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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Radarsensor mit einem über eine Phasenregelschleife angesteuerten Oszillator und einer in der Phasenregelschleife enthaltenen Filterschaltung.
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Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einem Radarsensor für Kraftfahrzeuge, der beispielsweise in einem ACC-System (Automatic Cruise Control) oder einem Pre-Crash-System dazu dient, die Abstände und Relativgeschwindigkeiten vorausfahrender Fahrzeuge zu messen, so dass eine automatische Abstandsregelung bzw. eine frühzeitige Kollisionserkennung ermöglicht wird.
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Der Oszillator erzeugt ein Radarsignal, dass im Fall eines FMCW-Radar (Frequency Modulated Continuous Wave) mit abwechselnden steigenden und fallenden Rampen in seiner Frequenz moduliert und dann über eine Antennenanordnung abgestrahlt wird. Das an den georteten Objekten reflektierte Radarecho wird von der Antennenanordnung empfangen und in einem Mischer mit dem Signal des Oszillators zu einem Zwischenfrequenzsignal gemischt, dessen Frequenz Information über den Abstand und die Relativgeschwindigkeit des Objekts enthält. Bei einem winkelauflösenden Radarsensor mit mehreren versetzt zur optischen Achse angeordneten Antennenelementen lässt sich darüber hinaus durch Vergleich der Phasen und Amplituden der von den verschiedenen Antennenelementen empfangenen Radarechos auch Information über den Azimutwinkel des Objekts gewinnen.
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Die Phasenregelschleife dient zur Stabilisierung der Frequenz- und Phasenlage des Oszillators durch Verriegelung der Oszillatorfrequenz mit der Frequenz eines Referenzoszillators. Die Übertragungsfunktion der Filterschaltung in der Phasenregelschleife bestimmt die Reaktion des Oszillators auf Phasendifferenzen gegenüber dem Referenzoszillator.
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Vor dem Einbau des Radarsensors in ein Kraftfahrzeug werden die elektronischen Komponenten des Radarsensors einschließlich der Filterschaltung getestet. Während des Einsatzes des Radarsensors im Kraftfahrzeug ist bisher kein Test der Filterschaltung mehr möglich. Ein Fehler in der Filterschaltung, beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses oder Leitungsbruches, beeinträchtigt die Frequenz- und Phasenstabilität des Oszillators und damit die Funktion und Zuverlässigkeit des Radarsensors. Insbesondere verschlechtert sich dadurch das Signal/Rausch-Verhältnis so dass (sicherheits-)relevante Objekte leicht durch das Rausch-Spektrum verdeckt werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Verlässlichkeit des Radarsensors zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Überwachungsschaltung mit einer Stromquelle, über die ein Testfrequenzsignal auf die Filterschaltung aufschaltbar ist, und mit einer Auswerteschaltung zur Auswertung der Reaktion der Filterschaltung auf das Testfrequenzsignal.
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Die Überwachungsschaltung ermöglicht es, die Filterschaltung während des Einsatzes des Radarsensors im Kraftfahrzeug von Zeit zu Zeit zu testen, so dass etwaige Fehler erkannt und abgestellt werden können.
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Die Verwendung eines Testfrequenzsignals, das von einer eigens zu diesem Zweck vorgesehenen Stromquelle erzeugt wird, hat den Vorteil, dass der Test bei einer von der Referenzfrequenz unabhängigen Frequenz durchgeführt werden kann. Das erlaubt es, Fehler in der Filterschaltung mit hoher Verlässlichkeit zu erkennen. Die Testmessung kann bei geschlossener Phasenregelschleife durchgeführt werden.
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Die Überwachungsschaltung lässt sich auf einfache Weise mit elektronischen Komponenten realisieren, die auch in herkömmlichen Radarsensoren bereits eingesetzt werden und für den Aufbau der Überwachungsschaltung lediglich dupliziert zu werden brauchen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Im einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Testfrequenz variiert werden. Dadurch wird eine Messung des Frequenzgangs der Filterkomponenten ermöglicht.
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Die Auswerteschaltung kann durch einen Analog/Digital-Wandler mit nachgeschalteter Fourier-Transformationsstufe gebildet werden, in der durch schnelle Fourier-Transformation (FFT) das Frequenzspektrum der mit dem Testfrequenzsignal beaufschlagten Filterschaltung aufgezeichnet wird. Durch eine Analyse dieses Spektrums, beispielsweise durch Soll/Ist-Vergleich bei der Testfrequenz oder einer Harmonischen derselben, lassen sich Fehler in der Filterschaltung zuverlässig erkennen.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Schaltbild der wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Radarsensors; und
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2 Ergebnisse einer Simulationsrechnung zur Illustration der Wirkungsweise einer Überwachungsschaltung.
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In 1 sind die für die Erfindung wesentlichen Schaltungskomponenten eines erfindungsgemäßen Radarsensors dargestellt. Ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) 10 erzeugt ein Radarsignal, dass über einen Mischer 12 in eine Antenne 14 des Radarsensors eingekoppelt wird. Das von der Antenne empfangene Radarecho wird im Mischer 12 mit dem Signal des Oszillators 10 gemischt, so dass man ein Zwischenfrequenzsignal ZF erhält, das in einem Analog/Digital-Wandler 16 digitalisiert und in einer Fourier-Transformationsstufe (FFT) 18 in ein Spektrum zerlegt wird, aus dem sich dann in bekannter Weise die Abstände und Relativgeschwindigkeiten der georteten Objekte bestimmen lassen.
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Die Frequenz des Oszillators 10 wird in einer Phasenregelschleife geregelt. Ein Referenzoszillator 20, z. B. ein Quarzoszillator, erzeugt eine stabile Referenzfrequenz, die in einem Frequenzteiler 22 mit einem bestimmten Teilungsfaktor R geteilt und dann einem Eingang eines Phasenvergleiches 24 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Oszillators 10 wird in einem weiteren Frequenzteiler 26 mit einem Teilungsfaktor N geteilt und dem anderen Eingang des Phasenvergleichers 24 zugeführt. Das Vergleichsergebnis dient zur Ansteuerung einer Stromquelle 28 (Ladungspumpe), die eine Steuerspannung für den Oszillator 10 erzeugt. Zusätzlich kann dem Eingang des Oszillators 10 ein Modulationssignal M zugeführt werden, um die Eingangsspannung und damit die Frequenz des Oszillators zu modulieren.
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Zwischen dem Ausgang der Stromquelle 28 und dem Eingang des Oszillators 10 sind eine Filterschaltung 30 und, wahlweise, ein Verstärker 32 und ein Rippelfilter 34 angeordnet. Die Filterschaltung wird im gezeigten Beispiel durch Kondensatoren C1 und C2 und einen Widerstand R gebildet.
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Abhängig von der vom Phasenvergleicher 24 festgestellten Phasendifferenz wird die dem Oszillator 10 zugeführte Spannung damit dessen Frequenz erhöht oder gesenkt, so dass langfristig die durch N dividierte Ausgangsfrequenz des Oszillators 10 mit der durch R dividierten Frequenz des Referenzoszillators 16 in Übereinstimmung gehalten wird.
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Die bisher beschriebene Schaltung entspricht dem Aufbau eines herkömmlichen Radarsensors.
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Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine Überwachungsschaltung 36 vorgesehen, die es während des Einsatzes des Radarsensors im Kraftfahrzeug jederzeit erlaubt, die Filterschaltung 30 zu testen und so etwaige Fehler festzustellen, die im Laufe des Betriebs in der Filterschaltung aufgetreten sein mögen.
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Die Überwachungsschaltung 36 enthält einen Frequenzteiler 38, der die Referenzfrequenz des Referenzoszillators 16 mit einem Faktor F teilt, und eine zusätzliche Stromquelle 40, die im Prinzip wie die Stromquelle 28 in der Phasenregelschleife aufgebaut ist und deren beiden Eingängen das Ausgangssignal des Frequenzteilers 38 und das invertierte Ausgangssignal dieses Frequenzteilers zugeführt werden. Am Ausgang der Stromquelle 40 erhält man so ein (aus Rechteckpulsen bestehendes) Testfrequenzsignal TF, dessen Frequenz (Testfrequenz) über den Teilungsfaktor F des Frequenzteilers 38 einstellbar ist. Dieses Testfrequenzsignal TF wird der Filterschaltung 30 zugeführt und dem von der Stromquelle 28 in der Phasenregelschleife erzeugten Signal überlagert.
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Der Spannungsabfall über der Filterschaltung 30 wird in einem Analog/Digital-Wandler 42 mit hinreichender zeitlicher Auflösung digitalisiert. Aus dem digitalen Zeitsignal wird in einer Fourier-Transformationsstufe 44 ein Spektrum erzeugt, in dem sich etwaige Funktionsstörungen der Filterschaltung 30 mit hoher Zuverlässigkeit erkennen lassen.
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Ein Fehler in der Filterschaltung 30 hat auch einen gewissen Einfluss auf die Referenzunterdrückung in der Phasenregelschleife, also auf die Form des in der Fourier-Transformationsstufe 44 erhaltenen Spektrums im Bereich der Referenzfrequenz. Diese Referenzunterdrückung ist jedoch von zahlreichen anderen Faktoren abhängig, beispielsweise von Bauelementestreuungen. Durch diese Faktoren wird der Effekt, den ein Fehler in der Filterschaltung 30 im Spektrum verursacht, weitgehend kaschiert, so dass eine zuverlässige Bewertung der Filterschaltung anhand der Referenzunterdrückung unmöglich oder zumindest sehr unzuverlässig wäre. Die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung 36 ermöglicht dagegen einen Test mit einer von der Referenzfrequenz unabhängigen Testfrequenz, die so gewählt werden kann, dass eine verlässliche Bewertung der Filterschaltung möglich wird. Darüber hinaus bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Testfrequenz zu variieren und so den Frequenzgang der Filterschaltung 30 zu messen. Zu diesem Zweck erhält die Überwachungsschaltung 36 im gezeigten Beispiel von einer übergeordneten (nicht gezeigten) Steuereinrichtung zwei Befehlssignale S1 und S2. Mit dem Befehlssignal S1 wird die Stromquelle 40 ein- und ausgeschaltet und somit ein Test der Filterschaltung eingeleitet und beendet. Während der Testphase bleibt die Phasenregelschleife geschlossen. Mit dem Befehlssignal S2 wird der Frequenzteiler 36 auf ein anderes Teilungsverhältnis umgeschaltet und damit die Testfrequenz variiert.
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Statt die Spannung an der Filterschaltung 30 abzugreifen, kann der Analog/Digital-Wandler 42 wahlweise auch die Spannung am Ausgang des Verstärkers 32 und/oder am Ausgang des Rippelfilters 34 abgreifen, so dass auch diese Komponenten in die Überwachung mit eingezogen werden können. Die entsprechenden Spannungsabgriffe sind in 1 gestrichelt eingezeichnet.
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Der Analog/Digital-Wandler 42 und die Fourier-Transformationsstufe 44 sind hier als Teil der Überwachungsschaltung 36 dargestellt, können jedoch wahlweise auch in einem externen Bauteil, einem ohnehin vorhandenen Mikrocontroller oder auf einem ASIC implementiert sein.
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Der Test der Filterschaltung 30 wird vorzugsweise während einer Betriebsphase durchgeführt, in der zwar der Radarsensor in Betrieb ist, jedoch keine Auswertung der Ortungssignale stattfindet. Die Funktion der Fourier-Transformationsstufe 44 kann dann ggf. auch von der Fourier-Transformationsstufe 18 übernommen werden, die normalerweise zur Auswertung der Ortungssignale dient. Entsprechend kann mit Hilfe eines Multiplexers auch der Analog/Digital-Wandler 16 so betrieben werden, dass er auch die Funktion des Analog/Digital-Wandlers 42 ausführt.
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2 illustriert ein Spektrum, wie es von der Fourier-Transformationsstufe 44 aufgenommen würde. Auf der Abszisse ist die Frequenz in MHz aufgetragen und auf der Ordinate die Signalstärke A (in dB), die dem Spannungsabfall über der Filterschaltung 30 bzw. am Ausgang des Verstärkers 32 oder des Rippelfilters 34 entspricht. Die Graphik in 2 beruht auf einer Simulationsrechnung für eine Referenzfrequenz von 1 MHz und eine Testfrequenz von 100 kHz. Die schwarzen Punkte 46 geben für jede Frequenz den Sollwert an, den man bei einwandfreier Funktion der Filterschaltung 30 erwarten würde. Man erkennt einen deutlichen Peak bei der Referenzfrequenz von 1 MHz sowie jeweils deutlich erhöhte Signalstärken bei den höheren Harmonischen der Testfrequenz von 100 kHz.
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Die vertikalen Balken 48 in 2 geben das Spektrum für den Fall an, dass in der Filterschaltung 30 in 1 der Kondensator C1 kurzgeschlossen ist. Beispielsweise erhält man bei der Frequenz von 300 kHz, also der dritten Harmonischen der Testfrequenz, einen Soll/Ist-Abstand K von etwa 15 dB. Anhand dieses deutlichen Soll/Ist-Abstands ließe sich ein Kurzschluss des Kondensators C1 in der Filterschaltung 30 zuverlässig erkennen. Für andere Fehlertypen in der Filterschaltung 30 erhielte man ähnlich deutliche Abweichungen im Spektrum.
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Wenn durch Analyse des Spektrums erkannt wird, dass die Filterschaltung 30 oder der Verstärker 32 oder der Rippelfilter 34 nicht einwandfrei arbeitet, wird ein Fehlersignal erzeugt, der Radarsensor und das zugehörige Fahrerassistenzsystem (beispielsweise ein ACC-System) wird deaktiviert, und der Fahrer erhält eine Aufforderung, eine Werkstatt aufzusuchen, damit der Fehler behoben werden kann.
