DE102020110696A1

DE102020110696A1 - Radar-Verfahren und Radar-System zur phasenkohärenten Auswertung

Info

Publication number: DE102020110696A1
Application number: DE102020110696.3A
Authority: DE
Inventors: Fabian Kirsch; Christoph Mammitzsch
Original assignee: Symeo GmbH
Current assignee: Symeo GmbH
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-10-21
Also published as: CN115427834A; US20240036183A1; EP4139706A1; WO2021213843A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Radar-Verfahren zum zur kohärenten Auswertung von Radarsignalen in einem, insbesondere multistatischen, Radar-System, wobei mindestens ein oder eine Vielzahl von Empfangssignalen in mehreren Signalkanälen einer Antennenanordnung empfangen wird/werden, und wobei anhand des einen oder der mehreren Empfangssignale ein synthetisches Empfangssignal einer virtuellen Sende- und Empfangsantenne unter Verwendung mindestens eines Kompositionsmodells erzeugt wird.Darüber hinaus beschreibt die Erfindung ein Radar-System gemäß Anspruch 9 sowie eine Verwendung des Radar-Systems gemäß Anspruch 14.Mit der Erfindung wird eine kohärente Auswertung von Radarsignalen ermöglicht, ohne dass ein reziproker Signalausbreitungskanal zwischen den beteiligten Radareinheiten des Radar-Systems verwendet werden muss.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radar-Verfahren zur kohärenten Auswertung von Radarsignalen nach Anspruch 1, ein Radar-System nach Anspruch 10 und die Verwendung des Radar-Systems nach Anspruch 15.
Bei (multistatischen) Radar-Systemen ist es bekanntermaßen vorteilhaft, eine kohärente Auswertung der Radarsignale durchzuführen, da durch eine kohärente Auswertung der Radarsignale für viele Anwendungsfälle eine hohe Genauigkeit erreicht werden kann.
Hierbei werden beispielsweise Radarsignale von dem Radar-System abgestrahlt, an einem Objekt reflektiert bzw. gestreut, wobei anschließend die von den Objekten einer Umgebung zurückgestreuten bzw. reflektierten Radarsignale von dem Radar-System empfangen. Unter einem multistatisches Radar-System wird im Allgemeinen insbesondere ein aus mehreren monostatischen oder bistatischen Radareinheiten bestehendes Radar-System, die eine bestimmte Umgebung bzw. einen bestimmten Bereich abdecken, verstanden.
Bei einer kohärenten Auswertung kann angenommen werden, dass ein Phasenbezug zwischen dem oder den Sendesignalen und dem oder den Empfangssignalen der Radareinheiten besteht.
Dieser Phasenbezug ist jedoch bei mehreren Radareinheiten eines (multistatischen) Radar-Systems, die in mitunter in unterschiedlichen Uhrendomänen arbeiten, nicht mehr zwangsläufig gegeben.
Dadurch ist für eine kohärente Auswertung eine phasengenaue Synchronisation der beteiligten Radareinheiten oder -stationen zwingend erforderlich.
Im Stand der Technik gibt es Ansätze, bei denen eine phasengenaue Synchronisation mit zusätzlichen Synchronisationseinheiten realisiert wird, die die Radareinheiten eines (multistatischen) Radar-Systems miteinander synchronisieren. Hierdurch entsteht allerdings ein erheblicher Mehraufwand bezüglich der Hardware des Radar-Systems, durch den die Herstellungskosten des Radar-Systems erhöht werden.
In der US-Patentanmeldung US 2017/0176 583 A1 (nachfolgend als Patentanmeldung 1 bezeichnet) wird ein Radar-System und ein Radar-Verfahren beschrieben, bei dem eine Synchronisation zwischen den mehreren Radareinheiten des Radar-Systems nicht mit zusätzlichen Synchronisationseinheiten, sondern durch eine Nachverarbeitung der Empfangssignale, ermöglicht wird.
Darüber hinaus wird in der internationalen Patentanmeldung WO 2017/118 621 A1 (nachfolgend als Patentanmeldung 2 bezeichnet) eine Unterdrückung von Oszillator-Phasenrauschen durch eine Nachverarbeitung beschrieben, wobei ein reziproker Kanal benötigt wird. In Patentanmeldung 2 wird als geeignetes Mittel zur Realisierung des reziproken Kanals ein Transmissionsmischer aufgezeigt. Patentanmeldung 2 offenbart somit eine weitere Ausführungsvariante für die obige Phasenrauschunterdrückung.
Des Weiteren wird in der internationalen Patentanmeldung WO 2017/102 159 A1 (nachfolgend als Patentanmeldung 3 bezeichnet) ein (hochgenaues) Verfahren zur Messung von Laufzeitdifferenzen für Funkortungssysteme unter Verwendung von Stationen im Vollduplex-Betrieb beschrieben. Auftretende Uhrenfehler werden hier durch eine geeignete Nachverarbeitung reduziert bzw. (annähernd) eliminiert.
Für eine solche Nachverarbeitung ist es allerdings zwingend erforderlich, dass jede der beteiligten Radareinheiten mindestens eine Antenne aufweist, die im Vollduplexmodus betrieben wird.
Das bedeutet, dass die mindestens eine Antenne jeder beteiligten Radareinheit derart betrieben wird, dass ein Sendesignal abgestrahlt wird und zumindest teilweise überlappend, vorzugsweise (annähernd) gleichzeitig, ein Empfangssignal (also ein Sendesignal einer anderen Radareinheit) empfangen wird.
Insbesondere für Mess- bzw. Auswerteverfahren, bei denen beispielsweise Abstände und/oder die Relativgeschwindigkeiten von Objekten zum Radar-System bestimmt werden, ist es für die erreichbare Genauigkeit vorteilhaft und mitunter erforderlich, dass zwischen den unterschiedlichen Uhrendomänen der beteiligten Radareinheiten des Radar-Systems ein reziproker Signalausbreitungskanal besteht bzw. verwendet wird.
Der Vollduplexbetrieb führt jedoch insbesondere bei Funkanwendungen, bei denen es mitunter zu hohen Dämpfungen im Signalausbreitungskanal kommen können, zu einer hohen Kanaldynamik für die beteiligten Radareinheiten, die nur mit einem hohen technischen Aufwand beherrschbar ist.
Beispielsweise wird in D. Bharadia, E. McMilin, and S. Katti, „Full duplex radios," in Proc. of ACM SIGCOMM, 2013, pp. 375-386 beschrieben, dass es bei einem Vollduplexbetrieb einer Sende- und Empfangseinheit (bzw. einer Sende- und Empfangsantenne) insbesondere zu einem Überkoppeln von Störungen bzw. Übersprechen (engl. Self-Interference) zwischen dem Sendekanal und dem Empfangskanal kommen kann. Dies führt dazu, dass das Rauschniveau im Empfangskanal durch das (annähernd) gleichzeitig abgestrahlte Sendesignal deutlich ansteigt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Radar-Verfahren und ein Radar-System bereitzustellen, mit dem die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Radar-Systemen bzw. Radar-Verfahren behoben werden und mit dem eine kohärente Auswertung von Radarsignalen ermöglicht wird, ohne dass ein reziproker Signalausbreitungskanal zwischen den beteiligten Radareinheiten des Radar-Systems verwendet werden muss.
Die Aufgabe wird durch ein Radar-Verfahren zur kohärenten Auswertung von Radarsignalen gemäß Anspruch 1, einem Radar-System gemäß Anspruch 10 sowie eine Verwendung des Radar-Systems gemäß Anspruch 15 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein Radar-Verfahren zur kohärenten Auswertung von Radarsignalen in einem, insbesondere multistatischen, Radar-System, wobei mindestens ein Empfangssignal oder eine Vielzahl von Empfangssignalen in mehreren Signalkanälen einer Antennenanordnung empfangen wird/werden, und wobei anhand des einen oder der mehreren Empfangssignale ein synthetisches Empfangssignal einer virtuellen Sende- und Empfangsantenne unter Verwendung mindestens eines Kompositionsmodells erzeugt wird.
Ein Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass anstelle einer direkten physikalischen Detektion eines Empfangssignals an einem reziproken (Sende- und Empfangs-) Kanal bzw. an einer Sende- und Empfangsantenne, eine gemeinsame virtuelle Sende- und Empfangsantenne definiert und das Empfangssignal dieser virtuellen Sende- und Empfangsantenne aus einem oder einer Vielzahl von Signalkanälen berechnet wird.
Zunächst wird eine Detektion von einem Empfangssignal oder einer Vielzahl von Empfangssignalen an einem oder einer Vielzahl von Signalkanälen einer Antennenanordnung der Radareinheit durchgeführt. Mit dem einen oder der Vielzahl von Empfangssignalen wird anhand eines Kompositionsmodells, insbesondere unter Berücksichtigung der Ausbreitungsbedingungen, ein synthetisches Empfangssignal einer virtuellen Sende- und Empfangsantenne erzeugt bzw. berechnet.
Das synthetische Empfangssignal entspricht einem (idealen) Empfangssignal, dass mit einer gemeinsamen Sende- und Empfangsantenne detektiert (empfangen) worden wäre, wobei vorteilhafterweise bei einer solchen virtuellen Sende- und Empfangsantenne kein physikalisches Überkoppeln von Störungen (Übersprechen) möglich ist.
Darüber hinaus kann das Antennendesign ohne weitere Einschränkungen in Bezug auf die Überkopplungseigenschaften von Störungen gewählt werden.
Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass insbesondere beim erfindungsgemäßen Radar-Verfahren bzw. in dem erfindungsgemäßen Radar-System keine, mitunter aufwendigen, Gegenmaßnahmen gegen ein Überkoppeln von Störungen (Übersprechen) zwischen den Signalkanälen der Sende- und Empfangsantennen vorgenommen werden müssen.
Darüber hinaus entfällt eine Zusammenführung eines Sende- und Empfangspfads, wodurch je nach Gestaltung beispielsweise die Herstellungskosten des Radar-Systems gesenkt, geringere Ausfallraten erreicht, weitere Temperaturbereiche verwendet, und/oder eine bessere Sensitivität erreicht werden können.
Insbesondere kann auch anhand lediglich eines Empfangssignals ein synthetisches Empfangssignal unter Verwendung eines Kompositionsmodells erzeugt werden, wenn beispielsweise Zusatzinformationen über das Empfangssignal vorhanden sind. Beispielsweise wäre dies der Fall, wenn das erfindungsgemäße Radar-Verfahren in einem Tracking-Framework integriert ist, bei dem bezüglich eines zu verfolgenden Objekts aus einem vorherigen Zeitschritt zum Beispiel ein zu erwartender Einfallswinkel für das Empfangssignals bekannt ist.
Unter einem Kompositionsmodell des Empfangssignals oder der Vielzahl von Empfangssignalen kann hierbei ein Modell der Ausbreitungskomponenten des oder der Empfangssignale verstanden werden, wobei dieses Modell beispielsweise durch Zerlegen des mindestens einen oder der Vielzahl von Empfangssignalen in mehrere Verschiedene Ausbreitungskomponenten erzeugt werden kann.
Unter einer virtuellen Sende- und Empfangsantenne kann eine Sende- und Empfangsantenne verstanden werden, die physisch nicht vorhanden ist, sondern deren Empfangssignal synthetisiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wird ein Zeitmultiplex-Verfahren oder Laufzeitmultiplex-Verfahren derart auf das mindestens eine oder die Empfangssignale angewendet, dass eine Anzahl der Signalkanäle größer als eine Anzahl der Sende- und Empfangsantennen der Antennenordnung ist.
Es können hierdurch vorzugsweise mehr Signalkanäle realisiert werden, als physisch durch die Anzahl der Empfangsantennen der Antennenordnung vorhanden sind.
Beispielsweise kann bei der Anwendung eines Zeitmultiplex-Verfahrens ein Hardware-Kanal (also eine der Vielzahl von Antennen der Antennenanordnung) im Halbduplex betrieben werden, so dass dieser Hardware-Kanal wahlweise als Sendekanal und als Empfangskanal verwendet werden kann. Insbesondere wenn sich das Radar-System durch eine relativ statische Szenerie bewegt, kann die Anwendung eines Zeitmultiplex-Verfahrens vorteilhaft sein.
Bei der Anwendung eines Laufzeitmultiplex-Verfahrens können ebenfalls mehr Signalkanäle realisiert werden, als physisch durch die Anzahl der Empfangsantennen der Antennenordnung vorhanden sind. Dies kann beispielsweise in Szenarien realisiert werden, in denen spiegelnde Oberflächen im näheren Umfeld der Antennenanordnung in einer bekannten Position angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird/werden die Empfangssignale in mehrere Ausbreitungskomponenten zerlegt, die insbesondere zumindest eine der folgenden Komponenten umfassen: Laufzeit-, Doppler-, Azimut- und Elevationskomponenten.
Hierdurch wird es ermöglicht, insbesondere unter Annahme einer ebenen Phasenfront, also der Fernfeldnäherung, die jeweiligen Azimut- und Elevationskomponenten auf das virtuelle Empfangssignal, das eine virtuelle Empfangsantenne empfangen würde, umzurechnen.
Ebenfalls denkbar ist selbstverständlich, dass, unter Annahme einer kugelflächenförmigen Phasenfront, also von Kugelflächen mit konstanter Phase und nahezu konstanter Amplitude, im Übergangsbereich zwischen Fern- und Nahfeld oder unter Annahme einer komplexeren Näherung für das Nahfeld, die jeweiligen Azimut- und Elevationskomponenten für das virtuelle Empfangssignal umgerechnet werden.
Insbesondere werden aus den Azimut- und Elevationskomponenten des mindestens einen oder der Empfangssignale die Ausbreitungskomponenten des synthetischen Empfangssignals berechnet.
In einer Ausführungsform werden, sofern mehrere Ausbreitungskomponenten in dieselbe Laufzeit- und/oder Dopplerkomponente zerlegt werden, diese Ausbreitungskomponenten mit einer Gewichtung berücksichtigt, die kleiner als die Gewichtungen der übrigen Ausbreitungskomponenten ist.
Hierdurch kann es ermöglicht werden, etwaige Störeinflüsse weiter zu reduzieren, da die Ausbreitungskomponenten, die in dieselbe Laufzeit- und/oder Dopplerkomponente zerlegt wurden, die Bestimmung der Azimut- und/oder Elevationskomponenten verfälscht haben kann.
Vorzugsweise bleiben, sofern mehrere Ausbreitungskomponenten in dieselbe Laufzeit- und/oder Dopplerkomponente zerlegt werden, diese Ausbreitungskomponenten bei der Berechnung für die Ausbreitungskomponenten des synthetischen Empfangssignals unberücksichtigt, wodurch die zuvor erwähnten Störeinflüsse weiter reduziert werden können.
Insbesondere wird/werden das mindestens eine oder die mehreren Empfangssignale mit einer Hauptkomponentenanalyse in mehrere Hauptkomponenten zerlegt.
Mithilfe der Hauptkomponentenanalyse kann die stärkste Signalkomponente, also die Hauptkomponente, gefunden werden, wobei die Parameter der Hauptkomponente darauf überprüft werden können, ob diese beispielsweise zum Modell eines starken Punktstreuers oder einem anderen charakteristischen Streuer passen.
In einer weiteren (alternativen) Ausführungsform wird/werden das mindestens eine oder die mehreren Empfangssignale mit einem der folgenden Verfahren ausgewertet: Independent-Component-Analysis, Multiple-Signal-Classification (MUSIC), Estimation-of-Signal-Parameters-via-Rational-Invariance-Techniques (ESPRIT), oder Iterative-Sparse-Asymptotic-Minimum-Variance (SAMV).
Mit einer Independent-Component-Analysis kann beispielsweise das eine oder die mehreren Empfangssignale, ähnlich zu der Hauptkomponentenanalyse, in verschiedene Ausbreitungskomponenten zerlegt werden.
Das Multiple-Signal-Classification-Verfahren ermöglicht es beispielsweise aus seiner Vielzahl von überlagerten, störungsbehafteter (Empfangs-)Signale die Frequenz und die Empfangsrichtung zu ermitteln.
Das Anwenden einer Estimation-of-Signal-Parameters-via-Rational-Invariance-Techniques ermöglicht es insbesondere unter anderem ebenfalls den Einfallswinkel der rauschbehafteten Empfangssignale zu schätzen.
Das Iterative-Sparse-Asymptotic-Minimum-Variance-Verfahren, mit dem es mitunter ebenfalls möglich ist, den Einfallswinkel der rauschbehafteten Empfangssignale zu schätzen, wird beispielsweise in Abeida Habti, Qilin Zhang, Jian Li, and Nadjim Merabtine „Iterative sparse asymptotic minimum variance based approaches for array processing" IEEE Transactions on Signal Processing 61, no. 4 (2013): 933-944 beschrieben.
Insbesondere ist/wird mit der virtuellen Sende- und Empfangsantenne ein zumindest annähernd exakt reziproker Funkkanal zu mindestens einer Sende- und Empfangsantenne einer weiteren Radareinheit oder Funkanlage, die von der Antennenanordnung entfernt ist, bereitstellbar/bereitgestellt. Vorzugsweise ist die Antennenanordnung, für die die virtuelle Sende- und Empfangsantenne berechnet wird, in einer ersten Radareinheit angeordnet, wobei die weitere Radareinheit oder Funkanlage von der ersten Radareinheit entfernt angeordnet ist. Die weitere Radareinheit oder die (weitere) Funkanlage kann hierbei gleichartig oder auch nicht gleichartig wie die erste Radareinheit ausgebildet sein.
Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Radar-System, insbesondere multistatisches Radar-System, das mindestens eine Radareinheit mit einer Antennenanordnung und/oder mindestens eine weitere Radareinheit mit einer Antennenanordnung aufweist, wobei das Radar-System dazu ausgebildet ist, das obige Verfahren durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Radar-System weist die Vorteile auf, die bereits in Bezug auf das Verfahren zur kohärenten Auswertung von Radarsignalen in einem (multistatischen) Radar-System beschrieben wurden.
Die in dem Zusammenhang mit dem obigen Radar-Verfahren beschriebenen Merkmale und damit verbundenen Vorteile sind auch mit dem erfindungsgemäßen Radar-System kombinierbar und können insbesondere als entsprechende Konfiguration des Systems, insbesondere der Radareinheit, umgesetzt sein.
Insbesondere weist/weisen die Antennenanordnung/en der Radareinheit/en jeweils mindestens eine oder eine Vielzahl von Sende- und Empfangsantennen auf, wobei die mindestens eine oder die Vielzahl von Sende- und Empfangsantennen auf einer (gedachten) Geraden mit der virtuellen Sende- und Empfangsantenne angeordnet ist/sind, wodurch eine besonders einfache Anordnung der Empfangsantennen erreicht wird.
Vorzugsweise sind die mindestens eine oder die Vielzahl von Sende- und Empfangsantennen und die virtuelle Sende- und Empfangsantenne auf einem äquidistanten Raster angeordnet, wobei insbesondere der Abstand zwischen den (einzelnen) Rasterpunkten ein ganzzahliges Vielfaches einer vorbestimmten Distanz beträgt. Vorzugsweise können die mindestens eine oder die Vielzahl von Sende- und Empfangsantennen und die virtuelle Sende- und Empfangsantenne derart auf dem äquidistanten Raster angeordnet sein, dass das Raster lediglich dünn bzw. schwach (engl. sparse) besetzt ist, wodurch eine sogenannte Sparse-Array-Antennenanordnung realisiert werden kann.
Durch eine derartige, vergleichsweise einfache Anordnung der Empfangsantennen, kann ein Phasenbezug zwischen den einzelnen Empfangsantennen der Anordnung untereinander besonders einfach hergestellt und beim Erzeugen des synthetischen Empfangssignals der virtuellen Sende- und Empfangsantenne berücksichtigt werden. Bei der vorbestimmten Distanz kann es sich beispielsweise um eine halbe Wellenlänge der verwendeten Radarsignale handeln.
In einer weiteren Ausführungsform ist die virtuelle Sende- und Empfangsantenne zumindest im Wesentlichen mittig und symmetrisch zu den Sende- und Empfangsantennen der Antennenanordnung angeordnet, wodurch sich der Aufbau der Anordnung weiter vereinfacht. Darüber hinaus ist hierdurch das rekonstruierte synthetische Empfangssignal robuster gegenüber kleinen Fehlern in der Bestimmung der Einfallswinkel der Signalkomponenten ist.
Vorzugsweise ist eine Anzahl der Signalkanäle größer als eine Anzahl der Sende- und Empfangsantennen der Antennenanordnung, wodurch mehr Signalkanäle realisiert werden können, als physisch durch die Anzahl der Empfangsantennen der Antennenordnung vorhanden sind.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch Verwendung des obigen Verfahrens und/oder des obigen Systems in einem Fahrzeug, vorzugsweise Kraftfahrzeug. Ebenfalls denkbar ist die erfindungsgemäße Verwendung in mobilen Einrichtungen, wie beispielsweise bemannten oder unbemannte Luftfahrzeugen oder vorzugsweise Personen- und/oder Lastkraftwagen.
Wiederum sind sämtliche Merkmale und damit verbundene Vorteile, die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur kohärenten Auswertung von Radarsignalen in einem (multistatischen) Radar-System und dem erfindungsgemäßen Radar-System beschrieben wurden, auf die erfindungsgemäße Verwendung des Radar-Systems anwendbar und übertragbar.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Anordnung der Antennenanordnungen mit einer schematischen Darstellung der Signalverarbeitung nach einem Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Radar-verfahrens;
2 eine schematische Anordnung der Antennenanordnungen mit einer schematischen Darstellung der Signalverarbeitung nach einem weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Radar-verfahrens;
3 eine schematische Anordnung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Radar-Systems; sowie
4 eine schematische Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Radar-Systems.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Antennenanordnung A des erfindungsgemäßen Radar-Systems 100 mit einem schematischen Ablauf der Signalverarbeitung abgebildet.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Antennenanordnung A eine Vielzahl von Sende- und Empfangsantennen auf, mit denen es ermöglicht wird, eine Vielzahl von Empfangssignalen Rx1, Rx2 bis Rxn über mehrere Signalkanäle K1, K2, bis Kn zu empfangen, wobei die Sende- und Empfangsantennen der Antennenanordnung A in einem regelmäßigen Raster R mit äquidistanten Abständen Δa zwischen den einzelnen Antennenpositionen der einzelnen Sende- und Empfangsantennen angeordnet sind.
Hierbei ist eine (mittige) Antennenposition E der Antennenpositionen im regelmäßigen Raster R freigehalten. Für die im Raster R freigehaltenen Antennenposition E wird ein synthetisches Empfangssignal Esyn erzeugt/berechnet, das dem Empfangssignal einer virtuellen Sende- und Empfangsantenne entspricht, die an der im Raster R freigehaltenen Antennenposition E definiert ist.
Mit den physisch vorhandenen Sende- und Empfangsantennen werden Radarsignale, die zuvor von dem (multistatischen) Radar-System 100 abgestrahlt und an etwaigen Objekten in einer Szenerie reflektiert wurden (in 1 nicht abgebildet), von den Sende- und Empfangsantennen der Antennenanordnung A über mehrere Signalkanäle K1, K2, bis Kn empfangen.
Die Empfangssignale Rx1 bis Rxn der Sende- und Empfangsantennen der Antennenanordnung A werden in diesem Ausführungsbeispiel zunächst nach Laufzeit getrennt. Es werden also bei der anschließenden Verarbeitung nur die (Empfangs-)Signale innerhalb einer bestimmten Entfernung zum Radar-System 100, also Signale innerhalb einer sogenannten Range-Bin, behandelt.
Aus den (komplexen) Amplituden der an den Rasterpositionen aufgenommenen (Empfangs-)Signalen wird eine Folge erzeugt, indem die (komplexen) Amplituden aneinandergehängt werden. Die Folge aus (komplexen) Amplituden wird außerdem um eine (komplexe) Null für die Rasterposition der virtuellen Sende- und Empfangsantenne E und um mehrere (komplexe) Nullen an den Rändern soweit ergänzt, dass die Anzahl der Nullen eine Zweierpotenz beträgt, die die Anzahl n, die der Anzahl der unverarbeiteten (rohen) Empfangssignale entspricht, um mindestens den Faktor m=4 übersteigt.
Die mit den (komplexen) Nullen ergänzte Folge von (komplexen) Amplituden wird nun derart zyklisch verschoben, dass die zum synthetischen Kanal (also dem Empfangssignal der virtuellen Sende- und Empfangsantenne E) gehörende Null an erster Stelle der ergänzten Folge positioniert ist.
Auf die ergänzte und zyklisch verschobenen Folge von (komplexen) Amplituden wird eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) angewendet. Die Ausgabe der FFT S(0), S(1), S(3) et cetera entspricht dabei den Signalkomponenten verschiedener Einfallsrichtungen der (zurückreflektierten) empfangenen Radarsignale, wobei der Phasenbezug zum synthetischen Kanal (dem synthetischen Empfangssignal) bereits hergestellt ist.
Anschließend wird in der Ausgabe S(0), S(1), S(3) et cetera der FFT das Element mit der größten Amplitude bestimmt: $D = \underset{d}{argmax} | S (D) | .$
Das Element D mit der größten Amplitude wird mit einer geeigneten Skalierung, beispielsweise durch eine Division mit der Anzahl n der Signalkanäle, direkt als synthetisches Empfangssignal Esyn der virtuellen Sende- und Empfangsantenne E verwendet: $Esyn = \frac{S (D)}{n} .$
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Radar-Systems schematisch dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Sende- und Empfangsantennen der Antennenanordnung A auf einer Geraden G angeordnet, wobei die einzelnen Sende- und Empfangsantennen nicht zwingend äquidistant zueinander angeordnet sind.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel werden die Empfangssignale zuvor nach Laufzeit getrennt. Für die weitere Verarbeitung werden wieder die (Empfangs-) Signale innerhalb einer Range-Bin verwendet, wie bereits im Bezug zum obigen Ausführungsbeispiel erläutert wurde.
In einem solchen nach Laufzeit der Empfangssignale getrennten Range-Bins werden nun mehrere rasch aufeinander folgende Messungen, sogenannte Burst-Messungen, beobachtet. Anhand der Burst-Messungen wird eine empirische Schätzung der Kovarianzmatrix zwischen den Sende- und Empfangsantennen K1 bis Kn ermöglicht. Aus der Kovarianzmatrix kann mittels Hauptkomponentenanalyse der Eigenvektor H1, H2, H3, Hi bis Hn bestimmt werden, der mit dem betragsstärksten Eigenwert korrespondiert.
Die Phasen Phi des aus der Kovarianzmatrix bestimmten Eigenvektors werden dann auf die Position, für die ein synthetisches Empfangssignal E, also der Position der virtuellen Sende- und Empfangsantenne, erzeugt wird, linear interpoliert: $Phi = Angle (H 1) + Angle (\frac{H 1}{H 2}) \cdot \frac{d (E, K 1)}{d (K 1, K 2)} .$
Die Elemente des Eigenvektors H1, H2, H3, Hi bis Hn werden dann (komplex) konjugiert mit den jeweiligen (komplexen) Amplituden K1, K2, bis Kn der Empfangssignale multipliziert, wobei das Produkt für alle n Signalkanäle aufsummiert wird, wodurch eine Fokussierung auf die stärkste Signalausbreitungskomponente realisiert wird. Weiterhin wird die Phase mit dem zuvor bestimmten Phasen Phi korrigiert, so dass sich für die Berechnung des synthetischen Empfangskanals Esyn insgesamt Folgendes ergibt: $Esyn = exp (j \cdot Phi) \cdot \sum_{i = 1 \dots n} Ki \cdot conj (Hi) .$
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Radar-Systems 100 abgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Radar-System 100 zwei Radareinheiten 10, 20 auf, wobei eine Szenerie 200, in der mehrere Objekte 210 vorhanden sind, von dem Radar-System 100 erfasst wird.
In diesem Ausführungsbeispiel werden die beiden Radareinheiten 10, 20 durch eine gemeinsame Zeit- und Frequenzreferenzeinheit 30 synchronisiert bzw. geführt. Dabei kann die gemeinsame Zeit- und Frequenzreferenzeinheit 30 in einer der beteiligten Radareinheiten 10, 20 integriert sein.
Hierbei sendet die gemeinsame Zeit- und Frequenzreferenzeinheit 30 Zeitsignale und/oder Frequenzsignale zu den beteiligten Radareinheiten 10, 20.
Hinsichtlich der Ausbreitung der Zeitsignale und der Phasenlage der Frequenzsignale können aufgrund von Witterung, Temperatur und Alterung die effektiven Leitungslängen der Leitungen, die die gemeinsame Zeit- und Frequenzreferenzeinheit 30 mit den Radareinheiten 10, 20 verbindet, schwanken.
Hierbei kann es, insbesondere in relativ statischen Szene, vorteilhaft sein, diese Schwankungen zunächst nicht zu korrigieren, wenn die Radareinheiten im Betrieb dieselbe Szene erfassen und das oben beschriebene Radar-Verfahren anzuwenden, um die Phasenlage der Radarsignale anschließend in den gemessene Signalen in einer entsprechenden Nachverarbeitung zu korrigieren.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Radar-Systems 100. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Radar-System 100 zwei Radareinheiten 10, 20 auf und erfasst die Szene 200, wie bereits in dem in 3 abgebildeten Ausführungsbeispiel.
In 4 wird im Blickfeld der Radareinheiten 10, 20 eine bekannte Ausbreitungskomponente erzeugt, wodurch sich der Suchbereich für das Kompositionsmodells verkleinert. Es muss somit nicht mehr die gesamte Szene 200 abgesucht werden, sondern lediglich ein Teilbereich der gesamten Szene 200, wodurch die benötigte Zeit und auch der Aufwand für das erfindungsgemäße Radar-Verfahren weiter reduziert werden kann.
Beispielsweise kann eine bekannte Ausbreitungskomponente durch einen ein Wellenleiter, spiegelnde Oberflächen, oder kleine Streukörper, die in den Strahlengang hineinragen, erzeugt werden. In 4 wird ein Wellenleiter 40 zum Erzeugen einer bekannten Ausbreitungskomponente verwendet.
Bezugszeichenliste

A: Antennenanordnung;
E: virtuelle Sende- und Empfangsantenne;
Esyn: synthetisches Empfangssignal;
G: Gerade;
H1, H2, H3...Hi, Hn: mit einer Hauptkomponentenanalyse bestimmte Eigenvektoren;
K1, K2, ...Kn: mehrere Signalkanäle (Sende- und Empfangsantennen);
R: Rasteranordnung;
Rx1, ... Rxn: Empfangssignale;
100: Radar-System;
10, 20: Radareinheiten;
30: Zeit- und Frequenzreferenzeinheit;
40: Wellenleiter;
200: Szene (Szenerie);
210: mehrere Objekte in der Szene;

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

US 2017/0176583 A1 [0008]
WO 2017/118621 A1 [0009]
WO 2017/102159 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Bharadia, E. McMilin, and S. Katti, „Full duplex radios,“ in Proc. of ACM SIGCOMM, 2013, pp. 375-386 [0015]
Abeida Habti, Qilin Zhang, Jian Li, and Nadjim Merabtine „Iterative sparse asymptotic minimum variance based approaches for array processing“ IEEE Transactions on Signal Processing 61, no. 4 (2013): 933-944 [0045]

Claims

Radar-Verfahren zur kohärenten Auswertung von Radarsignalen in einem, insbesondere multistatischen, Radar-System, wobei mindestens ein oder eine Vielzahl von Empfangssignalen (Rx1, ..., Rxn) in mehreren Signalkanälen (K1, K2, ... Kn) einer Antennenanordnung (A) empfangen wird/werden, und wobei anhand des einen oder der mehreren Empfangssignale (Rx1, ..., Rxn) ein synthetisches Empfangssignal (Esyn) einer virtuellen Sende- und Empfangsantenne (E) unter Verwendung mindestens eines Kompositionsmodells erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Zeitmultiplex-Verfahren oder Laufzeitmultiplex-Verfahren derart auf das mindestens eine oder die Empfangssignale (Rx1, ..., Rxn) angewendet wird, dass eine Anzahl der Signalkanäle (K1, K2, ... Kn) größer als eine Anzahl der Sende- und Empfangsantennen der Antennenordnung (A) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine oder die Empfangssignale (Rx1, ..., Rxn) in mehrere Ausbreitungskomponenten zerlegt wird/werden, wobei das mindestens eine oder die Empfangssignale (Rx1, ..., Rxn) insbesondere in ihr/ihre Laufzeit-, Doppler-, Azimut- und/oder Elevationskomponenten aufgeteilt wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei aus den Azimut- und Elevationskomponenten des mindestens einen oder der Empfangssignale (Rx1, ..., Rxn) die Ausbreitungskomponenten des synthetischen Empfangssignals (Esyn) berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3 oder 4, wobei, sofern mehrere Ausbreitungskomponenten in dieselbe Laufzeit- und/oder Dopplerkomponente zerlegt werden, diese Ausbreitungskomponenten mit einer Gewichtung berücksichtigt werden, die kleiner als die Gewichtungen der übrigen Ausbreitungskomponenten ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3 oder 4, wobei, sofern mehrere Ausbreitungskomponenten in dieselbe Laufzeit- und/oder Dopplerkomponente zerlegt werden, diese Ausbreitungskomponenten bei der Berechnung für die Ausbreitungskomponenten des synthetischen Empfangssignals (Esyn) unberücksichtigt bleiben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine oder die mehreren Empfangssignale (Rx1, ..., Rxn) mit einer Hauptkomponentenanalyse in mehrere Hauptkomponenten zerlegt wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine oder die mehreren Empfangssignale (Px1, ..., Rxn) mit einem der folgenden Verfahren ausgewertet wird/werden: Independent-Component-Analysis, Multiple-Signal-Classification, Estimation-of-Sigrial-Parameters-via-Rational-Invariance-Techniques, oder Iterative-Sparse-Asymptotic-Minimum-Variance.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit der virtuellen Sende- und Empfangsantenne (E) ein zumindest annähernd exakt reziproker Funkkanal zu mindestens einer Sende- und Empfangsantenne einer weiteren Radareinheit oder Funkanlage, die von der Antennenanordnung (A) entfernt ist, bereitstellbar ist/bereitgestellt wird.
Radar-System (100), insbesondere multistatisches Radar-System, das mindestens eine Radareinheit (10) mit einer Antennenanordnung (A) und/oder mindestens eine weitere Radareinheit (20) mit einer Antennenanordnung (A) aufweist, wobei das Radar-System (100) dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Radar-System nach Anspruch 10, wobei die Antennenanordnung/en (A) der Radareinheit/en (10, 20) jeweils mindestens eine oder eine Vielzahl von Sende- und Empfangsantennen (K1, K2, ... Kn) aufweist/aufweisen, wobei die mindestens eine oder die Vielzahl von Sende- und Empfangsantennen (K1, K2, ... Kn) auf einer Geraden mit der virtuellen Sende- und Empfangsantenne (E) angeordnet ist/sind.
Radar-System nach Anspruch 10 oder 11, wobei die mindestens eine oder die Vielzahl von Sende- und Empfangsantennen (K1, K2, ... Kn) und die virtuelle Sende- und Empfangsantenne (E) auf einem äquidistanten Raster angeordnet sind, wobei insbesondere der Abstand zwischen den Rasterpunkten ein ganzzahliges Vielfaches einer vorbestimmten Distanz beträgt.
Radar-System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die virtuelle Sende- und Empfangsantenne (E) zumindest im Wesentlichen mittig und symmetrisch zu den Sende- und Empfangsantennen (K1, K2, ... Kn) der Antennenanordnung (A) angeordnet ist.
Radar-System nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei eine Anzahl der Signalkanäle (K1, K2, ... Kn) größer als eine Anzahl der Sende- und Empfangsantennen der Antennenanordnung (A) ist.
Verwendung des Radar-Systems (100) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14 nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Fahrzeug, vorzugsweise Kraftfahrzeug.