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Die Erfindung betrifft eine Radar-Vorrichtung mit wenigstens zwei Antennen-Arrays sowie mit einer Auswerteeinheit, mittels welcher ein Beamforming (Strahlformung) durchgeführt werden kann, bei welchem ein Hauptstrahl (Englisch: Main Beam) einer Gruppencharakteristik der Antennen-Arrays verschwenkbar ist. Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Erzeugen einer vorbestimmten Gruppencharakteristik eines Radars, wobei der Hauptstrahl der Gruppencharakteristik verschwenkbar ist.
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Bei einer Radar-Vorrichtung kann vorgesehen sein, zu einzelnen Messobjekten auch eine Winkelmessung in Azimut oder Elevation durchzuführen. Die Winkelbestimmung erfolgt dabei unter Verwendung mehrerer Empfangsantennen, die räumlich versetzt zueinander angeordnet sind. Ein solches winkelauflösendes Radar wird auch als abbildendes Radar bezeichnet.
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Die winkelabhängige Erfassung eines Messobjekts kann dabei durch digitales Beamforming (DBF-Radar – Digital Beamforming Radar) ermöglicht sein. Hierbei werden die Signale der einzelnen Empfangskanäle, d. h. der einzelnen Empfangsantennen und ihren nachgeschalteten Empfangseinheiten, über einen Analog-Digital-Wandler in digitale Empfangssignale umgewandelt und gespeichert. Die Empfangssignale einer Gruppe von Antennen können dann durch eine Auswerteeinheit zeitlich gegeneinander verschoben und gegebenenfalls auch skaliert werden, um anschließend zu einem Beamforming-Signal aufsummiert zu werden. Bei einem solchen resultierenden Beamforming-Signal ergibt sich dann für die in den Empfangssignalen enthaltenen Signale einzelner Messobjekte eine richtungsabhängige Dämpfung, die aus der Gruppencharakteristik des Antennenarrays resultiert. Eine andere Bezeichnung lautet Gruppenfaktor. Typischerweise ist bei einer solchen Gruppencharakteristik ein Hauptstrahl oder eine Hauptkeule ausgebildet, welche eine Vorzugsrichtung angibt. Signale eines Messobjekts aus dieser Vorzugsrichtung sind in dem Beamforming-Signal verhältnismäßig wenig gedämpft, während für Signale von Messobjekten aus einem anderen Raumwinkel eine stärkere Dämpfung resultiert. Durch Bilden weiterer Beamforming-Signale, bei denen der Hauptstrahl der Gruppencharakteristik in unterschiedliche Richtungen geschwenkt ist, kann so ein Raumwinkelbereich in einer Umgebung der Radar-Vorrichtung nach Messobjekten abgetastet werden. Hierdurch erhält man dann ein Abbild der Umgebung.
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Zu einem solchen abbildenden Radar ist auch bekannt, einen Hauptstrahl zum Bilden einer zweidimensionalen Abbildung eines Szenarios in zwei Raumrichtungen (z. B. Azimut und Elevation) zu verschwenken. Hierzu muss eine digitale Strahlformung in zwei Raumrichtungen durchgeführt werden. Dazu wird dann eine entsprechend größere Anzahl von Empfängern bereitgestellt. Dies bedeutet einen größeren Hardware- und Kostenaufwand. Des Weiteren sind aufgrund der größeren Zahl von Empfangskanälen ein größerer räumlicher Platzbedarf und ein größerer Speicherbedarf für die Datenverarbeitung erforderlich.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Hardwareaufwand zum Bereitstellen eines zweidimensional abbildenden Radars zu verringern.
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Die Aufgabe wird durch eine Radar-Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Radar-Vorrichtung wird ein zweidimensional abbildendes Radar durch Bereitstellen mehrerer Sender und mehrerer Empfänger ermöglicht. Hierdurch kann ein Beamforming durchgeführt werden, bei dem eine Ausrichtung eines Hauptstrahls der Gruppencharakteristik unabhängig in zwei unterschiedliche Raumrichtungen verschwenkt und somit eine zweidimensionale Abbildung eines zu messenden Szenarios erzeugt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Radar-Vorrichtung umfasst dazu wenigstens ein Sende-Array, welches eine Mehrzahl von Sendeantennen aufweist, mittels welchen jeweils ein Radar-Sendesignal ausgesendet werden kann. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Radar-Vorrichtung wenigstens ein Empfangs-Array, welches eine Mehrzahl von Empfangsantennen aufweist. Die Empfangsantennen sind dabei jeweils derart ausgelegt, dass ein von wenigstens einer der Sendeantennen ausgesendetes Radar-Sendesignal (nach einer Reflexion durch ein Messobjekt in einer Umgebung der Radar-Vorrichtung) empfangen und als Empfangssignal bereitgestellt werden kann.
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Für eine Weiterverarbeitung der Empfangssignale weist die erfindungsgemäße Radar-Vorrichtung des Weiteren eine Auswerteeinheit auf. Mit dieser ist eine Strahlformung sowohl sendeseitig als auch empfangsseitig ermöglicht. Dies bedeutet, dass mittels der Auswerteeinheit auf der Grundlage von Radar-Sendesignalen mehrerer unterschiedlicher Sendeantennen ein Sende-Beamforming mit einem verschwenkbaren Sende-Hauptstrahl gebildet werden kann (sendeseitiges Beamforming). Zusätzlich kann auf der Grundlage von Radar-Empfangssignalen mehrerer Empfangsantennen ein Empfangs-Beamforming mit einem verschwenkbaren Empfangs-Hauptstrahl gebildet werden (empfangsseitiges Beamforming).
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Bei der erfindungsgemäßen Radar-Vorrichtung ist dabei vorgesehen, dass der Sende-Hauptstrahl und der Empfangs-Hauptstrahl in zwei unterschiedliche Raumrichtungen verschwenkbar sind. Hierdurch ergibt sich dann der gewünschte Effekt, dass durch die Überlagerung einer Sende-Gruppencharakteristik des Sende-Arrays und einer Empfangs-Gruppencharakteristik des Empfangs-Arrays ein resultierender Hauptstrahl gebildet werden kann, der in eine gewünschte Raumrichtung weist. Mit anderen Worten ist der Hauptstrahl der Gruppencharakteristik der gesamten Radar-Vorrichtung beliebig in zwei Raumrichtungen ausrichtbar. Hierdurch sind dann in dem zugehörigen Beamforming-Signal im Wesentlichen nur diejenigen reflektierten Radar-Sendesignale eines Messobjekts enthalten, das sich in dieser Raumrichtung befindet. Durch entsprechende geometrische Auslegung des Sende-Arrays und des Empfangs-Arrays kann hierbei erreicht werden, dass Fehlortungssignale aufgrund von Nebenkeulen der Gruppencharakteristiken unterhalb einer vorbestimmbaren Schwelle gehalten sind.
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Auch durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Radarabtastung mit einer Gruppencharakteristik gebildet, bei welcher ein Hauptstrahl in zwei unterschiedliche Raumrichtungen verschwenkbar ist. Bei den erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Mehrzahl von Radar-Sendesignalen mittels einer entsprechenden Anzahl von Sendeantennen ausgesendet. Zu jedem dieser Radar-Sendesignale wird eine Mehrzahl von Empfangssignalen mittels einer entsprechenden Anzahl von Empfangsantennen empfangen. Durch Kombinieren von wenigstens zweien der Empfangssignale wird dann wenigstens ein Beamforming-Signal gemäß einer vorbestimmten Gruppencharakteristik gebildet. Diese kann gegebenenfalls durch eine Phasenverschiebung (zeitliche Verzögerung) eines Empfangssignals im Verhältnis zu einem anderen Empfangssignal und gegebenenfalls durch eine Skalierung der Empfangssignale vor dem additiven Überlagern der Empfangssignale eingestellt werden. Entsprechende Algorithmen zur Strahlformung sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt.
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Die erfindungsgemäße Radar-Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren weisen den Vorteil auf, dass das zweidimensional abbildende Radar mit einer Winkelmessung sowohl in Azimut als auch Elevation nicht durch einen Empfänger mit entsprechend aufwendiger Hardware bereitgestellt wird, sondern durch eine Kombination aus einem Sende-Array und einem Empfangs-Array. Hierzu hat sich herausgestellt, dass ein geeignetes Sende-Array mit einem weitaus geringeren Hardwareaufwand bereitgestellt werden kann. Zudem lässt sich die resultierende Anordnung auch mit einem geringeren Steuerungsaufwand betreiben.
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So sieht etwa eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, zumindest einige der Radar-Sendesignale nach einem Zeitmultiplex-Verfahren nacheinander auszusenden. Bei dieser Ausführungsform genügt es also, nacheinander die Antennen des Sende-Arrays einzeln zu aktivieren und anschließend wieder zu deaktivieren. Die zur Durchführung dieser Ausführungsform des Verfahrens benötigte Hardware ist sehr kostengünstig und einfach zu steuern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, zumindest einige der Radar-Sendesignale nach einem Frequenzmultiplex-Verfahren zeitgleich auszusenden. Die Radar-Sendesignale der einzelnen Antennen lassen sich hierbei anhand ihrer Frequenzspektren unterscheiden. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass eine Ortung eines Messobjekts mittels der unterschiedlichen Sendeantennen zeitgleich erfolgt.
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Indem die Radar-Sendesignale der einzelnen Antennen zeitlich und/oder spektral getrennt ausgesendet werden, ergibt sich zu jedem Radar-Sendesignal einer Sendeantenne eine Mehrzahl von Empfangssignalen, nämlich jeweils ein Empfangssignal pro Empfangsantenne. Werden also n Sendeantennen verwendet und deren Signale jeweils mit m Empfangsantennen empfangen, so ergeben sich n mal m Empfangssignale. Diese lassen sich hinterher zum Bilden vieler Beamforming-Signale kombinieren, die jeweils einer Gruppencharakteristik mit unterschiedlich ausgerichtetem Hauptstrahl entsprechen können. Entsprechend sieht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, hierdurch insgesamt eine zweidimensionale Abtastung einer Umgebung des Radar-Systems innerhalb eines vorbestimmten Raumwinkelbereichs zu erzeugen. Mit anderen Worten ergibt sich durch diese Ausführungsform eine zweidimensionale Abbildung von Messobjekten in dem Raumwinkelbereich der Umgebung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird es sogar ermöglicht, eine dreidimensionale Abbildung dieses Raumbereichs zu erzeugen. Hierzu wird auf der Grundlage der Radar-Sendesignale und der Empfangssignale zusätzlich eine Entfernungsmessung durchgeführt. Dies ist beispielsweise durch eine Laufzeitmessung der Radar-Sendesignale möglich, durch welche eine Zeitdauer zwischen dem Aussenden des Radar-Sendesignals und dem Empfangen des entsprechenden von einem Messobjekt in der Umgebung reflektierten Empfangssignals gemessen wird.
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Auf der Grundlage der Radar-Sendesignale und der Empfangssignale ist zusätzlich auch eine Geschwindigkeitsmessung zu einem die Radar-Sendesignale reflektierenden Objekt durchführbar.
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Um die unterschiedlichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit geringem Aufwand durchführen zu können, sind auch bei der erfindungsgemäßen Radar-Vorrichtung vorteilhafte Weiterbildungen vorgesehen.
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So sieht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radar-Vorrichtung vor, dass durch die Auswerteeinheit beim Sende- Beamforming eine den Sende-Hauptstrahl beschreibende Gruppencharakteristik des Sende-Arrays durch digitale Strahlformung gebildet wird. Die Gruppencharakteristik wird dabei auf der Grundlage von Empfangssignalen gebildet, die zu Radar-Sendesignalen unterschiedlicher Sende-Antennen mittels der Empfangsantennen empfangen wurden. Das eigentliche Beamforming findet also bei dieser Ausführungsform nicht während des Aussendens der Radar-Sendesignale statt, sondern im Nachhinein durch Kombinieren der Empfangssignale. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass nach dem Empfangen der Empfangssignale zunächst alle Informationen zur Verfügung stehen, um beliebig ausgerichtete Gruppencharakteristiken zu bilden. Mittels der digitalen Strahlformung können dann diejenigen Informationen extrahiert werden, die gerade benötigt werden.
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Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass kein mechanisches Schwenken der Sendeantennen nötig ist.
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Genauso ist es möglich, das Empfangs-Beamforming durch eine digitale Strahlformung zu erzeugen. Mit anderen Worten kann auch der Empfangs-Hauptstrahl der Gruppencharakteristik des Empfangs-Arrays durch eine digitale Strahlformung auf der Grundlage von Empfangssignalen gebildet werden, die hierbei allerdings mittels unterschiedlicher Empfangsantennen empfangen worden sein müssen. Auch hierbei ergibt sich wieder der Vorteil, dass das Einstellen einer bestimmten Ausrichtung des Empfangs-Hauptstrahls der Gruppencharakteristik im Nachhinein erfolgen kann, da in den einzelnen (unverarbeiteten) Empfangsignalen die Richtungsinformationen zum Bilden einer Vielzahl von unterschiedlich ausgerichteten Hauptstrahlen enthalten sind. Auch hier erübrigt sich zudem wieder das mechanische Schwenken der Antennen.
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Alternativ zu einer digitalen Strahlformung kann auch vorgesehen sein, dass der Hauptstrahl des Sende-Arrays mittels eines Phase-Shifting oder einer Rotman-Linse ausgerichtet wird.
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Besonders effizient lassen sich ein Sende-Array und auch ein Empfangs-Array betreiben, wenn zumindest einige von deren jeweiligen Antennen entlang einer Erstreckungsrichtung des jeweiligen Arrays in einer geraden Reihe angeordnet sind. Die jeweiligen Antennen können dabei linear, d. h. äquidistant, oder auch nicht-linear angeordnet sein. Um dabei eine hohe Abbildungsqualität mittels der erfindungsgemäßen Radar-Vorrichtung zu erhalten, hat es sich des Weiteren als besonders günstig erwiesen, wenn ein Sende-Array und ein Empfangs-Array in folgender Weise angeordnet sind: in einer L-Form, einer T-Form, als Kreuz oder als Rechteck. Bei diesen Anordnungen ist es möglich, die Abstände zwischen den einzelnen Sendeantennen einerseits und die Abstände zwischen den Empfangsantennen andererseits für eine bestimmte Anwendung mit nur unwesentlichen Beschränkungen vorgeben zu können. Zugleich ist es dabei aber möglich, das Sende-Array und das Empfangs-Array in der Weise in Relation zueinander anzuordnen, dass die beiden Arrays voneinander entkoppelt sind und dennoch eine kompakte Anordnung bilden.
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Im Zusammenhang mit den verwendbaren Radar-Sendesignalen ist die Radar-Vorrichtung auf keinen bestimmten Typ von Signalen festgelegt. Als günstig hat sich jedoch die Verwendung eines FMCW-Signals (FMCW – Frequenzy Modulated Continuous Wave) als Radar-Sendesignal erwiesen.
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Um sowohl in Azimut als auch in Elevation eine Winkelmessung mit gleichmäßiger Auflösung zu erhalten, ist bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radar-Vorrichtung vorgesehen, dass wenigstens ein Sende-Array und wenigstens ein Empfangs-Array die gleiche Anzahl von Antennen aufweisen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Antennen gleiche oder ähnliche Einzelcharakteristiken aufweisen. Andernfalls ist die gleichmäßige Auflösung auch mit zwei unterschiedlich besetzten Arrays erzielbar.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Radar-Vorrichtung, welche Merkmale aufweisen, wie sie schon in Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wurden. Genauso umfasst die Erfindung Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche den beschriebenen Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Radar-Vorrichtung entsprechen. Diese Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Radar-Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind hier deshalb nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Antennen-Arrays eines Radar-Geräts gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radar-Vorrichtung,
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2 ein Blockdiagramm zu dem Radar-Gerät von 1 und
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3 mögliche weitere Anordnungen von Antennen-Arrays von Radar-Geräten gemäß anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Radar-Vorrichtung.
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Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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In 1 ist ein Radar-Gerät 10 gezeigt. Es kann sich dabei um ein Radar-Gerät handeln, wie es in einem Kraftwagen, einem medizinischen Gerät oder einer industriellen Fertigungsanlage eingebaut sein kann. So kann das Radar-Gerät 10 dazu ausgelegt sein, von einem Kraftfahrzeug aus, in welchem es eingebaut ist, vorausfahrende oder nachfolgende Kraftfahrzeuge zu orten, Fußgänger oder Radfahrer zu erkennen oder auch beispielsweise die Höhe einer über einer Fahrbahn verlaufenden Brücke abzuschätzen. Das Radar-Gerät 10 kann auch beispielsweise an einem Ende eines Förderbands für den Tagebau angebracht sein. Hierbei kann es dazu ausgelegt sein, das Verschwenken des Förderbands und das Andocken desselben an ein weiteres Förderband zu steuern, indem mittels der Signale des Radar-Geräts 10 das Ende des Förderbands bezüglich eines weiteren Geräts ausgerichtet wird. Bei entsprechender Auslegung des Radar-Geräts 10 kann bei einem Schienenfahrzeug ermöglicht werden, von einer elektrischen Lok aus eine Oberleitung zu detektieren und einen entsprechenden Strom-Abgreifer zur Oberleitung hin zu verfahren. In einer industriellen Fertigungsanlage können mittels eines entsprechend ausgelegten Radar-Geräts 10 beispielsweise Produktionsgüter auf einem Fließband geortet werden. Das Radar-Gerät 10 kann natürlich auch dazu ausgelegt sein, Flugzeuge in einem Luftraum zu orten.
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Das Radar-Gerät 10 weist zwei Antennen-Arrays auf, von denen eines ein Sende-Array SA und eines ein Empfangs-Array EA ist. Das Sende-Array SA umfasst eine Mehrzahl m von Sendeantennen 12, 14. Diese sind jeweils mit einer Sendeeinheit SE1 bis SEn verbunden. In 1 sind von den Sendeantennen 12, 14 und den Sendeeinheiten SE1 bis SEn jeweils nur drei dargestellt. Mögliche weitere Elemente sind durch Auslassungspunkte lediglich symbolisch angedeutet. Das Empfangs-Array EA weist eine Mehrzahl m von Empfangsantennen 16, 18 auf, die jeweils mit einer Empfangseinheit EE1 bis EEm verbunden sind. Zusätzlich zu dem in 1 gezeigten Empfangsantennen 16, 18 und den zugehörigen Empfangseinheiten EE1 bis EEm kann das Radar-Gerät 10, wie durch Auslassungspunkte angedeutet, weitere dieser Elemente aufweisen. Es müssen mindestens zwei Sendeantennen und mindestens zwei Empfangsantennen vorliegen. Die Anzahl der Sende- und Empfangsantennen kann unterschiedlich sein, wird aber vorzugsweise gleich gewählt (n = m). Bei den Antennen kann es sich beispielsweise um Patch-Antennen oder Horn-Antennen handeln.
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Die Sendeantenne 12, 14 des Sende-Arrays SA sind in einer geraden Reihe nebeneinander angeordnet. Auch die Empfangsantennen 16, 18 des Empfangsarrays EA sind in einer geraden Reihe angeordnet. Die Reihe der Sendeantennen 12, 14 und die Reihe der Empfangsantennen 16, 18 sind dabei rechtwinklig zueinander in einer L-Form angeordnet. Das Sende-Array SA und das Empfangs-Array EA weisen die gleiche Polarisation auf, so dass Sende-Signale des Sende-Arrays SA mit dem Empfangs-Array EA empfangbar sind.
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Durch eine Auswerteeinheit AE wird eine digitale Strahlformung sowohl sendeseitig als auch empfangsseitig durchgeführt. Die einzelnen Sendeantennen 12, 14 des Sende-Arrays SA werden entweder einzeln oder in Gruppen nacheinander oder auch alle zeitlich parallel mittels einer Ansteuerlogik AL betrieben. Die Empfangseinheiten EE1 bis EEm welche die Signale der Empfangsantennen 16, 18 des Empfangs-Arrays EA entgegennehmen und verarbeiten werden stets parallel betrieben.
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Das Radar-Gerät 10 stellt ein zweidimensional abbildendes Radar in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich 20 bereit. Durch die in 1 gezeigte orthogonale Anordnung des Sende-Arrays SA und des Empfangs-Arrays EA wird dazu bei der digitalen Strahlformung eine Hauptkeule bzw. ein Hauptstrahl einer Gruppencharakteristik entlang zweier räumlicher Richtungen innerhalb des Raumwinkelbereichs 20 ausgerichtet und hierbei der Raumbereich 20 zweidimensional abgetastet. Durch die Auswerteeinheit AE wird des Weiteren auch ein Abstand von in dem Raumwinkelbereich 20 befindlichen Messobjekten zu dem Radar-Gerät 10 ermittelt. Somit ergibt sich insgesamt durch die Signalverarbeitung der Auswerteeinheit AE eine dreidimensionale Abbildung eines Szenarios innerhalb des Raumwinkelbereichs 20.
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Für die folgende Erläuterung der Funktionsweise des Radar-Geräts 10 sei angenommen, dass die Sendeeinheiten SE1 bis SEn durch die Ansteuerlogik AL sequenziell angesteuert werden. Hierbei wird zunächst ein Radar-Sendesignal über die erste Sendeeinheit SE1 und die mit dieser verbundenen Sendeantenne 12 ausgestrahlt. Zu diesem Radar-Sendesignal wird durch alle Empfangsantennen 16, 18 des Empfangs-Arrays EA und die Empfangseinheiten EE1 bis EEm jeweils ein Empfangssignal empfangen und an die Auswerteeinheit AE weitergeleitet. Somit stehen für das Radar-Sendesignal der Sendeeinheit SE1 insgesamt m Empfangssignale zur Verfügung. Die Empfangssignale können dabei beispielsweise mittels eines Analog-Digital-Wandlers abgetastet und als digitale Signale in der Auswerteeinheit AE gespeichert werden. Eine Messung mittels einer Sendeeinheit kann hierbei beispielsweise innerhalb von weniger als 1 ms, z. B. 100 µs, durchgeführt werden. Die Messdauer ist insbesondere von der verwendeten Hardware abhängig.
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Anschließend wird die Radarmessung mit der Sendeeinheit SE2 in der gleichen Weise durchgeführt. Nach Durchlauf des gesamten Sendezyklus mit sämtlichen Sendeeinheiten SE1 bis SEn stehen somit pro Sendeeinheit die Messwerte der parallel betriebenen m Empfangseinheiten EE1 bis EEm in einem Speicher der Auswerteeinheit AE zur Verfügung.
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Die so erhaltenen Messwerte können durch die Auswerteeinheit AE auf der Grundlage von an sich bekannten Algorithmen zur digitalen Strahlformung ausgewertet werden. Beispiele für geeignete Algorithmen sind ein Delay-and-Sum-Algorithmus, ein Maximum Likelihood-Algorithmus und ein MUSIC-Algorithmus (MUSIC- Multiple Signal Classification).
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Mit dem Radar-Gerät 10 lassen sich mit entsprechenden Algorithmen bei der Reflexion der Radar-Sendesignale durch mehrere Messobjekte diese voneinander unterscheiden. Weiter erlaubt es das Radar-Gerät 10, unterschiedliche Antennenabstände für das Sende- und auch für das Empfangs-Array vorzusehen, wodurch ebenfalls eine gezielte Unterdrückung von störenden Antennennebenkeulen erreicht werden kann. Gleichzeitig ist hierdurch eine verbesserte Winkelauflösung erzielbar. Für Kalibrierungszwecke kann es ermöglicht sein, die einzelnen Sendeeinheiten SE1 bis SEn zeitlich aufeinanderfolgend durchzuschalten.
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Es kann auch vorgesehen sein, einzelne bzw. mehrere Sendeeinheiten SE1 bis SEn für einzelne Sendezyklen hinzuzuschalten oder auch auszuschalten. Die Sendeeinheiten SE1 bis SEn können somit paar- und gruppenweise bzw. abwechselnd geschaltet werden, was eine aktive Strahlformung bereits während des Sendens eines Radar-Sendesignals ermöglicht. Diese aktive Strahlformung erlaubt eine zusätzliche Fokussierung des Sendesignals auf diverse Messbereiche von Interesse, wie etwa einen Nah- oder einen Fernbereich. Mit diesem adaptiven Beamforming können auch gezielt störende Antennennebenkeulen, so genannte Sidelobes, unterdrückt bzw. ausgeblendet werden.
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Bei dem digitalen Beamforming des Radar-Geräts 10 ist es möglich, alle bekannten Radarmodulationsprinzipien zu verwenden, wie z. B. FMCW, Puls-Doppler, Pseudozufallsrauschen oder Phasencodierung. Zum Erzeugen eines FMCW-Radar-Signals kann beispielsweise ein Sweep zwischen z. B. 24 GHz und 24, 25 GHz erzeugt werden. Die gewählte Frequenz hängt dabei von den Objekten ab, die mittels des Radar-Geräts 10 voneinander unterschieden werden können sollen. Das bereits beschriebene Sendeverfahren ergibt im Zusammenhang mit der Verwendung von FMCW-Rampen ein Vielrampenverfahren. Bei der Verwendung von FMCW-Rampen können die Kanäle auch während einer einzigen durchlaufenden Rampe geschaltet werden (Einrampenverfahren), d. h. das derart gebildete Radar-Sendesignal wird zeitabschnittsweise von den unterschiedlichen Sendeeinheiten SE1 bis SEn ausgesendet. Hierdurch ergibt sich ein frequenzabhängiges Kanalmultiplexen.
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Anhand von 2 ist im Folgenden beispielhaft ein möglicher Aufbau des Radar-Geräts 10 erläutert. Bei dem Radar-Gerät 10 kann hier durch einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO beispielsweise ein linear-frequenzmoduliertes Signal (FMCW) erzeugt werden. Der Oszillator VCO wird dazu durch einen Synthesizer oder Modulator MOD moduliert. Das von dem Oszillator VCO erzeugte Radar-Sendesignal wird zunächst von einer ersten Sendeantenne 12 des Sende-Arrays SA abgestrahlt. Falls sich in einer Umgebung des Radar-Geräts 10 in dem Raumwinkelbereich 20 ein Messobjekt befindet, wird das Sende-Signal von diesem reflektiert und anschließend über die Empfangsantennen 16, 18 von den Empfangseinheiten EE1 bis EEm empfangen.
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Durch die Empfangseinheiten EE1 bis EEm wird dabei das über jeweils eine Empfangsantenne 16, 18 empfangene Signal mittels eines jeweiligen Mischers MIX mit dem gerade erzeugten Sendesignal des Oszillators VCO gemischt. Dazu wird das Sendesignal des Oszillators VCO als Lokaloszillator-Signal LO vom Oszillator VCO zu den einzelnen Empfangseinheiten EE1 bis EEm übertragen. Aus dem sich jeweils in den einzelnen Empfangseinheiten EE1 bis EEm ergebenden Differenzfrequenzsignalen d(t) werden nach einer Filterung mittels eines jeweiligen Filters FI der Empfangseinheiten EE1 bis EEm ein Abstand des Messobjekts zu dem Radar-Gerät 10 und eine Geschwindigkeit des Messobjekts ermittelt. Die Winkelbestimmung und die Geschwindigkeitsabschätzung werden dabei durch eine digitale Prozessierung von der Auswerteeinheit AE durchgeführt. Die Auswertung erfolgt dabei unter Verwendung der Signale mehrerer Empfangseinheiten EE1 bis EEm und auf der Grundlage von Signalen, die sich zu den Radar-Sendesignalen mehrerer Sendeantennen 12, 14 ergeben. Während bei dem Radar-Gerät 10 empfangsseitig vorwiegend mit allen, jedoch mit mindestens zwei Empfangskanälen parallel empfangen wird, kann (wie bereits beschrieben) sendeseitig ebenfalls parallel, das heißt zeitgleich über mehrere Sendeantennen 12, 14, oder auch sequenziell gesendet werden. Dazu können die Sendeeinheiten SE1 bis SEn über die Ansteuerlogik AL gesteuert werden. Bei dem Radar-Gerät 10 können über eine Kommunikationsschnittstelle Daten zwischen der Ansteuerlogik AL, dem Modulator MOD und der Auswerteeinheit AE ausgetauscht werden.
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Anhand von 3 ist im Folgenden erläutert, welche anderen Anordnungen von Sendeantennen und Empfangsantennen sich neben der in 1 gezeigten Anordnung als günstig erwiesen haben. Zur besseren Orientierung ist hierbei in 3 als Anordnung a) noch einmal die L-Form von 1 gezeigt. In 3 ist dabei angenommen, dass jedes der Arrays (Sende-Array SA und Empfangs-Array EA) acht Antennen aufweist, von denen jede in 3 durch ein Quadrat repräsentiert ist. Bei dem vertikal angeordneten Array kann es sich entweder um das Sende-Array SA oder das Empfangs-Array EA handeln, was in 3 durch die Bezeichnung SA/EA angedeutet ist. Entsprechend stellt dann das horizontal angeordnete Array das Empfangs-Array EA bzw. das Sende-Array SA dar.
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Durch das von der Auswerteeinheit AE durchgeführte digitale Beamforming lässt sich ein Hauptstrahl der Gruppencharakteristik des vertikal angeordneten Arrays in einer Raumrichtung 22 verschwenken, die durch die Längsachse des vertikal angeordneten Arrays definiert ist. Bei dem horizontal angeordneten Array kann ein Hauptstrahl der Gruppencharakteristik in einer Raumrichtung 24 verschwenkt werden.
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Bei der in 3 gezeigten Anordnung b) sind ein gerades Sende-Array und ein gerades Empfangsarray zu einer T-Form angeordnet, wobei das horizontal ausgerichtete Array oberhalb oder (wie gezeigt) unterhalb des vertikal ausgerichteten Arrays angeordnet sein kann. Der Antennen-Gruppenfaktor eines L- bzw. eines T-Arrays ist gleich dem eines vollbesetzten Antennenarrays. Nimmt man isotrope Strahler als Antennenelemente an, so lässt sich also mit anderen Worten mit weniger Antennenelementen die gleiche Auflösung erzielen.
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Bei der Anordnung c) ist eines der beiden linearen Arrays in der Mitte geteilt. Hierdurch lassen sich die beiden Arrays zu einem Kreuz anordnen. Bei der Anordnung d) sind beide Arrays in zwei Teilarrays aufgeteilt und die so erhaltenen vier Teilarrays zu einem Rechteck angeordnet.
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Die beiden Arrays (Sende-Array SA und Empfangs-Array EA) müssen nicht senkrecht zueinander angeordnet sein. Dazu ist in 3 als Anordnung e) gezeigt, dass ein Sende-Array SA' und ein Empfangs-Array EA' eine beliebige, für die jeweilige Anwendung günstige Orientierung zwischen 0° und 180° aufweisen können. Für das gewünschte zweidimensional abbildende Radar ist es lediglich notwendig, dass die Orientierung des Sende-Arrays SA' und des Empfangs-Arrays EA' unterschiedlich ist. Es kann auch vorgesehen sein, die Sendeantennen und/oder die Empfangsantennen jeweils zu zwei- oder dreidimensionalen Strukturen, wie etwa einer Matrix oder einem Würfelgitter, anzuordnen.
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Durch die Beispiele ist gezeigt, wie ein bistatisches digitales Beamformingkonzept für eine digitale Strahlformung in zwei Raumrichtungen bereitgestellt werden kann. In diesem Konzept wird die sendeseitige Strahlformung für eine Raumrichtung zur Bestimmung des Azimuts bzw. Elevationswinkels eines Messobjekts eingeführt. Dies ermöglicht einen deutlichen Vorteil bezüglich der Hardwarerealisierung, des Speicherbedarfs und der digitalen Signalverarbeitung im Vergleich zu einem Radar-Gerät, welches die Strahlformung ausschließlich auf der Grundlage einer vergrößerten Anzahl von Empfängern ermöglicht.
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Weiter erlaubt es das gezeigte Hardwarekonzept durch einfaches Schalten der Sendeeinheit die Fokussierung und das Ausleuchten verschiedener Messbereiche einzustellen. Durch diese Adaption an den Messbereich bietet die Hardware eine sehr hohe Flexibilität und kann ohne hohen Entwicklungsaufwand für diverse Anwendungen eingesetzt werden. Aufgrund der vergleichsweise geringen Anzahl von Hardwarekomponenten und deren geringe Komplexität, insbesondere der sendeseitigen Elemente, kann das beschriebene Radar-Gerät sehr kostengünstig und platzsparend realisiert werden. Das Gerät ist für die Realisierung beispielsweise als kostengünstige planare Schaltung (z. B. in Mikrostreifenleitungstechnik oder Koplanartechnik) besonders geeignet. Aber auch die Herstellung als so genannter monolithischer Mikrowellenschaltkreis (MMIC – Monolythic Microwave Integrated Circuit) mit integrierten Antennen ist möglich.
