DE4421571A1 - Anordnung zur Ortsbestimmung von Signale abstrahlenden Objekten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ortsbestimmung von Signale abstrahlenden Objekten, die sich in einem vorgegebenen Gebiet bewegen, wobei eine aus mehreren Antennenelementen bestehende Antenne und eine Vorrichtung vorhanden sind, welche die von den einzelnen Antennenelementen empfangenen digitalisierten Signale mit komplexen Wichtungsfaktoren bewertet, so daß die Signale der einzelnen Objekte getrennt voneinander detektiert werden können.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE 42 28 658 A1 bekannt. Sie läßt sich z. B. vorteilhaft in einem automatischen Gebührenerfassungssystem im Straßenverkehr einsetzen, wobei die Empfangsanordnung von mehreren sich beliebig in einem vorgegebenen mehrspurigen Straßenabschnitt bewegenden Fahrzeugen ausgesendete Signale empfangen und auswerten kann. Es handelt sich dabei um Quittungssignale, welche bestätigen, daß das jeweilige Fahrzeug von seinem Geldguthaben den geforderten Betrag abgebucht hat.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit einem möglichst geringen Aufwand an Antennen die Herkunftsorte der von den Objekten abgestrahlten Signale bestimmen kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Empfangsanordnung der Erfindung vermag die von den Objekten ausgesendeten Signale deutlich voneinander zu trennen und aus diesen Signalen deren Einstrahlrichtungen und Laufzeiten zu bestimmen, so daß eine Ortung der einzelnen Objekte möglich ist.

Anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird anschließend die Erfindung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Empfangsanordnung und Fig. 2,3 zwei Varianten für die Umsetzung der Empfangssignale in komplexe digitale Signale.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist ein Antennenarray vorgesehen, das aus mehreren z. B. matrixartig angeordneten Antennenelementen A11 bis AN_yN_z besteht, wobei N_y die Zahl der Spalten und N_z die Zahl der Zeilen angibt.

Nach einer Verstärkung V der von den einzelnen Antennenelementen empfangenen analogen Hochfrequenzsignale, werden diese zunächst auf eine Zwischenfrequenz herabgemischt und dann in komplexe digitale Signale x _ki (k=1 . . . N_z, i=1 . . . N_y) umgesetzt. Dieser Prozeß kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden.

Gemäß Fig. 1 wird jedes analoge Empfangssignal mit Mischern M in den Zwischenfrequenzbereich herabgemischt und in einen Inphase- und einen Quadratursignalanteil zerlegt. Danach werden die Signalanteile über Tiefpaßfilter TP geführt und mittels Analog/Digital-Umsetzer AD in ein digitales komplexes (Real-, Imaginärteil) Signal x _ki gewandelt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird jedes analoge Empfangssignal mit einem Mischer M in die Zwischenfrequenzebene herabgesetzt, über einen Bandpaß BP geführt und dann mit einem Analog/Digital-Umsetzer AD digitalisiert. Erst danach wird das Signal mit digital arbeitenden Mischern ins Basisband geschoben und in einen Inphase- und Quadraturanteil zerlegt, aus denen nach Tiefpaßfilterung TP das komplexe digitale Signal x _ki resultiert.

Gemäß Fig. 3 wird nach der Analog/Digital-Umsetzung das reelle Bandpaßsignal auf ein komplexes Bandpaßfilter CBF gegeben, welches den bei reellen Signalen zur halben Abtastfrequenz periodischen Anteil wegfiltert. Das resultierende komplexe Signal wird mit einem komplexen digitalen Mischer MDK ins Basisband verschoben.

Die in Fig. 2 und 3 dargestellten digitalen Filter, können auch zur Reduzierung der Abtastfrequenz (Dezimation) eingesetzt werden.

Bei den zuvor beschriebenen Mischvorgängen ist darauf zu achten, daß die Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Empfangssignalen, die durch verschiedene Laufzeiten der Signale von den sendenden Objekten zu den Antennenelementen entstehen, erhalten bleiben.

In einem Multipliziererschaltblock MW werden alle komplexen digitalen Empfangssignale x _ki mit reellen Wichtungskoeffizienten bewertet W_ki. Diese reellen Wichtungskoeffizienten W_ki werden zweckmäßigerweise so gewählt, daß eine Antennenrichtcharakteristik entsteht, deren Hauptkeule normal zur Antennenebene gerichtet ist und deren Nebenkeulen ausreichend stark gedämpft sind. Dieser Normalenrichtungen werden der Azimutrichtungswinkel Θ = 0° und der Elevationsrichtungswinkel Φ = 90° zugeordnet.

Sollten die einzelnen Antennenelemente kalibriert sein, so können in dem Multipliziererschaltblock MW die eingehenden Signale x _ki mit Kalibrationskorrekturfaktoren K _ki versehen werden. Die komplexen Ausgangssignale des Multipliziererschaltblocks MW sind dann:

y _ki = W_ki · K _ki · x _ki (1)

In einer Transformationsstufe FFT werden die Signale y _ki mit Richtungsvektoren multipliziert und aufsummiert, so daß Signale z _lm entstehen, von denen jedes einer eigenen Signaleinfallsrichtung der Antenne zugeordnet ist. Anders ausgedrückt, die Antenne bildet eine Vielzahl von Richtcharakteristiken, welche das gesamte Gebiet, in dem sich Signale abstrahlende Objekte aufhalten können, abdecken. Die Gewichtung der Signale y _ki mit Richtungsvektoren kann z. B. mit Hilfe einer schnellen Fourier-Transformation oder einer diskreten Cosinus-Transformation oder mit einem FIR-Filter durchgeführt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die schnelle Fourier-Transformation angewendet. Dabei ergeben sich M Signale z _lm mit M verschiedenen Einfallsrichtungen:

mit 1 = 0,1, . . . N_z-1 und m = 0,1, . . . N₁-1
und N₁ N_y, N₂ N_z

Da von den resultierenden Signalen z _lm einige solchen Einfallsrichtungen zugeordnet sind, die völlig außerhalb des relevanten Gebiets liegen, können diese ausgeschlossen werden, so daß statt

Signale z _lm übrig bleiben. Zu jedem der Signale z _lm gehören ein Azimutrichtungswinkel Θ und ein Elevationsrichtungswinkel Φ, die sich allgemein folgendermaßen beschreiben lassen:

d_y/λ und d_z/λ sind die gegenseitigen Abstände der Antennenelemente in Zeilen- und Spaltenrichtung bezogen auf die Wellenlänge der Empfangssignale.

Alle den jeweiligen Indizes l, m zugehörigen Winkel θ und Φ werden zweckmäßig in einer Tabelle abgespeichert, um den Rechenaufwand zu reduzieren. Kommt von einem Objekt ein Signal aus einer Richtung, die einer abgespeicherten Winkelkombination Θ, Φ entspricht, so ist die Leistung des zu diesen Winkeln gehörenden Signals z _lm größer als die Leistung des gleichen Eingangssignal y _ki, welches mit einem anderen Richtungsvektor multipliziert wurde. Es wird also von allen am Ausgang der Transformationsstufe FFT anliegenden Signalen z _lm, das Betragsquadrat |z _lm|² = z _lm · z ₁*_m gebildet. Außerdem wird die Summe aus zeitlich nacheinander ermittelten Betragsquadraten gemäß Gleichung (5) berechnet, so daß sich die bei der Analog/Digital-Umsetzung angewandte Abtastfrequenz f_A um den ganzzahligen Faktor f_A/f_B auf die neue Abtastfrequenz f_B reduziert.

Diese Reduktion der Abtastfrequenz ist möglich, wenn die Objekte nur langsame Ortsveränderungen erfahren im Vergleich zu der den zeitlichen Änderungen der ausgesendeten Signale. Vorteil der Reduktion der Abtastfrequenz ist, daß sich der Rechenaufwand bei der anschließenden Selektion der Signale mit relativen Leistungsmaxima in der Schalteinheit S verringert.

In der Schalteinheit S wird zunächst aus allen M Signalen z _lm dasjenige mit dem absoluten Leistungsmaximum ermittelt. Danach wird das Betragsquadrat |z _lm|² daraufhin untersucht, ob es größer als ein Schwellwert T·P_N ist, wobei P_N das Systemrauschen ist und für T z. B. gilt:

Dieser Wert für T ergibt sich, wenn im Multipliziererschaltblock MW alle reellen Wichtungskoeffizienten W_ki = 1 sind. Ist ein Signal z _lm als Maximum durch diese Schwellwertbetrachtung erkannt worden, wird es registriert und auf einen kleinen Wert unterhalb der Schwelle gesetzt. Die unmittelbar benachbarten Werte, deren Steigung zum Maximum hinzeigt (links vom Maximum positive Steigung, rechts vom Maximum negative Steigung) werden ebenfalls auf einen niedrigeren Wert gesetzt. Dadurch wird vermieden, daß weitere Maxima detektiert werden, die zu einem schon detektierten Objekt gehören. Danach wird das nächste Maximum bestimmt. Die Maximumsuche wird solange fortgeführt bis kein Maximum mehr oberhalb der Schwelle erkennbar ist.

Jedes Signal z _lm für das ein Maximum des Betragsquadrates ermittelt worden ist, wird über ein Koppelfeld KF auf einen von mehreren Detektoren DT1 . . . DTq durchgeschaltet.

Jeder Detektor DT1 . . . DTq (q = Zahl der maximal vorkommenden Objekte, von denen Signale ausgehen) gibt an seinen Ausgängen die zu dem ihm zugeführten Signal z _lm gehörenden Richtungswinkel Θ₁ . . . Θ_q und Φ₁ . . . Φ_q an. Außerdem bestimmt jeder Detektor DT1 . . . DTq auch die Signallaufzeit τ des ihm zugeführten Signals z _lm, aus der sich die Entfernung r des zugehörigen Objekts von der Empfangsantenne A11 . . . AN_yN_z ergibt. Wird von einer Feststation, die auch die Empfangsantenne A11 . . . AN_yN_z trägt, ein Signal ausgesendet, das an dem jeweiligen zu ortenden Objekt reflektiert und zur Empfangsantenne gelangt, so erstreckt sich die Signallaufzeit τ auf den Hin- und Rückweg. Die zu ortenden Objekte müssen aber nicht als passive Strahler ausgebildet sein, sie können auch einen aktiven Sender besitzen. Bei aktiv sendenden Objekten erstreckt sich die Signallaufzeit τ nur vom Objekt zur Empfangsantenne.

Zur Ermittlung der Signallaufzeit τ wird das dem Detektor DT1 . . . DTq zugeführte Empfangssignal z _lm mit einem Referenzsignal s korreliert. Als Referenzsignal s kann das von der Feststation ausgesendete Signal verwendet werden, falls es sich um passiv strahlende Objekte handelt. Falls aber ein Objekt aktiv sendet, sollte das Referenzsignal s mit dem vom Objekt abgestrahlten Signal korreliert sein. Sind die Eigenschaften des Sendesignals (z. B. Frequenz, Phase) bekannt, so kann ein Referenzsignal aus dem Sendesignal abgeleitet werden.

Jeder Detektor DT1 . . . DTq bestimmt nach folgender Gleichung (7) die Korrelationskoeffizienten R(k):

k = 0,1, . . . , 2I-1, wobei I die Dauer des Mittlungsprozesses angibt, die von der geforderten Ortungsgenauigkeit und der zeitlichen Ortsänderung der Objekte abhängt.

Nachfolgend wird vereinfacht angenommen, daß die Signale s(i) und z _lm(i) folgende Form haben:

Mit f wird die Frequenz des vom Objekt abgestrahlten Signals bezeichnet.

In Gleichung (9) sind die Laufzeit τ des Signals z _lm vom Sendeort (entweder Feststation oder Objekt) zum Empfangsort und eine Phase ϕ berücksichtigt, welche sich aufgrund der Signalverzögerung in der Empfangsanordnung ergibt. Diese Phase ϕ kann durch Kalibration ermittelt werden.

Aus Gleichung (7) zusammen mit den Gleichungen (8) und (9) läßt sich die Laufzeit τ bestimmen:

Verwendet man den ersten und zweiten Korrelationskoeffizient, dann gilt mit k = 2:

Aus der Signallaufzeit τ und der Lichtgeschwindigkeit c läßt sich über die Beziehung

(wenn Objekt aktiv sendet)
bzw.

(wenn Objekt passiv von Feststation ausgesendetes Signal reflektiert) die Entfernung r des Objekts von der Feststation bestimmen.

Verwendet man abweichend von Gleichung (11) mehr als nur k = 2 Korrelationskoeffizienten R(k), so können pro Objekt mehrere Laufzeitwerte τ bestimmt werden. Durch Mittelung aller Laufzeitwerte können Meßfehler verringert werden.

Claims (7)

1. Anordnung zur Ortsbestimmung von Signale abstrahlenden Objekten, welche sich in einem vorgegebenen Gebiet bewegen, wobei eine aus mehreren Antennenelementen bestehende Antenne und eine Vorrichtung vorhanden sind, welche die von den einzelnen Antennenelementen empfangenden digitalisierten Signale mit komplexen Wichtungsfaktoren bewertet, so daß die Signale der einzelnen Objekte getrennt voneinander detektiert werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (MW, FFT) die einzelnen Empfangssignale (x_ki) der Antennenelemente (A11, AN_yN_z) derart wichtet und so zu mehreren Signalpfaden (1 . . . M) zusammenfaßt, daß jeder von ihnen einer anderen Signaleinfallsrichtung der Antenne zugeordnet ist und daß Mittel (BB, S) vorhanden sind, welche diejenigen Signalpfade (1 . . . M) selektieren, die Signalleistungsmaxima aufweisen, und diese Signalpfade (1 . . . M) einem oder mehreren Detektoren (DT1, DTq) zuführen, welche zu jedem selektierten Signal die den Ort des zugehörigen Objekts angebenden sphärischen Koordinaten (Θ₁ . . . Θ_q, Φ₁ . . . Φ_q, r₁ . . . r_q) angeben.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Detektor (DT1, DTq) das ihm zugeführte selektierte Signal mit einem Referenzsignal korreliert und daraus die Laufzeit des selektierten Signals bestimmt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur komplexen Wichtung der Empfangssignale aus einem Multipliziererschaltblock (MW), der jedes Empfangssignal (x _ki) mit einem reellen Wichtungskoeffizienten multipliziert, und aus einer daran angeschlossenen Transformationsstufe (FFT) besteht, die jedes Empfangssignal (x _ki) mit einem Richtungsvektor gewichtet.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsstufe (FFT) eine Fast-Fourier-Transformation durchführt.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsstufe (FFT) eine diskrete Cosinus-Transformation durchführt.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationsstufe (FFT) ein FIR-Filter ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung die einzelnen Empfangssignale auf eine niedere Frequenz phasenstarr heruntermischt und sie in digitalisierte komplexe Signale (x _ki) umsetzt.