DE102007039897B3

DE102007039897B3 - Verfahren zum Betrieb einer Antennengruppe mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern sowie zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE102007039897B3
Application number: DE102007039897A
Authority: DE
Inventors: Werner Wiesbeck; Karin Schuler
Original assignee: Universitaet Karlsruhe
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-08-24
Also published as: EP2028508A1; US20090051593A1; US7847731B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Antennengruppe mit M >= 2 Sendern und N >= 2 Empfängern für die digitale Strahlformung. Bei dem Verfahren wird in einem Sende-Empfangszyklus über die M Sender jeweils ein kohärentes Sendesignal in ein zu überwachendes Gebiet ausgesendet und von den N Empfängern jeweils zu jedem Sendesignal ein kohärentes Empfangssignal aus dem Gebiet aufgezeichnet, so dass M.N Empfangssignale erhalten werden. Jedem Empfangssignal wird eine Kombination aus dem jeweils sendenden Sender und dem jeweils empfangenden Empfänger zugeordnet. Die M.N Empfangssignale werden mittels digitaler Strahlformung weiterverarbeitet, um räumliche Information über Objekte in dem zu überwachenden Gebiet zu erhalten. Bei dem Verfahren wird jedes der M.N Empfangssignale bei der Weiterverarbeitung mit einem der jeweiligen Kombination von Sender und Empfänger individuell zugeordneten Amplitudenfaktor multipliziert, wobei die Amplitudenfaktoren so gewählt werden, dass eine Erhöhung der Signaldynamik bei der digitalen Strahlformung erreicht wird. Das Verfahren und die für die Ausführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung ermöglichen eine hohe Winkelauflösung bei gleichzeitig hoher Signaldynamik.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Antennengruppe, die M ≥ 2 Sender und N ≥ 2 Empfänger aufweist, bei dem in einem Sende-Empfangszyklus über die M Sender jeweils ein kohärentes Sendesignal in ein zu überwachendes Gebiet ausgesendet und von den N Empfängern jeweils zu jedem Sendesignal ein kohärentes Empfangssignal aus dem Gebiet aufgezeichnet wird, wobei M·N Empfangssignale erhalten werden, von denen jedem Empfangssignal eine Kombination aus dem jeweils sendenden Sender und dem jeweils empfangenden Empfänger zugeordnet wird, und bei dem die M·N Empfangssignale mittels digitaler Strahlformung weiterverarbeitet werden, um räumliche Information über Objekte in dem zu überwachenden Gebiet zu erhalten. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Radar-Überwachung eines Gebietes, die das Verfahren nutzt.
Das Verfahren und die Vorrichtung nutzen die Technik der digitalen Strahlformung (DBF: Digital Beamforming), bei der für jeden Empfänger die Empfangssignale getrennt digitalisiert und weiterverarbeitet werden, wodurch eine nachträgliche Strahlformung bei der Abtastung des zu überwachenden Gebietes ermöglicht wird. Dies erfordert den Einsatz von Mehrkanal-Analog/Digital-Wandlern, ausreichend Speicherplatz für die Speicherung der digitalisierten Empfangssignale sowie einen Rechenprozessor zur Weiterverarbeitung der Daten für die digitale Strahlformung.
Stand der Technik
K. Schuler, M. Younis, R. Lenz und W. Wiesbeck beschreiben in „Array design for automotive digital beamforming radar system", Radar Conference, 2005 IEEE International 9–12 May 2005, Seiten 435–440, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung eines Gebiets mit der Technik der digitalen Strahlformung, bei denen ein Antennenarray mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern eingesetzt wird. Das überwachte Gebiet wird mittels Radar abgebildet, wobei in den Dimensionen Entfernung und Winkel die räumliche Lage von Objekten im überwachten Gebiet bestimmt wird. Die Winkelauflösung ergibt sich aus den Phasendifferenzen der zur gleichen Zeit von den verschiedenen Empfängern empfangenen Signale. Die Auflösung erhöht sich mit der Anzahl an Kombinationen von Sender und Empfänger, für die ein auswertbares Empfangssignal erhalten wird. Bei dem in dieser Veröffentlichung vorgeschlagenen Verfahren werden mehrere Sender eingesetzt, die zeitlich nacheinander ihre Sendesignale in das gleiche Gebiet aussenden. Durch die jeweils getrennte Digitalisierung der von den einzelnen Empfängern für jeden der Sender empfangenen Signale stehen bei M Sendern und N Empfängern M·N Empfangssignale für die digitale Strahlformung zur Verfügung. Ein derartiges Mehr-Sender-Mehr-Empfänger-System bietet gegenüber anderen bekannten Radarsystemen den Vorteil einer von der Bandbreite unabhängigen Winkelauflösung. Diese Systeme spielen zunehmend auch in der Kraftfahrzeugs-Nahbereichssensorik eine große Rolle.
Systeme mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern bieten einerseits zwar bei geringer Anzahl von Sendern und Empfängern bereits eine hohe Auflösung, andererseits jedoch eine nur mäßige Dynamik.
Bei herkömmlichen Antennensystemen mit nur einem Sender und mehreren Empfängern für die Radarüberwachung ist es bekannt, die Dynamik der Winkelmessung durch eine Amplitudenbelegung zu erhöhen. Eine derartige Amplitudenbelegung führt jedoch nur dann zu den gewünschten Ergebnissen, wenn eine hohe Anzahl an Empfängern zur Verfügung steht. Nur dann sind die nötigen Freiheitsgrade vorhanden, um die Dynamik der Messung merklich zu erhöhen. Dies ist jedoch bei den hier betrachteten Systemen mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern nicht gegeben, da diese im Allgemeinen darauf ausgerichtet sind, mit wenigen Elementen, insbesondere weniger als vier Sender und weniger als vier Empfänger, eine gute Auflösung zu bieten. Eine Anwendung einer Amplitudenbelegung auf die wenigen Sender oder die wenigen Empfänger kann in einem solchen Fall nicht zu einer merklichen Erhöhung der Dynamik führen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb einer Antennengruppe mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern anzugeben, das eine deutliche Erhöhung der Dynamik ermöglicht. Weiterhin soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mit der das Verfahren durchführbar ist.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betrieb eines Antennensystems bzw. einer Antennengruppe, die M ≤ 2 Sender und N ≥ 2 Empfänger aufweist, wird in bekannter Weise in einem Sende-Empfangszyklus über die M Sender jeweils ein kohärentes Sendesignal in ein zu überwachendes Gebiet ausgesendet und von den N Empfängern jeweils zu jedem Sendesignal ein kohärentes Empfangssignal aus dem Gebiet aufgezeichnet, wobei M·N Empfangssignale erhalten werden. Jedem Empfangssignal wird eine Kombination aus dem jeweils sendenden Sender, für den das Empfangssignal erhalten wird, und dem jeweils empfangenden Empfänger zugeordnet, der dieses Empfangssignal empfängt, so dass die M·N Empfangsignale anschließend mittels digitaler Strahlformung weiterverarbeitet werden können, um die gewünschte räumliche Information, insbesondere Winkel und Abstand, über Objekte in dem zu überwachenden Gebiet zu erhalten. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass jedes der M·N Empfangssignale bei der Weiterverarbeitung mit einem der jeweiligen Kombination von Sender und Empfänger individuell zugeordneten Amplitudenfaktor multipliziert wird, wobei die Amplitudenfaktoren so gewählt werden, dass sie eine Erhöhung der Signaldynamik bei der digitalen Strahlformung bewirken.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit eine Amplitudenbelegung nicht, wie bisher üblich, auf die Sender und/oder die Empfänger gelegt. Vielmehr wird die Amplitudenbelegung auf alle Kombinationen von Sender und Empfänger und somit Empfangssignale angewendet, die bei der Weiterverarbeitung ausgewertet werden. Damit stehen bei der Wahl der Amplitudenbelegung nicht nur M + N sondern M·N Freiheitsgrade zur Verfügung. Dadurch lässt sich auch bei Mehr-Sender-Mehr-Empfänger-Antennengruppen mit nur wenigen Sendern und Empfängern die Dynamik deutlich erhöhen. Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen somit die Nutzung eines Mehr-Sender-Mehr-Empfänger-Systems zur digitalen Strahlformung, die gleichzeitig durch Nutzung möglichst weniger Sender und Empfänger eine hohe Winkelauflösung und andererseits dennoch eine hohe Dynamik erreichen kann.
Die Amplitudenfaktoren werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Vorrichtung vorzugsweise in Form einer Belegungsmatrix bereitgestellt, bei der jedes Matrixelement einer anderen Kombination von Sender und Empfänger zugeordnet ist. Zur Bestimmung der Amplitudenfaktoren für die jeweilige Antennengruppe wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens eine Abbildung dieser Antennengruppe auf eine virtuelle bzw. äquivalente Antennengruppe mit nur einem Sender und mehreren Empfängern vorgenommen. Auf dieses virtuelle System lassen sich dann die bisher bereits bekannten Belegungsfunktionen als Vektorbelegung anwenden. Durch eine Rückabbildung auf das Mehr-Sender-Mehr-Empfänger-System wird dann aus dieser Vektorbelegung die gewünschte Matrixbelegung erzeugt. Die Abbildung der Antennengruppe mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern erfolgt unter Berücksichtigung der jeweiligen Phasenbeziehungen zwischen Sendern und Empfängern bei dieser Antennengruppe. Die gleichen Phasenbeziehungen müssen bei der virtuellen Antennengruppe zwischen dem virtuellen Sender und den virtuellen Empfängern bestehen. Dies kann aus einer rein geometrischen Betrachtungsweise abgeleitet werden. Grundsätzlich ergibt sich hieraus eine virtuelle Antennengruppe mit einem virtuellen Sender und M·N virtuellen Empfängern. Ein besonderer Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass für Ein-Sender-Mehr-Empfänger-Antennengruppen zahlreiche Belegungsfunktionen für eine Amplitudenbelegung und ihre Wirkungen bereits bekannt sind, so dass für die Erzielung der gleichen Wirkung bei der hier betrachteten Antennengruppe mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern lediglich auf diese bekannten Funktionen zurückgegriffen werden muss. Die Belegungsmatrix kann dann über die beschriebene Abbildung und anschließende Rückabbildung in einfacher Weise generiert werden.
Die bei dem Verfahren eingesetzte Antennengruppe weist vorzugsweise weniger als zehn Sender und weniger als zehn Empfänger, insbesondere weniger als vier Sender und weniger als vier Empfänger auf. Als kohärentes Sendesignal kann in bekannter Weise ein Signal mit einer sich zeitlich ändernden Frequenz (Chirp) eingesetzt werden. In der bevorzugten Ausgestaltung werden die Sendesignale der verschiedenen Sender in zeitlicher Abfolge ausgesendet, indem zwischen den Sendern umgeschaltet wird. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, die Sendesignale der unterschiedlichen Sender unterschiedlich zu kodieren, so dass diese auch gleichzeitig ausgesendet werden können. In diesem Falle können die zugeordneten Empfangssignale aufgrund der unterschiedlichen Kodierung den unterschiedlichen Sendern zugeordnet werden. Weiterhin ist es nicht in jedem Falle erforderlich, dass alle Empfänger gleichzeitig empfangen. Gerade bei stationären Objekten im zu überwachenden Gebiet können die Empfänger bspw. auch in zeitlicher Abfolge auf Empfang geschaltet werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Radarüberwachung eines Gebietes weist demgemäß wenigstens eine Antennengruppe mit M ≥ 2 Sendern und N ≥ 2 Empfängern auf. Eine ebenfalls erforderliche Sende- und Empfangseinrichtung sendet in einem Sende-Empfangszyklus, von denen selbstverständlich beliebig viele hintereinander erfolgen können, über die M Sender jeweils ein kohärentes Sendesignal in das zu überwachende Gebiet aus und empfängt mit den N Empfängern jeweils zu jedem Sendesignal ein Empfangssignal aus dem Gebiet und zeichnet dieses getrennt auf. Jeden der aufgezeichneten M·N Empfangssignale wird eine Kombination aus dem jeweils sendenden Sender und dem jeweils empfangenden Empfänger zugeordnet. In einer Einrichtung zur digitalen Strahlformung werden dann die M·N Empfangssignale zur digitalen Strahlformung weiterverarbeitet, um die gewünschte räumliche Information über Objekte in dem überwachten Gebiet zu erhalten. Die Einrichtung zur digitalen Strahlformung ist bei dieser Vorrichtung so ausgebildet, dass sie jedes der M·N Empfangssignale bei der Weiterverarbeitung mit einem der jeweiligen Kombination von Sender und Empfänger individuell zugeordneten Amplitudenfaktor multipliziert, wobei die Amplitudenfaktoren so gewählt sind, dass sie eine Erhöhung der Signaldynamik bei der digitalen Strahlformung bewirken.
Die Amplitudenfaktoren sind hierbei vorzugsweise in Form einer M×N Matrix in einer Speichereinheit der Vorrichtung hinterlegt, wobei jedes Matrixelement einer anderen Kombination von Sender und Empfänger zugeordnet ist. Die Speichereinheit ist auch für die Abspeicherung der M·N Empfangssignale jedes Empfangszyklus erforderlich. Die Sende- und Empfangseinrichtung umfasst einen mehrkanaligen Analog/Digital-Wandler, um die von den mehreren Empfängern empfangenen Empfangssignale unabhängig voneinander zur gleichen Zeit digitalisieren zu können. Zentrales Bauteil der Einrichtung zur digitalen Strahlformung ist ein Mikroprozessor, der die Rechenschritte für die digitale Strahlformung ausführt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine Umschalteinheit, mit der die Sendesignale in zeitlicher Abfolge auf die unterschiedlichen Sendeantennen gelegt werden können.
Die Sender und Empfänger der Antennengruppe sind vorzugsweise linear in einer Reihe angeordnet, können jedoch auch bspw. als zweidimensionales Array in einer Ebene ausgebildet sein. Grundsätzlich lässt sich mit einer linearen Antennenanordnung eine Abtastung in der Ebene durchführen, die durch die lineare Anordnung der Antennenelemente und deren Hauptstrahlrichtung aufgespannt ist. Selbstverständlich ist hierbei jede beliebige Orientierung dieser Ebene im Raum möglich. Bei zweidimensionaler Anordnung der Antennenelemente in einer Ebene kann der gesamte Raumwinkel abgetastet werden.
Mit der Amplitudenbelegung der M·N Empfangssignale, vorzugsweise in Form einer Belegungsmatrix, werden M·N Freiheitsgrade bei der Auswahl der Amplitudenfaktoren erreicht. Es stehen somit deutlich mehr Freiheitsgrade zur Verfügung als bei der Bestimmung von zwei getrennten Belegungsvektoren für die M Sender und die N Empfänger mit M + N Freiheitsgraden, wie dies bei der üblichen Anwendung von Belegungsfunktionen bekannt ist. Das Verfahren ermöglicht somit eine wesentlich höhere Flexibilität bei der Bestimmung der Belegungsfunktion und damit eine höhere Dynamik bei der Winkelmessung. Somit lassen sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren auch Belegungsfunktionen, die eine hohe Dynamik bieten, jedoch bisher nur mit einer hohen Anzahl von L Elementen, d. h. Sendern und/oder Empfängern, eingesetzt werden können, jetzt auch mit 2·√L Elementen verwenden. Hierdurch können Antennen und damit Hardware-Kosten eingespart werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausfüh rungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für eine Anordnung der Sender und Empfänger bei einer Antennengruppe mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern;
2 eine Veranschaulichung der Geometrie bei der Ableitung des virtuellen Systems mit einem virtuellen Sender und mehreren virtuellen Empfängern;
3 ein weiteres Beispiel für eine Anordnung der Sender und Empfänger bei einem Antennenarray mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern;
4 ein Beispiel für das aus der 3 abgeleitete virtuelle Antennenarray mit einem virtuellen Sender und mehreren virtuellen Empfängern; und
5 eine schematische Darstellung einer gemäß dem Verfahren arbeitenden Vorrichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei Antennengruppen mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern zur digitalen Strahlformung überlappen sämtliche Antennenkeulen der Sender bzw. Sendeantennen in dem zu überwachenden Gebiet. Die Sender werden dabei vorzugsweise zeitlich sequentiell geschaltet. Auf der Empfangsseite empfangen die mehreren Empfänger bzw. Empfangsantennen die kohärenten Signale vorzugsweise simultan. Jedes Empfangssignal wird getrennt digitalisiert und abgespeichert.
Im Folgenden wird unter Bezug auf 1 beispielhaft eine Antennengruppe mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern in linearer Anordnung beschrieben. Zur Vereinfachung werden lediglich die Phasenzentren der individuellen Antennen betrachtet. Hierbei sind M Sendeantennen T_x1 bis T_xM und N Empfangsantennen R_x1 bis R_xN entlang der y-Achse angeordnet. Die Position eines stationären reflektierenden Objektes in der xy-Ebene wird durch den Abstand r_n und den Azimutwinkel ψ_n beschrieben. Dies ist in der 1 veranschaulicht. Das Sendesignal s_T(t) jeder Sendeantenne ist ein gepulstes Chirpsignal:
wobei k_e = B/(2T_P) die Chirprate als Verhältnis zwischen der Bandbreite B und der Pulsdauer T_P definiert. Das Sendesignal ist selbstverständlich bei dem vorgeschlagenen Verfahren nicht auf die obige Form beschränkt, sondern hier nur als Beispiel zu verstehen. Das Empfangssignal s_R(t) stellt ebenfalls ein Chirpsignal dar, das um die Propagationszeit τ_n = (R_Txu + R_Rxv)/c₀ verzögert ist:
Bei der Signalverarbeitung wird zunächst eine Bereichskompression durchgeführt, bei der das im Bereich komprimierte Signal f_rc(τ) geliefert wird:
Zur Azimutkompression wird lediglich die Phase des Trägersignals betrachtet. Die Azimutkompression erfolgt über eine Multiplikation mit einer Testphase, abhängig vom Fokussierwinkel ψ₀. Die Gesamtsummation über alle Sender und Empfänger führt zu dem in Azimut komprimierten Signal f_ac:
Die wichtige Funktion ist die Kernel-Funktion K_ac. Sie kann durch die Phase angenähert werden, die ein Ziel unter einem bestimmten Winkel im Fernfeld hervorrufen würde.
In Gleichung (4) stellt k_u,v die Belegungsfunktion dar, die weiter unten abgeleitet wird. Bei Annahme einer konstanten Belegung (k_u,v = 1), äquidistant beabstandeten Sendern und Empfängern entlang der y-Achse mit dem Abstand Δy_T und Δy_R und einem Objekt unter einem Azimutwinkel sin ψ_n, kann das in Azimut komprimierte Signal in folgender Weise geschrieben werden:
Dies ist äquivalent einer Multiplikation von 2 Arrayfaktoren. Es bedeutet, dass die digitale Strahlformung mit mehreren Sendern eine Azimutkompression mit dem gleichen Ergebnis liefert wie die Multiplikation der Arrayfaktoren des Sende- und Empfangsarrays. Damit ist das Niveau SLL der Neben-Maxima (SLL: side lobe level) durch die Multiplikation der beiden Arrayfaktoren gegeben. Bei einer üblichen Vorgehensweise würden Amplitudenbelegungsfunktionen zur Verringerung des SLL individuell für die Sender und für die Empfängergruppe angewendet. Für ein Mehr-Sender-Mehr-Empfänger-Array für digitale Strahlformung (DBF) werden jedoch möglichst wenige Sender und Empfänger eingesetzt, da damit bereits eine hohe Winkelauflösung erhalten wird. Die übliche Anwendung der Amplitudenbelegung würde aufgrund dieser wenigen Sender und Empfänger jedoch keinen signifikanten Beitrag zur Verringerung des SLL und somit zur Erhöhung der Signaldynamik liefern.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden jedoch die Kombinationen von Sende- und Empfangsantennen berücksichtigt, wie sie auch für die digitale Strahlformung benötigt werden. Es werden somit Amplitudenfaktoren für alle Kombinationen von Sende- und Empfangsantennen individuell gewählt. Hierzu wird im vorliegenden Beispiel ein äquivalentes Array betrachtet, im Folgenden auch als virtuelle Ein-Sender- Mehr-Empfänger-Antennengruppe bezeichnet. Diese virtuelle Antennengruppe besteht aus nur einem virtuellen Sender T ~x und M·N virtuellen Empfängern R ~xuv, die entlang der y-Achse angeordnet sind. Auf diese virtuelle Antennengruppe kann dann eine konventionelle, bekannte Belegungsfunktion angewendet werden.
Zur Bestimmung der virtuellen Antennengruppe werden die Phasenbeziehungen zwischen den Sendeantennen und den Empfangsantennen betrachtet. 2 zeigt hierzu die elektrische Phase an einem Array mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern. Die elektrische Phase wird bezogen auf den Ursprung des Koordinatensystems betrachtet. Das Sendesignal des Senders T_xu weist die Phase φ_Txu relativ zu einem Sender am Ursprung des Koordinatensystems auf. φTxu = YTusin(ψ) (7)
Diese Betrachtung wird für alle Sender durchgeführt. Für alle Empfänger werden vergleichbare Betrachtungen gemacht. Am Empfänger R_xv ist die Phase φ_Rxv relativ zu einem Empfänger am Ursprung: φRxv = yRvsin(ψ) (8)
Bei einer Substitution der physikalischen Sende- und Empfangsantennen T_xu und R_xv durch einen virtuellen Sender T ~x, der am Ursprung des Koordinatensystems sitzt, und durch einen virtuellen Empfänger
_Rxv, muss die Gesamtphase φ ~Rxu relativ zum Ursprung gleich bleiben: φ ~Rxv = φTxu + φRxv y ~Tu,vsin(ψ) = yTusin(ψ) + YRvsin(ψ) y ~Ru,v = YTu + YRv (9)
Die Position des virtuellen Empfängers R ~xuv ist damit eine Funktion der Position des zugehörigen Senders T_xu und Empfängers R_xv. Die Anzahl der Elemente des virtuellen Arrays ist M·N, dem Produkt der Elemente des Mehr-Sender-Mehr-Empfänger-Arrays.
Zur Veranschaulichung der Abbildung eines Arrays mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern auf ein virtuelles Array mit einem virtuellen Sender und mehreren virtuellen Empfängern wird in Verbindung mit 3 beispielhaft ein Array mit M = 3 Sendern und N = 3 Empfängern betrachtet. Dieses Array weist eine äquidistante Konfiguration mit einem Abstand Δy_T = N·Δy_R und Δy_R = 0,6λ auf. Das diesem Array äquivalente virtuelle Array mit einem virtuellen Sender und mehreren virtuellen Empfängern ist in 4 gezeigt. Seine Ausdehnung ist (M – 1)·Δy_T + (N – 1)·Δy_R. Aufgrund der hier nur beispielhaft gewählten Werte ist es äquidistant. Dies stellt jedoch nur ein speziell gewähltes Beispiel dar und ist im Allgemeinen nicht der Fall.
Auf dieses virtuelle Array kann nun eine beliebige Amplitudenbelegungsfunktion angewendet werden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Amplituden koeffizienten k_u,v sind allgemein in der folgenden Tabelle 1 definiert.

R_xu,v R_x1,1 R_x1,2 ... R_xM,N

k_u,v k_1,1 k_1,2 ... k_M,N

Tabelle 1
Wenn die Amplitudenkoeffizienten k_u,v für die äquivalenten Empfangsantennen R_xu,v definiert werden, muss ihre Position y ~Ru,v betrachtet werden. Um diese Belegung auf die Konfiguration mit mehreren Sendern und mehren Empfängern anzuwenden, muss sie in die verschiedenen Kombinationen von Empfänger und Sender transformiert werden. Hierzu wird die Beziehung zwischen dem virtuellen Empfänger und den zugehörigen Sendern und Empfängern gemäß Gleichung (9) herangezogen. Dies führt zu einer Belegungsmatrix, wie sie in Tabelle 2 dargestellt ist.

R_x1 R_x2 ... R_xN

^Tx1 k_1,1 k_1,2 ... k_1,N

T_x2 k_2,1 k_2,2 ... k_2,N

... ... ... ... ...

T_xM k_M,1 k_M,2 ... k_M,N

Tabelle 2
Als Beispiel kann hier die bekannte Villeneuve-Belegungsfunktion genutzt werden, die für kleine Arrays anwendbar ist. Diese Belegungsfunktion kann beispielsweise aus A. T. Villeneuve, „Taylor Patterns for Discrete Arrays", IEEE Transactions an Antennas and Propagation, Vol. AP-32, no. 10, 1984, Seiten 1089 bis 1093, entnommen werden. Bei Anwendung dieser Belegungsfunktion auf das virtuelle Array gemäß 4 aus M·N = 9 Elementen ergeben sich die Amplitudenkoeffizienten, wie sie in Tabelle 3 angegeben sind.

i 1,9 2,8 3,7 4,6 5

k_i 0,1239 0,3451 0,6387 0,8981 1

Tabelle 3
Selbstverständlich sind auch andere Belegungsfunktionen möglich. Aufgrund der relativ kleinen Anzahl von Elementen der Antennengruppe, führt die Anwendung der Villeneuve-Belegungsfunktion in der Regel allerdings zu den besten Ergebnissen. Die durch Rückabbildung des virtuellen Arrays erhaltenen Amplitudenkoeffizienten der Belegungsmatrix für die Mehr-Sender-Mehr-Empfänger-Antennengruppe der 3 sind in der Tabelle 4 angegeben.

0 R_x1 R_x2 R_x3

T_x1 0,1239 0,3451 0,6387

T_x2 0,8981 1 0,8981

T_x3 0,6387 0,3451 0,1239

Tabelle 4
Die Anwendung dieser Amplitudenkoeffizienten führt zu einer deutlichen Erniedrigung der Nebenmaxima bei der digitalen Strahlformung und somit zu einer deutlichen Erhöhung der Dynamik, ohne die Winkelauflösung zu verringern.
5 zeigt schließlich ein Beispiel für eine Vorrichtung, die das vorgeschlagene Verfahren umsetzt. Die Vorrichtung weist eine Antennengruppe 1 aus mehreren Sendeantennen 2 und Empfangsantennen 3 auf, die linear angeordnet sind. Die Sendeantennen und die Empfangsantennen sind mit einer Sende- und Empfangseinrichtung 5 mit einem Signalgenerator 4 zur Erzeugung eines gechirpten Sendesignals und einer Schaltmatrix 6 verbunden. Das gechirpte Sendesignal wird über die Schaltmatrix 6 in zeitlicher Abfolge auf die unterschiedlichen Sendeantennen 2 gelegt. Die Sende- und Empfangseinheit 5 umfasst auch einen Mehrkanal-Analog/Digital-Wandler 7, der die von den Empfangsantennen 3 in den jeweiligen Zeitfenstern erhaltenen Empfangssignale getrennt voneinander digitalisiert und in einer Speichereinheit 8 abspeichert. Den einzelnen digitalisierten Empfangssignalen wird dabei jeweils die Kombination aus dem Empfänger, von dem das Empfangssignal stammt, und dem Sender, der das zugehörige Sendesignal ausgesendet hat, zugeordnet. Die Empfangssignale werden dann in einem Rechenprozessor 9 der gewünschten digitalen Strahlformung unterzogen, bei der die im Speicher 8 hinterlegte Belegungsmatrix für die Multiplikation der Empfangssignale mit den zugeordneten Amplitudenfaktoren abgerufen wird, um auf diese Weise Entfernung und Winkel von Objekten im überwachten Gebiet mit höherer Genauigkeit bestimmen.

Selbstverständlich lässt sich die Vorrichtung jederzeit auch in anderer Form ausgestalten, solange die erforderliche digitale Strahlformung sowie die Multiplikation mit den Amplitudenfaktoren der Belegungsmatrix ermöglicht werden. Bezugszeichenliste

1	Antennengruppe
2	Sendeantennen
3	Empfangsantennen
4	Signalgenerator
5	Sende- und Empfangseinrichtung
6	Schaltmatrix
7	Mehrkanal-A/D-Wandler
8	Speichereinheit
9	Prozessor

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Antennengruppe (1), die M≥ 2 Sender (2) und N ≤ 2 Empfänger (3) aufweist, bei dem in einem Sende-Empfangszyklus über die M Sender (2) jeweils ein kohärentes Sendesignal in ein zu überwachendes Gebiet ausgesendet und von den N Empfängern (3) jeweils zu jedem Sendesignal ein Empfangssignal aus dem Gebiet aufgezeichnet wird, wobei M·N Empfangssignale erhalten werden, von denen jedem Empfangssignal eine Kombination aus dem jeweils sendenden Sender (2) und dem jeweils empfangenden Empfänger (3) zugeordnet wird, und bei dem die M·N Empfangssignale mittels digitaler Strahlformung weiterverarbeitet werden, um räumliche Information über Objekte in dem zu überwachenden Gebiet zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der M·N Empfangssignale bei der Weiterverarbeitung mit einem der jeweiligen Kombination von Sender (2) und Empfänger (3) individuell zugeordneten Amplitudenfaktor multipliziert wird, der eine Erhöhung einer Signaldynamik bei der digitalen Strahlformung bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Amplitudenfaktoren zu den Kombinationen von Sender (2) und Empfänger (3) auf Basis einer rechnerischen Abbildung der Antennengruppe (1) auf eine virtuelle Antennengruppe mit nur einem virtuellen Sender und M·N virtuellen Empfängern erfolgt, die die gleichen Phasenbeziehungen zwischen den virtuellen Empfängern und dem virtuellen Sender wie zwischen den Sendern (2) und Empfängern (3) der Antennengruppe (1) aufweist, wobei zu der virtuellen Antennengruppe Amplitudenfaktoren für eine Amplitudenbelegung ihrer virtuellen Empfänger ermittelt werden, die bei einer derartigen Antennengruppe die Signaldynamik bei der digitalen Strahlformung erhöhen, und diese Amplitudenfaktoren dann durch Rückabbildung auf die Antennengruppe (1) den Kombinationen von Sender (2) und Empfänger (3) dieser Antennengruppe (1) zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendesignale durch Umschalten zwischen den Sendern (2) in zeitlicher Abfolge über die Sender (2) ausgesendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (3) für den Empfang des Empfangssignals zu dem von einem Sender (2) ausgesendeten Sendesignal jeweils in einem gemeinsamen Zeitfenster gleichzeitig auf Empfang geschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenfaktoren in Form einer M×N-Matrix bereitgestellt werden, wobei jedes Matrixelement einer anderen Kombination von Sender (2) und Empfänger (3) zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendesignale im Mikrowellenbereich ausgesendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennengruppe (1) mit weniger als 10 Sendern (2) und weniger als 10 Empfängern (3) eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Radar-Überwachung eines Gebietes, mit wenigstens – einer Antennengruppe (1), die M ≥ 2 Sender (2) und N ≥ 2 Empfänger (3) aufweist, – einer Sende- und Empfangseinrichtung (5), die in einem Sende-Empfangszyklus über die M Sender (2) jeweils ein kohärentes Sendesignal in ein zu überwachendes Gebiet ausgesendet und von den N Empfängern (3) jeweils zu jedem Sendesignal ein Empfangssignal aus dem Gebiet aufzeichnet, wobei M·N Empfangssignale erhalten werden, von denen jedem Empfangssignal eine Kombination aus dem jeweils sendenden Sender (2) und dem jeweils empfangenden Empfänger (3) zugeordnet wird, und – einer Einrichtung (9) zur digitalen Strahlformung, die die M·N Empfangssignale mittels digitaler Strahlformung weiterverarbeitet, um räumliche Information über Objekte in dem überwachten Gebiet zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9) zur digitalen Strahlformung so ausgebildet ist, dass sie jedes der M·N Empfangssignale bei der Weiterverarbeitung mit einem der jeweiligen Kombination von Sender (2) und Empfänger (3) individuell zugeordneten Amplitudenfaktor multipliziert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenfaktoren in Form einer M×N-Matrix in der Vorrichtung gespeichert sind, wobei jedes Matrixelement einer anderen Kombination von Sender (2) und Empfänger (3) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschalteinrichtung (6) vorgesehen ist, durch die die Sendesignale durch Umschalten zwischen den Sendern (2) in zeitlicher Abfolge über die Sender (2) ausgesendet werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (2) und Empfänger (3) zweidimensional in einer Ebene oder eindimensional in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennengruppe (1) weniger als 10 Sender (2) und weniger als 10 Empfänger (3) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinrichtung (5) so ausgebildet ist, dass sie die Empfänger (3) für den Empfang des Empfangssignals zu dem von einem Sender (2) ausgesendeten Sendesignal jeweils in einem gemeinsamen Zeitfenster gleichzeitig auf Empfang schaltet.