Title:
DIREKTE DOPPLER-FREIE GESCHWINDIGKEITSMESSUNG IM LINEAREN FREQUENZMODULATIONSRADAR
Kind Code:
A1


Abstract:

Ein Verfahren und System zum Schätzen einer Zielgeschwindigkeit beinhaltet ein Radar zum Übertragen eines linearen frequenzmodulierten Chirps von jedem einer Vielzahl von Sendeelementen und Empfangen der resultierenden Reflexionen. Das System beinhaltet auch einen Prozessor zum Verarbeiten der Reflexionen, die aus einem Chirp-Rahmen resultieren, und berechnet die Geschwindigkeit basierend auf der Ermittlung einer Anzahl an Chirp-Rahmen für das Ziel, um sich um einen bestimmten Abstand zu bewegen. Der Prozessor verarbeitet die Reflexionen, indem er eine bereichsweise Fast-Fourier-Transformation (FFT) durchführt, so dass der angegebene Abstand ein Bereich ist, der von einem Bereich bin überspannt wird und jeder Chirp-Rahmen eine Übertragung des Chirps durch jedes der mehreren Sendeelemente ist. embedded image




Inventors:
Pokrass, Alexander (Herzliya Pituach, IL)
Bilik, Igal (Herzliya Pituach, IL)
Villeval, Shahar (Herzliya Pituach, IL)
Application Number:
DE102017128508A
Publication Date:
06/07/2018
Filing Date:
11/30/2017
Assignee:
GM Global Technology Operations LLC (Mich., Detroit, US)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
LKGLOBAL | Lorenz & Kopf PartG mbB Patentanwälte, 80333, München, DE
Claims:
System zum Schätzen einer Geschwindigkeit eines Ziels, das System umfassend:
ein Radar, das dazu konfiguriert ist, einen linearen frequenzmodulierten Chirp von jedem einer Vielzahl von Sendeelementen zu senden und die resultierenden Reflexionen zu empfangen; und
einen Prozessor, der konfiguriert ist, um die Reflexionen, die sich aus einem Chirp-Rahmen zu einem Zeitpunkt ergeben, zu verarbeiten und die Geschwindigkeit basierend auf dem Ermitteln einer Anzahl an Chirp-Rahmen zu berechnen, damit das Ziel eine bestimmte Entfernung verfährt, worin der Prozessor die Reflexionen verarbeitet, indem er eine bereichsweise Fast Fourier-Transformation (FFT) durchführt, so dass die angegebene Entfernung ein Bereich ist, der von einem Bereichsbin überspannt wird, und jeder Chirp-Rahmen eine Übertragung des Chirps durch jedes der Vielzahl von Sendeelementen ist.

System nach Anspruch 1, worin der Prozessor die Reflexionen verarbeitet, indem er eine Analog-Digital-Umwandlung durchführt, um die Reflexionen vor dem Durchführen der bereichsweisen FFT abzutasten.

System nach Anspruch 1, worin der Bereich, der von jedem Bereichsbin überspannt wird, durch einen maximalen Erfassungsbereich, dividiert durch eine Anzahl der Bereichsbins entsprechend dem bereichsweisen FFT, gegeben ist.

System nach Anspruch 1, worin der Prozessor die Anzahl der Chirp-Rahmen bestimmt, die für das Ziel benötigt wird, um die angegebene Entfernung zu bewegen, basierend auf der Verfolgung eines Energieniveaus in jedem der Bereichsbins und dem Ermitteln der Anzahl der Rahmen für ein maximales Energieniveau, um sich von einem der Bereichsbins zu einem benachbarten der Bereichsbins zu bewegen.

System nach Anspruch 4, worin der Prozessor die Geschwindigkeit v wie folgt berechnet:
ν=ΔRNfTf,embedded imagewobei ΔR die angegebene Entfernung ist, Nf ist die Anzahl der Rahmen und Tf ist eine Zeit, um den Rahmen der Chirps zu übertragen.

Verfahren zum Schätzen der Geschwindigkeit eines Ziels, das Verfahren umfassend:
Übertragen eines linearen frequenzmodulierten Chirps von jedem einer Vielzahl von Sendeelementen eines Radars;
Empfangen von Reflexionen, die sich aus den Chirps am Radar ergeben; und
Verarbeiten, unter Verwendung eines Prozessors, der Reflexionen, die sich aus einem Chirp-Rahmen zu einem Zeitpunkt ergeben, um die Geschwindigkeit des Ziels zu berechnen, basierend auf dem Ermitteln einer Anzahl an Rahmen der Chirps, damit das Ziel eine bestimmte Entfernung verfährt, worin das Verarbeiten der Chirp-Rahmens das Durchführen einer bereichsweisen Fast Fourier-Transformation (FFT) beinhaltet, so dass die angegebene Entfernung ein Bereich ist, der von einem Bereichsbin überspannt wird, und jeder Chirp-Rahmen eine Übertragung des Chirps durch jedes der Vielzahl von Sendeelementen ist.

Verfahren nach Anspruch 6, worin die Verarbeitung der Reflexionen das Durchführen einer Analog-Digital-Umwandlung beinhaltet, um die Reflexionen vor dem Durchführen des bereichsweisen FFT abzutasten.

Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend das Ermitteln des Bereichs, der von jedem Bereichsbin überspannt wird, basierend auf einem maximal erfassten Bereich, der durch eine Anzahl der Bereichsbins nach der bereichsweisen FFT getrennt ist.

Verfahren nach Anspruch 6, worin ferner umfassend das Ermitteln der Anzahl der Chirp-Rahmen, die für das Ziel benötigt werden, um die angegebene Entfernung zu verfahren, basierend auf dem Verfolgen eines Energieniveaus in jedem der Bereichsbins, und Ermitteln der Anzahl der Rahmen für ein maximales Energieniveau, um von einem der Bereichsbins zu einem benachbarten der Bereichsbins zu verfahren.

Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend das Berechnen der Geschwindigkeit v als:
ν=ΔRNfTf,embedded imagewobei ΔR die angegebene Entfernung ist, Nf ist die Anzahl der Rahmen und Tf ist eine Zeit, um den Rahmen der Chirps zu übertragen.

Description:
EINLEITUNG

Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich auf die direkte Doppler-freie Geschwindigkeitsmessung im linearen Frequenzmodulationsradar (LFM).

Radarsysteme werden in einem breiten Anwendungsspektrum zur Zielerfassung und - verfolgung eingesetzt. Ein LFM-Radar überträgt Impulse mit Frequenzen, die mit einer bestimmten Steigung über die Zeit ansteigen oder abnehmen. Das gesendete Signal kann als ein Chirp bezeichnet werden. Ein LFM-Radar überträgt Chirps einer gegebenen Impulsdauer bei einem gegebenen Impulswiederholungsintervall. Die Sollgeschwindigkeit kann aus der Doppler-Frequenzverschiebung bestimmt werden, die sich aus den Reflexionen der übertragenen Chirps ergibt. Während jedoch die maximal auflösbare Geschwindigkeit mit abnehmendem Impulswiederholungsintervall zunimmt, steigt die Dopplerauflösung mit zunehmendem Impulswiederholungsintervall. Daher ist es wünschenswert, einen alternativen Ansatz zum Ermitteln der Sollgeschwindigkeit vorzusehen.

ZUSAMMENFASSUNG

In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein System zum Schätzen einer Sollgeschwindigkeit ein Radar zum Übertragen eines linearen frequenzmodulierten Chirps von jedem einer Vielzahl von Sendeelementen und zum Empfangen der resultierenden Reflexionen. Das System beinhaltet auch einen Prozessor zum Verarbeiten der Reflexionen, die aus einem Chirp-Rahmen resultieren, und berechnet die Geschwindigkeit basierend auf der Ermittlung einer Anzahl an Chirp-Rahmen für das Ziel, um sich um einen bestimmten Abstand zu bewegen. Der Prozessor verarbeitet die Reflexionen, indem er eine bereichsweise Fast-Fourier-Transformation (FFT) durchführt, so dass der angegebene Abstand ein Bereich ist, der von einem Bereich bin überspannt wird und jeder Chirp-Rahmen eine Übertragung des Chirps durch jedes der mehreren Sendeelemente ist.

In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Schätzen einer Geschwindigkeit eines Ziels das Übertragen eines linearen frequenzmodulierten Chirps von jedem einer Vielzahl von Sendeelementen eines Radars und das Empfangen von Reflexionen, die aus den Chirps am Radar resultieren. Das Verfahren beinhaltet auch das Verarbeiten unter Verwendung eines Prozessors der Reflexionen, die aus einem Chirp-Rahmen zu einem Zeitpunkt resultieren, um die Geschwindigkeit des Ziels basierend auf der Ermittlung einer Anzahl der Chirp-Rahmen zu berechnen, damit sich das Ziel einen bestimmten Abstand bewegen kann. Das Verarbeiten des Chirp-Rahmens beinhaltet das Durchführen einer bereichsweisen Fast- Fourier-Transformation (FFT), sodass der angegebene Abstand ein Bereich ist, der von einem Bereichsbin überspannt wird und jeder Chirp-Rahmen eine Übertragung des Chirps durch jedes der Vielzahl von Sendeelementen ist.

Die vorstehend genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen leicht ersichtlich.

Figurenliste

Andere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur exemplarisch in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen und der ausführlichen Beschreibung, welche sich auf die folgenden Zeichnungen bezieht und in denen Folgendes gilt:

  • 1 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Ermitteln der Zielgeschwindigkeit gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 2 bildet einen exemplarischen Chirp gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ab;
  • 3 stellt zwei Frequenz-Bins und exemplarische Energieniveaus dar, die jedem der Frequenz-Bins für verschiedene Reflexionen zugeordnet sind;
  • 4 stellt zwei Bereichsbins und exemplarische Energieniveaus für jeden Bereichsbins für zwei verschiedene Reflexionen dar, die in Bezug auf 3 erläutert werden; und
  • 5 ist ein Verfahrensablauf eines Verfahrens zum Ermitteln der Zielgeschwindigkeit gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung in ihren An- oder Verwendungen zu beschränken. Es wird darauf hingewiesen, dass in allen Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen oder entsprechenden Teile und Merkmale verweisen.

Wie bereits erwähnt, kann die Zielgeschwindigkeit aus der Doppler-Frequenzverschiebung bestimmt werden. Die Doppler-Frequenzverschiebung wird typischerweise über die Phasendifferenz zwischen gesendeten Chirps und empfangenen Reflexionen gemessen. Die Chirp-Dauer bestimmt die gewünschte Latenzzeit und die maximale Reichweite des Radars, wodurch die Anzahl der zu übertragenden Chirps begrenzt wird. Dies wirkt sich wiederum auf die Dopplerauflösung für einen bestimmten Maximalbereich aus, was sich auf die maximal auflösbare Geschwindigkeit auswirkt. Die Geschwindigkeit v ist gegeben durch: 1Tfc4fcembedded image

Die Rahmendauer (Tf) ergibt sich aus einem Produkt aus der Anzahl der Chirps und die Chirp-Dauer ist die Lichtgeschwindigkeit (3*108 Meter/Sekunde) und fc ist die Trägerfrequenz (z. B. 77*109 für Automobil-Radaranwendungen). Im Beispiel des Automobils wäre c/4fc in der Größenordnung von 10-3. Die Rahmendauer ist umgekehrt proportional zur Doppler-Frequenzauflösung. Die Minimierung der Rahmendauer verbessert somit die Doppler-Frequenzauflösung. Die Rahmendauer muss jedoch mindestens so lang sein, dass die Übertragung eines Chirps über jedes Sendeelement möglich ist.

Die Ausführungsformen der hierin beschriebenen Verfahren und Systeme beziehen sich darauf, die Reichweitenänderung eines Ziels zum Berechnen der Zielgeschwindigkeit zu verwenden. Wenn beispielsweise eine Chirp-Übertragung im Laufe der Zeit ansteigt, entspricht jede Frequenz des Chirps einem Zielbereich mit steigender Frequenz mit einer entsprechend zunehmenden Reichweite. Folglich kann eine Chirp-Übertragung als ein Signal angesehen werden, das auf eine Erhöhung des Zielbereichs im Laufe der Zeit hinweist. Das heißt, die empfangene Reflexion, die aus einem Chirp-Signal resultiert, kann als Energie betrachtet werden, die sich über eine Reihe von Frequenzen oder entsprechende Bereichsbins verteilt. Jeder Bin steht für eine Energieverbreitung, die von einem Ziel stammt. Die Anzahl der Bins wird durch die Größe der Fast- Fourier-Transformation (FFT) definiert.

Wenn beispielsweise der maximal erfassbare Zielbereich (Rmax) 100 Meter und die Anzahl der Bins (Nrange_bins) 128 beträgt, dann ist die Auflösung des Zielbereichs oder die Änderung des Zielbereichs pro Bin 0,78 Meter (=100/128). Durch Ermitteln einer Zeit, die sich ein Ziel von einem Bereichsbin zum nächsten bewegt, kann die Geschwindigkeit als Entfernung (d. h. Bereich pro bin) dividiert durch diese Zeit bestimmt werden. Somit, während EQ. 1 gibt die Gleichung zum Berechnen der Geschwindigkeit abhängig von der Dopplerfrequenz an, wobei die Geschwindigkeit auch berechnet werden kann gemäß: 1TframeRmaxNrange_binsembedded image

Im exemplarischen Fall von 150 Metern Rmax und 1024 Bereichsbins (Nrange_bins=1024), Rmax/Nrange_bins wäre in der Größenordnung von 10-1. Somit verglichen mit dem exemplarischen Fall des Ermittelns der Geschwindigkeit basierend auf EQ. 1, EQ. 2 repräsentiert eine 100-fache Erhöhung der maximalen Zielgeschwindigkeit. Alternativ zeigt der Vergleich an, dass Tframe erhöht werden kann, ohne die maximal erfassbare Zielgeschwindigkeit beim EQ zu verringern. 2 verwendet wird. Bei einem Multi-Input-Multi-Output (MIMO)-Radarsystem bedeutet dies, dass die Kodierung auf mehreren Sendeantennen implementiert werden kann, wodurch die Anzahl der von den einzelnen Sendeantennen übertragenen Chirps verringert wird.

Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist 1 ein Blockdiagramm eines Systems zum Erreichen der Zielgeschwindigkeit. Eine Plattform 100 beinhaltet ein Radarsystem 120 und eine Steuerung 130. Die in 1 dargestellte exemplarische Plattform 100 ist ein Automobil 110. In alternativen Ausführungsformen kann die Plattform 100 ein anderer Fahrzeugtyp (z. B. Landwirtschaftsmaschinen, automatisierte Fertigungsanlagen, Baumaschinen) oder ein stationärer Träger sein. Das Radarsystem 120 kann ein MIMO-Radar mit mehreren Sende- und Empfangselementen sein. Die Sende- und Empfangsantennen können getrennt oder in einer Sender-Empfänger-Anordnung gemeinsam genutzt werden. Das Radarsystem 120 sendet Chirps 150 und empfängt Reflexionen 155. Wie bereits erwähnt, entspricht die Frequenz einer empfangenen Reflexion 155, die einem Bereich des Ziels 140 entspricht, der in der Reflexion 155 resultiert. Diese Korrespondenz wird verwendet, um die Zielgeschwindigkeit abhängig von einer oder mehreren Ausführungsformen zu ermitteln, wie nachfolgend beschrieben.

Die Steuerung 130 kann die vom Radarsystem 120 gesendeten Chirps 150 und die vom Radarsystem 120 empfangenen Reflexionen 155 verarbeiten. Die Steuerung 130 kann zusätzlich weitere Funktionen der Plattform 100 ausführen. So kann beispielsweise im Automobil 110 die Steuerung 130 an Lenk- oder Bremssteuerung betrieben oder angekuppelt werden. Die Steuerung 130 beinhaltet eine Verarbeitungsschaltung, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Hardware-Computerprozessor (gemeinsam genutzte oder dedizierte oder Gruppe) und einen Speicher beinhalten kann, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.

2 bildet einen exemplarischen Chirp 150 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ab. Die Zeit wird entlang der Achse 210 aufsteigend und die Frequenz entlang der Achse 220 aufsteigend dargestellt. Der exemplarische Chirp 150 in 2 ist ein Aufwärts-Chirp, da sich die Frequenz im Laufe der Zeit bei einer gegebenen Steigung erhöht. In alternativen Ausführungsformen kann der Chirp 150 eine Down-Chirp mit abnehmender Frequenz im Laufe der Zeit sein. Wenn der Chirp 150 von einem Ziel 140 reflektiert wird, entspricht die Frequenz der Reflexion 155 dem Bereich des Ziels 140. Somit kann, ebenso wie die Reflexion 155 zum Durchführen einer FFT und zum Ermitteln der Energie pro Frequenz-Bin, die Reflexion 155 zum Ermitteln der Energie pro korrespondierendem Bereichs-Bin verarbeitet werden.

3 stellt zwei Frequenz-Bins 310a, 310b und exemplarische Energieniveaus dar, die jedem der Frequenz-Bins 310a, 310b für verschiedene Reflexionen 155 zugeordnet sind. Der Frequenz-Bin 310a beinhaltet Frequenzen im Bereich von 1,59 bis 1,6 Hertz, der Frequenz-Bin 310b beispielsweise Frequenzen im Bereich von 1,6 bis 1,161 Hertz. Das Energieniveau 320 für jeden Frequenz-Bin 310a, 310b ist in 3 angegeben. Zur Reflexion 155-1 ist das Energieniveau 320 im Frequenz-Bin 310a höher als das Energieniveau 320 im Frequenz-Bin 310b. Zur Reflexion 155-2 ist das Energieniveau 320 im Frequenz-Bin 310b höher als das Energieniveau 320 im Frequenz-Bin 310a. Jede der Reflexionen 155, die zwischen der Reflexion 155-1 und der Reflexion 155-2 empfangen werden, ist nicht dargestellt, jedoch zeigt die exemplarische Reflexion 155-3, dass sich das Energieniveau 320 schrittweise von einem Frequenz-Bin 310a zum anderen Frequenz-Bin 310b verschiebt.

4 stellt zwei Bereichsbins 410a, 410b und exemplarische Energieniveaus dar, die jedem der Bereichsbins 410a, 410b für zwei verschiedene Reflexionen 155-1, 155-2 zugeordnet sind, die in Bezug auf 3 erläutert werden. Der Bereichsbin 410a beinhaltet die Bereiche 15,01 bis 15,06 Meter und der Bereichsbin 410b beispielsweise die Bereiche 15,06 bis 15,11 Meter. Der Bereichsbin 410a entspricht dem Frequenz-Bin 310a und der Bereichsbin 410b entspricht dem Frequenz-Bin 310b. Daher ist das Energieniveau 320 in Verbindung mit der Reflexion 155-1 im Bereichsbin 410a höher als im Bereichsbin 410b und das Energieniveau 320 in Verbindung mit der Reflexion 155-2 ist im Bereichsbin 410b höher als im Bereichsbin 410a. Auch hier werden die Zwischenreflexionen 155, die zwischen der Reflexion 155-1 und der Reflexion 155-2 empfangen wurden, nicht dargestellt, aber die Verschiebung des Energieniveaus 320 vom Bereichsbin 410a zum Bereichsbin 410b erfolgt schrittweise. Diese Verschiebung und die Zeitdauer, die basierend auf der Anzahl der zu erreichenden Bereichsbins bestimmt wird, werden zum Ermitteln der Geschwindigkeit des Ziels 140 verwendet, wie in Bezug auf 5 erläutert.

5 ist ein Verfahrensablauf eines Verfahrens zum Ermitteln der Zielgeschwindigkeit gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Bei Block 510 beinhaltet das Verarbeiten der Reflexionen 155 für einen Rahmen von Chirps 150 gleichzeitig die Umsetzung einer Analog-Digital (A/D)-Wandlung und einer bereichsweisen FFT. Die bereichsweise FFT gibt an, dass für jeden der Bereichsbins 410 anstelle der zugehörigen Frequenz-Bins 310 Energieniveaus angezeigt werden. Das Ermitteln der Anzahl der Rahmen (Nf) für die Bewegung der maximalen Energieniveaus 320 von einem Bereichsbin 310 zu einem benachbarten Bereichsbin 310, bei Block 520, basiert auf der Verarbeitung bei Block 510. Bei Block 530 ist die Berechnung der Geschwindigkeit gegeben durch: ν=ΔRNfTfembedded image

Die Änderung im Bereich (ΔR) ist der Bereich, der von einem Bereichsbin 410 umspannt wird, und die Anzahl der Rahmen (Nf) multipliziert mit der Rahmendauer (Tf) ergibt die Länge der Zeit, die für die Änderung im Bereich genommen wurde.

Während die Erfindung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute auf dem Gebiet verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen, und die einzelnen Teile durch entsprechende andere Teile ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Materialsituation an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten spezifischen Ausführungsformen beschränkt wird, sondern dass sie außerdem alle Ausführungsformen beinhaltet, die innerhalb des Umfangs der Anmeldung fallen.