DE102004045108A1

DE102004045108A1 - Empfangssystem für die Bestimmung eines Ziel-Ablagewinkels

Info

Publication number: DE102004045108A1
Application number: DE102004045108A
Authority: DE
Inventors: Frank Gottwald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-23
Also published as: GB2418313A; GB2418313B; GB0518236D0; FR2875605A1

Abstract

Zur Bestimmung des Ziel-Ablagewinkels in einem Pulsradarsystem ist ein Empfangsarray mit mehreren Antennenspalten vorgesehen. Pro Antennenspalte ist ein Abwärtsmischer (43) vorhanden und zwischen mindestens einer Antennenspalte und Abwärtsmischer ein Laufzeitglied (9). DOLLAR A Eine Auswerteeinheit verarbeitet die Ausgangssignale der Abwärtsmischer derart, dass aus mindestens zwei Empfangszügen eine Phasenverschiebung durch die Abtastung des eine Dopplerverschiebung aufweisenden Empfangssignals feststellbar ist und damit der Ziel-Ablagewinkel für ein Zielobjekt bestimmbar ist.

Description

Pulsradarsysteme werden zur Bestimmung von Entfernung und Geschwindigkeit von Objekten im Straßenverkehr verwendet. Ein solches Radarsystem arbeitet beispielsweise bei 24,125GHz. Die Bestimmung von Ziel-Ablagewinkeln relevanter Objekte wird üblicherweise mit mehreren Radarsensoren durch Triangulation oder Trilateration durchgeführt. Ein einzelner Radarsensor ist nicht in der Lage die Richtung zu schätzen. Er misst lediglich die Entfernung und Radialgeschwindigkeit.

Zur Bestimmung des Ablagewinkels relevanter Objekte gibt es neben den Triangulations- bzw. Trilaterationsverfahren noch Verfahren, bei denen das Antennendiagramm geschwenkt wird. Dazu sind Phasenschieber notwendig, die analog oder diskret ausgeführt werden. Aus der DE 10256524.4 ist eine solche Einrichtung bekannt. Diese benötigt jedoch mindestens einen umschaltbaren Phasenschieber und/oder einen bzw. mehrere Quadraturmischer (I/Q-Mischer).

Es sind auch Verfahren bekannt, die eine digitale Antennenschwenkung vornehmen. Es wird ein Antennenarray verwendet, bei dem die Antennenspalten getrennt ausgewertet werden. Die Phaseninformationen der Einzelspalten werden zur Bestimmung der Winkelablage herangezogen.

Vorteile der Erfindung

Mit den Maßnahmen des Anspruchs 1, d.h. es ist ein Empfangsarray bestehend aus mehreren Antennenspalten vorgesehen, pro Antennenspalte ist ein Abwärtsmischer im Empfangszweig vorgesehen, zwischen mindestens einer Antennenspalte und einem zugehörigen Abwärtsmischer ist ein Laufzeitglied vorgesehen, eine Auswerteeinheit ist eingerichtet, die Ausgangssignale der Abwärtsmischer derart zu verarbeiten, dass aus mindestens zwei Empfangszweigen eine Phasenverschiebung durch die Abtastung des eine Phasenverschiebung aufweisenden Empfangssignals feststellbar ist und damit der Ziel-Ablagewinkel für ein Zielobjekt bestimmbar ist, ist ein hardwaremäßig platzsparendes Empfangssystem für die Bestimmung des Ziel-Ablagewinkels in einem Puls-Radar-System realisierbar, das insbesondere keinen aufwändigen Quadraturmischer (I/Q-Mischer) benötigt, sondern mit einem einfachen Mischer pro Antennenspalte auskommt. Die Antennenspalten können gleich aufgebaut werden. Es muss lediglich in einem von mindestens zwei Empfangszweigen zwischen Antennenspalte und Mischer ein Laufzeitglied vorgesehen werden, z.B. realisiert durch eine verlängerte Zuleitung mit einem Längen- bzw. Phasenunterschied von einem Viertel der Betriebswellenlänge auf der Leitung. Aufwendige HF-Umschalter sind nicht notwendig.

Kommt die an einem Objekt reflektierte elektromagnetische Welle direkt von vorne auf das Empfangsarray, so verhält sich das Antennensystem wie eine Antennenspalte mit einem I/Q-Mischer. Die wichtigsten Ziele vor einem Kraftfahrzeug, also im Fahrschlauch werden somit wie in üblichen Systemen detektiert. Es gibt keine Lücken bei stationären Situationen.

Dieser Aufbau ist bezüglich des HF-Frontends nahezu aufwands- bzw. kostenneutral zu herkömmlichen SRR (Short Range Radar) Systemen.

Fallen die reflektierten Signale von der Seite ein (Ablage in Azimut), so ergeben sich durch den Basisabstand der Antennenspalten Phasenverschiebungen in den Signalen. Diese von 90 Grad abweichenden Winkeldifferenzen werden zur Ablagebestimmung ausgenutzt. Mit zwei Empfangsspalten lässt sich somit in einem Range Gate (Entfernungszelle) genau ein Ziel bezüglich des Ablagewinkels ausmessen.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen aufgezeigt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Bevor auf die eigentliche Erfindung eingegangen wird, werden zum besseren Verständnis herkömmliche Empfangssysteme erläutert.
1 zeigt ein zweispaltiges Empfangssystem mit vier Patches 1 pro Spalte. Die Patches 1 jeder Spalte führen jeweils auf eine Durchführung 2 des Patch-Trägers (HF-Platine). Die auf der Rückseite der HF-Platine (Bestückungsseite) verlaufenden Leiterzüge sind gestrichelt gezeichnet.
Im linken Empfangszug ist ein schaltbarer 1Bit-180 Grad-Phasenschieber 3 vorgesehen. Nach dem Summierpunkt der beiden Empfangszüge folgt ein Abwärtsmischer 4, dem eine Lokaloszillatorfrequenz LO zugeführt ist. Über einen nachfolgenden Tiefpass 5 wird das Empfangssignal einer Auswerteeinheit 6 zugeführt.
Der Phasenschieber im Zustand 0 Grad erzeugt Beammaximum in Hauptstrahlrichtung (Summenbeam). Im Zustand 180 Grad erzeugt der Phasenschieber zwei seitliche Beams und eine Nullstelle in Hauptstrahlrichtung (Differenzbeam). Die seitlichen Beams haben einen Phasenunterschied von 180 Grad, der zur Entscheidung „Ziel rechts, Ziel links" erforderlich ist. Der 1Bit-180 Grad-Phasenschieber 3 hat ca. 3 dB Verluste, was eine ungleiche Leistungsaufteilung bewirkt. Dies kann bei Bedarf durch einen asymmetrischen Leistungsteiler vor dem Mischer berücksichtig werden. Der Abwärtsmischer ist als I/Q-Mischer ausgeführt. Die Winkelmessung erfolgt durch Amplituden- und Phasenvergleich von Summen- und Differenzbeam (Monopuls). Der Spaltenabstand ist im Bereich 0,5 ... 0,55 Lambda 0 = Betriebswellenlänge, d.h. 6,2mm ... 6,8mm, damit Nebenkeulen niedrig bleiben und keine zusätzlichen Mehrdeutigkeiten im Erfassungsbereich auftreten. Aufgrund der gesamten zusätzlichen Dämpfungsverluste, insbesondere Durchführungsverluste, ist mit geringerem Antennengewinn zu rechnen als bei bisher einspaltiger Anordnung. Die Umschaltung der Phasenzustände (0 Grad/180 Grad) erfolgt vorzugsweise im gleichen Range Gate, dadurch entweder doppelte Scanzeit (20ms) oder bei gleicher Scanzeit (10ms) nur halbe Anzahl an Impulsen (halber Integrationsgewinn).
Die Nachteile dieser Anordnung sind:

– hoher Platzbedarf auf HF-Layer für 180 Grad-Phasenschieber,
– hohe Verkopplung der Antennenspalten aufgrund der geringen Abstandes,
– geringe Reichweite/Performance aufgrund der Zusatzverluste und des Integrationsverlustes,
– hoher Rechenaufwand für Zusatzaufgabe Winkelabschätzung (Update-Rate),
– wenig Speicher für Zusatzaufgabe Winkelschätzung,
– zu große Zielfluktuation während des Umschaltens (Phasen- und Amplitudenfehler)

Die Anzahl der Spalten kann vergrößert werden. Beispielsweise können bei vier Spalten jeweils zwei zusammengeschaltet werden.
Bei dem Empfangssystem nach 2 sind statt eines 180 Grad-Phasenschiebers zwei I/Q-Mischer 41 und 42 vorgesehen mit entsprechender Beschattung.
Dieses Konzept hat folgende Eigenschaften:

– kein Integrationsverlust, da keine Umschaltung vorhanden,
– keine Problem bezüglich Zielfluktuation, da keine Umschaltung vorhanden,
– Zusatzdämpfung nur durch Durchführungen, keine zusätzlichen (asymmetrischen) Leistungsteiler, daher gegebenenfalls höherer Antennengewinn als bei einspaltiger Anordnung (zumindest höherer Gewinn als in 1),
– Winkelauswertung durch digitale, gebenenfalls hochauflösende Verfahren, wie z.B. Music, Esprit oder durch klassische Verfahren wie einfache Fahrtenauswertung oder Monopulsauswertung,
– Spaltenabstand im Bereich von 05 ... 0,55 Lambda 0, d.h. 6,2mm... 6,8mm, damit hoher Eindeutigkeitsbereich in Azimut gewährleistet (+– 50Grad),
– hoher Platzbedarf auf HF-Layer für zweiten I/Q-Mischer,
– hohe Verkopplung der Antennenspalten aufgrund des geringen Abstandes,
– hoher Rechenaufwand für Zusatzsaufgabe Winkelschätzung (Update-Rate),
– wenig Speicher für Zusatzaufgabe Winkelschätzung.

Anstelle zweiter Mischer kann auch ein Umschalter 7 für die einzelnen Empfangszüge vorgesehen werden (3). Dies führt allerdings zu Umschaltverlusten. Die Leistung der gerade nicht aktiven Spalte muss gegebenenfalls absorbiert werden.
Es sind auch Varianten mit 180 Grad-Hybriden 8, z.B. Ratrace, möglich (4), die allerdings sowohl für den 180 Grad-Hybrid wie auch für den zweiten I/Q-Mischer sehr viel Platz auf der Bestückungsseite erfordern.
Bei dem erfindungsgemäßen Empfangssystem gemäß 5 ist pro Antennenspalte ein einfacher Abwärtsmischer 43 notwendig, also kein I/Q-Mischer. Zwischen mindestens einer Antennenspalte und einem Abwärtsmischer ist ein Laufzeitglied 9 vorgesehen, vorzugsweise mit einer elektrischen Länge von einem Viertel der Betriebswellenlänge. Der Spaltenabstand beträgt ca. die Hälfte der Betriebswellenlänge.
Wenn erfindungsgemäß nur ein einfacher Mischer eingesetzt wird, ist vorgesehen die Phaseninformation durch die Abtastung des sinusförmigen Empfangssignals (nur bei Relativbewegungen) zu gewinnen. Relativ zum Empfangssystem bewegte Ziele erzeugen aufgrund der Dopplerverschiebung ein sinusförmiges Signal am Mischer-Ausgang. Dieses Signal muss dann je nach Geschwindigkeit der relevanten Objekte solange abgetastet werden, bis die Phase ermittelt werden konnte. Diese Zeitverzögerung ist durch intelligente Algorithmen bzw. Auswerte-Software den entsprechenden Objekt- und Geschwindigkeitssituationen anzupassen. Bei stationären Situationen kann ein einzelner Empfangssensor nur die Entfernung feststellen. Kleinste Bewegungen im Millimeter-Bereich reichen aus, um die Phase bzw. die Phasendifferenz zwischen den beiden (oder n) Empfangssignalen zu messen. Die Auswertung erfolgt in der Auswerteeineinheit 6.
In 6 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit drei Patch-Antennenspalten dargestellt. Es eignet sich für die Messung zweier Objekte. Es sind nur drei einfache Mischer, je einer für jede Antennenspalte, notwendig. Zur Aufwandsreduzierung ist gegebenenfalls nur in einem der Empfangszüge ein Laufzeitglied 9 vorgesehen. Die Signalverarbeitung kann auch nach Verstärkung und A/D-Wandlung in der gemeinsamen Auswerteeinheit 61 erfolgen. Die Auswerteeinheit 61 kann ausgebildet sein für die Durchführung von Tracking, zur Herstellung einer Historie der Ziele und/oder zur adaptiven Ansteuerung von Entfernungszellen (Berücksichtigung von Signallaufzeiten für unterschiedliche Entfernungsbereiche).
Gemäß 7 kann das Empfangssystem allgemein n Spalten aufweisen, zur Erfassung von n-1 Zielen,

Claims

Empfangssystem insbesondere für die Bestimmung des Ziel-Ablagewinkel in einem Pulsradarsystem mit folgenden Merkmalen: – es ist ein Empfangsarray bestehend aus mehreren Antennenspalten vorgesehen, – pro Antennenspalte ist ein Abwärtsmischer (43) im Empfangszweig vorgesehen, – zwischen mindestens einer Antennenspalte und einem zugehörigen Abwärtsmischer (43) ist ein Laufzeitglied (9) vorgesehen, – eine Auswereeinheit (6, 61) ist eingerichtet die Ausgangssignale der Abwärtsmischer (43) derart zu verarbeiten, dass aus mindestens zwei Empfangszweigen eine Phasenverschiebung durch die Abtastung des eine Dopplerverschiebung aufweisenden Empfangssignals feststellbar ist und damit der Ziel-Ablagewinkel für ein Zielobjekt bestimmbar ist.
Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6, 61) eingerichtet ist die Abtastung des aufgrund der Dopplerverschiebung sinusförmigen Empfangssignals in Abhängigkeit der Geschwindigkeit eines Zielobjektes solange durchzuführen bis die Phasenverschiebung ermittelbar ist.
Empfangssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabstand der Antennenspalten zu etwa der Hälfte der Betriebswellenlänge gewählt ist.
Empfangssystem nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufzeitglied (9) in mindestens einer der Antennenspalten eine elektrische Länge von einem Viertel der Betriebswellenlänge aufweist.
Empfangssystem nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Ziel-Ablagewinkels von zwei Objekten ein Empfangsarray mit insgesamt drei Antennenspalten und jeweils einem Abwärtsmischer (43) pro Antennenspalte vorgesehen ist.
Empfangssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in nur einem der Empfangszüge ein Laufzeitglied (9) vorgesehen ist.