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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Radarsensor für Kraftfahrzeuge, mit einer Antennenanordnung, die mindestens zwei Gruppen von Antennenelementen aufweist, die sich in ihrer Wirkrichtung in Elevation unterscheiden, einer Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Gruppen abwechselnd zu aktivieren, und mit einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung der von der Antennenanordnung empfangenen Radarechos und zur winkelauflösenden Ortung von Objekten, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, den Elevationswinkel der Objekte anhand der von den verschiedenen Gruppen empfangenen Radarechos abzuschätzen.
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Radarsensoren dieser Art werden zur Erfassung des Verkehrsumfelds im Rahmen von Fahrerassistenzsystemen eingesetzt, beispielsweise zur radargestützten Abstandsregelung (ACC; Adaptive Cruise Control). Ein derartiges Fahrerassistenzsystem ist beispielsweise aus der Veröffentlichung
"Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung ACC", Robert Bosch GmbH, Gelbe Reihe, Ausgabe 2002, Technische Unterrichtung, bekannt. Eine wichtige Messgröße des Radarsensors ist neben der Entfernung und der Relativgeschwindigkeit auch der Winkel der georteten Objekte. Hierbei ist sowohl der horizontale Winkel (Azimutwinkel) als auch der vertikale Winkel (Elevationswinkel) von Bedeutung. Der Azimutwinkel wird zur Schätzung des Querversatzes und damit zur Spurzuordnung verwendet. Der Elevationswinkel ermöglicht eine Unterscheidung zwischen Objekten, die unterfahrbar oder überfahrbar sind, und Objekten, die echte Hindernisse darstellen. So lassen sich insbesondere bei Sicherheitsanwendungen (PSS; Predictive Safety Systems) Fehlauslösungen durch metallische Gegenstände wie Kanaldeckel, Blechdosen auf der Fahrbahn und dergleichen vermeiden.
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Das azimutale Winkelauflösungsvermögen wird zumeist dadurch erreicht, dass mehrere winkelversetzte Radarkeulen erzeugt werden, in denen die Radarechos in getrennten Kanälen ausgewertet werden. Es sind auch scannende Radarsysteme bekannt, bei denen die Radarkeule in horizontaler Richtung verschwenkt wird. Eine Abschätzung des Elevationswinkels ist beispielsweise durch mechanische Schwenkung des Radarsensors in der Vertikalen möglich. Aus Kostengründen wird der Elevationswinkel jedoch zumeist nur indirekt über eine zeitliche Auswertung des Rückstreuverhaltens von Objekten ermittelt.
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Für den Einsatz in Radarsensoren für Kraftfahrzeuge sind sogenannte planare Antenneneinrichtungen oder Patch-Antennen besonders geeignet, da sie sich wegen ihrer flachen Bauform einfach und kostengünstig herstellen lassen, beispielsweise im Ätzverfahren. Bei einer solchen Antenneneinrichtung handelt es sich typischerweise um eine flächige Anordnung von strahlenden Resonatoren auf einem HF-Substrat, die jeweils mit einer bestimmten Amplitude und Phase belegt sind. Die Richtcharakteristik der Antennenanordnung ergibt sich dann durch Überlagerung der Strahlungsdiagramme der einzelnen Patch-Elemente.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine vielseitigere Nutzung eines solchen Radarsensors zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Gruppen sich auch in ihrer Richtcharakteristik im Azimut unterscheiden.
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Durch die wechselweise Aktivierung der Gruppen von Antennenelementen wird die Radarkeule periodisch in der Vertikalen verschwenkt, so dass ohne Einbußen an Empfindlichkeit und Reichweite ein größerer Elevationswinkelbereich abgedeckt werden kann. Im allgemeinen wird dabei die Winkelabweichung zwischen den beiden Radarkeulen kleiner sein als die Winkelausdehnung einer einzelnen Radarkeule in der Elevation, so dass ein Objekt, das sich vor dem Fahrzeug befindet, stets im Blickfeld des Radarsensors bleibt, unabhängig davon, welche der Gruppen von Antennenelementen gerade aktiv ist. Folglich lassen sich die Entwicklung des Abstands, der Relativgeschwindigkeit und des Azimutwinkels des Objektes mit hoher zeitlicher Auflösung verfolgen, und die gleichzeitige Abschätzung des Elevationswinkels (mit geringerer zeitlicher Auflösung) liefert wichtige zusätzliche Informationen über das Objekt, beispielsweise ob das Objekt überfahrbar ist oder nicht, ob es sich um einen Lkw oder Pkw handelt, und dergleichen. Auch Änderungen der Fahrbahnneigung, beispielsweise das Überfahren einer Kuppe oder das Durchfahren einer Mulde lassen sich auf diese Weise anhand der Änderung des Elevationswinkels eines vorausfahrenden Fahrzeugs erkennen.
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Da sich die Gruppen der Antennenelemente auch in ihrer Richtcharakteristik im Azimut unterscheiden, erfolgt mit der wechselweisen Aktivierung zusätzlich zu dem Verschwenken der Radarkeule in Elevation auch ein Wechsel des Gesichtsfeldes, beispielsweise zwischen einem engen Gesichtsfeld mit großer Reichweite und einem weiteren Gesichtsfeld mit kürzerer Reichweite. Auf diese Weise lassen sich praktisch ohne zusätzliche Hardware detailliertere Informationen über das Verkehrsumfeld gewinnen, so dass die Verkehrssituation zuverlässiger eingeschätzt werden kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine der Gruppen der Antennenelemente zur Ortung von Objekten mit einem Elevationswinkel nahe null ausgelegt, und die Richtcharakteristik im Azimut entspricht einem engen Gesichtsfeld mit großer Reichweite, während eine andere Gruppe von Antennenelementen zur Ortung von Objekten mit einem von null verschiedenen Elevationswinkel vorgesehen ist und ein weites Gesichtsfeld mit kürzerer Reichweite hat. Mit dieser Gruppe können zum einen Objekte mit relativ großer Höhe erfasst werden wie beispielsweise Lkw oder Brücken, und zum anderen können auch nahe Objekte am Fahrbahnrand erfasst werden, und zwar auch dann, wenn sie eine geringere Höhe haben, da sie aufgrund des geringen Objektabstands immer noch im Erfassungsbereich der leicht nach oben gerichteten Radarkeule liegen.
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Diese Intervalle, in denen die verschiedenen Gruppe von Antennenelementen aktiv sind, können unterschiedlich lang sein, wobei das Verhältnis zwischen den Dauern der Aktivierungsperioden situationsabhängig variiert werden kann. Beispielsweise kann bei Fahrten mit hoher Geschwindigkeit vorwiegend mit der Antennengruppe gearbeitet werden, die eine hohe Reichweite bietet, während im Stop-and-Go-Betrieb vorwiegend mit der Antennengruppe gearbeitet wird, die ein weites Gesichtsfeld bietet und für nahe Objekte mit Elevationswinkeln größer oder gleich null empfindlich ist, jedoch relativ unempfindlich für überfahrbare Objekte auf der Fahrbahnoberfläche.
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Obgleich grundsätzlich jede "Gruppe" von Antennenelementen auch aus einem einzigen Antennenelement bestehen kann, besteht jede Gruppe bevorzugt aus mehreren Antennenelementen, die an ein gemeinsames Speisenetzwerk angeschlossen sind, dessen Konfiguration die Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Antennenelementen und damit die Richtcharakteristik der Gruppe festlegt. Wahlweise oder zusätzlich können jedoch zur Beeinflussung der Richtcharakteristik auch Linsenelemente eingesetzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein bistatisches Antennenkonzept verwirklicht, d.h., es sind getrennte Antennenelemente zum Senden des Radarsignals und zum Empfang des Radarechos vorgesehen. Beispielsweise können zum Empfang der Radarechos mehrere Antennenelemente vorgesehen sein, die in der Horizontalen relativ zur optischen Achse einer Linse versetzt sind, so dass mehrere winkelversetzte Empfangskeulen erzeugt werden, die eine Bestimmung des Azimutwinkels der Objekte erlauben.
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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 Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Radarsensors;
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2 eine Skizze zur Erläuterung der Funktionsweise des Radarsensors bei der Abschätzung des Elevationswinkels eines Objektes;
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3 Elevationsdiagramme für zwei Gruppen von Antennenelementen in dem Radarsensor nach 1;
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4 eine Kontrastkurve, die eine Abschätzung des Elevationswinkels erlaubt; und
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5 und 6 azimutale Antennendiagramme für die beiden Gruppen von Antennenelementen, deren Elevationsdiagramme in 3 gezeigt sind.
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Der in 1 gezeigte Radarsensor RS weist eine Antennenordnung mit drei Gruppen Rx, Tx1, Tx2 von Antennenelementen 10, 12, 14 auf. Die Antennenelemente 12, 14 der Gruppen Tx1 und Tx2 dienen abwechselnd zum Senden eines Radarsignals, das von einem lokalen Oszillator 16 erzeugt wird. Die Antennenelemente 12 der Gruppe Tx1 sind in mehreren Spalten angeordnet, die vertikal orientiert sind und jeweils mehrere in gleichmäßigen Abständen angeordnete Antennenelemente umfassen. Über ein Speisenetzwerk 18 wird das zu sendende Radarsignal auf die einzelnen Spalten verteilt und dann innerhalb dieser Spalte seriell in die einzelnen Antennenelemente 12 eingespeist. Die Spalten weisen gleichmäßige waagerechte Abstände zueinander auf. Das Speisenetzwerk 18 ist so konfiguriert, dass sämtliche Antennenelemente 12 der Gruppe Tx1 gleichphasig angesteuert werden, so dass sich durch Überlagerung der von den einzelnen Antennenelementen emittierten Strahlung eine Bündelungswirkung sowohl im Azimut als auch in der Elevation ergibt. Die Hauptabstrahlrichtung steht dabei senkrecht auf der Ebene, in der die Antennenelemente 10, 12, 14 beispielsweise auf einem gemeinsamen Hochfrequenzsubstrat angeordnet sind. Damit die einzelnen Antennenelemente 12 einer Spalte gleichphasig angeregt werden, stimmt der Abstand d1 zwischen zwei benachbarten Antennenelementen 12 innerhalb einer Spalte mit der Wellenlänge λ auf dem Substrat überein (oder beträgt ein ganzzahliges Vielfaches davon).
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Die Konfiguration der Antennenelemente 14 in der Gruppe Tx2 ist im Prinzip die gleiche wie in der Gruppe Tx1, nur mit dem Unterschied, dass die Anzahl der Spalten kleiner ist und dass der Abstand d2 zwischen benachbarten Antennenelementen 14 innerhalb einer Spalte von der Wellenlänge λ abweicht. Im gezeigten Beispiel ist er größer als diese Wellenlänge. Das hat zur Folge, dass die aufeinanderfolgenden Antennenelemente 14 innerhalb jeder Spalte eine bestimmte Phasenverschiebung zueinander aufweisen, so dass sich durch Überlagerung eine Radarkeule K2 ergibt (2), deren Hauptabstrahlrichtung in der Elevation um einen bestimmten Winkel gegenüber der Hauptabstrahlrichtung der von der Gruppe Tx1 erzeugten Radarkeule K1 verschwenkt ist. Am Ende jeder Spalte ist ein Absorber Abs angeordnet, der eine Reflexion des eingespeisten Signals verhindert.
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Wenn das Radarsignal, das entweder von der Gruppe Tx1 oder der Gruppe Tx2 emittiert wird, auf ein Objekt 22 trifft (2), beispielsweise ein vorausfahrendes Fahrzeug, so wird ein Teil der Radarstrahlung reflektiert, wobei es eine von der Relativgeschwindigkeit des Objektes abhängige Dopplerverschiebung erfährt, und das reflektierte Signal wird dann von den Antennenelementen 10 der Gruppe Rx empfangen. Die Antennenelemente 10 dieser Gruppe Rx sind in vier Spalten angeordnet und sind innerhalb jeder Spalte in Serie miteinander verbunden. Jede Spalte bildet einen Empfangskanal und ist auf einen Eingang eines Vierkanalmischers 24 geschaltet. Einem anderen Eingang dieses Vierkanalmischers 24 wird vom Oszillator 16 dasselbe Signal zugeführt, das auch an das Speisenetzwerk 18 oder 20 übermittelt wird. Das von jeder Antennenspalte empfangene Signal wird mit dem Signal des lokalen Oszillators 16 gemischt. Der Vierkanalmischer 24 liefert somit als Mischprodukte vier Zwischenfrequenzsignale Z1–Z4, deren Frequenz jeweils dem Frequenzunterschied zwischen dem empfangenen Signal und dem Signal des lokalen Oszillators 16 entspricht.
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Entsprechend dem Prinzip eines FMCW-Radars (Frequency Modulated Continuous Wave) wird die Frequenz des Oszillators 16 rampenförmig moduliert (der Abstand d1 zwischen den Antennenelementen 12 entspricht daher genau genommen der mittleren Wellenlänge des gesendeten Signals auf dem Substrat). Die Frequenz des von den Antennenelementen 10 empfangenen Radarechos unterscheidet sich deshalb von dem Signal des lokalen Oszillators um einen Betrag, der einerseits von der Signallaufzeit vom Radarsensor zum Objekt und zurück und andererseits, aufgrund des Doppler-Effekts, von der Relativgeschwindigkeit des Objekts abhängig ist. Entsprechend enthalten auch die Zwischenfrequenzsignale Z1–Z4 Information über den Abstand und die Relativgeschwindigkeit des Objektes. Bei der Frequenzmodulation wechseln steigende und fallende Frequenzrampen miteinander ab, und indem man die Zwischenfrequenzsignale auf der steigenden Rampe und auf der fallenden Rampe einmal addiert und einmal subtrahiert, lassen sich die abstands- und geschwindigkeitsabhängigen Anteile voneinander trennen, so dass man Werte für den Abstand D und die Relativgeschwindigkeit V jedes georteten Objektes erhält.
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Die Zwischenfrequenzsignale Z1–Z4 werden einer Auswerteeinrichtung 26 zugeführt und dort kanalweise, jeweils über die Dauer einer Frequenzrampe, aufgezeichnet und durch schnelle Fourier-Transformation in ein Spektrum zerlegt. In diesem Spektrum zeichnet sich jedes Objekt durch einen Peak bei der durch den jeweiligen Objektabstand und die Relativgeschwindigkeit bestimmten Frequenz ab.
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Die von den verschiedenen Spalten der Gruppe Rx empfangenen Radarechos weisen eine vom jeweiligen Azimutwinkel φ des Objekts abhängige Phasenverschiebung zueinander auf. Aufgrund der Bündelung des von der Gruppe Tx1 oder Tx2 gesendeten Signals ist auch die Amplitude des empfangenen Radarechos vom Azimutwinkel des Objekts abhängig. Durch Vergleich der Amplituden- und Phasenunterschiede mit einem entsprechenden Antennendiagramm lässt sich daher in der Auswerteeinrichtung 26 auch der Azimutwinkel φ bestimmen.
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Eine elektronische Steuereinrichtung 28 steuert nicht nur die Frequenzmodulation des Oszillators 16, sondern veranlasst den Oszillator auch, das zu sendende Signal abwechselnd an die Gruppe Tx1 und die Gruppe Tx2 auszugeben. Die aktiven und inaktiven Phasen der Gruppen Tx1 und Tx2 wechseln einander somit periodisch ab, beispielsweise mit einer Periode, die einen vollständigen Zyklus von steigenden und fallenden Frequenzrampen des Oszillators 16 entspricht. Das Signal der Steuereinrichtung 28, das die Umschaltung zwischen den Speisenetzwerken 18 und 20 bewirkt, wird auch einer Kontrast-Berechnungseinheit 30 zugeführt, die außerdem ein Signal P von der Auswerteeinrichtung 26 erhält. Das Signal P gibt für jedes geortete Objekt die Stärke (Leistung) des Radarechos an, beispielsweise gemittelt über alle vier Kanäle. In den Perioden, in denen die Gruppe Tx1 zum Senden des Radarsignals benutzt wird, erhält man so für ein gegebenes Objekt eine Leistung P1, und in den Perioden, in denen die Gruppe Tx2 zum Senden des Radarsignals benutzt wird, erhält man für dasselbe Objekt eine Leistung P2. In der Kontrast-Berechnungseinheit 30 wird nun ein Kontrast K gemäß folgender Formel berechnet: K = (P1 – P2)/(P1 + P2)
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Anhand des so berechneten Kontrastes K lässt sich dann in einer Elevationswinkel-Abschätzeinheit 32 ein Schätzwert für den Elevationswinkel α des Objekts berechnen, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 2 bis 4 erläutert werden soll.
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In 2 wird angenommen, dass der Radarsensor RS so in ein Fahrzeug eingebaut ist, dass das Substrat, auf dem sich die Antennenelemente 10, 12, 14 befinden, vertikal orientiert ist. Die Hauptabstrahlrichtung der Radarkeule K1, die von der Gruppe Tx1 erzeugt wird, ist dann waagerecht orientiert (entsprechend dem Elevationswinkel α = 0). In 3 zeigt die Kurve K1' die entsprechende Winkelverteilung der Intensität der Radarkeule K1. Man erkennt, dass das Maximum bei dem Elevationswinkel 0° liegt.
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Die Gruppe Tx2 erzeugt dagegen aufgrund der Phasenverschiebung zwischen den Antennenelementen 14 jeder Spalte die Radarkeule K2, deren Hauptabstrahlrichtung um einen bestimmten Winkel aufwärts geneigt ist. Die entsprechende Winkelverteilung der Intensität ist durch die Kurve K2' in 3 angegeben. Man erkennt, dass das Maximum hier bei einem Elevationswinkel von 5° liegt.
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In dem in 2 gezeigten Beispiel befindet sich das Objekt 22 bei einem Elevationswinkel α von etwa 4°. Die Folge ist, dass man in den Perioden, in denen die Gruppe Tx2 aktiv ist, ein relativ starkes Radarecho erhält, da sich das Objekt 22 etwa in der Mitte der Radarkeule K2 befindet, während man in Perioden, in denen die Gruppe Tx1 aktiv ist, ein deutlich schwächeres Signal erhält, da sich das Objekt 22 eher am Rand der entsprechenden Radarkeule K1 befindet. Der nach der oben angegebenen Formel berechnete Kontrast K ist deshalb in diesem Beispiel negativ.
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Anhand der in 3 gezeigten Elevationsdiagramme lässt sich für jeden Elevationswinkel ein zugehöriger Wert des Kontrastes K berechnen. Der Zusammenhang zwischen dem Kontrast K und dem Elevationswinkel α wird in 4 durch die Kurve E angegeben. Anhand dieser Kurve kann dann in der Elevationswinkel-Schätzeinheit 32 der Elevationswinkel α des georteten Objektes bestimmt werden.
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In 1 sind die Kontrast-Berechnungseinheit 30 und die Elevationswinkel-Schätzeinheit 32 als getrennte Einheiten dargestellt. In der Praxis werden diese Einheiten jedoch zumeist durch Softwaremodule eines elektronischen Datenverarbeitungssystems gebildet das auch die Funktionen der Auswerteeinrichtung 26 und der Steuereinrichtung 28 übernimmt.
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Da die Gruppe Tx1 eine relativ große Anzahl von Spalten hat, ergibt sich im Azimut eine starke Bündelungswirkung. 5 zeigt in Form eines Antennendiagramm die Richtcharakteristik 34 dieser Gruppe im Azimut. Diese Richtcharakteristik wird geprägt durch eine ausgeprägte Hauptkeule mit einer relativ großen Reichweite von beispielsweise 160m, aber nur einem relativ engen Gesichtsfeld, das es nur erlaubt, Objekte zuverlässig zu orten, deren Lateralversatz nach jeder Seite nicht mehr als etwa 5 m beträgt. Da bei dieser Gruppe die Hauptabstrahlrichtung in Elevation einem Winkel von 0° entspricht, kann die große Reichweite voll ausgeschöpft werden (zumindest in ebenem Gelände).
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Die Gruppe Tx2 hat dagegen aufgrund ihrer geringeren Anzahl von Spalten eine Richtcharakteristik 36, die in 6 gezeigt ist und die einer geringen Reichweite aber einem wesentlich breiteren Gesichtsfeld entspricht. Diese Gruppe ist deshalb besonders geeignet zur Ortung von Objekten im Nahbereich, einschließlich Objekten links und rechts neben der eigenen Fahrspur.
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Im gezeigten Beispiel sind die Antennendiagramme 34, 36 beider Gruppen symmetrisch.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- "Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung ACC", Robert Bosch GmbH, Gelbe Reihe, Ausgabe 2002 [0002]
