DE102008061932A1

DE102008061932A1 - Abbildender Radarsensor mit digitaler Strahlformung und synthetischer Vergrößerung der Antennenapertur

Info

Publication number: DE102008061932A1
Application number: DE102008061932A
Authority: DE
Inventors: Richard Körber
Original assignee: Astyx GmbH
Current assignee: ADC Automotive Distance Control Systems GmbH; Astyx GmbH
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-07-01
Also published as: WO2010066458A1; DE112009004417A5

Abstract

Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts, insbesondere eines sich bewegenden Objekts, zur Verfügung gestellt. Dabei unfasst die Vorrichtung mindestens zwei Sendeantennen, eine Anzahl mehrerer in Reihe angeordneter Empfangsantennen, wobei die Sendeantennen in Richtung zum Objekt jeweils hinter Empfangsantennen angeordnet ist, welche an den oder der Nähe der gegenüberliegenden Reihenenden vorgesehen sind, einen Frequenzgenerator zur Erzeugung von Signalen, welche von den Sendeantennen zeitlich aufeinanderfolgend abgegeben werden, mindestens eine Verarbeitungseinheit zur Durchführung mindestens einer Verknüpfung der von den Empfangsantennen abgegebenen Empfangssignale nach der Methode der digitalen Strahlformung zur Erzeugung eines gebündelten Antennenstrahls und zur Durchführung einer Geschwindigkeitskorrektur und/oder einer Entfernungskorrektur mittels einer zweidimensionalen FFT durch Vergleich von Ausgangssignalen der, dem gebündelten Antennenstrahl entsprechenden, sich überlagernden Antennenzeilen, und eine Wiedergabeeinrichtung zur Darstellung der Position des Objekts. Die Erfindung betrifft zudem ein Radarsystem zur Verwendung der empfindungsgemäßen Vorrichtung.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung von abbildenden Radarsensoren bei begrenzt verfügbarer Antennenapertur und einer reduzierten Anzahl von Empfangskanälen.
Millimeterwellen-Radarsensoren, z. B. für automobile Anwendungen sollen eine kompakte und kostengünstige Bauweise vorweisen. Dies bedeutet, dass die verfügbare Fläche für die Antenne möglichst klein zu halten ist und die Anzahl der Hochfrequenz-Komponenten minimiert sein sollte.
Andererseits sollte der Sensor eine hohe Winkelauflösung vorweisen, welche jedoch eine große Antennenfläche, sogenannte Apertur, erfordert.
Dieser Konflikt der Anforderungen wird durch die folgende Erfindung vorteilhaft gelöst. Die Baugröße der Radarsensoren kann dabei fast um den Faktor Zwei verkleinert werden.
Stand der Technik
Aus der Dissertation von Dr. Winfried Mayer mit dem Titel „Abbildender Radarsensor mit sendeseitig geschalteter Gruppenantenne", Cuvillier Verlag, Göttingen 2008, ISBN 978-3-86727-565-1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bekannt, welches mit der Technik der digitalen Strahlformung, bei denen ein Antennenarray mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern eingesetzt wird, ein Gebiet überwacht.
Durch den zeitlich aufeinanderfolgenden Einsatz der Sender, kann der Antennenöffnungswinkel verkleinert werden, ohne dass dabei die physikalische Größe der Empfangsantenne zunimmt.
Bei Radarsensoren funktioniert dieses Verfahren gut, solange die zu detektierenden Objekte sich nicht bewegen und mehrere nahe beieinander liegende Objekte zu detektieren sind.
Die Objektbewegung verursacht in der Regel Abbildungsfehler, die Echos nahe beieinander liegender Objekte überlagern sich, was zu falschen und mehrdeutigen Abbildungen führen kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung, ein Verfahren sowie ein Radarsystem zur Verfügung zu stellen, womit die oben beschriebenen Abbildungsfehler vermieden werden.
Die Aufgabe wird vorrichtungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1, verfahrensgemäß mit den Merkmalen des Anspruch 5 und gemäß dem Radarsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Dementsprechend umfasst die Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Objekts, insbesondere eines sich bewegenden Objekts, mindestens zwei Sendeantennen, eine Anzahl mehrerer in Reihe angeordneter Empfangsantennen, wobei die Sendeantennen in Richtung zum Objekt jeweils hinter Empfangsantennen angeordnet sind, welche an den oder in der Nähe der gegenüberliegenden Reihenenden vorgesehen sind, einen Frequenzgenerator zur Erzeugung von Signalen, welche von den Sendeantennen zeitlich aufeinanderfolgend abgegeben werden, mindestens eine Verarbeitungseinheit zur Durchführung mindestens einer Verknüpfung der von den Empfangsantennen abgegebenen Empfangssignale nach der Methode der digitalen Strahlformung zur Erzeugung eines gebündelten Antennenstrahls und zur Durchführung einer Geschwindigkeitskorrektur und/oder einer Entfernungskorrektur mittels einer zweidimensionalen FFT durch Vergleich von Ausgangssignalen der, dem gebündelten Antennenstrahl entsprechenden, sich überlagernden Antennenzeilen, und eine Wiedergabeeinrichtung zur Darstellung der Position des Objekts.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts, insbesondere eines sich bewegenden Objekts, umfasst mindestens die Verfahrensschritte des Empfangs einer Folge von zeitlich aufeinanderfolgend gesendeten und am Objekt reflektierten Empfangssignalen durch eine Anzahl mehrerer in einer Reihe angeordneter Empfangsantennen, der Digitalisierung der Empfangssignale, der Verknüpfung der Empfangssignale nach der Methode der digitalen Strahlformung zu einem gebündelten Antennenstrahl, der Durchführung einer Geschwindigkeitskorrektur und einer Entfernungskorrektur mittels einer zweidimensionalen FFT durch Vergleich von Ausgangssignalen von sich überlagernden Antennenzeilen, welche dem gebündelten Antennenstrahl entsprechen, und der Darstellung der Position des Objekts.
Die Erfindung weist unter anderem die Vorteile auf, dass bei der Darstellung der Position des Objekts Bildverzerrungen und Scheinziele und/oder Scheinobjekte unterdrückt werden, welche durch Objektbewegungen, die Modulationsform und/oder Phasenverschiebungen funktionaler Baugruppen hervorgerufen werden. Des Weiteren ist die Winkelbestimmung und Winkelauflösung zur Positionsbestimmung des Objekts vergleichsweise hoch. Durch die Anordnung der Sendeantennen jeweils gegenüberliegend zu den äußeren Empfangsantennen wird einerseits die Überlappung der äußerst rechts liegenden Empfangsantennenzeile und der äußerst links liegenden synthetischen Antennenzeile ermöglicht und andererseits die für die Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung notwendige Entkopplung zwischen dem Sender und Empfänger gewährleistet.
Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale und der jeweils beanspruchte Gegenstand stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung eine Anzahl von 8, 16 oder 32 Empfangsantennen auf.
Gemäß vorteilhafter Weiterbildung ist die Position des Objekts mittels der Wiedergabeeinrichtung über ein Antennendiagramm darstellbar.
In zweckmäßiger Weiterbildung wird zusätzlich zur Entfernungskorrektur eine Geschwindigkeitskorrektor durchgeführt.
Zur Erzielung einer höheren Winkelauflösung in einem Beobachtungswinkelbereich werden zweckmäßigerweise die Amplituden benachbarter Antennenstrahlen ausgewertet (sog. Sequential lobing).
Zur Erzielung einer höheren Winkelauflösung werden zweckmäßigerweise die Summe und Differenz zweier benachbarter Antennenstrahlen ausgewertet (sog. Monopuls).
Zur Durchführung der zweidimensionalen FFT wird zweckmäßigerweise eine trapezförmige Frequenzmodulation durchgeführt, wobei die fallende Frequenzrampe zeitinvers ausgewertet wird. Somit wird beide Durchführung der zweidimensionale FFT eine eindeutige Abbildung der Geschwindigkeit des Objekts möglich.
Ausführungsbeispiele:
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleich Bezugszeichen versehen.
Die Erfindung betrifft ein frequenzmoduliertes Dauerstrich Radar (FMCW-Radar) nach 1, welches ein Gebiet mit Hilfe der digitalen Strahlformung überwacht. Der Radarsensor besteht dabei aus zwei Sendern und mehreren z. B. 16 Empfängern. 1 zeigt einen Frequenzgenerator 2, einen Lokaloszillator 4, ein daran anschließendes Verteilernetzwerk 6, einen linken Sender 8 mit einer linken Sendeantenne 10 auf einer Antennenzeile 12 und einen rechten Sender 14 mit einer rechten Sendeantenne 16 auf der Antennenzeile 12 sowie einen 16-Kanal Empfänger 18, womit die Empfangssignale auf eine Basisband herabgemischt werden.
Die Sendeantennen 10, 16 sind dabei wie in 2 dargestellt auf der gleichen x-Koordinate wie die jeweils äußerst links bzw. rechts liegenden Empfangsantennen 20 angeordnet. Sowohl die Sendeantennen als auch die Empfangsantennen sind im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel als „microstrip patch” Antennen ausgeführt.
Die Signale der Empfänger werden zunächst digitalisiert und dann nach der Methode der „digitalen Strahlformung” miteinander verknüpft, sodass sich ein gebündelter Antennestrahl bildet, welcher einem Antennenarray von 16 Antennenzeilen entspricht. Durch geeignete Phasenverschiebung und Gewichtung der Empfangssignale der Einzelzeilen lässt sich dieser gebündelte Strahl in Richtung des gewünschten Beobachtungswinkel ausrichten.
Werden nun die Sender zeitlich aufeinanderfolgend betrieben, so kann eine Verknüpfung der Signale der Einzelzeilen derart gewählt werden, dass diese einer fast doppelt so großen Apertur, einer sogenannten synthetischen Apertur, entspricht. 3A sowie 3B und 3C zeigen die reale Apertur bzw. die synthetische Anordnung.
Eine Besonderheit dieser Anordnung ist, dass die jeweils äußerst links bzw. rechts liegenden Antennenzeilen auf der x-Achse übereinander zum liegen kommen. Daraus lässt sich die Forderung ableiten, dass diese beiden Antennenzeilen die gleichen Signale empfangen müssen.
Bei bewegten Objekten ist dies jedoch nicht der Fall, da diese bedingt durch den zeitlichen Versatz der beiden nacheinander empfangenen Signale unterschiedliche Positionen einnehmen können. Das gleiche gilt auch für unterschiedliche Modulationszustände und für Phasenverschiebungen, welche durch die physikalischen Eigenschaften der verwendeten funktionalen Baugruppen verursacht sein können. Diese Verschiebungen führen zu Verzerrungen und falschen Abbildungen im Radarbild.
Die Erfindung besteht nun darin, aus den übereinander liegenden Empfangskanälen Korrekturfaktoren für die digitale Strahlformung zu ermitteln.
Es wird zunächst eine trapezförmige Frequenzmodulation des Millimeterwellen-Trägersignals durchgeführt, wobei nach 4 in der aufsteigenden Trapezrampe der linke Sender aktiv ist und in der fallenden Trapezrampe der rechte Sender. Die während der Rampen empfangenen Signale werden digitalisiert und getrennt nach steigender und fallender Modulationsrampe im Speicher der Recheneinheit abgelegt.
Bei bewegten Objekten entstehen beispielsweise dabei in den Signalen der steigenden Rampe positive Frequenzverschiebungen, sogenannte Dopplerverschiebungen, in der fallenden Rampe aber negative Frequenzverschiebungen. Damit im Laufe der weiteren Signalverarbeitung keine Frequenzvermischung statt findet, werden die Signale aus den fallenden Modulationsrampen zeitlich invers abgelegt. Die Dopplerverschiebung entspricht also im Vorzeichen dem der steigenden Rampe.
5 zeigt ein Flussdiagramm der nun folgenden Signalverarbeitungsprozedur. Mit Hilfe einer schnellen Fouriertransformation (FFT) wird zunächst für jede Rampe 22 ein komplexes Spektrum erzeugt, dessen Frequenz proportional zur Entfernung ist. Diese zeitlich aufeinanderfolgenden Spektren werden nun in einer Matrix zu einem sogenannten Spektrogramm angeordnet, wobei jede Zeile der Matrix eine FFT darstellt. Bewegte Objekte verursachen eine Verschiebung der Phasen des komplexen Spektrums. Die Frequenz dieser Phasenverschiebung, die sogenannte Dopplerfrequenz, ist direkt proportional zur relativen Geschwindigkeit zwischen Objekt und Radarplattform. Will man also die Geschwindigkeit für jedes detektierte Objekt ermitteln, so rechnet man bevorzugt eine zweite FFT über die Spalten dieser Matrix, also über die zeitlich aufeinanderfolgenden Spektren. Das Verfahren ist auch als sogenannte „zweidimensionale” FFT bekannt. Die so transformierte Matrix stellt in einer dreidimensionalen Ansicht die Entfernung, die Geschwindigkeit sowie die Echoamplitude jedes einzelnen detektierten Objekts dar. Die Zeilennummern im in 6 gezeigten Diagramm stellen jeweils ein Geschwindigkeitstor (x-Achse), die Spaltennummer ein Entfernungstor (y-Achse) und der Betrag der komplexen Matrixelemente die Echoamplitude (z-Achse) eines Objekts dar.
Diese Berechnung wird für jeden einzelnen Empfangskanal durchgeführt. Nach diesem Verarbeitungsschritt liegen also im Speicher der Recheneinheit 16 Matrizen für die steigende Rampe 24 (4) und 16 Matrizen für die fallende Rampe 26 (4) vor.
Als Vorbereitung für die nun folgende Strahlformung wird eine sogenannte Phasen-Korrekturmatrix erzeugt. Dabei werden die Phasen der komplexen Matrixelemente der Empfänger Nr. 16 mit Bezugszeichen 26 in 3B der steigenden Rampe und die des Empfängers Nr. 1 mit Bezugszeichen 28 in 3B der fallenden Rampe voneinander subtrahiert. Diese Phasenkorrekturmatrix stellt die Signalverzerrung durch die unterschiedliche Modulationsform, die Objektbewegung und die Phasenverschiebungen der physikalischen Baugruppen dar.
Die Matrizen werden nun zur synthetischen Apertur angeordnet, wobei die Antennenzeile 1 bis 15 durch die Matrizen der steigenden Rampe und die Antennenzeilen 16 bis 32 durch die Matrizen der fallenden Rampe erzeugt werden. Da Antennenzeile 15 und 16 übereinander liegen, wird für die nun folgende Strahlformung eine der beiden eliminiert.
Die Bildung und Ausrichtung des eng gebündelten Antennenstrahls erfolgt nach der aus dem Stand der Technik vorbekannten Methode des „Digital Beamforming”. Die komplexen Elemente der einzelnen Matrizen werden dabei gewichtet und phasenverschoben:
Den Matrixelementen, welche der fallenden Rampe zugeordnet werden, wird zusätzlich noch die Phasenverschiebung der Phasendifferenzmatrix-Elemente hinzuaddiert. Damit wird die oben erwähnte Signalverzerrung sowohl hinsichtlich der Entfernung als auch hinsichtlich der Objektgeschwindigkeit kompensiert. Zuletzt werden die einzelnen Matrizen zum gebündelten Antennenstrahl mit der bevorzugten Blickrichtung aufaddiert.
7A und 7B zeigen eine unkorrigierte und eine korrigierte Antennenkeule bei der Detektion eines bewegten Objekts dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Dr. Winfried Mayer mit dem Titel „Abbildender Radarsensor mit sendeseitig geschalteter Gruppenantenne”, Cuvillier Verlag, Göttingen 2008, ISBN 978-3-86727-565-1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Objekts, insbesondere eines sich bewegenden Objekts, mit – mindestens zwei Sendeantennen, – einer Anzahl mehrerer in Reihe angeordneter Empfangsantennen, wobei die Sendeantennen in Richtung zum Objekt jeweils hinter Empfangsantennen angeordnet sind, welche an den oder in der Nähe der gegenüberliegenden Reihenenden vorgesehen sind, – einem Frequenzgenerator zur Erzeugung von Signalen, welche von den Sendeantennen zeitlich aufeinanderfolgend abgegeben werden, – mit mindestens einer Verarbeitungseinheit zur Durchführung mindestens einer Verknüpfung der von den Empfangsantennen abgegebenen Empfangssignale nach der Methode der digitalen Strahlformung zur Erzeugung eines gebündelten Antennenstrahls und zur Durchführung einer Geschwindigkeitskorrektur und/oder einer Entfernungskorrektur mittels einer zweidimensionalen FFT durch Vergleich von Ausgangssignalen der, dem gebündelten Antennenstrahl entsprechenden, sich überlagernden Antennenzeilen, und – mit einer Wiedergabeeinrichtung zur Darstellung der Position des Objekts.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anzahl von 8, 16 oder 32 Empfangsantennen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Objekts mittels der Wiedergabeeinrichtung über ein Antennendiagramm darstellbar ist.
Radarsystem zur Verwendung einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Objekts nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts, insbesondere eines sich bewegenden Objekts, mit den Verfahrensschritten: – Empfang einer Folge von zeitlich aufeinanderfolgend gesendeten und am Objekt reflektierten Empfangssignalen durch eine Anzahl mehrerer in einer Reihe angeordneter Empfangsantennen, – Digitalisierung der Empfangssignale, – Verknüpfung der Empfangssignale nach der Methode der digitalen Strahlformung zu einem gebündelten Antennenstrahl, – Durchführung einer Geschwindigkeitskorrektur und einer Entfernungskorrektur mittels einer zweidimensionalen FFT durch Vergleich von Ausgangssignalen von sich überlagernden Antennenzeilen, welche dem gebündelten Antennenstrahl entsprechen, und – Darstellung der Position des Objekts.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Entfernungskorrektur eine Geschwindigkeitskorrektor durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer höheren Winkelauflösung in einem Beobachtungswinkelbereich die Amplituden benachbarter Antennenstrahlen ausgewertet werden (sog. Sequential lobing).
Verfahren nach einem Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer höheren Winkelauflösung die Summe und Differenz zweier benachbarter Antennenstrahlen ausgewertet werden (sog. Monopuls).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der zweidimensionalen FFT eine trapezförmige Frequenzmodulation durchgeführt wird, wobei die fallende Frequenzrampe zeitinvers ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Objekt mittels eines Antennendiagramms dargestellt wird.