DE102010002004A1 - Distance and speed measuring device and method - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird eine Abstands- und Geschwindigkeitsmessvorrichtung einer Auswerteeinheit und einer Hochfrequenz-Sende- und Empfangseinrichtung, welche eine mehrere Einzelempfangsantennen umfassende Gruppenantenne und eine Strahlschwenkeinrichtung zur elektronischen Strahlschwenkung des Antennenstrahls der Gruppenantenne aufweist, wobei die Strahlschwenkeinrichtung für jede Einzelempfangsantenne einen dieser nachgeschalteten Einzelempfangskanal umfasst, welcher einen Mischer, einen Phasenschieber im Lokaloszillatorzweig des Mischers und einen Verstärker mit einstellbarer Verstärkung im Basisband aufweist. Des Weiteren ist ein verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts, insbesondere eines sich bewegenden Objekts, unter Verwendung der Abstands- und Geschwindigkeitsmessvorrichtung angegeben.A distance and speed measuring device of an evaluation unit and a high-frequency transmitting and receiving device is described, which has a group antenna comprising a plurality of individual receiving antennas and a beam swiveling device for electronically swiveling the antenna beam of the group antenna, the beam swiveling device for each individual receiving antenna comprising one of these downstream individual receiving channels, which comprises one Mixer, a phase shifter in the local oscillator branch of the mixer and an amplifier with adjustable gain in the baseband. Furthermore, a method for determining a position of an object, in particular a moving object, is specified using the distance and speed measuring device.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Abstands- und Geschwindigkeitsmessvorrichtung mit einer Auswerteeinheit und einer Hochfrequenz-Sende- und Empfangseinrichtung umfassend eine Gruppenantenne. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Objektposition.The invention relates to a distance and speed measuring device with an evaluation unit and a high-frequency transmitting and receiving device comprising a group antenna. Furthermore, the invention relates to a method for determining an object position.
Millimeterwellen-Radarsensoren z. B. für automobile Anwendungen oder für den Einsatz im Luftfahrtbereich zur Hinderniserkennung im Nahbereich sollen einerseits einen großen Winkelbereich überwachen, andererseits eine hohe Auflösung vorweisen, um die Hindernisse präzise zu lokalisieren. Diese Anforderung wird durch einen Radarsensor mit einer elektronisch schwenkbaren Antenne erfüllt, welche zudem eine geringe Strahlbreite aufweist. Im automobilen Anwendungsbereich sollte der Sensor eine kompakte und kostengünstige Bauweise vorweisen, um eine breite Marktdurchdringung zu erzielen.Millimeter-wave radar sensors z. B. for automotive applications or for use in the aviation sector for obstacle detection in the near field on the one hand to monitor a large angular range, on the other hand have a high resolution in order to precisely locate the obstacles. This requirement is met by a radar sensor with an electronically pivotable antenna, which also has a narrow beam width. In the automotive field of application, the sensor should have a compact and low-cost construction in order to achieve a broad market penetration.
Stand der TechnikState of the art
Aus der Dissertation von
Durch den zeitlich aufeinander folgenden Einsatz der Sender kann der Antennenöffnungswinkel verkleinert werden, ohne dass dabei die physikalische Größe der Empfangsantenne zunimmt. Im Stand der Technik wird der Einsatz zueinander parallel betriebener Empfänger und mehrerer Sender beschrieben. Eine darin beschriebene, dem Empfänger nachgeschaltete Empfängereinrichtung erzeugt ein Bild mit Hilfe einer digitalen Strahlformung, welche jedoch einen hohen Rechenaufwand und einen hohen Speicherbedarf in der Signalauswertung erfordert.By using the transmitters in chronological succession, the antenna opening angle can be reduced without the physical size of the receiving antenna increasing. In the prior art, the use of mutually parallel operated receiver and multiple transmitters is described. A described therein, the receiver downstream receiver device generates an image by means of a digital beamforming, which, however, requires a high computational effort and a high memory requirement in the signal evaluation.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstands- und Geschwindigkeitsmessung sowie zur Bestimmung der Position eines Objekt als auch ein Radarsystem zur Verfügung zustellen, welche eine besonders zügige Strahlformung und eine besonders aufwandsarme und energieeffiziente Signalauswertung erlauben. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Phasenkorrekturvorrichtung und eine Kalibriervorrichtung zu schaffen, womit die Abstands- und Geschwindigkeitsmessung sowie die Bestimmung der Objektposition besonders genau durchführbar sind.It is therefore an object of the invention to provide an apparatus and a method for distance and speed measurement and for determining the position of an object as well as a radar system available, which allow a particularly rapid beam shaping and a particularly low-cost and energy-efficient signal evaluation. It is another object of the invention to provide a phase correction device and a calibration device, whereby the distance and speed measurement and the determination of the object position are particularly accurate feasible.
Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach sind eine Abstands- und Geschwindigkeitsmessvorrichtung mit einer Hochfrequenz-Sende- und Empfangseinrichtung und einer Auswerteeinheit angegeben, wobei die Sende- und Empfangseinrichtung eine Gruppenantenne, welche mehrere Einzelempfangsantennen umfasst, und eine Strahlschwenkeinrichtung zur elektronischen Strahlschwenkung des Antennenstrahls der Gruppenantenne aufweist, wobei die Strahlschwenkeinrichtung für jede Einzelempfangsantenne einen dieser nachgeschalteten Einzelempfangskanal umfasst, welcher einen Mischer, einen Phasenschieber im Lokaloszillatorzweig des Mischers und einen im Basisband angeordneten Verstärker mit einstellbarer Verstärkung aufweist. Erfindungsgemäß wird also die Strahlformung und Strahlausrichtung durch Phasenschieber und variable Verstärker und Summierverstärker im Empfänger und Basisband analog durchgeführt.The object is achieved with respect to the device according to the invention by the features of
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 30 gelöst. Danach ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts, wobei es sich insbesondere um ein sich bewegendes Objekts handeln kann, unter Anwendung der erfindungsgemäßen Abstands- und Geschwindigkeitsmessvorrichtung angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die Verfahrensschritte einer Bereitstellung einer Sende- und Empfangsvorrichtung, einer Aussendung von linear frequenzmodulierten Sendesignalen und eines Empfangs der am Objekt reflektierten Signale als Empfangssignale über eine Anzahl mehrerer Einzelempfangsantennen, welche eine Gruppenantenne bilden, sowie einer Verarbeitung der Empfangssignale in Einzelempfangskanälen, wobei jeder Einzelempfangsantenne ein Einzelempfangskanal nachgeschaltet ist, und die Verarbeitung jedes Empfangssignals die Verfahrensschritte der Phaseneinstellung jedes einzelnen Empfangssignals mit einem im Lokaloszillatorzweig des Mischer im jeweiligen Einzelempfangskanal vorgesehenen Phasenschieber und der Amplitudengewichtung jedes einzelnen Empfangssignals im jeweiligen Einzelempfangskanal mit einem im Basisband vorgesehenen Verstärker mit einstellbarer Verstärkung zur Schwenkung des Antennenstrahls der Gruppenantenne aufweist. Erfindungsgemäß werden weiter die von den Einzelempfangskanälen bereit gestellten Ausgangssignale zur Bildung eines gebündelten Antennenstrahls summiert, wobei anhand des gebündelten Antennenstrahls ein Entfernungsprofil unter Anwendung einer Range-FFT und/oder ein Geschwindigkeitsprofil unter Anwendung einer zweidimensionalen FFT, welche eine Range-FFT und eine Doppler-FFT umfasst, ermittelt werden. Erfindungsgemäß wird nachfolgend die Objektposition durch Abbildung des Geschwindigkeitsprofils anhand einer Wiedergabeeinrichtung dargestellt.With respect to the method, the object is achieved by the features of claim 30. Thereafter, a method for determining a position of an object, which may be in particular a moving object, using the distance and speed measuring device according to the invention specified. The inventive method comprises the method steps of providing a transmitting and receiving device, a transmission of linearly frequency-modulated transmission signals and a reception of the reflected signals on the object as received signals over a number of individual receiving antennas, which form a group antenna, and a processing of the received signals in individual receiving channels, wherein each individual receiving antenna is followed by a single receiving channel, and the processing of each received signal comprises the steps of phasing each individual received signal with a phase shifter provided in the local oscillator branch of the mixer in the respective single receive channel and the amplitude weighting of each receive signal in the respective single receive channel with a base band adjustable gain amplifier Has pivoting of the antenna beam of the array antenna. According to the invention, the output signals provided by the individual receiving channels are further summed to form a collimated antenna beam, a distance profile being determined using the collimated antenna beam using a range FFT and / or a velocity profile using a two-dimensional FFT comprising a range FFT and a Doppler. FFT can be determined. According to the invention, the object position is subsequently represented by imaging the velocity profile on the basis of a display device.
Bezüglich der Phasenkorrekturvorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 28 gelöst. Danach ist eine Phasenkorrekturvorrichtung zur Geschwindigkeitskorrektur der mit der Abstands- und Geschwindigkeitsmessvorrichtung ermittelten Enfernungs- und Geschwindigkeitsprofilen angegeben.With respect to the phase correction device, the object is achieved by the features of claim 28. Thereafter, a phase correction device is provided for speed correction of the distance and velocity profiles determined by the distance and speed measurement device.
Bezüglich der Kalibriervorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 27 gelöst. Danach ist eine Kalibriervorrichtung zur Kalibrierung der Abstands- und Geschwindigkeitsmessvorrichtung, insbesondere zur Kalibrierung der an der Abstands- und Geschwindigkeitsmessvorrichtung vorgesehenen Einzelempfangsantennen, angegeben.With respect to the calibration device, the object is achieved by the features of claim 27. A calibration device for calibrating the distance and speed measuring device, in particular for calibrating the individual receiving antennas provided on the distance and speed measuring device, is then specified.
Bezüglich des Radarsystems wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 29 gelöst. Danach ist ein Radarsystem zur Verwendung der Abstands- und Geschwindigkeitsmessvorrichtung angegeben, um die Position eines Objekts, insbesondere eines sich bewegenden Objekts, zu bestimmen.With respect to the radar system, the object is achieved by the features of claim 29. Thereafter, a radar system for using the distance and speed measuring device is provided to determine the position of an object, in particular a moving object.
Die Erfindung weist unter anderem die Vorteile auf, dass auf der Signalverarbeitungsseite der Rechenaufwand und der Speicherbedarf erheblich reduziert werden. Ausgehend von einem Radar mit fast ausschließlich digitaler Strahlformung verlagert die Erfindung die rechen- und speicherplatzintensiven Signalverarbeitungsfunktionen in die analogen Hochfrequenz- und Basisbandkomponenten. Hierdurch wird vorteilhafterweise die Anzahl der zu verarbeitenden Kanäle von typischerweise 16 auf 2 reduziert, was zu einer weiteren Reduktion des Aufwands in der digitalen Signalverarbeitung bei der Auswertung der Empfangssignale, insbesondere bei der Berechnung des Entfernungs- und Geschwindigkeitsprofile, führt. Zwar führt diese Verlagerung zu einer geringfügigen Erhöhung der Komplexität der analogen Komponenten. Jedoch reduziert diese Verlagerung auch drastisch und im Vergleich erheblich den Aufwand, insbesondere Rechen-, Zeit- und Energieaufwand, sowie die Komplexität in der Implementierung der Komponenten auf der digitalen Seite.Amongst others, the invention has the advantages that the computational effort and the memory requirement are considerably reduced on the signal processing side. Starting from a radar with almost exclusively digital beamforming, the invention shifts the computation and memory-intensive signal processing functions into the analog high-frequency and baseband components. This advantageously reduces the number of channels to be processed from typically 16 to 2, which leads to a further reduction of the effort in the digital signal processing in the evaluation of the received signals, in particular in the calculation of the distance and speed profiles. Although this shift leads to a slight increase in the complexity of the analog components. However, this shift also drastically and in comparison significantly reduces the effort, in particular computation, time and energy expenditure, as well as the complexity in the implementation of the components on the digital side.
Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale und der jeweils beanspruchte Gegenstand stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.The features listed in the dependent claims and the claimed subject matter represent advantageous developments.
Zur Ermittlung des Abstands zwischen der Hochfrequenz-Empfangseinrichtung und dem Objekt bzw. zur Ermittlung der Position des Objekts, insbesondere eines sich bewegenden Objekts, ist es zweckmäßig, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand von den Antennenstrahl der Gruppenantenne bildenden Ausgangssignalen der Einzelempfangskanäle ein Entfernungsprofil unter Anwendung einer Range-FFT und/oder ein Geschwindigkeitsprofil unter Anwendung einer zweidimensionalen FFT zu ermitteln, welche eine Range-FFT und eine Doppler-FFT umfasst.In order to determine the distance between the radio-frequency receiving device and the object or to determine the position of the object, in particular a moving object, it is expedient that the evaluation device is designed, based on the antenna beam of the array antenna-forming output signals of the individual receiving channels, a distance profile using a range FFT and / or a velocity profile using a two-dimensional FFT comprising a Range FFT and a Doppler FFT.
Weiterhin ist es zweckmäßig, dass die Einzelempfangsantennen in einer Antennenzeile angeordnet sind, wobei jede Einzelempfangsantenne in zweckmäßiger Weiterbildung in Spalten angeordnete Antennenpatches umfasst.Furthermore, it is expedient that the individual receiving antennas are arranged in an antenna line, with each individual receiving antenna comprising, in an expedient development, antenna patches arranged in columns.
Gemäß vorteilhafter Weiterbildung weist die Sende- und Empfangseinrichtung zwei Sendekanäle auf, welche zweckmäßigerweise abwechselnd über eine am oder in der Nähe des rechten Zeilenendes der Antennenzeile positionierte rechte Sendeantenne und eine am bzw. in der Nähe des linken Zeilenendes positionierte linke Sendeantenne abstrahlen, wobei jeweils eine der Sendeantennen zweckmäßigerweise für je eine Modulationsperiode aktiviert ist. Damit wird eine so genannte Synthetische Apertur gebildet, die näherungsweise doppelt so groß ist wie die physikalische Apertur. Damit wird die Breite des Antennenstrahls nahezu halbiert.According to an advantageous development, the transmitting and receiving device has two transmission channels, which expediently emit alternately via a right transmitting antenna positioned at or in the vicinity of the right line end of the antenna line and a left transmitting antenna positioned at or in the vicinity of the left end of the line, one each the transmit antennas is expediently activated for each one modulation period. Thus, a so-called synthetic aperture is formed, which is approximately twice as large as the physical aperture. Thus, the width of the antenna beam is almost halved.
Zur Geschwindigkeitskorrektur der Entfernungs- und Geschwindigkeitsprofile umfasst die Auswerteeinrichtung zweckmäßigerweise eine Korrektureinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Geschwindigkeitskorrektur in zweckmäßiger Weiterbildung durch Verrechnung einer das Geschwindigkeitsprofil kennzeichnenden zweidimensionalen FFT-Matrix mit einer aus Hilfssignalen errechneten Phasenkorrekturmatrix durchzuführen.For speed correction of the distance and speed profiles, the evaluation device expediently comprises a correction device which is designed to carry out the speed correction in an expedient development by offsetting a two-dimensional FFT matrix characterizing the velocity profile with a phase correction matrix calculated from auxiliary signals.
Gemäß vorteilhafter Weiterbildung entsprechen die Hilfssignale den Ausgangssignalen der Empfangskanäle, welche den in der Antennenzeile am linken Zeilenende bzw. rechten Zeilenende positionierten Einzelempfangsantennen nachgeschaltet sind. Also werden zweckmäßigerweise die jeweils äußerst links bzw. rechts liegenden Einzelempfangskanäle als Hilfskanäle zur Phasenkorrektur herangezogen.According to an advantageous development, the auxiliary signals correspond to the output signals of the receiving channels, which are connected downstream of the individual receiving antennas positioned in the antenna line on the left-hand end of the line and the right-hand end of the line, respectively. Thus, the respective leftmost and rightmost individual receive channels are expediently used as auxiliary channels for phase correction.
Dabei ist es zweckmäßig, dass die am linken Zeilenende positionierte Einzelempfangsantenne und die rechte Sendeantenne bzw. die am rechten Zeilenende positionierte Einzelempfangsantenne und die linke Sendeantenne Signalpfade jeweils gleicher Weglänge aufweisen.It is expedient that the individual receiving antenna positioned at the left-hand end of the line and the right-hand transmitting antenna or the individual receiving antenna positioned at the right-hand end of the line and the left-hand transmitting antenna each have signal paths of the same path length.
Weiterhin ist es zweckmäßig, dass die Sende- und Empfangseinrichtung dazu ausgebildet ist, bei aktivierter rechter Sendeantenne das von einem der linken Einzelempfangsantenne nachgeschalteten Empfangskanal bereit gestellte Ausgangssignal als Hilfssignal bzw. bei aktivierter linker Sendeantenne das von einem der rechten Einzelempfangsantenne nachgeschalteten Empfangskanal bereit gestellte Ausgangssignal als Hilfssignal zu empfangen, zu speichern, festzuhalten, aufzuzeichnen und/oder zwischenzuspeichern.Furthermore, it is expedient that the transmitting and receiving device is designed to, when activated right transmitting antenna provided by one of the left individual receiving antenna downstream receiving channel output signal provided as Auxiliary signal or, if the left transmitting antenna is activated, to receive, store, record and / or temporarily store the output signal provided by a receiving channel connected downstream of the right individual receiving antenna as an auxiliary signal.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung ist die Korrektureinrichtung weiter dazu ausgebildet ist, zweckmäßigerweise jeweils eine zweidimensionale FFT-Matrix, welche eine Range-FFT und eine Doppler-FFT umfasst, aus dem Hilfssignal der rechten Einzelempfangsantenne bzw. der linken Einzelempfangsantenne zu ermitteln, zweckmäßigerweise die Phasenanteile der Matrixelemente der beiden zweidimensionalen FFT-Matrizzen der Hilfssignale zur Bildung der Phasenkorrekturmatrix voneinander zu subtrahieren, d. h. eine Differenz der Phasenanteile der Matrixelemente beider zweidimensionaler FFT-Matrizzen zu bilden. Zweckmäßigerweise die Korrektureinrichtung weiter dazu ausgebildet ist, die Phasenkorrekturmatrix elementweise mit der das Entfernungs- und Geschwindigkeitsprofil darstellenden, zweidimensionalen FFT des gebündelten Antennenstrahls zu multiplizieren bzw. die Phasenelemente der Phasenkorrekturmatrix und der das Entfernungs- und Geschwindigkeitsprofil darstellenden, zweidimensionalen FFT des gebündelten Antennenstrahls zu addieren.According to an advantageous embodiment, the correction device is further configured to expediently each determine a two-dimensional FFT matrix comprising a range FFT and a Doppler FFT from the auxiliary signal of the right individual receiving antenna or the left individual receiving antenna, expediently the phase components of the matrix elements of the two two-dimensional FFT matrices of the auxiliary signals for forming the phase correction matrix to subtract from each other, d. H. to form a difference of the phase components of the matrix elements of both two-dimensional FFT matrices. The correcting device is expediently further configured to multiply the phase correction matrix by the distance and velocity profile representing two-dimensional FFT of the focused antenna beam and to add the phase elements of the phase correction matrix and the two-dimensional FFT of the focused antenna beam representing the distance and velocity profile.
Zur Antennenstrahlaufweitung der Gruppenantenne im Nahbereich sind Einzelempfangsantennen ist es zweckmäßig am linken bzw. rechten Zeilenende der Antennenzeile vorgesehene Empfangsantennen bzw. Zweckmäßigerweise Submodule, welche aus denjenigen Einzelempfangskanälen zusammengefasst sind, welche den am linken Zeilenende und rechten Zeilenende positionierten Einzelempfangsantennen nachgeschaltet sind, separat abzuschalten.For antenna beam expansion of the group antenna at close range are individual receiving antennas, it is appropriate on the left or right end of the line antennas line receiving antennas or conveniently submodules, which are summarized from those individual receiving channels, which are connected to the left end of the line and right end of the line positioned individual receiving antennas, disconnect separately.
Da jede Einzelempfangsantenne eine herstellungsbedingte Phasenabweichung aufweist, ist es weiterhin zweckmäßig, diese Phasenabweichung dadurch zu berücksichtigen, dass ein der jeweiligen Einzelempfangsantenne nachgeschalteter Einzelempfangskanal, insbesondere jeder darin vorgesehene Phasenschieber, dazu ausgebildet ist, das Empfangssignal der jeweiligen Einzelempfangsantenne unter Berücksichtigung der herstellungsbedingten Phasenabweichung zu korrigieren.Since each individual receiving antenna has a production-related phase deviation, it is furthermore appropriate to take this phase deviation into account by configuring a single receiving channel downstream of the respective individual receiving antenna, in particular each phase shifter provided therein, to correct the received signal of the respective individual receiving antenna taking into account the production-related phase deviation.
Dies geschieht zweckmäßigerweise mittels einer Kalibriervorrichtung zur Ermittlung der herstellungsbedingter Phasenabweichung für jede Einzelempfangsantenne. Die herstellungsbedingte Phasenabweichung jeder Einzelempfangsantenne wird zweckmäßigerweise in einer reflexionsarmen Umgebung ermittelt, worin ein in Phasenrichtung θ = 0 positionierter Reflektor vorgesehen ist.This is done expediently by means of a calibration device for determining the production-related phase deviation for each individual receiving antenna. The production-related phase deviation of each individual receiving antenna is expediently determined in a low-reflection environment, in which a reflector positioned in the phase direction θ = 0 is provided.
In zweckmäßiger Weiterbildung ist die Kalibriervorrichtung dazu ausgebildet, die Sende- und Empfangseinrichtung derart anzusteuern, dass separat an jeder der Einzelempfangsantennen der Gruppenantenne ein für die Dauer von jeweils einer Modulationsperiode über die linke bzw. rechte Sendeantenne als linear frequenzmoduliertes Sendesignal abgestrahltes und am Reflektor reflektiertes Signal empfangen wird. Im Gegensatz dazu wird an den jeweils anderen Einzelempfangsantennen zweckmäßigerweise kein Empfangssignal abgenommen.In an expedient development, the calibration device is designed to control the transmitting and receiving device such that separately at each of the individual receiving antennas of the array antenna for a period of one modulation period via the left and right transmitting antenna emitted as a linearly frequency-modulated transmit signal and reflected at the reflector signal Will be received. In contrast, it is expediently not received at the other individual receiving antennas received signal.
Um das oben gesagte zu bewirken und jede Einzelempfangsantenne separat von den anderen Einzelempfangsantennen in der Gruppenantenne zu untersuchen, ist die Sende- und Empfangseinrichtung zweckmäßigerweise dazu ausgebildet ist, von der zu untersuchenden Einzelempfangsantenne das Signal zu empfangen, indem sie zweckmäßigerweise denjenigen Verstärker aktiviert, welcher im der zu untersuchenden Einzelempfangsantenne nachgeschalteten Einzelempfangskanal vorgesehen ist, wohingegen die Verstärker der den jeweils anderen Einzelempfangsantennen nachgeschalteten Einzelempfangskanäle zweckmäßigerweise abgeschaltet bzw. deaktiviert sind. Zweckmäßigerweise findet eine Kalibrierung der Einzelkanäle durch sequentielle Datenaufzeichnung der Kanäle bei Abschaltung der nicht benutzten Kanäle stattfindet.In order to accomplish the above and to examine each individual receiving antenna separately from the other individual receiving antennas in the array antenna, the transmitting and receiving device is expediently adapted to receive the signal from the individual receiving antenna to be examined by suitably activating the amplifier which is in the the individual receiving antenna downstream of the individual receiving antenna is provided, whereas the amplifiers of the individual receiving channels connected downstream of the respective other individual receiving antennas are expediently switched off or deactivated. Conveniently, a calibration of the individual channels takes place by sequential data recording of the channels when the unused channels are switched off.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung ist die Kalibriervorrichtung weiter dazu ausgebildet, anhand der Amplitude und Phase des empfangenen Signals für jede Einzelempfangsantenne der Gruppenantenne separat eine herstellungsbedingte Phasenabweichung zu ermitteln.According to an advantageous embodiment, the calibration device is further configured to separately determine a production-related phase deviation based on the amplitude and phase of the received signal for each individual receiving antenna of the array antenna.
Zweckmäßigerweise ist eine Phasenverschiebung am Phasenschieber durch Schalten von Leitungslängen über MEMS-Schalter einstellbar, welche als mikroelektromechanisches System realisiert sind.Advantageously, a phase shift on the phase shifter is adjustable by switching line lengths via MEMS switches, which are implemented as a microelectromechanical system.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung ist der Phasenschieber als digitaler Phasenschieber ausgebildet.According to an advantageous embodiment of the phase shifter is designed as a digital phase shifter.
Zweckmäßigerweise ist dem digitalen Phasenschieber ein analoger Phasenschieber nachgeschaltet, womit in zweckmäßiger Weiterbildung eine Feineinstellung der Phasenverschiebung und/oder ein Ausgleich von durch Temperaturänderungen verursachten Phasenschwankungen und/oder eine Kalibrierung der Einzelempfangskanäle durchgeführt werden kann.Conveniently, the digital phase shifter an analog phase shifter downstream, which in an appropriate refinement, a fine adjustment of the phase shift and / or compensation caused by temperature changes phase fluctuations and / or calibration of the individual receiving channels can be performed.
Zur Unterdrückung von Nebenzipfeln der Gruppenantenne sind die jeweiligen in den Einzelempfangskanälen vorgesehenen Verstärker in der Verstärkung zweckmäßigerweise derart einstellbar, dass die Amplituden der von den Einzelempfangsantennen bereitgestellten Empfangssignale in Bezug auf die Gruppenantenne mit einer Funktion, insbesondere einer Kosinus-Funktion, gewichtet werden.For suppression of side lobes of the array antenna, the respective amplifiers provided in the individual reception channels are expediently adjustable in the amplification, in that the amplitudes of the received signals provided by the individual receiving antennas with respect to the group antenna are weighted with a function, in particular a cosine function.
Zweckmäßigerweise können bis zu acht der Einzelempfangskanäle jeweils als Submodul zusammengefasst werden. Es kann auch zweckmäßig sein, alle Einzelempfangskanäle jeweils zu Submodulen mit je bis zu acht Einzelempfangskanälen zusammenzufassen Conveniently, up to eight of the individual receive channels can each be summarized as a submodule. It may also be convenient to combine all individual receive channels into sub-modules each with up to eight individual receive channels
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung weist das jeweilige Submodul einen Ausgang zur Bereitstellung eines Ausgangssignals auf, welches als Zwischenfrequenzsignal ausgebildet ist und zweckmäßigerweise ein Signal im Basisband darstellt. In zweckmäßiger Weiterbildung stellt das Ausgangssignal ein Summensignal der von den Einzelempfangskanälen des Submoduls verarbeiteten Empfangssignale dar.According to an advantageous embodiment, the respective submodule has an output for providing an output signal, which is designed as an intermediate frequency signal and expediently represents a signal in the baseband. In an expedient development, the output signal represents a sum signal of the received signals processed by the individual receiving channels of the submodule.
Zweckmäßigerweise ist das Submodul monolithisch in einem integrierten Empfängerschaltkreis ausgebildet.Conveniently, the submodule is monolithically formed in an integrated receiver circuit.
In zweckmäßiger Weiterbildung ist der Empfängerschaltkreis in Silizium-Germanium-Technik ausgeführt.In an expedient development of the receiver circuit is carried out in silicon-germanium technology.
Zur Bildung eines gebündelten Antennenstrahls der Strahlschwenkeinrichtung ist zweckmäßigerweise mindestens ein Summierer zur Summierung von Ausgangssignalen der Einzelempfangskanäle bzw. zur Summierung von Ausgangssignalen eines oder mehrerer Submodule, welche aus Einzelempfangskanälen zusammengefasst sind, den Einzelempfangskanälen bzw. Submodulen nachgeschaltet.To form a bundled antenna beam of the beam sweeping device is expediently at least one summer for summing output signals of the individual receiving channels or for summing output signals of one or more submodules, which are combined from individual receiving channels, the individual receiving channels or submodules downstream.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung ist der Summierer im Basisband vorgesehen.According to an advantageous embodiment, the summer is provided in the baseband.
In zweckmäßiger Weiterbildung umfasst eine analoge Signalverarbeitung, welche zweckmäßigerweise auf die Summierung der Ausgangssignale der Einzelempfangskanäle und/oder der zur Submodulen zusammengefassten Einzelempfangskanäle zu einem gebündelten Antennenstrahl der Gruppenantenne folgt, Funktionsbausteine nach Art eines Hochpassfilters, eines 1/f2-Filters, eines AGC und/oder eines Antialisingfilters.In an expedient development, analog signal processing, which expediently follows the summation of the output signals of the individual receive channels and / or the individual receive channels combined into submodules to form a bundled antenna beam of the group antenna, includes function blocks in the manner of a high pass filter, a 1 / f 2 filter, an AGC and / or an anti-aliasing filter.
Zweckmäßigerweise werden auch die von den Einzelempfangskanälen bzw. Submodulen bereitgestellten Hilfssignale einer analogen Signalverarbeitung unterzogen, welche zweckmäßigerweise folgende Funktionsbausteine umfasst: Hochpassfilter, 1/f2-Filter, AGC und/oder Antialisingfilter.Expediently, the auxiliary signals provided by the individual receiving channels or submodules are also subjected to analog signal processing, which expediently comprises the following function modules: high-pass filter, 1 / f 2 filter, AGC and / or anti-aliasing filter.
Zweckmäßig ist der Abstrahlöffnungswinkel von an der Sendeeinrichtung vorgesehenen Sendeantennen derart dimensioniert, dass das Beobachtungsfeld der Gruppenantenne der Empfängereinrichtung vollständig ausgeleuchtet ist.Suitably, the Abstrahlöffnungswinkel is provided by transmitting antennas provided at the transmitting device such that the observation field of the array antenna of the receiver device is completely illuminated.
In zweckmäßiger Weiterbildung sind die Antennen, insbesondere die Sendeantennen und/oder Empfangsantennen, als Streifenleitungsantennen ausgebildet.In an expedient development, the antennas, in particular the transmitting antennas and / or receiving antennas, are designed as stripline antennas.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung liegt die Sende- und Empfangsfrequenz an der Sende- und Empfangseinrichtung im Bereich von 75 GHz bis 85 GHz.According to an advantageous embodiment, the transmission and reception frequency at the transmitting and receiving device is in the range of 75 GHz to 85 GHz.
In zweckmäßiger Weiterbildung ist in jedem Sendekanal ein als spannungsgesteuerter Oszillator ausgebildeter Sendeoszillator vorgesehen ist, welcher in vorteilhafter Ausgestaltung dazu ausgebildet ist, unter anderem ein Lokaloszillatorsignal zweckmäßigerweise der halben Sendefrequenz der Sendefrequenz im Bereich von 75 GHz bis 85 GHz zur Verfügung stellen.In an expedient refinement, a transmitting oscillator designed as a voltage-controlled oscillator is provided in each transmitting channel, which in an advantageous embodiment is designed, inter alia, to provide a local oscillator signal advantageously half the transmitting frequency of the transmitting frequency in the range from 75 GHz to 85 GHz.
Zur Geschwindigkeitskorrektur des Geschwindigkeitsprofils wird die Phasenkorrekturmatrix zweckmäßigerweise elementsweise, d. h. für jedes einzelne Matrixelement, mit der das Geschwindigkeitsprofil darstellenden zweidimensionalen FFT-Matrix des gebündelten Antennenstrahls multipliziert. Die Geschwindigkeitskorrektur kann zweckmäßigerweise auch durch Addition der Phasenanteile der Matrixelemente der Phasenkorrekturmatrix und der Phasenanteile der Matrixelemente der zweidimensionalen FFT-Matrix erfolgen. Zur Durchführung der Korrektur der Bildverzerrungen durch Objektbewegung aus den Hilfskanälen wird also zweckmäßigerweise eine komplexe Phasenkorrekturmatrix gebildet, welche in zweckmäßiger Weiterbildung mit einer der komplexen Summenmatrizen elementweise multipliziert wird.For speed correction of the velocity profile, the phase correction matrix is expediently elementwise, i. H. for each individual matrix element with which the velocity profile representing two-dimensional FFT matrix of the collimated antenna beam multiplies. The speed correction can also be carried out expediently by adding the phase components of the matrix elements of the phase correction matrix and the phase components of the matrix elements of the two-dimensional FFT matrix. To carry out the correction of the image distortions due to object movement from the auxiliary channels, a complex phase correction matrix is thus expediently formed, which in an expedient development is multiplied element by element with one of the complex sum matrices.
Zweckmäßigerweise wird die Phasenkorrekturmatrix aus der Differenz zweier zweidimensionaler FFT-Matrizzen berechnet, welche als Hilfssignale fungierende Ausgangssignale von denjenigen zwei Einzelempfangskanälen darstellen, welche den an den gegenüberliegenden Zeilenenden der als Antennenzeile angeordneten Gruppenantenne vorgesehenen zwei Einzelempfangsantennen nachgeschaltet sind.Expediently, the phase correction matrix is calculated from the difference between two two-dimensional FFT matrices which represent output signals acting as auxiliary signals from those two individual receive channels which are connected downstream of the two individual receive antennas provided at the opposite row ends of the array antenna arranged as antenna line.
Kurze Beschreibung der Abbildungen der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Detaillierte Beschreibung der Abbildungen der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Um die Nebenzipfel dieses Summenstrahls zu unterdrücken, sind die Amplituden der einzelnen Kanäle beispielsweise mit einer Kosinus-Funktion zu gewichten. Dies geschieht durch Verstärker mit einstellbarer Verstärkung am Zwischenfrequenz- bzw. Basisbandausgang des Mischers eines jeden Einzelempfangskanals.In order to suppress the sidelobes of this sum beam, the amplitudes of the individual channels are to be weighted, for example, with a cosine function. This is done by adjustable gain amplifiers at the IF output of the mixer of each individual receive channel.
Die Empfänger werden jeweils bevorzugt in Gruppen zu beispielsweise je 4 Empfängern zusammengefasst und in einem Millimeterwellen-Chip integriert. Hier findet auch bereits eine erste Summierung des Basisband-Signals statt. In dem dem Millimeterwellen-Chip nachgeschalteten Basisbandchip, wie gezeigt in
Die Richtung des Summenstrahls wird durch die Phasenschieber gewährleistet, indem gemäß
Wie in Detail A (siehe
Durch Einsatz von zwei Sendern im zeitlichen Wechsel kann die Apertur der Antenne virtuell fast um den Faktor 2 vergrößert werden. Es wird eine so genannte synthetische Apertur gebildet.
Wichtig ist, dass der Signalpfad vom linken Sender zum Radarziel und weiter zur äußerst rechten Empfangsantenne die gleiche Länge aufweist wie der Signalpfad vom rechten Sender zum Radarziel und weiter zur äußerst linken Empfangsantenne. In
In
Der Sender wird linear in der Frequenz moduliert. Dies geschieht entsprechend
Parallel und zeitlich versetzt zur Abtastung erfolgt die Berechnung der Echoprofile versus der Entfernung eines Objekts (so genanntes Range-Processing). Um eine hohe Geschwindigkeitsauflösung zu erhalten, werden mehrere Modulationsperioden durchfahren. Durch die Bewegung des Objekts ändert sich die Phase eines jeden Echos von Modulationszyklus zu Modulationszyklus. Ordnet man nun die einzelnen Echoprofile in einem Spektrogramm an und rechnet über die Zeilen dieser Matrix eine zweite FFT, so erhält man zusätzlich zum Entfernungsprofil auch ein Geschwindigkeitsprofil, also eine dreidimensionale Darstellung – Echoamplitude versus Geschwindigkeit versus Entfernung. Diese Form der Signalverarbeitung ist auch als 2D-FFT bekannt. Dieser zweite FFT-Schritt erfolgt nach jeder elektronisch eingestellten Position des Antennenstrahls (siehe
Zunächst werden die Phasenschieber für die gewünschte Blickrichtung der Antenne, wie in
Nun wird der linke Sender abgeschaltet. Der zweite Modulationszyklus wird mit dem rechten Sender durchfahren. Dabei sind die Phasenschieber der Einzelempfangskanäle und die Verstärkungsfaktoren, wie in
Auch hier werden die Daten des Summenkanals sowie die Daten des linken Hilfskanals aufgezeichnet und abgespeichert.Here, too, the data of the sum channel as well as the data of the left auxiliary channel are recorded and stored.
Parallel und zeitlich versetzt zur Datenerfassung erfolgt nun die Berechung des Entfernungsprofils aus den Abtastwerten unter Anwendung einer schnellen Fouriertransformation, so genannten Entfernungs-FFT. Diese Operation wird sowohl für den Summenkanal als auch für den jeweiligen Hilfskanal durchgeführt. Danach erfolgen die Bildung eines Spektrogramms und die Berechnung der Doppler-FFT für jeden Datensatz.The calculation of the distance profile from the sampled values using a fast Fourier transformation, so-called distance FFT, now takes place in parallel and with a time offset to the data acquisition. This operation is performed both for the sum channel and for the respective auxiliary channel. This is followed by the formation of a spectrogram and the calculation of the Doppler FFT for each data set.
Um Phasenverschiebungen durch Objektbewegungen, Parameterschwankungen der Bauteile usw. zu kompensieren, werden nun die Phasenwerte der beiden komplexen Range-Doppler-Matrizen der Hilfskanäle voneinander subtrahiert und eine Phasenkorrekturmatrix gebildet. Nun erfolgt eine elementweise Multiplikation der Range-Doppler-Matrix des Summenkanals bei aktivem rechten Sender mit dieser Phasenkorrekturmatrix. Die Phasenverschiebungen durch eine Objektbewegung zwischen den beiden Modulationszyklen sind nun kompensiert und die beiden Matrizen können zum synthetischen Antennenstrahl addiert werden.In order to compensate phase shifts by object movements, parameter fluctuations of the components, etc., the phase values of the two complex range Doppler matrices of the auxiliary channels are subtracted from one another and a phase correction matrix is formed. Now an element-wise multiplication of the range Doppler matrix of the sum channel takes place with the right-hand transmitter active with this phase correction matrix. The phase shifts due to an object movement between the two modulation cycles are now compensated and the two matrices can be added to the synthetic antenna beam.
Im Folgenden wird der Kalibriervorgang des Radarsensor und dessen Notwendigkeit erläutert. Der oben beschriebene Vorgang der elektronischen Strahlschwenkung setzt voraus, dass beim Geradeaus-Blick alle Empfangskanäle phasengleich sind. Dies ist jedoch aufbaubedingt nur schwer zu realisieren. Ferner können Schwankungen von Baureihe zu Baureihe vorliegen. In der Praxis ist deshalb ein Kalibriervorgang für jedes Fertigungslos notwendig. Dieser wird vorteilhaft wie folgt durchgeführt:In the following, the calibration process of the radar sensor and its necessity will be explained. The above-described process of electronic beam steering requires that all receiving channels are in phase when looking straight ahead. However, this is structurally difficult to realize. There may also be variations from series to series. In practice, therefore, a calibration process is necessary for each production lot. This is advantageously carried out as follows:
Im Blockschaltbild von
Über eine so genannte Electronic-Control-Unit (ECU) werden Brems- und Beschleunigungssignale an das Fahrzeug gesendet. Andererseits erhält die ECU über den bordeigenen Signalbus Informationen zur Eigengeschwindigkeit und zur Lenkrad-Position.Braking and acceleration signals are sent to the vehicle via a so-called Electronic Control Unit (ECU). On the other hand, the ECU receives information about the airspeed and the steering wheel position via the on-board signal bus.
Diese Informationen werden zur Unterstützung der Signalauswertung an die Radarsignalverarbeitungseinheit weitergeleitet. Über eine geräteinterne Schnittstelle (SPI) wird der Sender angesteuert. Über eine zweite Schnittstelle werden die Phasenverschieber und Verstärker im Empfänger angesteuert. Dies trägt zur Strahlschwenkung bei. Wie in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Dr. Winfried Mayer mit dem Titel „Abbildender Radarsensor mit sendeseitig geschalteter Gruppenantenne”, Cuvillier Verlag, Göttingen 2008, ISBN 978-3-86727-565-1 [0003] Dr. Winfried Mayer entitled "Imaging radar sensor with transmitting side switched group antenna", Cuvillier Verlag, Göttingen 2008, ISBN 978-3-86727-565-1 [0003]
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