DE102016218643A1 - Verfahren zum Auswerten von Radarstrahlung und Radarvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten von Radarstrahlung. Eine Vielzahl von Radarwellen wird empfangen (S1) und jeweilige Einzelmesssignalen (xn) werden in komplexer Form ausgegeben (S2). Ein Gesamtmesssignal (Λ, ΛN, ΛP, ΛP') wird durch gewichtetes Aufsummieren von jeweils mindestens einem Produkt eines jeden Einzelmesssignals (xn) mit einem jeweiligen konjugiert komplexen Einzelmesssignal (xn) ermittelt und ausgegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten von Radarstrahlung und eine Radarvorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Zur Detektion von Objekten mittels Radar werden die reflektierten Radarwellen empfangen und anhand von Abtastwerten in einem zweidimensionalen Spektrum wird entschieden, ob sich an bestimmten Zellpositionen (Cell-Under-Test, CUT) ein reflektierendes Objekt befindet. Eine große Bedeutung kommt hierbei den zugrunde liegenden Schwellenwerten zu, anhand welcher ein Objekt erkannt wird. Bei zu großen Schwellenwerten besteht die Gefahr, dass reale Objekte nicht erkannt werden. Umgekehrt kann es bei zu geringen Schwellenwerten zur fälschlichen Erkennung von nicht existierenden Objekten kommen, da ein Hintergrundrauschen bereits als Objekt erkannt wird.
  • Es ist daher wichtig, die Signalqualität vor der Detektion zu verbessern und ein möglichst großes Signal-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio, SNR) zu erzielen.
  • Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses können Radarwellen aus mehreren Quellen gleichzeitig ausgewertet werden. Eine mögliche Auswertung erfolgt mit kohärenter Integration, wie beispielsweise aus der Schrift EP 0 128 542 B1 bekannt.
  • Ein differentielles Kombinationsverfahren offenbart die Druckschrift Wang et al., „Differential Coherent Algorithm Based on Fast Navigation-Bit Correction For Airborne GNSS-R Software Receivers", Tsinghua Science and Technology, 18 (1), 2013.
  • Eine alternative Auswertung von Signalen mittels einer differentiellen Auswertung zur Anwendung bei Funkdatenübertragung und Navigationssystemen finden sich in Villanti et al., „Differential post detection integration techniques for robust code acquisition", IEEE Transactions on Communications, 55 (11), 2007.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Auswerten von Radarstrahlen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Radarvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Auswerten von Radarstrahlung, wobei eine Vielzahl von Radarwellen empfangen wird, das heißt mindestens zwei Radarwellen. Für jede empfangene Radarwelle wird ein jeweiliges Einzelmesssignal in komplexer Form bzw. in komplexer Darstellung ausgegeben. Ein Gesamtmesssignal wird durch gewichtetes Aufsummieren von jeweils mindestens einem Produkt eines jeden Einzelmesssignals mit einem jeweiligen konjugiert komplexen Einzelmesssignal ermittelt und ausgegeben. Es werden somit Produkte zwischen Einzelmesssignalen und konjugiert komplexen Einzelmesssignalen berechnet und diese Produkte werden gewichtet und aufsummiert.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Radarvorrichtung, welche eine Empfängereinrichtung aufweist, welche dazu ausgebildet ist, Radarwellen zu empfangen und jeweilige Einzelmesssignale in komplexer Form auszugeben. Eine Auswerteeinrichtung der Radarvorrichtung ist dazu ausgebildet, ein Gesamtmesssignal durch gewichtetes Aufsummieren von jeweils mindestens einem Produkt eines jeden Einzelmesssignals mit einem jeweiligen konjugiert komplexen Einzelmesssignal zu ermitteln und auszugeben.
  • Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die kohärente Integration stellt hohe Anforderungen an die Phasenunterschiede zwischen den verschiedenen Radarwellensignalen, welche jedoch aufgrund von Phasenrauschen, einer unbestimmten Trägerphase oder sich über der Zeit verändernden Phasen variieren. Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren, welches unabhängig von den exakten Phasenunterschieden ein präzises Ergebnis liefert. Aufgrund der Multiplikation der Einzelmesssignale mit konjugiert komplexen Einzelmesssignalen werden die im Wesentlichen gleich großen Phasendrehungen der Radarwellen, welche während der Propagation der Radarwellen entstehen, ausgelöscht. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist besser als bei inkohärenter Integration, da Rauschstörungen zwischen den Empfangspfaden in der Regel statistisch unabhängig voneinander sind. Besteht ein Empfangssignal bzw. Einzelmesssignal xn = zn + rn aus einem Nutzsignal zn und einem störenden Rauschsignal rn, dann hat die Rauschleistung des Störsignals zn·r * / i + rn·r * / i, welches aus dem konjugiert komplexen Produkt xn·x * / i der verrauschten Empfangssignale resultiert, eine geringere Varianz, als wenn man die Betragsbildung einer Rauschvariablen bei der inkohärenten Integration verwendet. Für Details sei auf die oben zitierte Druckschrift Villanti et al. verwiesen.
  • Vorzugsweise können jeweils auch Realteile der Produkte anstelle der Produkte selbst aufsummiert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die Radarwellen zeitlich versetzt ausgesendet und/oder empfangen, wobei jeweilige Produkte eines jeden einzelnen Messsignals mit konjugiert komplexen Einzelmesssignalen von zeitlich benachbart empfangenen Radarwellen mit aufsummiert werden. Der Phasenunterschied bei zeitlich benachbarten Radarwellen ist meist nur gering, so dass die Phasenverschiebung während der Laufzeit der Radarwelle im Wesentlichen vollständig durch die Multiplikation mit einem komplex konjugierten Einzelmesssignal eliminiert werden kann. Vorzugsweise kann ein verbleibender Phasenunterschied in Gewichtungsfaktoren der Produkte absorbiert werden, welche vorzugsweise entsprechend gewählt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die gewichteten Produkte eines jeden Einzelmesssignals mit konjugiert komplexen Einzelmesssignalen der 2·P nächsten zeitlichen Nachbarn mit aufsummiert. P ist hierbei eine positive natürliche Zahl, so dass jeweils das Einzelmesssignal mit dem konjugiert komplexen Einzelmesssignal eines jeden der P vorangehenden Radarwellen und eines jeden der P nachfolgenden Radarwellen mit aufsummiert wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden nur gewichtete Produkte des Einzelmesssignals mit dem konjugierten komplexen Einzelmesssignal der direkt vorangehenden und/oder nachfolgenden Radarwelle und/oder gewichtete Produkte mit dem konjugiert komplexen Einzelmesssignal selbst aufsummiert. Somit wird das gewichtete Betragsquadrat des Einzelmesssignals bzw. das gewichtete Produkt des Einzelmesssignals mit dem konjugiert komplexen Einzelmesssignal der direkt zeitlich benachbarten Radarwelle zur Bestimmung des Einzelmesssignals aufsummiert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden nur gewichtete Produkte des Einzelmesssignals mit dem jeweiligen konjugiert komplexen Einzelmesssignal der P' direkt vorangehenden Radarwellen und gewichtete Produkte mit dem konjugiert komplexen Einzelmesssignal selbst aufsummiert, wobei P' eine positive natürliche Zahl ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Radarwellen mittels einer Vielzahl von Sendeantennen ausgesendet, bevor diese empfangen werden. Bei Messungen mit mehreren Sende- und/oder Empfangsantennen bleibt der Phasenversatz aufgrund der Antennengeometrie konstant. Die jeweils identische Phasendrehung der Radarwellen während der Laufzeit wird durch die Multiplikation mit einem konjugiert komplexen Einzelmesspaar somit ausgelöscht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die empfangenen Radarwellen zuvor in zumindest teilweise verschiedenen Frequenzbändern ausgesendet. Vorzugsweise werden die Radarwellen mit den zumindest teilweise verschiedenen Frequenzbändern durch dieselbe Sendeantenne ausgesendet, so dass kein Phasenversatz bzw. Phasenunterschied auftritt der Radarwellen selbst auftritt, und die während der Laufzeit der Radarwellen auftretende jeweilige Phasenverschiebung vollständig durch die Multiplikation eliminiert wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die jeweiligen Gewichtungsfaktoren der Produkte gleich 1 gesetzt. Vorzugsweise können die Gewichtungsfaktoren jedoch auch so gewählt werden, dass das Signal-Rausch-Verhältnis optimiert wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Radarvorrichtung weist die Aussendeeinrichtung eine Vielzahl von Sendeantennen auf und/oder ist die Aussendeeinrichtung dazu ausgebildet, Radarwellen in zumindest teilweise verschiedenen Frequenzbändern auszugeben und/oder ist die Aussendeeinrichtung dazu ausgebildet, Radarwellen zeitlich versetzt auszusenden.
  • Anstelle der gewichteten Produkte können jeweils auch ungewichtete Produkte aufsummiert werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Auswerten von Radarstrahlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 ein schematisches Flussdiagramm zur Erzeugung des Gesamtmesssignals gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
  • 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Radarvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Auswerten von Radarstrahlung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • In einem ersten Schritt S1 wird eine Vielzahl von Radarwellen empfangen. Vorzugsweise werden die Radarwellen zuvor ausgesendet. Die Radarwellen können beispielsweise zeitlich versetzt mit vorzugsweise konstanten Zeitabständen ausgesendet werden. Weiter können Radarwellen in verschiedenen Frequenzbändern ausgesendet werden, welche sich teilweise überlappen können. Die Radarwellen können hierbei durch eine oder durch mehrere Sendeantennen ausgesendet werden. Bei Verwendung mehrerer Sendeantennen können diese beispielsweise auch simultan Radarwellen aussenden.
  • In einem zweiten Verfahrensschritt S2 werden jeweilige Einzelmesssignale xn in komplexer Form bzw. Darstellung für jede empfangen Radarwelle ausgegeben. Die Einzelmesssignale xn weisen eine Amplitude und eine komplexe Phase auf.
  • In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird ein Gesamtmesssignal anhand der jeweiligen Einzelmesssignale ausgegeben. Das Gesamtmesssignal entspricht einer Metrik bzw. einem Abtastwert, welcher zur Erkennung des Vorhandenseins eines Objekts ausgewertet werden kann. Gemäß einer Ausführungsform wird das Gesamtmesssignal durch Multiplizieren der Einzelmesssignale xn mit Einzelmesssignal-Gewichtungsfaktoren w ' / n, durch Aufsummieren der so gebildeten Produkte über alle Einzelmesssignale, und durch Bilden des Betragsquadrats dieser Summe, das heißt durch Multiplizieren mit der komplex konjugierten Größe, gebildet. Dieser Ausdruck kann auch als eine Doppelsumme über gewichtete Produkte von Einzelmesssignalen xn mit jeweiligen konjugiert komplexen Einzelmesssignalen x * / i dargestellt werden, wobei die Produkte mit Gewichtungsfaktoren wni gewichtet werden. Dies wird durch folgende Formel ausgedrückt:
    Figure DE102016218643A1_0002
  • Die Größe N bezeichnet die Anzahl der Radarwellen. Die Gewichtungsfaktoren wni = w ' / n·w '* / i können beispielsweise auf 1 gesetzt werden, können jedoch auch beliebig vorgegeben werden. Insbesondere können die Gewichtungsfaktoren wni derart bestimmt werden, dass ein Signal-Rausch-Verhältnis minimiert wird.
  • Alternativ kann ein Gesamtmesssignal ΛN durch gewichtetes Aufsummieren der Absolutbeträge der Einzelmesssignale sowie des Zweifachen des Realteils der gewichteten Produkte von Einzelmesssignalen mit jeweiligen konjugiert komplexen Einzelmesssignalen dargestellt werden, das heißt anhand folgender Formel:
    Figure DE102016218643A1_0003
  • Das Gesamtmesssignal ΛN bildet somit eine reelle Größe, deren Betrag zur Bestimmung und Erkennung von Objekten ausgewertet werden kann. Insbesondere kann ein Objekt erkannt werden, falls das Gesamtmesssignal ΛN größer als ein vorgegebener Wert ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden lediglich Produkte des Gesamtmesssignals mit sich selbst und/oder mit konjugiert komplexen Einzelmesssignalen benachbarter Radarwellen multipliziert. Unter benachbarten Radarwellen können hierbei Radarwellen verstanden werden, welche zeitlich benachbart ausgesendet werden, beispielsweise alle P vorangehenden und P nachfolgenden Radarwellen, wobei P eine positive Zahl ist. Benachbarte Radarwellen können auch Radarwellen von räumlich benachbarten Sendeantennen umfassen, beispielsweise von den 2·P nächsten räumlichen Nachbarn. Weiter können die benachbarten Radarwellen auch Radarwellen von angrenzenden Frequenzbereichen umfassen, beispielsweise diejenigen 2·P Radarwellen, deren Zentrum des Frequenzbereichs dem Zentrum des Frequenzbereichs des Einzelmesssignals selbst am Nächsten liegen. Beispielsweise kann das Gesamtmesssignal ΛP somit als Summe über Produkte eines jeden Einzelmesssignals mit konjugiert komplexen Einzelmesssignalen der 2·P nächsten Nachbarn bestimmt werden, das heißt anhand folgender Formel:
    Figure DE102016218643A1_0004
  • Hierbei ist P eine natürliche positive Zahl, beispielsweise ist P = 1, und N ist die Anzahl der Radarwellen, beispielsweise ist N = 10.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Gesamtmesssignal ΛP' berechnet, indem die gewichteten zweifachen Realteile der Produkte eines jeden Einzelmesssignals xn mit jeweils dem konjugiert komplexen Einzelmesssignal xn der P' direkt vorangehenden Radarwellen sowie gewichtete Produkte eines jeden Einzelmesssignals xn mit dem konjugiert komplexen Einzelmesssignal selbst aufsummiert werden, wobei P' eine positive natürliche Zahl ist. Beispielsweise liegt P' zwischen 1 und 10, etwa ist P' gleich 1 oder 2. Das Gesamtmesssignal ΛP' berechnet sich somit nach folgender Formel:
    Figure DE102016218643A1_0005
  • In 2 ist ein schematisches Flussdiagramm zur beispielhaften Berechnung des Gesamtmesssignals ΛP' für den Fall P' = 2 illustriert. Entsprechende Einzelmesssignale x1 bis x3 werden mit ihrem konjugiert komplexem Wert multipliziert und mit entsprechenden Gewichtungsfaktoren w11 bis w33 multipliziert. Weiter werden die Einzelmesssignale mittels Differenzierglieder D verzögert und mit dem konjugiert komplexen Wert eines von dem Einzelmesssignal verschiedenen Einzelmesssignals multipliziert und mit entsprechenden Gewichtungsfaktoren w12, w13, w23 multipliziert, sowie anschließend die Realteile gebildet. Alle derart gebildeten Produkte werden anschließend zur Bestimmung des Gesamtmesssignals ΛP' aufsummiert.
  • In 3 ist ein Blockschaltbild einer Radarvorrichtung 1 illustriert. Die Radarvorrichtung 1 weist eine Aussendeeinrichtung 2 auf, welche dazu ausgebildet ist, eine Vielzahl von Radarwellen auszusenden. Die Aussendeeinrichtung 2 kann beispielsweise eine Vielzahl von Sendeantennen zum Aussenden der Radarwellen aufweisen. Weiter kann die Aussendeeinrichtung dazu ausgebildet sein, Radarwellen in zumindest teilweise verschiedenen Frequenzbändern auszusenden. Die Aussendeeinrichtung 2 kann ebenfalls dazu ausgebildet sein, Radarwellen zeitlich versetzt auszusenden.
  • Weiter weist die Radarvorrichtung 1 eine Empfängereinrichtung 3 auf, welche dazu ausgebildet ist, die reflektierten Radarwellen zu empfangen und jeweilige Einzelmesssignale in komplexer Form bzw. Darstellung auszugeben. Eine Auswerteeinrichtung 4 der Radarvorrichtung 1 ist dazu ausgebildet, ein Gesamtmesssignal durch gewichtetes Aufsummieren von jeweils mindestens einem Produkt eines jeden Einzelmesssignals mit einem jeweiligen konjugiert komplexen Einzelmesssignal zu ermitteln und auszugeben. Die Auswerteeinrichtung 4 kann dazu ausgebildet sein, das Gesamtmesssignal nach einem der oben angegebenen Verfahren zu ermitteln.
  • Die Aussendeeinrichtung 2 ist hierbei optional und insbesondere kann die Empfängereinrichtung 3 auch dazu ausgebildet sein, Radarwellen von externen Quellen zu empfangen, beispielsweise reflektierte Signale von Quellen zur Rundfunkübertragung, Satellitennavigation oder Mobilfunkübertragung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0128542 B1 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Druckschrift Wang et al., „Differential Coherent Algorithm Based on Fast Navigation-Bit Correction For Airborne GNSS-R Software Receivers”, Tsinghua Science and Technology, 18 (1), 2013 [0005]
    • Villanti et al., „Differential post detection integration techniques for robust code acquisition”, IEEE Transactions on Communications, 55 (11), 2007 [0006]
    • Villanti et al. [0011]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Auswerten von Radarstrahlung, mit den Schritten: Empfangen (S1) einer Vielzahl von Radarwellen; Ausgeben (S2) von jeweiligen Einzelmesssignalen (xn) in komplexer Form für jede der empfangenen Radarwellen; und Ermitteln (S3) und Ausgeben eines Gesamtmesssignals (Λ, ΛN, ΛP, ΛP') durch gewichtetes Aufsummieren von jeweils mindestens einem Produkt eines jeden Einzelmesssignals (xn) mit einem jeweiligen konjugiert komplexen Einzelmesssignal (xn).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Radarwellen zeitlich versetzt empfangen werden, und wobei jeweilige gewichtete Produkte eines jeden Einzelmesssignals (xn) mit konjugiert komplexen Einzelmesssignalen (xn) von zeitlich benachbart empfangenen Radarwellen mit aufsummiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die gewichteten Produkte eines jeden Einzelmesssignals (xn) mit konjugiert komplexen Einzelmesssignalen (xn) der 2·P nächsten zeitlichen Nachbarn mit aufsummiert werden, wobei P eine positive natürliche Zahl ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei nur gewichtete Produkte des Einzelmesssignals (xn) mit dem konjugiert komplexen Einzelmesssignal (xn) der direkt vorangehenden und/oder nachfolgenden Radarwelle und/oder gewichtete Produkte mit dem konjugiert komplexen Einzelmesssignal (xn) selbst aufsummiert werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei nur gewichtete Produkte des Einzelmesssignals (xn) mit dem konjugiert komplexen Einzelmesssignal (xn) der P' direkt vorangehenden Radarwellen und gewichtete Produkte mit dem konjugiert komplexen Einzelmesssignal (xn) selbst aufsummiert werden, wobei P' eine positive natürliche Zahl ist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die empfangenen Radarwellen mittels einer Vielzahl von Sendeantennen ausgesendet und/oder empfangen werden.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die empfangenen Radarwellen in zumindest teilweise verschiedenen Frequenzbändern ausgesendet und/oder empfangen werden.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Gewichtungsfaktoren der Produkte gleich 1 gesetzt werden.
  9. Radarvorrichtung (1), mit einer Empfängereinrichtung (3), welche dazu ausgebildet ist, Radarwellen zu empfangen und jeweilige Einzelmesssignale (xn) in komplexer Form auszugeben; und einer Auswerteeinrichtung (4), welche dazu ausgebildet ist, ein Gesamtmesssignal (Λ, ΛN, ΛP, ΛP') durch gewichtetes Aufsummieren von jeweils mindestens einem Produkt eines jeden Einzelmesssignals (xn) mit einem jeweiligen konjugiert komplexen Einzelmesssignal (xn) zu ermitteln und auszugeben.
  10. Radarvorrichtung (1) nach Anspruch 9, mit einer Aussendeeinrichtung (2), welche dazu ausgebildet ist, Radarwellen auszusenden, wobei die Aussendeeinrichtung (2) eine Vielzahl von Sendeantennen aufweist und/oder wobei die Aussendeeinrichtung (2) dazu ausgebildet ist, Radarwellen in zumindest teilweise verschiedenen Frequenzbändern auszusenden, und/oder wobei die Aussendeeinrichtung (2) dazu ausgebildet ist, Radarwellen zeitlich versetzt auszusenden.
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