WO2004053523A1 - Mehrzielfähiges verfahren und mehrzielfähige sensorvorrichtung für die abstands- und winkelortung von zielobjekten im nahbereich - Google Patents

Mehrzielfähiges verfahren und mehrzielfähige sensorvorrichtung für die abstands- und winkelortung von zielobjekten im nahbereich Download PDF

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WO2004053523A1
WO2004053523A1 PCT/EP2003/013546 EP0313546W WO2004053523A1 WO 2004053523 A1 WO2004053523 A1 WO 2004053523A1 EP 0313546 W EP0313546 W EP 0313546W WO 2004053523 A1 WO2004053523 A1 WO 2004053523A1
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characteristic signal
sensor
target objects
receiving antennas
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Stefan Lindenmeier
Johann-Friedrich Luy
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    • G01S13/878—Combination of several spaced transmitters or receivers of known location for determining the position of a transponder or a reflector

Definitions

  • Multi-target method and multi-target sensor device for the distance and angular location of target objects in the vicinity
  • the present invention relates generally to a multi-target method and a multi-target sensor device for the distance and angular location of target objects in the close range. More specifically, the present invention relates to a multi-purpose radar sensor device for the distance and angular location of targets in close range and a method for operating such a multi-purpose radar sensor device.
  • the position determination of target objects can be carried out using conventional radar technology, among other things.
  • the distance and direction (angle) of a target object to be detected should be determined.
  • To determine the direction of a narrow beam lobe is pivoted a radar ge ⁇ .
  • antennas or antenna groups with a high directivity are required, the dimensions of which are a multiple of the wavelength of the radar.
  • the radar described above is disadvantageous in that it is relatively expensive and requires a large amount of space due to large antenna apertures.
  • radar sensors for determining the position of a target object have been developed in the prior art, which provide an angular information via triangulation.
  • Ghost targets mean that after detecting the distances of several targets on several sensor elements, there are several solutions for how the individual distance values can be combined with one another in order to infer the position of the target objects.
  • FIG. 1 Such a problem of ghost target detection can be seen from FIG. 1, in which the ambiguous evaluation of the distance information which is present on the sensor elements is shown in the event that two sensor elements 1 and 2 are used.
  • the ghost targets lie at the intersection points of the arcs, which are drawn from the sensor elements 1 and 2 (as the center point) by the respective target objects to be detected.
  • the target objects are doubled.
  • the multi-target radar according to the invention for specifying the distance and direction of a plurality of target objects comprises at least one sensor element which emits a characteristic signal (e.g.
  • each sensor element of this type is therefore multi-targetable, provided that only one target object is contained in each distance range.
  • two or more sensor elements according to the invention in order to obtain clear angular statements for all target objects without exception, two or more sensor elements according to the invention can be used, which are attached at a distance from one another which is greater than the distance resolution of the sensor elements.
  • the sensor device is thus fully multi-target, since the restriction that each target object is at a different distance from the sensor element always applies to two sensor elements. Only a few sensor elements are required, which are simply constructed, since neither mechanical swiveling, nor antennas with a large aperture, nor many receivers are necessary.
  • all signal paths between their transmitters and receivers can be used with one another, as a result of which a multiplicity of reflection points trace the target object contours. This allows particularly advantageously that not only direction and distance, but also the spatial shape of target objects or objects is recognized.
  • the beam lobes of the transmission antennas can also be pivoted in order to further increase the uniqueness. You can send and receive with different antenna lobes one after the other. For example, a maximum and a zero can alternately be aimed at the target objects.
  • FIG. 2 shows a sensor element for determining the angle of incidence for a single target object according to the invention
  • FIG. 3 shows the superimposition of the waves from two different directions in a sensor element from FIG. 2;
  • FIG. 4A shows a sensor element according to the invention with a pulse generator for determining the angle of incidence in the case of a target object or a multiplicity of target objects;
  • 4B shows a sensor element according to the invention with a PN generator for determining the angle of incidence for a target object or a multiplicity of target objects;
  • 4C shows a signal response functions (eg impulse response) over the distance, the maxima of the signal response functions being at the locations of target object distances;
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the present invention with an arrangement of three sensor elements for detecting an extended object and a punctiform object
  • Fig. 6 shows another embodiment of the present invention with a plurality of sensor elements attached to a vehicle, which according to Table 1 in Transmit multiplex operated;
  • Tig. 7 the measurement of the angle to one or more line objects with the swiveling of a transmitting lobe with a maximum in the swiveling angle direction, the lobe of the receiving antenna being omnidirectional;
  • FIG. 10 shows the measurement of the angle to one or more line objects with the pivoting of a split transmitting lobe with a dip in the direction of the pivoting angle, the split lobe of the receiving antenna also being gradually pivoted.
  • a sensor element 10 for determining the angle of incidence ⁇ (direction) according to the invention in a single target object (not shown) is shown.
  • the sensor element 10 has a transmitting antenna 11 and at least two receiving antennas 1 and 2.
  • Each of the receiving antennas 1 and 2 is connected to a respective quadrature detector 21 and 22 which detects the respective signals Ui and U 2 of the receiving antennas in-phase (I ) and quadrature (Q) signals demodulated.
  • the demodulated signals subjected to an A / D conversion in the respective converters 31 and 31 and fed via the bus 40 to the processing unit 50, in which the angle of incidence ⁇ of the wave reflected by the single target object is calculated on the basis of the phase difference between the receiving antennas based on the following formula:
  • FIG. 3 illustrates the superimposition of the waves from two different directions on a single sensor element, which is constructed according to FIG. 2.
  • the determination of the direction of the target objects is carried out by the additional measurement of
  • the arrangement according to the invention consists of a sensor element 10 which detects the distances of several (not shown) target objects via the running time measurement and for each detected distance a ⁇ _ and a 2 separately detects the phase difference between two adjacent receiving antennas 1 and 2, from which then one assigned to each distance
  • Angular statement ⁇ _ and 0. 2 is calculated. Ambiguous angle statements are only possible in cases where two or more target objects are at the same distance from one sensor element.
  • a signal which changes over time is transmitted to the environment by a pulse generator 60 or a PN generator 60 'via the transmission antenna 11 and is scattered back at a number of target objects.
  • the backscattered signal is received and according to amount and phase in the baseband by the circuit shown analog to the circuit 2 transported.
  • a complex signal response function is formed over the distance, the phase of the complex function values corresponding to the phase of the received signal.
  • the impulse response in the case of a pulse radar or the correlation function in the case of a PN (pseudo-noise code) radar results in a response function over the distance from the sensor, which has maxima at those distances from those in which there are reflection points, ie target objects.
  • the correlation preferably takes place via a predetermined delay, which is provided via the respective programmable delay elements 61.
  • the phase of the signal backscattered from the respective target object can be read from each of the maxima, since the phase has been transported through to the baseband. If one now compares the two response functions generated in the two reception paths, the phase difference ⁇ of the signals backscattered from this target object can be determined for each target object, that is to say for each maximum. This phase difference is also present between the receiving antennas.
  • Maxima at which the phase differences ⁇ i and ⁇ 2 of the reflected signals of the target objects 1 and 2 are determined, can be seen from FIG. 4C, in which the signal response functions are shown by way of example using the impulse response as the distance. As already explained above, the maxima are located at the target object distances.
  • the response function on the first reception path to and from the first target object is shown with a solid line.
  • the response function on the second reception path to and from the second target object is shown with a dashed line.
  • the maxima coincide with two target objects located at the same or approximately the same distance from the one sensor element, so that no clear detection of the angles of incidence ⁇ ] _ and ⁇ is possible.
  • FIG. 5 shows the detection of the contour line of an extended target object (eg bumper) and a “point-shaped” target object (eg lamppost) with three networked sensor elements 10, 10 'and 10 ".
  • each sensor element 10, 10 'and 10 is necessary in order to obtain clear statements about the position of the scattering points and is carried out analogously to the above-described embodiments of the invention.
  • the use of a plurality of sensor elements 10, 10' and 10" different viewpoints means that no incorrect angle information is created if several scattering points are at the same distance from a sensor element.
  • at least the number of scatter points which is also the number of sensor elements, can be detected on extended target objects (such as, for example, bumpers).
  • extended target objects such as, for example, bumpers
  • the networking of all sensor elements via their radio link means that at least the number of scattering points is detected on extended target objects (such as bumpers), which is equal to the number of possible pair combinations between all sensor elements, as in 5.
  • Another target such as B. a lamppost can be detected by the sensors at the same time.
  • the evaluation of the measurement results of the networked sensor elements takes place via a suitable programming of the processing unit, which receives the phase and distance information from each of the sensor elements, and the z. B. in the event of ambiguity (no distance between the detected maxima), the unusable information is filtered out and only the information of the conveniently located sensor element is evaluated.
  • these can transmit and receive past one another simultaneously in the form of PN code sensors, or in time division multiplexing, as described in Table 1 below by way of example.
  • the sensor elements A to H in Table 1 operated in time division multiplex can be attached to a vehicle as shown in FIG. 6 in order to cover all relevant detection directions.
  • FIGS. 7 to 10 Another embodiment of angle detection with small antenna groups will now be described with reference to FIGS. 7 to 10. Different forms of beam swiveling and the application of the principle of intelligent antennas are used for location from different points of view.
  • Subgroup can be controlled separately according to amplitude and phase, antenna beams of different types can be generated and swiveled.
  • the variety of possible antenna lobes means that the angular resolution of the system becomes higher by successively pivoting several types of transmitting antenna lobes and simultaneously pivoting the receiving lobes. So you can use four degrees of freedom to vary the type of angle measurement:
  • Shape of the transmitting antenna lobe (e.g. with maximum or with a dip in the direction of the swivel angle)
  • a fifth degree of freedom can be seen as the presence of further synchronized sensor elements which can transmit simultaneously in any combination.
  • the different spatial positions of the sensor elements are also used to increase the variability of the measurements.
  • a transmitting lobe is pivoted with a maximum in the direction of the pivot angle, the lobe of the receiving antenna being omnidirectional.
  • Measurement 1 produces maxima in the transmission or at least higher transmission values for those swivel angles ⁇ , which are aimed at target objects or scatter points on target objects.
  • Panning angles ⁇ which are aimed at target objects or scattering points on target objects, are now, as expected, minima. Since the interference effects due to the overlapping of the backscatter of other target objects are different in this measurement than in measurement 1, the influence of the interference effects on the
  • Measurement accuracy can be reduced if the results of measurement 1 and measurement 2 are processed together.
  • a target object is therefore preferably in the direction ⁇ if measurement 1 simultaneously indicates an increased value and measurement 2 shows a minimum.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrzielfähiges Verfahren für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich, das folgendes umfasst: a) Senden eines charakteristischen Signals mittels einer Sendeantenne (11) eines ersten Sensorelements (10); b) Empfangen des reflektierten charakteristischen Signals an mindestens zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10); c) Messung der Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zu den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) zur Bestimmung der Abstände der Zielobjekte zum ersten Sensorelement (10); und d) Messung der Phasenunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zwischen den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) zur Bestimmung der Winkel der Zielobjekte zum ersten Sensorelement (10). Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung, die das obige Verfahren implementiert.

Description

Mehrzielfähiges Verfahren und mehrzielfähige Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein mehrziel- fähiges Verfahren und eine mehrzielfähige Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich. Spezieller erläutert, betrifft die vorliegende Erfindung eine mehrzielf hige Radar-Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen mehrzielf higen Radar-Sensorvorrichtung .
Stand der Technik
Die Positionsbestimmung von Zielobjekten, deren Abstand gegenüber den Abmessungen einer Messeinrichtung groß ist, kann unter anderem mit herkömmlicher Radartechnik durchgeführt werden. Dabei soll Abstand und Richtung (Winkel) eines zu erfassenden Zielobjekts bestimmt werden. Zur Bestimmung der Richtung wird eine schmale Strahlkeule eines Radars ge¬ schwenkt. Für die Erzeugung der schmalen Strahlkeule sind Antennen oder Antennengruppen mit hoher Richtwirkung vonnö- ten, deren Abmessungen ein Vielfaches der Wellenlänge des Radars betragen. Das vorstehend geschilderte Radar ist insofern nachteilig, da es relativ teuer ist und einen hohen Bauraumbedarf aufgrund großer Antennenaperturen hat.
Alternativ dazu wurden im Stand der Technik Radar-Sensoren für die Bestimmung der Position eines Zielobjekts entwickelt, welche über Triangulation eine Winkelaussage liefern.
Um jedoch eindeutige Winkelaussagen zu bekommen, ist es nö- tig, deutlich mehr als zwei Sensorelemente in verschiedenen Abständen anzubringen, um Geisterziele zu vermeiden. Geisterziele bedeuten, dass es nach der Detektion der Abstände mehrerer Ziele an mehreren Sensorelementen mehrere Lösungen gibt, wie die einzelnen Abstandswerte miteinander kombiniert werden können, um auf die Lage der Zielobjekte zu schließen.
Ein derartiges Problem der Geisterziel -Detektion ist aus der Fig. 1 ersichtlich, in der die mehrdeutige Auswertung der Abstandsinformationen, welche an den Sensorelementen vorlie- gen, gezeigt wird, für den Fall, dass zwei Sensorelemente 1 und 2 eingesetzt werden. Die Geisterziele liegen an den Schnittpunkten der Kreisbögen, die durch die jeweiligen zu erfassenden Zielobjekte von den Sensorelementen 1 und 2 aus (als Mittelpunkt) gezeichnet werden. Somit erfolgt gemäß dem Beispiel der Fig. 1 eine Verdopplung der Zielobjekte.
Darüber hinaus hat sich bei der Triangulation als nachteilig erwiesen, dass bei großem Abstand der Zielobjekte gegenüber dem Abstand der Sensorelemente die Winkelauflösung extrem ungenau wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile der Triangulation zu vermeiden und ein mehrziel- fähiges Verfahren und eine mehrzielfähige Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich zur Verfügung zu Stellen, bei dem bzw. der die Gefahr der Geisterzielerfassung nicht besteht.
Dieses Problem sowie weitere der nachstehenden Beschreibung zu entnehmenden Probleme werden durch ein mehrzielfähiges Verfahren und eine mehrzielfähige Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich gemäß den anliegenden Ansprüchen gelöst.
Das erfindungsgemäße mehrzielfähige Radar für die Angabe von Abstand und Richtung mehrerer Zielobjekte umfasst mindestens ein Sensorelement, das ein charakteristisches Signal (z. B.
FMCW, Impuls oder Pseudo-Noise) ausstrahlt, wobei das charakteristische Signal nach Reflexion an den zu ortenden Zielobjekten an zwei oder mehreren Empfängern ausgewertet wird, deren Antennen zueinander benachbart sind. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen den Antennen im Bereich der Wellenlängen der Sensorelemente . In der Auswertung werden die Abstände der Zielobjekte konventionell gewonnen, wobei jedem gemessenen Zielobjekt-Abstand nun ein Phasenunterschied zwischen den Signalen an den Empfängern und somit die Richtung der Zielob- jekte eindeutig zugeordnet werden kann. Jedes Sensorelement dieser Art ist somit trotz der kleinen Antennengruppe von zwei oder mehr Antennen mehrzielfähig, sofern in jedem Abstandsbereich nur ein Zielobjekt enthalten ist.
Nach einem weiteren besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung können, um für alle Zielobjekte ausnahmslos eindeutige Winkelaussagen zu bekommen, zwei oder mehrere erfindungsgemäße Sensorelemente eingesetzt werden, welche in einem Abstand voneinander angebracht werden, welcher größer ist als die Abstandsauflösung der Sensorelemente. Damit ist die Sensorvorrichtung komplett mehrzielfähig, da die Einschränkung, dass jedes Zielobjekt einen anderen Abstand zum Sensorelement besitzt, immer für zwei Sensorelemente gilt. Es sind nur wenige, Sensorelemente nötig, welche einfach aufgebaut sind, da weder mechanische Schwenkung, noch Antennen mit großer Apertur, noch viele Empfänger notwendig sind.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können bei der Verwendung mehrerer Sensorelemente alle Signalpfade zwischen deren Sendern und Empfängern untereinander genutzt werden, wodurch eine Vielzahl von Reflexionspunkten die Zielobjektkonturen nachzeichnet. Dieses erlaubt besonders vorteilhaft, dass nicht nur Richtung und Abstand sondern auch die räumliche Form von Zielobjekten oder Gegenständen erkannt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zusätzlich auch die Strahlkeulen der Sendeantennen geschwenkt werden, um die Eindeutigkeit weiter zu erhöhen. Dabei kann nacheinander mit verschiedenen Antennenkeulen gesendet und empfangen werden. Z. B. kann abwechselnd mit einem Maximum und einer Nullstelle auf die Zielobjekte gezielt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie der Aufbau und die Wirkungsweise verschiedener Ausführungsformen 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 um es einem Fachmann auf dem betreffenden technischen Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung zu implementieren und sie zu verwenden. Dabei zeigen:
Fig. 1 das Problem der Geisterziel -Detektion bei einem Verfahren aus dem Stand der Technik, das die Triangulation zur Erfassung der Richtung eines Objektziels einsetzt ;
Fig. 2 ein Sensorelement zur erfindungsgemäßen Bestimmung des Einfallswinkels bei einem einzigen Zielobjekt;
Fig. 3 die Überlagerung der Wellen aus zwei verschiedenen Richtungen bei einem Sensorelement der Fig. 2 ;
Fig. 4A ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit einem Impulsgenerator zur Bestimmung des Einfallswinkels bei einem Zielobjekt oder einer Vielzahl von Zielobjekten;
Fig. 4B ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit einem PN-Generator zur Bestimmung des Einfallswinkels bei einem Zielobjekt oder einer Vielzahl von Zielobjekten;
Fig. 4C eine Signal -Antwortfunktionen (z. B. Impulsantwort) über dem Abstand, wobei die Maxima der Signal- Antwortfunktionen an den Stellen von Zielobjekt-Ab- ständen liegen;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Anordnung von drei Sensorelementen zu Erkennung eines ausgedehnten Objekts und eines punktförmigen Objekts;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Vielzahl von an einem Fahrzeug angebrachten Sensorelementen, die gemäß der Tabelle 1 im Sendemultiplex betrieben werden;
Tig. 7 die Messung des Winkels zu einem oder mehreren Zeilobjekten mit der Schwenkung einer Sendekeule mit Maximum in Schwenkwinkel-Richtung, wobei die Keule der Empfangsantenne omnidirektional ist;
Fig. 8 die Messung des Winkels zu einem oder mehreren Zeilobjekten mit der Schwenkung einer gespaltenen Sendekeule mit Einbruch in Schwenkwinkel -Richtung, wobei die Keule der Empfangsantenne omnidirektional ist;
Fig. 9 die Messung des Winkels zu einem oder mehreren Zeilobjekten mit der Schwenkung einer Sendekeule mit Maximum in Schwenkwinkel -Richtung, wobei die Keule der Empfangsantenne schrittweise ebenfalls geschwenkt wird; und
Fig. 10 die Messung des Winkels zu einem oder mehreren Zeilobjekten mit der Schwenkung einer gespaltenen Sende- keule mit Einbruch in Schwenkwinkel -Richtung, wobei die gespaltene Keule der Empfangsantenne schrittweise ebenfalls geschwenkt wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 wird ein Sensorelement 10 zur erfindungsgemäßen Bestimmung des Einfallswinkels φ (Richtung) bei einem (nicht gezeigten) einzigen Zielobjekt gezeigt. Das Sensorelement 10 verfügt über eine Sendeantenne 11 und min- destens zwei Empfangsantennen 1 und 2. Jede der Empfangsantennen 1 und 2 ist mit einem jeweiligen Quadraturdetektor 21 und 22 verbunden, der die jeweiligen Signale Ui und U2 der Empfangsantennen in In- Phase (I) und Quadratur (Q) Signale demoduliert. Anschließend werden die demodulierten Signale einer A/D-Wandlung in den jeweiligen Wandlern 31 und 31 unterzogen und über den Bus 40 der Verarbeitungseinheit 50 zugeführt, in der die Berechnung des Einfallswinkels φ der von dem einzigen Zielobjekt reflektierten Welle anhand des Phasenunterschieds zwischen den Empfangsantennen aufgrund der nachstehenden Formel erfolgt :
2 ' . u, u, sin φ = —arctan π ",+--._.
Weitere Einzelheiten zur Demodulation mit Quadraturdetektor sind den Fachleuten geläufig, wie aus der US-6 184 830 (Owens) oder US-5 541 608 (Murphy) ersichtlich, und werden daher hier nicht wiederholt .
Sind mehrere Zielobjekte zu detektieren, so kann allein mit zwei Empfangsantennen nach dem obigen Prinzip und obiger Formel keine eindeutige Winkelaussage mehr getroffen werden. In der Fig. 3 ist diese Problematik dargestellt, die die Überlagerung der Wellen aus zwei verschiedenen Richtungen an einem einzigen Sensorenelement, das gemäß der Fig. 2 aufgebaut ist, verdeutlicht.
Aus der Überlagerung der Wellen, welche von Zielobjekt 1 und 2 reflektiert wurden, ergibt sich aus dem Phasenunterschied zwischen den benachbarten Empfangsantennen ein Winkel, welcher sich aus dem Mittelwert der gewichteten Einfallswinkel C-i und 0.2 errechnet. Die Einfallswinkel αx und 0.2 können nicht mehr einzeln aus dieser Information gewonnen werden. Um diese Einfallswinkel getrennt auflösen zu können, ist eine weitere Empfangsantenne vonnöten. Die Anzahl der auflösbaren Winkelbereiche, also die Winkelauflösung, wird durch die Anzahl der Empfangsantennen bestimmt. Für ein mehrzielfähiges Radar-System muss daher eine Gruppenantenne mit sehr schmaler schwenkbarer Keule verwendet werden, wenn eine mechanisch schwenkbare Antenne vermieden werden soll. Die Apertur der Gruppenantenne ist folglich groß gegenüber der Wellenlänge und die Schaltung entsprechend teuer, da für jede Empfangs- antenne ein eigener Empfänger oder ein HF-Schalter nötig sind.
In der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Bestimmung der Richtung der Zielobjekte durch die zusätzliche Messung von
Laufzeitunterschieden zwischen benachbarten Empfangsantennen in kleinen Antennenarrays ermittelt.
Wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt, die jeweils Ausführungs- formen der Erfindung mit Impuls- und PN-Generator zeigen, besteht die erfindungsgemäße Anordnung aus einem Sensorelement 10, welches die Abstände mehrerer (nicht gezeigter) Zielobjekte über die LaufZeitmessung detektiert und für jeden detektierten Abstand aι_ und a2 getrennt den Phasenunterschied zwischen zwei benachbarten Empfangsantennen 1 und 2 erfasst, aus dem dann jeweils für jeden Abstand eine ihm zugeordnete
Winkelaussage ατ_ und 0.2 errechnet wird. Uneindeutige Winkel - aussagen sind nur noch in den Fällen möglich, in denen zwei oder mehrere Zielobjekte zu dem einen Sensorelement den selben Abstand haben.
Sendeseitig wird ein zeitlich veränderliches Signal durch einen Impuls -Generator 60 bzw. einen PN-Generator 60' über die Sendeantenne 11 an die Umgebung gesendet und an mehreren Zielobjekten zurückgestreut. An den im Abstand von z. B. vorzugsweise einer halben Wellenlänge voneinander positionierten Empfangsantennen 1 und 2 wird das zurückgestreute Signal jeweils empfangen und nach Betrag und Phase in das Basisband durch die gezeigte Schaltung analog zur Schaltung der Fig. 2 transportiert. In jedem der beiden Empfangspfade wird eine komplexe Signal -Antwortfunktion über dem Abstand gebildet, wobei die Phase der komplexen Funktionswerte der Phase des empfangenen Signals entspricht. So ergibt sich beispielsweise aus der Impulsantwort im Falle eines Impulsradars bzw. aus der Korrelationsfunktion im Falle eines PN- (Pseudo-Noise-Code) -Radars jeweils eine Antwortfunktion über dem Abstand vom Sensor, welche in jenen Abständen zum Sensor Maxima aufweist, in denen sich Reflexionspunkte, also Zielob- jekte befinden. Vorzugsweise erfolgt die Korrelation über eine vorgegebene Verzögerung, die über die jeweiligen programmierbaren Delay-Ele ente 61 bereitgestellt wird. An jedem der Maxima kann die Phase des vom jeweiligen Zielobjekt rückgestreuten Signals abgelesen werden, da die Phase bis in das Basisband durchtransportiert wurde. Vergleicht man nun die beiden in den zwei Empfangspfaden erzeugten Antwortfunktionen, so kann für jedes Zielobjekt, also für jedes Maximum, der Phasenunterschied Δφ der jeweils von diesem Zielobjekt rückgestreuten Signale ermittelt werden. Dieser Phasenunter- schied ist auch zwischen den Empfangsantennen vorhanden. Die
Maxima, an denen die Phasenunterschiede Δφi und Δφ2 der reflektierten Signale der Zielobjekte 1 und 2 ermittelt werden, sind aus der Fig. 4C ersichtlich, in der exemplarisch anhand der Impulsantwort die Signal -Antwortfunktionen über dem Ab- stand dargestellt werden. Die Maxima befinden sich, wie bereits vorstehend erläutert, an der Stelle von Zielobjekt- Abständen. Die Antwortfunktion am ersten Empfangspfad zum und vom ersten Zielobjekt wird mit einer durchgehenden Linie dargestellt. Die Antwortfunktion am zweiten Empfangspfad zum und vom zweiten Zielobjekt wird mit einer gestrichelten Linie dargestellt .
Aus dem Phasenunterschied zwischen den an den beiden Empfangsantennen vorhandenen Signalen kann nun für jedes Ziel- Objekt getrennt auf den jeweiligen Einstrahlwinkel αι_ und cc nach dem Prinzip retrodirektiver Arrays geschlossen werden.
Befindet sich z. B. ein Zielobjekt im Winkel ot]_ und ein weiteres Zielobjekt im Winkel 2 zu den benachbarten Empfangsantennen 1 und 2, so kann der Einfallswinkel ^ und 0-2 der von dem Zielobjekt reflektierten Welle jeweils aus dem Phasenunterschied zwischen den Empfangsantennen errechnet werden mit den jeweiligen Formeln:
Wie unter anderem aus der Fig. 4C verständlich, fallen die Maxima bei zwei im gleichen oder im annähernd gleichen Abstand zum dem einen Sensorelement befindlichen Zielobjekten zusammen, so dass keine eindeutige Detektion der Einfallswinkel α]_ und α möglich ist.
Erfindungsgemäß wird in diesem Fall der Einsatz von zwei oder mehreren Sensorelementen, welche an verschiedenen Standpunkten angebracht werden, vorgeschlagen. Dieses erzeugt dann die Eindeutigkeit, da zwei oder mehrere Objektziele, die zu einem der Sensorelemente den gleichen Abstand haben, zu dem anderen Sensorelement bzw. den anderen Sensorelementen jeweils einen
sinα, =
Figure imgf000012_0001
2 sin or, = — arctan π verschiedenen Abstand haben müssen. Kann also der Winkel von zwei Zielobjekten an einem Sensorelement nicht erfasst werden, da die Zielobjekte in der selben Abstandszelle liegen, so kann die Lage der Zielobjekte in jedem der weiteren Sen- sorelemente bestimmt werden, da die Zielobjekte bezüglich dieser Sensorelemente in verschiedenen Abstandszellen liegen. Grundsätzlich sind zwei Sensorelemente ausreichend, um auf diese Weise die Positionen aller Zielobjekte zu orten. Weitere Sensorelemente können jedoch zur Erhöhung der Genauig- keit und Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereiches dienen und stellen darüber hinaus vorteilhaft eine Sicherung dar, falls an einem der Sensorelemente kein oder ungenügender Empfang herrscht .
Fig. 5 zeigt die Erkennung der Konturlinie eines ausgedehnten Zielobjektes (z. B. Stoßstange) und eines "punktförmigen" Zielobjektes (z. B. Laternenmast) mit drei vernetzten Sensorelementen 10, 10' und 10".
Die Winkelerkennung in jedem Sensorelement 10, 10' und 10" ist nötig, um eine eindeutige Aussagen über die Lage der Streupunkte zu erhalten und erfolgt analog zu den vorstehend geschilderten Ausführungsformen der Erfindung. Der Einsatz von mehreren Sensorelementen 10, 10' und 10" an verschiedenen Standpunkten bewirkt, dass keine falschen Winkelangaben entstehen, wenn mehrere Streupunkte den gleichen Abstand zu einem Sensorelement haben. Zudem können an ausgedehnten Ziel- objekten (wie z. B. Stoßstangen) mindestens die Anzahl von Streupunkten detektiert werden, die auch die Anzahl der Sen- sorelemente ist. Die Vernetzung aller Sensorelemente über deren Funkstrecke bewirkt, dass an ausgedehnten Zielobjekten (wie z. B. Stoßstangen) mindestens die Anzahl von Streupunkten detektiert werden, die gleich der Anzahl der möglichen Paar-Kombinationen zwischen allen Sensorelementen ist, wie in der Fig. 5 gezeigt. Auch ein weiteres Zielobjekt wie z. B. ein Laternenmast kann von den Sensoren gleichzeitig detektiert werden.
Die Auswertung der Messergebnisse der vernetzten Sensorelementen erfolgt über eine geeignete Programmierung der Verarbeitungseinheit, die die Phasen- und Abstandsinformation von jedem der Sensorelemente erhält, und die z. B. bei Uneindeu- tigkeit (kein Abstand zwischen den erfassten Maxima) die unverwertbare Information herausfiltert und nur die Information des günstig liegenden Sensorenelements auswertet.
Bei der Ausführungsform der Fig. 5 mit einer Vielzahl von Sensorelementen können diese in Form von PN-Code-Sensoren gleichzeitig aneinander vorbei senden und empfangen, oder im Zeitmultiplex, wie in der folgenden beispielhaft beschrieben Tabelle 1.
Tabelle 1
0.1ms 02ms Erkennung von Körpern
1 Sequenz durch Radarbetrieb
08ms 0.9ms Erkennung der Sensoren
Figure imgf000014_0002
Figure imgf000014_0003
anderer Fahrzeuge
Figure imgf000014_0001
Die im Zeitmultiplex betriebenen Sensorelemente A bis H der Tabelle 1 können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie in der Fig. 6 gezeigt an einem Fahrzeug angebracht werden, um alle relevanten Detektionsrichtungen abzu- decken.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die Figuren 7 bis 10 eine weitere Ausführungsform der Winkelerkennung mit kleinen Antennengruppen beschrieben. Dabei werden verschiedene Formen der StrahlSchwenkung und die Anwendung des Prinzips intelligenter Antennen auf die Ortung von verschiedenen Standpunkten aus eingesetzt.
Ist auch in Senderichtung eine kleine Gruppe von Sendean- tennen vorhanden, wobei jede Antenne oder zumindest jede
Untergruppe jeweils getrennt nach Amplitude und Phase angesteuert werden kann, so können Antennenkeulen verschiedener Art erzeugt und geschwenkt werden. Die Vielfalt der möglichen Antennenkeulen führt dazu, dass die Winkelauflösung des Sy- stems höher wird, indem nacheinander mehrere Arten von Sende- Antennenkeulen geschwenkt werden und gleichzeitig die Empfangskeulen geschwenkt werden. Man kann also vier Freiheitsgrade nutzen, um die Art der Winkelmessung zu variieren:
1. Form der Sende-Antennenkeule (z. B. mit Maximum oder mit Einbruch in Richtung des Schwenkwinkels)
2. Form der Empfangs-Antennenkeule ,
3. Schwenkwinkel der Sende-Antennenkeule, und
4. Schwenkwinkel der Empfangs-Antennenkeule .
Diese vier Freiheitsgrade sind unabhängig voneinander. Variiert man die Winkelmessung nach allen vier Freiheitsgraden nacheinander, so erhöht sich die Genauigkeit der Winkelaussage um ein vielfaches im Vergleich zu einer Winkelmessung, die nur durch die Schwenkung einer einzigen Keulenart zustande kommt. Als ein fünfter Freiheitsgrad kann das Vorhandensein weiterer synchronisierter Sensorelemente gesehen werden, die in beliebiger Kombination gleichzeitig senden können. Hier werden also auch die unterschiedlichen räumlichen Standpunkte der Sensorelemente für eine Steigerung der Variabilität der Messungen genützt.
Es ergibt sich somit eine Vielfalt verschiedener Winkelmes- sungen, die in Summe eine weitaus höhere Aussagekraft bezüglich Mehrzielfähigkeit und Genauigkeit besitzen als in einer einzigen konventionellen Winkelmessung. Einige exemplarische Anordnungen, die Variationen der Erfindung anhand der vorstehenden vier Freiheitsgrade verdeutlichen, wird in dem nachstehenden Beispiel erläutert.
Beispiel: Anordnung mit Sendeantenne A und Empfangsantenne B: Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 wird mit einer Antennenkeule, deren Maximum in Richtung des Schwenkwinkels α liegt, zuerst eine grobe Winkelabtastung vorgenommen, deren Auflösung durch die Breite der Antennenkeule gering ist . Für die Verbesserung der Auflösung in dieser Messung könnte nur durch die Verwendung größerer Arrays die Breite der Antennenkeule verkleinert werden. Um große Arrays zu ersparen, wird hier nacheinander die Art der Messungen anhand der vorstehenden vier Freiheitsgrade variiert.
In der Messung 1 erfolgt, wie aus der Fig. 7 zu ersehen, die Schwenkung einer Sendekeule mit einem Maximum in Schwenkwin- kel-Richtung, wobei die Keule der Empfangsantenne omnidirektional ist.
In der Messung 1 entstehen Maxima in der Übertragung oder zumindest höhere Ubertragungswerte für jene Schwenkwinkel α, welche auf Zielobjekte oder Streupunkte auf Zielobjekten gerichtet sind .
In der nachfolgenden Messung 2 wird, wie in der Fig. 8 ge- zeigt, eine gespaltene Antennenkeule geschwenkt. An den
Schwenkwinkeln α, welche auf Zielobjekte bzw. Streupunkte auf Zielobjekten gerichtet sind, entstehen nun erwartungsgemäß Minima. Da die Störeffekte durch Überlagerung der Rückstreuungen anderer Zielobjekte bei dieser Messung anders sind als bei Messung 1, kann der Einfluss der Störeffekte auf die
Messgenauigkeit dann verkleinert werden, wenn man die Ergebnisse von Messung 1 und Messung 2 gemeinsam verarbeitet. Ein Zielobjekt befindet sich also bevorzugt in der Richtung α, wenn die Messung 1 einen erhöhten Wert und die Messung 2 gleichzeitig ein Minimum anzeigt.
Schwenkt man nun auch die Empfangskeule in verschiedenen Variationen, wie in den Figuren 9 und 10 gezeigt, so kann aus der Vielfalt der Messergebnisse auf die Richtungen der Ziel- Objekte mit großer Genauigkeit geschlossen werden. So z. B. Erfolgt in der Messung gemäß der Fig. 9 die Schwenkung einer Sendekeule mit Maximum in Schwenkwinkel-Richtung, wobei die Keule der Empfangsantenne schrittweise ebenfalls geschwenkt wird. In der Fig. 10 erfolgt die Messung 4 mit Schwenkung einer gespaltenen Sendekeule mit Einbruch in Schwenkwinkel- Richtung, wobei die gespaltene Keule der Empfangsantenne schrittweise ebenfalls geschwenkt wird.
Wenn Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Schutzumfangs solcher Elemente dar, die nur exemplarisch durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Mehrzielfähiges Verfahren für die Abstands- und Win- kelortung von Zielobjekten im Nahbereich, das folgendes umfasst,
a) Senden eines charakteristischen Signals mittels einer Sendeantenne (11) eines ersten Sensorelements (10) ; b) Empfangen des reflektierten charakteristischen
Signals an mindestens zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10); c) Messung der Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zu den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) zur Bestimmung der Abstände der Zielobjekte zum ersten Sensorelement (10) ; und d) Messung der Phasenunterschiede des reflektierten
charakteristischen Signals zwischen den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) zur Bestimmung der Winkel der Zielobjekte zum ersten Sensorelement (10) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, das die folgenden Schritte umfasst, die mittels mindestens eines weiteren Sensorelements (10', 10") durchgeführt werden, das vom ersten Sensorelement (10) beabstandet ist: e) Senden des charakteristischen Signals mittels einer Sendeantenne des zweiten Sensorelements (10', 10"); f) Empfangen des reflektierten charakteristischen Signals an mindestens zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10"); g) Messung der Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zu den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10") zur Bestimmung der Abstände der Zielobjekte zum zweiten Sensorelement (10', 10"); und h) Messung der Phasenunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zwischen den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10") zur Bestimmung der Winkel der Zielobjekte zum zweiten Sensorelement (10', 10") .
3. Verfahren nach Anspruch 2 , das die Durchführung der Schritte e) bis h) umfasst, für den Fall, dass die im ersten Sensorelement (10) gemessenen Laufzeitunterschiede annähernd oder gleich Null sind.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, wobei das charakteristische Signal ein FMCW-, Impuls- oder Pseudo-Noise-Signal ist.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, das weiterhin die Vernetzung einer Vielzahl von Sensorelementen (10, 10', 10") umfasst.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, das weiterhin einen oder mehrere der folgenden Schritte in beliebiger Reihenfolge umfasst:
Variieren der Form der Keule der Sendeantennen; Variieren der Form der Keule der Empfangsantennen, Variieren des Schwenkwinkels der Keule der Sendeanten nen, oder
Variieren des Schwenkwinkels der Keule der Empfangsan tennen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Variieren der Form der Keule mit einem Maximum oder mit einem Einbruch in Richtung des Schwenkwinkels erfolgt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-7, wobei der Abstand von zwei Sensorelementen größer ist als
Abstandsauflösung eines jeden der Sensorelements.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, wobei die Messung der Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals die Erfassung der Maxima der Signal-Antwortfunktionen des charakteristischen Signals umfasst und wobei die Messung der Phasenunterschiede an den jeweiligen Maxima erfolgt .
10. Mehrzielf hige Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich, die ein erstes Sensorelements (10) mit einer Sendeantenne (11) und mindestens zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) umfasst, wobei die Sendeantenne (11) des ersten Sensorelements (10) ausgebildet ist, um ein charakteristisches Signal zu senden; wobei die mindestens zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) ausgebildet sind, um das reflektierte charakteristische Signals zu empfangen; wobei die Sensorvorrichtung weiterhin Mittel (21, 22, 31, 32, 40, 50) umfasst, die ausgebildet sind, um die Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zu den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) zur Bestimmung der Abstände der Zielobjekte zum ersten Sensorelement (10) zu messen; und um die Phasenunterschiede des reflektierten charakte- ristischen Signals zwischen den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) zur Bestimmung der Winkel der Zielobjekte zum ersten Sensorelement (10) zu messen.
11. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, die mindestens ein weiteres Sensorelement (10', 10") umfasst, das vom ersten Sensorelement (10) beabstandet ist, wobei die Sendeantenne (11) des zweiten Sensorelements (10', 10") ausgebildet ist, um das charakteristisches Signal zu senden; wobei die mindestens zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10") ausgebildet sind, um das reflektierte charakteristische Signals zu empfangen; wobei die Mittel (21, 22, 31, 32, 40, 50) weiterhin ausgebildet sind, um die Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zwischen den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10") zur Bestimmung der Abstände der Zielobjekte zum zweiten Sensorelement (10', 10") zu messen; und um die Phasenunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zwischen den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10") zur Bestimmung der Winkel der Zielobjekte zum zweiten Sensorelement (10', 10") zu messen.
12. Sensorvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Mittel (21, 22, 31, 32, 40, 50) weiterhin ausgebildet sind, die Laufzeit- und Phasenunterschiede mittels des zweiten Sensorelements (10', 10") zu erfassen, falls die im ersten Sensorelement (10) gemessenen Laufzeitunterschiede annähernd oder gleich Null sind.
13. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10-12, wobei das charakteristische Signal ein FMCW- , Impuls- oder Pseudo-Noise-Signal ist.
14. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10-13, wobei eine Vielzahl von Sensorelementen (10, 10', 10") vernetzt ist.
15. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10-14, wobei die Sende- und/oder Empfangsantennen ausgebildet sind: die Form der Keule der Sendeantennen zu variieren; die Form der Keule der Empfangsantennen zu variieren, den Schwenkwinkel der Keule der Sendeantennen zu variieren, oder den Schwenkwinkel der Keule der Empfangsantennen zu variieren.
16. Sensorvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Variieren der Form der Keule mit einem Maximum oder mit einem Einbruch in Richtung des Schwenkwinkels erfolgt.
17. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11-16, wobei der Abstand von zwei Sensorelementen größer ist als die Abstandsauflösung eines jeden der Sensorelemente,
18. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11-17, wobei die Mittel (21, 22, 31A, 32, 40, 50) weiter hin ausgebildet sind, die Messung der Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals anhand der Maxima der Signal -Antwortfunktionen des charakteristischen Signals durchzuführen, wobei die Messung der Phasenunterschiede an den jeweiligen Maxima erfolgt.
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