DE102014201026A1

DE102014201026A1 - Verfahren zur Winkelschätzung und Radarsensor für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102014201026A1
Application number: DE102014201026.8A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Loesch; Volker Gross; Goetz Kuehnle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2015-07-23
Also published as: CN104793192B; US20150204972A1; CN104793192A; US10180494B2

Abstract

Verfahren für einen Radarsensor für Kraftfahrzeuge (40), zur Winkelschätzung von Radarzielen anhand eines Antennendiagramms, das für verschiedene Konfigurationen von Radarzielen zugehörige Amplituden und/oder Phasenbeziehungen zwischen Signalen angibt, die für die betreffende Konfiguration in mehreren Auswertungskanälen des Radarasensors erhalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass man für ein einzelnes reales Ziel (42) mathematisch die Entstehung einer Anzahl n von Scheinzielen (46) modelliert, die durch Reflexion des von dem realen Ziel (42) kommenden Signals an ausgedehnten Objekten (44) verursacht werden, dass man eine Beziehung zwischen dem Ortungswinkel (θd) des realen Ziels (42) und den Ortungswinkeln (θr) der Scheinziele (44) berechnet, und dass man zur Schätzung des Ortungswinkels des realen Ziels eine Mehrzielschätzung in einem n-dimensionalen Suchraum ausführt und die Suche auf einen Unterraum beschränkt, der durch die berechnete Beziehung bestimmt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Verfahren für einen Radarsensor für Kraftfahrzeuge, zur Winkelschätzung von Radarzielen anhand eines Antennendiagramms, das für verschiedene Konfigurationen von Radarzielen zugehörige Amplituden und/oder Phasenbeziehungen zwischen Signalen angibt, die für die betreffende Konfiguration in mehreren Auswertungskanälen des Radarasensors erhalten werden, sowie einen Radarsensor zur Ausführung dieses Verfahrens.
Radarsensoren werden in Kraftfahrzeugen beispielsweise zur Messung der Abstände, Relativgeschwindigkeiten und Azimutwinkel von im Vorfeld des eigenen Fahrzeugs georteten Fahrzeugen oder sonstigen Objekten eingesetzt. Mehrere Antennenelemente sind dann beispielsweise in Abstand zueinander auf einer Horizontalen angeordnet, so dass unterschiedliche Azimutwinkel der georteten Objekte zu Differenzen in den Lauflängen führen, die die Radarsignale vom Objekt bis zum jeweiligen Antennenelement zurückzulegen haben. Diese Lauflängendifferenzen führen zu entsprechenden Unterschieden in der Amplitude und Phase der Signale, die von den Antennenelementen empfangen und in den zugehörigen Auswertungskanälen ausgewertet werden. Durch Abgleich der in den verschiedenen Kanälen empfangenen (komplexen) Amplituden mit entsprechenden Amplituden in einem Antennendiagramm lässt sich dann der Einfallswinkel des Radarsignals und damit der Azimutwinkel des georteten Objekts bestimmen. Auf entsprechende Weise lässt sich mit vertikal übereinander angeordneten Antennenelementen auch der Elevationswinkel eines Objekts schätzen.
Für ein einzelnes Ziel kann der Abgleich zwischen den empfangenen Amplituden und den Amplituden im Antennendiagramm erfolgen, indem man für jeden Winkel im Antennendiagramm eine Korrelation zwischen dem Vektor der gemessenen Amplituden (bei k Auswertungskanälen ist dies ein Vektor mit k komplexen Komponenten) und dem entsprechenden Vektor im Antennendiagramm berechnet. Diese Korrelation kann durch eine sogenannte DML-Funktion (Deterministic Maximum Likelihood Funktion) ausgedrückt werden, die, wenn ein bestimmter Vektor von gemessenen Amplituden gegeben ist, für jeden Winkel die Wahrscheinlichkeit dafür angibt, dass sich das Objekt bei diesem Winkel befindet. Die Winkelschätzung besteht dann darin, dass man das Maximum dieser DML-Funktion aufsucht. Die DML-Funktion ist in diesem Fall nur von einer einzigen Variablen abhängig, nämlich dem betreffenden Azimut- oder Elevationswinkel. Die Suche nach dem Maximum erfolgt deshalb in einem eindimensionalen Suchraum.
Wenn der Radarsensor mehrere Ziele gleichzeitig ortet, so unterscheiden sich diese Ziele im Normalfall in ihrem Abstand und/oder in ihrer Relativgeschwindigkeit, so dass sich die Ziele voneinander trennen lassen und die Winkelschätzung dann für jedes Ziel gesondert vorgenommen werden kann. Wenn jedoch die Abstände und Relativgeschwindigkeiten der beiden Ziele einander so ähnlich sind, dass eine Trennung angesichts des begrenzten Auflösungsvermögens des Radarsensors nicht möglich ist, so erscheinen die beiden Ziele als ein einziges Ziel, und man würde bei der oben beschriebenen Winkelschätzung nur einen einzigen Winkel als Ergebnis erhalten. Da es sich jedoch in Wahrheit um zwei Ziele handelt, kommt es zu Interferenzen zwischen den Signalen, die von den beiden Zielen zurückgestreut werden und sich am Radarsensor überlagern. Das hat zur Folge, dass das Muster der empfangenen Amplituden nicht mehr dem Antennendiagramm für ein einzelnes Ziel entspricht.
Es ist jedoch möglich, das oben beschriebene Verfahren zur Winkelschätzung auf Zwei- oder Mehrzielschätzungen zu verallgemeinern. Die DML-Funktion ist dann eine Funktion von mehreren Variablen, nämlich den Winkeln der verschiedenen Ziele, und bei einer n-Zielschätzung hat folglich der Suchraum n Dimensionen. Der Ort des Maximums der DML-Funktion in diesem Suchraum hat dann n Komponenten, die die Ortungswinkel aller n Ziele angeben.
Die Mehrzielschätzung hat jedoch den Nachteil, dass die Suche in einem mehrdimensionalen Suchraum äußerst rechenaufwändig ist. Außerdem ist das Verfahren aufgrund des unvermeidlichen Signalsrauschens fehleranfällig.
Bei einem praktischen Einsatz eines Radarsensors in Kraftfahrzeugen, kommt es auch dann, wenn nur ein einziges Radarziel vorhanden ist, häufig vor, dass durch Reflexionen des zurückgestreuten Signals an der Fahrbahnoberfläche oder an einer Leitplanke zusätzliche Scheinziele vorgetäuscht werden, bei denen es sich in Wahrheit nur um Spiegelbilder des georteten Objekts handelt. In diesem Fall sind die Abstände und Relativgeschwindigkeiten nahezu identisch. Zwar macht das an der Fahrbahnoberfläche oder Leitplanke reflektierte Signal einen gewissen Umweg, der jedoch aufgrund der nahezu streifenden Reflexion kaum messbar ist. Eine Unterscheidung zwischen dem echten Ziel und dem Scheinziel ist deshalb nicht möglich, so dass bei Schätzungen des Elevationswinkels streng genommen eine Mehrzielschätzung durchgeführt werden müsste, wenn Reflexionen an der Fahrbahnoberfläche zu erwarten sind, und bei Schätzungen des Azimutwinkels eines Mehrzielschätzung durchgeführt werden müsste, wenn Reflexionen an einer Leitplanke oder einem ähnlichen ausgedehnten Objekt zu erwarten sind.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das in Situationen, in denen Reflexionen des Radarsignals an ausgedehnten Objekten zu erwarten sind, eine einfachere und genauere Winkelschätzung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass man für ein einzelnes reales Ziel mathematisch die Entstehung einer Anzahl n von Scheinzielen modelliert, die durch Reflexion des von dem realen Ziel kommenden Signals an ausgedehnten Objekten verursacht werden, dass man eine Beziehung zwischen dem Ortungswinkel des realen Ziels und den Ortungswinkeln der Scheinziele berechnet, und dass man zur Schätzung des Ortungswinkels des realen Ziels eine Mehrzielschätzung in einem n-dimensionalen Suchraum ausführt und die Suche auf einen Unterraum beschränkt, der durch die berechnete Beziehung bestimmt ist.
Im Fall einer Zweizielschätzung hat der Suchraum zwei Dimensionen. Aufgrund der Reflexionsgesetze erhält man für den Ortungswinkel des realen Ziels und den Ortungswinkel des Scheinziels eine Beziehung, die in dem zweidimensionalen Suchraum einen eindimensionalen Unterraum definiert.
Im allgemeinen ist die genannte Beziehung nichtlinear, so dass es sich bei dem Unterraum nicht notwendigerweise um einen Vektorraum handelt. Wenn man den zweidimensionalen Suchraum als einen Ausschnitt einer Ebene darstellt, so wird der eindimensionale Unterraum durch eine (im allgemeinen gekrümmte) Linie in dieser Ebene repräsentiert. Bei kleinen Winkeln ist die Beziehung zwischen den Ortungswinkeln jedoch näherungsweise linear, und man erhält als Unterraum einen Vektorraum, der durch eine Gerade in der Ebene repräsentiert wird. In jedem Fall kann die Suche nach dem Maximum der DML-Funktion auf Orte beschränkt werden, die auf der Geraden bzw. Linie liegen oder – unter Berücksichtigung unvermeidlicher Fehler bei der Bestimmung der genannten Beziehung – in einer engen Umgebung um diese Linie, d.h., einem Streifen in der Ebene, der die Gerade bzw. Linie enthält und dessen Breite durch die zugelassenen Toleranzen bestimmt wird. Im Sinne dieser Anmeldung bezieht sich die Bezeichnung "Unterraum" auf diesen gesamten Streifen und nicht nur auf die eindimensionale Linie innerhalb dieses Streifens.
Durch die Beschränkung des Suchraumes wird der Rechenaufwand erheblich reduziert. Außerdem zeigt es sich, dass durch dieses Verfahren auch die Genauigkeit der Winkelschätzung verbessert wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Radarsensors für Kraftfahrzeuge, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist;
2 eine schematische Darstellung einer Situation, in der ein an einem Radarziel gestreutes Signal an einer Leitplanke reflektiert wird;
3 Skizzen möglicher Antennenkonfigurationen eines Radarsensors:
4 eine graphische Darstellung einer DML-Funktion und eines Unterraumes in einem zweidimensionalen Suchraum zur Winkelschätzung; und
5 und 6 Ergebnisse von Simulationsrechnungen zum Vergleich unterschiedlicher Winkelschätzverfahren.
Der in 1 gezeigte Radarsensor weist vier emfangende Antennenelemente 10, 12, 14, 16 auf, die zusammen eine planare Gruppenantenne 18 bilden. Der Radarsensor wird so in ein Kraftfahrzeug eingebaut, dass die Antennenelemente 10–16 auf gleicher Höhe nebeneinander liegen, so dass ein Winkelauflösungsvermögen des Radarsensors in der Horizontalen (im Azimut) erreicht wird. In 1 sind symbolisch Radarstrahlen dargestellt, die von den Antennenelementen unter einem Azimutwinkel empfangen werden.
Ein Hochfrequenzteil 20 zur Ansteuerung eines sendenden Antennenelements 22 wird beispielsweise durch ein MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) gebildet und umfasst einen lokalen Oszillator 24, der das zu sendende Radarsignal erzeugt. Die von den Antennenelementen 10–16 empfangenen Radarechos werden jeweils einem Mischer 28 zugeführt, wo sie mit dem vom Oszillator 24 gelieferten Sendesignal gemischt werden. Auf diese Weise erhält man für jedes der Antennenelemente ein Zwischenfrequenzsignal Z1, Z2, Z3, Z4, das einer elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit 30 zugeführt wird.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 30 enthält einen Steuerungsteil 32, der die Funktion des Oszillators 24. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Radarsensor um ein FMCW-Radar (Frequency Modulated Continuous Wave), d.h., die Frequenz des vom Oszillator 24 gelieferten Sendesignals wird periodisch in Form einer Folge von steigenden und/oder fallenden Frequenzrampen moduliert.
Weiterhin enthält die Steuer- und Auswerteeinrichtung 30 einen Auswerteteil mit einem vierkanaligen Analog/Digital-Wandler 34, der die von den vier Antennenelementen erhaltenen Zwischenfrequenzsignale Z1–Z4 digitalisiert und jeweils über die Dauer einer einzelnen Frequenzrampe aufzeichnet. Die so erhaltenen Zeitsignale werden dann kanalweise in einer Transformationsstufe 36 durch Schnelle Fouriertransformation in entsprechende Frequenzspektren umgewandelt. In diesen Frequenzspektren zeichnet sich jedes geortete Objekt in der Form eines Peaks ab, dessen Frequenzlage von der Signallaufzeit vom Radarsensor zum Objekt und zurück zum Radarsensor sowie – aufgrund des Doppler-Effektes – von der Relativgeschwindigkeit des Objekts abhängig ist. Aus den Frequenzlagen zweier Peaks, die für dasselbe Objekt erhalten wurden, jedoch auf Frequenzrampen mit unterschiedlicher Steigung, beispielsweise einer steigenden Rampe und einer fallenden Rampe, lässt sich dann in bekannter Weise der Abstand d und die Relativgeschwindigkeit v des betreffenden Objektes berechnen.
Wie in 1 anhand der Radarstrahlen schematisch dargestellt wird, führen die unterschiedlichen Positionen der Antennenelemente 10–16 dazu, dass die Radarstrahlen, die von ein und demselben Antennenelement emittiert wurden, am Objekt reflektiert wurden und dann von den verschiedenen Antennenelementen empfangen werden, unterschiedliche Lauflängen zurücklegen und deshalb Phasenunterschiede aufweisen, die vom Azimutwinkel des Objekts abhängig sind. Auch die zugehörigen Zwischenfrequenzsignale Z1–Z4 weisen entsprechende Phasenunterschiede auf. Auch die Amplituden (Beträge) der empfangenen Signale sind von Antennenelement zu Antennenelement unterschiedlich, ebenfalls abhängig vom Azimutwinkel. Die Abhängigkeit der komplexen Amplituden, also der Absolutbeträge und Phasen, der empfangenen Signale vom Azimutwinkel kann für jedes Antennenelement in Form eines Diagramms in der Steuer- und Auswerteeinheit 30 hinterlegt sein. Die Diagramme für die einzelnen Antennenelemente lassen sich zu einem Antennendiagramm kombinieren, das für jedes Antennenelement die Amplitude des emfpangen Signals als Funktion des Azimutwinkels angibt. Ein Winkelschätzer 38 vergleicht für jedes geortete Objekt (jeden Peak im Frequenzspektrum) die in den vier Empfangskanälen erhaltenen komplexen Amplituden mit dem Antennendiagramm, um so den Azimutwinkel des Objekts zu schätzen. Als wahrscheinlichster Wert für den Azimutwinkel wird dabei der Wert angenommen, bei dem die gemessenen Amplituden am besten mit den im den Antennendiagramm abgelesenen Werten korrelieren.
2 illustriert in der Draufsicht in der Draufsicht eine Verkehrssituation, in der ein Radarsensor nach 1, der in ein Kraftfahrzeug 40 eingebaut ist, ein Ziel 42 ortet, in diesem Beispiel ein vorausfahrendes Fahrzeug. Das Ziel 42 wird idealisiert als punktförmig angenommen. Das vom Radarsensor emittierte Signal wird am Ziel 42 zurückgestreut und läuft auf demselben Weg zurück zum Radarsensor. Aufgrund dieses Signals würde der Radarsensor einen Objektabstand d messen.
Die auf das Ziel 42 treffende Radarstrahlung wird jedoch auch in andere Richtungen gestreut oder reflektiert, so dass ein Teil dieser Strahlung beispielsweise auf eine Leitplanke 44 trifft und von dieser zurück in den Radarsensor reflektiert wird. Dieser Reflex erscheint für den Radarsensor als ein weiteres Ziel, ein Scheinziel 46, bei dem es sich um das Spielbild des realen Ziels 42 handelt.
Anders als in der nicht maßstäblichen Darstellung in 2 ist in der Praxis der Abstand zwischen dem Kraftfahrzeug 40 und dem Ziel 42 wesentlich größer als der Abstand beider Fahrzeuge zur Leitplanke 44. Der Unterschied zwischen dem Objektabstand d und dem scheinbaren Abstand des Scheinziels 46 ist deshalb so klein, dass er normalerweise unterhalb der Auflösungsgrenze des Radarsensors liegt. Auch die Relativgeschwindigkeiten des Ziels 42 und des Scheinziels 46 sind praktisch identisch, so dass der Radarsensor die beiden Ziele nicht trennen kann. Gleichwohl kommt es aber zwischen dem auf direktem Wege zum Radarsensor zurückgestreuten Signal und dem an der Leitplanke 44 reflektierten Signal zu Überlagerungen und Interferenzen, die das Ergebnis der Winkelschätzung verfälschen. Um diesen Effekt zu berücksichtigen, müsste eine Zweizielschätzung durchgeführt werden, die zwei Azimutwinkel liefert, nämlich einen Azimutwinkel θd für das Ziel 42 und einen anderen Azimutwinkel θr für das Scheinziel 46.
Die beiden Azimutwinkel θd und θr sind jedoch nicht unabhängig voneinander. Wenn y1 der laterale Abstand zwischen dem Radarsensor im Kraftfahrzeug 40 und der Leitplanke 44 ist, y2 der laterale Abstand zwischen dem Ziel 42 und der Leitplanke, und x der in Fahrtrichtung gemessene Abstand zwischen dem Ziel 42 und dem Kraftfahrzeug 40, so gilt: tan θd = (y1 – y2)/x, tan θr = (y1 + y2)/x (1)
Aus der ersten Gleichung folgt: y2 = y1 – x·tan θd (2) und folglich θr = tan^–1((y1 + y2)/x) = tan^–1((2y1/x) – tan θd) (3)
Mit x = d cos θd erhält man θr = tan^–1(2y1/(d cosθd) – tan θd) (4)
Für kleine Winkel θr, θd gilt näherungsweise: θr = (2y1/d) – θd (5)
Diese Beziehung zwischen θd und θr lässt sich dazu nutzen, mit verringertem Rechenaufwand eine Zweizielschätzung durchzuführen und die Genauigkeit der Winkelschätzung zu verbessern. Allerdings muss dazu der laterale Abstand y1 zur Leitplanke 44 bekannt sein.
Eine Möglichkeit besteht darin, den Abstand y1 anhand der typischen Fahrbahnbreite zu schätzen. Bei Straßen mit zwei oder mehr Spuren je Fahrtrichtung lässt durch Ortung von Fahrzeugen auf den Nebenspuren auch feststellen, welche Spur das eigene Fahrzeug befährt und wie groß dementsprechend der Abstand zur Leitplanke sein müsste.
Häufig wird der Radarsensor auch Radarechos von Pfosten empfangen, an denen die Leitplanke 44 montiert ist. Diese Signalen lassen sich dann dazu nutzen, den Abstand y1 direkt zu messen.
Wie später noch näher erläutert werden wird, besteht weiterhin auch die Möglichkeit einen etwaigen Fehler bei der Schätzung von y1 nachträglich anhand des Ergebnisses der Winkelschätzung zu korrigieren. Wenn für ein einzelnes Ziel 42 ein hinreichend genauer Wert für y1 gefunden wurde, so lässt sich derselbe Wert auch für eine verbesserte Winkelschätzung von anderen Radarzielen nutzen.
Bei Kraftfahrzeugen ist es oft auch wünschenswert, den Elevationswinkel eines georteten Objekts zu schätzen, beispielsweise um zu entscheiden, ob ein Objekt überfahren werden kann (wie z. b. ein Kanaldeckel) oder unterfahren werden kann (wie z. b. eine Brücke). Auch in diesem Fall kann die Winkelschätzung durch Reflexionen verfälscht werden, insbesondere durch Reflexionen an der Fahrbahnoberfläche, die dann die Rolle der Leitplanke 44 in 2 hätte. Der Wert, der dem Abstand y1 entspricht, ist dann unmittelbar durch die Einbauhöhe des Radarsensors am Kraftfahrzeug 40 gegeben.
3(A) zeigt schematisch ein Beispiel einer planaren SIMO (Single Input Multiple Output) Antennenanordnung für einen Radarsensor, der sowohl im Azimut als auch in Elevation winkelauflösend ist. In dieser Antennenanordnung sind mehrere empfangende Antennenelemente 50 (Kreise) sowohl in horizontalen Reihen als auch in vertikalen Reihen angeordnet, so dass aufgrund der Lauflängenunterschiede in den horizontalen Reihen der Azimutwinkel und aufgrund der Lauflängenunterschiede in den vertikalen Reihen der Elevationswinkel eines Objekts geschätzt werden kann. Wie in 1 ist auch hier ein bistatisches Antennenkonzept verwirklicht, bei dem die Antennenelemente 50 ausschließlich zum Empfang der Radarsignale dienen, während zum Senden des Signals eineinzelnes zusätzliches Antennenelement 52 (Quadrat) vorgesehen sind.
3(B) zeigt dagegen ein Beispiel einer MIMO (Multiple Input Multiple Output) Antennenanordnung, bei der auch mehrere sendende Antennenelemente 52 horizontal und vertikal in Abstand zueinander angeordnet sind. Die Antennenelemente 52 können zeitlich nacheinander oder wahlweise auch gleichzeitig aktiviert werden. Bei der Erstellung der Antennendiagramme muss im letzteren Fall (MIMO-Betrieb) berücksichtigt werden, dass sich an jedem empfangenden Antennenelement 50 Signale überlagern, die von jedem der sendenden Antennenelemente 52 gesendet wurden. Wahlweise können die sendenden Antennenelemente 52 schaltbar sein, so dass je nach Situation mit unterschiedlichen Konfigurationen von aktiven sendenden Antennenelementen gearbeitet werden kann. Ebenso kann auch die Auswertung der von den empfangenden Antennenelementen 50 empfangenen Signale je nach Situation selektiv für bestimmte Gruppen dieser Antennenelemente erfolgen.
Eine Zweizielschätzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in 4 am Beispiel einer Schätzung für den Elevationswinkel φ eines Objektes dargestellt.
4 zeigt einen quadratischen Ausschnitt eines zweidimensionalen Suchraumes 54. Auf der horizontalen Achse sind Elevationswinkel φ1 von –15° bis +15° für ein reales Ziel aufgetragen, und auf der vertikalen Achse sind Elevationswinkel φ2 von –15° bis +15° für ein zugehöriges Scheinziel aufgetragen, das durch Reflexion an der Fahrbahnoberfläche entsteht. Aufgrund der Symmetrie zwischen realem Ziel und Scheinziel kann man sich auf das dreieckige Gebiet beschränken, das in Fig. 4 unterhalb der Diagonalen liegt. Für jedes Wertepaar (φ1, φ2) liefert das Antennendiagramm der in 3 gezeigten Antennenkonfiguration 48 einen Satz von Amplituden, die von den Antennenelementen 50 gemessen werden müssten, wenn sich die Ziele bei den Elevationswinkeln φ1 und φ2 befänden.
Wenn nun ein Satz von tatsächlich gemessenen Amplituden gegeben ist, so lässt sich für jedes Wertepaar (φ1, φ2) anhand der Korrelation zwischen den gemessenen Amplituden und den für dieses Paar erwarteten Amplituden eine DML-Funktion berechnen, die die Wahrscheinlichkeit dafür angibt, dass sich bei dem (a priori) gegebenem Messergebnis die Ziele tatsächlich bei den betreffenden Winkeln φ1 und φ2 befinden. In 4 ist eine solche DML-Funktion 56 in der Form von Höhenlinien eines "Gebirges" über der φ1–φ2-Ebene dargestellt. Die unterschiedlichen Höhenbereiche sind durch unterschiedliche Schraffuren symbolisiert: je feiner die Schraffur, desto höher der Funktionswert der DML-Funktion. Im gezeigten Beispiel hat die DML-Funktion 56 ein "Tal" 58 und drei voneinander getrennte "Gipfel", 60, 62, 64. Die beste Schätzung für die Elevationswinkel φ1 und φ2 ist das Maximum dieser Funktion, also der Ort des höchsten Gipfels.
Da jedoch für die Elevationswinkel φ1 und φ2 sinngemäß dieselbe Beziehung gilt wie für die Azimutwinkel in Gleichung (4) oder (5), genügt es, die Suche nach dem Maximum auf diejenigen Orte zu beschränken, die diese Beziehung erfüllen. In 4 sind das diejenigen Orte, die auf einer Linie 66 liegen. Um das Maximum der Funktion zu finden, braucht man deshalb nur der Linie 66 zu folgen und den Punkt auf dieser Linie zu suchen, an dem die DML-Funktion 56 den größten Wert hat.
Da jedoch die genaue Lage der Linie 66 von der Größe y1 abhängig ist (die hier die Einbauhöhe des Radarsensors über der Fahrbahnoberfläche repräsentiert) und da diese Größe mit gewissen Unsicherheiten behaftet ist, erscheint es als zweckmäßig, die Suche auch auf solche Orte auszudehnen, die innerhalb einer gewissen Toleranzzone abseits der Linie 66 liegen. Im gezeigten Beispiel wird die Suche so auf einen Unterraum 68 beschränkt, der die Form eines Streifens hat, der die Linie 66 enthält.
Im gezeigten Beispiel findet man so das Maximum der DML-Funktion 56, und damit die gesuchten Elevationswinkel φ1 und φ2, am höchsten Punkt des Gipfels 64 innerhalb des Unterraumes 68. Wenn sich dabei zeigt, dass das Maximum nicht genau auf der Linie 66 liegt, sondern etwas abseits davon, kann man die Größe y1 und damit die Linie 66 so anpassen, dass sie durch das Maximum der Funktion geht. Auf diese Weise erhält man für die nächste Winkelschätzung einen genaueren Wert y1, der die Beziehung zwischen den Elevationswinkeln φ1 und φ2 charakterisiert.
In dem hier gezeigten Beispiel bildet zwar der Gipfel 64 das absolute Maximum der Funktion, doch sind die beiden anderen Gipfel 60, 62 nur wenig niedriger. Aufgrund des unvermeidlichen Signalrauschens kann es deshalb dazu kommen, dass bei einer oder mehreren der periodisch wiederholten Winkelschätzungen das absolute Maximum im Bereich des Gipfels 62 oder 62 liegt, so dass sich aufgrund des Rauschens das Ergebnis der Winkelschätzung sprunghaft ändern würde, wenn man eine herkömmliche Zweizielschätzung in dem gesamten Suchraum 54 vornehmen würde. Durch die Beschränkung der Suche auf den Unterraum 68 werden solche rauschbedingten Ausreißer eliminiert, so dass auch die Genauigkeit der Winkelschätzung verbessert wird.
Die Entscheidung, welcher der beiden Elevationswinkel φ1 und φ2 nun das reale Ziel repräsentiert, ergibt sich aus der plausiblen Überlegung, dass das reale Ziel sich oberhalb der Fahrbahnoberfläche und nicht unterhalb derselben befindet. Entsprechend gilt für die in 2 gezeigte Situation, dass sich das reale Ziel 42 auf der eigenen Fahrbahn befindet und nicht jenseits der Leitplanke 44.
Um die Verbesserung der Messgenauigkeit zu illustrieren, ist in 5 für verschiedene Schätzverfahren die Wurzel aus der mittleren quadratischen Schwankung, der sogenannte Root-Mean-Square-Error (RMSE) der geschätzten Winkel als Funktion des Elevationswinkels eines realen Ziels angegeben. Die Kurve 70 zeigt die Ergebnisse für das oben beschriebene Verfahren gemäß der Erfindung. Zum Vergleich zeigt die Kurve 72 die Ergebnisse für eine herkömmliche Zweizielschätzung, bei der der gesamte Suchraum 54 durchsucht wird, und die Kurve 74 die Ergebnisse für eine Einzielschätzung, basierend auf der Annahme, dass die Messergebnisse nur ein einzelnes Ziel repräsentieren.
6 zeigt die Ergebnisse einer Simulationsrechnung, bei der der Elevationswinkel fortgesetzt gemessen wird, während das mit dem Radarsensor ausgerüstete Fahrzeug sich dem realen Ziel annähert und dementsprechend der Objektabstand d (von rechts nach links in 6) von 30 m auf 4 m abnimmt.
Die Kurve 76 in der oberen Graphik in 6 gibt die Ergebnisse für das erfindungsgemäße Verfahren an, die Kurve 78 in der mittleren Graphik die Ergebnisse für die herkömmliche Zweizielschätzung, und die Kurve 80 in der unteren Graphik die Ergebnisse für die Einzielschätzung. Die glattere, fetter eingezeichnete Linie 82 gibt in allen drei Graphiken den tatsächlichen Elevationswinkel des Ziels an. Da sich das Ziel in diesem Beispiel in geringerer Höhe über der Fahrbahn befindet als der Radarsensor, wird der Elevationswinkel bei abnehmendem Abstand zum Ziel (nach links) negativ und dem Betrage nach größer.
Die Ergebnisse zeigen deutlich die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Claims

Verfahren für einen Radarsensor für Kraftfahrzeuge (40), zur Winkelschätzung von Radarzielen anhand eines Antennendiagramms, das für verschiedene Konfigurationen von Radarzielen zugehörige Amplituden und/oder Phasenbeziehungen zwischen Signalen (Z1, Z2; Z3, Z4) angibt, die für die betreffende Konfiguration in mehreren Auswertungskanälen des Radarasensors erhalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass man für ein einzelnes reales Ziel (42) mathematisch die Entstehung einer Anzahl n von Scheinzielen (46) modelliert, die durch Reflexion des von dem realen Ziel (42) kommenden Signals an ausgedehnten Objekten (44) verursacht werden, dass man eine Beziehung zwischen dem Ortungswinkel (θd, φ1) des realen Ziels (42) und den Ortungswinkeln (θr, φ2) der Scheinziele (44) berechnet, und dass man zur Schätzung des Ortungswinkels des realen Ziels eine Mehrzielschätzung in einem n-dimensionalen Suchraum (54) ausführt und die Suche auf einen Unterraum (68) beschränkt, der durch die berechnete Beziehung bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Unterraum (68) alle Punkte des Suchraumes (54) enthält, die um weniger als einen bestimmten Toleranzwert von einem n-1-dimensionalen Teilraum (66) entfernt sind, der durch die genannte Beziehung definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Beziehung eine lineare Beziehung verwendet wird, die annähernd der tatsächlichen Beziehung zwischen den Ortungswinkeln entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, zur Schätzung eines Azimutwinkels (θd), bei dem die Beziehung zwischen dem Azimutwinkel des realen Ziels (42) und dem Azimutwinkel (θr) des Scheinziels (46) auf einer Schätzung oder Messung eines Abstands (y1) zwischen dem Radarsensor und dem ausgedehnten Objekt (44) beruht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zur Schätzung eines Elevationswinkels, bei dem das ausgedehnte Objekt eine Fahrbahnoberfläche ist, auf der das Kraftfahrzeug (40) fährt, und bei dem die Beziehung zwischen dem Elevationswinkel (φ1) des realen Ziels (42) und dem Elevationswinkel (φ2) des Scheinziels (46) auf der bekannten Einbauhöhe des Radarsensors über der Fahrbahnoberfläche basiert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Radarsensor als SIMO-Radar betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Radarsensor als MIMO-Radar betrieben wird.
Radarsensor für Kraftfahrzeuge, mit einer elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit (30), in der das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 implementiert ist.