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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Radarsensorvorrichtung.
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Obwohl
auf beliebige Radarsensorvorrichtungen anwendbar, werden die vorliegende
Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik im Hinblick auf
einen Einsatz in Automobilen erläutert.
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Analysen
haben gezeigt, dass eine erhebliche Anzahl von Verkehrsunfällen
durch rechtzeitiges Erkennen von Gefahren und durch entsprechende angemessene
Fahrmanöver vermieden werden kann. Eine Vermeidung kann
durch geeignete Warnhinweise an den Fahrer oder durch automatische
longitudinale und/oder laterale Kontrolle des Fahrzeugs erreicht
werden. Eine Voraussetzung für die Wahrnehmung der Gefahrensituation
sind geeignete Sensorvorrichtungen.
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Seit
längerer Zeit werden Radarsysteme im Millimeterwellenbereich
als Fahrerassistenzsysteme zur Wahrnehmung von Gefahren bzw. als
Sensoren eingesetzt. Eine Speckle-Radarsensorvorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung
nach dem Laufzeit-Korrelationsverfahren besteht aus mindestens zwei
Sensoreinrichtungen nach dem Radar-Prinzip und einer Auswertungseinrichtung
zum Auswerten der erfassten Speckle-Muster. Speckle-Radarsensorvorrichtungen
sind üblicherweise derart am Fahrzeug montiert, dass sie
direkt senkrecht zum Boden senden und empfangen. Bei der Speckle-Musterauswertung
werden die ins Basisband heruntergemischten Empfangssignale auf
ihre Ähnlichkeit hin untersucht. Ein gängiges
mathematisches Verfahren dafür ist die Kreuz-Korrelation.
Ein gemessen am Signalverarbeitungsaufwand günstiges Auswertungsprinzip
stellt der Laufzeit-Korrelator dar.
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Wenn
mehr als zwei Sensoreinrichtungen verwendet werden, kann man über
eine differenzielle Auswertung jeweils zweier Sensoreinrichtungen
ein vom Mittelwert befreites Signal zur weiteren noch einfacheren
Auswertung erzeugen. Wenn man sich beispielsweise auf drei Sensoren
beschränkt, kann man den mittleren Sensor doppelt mit den
jeweils benachbarten Sensoren zur Differenzbildung ver wenden. Durch
ein Polarisieren der Signale kann man, d. h. durch Anwendung der
Signum-Funktion, vor der Korrelationsauswertung weiteren Auswerteaufwand
reduzieren. Ordnet man mindestens drei Sensoren in einer Ebene an,
so kann man über die zweidimensional gewonnenen Geschwindigkeitsvektoren
herausfinden, ob sich ein Fahrzeug in einer gefährlichen Fahrsituation,
z. B. Schleudern oder Schwimmen, befindet.
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Um
solche Geschwindigkeitsvektoren zweidimensional zu messen bzw. zu
erfassen, gibt es ein weiteres Verfahren, bei dem die Sensoreinrichtungen nicht
senkrecht, sondern schräg auf die Fahrbahnoberfläche
schauen. Die Auswertung der Ausgangssignale dieser Sensoreinrichtungen
basieren auf dem Dopplerprinzip. Dabei wird die geschwindigkeitsabhängige
Frequenzverschiebung zwischen dem empfangenen und ausgesendeten
Signal festgestellt. Für die zweidimensionale Messung der
Geschwindigkeitsvektoren sind auch bei diesem Prinzip mehrere Sensoreinrichtungen
nach dem Radarprinzip notwendig.
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Die
DE 10 2004 059 332
A1 offenbart einen Radar-Transceiver, wobei ein Oszillator,
ein Mischer und eine Antenne auf einem einzigen Chip in einer Ebene
nebeneinander liegend angeordnet sind. Da auf derartigen Chips das
abstrahlende Element integriert ist, benötigt man keine
kostenintensiven HF-taugliche Leiterplatten mehr. Zusätzlich
spart man an aufwendiger HF-Bond- oder Flip-Chip Technologie, was
die Bestückungs- und Testkosten erheblich reduziert.
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Die
DE 196 42 810 C1 offenbart
ein Radar-System mit einer integrierten Sensoreinrichtung, wobei
sich in Strahlrichtung im Gehäuse eine dielektrische Linse
befindet, die einerseits zur Strahlformung dient und andererseits
die Sensoreinrichtung sowie weitere Bauelemente vor Verschmutzung
und sonstigen Umwelteinflüssen schützt.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Die
in Anspruch 1 definierte erfindungsgemäße Radarsensorvorrichtung
reduziert die Kosten und Bauraumbedarf für eine Radarsensorvorrichtung,
die vorzugsweise zur Bestimmung von Geschwindigkeitsvektoren eines
Fahrzeugs gegenüber der Fahrbahn unterhalb des Fahrzeugs
zum Einsatz kommt. Durch Kombination einer kostengünstigen Sensoreinrichtung
mit einer Auswerteeinrichtung, die einen besonders geringen Rechenaufwand
hat, lässt sich eine attraktive Lösung realisieren,
die stark gesenkte Gesamtkosten mit sich bringt. Durch den stark integrierten
Aufbau sind platzsparende Designs möglich, die den Einsatz
im Kraftfahrzeugbereich sehr erleichtern.
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Im
Vergleich zu Systemen nach dem Doppler-Radar-Prinzip wird durch
eine senkrechte Ausrichtung der Speckle-Radarvorrichtung zum Untergrund
die Verfügbarkeit eines auswertbaren Signals insbesondere
in schwierigen Untergrundsituationen, wie z. B. extremer Nässe
oder Glatteis erhöht, da bei senkrechter Abstrahlung und
senkrechtem Empfang der Radarstrahl nicht wegreflektiert werden
kann. Prinzipbedingt besitzt das Speckle-Radarsystem für kleine
Geschwindigkeitsvektoren eine größere Auswertedynamik
als der Doppler-Ansatz. Dies ist von Vorteil für die Funktion
eines Schwimmwinkelsensors, da dort schon geringe Geschwindigkeiten
detektiert werden müssen.
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Die
in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen
sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Gegenstandes
der Erfindung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist jeder Sensoreinrichtung ein einziges
strahlformendes Element zugeordnet. Es ist jedoch auch möglich, mehrere
Sensoreinrichtungen einem strahlformenden Element zuzuordnen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Signalverarbeitungseinrichtung
zum Verarbeiten der Signale der Sensoreinrichtungen am Substrat
angebracht. Dies erhöht die Kompaktheit des Aufbaus weiter.
Vorzugsweise ist die Signalverarbeitungseinrichtung dann als separater
Chip ausgebildet, welcher mit den Sensoreinrichtungen über Leiterbahnen
verbunden ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die integrierten Sensoreinrichtungen derart
in einzelne Chips integiert, dass jeder Chip genau eine Antenneneinrichtung
aufweist. Es ist jedoch auch möglich, dass die integrierten
Sensoreinrichtungen derart in einen oder mehrere Chips integiert
sind, dass mindestens ein Chip mehrere Antenneneinrichtungen aufweist.
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ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Radarsensorvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2a,
b ausschnittsweise Vergrösserungen einer Sensoreinrichtung
von 1;
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3 eine
Sensoreinrichtung einer Radarsensorvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 Sensoreinrichtungen
einer Radarsensorvorrichtung gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Anordnung von Sensoreinrichtungen einer Radarsensorvorrichtung gemäß einer vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine
Anordnung von Sensoreinrichtungen einer Radarsensorvorrichtung gemäß einer fünften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche
Elemente.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Radarsensorvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet
Bezugszeichen 50 eine Speckle-Radarsensorvorrichtung. Auf
einem Substrat 52 in Form einer Leiterplatte sind integrierte
Sensoreinrichtungen S1, S2, S3 und eine Signalauswerteeinrichtung 20 als
jeweiliger Chip 411, 412, 413, 21 angebracht.
Beim vorliegenden Beispiel weist das Substrat 52 eine ebene
Oberfläche O auf, auf der die Chips 411, 412, 413, 21 befestigt
sind, beispielsweise durch Kleben. Die Sensoreinrichtungen sind
derart gestaltet, dass Sie über eine jeweilige Antenneneinrichtung 451, 452, 453 Radarsignale
in einer jeweiligen, von der Oberfläche O weggerichteten
Signalrichtung SI1, SI2, SI3 abstrahlen und aus der jeweiligen Signalrichtung
SI1, SI2, SI3 empfangen können. Auf den Antenneneinrichtungen 451, 452, 453 ist
beispielhaft jeweils eine stabförmige, dielektrische Strahlvorformungseinrichtung
bzw. -linse 421, 422, 423 angeordnet.
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Die
Speckle-Radarsensorvorrichtung 50 gemäß dieser
Ausführungsform weist ein Gehäuse 51 auf,
und das Substrat 52 umschließt. Der Wandbereich
W des Gehäuses 51 ist vorzugsweise parallel ist
zur Oberfläche O des Substrats 52 ausgerichtet. Innerhalb
des Wandbereichs W des Gehäuses 51 integriert
sind strahlformende Elemente 431, 432, 433, welche
derart angeordnet sind, dass jeder Sensoreinrichtung S1, S2, S3
ein strahlformende Elemente 431, 432, 433 in
seiner zugehörigen Signalrichtung SI1, SI2, SI3 zugeordnet
ist. Es sei erwähnt, dass die Verbindung zwischen Substrat 52 und
Gehäuse 51 auf viele verschiedene Arten und Weisen
bewerkstelligt werden kann, beispielsweise durch Kleben, Löten,
Schweißen, Schrauben usw. Vorzugsweise wird das Gehäuse 51 mit
den integrierten strahlformenden Elementen 431, 432, 433 einteilig
aus einem formbaren oder gießbaren Material gebildet.
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Die
Signalauswerteeinrichtung 20 steuert den Ablauf des Aussendens
und Empfangens von Radarsignalen durch die Sensoreinrichtungen S1, S2,
S3, mit denen sie über Leiterbahneinrichtungen L1, L2,
L3 verbunden ist.
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Bei
der Anordnung der Sensoreinrichtungen S1, S2, S3 gemäß dem
Beispiel von 1 lassen sich beispielsweise
eine Geschwindigkeit entlang der Achse, auf der die Sensoreinrichtungen
S1, S2 liegen, und eine dazu orthogonale Geschwindigkeit entlang
der Achse, auf der die Sensoreinrichtungen S2, S3 liegen, ermitteln.
Die derart ermittelten Geschwindigkeiten lassen sich als Ausgangssignal
OUT von der Signalauswerteeinrichtung 20 nach außerhalb der
Radarsensorvorrichtung 50 geben, um beispielsweise auf
einem Display angezeigt zu werden oder zur weiteren Verarbeitung
in einem Fahrzeugssicherheitssystem (z. B. ESP) verwendet zu werden.
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2a,
b sind ausschnittsweise Vergrösserungen einer Sensoreinrichtung
von 1.
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In 2a ist
eine Vergrößerung des Ausschnitts A1 von 1 gezeigt,
worin die Sensoreinrichtung S1 vergrößert dargestellt
ist. In 2b ist der Aufbau des Chips 411 der
Sensoreinrichtung S1 ohne aufgesetzte dielektrische Vorformungseinrichtung 421 dargestellt.
Der Chip 411 vereinigt bei diesem Ausführungsbeispiel
eine HF-Quelle 441, eine Referenzquelle R, ein Antenneelement 451 und
einen Mischer 461 auf sich. Der Ausgang des Mischers liefert
ein Signal SX, welches neben weiteren Signalen zur Kreuz-Korrelationsermittlung
herangezogen wird. Über die Strahlvorformung mittels der
Stabförmigen dielektrischen Linse 421 bzw. die
Strahlformung über die strahlformende Linse 431 kann
die Qualität der Speckle-Auswertung gesteuert, bzw. eingestellt
werden.
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Die
beschriebenen Sensoreinrichtungen S1, S2, S3 senden vorzugsweise
senkrecht elektromagnetische Wellen mit einer konstanten Frequenz
in Richtung Fahrbahn aus. Die senkrecht reflektierten und von der
jeweiligen Sensoreinrichtung S1, S2, S3 wieder empfangenen elektromagnetischen
Signale werden vorzugsweise ins Basisband, (d. h. mit der Sendefrequenz)
heruntergemischt und der Signalverarbeitungseinrichtung 20 zugeführt.
Als kostengünstige Signalverarbeitungsmethode kann ein
bekannter Laufzeit-Korrelator verwendet werden. Hierdurch wird eines
der Basisband-Signale, z. B. SX in der Zeit solange verschoben,
bis der Vergleich mit dem Signal der auf der Selben Achse liegenden
anderen Sensoreinrichtung eine maximale Übereinstimmung
zeigt. Aus der Verschiebungszeit und dem Abstand der Sensoreinrichtungen
auf dem Substrat 52 kann man einen Geschwindigkeitsvektor über
den Grund entlang der betreffenden Achse der Radarsensorvorrichtung
bestimmen.
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Zur
Auswertung müssen die Ausgangssignale der Sensoreinrichtungen
S1, S2, S3 vor dem Vergleich in einer vorzugsweisen A/D Wandlung
vom Mittelwert befreit werden. Eine Möglichkeit, um direkt ein
vom Mittelwert befreites Signal zu erhalten, ergibt sich durch die
Differenzbildung der Ausgangssignale zweier Sensoren.
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Die
wesentlichen Speckle-Informationen liegen in den Nulldurchgängen
der vom Mittelwert befreiten Signale der Sensoreinrichtungen S1,
S2, S3. Diese Signale kann man beispielsweise in einem A/D Wandler
amplitudenbegrenzt abtasten bzw. über die Signum-Funktion
polarisieren, um so die zu verarbeitende Datenmenge stark zu reduzieren.
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3 ist
eine Sensoreinrichtung einer Radarsensorvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die
in 3 gezeigte Sensoreinrichtung S1, welche in einen
Chip 411' integriert ist, weist 3 Antenneneinrichtungen 451a, 451b, 451c,
zwei Mischer 461a, 461b, eine Referenzquelle R,
sowie eine HF-Quelle 441 auf. Die Mischer 461a, 461b liefern
jeweilige Ausgangssignale SX1, SX2.
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Die
Sensoreinrichtung S1' dieser Ausführungsform arbeitet derart,
dass nur das Antennenelement 451a zum Abstrahlen von Radar-Signalen
verwendet wird, wohingegen die Antennenelemente 451b, 451c ausschließlich
zum Empfangen reflektierter Radarsignale verwendet werden. Dies
kann die Signalqualität von SX1 und SX2 verbessern (z.
B. durch Reduzierung von Störungen).
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4 ist
Sensoreinrichtungen einer Radarsensorvorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die
Funktionalität der Sensoreinrichtung S1'a, S1'b, S1'c gemäß 4 entspricht
der Funktionalität der Sensoreinrichtung S1' gemäß 3.
Jedoch sind die Komponenten auf drei einzelnen Chips 411'a, 411'b, 411'c aufgebaut.
Der Chip 411a enthält das Antennenelement 451'a,
die Referenzquelle R und den Mischer 441. Der Chip 411'b enthält
das Antennenelement 451'b und den Mischer 461a'.
Der Chip 411'c enthält das Antennenelement 451'c und den
Mischer 461b'.
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Um
die selbe Funktionalität wie bei der Sensoreinrichtung
gemäß 3 zu erzielen, sind die Mischer 461a', 461b' und
die HF-Quelle 441 über Leiterbahneinrichtungen
La, Lb, Lc miteinander verschaltet.
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5 ist
eine Anordnung von Sensoreinrichtungen einer Radarsensorvorrichtung
gemäß einer vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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Die
Anordnung der Sensoreinrichtungen S11, S21, S23, S31 gemäß 5 ist
kreuzförmig. Vorzugsweise wird die Sensoreinrichtung S22
nur zum Abstrahlen von Radarsignalen verwendet, wohingegen die Sensoreinrichtungen
S11, S21, S23, S31 nur zum Empfangen von Radarsignalen verwendet
werden. Die Geschwindigkeit in Fahrtrichtung FR, also entlang der
x-Achse lässt sich mittels der Sensoreinrichtungen S21,
S22, S23 ermitteln. Die Geschwindigkeit senkrecht zur Fahrtrichtung
FR, also in y-Richtung lässt sich durch die Sensoreinrichtungen
S11, S22, S31 ermitteln.
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6 ist
eine Anordnung von Sensoreinrichtungen einer Radarsensorvorrichtung
gemäß einer fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Bei
der in 6 gezeigten Anordnung der Sensoreinrichtungen
S01–S09 ist eine matrixförmige Anordnung in Spalten
und Zeilen vorgesehen. Bei diesem Beispiel sind alle Sensoren S01–S09
zum Abstrahlen und Empfangen von Radarsignalen geeignet. Durch die
Verwendung einer derartigen Vielzahl von Sensoreinrichtungen S01–S09
kann beispielsweise die Genauigkeit erhöht werden bzw.
eine Redundanz für den Fall des Ausfallens einer oder mehrerer
der Sensoreinrichtungen vorgesehen werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Obwohl
bei den oben beschriebenen Ausführungsformen von Anwendungen
im Automobilbereich die Rede war, ist die vorliegende Erfindung
darauf nicht beschränkt. Auch können beliebige
Auswerteverfahren bzw. Anordnungen der Sensoreinrichtungen vorgesehen
werden und nicht nur die oben erläuterten. Die Auswerteeinrichtung 20 kann
in der Radarsensorvorrichtung 50 integriert sein oder kann auch
in einem separaten Gehäuse vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004059332
A1 [0007]
- - DE 19642810 C1 [0008]