DE102023211066A1 - MIMO radar system with novel phase modulation to suppress unwanted effects - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Radarsystem und ein entsprechendes Radarsystem zur Umgebungserfassung mit Sendemitteln mit parallel arbeitenden Sendeantennen zur Abstrahlung von Sendesignalen, welche eine oder mehrere Folgen von Einzelsignalen beinhalten, Mitteln zum Verändern der Phasenlage der gesendeten Einzelsignale, durch welche eine für die Sendeantennen unterschiedliche Phasenänderung über die Einzelsignale realisiert wird, im Folgenenden als Phasenmodulation bezeichnet, wobei diese Phasenmodulationsmittel wenigstens drei verschiedene Phasenwerte erzeugen können, Empfangsmitteln mit einer oder mehreren Empfangsantennen zum Empfang von an Objekten reflektierten Sendesignalen und Signalverarbeitungsmitteln zur Prozessierung der empfangenen Signale. Die Phasenmodulation ist dabei durch eine Summe einer linearen Phasenänderung und einer unregelmäßigen Phasenfolge gebildet, wobei über die Sendesignale der Sendeantennen die lineare Phasenänderung unterschiedliche Steigung hat und zur Trennung der von den Sendesignalen der unterschiedlichen Sendeantennen bewirkten Anteile in den empfangenen Signalen dient, während der überlagerte unregelmäßige Anteil über die Sendeantennen identisch ist. The present invention relates to a method for a radar system and a corresponding radar system for environmental detection, comprising transmitting means with parallel transmitting antennas for emitting transmitted signals containing one or more sequences of individual signals, means for changing the phase position of the transmitted individual signals, by means of which a phase change that differs for the transmitting antennas is realized across the individual signals, hereinafter referred to as phase modulation, wherein these phase modulation means can generate at least three different phase values, receiving means with one or more receiving antennas for receiving transmitted signals reflected from objects, and signal processing means for processing the received signals. The phase modulation is formed by the sum of a linear phase change and an irregular phase sequence, wherein the linear phase change has a different gradient across the transmitted signals of the transmitting antennas and serves to separate the components in the received signals caused by the transmitted signals of the different transmitting antennas, while the superimposed irregular component is identical across the transmitting antennas.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Radarverfahren für ein Radarsystem und Radarsystem zum Einsatz für Fahrerassistenzsysteme im Kraftfahrzeug. Das Radarsystem hat jeweils mehrere parallel betriebene Sende- und Empfangsantennen, was als MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) bezeichnet wird, und benutzt erfindungsgemäß eine neuartige Phasenmodulation (bzw. das erfindungsgemäße Verfahren), welche unerwünschte Effekte, insbesondere Geisterdetektionen und Verfälschung von Messwerten, vermeidet.The invention relates to a radar method for a radar system and a radar system for use in driver assistance systems in motor vehicles. The radar system has multiple transmit and receive antennas operated in parallel, which is referred to as MIMO (multiple-input multiple-output), and according to the invention uses a novel phase modulation (or the method according to the invention), which avoids undesirable effects, in particular ghost detections and falsification of measured values.
Stand der TechnikState of the art
Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit Fahrerassistenzsystemen ausgerüstet, welche mit Hilfe von Sensorsystemen die Umgebung erfassen und aus der so erkannten Verkehrssituation automatische Reaktionen des Fahrzeugs ableiten und/oder den Fahrer instruieren, insbesondere warnen. Dabei wird zwischen Komfort- und Sicherheitsfunktionen unterschieden.Motor vehicles are increasingly being equipped with driver assistance systems that use sensor systems to detect the surroundings and, based on the detected traffic situation, derive automatic vehicle reactions and/or instruct the driver, particularly by issuing warnings. A distinction is made between comfort and safety functions.
Als Komfortfunktion spielt in der momentanen Entwicklung FSRA (Full Speed Range Adaptive Cruise Control) eine wichtige Rolle. Das Fahrzeug regelt dabei die Eigengeschwindigkeit auf die vom Fahrer vorgegebene Wunschgeschwindigkeit ein, sofern die Verkehrssituation dies zulässt, andernfalls wird die Eigengeschwindigkeit automatisch an die Verkehrssituation angepasst.FSRA (Full Speed Range Adaptive Cruise Control) plays an important role as a comfort feature in current development. The vehicle regulates its own speed to the desired speed set by the driver, provided the traffic situation permits; otherwise, the own speed is automatically adjusted to the traffic situation.
Sicherheitsfunktionen gibt es mittlerweile in vielfältiger Ausprägung. Eine Gruppe bilden dabei Funktionen zur Reduzierung des Brems- bzw. Anhalteweges in Notsituationen bis hin zur autonomen Notbremsung. Eine weitere Gruppe sind Spurwechselfunktionen: Sie warnen den Fahrer bzw. greifen in die Lenkung ein, wenn der Fahrer einen gefährlichen Spurwechsel durchführen möchte, also wenn sich ein Fahrzeug auf der Nebenspur entweder im toten Winkel befindet (wird als BSD - „Blind Spot Detection“ - bezeichnet) oder sich schnell von hinten nähert (LCA - „Lane Change Assist“).Safety functions now exist in a wide variety of forms. One group includes functions for reducing braking or stopping distances in emergency situations, all the way up to autonomous emergency braking. Another group is lane change functions: These warn the driver or intervene in the steering if the driver intends to make a dangerous lane change, i.e., if a vehicle in the adjacent lane is either in the blind spot (known as BSD - "Blind Spot Detection") or is rapidly approaching from behind (LCA - "Lane Change Assist").
Mittlerweile wird der Fahrer aber nicht mehr nur assistiert, sondern die Aufgabe des Fahrers wird zunehmend autonom vom Fahrzeug erledigt, d. h. der Fahrer wird zunehmend ersetzt; dabei wird von autonomem Fahren gesprochen.Nowadays, however, the driver is no longer just assisted, but the driver's task is increasingly carried out autonomously by the vehicle, i.e. the driver is increasingly being replaced; this is referred to as autonomous driving.
Für Systeme der oben beschriebenen Art werden Radarsensoren eingesetzt, häufig auch in Fusion mit Sensoren anderer Technologie, wie z. B. Kamerasensoren. Radarsensoren haben u. a. den Vorteil, dass sie auch bei schlechten Wetterbedingungen zuverlässig arbeiten und neben dem Abstand von Objekten auch direkt deren radiale Relativgeschwindigkeit über den Dopplereffekt messen können. Als Sendefrequenzen werden heute dabei in der Regel 77GHz und 79GHz eingesetzt.Radar sensors are used for systems of the type described above, often in combination with sensors of other technologies, such as camera sensors. Radar sensors have the advantage, among other things, that they operate reliably even in poor weather conditions and can directly measure not only the distance of objects but also their radial relative velocity via the Doppler effect. Today, 77 GHz and 79 GHz are typically used as transmission frequencies.
Die oben genannten Funktionen benötigen eine hohe Detektionsqualität, wofür eine genaue Winkelbildung zwingend erforderlich ist. Deshalb werden zunehmend MIMO-Radare eingesetzt, welche mehrere voll parallel arbeitende Sende- und Empfangsantennen aufweisen und für eine möglichst gute Winkelbildung alle Kombinationen von Sende- und Empfangsantennen benutzten. Für einen parallelen Betrieb der Sendeantennen sind ihre ausgesendeten Signale unterschiedlich zu modulieren, so dass die durch sie in den Empfangssignalen bewirkten Anteile getrennt werden können. Das Patent
Aufgabe, Lösung und Vorteile der ErfindungTask, solution and advantages of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, für Kfz-MIMO-Radarsysteme eine verbesserte Phasenmodulation bereitzustellen, welche die bei den heutigen Phasenmodulationen auftretenden nachteiligen Effekten zumindest weitgehend unterdrückt.The object of the invention is to provide an improved phase modulation for automotive MIMO radar systems, which at least largely suppresses the adverse effects occurring in current phase modulations.
Diese Aufgabe wird grundsätzlich durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder ein Radarsystem gemäß Anspruch 7 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht. Kernidee ist dabei, dass der bekannten linearen Phasenmodulation eine für alle Sendeantennen gleiche zufällige Phasenmodulation überlagert wird, wobei diese mehr als zwei Phasenwerte benutzt (also keine binäre Phasenmodulation), wodurch zahlreiche positive Effekte, also insb. Behebung ansonsten auftretender Probleme, bewirkt werden; die Integration von Empfangssignalen über die Folge einzelner Sendesignale hinweg kann gemeinsam für alle Sendeantenne, also nur einmal durchgeführt werden.This object is fundamentally achieved by a method according to
Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Tatsache, dass durch die neuartige Phasenmodulation eine hohe Detektionsqualität gewährleistet werden kann und Anforderungen an Hardware insb. Hinsichtlich der Qualität der Phasenmodulationsmittel und der benötigen digitalen Rechenleistung reduziert werden können.The advantages of the invention arise from the fact that the novel phase modulation ensures high detection quality and reduces hardware requirements, particularly with regard to the quality of the phase modulation means and the required digital computing power.
Das Radarsystem, auf das sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Umgebungserfassung bezieht, beinhaltet 1) Sendemittel mit MTX parallel arbeitenden Sendeantennen zur Abstrahlung von Sendesignalen, welche eine oder mehrere Folgen von K Einzelsignalen, deren generelle Form vorzugsweise gleich oder ähnlich ist, beinhalten, 2) Mittel zum Verändern der Phasenlage der gesendeten Einzelsignale, durch welche eine für die MTX Sendeantennen unterschiedliche Phasenänderung über die K Einzelsignale realisiert wird, im Folgenenden als Phasenmodulation bezeichnet, wobei diese Phasenmodulationsmittel wenigstens drei verschiedene Phasenwerte erzeugen können, welche vorzugsweise zumindest näherungsweise gleichverteilt über den Phaseneindeutigkeitsbereich 2π sind, 3) Empfangsmittel mit einer oder mehreren Empfangsantennen zum Empfang von an Objekten reflektierten Sendesignalen, und 4) Signalverarbeitungsmittel zur Prozessierung der empfangenen Signale. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenmodulation durch Summe einer linearen Phasenänderung, gegebenenfalls abgesehen von Phasensprüngen wegen dem Phaseneindeutigkeitsbereich von 2π, und einer unregelmäßigen Phasenfolge gebildet ist, wobei über die Sendesignale der MTX unterschiedlichen Sendeantennen die lineare Phasenänderung unterschiedliche Steigung hat und zur Trennung der von den Sendesignalen der unterschiedlichen Sendeantennen bewirkten Anteile in den empfangenen Signalen dient, während der überlagerte unregelmäßige Anteil über die MTX unterschiedlichen Sendeantennen identisch ist und insbesondere dazu dient, Effekte von Ungenauigkeiten der Phasenmodulationsmittel und/oder Effekte von Spektralfaltungen zu reduzieren oder zu verhindern.The radar system to which the inventive method for environmental detection relates includes 1) transmitting means with M TX transmitting antennas operating in parallel for emitting transmitted signals which include one or more sequences of K individual signals whose general form is preferably the same or similar, 2) means for changing the phase position of the transmitted individual signals, by means of which a phase change which is different for the M TX transmitting antennas is realized across the K individual signals, hereinafter referred to as phase modulation, wherein these phase modulation means can generate at least three different phase values which are preferably at least approximately evenly distributed over the phase unambiguousness range 2π, 3) receiving means with one or more receiving antennas for receiving transmitted signals reflected from objects, and 4) signal processing means for processing the received signals. The method is characterized in that the phase modulation is formed by the sum of a linear phase change, possibly apart from phase jumps due to the phase unambiguousness range of 2π, and an irregular phase sequence, wherein the linear phase change has a different slope across the transmission signals of the M TX different transmitting antennas and serves to separate the components in the received signals caused by the transmission signals of the different transmitting antennas, while the superimposed irregular component is identical across the M TX different transmitting antennas and serves in particular to reduce or prevent effects of inaccuracies in the phase modulation means and/or effects of spectral convolutions.
Zweckmäßigerweise kann die überlagerte unregelmäßige Phasenfolge zufällige oder pseudozufällige Werte annehmen.Conveniently, the superimposed irregular phase sequence can assume random or pseudorandom values.
Ferner kann es in den digitalen Signalverarbeitungsmitteln eine Integration über K Signale, welche von den Empfangssignalen zu den K Sendesignalen abgeleitet sind, geben, wobei diese Integration nur einmal für die Signale zu den MTX unterschiedlichen Sendeantennen gemacht wird und zuvor eine Kompensation des unregelmäßigen Phasenanteils stattfindet.Furthermore, in the digital signal processing means there can be an integration over K signals which are derived from the received signals to the K transmitted signals, whereby this integration is made only once for the signals to the M TX different transmitting antennas and a compensation of the irregular phase component takes place beforehand.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Integration über K Signale, welche von den Empfangssignalen zu den K Sendesignalen abgeleitet sind, als diskrete Fouriertransformation, vorzugsweise in Form einer schnellen Fouriertransformation durchgeführt wird und die zu den verschiedenen Sendeantennen korrespondieren Anteile zu Leistungsspitzen an unterschiedlichen Stellen des resultierenden Spektrums führen.An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the integration over K signals, which are derived from the received signals to the K transmitted signals, is carried out as a discrete Fourier transformation, preferably in the form of a fast Fourier transformation, and the components corresponding to the various transmitting antennas lead to power peaks at different points of the resulting spectrum.
Zweckmäßigerweise können die einzelnen Sendesignale linear in der Frequenz moduliert sein, wobei sich gegebenenfalls ihre Mittenfrequenz sukzessive ändert, oder OFDM-Signale darstellen oder mit pseudozufälliger schneller Phasenmodulation erzeugt sein.The individual transmission signals can expediently be linearly frequency modulated, with their center frequency possibly changing successively, or can represent OFDM signals or be generated with pseudorandom fast phase modulation.
Ferner kann der unregelmäßige Anteil der Phasenmodulation auch dazu dienen, Effekte durch Abstrahlung über Empfangsantennen bedingt durch begrenzte Isolation, Effekte von internen Verkopplungen sowie Störungen von anderen Radarsystemen zu dekorrelieren und damit negative Auswirkung durch sie zu mindern oder zu verhindern.Furthermore, the irregular portion of the phase modulation can also serve to decorrelate effects caused by radiation from receiving antennas due to limited isolation, effects of internal couplings and interference from other radar systems and thus reduce or prevent negative effects from them.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
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1 zeigt die beispielhafte Ausführungsform eines Radarsystems.1 shows the exemplary embodiment of a radar system. -
In
2 ist die Frequenzmodulation bestehend aus einer Sequenz von Frequenzrampen dargestellt.In2 the frequency modulation consisting of a sequence of frequency ramps is shown. -
3a zeigt den Betrag des zweidimensionalen Spektrums im Objektentfernungstor j0, also |Ŝ2(jo,I,mTX,mRX)|, ohne zufälligen Phasenmodulationsanteil,3b mit zufälligem Phasenmodulationsanteil; dabei sind in realen Phasenschiebern auftretende Ungenauigkeiten angenommen, also kleine Phasen- und Amplitudenfehler.3a shows the magnitude of the two-dimensional spectrum in the object distance gate j 0 , i.e. |Ŝ 2 (jo,I,m TX ,m RX )|, without random phase modulation component,3b with random phase modulation component; inaccuracies occurring in real phase shifters are assumed, i.e. small phase and amplitude errors.
AusführungsbeispielExample
Betrachtet wird die beispielhafte Ausführung eines Radarsystems, welches in
Die auf den Sendeantennen abgestrahlten Sendesignale werden aus dem Hochfrequenz-Oszillator 1.2 im 76-77GHz-Bereich gewonnen, welcher über eine Steuerspannung vSteuer in seiner Frequenz verändert werden kann. Die Steuerspannung wird in den Steuermitteln 1.8 erzeugt, wobei diese Steuermittel z. B. einen Phasenregelkreis oder einen Digital-Analog-Wandler enthalten, welche so angesteuert werden, dass der Frequenzverlauf des Oszillators der gewünschten Frequenzmodulation entspricht. Die Phasenlage der Sendesignale kann über Phasenschieber 1.3 individuell für die MTX Sendeantennen eingestellt und variiert werden; die Phasenschieber realisieren 64 zumindest näherungsweise gleichverteilte Phasenwerte über den Phaseneindeutigkeitsbereich 2π. Durch diese Phasenschieber werden Sendesignale der unterschiedlichen Sendeantennen unterschiedlich moduliert, so dass ein paralleles Senden auf allen Sendeantennen, also ein MIMO-Betrieb möglich ist, weil nach Demodulation in den Empfangssignalen die von den verschiedenen Sendeantennen stammenden Anteile getrennt werden können.The transmission signals radiated by the transmitting antennas are obtained from the high-frequency oscillator 1.2 in the 76-77 GHz range, whose frequency can be varied via a control voltage v control . The control voltage is generated in the control means 1.8, which control means contain, for example, a phase-locked loop or a digital-to-analog converter, which are controlled such that the frequency response of the oscillator corresponds to the desired frequency modulation. The phase position of the transmission signals can be individually adjusted and varied for the M TX transmitting antennas via phase shifters 1.3; the phase shifters realize 64 at least approximately uniformly distributed phase values over the phase unambiguous range 2π. These phase shifters modulate the transmission signals from the different transmitting antennas differently, so that parallel transmission on all transmitting antennas, i.e. MIMO operation, is possible because after demodulation in the received signals the components originating from the different transmitting antennas can be separated.
Die von der vier Empfangsantennen empfangenen Signale werden parallel in den reellwertigen Mischern 1.4 ebenfalls mit dem Signal des Oszillators 1.2 in den Niederfrequenzbereich heruntergemischt. Danach durchlaufen die Empfangssignale die Bandpassfilter 1.5 mit der dargestellten Übertragungsfunktion, die Verstärker 1.6 und die Analog/Digital-Wandler 1.7. Anschließend werden sie in der digitalen Signalverarbeitungseinheit 1.9 weiterverarbeitet.The signals received by the four receiving antennas are also mixed down to the low frequency range in the real-valued mixers 1.4 with the signal from oscillator 1.2. The received signals then pass through the bandpass filters 1.5 with the transfer function shown, the amplifiers 1.6, and the analog/digital converters 1.7. They are then further processed in the digital signal processing unit 1.9.
Damit die Entfernung von Objekten gemessen werden kann, wird - wie in
Während jeder Frequenzrampe k=0,...,K-1 werden die Empfangssignale von jedem der MRX A/D-Wandler I = 2048 mal jeweils im Abstand von Ts = 25ns (also mit 40MHz) abgetastet, wobei die Abtastung immer beim selben Zeitpunkt relativ zum Start der Rampe beginnt (siehe
Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist (siehe z. B.
Abschließend sei hinsichtlich Bez. (1) noch erwähnt, dass die Amplitude A des Empfangssignals als unabhängig vom Sende- und Empfangspfad angenommen ist, d. h. alle Sende- und Empfangspfade sollen jeweils gleich stark sein; diese Annahme ist für die weiteren Betrachtungen ohne Einfluss.Finally, with regard to (1), it should be mentioned that the amplitude A of the received signal is assumed to be independent of the transmit and receive paths, i.e., all transmit and receive paths should be equally strong; this assumption has no influence on the further considerations.
In der digitalen Signalverarbeitungseinheit 1.9 wird für die Empfangssignale s(i,k,mRX) pro Frequenzrampe k und Empfangspfad mRX nach Multiplikation mit einer geeigneten Fensterfunktion w1(i) eine erste diskrete Fouriertransformation (DFT = Discrete Fourier Transform) über den Zeitindex i=0,..., I-1 durchgeführt, da diese für die Signalform (1) einer Optimalfilterung entspricht; die DFT wird zweckmäßigerweise mit einer schnelle Fouriertransformationen (FFT = Fast Fourier Transform) realisiert. Mit dem Zusammenhang
Bevor eine zweite DFT über die Dimension k durchgeführt werden kann, muss der zufällige Phasenanteil φPM,r(k) der Phasenmodulation φPM,TX(k,mTX) nach Bez. (4a) kompensiert werden (die restlichen Phasenanteile repräsentieren einen linearen Phasenverlauf über Dimension k, was für die Anwendung der DFT als Optimalfilterung nötig ist). Für den interessierenden Entfernungstorbereich j0=0...I/2 (also Objekte, die dort liegen), ist der erste Term in Bez. (6) relevant (es wird ja nur die untere Spektrumshälfte j=0...I/2 betrachtet), so dass zur Kompensation des zufälligen Phasenmodulationsanteils mit exp(-ĵ·φPM,r(k)) zu multiplizieren ist; dann ergibt sich:
Pro Entfernungstor j und Empfangspfad mRX und nach Multiplikation mit einer Fensterfunktion w2(k) wird darauf eine zweite DFT, nun über den Frequenzrampenindex k ausgeführt (vorzugsweise wieder über eine FFT); damit ergibt sich das zweidimensionale Spektrum
Nun wird ein Objekt oberhalb des interessierenden Entfernungstorbereichs betrachtet, also im Bereich j0=(I/2+1)...(I-1); wegen dem nur eine vergleichsweise geringe Dämpfung aufweisenden Übergangsbereich der Bandpassfilter 1.5 können Objekte insbesondere wenig oberhalb von j0 = I/2 empfangen werden - dabei wird von Überreichweiten gesprochen. Dann ergibt sich im zweidimensionalen Spektrum Ŝ2(j,I,mTX,mRX) nach Bez. (8) vom ersten Term eine Leistungsspitze bei einem j = j0 oberhalb dem betrachteten Entfernungstorbereich j=0...I/2, während der zweite Term nun beim Entfernungstor j = I-j0 im interessierenden und betrachteten Entfernungstorbereich j=0...I/2 ein über alle Dopplertore k verteiltes Rauschen erzeugt. Zu einer Detektion wird dieses Rauschen aber auch dann nicht führen, wenn es signifikant über dem Systemrauschen liegt, da Detektionen nur für Leistungsspitzen in der Dimension k gebildet werden, welche signifikant über dem dortigen gesamten Rauschniveau liegen. Würde es den zufälligen Phasenmodulationsanteil φPM,r(k) nicht geben, so würde das zweidimensionale Spektrum Ŝ2(j,I,mTX,mRX) wie folgt lauten (ist aus Bez. (7) und (8) zu ersehen):
Damit würde eine Überreichweite, also ein Objekt im Bereich j0=(I/2+1)...(I-1) nun durch den zweiten Term zu einer Leistungsspitze beim Entfernungstor j = I-j0 im interessierenden und betrachteten Entfernungstorbereich j=0...I/2 führen; es würde also fälschlicherweise eine Detektion gebildet werden, die nicht nur falsche (zu geringe) Entfernung hat, sondern auch deren gemessenen Werte für Relativgeschwindigkeit und Winkel falsch sind (wegen falschen Vorzeichen der beitragenden Größen im zweiten Term von Bez. (9)).Thus, an overrange, i.e. an object in the range j 0 =(I/2+1)...(I-1), would now lead to a power peak at the distance gate j = Ij 0 in the interesting and considered distance gate range j=0...I/2 through the second term; thus, a detection would be erroneously formed which not only has an incorrect (too short) distance, but also whose measured values for relative velocity and angle are incorrect (due to incorrect signs of the contributing quantities in the second term of ref. (9)).
Durch den zufälligen Phasenmodulationsanteil φPM,r(k) werden also falsche Detektionen durch Überreichweiten verhindert; das stattdessen erzeugte Rauschen liegt hinsichtlich seiner mittleren Leistung etwa 26dB unter der Leistungsspitze, die ohne zufälligen Anteil entstehen würde (die 26dB ergeben sich aus dem DFT-Integrationsgewinn von 10·log10(K = 512) = 27dB minus etwa 1dB Fensterverlust). Es sei noch erwähnt, dass die obigen Betrachtungen nicht für einen binären Phasenschieber, also nur die zwei Zustände 0 und π aufweisend, gelten; denn dann ist der Phasenanteil 2φPM,r(k) im zweiten Term von Bez. (7) immer 0 (Phase 2π entspricht ja Phase 0) und damit ohne Wirkung, so das der zweite Term des zweidimensionalen Spektrums Ŝ2(j,I,mTX,mRX) kein Rauschen darstellt, sondern entsprechend Bez. (9) auch eine Leistungsspitze generiert, welche dann zu dem unerwünschten Überreichweiteneffekt führt. Deshalb sind wenigstens drei unterschiedliche Phasenwerte nötig, um Überreichweiten in Rauschen zu konvertieren.The random phase modulation component φ PM,r (k) thus prevents false detections due to overreaching; the noise generated instead is approximately 26 dB lower in terms of its average power than the peak power that would occur without the random component (the 26 dB results from the DFT integration gain of 10 log 10 (K = 512) = 27 dB minus approximately 1 dB window loss). It should also be noted that the above considerations do not apply to a binary phase shifter, i.e., one with only the two
Probleme durch Überreichweiten entstehen durch einen Umfaltungseffekt, also das Abbilden von Frequenzen auf andere Frequenzen; wenn Frequenzen bei anderen Frequenzen noch gewisse Leistungsanteile haben, dann wird von Überfaltung gesprochen - insgesamt werden derartige Effekte auch als Spektralfaltungseffekte bezeichnet. Einen solchen Überfaltungseffekt gibt es bei sehr nahen Objekten; als Beispiel sei ein Objekt bei Entfernungstor j0 = 0.5 betrachtet (es sei bemerkt, dass Signale von solch nahen Objekten trotz der dafür hohen Dämpfung der Bandpässe 1.5 empfangen werden können, da sie durch die geringe Entfernung ein sehr starkes Signal an der Empfangsantenne erzeugen). Ohne den zufälligen Phasenmodulationsanteil φPM,r(k) würden dann im zweidimensionalen Spektrum Ŝ2(j,I,mTX,mRX) gemäß Bez. (9) beim Entfernungstor j = 0 Anteile von beiden Termen wirksam (die Leistungsspitze mit der Form des zweidimensionalen Fensterspektrums W12 hat ja eine gewisse Breite und erstreckt sich typischerweise über 3 Entfernungstore); der erste Term liefert die korrekte Information, während der zweite Term Falschinformation darstellt. Diese fälschlicherweise auftretenden Anteile vom zweiten Term können entweder zu Verfälschung der gemessenen Werte des Objekts führen (wenn sie sich mit den realen Anteilen vom ersten Term überlappen und dann beispielsweise die Entfernungsinterpolation beeinflussen) oder zu nicht realen Detektionen, also Geisterdetektionen (wenn sie nicht mit den realen Anteilen vom ersten Term überlappen und damit eigenständige Leistungsspitzen ausbilden). Durch den zufälligen Phasenmodulationsanteil φPM,r(k) stellt der zweite Term des zweidimensionalen Spektrums Ŝ2(j,I,mTX,mRX) nach Bez. (8) Rauschen dar, so dass es zu keinen Geisterdetektionen kommt; und weil das Rauschen weit unter den realen Leistungsspitzen vom ersten Term liegt, ist auch die Beeinflussung auf die gemessenen Werte des Objekts (Entfernung, Relativgeschwindigkeit und Winkel) vernachlässigbar gering.Overreach problems arise from a folding effect, i.e. the mapping of frequencies onto other frequencies. If frequencies at other frequencies still have certain power components, this is referred to as overfolding - collectively, such effects are also referred to as spectral folding effects. Such an overfolding effect occurs with very close objects; as an example, consider an object at a distance gate j 0 = 0.5 (it should be noted that signals from such close objects can be received despite the high attenuation of the 1.5 bandpass filters, since they generate a very strong signal at the receiving antenna due to the short distance). Without the random phase modulation component φ PM,r (k), components of both terms would then be effective in the two-dimensional spectrum Ŝ 2 (j,I,m TX ,m RX ) according to Equation (9) at a distance gate j = 0 (the power peak with the shape of the two-dimensional window spectrum W 12 has a certain width and typically extends over 3 distance gates); the first term provides the correct information, while the second term represents false information. These erroneously occurring components of the second term can either lead to falsification of the measured values of the object (if they overlap with the real components of the first term and then, for example, influence the distance interpolation) or to non-real detections, i.e., ghost detections (if they do not overlap with the real components of the first term and thus form independent power peaks). Due to the random phase modulation component φ PM,r (k), the second term of the two-dimensional spectrum Ŝ 2 (j,I,m TX ,m RX ) represents noise according to Equation (8), so that no ghost detections occur; and because the noise is far below the real power peaks of the first term, the influence on the measured values of the object (distance, relative speed, and angle) is negligible.
Negative Auswirkungen von Spektralfaltungen werden also durch den zufälligen Phasenmodulationsanteil φPM,r(k) vermieden.Negative effects of spectral convolutions are thus avoided by the random phase modulation component φ PM,r (k).
Ein prinzipielles Problem bei der Phasenmodulation ist, dass die dazu verwendeten Mittel, also insbesondere Phasenschieber, nie ideal sind, also immer gewisse Fehler aufweisen. Die 64 Phasenwerte der hier betrachteten Phasenschieber, die idealerweise gleichverteilt über den Phasenbereich 2π = 360° sind, sollen eine Standardabweichung von 5° aufweisen; und zusätzlich soll die Amplitude der realisierten Zeiger auch noch eine Standardabweichung von 10% haben. Die verwendete Modulationsperiode soll P = 4 sein, und für den betrachteten Sendepfad mTX sei die Modulationsänderungsgeschwindigkeit p(mTX) = 1. Ohne zufälligen Modulationsanteil sind dann gemäß Bez. (4b) die vier Sollphasenwerte 0, 90°, 180° und 270° periodisch zu wiederholen, welche mit den Phasenschieberindexen 0, 16, 32 und 48 erzeugt werden; diese sollen die realen Phasenwerte -5°, 91°, 185° und 263° und die Amplitudenwerte 1.02, 1.1, 0.85 und 1.11 haben. Für ein Objekt bei einem Entfernungstor j0 < I/2 und beim Dopplertor I0 = 72 ist das sich dann ergebende zweidimensionale Spektrum im Objektentfernungstor j0, also Š2(j0,I,mTX,mRX), in
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen zufälligen überlagerten Phasenanteils φPM,r(k) der Phasenmodulation φPM,TX(k,mTX) nach Bez. (4a) werden nicht mehr vier Phasenwerte periodisch wiederholt, sondern es werden quasi zufällige Phasenwerte verwendet (der lineare Phasenanteil ist nicht mehr sichtbar); damit sind auch die Phasenmodulationsfehler (Phase und Amplitude) nicht mehr periodisch, sondern quasi zufällig, sodass im Spektrum Ŝ2(j0,I,mTX,mRX) nach
Neben den bisher dargestellten Vorteilen durch den zufälligen Phasenmodulationsanteil φPM,r(k) bewirkt dieser auch, dass Abstrahlungen über die Empfangsantennen (durch deren begrenzte TX-Isolation), interne Verkopplungen zwischen Sende- und Empfangspfad sowie Störungen von anderen Radarsystem dekorreliert und damit in Rauschen konvertiert werden - sie können somit nicht die Messwertgüte von Objekte signifikant verschlechtern und nicht Geisterdetektionen generieren.In addition to the previously described advantages of the random phase modulation component φ PM,r (k), this also means that radiation via the receiving antennas (due to their limited TX isolation), internal couplings between the transmit and receive paths as well as interference from other radar systems are decorrelated and thus converted into noise - they cannot therefore significantly degrade the measurement quality of objects and cannot generate ghost detections.
Bisher wurde nur jeweils der Beitrag von einem Sendepfad mTX betrachtet. Das von allen MTX = 3 Sendepfaden erzeugte zweidimensionale Gesamtspektrum S2(j,I,mRX) ist die Summe der in den obigen Formeln dargestellten Einzelbeiträge (also Summe über mTX = 0,...,MTX-1). Weil der zufällige Phasenmodulationsanteil φPM,r(k) konstant über alle MTX = 3 Sendepfade ist, braucht seine Kompensation und die zweite DFT nur einmal für alle Sendepfade gerechnet werden, also nicht für jeden separat (letzteres wäre nötig, wenn der zufällige Phasenmodulationsanteil zwischen den Sendepfaden unterschiedlich wäre, was in deutlich erhöhtem Rechenaufwand resultieren würde). Die Modulation zur Unterscheidung der Sendepfade, also die zwischen den Sendepfaden unterschiedliche lineare Phasenänderung φPM,lin(k,mTX), erfordert auch keine mehrfache zweite DFT, da sie vor der DFT nicht kompensiert werden muss, weil sie ohne Kompensation in der DFT einfach nur zu entsprechender Verschiebung der Leistungsspitzen führt. Nach dieser für alle Sendepfade gemeinsam (also nur einmal) ausgeführten zweiten DFT ergeben sich dann also MTX Leistungsspitzen an den zu den Sendepfaden (also deren linearen Phasenänderung) korrespondierenden Positionen; dies erlaubt die Trennung der von den verschiedenen Sendepfaden bewirkten Anteile, was für MIMO-Betrieb (also Nutzung aller Kombinationen von Sende- und Empfangsantennen für die Winkelbildung bei parallelem Betrieb der Sendeantennen) nötig ist. Die oben dargestellten Vorteile und Effekte des zufälligen Phasenmodulationsanteils φPM,r(k) bleiben natürlich auch im Gesamtspektrum aller MTX = 3 Sendepfade erhalten (sie gelten für jeden einzelnen Sendepfad und damit auch für deren Summe).So far, only the contribution from one transmit path m TX has been considered. The two-dimensional total spectrum S 2 (j,I,m RX ) generated by all M TX = 3 transmit paths is the sum of the individual contributions represented in the above formulas (i.e., the sum over m TX = 0,...,M TX -1). Because the random phase modulation component φ PM,r (k) is constant across all M TX = 3 transmit paths, its compensation and the second DFT need to be calculated only once for all transmit paths, not separately for each one (the latter would be necessary if the random phase modulation component differed between the transmit paths, which would result in significantly increased computational effort). The modulation used to differentiate the transmit paths—i.e., the linear phase change φ PM,lin (k,m TX ) that differs between the transmit paths—also does not require multiple second DFTs, as it does not need to be compensated prior to the DFT. Without compensation in the DFT, it simply leads to a corresponding shift in the power peaks. After this second DFT, which is performed jointly for all transmit paths (i.e., only once), M TX power peaks result at the positions corresponding to the transmit paths (i.e., their linear phase change). This allows the separation of the components caused by the different transmit paths, which is necessary for MIMO operation (i.e., the use of all combinations of transmit and receive antennas for angle formation when the transmit antennas are operated in parallel). The advantages and effects of the random phase modulation component φ PM,r (k) presented above are of course also retained in the overall spectrum of all M TX = 3 transmission paths (they apply to each individual transmission path and thus also to their sum).
Bisher wurde nur ein einzelnes punktförmiges Objekt betrachtet. Obige Betrachtungen bleiben auch im Falle mehrerer und/oder ausgedehnter Objekte gültig (da dies ja nur eine lineare Überlagerung mehrerer Einzelsignale bedeutet).So far, only a single point-like object has been considered. The above considerations remain valid even in the case of multiple and/or extended objects (since this only represents a linear superposition of several individual signals).
Das bisher betrachte Radarsystem hat mehrere Empfangsantennen und damit mehrere Empfangspfade; natürlich wäre auch nur eine Empfangsantenne möglich, was aber im Allgemeinen wenig günstig ist (schlechte Winkelbildung und ungünstige, d. h. wenig balancierte Ausnutzung der verwendeten Hardware-Ressourcen, da Sendepfade aufwändig zu realisieren sind).The radar system considered so far has several receiving antennas and thus several receiving paths; of course, only one receiving antenna would also be possible, but this is generally not very advantageous (poor angle formation and unfavorable, i.e., unbalanced utilization of the hardware resources used, since transmission paths are complex to implement).
Bisher wurde ein reellwertiger Mischer betrachtet. Bei einem komplexwertigen Mischer (auch als IQ-Mischer bezeichnet) gibt es im idealen Fall nur eine Leistungsspitze; im realen Fall ist die IQ-Erzeugung aber nicht ganz perfekt, so dass es auch eine kleinere Leistungsspitze bei negativer Frequenz gibt, die zu Geisterdetektionen oder Verfälschung von Messwerten führen kann. Durch den zufälligen Phasenmodulationsanteil φPM,r(k) wird auch diese Leistungsspitze in Rauschen konvertiert, so dass negative Effekte durch sie vermieden werden.So far, a real-valued mixer has been considered. In a complex-valued mixer (also called an IQ mixer), there is ideally only a single power peak; however, in reality, the IQ generation is not entirely perfect, so there is also a smaller power peak at negative frequency, which can lead to ghost detections or corrupted measured values. The random phase modulation component φ PM,r (k) converts this power peak into noise, thus avoiding any negative effects.
Bei der bisher betrachteten Modulation nach
Bisher ist als Sendesignal, welches sequenziell wiederholt wird, eine lineare Frequenzrampe betrachtet. Statt einer Frequenzrampe können aber auch andere Signalformen verwendet werden, beispielsweise ein Signal mit pseudozufälliger binärer Phasenmodulation (d. h. innerhalb des Signals wird sehr schnell pseudozufällig das Vorzeichen gewechselt) oder ein OFDM-Signal (OFDM = Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Als Eingangswerte der obigen ersten DFT können dann nicht direkt die Abtastwerte (nach Analog-Digital-Wandlung) benutzt werden, sondern es ist zuerst pro Sendesignal und Empfangsantenne die Fouriertransformierte zu berechnen und mit dem Spektrum des Sendesignals zu dividieren.So far, a linear frequency ramp has been considered a sequentially repeated transmit signal. Instead of a frequency ramp, however, other signal forms can also be used, for example, a signal with pseudorandom binary phase modulation (i.e., the sign changes very quickly and pseudorandomly within the signal) or an OFDM signal (OFDM = Orthogonal Frequency Division Multiplexing). The sample values (after analog-to-digital conversion) cannot be used directly as input values for the first DFT above; instead, the Fourier transform must first be calculated for each transmit signal and receive antenna and divided by the spectrum of the transmit signal.
Abschließend sei bemerkt, dass für einen Fachmann naheliegend ist, wie sich die anhand des obigen Anwendungsbeispiels dargestellten erfindungsgemäßen Überlegungen und Ausführungen auf allgemeine Bemessungen und Parameterauslegungen übertragen lassen, d. h., sie können auch auf andere Zahlenwerte angewendet werden.Finally, it should be noted that it is obvious to a person skilled in the art how the inventive considerations and embodiments presented in the above application example can be transferred to general measurements and parameter interpretations, i.e. they can also be applied to other numerical values.
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EP 2 629 113 B1 [0007, 0022]
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