DE102013205892A1 - Radarvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Radarvorrichtung - Google Patents

Radarvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Radarvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Modulationskonzept für ein Radar mit geschalteten Antennen. Dabei werden einzelne Schaltzustände des Antennenarrays mit den geschalteten Antennen eng mit der Modulation der Radarsignale verzahnt. Auf diese Weise ist es möglich, gestaltete Antennen im Zeit-Multiplex-Verfahren zu verwenden und somit kurze Zeiten zwischen den Schaltzuständen zu ermöglichen. Hierdurch wird auch eine Phasenauswertung über die Schaltzustände hinweg ermöglicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Radarvorrichtung mit einem geschalteten Antennenarray sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Radarvorrichtung mit einem geschalteten Antennenarray.
  • Stand der Technik
  • Moderne Fahrzeuge werden zunehmend mit Fahrassistenzsystemen ausgestattet. Diese Fahrassistenzsysteme unterstützen einen Fahrzeugführer im fließenden Verkehr oder beispielsweise beim Einparken des Fahrzeugs am Straßenrand. Für die Bestimmung von Zielparametern, wie beispielsweise Entfernungs- und Relativgeschwindigkeit eines Objekts haben sich Radarsysteme bewährt, die mit modulierten Signalen arbeiten. Durch eine geeignete Wahl des Modulationsverfahrens ist dabei eine genaue Schätzung der Zielparameter und auch die Trennung von einzelnen Zielen anhand dieser Parameter möglich.
  • Für eine Winkelschätzung der Zielparameter kommen verschiedene Arten von Antennen zum Einsatz. Neben klassischen, parallel abtastenden Systemen sind dabei auch vermehrt geschaltete Antennenkonzepte interessant. Beispielsweise offenbart die Druckschrift DE 10 2009 029 503 A1 eine Radarsensorvorrichtung mit einer planaren Antenneneinrichtung, die mehrere vertikal ausgerichtete Antennenspalten in Form eines ausgedünnten Arrays aufweist.
  • Für den Betrieb geschalteter Antennen eignet sich beispielsweise das Zeit-Multiplex-Verfahren, bei dem die geschalteten Antennen nacheinander verwendet werden. Dabei muss allerdings auch eine mögliche Bewegung der Zielobjekte berücksichtigt werden.
  • Es besteht daher ein Bedarf nach einer Radarvorrichtung mit einem geschalteten Antennenarray, das zwischen den einzelnen Schaltzuständen kurze Zeitintervalle erlaubt. Es besteht ferner ein Bedarf nach einer Radarvorrichtung, das eine Phasenauswertung über die verschiedenen Schaltzustände eines verwendeten Antennenarrays hinweg ermöglicht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Radarvorrichtung mit einem geschalteten Antennenarray, das dazu ausgelegt ist, in einem ersten Schaltzustand ein erstes Radarecho zu empfangen und in einem zweiten Schaltzustand ein zweites Radarecho zu empfangen, wobei das erste Radarecho auf einem ausgesendeten Radarsignal mit einer ersten Modulation basiert, und das zweite Radarecho auf einem ausgesendeten Radarsignal mit einer zweiten Modulation basiert.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Radarvorrichtung mit einem geschalteten Antennenarray mit den Schritten des Einstellens eines ersten Schaltzustands in dem geschalteten Antennenarray, des Aussendens eines ersten Radarsignals mit einer ersten Modulation, des Empfangens eines ersten Radarechos in einem ersten Schaltzustand des Antennenarrays, des Einstellens eines zweiten Schaltzustands in dem geschalteten Antennenarray; des Aussendens eines zweiten Radarsignals mit einer zweiten Modulation und des Empfangens eines zweiten Radarechos in einem zweiten Schaltzustand des Antennenarrays.
  • Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, die einzelnen Schaltzustände eines Antennenarrays in einer Radarvorrichtung und deren Umschaltung mit der Modulation der verwendeten Radarsignale zu verzahnen. Die einzelnen Schaltzustände eines Antennenarrays in einer Radarvorrichtung sind somit jeweils eng mit individuell modulierten Signalen verknüpft.
  • Durch die Verknüpfung unterschiedlicher Modulationen der Radarsignale mit verschiedenen Schaltzuständen eines Antennenarrays ist es möglich, ein geschaltetes Antennenarray im Zeit-Multiplex-Betrieb zu verwenden und dabei kurze Zeiten zwischen den einzelnen Schaltzuständen zu ermöglichen. Somit ist auch eine Phasenauswertung über die Schaltzustände hinweg möglich.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Verwendung unterschiedlich modulierter Signale die Eindeutigkeit der Entfernungs- und Relativgeschwindigkeitsschätzung ermöglicht wird. Darüber hinaus kann durch die Umschaltung der Antennen eine verbesserte Winkelschätzung erzielt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Antennencharakteristik des geschalteten Antennenarrays in dem ersten Schaltzustand von der Antennencharakteristik des geschalteten Antennenarrays in dem zweiten Schaltzustand verschieden. Durch die Variation der Antennencharakteristik in den einzelnen Schaltzuständen kann die Winkelauflösung der Radarvorrichtung weiter verbessert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Radarvorrichtung eine Sendeantenne, die dazu ausgelegt ist, das erste Radarsignal und das zweite Radarsignal auszusenden.
  • Gemäß einer speziellen Ausführungsform ist die Sendeantenne ein geschaltetes Antennenarray. Durch die Verwendung eines geschalteten Antennenarrays als Sendeantenne sind auch für das Aussenden der Radarsignale unterschiedliche Antennenkonfigurationen möglich. Somit kann die Auflösung der Radarvorrichtung zusätzlich verbessert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden das erste Radarsignal und das zweite Radarsignal über einen vorbestimmten Zeitraum abwechselnd ausgesendet. Durch die kontinuierliche Aussendung der beiden unterschiedlichen Radarsignale über einen Zeitraum hinweg ist eine zuverlässige Schätzung von Entfernung und Relativgeschwindigkeit der Objekte im Sichtbereich der Radarvorrichtung möglich.
  • Gemäß einer speziellen Ausführungsform sind das erste Radarsignal und das zweite Radarsignal FMCW-modulierte Radarsignale. Solche FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) modulierten Radarsignale haben sich für eine Bestimmung von Entfernung und Relativgeschwindigkeit bestens bewährt.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Radarvorrichtung.
  • Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges mit einer Radarvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2: eine schematische Darstellung einer Radarvorrichtung mit einem geschalteten Antennenarray gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3: ein Frequenz-Zeitdiagramm mit einer Folge von frequenzmodulierten Radarsignalen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 4: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer Radarvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind zum Teil perspektivische Darstellungen von Elementen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten.
  • 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Radarvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Radarvorrichtung 10 umfasst dabei ein Antennenarray, vorzugsweise ein geschaltetes Antennenarray. Je nach Schaltzustand des Antennenarrays ergeben sich dabei unterschiedliche Richtcharakteristika 20, 21. Somit kann das Antennenarray einerseits mit einer relativ großen synthetischen Apertur für eine gute Winkelauflösung betrieben werden. Andererseits sind auch Schaltzustände möglich, in denen beispielsweise die Eindeutigkeit der Auflösung gesteigert werden kann.
  • Ebenso ist es auch möglich, die Radarvorrichtung 1 mit Sendeantennen gleicher Richtcharakteristik, jedoch mit unterschiedlichen Phasenzentren zu betreiben. Durch die unterschiedlichen Phasenzentren ergibt sich in diesem Fall eine richtungsabhänge Phasenantwort. Diese richtungsabhängige Phasenantwort kann ebenfalls zur Weiterverarbeitung in der Radarvorrichtung 10 genutzt werden.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Radarvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Radarvorrichtung umfasst eine Steuervorrichtung 13. Diese Steuervorrichtung 13 erzeugt die Sendesignale, die über die Sendeantenne 12 ausgesendet werden. Die Sendeantenne 12 kann dabei entweder auf einem einzelnen Antennenelement, oder wie dargestellt, aus einem Antennenarray mit mehreren Antennenelementen 12a bestehen. Sofern die Sendeantenne 12 aus einem Antennenarray mit mehreren Elementen 12a besteht, sind auch für die Sendeantenne 12 mehrere verschiedene Schaltzustände möglich. Auf diese Weise kann auch die Antennencharakteristik der Sendeantenne 12 angepasst werden.
  • Nachdem die Steuervorrichtung 13 ein Sendesignal erzeugt hat und dieses über die Sendeantenne 12 ausgesendet wurde, wird dieses Signal von einem oder mehreren Objekten reflektiert. Die reflektierten Anteile des Sendesignals werden daraufhin von der Empfangsantenne 11 erfasst. Die Empfangsantenne 11 ist dabei vorzugsweise ein Antennenarray, das mehrere Empfangselemente 11a aufweist.
  • Falls die Empfangsantenne 11 mehrere Empfangselemente 11a aufweist, so können diese Empfangselemente direkt der Steuereinheit 13 zugeführt werden. Alternativ kann die Empfangsantenne 11 als geschaltete Empfangsantenne ausgeführt werden, in der die einzelnen Antennenelemente 11a über geeignete Schaltelemente in unterschiedlichen Konfigurationen miteinander verschaltet werden können und dabei gegebenenfalls nur ein Teil der verfügbaren Empfangsantennenelemente 11a für die Weiterverarbeitung ausgewählt wird.
  • Für die geschaltete Empfangsantenne 11 sind dabei unterschiedliche Schaltzustände möglich. Je nach Schaltzustand können dabei beispielsweise einige, vorzugsweise weit beabstandete, Antennenelemente 11a ausgewählt werden, um eine möglichst große Apertur zu erhalten. Alternativ ist auch die Auswahl einiger dicht beieinander liegender Antennenelemente 11a möglich. Ein solcher Schaltzustand ermöglicht vorzugsweise eine Richtcharakteristik mit gesteigerter Eindeutigkeit.
  • Die Empfangssignale der je nach Schaltzustand ausgewählten Antennenelemente 11a werden der Steuereinheit 13 zugeführt. Die Steuereinheit 13 wertet die empfangenen Signale in Abhängigkeit des korrespondierenden Sendesignals aus. Somit können nach erfolgreicher Prozessierung durch die Steuervorrichtung 13 Informationen über Entfernung, Relativgeschwindigkeit und Winkelschätzung ausgegeben werden. Somit kann durch die Ansteuerung der Empfangsantenne 11 und/oder der Sendeantenne 12 eine verbesserte Winkelschätzung der Radarvorrichtung erzielt werden.
  • Die dargestellte Anzahl von zwei Sendeantennenelementen 12a und vier Empfangsantennenelementen 11a ist dabei nur beispielhaft zu verstehen. Andere, beliebige Anzahlen von Sendeantennenelementen 12a und Empfangsantennenelementen 11a sind ebenso möglich. Auch der in 2 dargestellte äquidistante Abstand der einzelnen Antennenelemente 11a und 12a ist dabei nur beispielhaft. Insbesondere kann es sich bei den Antennenarrays 11 und 12 auch um ein ausgedünntes Antennenarray handeln, bei dem zumindest teilweise zwischen den einzelnen Antennenelementen größere Lücken vorhanden sind. Somit können beispielsweise auch mit einer relativ geringen Anzahl von Antennenelementen relativ große Aperturen synthetisiert werden. In einer speziellen Ausführungsform ist darüber hinaus beispielsweise die Anordnung der einzelnen Antennenelemente auf einen Raster von λ/2 möglich, wobei λ die Wellenlänge der verwendeten Mittenfrequenz der Radarvorrichtung ist. Aber auch andere Abstände für die Antennenelemente sind möglich. Vorzugsweise ist die Anordnung der einzelnen Antennenelemente dabei so ausgestaltet, dass sich basierend auf den verwendeten Schaltzuständen der geschalteten Antennenarrays mit möglichst wenigen Antennenelementen eine optimale Winkelschätzung ergibt.
  • In 2 sind für die Sendeantenne 12 und die Empfangsantenne 11 jeweils getrennte Antennenarrays dargestellt. Darüber hinaus ist es ebenso möglich, ein gemeinsames Antennenarray sowohl für das Aussenden der Sendesignale als auch für den Empfang der reflektierten Signale zu verwenden. Durch diese Kombination von Sendeantenne und Empfangsantenne in einem gemeinsamen Antennenarray ist eine besonders effiziente Ausgestaltung der Radarvorrichtung möglich.
  • Um neben der Winkelschätzung eine eindeutige Entfernungs- und Relativgeschwindigkeitsschätzung zu ermöglichen, werden durch die Sendeantenne 12 Radarsignale mit unterschiedlichen Modulationen ausgesendet. 3 zeigt ein Frequenz-Zeit-Diagramm mit zwei verschiedenen Modulationen für die Sendesignale. Die beiden Modulationen, einerseits ein Up-Chirp mit einer ansteigenden Frequenz und andererseits ein Down-Chirp mit einer über die Zeit abfallenden Frequenz sind dabei ineinander verschachtelt, d.h. es wird abwechselnd jeweils ein Up-Chirp und ein Down-Chirp ausgesendet. Für jede dieser beiden Modulationen wird eine getrennte Auswertung durchgeführt, um aus der Kombination der beiden Auswertungen eine eindeutige Bestimmung von Entfernungs- und Relativgeschwindigkeit durchführen zu können. Neben den hier dargestellten zwei unterschiedlichen Modulationen sind darüber hinaus auch mehr als zwei unterschiedliche Modulationen möglich, um die Eindeutigkeit weiter zu verbessern. Beispielsweise können mehrere Up-Chirps und/oder mehrere Down-Chirps mit unterschiedlichen Steigungen verwendet werden.
  • Für jede der verwendeten Modulationen des Sendersignals wird das Antennenarray der Sendeantenne 12 und/oder das Antennenarray der Empfangsantenne 11 in einem unterschiedlichen Schaltzustand betrieben. Beispielsweise können die Signale mit ansteigender Frequenz gemäß 3 von einem Antennenarray in einem ersten Schaltzustand empfangen werden und die Signale mit einer Modulation mit fallender Frequenz können von dem Antennenarray mit einem zweiten Schaltzustand empfangen werden. In diesem Fall kann für das Aussenden der Sendesignale in beiden Modulationen das Antennenarray der Sendeantenne 12 im gleichen Schaltzustand betrieben werden. Alternativ sind auch unterschiedliche Schaltzustände für die Sendeantenne 12 für verschiedene Modulationen des Sendesignals möglich.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann für jede Modulation des Sendesignals ein unterschiedlicher Schaltzustand der Sendeantenne 12 verwendet werden. Beispielsweise können die Signale mit ansteigender Frequenz gemäß 3 in einem ersten Schaltzustand der Sendeantenne 12 ausgesendet werden und die Signale mit abfallender Frequenz in einen zweiten Schaltzustand der Sendeantenne 12. In diesem Fall kann die Empfangsantenne 11 für beide Modulationen im gleichen Schaltzustand betrieben werden. Alternativ ist auch für beide Modulationen ein unterschiedlicher Schaltzustand der Empfangsantenne 11 möglich.
  • Im Falle von mehr als zwei unterschiedlichen Modulationen für die Sendesignale ist es auch möglich, für einigen Modulationen des Sendesignals den Schaltzustand der Sendeantenne zu variieren und dabei den Schaltzustand der Empfangsantenne unverändert zu belassen und für einige weitere Modulationen des Sendesignals den Schaltzustand der Sendeantenne gleich zu lassen und den Schaltzustand der Empfangsantenne zu variieren. Vorzugsweise entspricht dabei jeder Modulation der ausgesendeten Signale einer individuellen Konfiguration der Schaltzustände von Sende- und/oder Empfangsantenne. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass sich die Anzahl der Modulationen für das Sendesignal und die Anzahl der Schaltzustände für Sende- und/oder Empfangsantenne unterscheiden. In diesem Fall ist jedoch mit einem erhöhten Aufwand für die Auswertung zu rechnen.
  • Die Signalverarbeitung erfolgt für jeden Schaltzustand der Antennenarrays getrennt. Für die Schätzung von Entfernung und Relativgeschwindigkeit erfolgt ein Abgleich und die Peaks aus diesem Abgleich können einander zugeordnet werden. Nachdem die Entfernung und die Relativgeschwindigkeit eines Ziels bekannt sind, kann der durch den Zeitversatz zwischen den Modulationen entstehende Phasenversatz aus Entfernung und Relativgeschwindigkeit bestimmt werden. Daraufhin können für die Winkelschätzung die Informationen aus beiden Modulationen verwendet werden. Somit ergibt sich durch den zuvor beschriebenen Ansatz eine Steigerung der Genauigkeit in der Winkelschätzung und/oder in der Eindeutigkeit der detektierten Ziele.
  • Gemäß dem zuvor beschriebenen Ansatz werden mehrere Frequenzrampen (Up-Chirps und Down-Chirps) ineinander verschachtelt und dabei für jede der einzelnen Frequenzrampen eine individuelle Konfiguration des Antennschaltzustands ausgewählt. Dabei sind gemäß dem Ansatz einer FMCW-modulierten (Frequency Modulated Continuous Wave) Radarkonfiguration die einzelnen Frequenzrampen für gleiche Schaltzustände der Antennenkonfiguration jeweils stets gleich.
  • Alternative Modulationsverfahren, die dazu geeignet sind, die einzelnen Frequenzrampen ineinander zu verschachteln und jeweils individuellen Antennen-Schaltzuständen zuzuordnen sind darüber hinaus jedoch ebenso möglich. Beispielsweise eignet sich hierzu besonders auch ein Verfahren, bei dem die einzelnen Rampen der Up- und Down-Chirps noch mit einer sogenannten langsamen Rampe überlagert werden, so dass sich über die Zeit Anfangs- und Endpunkt der Frequenzen für die Rampen ändern. Dieses Verfahren ist beispielsweise unter dem Namen Multispeed Frequency Modulated Continuous Wave(MSFMCW)-Verfahren bekannt.
  • Ebenso ist eine Chirp-Sequence-Modulation möglich. In diesem Fall sind jedoch verschiedene Rampen mit identischen oder zumindest sehr ähnlichen Modulationseigenschaften angebracht. Durch die getrennt stattfindende Detektion und Schätzung von Entfernung und Relativgeschwidigkeit kann wiederum der Phasenversatz bestimmt werden.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb einer Radarvorrichtung mit einem geschalteten Antennenarray. Einem ersten Schritt 110 wird ein erster Schaltzustand des Antennenarrays eingestellt. Daraufhin wird in Schritt 120 ein erstes Radarsignal mit einer ersten Modulation ausgesendet und in Schritt 130 ein Radarecho über das Antennenarray empfangen.
  • Weiter wird in Schritt 140 ein zweiter Schaltzustand des Antennenarrays eingestellt. Daraufhin wird in Schritt 150 ein zweites Radarsignal mit einer zweiten Modulation ausgesendet und in Schritt 160 wird das zweite Radarecho mittels des Antennenarrays empfangen.
  • Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein Modulationskonzept für ein Radar mit geschalteten Antennen. Dabei werden einzelne Schaltzustände des Antennenarrays mit den geschalteten Antennen eng mit der Modulation der Radarsignale verzahnt. Auf diese Weise ist es möglich, geschaltete Antennen im Zeit-Multiplex-Verfahren zu verwenden und somit kurze Zeiten zwischen den Schaltzuständen zu ermöglichen. Hierdurch wird auch eine Phasenauswertung über die Schaltzustände hinweg ermöglicht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009029503 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Radarvorrichtung (10), mit einem geschalteten Antennenarray (11), das dazu ausgelegt ist, in einem ersten Schaltzustand ein erstes Radarecho zu empfangen und in einem zweiten Schaltzustand ein zweites Radarecho zu empfangen, wobei das erste Radarecho auf einem ausgesendeten Radarsignal mit einer ersten Modulation basiert, und das zweite Radarecho auf einem ausgesendeten Radarsignal mit einer zweiten Modulation basiert.
  2. Radarvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Antennencharakteristik des geschalteten Antennenarrays (11) in dem ersten Schaltzustand und die Antennencharakteristik des geschalteten Antennenarrays (11) in dem zweiten Schaltzustand verschieden ist.
  3. Radarvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Sendeantenne (13), die dazu ausgelegt ist, das erste Radarsignal und das zweite Radarsignal auszusenden.
  4. Radarvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Sendeantenne (13) ein geschaltetes Antennenarray ist.
  5. Radarvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste und das zweite Radarsignal über einen vorbestimmten Zeitraum abwechselnd ausgesendet werden.
  6. Radarvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Radarsignal und das zweite Radarsignal FMCW-modulierte Radarsignale sind.
  7. Kraftfahrzeug (1) mit einer Radarvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.
  8. Verfahren (100) zum Betrieb einer Radarvorrichtung (10) mit einem geschalteten Antennenarray, mit den Schritten: Einstellen (110) eines ersten Schaltzustands in dem geschalteten Antennenarray; Aussenden (120) eines ersten Radarsignals mit einer ersten Modulation; Empfangen (130) eines ersten Radarechos in dem ersten Schaltzustand des Antennenarrays; Einstellen (140) eines zweiten Schaltzustands in dem geschalteten Antennenarray; Aussenden (150) eines zweiten Radarsignals mit einer zweiten Modulation; Empfangen (160) eines zweiten Radarechos in dem zweiten Schaltzustand des Antennenarrays.
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