Title:
Verfahren zur Objektklassifikation mit polarimetrischen Radardaten und geeignete Vorrichtung hierfür
Kind Code:
A1


Abstract:

Beschrieben wird ein Verfahren zur Objektklassifikation, welches folgende Schritte aufweist zum Bereitstellen eines elliptisch oder zirkular polarisierten Sendesignals, welches auf das zu klassifizierende Objekt gesendet wird, über das Erzeugen eines ersten Radarbildes aus dem kopolar polarisierten Reflexionssignal sowie das Erzeugen eines zweiten Radarbildes aus dem kreuzpolarisierten Reflexionssignal und dem Vergleichen des ersten Radarbildes mit dem zweiten Radarbild. embedded image




Inventors:
Trummer, Stefan (82024, Taufkirchen, DE)
Application Number:
DE102017203057A
Publication Date:
08/30/2018
Filing Date:
02/24/2017
Assignee:
Astyx GmbH, 85521 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102015003115A1N/A2016-09-15
DE102013102424A1N/A2014-09-11
DE4200299A1N/A1993-07-15



Attorney, Agent or Firm:
Fish & Richardson P.C., 80807, München, DE
Claims:
Verfahren zur Objektklassifikation, welches folgende Schritte aufweist:
a. Bereitstellen eines elliptisch oder zirkular polarisierten Sendesignals, welches auf das zu klassifizierende Objekt gesendet wird.
b. Erzeugen eines ersten Radarbildes aus dem kopolar polarisierten Reflexionssignal und Erzeugen eines zweiten Radarbildes aus dem kreuzpolarisierten Reflexionssignal
c. Vergleichen des ersten Radarbildes mit dem zweiten Radarbild

Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des ersten und zweiten Radarbildes aus links- oder rechtszirkularen Signalanteilen erfolgt.

Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des ersten und zweiten Radarbildes aus linear horizontalen und linear vertikalen Signalanteilen erfolgt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Erzeugen des ersten und zweiten Radarbildes gleichzeitig, vorzugsweise mittels des Sendesignals, erfolgt.

Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, wobei das Vergleichen anhand der Signaleigenschaften der lokalen Maxima der Reflexionssignale erfolgt.

Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Vergleichen anhand der Signaleigenschaften einzelner Zielbereiche des Objektes erfolgt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Signaleigenschaften zumindest eines der folgenden Kriterien aufweist:
- Anzahl der kopolaren lokalen Maxima
- Anzahl der kreuzpolaren lokalen Maxima
- Betragsverhältnis zwischen Ko- und Kreuzpolarisation, vorzugsweise durchschnittliches Betragsverhältnis hiervon
- Maximales Betragsverhältnis zwischen Ko- und Kreuzpolarisation
- Minimales Betragsverhältnis zwischen Ko- und Kreuzpolarisation
- Phasenverhältnis zwischen Ko- und Kreuzpolarisation
- Lage von lokalen Maxima mit hohen oder mit niedrigen Betragsverhältnis zwischen Ko- und Kreuzpolarisation
- Geschwindigkeitsauswertung

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Ähnlichkeitsmuster zur Objektklassifikation erstellt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei weitere Unterobjektklassen vorgesehen sind, die zumindest bei einem das Sendesignal aussendenden Radarsensor aufgeteilt sind, in
- Abstand zum Radarsensor
- Winkelausrichtung zum Radarsensor
- Objektausrichtung zum Radarsensor
- Relativer Geschwindigkeit zum Radarsensor

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Objektklassifikation sich auf die Lage- und Ausrichtungserkennung des Objektes, vorzugsweise eines PKW, bezieht.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei bei frontaler Objektbestimmung zumindest folgende Bereiche eines PKW ausgewertet werden.

Vorrichtung zur Festlegung einer Objektklassifikation, insbesondere unter Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
a. Mittel zum Bereitstellen eines elliptisch oder zirkular polarisierten Sendesignals, welches auf das zu klassifizierende Objekt gesendet wird,
b. Mittel zum Erzeugen eines ersten Radarbildes aus dem kopolar polarisierten Reflexionssignals und zum Erzeugen eines zweiten Radarbildes aus dem kreuzpolarisierten Reflexionssignal und
c. Mittel zum Vergleichen des ersten Radarbildes mit dem zweiten Radarbild vorgesehen sind

Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei Mittel zum Erzeugen des ersten und zweiten Radarbildes aus links- oder rechtszirkularen Signalanteilen vorgesehen sind.

Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei Mittel zum Erzeugen des ersten und zweiten Radarbildes aus linear horizontalen und linear vertikalen Signalanteilen vorgesehen sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei der das Erzeugen des ersten und zweiten Radarbildes gleichzeitig, vorzugsweise mittels des Sendesignals, erfolgt.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der das Vergleichen anhand der Signaleigenschaften der lokalen Maxima der Reflexionssignale erfolgt.

Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der das Vergleichen anhand der Signaleigenschaften einzelner Zielbereiche des Objektes erfolgt.

Description:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Objektklassifizierung mit polarimetrischen Radardaten und geeignete Vorrichtung hierfür.

Es ist allgemein bekannt, Radare mit linearpolarisierten Signalen für eine Objektklassifikation heranzuziehen. Die hierbei zu erzielenden Resultate sind beispielsweise bei aufgenommenen Radarbildern nicht eindeutig bzw. hinsichtlich verschiedener Objekte mehrdeutig.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Objektklassifikation und eine geeignete Vorrichtung hierfür zu schaffen, welches die im Stand der Technik vorhandenen Nachteile vermindert. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zuordnung bei der Objektklassifikation zu erhöhen und ferner gegebenenfalls Daten zur Verfügung zu stellen, die einer weiteren vielfältigen Anwendungsmöglichkeit herangezogen werden können.

Gelöst werden die genannten Aufgabenstellungen verfahrenstechnisch mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und vorrichtungstechnisch mit den Merkmalen des Anspruchs 12.

Hierbei zeigt es sich, dass durch die Bereitstellung eines elliptisch oder zirkularpolarisierten Sendesignals, welches auf das zu klassifizierende Objekt gesendet wird, entsprechend unterschiedliche Reflektionssignale herangezogen werden, um unterschiedliche Radarbilder zu erzeugen, welche dann verglichen werden können. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, dass hervortretende Objektbereiche unterschieden werden können und somit eine verbesserte Objektklassifikation herbeigeführt werden kann.

Das anmeldungsgemäße Verfahren und die anmeldungsgemäße Vorrichtung kann somit bei zukünftigen Radarsensoren verwendet werden, die insbesondere bei hochautomatisierten und autonomen Fahren angewendet werden können.

Hierfür sind polarimetrische Radarsensoren notwendig, die sich insbesondere dadurch auszeichnen, dass man mit ihnen im Vergleich zu aktuell verwendeten Radaren mit linear polarisierten Signalen deutlich mehr Zielinformationen generieren kann. Dies ist darin begründet, dass man für die Ko- und Kreuzpolarisation voneinander unabhängige Radarbilder generieren kann und eine höhere Zieldetektionswahrscheinlichkeit bei zirkularer Polarisation vorhanden ist.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um die Auswertung polarimetrischer Radardaten hinsichtlich der Mustererkennung zur Klassifizierung verschiedener Objekte, sowie um die Erkennung von sogenannten „Geisterziele“. Diese werden durch Mehrwegausbreitungen, Nebenkeulen und durch periodisch wiederkehrende Hauptkeulen (sog. Grating-Lobes) verursacht.

Das anmeldungsgemäße physikalische Prinzip zeigt 1. Es wird eine zirkulare oder elliptisch polarisierte Welle abgesendet und man empfängt abhängig von der Struktur des Ziels eine hauptsächlich kreuzpolarisierte Welle oder eine hauptsächlich kopolarisierte Welle. Bei einer ungeradzahligen Anzahl an Reflektionen am Ziel dreht die Polarisationsrichtung und bei einer geradzahligen Anzahl an Reflektionen erhält man die gleiche Polarisation zurück. Sendet man z.B. mit einer linkszirkularen Welle, dann ist die Kreuzpolarisation eine rechtszirkulare Welle und die Kopolarisation eine linkszirkulare Welle. Eine Beschreibung dieses Prinzips und des Aufbaus eines polarimetrischen Radarsensors befindet sich in [1].

Damit dieses Prinzip umgesetzt werden kann, benötigt man einen Sender, der mindestens eine linkszirkulare oder rechtszirkulare oder elliptische Polarisation absendet. Der Empfänger muss dabei voll polarimetrisch sein. Das bedeutet, dass zirkulare, elliptische und lineare Polarisationen empfangen werden können. Dies kann durch den Empfang von linkszirkularen und rechtszirkularen Anteilen des Empfangssignals realisiert werden. Alle Polarisationen können dann über das Verhältnis der links- und rechtzirkularen Anteile dargestellt werden. Eine weitere Möglichkeit voll polarimetrisch zu empfangen, ist der Empfang von vertikal und horizontal linear polarisierten Anteilen des Empfangssignals. Damit alle Polarisationen dargestellt werden können, müssen hierbei der Betrag und die Phase von den vertikal linear und horizontal linear polarisierten Anteilen des Empfangssignals ausgewertet werden.

2 zeigt das Ergebnis einer zirkular polarimetrischen Messung am Beispiel eines PKWs. Man erhält zwei unabhängige Radarbilder, ein kopolares Radarbild und ein kreuzpolares Radarbild. Im kopolaren Radarbild sind geradzahlige Reflektionen am Ziel dargestellt, hauptsächlich Doppelreflektionen. Im kreuzpolaren Radarbild sind ungeradzahlige Reflektionen am Ziel dargestellt, hauptsächlich Einzelreflektionen. Dabei werden in beiden Fällen lokale Maxima der Amplituden des zurückreflektierten Signals mit Kreisen dargestellt, deren Durchmesser in einem Verhältnis zu deren Amplitude steht.

Fig. 3a und 3b zeigen ein polarimetrisches Radarbild, das sowohl die kopolaren als auch die kreuzpolaren Lokalen Maxima aus 2 beinhalten. Allerdings wird nun zusätzlich für jedes lokale Maxima das Betragsverhältnis zwischen ko- und kreuzpolarisierten Signalanteil (im Folgenden „Ratio“ genannt) in Form von verschiedenen Symbolen dargestellt. Dadurch entsteht an verschiedenen Bereichen des PKWs ein polarimetrisches Muster, mit dem man Objekte klassifizieren kann.

Bei Mustererkennungen für verschiedene Bereiche der Ziele werden folgende Eigenschaften der lokalen Maxima ausgewertet:

  • - Anzahl der kopolaren Maxima, hierbei können auch bestimmte Störabstände (Abstand zum Rauschniveau) einbezogen werden
  • - Anzahl der kreuzpolaren Maxima, hierbei können auch bestimmte Störabstände (Abstand zum Rauschniveau) einbezogen werden
  • - Durchschnittliches Betragsverhältnis zwischen Ko- und Kreuzpolarisation
  • - Maximales Betragsverhältnis zwischen Ko- und Kreuzpolarisation
  • - Minimales Betragsverhältnis zwischen Ko- und Kreuzpolarisation
  • - Phasenverhältnisse zwischen Ko- und Kreuzpolarisation
  • - Besonders charakteristische Eigenschaften

Letzteres ist z.B. die erste Reflektion am PKW im Bereich des vorderen Nummernschildes. Diese besitzt ein Ratio von kleiner -20 dB.

Die Musterklassifikation unterscheidet hierbei verschiedene Objekttypen wie z.B. PKWs, Fußgänger, Radfahrer, LKWs und Motorradfahrer und straßenbauliche Ziele wie z.B. Gullys, Absperrungen, Leitplanken Brücken und Tunnels.

4 zeigt den PKW frontal gemessen und bei einer Winkelablage von -20°. Bei der Winkelablage von -20° ist folgende Veränderung bezogen auf den frontal gemessenen PKW festzustellen:

  • - Die charakteristische Reflektion an der Front mit dem Ratio kleiner als -20 dB verschiebt sich zur rechten Seite des PKWs
  • - Im Bereich der Front treten Reflektionen auf, mit Ratiowerten zwischen 10dB und 15dB, als auch eine Reflektion mit einem Ratio zwischen 15dB und 20 dB.
    (Dies ist in den stärken kopolaren Eigenschaften begründet. Diese entstehen dadurch, dass es durch das schräg stehende Fahrzeug mehr Doppelreflektionen im Bereich der Front insbesondere im Bereich des Autogrills gibt)
  • - Es ergibt sich eine Veränderung des polarimetrischen Musters vor allem im Bereich der Front, des Lenkrads und im hinteren Bereich des Fahrzeuges

Anhang dieser Eigenschaften kann festgestellt werden in welchem Winkel sich das Fahrzeug zum Sensor befindet.

5 zeigt Bereiche, die bei der Mustererkennung und der Klassifizierung von einem frontal gemessenen PKW von besonderer Bedeutung sind. Diese sind:

  • - Frontbereich
  • - Vordere Radkästen
  • - Lenkradbereich
  • - Außenspiegel

Charakteristisch ist hierbei entsprechend 3, eine starke Reflektion im Bereich des vorderen Nummernschildes mit einem sehr geringen Ratio (starke Einfachreflektion).

6 zeigt Bereiche, die bei der Mustererkennung und der Klassifizierung von einem schräg detektierten PKW von besonderer Bedeutung sind:

  • - Frontbereich
  • - die zum Sensor ausgerichteten Radkästen
  • - der zum Sensor ausgerichtete Außenspiegel
  • - der zum Sensor ausgerichtete vordere Türspalt
  • - die zum Sensor ausgerichtete hintere Fahrzeugecke

Besonders charakteristisch ist hierbei die Detektion der Kontur des Fahrzeugs als L-Form, die exakte Positionserkennung der Radkästen, sowie das Auftreten verhältnismäßig (im Vergleich zu den anderen Messpositionen) vieler Signale mit einem hohen Ratio (Doppelreflektionen).

7 zeigt Bereiche, die bei der Mustererkennung und der Klassifizierung von einem quer detektierten PKW von besonderer Bedeutung sind:

  • - der zum Sensor ausgerichtete Querberiech
  • - die zum Sensor ausgerichteten Radkästen
  • - die zum Sensor ausgerichteten Fahrzeugecken
  • - die zum Sensor ausgerichteten Vordertür

Besonders charakteristisch ist hierbei die Detektion von starken Reflektionen mir sehr geringem Ratio (starke Einfachreflektionen) im Bereich der Vordertür.

8 zeigt Bereiche, die bei der Mustererkennung und der Klassifizierung von einem von hinten detektierten PKW von besonderer Bedeutung sind:

  • - Hintere Fahrzeugbereich
  • - die zum Sensor ausgerichteten Fahrzeugecken
  • - die zum Sensor ausgerichteten Vordertür

Besonders charakteristisch ist hierbei die Detektion von einer starken Reflektion mir sehr geringem Ratio (starke Einfachreflektionen) an der Außenkontur des Hecks, sowie ein polarimetrisches Muster, das vom Innenraum des PKWs stammt.

Typische polarimetrische Muster mit den beschriebenen Eigenschaften von Objektklassen bzw. Objektunterklassen werden dabei stets verschiedenen Winkel- und Entfernungsbereiche zugeordnet und dienen als Basis für einen Klassifizierungsalgorithmus.

Des Weiteren ergeben sich Vorteile bei der Verwendung zirkularer Polarisation bei der Erkennung durch „Geisterziele“, die durch Mehrwegausbreitungen oder durch Nebenkeulen oder störende wiederkehrende Hauptkeulen entstehen. Die beiden Letzteren sind besonders stark ausgeprägt, wenn starke Ziele bei starken Winkelablagen detektiert werden.

9 zeigt beispielshaft die Situation bei einer Mehrwegausbreitung bedingt durch eine zusätzliche Reflektion an einem Objekt. Dadurch entsteht ein gespiegeltes Ziel, dass sich bei einem anderen Winkel befindet. Allerdings verursacht die zusätzliche Reflektion auch eine Drehung der Polarisationseigenschaften, sodass die Analyse des veränderten Polarisationsmusters eine Identifizierung von Mehrwegausbreitungen ermöglicht.

10 zeigt die gleiche Situation wie in 9 bezieht sich aber ausschließlich auf Ziele mit einer relativen Geschwindigkeit zum Radarsensor und der Umgebung. Wenn nun bei Zielen innerhalb von einem Entfernungs- und Winkeltor ein lokales Maximum unterschiedliche Geschwindigkeiten im kopolaren Signal und im kreuzpolaren Signal aufweist, dann handelt es sich um ein „Geisterziel“. Diese können dabei sowohl durch Mehrwegausbreitung, als auch durch Nebenkeulen oder wiederkehrende Hauptkeulen verursacht werden.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Zusammenfassend zeigt 1 ein Prinzip eines polarimetrischen Radars, unter anderem eine ungerade Anzahl an Reflektionen, wobei eine Kreuzpolarisierte Welle reflektiert wird, sowie eine gerade Anzahl an Reflektionen, wobei die Kopolarisierte Welle reflektiert wird. 2 zeigt ein Ko-und Kreuzpolares Radarbild von einem frontal detektierten PKW und stellt die Lokalen Maxima (LM) für das kopolare und kreuzpolare Radarbild dar, wobei Kreise deren Positionen markieren. Die Durchmesser der Kreise stehen in einem Verhältnis zu der Amplitude der LMs. 3a zeigt ein polarimetrisches Radarbild von einem frontal detektierten PKW. Die Tabelle gemäß Fig. 3b und 4 stellt das Verhältnis zwischen dem Signalbetrag des kopolaren und kreuzpolaren Lokalen Maximums (LM) dar. Die Größe der Symbole stehen in einem Verhältnis zu den Amplituden der LMs. Ferner zeigt 4 ein polarimetrisches Radarbild von einem frontal ausgerichteten und von einem bei einer Winkelablage von -20° befindlichen PKW. 5 zeigt Musterbereiche zur Klassifikation von einem frontal detektierten PKW. 6 zeigt Musterbereiche zur Klassifikation von einem schräg detektierten PKW. 7 zeigt Musterbereiche zur Klassifikation von einem quer detektierten PKW. 8 zeigt Musterbereiche zur Klassifikation von einem von hinten detektierten PKW. 9 zeigt eine Erkennung von Mehrwegausbreitungen mit Hilfe polarimetrischer Informationen bei stationären und bewegten Zielen und unter anderem, dass das Muster bei einem gespiegelten Ziel gedrehte Polarisatonseigenschaften besitzt. 10 zeigt eine Erkennung von „Geisterzielen“ mit Hilfe polarimetrischer Informationen bei bewegten Zielen, unter anderem ein Ziel mit einer relativen Geschwindigkeit zum Sensor und der Umgebung und ein „Geisterziel“, wobei es sich um ein „Geisterziel“ handelt, wenn beide Polarisationen an derselben Stelle (identisches Empfangstor) unterschiedliche Geschwindigkeiten haben.

Bezugszeichenliste

(1)
Frontbereich
(2)
Vorderer Radkasten
(3)
Lenkradbereich
(4)
Außenspiegel
(5)
Türspalt Fahrertür
(6)
Hinterer Radkasten
(7)
Hintere Fahrzeugecke
(8)
Querbereich
(9)
Vordertür
(10)
Vordere Fahrzeugecke
(11)
Hinterer Fahrzeugbereich
(12)
Fahrzeuginnenbereich