WO2004046752A1 - Verfahren und vorrichtung zur erstellung eines radarbildes mit einem frequenzmodulierten dauerstrichradar - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erstellung eines radarbildes mit einem frequenzmodulierten dauerstrichradar Download PDF

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Robert Schneider
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    • G01S13/931—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the present invention relates generally to a method and a device for generating a radar image with a frequency-modulated continuous wave radar, and in particular to a method and a device for generating a two-dimensional radar image with a frequency-modulated continuous wave radar.
  • the present invention is based on the basic principle of a frequency-modulated continuous wave radar (hereinafter also called F-CW radar).
  • the FM-CW radar generates a transmission signal, the frequency of which is modulated in a ramp or triangular shape.
  • a transmit signal delayed by the transit time of the radar path is received as the received signal. Since the transmission frequency is changed over time, the instantaneous frequencies differ from the transmission and reception signal, which allows the calculation of the signal propagation times and thus the distance of the FM-CW radar to the destination.
  • both signals ie transmit and receive signals, are passed to a mixer and then filtered with a low pass.
  • the result is a so-called video frequency signal or intermediate frequency signal, the frequencies of which are proportional to the signal transit time and thus to the distance of the target under consideration to the FM-CW radar.
  • a proportionality factor between the video frequency and the distance to the target results from the ramp steepness of the frequency change of the transmitted signal.
  • Two-dimensional radar images are generally obtained with FM-CW radars by evaluating the intermediate frequency signals for one modulation period with regard to distance for antenna lobes of an electronically or mechanically pivotable antenna that are set one after the other.
  • the distance evaluation is usually carried out by a fast Fourier transformation (FFT) of the intermediate frequency signal recorded in the time domain, as described by GRIFFITHS, HD in "New Ideas in FM Radar” in Electronics and Communication Engineering Journal 2 (1990), Oct., No. 5, p 185-194.
  • FFT fast Fourier transformation
  • the mechanical pivoting of the antenna lobe is cost-intensive, error-prone and very slow compared to electronic methods due to the required precision in the millimeter wave range.
  • an imaging FM-CW radar with antennas swept over the frequency is known from the prior art, as described by BROKMEIER, A.; SOLBACH, K.; PIRKL, M.; PUCHINGER, J. in the article "Imaging FM-CW radar with high scanning rate in the KA band" in MIOP '95, Sindelfingen, Kongressunterlagen, 1995, pp. 280-284.
  • FM-CW radar devices with various modulation ramps are from CAMIADE, M.; DOMNESQUE, D .; OUARCH, Z. ; SION, A. in the article “Fully MMIC-Based Front End for FMCW Automotive Radar at 77GHz” in EÜMC (EuMW), 2000, by ROHLING, H.; MEINECKE, MM. In the article “Waveform Design Principles for Automotive Radar Systems” in CTE International Conference on Radar, Beijing, China (2001), October, and by AG STOVE in the article “Linear FMCW Radar Techniques "in IEE Proceedings-F 139 (1992), October, No. 5.
  • FM-CW radar devices with switched antenna lobes are also known from the following articles or publications: ASANO, Y. "Millimeter-Wave Holography Radar for Automotive Applications” in EUMC (EuMQ) 2001; ASANO, Y.; OHSHIMAS, US Bl 6,246,359, and ASANO, Y .; HARADA, T., US Bl 6,288,672 Bl.
  • the video frequencies of all targets in the same distance range can be reduced to a selected intermediate frequency within the bandwidth of the band Slide pass filtering.
  • the target distribution over the pivoted angular range in the distance range considered by the respective steepness of the modulation ramp then results directly from the amplitude of the intermediate frequency signal filtered by the bandpass filtering, measured over the ramp duration. With each ramp, all angular positions for a certain distance gate can be measured.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the radar method according to the invention
  • FIG. 2 is a block diagram of a first embodiment of the invention that implements the radar method of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a block diagram of a second embodiment of the invention.
  • Fig. 4 is a block diagram of a third embodiment of the invention.
  • the principle of the FM-CW radar is combined with an antenna, the main beam direction of which pivots in the azimuth plane above the frequency ramp of the transmitted transmission signal.
  • intermediate frequency signals of a target are only generated as long as they are in the antenna lobe.
  • their azimuth positions can thus be determined from the temporal presence of their intermediate frequency signals during the frequency ramp.
  • a two-dimensional radar image can in principle be generated with a suitable evaluation of the intermediate frequency signal.
  • the problem of evaluating the intermediate frequency signal is solved in the invention in that several frequency ramps are sent with different ramp steepnesses and only a selected intermediate frequency is observed per modulation period by the introduction of a bandpass filter in the intermediate frequency branch.
  • the video frequencies of all targets in the same distance range can be shifted to a selected intermediate frequency by a suitable choice of the ramp steepness.
  • the target distribution over the swiveled angular range in the distance range considered by the respective steepness of the modulation ramp then results directly from the amplitude of the filtered intermediate frequency signal measured over the ramp duration. With each ramp, all angular positions for a certain distance gate can be measured.
  • the method and the device according to the invention could be used at frequencies in the millimeter-wave range as a vehicle radar for tasks such as intelligent cruise control, obstacle warning and distance warning.
  • WENGER, J. "Automotive MM-Wave Radar, Status and Trends in System Design and Technology", in IEE (Ed.) IEE Colloquium on Automotive Radar and Navigation Techniques, 1998; STOTZ, M.; SCHNEIDER, R .; WENGER, J .; LAUER, W .; ADOMAT, R .: "Status and Trends in Vehicular ICC Systems” in EÜMC, EuMW Workshop Proceedings GM-TuWl, 1999; MEINEL, H.
  • FIG. 1 a schematic representation of the radar method according to the invention is shown.
  • the radar method according to the invention is graphically illustrated using typical time diagrams (A) - (E) for a scenario (F) with two targets (Gi) and (G 2 ) at different distances from an antenna (6).
  • 1 shows the time profile of the transmission frequency for 4 modulation ramps of different steepness. The number of modulation ramps shown in Figure 1 can be varied as is well known to those skilled in the art.
  • ⁇ T1 and ⁇ T2 representing the respective angles of the targets (G x ) and (G 2 ) to the antenna.
  • Time diagram (C) of FIG. 1 shows the idealized temporal course of the intermediate frequencies in the form of rectangular pulses, which are generated by the two targets (Gi) and (G 2 ), and the bandwidth of the bandpass filter in the form of horizontal dashed boundary lines (H) ,
  • the lower limit line determines the lower limit frequency of the bandpass filter and the upper limit line determines the upper limit frequency of the bandpass filter.
  • Diagram (D) of FIG. 1 shows the time course of the intermediate frequency after the bandpass filtering. As can be seen, only those intermediate frequencies remain which are located between the horizontal dashed border lines (H). In other words, all intermediate frequencies outside the pass band of the bandpass filter are suppressed. Obviously, the diagram (D) is also idealized.
  • Diagram (E) of FIG. 1 finally illustrates the temporal course of the modulation slopes and the assignment of the four distance gates (I) to the four frequency ramps.
  • FIG. 2 A typical architecture for implementing the radar method according to the invention according to FIG. 1 in a first embodiment will now be explained with reference to FIG. 2.
  • the transmission signal is generated by a ramp generator (1) and a voltage-controlled oscillator (2). After subsequent amplification in an amplifier (3), the transmission signal is divided in the power divider (4) and at the same time given to the transmission antenna (6) which is swiveled over the frequency and can be designed as a transmission / reception antenna, and the baseband reception mixer (7) , The signal reflected by a target is routed to the second input of the baseband reception mixer (7) through a coupler structure (5) or alternatively a circulator (direction fork).
  • the intermediate frequency signal at the output of the baseband reception mixer (7) is filtered by the bandpass filter (8) and then amplified in an intermediate frequency amplifier (9).
  • the amplitude of the filtered intermediate frequency signal is measured by coherent or simple envelope detection in a detector (10).
  • a detector (10) For optimal control of the detector elements, it is particularly advantageous according to the invention to adapt the intermediate frequency gain for the different ramp gradients to the level relationships of the corresponding distance gates by means of a variable intermediate frequency amplifier.
  • the signal detected by the detector (10) can be transferred to a microcontroller (12) or an via an analog-digital converter Display element (13) are given.
  • the setting of the ramp steepness of the ramp generator and possibly the amplification of the intermediate frequency amplifier (9) is also advantageously carried out by the microcontroller (12).
  • FIG. 3 a second embodiment of the invention is now shown.
  • the electronic components already appearing in FIG. 2 and explained above are designated with the same reference numerals and are therefore not explained again in connection with FIG. 3.
  • the device is expanded by two frequency-swept antennas (21) and (22) (instead of the one antenna (6) of the first embodiment), which are each designed as transmission / reception antennas analogously to FIG. 2 can.
  • the embodiment of FIG. 3 aims to find a satisfactory compromise between distance and angular resolution of the device.
  • electronic switches (23) and (24) and the microcontroller (12) can be used to choose between: a) good range resolution with the antenna (21) with a broad radiation pattern and a narrowband bandpass filter (25) and b) good angular resolution can be switched with the antenna (22) with a narrow radiation lobe and a broadband bandpass filter (26).
  • a) good range resolution with the antenna (21) with a broad radiation pattern and a narrowband bandpass filter (25) and b) good angular resolution can be switched with the antenna (22) with a narrow radiation lobe and a broadband bandpass filter (26).
  • parallel operation of the two antennas would also be possible if the antenna with the broad radiation pattern were used to transmit and receive and the antenna with the narrow radiation pattern was also used for reception.
  • this requires the construction of two parallel reception branches consisting of a mixer, bandpass filter, intermediate frequency amplifier, detector and analog-digital converter.
  • FIG. 4 a third embodiment of the invention is now shown.
  • the electronic components already appearing in FIG. 2 and explained above are designated with the same reference numerals and are therefore not explained again in connection with FIG. 4.
  • the third embodiment according to the invention of FIG. 4 differs from that of FIG. 2 by the provision of a delay line.
  • the delay line (34) is preferably implemented at an intermediate frequency in which both the transmit signal and the receive signal upstream of the baseband receive mixer (7) by two additional mixers (31) and (32) and one fixed-frequency oscillator (33) are implemented.
  • the delay line can be implemented in a particularly simple and advantageous manner. Possible technical implementations of the delay line would be coaxial cables, optical delay lines, SAW delay elements or digital delay elements.
  • the method according to the invention and the device according to the invention fulfill the above objects.
  • the invention encompasses a novel advantageous combination of the principle of the FM-CW radar with an antenna pivoted over the frequency and direct distance evaluation by means of a fixed intermediate frequency and modulation ramps of different steepness.
  • the present invention offers particular advantages in relation to the prior art, which include the following in a non-exhaustive list:
  • the solution according to the invention in the second embodiment of FIG. 3 finds a useful compromise between distance and angular resolution, which is particularly advantageous for the motor vehicle application areas described.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung eines Radarbildes mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar, das folgende Schritte umfasst: die Erzeugung eines Sendesignals mit mindestens zwei Frequenzrampen mit jeweils unterschiedlichen Rampensteilheiten; die Einspeisung des Sendesignals in mindestens eine frequenzgeschwenkte Antenne (6, 21, 22) des Dauerstrichradars, und die Ausstrahlung des Sendesignals; der Empfang des von einem oder mehreren Zielen (G1, G2) reflektierten Sendesignals in der Antenne (6, 21, 22); die Erfassung von mindestens einem Zwischenfrequenzsignal aus dem Empfangssignal der Antenne (6, 21, 22); und die direkte Auswertung der Position der Ziele (G1, G2) zum Dauerstrichradar mittels einer auswählbaren Zwischenfrequenz aus dem Zwischenfrequenzsignal und der unterschiedlichen Rampensteilheiten. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die das obige Verfahren implementiert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erstellung eines Radarbildes mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erstellung eines Radarbildes mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erstellung eines zweidimensionalen Radarbildes mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Grundprinzip eines frequenzmodulierten Dauerstrichradars (im folgenden auch F -CW Radar genannt) .
Beim FM-CW Radar wird ein Sendesignal erzeugt, dessen Frequenz rampen- oder dreieckförmig moduliert wird.
Während sich ein Ziel in der Hauptstrahlrichtung der Antenne des FM-CW Radars befindet, wird als Empfangssignal ein um die Laufzeit der Radarstrecke verzögertes Sendesignal empfangen. Da die Sendefrequenz über die Zeit verändert wird, unterscheiden sich die Momentanfrequenzen vom Sende- und Empfangssignal, was die Berechnung der Signallaufzeiten und somit der Entfernung des FM- CW Radars zum Ziel gestattet. Insbesondere werden beide Signale, d.h. Sende- und Empfangssignal, auf einen Mischer gegeben und anschließend mit einem Tiefpass gefiltert. So ergeben sich ein sogenanntes Videofrequenzsignal bzw. Zwischenfrequenzsignal, dessen Frequenzen proportional zur Signallaufzeit und damit zur Entfernung des betrachteten Ziels zum FM-CW Radar sind. Aus der Rampensteilheit der Frequenzänderung des Sendesignals ergibt sich ein Proportionalitätsf ktor zwischen Videofrequenz und Zielentfernun .
Zweidimensionale Radarbilder werden mit FM-CW Radaren im allgemeinen dadurch erhalten, dass für nacheinander eingestellte Antennenkeulen einer elektronisch oder mechanisch schwenkbaren Antenne die Zwischenfrequenzsignale je einer Modulationsperiode hinsichtlich Entfernung ausgewertet werden. Die Entfernungsauswertung geschieht üblicherweise durch eine schnelle Fourier- transformation (FFT) des im Zeitbereich aufgenommenen Zwischenfrequenzsignals wie von GRIFFITHS, H. D. in "New Ideas in FM Radar" in Electronics and Communication Engineering Journal 2 (1990), Okt., Nr. 5, S. 185-194 beschrieben.
Die mechanische Schwenkung der Antennenkeule ist aufgrund der erforderlichen Präzision im Millimeterwellenbereich kostenintensiv, fehleranfällig und verglichen mit elektronischen Verfahren sehr langsam.
Elektronische StrahlSchwenkung durch passive oder aktive phasengesteuerte Gruppenantennen ist mit hohen Kosten verbunden, da zur Realisierung eine Vielzahl derzeit noch sehr kostspieliger Mikrowellenbaugruppen benötigt werden.
Als Alternative zur mechanischen StrahlSchwenkung und zur elektronischen StrahlSchwenkung durch passive oder aktive phasen- gesteuerte Gruppenantennen werden häufig Antennen eingesetzt, in denen zwischen mehreren Antennenkeulen umgeschaltet werden kann. Diese Antennen können bei gegebenem Aufwand und Volumen jedoch nur für einen relativ begrenzten Sichtbereich und wenige Strahl- richtungszellen realisiert werden.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik ein bildgebendes FM-CW Radar mit über der Frequenz geschwenkten Antennen bekannt, wie von BROKMEIER, A. ; SOLBACH, K. ; PIRKL, M. ; PUCHINGER, J. im Aufsatz "Bildgebendes FM-CW-Radar mit hoher Abstastrate im KA- Band" in MIOP ' 95, Sindelfingen, Kongressunterlagen, 1995, S. 280-284 beschrieben.
Weitere über der Frequenz geschwenkte Antennen sind aus den folgenden Aufsätzen bzw. Publikationen bekannt: SCHMID, U. ; MENZEL, W. : "A 24 GHz Scanning Receiver Array" ÄNTEM 2002 Montreal; SOLBACH, K. : "Below-Resonant-Length Slot Radiators for Traveling- ave-Array Antennas" in IEEE-A-P 38 (1996) , Februar, S. 7-14; HONG, J. H.: "Electronically Scanned Phased Array Antenna System and Method with Scan Cσntrol Independant of Radiating Frequency" US Bl 6,266,011, und RELPH, P. M. ; GRIFFITHS, H. D. : "An Electronically Scanning Antenna for Automotive Radar Systems", in IEE Colloquium on Automotive Radar and Navigation Techniques, 1998.
FM-CW Radar-Vorrichtungen mit verschiedenen Modulationsrampen sind von CAMIADE, M. ; DOMNESQUE, D.; OUARCH, Z . ; SION, A. im Aufsatz "Fully MMIC-Based Front End for FMCW Automotive Radar at 77GHz" in EÜMC (EuMW) , 2000, von ROHLING, H. ; MEINECKE, M-M. im Aufsatz "Waveform Design Principles for Automotive Radar Systems" in CTE International Conference on Radar, Bejing, China (2001), Okt., und von A.G. STOVE im Artikel "Linear FMCW Radar Techniques" in IEE Proceedings-F 139 (1992) , Oktober, Nr. 5 beschrieben worden.
FM-CW Radar-Vorrichtungen mit geschalteten Antennenkeulen sind ebenfalls aus den folgenden Aufsätzen bzw. Veröffentlichungen bekannt: ASANO, Y. "Millimeter-Wave Holographie Radar for Automotive Applications" in EUMC (EuMQ) 2001; ASANO, Y. ; OHSHIMAS, US Bl 6,246,359, sowie ASANO, Y.; HARADA, T., US Bl 6,288,672 Bl .
Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahren und einer Systemarchitektur zur Erstellung eines Radarbildes, insbesondere eines zweidimensionalen Radarbildes mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar bei minimalem Aufwand an aktiven Hochfrequenzkomponenten und Signalverarbeitungstufen sowie ohne mechanisch geschwenkte Antennen.
Diese Aufgabe sowie weitere der nachstehenden Beschreibung zu entnehmenden Aufgaben werden von einem Verfahren und einer Systemarchitektur zur Erstellung eines zweidimensionalen Radarbildes mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar gemäß den nachstehenden Ansprüchen gelöst .
Dabei werden nach einem Aspekt der Erfindung mehrere Frequenz- rampen mit unterschiedlichen Rampensteilheiten gesendet und durch Bandpassfilterung im Zwischenfrequenzzweig pro Modulationsperiode nur eine ausgewählte Zwischenfrequenz gemessen. Durch geeignete Wahl der Rampensteilheit lassen sich die Videofrequenzen aller Ziele im selben Entfernungsbereich auf die eine ausgewählte Zwischenfrequenz innerhalb der Bandbreite der Band- passfilterung schieben.
Aus der über der Rampendauer gemessenen Amplitude des durch die Bandpassfilterung gefilterten Zwischenfrequenzsignals ergibt sich dann direkt die Zielverteilung über den geschwenkten Winkelbereich in dem durch die jeweilige Steilheit der Modulationsrampe betrachteten Entfernungsbereich. Mit jeder Rampe können also sämtliche Winkelpositionen für ein bestimmtes Entfernungstor gemessen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie der Aufbau und die Wirkungsweise verschiedener Ausfuhrungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Die begleitenden Zeichnungen veranschaulichen die vorliegende Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung weiterhin dazu, die Grundsätze der Erfindung zu erklären und einem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. Dabei zeigt :
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Radarverfahrens ;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung, die das Radarverfahren der Fig. 1 implementiert;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung; und
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer dritten Ausfuhrungsform der Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausfuhrungsformen der Erfindung In dem erfindungsgemäßen Radar wird das Prinzip des FM-CW Radars mit einer Antenne kombiniert, deren Hauptstrahlrichtung in der Azimutebene über der Frequenzrampe des eingespeisten Sendesignals schwenkt. Auf diese Art und Weise werden Zwischenfrequenz- signale eines Ziels nur so lange erzeugt, wie diese sich in der Antennenkeule befinden. Für lokal begrenzte Ziele lassen sich damit deren Azimutpositionen aus dem zeitlichen Vorhandensein ihrer Zwischenfrequenzsignale während der Frequenzrampe bestimmen. Zusammen mit der Entfernungsbestimmung aus der Frequenz der Zwischenfrequenzsignale kann so prinzipiell bei geeigneter Auswertung des Zwischenfrequenzsignals ein zweidimensionales Radarbild erzeugt werden.
Das Problem der Auswertung des Zwischenfrequenzsignals wird in der Erfindung dadurch gelöst, dass mehrere Frequenzrampen mit unterschiedlichen Rampensteilheiten gesendet werden und durch die Einführung eines Bandpassfilters im Zwischenfrequenzzweig pro Modulationsperiode nur eine ausgewählte Zwischenfrequenz beobachtet wird. Durch geeignete Wahl der Rampensteilheit lassen sich die Videofrequenzen aller Ziele im selben Entfernungsbereich auf die eine ausgewählte Zwischenfrequenz schieben. Alternativ dazu wäre es auch möglich, den Durchlassbereich des Bandpassfilters zu variieren.
Aus der über der Rampendauer gemessenen Amplitude des gefilterten Zwischenfrequenzsignals ergibt sich dann direkt die Zielverteilung über den geschwenkten Winkelbereich in dem durch die jeweilige Steilheit der Modulationsrampe betrachteten Entfernungsbereich. Mit jeder Rampe können sämtliche Winkelpositionen für ein bestimmtes Entfernungstor gemessen werden.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben festgestellt, dass die Winkel- und Entfernungsauflösung gegenläufig verhalten. Daher ist es vorteilhaft, wie mit Bezug auf die Ausfuhrungsform der Fig. 4 näher erläutert, in einigen praktischen Anwendungen der Erfindung, die nachstehend exemplarisch aufgezeigt werden, ein Kompromiss zwischen beiden diesen Größen (nämlich Winkel- und Entfernungsauflösung) zu finden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung könnten bei Frequenzen im Millimeterwellenbereich als KFZ- Radar für Aufgaben wie Intelligenter Tempomat, Hinderniswarnung und AbStandsWarnung eingesetzt werden. Beispielhaft wird auf WENGER, J. : "Automotive MM-Wave Radar, Status and Trends in System Design and Technology", in IEE (Hrsg. ) IEE Colloquium on Automotive Radar and Navigation Techniques, 1998; STOTZ, M. ; SCHNEIDER, R.; WENGER, J.; LAUER, W.; ADOMAT, R.: "Status and Trends in Vehicular ICC Systems" in EÜMC, EuMW Workshop Proceedings GM- TuWl, 1999; MEINEL, H. "Millimeterwaves for Automotive Applications" in EÜMC (EuMW) , 1996, S . 830 - 835 hingewiesen, worin mögliche Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung aufgezeigt werden. Prinzipiell sind der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung überall dort sinnvoll, wo ein einfacher zweidimensional abbildender Radarsensor im Mikrowellenbereich (> 10 GHz) mit geringem Aufwand an Hochfrequenztechnik und Signalverarbeitung realisiert werden soll.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 wird eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Radarverfahrens gezeigt . Dabei wird das erfindungsgemäße Radarverfahren anhand von typischen Zeit- diagrammen (A) - (E) für ein Szenarium (F) mit zwei Zielen (Gi) und (G2) in unterschiedlicher Entfernung zu einer Antenne (6) graphisch veranschaulicht. Zeitdiagramm (A) der Fig. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Sendefrequenz für 4 Modulationsrampen unterschiedlicher Steilheit. Die Anzahl der in der Fig. 1 gezeigten Modulationsrampen kann, wie für den Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung wohl bekannt, variiert werden.
In Zeitdiagramm (B) der Fig. 1 sind die korrespondierenden Schwenkwinkel der über der Frequenz gesteuerten Antenne dargestellt, wobei ΦT1 und ΦT2 die jeweiligen Winkel der Ziele (Gx) und (G2) zur Antenne darstellen.
Zeitdiagramm (C) der Fig. 1 zeigt den idealisierten zeitlichen Verlauf der Zwischenfrequenzen in Form von rechteckigen Impulsen, welche durch die zwei Ziele (Gi) und (G2) erzeugt werden, sowie die Bandbreite des Bandpassfilters in Form horizontaler gestrichelter Grenzlinien (H) . Die untere Grenzlinie bestimmt die untere Grenzfrequenz des Bandpassfilters und die obere Grenzlinie bestimmt die obere Grenzfrequenz des Bandpassfilters.
In Diagramm (D) der Fig. 1 ist der zeitliche Verlauf der Zwischenfrequenz nach der Bandpassfilterung dargestellt. Wie ersichtlich, bleiben nur jene Zwischenfrequenzen bestehen, die zwischen den horizontalen gestrichelten Grenzlinien (H) befindlich sind. Anders ausgedrückt, werden alle Zwischenfrequenzen außerhalb des Druchlassbereichs des Bandpassfilters unterdrückt. Offensichtlich ist auch die Darstellung des Diagramms (D) idealisiert .
Diagramm (E) der Fig. 1 veranschaulicht schließlich den zeitlichen Verlauf der Modulationssteilheiten und die Zuordnung der vier Entfernungstore (I) zu den vier Frequenzrampen.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 eine typische Architektur zur Implementierung des erfindungsgemäßen Radarverfahrens gemäß der Fig. 1 in einer ersten Ausfuhrungsform erläutert .
Die Erzeugung des Sendesignals erfolgt durch einen Rampengenerator (1) und einen spannungsgesteuerten Oszillator (2) . Nach anschließender Verstärkung in einem Verstärker (3) wird das Sendesignal im Leistungsteiler (4) aufgeteilt und gleichzeitig auf die über der Frequenz geschwenkte Sendeantenne (6) , die als Sende-/Empfangsantenne ausgebildet werden kann, und den Basisband-Empfangsmischer (7) gegeben. Durch eine KopplerStruktur (5) oder alternativ einen Zirkulator (Richtungsgabel) wird das von einem Ziel reflektierte Signal auf den zweiten Eingang des Basisband-Empfangmischers (7) geführt. Das Zwischenfrequenzsignal am Ausgang des Basisband-Empfangmischers (7) wird durch den Bandpassfilter (8) gefiltert und anschließend in einem Zwischenfrequenzverstärker (9) verstärkt.
Die Messung der Amplitude des gefilterten Zwischenfrequenzsignals erfolgt durch kohärente oder einfache Hüllkurvendetektion in einem Detektor (10) . Zur optimalen Aussteuerung der Detektorelemente ist es erfindungsgemäß besonders vorteilhaft, die Zwi- schenfrequenzverstärkung für die verschiedenen Rampensteilheiten den Pegelverhältnissen der korrespondierenden Entfernungstore durch einen variablen Zwischenfrequenzverstärker anzupassen.
Das von Detektor (10) detektierte Signal kann über einen Analog- Digital-Wandler auf einen MikroController (12) oder ein Anzeigeelement (13) gegeben werden. Die Einstellung der Rampensteilheit des Rampengenerators und ggf. der Verstärkung des Zwischenfrequenzverstärkers (9) erfolgt vorteilhaft ebenfalls durch den Mikrocontroller (12) .
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 wird nunmehr eine zweite erfindungsgemäße Ausfuhrungsform gezeigt. In der Fig. 3 werden die in der Fig. 2 bereits vorkommenden und vorstehend erläuterten elektronischen Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und daher in Zusammenhang mit der Fig. 3 nicht erneut erklärt.
Grundsätzlich wird in der Ausfuhrungsform der Fig. 3 die Vorrichtung um zwei frequenzgeschwenkte Antennen (21) und (22) (anstatt der einen Antenne (6) der ersten Ausfuhrungsform) erweitert, die analog zur Fig. 2 jeweils als Sende-/Empfangsantennen ausgebildet werden können.
Wie bereits oben erwähnt, zielt die Ausfuhrungsform der Fig. 3 darauf, einen befriedigenden Kompromiss zwischen Entfernungsund Winkelauflösung der Vorrichtung zu finden.
In der zweiten Ausfuhrungsform kann durch elektronische Schalter (23) und (24) und durch den Mikrocontroller (12) wahlweise zwischen: a) guter Entfernungsauflösung mit der Antenne (21) mit breitem Strahlungsdiagramm und einem schmalbandigem Bandpass- filter (25) und b) guter Winkelauflösung mit der Antenne (22) mit schmaler Strahlungskeule und einem breitbandigen Bandpassfilter (26) umgeschaltet werden. Alternativ zum Umschalten wäre auch ein paralleler Betrieb der beiden Antennen möglich, wenn mit der Antenne mit dem breiten Strahlungsdiagramm gesendet und empfangen und zusätzlich mit der Antenne mit dem schmalen Strahlungsdiagramm empfangen würde. Dies erfordert jedoch den Aufbau von zwei parallelen Empfangszweigen aus Mischer, Bandpassfilter, Zwischenfrequenzverstärker, Detektor und Analog-Digital-Wandler.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 wird nunmehr eine dritte erfindungsgemäße Ausfuhrungsform gezeigt. In der Fig. 4 werden die in der Fig. 2 bereits vorkommenden und vorstehend erläuterten elektronischen Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und daher in Zusammenhang mit der Fig. 4 nicht erneut erklärt.
Die dritte erfindungsgemäße Ausfuhrungsform der Fig. 4 unterscheidet sich von der der Fig. 2 durch die Bereitstellung einer Verzögerungsleitung.
Bei sehr kleinen Zielentfernungen werden für eine gleichbleibende Zwischenfrequenz sehr kurze Frequenzrampen benötigt. Je kleiner die Rampendauer, desto kürzer wird das Ziel beleuchtet und desto kleiner ist die Dauer des durch das Ziel erzeugten Zwischenfrequenzsignals. Für sehr kurze Entfernungen kann die Dauer des Zwischenfrequenzsignals kleiner als die Einschwingzeit des Zwischenfrequenzfilters und damit nicht mehr detektierbar werden. Es besteht insbesondere eine von den Systemparametern abhängige Totzone vor der Antenne, die für die vorstehend beschriebenen Anwendungsgebiete in der Größenordnung von 10 bis 20 m sein dürfte. In der Ausfuhrungsform der Fig. 4 wird dieses Problem durch Einfügen einer Verzögerungsleitung (34) umgangen. Die elektrische Länge der Verzögerungsleitung (34) muss mindestens dem doppelten minimalen Zielabstand der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne Verzögerungsleitung entsprechen. Aus Platz- und Kostengründen wird die Verzögerungsleitung (34) gemäß der Erfindung vorzugsweise bei einer Zwischenfrequenz realisiert, in welcher sowohl das Sendesignal als auch das Empfangssignal vor dem Basisband-Empfangsmischer (7) durch zwei zusätzliche Mischer (31) und (32) und einen festfrequenten Oszillator (33) umgesetzt werden.
Die Verzögerungsleitung kann besonders einfach vorteilhaft realisiert werden. Mögliche technische Realisierungen der Verzögerungsleitung wären aufgewickelte Koaxialkabel, optische Verzögerungsleitungen, SAW-Verzögerungsglieder oder digitale Laufzeitglieder .
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung erfüllen die vorstehenden Aufgaben. Die Erfindung um- fasst eine neuartige vorteilhafte Kombination des Prinzips des FM-CW Radars mit über der Frequenz geschwenkter Antenne und direkter Entfernungsauswertung mittels einer festen Zwischenfrequenz und Modulationsrampen unterschiedlicher Steilheit.
Dabei bietet die vorliegende Erfindung in Bezug zum Stand der Technik besondere Vorteile, zu denen in einer nichtabschließenden Aufzählung folgendes zu rechnen ist:
Abbildung von Winkel und Entfernung ohne mechanische Antennenschwenkung, -umschaltung oder phasengesteuerte Gruppenantennen.
• Direkte Abbildung ohne spezielle Signalverarbeitung. Dabei werden Entfernungs- und WinkelInformationen direkt als Funktionen über die Zeit geliefert.
• Geringer Aufwand an Hochfrequenz- und Elektronikbaugruppen.
• Geringe Datenraten, da nicht die Rohdaten des Zwischenfrequenzsignals, sondern direkt die Bilddaten an die Auswertung geliefert werden.
Darüber hinaus findet die erfindungsgemäße Lösung in der zweiten Ausführungsform der Fig. 3 einen brauchbaren Kompromiss zwischen Entfernungs- und Winkelauflösung, der insbesondere für die geschilderten KFZ-Anwendungsgebiete von Vorteil ist.
Wenn Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugs- zeichen keine Einschränkungen des Schutzumfangs solcher Elemente dar, die nur exemplarisch durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erstellung eines Radarbildes mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar, das folgende Schritte umfasst : die Erzeugung eines Sendesignals mit mindestens zwei Frequenzrampen mit jeweils unterschiedlichen Rampensteilheiten; die Einspeisung des Sendesignals in mindestens eine frequenzgeschwenkte Antenne (6, 21, 22) des Dauerstrichradars, und die Ausstrahlung des Sendesignals; der Empfang des von einem oder mehreren Zielen (Gi, G2) reflektierten Sendesignals in der Antenne (6, 21, 22); die Erfassung von mindestens einem Zwischenfrequenzsignal aus dem Empfangssignal der Antenne (6, 21, 22) ; und die direkte Auswertung der Position der Ziele (Gi, G2) zum Dauerstrichradar mittels einer auswählbaren Zwischenfrequenz aus dem Zwischenfrequenzsignal und der unterschiedlichen Rampensteilheiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt der Bandpassfilterung des Zwischenfrequenzsignals aus dem Empfangssignal der Antenne (6, 21, 22) umfasst, um die auswählbare Zwischenfrequenz zu erzeugen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , das weiterhin den Schritt der Verstärkung des Zwischenfrequenzsignals umfasst, wobei das Zwischenfrequenzsignal für die verschiedenen Rampensteilheiten den Pegelverhältnissen von korrespondierenden Entfernungstoren durch eine variable Verstärkung angepasst wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, worin die direkte Auswertung der Position der Ziele (Gx , G2) zum Dauerstrichradar aus der über der Rampendauer gemessenen Amplitude der auswählbaren Zwischenfrequenz erfolgt, um die Azimutposition der Ziele (Gi, G2) zum Dauerstrichradar über einen geschwenkten Winkelbereich der frequenzgeschwenkten Antenne (6, 21, 22) zu bestimmen.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, das weiterhin einen Schritt zur Bestimmung der Entfernung der Ziele (Gi, G2) zum Dauerstrichradar aus der Frequenz des Zwischenfrequenzsignals umfasst.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, worin das Radarbild zweidimensional ist, worin die direkte Auswertung der Position der Ziele (Gx, G2) zum Dauerstrichradar aus der über der Rampendauer gemessenen Amplitude der auswählbaren Zwischenfrequenz erfolgt, um die Azimutposition der Ziele (Gx, G2) zum Dauerstrichradar über den geschwenkten Winkelbereich der frequenzgeschwenkten Antenne (6, 21, 22) zu bestimmen, und worin das Verfahren weiterhin einen Schritt zur Bestimmung der Entfernung der Ziele (Gi, G2) zum Dauerstrichradar aus der Frequenz des Zwischenfrequenzsignals umfasst .
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, worin die Einspeisung des Sendesignals in zwei frequenzgeschwenkten Antennen (21, 22) des Dauerstrichradars erfolgt, wobei die erste Antenne (21) ein breites Strahlungsdiagramm zur guten Entfernungsauflösung hat und die zweite Antenne (22) eine schmale Strahlungskeule zur guten Winkelauflösung hat.
8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die zwei frequenz- geschwenkten Antennen (21, 22) in Zeitmultiplex betrieben werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, worin die zwei frequenzgeschwenkten Antennen (21, 22) parallel betrieben werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, das weiterhin den Schritt der Verzögerung des Zwischenfrequenzsignals umfasst .
11. Verfahren nach Anspruch 10, worin die elektrische Länge der Verzögerung mindestens dem doppelten minimalen Zielabstand des Dauerstrichradars ohne Verzögerung entspricht.
12. Vorrichtung zur Erstellung eines Radarbildes mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar, die folgendes umfasst: ein Rampengeneratormittel (1) zur Erzeugung eines Sende- signals mit mindestens zwei Frequenzrampen mit jeweils unterschiedlichen Rampensteilheiten; mindestens ein frequenzgeschwenktes Antennenmittel (6, 21, 22) , das mit dem Rampengeneratormittel (1) operativ verbunden ist und das zur Ausstrahlung des Sendesignals ausgebildet ist, wobei das Antennenmittel (6, 21, 22) weiterhin ausgebildet ist, um das reflektierte Sendesignal von einem oder mehreren Zielen (Gi, G2) zu empfangen; und
Mittel (8, 9, 10, 11, 12, 13) zur Erfassung von mindestens einem Zwischenfrequenzsignal aus dem Empfangssignal des Antennenmittels (6, 21, 22), wobei die Mittel (8, 9, 10, 11, 12, 13) zur Erfassung ausgebildet sind, um die Position der Ziele (Gx, G2) zum Dauerstrichradar mittels einer auswählbaren Zwischenfrequenz aus dem Zwischenfrequenzsignal und der unterschiedlichen Rampensteilheiten zu erfassen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, worin die Mittel (8, 9, 10, 11, 12, 13) zur Erfassung einen Bandpassfilter (8) zur Bandpassfilterung des Zwischenfrequenzsignals aus dem Empfangssignal des Antennenmittels (6, 21, 22) umfassen, der ausgebildet ist, die auswählbare Zwischenfrequenz zu erzeugen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, worin die Mittel (8, 9, 10, 11, 12, 13) zur Erfassung einen Verstärker (9) umfassen, der ausgebildet ist, das Zwischenfrequenzsignal derart zu verstärken, dass das Zwischenfrequenzsignal für die verschiedenen Rampensteilheiten den Pegelverhältnissen von korrespondierenden Entfernungstoren durch eine variable Verstärkung ange- passt wird.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12- 14, worin die Mittel (8, 9, 10, 11, 12, 13) zur Erfassung ausgebildet sind, die Position der Ziele (Gx, G2) zum Dauerstrichradar aus der über der Rampendauer gemessenen Amplitude der auswählbaren Zwischenfrequenz zu erfassen, um die Azimutposition der Ziele (Gi, G2) zum Dauerstrichradar über einen geschwenkten Winkelbereich des frequenzgeschwenkten Antennenmittels (6, 21, 22) zu bestimmen.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12- 15, die weiterhin Mittel zur Bestimmung der Entfernung der Ziele (Gi, G2) zum Dauerstrichradar aus der Frequenz des Zwischenfrequenzsignals umfasst .
17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12- 14, worin das Radarbild zweidimensional ist, worin die Mittel (8, 9, 10, 11, 12, 13) zur Erfassung ausgebildet sind, die Position der Ziele (Gi, G2) zum Dauerstrichradar aus der über der Rampendauer gemessenen Amplitude der auswählbaren Zwischenfrequenz zu erfassen, um die Azimutposition der Ziele (Gif G2) zum Dauerstrichradar über einen geschwenkten Winkelbereich des frequenzgeschwenkten Antennenmittels (6, 21, 22) zu bestimmen, und worin die Vorrichtung weiterhin Mittel zur Bestimmung der Entfernung der Ziele (Gi, G2) zum Dauerstrichradar aus der Frequenz des Zwischenf equenzsignals umfasst.
18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12- 17, worin das Antennenmittel (6, 21, 22) zwei frequenzgeschwenkte Antennen (21, 22) umfasst, wobei die erste Antenne (21) ein breites Strahlungsdiagramm zur guten Entfernungsauflösung hat und die zweite Antenne (22) eine schmale Strahlungskeule zur guten Winkelauflösung hat.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin ein schmalbandiger Bandpassfilter (25) der ersten Antenne (21) und ein breitbandi- ger Bandpassfilter (26) der zweiten Antenne (22) nachgeschaltet ist .
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, die weiterhin steuerbare elektronische Schalter (23, 24) umfasst, um einen sequenziellen Betrieb der ersten (21) und zweiten (22) Antenne zu gestatten.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 12- 20, die weiterhin eine Verzögerungsleitung (34) zur Verzögerung des Zwischenfrequenzsignals umfasst .
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, worin die elektrische Länge der Verzögerungsleitung (34) mindestens dem doppelten minimalen Zielabstand der Vorrichtung ohne Verzögerungsleitung
(34) entspricht.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, worin die Verzögerungsleitung (34) bei einer Zwischenfrequenz realisiert wird, in welcher sowohl das Sendesignal als auch das Empfangssignal des Antennenmittels (6, 21, 22) durch zwei zusätzliche Mischer (31) und (32) und einen festfrequenten Oszillator (33) vor einem nachgeschalteten Basisband-Empfangsmischer (7) umgesetzt werden.
24. Vorrichtung zur Erstellung eines Radarbildes mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar, die folgendes umfasst : ein Rampengeneratormittel (1) zur Erzeugung eines Sendesignals mit mindestens zwei Frequenzrampen mit jeweils unterschiedlichen Rampensteilheiten; mindestens ein frequenzgeschwenktes Antennenmittel (6, 21, 22) , das mit dem Rampengeneratormittel (1) operativ verbunden ist und das zur Ausstrahlung des Sendesignals ausgebildet ist, wobei das Antennenmittel (6, 21, 22) weiterhin ausgebildet ist, um das reflektierte Sendesignal von einem oder mehreren Zielen (Gi, G2) zu empfangen; und
Mittel (8, 9, 10, 11, 12, 13) zur Erfassung von mindestens einem Zwischenfrequenzsignal aus dem Empfangssignal des Antennenmittels (6, 21, 22), worin das Antennenmittel (6, 21, 22) zwei frequenzgeschwenkte Antennen (21, 22) umfasst, wobei die erste Antenne (21) ein breites Strahlungsdiagramm zur guten Entfernungsauflösung hat und die zweite Antenne (22) eine schmale Strahlungskeule zur guten Winkelauflösung hat .
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, worin ein schmalbandiger Bandpassfilter (25) der ersten Antenne (21) und ein breitbandi- ger Bandpassfilter (26) der zweiten Antenne (22) nachgeschaltet ist .
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, die weiterhin steuerbare elektronische Schalter (23, 24) umfasst, um einen sequenziellen Betrieb der ersten (21) und zweiten (22) Antenne zu gestatten.
27. Vorrichtung zur Erstellung eines Radarbildes mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichradar, die folgendes umfasst: ein Rampengeneratormittel (1) zur Erzeugung eines Sende- Signals mit mindestens zwei Frequenzrampen mit jeweils unterschiedlichen Rampensteilheiten; mindestens ein frequenzgeschwenktes Antennenmittel (6, 21, 22) , das mit dem Rampengeneratormittel (1) operativ verbunden ist und das zur Ausstrahlung des Sendesignals ausgebildet ist, wobei das Antennenmittel (6, 21, 22) weiterhin ausgebildet ist, um das reflektierte Sendesignal von einem oder mehreren Zielen (Gi, G2) zu empfangen;
Mittel (8, 9, 10, 11, 12, 13) zur Erfassung von mindestens einem Zwischenfrequenzsignal aus dem Empfangssignal des Antennenmittels (6, 21, 22) ; und eine Verzögerungsleitung (34) zur Verzögerung des Zwischenfrequenzsignals .
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, worin die elektrische Länge der Verzögerungsleitung (34) mindestens dem doppelten minimalen Zielabstand der Vorrichtung ohne Verzögerungsleitung
(34) entspricht.
29. Die Erfindung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1- 28, worin weiterhin Mittel bereitgestellt werden, um die Rampensteilheit veränderlich einzustellen.
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