DE102016100130B4 - Raumerkennungsradar - Google Patents

Abstract

Raumerkennungsradarsystem (110), mit:
einem phasengesteuerten Array einer Mehrzahl von Antennenelementen (120);
einer Mehrzahl von Empfangskanälen (210), wobei die Mehrzahl von Empfangskanälen (210) eine Anzahl größer als Eins und geringer als eine Anzahl der Mehrzahl von Antennenelementen (120) aufweist; und
einem Prozessor, der dafür eingerichtet ist, eine Teilmenge der Mehrzahl von Antennenelementen (120), deren Anzahl gleich der Mehrzahl von Empfangskanälen (210) ist, zu bestimmen, die beim Senden oder Empfangen mit dem Raumerkennungsradarsystem (110) verwendet werden soll;
wobei der Prozessor die Teilmenge basierend auf einer Verarbeitung von in der Mehrzahl von Empfangskanälen (210) empfangenen Signalen bestimmt;
wobei die Signale unter Verwendung einer Anfangsteilmenge der Mehrzahl von Antennenelementen (120) empfangen werden; und
wobei die Anfangsteilmenge basierend auf einer vorherigen Kenntnis
eines Objekts oder Hindernisses bestimmt wird, das detektiert wird, und wobei die vorherige Kenntnis über ein Netzwerk (20) geliefert wird.

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Raumerkennungsradar.
• HINTERGRUND
• Funkerfassungs- und Entfernungsmess- (Radar-)Systeme nutzen Funkwellen, um Entfernung, Richtung und Geschwindigkeit von Objekten zu bestimmen. In verschiedenen Anwendungen sind Radarsysteme mit anderen Erfassungs- bzw. Detektionssystemen integriert. Zum Beispiel werden kraftfahrzeugtechnische Sicherheitsmerkmale zunehmend ausgeklügelt und automatisiert, und diese Merkmale arbeiten basierend auf einer Detektion von Objekten und Hindernissen, statt ausschließlich auf eine Detektion und einen Eingriff des Fahrers angewiesen zu sein. Die Integration von Radarsystemen mit kraftfahrzeugtechnischen Sicherheitsmerkmalen ermöglicht die Detektion von Objekten und Hindernissen zur Nutzung durch die Sicherheitsmerkmale.
• Die Druckschrift DE 20 2004 021 937 U1 offenbart ein Antennensystem mit mehreren Antennenelementen und mehreren Empfangskanälen, wobei eine Anzahl der Empfangskanäle größer als Eins und kleiner als eine Anzahl der Antennenelemente ist. Basierend auf einer Bitfehlerrate wird eine Teilmenge der mehreren Antennenelemente bestimmt, deren Anzahl gleich der Anzahl der mehreren Empfangskanäle ist, und die zum Senden und Empfangen verwendet werden soll.
• In der Druckschrift DE 10 2010 055 993 A1 ist eine integrierte Radarvorrichtung mit einer Antenneneinheit offenbart, in der eine Lang- und Mittelstrecken-Antenneneinheit und eine Kurzstrecken-Antenneneinheit integriert sind. Beim Steuern der integrierten Radarvorrichtung mit einem Schaltverfahren wird ein Empfangskanal verwendet, während beim Steuern mit einem Mehrkanal-Verfahren so viele Empfangskanäle verwendet werden, wie Antennen vorhanden sind.
• Die Druckschrift Gkizeli, M., Karystinos, G. N.: Maximum-SNR Antenna Selection Among a Large Number of Transmit Antennas. In: IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, Vol. 8, No. 5, 2014. S. 891-901. - ISSN 1932-4553 offenbart einen Algorithmus, mit dem das Problem des Wählens von Antennen mit maximalem Signal-Rauschabstand gelöst werden kann, wenn entweder ein Sender oder ein Empfänger aus einer großen Anzahl von Antennen besteht.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Gemäß einer Ausführungsform enthält ein Raumerkennungsradarsystem ein phasengesteuertes Array einer Mehrzahl von Antennenelementen; eine Mehrzahl von Empfangskanälen, wobei die Mehrzahl von Empfangskanälen eine Anzahl größer als Eins und geringer als eine Anzahl der Mehrzahl von Antennenelementen aufweist; und einen Prozessor, der dafür eingerichtet ist, um eine Teilmenge der Mehrzahl von Antennenelementen, deren Anzahl gleich der Mehrzahl von Empfangskanälen ist, zu bestimmen, die beim Senden oder Empfangen mit dem Raumerkennungsradar genutzt werden sollen. Der Prozessor bestimmt die Teilmenge basierend auf einer Verarbeitung von in der Mehrzahl von Empfangskanälen empfangenen Signalen wobei die Signale unter Verwendung einer Anfangsteilmenge der Mehrzahl von Antennenelementen empfangen werden, und wobei die Anfangsteilmenge basierend auf einer vorherigen Kenntnis des Objekts oder Hindernisses bestimmt wird, und wobei die vorherige Kenntnis über ein Netzwerk geliefert wird.
• Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung ohne weiteres ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird.
• Figurenliste
• Andere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen, wobei die detaillierte Beschreibung Bezug nimmt auf die Zeichnungen, in welchen:
• 1 eine beispielhafte Vorrichtung veranschaulicht, die ein Radarsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält;
• 2 Blockdiagramme von Empfangskanälen und Sendekanälen darstellt, die mit dem Radarsystem gemäß Ausführungsformen der Erfindung verbunden sind; und
• 3 ein Prozessablauf eines Verfahrens zum Auswählen von Antennenelementen gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist.
• BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Die folgende Beschreibung ist in ihrer Art nur beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Nutzungen nicht beschränken. Es sollte sich verstehen, dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
• Wie oben bemerkt wurde, können Radarsysteme mit anderen Erfassungs- bzw. Detektionssystemen integriert sein. Zum Beispiel können in kraftfahrzeugtechnischen Sicherheitssystemen Radarsysteme genutzt werden, um Objekte oder Hindernisse zu detektieren und zu verfolgen. Im Allgemeinen kann ein Radarsystem separate Empfangs- und Sendekanäle aufweisen oder ein Sende-Empfangsgerät sein, das über separate Antennen oder die gleiche Antenne Signale sowohl sendet als auch empfängt. In einer Sicherheitsanwendung ist ein Radarsystem, das Signale unabhängig von den empfangenen Echos sendet, möglich, aber die Diskussion hierin nimmt an, dass der Empfangskanal und der Sendekanal in der Rückkopplungsschleife verbunden sind und das gesendete Signal von den empfangenen Radarechos abhängt. Die fortgeschrittenen Sicherheitsmerkmale in Kraftfahrzeugen beispielsweise profitieren von einer hohen Winkelauflösung im empfangenen Radarbild, da die Richtung eines Objekts in Bezug auf das Kraftfahrzeug von großer Bedeutung ist. Eine Winkelauflösung in einem Radarsystem ist eine Funktion der Apertur oder physikalischen Antennengröße (Fläche, die die Frequenzenergie empfängt). Herkömmlicherweise werden phasengesteuerte Array- oder digitale strahlbildende Ansätze (engl. digital beam forming approaches) für eine Abschätzung der Ankunftsrichtung genutzt. Ein Array von Sensoren wird derart genutzt, dass die relativen Phasen der Sensoren die gewünschte Information einer Ankunftsrichtung liefern. Ein Array von Sensoren, die enger als eine halbe Wellenlänge voneinander beabstandet sind, kann die effektive oder gesamte Apertur schaffen, kann aber eine große Anzahl von Antennenelementen mit ihren entsprechenden Kosten und Gewicht erfordern. Dies verhält sich so, da in früheren Radarsystemen jedes Antennenelement einen entsprechenden Sende- und/oder Empfangskanal aufweist und jeder Kanal einen Satz Hardwareelemente (z.B. einen Mischer, ein Analog-Digital- (für den Empfangskanal) und einen Digital-Analog- (für den Sendekanal) Wandler) enthält. Diese Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen jedem Antennenelement und mit einem Kanal verbundener Hardware repräsentiert zunehmende Kosten einer zunehmenden Aperturgröße (zunehmenden Winkelauflösung). Die Anzahl von Antennenelementen (und entsprechenden Kanälen) (N), die für eine gewünschte Winkelunterscheidung erforderlich sind, kann von einer Winkelauflösung (ΔΩ) und einem Abstand (α) zwischen den Elementen des Arrays abhängen und kann angegeben werden durch: $$\text{N}=\frac{1}{{\mathrm{\alpha }}^2\mathrm{\Delta \Omega }}$$

  
• Folglich sind zum Beispiel für eine Auflösung von 2 Grad mal 2 Grad 2000 Antennenelemente und entsprechende Empfangskanäle erforderlich (N = 2000 in Gleichung 1).
• Ein früherer Versuch, die Kosten anzugehen, die anfallen, wenn man einen mit jedem Antennenelement verbundenen Kanal hat, war mit einer Verwendung eines einzigen Kanals oder weniger Kanäle als Antennenelemente (und zugeordneter Hardware) und einem Schalten zwischen den zahlreichen Antennenelementen des Arrays im Laufe der Zeit verbunden. Dieser Ansatz kann, obgleich die Anzahl von Sende- und Empfangskanälen auf Eins (oder eine kleinere Anzahl Kanäle) reduziert wird und dadurch deren zugeordnete Kosten reduziert werden, wegen der Zeit, die es erfordert, zwischen allen Antennenelementen zu schalten und dadurch die gewünschte Winkelauflösung zu erhalten, für viele Anwendungen zu langsam sein. Ausführungsformen der Systeme und Verfahren, die hierin beschrieben werden, betreffen eine Verwendung von weniger Kanälen als Antennenelemente und eine Verwendung eines Abstimmprozesses, auf den als Erkennungsauswahlprozess verwiesen wird, um eine Teilmenge von Antennenelementen gemäß den zuvor empfangenen Radarechos dynamisch und adaptiv auszuwählen. Gemäß dem aktuellen Ansatz wird ein Sichtfeld (Ωfov) betrachtet, und die theoretische minimale Anzahl von Empfangskanälen kann als eine Funktion des Sichtfeldes bestimmt werden: $${\text{N}}_{\text{min}}=\frac{{\mathrm{\Omega }}_{\text{fov}}}{\mathrm{\Delta \Omega }}$$

  
• Für ein Sichtfeld von 60 Grad mal 10 Grad beispielsweise erfordert die gleiche Auflösung (2 Grad mal 2 Grad), die oben diskutiert wurde, gemäß Gleichung 2 zum Beispiel nur 150 Empfangskanäle (im Gegensatz zu den oben erwähnten 2000 Kanälen). Die im Folgenden detailliert beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf eine Verwendung dieser minimalen Anzahl Kanäle und ein Auswählen, welche Antennenelemente mit jenen Kanälen verbunden werden sollten (aktiv sein sollten), basierend auf einem Erkennungsauswahlprozess. Obgleich kraftfahrzeugtechnische Nutzungen (Integration des Radarsystems mit Sicherheitssystemen eines Kraftfahrzeugs) zu Beispielszwecken besonders diskutiert werden, sind das hierin beschriebene Radarsystem und speziell die Antennenelementauswahl oder -abstimmung in keiner Weise auf eine besondere Anwendung beschränkt. Nicht nur andere Fahrzeugplattformen - Baufahrzeuge, Wasserfahrzeuge und dergleichen - sondern auch landgestützte oder stationäre Anwendungen werden ebenfalls in Erwägung gezogen.
• 1 veranschaulicht eine beispielhafte Vorrichtung 10, die ein Radarsystem 110 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält. Die Vorrichtung 10 kann eine beliebige Anzahl Sensoren und Sicherheitssysteme enthalten. Die Vorrichtung 10 kann auch die Fähigkeit, über ein Netzwerk 20 zu kommunizieren, einschließen. Wie oben bemerkt wurde, wird zu Erläuterungszwecken angenommen, dass das Radarsystem 110 ein Sende-Empfangsgerät ist, es kann aber in anderen Ausführungsformen ein reiner Empfänger sein oder separate Antennenelemente für Sende- und Empfangsfunktionen aufweisen. Die beispielhafte Vorrichtung 10 ist ein Kraftfahrzeug. Obgleich das Radarsystem 110 so dargestellt ist, dass es an einer bestimmten Stelle des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, ist das Radarsystem 110 auf keine besondere Platzierung beschränkt und kann stattdessen irgendwo innerhalb des Kraftfahrzeugs (Vorrichtung 10) gelegen sein. Das Radarsystem 110 ist mit einer Anzahl von Antennenelementen 120 dargestellt. Wie oben bemerkt wurde, würde jedes der Antennenelemente 120 in einem herkömmlichen, phasengesteuerten Arraysystem einen entsprechenden Empfangskanal aufweisen, oder ein Empfangskanal würde unter all den Antennenelementen 120 gemeinsam genutzt werden. Wie im Folgenden weiter detailliert dargelegt wird, enthält das Radarsystem 110 gemäß Ausführungsformen der Erfindung mehr als einen Empfangs- (und Sende-)Kanal, aber weniger Kanäle als Antennenelemente 120.
• 2 stellt Blockdiagramme von Empfangskanälen 210 und Sendekanälen 230 dar, die mit dem Radarsystem 110 gemäß Ausführungsformen der Erfindung verbunden sind. Wie 2 zeigt, empfängt ein Controller 240 die Signale von den Empfangskanälen 210 und liefert die Signale an die Sendekanäle 230. Selektoren 220 (zum Beispiel Schalter) werden genutzt, um zu bestimmen, welche der Antennenelemente 120 mit einem Empfangskanal 210 während eines Empfangs oder mit einem Sendekanal 230 während einer Übertragung bzw. Sendung verbunden werden. Nicht ausgewählte Antennenelemente 120 werden nicht genutzt. Ein Radarsystem 110 mit N Antennenelementen wird Mrx Empfangskanäle 210 und Mtx Sendekanäle 230 aufweisen, so dass Mrx und Mtx größer als 1, aber auch geringer als N sind. Der Prozess, durch den die Selektoren 220 durch den Controller 240 gesteuert werden, wird im Folgenden weiter diskutiert. Der Controller 240 enthält einen oder mehr Prozessoren und eine oder mehr Speichervorrichtungen. Der Prozessor oder die Verarbeitungsschaltung können einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), einen elektronischen Schaltkreis, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, zweckbestimmt bzw. zugeordnet oder Gruppe) und Speicher, der ein oder mehr Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinatorische logische Schaltung und/oder andere geeignete Komponenten enthalten, die die beschriebene Funktionalität liefern.
• 3 ist ein Prozessablauf eines Verfahrens zum Auswählen von Antennenelementen 120 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Ein Auswählen anfänglicher Antennenelemente 120, bei Block 310, kann ein Auswählen eines Standardsatzes von Antennenelementen 120, eines Zufallssatzes von Antennenelementen 120 oder eines Satzes von Antennenelementen 120 basierend auf einer Apriori-Kenntnis des Objekts oder Hindernisses, das detektiert wird, einschließen. Die Apriori-Kenntnis kann beispielsweise von einem anderen Sensor der Vorrichtung 10 geliefert, oder aus früheren Radarechos extrahiert oder erfindungsgemäß über das Netzwerk 20, mit dem die Vorrichtung 10 gekoppelt ist, geliefert werden. Bei Block 320 beinhaltet ein Empfangen und Verarbeiten von Signalen eine Verwendung der Empfangskanäle 210 und des Controllers 240. Ein Verfeinern der Auswahl von Antennenelementen 120 bei Block 330 für sowohl Empfangs- als auch Sendezwecke bezieht das Empfangen und Verarbeiten bei Block 320 ein. Das heißt, die Signalstärke und andere Eigenschaften empfangener Signale liefern eine Information, um die Auswahl von Antennenelementen 120 kognitiv einzustellen. Falls zum Beispiel einer der Empfangskanäle 210 eine höhere Signalstärke als andere Empfangskanäle 210 aufweist, können Antennenelemente 120, die (in einer zugeordneten Phase) näher zum Antennenelement 120 liegen, das mit jenem Empfangskanal 210 mit höherer Signalstärke verbunden ist, (wieder sowohl für Übertragung als auch Empfang) ausgewählt werden. Im Allgemeinen beinhaltet eine Auswahl der Antennenelemente 120 gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen einen iterativen Prozess, der auf einem Optimieren eines gewissen Kriteriums (zum Beispiel Signalstärke, Detektionswahrscheinlichkeit, Auflösungswahrscheinlichkeit, Schranke für den Abschätzungsfehler) basiert. Jedes dieser Kriterien ist eine bekannte Charakteristik bzw. Eigenschaft und kann die Grundlage für eine Auswahl von Antennenelementen 120 sein. Die Blöcke 320 und 330 können iterativ ausgeführt werden. Das heißt, jedes Mal, wenn mehr Signale empfangen und verarbeitet werden (Block 320), kann die Auswahl von Antennenelementen 120 für sowohl Empfangen als auch Senden weiter verfeinert werden (Block 330).
• Obgleich die Erfindung mit Verweis auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente für deren Elemente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder Material den Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf die offenbarten besonderen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die Erfindung schließt alle Ausführungsformen ein, die in den Umfang der Anmeldung fallen.

Claims (4)

1. Raumerkennungsradarsystem (110), mit: einem phasengesteuerten Array einer Mehrzahl von Antennenelementen (120); einer Mehrzahl von Empfangskanälen (210), wobei die Mehrzahl von Empfangskanälen (210) eine Anzahl größer als Eins und geringer als eine Anzahl der Mehrzahl von Antennenelementen (120) aufweist; und einem Prozessor, der dafür eingerichtet ist, eine Teilmenge der Mehrzahl von Antennenelementen (120), deren Anzahl gleich der Mehrzahl von Empfangskanälen (210) ist, zu bestimmen, die beim Senden oder Empfangen mit dem Raumerkennungsradarsystem (110) verwendet werden soll; wobei der Prozessor die Teilmenge basierend auf einer Verarbeitung von in der Mehrzahl von Empfangskanälen (210) empfangenen Signalen bestimmt; wobei die Signale unter Verwendung einer Anfangsteilmenge der Mehrzahl von Antennenelementen (120) empfangen werden; und wobei die Anfangsteilmenge basierend auf einer vorherigen Kenntnis eines Objekts oder Hindernisses bestimmt wird, das detektiert wird, und wobei die vorherige Kenntnis über ein Netzwerk (20) geliefert wird.
2. System (110) nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Empfangskanälen (210) auf einem gewünschten Sichtfeld (Ωfov) und einer gewünschten Auflösung (ΔΩ) basiert.
3. System (110) nach Anspruch 1, wobei der Prozessor (240) die Teilmenge iterativ basierend auf einem Kriterium bestimmt.
4. System (110) nach Anspruch 3, wobei das Kriterium eine Signalstärke, Detektionswahrscheinlichkeit, Auflösungswahrscheinlichkeit oder Schranke für an einen Abschätzungsfehler der in der Mehrzahl von Empfangskanälen (210) empfangenen Signale einschließt.

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