DE102016222474A1

DE102016222474A1 - Radarsensoranordnung an einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016222474A1
Application number: DE102016222474.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Binzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2018-05-17

Abstract

Radarsensoranordnung an einem Kraftfahrzeug (10), mit mindestens zwei winkelauflösenden Radarsensoren (12), die zusammen mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (14) ein kooperatives Radarsystem bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Radarsensoren (12) jeweils eine Gruppenantenne mit einer in Richtung der Winkelauflösung gekrümmten Apertur (16) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Radarsensoranordnung an einem Kraftfahrzeug, mit mindestens zwei winkelauflösenden Radarsensoren, die zusammen mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung ein kooperatives Radarsystem bilden.
Stand der Technik
Radarsysteme für Fahrerassistenzsysteme werden seit langem in Fahrzeugen verbaut. Mit Hilfe dieser Radarsensoren können Abstand, Geschwindigkeit und Winkel zu Objekten innerhalb eines Radarsichtfeldes detektiert werden. Zumeist ist in Fahrzeugen nur ein einzelner Sensor mit einem eingeschränkten Sichtbereich verbaut, z.B. zur Überwachung vorausfahrender Fahrzeuge. Im Zuge der funktionalen Erweiterung der Fahrerassistenzsysteme werden jedoch immer häufiger auch mehrere unabhängig voneinander arbeitende Radarsensoren eingesetzt, die ein größeres Sichtfeld abdecken, z.B. den gesamten Frontbereich mit einem Sichtfeld von bis zu 180°. Dabei kann z.B. ein sogenannter Mid Range Radar Sensor (MRR) mittig an der Fahrzeugfrontseite angeordnet sein, und zusätzliche MRR-Sensoren können sich an den vorderen Fahrzeugecken befinden. Die Sensoren besitzen jeweils eine planare Antenne, deren Winkelschätzgenauigkeit vom Winkel abhängt.
Aus DE 10 2013 008 953 A1 ist eine Radarsensoranordnung der eingangs genannten Art bekannt, die mindestens zwei Einzelradarsensoren aufweist, die ein Radarsystem bilden, bei dem ein von einem ersten Radarsensor ausgesendetes und an einem einzelnen Objekt reflektiertes Signal von einem weiteren Radarsensor empfangen wird, der daraufhin ein Signal aussendet, das an demselben einen Objekt reflektiert und von dem ersten Radarsensor empfangen wird. Durch diesen sogenannten bistatischen oder kooperativen Betrieb der Sensoren, bei denen die Sensoren nicht mehr unabhängig voneinander arbeiten, kann Zusatzinformation über das detektierte Objekt generiert werden.
Aus DE 10 2014 208 389 A1 ist ein einzelner Radarsensor für Kraftfahrzeuge bekannt, bei dem mehrere Antennenelemente, die durch Öffnungen von Hohlleitern gebildet werden, in winklig zueinander angeordneten Oberflächen angeordnet sind, so dass Radarstrahlung in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt wird und aus unterschiedlichen Richtungen empfangen werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Radarsensoranordnung an einem Kraftfahrzeug zu schaffen, die bei geringem Installationsaufwand eine verbesserte Winkelschätzgenauigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Radarsensoren jeweils eine Gruppenantenne mit einer in Richtung der Winkelauflösung gekrümmten Aperturfläche aufweisen.
Bei den Gruppenantennen der Radarsensoren handelt es sich somit um sogenannte konforme Antennen, bei denen die einzelnen Antennenelemente aufgrund der Krümmung des Substrats unterschiedliche Orientierungen und somit auch unterschiedliche Richtcharakteristiken haben. Das hat den Vorteil, dass das Gesichtsfeld eines einzelnen Radarsensors vergrößert wird. Bei einem kooperativen System lässt sich so die notwendige Überlappung zwischen den Gesichtsfeldern zweier benachbarter Radarsensoren auch dann noch erreichen, wenn die Sensoren in größerem Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei wird aufgrund der größeren Basisbreite zugleich die Genauigkeit von Triangulationsmessungen verbessert. Ebenso lassen die größeren Gesichtsfelder der Radarsensoren es zu, dass die Orientierungen der beiden Radarsensoren stärker voneinander abweichen können, so dass bei gegebener Anzahl von Sensoren das Gesamt-Gesichtsfeld des kompletten Systems vergrößert werden kann oder bei gegebenem Gesamt-Gesichtsfeld die Anzahl der Radarsensoren reduziert werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund der Krümmung der Aperturfläche die Winkelschätzgenauigkeit des einzelnen Radarsensors weniger stark vom Winkel des georteten Objekts abhängig ist, so dass die Winkelschätzgenauigkeit für Objekte am Rand des Gesichtsfeldes ähnlich hoch ist wie bei Objekten in der Mitte des Gesichtsfelds. Ein Vorteil der konformen Antennen besteht auch darin, dass eine Eindeutigkeit der Winkelmessungen auch noch bei größeren Abständen zwischen den einzelnen Antennenelementen der Gruppenantenne erreicht werden kann, so dass bei gegebener Apertur die Anzahl der Antennenelemente und damit die Anzahl der Auswertungskanäle verringert werden kann oder umgekehrt bei gegebener Anzahl der Antennenelemente die Apertur vergrößert werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform folgt das gekrümmte Substrat der konformen Antenne der Krümmung eines Karosserieteils des Fahrzeugs auf oder hinter dem der betreffende Radarsensor verbaut ist. Das erlaubt eine platzsparende Anordnung der Radarsensoren beispielsweise in den Ecken des Fahrzeugs und trägt zugleich zur Vermeidung von Einbauartefakten bei.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Radarsensoren so am Fahrzeug angeordnet, beispielsweise an den vier Ecken, dass sie zusammen das gesamte Fahrzeugumfeld abdecken, also ein Gesamt-Gesichtsfeld von 360° aufweisen. Entsprechend lässt sich mit nur zwei Radarsensoren ein Gesichtsfeld von 180° oder mehr erreichen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Beispiel für eine Anordnung von vier Radarsensoren mit konformen Antennen in den Ecken eines im Grundriss dargestellten Kraftfahrzeugs;
2 eine perspektivische Ansicht einer konformen Antenne eines einzelnen Radarsensors;
3 eine Grundrissskizze eines Fahrzeugs auf einer mehrspurigen Fahrbahn, zur Illustration des prinzipiellen Aufbaus eines Sensornetzwerkes mit einem 360°-Gesichtsfeld;
4 ein Diagramm zur Illustration der Anordnung von Antennenelementen eines Antennenarrays in einer Ebene (x-z Ebene), in der der Radarsensor winkelauflösend ist, einmal für eine konforme Antenne und einmal für eine planare Antenne;
5 ein Diagramm zur Illustration einer Richtcharakteristik des planaren Antennenarrays gemäß 4;
6 ein Diagramm zur Illustration der Richtcharakteristik des konformen Antennenarrays gemäß 4;
7 ein Beispiel für ein Winkeldichtespektrum bei Ortung eines einzelnen Objekts mit dem planaren Antennearray gemäß 4;
8 ein Winkeldichtespektrum für die Ortung desselben Objekts wie in 7 mit dem konformen Antennearray gemäß 4; und
9 ein Diagramm zur Illustration der Winkelabhängigkeit der effektiven Apertur bei einer planaren Antenne.

In 1 ist ein Grundriss eines Kraftfahrzeugs 10 gezeigt, das eine Radarsensoranordnung mit vier Radarsensoren 12 aufweist, die jeweils in den Ecken der Fahrzeugkarosserie angeordnet sind. Die Radarsensoren 12 sind mit einer zentralen Steuer- und Auswerteeinrichtung 14 verbunden und bilden zusammen mit dieser Steuer- und Auswerteeinrichtung ein kooperatives Sensorsystem. Jeder der Radarsensoren 12 hat eine konforme Gruppenantenne mit einem gekrümmten Aperturfläche 16, die an den gekrümmten Verlauf eines zugehörigen Teils der Fahrzeugkarosserie angepasst ist. Beispielsweise kann das Antennensubstrat 16 jeweils unmittelbar hinter einem Karosserieteil aus Kunststoff angeordnet sein, das für die Radarstrahlung durchlässig ist.
In 2 ist perspektivisch eine einzelne Antennenbaugruppe 17 gezeigt, die in diesem Beispiel die gekrümmte Aperturfläche 16 bildet und durch eine eindimensional gewölbte Platte aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet wird, in der Hohlleiter gebildet sind, die in der konvex gewölbten Aperturfläche münden und dort Antennenelemente 18 einer Gruppenantenne bilden.
Das Antennenbaugruppe 17 wird so im Fahrzeug eingebaut, dass die Krümmungsachse der Aperturfläche 16 vertikal verläuft (in Richtung der y-Achse), die Platte also in der horizontalen x-z-Ebene gekrümmt ist. Die Antennenelemente 18 sind in der Oberfläche der Platte in vertikalen Spalten und horizontalen Zeilen angeordnet. In jeder Spalte haben die Antennenelemente 18 gleiche Abstände, so dass eine gebündelte Richtcharakteristik in Elevation erreicht wird. Die Abstände zwischen den einzelnen Antennenspalten in der Richtung x sind so gewählt, dass im Zusammenwirken mit der Wölbung des Antennensubstrats eine gewünschte, weiter aufgefächerte Richtcharakteristik im Azimut erreicht wird.
Im gezeigten Beispiel bilden die Antennenelemente 18 ein matrixförmiges Empfangsarray 20 und ein getrennt davon angeordnetes Sendearray 22. In die Hohlleiter, deren Mündungen das Sendearray 22 bilden, wird von einem in 2 nicht gezeigten Hochfrequenzteil Mikrowellenstrahlung eingekoppelt, die dann über die Öffnungen der Hohlleiter, also die Antennenelemente 18 abgestrahlt wird. Das empfangene Radarecho wird von den Antennenelementen 18 des Empfangsarrays 20 in zugehörige Hohlleiter eingekoppelt und zu einem Empfangsteil in dem Hochfrequenzteil weitergeleitet.
In einer anderen Ausführungsform können die Antennenelemente 18 auch durch flache Patches auf der Oberfläche des Antennensubstrats gebildet werden, in die die Mikrowellenleistung beispielsweise über Mikrostreifenleitungen eingespeist wird.
In 1 ist für jeden der Radarsensoren 12 schematisch ein zugehöriger Sichtbereich 24 dargestellt, der sich aus mehreren Teil-Sichtbereichen 26 der einzelnen Antennenspalten zusammensetzt. Die Teil-Sichtbereiche 26 eines einzelnen Radarsensors 12 sind aufgrund der Krümmung des Antennensubstrats 16 gegeneinander winkelversetzt, überlappen einander jedoch relativ stark, so das jedes geortete Objekt in mehreren Teil-Sichtbereichen 26 liegt und somit durch Analyse der Amplituden- und Phasenbeziehungen zwischen den von den verschiedenen Antennenspalten empfangenen Signalen eine Schätzung des Richtungswinkels des Objekts vorgenommen werden kann.
In 1 ist außerdem zu erkennen, dass sich auch die Sichtbereiche 24 der beiden hinteren Radarsensoren 12 überlappen. Bei größeren Objektabständen überlappen einander auch die Sichtbereiche 24 der beiden vorderen Radarsensoren 12, und bei noch größeren Abständen kommt es auch zu einer Überlappung zwischen den Sichtbereichen der Radarsensoren auf der linken Fahrzeugseite sowie zwischen denen auf der rechten Fahrzeugseite. Das erlaubt einen kooperativen Betrieb des Radarsystems, bei dem ein Radarsignal, das von einem der Radarsensoren gesendet wird, nach Reflexion am Objekt nicht nur von demselben Radarsensor wieder empfangen wird, sondern auch von mindestens einem der beiden benachbarten Radarsensoren. In einer Betriebsart können die Radarsensoren wechselweise senden und empfangen. Es ist jedoch auch eine Betriebsart möglich, bei der sämtliche Radarsensoren gleichzeitig senden und empfangen, wobei eine Zuordnung der empfangenen Signale zu dem sendenden Radarsensor beispielsweise dadurch möglich ist, dass die Radarsensoren in leicht zueinander verschobenen Frequenzbändern senden. In jedem Fall lässt sich durch Verrechnung der wechselseitig von dem einen Sensor gesendeten und von dem anderen Sensor empfangenen Signalen und der Signale, die vom sendenden Sensor selbst wieder empfangen werden, die Genauigkeit der Abstands- und Winkelmessungen beträchtlich verbessern.
Im gezeigten Beispiel kommunizieren alle vier Radarsensoren 12 mit der zentralen Steuer- und Auswerteeinrichtung 14. In einer anderen Ausführungsform könnte jedoch die Steuer- und Auswerteeinrichtung auch in einen der Radarsensoren integriert sein.
Zweckmäßigerweise ist die Anordnung so getroffen, dass jeder Radarsensor 12 seinen eigenen Hochfrequenzteil hat, so dass nur die in ein niedrigeres Frequenzband herunter gemischten Zwischenfrequenzsignale an die Auswerte- und Steuereinrichtung 14 und/oder an die anderen Radarsensoren übermittelt zu werden brauchen. Denkbar wäre es auch, dass die Zwischenfrequenzsignale an Ort und Stelle in jedem einzelnen Radarsensor 12 digitalisiert werden und die Radarsensoren und die Steuer- und Auswerteeinrichtung nur digitale Signale miteinander austauschen, was die Kommunikation über ein digitales Bussystem ermöglicht.
In 3 sind das mit der Radarsensoranordnung ausgerüstete Fahrzeug 10 sowie Antennendiagramme 28 der konformen Antennen der Radarsensoren gezeigt, die in diesem Beispiel eine 360°-Rundumsicht ermöglichen. Das Netzwerk der (hier nicht im einzelnen gezeigten) Radarsensoren 12 ermöglicht unterschiedliche Betriebsweisen, mit denen sich Ortungsbereiche 30, 32, 34 für die Erfassung des Verkehrsumfelds je nach Situation konfigurieren lassen. Im gezeigten Beispiel dient der Ortungsbereich 34 zur Erfassung vorausfahrender Fahrzeuge 36 mit relativ großer Reichweite, der Erfassungsbereich 30 dient zur Erfassung von nachfolgenden Fahrzeugen 38, ebenfalls mit relativ großer Reichweite, und der Erfassungsbereich 32 hat eine geringere Ortungstiefe, erstreckt sich dabei jedoch über einen größeren Winkel, so dass im näheren Umfeld auch Fahrzeuge 40 auf Nebenspuren sowie Objekte am Fahrbahnrand erfasst werden können.
Bei einem Radarsensor mit einer herkömmlichen planaren Antenne darf in der Richtung, in der das Winkelauflösungsvermögen erreicht werden soll, hier also in x-Richtung, der Abstand zwischen den einzelnen Antenneelementen bzw. Antennenspalten nicht größer sein als λ/2 (λ ist die Wellenlänge der Radarstrahlung), wenn eine eindeutige Winkelschätzung möglich sein soll. Bei konformen Antennen mit gekrümmtem Antennensubstrat gilt diese Einschränkung hingegen nicht. Dies ist in 4 illustriert, wo mit Dreiecken die Positionen der Antennenelemente 18 bzw. Antennenspalten einer konformen Antenne in der x-z Ebene dargestellt sind, während mit Kreisen die Positionen von Antennenelementen 18' einer planaren Antenne gezeigt sind, die die gleiche Anzahl von Antennenelementen (bzw. Spalten) und die gleiche Apertur hat.
5 und 6 zeigen die zugehörigen Richtcharakteristiken. Dargestellt ist jeweils die normalisierte Leistung als Funktion der x-Komponente u_x eines Richtungs-Einheitsvektors u (2). 5 zeigt den Fall der planaren Antenne, bei der alle Antennenelemente 18' die gleiche Richtcharakteristik haben. 6 zeigt die Richtcharakteristiken der Antennenelemente 18, die sich aufgrund der Krümmung des Antennensubstrats 16 voneinander unterscheiden und somit zusammen einen größeren Winkelbereich abdecken.
7 und 8 zeigen zugehörige Winkeldichtespektren, die Auskunft über das wahrscheinlichste Ergebnis sowie über die Verlässlichkeit einer Winkelschätzung geben.
Im gezeigten Beispiel wurde angenommen, dass die wahre Position eines Objekts bei u_x = 0,3 liegt. Wenn die Winkelschätzung anhand der Amplituden und Phasen der von den Antennenelementen 18' der planaren Antenne empfangenen Signale vorgenommen wird, so ist die aufgrund dieser Daten ermittelte Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich das Objekt in der Richtung u_x befindet, durch die Kurve 42 in 7 angegeben. Danach wäre ein Wert von -0,4 oder - 5,5 als Ergebnis der Winkelschätzung ebenso plausibel wie der wahre Wert 0,3, d.h., eine verlässliche Winkelschätzung ist nicht möglich. Der Grund ist, dass bei der planaren Antenne mit den Antennenelementen 18' in 4 die Bedingung verletzt wurde, dass der Abstand zwischen den Antennenelementen maximal λ/2 ist.
Für die Antennenelemente 18 der konformen Antenne ist diese Bedingung zwar ebenfalls verletzt, doch weist hier das Winkeldichtespektrum, das durch die Kurve 44 in 8 angegeben wird, ein deutliches Maximum bei etwa 0,3 auf. Das bedeutet, dass mit der konformen Antenne eine Winkelschätzung unter diesen Bedingungen noch möglich ist und auch ein einigermaßen korrektes Ergebnis liefert. Mit einer planaren Antenne könnte man dieses Ergebnis nur erhalten, wenn bei gleicher Apertur die Anzahl der Antennenelemente 18' erhöht würde, damit die Abstände zwischen den einzelnen Antennenelementen kleiner werden. Da die Signale jedes Antennenelements gesondert ausgewertet werden müssen, würde dies einen wesentlich höheren Aufwand bei der Auswertung der Signale erfordern.
Die konforme Antenne gemäß der Erfindung ermöglicht somit nicht nur ein größeres Gesichtsfeld (wie durch die breit gestreuten Richtcharakteristiken in 6 illustriert wird), sondern auch eine größere Winkelschätzgenauigkeit.
Ein weiterer Vorteil der konformen Antenne besteht darin, dass die Winkelauflösung weitgehend unabhängig von der Lage des Objekts im Gesichtsfeld ist, während bei einer planaren Antenne die Winkelauflösung zu den Rändern des Gesichtsfeldes hin deutlich abnimmt.
Generell ist bei einem Antennenarray die Unschärfe Δθ bei der Winkelmessung etwa proportional zu dem Quotienten aus der Wellenlänge λ und der Projektion d der Apertur des Antennenarrays auf die Ebene senkrecht zur Einfallsrichtung der Radarstrahlung. Näherungsweise gilt: $Δθ = 0,64 * (λ /d) .$
In 9 ist schematisch ein planares Antennearray mit Antennenelementen 18' gezeigt, das in der Ebene des Arrays die Apertur d‘ hat. Wenn jedoch die Radarstrahlung nicht senkrecht auf die Ebene des Arrays einfällt, sondern unter einem Winkel α, so ist die Projektion d der Apertur gegebenen durch: $d = d' * cos (α) .$
Wie 9 zeigt, nimmt die projizierte Apertur d mit zunehmendem Winkel α deutlich ab, so dass die Unschärfe bei der Winkelmessung größer und entsprechend das Winkelauflösungsvermögen schlechter wird.
Bei einer konformen Antenne fällt dagegen auch bei großem Einfallswinkel α, also bei einem Objekt in der Nähe des Randes des Gesichtsfeldes, ein beträchtlicher Teil der Radarstrahlung auf eine Zone des Arrays, in der die Oberfläche des Antennensubstrats 16 etwa rechtwinklig zur Einfallsrichtung der Strahlung verläuft. Wenn der Einfallswinkel α variiert, so verschiebt sich nur die Zone auf der Oberfläche des Antennensubstrats, die rechtwinklig zur Einfallsrichtung liegt, doch bleibt die relative Größe dieser Zone annähernd gleich, so dass sich die projizierte Apertur deutlich weniger ändert. Durch diese Winkelunabhängigkeit der Winkelauflösung wird die Signalauswertung wesentlich erleichtert und die Genauigkeit der Winkelschätzung weiter verbessert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013008953 A1 [0003]
DE 102014208389 A1 [0004]

Claims

Radarsensoranordnung an einem Kraftfahrzeug (10), mit mindestens zwei winkelauflösenden Radarsensoren (12), die zusammen mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (14) ein kooperatives Radarsystem bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Radarsensoren (12) jeweils eine Gruppenantenne mit einer in Richtung der Winkelauflösung gekrümmten Aperturfläche (16) aufweisen.
Radarsensoranordnung nach Anspruch 1, bei der die gekrümmten Antennensubstrate (16) der Radarsensoren jeweils an eine gekrümmte Form eines Karosserieteils des Kraftfahrzeugs (10) angepasst sind.
Radarsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der mindestens zwei Radarsensoren (12) in Ecken der Fahrzeugkarosserie angeordnet sind.
Radarsensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der alle Radarsensoren (12) zusammen ein Gesichtsfeld von 360° abdecken.
Radarsensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der Antennenelemente (18) der Gruppenantenne jedes Radarsensors (12) in der Weise auf der gekrümmten Aperturfläche (16) angeordnet sind, dass sich im gesamten Sichtbereich (24) des Radarsensors eine einheitliche Winkelschätzgenauigkeit ergibt.