DE102004034429A1 - Vehicle radar front end for detecting long, medium and short distances, has sequential-transmission antennas between two reception antennas supplying parallel signals to control and processing unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radar Front-End und insbesondere ein Radar Front-End für Automobilanwendungen, das sowohl für die Erfassung kurzer als auch mittlerer und/oder großer Entfernungen geeignet ist.The The present invention relates to a radar front-end and more particularly a radar front-end for automotive applications, that for both the detection of short as well as medium and / or long distances suitable is.
Aus dem Stand der Technik sind Anordnungen von 4 bis 6 über die gesamte Fahrzeugbreite (z. B. in der Stoßstange) verteilten eindimensional messenden Einfachsensoren bekannt, wie u. a. von KLOTZ, Michael in "An Automotive Short Range High Resolution Pulse Radar Network", Shaker Verlag, Aachen, 2002, WENGER, J.; SCHNEIDER, R. in "Automotive Radar Sensors", IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium (IMS), Automotive Radar Workshop, 2002, oder GRESHAM, I.; JENKINS, A.; EGRI, R.; ESWARAPPA, C.; KOLAK, F.; WOHLERT, R.; BENNETT, J.; LANTERI, J-P. in "Ultra Wide Band 24GHz Automotive Radar Front-End", in IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium (IMS) Digest Bd. 1, 2003, S. 369-372 beschrieben.Out In the prior art are arrangements of 4 to 6 on the entire vehicle width (eg in the bumper) distributed one-dimensionally measuring single sensors known as u. a. from KLOTZ, Michael in "An Automotive Short Range High Resolution Pulsed Radar Network ", Shaker Verlag, Aachen, 2002, WENGER, J .; SCHNEIDER, R. in "Automotive Radar Sensors ", IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium (IMS), Automotive Radar Workshop, 2002, or GRESHAM, I .; JENKINS, A .; EGRI, R .; ESWARAPPA, C .; Kolak, F .; WOHLERT, R .; BENNETT, J .; LANTERI, J-P. in "Ultra Wide Band 24GHz Automotive Radar Front-end ", in IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium (IMS) Digest Vol. 1, 2003, pp. 369-372 described.
Die zweidimensionale Abbildung erfolgt nach dem Prinzip der Multilateration aus den Entfernungsmessungen aller vorhandener Einzelsensoren und sie liefert relativ gute Abbildungseigenschaften bei Entfernungen in der Größenordnung des Sensorabstands.The Two-dimensional mapping is based on the principle of multilateration from the distance measurements of all existing individual sensors and they provides relatively good imaging properties at distances in of the order of magnitude the sensor distance.
Die obige Lösung ist jedoch insofern nachteilig, da die Winkelauflösung mit der Entfernung abnimmt und Mehrdeutigkeiten bei komplexen Zielszenarien entstehen. Darüber hinaus geht ein hoher Aufwand mit dem Einbau der zahlreichen Sensoren und deren Vernetzung einher. Die Einbaupositionen müssen auf wenige Millimeter genau bekannt sein. Da Winkel- und Entfernungsauflösung aus der zur Verfügung stehenden Bandbreite gewonnen werden, sind Kompromisse bezüglich Bandbreitenbedarf und Auflösung nötig.The above solution However, it is disadvantageous in that the angular resolution with the distance decreases and ambiguities in complex target scenarios arise. About that In addition, a lot of effort goes with the installation of numerous sensors and their networking. The installation positions must be on be known exactly a few millimeters. Because angle and distance resolution off the available bandwidth are compromised on bandwidth needs and resolution necessary.
Ein
weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist das Differenzkeulenverfahren. Dabei
wird die Winkelauflösung
durch vergleichende Auswertung der von Antennen mit unterschiedlichen Strahlungsdiagrammen
empfangenen Radarechos erzielt. Differenzkeulenverfahren finden
bereits jetzt Anwendung in automobilen Radarsensoren wie von OHSHIMA,
S.; ASANO, Y.; HARADA, T.; YAMADA, N.; USHUI, M.; HAYASHI, H.; WATANABE,
T.; IIZUKA, H. in "Phase-Comparison Monopulse
Radar with Switched Transmit Beams for Automotive Application", IEEE MTT-S Int.
Microwave Symposium (IMS) Digest Bd. 4, 1999, S. 1493-1496, von
ASANO, Y.; OHSHIMA, S. in
Das vorstehend beschriebene Differenzkeulenverfahren liefert schnell eine Abbildung bei paralleler Verarbeitung, wobei Beamforming zur optimalen Ausleuchtung eines definierten Sichtbereichs erforderlich ist, und hat somit eine große Reichweite durch hochbündelnde Antennenkeulen.The The differential lobe method described above provides fast an image in parallel processing, with beamforming to optimal illumination of a defined field of view required is, and thus has a big one Range through highly concentrated Antenna lobes.
Das Differenzkeulenverfahren weist jedoch auch Nachteile auf, wie z. B. der große Platzbedarf für Antennen und Speisenetzwerke oder die hohen Präzisionsanforderungen bei der Antennenrealisierung zur Erzielung definierter Strahlungskeulen. Darüber hinaus können Änderungen der Antennendiagramme (Schielfehler, Nebenkeulen) durch Verschmutzung und Temperatureffekte entstehen und Änderungen in der Einbauumgebung führen zu Abbildungsfehlern. Die Winkelauflösung von Objekten in der gleichen Entfernungszelle ist nicht möglich.The However, differential lobe method also has disadvantages such. B. the big one Space required for Antennas and feed networks or the high precision requirements of the Antenna realization for achieving defined radiation lobes. About that In addition, changes can be made the antenna diagrams (squint, side lobes) by pollution and temperature effects arise and changes in the installation environment to lead to aberrations. The angular resolution of objects in the same Removal cell is not possible.
Zusätzlich ist
von ASANO, Y.; HARADA, T. in
Zudem liegt der Schwerpunkt des vorstehend beschriebenen Standes der Technik in dem Abbildungsverfahren und die Probleme zur Realisierung von Radar Front-Ends werden gar nicht angesprochen.moreover is the focus of the prior art described above in the imaging process and the problems of realizing Radar front-ends are not addressed.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Radar Front-End zur Verfügung zu stellen, das eine gute Abbildungsfunktionalität in Verbindung mit einem relativ geringen Hardwareaufwand realisiert.Therefore it is an object of the present invention an improved Radar front-end available to provide a good mapping functionality in conjunction with a relative realized low hardware cost.
Im Rahmen der obigen Aufgabe soll ein Radar Front-End bereitgestellt werden, das den Bereich vor einem Fahrzeug insbesondere über wenige Fahrzeugbreiten und bis zu einer mittleren Entfernung (von z. B. mindestens 30 m) mittels Radar so gut abbildet, dass alle denkbaren Verkehrsteilnehmer und Hindernisse selbst in komplexen Szenarien eindeutig als Ziele erkannt und zweidimensional mit guter Auflösung lokalisiert werden können.Within the scope of the above problem, a Ra A front-end is provided which maps the area in front of a vehicle in particular over a few vehicle widths and up to an average distance (of eg at least 30 m) by means of radar so well that all conceivable road users and obstacles clearly even in complex scenarios can be recognized as targets and localized in two dimensions with good resolution.
Eine weitere besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Radar Front-Ends, das eine gute Abbildungsfunktionalität mit möglichst geringem Hardwareaufwand auf elektronischem Wege insbesondere ohne mechanisch bewegte Antennen realisiert.A Another particular object of the present invention is in the provision of a radar front-end that has a good mapping functionality as possible low hardware costs electronically especially without realized mechanically moving antennas.
Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Radar Front-Ends, das bewegte Ziele erkennt und hinsichtlich ihrer Relativgeschwindigkeit zum Sensor bewertet.A additional Object of the present invention is to provide a radar front-end that recognizes moving targets and in terms of evaluated their relative speed to the sensor.
Zusammenfassung der ErfindungSummary the invention
Diese und weitere der nachstehenden Beschreibung zu entnehmenden Aufgaben werden von einem Radar Front-End gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.These and further to be taken from the following description tasks are solved by a radar front-end according to claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are set forth in the dependent claims.
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 einem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. Dabei zeigt:Further Features and advantages of the present invention as well as the structure and the operation of various embodiments of the present invention The invention will be described below with reference to the accompanying drawings described. The accompanying drawings illustrate the present invention Invention and, together with the description, further serve the principles to explain the invention and to enable a person skilled in the field to to manufacture and use the invention. Showing:
Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung Unter Bezugnahme auf die
Nach einem vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Abstand der Antennenelemente (d.h. der Sende- und Empfangselemente) zur Vermeidung sekundärer Nebenmaxima im synthetischen Radarbild auf maximal die halbe Freiraumwellenlänge der Operationsfrequenz (≤λo/2) des Radar Front-Ends beschränkt.To In an advantageous aspect of the present invention, the distance the antenna elements (i.e., the transmitting and receiving elements) for avoidance secondary Nebenmaxima in the synthetic radar image to a maximum of half the free space wavelength of Operation frequency (≤λo / 2) of the Radar front-ends limited.
Weiter wird bevorzugt, dass alle Antennenelemente das gleiche Strahlungsdiagramm mit möglichst breitem Öffnungswinkel in der Horizontalen haben, so dass der gesamte horizontale Sichtbereich von jedem Einzelelement abgedeckt wird. In der Vertikalen wird bevorzugt, dass die Antennendiagramme der Antennenelemente eine mit den vertikalen Sensorabmessungen realisierbare Bündelung aufweisen.Further It is preferred that all antenna elements have the same radiation pattern with as possible wide opening angle in the horizontal, so that the entire horizontal field of view of each individual element is covered. In the vertical is preferred that the antenna patterns of the antenna elements one with the vertical Have sensor dimensions realizable bundling.
Die
beiden neben den Sendeelementen
Wie
in der
Weiterhin
unter Bezugnahme auf die
Auflösung in
Entfernungsrichtung kann bei dem Radar Front-End der
Die
digitale Signalverarbeitung der Ausgaben der jeweiligen Analog-Digital-Wandler
Zur
Steuerung der Aufnahmesequenz können
bevorzugt der Synthesizer
In
der
In
der Ausführungsform
der
In
der Ausführungsform
der
Die
obigen zwei Ausführungsformen
der Realisierung kohärenter
frequenzmodulierter Signalquellen sowie weitere, hier nicht erläuterte Signalquellen
sind aus dem Stand der Technik bekannt (siehe z. B. MUSCH, T.; SCHIEK,
B. "A High Precision Analog
Frequency-Ramp Generator Using a Phase-Locked-Loop Structure" in European Microwave Conference
(EUMC) Conferenee Proceedings, 1997, S. 62-68; MUSCH, T.; SCHULTE,
B.; SCHIEK, B. "A Fast
Heterodyne Network Analyzer Based on Precision Linear Frequency
Ramps" in European
Microwave Conference (EUMC) Conference Proceedings, 2001; METZ,
C.; GRUBERT, J.; HEYEN, J.; JACOB, A. F.; JANOT, S.; LISSEL, E.;
OBERSCHMIDT, G., STANGE, L. C. "Fully
integrated automotive radar sensor with versatile resolution" in IEEE Transactions on
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2560-2566; MAYER,
W.; WETZEL, M.; MENZEL, W "A
novel directimaging radar sensor with frequency scanned antenna" in IEEE MTT-S Int. Microwave
Symposium (IMS) Digest Bd. 3, 2003, S. 1941-1944; MAYER, W.; MEILCHEN,
M.; GRABHERR, W.; NÜCHTER,
P.; GÜHL,
R. "Eight-Channel 77
GHz Front-End Module With High-Performance Synthesized Signal Generator
for FM-CW Sensor Applications" IEEE
Transactions an Microwave Theory and Techniques 52 (2004), March,
Nr. 3, und
Eine
verbesserte Abbildung bei sehr kleinen Entfernungen und großen horizontalen
Ablagewinkeln kann mit der Schaltung der
Wie
aus der
Eine
abgesetzte Empfängerbaugruppe
Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Verbesserung
des Zieldynamikbereichs eines Radar Front-Ends erzielt werden, wie nachstehend
unter Bezugnahme auf die
Die
in Verbindung mit der Ausführungsform
In wirklichkeitsnahen Verkehrsszenarien sind sehr große Zieldynamikbereiche zu erwarten. So können sich z. B. die Rückstreuquerschnitte eines Kraftfahrzeugs und eines Fussgängers um den Faktor 100 unterscheiden. Amplitudenrauschen im Empfänger hat oft seine Ursache in der parasitären Einkopplung des Sende- oder Lokaloszillatorsignals in den Empfangspfad. Durch die enge Aneinanderreihung von Sende- und Empfangselementen und den notwendigen kompakten Aufbau ist diese Problematik in der hier beschriebenen Architektur zu erwarten.In Realistic traffic scenarios are very large target dynamic ranges expected. So can z. B. the Rückstreuquerschnitte of a motor vehicle and a pedestrian by a factor of 100. Amplitude noise in the receiver often has its cause in the parasitic coupling of the transmitting or local oscillator signal in the receive path. By the close Stringing of transmitting and receiving elements and the necessary compact structure, this problem is described in the here To expect architecture.
Zur
Lösung
dieses Problems können
erfindungsgemäß jeweilige
heterodyne Varianten des Radar Front-Ends mit hinsichtlich des Beitrags
des Amplitudenrauschens verbesserten Eigenschaften und damit höherem Zieldynamikbereich
bereitgestellt werden, wie in den
Insbesondere
wird in der
Das
Sendesignal und das Lokaloszillatorsignal können mit gleicher Frequenzmodulation
jedoch unterschiedlicher Absolutfrequenz erzeugt werden. Die Empfangsmischer
In
der
Im
Mikro- und Millimeterwellenbereich werden Signale häufig bei
tieferen Frequenzen erzeugt und durch ganzzahlige Frequenzvervielfachung
in den gewünschten
Frequenzbereich umgesetzt.
Unter
Bezugnahme auf die
Relativgeschwindigkeiten und Entfernungen bewegter Ziele werden bei einfachem FM-CW Radar üblicherweise durch Umkehren der Modulationssteigung d. h. durch dreieckförmige Frequenzmodulation aufgelöst. Es sind also (mindestens) zwei Frequenzrampen mit gegenläufiger Steilheit zur Trennung der Geschwindigkeits- und der Zielinformation eines Entfernungsscans nötig. In ähnlicher Weise gilt diese Aussage auch für Querauflösung und Zielgeschwindigkeit bezüglich der Schaltreihenfolge der Kombinationen aus Sende- und Empfangselementen. Werden anstelle von reellen Empfängern, komplexe Empfänger realisiert, so können die aus zwei nacheinander durchgeführten gegenläufigen Frequenzrampen oder Elementscans erhaltenen Informationen gleichzeitig mit jeweils einer Rampe bzw. mit einem Elementscan gewonnen werden. Die Zeit zur Aufnahme eines Radarbildes bei bewegten Szenarien kann damit auf die Hälfte reduziert werden.relative speeds and distances of moving targets become common with simple FM-CW radar by reversing the modulation slope d. H. resolved by triangular frequency modulation. There are So (at least) two frequency ramps with opposite slope for separation the speed and destination information of a range scan necessary. In similar Way, this statement also applies to transverse resolution and target speed with respect to the switching order of the combinations of transmitting and receiving elements. Be used instead of real recipients, complex receiver realized, so can the two consecutive opposite frequency ramps or element scans received information simultaneously with each a ramp or be obtained with an element scan. The time to record a radar image in moving scenarios can thus in half be reduced.
In
Aus der vorstehenden Beschreibung wird ersichtlich, dass die geschilderten Ausführungsformen der vorliegende Erfindung die geschilderten Aufgaben erfüllen und eine Reihe von Vorteilen erzielt. Zu diesen Vorteilen zählen in einer nicht abschließenden Aufzählung: das Potential zur Abdeckung mehrerer Funktionen von nach vorne gerichteten automobilen Umgebungssensoren; die Querauflösung auf elektronische Art mit (im Vergleich zu phased arrays) moderatem Aufwand an Hochfrequenzkomponenten; die einfache und kostengünstige Antennentechnik (im Vergleich zum Differenzkeulenverfahren); bandbreitenunabhängige Winkelauflösung bei moderatem Hardwareaufwand; die maximale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden horizontalen Apertur zur Querauflösung; die hohe Flexibilität, nämlich Anpassungsmöglichkeit der Abtastrate und Abtastreihenfolge der Sendeelemente an die Abbildungsanforderungen; die Maximale Bandbreiteneffizienz durch FM-CW Verfahren; der optimale Zieldynamikbereich durch kohärente Integration in Entfernungs- und Winkelrichtung; die Verbesserung des Zieldynamikbereichs durch Elimination von empfangsseitigen Amplitudenstörungen mit einer heterodynen Empfangsstruktur; die einfache Anbindung eines abgesetzten Empfangselements zur Erweiterung des Winkelbereichs auf ±90° und zur optionalen Anwendung kohärenter Triangulationsverfahren für sehr kurze Entfernungen, nämlich Einparkhilfe bei Entfernungen, die weniger als 1 m betragen; sowie die geringe Degradierung der Abbildungsqualität durch Toleranzen und Änderungen der Einbauumgebung oder durch Verschmutzung der Antennenfläche.Out From the above description it will be seen that the described Embodiments of present invention meet the described objects and achieved a number of advantages. These benefits include in an incomplete list: the Potential to cover multiple functions of forward facing automotive environmental sensors; the lateral resolution in an electronic way with moderate (compared to phased arrays) overhead of high frequency components; the simple and inexpensive Antenna technology (in comparison to the difference-lobe method); bandwidth-independent angular resolution moderate hardware costs; the maximum utilization of the available horizontal aperture for transverse resolution; the high flexibility, namely adaptability the sample rate and sample order of the transmit elements to the imaging requirements; the Maximum bandwidth efficiency through FM-CW method; the optimal one Target dynamic range through coherent Integration in distance and angular direction; the improvement of the target dynamic range by eliminating receiver amplitude errors a heterodyne receiving structure; the simple connection of a remote receiver element for extending the angle range to ± 90 ° and to optional application more coherent Triangulation method for very short distances, namely Parking assistance at distances less than 1 m; such as the slight degradation of image quality due to tolerances and changes the installation environment or by soiling the antenna surface.
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.If Features in the claims are provided with reference numerals, these reference numerals are only for better understanding the claims available. Accordingly, such reference numerals are not limited the scope of such elements, the only by way of example such reference numerals are indicated.
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