) generiert, in welcher die Kanalimpulsantworten h(τ) in Abhängigkeit der Zeit t beschrieben sind. Die zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) kann beispielsweise eine Matrix sein, deren Zeilen einer Zeit t und deren Spalten die Pfadverzögerung τ zugeordnet sein können.
• Es werden vorbestimmte Zeitfenster der Zeit t der zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, τ) zu jeweiligen Streufunktionen hs(v, τ) der Dopplerfrequenz v transformiert. Bei der Transformation kann es sich beispielsweise um eine diskrete CosinusTransformation, eine Laplace- Transformation, eine Walsh- Transformation, eine der Fourier-Transformation oder einer Variante der diskreten Fourier-Transformation handeln. Dies ist erforderlich, weil für die Erkennung von Bewegungen die zeitabhängigen Anteile der zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, τ) relevant sind, welche Änderungen des Systems beschreiben und durch Bewegungen verursacht werden. Statische Anteile sind dagegen nicht relevant. Um diese Änderungen erfassen zu können, wird die zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) für die vorbestimmten Zeitfenster von einem Zeitraum t in den Frequenzraum v transformiert, wodurch die, durch Bewegungen verursachten Dopplerverschiebungen und Dopplerfrequenzen ermittelt werden können. Erfolgt eine Transformation über einen längeren Zeitraum der zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, τ) anstatt über einzelne Zeitfenster, würde es zu einer Überlagerung mehrerer Dopplerfrequenzen v führen, wodurch einzelne Bewegungen unter Umständen nicht zu identifizieren sein könnten. Aus diesem Grund werden mehrere Streufunktionen hs(v, τ) für die jeweiligen vorbestimmten Zeitfenster generiert.
• Eine Bewegung führt zu einer Dopplerverschiebung der Frequenz, die in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Bewegung eine jeweilige Dopplerfrequenz v aufweist und zu einem lokalen Maximum in der jeweiligen Streufunktion hs(v, τ) führt. Das lokale Maximum ist durch die jeweilige Dopplerfrequenz v und durch die jeweilige Pfadverzögerung τ charakterisiert, welche abhängig ist von dem Abstand des sich bewegenden Objekts zu dem U Itrabreitbandsensor.
• In den jeweiligen Streufunktionen hs(v, τ) der jeweiligen Zeitfenster wird zumindest ein jeweiliges lokales Maximum P der Streufunktionsgröße, charakterisiert durch eine jeweilige Dopplerfrequenz vP und eine jeweilige ermittelte Pfadverzögerung τP = P τ0, erfasst. P bezeichnet hierbei einen Index der Pfadverzögerung und τ0 eine Abtastperiode der Kanalimpulsantwort bezüglich der Pfadverzögerung τ. Um eine Bewegung erkennen und deren Verlauf verfolgen zu können, ist es erforderlich ein Auswahlverfahren anzuwenden, das zumindest ein lokales Maximum nach vorbestimmten Vorgaben als jeweiliges für eine Bewegungserkennung zu verfolgendes Beobachtungsmaximum P auswählt.
• Ein Signalverlauf ϕ(t) einer Phase über die Zeit t aus der Kanalimpulsantwort h(t, τP) wird für die zumindest eine Pfadverzögerung (τP) des jeweiligen zu verfolgenden Beobachtungsmaximums P mit der zumindest einen ermittelten Pfadverzögerung τP = P τ0 generiert. Der Signalverlauf ϕ(t) kann insbesondere ein Phasen-, Frequenz- oder Amplitudenverlauf für die Pfadverzögerung τP sein. Durch ein vorbestimmtes Bewegungserkennungsverfahren wird zumindest eine vorbestimmte Bewegung des zu verfolgenden Beobachtungsmaximums P in dem Signalverlauf ϕ(t) der Phase über die Zeit der Kanalimpulsantwort h(t, τP) erfasst.
• Zwar reicht die Ortsauflösung der verwendeten Ultrabreitbandsensorik nicht für eine Erkennung kleiner Bewegungen, wie einer Bewegung eines Brustkorbs bei einer Atmung aus, jedoch ist es möglich, diese kleinen Bewegungen beispielsweise anhand einer Änderung der Phase zwischen aufeinanderfolgenden Kanalimpulsantworten h(τ) zu erkennen. Dieser Sachverhalt ist der Ausgangspunkt des Verfahrens. Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, dass der Abstand zwischen dem Ultrabreitbandsensor und dem sich bewegenden Objekt unbekannt sein kann. Es kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Größe einer Person ein Abstand einer Hand oder eines Brustkorbs der Person zu dem Ultrabreitbandsensor variieren, sodass kein vorbestimmter Abstand für die Erkennung von Bewegungen der Hand oder des Brustkorbes verwendet werden kann. Die zu überwachenden Objekte oder Personen können sich beispielsweise auf einem Sitz auf der rechten oder der linken Seite des Fahrzeugs befinden, oder eine sonstige Position aufweisen., Dadurch können beispielsweise zwei Abstände, beziehungsweise zwei Pfadverzögerungen τP, für eine Überwachung des Objekts oder der Person in Frage kommen. Der Abstand des sich bewegenden Objekts zu dem Ultrabreitbandsensor muss jedoch bekannt sein, um die zu beobachtende Phasenänderung identifizieren zu können. Dadurch ist es erforderlich, eine Lösung zu finden, die eine Distanzbestimmung zwischen dem sich bewegenden Objekt und dem Ultrabreitbandsensor ermöglicht.
• Eine Auswertung einer einzelnen Kanalimpulsantwort h(τ) führt nicht zu einer Erkennung einer Bewegung. Eine Bewegung die zu einer Ortsänderung des Objekts führt, ließe sich durch den bekannten zeitlichen Abstand aufeinanderfolgender Pfadverzögerungen τ in der Kanalimpulsantwort erfassen. Liegt die Ortsänderung unter der Ortsauflösung des Ultrabreitbandsensors ist dies nicht möglich. Es kann jedoch eine Variation der Phase zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Kanalimpulsantworten h(τ) ausgewertet werden.
• Durch die zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) wird die Antwort des Systems in Abhängigkeit von einem Aussendezeitpunkt t des Impulsfunksignals beschrieben, wobei die zeitliche Variable t, welche sich auf die Aussendezeitpunkte der Impulsfunksignale bezieht, mit t und die Pfadverzögerung, welche die Pfadverzögerung zwischen der Aussendung eines Impulsfunksignals und dem Empfang eines Echosignals beschreibt, mit τ bezeichnet ist. Es wird in dem Verfahren davon ausgegangen, dass eine Bewegung in einem überwachten Umfeld eine zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) des Systems verursacht. Deshalb ist eine Änderung der zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, τ) über die Zeit t für die Erkennung von Bewegungen von Interesse. Um die Veränderung in aufeinanderfolgenden Kanalimpulsantworten h(τ) identifizieren zu können, wird die Transformation von t nach v auf die zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) angewandt, wodurch sich die Streufunktion hs(v, τ) ergibt. Die Streufunktion hs(v, τ) beschreibt das Antwortverhalten des Systems in Abhängigkeit von der Dopplerfrequenz v und der Pfadverzögerung τ. Die Streufunktion hs(v, τ) zeigt somit das Dopplerspektrum für eine jeweilige Pfadverzögerung τ. Eine durch den Dopplereffekt bei einer Bewegung verursachte Frequenzverschiebung ist in der Streufunktion als lokales Maximum P zu identifizieren, das zu einer bestimmten Pfadverzögerung τP erfolgt, die von dem Abstand der Bewegung zu dem Sensor abhängt. Über die Pfadverzögerung τ lässt sich der jeweilige Abstand zum Ultrabreitbandsensor bestimmen, in welchem die Bewegung erfolgt.
• Nachteilig an der Darstellung der Streufunktion hs(v, τ) über einen längeren Zeitraum ist, dass sich gegebenenfalls einzelne lokale Maxima P und somit die zugehörigen Bewegungen nicht identifizieren lassen, weil sich bei einer Berücksichtigung eines längeren Zeitraums ein kontinuierliches Dopplerspektrum ergibt. Beispielsweise umfasst eine Atembewegung oder eine ähnliche Bewegung eine Vielzahl an Beschleunigungs-, Entschleunigungs- und Ruhephasen. Um einzelne Bewegungen erkennen zu können, ist es erforderlich, die Streufunktion hs(v, τ) für mehrere, kürzere vorbestimmte Zeitabschnitte zu bilden, wodurch die zeitvariante Streufunktion hs(v, τ) gebildet wird.
• Zu diesem Zweck werden die vorbestimmten Zeitabschnitte als Zeitfenster gewählt. Für die einzelnen Zeitabschnitte werden jeweilige Streufunktionen hs(v, τ) erstellt. In diesen Streufunktionen hs(v, τ), die einen relativ kurzen Zeitraum betreffen, können im Gegensatz zu der Streufunktion hs(v, τ), die sich über einen längeren Zeitraum erstreckt, jeweilige lokale Maxima P erkannt werden, die durch die jeweilige Pfadverzögerung τP und die jeweilige Dopplerfrequenz vP charakterisiert sind. Bei einer Verfolgung einer Lage eines lokalen Maximums P über mehrere Streufunktionen hs(v, τ) hinweg, kann beispielsweise erkannt werden, dass die Dopplerfrequenz vP des Maximums P in den Streufunktionen hs(v, τ) über die Zeit t variiert.
• Im Fall eines Atmens hängt die Variation mit der Atembewegung einer Person zusammen, deren Geschwindigkeit über eine Atemperiode variiert. Handelt es sich um relativ kleine Bewegungen bezogen auf den Abstand des Objekts, die unter dem Auflösungsvermögen des Ultrabreitbandsensors liegt, erscheint das Maximum P in den Streufunktionen hs(v, τ) immerzu einer identischen Pfadverzögerung τP. Durch die Anwendung der zeitvarianten Streufunktion hs(v, τ) lässt sich somit über ein Maximum P eine Bewegung und die zugehörige Pfadverzögerung τP des Maximums P bestimmen.
• Im Idealfall zeigt jede der zeitvarianten Streufunktionen hs(v, τ) ein jeweiliges Maximum P zur selben Pfadverzögerung τP auf. Unter realen Bedingungen können sich für ein Maximum P in den einzelnen zeitvarianten Streufunktionen hs(v, τ) verschiedene ermittelte Pfadverzögerungen τP ergeben. In diesem Fall wird entweder die ermittelte Pfadverzögerung τP gewählt, die am häufigsten für das lokale Maximum P erfasst wird, was beispielsweise bei Bewegungen einer geringen Größe der Fall sein kann, oder alle ermittelten Pfadverzögerungen τP für das lokale Maximum P können berücksichtigt werden, was beispielsweise im Fall größerer Bewegungen erforderlich ist. Durch diesen Schritt wird bestimmt, zu welcher ermittelten Pfadverzögerung τP oder welchen ermittelten Pfadverzögerungen τP die Bewegung erfolgt. Die ermittelte Pfadverzögerung τP oder die ermittelten Pfadverzögerungen τP werden für die weitere Auswertung der Bewegung verwendet und korrelieren mit dem Abstand des sich bewegenden Objekts zum Ultrabreitbandsensor.
• Für die weitere Analyse der Bewegung sind somit der benötigte Abstand der Bewegung, beziehungsweise die benötigten Abstände der Bewegung bekannt. Es kann somit der Signalverlauf ϕ(t) des zumindest einen lokalen Maximums der Pfadverzögerung τP betrachtet werden. Hierbei kann beispielsweise die Phase überwacht werden. Dies erfolgt, weil sich bei in Radialrichtung zum Ultrabreitbandsensor bewegenden Objekten der Abstand zwischen dem Objekt und dem Ultrabreitbandsensor zu jeder Kanalimpulsantwort ändert. Aufgrund der unterschiedlichen Abstände weisen die reflektierten Signale unterschiedliche Phasenlagen auf. Dadurch ist es möglich, eine Bewegung zu erfassen, auch wenn die Ortsänderung des Objekts während der Bewegung unter der Ortsauflösung des Ultrabreitbandsensors liegt.
• Für das zu verfolgende zumindest eine Beobachtungsmaximum P wird der Signalverlauf ϕ(t) über die Zeit t aus der Kanalimpulsantwort h(t, τP) generiert. Hierfür wird der Signalverlauf ϕ(t) für die zumindest eine ermittelte Pfadverzögerung τP erstellt, zu der das Beobachtungsmaximum P in den Streufunktionen hs(v, τ) erfasst wurde. Bei Bewegungen, die sich über einen radialen Abstand in einer Größe erstrecken, die dazu führen, dass das Beobachtungsmaximum in den einzelnen Streufunktionen hs(v, τ) unterschiedliche Pfadverzögerungen τP aufweist, kann es erforderlich sein, dass der Signalverlauf ϕ(t) für das zumindest eine Beobachtungsmaximum aus Signalverläufen ϕ(t) unterschiedlicher ermittelter Pfadverzögerungen τP zusammengesetzt wird. Der Signalverlauf ϕ(t) kann mittels eines vorbestimmten Bewegungserkennungsverfahrens ausgewertet werden, um vorbestimmte Bewegungen erkennen zu können.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass durch das vorbestimmte Bewegungserkennungsverfahren eine periodische Bewegung als vorbestimmte Bewegung erfasst wird. Mit anderen Worten handelt es sich bei der vorbestimmten Bewegung, die durch das vorbestimmte Bewegungserkennungsverfahren in dem Signalverlauf ϕ(t) der zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, τ) erfasst wird, um eine periodische Bewegung. Periodisch bedeutet, dass die Bewegung durch einen periodischen Verlauf in dem Signalverlauf ϕ(t) erkennbar ist. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die zu erfassende vorbestimmte Bewegung eine Atmung oder einen Herzschlag beschreibt. Bei der Atmung und dem Herzschlag treten periodische Bewegungen des Brustkorbes auf, die in dem Signalverlauf ϕ(t) erkennbar sind. Um die vorbestimmte Bewegung erfassen zu können, kann es vorgesehen sein, dass der Signalverlauf ϕ(t) der Kanalimpulsantwort von dem Zeit- in den Frequenzraum transformiert wird. In dem Frequenzspektrum der Phase können dadurch vorbestimmte Bewegungen mit vorbestimmten Frequenzen anhand auftretender Maxima erkannt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Grundschwingung einer Atmung, welche bei 0,39 Hz liegt, eine harmonische Schwingung der Atmung welche bei 0,78 Hz liegt oder eine zweite harmonische Schwingung handeln, die bei 1,17 Hz liegt. Es kann auch eine Frequenz von 0,98 Hz vorgegeben sein, um einen Herzschlag zu erkennen. Dadurch kann es möglich sein, vorbestimmte Bewegungen durch eine Untersuchung des Frequenzspektrums auf ein Auftreten vorbestimmte Frequenzen zu erkennen. Es kann, vorgesehen sein dass eine vorbestimmte Mindestamplitude zur Erkennung der vorbestimmten Bewegung überschritten sein muss.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine nicht-periodische Bewegung als vorbestimmte Bewegung durch das Bewegungserkennungsverfahren erfasst wird. Mit anderen Worten handelt es sich bei der vorbestimmten Bewegung um eine nicht-periodische Bewegung. Dabei kann es sich beispielsweise um eine einmalige Bewegung einer Hand oder eines Beins handeln. Eine nicht-periodische Bewegung kann in dem Signalverlauf ϕ(t) beispielsweise durch einen Vergleich des erfassten Signalverlaufs ϕ(t) mit einem vorgegebenen Signalverlauf ϕ(t) erkannt werden. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass der erfasste Signalverlauf ϕ(t) mittels einer Ähnlichkeitsfunktion mit einem oder mehreren vorgegebenen Signalverläufen ϕ0(t) verglichen wird. Wird ein vorbestimmter Ähnlichkeitsschwellenwert dc durch einen durch die Ähnlichkeitsfunktion errechneten Ähnlichkeitswert d(t) überschritten oder ein anderes vorbestimmtes Kriterium erfüllt, kann die vorbestimmte Bewegung in dem Signalverlauf ϕ(t) erkannt werden.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kanalimpulsantworten durch einen Gleichanteilfilter gefiltert werden. Mit anderen Worten wird ein Filter auf die einzelnen Kanalimpulsantworten angewandt, welcher Gleichanteile in den Kanalimpulsantworten minimiert. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine durchschnittliche Komponente, die in allen Kanalimpulsantworten bezogen auf das Dopplerspektrum auftritt minimiert wird. Durch den Gleichanteilfilter wird beispielsweise die Komponente die bei einer Dopplerfrequenz von 0 Hz in der Streufunktion hs(v, τ) auftritt reduziert. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass statische Anteile, welche nicht zur Bewegungserkennung geeignet sind, herausgefiltert werden.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Doppler-Tiefpassfilter auf den Dopplerfrequenzraum angewandt wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass hohe Frequenzen, die nicht zu einer zu erfassenden Bewegung gehören, herausgefiltert werden.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei der Erfassung der vorbestimmten Bewegung ein vorbestimmtes Steuersignal an einer Schnittstelle der Ultrabreitbandvorrichtung bereitgestellt wird. Mit anderen Worten wird durch die Ultrabreitbandvorrichtung das vorbestimmte Steuersignal ausgesandt, sobald die vorbestimmte Bewegung erkannt wird. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das vorbestimmte Steuersignal an einer Schnittstelle für ein Fahrzeugnetzwerk nach dem CAN-, Lin- oder Ethernetstandard ausgegeben wird, um eine vorbestimmte Aktion, wie ein Öffnen eines Kofferraums oder ein Ausgeben eines Alarmsignals zu initiieren.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Tiefpassfilter auf den Frequenzraum des Signalverlaufs ϕ(t) angewandt wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass geringe Frequenzen, die nicht zu einer periodischen Bewegung gehören, herausgefiltert werden.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass vor der Durchführung des Bewegungserkennungsverfahrens eine zeitliche Abtastrate des Signalverlaufs ϕ(t) durch einen Dezimator reduziert wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Datenumfang des Signalverlaufs ϕ(t) reduziert werden kann. Die Reduzierung erfordert jedoch, dass die Abtastrate mindestens ausreicht, um die Dopplerfrequenzverschiebung zu erkennen.
• Die Erfindung umfasst auch eine Ultrabreitbandvorrichtung die dazu eingerichtet ist, durch einen Ultrabreitbandsensor zu unterschiedlichen Zeitpunkten Impulsfunksignale auszusenden und jeweilige Kanalimpulsantworten zu generieren, welche ein jeweiliges reflektiertes Signal in Abhängigkeit von einer Pfadverzögerung beschreiben. Die Ultrabreitbandvorrichtung ist dazu eingerichtet, aus den Kanalimpulsantworten eine zeitvariante Kanalimpulsantwort zu generieren, in welchem die Kanalimpulsantworten gemäß den Zeitpunkten des Aussendens der jeweils zugehörigen Impulsfunksignale geordnet sind, und vorbestimmte Zeitfenster der zeitvarianten Kanalimpulsantwort zu jeweiligen Streufunktionen der Dopplerfrequenz zu transformieren. Die Ultrabreitbandvorrichtung ist dazu eingerichtet, in den jeweiligen Streufunktionen der jeweiligen Zeitfenster zumindest ein jeweiliges lokales Maximum der Streufunktionsgröße, charakterisiert durch eine jeweilige Dopplerfrequenz und eine jeweilige Pfadverzögerung, zu erfassen, nach einem vorbestimmten Auswahlverfahren zumindest ein lokales Maximum als jeweiliges für eine Bewegungserkennung zu verfolgendes Beobachtungsmaximum auszuwählen, und ein Signalverlauf einer Phase über die Zeit aus der Kanalimpulsantwort für die zumindest eine Pfadverzögerung des jeweiligen zu verfolgenden Beobachtungsmaximums zu generieren. Die Ultrabreitbandvorrichtung ist dazu eingerichtet, durch ein vorbestimmtes Bewegungserkennungsverfahren zumindest eine vorbestimmte Bewegung des zu verfolgendes Beobachtungsmaximums in dem Signalverlauf der Phase über die Zeit der Kanalimpulsantwort zu erfassen.
• Die Erfindung umfasst auch ein Fahrzeug, das eine Ultrabreitbandvorrichtung umfasst.
• Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ultrabreitbandvorrichtung und des erfindungsgemäßen Fahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ultrabreitbandvorrichtung und des erfindungsgemäßen Fahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
• Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
• Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
• 1 ein Fahrzeug umfassend eine Ultrabreitbandvorrichtung;
• 2 ein Ablauf eines Verfahrens zum Betreiben einer Ultrabreitbandvorrichtung;
• 3 Signalverläufe in Abhängigkeit von t und τ einer periodischen Bewegung;
• 4 Signalverläufe in Abhängigkeit von t und τ einer periodischen Bewegung;
• 5 eine Streufunktion einer zeitvarianten Kanalimpulsantwort einer periodischen Bewegung;
• 6 zeitaufgelöste Streufunktionen einer zeitvarianten Kanalimpulsantwort einer periodischen Bewegung;
• 7a eine Auswahl der Maxima der zeitaufgelösten Streufunktion der zeitvarianten Kanalimpulsantwort einer Bewegung;
• 7b eine Auswahl der Maxima der zeitaufgelösten Streufunktion der zeitvarianten Kanalimpulsantwort einer Bewegung;
• 8 ein Histogramm der Taps mit den intensivsten Dopplerverschiebungen;
• 9 ein Signalverlauf ϕ(t) eines Taps einer periodischen Bewegung;
• 10 ein Frequenzspektrum eines Signalverlaufs ϕ(t) eines Taps einer periodischen Bewegung;
• 11 eine Streufunktion einer zeitvarianten Kanalimpulsantwort einer nichtperiodischen Bewegung;
• 12 eine zeitaufgelöste Streufunktion einer nichtperiodischen Bewegung;
• 13 ein Histogramm der Pfadverzögerungen τ mit den intensivsten Dopplerverschiebungen;
• 14 eine Maske einer zeitvarianten Kanalimpulsantwort einer nichtperiodischen Bewegung.
• 15 Signalverlauf ϕ(t) der zeitvarianten Kanalimpulsantwort einer nichtperiodischen Bewegung.
• 16 ein Bewegungsprofil einer erkannten Person;
• 17 ein Abstandsprofil einer sich bewegenden Person.
• Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
• In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt eine Ultrabreitbandvorrichtung 1, die Ultrabreitbandsensoren 2 und eine Steuereinheit 3 umfassen kann. Die gezeigte Ultrabreitbandvorrichtung 1 ist in einem Fahrzeug 4 angeordnet, um einen Innenraum 5 oder eine Umgebung 6 des Fahrzeugs 4 zur Bereitstellung vorbestimmter Funktionen zu überwachen. Die Ultrabreitbandvorrichtung 1 kann dafür vorgesehen sein, Bewegungen in dem Innenraum 5 und/oder der äußeren Umgebung 6 des Fahrzeugs 4 zu erfassen. Zu diesem Zweck können beispielsweise einige der Ultrabreitbandsensoren 2 in dem Innenraum 5 des Fahrzeugs 4 angeordnet sein. Zumindest einer der Ultrabreitbandsensoren 2 kann an einer Karosserie des Fahrzeugs 4 angeordnet sein, um die äußere Umgebung 6 des Fahrzeugs 4 zu überwachen. Die Ultrabreitbandvorrichtung 1 kann dafür vorgesehen sein, zur Erkennung der Bewegungen im Innenraum 5 oder der Umgebung 6 Impulsfunksignale TX auszusenden und zugehörige Echosignale RX zu empfangen. Es kann vorgesehen sein, dass bei der Erkennung vorbestimmter Bewegungen 7 durch die Steuereinrichtung 3 ein Steuersignal 8 an einer Schnittstelle 9 für das Fahrzeug 4 bereitgestellt wird, um vorbestimmte Funktionen freizuschalten oder vorbestimmte Aktionen einzuleiten. Es kann vorgesehen sein, dass die Ultrabreitbandvorrichtung 1 dafür vorgesehen ist, den Innenraum 5 des Fahrzeugs 4 zu überwachen, um beispielsweise Vitalfunktionen eines Fahrers 10 zu überwachen, welche einen Stresspegel oder einen Müdigkeitswert umfassen können. Dabei kann es sich insbesondere um eine Atmung des Fahrers 10 oder einen Herzschlag des Fahrers 10 handeln, welcher über eine periodische Bewegung eines Brustkorbs des Fahrers 10 erkannt werden können. Dabei kann es sich um periodische Bewegungen handeln, welche in vorbestimmten Frequenzbereichen mit vorbestimmten Amplituden erfolgen. Dadurch kann es beispielsweise möglich sein, einen Müdigkeitszustand oder einen Gesundheitszustand des Fahrers 10 zu überwachen. Es kann auch vorgesehen sein, dass über eine Erkennung von Herzschlägen oder Atembewegungen einen weiteren Fahrzeuginsassen 11 in dem Innenraum 5 erfasst werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ultrabreitbandvorrichtung 1 dazu eingerichtet ist, vorbestimmte nicht-periodische Bewegungen 7 zu erfassen, um vorbestimmte Aktionen im Fahrzeug 4 zu aktivieren. Bei den vorbestimmten nicht-periodischen Bewegungen kann es sich beispielsweise um eine Geste eines Fahrzeuginsassen 11 handeln der die vorbestimmte Aktion mittels der Geste einleiten möchte. Es kann auch vorgesehen sein, dass mittels der Erfassung einer nicht-periodischen vorbestimmten Bewegung 7 in dem Fahrzeuginnenraum 5 ein Einbruch erkannt werden soll. Die vorbestimmte nicht-periodische Bewegung in der Umgebung 6 des Fahrzeugs 4 kann beispielsweise eine Fußtrittbewegung einer Person 12 sein, die sich in einem vorbestimmten örtlichen Bereich 13 in der Umgebung 6 des Fahrzeugs 4 aufhält und mittels der vorbestimmten Bewegung 7 eine Öffnung eines Kofferraums 14 des Fahrzeugs 4 initiieren möchte. Um die vorbestimmten Bewegungen 7 erfassen zu können, kann es vorgesehen sein, dass die Ultrabreitbandsensoren 2 zu bestimmten Zeitpunkten t Impulsfunksignale TX aussenden und zu jedem der Impulsfunksignale TX ein jeweiliges Echosignal RX empfangen. Es kann vorgesehen sein, dass ein jeweiliger der Ultrabreitbandsensoren 2 sowohl als Sender des Impulsfunksignals TX als auch als Empfänger zur Erfassung des Echosignals RX vorgesehen ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Aussendung des Impulsfunksignals TX und ein Empfang des Echosignals RX durch unterschiedliche Ultrabreitbandsensoren 2 erfolgen kann.
• Es ist möglich, die Ultrabreitbandsensoren 2 in einem aktiven Lokalisierungsmodus und in einem passiven Modus zur Beobachtung der Umgebung zu nutzen. Durch den zusätzlichen passiven Modus und die unterschiedlichen Platzierungsorte innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs 4 können diese neuartige Technologie, sowie der neue Lokalisierungsdienst auch die genannten Dienste der Fahrer-/Beifahrerbeobachtung und der fußtritt- oder gestenbasierten Öffnung abdecken. Dieser große Vorteil erlaubt es, die Anzahl der Sensoren im Fahrzeug 4 zu reduzieren sowie zusätzliche Dienste anzubieten.
• Dank des passiven Modus können Änderungen der Amplitude, der Phase und des Spektrums zwischen aufeinanderfolgenden Kanalimpulsantworten h(τ) erkannt und eine Art Bewegungsprofil erstellt werden. Mittels der schnellen Fouriertransformation FFT und des bekannten Abstands zwischen den emittierten Impulsfunksignalen TX, ist die Bestimmung einer Geschwindigkeit und des Abstands eines Objekts über die Zeit t möglich.
• 2 zeigt ein einen Ablauf eines Verfahrens zum Betreiben einer Ultrabreitbandvorrichtung 1. Das Verfahren kann beispielsweise durch die in 1 gezeigte Ultrabreitbandvorrichtung 1 durchgeführt werden. Zur Erläuterung der einzelnen Schritte des Verfahrens wird auf die weiteren Figuren verwiesen.
• Es kann vorgesehen sein, dass in einem ersten Schritt P1 des Verfahrens durch einen Ultrabreitbandsensor 2 der Ultrabreitbandvorrichtung 1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten t Impulsfunksignale TX versandt und die jeweiligen Echosignale RX der Impulsfunksignale TX empfangen werden. Der Ultrabreitbandsensor 2 und/oder die Steuereinrichtung 3 der Ultrabreitbandvorrichtung 1 können aus den Echosignalen RX jeweilige Kanalimpulsantworten h(τ) bestimmen, welche eine Intensität eines Echosignals RX über eine Pfadverzögerung τ beschreibt. Die Pfadverzögerung τ kann eine Zeit zwischen dem Aussenden des Impulsfunksignals TX und einem Zeitpunkt des Empfangs des zugehörigen Echosignals RX beschreiben. Dadurch, dass eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale TX und RX mit der Lichtgeschwindigkeit c bekannt ist, ist die Pfadverzögerung τ proportional zu einem Abstand eines Objektes, welches das Impulsfunksignal TX als Echosignal RX reflektiert hat. Es kann sein, dass das Impulsfunksignal TX an mehreren Objekten reflektiert wird, die unterschiedliche jeweilige Abstände zu dem Ultrabreitbandsensor 2 aufweisen können. Dadurch können in einer Kanalimpulsantwort h(τ) eine Vielzahl von Intensitätsmaxima zu jeweiligen Pfadverzögerungen τ vorhanden sein. Dadurch, dass durch den Ultrabreitbandsensor 2 mehrere Echosignale RX von zu unterschiedlichen Zeitpunkten t versandten Impulsfunksignalen TX empfangen werden, können für jeweilige Zeitpunkte t jeweilige Kanalimpulsantworten h(τ) erfasst werden.
• Durch die Kenntnis der Zeitpunkte t, zu welchen ein jeweiliges Impulsfunksignal TX ausgesandt wurde, ist es möglich, eine zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) aus den einzelnen Kanalimpulsantworten h(τ) zu generieren. Bei größeren Bewegungen, welche beispielsweise durch das Auflösungsvermögen des Ultrabreitbandsensors 2 erfasst werden können, kann zu erkennen sein, dass ein jeweiliges Maximum P, welches einem jeweiligen Objekt zugeordnet ist, eine Veränderung der Pfadverzögerung τP zwischen einzelnen Kanalimpulsantworten h(τ) aufweist. Es ist nun eine Aufgabe, einen Verfahrensschritt bereitzustellen, welcher es ermöglicht, diese Bewegung zu erfassen. Hierfür ist es erforderlich die zeitvarianten Komponenten der zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, τ) zu untersuchen. Eine Möglichkeit zur Erfassung der Bewegungen ist es, eine Transformation auf die zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) anzuwenden, um die zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) von einer Zeitabhängigkeit von t in eine Abhängigkeit von der Dopplerfrequenz v zu transformieren. Dadurch ist es möglich, die Streufunktion hs(v, τ) der zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, τ) zu erhalten, in welcher Bewegungen mit ihrer jeweiligen Dopplerfrequenz vP und ihrer jeweiligen Pfadverzögerung τP als lokales Maximum P erscheinen. Die Dopplerfrequenzen vP entstehen dadurch, dass sich die Frequenz des Echosignals RX in Abhängigkeit davon verändert, ob sich ein Objekt auf den Ultrabreitbandsensor 2 zu oder weg bewegt.
• Um die Auswertung der Streufunktion hs(v, τ) vorzubereiten und insbesondere Gleichanteile zu reduzieren, kann es vorgesehen sein, in einem Schritt P2 einen Gleichanteilsfilter anzuwenden, um einen Gleichanteil herauszufiltern. Der Gleichanteilsfilter entfernt die mittlere Komponente der Kanalimpulsantwort h(t, τ) bezüglich des Dopplerspektrums, das heißt der Filter unterdrückt die Streufunktionskomponente bei v = 0 Hz. Dieses Filter kann zum Beispiel ein rekursives Filter sein, dessen Übertragungsfunktion G lautet, wobei z die komplexe Frequenzvariable und R eine reelle Konstante ist. Es können auch andere Filtercharakteristiken verwendet werden. $$\text{G}\left(\text{z}\right)=\left(1-\text{z}-1\right)/\left(1-\text{R z}-1\right)$$

  
• Außerdem können auch andere Verfahren zur Unterdrückung von statischen Echosignalen verwendet werden, beispielsweise basierend auf einem gleitenden Tiefpassfilter, der Singulärwertzerlegung der Kanalmatrix h(t, τ) oder der Substraktion einer oder mehrerer vorausgegangener Kanalimpulsantworten („range profile subtraction“).
• Eine Erstellung der Streufunktion hs(v, τ) auf einen gesamten Zeitraum einer längeren Messung kann jedoch ungeeignet sein, um einzelne Bewegungen detektieren zu können. Es ist somit in einem Schritt P3 erforderlich, zeitvariante Streufunktionen hs(v, τ) für jeweilige Zeitfenster zu generieren. Zu diesem Zweck werden vorbestimmte Längen der Zeitfenster und Abstände der Zeitfenster ausgewählt, aus denen eine jeweilige Streufunktion hs(v, τ) generiert wird. Damit werden die zeitabhängigen Dopplerspektren berechnet. Dies geschieht durch Anwendung einer Transformation die eine Frequenzanalyse erlaubt. Dies kann beispielsweise eine diskrete Cosinus- Transformation, eine Laplace-Transformation, eine Walsh- Transformation, eine Fourier-Transformation oder einer Variante der diskreten Fourier-Transformation sein. Diese Transformation wird auf eine Anzahl aufeinanderfolgender zeitvarianter Kanalimpulsantworten h(t, τ) angewandt. Zur Berechnung des zeitabhängigen Dopplerspektrums hs(v, τ) wird ein Satz aufeinanderfolgender Kanalimpulsantworten h(t, τ) genommen.
• t0 ist die Abtastperiode, das heißt, die Zeitdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Kanalimpulsantworten h(τ). Die Sätze von zeitvarianten Kanalimpulsantworten h(t, τ) können sich bei der Berechnung des Dopplerspektrums überschneiden, wobei das Zeitfenster zwischen benachbarten Sätzen von Kanalimpulsantworten h(t, τ) wie folgt definiert sein kann: $$\text{tm}=\text{m t0}$$

  

  wobei m≤n.
• Ein erster Satz von Kanalimpulsantworten h(t, τ) erstreckt sich über t = 0 ... (n-1)t0,
  ein zweiter Satz von t=m t0 ... (m+n-1)t0,
  ein dritter Satz von t=(2m)t0 ... (2m+n-1)t0
  und so weiter.
• Für m=n, wird der nächste Satz aus n Kanalimpulsantworten h(t, τ) immer ohne Überlappung ausgewählt. Für m>n, werden (m-n) Kanalimpulsantworten zwischen zwei Sätzen nicht für die Berechnung berücksichtigt, um z. B. zu verhindern, dass ein unerwünschtes periodisches Ereignis im Dopplerspektrum auftaucht.
• In den jeweiligen Streufunktionen hs(v, τ) können jeweilige Maxima P erkennbar sein, welche einem sich bewegenden Objekt zugeordnet sein können. In dem Fall dass es sich bei dem Objekt um ein Objekt handelt, das sich über einen geringen Bereich bewegt sodass die Ortsänderung nicht durch die Ultrabreitbandsensoren 2 erfasst werden kann, kann es beispielsweise sein, dass das jeweilige Maximum P zu unterschiedlichen Zeitpunkten t zu identischen Pfadverzögerungen τP auftritt. Die Dopplerfrequenz vP kann jedoch über die Zeit t variieren. Für den Fall, dass es sich um eine größere Bewegung handelt, die über einen größeren Abstandsbereich zu einem der Ultrabreitbandsensoren 2 erfolgt, können die ermittelten Pfadverzögerungen τP der Maxima P über die Zeit t und somit zwischen den Zeitfenstern variieren.
• Es ist somit die Aufgabe in dem Schritt P4 zumindest ein lokales Maximum P zu erfassen. Der nächste Abschnitt ermittelt in jeder der zeitvarianten Streufunktionen hs(v, τ) die Dopplerfrequenz vP, die den maximalen Betrag der Streufunktion hs(v, τ) über alle Pfadverzögerungen τP oder Abgriffe τ / τ0 zeigt, wobei τ0 die Abtastperiode der Pfadverzögerung τ ist. Danach kann die Pfadverzögerung τ als ermittelte Pfadverzögerung τP gewählt werden, welche die jeweilige zeitvariante Streufunktion hs(v, τ) maximiert. Mit anderen Worten wird eine 2-D-Maximumsuche auf jede der zeitvarianten Streufunktionen hs(v, τ) angewandt, die in dem vorherigen Schritt P4 erhalten wurde, um lokale Maxima P, die eine jeweilige Dopplerfrequenz vP und eine jeweilige Pfadverzögerung τP aufweisen, auszuwählen.
• Eine weitere Variante zur Ermittlung der ermittelten Pfadverzögerung τP, die mit der zu detektierenden Bewegung korrespondiert, nutzt die lokalen Maxima P der zeitvarianten Streufunktionen hs(v, τ). Anstatt das globale Maximum als Kriterium heranzuziehen, werden Dopplerverschiebungen v über die verschiedenen zeitvarianten Streufunktionen hs(v, τ) beobachtet, um die Art der Bewegung festzustellen. Bei einer periodischen Bewegung ist beispielsweise eine periodische Änderung der Dopplerverschiebungen vP bei der entsprechenden Pfadverzögerung τP zu beobachten. Somit kann die Pfadverzögerung τP basierend auf der zu erwartenden Bewegung anhand des zeitlichen Verlaufs der Dopplerverschiebung vP ermittelt werden.
• In einem folgenden Verfahrensschritt P5 kann es erforderlich sein, die zumindest eine ermittelte Pfadverzögerung τP auszuwählen, für die ein Signalverlauf ϕ(t) bestimmt werden soll. Im Fall einer Bewegung, die über einen geringen Abstandsbereich bezüglich des Ultrabreitbandsensors 2 erfolgt, kann es möglich sein, dass nur eine ermittelte Pfadverzögerung τP ausgewählt wird, weil die Bewegung nur in diesem Abstandsbereich erfolgt. Finden mehrere Bewegungen statt oder umfasst eine Bewegung mehrere Dopplerfrequenzen vP kann es sein dass mehrere der Maxima P ausgewählt werden.
• Für den Fall, dass größere Bewegungen erfolgen und sich das bewegende Objekt in unterschiedlichen Abständen zum Ultrabreitbandsensor 2 aufhält, kann es erforderlich sein, dass für die einzelnen Zeitfenster unterschiedliche ermittelte Pfadverzögerungen τP für das Maximum P ausgewählt werden. Hierfür ist es erforderlich die Lageänderung des Maximums P über mehrere der Streufunktionen hs(v, τ) zu verfolgen. Der Verfahrensschritt P5 erfordert somit, dass zur Verfolgung eines jeweiligen lokalen Maximums P zumindest eine jeweilige ermittelte Pfadverzögerung τP des lokalen Maximums P bestimmt wird. Dabei kann die zumindest eine Pfadverzögerung τP ausgewählt werden, die für die Bewegungserkennung berücksichtigt werden soll. Dies kann durch die Auswahl der am häufigsten ermittelten Pfadverzögerung τP für das jeweilige lokale Maximum P oder durch die Auswahl aller für das jeweilige Maximum P ermittelten Pfadverzögerungen τP oder durch ein anderes Auswahlverfahren erfolgen.
• Um die erfasste Bewegung auswerten und die vorbestimmten Bewegungen 7 erkennen zu können, wird für das zumindest eine erfasste Maximum P ein Signalverlauf ϕ(t) bestimmt. Mit anderen Worten wird die zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) transformiert, um den Signalverlauf ϕ(t) des für das zumindest eine Maximum P über die Zeit t zu erhalten. Für den Fall, dass es sich um eine Bewegung mit konstanter Pfadverzögerung τP handelt, ist es hierbei ausreichend, die zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) für eine einzige Pfadverzögerung τP in einen Signalverlauf ϕ(t) zu transformieren. Bewegt sich das Maximum P über einen größeren Abstandsbereich zum Ultrabreitbandsensor 2, müssen mehrere verschiedene ermittelte Pfadverzögerungen τP zur Untersuchung der Bewegung berücksichtigt werden. Dabei kann der Signalverlauf ϕ(t) für jede der ermittelten Pfadverzögerungen τP aus der zeitvariablen Kanalimpulsantwort h(t, τ) generiert werden. In einem zweiten Schritt kann aus einzelnen Abschnitten der Signalverläufe ϕ(t) ein einziger Signalverlauf ϕ(t) zusammengesetzt werden. Für den zusammengesetzten Signalverlauf ϕ(t) wird jeweils der Zeitabschnitt des Signalverlaufs ϕ(t) gewählt, welcher der jeweiligen ermittelten Pfadverzögerung τP zugeordnet ist, zu der die Bewegung erfolgt. Erfolgt die Bewegung beispielsweise in einer ersten Hälfte eines Zeitraums zu der ermittelten Pfadverzögerung τP mit dem Index P=5 und in einer zweiten Hälfte des Zeitraums zu der ermittelten Pfadverzögerung τP mit dem Index P=6, setzt sich der zusammengesetzte Signalverlauf ϕ(t) aus dem Signalverlauf ϕ(t) für P=5 in der ersten Hälfte und dem Signalverlauf ϕ(t) für P=6 in der zweiten Hälfte zusammen. Die Auswertung des Signalverlaufs ϕ(t) ist erforderlich, weil aufgrund der bereits genannten geringen Ortsauflösung bei geringen Bewegungen eine Bewegungsauswertung auf Grundlage einer Ortsänderung nicht möglich ist. Es wird jedoch die Tatsache benutzt, dass sich bei einer Bewegung über einen Zeitraum beispielsweise die Phasenlage in den einzelnen Kanalimpulsantworten h(τ) über die Zeit t ändert. Somit ist es möglich, beispielsweise über eine Auswertung der Phase, der Frequenz oder der Amplitude in dem Signalverlauf ϕ(t), Bewegungen zu erfassen und auszuwerten, auch wenn dies aufgrund der unzureichenden Ortsauflösung der Ultrabreitbandsensoren 2 nicht möglich wäre. In Abhängigkeit von dem zumindest einen gewählten Maximum P wird das Argument der Kanalimpulsantwort h(t, τ) über der Zeit t für τP = P τ0 berechnet. Vor der Berechnung kann ein Tiefpassfilter angewendet werden, um schnelle Änderungen über die Zeit t zu entfernen, die durch Zufallssignale (z. B. Rauschen) oder Beeinträchtigungen verursacht werden.
• In einem nächsten Schritt P7 kann es vorgesehen sein, einen Dezimator anzuwenden, um die Abtastrate des Signalverlaufs ϕ(t) in Bezug auf t zu reduzieren. Der Dezimator reduziert die Abtastrate in Bezug auf t. Er ermöglicht die Reduzierung der Datenrate, solange die Abtastrate die Erfassung der Dopplerfrequenzverschiebung erlaubt.
• Ein Schritt P8 umfasst eine Erkennung vorbestimmter Frequenzbewegungen. Hierbei kann eine Fallunterscheidung erforderlich sein, je nachdem ob eine periodische oder eine nicht-periodische Bewegung erfasst werden soll. Für den Fall, dass eine periodische Bewegung erfasst werden soll, kann der Signalverlauf ϕ(t) in den Frequenzraum transformiert werden. Dadurch ist es möglich, die einzelnen Frequenzanteile des Signalverlaufs ϕ(t) zu erkennen. Zur Erfassung einer vorbestimmten Periode kann es vorgesehen sein, dass das Frequenzspektrum auf ein Vorhandensein eines Maximums untersucht wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Schwellenwert für eine oder mehrere Frequenzen vorgegeben wird, welche mit einer Bewegung zusammenhängt. Es kann vorgesehen sein, dass die Frequenz eine Atmung oder einen Herzschlag betrifft. Es kann vorgesehen sein, dass ein Herzschlag erkannt wird, wenn die vorbestimmte Frequenz eine vorbestimmte Amplitude überschreitet.
• Für den Fall, dass eine nicht-periodische Bewegung als vorbestimmte Bewegung erfasst werden soll, kann es vorgesehen sein, dass ein vorbestimmtes Muster vorgegeben wird, welches mit dem Signalverlauf ϕ(t) verglichen wird. Es kann sein, dass das Muster einen vorbestimmten Verlauf der Phase beschreibt und dieser vorbestimmte Verlauf mittels einer Ähnlichkeitsfunktion mit dem erfassten Verlauf verglichen wird. Überschreitet die Ähnlichkeit einen vorbestimmten Schwellenwert oder erfüllt sie ein anderes vorbestimmtes Ähnlichkeitskriterium, kann die vorbestimmte Bewegung erfasst werden. Ein Frequenzdetektor kann die Frequenz des Signalverlaufs ϕ(t) detektieren. Dies impliziert ein periodisches Signal, dessen Periode z. B. durch eine Suche nach der dominanten Frequenz im entsprechenden Frequenzgang abgeschätzt werden kann Für ein nicht-periodisches Signal, wie es durch eine einmalige Bewegung wie z. B. einen Tritt oder eine Geste verursacht wird, kann ein Signaldetektor verwendet werden, der z. B. die Wahrscheinlichkeit zurückgibt, dass das Signal durch die vorbestimmte Bewegung verursacht wird.
• 3 zeigt einen möglichen Signalverlauf ϕ(t) über die Zeit t und die Pfadverzögerung τ. Dargestellt werden die Signalverläufe über eine Zeit t für bestimmte Pfadverzögerungen τP. Da die Pfadverzögerungen τP mit den Abständen der Bewegung zu dem Sensor proportional sind, zeigt eine jeweilige Linie, wie sich die Phase über eine Zeit t für einen vorbestimmten Abstand verändert. Drei der Verläufe beschreiben den zeitlichen Verlauf für Pfadverzögerungen τP von 14 τ0, 15 τ0 und 16 τ0. In diesen ist eine dominierende Schwingung zu erkennen, welche eine Frequenz von ungefähr 0,33 Hz aufweist. Dabei handelt es sich um eine Atemfrequenz eines Brustkorbes der sich in einem Abstand von 14-16 τ0 befindet. Die Variation in der Phasenlage resultiert aus der sich ändernden Laufzeit zwischen dem ausgesandten und empfangenen Signal über die Zeit t.
• 4 zeigt einen Verlauf der Phasen der drei Pfadverzögerungen 14 τ0, 15 τ0 und 16 τ0 über die Zeit t.
• 5 zeigt eine exemplarische Streufunktion hs(v, τ) die sich für eine periodische Bewegung, wobei es sich um eine Atembewegung handelt, ergibt. Die Streufunktion basiert auf einer Auswertung von 1276 aufeinanderfolgend erfassten Kanalimpulsantworten h(τ). In einem Bereich ist eine Dopplerverschiebung mit einem Maximum P zu erkennen. Die Pfadverzögerung τP des Maximums P, zeigt den Abstand zwischen dem Ultrabreitbandsensor 2 und dem Objekt, welches die Zeitvariationen in der Kanalimpulsantwort h(t, τ) hervorruft. In diesem Fall handelt es sich um die besagte Atembewegung eines menschlichen Körpers. Die Streufunktion hs(v, τ) wurde in Bezug auf ihr Maximum für die 1276 aufeinanderfolgenden Kanalimpulsantworten normalisiert. Die Erfassung der einzelnen Kanalimpulsantworten h(τ) erfolgte mit einem Zeitabstand für t von 8 ms. Die Auflösung der Dopplerfrequenz v ist bei ungefähr 0,1 Hz. Das Maximum P, das bei circa 9 ns zu erkennen ist, geht auf innere Reflektionen in dem Ultrabreitbandsensor 2 zurück und ist keiner Bewegung zuzuordnen. Die Betrachtung der Streufunktion hs(v, τ) für alle Kanalimpulsantworten h(τ) auf einmal zeigt ein kontinuierliches Dopplerspektrum, da die Atmung oder eine ähnliche Bewegung bestimmte Phasen der Beschleunigung, Verlangsamung und Ruhe umfasst. Um eine bestimmte Bewegung aufzulösen, wird die Streufunktion hs(v, τ) für jeweilige Zeitabschnitte benötigt.
• 6 zeigt einen Verlauf der zeitvarianten Streufunktion hs(v, τ) in Abhängigkeit von der Zeit t. Die einzelnen Streufunktionen hs(v, τ) wurden bezüglich ihres jeweiligen Maximums P normalisiert. Jedes Spektrum umfasst 150 aufeinanderfolgende Kanalimpulsantworten h(t, τ). Es handelt sich um den Datensatz welcher auch in der vorangegangenen 5 zu Grunde gelegt wurde. In 6 ist zu beobachten, dass sich die Dopplerfrequenz vP des Maximums P der Streufunktion hs(v, τ) über die Zeit t ändert. In diesem Fall entspricht die Variation der Atembewegung einer Person in einem Bereich, der einer bestimmten Pfadverzögerung τ folgt. Mit Hilfe der zeitvariablen Streufunktion hs(v, τ) kann diese bestimmte Pfadverzögerung τP ermittelt werden. Dazu werden die Dopplerfrequenz vP und die Pfadverzögerung τP des Maximums P der zeitvarianten Streufunktionen hs(v, τ) gesucht. Im Idealfall zeigt jede der Streufunktionen hs(v, τ) ihr Maximum P bei der gleichen Pfadverzögerung τP. In einem realen Szenario können sich mehrere Pfadverzögerungen τP ergeben. In diesem Fall wird für die weitere Auswertung beispielsweise die Pfadverzögerung τP gewählt, die am häufigsten erscheint. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn es sich um eine kleine Bewegung handelt. Alternativ dazu können alle Pfadverzögerungen τP zu denen das Maximum P auftrat, für das weitere Verfahren berücksichtigt werden. Dies ist insbesondere bei größeren Bewegungen vorteilhaft, welche sich über mindestens zwei Bereiche der Auflösung erstrecken.
• 7a und 7a zeigen den Verfahrensschritt zur Wahl der Pfadverzögerungen τP, welche eine maximale Amplitude in der Dopplerfrequenz vP aufweisen. Die einzelnen Punkte zeigen komplexe Werte der zeitdiskreten, zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, τ) jede Reihe repräsentiert eine Änderung über die Zeit t für eine bestimmte Pfadverzögerung τP. Jede Spalte repräsentiert eine Kanalimpulsantwort h(τ) zu einem bestimmten Zeitpunkt. Für Bewegungen über einen kleinen Abstandsbereich, wie in 7a zu sehen, ist die Pfadverzögerungen τP eines Maximums, das mittels der zeitvarianten Streufunktionen hs(v, τ) bestimmt wird, nahezu konstant. Dadurch erscheint eine Pfadverzögerungen τP häufiger als andere. In diesem Fall wird die Pfadverzögerung τP gewählt die am häufigsten auftritt. Dies bedeutet, dass eine einzige Reihe der zeitdiskreten Kanalimpulsantwort h(t, τ) gewählt wird, wie es in der oberen Darstellung gezeigt wird.
• Für Bewegungen größeren Umfangs, wie in 7b zu sehen, verändert sich die Pfadverzögerung τP bei der die maximale Doppleramplitude auftritt über die Zeit t. Dies ist darauf zurückzuführen das die Reflexion eines Objekts früher oder später in Abhängigkeit von dem Abstand erfasst wird. In diesem Fall werden für alle Kanalimpulsantworten h(t, τ) mehrere Pfadverzögerungen τP berücksichtigt, wodurch eine bereichsweise Auswahl für einzelne Zeitabschnitte erfolgt, wie es in der unteren Darstellung gezeigt ist.
• 8 zeigt das Histogramm der Pfadverzögerungen τP des maximalen Dopplerspektrums, das aus den zeitvarianten Streufunktionen in 7 gewonnen wurde. Die Pfadverzögerung τP wird in Bezug auf die Abtastperiode τ / τ0 angegeben und stellt den Abtastindex P dar, weil die Kanalimpulsantworten zeitdiskret angegeben werden. Wie zu erkennen, erscheint das Maximum für eine Pfadverzögerungen τP =P τ0 mit dem Abtastindex P und der Abtastperiode τ0. Bei bekanntem Maximum kann die zeitliche Änderung des Arguments von h(t, τ) für τ=P τ0 gewählt werden, was die Beurteilung erlaubt, ob die zeitliche Änderung durch eine bestimmte Bewegung verursacht wird.
• 9 zeigt den Signalverlauf ϕ(t) der Phase über die Zeit t für die Pfadverzögerung τP, P=15. Man sieht ein periodisches Signal mit regelmäßig wiederkehrenden Maxima und Minima. Um die Frequenzkomponenten zu erhalten, die der in 9 gezeigte Signalverlauf ϕ(t) aufweist, kann das Frequenzspektrum des Signalverlaufs ϕ(t) ausgewertet werden. Dies kann durch eine Fourier-Transformation von in Bezug auf die Zeit t berechnet werden. Die grüne Kurve zeigt die Phase für die Originaldaten. Die Kurve ϕf(t) wurde durch Anwendung eines digitalen Tiefpassfilters 20ter Ordnung im Dopplerfrequenzbereich mit einer maximalen Durchlassbandfrequenz von 6 Hz und einer Stoppbandfrequenz von 10 Hz erhalten. Der Verlauf ϕu(t) ist ungefiltert.
• 10: Frequenzgang des Arguments der Kanalimpulsantwort für die Pfadverzögerung τP, P=15. Die Kurve c1 zeigt den Betrag, der für die Originaldaten erhalten wurde. Die Kurve c2 wurde durch Anwendung eines digitalen Tiefpassfilters 20. Ordnung im Dopplerfrequenzbereich mit einer maximalen Durchlassbandfrequenz von 6 Hz und einer Stoppbandfrequenz von 10 Hz auf die Kanalimpulsantwort für die Pfadverzögerung τP, P=15 erhalten. Für die Kurve c3 wurde zusätzlich zum Doppler-Tiefpassfilter ein DC-Block auf die in 9 dargestellte Phasenvariation angewendet. Wie zu sehen ist, erscheint bei Anwendung eines Doppler-Tiefpassfilters und eventuell zusätzlich eines Gleichanteilfilters die stärkste Spektralkomponente bei ca. 0,39 Hz, charakteristisch für die menschliche Atmung.
• 11 zeigt die Streufunktion einer zeitvarianten Kanalimpulsantwort einer nicht-periodischen Bewegung. Der besprochene Ansatz kann auch auf die Erkennung nicht-periodischer Bewegungen, wie z. B. einen Tritt, angewendet werden. 11 zeigt die Streufunktion hs(v, τ) einer zeitvarianten Kanalimpulsantwort h(t, τ), die aus der Messung einer durch einen Tritt verursachten Signalreflexion gewonnen wurde. Im Gegensatz zur Kanalimpulsantwort für eine Atmung (vgl. 5) sind die Dopplerverschiebungen nicht auf eine bestimmte Pfadverzögerung τP beschränkt, sondern erscheinen zu mehreren Pfadverzögerungen τP, was darauf hinweist, dass die Größe der Bewegung die aus der Pfadverzögerungsauflösung folgende Bereichsauflösung überschreitet. Betrag einer beispielhaften, auf ihr Maximum P normierten Streufunktion h für 505 aufeinanderfolgende, alle 4 ms gemessene Kanalimpulsantworten h(t, τ). Dargestellt ist die vergrößerte Antwort, die aus der Messung der durch einen Tritt verursachten Reflexion gewonnen wurde.
• Diese Schlussfolgerung kann auch aus den in 12 dargestellten zeitaufgelösten Dopplerspektren gezogen werden. Wie beobachtet, variieren die Dopplerverschiebungen deutlich über die Zeit t, dennoch gibt es eine Reihe von Abtastungen, bei denen die Maxima auftreten. Gezeigt wird die zeitvariante Größe der Streufunktion hs(v, τ), normiert auf ihr jeweiliges Maximum P. Jedes Spektrum hs(v, τ) besteht aus 50 aufeinanderfolgenden Kanalimpulsantworten h(τ), die aus der Messung der durch einen Tritt verursachten Reflexion gewonnen wurden.
• Das Histogramm in 13 verdeutlicht, dass kein Abgriff hervorsticht. D. h., anstatt eine einzelne Zeile in der Matrix auszuwählen, die die zeitdiskrete zeitvariante Kanalimpulsantwort h(t, τ) repräsentiert, werden Abschnitte aus mehreren Zeilen ausgewählt, wie in 14 dargestellt. Die betrachteten Abgriffe können durch eine Menge P mit J der Anzahl der berechneten Dopplerspektren dargestellt werden.
• Jedes P steht für die Nummer des Abgriffs, der die maximale Größe für das j-te Dopplerspektrum zeigt. Histogramm der Pfadverzögerungen τP mit maximalen Dopplerspektren für die in 13 dargestellten Streufunktionen h(s, τ). Es handelt sich um eine Veranschaulichung, welche Teile der zeitdiskreten zeitvariablen Kanalimpulsantwort h(t, τ), gemäß den Abgriffen nach 13 gewählt werden
• 15 zeigt die Phasenveränderung über die Zeit t. Die Bewegung ist deutlich ausgeprägt und kann durch einen geeigneten Signaldetektor identifiziert werden.
• Gezeigt wird ein zeitlicher Verlauf des Arguments der stückweisen Kanalimpulsantworten für P aus 14. Die Kurve zeigt den Signalverlauf ϕu(t) der sich aus den Rohdaten der Messung ergibt. Die Kurve ϕf(t) wurde durch Anwendung eines digitalen Tiefpassfilters 20. Ordnung im Dopplerfrequenzbereich mit einer maximalen Durchlassbandfrequenz von 30 Hz und einer Stoppbandfrequenz von 40 Hz erhalten.
• 16 zeigt ein Bewegungsprofil einer erkannten Person, die Geschwindigkeit und der Ort können mithilfe der schnellen Fourier-Transformation (FFT) aus aufeinanderfolgenden Kanalimpulsantworten bestimmt werden
• 17 zeigt ein Abstandsprofil einer sich bewegenden Person über die Zeit t, das mittels der schnellen Fourier-Transformation (FFT) aus aufeinanderfolgenden Kanalimpulsantworten und den zeitlichen Abständen der Kanalimpulsantworten ermittelt wurde.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Erkennung einer vorbestimmten Bewegung angewandt werden. Bei der vorbestimmten Bewegung kann es sich beispielsweise um eine Atembewegung handeln. Das Verfahren kann auch für eine Gestenerkennung angewandt werden, um beispielsweise eine Handgeste als vorbestimmte Bewegung zum Ein- und Ausschalten der Scheibenwischer zu erkennen. Eine weitere Möglichkeit der Anwendung ist eine Tritterkennung, um bei dieser eine Öffnung des Kofferraums 14 eines Fahrzeugs 4 einzuleiten. Das Verfahren eignet sich auch für eine Diebstahlerkennung, die in einem Fahrzeug 4, einem Raum oder einem Gebäude eingesetzt werden kann. Generell wird die Erkennung eines zeitlich veränderlichen Ereignisses, beispielsweise um eine vorbestimmte Aktion auszulösen, durch die Erfindung ermöglicht.
• Die Erkennung einer Bewegung ist möglich, solange die Abtastrate t0 zwischen aufeinanderfolgenden Kanalimpulsantworten h(τ) klein genug ist, um die durch die Bewegung verursachte Dopplerfrequenzverschiebung zu erfassen. Mathematisch gesprochen, wenn die maximale Dopplerverschiebung durch v gegeben ist, dann ist gemäß dem Abtasttheorem: $$1/\text{t0}\ge \text{2v}\text{.}$$

  
• Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein Verfahren zur Abstandermittlung einer Bewegung bereitgestellt werden kann.
• Bezugszeichenliste

1

Ultrabreitbandvorrichtung

2

Ultrabreitbandsensor

3

Steuereinheit

4

Fahrzeug

5

Fahrzeuginnenraum

6

Umgebung

7

Vorbestimmte Bewegung

8

Steuersignal

9

Schnittstelle

10

Fahrer

11

Fahrzeuginsassen

12

Person

13

Vorbestimmter Erfassungsbereich

14

Kofferraum

TX

Impulsfunksignal

RX

Echosignal

ϕ0(t)

Vergleichssignalverlauf

ϕ(t)

Signalverlauf

ϕu(t)

ungefilterter Signalverlauf

ϕf(t)

gefilterter Signalverlauf

P

lokales Maximum

τ

Pfadverzögerung

τP

ermittelte Pfadverzögerung

v

Dopplerfrequenz

vP

ermittelte Dopplerfrequenz

dc

Schwellenwert des Ähnlichkeitswertes

d(t)

Ähnlichkeitswert

h(τ)

Kanalimpulsantwort

h(t, τ)

zeitvariante Kanalimpulsantwort

hs(v, τ)

Streufunktion

t

Zeit

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben einer Ultrabreitbandvorrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass - durch einen Ultrabreitbandsensor (2) zu unterschiedlichen Zeitpunkten (t) Impulsfunksignale (TX) ausgesandt und jeweilige Kanalimpulsantworten (h(τ)) generiert werden, welche ein jeweiliges reflektiertes Signals (RX) in Abhängigkeit von einer Pfadverzögerung (τ) beschreiben, - aus den Kanalimpulsantworten (h(τ)) eine zeitvariante Kanalimpulsantwort (h(t, τ)) generiert wird, in welchem die Kanalimpulsantworten (h(τ)) gemäß den Zeitpunkten (t) des Aussendens der jeweils zugehörigen Impulsfunksignale (TX) geordnet sind, - vorbestimmte Zeitfenster der zeitvarianten Kanalimpulsantwort (h(t, τ)) zu jeweiligen Streufunktionen (hs(v, τ)) der Dopplerfrequenz (v) transformiert werden, - in den jeweiligen Streufunktionen (hs(v, τ)) der jeweiligen Zeitfenster zumindest ein jeweiliges lokales Maximum (P) der Streufunktionsgröße, charakterisiert durch eine jeweilige Dopplerfrequenz (vP) und eine jeweilige Pfadverzögerung (τP), erfasst wird, - nach einem vorbestimmten Auswahlverfahren zumindest ein lokales Maximum (P) als jeweiliges für eine Bewegungserkennung zu verfolgendes Beobachtungsmaximum ausgewählt wird, - ein Signalverlauf (ϕ(t)) einer Phase über eine Zeit t aus der Kanalimpulsantwort (h(t, τ)) für die zumindest eine Pfadverzögerung (τP) des jeweiligen zu verfolgenden Beobachtungsmaximums (P) generiert wird, - durch ein vorbestimmtes Bewegungserkennungsverfahren zumindest eine vorbestimmte Bewegung (7) des zu verfolgendes Beobachtungsmaximums (P) in dem Signalverlauf (ϕ(t)) der Phase über die Zeit t der Kanalimpulsantwort (h(t, τ)) erfasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das vorbestimmte Bewegungserkennungsverfahren eine periodische Bewegung als die vorbestimmte Bewegung (7) erfasst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das vorbestimmte Bewegungserkennungsverfahren eine nichtperiodische Bewegung als die vorbestimmte Bewegung (7) erfasst wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalimpulsantworten (h(τ)) durch ein Gleichanteilsfilter gefiltert werden,
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefpassfilter auf den Dopplerfrequenzraum angewandt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erfassung der vorbestimmten Bewegung (7) ein Steuersignal (8) an einer Schnittstelle (9) der Ultrabreitbandvorrichtung (1) bereitgestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefpassfilter auf den Frequenzraum des Signalverlaufs ϕ(t) angewandt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des Bewegungserkennungsverfahrens eine zeitliche Abtastrate des Signalverlaufs (ϕ(t)) durch einen Dezimator reduziert wird.
9. Ultrabreitbandvorrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Ultrabreitbandvorrichtung (1) dazu eingerichtet ist, - durch einen Ultrabreitbandsensor (2) zu unterschiedlichen Zeitpunkten (t) Impulsfunksignale (TX) auszusenden und jeweilige Kanalimpulsantworten (h(τ)) zu generieren, welche ein jeweiliges reflektiertes Signal (RX) in Abhängigkeit von einer Pfadverzögerung (τ) beschreiben, - aus den Kanalimpulsantworten (h(τ)) eine zeitvariante Kanalimpulsantwort (h(t, τ)) zu generieren, in welchem die Kanalimpulsantworten (h(τ)) gemäß den Zeitpunkten (t) des Aussendens der jeweils zugehörigen Impulsfunksignale (TX) geordnet sind, - vorbestimmte Zeitfenster der zeitvarianten Kanalimpulsantwort (h(t, τ)) zu jeweiligen Streufunktionen (hs(v, τ)) der Dopplerfrequenz (v) zu transformieren, - in den jeweiligen Streufunktionen (hs(v, τ)) der jeweiligen Zeitfenster zumindest ein jeweiliges lokales Maximum der Streufunktionsgröße, charakterisiert durch eine jeweilige Dopplerfrequenz (vP) und eine jeweilige Pfadverzögerung (τP), zu erfassen, - nach einem vorbestimmten Auswahlverfahren zumindest ein lokales Maximum (P) als jeweiliges für eine Bewegungserkennung zu verfolgendes Beobachtungsmaximum auszuwählen, - ein Signalverlauf (ϕ(t)) einer Phase über eine Zeit t aus der Kanalimpulsantwort (h(t, τ)) für die zumindest eine Pfadverzögerung (τP) des jeweiligen zu verfolgenden Beobachtungsmaximums zu generieren, - durch ein vorbestimmtes Bewegungserkennungsverfahren zumindest eine vorbestimmte Bewegung (7) des zu verfolgendes Beobachtungsmaximums in dem Signalverlauf (ϕ(t)) der Phase über die Zeit t der Kanalimpulsantwort (h(t, τ)) zu erfassen.
10. Fahrzeug (4), umfassend eine Ultrabreitbandvorrichtung (1) nach Anspruch 9.

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