DE102004012252A1 - Lateral steering device for high-frequency and microwave beams, e.g. for object detection and collision warning system, deflects beams produced from radar source using adjustable reflector - Google Patents

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Abstract

The steering device includes a radar source (11) for producing beams, and an adjustable reflector (12) for deflecting the beams produced. The frequency of the beams is in the range 100 GHz to 10 THz. The reflector is larger than the wavelength of the radiation and is adjusted by rotation. An independent claim is included for a digital micromirror component.

Description

Die Erfindung betrifft Strahlschwenkverfahren für neuartige, hochauflösende bildgebende Mikrowellensysteme im oberen GHz- bzw. unteren THz-Bereich.The The invention relates to beam scanning for novel, high resolution imaging Microwave systems in the upper GHz or lower THz range.

Eine hohe laterale Auflösung ist sehr wichtig, um bildgebende Systeme mit guten Objekterkennungsvermögen zu realisieren, beispielsweise für Pre-crash detection, collision warning, security, Sub-surface Sensing etc.A high lateral resolution is very important to realize imaging systems with good object recognition capabilities, for example, for pre-crash detection, collision warning, security, sub-surface sensing etc.

Bisherige Radarsysteme sind aufgrund ihres Systemkonzeptes nur bedingt in der Lage, lateral aufzulösen. Bildgebende Verfahren wie beispielsweise das der Mikrowellenholographie wurden untersucht, sind jedoch nur technisch aufwändig realisierbar. Technisch einfache Systeme, die kostengünstig lateral auflösen können, nutzen Triangulation, Monopuls oder Mehrstrahl- bzw. scannende Systeme. Dabei weisen diese dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren gravierende Nachteile auf. Radarsysteme, die auf Triangulation bzw. Trilateration beruhen, besitzen einen stark eingeschränkten Messbereich und werden deshalb vorwiegend in Anwendungen eingesetzt, die nur eine Nahbereichsmessung erfordern, wie beispielsweise als Einparkhilfe für Fahrzeuge. Als Nahbereich wird hier die radiale Entfernung bezogen auf die laterale Distanz zwischen den Montagepositionen der einzelnen Radarmodule bezeichnet.Previous Radar systems are due to their system concept only limited in able to dissolve laterally. Imaging techniques such as microwave holography were investigated, but are technically complicated to implement. Technically simple systems that are inexpensive dissolve laterally can, use triangulation, monopulse or multi-beam or scanning systems. In this case, these methods according to the prior art serious disadvantages. Radar systems based on triangulation or Trilateration, have a very limited range and are therefore mainly used in applications that only require a Nahbereichsmessung, such as parking aid for vehicles. As close range is here the radial distance related to the denotes lateral distance between the mounting positions of the individual radar modules.

Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung der lateralen Position ist die Verwendung von Mehrstrahlsystemen mit diskreten Strahlkeulen, wie sie beispielsweise für ACC-Radare zur Überwachung des Fernbereiches verwendet werden. Dabei wird ein Objekt nur von der Antenne gesehen, in deren Strahlkeule es sich befindet. Dadurch wird lediglich eine grobe Winkelauflö sung möglich. Einfache Mehrstrahlsysteme können ihren Messbereich maximal in die Anzahl Segmente unterteilen, die der Anzahl der Radarkeulen des Systems entsprechen. Durch spezielle Verfahren, wie beispielsweise Monopuls oder Sequential Lobing, sind Winkelauflösungen unterhalb der Keulenbreite möglich. Diese Verfahren benötigen jedoch mehrere in gewissem Abstand zueinander angeordnete Antennen, deren Richtcharakteristik bekannt sein muss. Zudem werden auch hier nur eingeschränkte Genauigkeiten erreicht und es ist ein entsprechender Rechenaufwand notwendig.A different possibility for determining the lateral position is the use of multi-beam systems with discrete beam lobes, as for example for ACC radars for monitoring of the remote area. An object is only used by seen the antenna in the beam lobe it is. Thereby Only a rough Winkelauflö solution is possible. Simple multibeam systems can divide their measuring range into a maximum of the number of segments that correspond to the number of radar lobes of the system. By special Methods, such as monopulse or sequential lobing angular resolutions possible below the club width. These procedures need however, several antennas arranged at a certain distance from each other, whose directivity must be known. In addition, only here limited Accuracy achieved and it is a corresponding computational effort necessary.

Zusammengefasst weisen diese Mehrstrahlsysteme folgende Nachteile auf:

  • 1. Mehrstrahlsysteme haben eine auf die Anzahl der Strahlen beschränkte Auflösung. Systeme mit Strahlenzahlen größer als zehn sind dabei mit erheblichem technischen Aufwand und Kosten verbunden.
  • 2. Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung mit Amplituden Monopuls und Sequential Lobing haben einen auf den Bereich zwischen den Maxima der beiden Antennenkeulen beschränkten Eindeutigkeitsbereich, benötigen verteilt angeordnete Antennen und weisen insgesamt eine eingeschränkte Genauigkeit auf.
  • 3. Die Verfahren Sequential Lobing und Phasen Monopuls erfordern technischen Aufwand in Form spezieller, digitaler Nachbearbeitung sowie im Falle Phasen Monopuls auch ein spezielles, technisch aufwändigeres Radarmodul.
  • 4. Für den Amplituden Monopuls werden mindestens zwei Messungen eines Streuobjekts von unterschiedlichen Radarmodulen benötigt.
In summary, these multi-jet systems have the following disadvantages:
  • 1. Multi-beam systems have a resolution limited to the number of beams. Systems with jet numbers greater than ten are associated with considerable technical effort and costs.
  • 2. Method for Increasing the Angular Resolution with Amplitudes Monopulse and Sequential Lobing have a uniqueness range limited to the region between the maxima of the two antenna lobes, require distributed antennas and have overall limited accuracy.
  • 3. The methods Sequential Lobing and Monopulse phases require technical effort in the form of special, digital post-processing as well as in the case of Monopulse phases, a special, technically complex radar module.
  • 4. At least two measurements of a scattering object from different radar modules are required for the amplitude monopulse.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nur ein Radarmodul zu verwenden und mittels mechanischer oder elektronischer Ver fahren den Antennenstrahl zu schwenken, um so die Ortsauflösung zu erhalten. Diese Verfahren ermöglichen eine sehr gute Ortsauflösung sowie eine hohe Reichweite. Bisher ist dafür jedoch großer technischer Aufwand entweder mittels elektronischer Strahlschwenkverfahren, beispielsweise mittels so genannter Phased Arrays, erforderlich oder mittels mechanischer Vorrichtungen zum Schwenken des Strahls, beispielsweise in Form einer so genannten Walzenantenne.A another possibility consists of using only one radar module and using mechanical or electronic Ver swing the antenna beam to so the spatial resolution to obtain. These procedures allow a very good spatial resolution as well as a long range. So far, however, is great technical Effort either by means of electronic beam pivoting method, For example, by means of so-called phased arrays, required or by means of mechanical devices for pivoting the beam, for example in the form of a so-called roll antenna.

Phased Array Antennen weisen dabei den Nachteil auf, dass jedes Element über einen individuell steuerbaren Phasenschieber angesteuert werden muss. Solche Phasenschieber sind bisher wirtschaftlich im Bereich über 10 GHz nicht realisierbar. Bei niedrigen Frequenzen werden die Abmaße der Antenne entsprechend groß, so dass ein solches niederfrequentes Phase Array System aufgrund der Einbaumaße in vielen Anwendungen nicht einsetzbar ist.phased Array antennas have the disadvantage that each element has a individually controllable phase shifter must be controlled. Such phase shifters have been economically in the range above 10 GHz not feasible. At low frequencies, the dimensions of the antenna become correspondingly large, so that such a low-frequency phase array system due the installation dimensions can not be used in many applications.

Mechanische Scanner sind bisher aus mechanischen Gründen, wie beispielsweise Vibration und Erschütterung, sowie aufgrund der bisher vorherrschenden niedrigen Frequenzen aufwändig in der technischen Realisierung sowie prinzipbedingt groß in der räumlichen Ausdehnung. Zudem sind die meisten Bauformen, wie beispielsweise Walzenscanner, auf einen eindimensionalen Strahlschwenk festgelegt. Aus J. W. Goodman: „Introduction to Fourier Optics", Kapitel 7.3, Seiten 210 bis 214 ist bekannt, dass sich eine spiegelnd reflektierende, virtuell schräg gestellte Reflektorfläche durch mehrere feste, diskrete, nicht schräg gestellte Abstufungen realisieren lässt.mechanical Scanners have so far been for mechanical reasons, such as vibration and vibration Vibration, and due to the previously prevailing low frequencies consuming in the technical realization and inherently large in the spatial Expansion. In addition, most types, such as Roller scanner, set to a one-dimensional beam sweep. From J.W. Goodman: "Introduction to Fourier Optics ", Chapter 7.3, pages 210 to 214 is known to be a mirror reflective, virtually oblique Asked reflector surface realized by several fixed, discrete, not inclined gradations leaves.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine alternative und kostengünstige Möglichkeit anzugeben, hoch- und höchstfrequente Strahlen lateral zu schwenken.Based on this, the present invention seeks to provide an alternative and cost-effective way, high and hochfre pivoting later rays laterally.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved by those specified in the independent claims Inventions solved. Advantageous embodiments emerge from the dependent claims.

Dementsprechend weist eine Anordnung zum lateralen Schwenken hoch- und höchstfrequenter Strahlen eine Radarquelle zum Erzeugen der Strahlen und mindestens einen verstellbaren Spiegel zum Ablenken der von der Radarquelle erzeugten Strahlen auf.Accordingly has an arrangement for lateral pivoting high and high frequency Radiation a radar source to generate the rays and at least an adjustable mirror for deflecting the radar source generated rays.

Vorzugsweise liegt die Frequenz der von der Radarquelle erzeugten und vom Spiegel abgelenkten Strahlen im Bereich 100 GHz bis 10 THz. Dementsprechend ist der Spiegel auch gerade in diesem Bereich reflektierend, etwa indem er elektrisch leitend ist, und muss nicht notwendigerweise auch optische Strahlen reflektieren.Preferably is the frequency of the generated by the radar source and the mirror deflected beams in the range 100 GHz to 10 THz. Accordingly the mirror is also reflective in this area, for example by being electrically conductive, and not necessarily also reflect optical rays.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Spiegel zumindest senkrecht zu seiner Schwenkachse größer als die Wellenlänge der Strahlung, insbesondere flach und über Verdrehen verstellbar. Das laterale Verschwenken der Strahlung erfolgt dann wie klassischerweise bei optischer Strahlung, indem man den Spiegel so verdreht, dass die Strahlung in die richtige Richtung reflektiert wird.According to one embodiment the mirror is larger than at least perpendicular to its pivot axis the wavelength the radiation, in particular flat and adjustable by turning. The lateral pivoting of the radiation is then as classic in optical radiation, by twisting the mirror so that the radiation is reflected in the right direction.

Alternativ weist die Anordnung eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spiegeln auf, die zum lateralen Schwenken der Strahlen verstellbar sind, indem sie senkrecht, also zumindest mit einer senkrechten Bewegungskomponente, zur Richtung, in der sie nebeneinander angeordnet sind, relativ zueinander linear bewegbar (verschiebbar/verfahrbar) sind. Ein Verstellen der Spiegel erfolgt also durch im Wesentlichen lineares, reines Vor- und Zurückfahren der Spiegel, wobei unterschiedliche Spiegel unterschiedlich weit vor- und zurückgefahren werden. Es ist kein Verdrehen einzelner Spiegel notwendig und die Flächennormale der Spiegel bleibt zumindest in etwa senkrecht zur Richtung, in der sie nebeneinander angeordnet sind.alternative the arrangement has a plurality of juxtaposed Mirrors that are adjustable for lateral pivoting of the beams, by being perpendicular, that is, at least with a vertical component of motion, relative to the direction in which they are arranged side by side mutually linearly movable (movable / movable) are. An adjustment the mirror thus takes place by essentially linear, pure Driving back and forth Mirrors, whereby different mirrors and driven back become. It is not necessary to twist individual mirrors and the surface normal the mirror remains at least approximately perpendicular to the direction in they are arranged side by side.

Um durch eine Überlagerung von Wellen der an den einzelnen Spiegeln reflektierten Strahlen eine laterale Ablenkung der Strahlen zu erreichen, ist die Ausdehnung der Spiegel zumindest in Richtung der lateralen Ablenkung kleiner als die Wellenlänge der Strahlung.Around through an overlay of waves of the rays reflected at the individual mirrors to achieve a lateral deflection of the rays is the expansion the mirror is smaller, at least in the direction of the lateral deflection as the wavelength the radiation.

Weiterhin ist es ausreichend, dass der Bereich, in dem die Spiegel linear in Richtung der Flächennormalen ihrer Spiegelfläche relativ zueinander bewegbar sind, kleiner als die Wellenlänge ist.Farther it is sufficient that the area where the mirrors are linear in the direction of the surface normals their mirror surface are relatively movable, smaller than the wavelength.

Vorzugsweise werden die Spiegel durch elektrische Ansteuerung mikromechanisch bewegt, also etwa durch Piezoaktoren oder elektrostatisch, also durch Aktuatoren, die auf elektrostatischen Kräften beruhen. Alternativ oder ergänzend können thermische Aktoren zum Einsatz kommen, deren Funktionsprinzip auf einer Ausdehnung/Verformung unter Wärme beruht.Preferably The mirrors are micromechanical by electrical control moved, so for example by piezo actuators or electrostatic, so by actuators based on electrostatic forces. Alternatively or additional can thermal actuators are used, their operating principle on an expansion / deformation under heat is based.

Die Spiegel können beispielsweise in einem digitalen Mikrospiegel-Bauelement (Digital Micromirror Device, DMD) angeordnet sein. Dieses DMD unterscheidet sich von herkömmlichen DMDs dadurch, dass die Spiegel nicht verdrehbar, sondern senkrecht zur Richtung, in der sie nebeneinander angeordnet sind, bewegbar sind.The Mirrors can For example, in a digital micromirror device (Digital Micromirror Device, DMD). This DMD is different away from conventional DMDs in that the mirrors are not rotatable, but perpendicular to the Direction in which they are arranged side by side, are movable.

Um die Spiegelfläche zu erhöhen und damit den Winkelbereich und die Empfindlichkeit der Anordnung zu vergrößern, kann die Anordnung wie folgt aufgebaut sein: Die Bewegung der Spiegel ist in Gruppen ansteuerbar, wobei Spiegel einer ersten Gruppe wie bereits beschrieben relativ zueinander bewegt werden. Spiegel einer zweiten Gruppe werden ebenfalls wie bereits beschrieben relativ zueinander bewegt, wobei sie jeweils in etwa die gleiche Stellung einnehmen wie die Spiegel der ersten Gruppe. Weist eine Gruppe also beispielsweise i Spiegel auf, wobei die Spiegel 1, ..., i nebeneinander angeordnet sind, so befindet sich beispielsweise der erste Spiegel in der Richtung, die senkrecht zur Richtung ist, in der die Spiegel ne beneinander angeordnet sind, am weitesten hinten, während sich der i-te Spiegel am weitesten vorne befindet. Die dazwischen angeordneten Spiegel 2 bis i-1 befinden sich auf einer gedachten Geraden, die zwischen dem ersten und dem i-ten Spiegel zu ziehen ist. Das gleiche gilt für die i Spiegel der zweiten Gruppe 1, ..., i, wobei die Entfernung zwischen dem ersten und dem i-ten Spiegel der zweiten Gruppe in Richtung des Verstellens und vorzugsweise auch in Richtung des Nebeneinanderanordnens der Spiegel die gleiche ist wie zwischen diesen Spiegeln in der ersten Gruppe. Entsprechendes ergibt sich für den Vergleich des zweiten bis i-1-ten Spiegels der zweiten Gruppe mit den jeweiligen Spiegeln der ersten Gruppe. Vorzugsweise sind die Spiegel einer Gruppe jeweils einander benachbart und die Gruppen wiederum einander benachbart, wobei nicht nur zwei, sondern auch eine Vielzahl von Gruppen verwendet werden kann.Around the mirror surface to increase and thus the angular range and the sensitivity of the arrangement can enlarge the arrangement can be constructed as follows: The movement of the mirror is controllable in groups, whereby mirrors of a first group like already described are moved relative to each other. Mirror one second group also become relative as already described moved to each other, each in approximately the same position ingest like the mirrors of the first group. We have a group for example, i mirror, wherein the mirrors 1, ..., i next to each other are arranged, so there is, for example, the first mirror in the direction that is perpendicular to the direction in which the mirrors are arranged next to each other, furthest to the rear, while themselves the i-th mirror is furthest forward. The interposed Mirrors 2 to i-1 are on an imaginary line that is to draw between the first and the i-th mirror. The same applies to the i mirror the second group 1, ..., i, where the distance between the first and the i-th mirror of the second group in the direction the adjustment and preferably also in the direction of juxtaposition the mirror is the same as between these mirrors in the mirror first group. The same results for the comparison of the second to i-1-th mirror of the second group with the respective mirrors the first group. Preferably, the mirrors are one group each adjacent to each other and the groups in turn adjacent to each other, using not only two, but also a variety of groups can be.

Als nachteilig kann es sich dabei erweisen, dass beim Übergang der einzelnen durch jeweils eine Gruppe gebildeten virtuellen Schrägen ein Phasensprung entsteht, wenn die Länge nicht der Wellenlänge der Strahlung entspricht. Diese Phasensprünge würden die resultierende reflektierte Leistung herabsetzen und die Direktivität reduzieren.When disadvantageous may be that during the transition of the individual virtual slopes formed by a group Phase jump occurs when the length does not match the wavelength of the Radiation corresponds. These phase jumps would reflect the resulting Minimize performance and reduce directivity.

Dies kann vorzugsweise dadurch verhindert werden, dass die Anzahl der an einer virtuellen Schräge beteiligten Spiegel, also die Anzahl der Spiegel pro Gruppe veränderbar ist. Hierdurch entstehen zwar diskrete Schwenkschritte, es wird aber der technische Nachteil des eingeschränkten Schwenkbereiches bzw. der geringen Fläche kompensiert.This can preferably be prevented by limiting the number of times to a virtual one Slant involved mirror, so the number of mirrors per group is changeable. Although this results in discrete pivoting steps, but it is the technical disadvantage of the restricted pivoting range or the small area compensated.

Die Richtung, der die Spiegel nebeneinander angeordnet sind, ist senkrecht zu der Richtung, in die die Flächennormalen der Spiegelflächen zeigen.The The direction in which the mirrors are arranged next to each other is vertical to the direction in which the surface normals the mirror surfaces demonstrate.

Die Vielzahl von Spiegeln ist insbesondere nicht nur in einer Dimension nebeneinander angeordnet, sondern als Spiegel-Array in einem Feld, so dass die Strahlen in zwei Dimensionen schwenkbar sind.The Variety of mirrors is especially not just in one dimension arranged side by side, but as a mirror array in a field, so that the beams are pivotable in two dimensions.

Um eine möglichst homogene Ausleuchtung der Spiegel-Arrays, also der Vielzahl von Spiegeln, zu erzielen, kann die Antenne in Form von Patches realisiert sein, die um die Spiegel herum angeordnet sind.Around one possible homogeneous illumination of the mirror arrays, so the plurality of Mirroring, the antenna can be realized in the form of patches be, which are arranged around the mirrors.

Ein Verfahren, bei dem eine Anordnung nach einer der zuvor beschriebenen Arten verwendet wird, lässt sich beispielsweise dadurch realisieren, dass mit einer Radarquelle hoch- und/oder höchstfrequente Strahlen erzeugt und diese Strahlen durch einen verstellbaren Spiegel abgelenkt und damit geschwenkt werden. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den bevorzugten Ausgestaltungen der Anordnung und umgekehrt.One Method in which an arrangement according to one of the previously described Species is used For example, realize that with a radar source high and / or highest frequency Radiation generated and these rays through an adjustable mirror be distracted and panned. Preferred embodiments of the method are analogous to the preferred embodiments the arrangement and vice versa.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:Further Advantages and features of the invention will become apparent from the description of exemplary embodiments based on the drawing. Showing:

1 das Schwenken von Strahlen durch Verdrehen eines Spiegels; 1 the pivoting of rays by twisting a mirror;

2 das Schwenken von Strahlen durch nebeneinander angeordnete, linear bewegbare Spiegel; 2 the pivoting of beams by juxtaposed linearly movable mirrors;

3 das Schwenken von Strahlen durch nebeneinander angeordnete, linear bewegbare Spiegel, die in Gruppen angesteuert werden; 3 the pivoting of beams by juxtaposed, linearly movable mirrors, which are driven in groups;

4 eine Anordnung zum lateralen Schwenken hoch- und höchstfrequenter Strahlen mit einer Auswerteeinheit und einer Sensoreinheit. 4 an arrangement for the lateral pivoting of high and highest frequency beams with an evaluation unit and a sensor unit.

Bisherige Scanner werden durch die Kombination von in Mikrosystemtechnik realisierten schwenkbaren Spiegeln mit hoch- und höchstfrequenten Radarsystemen (100 GHz bis 10 THz, IR2) ersetzt. Dabei können aufgrund der kurzen Wellenlänge von 0,03 bis 3 cm entsprechend kompakte Spiegel und zwei verschiedene Schwenkverfahren verwendet werden. Dies ist zum einen direktes Schwenken über spiegelnde Reflektion. Alternativ kommt indirektes Schwenken über mechanisches, lineares Verstellen mehrerer Spiegel mit entsprechender Laufzeitvariation zum Einsatz. Neu ist dabei auch bei beiden Verfahren die Kombination von höchstfrequenter Mikrowellenstrahlung mit mikromechanisch verstellbaren Aktuatoren.Previous scanners have been replaced by the combination of micro-system-implemented swiveling mirrors with high- and high-frequency radar systems (100 GHz to 10 THz, IR 2 ). Due to the short wavelength of 0.03 to 3 cm correspondingly compact mirrors and two different pivoting methods can be used. This is, on the one hand, direct pivoting via specular reflection. Alternatively, indirect pivoting is used via mechanical, linear adjustment of multiple mirrors with corresponding propagation time variation. Also new in both methods is the combination of high-frequency microwave radiation with micromechanically adjustable actuators.

1 zeigt das direkte Schwenken. Dabei werden von einer Radarquelle 11 hoch- und/oder höchstfrequente Strahlen erzeugt und zu einem Spiegel 12 gesendet, der die von der Radarquelle erzeugten Strahlen ablenkt. Bei einem solchen spiegelnden Reflektor ist die spiegelnde Fläche größer als die Wellenlänge der abzulenkenden elektromagnetischen Wellen. Typisch sind dabei Größen von einigen Vielfachen der Wellenlänge, so dass sich eine deutlich gerichtete Reflexion ergibt. Der Strahlschwenk selbst erfolgt über Verdrehen der Spiegelfläche. Dabei können insbesondere Spiegel mit einem Schwenkbereich von bis zu 180° eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft sind hierfür Cantilever-Spiegel, die auch einen zweidimensionalen Schwenk ermöglichen können. 1 shows the direct panning. It will be from a radar source 11 generated high and / or high frequency beams and to a mirror 12 sent, which deflects the rays generated by the radar source. In such a specular reflector, the specular surface is larger than the wavelength of the electromagnetic waves to be deflected. Typical are sizes of a few multiples of the wavelength, so that there is a clearly directed reflection. The beam pivot itself is done by turning the mirror surface. In particular, mirrors with a swivel range of up to 180 ° can be used. Cantilever mirrors which can also enable a two-dimensional pivoting are particularly advantageous for this purpose.

2 zeigt ein indirektes Schwenken über lineares Verstellen mehrerer Spiegel. Dabei werden von einer Radarquelle 21 hoch- und/oder höchstfrequente Strahlen erzeugt und zu einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spiegeln 22 gesendet, von denen vier dargestellt sind. Die Spiegel 22 sind zum lateralen Schwenken der Strahlen verstellbar, indem sie senkrecht zur Richtung, in der sie nebeneinander angeordnet sind, relativ zueinander bewegbar sind. Dadurch ergibt sich eine Laufzeitvariation der an den einzelnen Spiegeln 22 reflektierten Strahlen und damit durch die Überlagerung ihrer Wellen die Möglichkeit des Schwenkens. Die diskreten Abstufungen sind dabei weniger als die Wellenlänge tief und die Spiegel meistens kleiner als die Wellenlänge. Dadurch lässt sich durch mechanische Systeme mit kleinen Ablenkeinheiten bereits eine Strahlschwenkung erreichen. Für Systeme mit größerer Wellenlänge können größere Spiegel eingesetzt werden. Ein solches Grating wird durch ein mikromechanisches Spiegelsystem realisiert. Dabei sind die einzelnen Abstufungen durch lineares Bewegen der Spiegel 22 verstellbar und die spiegelnde Ebene wird virtuell durch das verstellbare Grating geschwenkt. 2 shows an indirect panning over linear adjustment of multiple mirrors. It will be from a radar source 21 generated high and / or highest-frequency beams and a plurality of juxtaposed mirrors 22 sent, four of which are shown. The mirror 22 are adjustable for lateral pivoting of the beams by being movable relative to each other perpendicular to the direction in which they are arranged side by side. This results in a transit time variation of the individual mirrors 22 reflected rays and thus by the superposition of their waves the possibility of panning. The discrete gradations are less than the wavelength deep and the mirrors usually smaller than the wavelength. As a result, mechanical systems with small deflection units can already achieve beam deflection. For systems with longer wavelengths, larger mirrors can be used. Such a grating is realized by a micromechanical mirror system. The individual gradations are by linear movement of the mirror 22 adjustable and the mirroring plane is virtually pivoted by the adjustable grating.

Eine Erweiterung ist in 3 dargestellt. Dabei werden wiederum von einer Radarquelle 31 in Form einer THz-Quelle Strahlen zu Spiegeln 32 gesandt. Die zwölf Spiegel 32 werden in der ersten in 3 dargestellten Schwenkrichtung der Strahlen in drei Gruppen zu vier Spiegeln zusammengefasst und in der zweiten der in 3 dargestellten Schwenkrichtung der Strahlung in vier Gruppen zu drei Spiegeln. Die Bewegung der Spiegel 32 ist also in Gruppen ansteuerbar, wobei die Spiegel 1, ..., i einer ersten Gruppe relativ zueinander in der bereits zu 2 beschriebenen Weise bewegt werden und dabei die Spiegel 1, ..., i einer zweiten Gruppe relativ zueinander in die gleiche Stellung bewegt werden, wie die Spiegel der ersten Gruppe.An extension is in 3 shown. It will turn from a radar source 31 in the form of a THz source, rays to mirrors 32 sent. The twelve mirrors 32 be in the first in 3 shown pivoting direction of the beams summarized in three groups to four mirrors and in the second of in 3 shown pivoting direction of the radiation in four groups to three mirrors. The movement of the mirror 32 is in Grup pen controllable, the mirrors 1, ..., i of a first group relative to each other in the already to 2 In this way, the mirrors 1,..., i of a second group are moved relative to one another into the same position as the mirrors of the first group.

Die schwenkbare Fläche bzw. der erreichbare Schwenkbereich wird also dadurch erhöht, dass der virtuell geschwenkte Spiegel nicht über eine einzelne virtuelle schräge Fläche realisiert wird, sondern durch mehrere nebeneinander liegende virtuelle schräge Flächen. Dadurch wird entweder der Winkelbereich größer oder es können längere Anordnungen mit entsprechend größerer Fläche verwendet werden.The swiveling surface or the achievable swivel range is thus increased by the fact that the virtually pivoted mirrors do not have a single virtual mirror slope area is realized, but by several juxtaposed virtual oblique surfaces. Thereby either the angular range is larger or it can be longer arrangements with used according to larger area become.

Als nachteilig erweist sich dabei, dass beim übergang der einzelnen virtuellen Schrägen, die in 3 als gedachte Linien S eingezeichnet sind, ein Phasensprung entsteht, wenn die Länge nicht der Wellenlänge der Strahlung entspricht. Diese Phasensprünge würden die resultierende reflektierte Leistung herabsetzen und die Direktivität reduzieren. Deshalb wird dies durch die Änderung der Zahl der an einer Fläche beteiligten Spiegel ausgeglichen. In 3 sind deshalb bei den beiden unterschiedlichen, dargestellten Schwenkrichtungen einmal vier und das andere Mal drei Spiegel 32 jeweils an einer Fläche beteiligt, das heißt in einer Gruppe angesteuert. Hierdurch entstehen zwar diskrete Schwenkschritte, es wird aber der technische Nachteil des eingeschränkten Schwenkbereiches bzw. der geringen Fläche kompensiert.It proves to be disadvantageous that the transition of the individual virtual bevels, the in 3 as imaginary lines S are drawn, a phase jump arises when the length does not correspond to the wavelength of the radiation. These phase jumps would lower the resulting reflected power and reduce the directivity. Therefore, this is compensated by changing the number of mirrors involved in an area. In 3 are therefore at the two different pivoting directions shown once four and the other time three mirrors 32 each involved in an area, that is controlled in a group. Although this results in discrete pivoting steps, but it is the technical disadvantage of the restricted pivoting range or the small area compensated.

Zur Vermeidung von Abschattungseffekten kann bei beiden Verfahren die Antenne der Radarquelle auch seitlich der spiegelnden Fläche oberhalb der Aktuatoren angeordnet sein. Des Weiteren ist es vorteilhaft, Antennen zu verwenden, die das mikromechanische Spiegel-Array möglichst homogen ausleuchten, das heißt, die eine im Bereich der Spiegel gleichmäßige Antennekeule aufweisen. Dies kann auch dazu führen, dass mehrere so genannte Patches als Antenne auf das Array leuchten. Eine besonders geeignete Anordnung sieht dabei die räumliche Anordnung der Patches um das Spiegel-Array herum vor.to Avoidance of shading effects can in both methods Antenna of the radar source also laterally of the reflecting surface above the Be arranged actuators. Furthermore, it is advantageous to antennas to use the micromechanical mirror array as possible to illuminate homogeneously, that is which have a uniform antenna lobe in the region of the mirror. This can also cause that several so-called patches shine as an antenna on the array. A particularly suitable arrangement sees the spatial Arrange the patches around the mirror array.

Ingesamt kann es unter Umständen auch vorteilhaft sein, die Antenne in größerer Entfernung zum Spiegel-Array anzuordnen, um dadurch im Fernfeld der Antenne zu arbeiten. Gegebenenfalls kann dann der Bereich um das Spiegel-Array mit absorbierenden Materialien umschlossen sein, um dadurch die Ausbreitung von Störsignalen zu vermeiden. Ebenfalls vorteilhaft kann eine vorherige Bündelung und/oder Korrektur der Antennenkeule mit dielektrischen Linsen sein, beispielsweise in Form von sphärisch geformten Linsen oder Fresnel-Linsen.Overall It may be possible also be advantageous, the antenna at a greater distance to the mirror array to thereby operate in the far field of the antenna. Possibly Can then be the area around the mirror array with absorbing materials be enclosed, thereby the propagation of interfering signals to avoid. Also advantageous may be a previous bundling and / or Correction of the antenna lobe with dielectric lenses, for example in the form of spherical shaped lenses or Fresnel lenses.

Arrays werden in mikrosystemtechnischen Verfahren aufgebaut und angeordnet. Zu nennen sind dabei unter anderem Systeme mit besonders großen Schwenkbreiten für das direkte Schwenken nach 1, während linear verstellende Systeme vorteilhaft für Anordnungen nach den 2 und 3 verwendet werden.Arrays are constructed and arranged in microsystem technology. Among other things, systems with particularly large swivel widths for direct swiveling are to be mentioned 1 , while linear displacement systems are advantageous for arrangements according to the 2 and 3 be used.

Neben dem Spiegel wird eine entsprechende Recheneinheit benötigt, um aus dem geschwenkten Strahl die entsprechenden dreidimensionalen Bilder zu rekonstruieren. 4 zeigt ein solches Gesamtsystem. Es weist eine Sensoreinheit SE mit einer Ablenkeinheit, einer Antenne und HF-Elektronik auf. Von der Sensoreinheit SE werden Strahlen erzeugt, geschwenkt, an Objekten 01, 02, 03, 04 reflektiert und von der Sensoreinheit SE wieder empfangen. Die Signale werden einer Auswerteeinheit AE zugeführt, die eine Recheneinheit zur Bildrekonstruktion und eine Einheit zur Ablaufsteuerung enthält. Von der Auswerteeinheit AE werden aus dem geschwenkten Strahl und den empfangenen Signalen dreidimensionale Bilder P berechnet und ausgegeben.In addition to the mirror, a corresponding arithmetic unit is needed to reconstruct the corresponding three-dimensional images from the tilted beam. 4 shows such a total system. It has a sensor unit SE with a deflection unit, an antenna and HF electronics. From the sensor unit SE rays are generated, pivoted, objects 01 . 02 . 03 . 04 reflected and received by the sensor unit SE again. The signals are fed to an evaluation unit AE which contains an arithmetic unit for image reconstruction and a unit for sequence control. From the evaluation unit AE three-dimensional images P are calculated and output from the panned beam and the received signals.

Claims (14)

Anordnung zum lateralen Schwenken hoch- und/oder höchstfrequenter Strahlen mit – einer Radarquelle (11, 21, 31) zum Erzeugen der Strahlen, – einem verstellbaren Spiegel (12, 22, 32) zum Ablenken der von der Radarquelle (11, 21, 31) erzeugten Strahlen.Arrangement for the lateral pivoting of high and / or highest frequency beams with - a radar source ( 11 . 21 . 31 ) for generating the beams, - an adjustable mirror ( 12 . 22 . 32 ) for distracting the radar source ( 11 . 21 . 31 ) generated rays. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Strahlen im Bereich 100 GHz bis 10 THz liegt.Arrangement according to claim 1, characterized the frequency of the beams is in the range 100 GHz to 10 THz. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (12) größer als die Wellenlänge der Strahlung und über Verdrehen verstellbar ist.Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the mirror ( 12 ) is greater than the wavelength of the radiation and is adjustable by twisting. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spiegeln (22, 32) aufweist, die zum lateralen Schwenken der Strahlen verstellbar sind, indem sie senkrecht zur Richtung, in der sie nebeneinander angeordnet sind, relativ zueinander bewegbar sind.Arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized in that the arrangement comprises a plurality of juxtaposed mirrors ( 22 . 32 ), which are adjustable for the lateral pivoting of the beams by being movable relative to each other perpendicular to the direction in which they are arranged side by side. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (22, 32) kleiner als die Wellenlänge der Strahlung sind.Arrangement according to claim 4, characterized in that the mirrors ( 22 . 32 ) are smaller than the wavelength of the radiation. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich, in dem die Spiegel (22, 32) senkrecht zur Richtung, in der sie nebeneinander angeordnet sind, relativ zueinander bewegbar sind, kleiner als die Wellenlänge ist.Arrangement according to claims 4 and 5, characterized in that the area in which the mirrors ( 22 . 32 ) are perpendicular to the direction in which they are arranged side by side, are relatively movable, smaller than the wavelength. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (22, 32) mikromechanisch bewegbar sind.Arrangement according to one of claims 4 to 6, characterized in that the mirrors ( 22 . 32 ) are micromechanically movable. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel in einem digitalen Mikrospiegel-Bauelement angeordnet sind.Arrangement according to one of claims 4 to 7, characterized that the mirrors are arranged in a digital micromirror device are. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Spiegel (32) in Gruppen ansteuerbar ist, wobei die Spiegel einer ersten Gruppe relativ zueinander bewegt werden und dabei die Spiegel einer zweiten Gruppe relativ zueinander in eine gleiche Stellung bewegt werden, wie die Spiegel der ersten Gruppe.Arrangement according to one of claims 4 to 8, characterized in that the movement of the mirror ( 32 ) is controllable in groups, wherein the mirrors of a first group are moved relative to each other and thereby the mirrors of a second group are moved relative to each other in a same position as the mirrors of the first group. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (32) einer, insbesondere aller, der Gruppen jeweils einander benachbart sind und die Gruppen einander benachbart sind.Arrangement according to claim 9, characterized in that the mirrors ( 32 ) one, in particular all, of the groups are adjacent to each other and the groups are adjacent to each other. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Spiegel (32) pro Gruppe veränderbar ist.Arrangement according to one of claims 9 or 10, characterized in that the number of mirrors ( 32 ) per group is changeable. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antenne der Radarquelle in Form von Patches realisiert ist, die um die Spiegel herum angeordnet sind.Arrangement according to one of claims 4 to 11, characterized an antenna of the radar source is realized in the form of patches is, which are arranged around the mirrors. Digitales Mikrospiegel-Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spiegeln aufweist, die verstellbar sind, indem sie senkrecht zur Rich tung, in der sie nebeneinander angeordnet sind, relativ zueinander bewegbar sind.Digital micromirror device, characterized that it has a multiplicity of juxtaposed mirrors, which are adjustable by being perpendicular to the direction in which they are side by side are arranged relative to each other are movable. Verfahren, bei dem eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet wird.Method in which an arrangement according to one of claims 1 to 12 is used.
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DE102018204525A1 (en) * 2018-03-23 2019-09-26 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Device for detecting objects

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