EP4066006A1 - Simultane identifizierung und lokalisierung von objekten durch bistatische messung - Google Patents

Simultane identifizierung und lokalisierung von objekten durch bistatische messung

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Publication number
EP4066006A1
EP4066006A1 EP21718053.8A EP21718053A EP4066006A1 EP 4066006 A1 EP4066006 A1 EP 4066006A1 EP 21718053 A EP21718053 A EP 21718053A EP 4066006 A1 EP4066006 A1 EP 4066006A1
Authority
EP
European Patent Office
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frequency
bistatic
signal
basis
beat
Prior art date
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Pending
Application number
EP21718053.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Edstaller
Dominik MÜLLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01S13/341—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal wherein the rate of change of the transmitted frequency is adjusted to give a beat of predetermined constant frequency, e.g. by adjusting the amplitude or frequency of the frequency-modulating signal
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    • G01S13/46—Indirect determination of position data
    • G01S2013/468—Indirect determination of position data by Triangulation, i.e. two antennas or two sensors determine separately the bearing, direction or angle to a target, whereby with the knowledge of the baseline length, the position data of the target is determined

Definitions

  • the invention relates to a system for identifying and localizing an object.
  • the invention relates to a method for identifying and localizing an object.
  • the production processes include work steps at different stations on a production line as well as transport between the individual stations. For smooth interaction and to ensure safety, it is necessary to automatically detect objects, identify them and determine their kinematic parameters, such as position, speed and direction of movement.
  • Autonomous driving also requires precise knowledge of the position and speed of objects located in the vicinity of a route of an autonomously controlled vehicle.
  • an autonomously driving vehicle has to record its environment using sensors. If objects can not only be detected but also identified, an assessment of the danger posed by an object to the vehicle can also be carried out independently of the accuracy of the position or speed. be carried out. For example, in this way, stationary infrastructure arranged on the roadway can be distinguished from possibly dangerous moving objects.
  • RFID radio frequency identification
  • the objects to be identified are equipped with such RFID transponders.
  • a so-called RFID reader a type of reading device, is used to record and evaluate the signals from the transponders.
  • RFID transponders can be designed as passive as well as active transponders. Passive transponders are addressed by the reader with a signal and passively modulate the signal. This means that they do not have their own energy source with which they could actively send out a signal. Passive RFID transponders are only suitable for transmitting data over short distances, for example one to three meters.
  • Active RFID transponders have an electrical energy source themselves and can therefore independently transmit a signal which, in turn, can be received by an RFID reader.
  • the electromagnetic signal sent by the RFID reader is changed with the aid of the addressed RFID transponder so that the backscattered signal received by the RFID reader identifies an object on which the RFID transponder is located is, is made possible.
  • So-called MIMO radar systems with several transmit and receive channels are used for localization with the aid of radar systems. Some of these radar systems are also operated with transponders with modulated backscattering as a target in order to increase the detection rate.
  • the system according to the invention for identifying and localizing an object comprises a bistatic EMCW radar sensor system with at least two EMCW radar sensors, which is designed to be operated fully coherently or quasi-coherently and is designed to emit a series of repetitive ramp signals.
  • Fully coherent operating mode should be understood to mean that the at least two two EMCW radar sensors are exactly synchronized with one another.
  • a corresponding synchronization signal is provided for each of the EMCW radar sensors, preferably via a cable connection.
  • the wired transmission of the synchronization signal is suitable is particularly suitable for high-frequency radar systems, in which, due to the high frequency, even small time shifts between the individual sensors must be avoided in order to achieve sufficient measurement accuracy.
  • High-frequency radar systems are to be understood as meaning radar systems which can measure distances with accuracies of a few centimeters, preferably in the GHz range, that is to say less than 30 centimeters, particularly preferably less than 3 cm.
  • the at least two radar sensors are arranged at a known, preferably constant distance d from one another.
  • the radar sensors are located on one and the same object, for example a vehicle or an infrastructure object. If the distance d is constant or at least known, it can be used to triangulate the at least two sensors with a target object to be detected.
  • FMCW radar sensors use a so-called frequency-modulated continuous wave radar, which emits a continuous transmission signal.
  • Such an FMCW radar can change its operating frequency during a measurement, i.e. the transmission signal is frequency modulated, for example by generating a frequency ramp, i.e. a signal with a frequency that increases linearly up to a maximum value. These changes in frequency enable transit time measurements.
  • a frequency ramp i.e. a signal with a frequency that increases linearly up to a maximum value.
  • Part of the system according to the invention for identifying and localizing an object is also an active RFID transponder which is arranged on an object to be identified and localized.
  • the active RFID transponder is set up to generate a modulated bistatic or monostatic backscatter signal.
  • a ramp signal with an amplitude modulation signal transmitted by one of the at least two radar sensors with a ramp repetition frequency is generated by the active RFID transponder, whose previously known modulation frequency is less than half the ramp repetition frequency, modulated.
  • the frequency with which the frequency ramps of the radar sensor are repeated should be understood as the ramp repetition frequency.
  • a bistatic measurement is a measurement in which a first radar sensor emits a radar sensor signal, the radar sensor signal is reflected by an object and is then detected by a second radar sensor.
  • a monostatic sensor signal is a radar sensor signal which is emitted and recorded by one and the same radar sensor.
  • kinematic variables are to be understood as meaning, in particular, position, distance, speed, vectorial speed, etc.
  • the system according to the invention for identifying and localizing an object comprises an evaluation unit which is set up on the basis of the modulated bistatic backscatter signal by means of two Fourier transforms of the modulated backscatter signal, namely a first Fourier transform according to frequency and a second Fourier transform to carry out an association between a beat frequency and the previously known modulation frequency of the active RFID transponder based on the amplitude.
  • the two Fourier transforms are carried out one after the other.
  • the second Fourier transformation is carried out using the amplitude spectrum of the result of the first Fourier transformation.
  • Both a kinematic variable, such as a position, a distance or a speed of an object and the identification information of the object are advantageously determined with one measurement, so to speak, simultaneously or simultaneously or in combination.
  • the system described can be designed as a fully coherent measuring system.
  • the described system can also be designed as a quasi-coherent measuring system if an object with a known position is used as a reference with an active RFID Transponder is equipped. Complete synchronization of the at least two EMCW radar sensors is not necessary in this case.
  • the quasi-coherent design is therefore particularly advantageous in the case of large distances d between the sensors, in which a sufficiently exact coherence can only be established with difficulty.
  • the modulation of the RFID transponder with a frequency which is less than half the ramp repetition frequency of the cooperative radar system fulfills the Nyquist-Shannon theorem and allows the transponder signal to be scanned over several frequency ramps.
  • a maximum of the beat spectrum can be clearly assigned to a specific transponder.
  • a plurality of RFID transponders can also be identified and differentiated from one another and used to determine the position or to determine kinematic variables.
  • the system according to the invention enables the measurement of the vectorial speed and direction of movement as well as the identification of an object with only a single measurement cycle or with a single cooperative radar sensor system.
  • a series of repetitive ramp signals is emitted by a bistatic FMCW radar sensor system with at least two FMCW radar sensors, which can be operated coherently or quasi-coherently.
  • a modulated bistatic backscatter signal is generated by an active RFID transponder, which is arranged on an object to be identified and localized.
  • a ramp signal transmitted by one of the at least two radar sensors with a ramp repetition frequency is modulated with an amplitude modulation signal whose previously known modulation frequency is less than half the ramp repetition frequency.
  • the method according to the invention for identifying and localizing an object shares the advantages of the system according to the invention for identifying and localizing an object.
  • Some components of the system according to the invention can for the most part be designed in the form of software components. This applies in particular to parts of the system for identifying and localizing an object, such as the evaluation unit, for example.
  • these components can also be implemented in part, especially when particularly fast calculations are involved, in the form of software-supported hardware, for example FPGAs or the like.
  • the required interfaces for example when it is only a matter of transferring data from other software components, can be designed as software interfaces. However, they can also be designed as hardware interfaces that are controlled by suitable software.
  • a largely software-based implementation has the advantage that computer systems already present in a mobile object or in infrastructure can be supplemented with additional hardware elements such as an RFID transponder and FMCW radar sensors as well as units for synchronization and triggering of sensor signals can be retrofitted in a simple manner by means of a software update in order to work in the manner according to the invention.
  • the object is also achieved by a corresponding computer program product with a computer program that can be loaded directly into a memory device of such a computer system, with program sections in order to carry out the steps of the method according to the invention that can be implemented by software when the computer program is in the Computer system is running.
  • such a computer program product can optionally include additional components, such as documentation and / or additional components, also hardware components, such as hardware keys (dongles, etc.) for using the software.
  • additional components such as documentation and / or additional components
  • hardware components such as hardware keys (dongles, etc.) for using the software.
  • a computer-readable medium for example a memory stick, a hard disk or some other transportable or permanently installed data carrier on which the data that can be read in and executed by a computer unit can be used for transport to the storage device of the computer system and / or for storage on the computer system Program sections of the computer program are stored.
  • the computer unit can, for example, have one or more cooperating microprocessors or the like for this purpose.
  • the at least two radar sensors are operated fully coherently by a common clock.
  • a fully coherent operation should be understood in this context, that the at least two radar sensors are synchronized by a clock signal.
  • fully coherent operation there are no frequency shifts in the bistatic range of the determined beat spectrum, so that a correction of the measured beat spectrum with the aid of a reference target is not necessary.
  • Such a solution is particularly advantageous in the case of sensors arranged on mobile units, since there the sensors move with them and distances to reference objects may not always be exactly known.
  • the at least two sensors can be operated quasi-coherently by additional monostatic and bistatic measurement of a reference target whose position is known.
  • quasi-coherent operation there is no common clocking of the at least two sensors. Shifts in the beat spectrum are compensated for by measuring a distance from a reference object.
  • This procedure is advantageous in the case of a stationary arrangement of sensors, for example on units of the traffic or road infrastructure. Because there distances to possible reference objects are known. A common clocking of the sensors can be saved here.
  • a calibration is carried out in order to determine a corrected beat spectrum.
  • a frequency of the reference target in the bistatic range is determined on the basis of the determined raw data beat spectrum.
  • a value f diff of a frequency shift of the beat spectrum in the bistatic range is determined on the basis of the frequency of the reference target in the bistatic range determined by the measurement and a previously known setpoint frequency of the bistatic reflection signal of the reference target.
  • the setpoint frequency can be determined or known on the basis of a previously known distance from the reference target.
  • the raw data beat spectrum is shifted by the determined value f diff of the frequency shift.
  • a frequency of the reference target in the bistatic range preferably corresponds to a maximum of the beat spectrum.
  • a frequency of a reference target can advantageously be recognized on the basis of the intensity of a spectral value.
  • the reference target is an active reference target, preferably an active RFID transponder, which is irradiated with the aid of an active sensor and modulates the waves emitted by the sensor and then emits them in the direction of the radar sensors.
  • Such an active reference target comprises a transmitting / receiving antenna with which waves emitted by an active sensor are received, optionally amplified and modulated, and transmitted again.
  • reliable detection and identification of the reference target can be achieved, since it can be characterized by a specific modulation.
  • the evaluation unit is set up to determine a distance between the active reference target, preferably an active RFID transponder, and the bistatic radar sensor system based on the beat frequency, and to determine the active reference target Identify the basis of the known modulation frequency. Simultaneous identification and localization of an object is advantageously made possible, whereby one and the same sensor system can be used to obtain both pieces of information. This simplifies the structure of the overall system.
  • the system comprises, in the case of a quasi-coherent bistatic radar sensor system, a reference target with a known position and an active RFID transponder with a known modulation frequency.
  • the evaluation unit is in this variant te set up to assign a beat frequency to the reference target on the basis of the two Fourier transforms and the previously known modulation frequency of the reference target.
  • the system according to the invention for identifying and localizing an object also includes a calibration unit which is set up to carry out a calibration to determine a corrected beat spectrum based on a monostatic measurement with one of the at least two radar sensors and based on the determined beat frequency of the reference target. A lack of coherence in the system can advantageously be corrected by the calibration.
  • the calibration unit is preferably set up to determine a frequency of the reference target in the bistatic range based on the determined beat spectrum, a value of a frequency shift of the beat spectrum in the bistatic range, based on the frequency of the reference target determined by the measurement in the bistatic range and to determine a previously known setpoint frequency of the bistatic reflection signal of the reference target and to shift the beat spectrum by the determined value of the frequency shift.
  • the lack of coherence in the bistatic measurement can advantageously be corrected by the bistatic measurement of a reference object.
  • the system according to the invention for identifying and localizing an object comprises a position determination unit which is set up to determine a position of an active RFID transponder on the basis of the assigned beat frequency. For this purpose, a first transit time of the monostatic reflection signal is determined on the basis of the frequency of the target object in the monostatic range of the determined beat spectrum. Furthermore, a second transit time of the bistatic reflection signal is determined on the basis of the frequency of the target object in the bistatic range of the determined beat spectrum. The distances between the sensors and the target object are determined on the basis of the determined transit times. Finally, a position of the target object is project determined by triangulation on the basis of the determined distances.
  • the system according to the invention can also have a speed determination unit which is set up to determine a first Doppler frequency of the monostatic reflection signal of the target object in the monostatic range of the determined beat spectrum and a second Doppler frequency of the bistatic reflection signal of the target object in the bistatic range of the determined beat spectrum, to determine a first speed component of the target object based on the first Doppler frequency, to determine a second speed component of the target object based on the second Doppler frequency and the first speed component, and to determine a vectorial speed of the target object To determine the basis of the determined first speed component and the determined second speed component.
  • the measured values recorded by the system according to the invention can advantageously also be used to determine a vectorial speed of a detected object. In this way, the movement of an object in two or three dimensions can be estimated.
  • the system according to the invention for identifying and localizing an object particularly preferably comprises a plurality of RFID transponders, which each have a different modulation frequency and are each arranged on a different object.
  • a plurality of objects can advantageously be distinguished from one another and identified.
  • the system according to the invention can also have a plurality of RFID transponders which are arranged on one and the same object in such a way that the length and / or width and / or height of the object can be estimated with the aid of the transponder.
  • the intrinsic rotation of an object can be determined. Determination of the dimensions or rotation can be used in production processes for automated processing.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fully coherent cooperative radar system according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a quasi-coherent cooperative radar system according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a beat spectrum of a quasi-coherent cooperative radar system according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an active RFID transponder according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a diagram which illustrates the course of the sensor signals generated by the radar sensor and the modulation signal
  • FIG. 7 shows a diagram of a plurality of superimposed and shifted beat spectra of a quasi-coherent cooperative radar system according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 11 shows a diagram which shows a first beat spectrum individually
  • FIG. 12 shows a diagram which illustrates a second beat spectrum
  • FIG. 14 shows a diagram which illustrates a temporal amplitude curve of a carrier frequency as a function of successive ramp signals
  • FIG. 16 shows a diagram which shows the amplitude spectrum shown in FIG. 15, which has been corrected for the DC value
  • 17 shows a diagram which illustrates the course of the received signal from which the mean value has been removed for bin 27,
  • 21 shows a flow diagram which illustrates a combined identification and position determination method according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the radar system 10 comprises a first radar sensor R1 and a second radar sensor R2 positioned at a distance d from the first radar sensor R1.
  • the two sensors R1, R2, which measure in different spatial directions, are combined to form a cooperative radar system.
  • the radar sensors R1, R2 are designed as conventional independent FMCW radar sensors and each measure a monostatic response of a target Z, ie a monostatic reflection signal RM, which is used to determine the distances d 11 , d 22 between the radar sensors R1, R2 and the target Z and the speed of the target Z can be used.
  • the target has an RFID transponder 40, which modulates a signal from the radar sensors with a modulation signal with the frequency f mod, which is less than half the ramp repetition frequency of the radar sensors R1, R2.
  • the two radar sensors R1, R2 can also measure a bistatic reflection signal RB.
  • the bistatic reflection signal RB contains information on the distance in the radial direction from the sensor R2 to the target Z and in the direction from the radar sensor R1 to the target Z as well as information on the speed of the target object Z.
  • the two sensors R1, R2 are synchronized by a clock signal generator Tkt, ie the two radar sensors R1, R2 are operated fully coherently by a common clock.
  • a clock signal generator Tkt ie the two radar sensors R1, R2 are operated fully coherently by a common clock.
  • Such fully coherent operation can be advantageous, for example, in an autonomous vehicle.
  • the transmission of the clock signal from the clock signal generator to the radar sensors R1, R2 can be implemented, for example, via an electrical cable connection between the two radar sensors and the clock signal generator Tkt.
  • the respective distance d 11 , d 22 from the spatial direction from the two sensors R1, R2 to the target Z and the speed can be determined from the bistatic response. Because both sensors R1, R2 are set up at spatially distributed points, localization and vectorial speed measurement of objects Z is possible in such a cooperative radar system. Furthermore, a distance di2 that the bistatic signal travels from the sensor R2 via the target Z to the sensor R1 is also shown. To obtain this information, only the measurement data from only one of the two sensors R1, R2 are required.
  • Both sensors R1, R2 start a measurement by a common trigger signal from the trigger unit TR, which is connected to the two sensors R1, R2 either via a cable or by radio.
  • the common trigger signal ensures that the bistatic response can be measured within the limits specified by the sensor hardware and software, i.e. in particular limits for the beat frequency bandwidth, the ramp configuration and the AD converter.
  • a frequency offset is implemented between the two radar sensors R1, R2, ie the FMCW signals from the first and second radar sensors R1, R2 start at different frequencies f 0.1 , f 0.2 ⁇
  • the bandwidth B and the duration T of the FMCW signal is the same for both sensors R1, R2.
  • the beat signal S IF, 1 of the first radar sensor RI is related as follows to the transit times ⁇ 11 , ⁇ 12 of the monostatic reflection signal and the bistatic reflection signal:
  • the signal S FF , 1 comprises a monostatic component S IF, 1, mono and a bistatic component S IF, 1, which can be traced back to the interaction between the second sensor R2, the target object Z and the first sensor RI.
  • the terms are proportional to the distance from the target Z.
  • the times ⁇ 11 and ⁇ 12 denote the transit times of the monostatic and bistatic signals S IF, 1, mono , S IF, 1, bi ⁇
  • the two phase values ⁇ 0, 1 , ⁇ 0.2 are the phases of the two sensor signals, the difference of which is known due to the common timing.
  • Part of the beat spectrum measuring device 10 shown in FIG. 1 is also an evaluation unit 100a with a spectrum determination unit 101 for determining a raw data beat spectrum RBS on the basis of the recorded measurement data S IF, 1 .
  • the raw data beat spectrum RBS has a low-frequency monostatic area MB, which is assigned to the monostatic reflection signal RM, and a higher-frequency bistatic area BB, which is assigned to the bistatic reflexion signal RB.
  • a beat frequency determination unit 105 On the basis of the raw data beat spectrum RBS, a beat frequency determination unit 105 finally determines a monostatic beat frequency MZF and a bistatic beat frequency BZF of the target object Z.
  • the transit times ⁇ 11 , ⁇ 12 of the monostatic reflection signal and the bistatic reflection signal can be determined. From the transit time ⁇ 11 of the monostatic signal S IF, 1, mono , the distance d 11 between the first sensor R1 and the target object Z can be calculated using the following equation:
  • c is the speed of light or the speed of propagation of the radar waves.
  • the distance d22 between the second sensor R2 and the target object Z can be calculated using the following equation calculate:
  • the position P of the target object Z relative to the radar system 10 can then be determined from a simple trigonometric calculation on the basis of the triangular sides d, d 11 , d 22 that are now known.
  • the speed v v 11 + v 22 , where v, v 11 , v 22 are each vectorial quantities and v 11 points in the direction of d 11 and v 22 in the direction of d22, results from the Doppler frequencies of the monostatic and bistatic sensor signals S IF, 1, mono , S IF, 1, bi
  • the Doppler frequency results from the difference between the frequency of an emitted signal and the frequency of the reflected signal.
  • the Doppler frequency can also be calculated with the aid of several signals following one another at a time interval T.
  • the Doppler frequency results from the phase difference between the individual signals at the respective beat frequency of the target object.
  • the Doppler frequency can be calculated in different ways. With static targets, the phase of the beat signal is constant for successive signals. In the case of moving objects, the phase of the beat signal changes proportionally to the change in the distance and thus proportionally to the speed in the case of successive signals.
  • the Doppler frequency f d mono of the monostatic signal component results as follows:
  • the speed v 11 ie the speed component of the target object Z in the direction of the distance between the first sensor R1 and the target object Z, can be determined from the Doppler frequency f d , mono.
  • the Doppler frequency f d , bi of the bistatic sensor signal results as follows:
  • the second speed component v 22 in the direction of the distance between the second sensor R2 and the target object Z can then also be determined from the bistatic Doppler frequency f d , bi and the determined speed component v 11.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a quasi-coherent cooperative radar system 20.
  • the radar system 20 comprises a first radar sensor R1 and a second radar sensor R2 positioned at a distance d from the first radar sensor R1.
  • the radar system 20 shown in FIG. 2 is not a fully coherent system, but rather a quasi-coherent system.
  • the difference from the exemplary embodiment shown in FIG. 1 is that the system 20 shown in FIG. 2 does not have a clock generator Tkt for the two sensors R1, R2. As a result, the sensor signals from different sensors do not have a fixed phase relationship.
  • the two radar sensors R1, R2 are operated quasi-coherently using a known reference target RO and by appropriate signal processing.
  • the bistatic response is corrected with the aid of the known and the measured distance drefii to the reference target.
  • a distance d ref22 from the reference object RO to the second sensor R2 can also be used for correction.
  • the two sensors R1, R2, which measure in different spatial directions, are combined to form a cooperative radar system.
  • the radar sensors R1, R2 are designed as conventional, independent FMCW radar sensors and measure each because a monostatic response of the target Z and the reference target RO, ie a monostatic reflection signal RM, which is used to determine the distance d 11 , d ref and the speed of the target Z or reference target RO in the radial spatial direction from the sensor R1 to Target Z or reference target RO can be used.
  • the two radar sensors R1, R2 also measure a bistatic reflection signal RB.
  • the bistatic reflectance signal contains information about the distance d22 and the speed in the radial direction from the sensor to the target R2 and Z to the distance d 11 in the direction of the radar sensor R1 applies to the destination Z.
  • both sensors R1, R2 start a measurement by a common trigger signal from the trigger unit TR, which is connected to the two sensors R1, R2 either via a cable or by radio.
  • the common trigger signal ensures that the bistatic response can be measured within the limits specified by the sensor hardware and software, i.e. in particular limits for the beat frequency bandwidth, the ramp configuration and ADC (Analog Digital Controller).
  • a frequency offset is implemented between the two radar sensors R1, R2, ie the FMCW signals from the radar sensors start at different frequencies.
  • the bandwidth and duration of the FMCW signal is the same for both sensors R1, R2.
  • the bistatic response is shifted by the frequency offset f off to a predefined range in the baseband and can be separated from the monostatic response.
  • the corrected beat spectrum is then used analogously to the procedure outlined in FIG. 1 to determine a position P and a speed v of the target object Z.
  • the distance and the speed in the direction from the sensor R2 to the target object Z can be determined with the aid of the monostatic response from the bistatic response. If both sensors R1, R2 are set up at spatially distributed points, localization and vectorial speed measurement of objects Z is possible in such a cooperative radar system. To receive this information, the measurement data from only one of the two sensors R1, R2 is required.
  • the quasi-coherent operation can also be implemented with the aid of a GPS-controlled system or a radio link between the individual sensors.
  • GPS or radio links between the sensors can replace the trigger unit TR. Both variants can be used for the coherent and the quasi-coherent operation for the trigger.
  • GPS 1 PPS Pulse Per Second
  • a radio connection between the sensors requires a master-slave operation between the sensors.
  • the master sensor can send a trigger signal to the slave sensor. This can be done both within the radar frequency band used for distance measurement and with additional hardware in other frequency bands.
  • frequency and phase offsets can be compensated for with the aid of a previously defined signal form that is sent from the master to the slave sensor, similar to a pilot tone method.
  • Part of the beat spectrum measuring device 20 shown in FIG. 2 is also an evaluation unit 100 with a spectrum determination unit 101 for determining a raw data beat spectrum RBS on the basis of the recorded measurement data S IF, 1.
  • the raw data beat spectrum RBS has a low-frequency mono static area MB, which is assigned to the monostatic reflection signal RM, and a higher-frequency bistatic area BB, which is assigned to the bistatic reflection signal RB.
  • the raw data beat spectrum RBS is transmitted to a reference frequency determination unit 102 which is set up to determine a frequency or beat frequency RF of the reference target RO in the bistatic area BB on the basis of the determined raw data beat spectrum RBS.
  • the frequency RFB of the reference target RO is transmitted to a shift frequency determination unit 103, which is set up to determine a value f diff of a frequency shift of the beat spectrum in the bistatic range, based on the frequency RFB of the reference target determined by the measurement To determine bistatic range and a previously known setpoint frequency SFB of the bistatic reflection signal of the reference target RO.
  • the value f diff of the frequency shift and the raw data beat spectrum RBS are transmitted to a shift unit 104.
  • the shift unit serves to shift the statistical part of the raw data beat spectrum RBS by the determined value of the frequency shift f diff .
  • a corrected beat spectrum BS k is determined, which can serve as the basis for a position calculation and a speed calculation.
  • a beat frequency determination unit 105 determines a monostatic beat frequency MZF and a bistatic beat frequency BZF of the target object Z.
  • the evaluation unit 100 shown in FIG. 2 is additionally set up, based on the bistatic backscatter signal modulated by the target Z, by a first Fourier transformation of the modulated backscatter signal according to the frequency f and a second Fourier transformation according to the amplitude A an assignment between a beat frequency of a bistatic Signal S IF, 1, bi and the previously known modulation frequency f mod of the active RFID transponder of the target Z to perform.
  • the identity of the target Z can be determined.
  • FIG. 3 shows a diagram 30 which illustrates what is known as a beat spectrum BS of a measurement with the arrangement 20 shown in FIG.
  • the beat spectrum shown in FIG. 3 was thus recorded in quasi-coherent operation. It shows the magnitude M in decibels plotted against the frequency f in Hertz.
  • the two radar sensors R1, R2 were not fully synchronized by a clock signal Tkt. Instead, a monostatic reflection signal MR and a bistatic reflection signal BR were both from the target object Z. as well as a reference target RO.
  • the monostatic area MB and the bistatic area BB are separated from one another by a vertical black line L which lies approximately at a frequency of 250 kHz.
  • Maxima RF, ZF, which correspond to the reference target RO and the target object Z are shown in the monostatic range.
  • the frequency ZF, which corresponds to the target object is approximately 50 kHz and the frequency RF, which corresponds to the reference target RO, is approximately 100 kHz.
  • Maxima RFB, ZFB, which correspond to the reference target and the target object, can also be recognized in the bistatic area BB of the beat spectrum BS.
  • the frequency ZFB, which corresponds to the target object Z, is approximately 530 kHz and the frequency RFB, which corresponds to the reference target RO, is approximately 570 kHz.
  • the solid line denotes the raw data RD of the radar sensor R1, ie the data which have not yet been corrected with the aid of the reference target RO.
  • This process is possible on the basis of the known position of the reference target ZO and a beat frequency that is also known, here at approximately 660 kHz, which is assigned to its distance.
  • the shifted spectrum CD is indicated by a dashed line.
  • the distance d22 between the second radar sensor R2 and the target ZO can be determined with the aid of the corrected spectral data CD. Knowing the distances d 11 , d 22 between the radar sensors R1,
  • FIG. 4 shows an active RFID transponder 40 of a system according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Such an active RFID transponder 40 can be arranged both on a reference object with a known position and on a large number of objects to be detected and identified by an autonomous system, for example a vehicle or a robot.
  • the RFID transponder 40 comprises an antenna 41 with which a radar signal is received from one of the radar sensors of the cooperative radar system.
  • Part of the RFID transponder 40 is also a first amplifier 42 with which the incoming radar signal is amplified.
  • the radar signal is transmitted from the first amplifier 42 to a modulator 43, which modulates the amplitude of the radar signal with a sinusoidal oscillation with a modulation frequency of f mod .
  • the modulation frequency (there is no frequency modulation, but amplitude modulation, the modulation frequency here is the frequency of the variation of the amplitude) is less than half of the so-called ramp repetition frequency f R.
  • the ramp repetition frequency f R is the frequency with which the frequency ramp of the FMCW radar sensor of the cooperative radar system is repeated. The ramp repetition frequency is therefore at least twice as high as the modulation frequency f mod .
  • the amplitude-modulated signal is then amplified by a second amplifier 44 and emitted by the RFID transponder 40 via a transmitting antenna 45.
  • FIG. 5 shows a diagram 50 which compares the frequency ramps f of the radar sensor with the amplitude values A of the modulation signal.
  • the frequency of the modulation signal is twice as high as the ramp repetition frequency f R.
  • the Nyquist-Shannon theorem is fulfilled.
  • several ramps are sent out one after the other from each radar sensor.
  • the frequency of the radar signal emitted by a radar sensor is increased linearly over time until a maximum frequency is reached after a period T R.
  • the radar signal is then emitted at the minimum frequency, with the following
  • the frequency of the radar signal is again increased linearly over time, etc. All ramps are amplitude-modulated by the RFID transponder 40 (see FIG.
  • the modulated signal is sent to the respective sensor of the cooperative system (see FIG , 2) returned.
  • the modulated radar signals are mixed down to a beat frequency Af that is dependent on the distance from the transponder 40.
  • the radar signal is mixed with the frequency fi of the receiving radar sensor, the difference result yielding the signal with the beat frequency of the RFID transponder, which is dependent on the distance from the transponder. Due to the amplitude modulation, a Fourier transformation of the modulated radar signal now results in a different amplitude at the detected beat frequency for each ramp.
  • sample values for a plurality of N ramps R for calculating an amplitude spectrum with the aid of a first Fourier transformation FFT1 are shown as empty squares.
  • Such an amplitude spectrum is illustrated in FIG. 7 for a large number of ramps or signals.
  • the received modulated radar signal is sampled over the time t at intervals that are constant in time.
  • a "direction" of the scanning for the first Fourier transform FFT1 is shown in FIG. 6 by an arrow indicating the scanning direction from left to right.
  • the signals assigned to the individual ramps in FIG are symbolized by lines, but are actually recorded sequentially in time. The scanning therefore takes place line by line from left to right and in the line sequence from top to bottom.
  • FIG. 7 shows the amplitude spectrum generated by the first Fourier transformation FFT1 for a total of 24 signals.
  • a frequency interval is assigned to each of the individual frequency bins.
  • FIG 7 shows only the bista- table portion of the amplitude spectrum, i.e. the portion that was generated by the cooperative use of two radar sensors.
  • the amplitude spectrum does not yet show a clear maximum for all signals, since the signals were only generated and recorded quasi-coherently.
  • f sample is the maximum sampling frequency and N sampling is the number of samples for the Fourier transformation.
  • n indicates the number of the nth bin.
  • the frequency f n is the respective right edge frequency of the nth bin.
  • FIG. 8 illustrates a second Fourier transformation FFT2 along the individual amplitude values A over all ramps for a frequency.
  • a frequency or a frequency interval corresponds to a bin n.
  • the direction of the scanning for generating the Fourier transform is illustrated in FIG. 8 as a vertical arrow pointing from top to bottom. That is, the scanning takes place in the direction of the amplitude.
  • the second Fourier transformation FFT2 is used to find the beat frequency of the RFID transponder. The amplitude varies for each ramp and the same beat frequency or the same bin n. If the second Fourier transform is now formed for each bin n in the amplitude direction, the diagram illustrated in FIG. 9 results.
  • the second Fourier transform shows a spectrum depending on the beat frequency or the corresponding bins n as well as the modulation frequency f mod ⁇
  • Light areas in the diagram represent maxima of the amplitude A. If the modulation frequency of 600 Hz is known as it is is the case with a reference target RO, for example, the maximum for bin 27 can be read from the diagram. In this way, the bistatic beat frequency (corresponds to bin 27) of the reference target can be determined. Is the bistatic beat frequency If the frequency of the reference target RO is known, the individual maxima in the diagram of FIG. 7 can be shifted to bin 27. In this way, a corrected beat spectrum as shown in FIG. 10 is obtained.
  • the corrected beat spectrum is now shown in FIG.
  • the maxima of the individual signals are each arranged at the same frequency. While the left maximum represents the reference target, a second maximum occurs in the right part of the beat spectrum, which is to be assigned to an object whose beat frequency is at bin 72.
  • the position as well as the speed of the detected object can now be determined on the basis of the beat frequency. If, instead of one transponder, several transponders are distributed to different objects in the field of view of the cooperative radar system, they can be identified with the aid of the procedure described in connection with FIGS. 4 to 9 and at the same time specified with regard to their position and speed and direction of movement will.
  • FIGS. 11 to 20 the method for identifying and localizing an object, which was illustrated in connection with FIGS. 6 to 10, is shown again in detail.
  • FIG. 7 and in FIG. 10 24 modulated received signals are drawn one above the other.
  • the respective received signals are each assigned a different frequency ramp with which a sensor signal, which was then modulated by a transponder, was generated.
  • FIG. 11 shows the received signal of only the first ramp.
  • the frequency bin 27 has a local maximum value with an amplitude of -33.04 dB.
  • the second received signal which was generated by the second ramp signal, is illustrated in FIG.
  • the received signal at the frequency bin 27 has a Amplitude of -32.65 dB.
  • the determination of the amplitudes for the frequency bin 27 can also be repeated for all 24 ramps.
  • the amplitude is proportional to the signal power.
  • the amplitude values indicate the magnitude in dB (decibels).
  • FIG. 13 illustrates the 24th received signal which was generated by the 24th ramp signal.
  • the received signal at the frequency bin 27 has an amplitude of -32.84 dB.
  • the first value is the amplitude -33.04 dB of the received signal of the first ramp, the second value the amplitude -32.65 dB of the received signal of the second ramp and the last value the amplitude -32.84 dB of the last Ramp.
  • a periodic course of the amplitude values can already be seen in FIG. 14, which maps the modulation frequency of the RFID transponder of the detected object.
  • the reception time can also be plotted on the x-axis instead of the number ZR (ramp number) of the received signal.
  • the reception time per signal is 414 ⁇ s.
  • FIG. 15 shows the DC component of the received signal for a frequency f of 0 Hz.
  • the result is a strong amplitude for 0 Hz because the received signal has an offset of approximately -33.27, which corresponds to an average value of the 24 maxima.
  • a smaller secondary maximum at a modulation frequency f of 600 Hz can already be seen in FIG.
  • the amplitude value for the DC component is removed, the spectrum illustrated in FIG. 16 results. It can be clearly seen here that the largest frequency component, with the exception of the DC component of the received signal, is around 600 Hz. This value corresponds to the modulation frequency of the RFID transponder of the detected reference object.
  • the curve shape shown in FIG. 16 is also visible if the mean value is removed from the received signal.
  • the target of the frequency bin 27 is identified as the RFID transponder of the reference object.
  • Bin 27 was only chosen here as an example because it was already known from a previous evaluation that the RFID transponder of the reference object is located there.
  • the average amplitude of the respective frequency bins can be added. be pulled.
  • the frequency bin 27 has an average amplitude of -33.27 dB. Since the frequency bin 49 is in the noise (see FIG. 7), it only has an average amplitude of -53.83 dB. It can thus be ruled out that bin 49 is an RFID transponder.
  • the picture shown in FIG. 20 results.
  • the dashed line corresponds to the amplitude curve for the Bi 49 and the solid line to the amplitude curve for the Bin 27.
  • the weighting of the amplitude curve with the average amplitude of the bin does not necessarily have to be carried out if all noise bins have previously been excluded from the Fourier transformation of the amplitudes (FFT2) using a suitable procedure. This can be achieved, for example, with the aid of a target detection algorithm. After the target has been detected, only those frequency bins that have been identified as the target are examined for a modulation frequency. However, target detection is often more computationally and time-consuming than weighting with subsequent amplitude comparison.
  • FIG. 21 shows a flow diagram 2100 which illustrates a combined identification and position determination method according to an exemplary embodiment of the invention.
  • a radar sensor of a cooperative radar system initially generates a radar signal.
  • this radar signal is transmitted by an RFID trans- ponder, which is arranged on an object to be detected and identified, is amplitude-modulated.
  • the modulated signal is sent back to the cooperative radar system.
  • the modulated signal is detected and mixed by a radar sensor of the cooperative radar system.
  • the mixing step the modulated signal is mixed with the ramp signal from the radar sensor. In this way, a difference signal is generated between the frequency of the modulated signal and the frequency of the receiving radar sensor, which is now also referred to as a beat signal.
  • the beat signal is sampled in step 21.IV.
  • step 21.V the scanned data, which are assigned to different ramps, are separated from one another. Then, in step 21.VI, the first Fourier transformation of the sampled signal data takes place in order to generate an amplitude spectrum. In step 21.VII, the second Fourier transformation of the amplitude spectrum is also carried out. The frequencies assigned to the individual objects are then determined in step 21.VIII. In the case of a quasi-coherent radar sensor detection, the beat frequency of the RFID transponder of the reference object and the modulation frequency assigned to the RFID transponder are first determined in the spectrum. In addition, other objects are also identified using their modulation frequency and localized using the beat signal assigned to them.
  • step 21.IX in order to exclude noise effects, the method for amplitude detection illustrated in FIG. 20 is carried out, with "dummy objects" being able to be excluded.
  • kinematic variables such as the position, the speed or the vectorial speed of an identified object. For this purpose, for example, a determination of the monostatic and bistatic Distances of the objects, a triangulation and from this a determination of the position of the objects can be carried out.
  • the Doppler frequencies and the speeds of the detected objects can be determined.
  • the direction of movement of the objects can also be determined in order to determine the vectorial speed.

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Abstract

Es wird ein System zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts (Z) beschrieben. Das System (10, 20) weist ein bistatisches FMCW-Radarsensorsystem mit mindestens zwei FMCW- Radarsensoren (R1, R2) auf, welches kohärent oder quasi-kohärent betreibbar ausgebildet ist und dazu ausgebildet ist eine Serie von sich wiederholenden Rampensignalen zu emittieren. Zudem umfasst das System einen aktiven RFID-Transponder (40), welcher an einem zu identifizierenden und zu lokalisierenden Objekt (Z) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, ein moduliertes bistatisches Rückstreusignal (RB, SIF,1,bi) zu erzeugen, wobei ein von einem der mindestens zwei Radarsensoren (R1, R2) mit einer Rampenwiederholfrequenz (f) ausgesendetes Rampensignal mit einem Amplitudenmodulationssignal, dessen vorbekannte Modulationsfrequenz (fmod) kleiner als die halbe Rampenwiederholfrequenz ist, moduliert wird. Teil des Systems ist auch eine Auswertungseinheit (100, 100a), welche dazu eingerichtet ist, auf Basis des modulierten bistatischen Rückstreusignals (RB, SIF,1,bi) durch zwei Fouriertransformationen des modulierten Rückstreusignals (RB, SIF,1,bi) nach der Frequenz (f) und nach der Amplitude (A) eine Zuordnung zwischen einer Beatfrequenz und der vorbekannten Modulationsfrequenz (fmod) des aktiven RFID-Transponders (40) durchzuführen. Es wird auch ein Verfahren zur Identifizierung und Lokalisierung und Geschwindigkeitsmessung eines Objekts (Z) beschrieben.

Description

Beschreibung
Simultane Identifizierung und Lokalisierung von Objekten durch bistatische Messung
Die Erfindung betrifft ein System zur Identifizierung und Lo- kalisierung eines Objekts. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Identifizierung und Lokalisierung eines Ob- jekts.
In der Industrieproduktion werden heutzutage immer mehr auto- nome und teilautonome Systeme genutzt, die ohne eine direkte Betätigung oder Überwachung durch Bedienpersonal Produktions- prozesse ausführen können. Dabei umfassen die Produktionspro- zesse Arbeitsschritte an unterschiedlichen Stationen einer Fertigungsstraße sowie den Transport zwischen den einzelnen Stationen. Für ein reibungsloses Zusammenwirken und um die Sicherheit zu gewährleisten, ist es notwendig, Objekte auto- matisiert zu erfassen, diese zu identifizieren, und deren ki- nematische Parameter, wie zum Beispiel Position, Geschwindig- keit und Bewegungsrichtung, zu ermitteln.
Bei einer hohen Anzahl von Objekten innerhalb einer Ferti- gungsstraße müssen die einzelnen Objekte und deren Wege zum nächsten Prozessschritt bzw. zur nächsten Station überwacht und gesteuert werden. Hierfür ist in einer Produktionshalle Überwachungssensorik zuständig, mit der die Halle überwacht wird und Daten für die Prozesssteuerung bereitgestellt wer- den. Dafür müssen die Werkstücke identifiziert und lokali- siert werden.
Auch autonomes Fahren erfordert eine genaue Kenntnis der Po- sition und Geschwindigkeit von in der Nähe einer Fahrtstrecke eines autonom gesteuerten Fahrzeugs befindlichen Objekten. Hierfür muss ein autonom fahrendes Fahrzeug die Umwelt mit- tels Sensorik erfassen. Können Objekte nicht nur erfasst, sondern auch identifiziert werden, so kann eine Bewertung der von einem Objekt ausgehenden Gefahr für das Fahrzeug auch un- abhängig von der Genauigkeit der Positions- oder Geschwindig- keitsmessung erfolgen. Beispielsweise kann auf diese Weise an der Fahrbahn angeordnete stationäre Infrastruktur von mög- licherweise gefährlichen beweglichen Objekten unterschieden werden.
Objekte können zum Beispiel mit Hilfe von sogenannten RFID- Transpondern (RFID = radio frequency Identification = Radio- frequenzidentifizierung) identifiziert werden. Mit solchen RFID-Transpondern werden die zu identifizierenden Objekte ausgestattet. Ein sogenannter RFID-Reader, also eine Art Le- segerät, dient dazu, die Signale von den Transpondern zu er- fassen und auszuwerten. RFID-Transponder können sowohl als passive als auch als aktive Transponder ausgebildet sein. Passive Transponder werden von dem Reader durch ein Signal angesprochen und modulieren das Signal passiv. D.h., sie wei- sen keine eigene Energiequelle auf, mit der sie aktiv ein Signal aussenden könnten. Passive RFID-Transponder eignen sich nur für die Datenübermittlung über kurze Abstände, bei- spielsweise ein bis drei Meter. Aktive RFID-Transponder dage- gen weisen selbst eine elektrische Energiequelle auf und kön- nen daher selbständig ein Signal aussenden, das wiederum von einem RFID-Reader empfangen werden kann. Bei einem passiven RFID-Transponder wird das von dem RFID-Reader ausgesendete elektromagnetische Signal mit Hilfe des angesprochenen RFID- Transponders so verändert, dass mit dem zurückgestreuten und von dem RFID-Reader empfangenen Signal eine Identifizierung eines Objekts, an dem der RFID-Transponder angeordnet ist, ermöglicht wird.
Es gibt auch bereits Methoden, mit RFID-Systemen Objekte zu lokalisieren. Solche Verfahren sind zum Beispiel in DE 10 2012 307 424 Al und M. Scherhäufle et al., „Indoor Localiza- tion of Passive UHF RFID Tags Based on Phase-of-Arrival Eva- luation" in IEEE Transaction on Microwave Theory and Techni- ques, Band 61, Nr. 12, Seiten 4724 bis 4729, Dezember 2013 beschrieben. Es lassen sich auch herkömmliche Radarsysteme, wie zum Bei- spiel klassische EMCW-Radarsysteme, zur Klassifizierung und Identifizierung von Objekten verwenden. Allerdings nutzen diese Systeme zur Identifizierung von Objekten sehr komplexe Verfahren oder statistische Methoden, welche sehr rechenin- tensiv und fehleranfällig sind. Zudem werden für derartige Anwendungen oft auf maschinellem Lernen bzw. künstlicher In- telligenz basierende Methoden vorgeschlagen.
Zur Lokalisierung mit Hilfe von Radarsystemen werden soge- nannte MIMO-Radarsysteme mit mehreren Sende- und Empfangska- nälen eingesetzt. Teilweise werden diese Radarsysteme auch mit Transpondern mit modulierter Rückstreuung als Ziel be- trieben, um die Detektionsrate zu erhöhen.
Es besteht also die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrich- tung für eine kombinierte Ermittlung von Identifikationsin- formationen sowie von kinematischen Informationen über ein Objekt zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird durch ein System zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
Das erfindungsgemäße System zur Identifizierung und Lokali- sierung eines Objekts umfasst ein bistatisches EMCW-Radar- sensorsystem mit mindestens zwei EMCW-Radarsensoren, welches vollkohärent oder quasi-kohärent betreibbar ausgebildet ist und dazu ausgebildet ist eine Serie von sich wiederholenden Rampensignalen zu emittieren.
Als vollkohärente Betriebsweise soll verstanden werden, dass die mindestens beiden zwei EMCW-Radarsensoren exakt miteinan- der synchronisiert sind. Hierfür wird ein entsprechendes Syn- chronisationssignal für jeden der EMCW-Radarsensoren, vor- zugsweise über eine Kabelverbindung, bereitgestellt. Die drahtgebundene Übertragung des Synchronisationsignals eignet sich insbesondere für hochfrequente Radarsysteme, bei denen aufgrund der hohen Frequenz auch geringe Zeitverschiebungen zwischen den einzelnen Sensoren vermieden werden müssen, um eine ausreichende Messgenauigkeit zu erreichen. Unter hoch- frequenten Radarsystemen sollen Radarsysteme verstanden wer- den, die Abstände mit Genauigkeiten von einigen Zentimetern, vorzugsweise im GHz-Bereich, also weniger als 30 Zentimetern, besonders bevorzug von weniger als 3 cm, messen können. Die mindestens zwei Radarsensoren sind in einem bekannten, vor- zugsweise konstanten Abstand d zueinander angeordnet. Bei- spielsweise befinden sich die Radarsensoren an ein und dem- selben Gegenstand, beispielsweise ein Fahrzeug oder ein Inf- rastrukturobjekt. Ist der Abstand d konstant bzw. zumindest bekannt, so kann er für eine Triangulation der mindestens zwei Sensoren mit einem zu detektierenden Zielobjekt genutzt werden.
FMCW-Radarsensoren nutzen ein sogenanntes frequenzmoduliertes Dauerstrichradar (Frequency Modulated Continuous Wave radar), welches ein kontinuierliches Sendesignal abstrahlt. Ein sol- ches FMCW-Radar kann seine Arbeitsfrequenz während einer Mes- sung ändern, d.h. das Sendesignal wird frequenzmoduliert, beispielsweise, indem eine Frequenzrampe erzeugt wird, also ein Signal mit linear bis zu einem Maximalwert ansteigender Frequenz. Durch diese Änderungen in der Frequenz werden Lauf- zeitmessungen ermöglicht. Mit einem FMCW-Sensor lassen sich Entfernungen genau messen. Überdies kann die Entfernung und die Radialgeschwindigkeit gleichzeitig gemessen werden.
Teil des erfindungsgemäßen Systems zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts ist auch ein aktiver RFID- Transponder, welcher an einem zu identifizierenden und zu lo- kalisierenden Objekt angeordnet ist. Der aktive RFID-Trans- ponder ist dazu eingerichtet, ein moduliertes bistatisches oder monostatisches Rückstreusignal zu erzeugen. Dabei wird von dem aktiven RFID-Transponder ein von einem der mindestens zwei Radarsensoren mit einer Rampenwiederholfrequenz ausge- sendetes Rampensignal mit einem Amplitudenmodulationssignal, dessen vorbekannte Modulationsfrequenz kleiner als die halbe Rampenwiederholfrequenz ist, moduliert. Als Rampenwiederhol- frequenz soll in diesem Zusammenhang die Frequenz verstanden werden, mit der die Frequenzrampen des Radarsensors wieder- holt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass mit dem erfin- dungsgemäßen System neben einer bistatischen Messung auch ei- ne monostatische Messung erfolgt, um eine kinematische Größe zu ermitteln. Eine bistatische Messung ist eine Messung, bei der ein erster Radarsensor ein Radarsensorsignal emittiert, das Radarsensorsignal von einem Objekt reflektiert wird und dann von einem zweiten Radarsensor erfasst wird. Ein monosta- tisches Sensorsignal dagegen ist ein Radarsensorsignal, wel- ches von ein- und demselben Radarsensor emittiert und erfasst wird. Als kinematische Größen sollen in diesem Zusammenhang insbesondere Position, Abstand, Geschwindigkeit, vektorielle Geschwindigkeit usw. verstanden werden.
Das erfindungsgemäße System zur Identifizierung und Lokali- sierung eines Objekts umfasst eine Auswertungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, auf Basis des modulierten bistatischen Rückstreusignals durch zwei Fouriertransformationen des modu- lierten Rückstreusignals, nämlich eine erste Fouriertransfor- mation nach der Frequenz und eine zweite Fouriertransformati- on nach der Amplitude eine Zuordnung zwischen einer Beatfre- quenz und der vorbekannten Modulationsfrequenz des aktiven RFID-Transponders durchzuführen. Die beiden Fouriertransfor- mationen werden nacheinander ausgeführt. Die zweite Fourier- transformation wird dabei über das Amplitudenspektrum des Er- gebnisses der ersten Fouriertransformation ausgeführt. Vor- teilhaft wird sowohl eine kinematische Größe, wie zum Bei- spiel eine Position, ein Abstand oder eine Geschwindigkeit eines Objekts sowie die Identifikationsinformation des Ob- jekts mit einer Messung sozusagen gleichzeitig bzw. simultan oder kombiniert ermittelt. Das beschriebene System lässt sich als voll-kohärentes Messsystem ausbilden. Besonders vorteil- haft lässt sich das beschriebene System auch als quasi- kohärent messendes Systems ausbilden, wenn ein Objekt mit be- kannter Position als Referenz mit einem aktiven RFID- Transponder ausgestattet wird. Eine vollständige Synchronisa- tion der mindestens zwei EMCW-Radarsensoren ist in diesem Fall nicht nötig. Die quasi-kohärente Auslegung ist daher insbesondere bei großen Abständen d zwischen den Sensoren vorteilhaft, bei denen eine ausreichend exakte Kohärenz nur schwer herstellbar ist. Die Modulation des RFID-Transponders mit einer Frequenz, welche kleiner als die halbe Rampenwie- derholfrequenz des kooperativen Radarsystems ist, erfüllt das Nyquist-Shannon-Theorem und erlaubt ein Abtasten des Trans- pondersignals über mehrere Frequenzrampen hinweg. Infolge des charakteristischen Verhaltens des Amplitudenspektrums bei der Modulationsfrequenz des RFID-Transponders lässt sich ein Ma- ximum des Beatspektrums einem bestimmten Transponder eindeu- tig zuordnen. Damit kann auch eine Mehrzahl von RFID-Trans- pondern identifiziert voneinander unterschieden und zur Posi- tionsbestimmung bzw. zur Ermittlung kinematischer Größen her- angezogen werden. Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße System die Messung der vektoriellen Geschwindigkeit und Bewe- gungsrichtung sowie Identifizierung eines Objekts mit nur ei- nem einzigen Messzyklus bzw. mit einem einzigen kooperativen RadarsensorSystem.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts wird eine Serie von sich wieder- holenden Rampensignalen durch ein bistatisches FMCW-Radar- sensorsystem mit mindestens zwei FMCW-Radarsensoren, welches kohärent oder quasi-kohärent betreibbar ausgebildet ist, emittiert. Weiterhin wird ein moduliertes bistatisches Rück- streusignal durch einen aktiven RFID-Transponder, welcher an einem zu identifizierenden und zu lokalisierenden Objekt an- geordnet ist, erzeugt. Dabei wird ein durch einen der mindes- tens zwei Radarsensoren mit einer Rampenwiederholfrequenz ausgesendetes Rampensignal mit einem Amplitudenmodulations- signal, dessen vorbekannte Modulationsfrequenz kleiner als die halbe Rampenwiederholfrequenz ist, moduliert. Schließlich erfolgt eine Zuordnung zwischen einer Beatfrequenz und der vorbekannten Modulationsfrequenz des aktiven RFID-Trans- ponders auf Basis des modulierten bistatischen Rückstreusig- nals durch zwei Fouriertransformationen, eine erste Fourier- transformation des modulierten Rückstreusignals nach der Fre- quenz und eine zweite Fouriertransformation nach der Amplitu- de. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts teilt die Vorteile des erfin- dungsgemäßen Systems zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts.
Zur Ermittlung der kinematischen Größen anhand des Beatspekt- rums durch ein kooperatives oder quasi kooperatives Radar- sensorsystem sei auf DE 102019 206 806 verwiesen, welche mit Bezug darauf in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Anmel- dungstext aufgenommen ist.
Einige Komponenten des erfindungsgemäßen Systems können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebil- det sein. Dies betrifft insbesondere Teile des Systems zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts, wie zum Bei- spiel die Auswertungseinheit.
Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher in einem mobilen Objekt oder in Infra- struktur vorhandene Rechnersysteme nach einer eventuellen Er- gänzung durch zusätzliche Hardwareelemente, wie zum Beispiel einen RFID-Transponder und FMCW-Radarsensoren sowie Einheiten zur Synchronisation und Triggerung von Sensorsignalen, auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Inso- fern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computer- programmprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung eines solchen Rechnersys- tems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um die durch Soft- ware realisierbaren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in dem Rechnersystem ausgeführt wird.
Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computer- programm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile, wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
Zum Transport zur Speichereinrichtung des Rechnersystems und/oder zur Speicherung an dem Rechnersystem kann ein compu- terlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest einge- bauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rech- nereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z.B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikro- prozessoren oder dergleichen aufweisen.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den ab- hängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie und de- ren Beschreibungsteilen weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung auch die verschiedenen Merkmale unter- schiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Beatfrequenz-Mess- verfahrens werden die mindestens zwei Radarsensoren durch ei- nen gemeinsamen Takt vollkohärent betrieben. Als vollkohären- ter Betrieb soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass die mindestens zwei Radarsensoren durch ein Taktsignal synchronisiert werden. Im vollkohärenten Betrieb kommt es nicht zu Frequenzverschiebungen im bistatischen Bereich des ermittelten Beatspektrums, so dass eine Korrektur des gemes- senen Beatspektrums mit Hilfe eines Referenzziels nicht not- wendig ist. Eine solche Lösung ist insbesondere bei an mobi- len Einheiten angeordneten Sensoren vorteilhaft, da sich dort die Sensoren mitbewegen und Abstände zu Referenzobjekten mög- licherweise nicht immer exakt bekannt sind.
Alternativ können die mindestens zwei Sensoren durch zusätz- liche monostatische und bistatische Messung eines Referenz- ziels, dessen Position bekannt ist, quasi-kohärent betrieben werden. Im quasi-kohärenten Betrieb erfolgt keine gemeinsame Taktung der mindestens zwei Sensoren. Verschiebungen im Beatspektrum werden durch Messung einer Entfernung eines Re- ferenzobjekts kompensiert. Diese Vorgehensweise ist bei einer stationären Anordnung von Sensoren, beispielsweise an Einhei- ten der Verkehrs- oder Straßeninfrastruktur vorteilhaft. Denn dort sind Abstände zu möglichen Referenzobjekten bekannt. Ei- ne gemeinsame Taktung der Sensoren kann hier eingespart wer- den.
Im Detail erfolgt bei einer quasi-kohärenten Messung eine Ka- librierung zum Ermitteln eines korrigierten Beatspektrums. Hierzu wird eine Frequenz des Referenzziels im bistatischen Bereich auf Basis des ermittelten Rohdaten-Beatspektrums er- mittelt. Auf Basis der durch die Messung ermittelten Frequenz des Referenzziels im bistatischen Bereich und einer vorbe- kannten Sollfrequenz des bistatischen Reflexionssignals des Referenzziels wird ein Wert fdiff einer Frequenzverschiebung des Beatspektrums im bistatischen Bereich ermittelt. Die Sollfrequenz kann auf Basis eines vorbekannten Abstands zu dem Referenzziel ermittelt werden bzw. bekannt sein. Schließlich wird das Rohdaten-Beatspektrum um den ermittelten Wert fdiff der Frequenzverschiebung verschoben. Eine Frequenz des Referenzziels im bistatischen Bereich ent- spricht vorzugsweise einem Maximum des Beatspektrums. Vor- teilhaft kann eine Frequenz eines Referenzziels anhand der Intensität eines Spektralwerts erkannt werden.
Bei dem Referenzziel handelt es sich erfindungsgemäß um ein aktives Referenzziel, vorzugsweise einen aktiven RFID- Transponder, welcher mit Hilfe eines aktiven Sensors, ange- strahlt wird und die von dem Sensor emittierten Wellen modu- liert und anschließend in Richtung der Radarsensoren ab- strahlt.
Ein solches aktives Referenzziel umfasst eine Sende- /Empfangsantenne, mit der von einem aktiven Sensor emittierte Wellen empfangen werden, optional verstärkt und moduliert werden und wieder ausgesendet werden. Mit einem solchen Refe- renzziel kann eine zuverlässige Erkennung und Identifizierung des Referenzziels erreicht werden, da es durch eine spezifi- sche Modulation charakterisierbar ist.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts ist die Aus- wertungseinheit dazu eingerichtet, auf Basis der Beatfrequenz einen Abstand des aktiven Referenzziels, vorzugsweise ein ak- tiver RFID-Transponder, zu dem bistatischen Radarsensorsystem zu ermitteln und das aktive Referenzziel auf Basis der vorbe- kannten Modulationsfrequenz zu identifizieren. Vorteilhaft wird eine simultane Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts ermöglicht, wobei für die Gewinnung beider Informati- onen ein- und dieselbe Sensorik eingesetzt werden kann. Dadurch wird der Aufbau des Gesamtsystems vereinfacht.
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Systems zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts umfasst das System, für den Fall eines quasi-kohärenten bistatischen Radarsensorsystems, ein Referenzziel mit vorbekannter Positi- on und einem aktiven RFID-Transponder mit vorbekannter Modu- lationsfrequenz. Die Auswertungseinheit ist in dieser Varian- te dazu eingerichtet, auf Basis der zwei Fouriertransformati- onen und der vorbekannten Modulationsfrequenz des Referenz- ziels dem Referenzziel eine Beatfrequenz zuzuordnen. Zudem umfasst das erfindungsgemäße System zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts noch eine Kalibrierungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, auf Basis einer monostatischen Messung mit einem der mindestens zwei Radarsensoren und auf Basis der ermittelten Beatfrequenz des Referenzziels eine Ka- librierung zum Ermitteln eines korrigierten Beatspektrums durchzuführen. Vorteilhaft kann eine mangelnde Kohärenz des Systems durch die Kalibration korrigiert werden.
Bevorzugt ist die Kalibrierungseinheit dazu eingerichtet, ei- ne Frequenz des Referenzziels im bistatischen Bereich auf Ba- sis des ermittelten Beatspektrums zu ermitteln, einen Wert einer Frequenzverschiebung des Beatspektrums im bistatischen Bereich, auf Basis der durch die Messung ermittelten Frequenz des Referenzziels im bistatischen Bereich und einer vorbe- kannten Sollfrequenz des bistatischen Reflexionssignals des Referenzziels zu ermitteln und das Beatspektrum um den ermit- telten Wert der Frequenzverschiebung zu verschieben. Vorteil- haft kann die mangelnde Kohärenz der bistatischen Messung durch die bistatische Messung eines Referenzobjekts korri- giert werden.
In einer speziellen Ausführungsform umfasst das erfindungsge- mäße System zur Identifizierung und Lokalisierung eines Ob- jekts eine Positionsermittlungseinheit, welche dazu einge- richtet ist, eine Position eines aktiven RFID-Transponders auf Basis der zugeordneten Beatfrequenz zu ermitteln. Hierzu wird eine erste Laufzeit des monostatischen Reflexionssignals auf Basis der Frequenz des Zielobjekts im monostatischen Be- reich des ermittelten Beatspektrums ermittelt. Weiterhin wird eine zweite Laufzeit des bistatischen Reflexionssignals auf Basis der Frequenz des Zielobjekts im bistatischen Bereich des ermittelten Beatspektrums ermittelt. Auf Basis der ermit- telten Laufzeiten werden Abstände der Sensoren zu dem Zielob- jekt ermittelt. Schließlich wird eine Position des Zielob- jekts durch Triangulation auf Basis der ermittelten Abstände ermittelt.
Das erfindungsgemäße System kann auch eine Geschwindigkeits- ermittlungseinheit aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, eine erste Dopplerfrequenz des monostatischen Reflexionssig- nals des Zielobjekts im monostatischen Bereich des ermittel- ten Beatspektrums zu ermitteln, eine zweite Dopplerfrequenz des bistatischen Reflexionssignals des Zielobjekts im bista- tischen Bereich des ermittelten Beatspektrums zu ermitteln, eine erste Geschwindigkeitskomponente des Zielobjekts auf Ba- sis der ersten Dopplerfrequenz zu ermitteln, eine zweite Ge- schwindigkeitskomponente des Zielobjekts auf Basis der zwei- ten Dopplerfrequenz und der ersten Geschwindigkeitskomponente zu ermitteln und eine vektorielle Geschwindigkeit des Zielob- jekts auf Basis der ermittelten ersten Geschwindigkeitskompo- nente und der ermittelten zweiten Geschwindigkeitskomponente zu ermitteln. Vorteilhaft können die von dem erfindungsgemä- ßen System erfassten Messwerte auch für die Ermittlung einer vektoriellen Geschwindigkeit eines detektierten Objekts ge- nutzt werden. Auf diese Weise kann eine Bewegung eines Ob- jekts in zwei oder drei Dimensionen abgeschätzt werden.
Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße System zur Identifizierung und Lokalisierung eines Objekts eine Mehrzahl von RFID-Transpondern, welche jeweils eine unterschiedliche Modulationsfrequenz aufweisen und jeweils an einem unter- schiedlichen Objekt angeordnet sind. Vorteilhaft lassen sich eine Mehrzahl von Objekten voneinander unterscheiden und identifizieren .
Das erfindungsgemäße System kann auch eine Mehrzahl von RFID- Transpondern, welche an ein und demselben Objekt so angeord- net sind, dass die Länge und/oder Breite und/oder Höhe des Objekts mit Hilfe der Transponder geschätzt werden kann. Zusätzlich kann mit mehreren solchen Transpondern an einem Objekt und mit Hilfe der Geschwindigkeitsinformation der Transponder die Eigenrotation eines Objekts ermittelt werden. Ermittlungen der Abmessungen oder Rotation können bei Produk- tionsprozessen für eine automatisierte Bearbeitung genutzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beige- fügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine schematische Darstellung eines vollkohärenten ko- operativen Radarsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
FIG 2 eine schematische Darstellung eines quasikohärenten kooperativen Radarsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
FIG 3 eine schematische Darstellung eines Beatspektrums eines quasikohärenten kooperativen Radarsystems gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung,
FIG 4 eine schematische Darstellung eines aktiven RFID- Transponders gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
FIG 5 ein Schaubild, welches den Verlauf der von dem Radar- sensor erzeugten Sensorsignale sowie des Modulationssignals veranschaulicht,
FIG 6 eine schematische Darstellung der ersten Fouriertrans- formation,
FIG 7 ein Schaubild einer Mehrzahl von überlagerten und ver- schobenen Beatspektren eines quasikohärenten kooperativen Ra- darsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
FIG 8 eine schematische Darstellung der zweiten Fouriertrans- formation, FIG 9 eine schematische Darstellung der Signalamplitude in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz und der Modulationsfre- quenz,
FIG 10 eine Darstellung eines korrigierten Beatspektrums der überlagerten Beatspektren,
FIG 11 ein Schaubild, welches ein erstes Beatspektrum einzeln darstellt,
FIG 12 ein Schaubild, welches ein zweites Beatspektrum veran- schaulicht,
FIG 13 ein Schaubild, welches das 24. Beatspektrum veran- schaulicht,
FIG 14 ein Schaubild, welches einen zeitlichen Amplitudenver- lauf einer Trägerfrequenz in Abhängigkeit von aufeinanderfol- genden Rampensignalen veranschaulicht,
FIG 15 ein Schaubild, welches ein Amplitudenspektrum in Ab- hängigkeit von der Modulationsfrequenz zeigt,
FIG 16 ein Schaubild, welches das in FIG 15 gezeigte Amplitu- denspektrum zeigt, welches um den DC-Wert korrigiert ist,
FIG 17 ein Schaubild, welches den Verlauf des vom Mittelwert befreiten Empfangssignals für den Bin 27 veranschaulicht,
FIG 18 ein Schaubild, welches die Fouriertransformierte „in Amplitudenrichtung" für das Bin 27 zeigt,
FIG 19 ein Schaubild, welches die Fouriertransformierte in Amplitudenrichtung für das Frequenz-Bin 49 zeigt,
FIG 20 ein Schaubild, welches vergleichend die beiden, mit der Empfangsleistung des Bins gewichteten, Fouriertransfor- mierten in Amplitudenrichtung für das Frequenz-Bin 27 und 49 veranschaulicht,
FIG 21 ein Flussdiagramm, welches ein kombiniertes Identifi- zierungs- und Positionsermittlungsverfahren gemäß einem Aus- führungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
In FIG 1 ist eine schematische Darstellung eines kooperativen vollständig kohärenten Radarsystems 10 veranschaulicht. Das Radarsystem 10 umfasst einen ersten Radarsensor R1 und einen in einem Abstand d zu dem ersten Radarsensor R1 positionier- ten zweiten Radarsensor R2. Die beiden Sensoren R1, R2, wel- che in unterschiedlichen Raumrichtungen messen, sind zu einem kooperativen Radarsystem kombiniert. Die Radarsensoren R1, R2 sind als konventionelle eigenständige FMCW-Radarsensoren aus- gebildet und messen jeweils eine monostatische Antwort eines Ziels Z, d.h. ein monostatisches Reflexionssignal RM, welches zur Ermittlung der Abstände d11,d22 zwischen den Radarsenso- ren R1, R2 und dem Zielobjekt Z sowie der Geschwindigkeit des Ziels Z genutzt werden kann. Weiterhin weist das Ziel einen RFID-Transponder 40 auf, welcher einem Signal der Radarsenso- ren ein Modulationssignal mit der Frequenz fmod welche klei- ner als die halbe Rampenwiederholfrequenz der Radarsensoren R1, R2 ist, aufmoduliert. Zusätzlich zu der monostatischen Antwort kann von den beiden Radarsensoren R1, R2 auch ein bistatisches Reflexionssignal RB gemessen werden. Das bista- tische Reflexionssignal RB enthält Informationen zum Abstand in radialer Richtung von dem Sensor R2 zum Ziel Z und in Richtung von dem Radarsensor R1 zu dem Ziel Z sowie Informa- tionen zur Geschwindigkeit des Zielobjekts Z.
In dem in FIG 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind die beiden Sensoren R1, R2 durch einen Taktsignalgeber Tkt syn- chronisiert, d.h. die beiden Radarsensoren R1, R2 werden durch einen gemeinsamen Takt vollkohärent betrieben. Ein sol- cher vollkohärenter Betrieb kann zum Beispiel in einem auto- nomen Fahrzeug von Vorteil sein. Die Übertragung des Taktsignals von dem Taktsignalgeber an die Radarsensoren R1, R2 kann zum Beispiel über eine elektri- sche Kabelverbindung zwischen den beiden Radarsensoren und dem Taktsignalgeber Tkt realisiert werden.
Mit Hilfe der monostatischen Antwort kann aus der bistati- schen Antwort der jeweilige Abstand d11, d22 aus der Raumrich- tung von beiden Sensoren R1, R2 zum Ziel Z und die Geschwin- digkeit ermittelt werden. Dadurch, dass beide Sensoren R1, R2 an räumlich verteilten Punkten aufgestellt sind, ist in einem solchen kooperativen Radarsystem eine Lokalisierung und eine vektorielle Geschwindigkeitsmessung von Objekten Z möglich. Weiterhin ist noch eine Distanz di2, die das bistatische Sig- nal von dem Sensor R2 über das Ziel Z bis zum Sensor R1 zu- rücklegt, eingezeichnet. Für den Erhalt dieser Informationen werden nur die Messdaten von nur einem der beiden Sensoren R1, R2 benötigt.
Beide Sensoren R1, R2 starten eine Messung durch ein gemein- sames Triggersignal von der Triggereinheit TR, welche mit den beiden Sensoren R1, R2 entweder über ein Kabel oder per Funk verbunden ist. Das gemeinsame Triggersignal stellt sicher, dass die bistatische Antwort innerhalb der durch die Sensor- hardware und Software vorgegebenen Grenzen, d.h. insbesondere Grenzen für die Beatfrequenzbandbreite, die Rampenkonfigura- tion und den AD-Wandler gemessen werden kann.
Um die monostatische Antwort und die bistatische Antwort an dem ersten Sensor R1 zu unterscheiden, wird ein Frequenzoff- set zwischen den beiden Radarsensoren R1, R2 realisiert, d.h. die FMCW-Signale des ersten und des zweiten Radarsensors R1, R2 starten bei jeweils unterschiedlichen Frequenzen f0,1, f0,2· Die Bandbreite B und die Dauer T des FMCW-Signals ist bei beiden Sensoren R1, R2 gleich. Dadurch wird die bistatische Antwort um den Frequenzoffset foff = f0,1 - f0,2 zu einem vorde- finierten Bereich im Basisband verschoben und kann von der monostatischen Antwort getrennt werden. Das Beatsignal SIF, 1 des ersten Radarsensors RI hängt wie folgt mit den Laufzeiten τ11, τ12 des monostatischen Reflexi- onssignals und des bistatischen Reflexionssignals zusammen:
Das Signal SFF,1 umfasst einen monostatischen Anteil SIF,1, mono und einen bistatischen Anteil SIF, 1,bi der auf die Interaktion zwischen dem zweiten Sensor R2, dem Zielobjekt Z und dem ers- ten Sensor RI zurückzuführen ist. Die Terme ver- halten sich proportional zum Abstand des Ziels Z. Die Zeiten τ11 und τ12 bezeichnen die Laufzeiten des monostatischen und des bistatischen Signals SIF,1, mono , SIF, 1,bi · Die beiden Phasen- werte φ0, 1 , φ0,2 sind die Phasen der beiden SensorSignale, de- ren Differenz aufgrund der gemeinsamen Taktung bekannt ist.
Teil der in FIG 1 gezeigten Beatspektrum-Messeinrichtung 10 ist auch eine Auswertungseinheit 100a mit einer Spektrum- Ermittlungseinheit 101 zum Ermitteln eines Rohdaten-Beat- spektrums RBS auf Basis der erfassten Messdaten SIF, 1. Das Rohdaten-BeatSpektrum RBS weist einen niederfrequenten mono- statischen Bereich MB, welcher dem monostatischen Reflexions- signal RM zugeordnet ist, und einen höherfrequenten bistati- schen Bereich BB auf, welcher dem bistatischen ReflexIonsSig- nal RB zugeordnet ist, auf.
Auf Basis des RohdatenbeatSpektrums RBS wird schließlich von einer Beatfrequenz-Ermittlungseinheit 105 eine monostatische Beatfrequenz MZF und eine bistatische Beatfrequenz BZF des Zielobjekts Z ermittelt.
Auf Basis dieser Beatfrequenzen sowie der bekannten Bandbrei- te B des Signals und der Signaldauer T lassen sich die Lauf- zeiten τ11, τ12 des monostatischen Reflexionssignals und des bistatischen Reflexionssignals ermitteln. Aus der Laufzeit τ11 des monostatischen Signals SIF,1, mono lässt sich anhand folgender Gleichung der Abstand d11 zwischen dem ersten Sensor R1 und dem Zielobjekt Z berechnen:
Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit bzw. die Ausbreitungsge- schwindigkeit der Radarwellen.
Aus der Laufzeit τ12 des bistatischen Signals SIF,1,bi sowie dem ermittelten Wert d11 des Abstands zwischen dem ersten Sensor R1 und dem Zielobjekt Z lässt sich über folgende Gleichung der Abstand d22 zwischen dem zweiten Sensor R2 und dem Ziel- objekt Z berechnen:
Aus einer einfachen trigonometrischen Berechnung auf Basis der nun bekannten Dreiecksseiten d, d11, d22 lässt sich dann die Position P des Zielobjekts Z relativ zu dem Radarsystem 10 ermitteln.
Die Geschwindigkeit v = v11 + v22, wobei v, v11, v22 jeweils vektorielle Größen sind und v11 in Richtung von d11 und v22 in Richtung von d22 zeigt, ergibt sich aus den Dopplerfrequenzen des monostatischen und des bistatischen Sensorsignals SIF,1, mono, SIF, 1,bi·
Die Dopplerfrequenz ergibt sich aus der Differenz der Fre- quenz eines emittierten Signals und der Frequenz des reflek- tierten Signals. Die Dopplerfrequenz kann außerdem mit Hilfe mehrerer, im zeitlichen Abstand T, aufeinanderfolgender Sig- nale berechnet werden. Die Dopplerfrequenz ergibt sich hier- bei aus dem Phasenunterschied zwischen den einzelnen Signalen bei der jeweiligen Beatfrequenz des Zielobjektes. Die Dopplerfrequenz kann auf verschiedenen Wegen berechnet werden. Bei statischen Zielen ist die Phase des Beatsignals bei zeitlich aufeinanderfolgenden Signalen konstant. Bei be- wegten Objekten ändert sich die Phase des Beatsignals bei zeitlich aufeinanderfolgenden Signalen proportional zur Ände- rung des Abstandes und somit proportional zur Geschwindig- keit.
Diese Änderung der Phase über der Zeit ergibt die Dopplerfre- quenz. Diese Methode wird auch als „Range-Doppler Algorith- mus" oder „Range Doppler Processing" bezeichnet.
Die Dopplerfrequenz fd,mono des monostatischen Signalanteils ergibt sich wie folgt:
Ist die Laufzeit in des monostatischen Signals bekannt, so lässt sich aus der Dopplerfrequenz fd,mono die Geschwindigkeit v11, d.h. die Geschwindigkeitskomponente des Zielobjekts Z in Richtung der Strecke zwischen dem ersten Sensor R1 und dem Zielobjekt Z ermitteln.
Die Dopplerfrequenz fd,bi des bistatischen Sensorsignals ergibt sich wie folgt:
Aus der bistatischen Dopplerfrequenz fd,bi sowie der ermittel- ten Geschwindigkeitskomponente v11 lässt sich dann auch die zweite Geschwindigkeitskomponente v22 in Richtung der Strecke zwischen dem zweiten Sensor R2 und dem Zielobjekt Z ermit- teln. Aus den beiden Geschwindigkeitskomponenten v11, v22 lässt sich zudem die vektorielle Gesamtgeschwindigkeit v des Zielobjekts Z berechnen zu: v = vX1 + v22 · (6) Die in FIG 1 gezeigte Auswertungseinheit 100a ist zusätzlich dazu eingerichtet, auf Basis des von dem Ziel Z modulierten bistatischen Rückstreusignals durch eine erste Fouriertrans- formation des modulierten Rückstreusignals nach der Frequenz f und eine zweite Fouriertransformation nach der Amplitude A eine Zuordnung zwischen einer Beatfrequenz eines bistatischen Signals SIF, 1,bi und der vorbekannten Modulationsfrequenz fmod des aktiven RFID-Transponders 40 des Ziels Z durchzuführen. Durch Ermittlung der für das Ziel Z bzw. den an dem Ziel Z anhaftenden RFID-Transponder charakteristischen Modulations- frequenz fmod kann die Identität des Ziels Z ermittelt werden.
In FIG 2 ist eine schematische Darstellung eines quasi- kohärenten kooperativen Radarsystems 20 gezeigt. Das Radar- system 20 umfasst ebenso wie das in FIG 1 dargestellte Radar- system 10 einen ersten Radarsensor R1 und einen in einem Ab- stand d zu dem ersten Radarsensor R1 positionierten zweiten Radarsensor R2. Bei dem in FIG 2 dargestellten Radarsystem 20 handelt es sich anders als bei dem in FIG 1 gezeigten Radar- system 10 nicht um ein vollkohärentes System, sondern um ein quasi-kohärentes System. Der Unterschied zu dem in FIG 1 ge- zeigten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass das in FIG 2 gezeigte System 20 keinen Taktgeber Tkt für die beiden Senso- ren R1, R2 aufweist. Infolgedessen weisen die Sensorsignale unterschiedlicher Sensoren keine feste Phasenbeziehung auf. Stattdessen werden die beiden Radarsensoren R1, R2 unter Ver- wendung eines bekannten Referenzziels RO und durch entspre- chende Signalverarbeitung quasi-kohärent betrieben. Bei einem solchen Betrieb mit einem Referenzziel Z wird die bistatische Antwort mit Hilfe des bekannten und des gemessenen Abstandes drefii zum Referenzziel korrigiert. Alternativ kann auch ein Abstand dref22 von dem Referenzobjekt RO zu dem zweiten Sensor R2 zur Korrektur genutzt werden.
Die beiden Sensoren R1, R2, welche in unterschiedlichen Raum- richtungen messen, sind zu einem kooperativen Radarsystem kombiniert. Die Radarsensoren R1, R2 sind als konventionelle eigenständige FMCW-Radarsensoren ausgebildet und messen je- weils eine monostatische Antwort des Ziels Z und des Refe- renzziels RO, d.h. ein monostatisches Reflexionssignal RM, welches zur Ermittlung des Abstands d11, dref sowie der Ge- schwindigkeit des Ziels Z bzw. Referenzziels RO in radialer Raumrichtung von dem Sensor R1 zum Ziel Z bzw. Referenzziel RO genutzt werden kann. Zusätzlich zu der monostatischen Ant- wort wird wie bei dem in FIG 1 gezeigten Ausführungsbeispiel von den beiden Radarsensoren R1, R2 auch ein bistatisches Re- flexionssignal RB gemessen.
Das bistatische Reflexionssignal enthält Informationen zum Abstand d22 und zur Geschwindigkeit in radialer Richtung von dem Sensor R2 zum Ziel Z und zum Abstand d11 in Richtung von dem Radarsensor R1 zu dem Ziel Z. Entsprechendes gilt auch für das Referenzziel RO.
Wie bei dem in FIG 1 gezeigten Ausführungsbeispiel starten beide Sensoren R1, R2 eine Messung durch ein gemeinsames Triggersignal von der Triggereinheit TR, welche mit den bei- den Sensoren R1, R2 entweder über ein Kabel oder per Funk verbunden ist. Das gemeinsame Triggersignal stellt sicher, dass die bistatische Antwort innerhalb der durch die Sensor- hardware und Software vorgegebenen Grenzen, d.h. insbesondere Grenzen für die Beatfrequenzbandbreite, die Rampenkonfigura- tion und ADC (Analog Digital Controller) gemessen werden kann.
Um die monostatische Antwort und die bistatische Antwort an einem Sensor R1 zu unterscheiden, wird ein Frequenzoffset zwischen den beiden Radarsensoren R1, R2 realisiert, d.h. die FMCW-Signale der Radarsensoren starten bei jeweils unter- schiedlichen Frequenzen. Die Bandbreite und die Dauer des FMCW-Signals ist bei beiden Sensoren R1, R2 gleich. Dadurch wird die bistatische Antwort um den Frequenzoffset foff zu ei- nem vordefinierten Bereich im Basisband verschoben und kann von der monostatischen Antwort getrennt werden. Nach dem Ermitteln eines Beatspektrums erfolgt nun anders als bei dem in FIG 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Korrektur des bistatischen Anteils des Beatspektrums. Dieser Vorgang ist im Zusammenhang mit FIG 3 ausführlich erläutert.
Das korrigierte Beatspektrum wird dann analog zu der in FIG 1 geschilderten Vorgehensweise dazu genutzt, eine Position P und eine Geschwindigkeit v des Zielobjekts Z zu ermitteln.
Wie im Zusammenhang mit FIG 1 erläutert, können mit Hilfe der monostatischen Antwort aus der bistatischen Antwort der Ab- stand und die Geschwindigkeit in Richtung von dem Sensor R2 zu dem Zielobjekt Z ermittelt werden. Werden beide Sensoren R1, R2 an räumlich verteilten Punkten aufgestellt, dann ist in einem solchen kooperativen Radarsystem eine Lokalisierung und eine vektorielle Geschwindigkeitsmessung von Objekten Z möglich. Für den Erhalt dieser Informationen werden die Mess- daten von nur einem der beiden Sensoren R1, R2 benötigt.
Der quasi-kohärente Betrieb kann auch mit Hilfe eines GPS- gesteuerten Systems oder einer Funkverbindung zwischen den einzelnen Sensoren realisiert werden.
GPS oder Funkverbindungen zwischen den Sensoren können die Triggereinheit TR ersetzen. Beide Varianten können für den kohärenten und den quasi-kohärenten Betrieb für die Trigge- rung genutzt werden.
Bei GPS-Signalen wird ein sehr stabiles „Pulse Per Second"- Signal (GPS 1 PPS) gesendet (Frequenz 1 Hz). Dieses Signal kann beim Betrieb im Freien an den Sensoren des Systems emp- fangen werden und im Anschluss daraus kann lokal ein Trigger- signal generiert werden. Dieser Vorgang kann jeweils mit Hil- fe einer eigenen Phasenregelschleife realisiert werden, wel- che als Referenzsignal das 1PPS Signal verwendet.
Eine Funkverbindung zwischen den Sensoren setzt einen Master- Slave Betrieb zwischen den Sensoren voraus. Der Master Sensor kann dabei ein Triggersignal an den Slave Sensor senden. Dies kann sowohl innerhalb des für die Abstandsmessung benutzten Radarfrequenzbandes geschehen als auch mit zusätzlicher Hard- ware in anderen Frequenzbändern. Außerdem können mit Hilfe einer vorher definierten Signalform, welche vom Master zum Slave Sensor gesendet wird, Frequenz- und Phasenoffsets kom- pensiert werden, ähnlich zu einem Pilottonverfahren.
Ein Beispiel für eine Synchronisierung mittels einer direkten Funkverbindung zwischen zwei Radarsensoren ist im Paper "Pre- cise Distance Measurement with Cooperative FMCW Radar Units" von A. Stelzer, M. Jahn und S. Scheiblhofer, 1-4244-1463- 6/08/$25.00 2008 IEEE, S. 771 bis 774 gegeben. Hier wird al- lerdings nur der Abstand zwischen den Sensoren gemessen.
Teil der in FIG 2 gezeigten Beatspektrum-Messeinrichtung 20 ist auch eine Auswertungseinheit 100 mit einer Spektrum- Ermittlungseinheit 101 zum Ermitteln eines Rohdaten-Beat- spektrums RBS auf Basis der erfassten Messdaten SIF, 1· Das Rohdaten-Beatspektrum RBS weist einen niederfrequenten mono- statischen Bereich MB, welcher dem monostatischen Reflexions- signal RM zugeordnet ist, und einen höherfrequenten bistati- schen Bereich BB auf, welcher dem bistatischen Reflexionssig- nal RB zugeordnet ist. Das Rohdaten-Beatspektrum RBS wird an eine Referenzfrequenz-Ermittlungseinheit 102 übermittelt, die dazu eingerichtet ist, eine Frequenz bzw. Beatfrequenz RF des Referenzziels RO im bistatischen Bereich BB auf Basis des er- mittelten Rohdaten-Beatspektrums RBS zu ermitteln. Die Fre- quenz RFB des Referenzziels RO wird an eine Verschiebungsfre- quenz-Ermittlungseinheit 103 übermittelt, die dazu eingerich- tet ist, einen Wert fdiff einer Frequenzverschiebung des Beatspektrums im bistatischen Bereich, auf Basis der durch die Messung ermittelten Frequenz RFB des Referenzziels im bistatischen Bereich und einer vorbekannten Sollfrequenz SFB des bistatischen Reflexionssignals des Referenzziels RO zu ermitteln. Der Wert fdiff der Frequenzverschiebung und das Rohdaten- Beatspektrum RBS werden an eine Verschiebungseinheit 104 übermittelt. Die Verschiebungseinheit dient dazu, den bista- tischen Teil des Rohdaten-Beatspektrums RBS um den ermittel- ten Wert der Frequenzverschiebung fdiff zu verschieben. Bei diesem Vorgang wird ein korrigiertes Beatspektrum BSk ermit- telt, welches als Grundlage für eine Positionsberechnung und eine Geschwindigkeitsberechnung dienen kann.
Auf Basis des korrigierten Beatspektrums BSk wird schließlich von einer Beatfrequenz-Ermittlungseinheit 105 eine monostati- sche Beatfrequenz MZF und eine bistatische Beatfrequenz BZF des Zielobjekts Z ermittelt.
Die in FIG 2 gezeigte Auswertungseinheit 100 ist zusätzlich dazu eingerichtet, auf Basis des von dem Ziel Z modulierten bistatischen Rückstreusignals durch eine erste Fouriertrans- formation des modulierten Rückstreusignals nach der Frequenz f und eine zweite Fouriertransformation nach der Amplitude A eine Zuordnung zwischen einer Beatfrequenz eines bistatischen Signals SIF, 1,bi und der vorbekannten Modulationsfrequenz fmod des aktiven RFID-Transponders des Ziels Z durchzuführen.
Durch Ermittlung der für das Ziel Z bzw. den an dem Ziel Z anhaftenden RFID-Transponder 40 charakteristischen Modulati- onsfrequenz fmod kann die Identität des Ziels Z ermittelt wer- den.
In FIG 3 ist ein Schaubild 30 veranschaulicht, welches ein sogenanntes Beatspektrum BS einer Messung mit der in FIG 2 gezeigten Anordnung 20 veranschaulicht. Das in FIG 3 gezeigte Beatspektrum wurde also im quasi-kohärenten Betrieb aufgenom- men. Es zeigt die Magnitude M in Dezibel über die Frequenz f in Hertz aufgetragen.
Bei der Messung fand keine volle Synchronisation der beiden Radarsensoren R1, R2 durch ein Taktsignal Tkt statt. Statt- dessen wurde ein monostatisches Reflexionssignal MR und ein bistatisches Reflexionssignal BR sowohl von dem Zielobjekt Z als auch einem Referenzziel RO gemessen. In dem Beatspektrum sind der monostatische Bereich MB und der bistatische Bereich BB voneinander durch eine vertikale schwarze Linie L ge- trennt, die ungefähr bei einer Frequenz von 250 kHz liegt. Im monostatischen Bereich sind Maxima RF, ZF, die dem Referenz- ziel RO und dem Zielobjekt Z entsprechen, eingezeichnet. Die Frequenz ZF, die dem Zielobjekt entspricht, liegt ungefähr bei 50 kHz und die Frequenz RF, die dem Referenzziel RO ent- spricht, liegt ungefähr bei 100 kHz.
Auch im bistatischen Bereich BB des Beatspektrums BS sind Ma- xima RFB, ZFB, die dem Referenzziel und dem Zielobjekt ent- sprechen, erkennbar. Die Frequenz ZFB, die dem Zielobjekt Z entspricht, liegt ungefähr bei 530 kHz und die Frequenz RFB, die dem Referenzziel RO entspricht, liegt ungefähr bei 570 kHz. Die volle durchgezogene Linie kennzeichnet die Rohdaten RD des Radarsensors R1, d.h. die Daten, welche noch nicht mit Hilfe des Referenzzieles RO korrigiert wurden. Durch eine Korrektur des Beatspektrums BS im bistatischen Bereich BB werden die beiden Zielobjekte im Beatspektrum nach rechts verschoben. Dieser Vorgang wird aufgrund der bekannten Posi- tion des Referenzziels ZO und einer dessen Entfernung zuge- ordneten, ebenfalls bekannten Beatfrequenz, hier bei etwa 660 kHz, möglich. Das verschobene Spektrum CD ist durch eine ge- strichelte Linie gekennzeichnet. Mit Hilfe der korrigierten Spektraldaten CD lässt sich der Abstand d22 zwischen dem zweiten Radarsensor R2 und dem Ziel ZO ermitteln. Unter Kenntnis der Abstände d11, d22 zwischen den Radarsensoren R1,
R2 und dem Ziel lässt sich nun das unbekannte Ziel durch Tri- angulation lokalisieren, d.h. dessen Position bestimmen. Wei- terhin kann durch eine Bestimmung der Dopplerfrequenz auch die vektorielle Geschwindigkeit des Zielobjekts Z ermittelt werden. Für die Ermittlung beider Größen werden monostatische und bistatische Antworten ausgewertet. Diese liefern Ab- standswerte bzw. Geschwindigkeitswerte in zwei Raumrichtun- gen. In FIG 4 ist ein aktiver RFID-Transponder 40 eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschau- licht. Ein solcher aktiver RFID-Transponder 40 kann sowohl an einem Referenzobjekt mit bekannter Position als auch an einer Vielzahl von einem autonomen System, beispielsweise einem Fahrzeug oder einem Roboter, zu detektierenden und zu identi- fizierenden Objekten angeordnet sein. Der RFID-Transponder 40 umfasst eine Antenne 41, mit der ein Radarsignal von einem der Radarsensoren des kooperativen Radarsystems empfangen wird. Teil des RFID-Transponders 40 ist auch ein erster Ver- stärker 42, mit dem das eingehende Radarsignal verstärkt wird. Von dem ersten Verstärker 42 wird das Radarsignal an einen Modulator 43 übermittelt, der an dem Radarsignal eine Amplitudenmodulation mit einer Sinusschwingung mit einer Mo- dulationsfrequenz von fmod vornimmt. Dabei ist die Modulati- onsfrequenz (es wird keine Frequenzmodulation, sondern eine Amplitudenmodulation vorgenommen, die Modulationsfrequenz ist hier die Frequenz der Variation der Amplitude) kleiner als die Hälfte der sogenannten Rampenwiederholfrequenz fR. Bei der Rampenwiederholfrequenz fR handelt es sich um die Fre- quenz, mit der die Frequenzrampe des FMCW-Radarsensors des kooperativen Radarsystems wiederholt wird. Mithin ist die Rampenwiederholfrequenz mindestens doppelt so hoch wie die Modulationsfrequenz fmod· Das amplitudenmodulierte Signal wird dann von einem zweiten Verstärker 44 verstärkt und über eine Sendeantenne 45 von dem RFID-Transponder 40 emittiert.
In FIG 5 ist ein Schaubild 50 gezeigt, welches die Frequenz- rampen f des Radarsensors mit den Amplitudenwerten A des Mo- dulationssignals vergleicht. Wie zu erkennen ist, ist die Frequenz des Modulationssignals doppelt so hoch wie die Ram- penwiederholfrequenz fR. Mithin wird das Nyquist-Shannon- Theorem erfüllt. Pro Messung werden mehrere Rampen zeitlich hintereinander von jedem Radarsensor ausgesendet. D.h., die Frequenz des von einem Radarsensor ausgesendeten Radarsignals wird zeitlich linear erhöht, bis nach einer Periode TR eine Maximalfrequenz erreicht ist. Anschließend erfolgt eine Emis- sion des Radarsignals mit der Minimalfrequenz, wobei nachfol- gend die Frequenz des Radarsignals wieder zeitlich linear er- höht wird usw.. Sämtliche Rampen werden von dem RFID- Transponder 40 (siehe FIG 4) amplitudenmoduliert und das mo- dulierte Signal wird zu dem jeweiligen Sensor des kooperati- ven Systems (siehe FIG 1, 2) zurückgesendet. In der Auswer- tungseinheit des kooperativen Radarsystems werden die modu- lierten Radarsignale auf eine vom Abstand des Transponders 40 abhängige Beatfrequenz Af heruntergemischt. Anders ausge- drückt erfolgt eine Mischung des Radarsignals mit der Fre- quenz fi des empfangenden Radarsensors, wobei das Diffe- renzergebnis das Signal mit der vom Abstand des Transponders abhängigen Beatfrequenz des RFID-Transponders ergibt. Auf- grund der Amplitudenmodulation ergibt sich nun bei einer Fou- riertransformation des modulierten Radarsignals für jede Ram- pe eine andere Amplitude bei der erfassten Beatfrequenz.
In FIG 6 sind Abtastwerte für eine Mehrzahl von N Rampen R zur Berechnung eines Amplitudenspektrums mit Hilfe einer ers- ten Fouriertransformation FFT1 als leere Quadrate gezeigt.
Ein solches Amplitudenspektrum ist in FIG 7 für eine Vielzahl von Rampen bzw. Signale veranschaulicht. Für die erste Fou- riertransformation FFT1 wird über die Zeit t in zeitlich kon- stanten Abständen das empfangene modulierte Radarsignal abge- tastet. Zur besseren Veranschaulichung ist in FIG 6 eine „Richtung" der Abtastung für die erste Fouriertransformation FFT1 durch einen Pfeil der die Abtastrichtung von links nach rechts anzeigt, verdeutlicht. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Rampen zugeordneten Signale in FIG 6 zwar unterei- nander durch Zeilen symbolisiert sind, aber in Wirklichkeit zeitlich nacheinander erfasst werden. Die Abtastung erfolgt also zeilenweise von links nach rechts und in der Zeilenfolge von oben nach unten.
In FIG 7 ist das durch die erste Fouriertransformation FFT1 erzeugte Amplitudenspektrum für insgesamt 24 Signale darge- stellt. Die Ordinate zeigt sogenannte Frequenz-Bins n von dem Wert n = 1 bis 100. Den einzelnen Frequenz-Bins ist jeweils ein Frequenzintervall zugeordnet. FIG 7 zeigt nur den bista- tischen Anteil des Amplitudenspektrums, also den Anteil, der durch kooperativen Einsatz von zwei Radarsensoren erzeugt wurde. Wie in FIG 7 zu erkennen ist, zeigt das Amplituden- spektrum noch kein eindeutiges Maximum für alle Signale, da die Signale nur quasi-kohärent erzeugt und erfasst wurden.
Die Frequenz des n-ten Bins ist: fn = fsample/NAbtast*n . (7)
Dabei ist fsample die maximale Abtastfrequenz und NAbtast die An- zahl der Abtastungen für die Fouriertransformation. Der Wert n gibt die Nummer des n-ten Bins an. Die Frequenz fn ist die jeweilige rechte Randfrequenz des n-ten Bins.
In FIG 8 ist eine zweite Fouriertransformation FFT2 entlang der einzelnen Amplitudenwerte A über alle Rampen für eine Frequenz veranschaulicht. Eine Frequenz bzw. ein Frequenzin- tervall entspricht einem Bin n. Die Richtung der Abtastung zur Erzeugung der Fouriertransformierten ist in FIG 8 als vertikaler Pfeil von oben nach unten gerichtet veranschau- licht. D.h., die Abtastung erfolgt in Amplitudenrichtung.
Die zweite Fouriertransformation FFT2 dient der Auffindung der Beatfrequenz des RFID-Transponders. Dabei variiert die Amplitude für jede Rampe und dieselbe Beatfrequenz bzw. das- selbe Bin n. Wird nun die zweite Fouriertransformierte für jedes Bin n in Amplitudenrichtung gebildet so ergibt das in FIG 9 veranschaulichte Schaubild.
FIG 9 zeigt ein Schaubild der zweiten Fouriertransformierten. Die zweite Fouriertransformierten zeigt ein Spektrum in Ab- hängigkeit von der Beatfrequenz bzw. den entsprechenden Bins n sowie der Modulationsfrequenz fmod· Helle Bereiche im Schau- bild stellen Maxima der Amplitude A dar. Ist die Modulations- frequenz mit 600 Hz bekannt, wie es beispielsweise bei einem Referenzziel RO der Fall ist, so kann aus dem Schaubild das Maximum für das Bin 27 herausgelesen werden. Auf dies Weise kann die bistatische Beatfrequenz (entspricht Bin 27) des Re- ferenzziels bestimmt werden. Ist nun die bistatische Beatfre- quenz des Referenzziels RO bekannt, so kann eine Verschiebung der einzelnen Maxima in dem Schaubild von FIG 7 zu dem Bin 27 durchgeführt werden. Auf dies Weise wird ein korrigiertes Beatspektrum erhalten, wie es in FIG 10 gezeigt ist.
In FIG 10 ist nun das korrigierte Beatspektrum gezeigt. In dem korrigierten Beatspektrum sind die Maxima der einzelnen Signale jeweils bei derselben Frequenz angeordnet. Während das linke Maximum das Referenzziel repräsentiert, tritt im rechten Teil des Beatspektrums ein zweites Maximum auf, wel- ches einem Objekt zuzuordnen ist, dessen Beatfrequenz bei dem Bin 72 liegt. Auf Basis der Beatfrequenz kann nun die Positi- on sowie auch die Geschwindigkeit des detektierten Objekts ermittelt werden. Werden also anstatt einem Transponder meh- rere Transponder an verschiedenen Objekten im Sichtfeld des kooperativen Radarsystems verteilt, so können diese mit Hilfe der im Zusammenhang mit FIG 4 bis FIG 9 beschriebenen Vorge- hensweise identifiziert und gleichzeitig hinsichtlich ihre Position und Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung spezifi- ziert werden.
In den FIG 11 bis FIG 20 ist das Verfahren zur Identifizie- rung und Lokalisierung eines Objekts, das im Zusammenhang mit FIG 6 bis 10 veranschaulicht wurde, noch einmal im Detail ge- zeigt.
In FIG 7 und in FIG 10 sind 24 modulierte Empfangssignale übereinander gezeichnet. Den jeweiligen Empfangssignalen ist jeweils eine unterschiedliche Frequenzrampe zugeordnet, mit der ein Sensorsignal, welches anschließend von einem Trans- ponder moduliert wurde, erzeugt wurde. In FIG 11 dagegen ist das Empfangssignal nur der ersten Rampe veranschaulicht. Der Frequenz-Bin 27 weist einen lokalen Maximalwert mit einer Amplitude von -33,04 dB auf.
In FIG 12 ist das zweite Empfangssignal, welches durch das zweite Rampensignal erzeugt wurde, veranschaulicht. Hier weist das Empfangssignal bei dem Frequenz-Bin 27 eine Amplitude von -32,65 dB auf. Die Ermittlung der Amplituden bei dem Frequenz-Bin 27 kann genauso für alle 24 Rampen wie- derholt werden. Die Amplitude ist proportional zur Signal- leistung. Die Amplitudenwerte geben die Magnitude in dB (De- zibel) an.
In FIG 13 ist das 24-te Empfangssignal, welches durch das 24- te Rampensignal erzeugt wurde, veranschaulicht. Hier weist das Empfangssignal bei dem Frequenz-Bin 27 eine Amplitude von -32,84 dB auf.
Werden alle 24 Amplituden bei dem Frequenz-Bin 27 in einem Schaubild in Abhängigkeit von der Rampenzahl ZR dargestellt, so ergibt sich die in FIG 14 gezeigte Darstellung.
Dabei ist der erste Wert die Amplitude -33,04 dB des Emp- fangssignals der ersten Rampe, der zweite Wert die Amplitude -32,65 dB des Empfangssignals der zweiten Rampe und der letz- te Wert die Amplitude -32,84 dB der letzten Rampe. In FIG 14 ist bereits ein periodischer Verlauf der Amplitudenwerte er- kennbar, welcher die Modulationsfrequenz des RFID-Transpon- ders des detektierten Objekts abbildet.
Da die Empfangssignale zeitlich direkt aufeinander folgen, kann anstatt der Nummer ZR (Rampennummer) des Empfangssignals auf der x-Achse auch die Empfangszeit aufgetragen werden. In diesem Beispiel beträgt die Empfangszeit pro Signal 414 μs.
Wird über den zeitlichen Verlauf des Amplitudensignals eine Fouriertransformierte berechnet, so ergibt sich das Amplitu- denspektrum, welches in FIG 15 gezeigt ist. In FIG 15 ist für eine Frequenz f von 0 Herz der DC-Anteil des Empfangssignals gezeigt. Es ergibt sich eine starke Amplitude für 0 Hz, weil das Empfangssignal mit einem Offset von etwa -33,27 belegt ist, was einem Durchschnittswert der 24 Maxima entspricht. In FIG 15 ist bereits ein kleineres Nebenmaximum bei einer Modu- lationsfrequenz f von 600 Hz zu erkennen. Entfernt man den Amplitudenwert für den DC-Anteil, so ergibt sich das in FIG 16 veranschaulichte Spektrum. Hier ist ein- deutig zu sehen, dass der größte Frequenzanteil mit Ausnahme des DC-Anteils des Empfangssignals bei etwa 600 Hz liegt. Dieser Wert entspricht der Modulationsfrequenz des RFID- Transponders des detektierten Referenzobjekts. Der in FIG 16 gezeigte Kurvenverlauf wird auch sichtbar, wenn man von dem Empfangssignal den Mittelwert entfernt.
Der Verlauf des vom Mittelwert befreiten Empfangssignals für den Bin 27 ist in FIG 17 gezeigt.
In FIG 18 ist wiederum die Fouriertransformierte „in Amplitu- denrichtung" gezeigt. Hier ist der DC-Anteil des Signales 0, weil das Signal vom Mittelwert befreit wurde. Dadurch kann der größte Frequenzanteil direkt mit einer Maximumssuche be- stimmt werden. Da das Maximum genau bei der Modulationsfre- quenz des RFID-Transponders des Referenzobjekts liegt, wird das Ziel des Frequenz-Bins 27 als der RFID-Transponder des Referenzobjekts identifiziert.
Diese Vorgehensweise muss für jeden Frequenz-Bin wiederholt werden, weil sich der RFID-Transponder aufgrund der mangeln- den Kohärenz des Radarsystems bei einem unbekannten Frequenz- Bin befindet. Der Bin 27 wurde hier nur als Beispiel gewählt, weil aus einer vorherigen Auswertung bereits bekannt war, dass sich der RFID-Transponder des Referenzobjekts dort be- findet.
Zufällig ergibt es sich im Spektrum der FIG 7, dass das Fre- quenz-Bin 49 ebenfalls den größten Frequenzanteil des Ampli- tudensignals bei einer Frequenz von ca. 600 Hz aufweist. Zu sehen ist das in FIG 19.
Um eindeutig feststellen zu können, welcher Frequenz-Bin zum zu identifizierenden RFID-Transponder gehört, kann die durch- schnittliche Amplitude der jeweiligen Frequenz-Bins hinzuge- zogen werden. Der Frequenz-Bin 27 weist eine durchschnittli- che Amplitude von -33,27 dB auf. Da sich der Frequenz-Bin 49 im Rauschen befindet (siehe FIG 7), hat dieser nur eine durchschnittliche Amplitude von -53,83 dB. Somit kann ausge- schlossen werden, dass es sich bei dem Bin 49 um einen RFID- Transponder handelt.
Werden die Fouriertransformierten mit der jeweiligen durch- schnittlichen Amplitude des Bins gewichtet, so ergibt sich das in FIG 20 gezeigte Bild. Dabei entspricht die gestrichel- te Linie dem Amplitudenverlauf für den Bi 49 und die durchge- zogene Linie dem Amplitudenverlauf für den Bin 27.
Die Gewichtung des Amplitudenverlaufs mit der durchschnittli- chen Amplitude des Bins muss nicht zwingenderweise erfolgen, wenn vorher durch ein geeignetes Verfahrens alle Rausch-Bins aus der Fouriertransformation der Amplituden (FFT2) ausge- schlossen wurden. Dies kann zum Beispiel mit Hilfe eines Zieldetektionsalgorithmus erreicht werden. Nach der Zielde- tektion werden nur noch diejenigen Frequenz-Bins auf eine Mo- dulationsfrequenz untersucht, welche als Ziel identifiziert wurden. Allerdings ist eine Zieldetektion oftmals rechen- und zeitaufwändiger als eine Gewichtung mit anschließendem Amplitudenvergleich .
Werden die gewichteten Fouriertransformierten der Empfangs- signale von allen Frequenz-Bins in die Spalten einer Matrix geschrieben, so ergibt sich das in FIG 9 gezeigt Bild. Dort sind hellere Bereiche Maxima der Amplituden zugeordnet.
In FIG 21 ist ein Flussdiagramm 2100 gezeigt, welches ein kombiniertes Identifizierungs- und Positionsermittlungsver- fahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veran- schaulicht .
Bei dem Schritt 21.1 wird zunächst von einem Radarsensor ei- nes kooperativen Radarsystems ein Radarsignal erzeugt. Dieses Radarsignal wird bei dem Schritt 21.11 von einem RFID-Trans- ponder, der an einem zu detektierenden und zu identifizieren- den Objekt angeordnet ist, amplitudenmoduliert. Nach einer Verstärkung des modulierten Signals wird das modulierte Sig- nal an das kooperative Radarsystem zurückgesendet. Bei dem Schritt 21.III erfolgt die Erfassung und Mischung des modu- lierten Signals durch einen Radarsensor des kooperativen Ra- darsystems. Bei dem Mischungsschritt erfolgt eine Mischung des modulierten Signals mit dem Rampensignal des Radar- sensors. Auf diese Weise wird ein Differenzsignal zwischen der Frequenz des modulierten Signals und der Frequenz des empfangenden Radarsensors erzeugt, welches nun auch als Beat- signal bezeichnet wird. Bei dem Schritt 21.IV erfolgt eine Abtastung des Beatsignals. Bei dem Schritt 21.V werden die abgetasteten Daten, welche unterschiedlichen Rampen zugeord- net sind, voneinander getrennt. Dann erfolgt bei dem Schritt 21.VI die erste Fouriertransformation der abgetasteten Sig- naldaten zur Erzeugung eines Amplitudenspektrums. Bei dem Schritt 21.VII wird weiterhin die zweite Fouriertransformati- on des Amplitudenspektrums durchgeführt. Anschließend erfolgt bei dem Schritt 21.VIII die Ermittlung der den einzelnen Ob- jekten zugeordneten Frequenzen. Dabei wird bei einer quasi- kohärenten Radarsensordetektion zunächst im Spektrum die Beatfrequenz des RFID-Transponders des Referenzobjekts sowie die dem RFID-Transponder zugeordnete Modulationsfrequenz er- mittelt. Zudem werden auch andere Objekte anhand deren Modu- lationsfrequenz identifiziert und anhand des ihnen zugordne- ten Beatsignals lokalisiert.
Bei dem Schritt 21.IX wird, um Rauscheffekte auszuschließen, dass mit der FIG 20 veranschaulicht Verfahren zur Amplituden- detektion durchgeführt, wobei „Scheinobjekte" ausgeschlossen werden können.
Anschließend können weitere Prozessschritte zur Ermittlung kinematischer Größen, wie zum Beispiel die Position, die Ge- schwindigkeit bzw. die vektorielle Geschwindigkeit eines identifizierten Objekts erfolgen. Hierzu kann im Detail zum Beispiel eine Bestimmung der monostatischen und bistatischen Abstände der Objekte, eine Triangulation und daraus eine Po- sitionsbestimmung der Objekte durchgeführt werden. Zur Ge- schwindigkeitsbestimmung kann eine Bestimmung der Dopplerfre- quenzen und der Geschwindigkeiten der detektierten Objekte erfolgen. Weiterhin kann zur Bestimmung der vektoriellen Ge- schwindigkeit auch eine Bestimmung der Bewegungsrichtung der Objekte erfolgen.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen le- diglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung han- delt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständig- keit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein" bzw. „eine" nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit" nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Patentansprüche
1. System (10, 20) zur Identifizierung und Lokalisierung ei- nes Objekts, aufweisend:
- ein bistatisches FMCW-Radarsensorsystem (10, 20) mit min- destens zwei FMCW-Radarsensoren (R1, R2), welches kohärent oder quasi-kohärent betreibbar ausgebildet ist und dazu ausgebildet ist, eine Serie von sich wiederholenden Rampen- signalen zu emittieren,
- einen aktiven RFID-Transponder (40), welcher an einem zu identifizierenden und zu lokalisierenden Objekt (Z) ange- ordnet ist und dazu eingerichtet ist, ein moduliertes bistatisches Rückstreusignal (RB, SIF, 1,bi) zu erzeugen, wo- bei ein von einem der mindestens zwei Radarsensoren (R1,
R2) mit einer Rampenwiederholfrequenz (f) ausgesendetes Rampensignal mit einem Amplitudenmodulationssignal, dessen vorbekannte Modulationsfrequenz (fmod) kleiner als die halbe Rampenwiederholfrequenz ist, moduliert wird,
- eine Auswertungseinheit (100, 100a), welche dazu eingerich- tet ist, auf Basis des modulierten bistatischen Rückstreu- signals (RB, SIF, 1,bi) durch eine erste Fouriertransformation des modulierten Rückstreusignals (RB, SIF, 1,bi) nach der Fre- quenz (f) und eine zweite Fouriertransformation nach der Amplitude (A) eine Zuordnung zwischen einer Beatfrequenz und der vorbekannten Modulationsfrequenz (fmod) des aktiven RFID-Transponders (40) durchzuführen.
2. System nach Anspruch 1, wobei die Auswertungseinheit (100, 100a) dazu eingerichtet ist, auf Basis der Beatfrequenz einen Abstand des aktiven RFID-Transponders (40) zu dem bistati- schen Radarsensorsystem (R1, R2) zu ermitteln und den aktiven RFID-Transponder (40) auf Basis der vorbekannten Modulations- frequenz (fmod) zu identifizieren.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend, für den Fall eines quasi-kohärenten bistatischen Radarsensorsystems, - ein Referenzziel (RO) mit vorbekannter Position und einem aktiven RFID-Transponder (40) mit vorbekannter Modulations- frequenz (fmod) r wobei die Auswertungseinheit (100)
- dazu eingerichtet ist, auf Basis von zwei Fouriertrans- formationen und der vorbekannten Modulationsfrequenz
(fmod) des Referenzziels (RO) dem Referenzziel (RO) eine Beatfrequenz zuzuordnen und
- eine Kalibrierungseinheit (102, 103, 104) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, auf Basis einer bistatischen Mes- sung mit einem der mindestens zwei Radarsensoren (R1, R2) und auf Basis der ermittelten Beatfrequenz (RFB) des Re- ferenzziels (RO) eine Kalibrierung zum Ermitteln eines korrigierten Beatspektrums (BSk) durchzuführen.
4. System nach Anspruch 3, wobei die Kalibrierungseinheit da- zu eingerichtet ist
- eine Frequenz (RFB) des Referenzziels (RO) im bistatischen Bereich (BB) auf Basis des ermittelten Beatspektrums (RBS) zu ermitteln,
- einen Wert (fdiff) einer Frequenzverschiebung des Beatspekt- rums im bistatischen Bereich (BB), auf Basis der durch die Messung ermittelten Frequenz (RFB) des Referenzziels (RO) im bistatischen Bereich (BB) und einer vorbekannten Soll- frequenz (SFB) des bistatischen Reflexionssignals (RB) des Referenzziels (RO) zu ermitteln,
- das Beatspektrum (RBS) um den ermittelten Wert (fdiff) der Frequenzverschiebung zu verschieben.
5. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine Positionsermittlungseinheit, welche dazu eingerichtet ist,
- eine Position eines aktiven RFID-Transponders (40) zu er- mitteln auf Basis der zugeordneten Beatfrequenz,
- eine erste Laufzeit (in) des monostatischen Reflexionssig- nals (RM) auf Basis der Frequenz (MZF) des Zielobjekts (Z) im monostatischen Bereich (MB) des ermittelten Beatspekt- rums (RBS, BSk) zu ermitteln, - eine zweite Laufzeit (τ12) des bistatischen Reflexionssig- nals (RB) auf Basis der Frequenz (BZF) des Zielobjekts (Z) im bistatischen Bereich (BB) des ermittelten Beatspektrums (RBS, BSk) zu ermitteln,
- Abstände (d11, di2) der Sensoren (R1, R2) zu dem Zielobjekt
(Z) auf Basis der ermittelten Laufzeiten (τ11, T12) zu er- mitteln,
- eine Position (P) des Zielobjekts (Z) durch Triangulation auf Basis der ermittelten Abstände (d11, di2) zu ermitteln.
6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine Geschwindigkeitsermittlungseinheit, welche dazu einge- richtet ist,
- eine erste Dopplerfrequenz (mfdP)des monostatischen Refle- xionssignals (RM) des Zielobjekts (Z) im monostatischen Be- reich (MB) des ermittelten Beatspektrums (RBS, BSk) zu er- mitteln,
- eine zweite Dopplerfrequenz (bfdP) des bistatischen Refle- xionssignals (RB) des Zielobjekts (Z) im bistatischen Be- reich (BB) des ermittelten Beatspektrums (RBS, BSk) zu er- mitteln,
- eine erste Geschwindigkeitskomponente (v11) des Zielobjekts (Z) auf Basis der ersten Dopplerfrequenz(mfdP) zu ermit- teln,
- eine zweite Geschwindigkeitskomponente (V22) des Zielob- jekts (Z) auf Basis der zweiten Dopplerfrequenz(bfdP) und der ersten Geschwindigkeitskomponente (v11) zu ermitteln,
- eine vektorielle Geschwindigkeit (V) des Zielobjekts (Z) auf Basis der ermittelten ersten Geschwindigkeitskomponente (v11) und der ermittelten zweiten Geschwindigkeitskomponen- te (V22) zu ermitteln.
7. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine Mehrzahl von RDID-Transpondern (40), welche jeweils eine unterschiedliche Modulationsfrequenz (fmod) aufweisen und je- weils an einem unterschiedlichen Objekt angeordnet sind.
8. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend eine Mehrzahl von RFID-Transpondern (40), welche an ein und demselben Objekt so angeordnet sind, dass die Länge und/oder Breite und/oder Höhe des Objekts mit Hilfe der RFID-Trans- ponder (40) geschätzt werden kann.
9. Verfahren zur Identifizierung und Lokalisierung eines Ob- jekts, aufweisend die Schritte:
- Emittieren einer Serie von sich wiederholenden Rampensigna- len durch ein bistatisches FMCW-Radarsensorsystem (10, 20) mit mindestens zwei FMCW-Radarsensoren (R1, R2), welches kohärent oder quasi-kohärent betreibbar ausgebildet ist,
- Erzeugen eines modulierten bistatischen Rückstreusignals (RB, SIF, 1,bi) durch einen aktiven RFID-Transponder (40), welcher an einem zu identifizierenden und zu lokalisieren- den Objekt (Z) angeordnet ist, wobei ein von einem der min- destens zwei Radarsensoren (R1, R2) mit einer Rampenwieder- holfrequenz (f) ausgesendetes Rampensignal mit einem Amplitudenmodulationssignal, dessen vorbekannte Modulati- onsfrequenz (fmod) kleiner als die halbe Rampenwiederholfre- quenz (f) ist, moduliert wird,
- Durchführen einer Zuordnung zwischen einer Beatfrequenz und der vorbekannten Modulationsfrequenz (fmod) des aktiven RFID-Transponders (40) auf Basis des modulierten bistati- schen Rückstreusignals (RB, SIF, 1,bi) durch eine erste Fou- riertransformation des modulierten bistatischen Rückstreu- signals nach der Frequenz (f) und eine zweite Fouriertrans- formation nach der Amplitude (A).
10. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, wel- ches direkt in eine Rechnereinheit eines Systems (10, 20) ladbar ist, mit Programmabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach Anspruch 9 auszuführen, wenn das Computer- programm in der Rechnereinheit ausgeführt wird.
11. Computerlesbares Medium, auf welchem von einer Rech- nereinheit ausführbare Programmabschnitte gespeichert sind, um alle Schritte des Verfahrens nach Anspruch 9 auszuführen, wenn die Programmabschnitte von der Rechnereinheit ausgeführt werden.
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