DE102004044067A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Detektieren von Objekten im Bereich eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Das Radarsystem für Fahrerassistenzsysteme soll kostengünstiger und in seiner Baugröße reduziert gestaltet werden. Hierzu ist vorgesehen, eine Monopulsantenne einzusetzen und deren Richtcharakteristik elektronisch oder per Software adaptiv zu gestalten. Hierdurch kann die Aperturfläche der Antenne gering gehalten und trotzdem eine entsprechend schmale Antennenkeule realisiert werden. Besonders vorteilhaft lässt sich für die Adaption der Antennencharakteristik DBF (Digital Beam Forming) einsetzen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer Monopulsantenne zum gerichteten Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale sowie einer Elektronikeinrichtung zum Ansteuern der Monopulsantenne und zum Auswerten von Empfangssignalen der Monopulsantenne. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Detektieren von Objekten im Bereich eines Fahrzeugs.
• Heutige Sensorik für Systeme aus dem Bereich der automatischen Geschwindigkeits- und/oder Abstandsregelung (häufig mit ACC, Adaptive Cruise Control bezeichnet), Abstandswarner oder automatische Notbremsen (ANB) basiert häufig auf dem Radarprinzip. Typische Vertreter von Radarsensoren arbeiten im Bereich von 77 GHz oder auch im Bereich von 24 GHz.
• Charakteristisch für die aktuellen Systeme ist, dass sie mit relativ starren Systemeigenschaften arbeiten. So lässt sich beispielsweise während des Betriebs eines solchen Radargeräts keine Veränderung der Antennencharakteristik vornehmen. Auch andere Parameter sind fest, so dass beispielsweise keine Anpassung der Leistungsmerkmale im Autobahn-, Landstraßen- bzw. Stadtbetrieb vorgenommen werden können. Darüber hinaus zeigen Radare für automatische Distanzregelung typischerweise eine relativ schmal im Azimut fokussierte Richtwirkung. Übliche Öffnungswinkel der Antennen liegen dabei im Bereich von 8° bis etwa 16°. Um diese starke Strahlfokussierung zu ermöglichen, müssen räumlich relativ große Antennenflächen (Apertur) im Radargerät vorgesehen werden. Damit ein sinnvoller, wirtschaftlicher Kompromiss zwischen benötigter Aperturfläche und zur Verfügung stehendem Einbauplatz im Fahrzeug erreicht werden kann, arbeiten die heutigen Sensoren für die Geschwindigkeits- und/oder Abstands- bzw. Distanzregelung (ADR-Sensoren) überwiegend im 77 GHz-Bereich. Dort ist die Aperturfläche etwa um den Faktor 3 × 3 = 9 kleiner als im 24 GHz-Bereich. Diese physikalisch begründete Entscheidung wird allerdings mit deutlich höheren Anschaffungskosten für die 77 GHz-Technologie bezahlt.
• In diesem Zusammenhang ist aus „Radar Technics Using Array Antennas", Wulf-Dieter Wirth, IEE, London, 2001 das Prinzip des DBF (Digital Beam Forming) bekannt. Das DBF ist eine Methode zur adaptiven Antennengestaltung. Es eröffnet die Möglichkeit, die Richtcharakteristik eines Antennenarrays auch im laufenden Betrieb den jeweiligen Bedürfnissen anzupassen, so dass man nicht darauf angewiesen ist, mit der festeingestellten Antennencharakteristik des zur Verfügung stehenden Antennenarrays (z. B. Patch-Array aus 50 × 50 Elementen) arbeiten zu müssen. Häufig wird DBF heute mit einem Array von Einzelstrahlern eingesetzt, die jedes für sich amplituden- und phasenmäßig derart eingestellt werden können, dass sich eine veränderbare Richtcharakteristik ergibt. Diese sogenannte Belegung des Antennenarrays kann mit Hilfe der Fouriertransformation in das Richtdiagramm überführt werden (z. B. rechteckförmige Belegung führt zu einem si-förmigen Richtdiagramm). Somit können mit dem Radar verschiedene Richtungen abgetastet werden. Typischerweise werden solche Systeme in der Flugsicherung oder im militärischen Bereich verwendet. Sie sind jedoch verhältnismäßig aufwändig und teuer.
• Darüber hinaus ist in der Druckschrift DE 694 33 113 ein Monopuls-Azimutradarsystem zur Kraftfahrzeugortung bekannt. Das Monopuls-Radarsystem ist in der Lage, sowohl den Abstand und die Relativbewegung als auch die Winkelabweichung von einem Referenzazimut für ein im Erfassungsbereich befindliches Zielobjekt zu ermitteln. Das System verwendet eine Monopulsantenne, die ein Beschränken und Steuern der Abmessung einer Verfolgungsstrahlbreite ermöglicht. Dabei wird ein Sendesignal von dem System ausgesandt, von einem Zielobjekt reflektiert und an zwei räumlich getrennten Orten empfangen.
• Ferner ist aus der Druckschrift WO 02/31529 A2 eine LFMSK-Messmethode (Linear Frequency Modulated Shift Keying) bekannt. Diese stellt eine Kombination von Puls-, FSK- (Frequency Shift Keying) und LFMCW-Radartechniken (Linear Frequency Modulated Continuous Wave) dar und überwindet die Nachteile dieser Einzeltechniken.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Erfassung von fremden Objekten im Bereich eines Fahrzeugs mit kosten- und raumoptimierten Systemen zu realisieren.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer Monopulsantenne zum gerichteten Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale und einer Elektronikeinrichtung zum Ansteuern der Monopulsantenne und zum Auswerten von Empfangssignalen der Monopulsantenne, wobei mit der Elektronikeinrichtung die Antennencharakteristik adaptiv gestaltbar ist.
• Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Verfahren zum Detektieren von Objekten im Bereich eines Fahrzeugs durch gerichtetes Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale durch eine Monopulsantenne und Auswerten der Empfangssignale der Monopulsantenne sowie elektronisches und/oder datentechnisches Adaptieren der Antennencharakteristik der Monopulsantenne.
• Erfindungsgemäß ist somit ein auch während des Betriebs umkonfigurierbares System verfügbar. Dadurch kann eine sehr hohe Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an Verkehrssituationen, Sensorleistungsfähigkeit und Anforderungsprofil der Applikationen erreicht werden.
• Vorzugsweise weist die Monopulsantenne genau zwei oder drei Empfangsantennen und genau eine Sendeantenne auf. Hierdurch kann beispielsweise eine zuverlässige Winkelmessung mit einer einfachen Antennenstruktur realisiert werden.
• Die Monopulsantenne bzw. die gesamte Sensorvorrichtung kann für 24 GHz-Radar ausgelegt sein. Dies hat den Vorteil, dass das System in dem ISM-Band bei 24 GHz betrieben werden kann und gegenüber 77 GHz-Radarsystemen kostengünstiger ist.
• Günstigerweise ist die Monopulsantenne von der Elektronikeinrichtung mittels Digital Beam Formung ansteuerbar. Hierdurch lässt sich die Richtcharakteristik der Antenne in bewährter Weise individuell einstellen.
• Die Monopulsantenne kann ferner als planare Patch-Array-Antenne ausgebildet sein. Vorteilhafterweise kann eine derartige Antenne an zahlreichen Orten im Fahrzeug angeordnet werden.
• Das Erfassen von Fremdobjekten kann insbesondere durch elektromagnetische Signale erfolgen, die durch Linear Frequency Modulated Shift Keying (LFMSK) erzeugt werden. Dabei lässt sich ein hohes Maß an Flexibilität erreichen, indem der Modulationshub, die Messzeit, die Differenzfrequenz zwischen den linearen Frequenzrampen oder dergleichen verändert wird.
• Besondere Vorteile ergeben sich, wenn ein Fahrerassistenzsystem mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ausgestattet ist oder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.
• Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die ein prinzipielles Antennendiagramm eines erfindungsgemäßen Radarsystems wiedergibt.
• Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
• Erfindungsgemäß wird eine Monopulsantenne, bestehend aus einer Sendeantenne und zwei oder drei Empfangsantennen, verwendet, die relativ schwach im Azimut fokussiert ist (typischerweise 20° bis 30°). Mit dieser relativ breiten Ausleuchtung sinkt die Anforderung an eine breite Aperturfläche auf etwa 8 bis 10 cm Breite bei 24 GHz und 3 cm Breite bei 77 GHz. Der „Sichtbereich" im Azimut ist durch den Einbau in ein Kraftfahrzeug somit grob vorgegeben.
• Zu dieser hardwaremäßig festen Antennenanordnung kommt nun ein flexibler Teil in der Radarsignalauswertung. Mit anderen Worten, die „Feinjustage" bzw. „Anpassbarkeit" wird durch Software mit Hilfe von sogenannten Digital-Beamforming-Techniken (DBF) erreicht.
• Mit dieser Einstellmöglichkeit kann sehr elegant und kostengünstig auf die unterschiedlichen Anforderungen an den Öffnungswinkel geantwortet werden. Werden beispielsweise bei hohen Fahrgeschwindigkeiten (z. B. Autobahn) tendenziell schmale, weitschauende Antennen benötigt, so ist für den langsam fahrenden Wagen in der Stadt eher eine etwas weitwinkligere Wahrnehmung von Interesse. Dies kann durch die DBF-Technik gewährleistet werden.
• Durch die Verwendung von nur zwei oder drei Antennensträngen des Antennenarrays für die Azimutmessung kann eine sehr einfache aber wirkungsvolle Variante des DBF eingesetzt werden. Auf diese Weise können Systemkosten eingespart und eine preiswerte Lösung gefunden werden.
• Speziell kann das Antennenrichtdiagramm der Monopulsantenne so gestaltet sein, wie es in 1 dargestellt ist. Die Antennenrichtdiagramme der beiden Empfänger sind dabei als durchgezogene Linie 1 dargestellt. Beide Empfänger sind identisch aufgebaut, so dass das Richtdiagramm für beide praktisch identisch ist.
• Die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Empfangsantennen ist mit einer gepunkteten Linie 2 wiedergegeben. Es ist deutlich zu erkennen, dass in diesem Ausführungsbeispiel eine lineare Beziehung zwischen Differenzphase und Azimutwinkel im Bereich von minus 25° bis plus 25° vorliegt.
• Wird nun das komplexe Empfangssignal der beiden Empfänger kohärent gemessen und additiv überlagert, so ergibt sich ein Richtdiagramm entsprechend der gestrichelten Linie 3. Daraus ist deutlich zu erkennen, dass mit dieser Methode die Antenne viel stärker fokussiert worden ist. Gerade in dem Bereich von 15° bis 40° im Azimut ist die beabsichtigte „Blindmachung" der Antenne gelungen. Die typische Strahlfokussierung des 24 GHz-Radar auf etwa minus 15° bis plus 15° ist damit erreicht worden.
• Für diese Anwendung bietet es sich an, eine planare Patch-Array-Antenne zu verwenden. Diese Antenne benötigt nur eine Dicke von etwa 1 mm oder darunter an Bauraum. Die Flexibilität einer derartigen Antenne ermöglicht es neben ADR, Abstandswarnung, ANB und weiteren typischen Anwendungen aus dem Fernbereich auch Anwendungen in einem Winkelbereich von bis zu 180° im Nah- bzw. Mittelbereich zu unterstützen. So können beispielsweise Einschervorgänge (Cut-in-Situationen) gut sensiert werden. Ebenfalls einsetzbar ist diese Anordnung für Stop & Go-Funktionalitäten. Dies bedeutet, dass Systeme für die automatische Distanzregelung auch für Geschwindigkeiten unterhalb von 40 km/h benutzt werden können. Aus dem „traditionellen" ADR-Sensor wird also ein multifunktionaler Sensor für eine Vielzahl von Applikationen im Fern- und Nahbereich.
• Durch Einsatz von Phasenmodulationstechniken im Sendezweig (siehe Druckschrift DE 103 47 976 ) können insbesondere Leistungsfähigkeiten im Nahbereich erheblich gesteigert werden. Durch Ein- bzw. Abschaltbarkeit der Phasenmodulation im Sendezweig wird dem Sensor eine zusätzliche Flexibilität verliehen, um gezielt auf die konkrete Verkehrssituation optimal reagieren zu können.
• Eine weitere Optimierung kann durch die LFMSK-Messmethode erzielt werden. Dabei kann eine Flexibilisierung dieses Messprinzips beispielsweise durch Veränderung des Modulationshubes, Veränderung der Messzeit, Veränderung der Differenzfrequenz zwischen den linearen Frequenzrampen, Veränderung der Frequenzrampensteigung einzelner Rampen usw. erreicht werden.
• Die Flexibilität führt zu einem attraktiven Radarsystem. Neben geringen Sensorkosten sind auch geringe Bauvolumen und hohe Leistungsfähigkeit als Vorteile zu nennen. Insbesondere gelingt es durch das innovative Antennenkonzept, einen 24 GHz-ADR-Sensor zu bauen, der aufgrund seiner geringen Abmaße beispielsweise hinter dem VW-Zeichen im Kühlergrill Platz findet. Bislang war dort nur die Integration von kleineren 77 GHz-Sensoren möglich.
• Somit kann eine schmale Antennenkeule mit Hilfe von Software erzeugt werden, ohne dass eine räumlich große Antenne erforderlich ist.

1

Richtcharakteristik eines Empfängers

2

Phasendifferenz

3

resultierende Richtcharakteristik

Claims (12)

1. Sensorvorrichtung für ein Fahrzeug mit – einer Monopulsantenne zum gerichteten Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale und – einer Elektronikeinrichtung zum Ansteuern der Monopulsantenne und zum Auswerten von Empfangssignalen der Monopulsantenne, dadurch gekennzeichnet, dass – mit der Elektronikeinrichtung die Antennencharakteristik (1, 3) adaptiv gestaltbar ist.
2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Monopulsantenne genau zwei oder drei Empfangsantennen und eine Sendeantenne aufweist.
3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Monopulsantenne für 24 GHz-Radar ausgelegt ist.
4. Sensonrorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Monopulsantenne von der Elektronikeinrichtung mittels Digital Beam Forming ansteuerbar ist.
5. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Monopulsantenne als planare Patch-Array-Antenne ausgebildet ist.
6. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektronikeinrichtung zum Frequency Modulated Shift Keying und Linear Frequency Modulation ausgelegt ist.
7. Fahrerassistenzsystem mit einer Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
8. Verfahren zum Detektieren von Objekten im Bereich eines Fahrzeugs durch – gerichtetes Senden und Empfangen elektromagnetischer Signale durch eine Monopulsantenne und – Auswerten der Empfangssignale der Monopulsantenne gekennzeichnet durch – elektronisches und/oder datentechnisches Adaptieren der Antennencharakteristik der Monopulsantenne.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die elektromagnetischen Signale von genau einer Sendeantenne ausgesandt und von genau zwei oder drei Empfangsantennen empfangen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die elektromagnetischen Signale 24 GHz-Radar-Signale sind.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Antennencharakteristik der Monopulsantenne durch Digital Beam Forming gestaltet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die elektromagnetischen Signale durch Frequency Modulated Shift Keying und Linear Frequency Modulation gebildet werden.