Titel

Radarsystem und Verfahren zum Betreiben eines Radarsystems

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radarsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Radarsystems.

Stand der Technik

Radarsensoren kommen in Kraftfahrzeugen zum Einsatz, um relative Abstände, Geschwindigkeiten oder Winkel von Objekten im Umfeld des Kraftfahrzeugs zu ermitteln. Hierzu sind verschiedene Modulationsverfahren bekannt. Bei FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave)- Radarsystemen wird ein Radarsignal verwendet, dessen Frequenz rampenförmig moduliert wird. Ein beispielhafter winkelauflösender FMCW-Radarsensor ist aus der DE 10 2013 212 090 Al bekannt.

Weiter sind Fast-Chirp-Modulationsverfahren bekannt, wobei das von dem Radarsensor ausgesendete Signal mehrere frequenzmodulierte Signalpulse (Chirps) aufweist. Ein Modulationsmuster besteht somit aus einer Vielzahl aufeinanderfolgender Chirps. Die Chirps werden dabei als „schnelle“ Rampen bezeichnet. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Mittenfrequenzen der Chirps ab- oder zunehmen, sodass sich für die Mittenfrequenz eine langsame Rampe ergibt.

Die US 2017/054449 Al beschreibt ein Verfahren zur komprimierten Darstellung von Radarsignalen. Aus der WO 2015/185058 Al ist ein Radarsystem mit optimierter Speicherung temporärer Daten bekannt. Aus der US 9 541 637 B2 ist ein Radardaten- Kompressionssystem bekannt, wobei eine Redundanz der Daten entfernt wird. Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung stellt ein Radarsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Radarsystems mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Radarsystem mit einer Sendeempfängereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, Radarsignale mittels eines Fast-Chirp-Modulationsverfahrens zu erzeugen und auszusenden, und Chirps der reflektierten Radarsignale zu empfangen. Das Radarsystem umfasst weiter eine Speichereinrichtung und eine Auswerteeinrichtung. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, anhand der empfangenen Chirps der reflektierten Radarsignale mittels einer Fourier-Transformation einen mehrdimensionalen Radardatenwürfel mit einer Vielzahl von Bins zu erstellen, wobei jedem Bin ein komplexer Datenwert zugeordnet wird. Die Auswerteeinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, für jeden komplexen Datenwert einen Realteil des komplexen Datenwerts und einen Imaginärteil des komplexen Datenwerts jeweils in eine logarithmische Festkommadarstellung umzurechnen und in der Speichereinrichtung zu speichern.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Radarsystems. Radarsignale werden mittels eines Fast-Chirp- Modulationsverfahrens durch eine Sendeempfängereinrichtung des Radarsystems erzeugt und ausgesendet. Die Sendeempfängereinrichtung empfängt Chirps der reflektierten Radarsignale. Eine Auswerteeinrichtung des Radarsystems erstellt einen mehrdimensionalen Radardatenwürfel mit einer Vielzahl von Bins anhand der empfangenen Chirps der reflektierten Radarsignale mittels einer Fourier-Transformation, wobei jedem Bin ein komplexer Datenwert zugeordnet wird. Die Auswerteeinrichtung führt für jeden komplexen Datenwert eine Umrechnung eines Realteils des komplexen Datenwerts und eines Imaginärteils des komplexen Datenwerts jeweils in eine logarithmische Festkommadarstellung durch und speichert die logarithmische Festkommadarstellung des Realteils des komplexen Datenwerts und die logarithmische Festkommadarstellung des Imaginärteils des komplexen Datenwerts in einer Speichereinrichtung des Radarsystems.

Vorteile der Erfindung

Bei einem Fast-Chirp-Modulationsverfahren werden die Daten nach der ersten Fourier-Transformation (FT) zwischengespeichert, wozu Speicher mit üblicherweise mehreren Megabyte zum Einsatz kommen, welche jedoch zu signifikanten Kosten führen. Durch Verwendung der logarithmische Festkommadarstellung ergibt sich eine kompaktere Darstellung, sodass der erforderliche Speicherplatz und somit die Anforderungen an den Speicher reduziert werden können. Hierbei wird ein Zahlenformat im Speicher verwendet, das die Radardaten in der Frequenzdomäne effizient in einer reduzierten Bitbreite pro Datum darstellt.

Es wird jedes einzelne Datum (also jeder komplexe Datenwert) für sich konvertiert und es wird keine blockweise Konvertierung durchgeführt. Es wird auch keine Redundanz der Daten entfernt, sondern es wird ein Zahlenformat in ein anderes Zahlenformat konvertiert.

Die Wahl der Zahlendarstellung in der Speichereinrichtung ist von großer Bedeutung, da eine Datenreduktion zu Datenverlust führen kann („lossy compression“), die bei einem automobilen Radarsensor nicht dazu führen darf, dass die Anforderungen an Sensitivität, Reichweite und Auflösung verletzt werden. Die Erfindung stellt hierzu ein Radarsystem bereit, das eine rein binäre, logarithmische Darstellung der Daten nach der ersten FT im Radarspeicher unterstützt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Radarsystems ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, zum Umrechnen des Realteils des komplexen Datenwerts bzw. des Imaginärteils des komplexen Datenwerts in die logarithmische Festkommadarstellung jeweils einen Logarithmus eines Absolutbetrages des mit einem ersten Faktor S skalierten Realteils bzw.

Imaginärteils mit einem zweiten Faktor A zu skalieren. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Radarsystems wird der erste Faktor S gleich dem Inversen des für den Absolutbetrag des Realteils bzw. Imaginärteils maximal zulässigen Wertes gewählt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Radarsystems wird der zweite Faktor A gemäß folgender Formel gewählt:

A = -2 ^N /log ₂ D, wobei D einen vorgegebenen Dynamikbereich aller vorkommenden Real- bzw. Imaginärwerte in linearer Darstellung angibt und N eine vorgegebene Anzahl an binären Vorkommastellen angibt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Radarsystems werden der erste Faktor S, der zweite Faktor A, eine Anzahl N an Vorkommastellen und eine Anzahl M an Nachkommastellen derart gewählt, dass für alle zulässigen Werte X des Realteils bzw. Imaginärteils des komplexen Zahlenwerts folgende Beziehung erfüllt ist:

(2 ^N+M - 1)/2 ^M > A-log ₂ (abs(S-X)).

Die Werte für N, M, A und S können bevorzugt für Realteil und Imaginär gleich gewählt werden, können jedoch auch unterschiedlich gewählt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Radarsystems ist die Auswerteeinrichtung weiter dazu ausgebildet, die in der Speichereinrichtung gespeicherten logarithmischen Festkommadarstellungen des Realteils des komplexen Datenwerts und des Imaginärteils des komplexen Datenwerts in den komplexen Datenwert zurückzurechnen und mittels einer Fouriertransformation eine Geschwindigkeits-Abstands-Darstellung zu berechnen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Radarsystems ist die Speichereinrichtung ein Halbleiterspeicher, etwa ein SRAM (Static Random Access Memory)-Speicher, ein DRAM (Dynamic Random Access Memory)- Speicher oder ein anderer üblicher Speicher, der schnelle Zugriffzeiten erlaubt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Radarsystems beträgt eine Größe der Speichereinrichtung weniger als P Megabyte, wobei P eine vorgegebene Zahl ist. Durch Verwendung der kompakten logarithmischen Festkommadarstellung kann der erforderliche Speicherplatz auf 0,75P Megabyte oder weniger reduziert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Radarsystems ist die Auswerteeinrichtung eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, ASIC. Ein ASIC ist üblicherweise ausreichend, um die erforderlichen Berechnungen durchzuführen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung, verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Radarsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Berechnung eines mehrdimensionalen Radardatenwürfels; und

Figur 3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Radarsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Radarsystems 1 mit einer Sendeempfängereinrichtung 2, welche Radarsignale mittels eines Fast-Chirp- Modulationsverfahrens (Fast-Chirp-FMCW-Verfahren) erzeugt und aussendet, und Chirps der reflektierten Radarsignale empfängt. Die Sendeempfängereinrichtung 2 umfasst hierbei in bekannter Weise Sendeantennen und Empfangsantennen zum Aussenden und Empfangen der Radarstrahlung.

Das Radarsystem 1 umfasst weiter eine Speichereinrichtung 3 und eine Auswerteeinrichtung 4. Die Speichereinrichtung 3 ist bevorzugt ein Halbleiterspeicher, etwa ein S RAM-Speicher, DRAM-Speicher oder ein vergleichbarer Speicher.

Die Auswerteeinrichtung 4 ist bevorzugt eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, ASIC. Die Auswerteeinrichtung 4 kann auch einen oder mehrere Mikroprozessoren, Mikrocontroller oder dergleichen umfassen. Die Speichereinrichtung 3 kann ebenfalls Teil desselben ASICs sein oder sie kann extern zu dem ASIC dargestellt werden.

Die Auswerteeinrichtung 4 erstellt anhand der empfangenen Chirps der reflektierten Radarsignale mittels einer Fourier-Transformation einen mehrdimensionalen Radardatenwürfel mit einer Vielzahl von Bins. Jedem Bin ist ein komplexer Datenwert zugeordnet. Für jeden komplexen Datenwert führt die Auswerteeinrichtung 4 eine Umrechnung des Realteils des komplexen Datenwerts in eine logarithmische Festkommadarstellung durch.

Analog führt die Auswerteeinrichtung eine Umrechnung des Imaginärteils des komplexen Datenwerts in die logarithmische Festkommadarstellung durch. Die berechneten Werte werden in der Speichereinrichtung 3 abgelegt. Die Auswerteeinrichtung 4 kann anhand der zwischengespeicherten Werte anschließend den komplexen Datenwert zurückberechnen und eine zweite FFT durchführen, um eine Geschwindigkeits-Abstands-Darstellung zu erhalten. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Berechnung eines mehrdimensionalen Radardatenwürfels. Beim Fast-Chirp- Modulationsverfahren (Fast-Chirp-FMCW-Verfahren) werden zeitlich hintereinander sogenannte Chirp-Sequenzen 21 über Antennen der Sendeempfängereinrichtung 2 ausgeschickt, die in der Frequenz f über der Zeit t als ansteigende Linien dargestellt sind. Diese Chirps 21 werden im Empfängerteil der Sendeempfängereinrichtung 2 ins Basisband heruntergemischt und durch Analog-Digital-Umsetzer der Sendeempfängereinrichtung 2 in digitale Datenströme umgewandelt.

Die Datenströme werden dann in einer digitalen Recheneinheit in einer Fourier- Transformation (FT) in die Frequenzdomäne transformiert und in der Speichereinrichtung 3 abgelegt. Da es sich um mehrdimensionale Datenstrukturen handelt, erhält man einen mehrdimensionalen Radardatenwürfel (Radar-Data-Cube). Mehrdimensional bedeutet hier zwei- oder auch höherdimensional. Der mehrdimensionale Radardatenwürfel umfasst Bins 23, 24, 25, wobei mittels eines Kompaktierschritts 22 die den Bins zugeordneten komplexen Datenwerte in logarithmische Festkommadarstellungen der Realteile und Imaginärteile umgewandelt werden. Zur weiteren Verarbeitung wird in einem Entpackschritt 26 der komplexe lineare Datenwert für jeden Bin wieder berechnet und über eine zweite Fourier-Transformation erhält man eine R-v-Darstellung, welche als Achsen den Abstand R und die Relativgeschwindigkeit v aufweist. Bins 27, 28, 29 in der R-v-Darstellung ergeben sich anhand mehrerer Bins 23, 24, 25 des Radardatenwürfels.

Die zweite Fourier-Transformation entspricht einem Zugriff in einer transponierten Dimension, in Figur 2 also einem zeilenweisen Zugriff. Damit dieser transponierte Zugriff auf die Daten ermöglicht wird, wird die Datenstruktur in der Speichereinrichtung 3 wie oben beschrieben zwischengespeichert.

Die Auswerteeinrichtung 4 ist dazu ausgebildet, zum Umrechnen des Realteils des komplexen Datenwerts bzw. des Imaginärteils des komplexen Datenwerts in die logarithmische Festkommadarstellung jeweils einen Logarithmus eines Absolutbetrages des mit einem ersten Faktor S skalierten Realteils bzw. Imaginärteils mit einem zweiten Faktor A zu skalieren. Die Auswerteeinrichtung 4 kann folgende Konvertierungsfunktion verwenden:

Y = A ■ log ₂ (abs(S‘X)) = A ■ (log ₂ (abs(X)) + log ₂ (S)) = A ■ log ₂ (abs(X)) + A ■ log ₂ (S), wobei X den Realteil oder den Imaginärteil des komplexen Datenwerts bezeichnet. Weiter bezeichnet Iog2 den Logarithmus zur Basis 2 (Logarithmus Dualis). Es bezeichnet abs den Absolutbetrag. Y ist schließlich der Ausgabewert für den Realteil bzw. Imaginärteil. Durch die Rechenregeln des Logarithmus kann der Beitrag von S auch als eine ausgangsseitige Addition einer Konstanten A-log2(S) dargestellt werden.

Dabei ist der erste Faktor S größer als 0. Der erste Faktor S kann gleich dem Inversen des für den Absolutbetrag des Realteils bzw. Imaginärteils maximal zulässigen Wertes gewählt werden. Der erste Faktor S kann gemäß folgender Formel berechnet werden:

S = l/max(abs(X)).

Der zweite Faktor A kann gemäß folgender Formel gewählt werden:

A = -(2 ^N -l)/log ₂ D, wobei D einen vorgegebenen Dynamikbereich der betragsmäßigen Real- und Imaginärteile X in linearer Darstellung angibt und N eine vorgegebene Anzahl an Vorkommastellen angibt. Der Dynamikbereich D gibt ein Verhältnis des maximalen Bereichs von X zum minimalen Bereich von X an. Z.B. entspricht D = 100000 einem Dynamikbereich von 100 dB.

Die Vorgaben von A uns S sorgen dafür, dass der Zahlenbereich von Y im Bereich der Vorkommastellen voll ausgeschöpft wird d.h. es ergibt sich damit

Y= -(2 ^N -l)/log2D log2((abs(X)/max(abs(X))) Die resultierende binäre Zahlendarstellung von Y kann dann wie folgt in einzelnen Bits dargestellt werden, unter der Festlegung, dass hier N Vorkommastellen und M Nachkommastellen und ein Bit als Vorzeichen verwendet werden:

Insgesamt wird das Ergebnis hier also mit N+M+l Bits dargestellt.

Wesentlich bei der Zahlendarstellung ist, dass es sich um eine Festkommadarstellung handelt, die für die verwendete Hardware optimiert ist. Auch vergleichbare Zahlendarstellungen sind also möglich: beispielsweise kann anstelle des Vorzeichens eine Binärstelle mit Gewicht -2 ^N verwendet werden, so dass der Betrag der resultierenden Zahl Y entspricht und das Vorzeichen der resultierenden Zahl mit dem Vorzeichen von X übereinstimmt.

Des Weiteren können auch andere Normierungen für A und S verwendet werden als die oben beispielhaft verwendeten.

Ein wesentlicher Unterschied zu den üblicherweise verwendeten

Fließkommadarstellungen ist bei dieser Darstellung, dass die finale, binäre Darstellung von Y nur einen logarithmischen Anteil hat und keine skalare Mantisse aufweist. Sprünge des Quantisierungsfehlers beim Ändern eines Exponenten einer Standard- Fließkommadarstellung werden durch diese Darstellung vermieden und der Quantisierungsfehler wird über den gesamten Zahlenbereich stetiger verteilt.

Weiter werden bevorzugt der erste Faktor S, der zweite Faktor A, eine Anzahl N an Vorkommastellen und eine Anzahl M an Nachkommastellen derart gewählt, dass für alle zulässigen Werte X des Realteils bzw. Imaginärteils des komplexen Zahlenwerts folgende Beziehung erfüllt ist:

(2 ^N+M - 1)/(2 ^M ) > A-log ₂ (abs(S-X)).

Dadurch wird ein Überlauf des maximal darstellbaren Bereichs vermieden.

Die Anzahl N an Vorkommastellen und die Anzahl M an Nachkommastellen können vorzugsweise während der Entwicklung des Radarsystems 1 festgelegt werden. Der erste Faktor S und der zweite Faktor A können bevorzugt bei der Implementierung des Chips des Radarsystems 1 festgelegt werden oder eingestellt werden.

Es ist auch in einer alternativen Ausführungsform möglich, Clipping durchzuführen, also bei der Berechnung von Y eine Begrenzung des Eingangswerts von X zu forcieren. Dies sollte derart durchgeführt werden, dass die Anforderungen an das Radarsystem 1 erfüllt werden.

In einer beispielhaften Ausführungsform gilt: max(abs(X)) = 2 ³¹ .

Weiter werden 11 Vorkommastellen verwendet (N = 11) und keine Nachkommastellen (M = 0). Für den Dynamikbereich D wird D = 110 dB gewählt. Weiter wird

S = 2' ³¹ - 1, log ₂ (S) = -31 sowie

A = 2 ¹¹ / -log ₂ (10 ^110/20 ) = -2 ¹¹ ■ 20 ■ Iogl0(2) / 110 ~ 112,1... gewählt. Die genannten Zahlenwerte sind nur beispielhaft und die Erfindung ist nicht darauf beschränkt.

Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Radarsystems 1, wobei es sich um das oben beschriebene Radarsystem 1 handeln kann.

In einem ersten Verfahrensschritt S1 werden Radarsignale mittels eines Fast- Chirp-Modulationsverfahrens durch eine Sendeempfängereinrichtung 2 des Radarsystems 1 erzeugt und ausgesendet. Die Sendeempfängereinrichtung 2 empfängt Chirps der reflektierten Radarsignale.

Eine Auswerteeinrichtung 4 des Radarsystems 1 erstellt in einem zweiten Verfahrensschritt S2 einen mehrdimensionalen Radardatenwürfel mit einer Vielzahl von Bins anhand der empfangenen Chirps der reflektierten Radarsignale mittels einer Fourier-Transformation. Jedem Bin wird ein komplexer Datenwert zugeordnet.

Die Auswerteeinrichtung 4 führt in einem dritten Verfahrensschritt S3 für jeden komplexen Datenwert eine Umrechnung eines Realteils des komplexen Datenwerts und eines Imaginärteils des komplexen Datenwerts jeweils in eine logarithmische Festkommadarstellung durch und speichert die logarithmische Festkommadarstellung des Realteils des komplexen Datenwerts und die logarithmische Festkommadarstellung des Imaginärteils des komplexen Datenwerts in einer Speichereinrichtung 3 des Radarsystems 1.

Die Auswerteeinrichtung 4 kann weiter die in der Speichereinrichtung 3 gespeicherten logarithmischen Festkommadarstellungen des Realteils des komplexen Datenwerts und des Imaginärteils des komplexen Datenwerts in den komplexen Datenwert zurückrechnen und mittels einer Fouriertransformation eine Geschwindigkeits-Abstands-Darstellung berechnen.