Beschreibung
VERFAHREN ZUR PULSBREITENMODULATION EINES RADARSYSTEMS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Radarsystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 1 97 54 720 A1 bekannt. Das bekannte Verfahren ermöglicht die gleichzeitige oder getrennte Bestimmung der
Entfernung und/oder der Geschwindigkeit, insbesondere der Relativgeschwindigkeit, zu einem oder mehreren in einem Beobachtungsbereich befindlichen Reflexionsobjekten. Hierzu ist vorgesehen, daß das Radarsystem in mehreren Meßphasen eines Meßvorgangs mehrfach in kurzen zeitlichen Abständen zwischen einem Sen- debetrieb und einem Empfangsbetrieb umgeschaltet wird. Dabei wird in jeder Meßphase des Meßvorgangs im jeweiligen Sendebetrieb von mindestens einer Sendeeinheit des Radarsystems ein pulsförmiges Sendesignal mit aufeinanderfolgenden Sendepulsen einer bestimmten Pulsdauer und einer bestimmten Trägerfrequenz ausgesendet. Die Sendepulse werden dabei in einem durch eine Pulswiederholfre- quenz vorgegebenen zeitlichen Abstand emittiert und an dem oder den Reflexionsobjekten zum Radarsystem zu rück reflektiert, welches die reflektierten Sendeimpulse als Empfangssignal empfängt und auswertet.
Als nachteilig erweist sich hierbei, daß die an dem Reflexionsobjekt oder den Reflexionsobjekten reflektierte Energie, d. h. mittlere Leistung des Empfangssignals, stark von der Entfernung zu dem Reflexionsobjekt oder den Reflexionsobjekten abhängt, so daß das Verfahren eine hohe Signaldynamik aufweist. Eine hohe Signaldynamik wirkt sich jedoch ungünstig auf den Preis der zur Signalverarbeitung erforderlichen Schaltungsteile aus.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dahingehend zu verbessern, daß es mit kostengünstigen Mitteln durchführbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Radarsystems zur Ermittlung der Entfernung zu mindestens einem in einem Beobachtungsbereich befindlichen Reflexionsobjekt und/oder der Geschwindigkeit, insbesondere der Relativgeschwindigkeit, des mindestens einen Reflexionsobjekts, werden zeitlich aufeinan- derfolgende Sendepulse einer bestimmten Pulsdauer mit einer bestimmten Pulswiederholfrequenz als Sendesignal in den Beobachtungsbereich aussendet und an dem mindestens einen Reflexionsobjekt reflektierte Sendepulse des Sendesignals als Empfangssignal empfangen. Des weiteren wird die mittlere Leistung des Empfangssignals ermittelt und durch Variation der mittleren Leistung des Sendesignals auf einen vorgegebenen Leistungsbereich begrenzt. Die mittlere Leistung des Sendesignals wird dabei vorzugsweise durch Variation der Pulswiderholfrequenz und/oder Pulsdauer der Sendepulse variiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Pulswiederholfrequenz und/oder Pulsdauer der Sendepulse in Fällen, in denen der ermittelte Wert der mittleren Leistung des Empfangssignals größer ist als ein oberer Leistungswert, kontinuierlich oder in Stufen, vorzugsweise mit einer vorgegebenen Änderungsgeschwindigkeit, soweit reduziert, bis die sich danach ergebende mittlere Leistung des Empfangssignals kleiner oder gleich dem oberen Leistungswert ist.
Vorteilhafterweise wird die Pulswiederholfrequenz und/oder Pulsdauer der Sende- pulse in Fällen, in denen der ermittelte Wert der mittleren Leistung des Empfangssignals kleiner ist als ein unterer Leistungswert, kontinuierlich oder in Stufen soweit erhöht, bis die sich danach ergebende mittlere Leistung des Empfangssignals größer oder gleich dem unteren Leistungswert ist.
Vorzugsweise werden die Sendepulse mit einer bestimmten Trägerfrequenz ausge- sendet, die während der Pulsdauer des jeweiligen Sendepulses konstant gehalten
wird. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Trägerfrequenz in mindestens einer Meßphase von Sendepuls zu Sendepuls sukzessiv geändert.
Vorzugsweise wird des weiteren die Entfernung und/oder Geschwindigkeit des mindestens einen im Beobachtungsbereich befindlichen Reflexionsobjekts durch Aus- wertung der Frequenzdifferenz und/oder Phasendifferenz zwischen dem Sendesignal und Empfangssignal ermittelt.
Ein Kraftfahrzeug-Abstandswarnsystem wird nachfolgend als Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild des. Radarsystems,
Figur 2a bis 2c Zeitdiagramme des Sende- und Empfangssignals,
Figur 3 eine schematische Darstellung des Frequenzspektrums des ins
Basisband frequenzumgesetzten Empfangssignals.
Ein Radarsystem als KFZ-Abstandswamsystemen muß die Entfernung und ggf. die Geschwindigkeit, insbesondere die Relativgeschwindigkeit, von mindestens einem Reflexionsobjekt, d. h. von vorausfahrenden, entgegenkommenden oder nachfolgenden Fahrzeugen, Personen und sonstigen Reflexionsobjekten, in der Regel gleichzeitig von sämtlichen im Beobachtungsbereich befindlichen Reflexionsobjekten, eindeutig und mit hoher Auflösung bestimmen. Beispielsweise beträgt der gewünschte Entfernungseindeutigkeitsbereich 1 50 m, die gewünschte Entfemungs- auflösung 1 m und die gewünschte Geschwindigkeitsauflösung 1 m/s. In mindestens einer Meßphase des Meßvorgangs wird hierzu von einer Antenne des ein Sendesignal mit der Sendefrequenz von beispielsweise 76 GHz emittiert. Nach Durchlaufen der Übertragungsstrecke wird von der Antenne das durch Reflexion an den vorausfahrenden oder nachfolgenden Kraftfahrzeugen (Reflexionsobjekten) erhalte- ne Reflexionssignal als analoges Empfangssignal detektiert. Hierbei wird jedoch sowohl für den Sendebetrieb als auch für den Empfangsbetrieb die gleiche Antenne verwendet, wobei aber zur Erfassung unterschiedlicher Winkelbereiche bei sukzessiven Meßvorgängen unterschiedliche Antennen vorgesehen werden können. Von einer Signalverarbeitungseinheit wird das Empfangssignal weiterverarbeitet und hin- sichtlich Frequenzverschiebung und/oder Phasenverschiebung ausgewertet und
hieraus die Entfernungsinformation und ggf. die Geschwindigkeitsinformation durch Spektralanalyse gewonnen.
Gemäß der Figur 1 weist das Radarsystem hierzu folgenden Aufbau auf:
• Eine Sende-Empfangs-Einheit 1 mit einer Antenneneinheit 1 1 , einer Sendeseite 1 a, einer Empfangsseite 1 b und einem Oszillator 13, die die Funktionen der Sendeeinheit und der Empfangseinheit kombiniert und deren wesentliche Komponenten als einheitliches Modul kompakt zusammengefaßt sind.
• Eine Signalverarbeitungseinheit 2 aus einem bandbegrenzenden Vorverstärker 21 , einer beispielsweise als Digitalsignalprozessor ausgeführten Digitalsignalver- arbeitungseinheit 22, einem Frequenzumsetzer 23, einem Lokaloszillator 24, einem Antialiasing-Filter 25 und einem Analog-Digital-Wandler 26.
• Eine Steuereinheit 3, die die Ansteuerung der beiden HF-Schalter Sende- Empfangs-Schalter 1 21 und LO-Schalter 1 22 der HF-Schalteinheit 1 2 und die Modulation des Oszillators 13 übernimmt. Zur Synchronisation der Sende- Empfangs-Einheit 1 und der Signalverarbeitungseinheit 2 wird die Steuereinheit 3 von der Digitalverarbeitungseinheit 22 angesteuert.
Die Antenneneinheit 1 1 der Sende-Empfangs-Einheit 1 ist zur Emission des Sendesignals und Detektion des Empfangssignals vorgesehen. Sie umfaßt mehrere Antennen 1 1 1 , 1 1 2, 1 1 3 und einen Antennenschalter 1 21 zur Selektion der jeweiligen Antenne 1 1 1 bzw. 1 1 2 bzw. 1 13, wobei jede der Antennen 1 1 1 , 1 1 2, 1 13 für jeweils einen Meßvorgang mit jeweils unterschiedlichem Winkelbereich des Sendesignals selektiert wird. Das Umschalten des Antennenschalters 1 14 erfolgt in Abhängigkeit der Zeitdauer eines Meßvorgangs. Mittels der HF-Schalteinheit 1 2 mit den beiden HF-Schaltern Sende-Empfangs-Schalter 1 21 und LO-Schalter 1 22 kann zwi- sehen der Sendeseite 1 a und der Empfangsseite 1 b der Sende-Empfangs-Einheit 1 , d. h. zwischen dem Sendebetrieb und dem Empfangsbetrieb umgeschaltet werden. Der Sende-Empfangs-Schalter 1 21 und der LO-Schalter 1 22 befinden sich im Sendebetrieb in der linken Stellung und im Empfangbetriebs in der rechten Stellung. Mittels eines beispielsweise als VCO ausgebildeten Oszillators 1 3 wird HF-Strahlung
erzeugt; zusätzlich kann der linear modulierbare Oszillator 13 linear in der Oszillatorfrequenz umgeschaltet werden, beispielsweise mit einer Umschaltfrequenz von 500 kHz, d. h. die Trägerfrequenz der Sendepulse kann innerhalb einer vorgegebenen Frequenzbandbreite sukzessive variiert werden. Die Trägerfrequenz wird dabei während eines Sendepulses konstantgehalten. In den Meßphasen des Meßvorgangs wird eine wiederholte Umschaltung vom Sendebetrieb zum Empfangsbetrieb vorgenommen: beispielsweise beträgt die Pulswiederholfrequenz 500 kHz, d. h. die Periodendauer tP eines Pulszyklus aus Pulsdauer tON und Pulspause beträgt beispielsweise 2 μs. Das Tastverhältnis des Sendesignals, d. h. das Verhältnis Pulsdauer tON zu Periodendauer tP wird zu Beginn des Meßvorgangs beispielsweise auf 50% eingestellt. Von der Empfangsseite 1 b der Sende-Empfangs-Einheit 1 werden als Empfangssignal die vom letztmalig emittierten Sendepuls herrührenden Reflexionssignale aller Reflexionsobjekte vor der Emission des nächsten Sendepulses detek- tiert. Ein in der Empfangsseite 1 b der Sende-Empfangs-Einheit 1 vorgesehener Mi- scher 14 überführt das Empfangssignal durch Multiplikation mit der während eines
Sendepulses konstanten Oszillatorfrequenz als Mischsignal in ein Zwischenfrequenzband.
Das vom Mischer 14 abgegebene Mischsignal wird vom bandbegrenzenden Vorverstärker 21 verstärkt und gleichzeitig gefiltert. Um die Einkopplung von Störsignalen zur vermeiden, empfiehlt es sich, den Vorverstärker 21 während des Sendebetriebs über die Steuereinheit 3 zu deaktivieren. Das verstärkte und gefilterte Mischsignal wird dann dem Frequenzumsetzer 23 zugeführt und von diesem mit einer mit dem Lokaloszillator 24 erzeugten Zwischenfrequenz ins Basisband umgesetzt. Das ins Basisband umgesetzte Mischsignal wird dann über das Antialiasing-Filter 25 dem Analog-Digital-Wandler 23 zugeführt und von diesem abgetastet und damit digitalisiert. Das Antialiasing-Filter 25 weist eine Grenzfrequenz von ca. 100 kHz auf, da die bei KFZ-Anwendungen auftretenden Frequenzverschiebungen zwischen Sende- und Empfangssignal kleiner als 100 kHz sind und somit im Durchlaßbereich des Antialia- sing-Filters 25 liegen. In der Digitalsignalverarbeitungseinheit 24 erfolgt dann die Verarbeitung des digitalisierten Mischsignals durch eine Spektralanalyse.
Altemativ kann das Empfangssignal bereits in der Sende-Empfangseinheit 1 mit dem Mischer 14 ins Basisband umgesetzt werden; in diesem Fall entfällt die zweite Frequenzumsetzung mit dem Frequenzumsetzer 23 und die Funktion des Antialiasing- Filters 25 kann vom Vorverstärker 1 2 aufgrund seiner bandbegrenzenden Wirkung übernommen werden.
In der Digitalsignalverarbeitungseinheit 24 wird anhand der Amplitude des digitalisierten Mischsignals die mittlere Leistung des Empfangssignals ermittelt und es wird geprüft, ob der ermittelte Wert der mittleren Leistung des Empfangssignals größer als ein vorgegebener oberer Leistungswert oder kleiner als ein vorgegebener unterer Leistungswert ist. Falls der ermittelte Wert größer als der obere Leistungswert ist, wird die mittlere Sendeleistung reduziert, indem die Pulswiederholfrequenz und/oder Pulsdauer der Sendepulse soweit reduziert wird, bis die sich danach ergebende mittlere Leistung des Sendesignals unterhalb des oberen Leistungswerts liegt. Falls der ermittelte Wert hingegen kleiner als der untere Leistungswert ist, wird die mittlere Sendeleistung erhöht, indem die Pulswiederholfrequenz und/oder Pulsdauer der Sendepulse soweit erhöht wird, bis die sich danach ergebende mittlere Leistung des Sendesignals oberhalb des unteren Leistungswerts liegt. Somit wird die mittlere Leistung des Empfangssignals auf einen zwischen dem oberen und unteren Leistungswert liegenden Wert eingestellt.
Der Zusammenhang zwischen der Pulswiederholfrequenz oder Pulsdauer und der mittleren Leistung des Empfangssignals läßt sich am besten anhand der Figuren 2a bis 2c darstellen, in denen das Sendesignal mit s, das Empfangssignal mit r, die Pulsdauer eines Sendepulses mit tON, die Periodendauer mit tP und die Signallaufzeit mit tRO bezeichnet ist. Dargestellt sind dabei lediglich die Hüllkurven der Sende- und Empfangssignale. Die Pulswiederholfrequenz 1 /tP ist beispielsweise wie folgt gewählt: beim Zeitdiagramm gemäß Figur 2a beträgt sie 500 kHz, beim Zeitdiagramm gemäß Figur 2b beträgt sie 250 kHz und beim Zeitdiagramm gemäß Figur 2c beträgt sie wiederum 500 kHz. Das Reflexionsobjekt befindet sich im Falle der Figuren 2a und 2b so nahe am Radarsystem, daß die Signallaufzeit tRO vom Radarsy- stem zum Reflexionsobjekt und zurück kürzer als die Pulsdauer tON ist. Aus den
reflektierten Pulsen werden, da das Radarsystem erst ab dem Zeitpunkt tON empfangsbereit ist, die gestrichelt eingezeichneten Bereiche ausgeschnitten. Da die mittlere Leistung des Empfangssignals r gleich der auf die Periodendauer tP bezogenen Fläche unter dem empfangenden Puls ist, kann man aus den Figuren 2a bis 2c unmittelbar entnehmen, daß die mittlere Leistung des Empfangssignals r im Falle der Figuren 2b und 2c geringer ist als im Falle der Figur 2a, d. h. durch die Erhöhung der Periodendauer tP, also durch die Reduzierung der Pulswiederholfrequenz, und durch die Reduzierung der Pulsdauer tON des Sendesignals s wird die mittlere Leistung des Empfangssignals r reduziert.
Durch die Relativbewegung zwischen dem Reflexionsobjekt und dem Radarsystem erhält man eine Frequenzverschiebung zwischen der Trägerfrequenz des Sendesignals s und der Trägerfrequenz des Empfangssignals r, die aus Figur 3 ersichtlich wird. Figur 3 zeigt das Frequenzspektrum des Empfangssignals r gemäß Figur 2a nach seiner Frequenzumsetzung ins Basisband, d. h das dem Antialiasing-Filter 25 zugeführte Signal. Die mit rO bezeichnete Linie entspricht dabei der Hauptlinie des Empfangssignals r. Ihre Lage ist ein Maß der Frequenzverschiebung zwischen der Trägerfrequenz des Sendesignals s und der Trägerfrequenz des Empfangssignals r, die von der nachgeschalteten Digitalsignalverarbeitungseinheit 22 ermittelt wird. Die Nebenlinien des Empfangssignals r sind mit r1 und r1 * bezeichnet. In Figur 3 ist noch der auszuwertende Frequenzbereich hO und den Durchlaßbereich h des Antia- liasing-Filters 25 dargestellt. Die Nebenlinien r1 , r1 * liegen außerhalb des Durchlaßbereichs h und werden somit durch das Antialiasing-Filter 25 unterdrückt. Wird die Pulswiederholfrequenz zur Reduktion der mittleren Leistung des Sendesignals s beispielsweise von 500 kHz auf die Hälfte reduziert, so wird der Abstand zwischen den Spektrallinien rO, r1 , li * ebenfalls auf die Hälfte reduziert. Die Nebenlinien r1 , r1 * bleiben dabei weiterhin außerhalb des Durchlaßbereichs h und werden somit auch weiterhin durch das Antialiasing-Filter 25 unterdrückt. Zusätzlich werden die Spektrallinien auch in ihrer Höhe reduziert, was der gewünschten- Reduzierung der mittleren Leistung des Empfangssignals r entspricht.
Wird hingegen ausgehend von einem Sendesignal s gemäß Figur 2a die Pulsdauer tON der Sendepulse wie in Figur 2c gezeigt reduziert, so hat dies bei gleichbleibender Pulswiederholfrequenz tP"1 keinen Einfluß auf die Lage der Spektrallinien rO, r1 , r1 * des Empfangssignals r.
Durch die Reduzierung der Signaldynamik ist es möglich, Analog-Digital-Wandler und
Digitalsignalverarbeitungseinheiten zu verwenden, die Signale geringer Bitbreite verarbeiten und somit kostengünstig herstellbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf den Einsatz in dem Radarsystem gemäß Figur 1 beschränkt; es ist vielmehr in jedem Radarsystem für KFZ- Anwendungen einsetzbar, das Sendepulse mit einer bestimmten Trägerfrequenz aussendet, die reflektierten Sendepulse als Empfangssignal empfängt und vor der Auswertung in der Bandbreite begrenzt. Die Auswertung des Empfangssignals hinsichtlich der Leistungsbegrenzung des Sendesignals kann dabei im gleichen Signalverarbeitungszweig erfolgen, in dem auch die Entfernung und/oder Geschwindigkeit des Reflexionsobjekts ermittelt wird, sie kann aber auch in einem separaten speziell zur Leistungsbegrenzung vorgesehenen Schaltungsteil erfolgen.