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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Radarsysteme
messen typischerweise die Distanz und/oder die Geschwindigkeit zu
entfernten Objekten. In manchen Fällen ist eine zusätzliche
Information über
die Position des entfernten Objektes, insbesondere über seine
Winkellage (z.B. eine Winkelabweichung von einer Referenzrichtung)
nützlich.
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Eine
Möglichkeit,
die Winkellage eines entfernten Objektes zu ermitteln ist die Verwendung
von zwei Empfangsantennen EA1, EA2, welche um einen Abstand d voneinander
entfernt sind, wie in 1 dargestellt.
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Beispielsweise
kann aus der Phasendifferenz zweier Signale S, welche von den zwei
Empfangsantennen EA1, EA2 empfangen wurden, die Winkellage α eines Objektes
berechnet werden durch
wobei φ die Phasendifferenz am Ort
der beiden Empfangsantennen EA1, EA2 eines von dem entfernten Objekt
reflektierten Signals ist. Diese Methode wird normalerweise die
Phasen-Monopulsmethode
genannt.
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Eine
Schwierigkeit, die sich ergibt ist die Unterscheidung von Objekten,
welche sich in gleichem Abstand, aber unterschiedlicher Winkellage
zu dem Radarsystem befinden. Durch die Verwendung von mehr als zwei
Empfangsantennen und mittels Digital Beam Forming kann man nicht
nur eine Winkelmessung, sondern auch eine Winkelauflösung erreichen. Ziele
mit unterschiedlicher Winkellage, aber gleichem Abstand können auf
diese Weise unterschieden werden.
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In
manchen Anwendungen, zum Beispiel für Straßenfahrzeuge, sind Radarsysteme
notwendig, welche einen Radarstrahl mit einem kleinen Öffnungswinkel
(z.B. von nur wenigen Grad) erzeugen. Da man bei Radaren immer davon
ausgeht, dass die gesendeten Signale an einem Punkt reflektiert
und damit aus der gleichen Richtung in die gesendet wurde wieder
empfangen werden, wird zur Charakterisierung des Sehfeldes immer
das Produkt aus Sende- und Empfangs-Richtcharakteristik (Two-Way Charakteristik)
heran gezogen. Der Öffnungswinkel einer
Antenne ist im Prinzip direkt von der Größe der Apertur der Antenne
abhängig,
d.h. schmale Strahlen benötigen
eine große
Antennenapertur.
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Oft
besteht gleichzeitig ein Bedürfnis
nach möglichst
kleinen Radarsystemen mit möglichst
kleinen Antennenflächen.
Dies ist zum Beispiel bei Radarsystemen für Straßenfahrzeuge der Fall, welche während der
Fahrt andere Fahrzeuge oder Objekte orten, um den Fahrzeuglenker
vor einer allfälligen Kollisionsgefahr
zu warnen. Ein Grund dafür
liegt in der beschränkten
verfügbaren
Fläche
an dem Fahrzeug, welche auch für
andere Systeme Platz bieten muss. Ein kleines Radarsystem zur Messung
der Winkellage eines entfernten Objektes wird ermöglicht durch
die gleichzeitige Verwendung der Empfangsantennen EA1, EA2 als Sendeantenne
A, wie in 2 dargestellt.
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Eine
weitere Schwierigkeit für
ein Phasen-Monopuls System kann der Uneindeutigkeitsbereich der
Winkellage sein. Innerhalb des Eindeutigkeitsbereiches ist eine
Phasenverschiebung einer Winkellage eineindeutig zugeordnet. Für den Fall
eines Phasen-Monopulsempfängers
mit einer Hauptstrahlrichtung senkrecht zur Achse durch die beiden Empfänger liegt
der Eindeutigkeitsbereich zwischen
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Da
die Winkelmessgenauigkeit bei größerem Abstand
der Phasen-Monopuls-Empfangsantennen besser
ist, wählt
man bei Radarsystemen mit schmalen Öffnungswinkeln Abstände größer als λ/2. Dies führt allerdings
dazu, dass der Eindeutigkeitsbereich kleiner als 180° ist und
somit durch das Richtdiagramm (Two-Way) sicher gestellt werden muss, dass es
zu keinen falschen Winkelmessungen kommt. Um falsche Messungen der
Winkellage α zu
vermeiden, muss gewährleistet
sein, dass die Empfangsantennen keine Signale aus dem Uneindeutigkeitsbereich registriert.
Dazu muss das Produkt der Sende- und Empfangscharakteristik (Two_Way)
folgende Eigenschaften aufweisen:
- – Der Öffnungswinkel
des Hauptstrahls muss schmal genug sein
- – Die
Nebenkeulenunterdrückung
muss groß genug
sein.
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Die
Unterdrückung
(bezogen auf Antennengewinn in Hauptstrahlrichtung) außerhalb
des Eindeutigkeitsbereichs muss größer als der vom System benötigte Dynamikbereich
sein. Im Straßenverkehr ist
der Dynamikbereich beispielsweise durch den Unterschied der Rückstreuung
eines extrem großen Zieles
(z.B. Lastkraftwagen) und eines extrem kleines Zieles (z.B. Motorrad
oder Fußgänger) gegeben.
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Der
Eindeutigkeitsbereich ist umso größer, je kleiner der Abstand
zwischen den Empfangsantennen ist, dies im Gegensatz zu dem Erfordernis
eines kleinen Öffnungswinkels
des Strahls, welches großflächige Antennen
erfordert. Für
eine gleichzeitige Verwendung der Empfangsantennen als Sendeantenne
sind der Abstand der Empfangsantennen und die Aperturgrössen von
Empfangsantenne und Sendeantenne verknüpft. Der Abstand der Empfangsantennen
kann daher nicht beliebig gewählt
werden, d.h. Eindeutigkeitsbereich und Öffnungswinkel können nicht
getrennt optimiert werden.
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EP 0 713 581 B1 und
DE 694 33 113 T2 beschreiben
ein Fahrzeugradarsystem zum Ermitteln der Abweichung eines Zielobjekts
in Bezug auf ein Referenzazimut. Als Mittel zum Senden von Sendesignalen
dient dabei eine Antenne mit einem Paar Strahlungskeulen. Die Strahlungskeulen
dienen dazu, ein Sendesignal mit einer Phasendifferenz zu senden
und an zwei räumlich
getrennten Orten zwei Dopplersignale zu erfassen. Aus den zwei Dopplersignalen
wird ein Summensignal und ein Differenzsignal gebildet. Die Abweichung
in Bezug auf den Referenzazimut wird durch einen Vergleich der Summen- und
Differenzsignale, durch Quotientenbildung in den beiden Strahlungskeulen
ermittelt. Zur Ermittlung der Summen- und Differenzsignale werden
die Dopplersignale überlagert.
Ein Nachteil dieser Lösung
ist, dass die Amplituden der empfangenen Dopplersignale in den Strahlungskeulen
in der Regel erheblichen Schwankungen ausgesetzt sind. Dies ist
einerseits auf die unterschiedlichen zurückgelegten Wege zurückzuführen, andererseits
aber auch auf Schwankungen, welche zwischen den Strahlungskeulen,
z.B. aufgrund unterschiedlicher Temperaturen auftreten können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Winkellage
eines entfernten Objektes zuverlässig
zu ermitteln.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung betrifft ein Radarsystem zur Messung der Winkellage eines
entfernten Objektes, umfassend
- – eine Antenne
mit mindestens zwei Empfangsantennen;
- – einen
Sender welcher zur Aussendung eines Sendesignals mit der Antenne
verbunden ist;
- – einen
ersten Empfänger,
welcher zum Empfangen eines als ein erstes Empfangssignal von dem entfernten
Objekt reflektierten Sendesignals mit einer ersten der mindestens
zwei Empfangsantennen verbunden ist;
- – einen
zweiten Empfänger,
welcher zum Empfangen eines als ein zweites Empfangssignal von dem
entfernten Objekt reflektierten Sendesignals mit einer zweiten der
mindestens zwei Empfangsantennen verbunden ist.
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Dadurch
dass
- – der
erste Empfänger
ein erstes Mittel zur Ermittlung einer ersten Phase des ersten Empfangssignals
umfasst und
- – der
zweite Empfänger
ein zweites Mittel zur Ermittlung einer zweiten Phase des zweiten
Empfangssignals umfasst,
kann die Winkellage eines entfernten
Objektes zuverlässig
ermittelt werden.
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Insbesondere
haben für
ein erfindungsgemäßes Radarsystem
Schwankungen der Amplituden keinen Einfluss bei der Ermittlung der
Phasendifferenz der Empfangssignale. Zur Ermittlung der Phasendifferenz
der ersten Phase und der zweiten Phase kann das Radarsystem beispielsweise
einen an die Empfänger
angeschlossenen Mikrocontroller umfassen. Im Mikrocontroller kann
anhand der Phasendifferenz auch die Winkellage ermittelt werden.
Alternativ zu digitalen Schaltkreisen wie Microcontrollern können beispielsweise
auch analoge Schaltkreise mit Operationsverstärkern eingesetzt werden.
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Die
folgenden Vorteile können
sich zusätzlich
ergeben:
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Dadurch,
dass
der erste Empfänger
und/oder der zweite Empfänger ein
IQ-Empfänger ist,
ist
die Phase von Empfangssignalen direkt und einfach messbar. Ein IQ-Empfänger besteht
aus zwei Mischern in denen das Eingangssignal mit dem Lokaloszillatorsignal
in das Basisband gemischt wird. In einem der beiden Mischer ist
dabei das Lokaloszillatorsignal um 90° phasenverschoben. Dies ermöglicht die
Messung des komplexen Basisbandsignals, d.h. Betrag und Phase. IQ-Empfänger können in
allen Radarsystemen angewandt werden, kommen aber insbesondere in
Pulsradarsystemen zum Einsatz.
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Dadurch,
dass
der erste Empfänger
und/oder der zweite Empfänger einen
Mischer umfasst und das Radar nach dem Continuous Wave (CW) oder
Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Prinzip arbeitet,
ist
die Phase von Empfangssignalen direkt und einfach nach einer Fourier-Transformation
der Empfangssignale messbar.
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Der
Empfänger
kann auch als IF-Sampling Empfänger
ausgebildet sein. Bei einem IF-Sampling Empfänger wird das Empfangssignal
bei einer Zwischenfrequenz digital abgetastet. Dadurch ist das Nutzsignal
inklusive Trägersignal – und damit
der Phase – im
Mikrocontroller vorhanden. Dadurch, dass der erste Empfänger und/oder
der zweite Empfänger
ein IF-Sampling Empfänger
ist, ist die Phase der Empfangssignale direkt messbar.
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Dadurch,
dass die Antenne eine gerade Anzahl von gleichartigen Empfangsantennen
umfasst,
können
alle Empfangsantennen eine identische Richtcharakteristik aufweisen
bei gleichzeitig optimierter Senderichtcharakteristik.
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Dadurch,
dass
das Radarsystem ein Ansteuerungsmittel umfasst, welches
die Antenne derart ansteuert, dass eine für das Sendesignal oder für das kombinierte
Sende-Empfangssignal optimierte Richtcharakteristik resultiert,
können die
Nebenkeulen erheblich reduziert werden, wodurch falsche Messungen
der Winkellage vermieden werden können.
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Dadurch,
dass
die Antenne auf einer Seite einer Leiterplatte angeordnet
ist und dass das Ansteuerungsmittel Leiterbahnen und Splitter umfasst,
ergibt
sich ein Ansteuerungsmittel mit einer hohen Lebensdauer, welches
besonders einfach, kostengünstig
implementiert werden kann.
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Dadurch,
dass
die Antenne ein Array von Patches umfasst und dass eine
Empfangsantenne einen Patch oder ein Teil-Array des Arrays umfasst,
ergibt
sich eine besonders einfach und kostengünstig herstellbares Radarsystem.
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Dadurch,
dass
das Array ein lineares Array umfasst und eine Aperturbelegung
des linearen Arrays in einem mittleren Bereich des Arrays ein ausgeprägtes Amplitudenmaximum
aufweist,
kann sich eine gerichtete Abstrahlung des Sendesignals
ergeben, welches eine hohe Nebenkeulendämpfung aufweist.
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Dadurch
dass
durch das Radarsystem Sendesignale mit einer Frequenz über 20GHz
erzeugbar sind,
lassen sich für Straßenfahrzeuge Radarsysteme in geeigneter
Größe herstellen.
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Für mehr als
zwei Empfangsantennen lassen sich Phasendifferenzen beispielsweise
paarweise zwischen den Empfängern
ermitteln. Dadurch können
zuverlässigere
Informationen über
die Winkellage gewonnen werden. Insbesondere wenn sich mehrere entfernte
Objekt in der Reichweite des Radarsensors befinden, können beispielsweise
mit statistischen Methoden fehlerhafte Winkellagen von entfernten
Objekten oder nicht vorhandene entfernte Objekte aussondiert werden.
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Dadurch
dass die Antenne mehr als 2 Empfangsantennen umfasst an welche je
ein Empfänger mit
einem Mittel zur Ermittlung einer Phase eines empfangenen Signals
angeschlossen ist, kann nicht nur eine Winkelmessung, sondern auch
eine Winkelauflösung
erreicht werden. Dies bedeutet, dass mehrere Objekte mit unterschiedlichen
Winkeln, aber in gleichem Abstand getrennt werden können.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 Anordnung
zur Ermittlung der Winkellage eines entferntet Objektes mittels
zweier Empfangsantennen;
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2 Anordnung
zur Ermittlung der Winkellage eines entferntet Objektes mittels
einer als Sendeantenne ausgebildeten Antenne, welche zwei Empfangsantennen
umfasst;
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3 Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen Radarsystems;
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4 Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen Radarsystems;
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5 Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen Radarsystems;
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6 Blockschaltbild
eines erfindungsgemäßen Radarsystems;
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7 Antennenanordnung
mit Patches auf einer Vorderseite einer Leiterplatte eines erfindungsgemässen Radarsystems;
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8 Schaltungsanordnung
auf einer Rückseite
einer Leiterplatte eines erfindungsgemässen Radarsystems;
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9 Aperturbelegung
für eine
weitere Ausführungsform
der in 7 dargestellten Antennenanordnung;
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10 Sende-Empfangs-Richtdiagramme des
in den 7-9 beschriebenen
Radarsystems für
die Empfangsanten nen;
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11 Messanordnung
zur Ermittlung der Richtcharakteristik eines Radarsystems
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12 Aperturbelegung
eines ersten simulierten Radarsystems
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13 Aperturbelegung
eines zweiten simulierten Radarsystems
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14 Richtcharakteristik
des ersten simulierten Radarsystems
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15 eine
Richtcharakteristik des zweiten simulierten Radarsystems
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16 vergrösserter
Ausschnitt der Richtcharakteristik des ersten simulierten Radarsystems
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17 vergrösserter
Ausschnitt der Richtcharakteristik des zweiten simulierten Radarsystems
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18 Eindeutigkeitsdiagramm
des ersten simulierten Radarsystems
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19 Eindeutigkeitsdiagramm
des zweiten simulierten Radarsystems
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Die 3–6 zeigen
Schaltungsanordnungen, welche geeignet sind um die Empfangssignale
und das Sendesignal zu trennen.
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3 zeigt
ein Blockschaltbild eines Radarsystems in einem ersten Ausführungsbeispiel.
Eine Antenne A umfasst zwei Empfangsantennen EA1, EA2. In einer
bevorzugten Ausführungsform
sind die zwei Empfangsantennen EA1, EA2 als Patcharrays ausgebildet.
Ein Sender Tx ist über
einen Splitter SP mit zwei Empfangsantennen EA1, EA2 derart verschaltet,
dass ein Sendesignal über
beide Empfangsantennen EA1, EA2 versendet werden kann. Im vorliegenden
Beispiel wird zur Aufteilung des Sendesignals ein symmetrischer
3dB Splitter SP verwendet. Ein erster IQ-Empfänger Rx1 ist zum Empfangen
des als ein erstes Empfangssignal von einem entfernten Objekt reflektierten
Sendesignals mit einer ersten der zwei Empfangsantennen EA1 verbunden.
Um das Sendesignal von dem ersten Empfangssignal zu trennen, sind
der erste IQ-Empfänger
Rx1, der Sender Tx und die erste Empfangsantenne EA1 an je einem
Anschluss eines Zirkulators Z1 angeschlossen. Ein zweiter IQ-Empfänger Rx2,
ist zum Empfangen des als ein zweites Empfangssignal von dem entfernten
Objekt reflektierten Sendesignals der zweiten Empfangsantenne EA2
verbunden. Um das Sendesignal von dem zweiten Empfangssignal zu
trennen, sind der zweite IQ-Empfänger
Rx2, der Sender Tx und die zweite Empfangsantenne EA2 an je einem Anschluss
eines zweiten Zirkulators Z2 angeschlossen. Die Phasen der Empfangssignale
können
zu einem festen Zeitpunkt von den beiden IQ-Empfängern Rx1, Rx2 direkt ermittelt
werden. Zur Ermittlung einer Winkellage des entfernten Objektes
können
die zwei Empfänger
Rx1, Rx2 beispielsweise an einen Microcontroller angeschlossen sein,
welcher die Phasendifferenz berechnet und daraus die Winkellage α ermittelt.
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Das
in 3 dargestellte Radarsystem ermöglicht dank der Verwendung
von Zirkulatoren Z1, Z2 eine optimalen Rauschabstand und eine verlustfreie
Trennung des Sendesignals und der Empfangssignale.
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4 zeigt
ein Blockschaltbild eines Radarsystems in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Die Verschaltung ist bis auf die Zirkulatoren analog zu der in 3 dargestellten
Verschaltung. Anstelle der zwei Zirkulatoren werden jedoch zwei
Rat-Race-Coupler
RRC1, RRC2 verwendet. Die auf Rat-Race-Couplern basierende Lösung ist
kostengünstiger als
die auf Zirkulatoren basierende Lösung, jedoch wird die halbe
Sendeleistung des Senders Tx in der Terminierung term der Rat-Race-Coupler
RRC1, RRC2 terminiert. Dieser Nachteil kann jedoch kompensiert werden
durch eine erhöhte
Sendeleistung des Senders Tx und beeinflusst daher den dynamischen
Bereich nicht negativ. Im Empfängerpfad
resultieren auch 3dB Verlust aufgrund des Rat-Race-Konzeptes. In
typischen Automobil-Radarsystemen resultiert dies daher in einem
erhöhten
Rauschfaktor. Um den reduzierten Rauschabstand zu kompensieren,
können
die Rat-Race-Coupler
RRC1, RRC2 durch Standard-Koppler mit einer nicht-symmetrischen
Kopplung ersetzt werden. 5 zeigt ein entsprechendes Blockschaltbild.
Dadurch wird ein Teil des Verlustes im Empfängerpfad in den Senderpfad
verschoben.
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Da
nicht-ideale Zirkulatoren wie in dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
auch einen Einfügungsverlust
aufweisen, ist das in 5 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel
hinsichtlich der Empfängerempfindlichkeit
vergleichbar mit dem bezüglich
Rauschabstand optimalen Konzept von 3.
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Anstelle
einer Verschwendung der Hälfte
der Sendeleistung in den Terminierungen term in den 4 und 5,
können
diese Verbindungen auch als lokale Oszillatoren LO für die Empfängermixer verwendet
werden, wie in einem vierten Ausführungsbeispiel in 6 mit
Double-Balanced Mischern DBM darge stellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird ein Double-Balanced
Mischer DBM mittels eines weiteren Rat-Race-Couplers RRC und zwei
Dioden realisiert.
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Die 7 bis 11 zeigen
ein Ausführungsbeispiel:
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7 zeigt
eine Vorderseite und 8 eine Rückseite einer Printplatte.
Auf der Vorderseite ist ein als Antenne ausgebildetes 8 × 16-Array
aus 8 × 16 Patches
angeordnet. Das 8 × 16-Array dient als Sendeantenne
und ist unterteilt in zwei 8 × 8-Arrays, welche als
Empfangsantennen EA1, EA2 dienen. Auf der Rückseite ist eine HF-Schaltung
im Wesentlichen gemäß der in 6 dargestellten
HF-Schaltung angeordnet. Die Antennen auf der Vorderseite und die HF-Schaltung
auf der Rückseite
sind über
Vias VIA miteinander verbunden.
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Die
Sendeantenne in 7 weist eine Apertur von 120mm × 60mm auf,
um einen schmalen horizontalen und vertikalen Öffnungswinkel zu erreichen.
Die einzelnen Patches PA sind mittels einer Schaltung, welche Leiterbahnen
und Splitter umfasst derart verschaltet, dass aufgrund einer optimierten Ansteuerung
ein optimales Gesamtrichtdiagramm erreicht wird.
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9 zeigt
eine optimierte Ansteuerung des 8 × 16-Arrays der in 7 dargestellten
Antennenanordnung (Aperturbelegung in relativer Leistung in dB)
in der Ebene durch die beiden Mittelpunkte der Sendeantennen EA1,
EA2. Dabei gehören
die Antennenspalten mit negativem Index zu EA1 und die mit positivem
Index zu EA2. Die beiden Sendeantennen sind spiegelsymmetrisch angesteuert.
Die Phasen aller Patches sind identisch. Auf diese weise kann eine senkrechte
Abstrahlung erreicht werden. Die äußeren Spalten weisen eine geringere
Aperturbelegung auf, als die Spalten in der Mitte. Auf diese Weise
kann hinsichtlich des Öffnungswinkels
und der Nebenkeulendämpfung
ein optimiertes Richtdiagramm erreicht werden.
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10 zeigt
die gemessenen Two-Way Richtdiagramme (Produkt aus Senderichtdiagramm mit
jeweiligem Empfängerrichtdiagramm)
des in den 7–9 beschriebenen
Radarsystems für
die zwei als 8 × 8-Array
ausgebildeten Empfangsantennen EA1, EA2. Als Sendeantenne dient
die Gesamtantenne, d.h. die in 7 dargestellte
und als 16 × 8 Patch-Array
ausgebildete Antenne mit der in 9 dargestellten
Aperturbelegung. Als Empfangsantennen EA1, EA2 dienen die zwei 8 × 8 Patch-Arrays. Dabei
wurde wie in 11 dargestellt, das Radarsystem
um eine zu den Spalten parallele Drehachse rotiert, um die in 1 dargestellte
Winkellage α in Grad
zu erzielen, während
ein Eck-Reflektor als entferntes Objekt zur Reflexion des Sendesignals
verwendet wurde.
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Dargestellt
in 10 ist die relative Verstärkung in dB in Abhängigkeit
von der Winkellage α in Grad.
Mit einer Apertur von 120 mm wurden sehr geringe Nebenkeulen, welche
um etwa 30dB geringer sind als die Hauptkeule und einen Öffnungswinkel (10dB
Strahlbreite) von 12 Grad erreicht für die kombinierten Sende-Empfangs
Richtdiagramme.
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Ein
in den 7-11 beschriebenes Radarsystem
eignet sich unter anderem für
Straßenfahrzeuge.
Wird eine Printplatte, auf welcher das Patchantennenarray angeordnet
ist derart an einem Fahrzeug befestigt, dass die Spalten Spa des8 × 16-Array
senkrecht zur Erdoberfläche
angeordnet sind, so ergibt sich ein Radarsystem mit einer besonders
geeignet gerichteten Richtcharakteristik. Das in 10 dargestellte
Richtdiagramm liegt dann in der Horizontalen.
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Analog
zu den Spalten Spat eines Patsch Array kann zusätzlich die Amplitudenverteilung
der Reihen des Patsch Array optimiert werden, indem die äußeren Reihen
eine geringere Aperturbelegung aufweisen als die inneren Reihen
des Array. Dadurch kann eine zusätzlich
erhöhte
Nebenkeulendämpfung und
geringere in unerwünschte
Richtungen erreicht werden.
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Die 12–19 zeigen
eine Gegenüberstellung
von zwei Radarsystemen mit zwei Empfangsantennen in Simulationen.
Die Simulationen beruhen auf der Annahme von idealen linearen Arrays aus
Punktstrahlern. Beiden Simulationen liegen mit Ausnahme der Aperturbelegung
die gleichen Radarsysteme zu Grunde. Die Empfangsantennen umfassen
je 8 Punktstrahler. Die Sendeantenne (= Antenne) umfasst die zwei
Empfangsantennen und ist ein regelmäßiges lineares Array aus 16
Punktstrahlern.
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Die 12, 14, 16 und 18 stellen
ein erstes Radarsystem dar, bei welchem die zwei Empfangsantennen
einzeln optimal angesteuert werden, um für die Empfangsantennen optimale
Richtdiagramme mit großer
Nebenkeulenunterdrückung
zu erreichen. Die 13, 15, 17, 19 stellen
ein zweites Radarsystem dar, welches ein Ansteuerungsmittel umfasst,
welches die Antenne (= Sendeantenne) derart ansteuert, dass eine
für das Sendesignal
optimierte Richtcharakteristik mit großer Nebenkeulenunterdrückung resultiert.
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12 zeigt
die Ansteuerung der Punktstrahler des ersten Radarsystems in Form
der Amplitudenverteilung des gesamten 8 × 16-Array über die 16 Spalten Spa des
8 × 16-Array
in relativer Leistung rl. 13 zeigt
analog dazu die Ansteuerung der Punktstrahler des zweiten Radarsystems.
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14 zeigt
eine Richtcharakteristik des ersten Radarsystems, während 15 die
Richtcharakteristik für
das zweite Radarsystem zeigt, jeweils für den Sender Tx, den Empfänger Rx
und die kombinierte Richtcharakteristik TRx für Sender Tx und Empfänger Rx. 16 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
der Richtcharakteristik von –30° bis +30° des ersten
Radarsystems, 17 zeigt den selben Ausschnitt
für das
zweite Radarsystem.
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Die
Richtcharakteristik der Sendeantenne weist für das zweite Radarsystem viel
geringere Nebenkeulen auf als für
das erste Radarsystem, dafür wirkt
das Empfangsdiagramm allerdings auf den ersten Blick weniger optimal.
Das Gesamtdiagramm (two-way)
zeigt aber bessere Eigenschaften für das zweite Radarsystem. Im
Vergleich weist das zweite Radarsystem eine zur Hauptkeule relative
Dämpfung der
ersten Nebenkeulen von deutlich über
30 dB auf, während
die relative Dämpfung
der ersten Nebenkeulen des ersten Radarsystems nicht einmal 20 dB beträgt.
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Der
Vorteil des zweiten Radarsystems gegenüber dem ersten Radarsystem
wird in einem Vergleich der 18 und 19 besonders
offenbar. In der Simulation wurde dazu das entfernte Objekt um eine
zu den Spalten parallele Achse rotiert. Dabei wurden negative Winkellagen
nα und positive
Winkellagen pα generiert.
Zusätzlich
zur Richtcharakteristik wurde auch die Phasendifferenz φ der Signale an
den beiden Empfängern
in Abhängigkeit
der Winkellage α bestimmt.
Für die
reflektierten Signale ist in 18 für das erste
Radarsystem die relative reflektierte Signalintensität in dB
gegen die Phasendifferenz φ der
reflektierten Signale dargestellt. 19 zeigt
die zu 18 analoge Darstellung für das zweite
Radarsystem.
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Für beide
Radarsysteme können
unterschiedliche Winkellagen α des
entfernten Objektes identische Phasendifferenzen φ zur Folge
haben. Haben für
die unterschiedlichen Winkellagen α die reflektierten Signale jedoch
deutlich unterschiedliche Signalintensitäten (Unterschied größer als
benötigter Dynamikbereich),
so kann die Winkellage α trotzdem eindeutig
bestimmt werden. Der Vergleich von 18 mit 19 zeigt
deutlich, dass für
das zweite Radarsystem für
eine feste Phasenverschiebung die Unterschiede von der stärksten Signalintensität zu der
zweitstärksten
Signalintensität
erheblich höher sind.
In einem Bereich von –120° bis +120° für die Phasenverschiebung
beträgt
der Unterschied für
das erste Radarsystem zum Teil weniger als 20 dB. Für das zweite
Radarsystem beträgt
der Unterschied im Wesentlichen über
den gesamten Bereich von –120° bis +120° mehr als
40 dB, was in einem typischen Automobilradar akzeptierbar wäre. Das
zweite Radarsystem ist daher wesentlich weniger anfällig auf
falsche Winkelmessungen als das erste Radarsystem.
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Die
Vorteile eines Radarsystems, welches ein Ansteuerungsmittel umfasst,
welches die Antenne derart ansteuert, dass eine für das Sendesignal oder
für das
kombinierte Sende-Empfangssignal
optimierte Richtcharakteristik resultiert, wie das zum Beispiel
für das
in den 13, 15, 17 und 19 dargestellte
Radarsystem der Fall ist, ergeben sich für alle Radarsysteme, welche
umfassen
- – eine
Antenne mit mindestens zwei Empfangsantennen;
- – einen
Sender, welcher zur Aussendung eines Sendesignals mit der Antenne
verbunden ist;
- – einen
ersten Empfänger,
welcher zum Empfangen eines als ein erstes Empfangssignal von dem entfernten
Objekt reflektierten Sendesignals mit einem ersten der mindestens
zwei Empfangsan tennen verbunden ist;
- – einen
zweiten Empfänger,
welcher zum Empfangen eines als ein zweites Empfangssignal von dem
entfernten Objekt reflektierten Sendesignals mit einem zweiten der
mindestens zwei Empfangsantennen verbunden ist und
- – ein
Mittel zur Ermittlung einer Phasendifferenz zwischen dem ersten
Empfangssignal und dem zweiten Empfangssignal oder einer der Phasendifferenz
eindeutig zuordenbaren Kenngröße, anhand
welcher sich die Winkellage eines entfernten Objektes ermitteln
lässt.
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In
weiteren als nicht abschließende
Aufzählung
zu verstehenden Ausführungsformen
kann das Radarsystem beispielsweise als CW- oder FMCW-Radarsystem,
als Puls-Radarsystem, als Pseudo-Noise-Radarsystem
oder als Frequency Shift Keying-Radarsystem ausgeführt sein.
