Radarsystem zur Umfelderfassung mit Mitteln zur Vermessung der Oszillatorkennlinie

Die Erfindung betrifft ein Radarsystem zur Umfelderfassung mit Mitteln zum Vermessen einer Oszillatorkennlinie. Ein solches System zur Umgebungsüberwachung kann z.B. in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, in dem eine Fahrerassistenz oder Sicherheitsfunktion vorgesehen ist.

Die Funktionsweise eines frequenzmodulierten Radarsystems, zur Abstands- und Relativgeschwindigkeitsbestimmung von Objekten ist seit vielen Jahren bekannt und wird in der Literatur vielfach beschrieben. Ein frequenzmoduliertes Radarsystem basiert auf einem Oszillator, der in Abhängigkeit von einem eingehenden Steuersignal ein Signal mit einer vorgegebenen Ausgangsfrequenz ausgibt. Die Abhängigkeit dieser beiden Parameter wird mit einer Frequenzkennlinie des Oszillators beschrieben. Dabei muß die Frequenzkennlinie sehr genau vermessen werden, um Messfehler bei der Erfassung von Umgebungsobj ekten zu vermeiden. Fehler in der Frequenzmodulation können zu einer unscharfen Abbildung von Objekten fuhren, wodurch Objekte mit kleinem Rückstreuquerschnitt von Objekten mit größerem Rückstreuquerschnitt verdeckt werden können. Weitere Auswirkungen von Fehlern bei der Frequenzmodulation können Störlinien und damit Fehldetektionen sein, sowie erhöhtes Rauschen. Die Frequenzkennlinie muss ständig aktualisiert werden, um z. B. eine Veränderung verursacht durch eine Temperaturdrift ausgleichen zu können.

Ein bekanntes Verfahren zur Vermessung von Frequenzkennlinien, besteht darin, bei einem konstanten Oszillatoransteuersignal die Zahl der Nulldurchgänge innerhalb eines vorgegebenen Messintervalls zu zählen. Dieses Verfahren ist entweder ungenau, wenn

ein kurzes Messintervall gewählt wird, oder sehr langsam, wenn zur Erhöhung der Messgenauigkeit ein langes Messintervall gewählt wird.

Es ist Aufgabe der hier vorliegenden die Frequenzkennlinie eines Oszillators in einem Radarsystem zur Umgebungserfassung präzise und schnell zu vermessen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Radarsystem gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das beanspruchte Radarsystem zur Umfelderfassung mit Mitteln zum Vermessen einer Oszillatorkennlinie umfasst Sendemittel zur gerichteten Abstrahlung von Sendeleistung, Empfangsmittel zum gerichteten Empfang von an Objekten reflektierter Sendeleistung und Signalverarbeitungsmittel zur Prozessierung der empfangenen Leistung. Die Frequenz der Sendeleistung wird durch eine entsprechende Ansteuerung eines dafür vorgesehenen Oszillators moduliert. Der Oszillator wird mit einem Satz diskreter Steuersignalwerte angesteuert. Für zumindest einen Teil dieser diskreten Steuersignalwerte wird die Ausgangsfrequenz des Oszillators vermessen und eine Kennlinie Steuersignal - Ausgangsfrequenz für den Oszillator erstellt. Die Vermessung der Oszillatorausgangsfrequenz umfasst eine Abtastung des Oszillatorausgangssignals oder eines durch Frequenzteilung daraus gewonnenen Signals, gegebenenfalls nach geeigneter Vorverarbeitung, eine Fensterung des abgetasteten Signals und eine Frequenzbestimmung für das gefensterte Signal durch eine Spektralanalyse. Die Messung wird für jeweils einen diskreten Steuersignalwert durchgeführt. Mit dem beanspruchten Radarsystem kann die Oszillator-Kennlinie genau und schnell bestimmt werden. Diese Eigenschaften ermöglichen die Realisierung eines kostengünstigen Radarsystems, da die Modulation der Oszillatorfrequenz mit wenig Hardware- Aufwand realisiert werden kann. Die Oszillatorausgangsfrequenz wird über ein Ansteuersignal nur per „Software" gesteuert. Es ergibt sich durch die Softwaresteuerung darüber hinaus die Möglichkeit, die Signalform des Sendesignals

sehr einfach zu variieren, beispielsweise den Frequenzhub dynamisch zu verstellen und damit die Entfernungsauflösung den aktuellen Umgebungsbedingungen z.B. den Verkehrsverhältnissen anzupassen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Spektralanalyse eine diskrete Fouriertransformation (DFT) benutzt und die Ausgangsfrequenz des Oszillators wird durch Interpolation bzw. Abschätzung der Signalwerte zwischen den diskreten Spektrallinien unter Berücksichtigung der verwendeten Fensterfunktion gewonnen. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die diskrete Fouriertransformation (DFT) mit einer schnellen Fouriertransformation (FFT) durchgeführt. In einer besonderen Ausgestaltung des hier beanspruchten Radarsystems ist als Oszillator zur Modulation der Sendeleistung ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) vorgesehen. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden zur Frequenzmodulation nur die bereits vermessenen Steuersignalwerte der Oszillator-Kennlinie benutzt. Nicht vermessene Steuersignalwerte, also geschätzte bzw. interpolierte Werte werden nicht für die Erzeugung des Sendesignals verwendet.

Insbesondere ist ein Signalpfad zur Detektion von Objekten und ein Rückmesspfad zur Vermessung der Oszillator-Frequenzen vorgesehen. Der Rückmesspfad ist zum Signalpfad separat angeordnet und umfasst einen Frequenzteiler. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird während der Detektion von

Objekten, d.h. der Signalpfad ist aktiv, der Rückmesspfad deaktiviert um die Erfassung von Umgebungsobjekten nicht zu stören. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Ausgangssignal des Frequenzteilers im Rückmesspfad derart in seiner Frequenz verändert wird, dass die Erfassung von Umgebungsobjekten gar nicht oder nur in einem geringen Maß gestört wird. Die Frequenz im Rückmesspfad wird so eingestellt, dass die Frequenzbereiche der Signale in Signal- und Rückmesspfad keine oder nur eine geringe überschneidung aufweisen. Gleiches gilt für die Harmonischen der Signale. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Frequenzteiler im Rückmesspfad so ausgelegt, dass die Frequenz des abgetasteten Signals nicht im

Bereich von 1/2-f _A , 1-fα, 3/2-f _A , 2-fα, ... liegt, wobei f _A , die Abtastfrequenz ist, da dann eine Interpolation des frequenzabhängigen Leistungsverlaufs zwischen den diskreten Frequenzwerten nicht möglich ist.

Eine besondere Ausgestaltung des Radarsystems sieht eine Datenverarbeitungseinheit mit einem vorgeschalteten Analog-Digital- Wandler vor. Die Datenverarbeitungseinheit dient der Auswertung von Signalen, die im Signalpfad und Rückmesspfad anfallen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Radarsystems sind Umschaltmittel vorgesehen, so dass immer nur ein Signal -entweder ein Signal aus dem Signalpfad oder ein Signal aus dem Rückmesspfad - an die Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet wird. Insbesondere wird für die Auswertung von Messsignalen zur Detektion von Objekten und von Messsignalen zur Vermessung der Oszillatorfrequenzen die gleiche DFT verwendet.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Radarsystems sieht vor, dass die Ausgangsfrequenz des Oszillators bei zumindest einer diskreten Oszillatoransteuerung zumindest zwei Mal vermessen und über zumindest zwei Messwerte gefiltert wird. Dieses Vorgehen erhöht die Genauigkeit der Frequenzbestimmung.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden diskrete Signalwerte zur Oszillatoransteuerung durch einen Digital- Analog- Wandler (DAC) generiert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden nur die Spannungen zur Oszillatoransteuerung vermessen, die den zur Rampenerzeugung benötigten

Oszillatorausgangsfrequenzen entsprechen. So wird vermieden, dass eine Vermessung von nicht benötigten Messwerten, die gesamte Messzeit verlängert. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Detektion von Objekten und die Vermessung der Oszillator-Frequenzen mit einer im Wesentlichen gleichen Wiederholrate durchgeführt. D.h. die Oszillatoransteuerungswerte, die zur

Rampenerzeugung benötigt werden, werden in einem oder wenigen Zyklen vermessen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine jeweils aktuelle Kennlinie für die Ansteuerung des Oszillators benutzt wird, so dass sich schnell ändernde Umwelteinflüsse z.B. Temperaturänderungen die Messgenauigkeit des Radarsystems

nicht negativ beeinflussen. Um die Messzeit zu verringern kann ein einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung jeweils nur ein Teil der Kennlinie vor einer Detektion von Objekten vermessenen werden und eine weiterer Teil vor der darauffolgenden Detektion von Objekten und so fort.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1: Blockschaltbild eines Radarsystems mit Mitteln zum Vermessen einer Oszillator

Kennlinie

Fig. 2: Abgetastetes Oszillatorsignal aus dem Rückmesspfad

Fig. 3: Spektrum des abgetasteten Rückmesssignals

Fig. 4: Frequenzabhängiges Leistungsspektrum des Oszillators im Rückmesspfad

In Fig.1 ist ein Blockschaltbild eines Radarsystems gezeigt, das alle wesentlichen

Elemente der Erfindung enthält. Mit Hilfe eines spannungsgesteuerten, modulierbaren Oszillators VCO wird ein frequenzmoduliertes Sendesignal erzeugt, das über eine Kopplerstruktur K einer Antenne A zugeführt wird. Gleichzeitig wird das Oszillatorsignal an einen Mischer M geführt, an dem es mit dem Empfangssignal gemischt wird. Das Ausgangssignal des Mischers wird in einem Bandpassfilter gefiltert. Der Rückmesspfad R umfasst einen Frequenzteiler Kl und ein Bandpassfilter BP. Rückmesspfad und Signalpfad sind über einen Multiplexer MUX mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit SP verbunden. Der Signalverarbeitungseinheit mit ist ein Analog Digital Wandler vorgeschaltet.

Als Sendesignal wird eine Folge linearer Frequenzrampen verwendet, deren Frequenzhub pro Zeiteinheit so groß ist, dass die Differenzfrequenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal fast ausschließlich von der Laufzeit und damit von der Entfernung zum Objekt, an dem die Reflektion stattfindet, abhängt. Die Differenzfrequenz hängt nur zu einem viel geringeren Teil von der Relativgeschwindigkeit ab. Somit erhält man aus der Abtastung einer einzelnen Rampe

des Mischsignals die Entfernungsinformation, wobei die Frequenz des Signals proportional zur Entfernung ist. Durch die Auswertung der Phasenänderung zwischen den abgetasteten Rampen des Mischsignals ergibt sich die Dopplerrrequenz und damit die Relativgeschwindigkeit. Die Berechnung der Entfernung und der Relativgeschwindigkeit erfolgt mit Hilfe einer zweidimensionalen

Fouriertransformation. Fehler in der Frequenzrampe können zu unscharfen Abbildungen in der Entfernung und damit auch zum Verdecken kleinerer Ziele, zu Störlinien im Entfernungsspektrum und damit zu Fehldetektionen und auch zu erhöhtem Rauschen führen. Zusätzlich zu dem beschriebenen Signalpfad ist ein Rückmesspfad R vorgesehen. Hier wird das Oszillatorsignal direkt digitalisiert und anschließend wird die Frequenz bestimmt. Als zusätzliche Bausteine sind hierfür lediglich ein Frequenzteiler, ein Bandpassfilter und ein Multiplexer notwendig. Dieser Pfad ist während der Sendepausen aktiv geschaltet. Während der Messung von Umgebungsobjekten (Sendeleistung wird abgestrahlt und empfangen) wird das Rückmesssignal deaktiviert, um eine Einkopplung auf den Signalpfad zu vermeiden. In den Sendepausen wird über einen DAC (Digital- Analog-Konverter) stufenweise die VCO-Ansteuerspannung erhöht, wobei ein vom DAC generierter Ansteuerwert für die Messzeit t _mess konstant gehalten wird. In dieser Zeit t _mess wird das Rückmesssignal digitalisiert und dessen Frequenz vermessen. Die Abtastung des Rückmesssignals ist in Fig. 2 dargestellt. Die Linie gibt das analoge Messsignal und die Punkte geben die Abtastwerte n=0,l,2,..N des digitalisierten Signals an.

Diese Vermessung des Oszillator Ausgangssignals wird für alle relevanten Oszillatoransteuerwerte durchgeführt. Relevante Oszillatoransteuerwerte sind die Steuerwerte, die für die Umfelderfassung benutzt werden. Die relevanten

Oszillatoransteuerwerte werden z.B. vor jeder Messung von Umgebungsobjekten vermessen, bei der genau diese Steuersignale benutzt werden. Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Vermessung der Oszillatoransteuerwerte über mehrere Messzeiten verteilt wird, wobei eine Messzeit zur Bestimmung der Oszillator-Kennlinie mit jeweils einer Messzeit zur Erfassung von

Umgebungsobjekten abwechselt. Es wird z. B. vor einer Messung von Umgebungsobjekten die Hälfte der Ansteuerwerte vermessen und vor der darauffolgenden Messung von Umgebungsobjekten die andere Hälfte der Ansteuerwerte. Entsprechend kann auch vor jeder Messzeit zur Erfassung von Objekten ein Drittel oder ein Viertel der Steuersignale vermessen werden. Auf diese Weise wird die Gesamtmesszeit verkürzt.

Um Frequenzmessgenauigkeit bei der Kennlinienbestimmung zu erhöhen, werden in einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel Frequenzen, die zu verschiedenen Zeiten beim gleichen Oszillator- Ansteuerwert gemessen werden, über die Zeit gefiltert. Im Folgenden wird beschrieben, wie die Frequenzen nach der Abtastung des

Oszillatorausgangssignals bestimmt werden. Die digitalisierten Signale werden mit einer geeigneten Fensterfunktion multipliziert und anschließend wird eine FFT durchgeführt. Hier kann die gleiche FFT wie bei der Zielverarbeitung verwendet werden, was vor allem bei einer Realisierung der Datenauswertung auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) einen großen Vorteil bietet.

Im frequenzabhängigen Leitungsspektrum des Rückmesssignal kann die Oszillatorfrequenz direkt abgelesen werden. Die Signalform ist durch das Spektrum der Fensterfunktion gegeben. In Figur 4 ist die Leistung eines Rückmesssignals über der Frequenz aufgetragen. Die Linien geben die Leistungswerte für die diskreten Frequenzen an. Die Linienposition des höchsten Leistungswerts l_m allein führt nur zu einer sehr ungenauen Frequenzangäbe. Deshalb werden zusätzlich die Leistung des rechten benachbarten Frequenzwerts l_r und des linken benachbarten Frequenzwerts 1_1 verwendet, um unter Berücksichtigung der Fensterfunktion die exakte Frequenz des Signals f_0 zu interpolieren. Die Interpolation erfolgt z.B. mittels in der Datenauswerteeinheit hinterlegter Werte (Lookup-Tables) oder einer

Approximationsfunktion. Alternativ wird die Interpolation erst auf einem FPGA in einem groben Raster zu berechnen und dann auf einer Milσocontrollereinheit (MCU) mittels einer Korrekturfunktion genauer berechnet. Durch die Trennung von Signalmesspfad und Rückmesspfad innerhalb des Radarsystems wird ein gutes Signal-/Rauschverhältnis erreicht, wodurch die

Interpolation der Linienposition zur Bestimmung der Oszillatorfrequenz sehr genau erfolgen kann.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist ein Bandpassfilter BP im Rückmesspfad nach dem Frequenzteiler Kl angeordnet. Das Bandpassfilter BP so ausgelegt, dass die

Harmonischen, die bei der Frequenzteilung entstehen, sehr stark gedämpft werden. Diese Auslegung ist von Vorteil, da die Harmonischen sich nach der Abtastung im gleichen Frequenzbereich wie das Rückmesssignal selbst befinden können, was zu einer Verfälschung der gemessenen Frequenz führen würde. Da das Rückmesssignal ein reelles Signal ist, bildet es sich im Spektrum symmetrisch ab. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei gibt die Linie 1 das durch die Fensterfunktion verschobene Spektrum des Rückmesssignals an. Das Maximum der Leistungsspitze liegt bei f_S. Die mit 2 gekennzeichnete Linie gibt das Rauschen während der Messung an. Das Spektrum eines abgetasteten Signals wiederholt sich periodisch mit der Abtastfrequenz. Liegen nun die Umhüllenden der Leistungsspitzen, die durch das Spektrum der Fensterfunktion gegeben sind, zu nahe beieinander, so dass Leistungsanteile der einen Leistungsspitze noch beim Maximum des anderen Leistungsspitze zu finden sind, so fuhrt dies ebenfalls zu einer Verfälschung der gemessenen Frequenz. Daher sind zum einen der Teilerfaktor des Frequenzteilers Ki und die Abtastfrequenz so aufeinander abzustimmen, dass die Frequenz des

Rückmesssignals möglichst bei — + n - f _A (n=0,l,2..) (überlastung für n>0) liegt.

Zum anderen ist die Fensterfünktion geeignet zu wählen, so dass für die sich ergebenden relevanten Frequenzbereiche, in denen die Leistungsspitzen zu liegen kommen können, das Spektrum des Fensters schon so weit abgeklungen ist, dass sich die Leistungsspitzen gegenseitig nicht mehr beeinflussen.

Anhand der gemessenen Oszillator-Kennlinie kann ein Satz von Signalsteuerwerten berechnet werden, mit dem die gewünschte Funktion zur Frequenzmodulation realisieren werden kann, beispielsweise eine lineare Frequenzrampe.