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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines Radarsensors oder Radarsystems, insbesondere eines Automobilradars, bei dem durch Erzeugung und Aussendung von Antwortsignalen auf ein vom Radarsensor ausgesendetes Radarsignal hin, im Folgenden auch als Sende-Radarsignal bezeichnet, eine Reflexion des Sende-Radarsignals an einer Szene simuliert und die korrekte Erkennung der Szene durch den Radarsensor überprüft wird. Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Erzeugung und Aussendung eines oder mehrerer linear frequenzmodulierter Radarsignale, die einem Radarsensor als Antwortsignale zur Simulation einer vorgegebenen Szene übermittelt werden können.
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Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich beispielsweise zur Funktionsprüfung des Radarsensors eines Automobilradars einsetzen, insbesondere im Hinblick auf das zukünftige autonome Fahren. Autonomes Fahren basiert auf der Nutzung von Sensorinformationen. Radarsensoren spielen dabei eine wesentliche Rolle zur Beurteilung der Fahrstrecke und zur Informationsgewinnung bezüglich anderer Verkehrsteilnehmer wie z.B. anderer am Verkehr beteiligter Fahrzeuge oder Fußgänger. Die korrekte Funktion der Radarsensoren in komplexen Verkehrssituationen muss daher sowohl bei der Inbetriebnahme eines Fahrzeuges als auch anschließend in regelmäßigen Abständen überprüft werden.
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Stand der Technik
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Zur Prüfung der Funktionalität von Radarsensoren, die in Fahrzeuge integriert sind, wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Um die Genauigkeit der Zielparameterschätzung eines Radarsensors zu überprüfen, kann ein Signalgenerator genutzt werden, der ein Signal mit vorgegebener Amplitude, Frequenzverschiebung und Zeitverschiebung generiert. Das Radarsignal wird anschließend als Antwortsignal in das Radar injiziert und die vom Radarsensor prozessierten Werte mit den Ist-Werten verglichen. Es ist auf diese Weise auch möglich, mehrere Signale mit unterschiedlichen Parametern zeitversetzt einzuspeisen, um die Korrektheit der Radar-Signalprozessierung zu überprüfen.
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Radarsimulatoren sind dazu in der Lage, den Fahrweg eines oder mehrerer Fahrzeuge, die sich auf einer vorgegebenen Fahrspur bewegen, im Voraus zu berechnen, Reflexionen an der Umgebung zu berücksichtigen und anschließend eine sequentielle Folge von Signalen zu generieren, die in einer Datenbank im Voraus abgelegt werden können und nach Empfang eines Radarsignals zeitangepasst als Antwortsignale an den Radarsensor zurückgesendet werden. Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren ist in der
US 2017/0010346 A1 beschrieben. Unterschiedliche Einfallswinkel sind durch Versatz der Sendeantenne der genutzten Testeinrichtung möglich.
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In der
WO 99/27383 A1 ist eine Testeinrichtung für ein Automobilradar beschrieben, mit der auch komplexere Szenarien mit Radarzielen aus mehreren Richtungen sowie die dabei erzeugten Signalinterferenzen bei der Erzeugung der Antwortsignale berücksichtigt werden. Bei dieser Testeinrichtung wird allerdings nur von Punktzielen ausgegangen, durch die die einzelnen beweglichen Objekte in der Szene repräsentiert werden und die durch einen vorgegebenen Einfallswinkel, einen gegebenen RCS (Rückstreuquerschnitt), der sich in der Signalamplitude widerspiegelt, sowie durch eine Frequenzverschiebung, die mit der zu simulierenden Fahrzeuggeschwindigkeit korrespondiert, beschrieben sind. Diese Technik ermöglicht daher dem Radarsensor nicht, detektierte Objekte wie beispielsweise einzelne Fahrzeuge zu klassifizieren und somit die simultan empfangenen Antwortsignale bestimmten Fahrzeugtypen eindeutig zuzuordnen. Dies gilt auch für die Unterscheidung beweglicher Objekte, wie beispielsweise Menschen, Tiere usw. von anderen Gegenständen. Diese Fähigkeit, die einzelnen detektierten Objekte zu klassifizieren, beispielsweise auch feststehende Objekte wie Häuser, Bäume und Brücken eindeutig den empfangenen Antwortsignalen zuzuordnen, liefert beim autonomen Fahren jedoch einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Funktionsprüfung eines Radarsensors anzugeben, das auch eine korrekte Klassifizierung der mit dem Radarsensor detektierten Ziele überprüfen kann. Weiterhin soll eine Einrichtung zur Erzeugung und Aussendung eines oder mehrerer Radarsignale angegeben werden, die einem ein Sende-Radarsignal aussendenden Radarsensor als Antwortsignale zur Simulation einer vorgegebenen Szene übermittelt werden können, und die sich für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens eignet.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Einrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Einrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden eine oder mehrere Gruppen von Antennenelementen vor dem Radarsensor angeordnet und bei Empfang eines Sende-Radarsignals des Radarsensors Antwortsignale über die Antennenelemente in Richtung des Radarsensors ausgesendet, die die Rückstreuung des an Radar-Streuzentren einer vorgegebenen Szene reflektierten Sende-Radarsignals simulieren. Die korrekte Erkennung der Szene durch den Radarsensor oder das Radarsystem wird dann überprüft. Das Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass für die Simulation der Rückstreuung eine Verteilung von Radar-Streuzentren an Objekten und am Hintergrund der vorgegebenen Szene berechnet oder bereitgestellt wird. Diese Verteilung der Radar-Streuzentren enthält damit nicht nur ein Radar-Streuzentrum pro beweglichem Objekt in der Szene, sondern für jedes der beweglichen Objekte eine Verteilung mehrerer Streuzentren, die eine Klassifizierung bzw. Unterscheidung der einzelnen Objekte der Szene ermöglichen. Die Berechnung einer derartigen Verteilung von Radar-Streuzentren an einzelnen Objekten und dem Hintergrund einer Szene kann durch geeignete Radarsimulationsprogramme, so genannte CEM-Programme (Computational ElectroMagnetic Simulation Programm), die auch kommerziell erhältlich sind. Derartige Programme, auch als Radarsimulatoren bezeichnet, simulieren die Rückstreuung an Objekten, die dem Simulationsprogramm beispielsweise als CAD-Modelle mit zusätzlichen Informationen über Materialeigenschaften bzw. Reflexionseigenschaften für die Radarsignale bereitgestellt werden. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Ergebnisse einer derartigen Berechnung bzw. Simulation vor der Nutzung vorzugsweise noch zumindest an einigen Objekten der Szene, insbesondere Fahrzeugen, anhand realer Radarmessungen überprüft und bei Bedarf angepasst.
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Das vorgeschlagene Verfahren und die dafür eingesetzte Einrichtung ermöglichen es, das Verhalten eines Radarsensors mit Antwortsignalen aus vorgegebenen Richtungen hinsichtlich der Entdeckbarkeit von Zielobjekten, der Genauigkeit der Schätzung der Zielentfernung und der Zielgeschwindigkeit sowie auch hinsichtlich einer Objektklassifizierung zu überprüfen. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Einrichtung kann dabei nicht nur die Genauigkeit der Schätzung der Zielgeschwindigkeit sondern auch die Genauigkeit der Schätzung von Eigenbewegungen auf bzw. am Zielobjekt, beispielsweise Armbewegungen einer Person, Rotation der Räder eines Fahrzeugs usw., überprüft werden, die zu einer Objektklassifikation beitragen. Die Überprüfung der Schätz- und Klassifizierungsgenauigkeiten kann in verschiedenen Zielumgebungen vorgenommen werden, die sich durch unterschiedliche Rückstrahleigenschaften (Clutter) sowie durch Interferenzen voneinander unterscheiden, die von anderen Radargeräten hervorgerufen werden. Hierbei können insbesondere auch Zielumgebungen berücksichtigt werden, die sich durch Mehrwegeausbreitung bzw. hinsichtlich ihrer Einflüsse auf die Parameterschätzung negativ bemerkbar machen.
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Vorzugsweise werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren mehrere Gruppen von Antennenelementen eingesetzt, die über Aktuatoren gegeneinander in der Winkelposition bezüglich des Radarsensors veränderbar sind, um insgesamt eine handhabbare Anzahl von Antennenelementen zu erreichen. Die einzelnen Gruppen können dadurch vergleichbar einzelnen Objekten in der Szene gegeneinander bewegt, insbesondere verfahren oder verschoben werden. Vorzugsweise repräsentieren dabei eine oder mehrere der Gruppen jeweils ein bewegliches Objekt in der Szene, beispielsweise jeweils ein Fahrzeug. Zusätzlich zu den in der Winkelposition gegeneinander veränderbaren Gruppen von Antennenelementen können beim dem Verfahren auch Antennenelemente eingesetzt werden, die stationär und somit nicht beweglich angeordnet sind, um mit diesen Antennenelementen den starren Hintergrund der Szene zu simulieren.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die von den Antennenelementen auszusendenden Antwortsignale durch signalgenerierende Einrichtungen aus der Verteilung von Radar-Streuzentren berechnet. Hierbei wird davon ausgegangen, dass das vom Radarsensor ausgesendete Signal ein linear frequenzmoduliertes Radarsignal mit bekannter Frequenzbandbreite, Frequenz, Phase und Amplitude ist. Für jedes der Streuzentren der vorgegebenen Szene wird dann eine signalgenerierende Einrichtung eingesetzt, die eine entsprechend der Eigenschaften des Radar-Streuzentrums modifizierte künstliche Nachbildung des Sende-Radarsignals erzeugt. Unter den Eigenschaften des Radar-Streuzentrums sind hierbei seine Position relativ zum Radarsensor, seine Bewegungsgeschwindigkeit sowie seine Reflexionseigenschaften zu verstehen. Die Position bestimmt die Zeitverzögerung, die Geschwindigkeit die Frequenzverschiebung und die Reflexionseigenschaften die Amplitude der modifizierten Nachbildung des Sende-Radarsignals. Diese Nachbildung wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren mit einer gegenüber dem Sende-Radarsignal reduzierten Frequenzbandbreite erzeugt, die durch analoge Frequenzmultiplikation anschließend wieder auf die Frequenzbandbreite des Sende-Radarsignals gebracht werden kann. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Nutzung einfacherer Digital/Analog-Wandler, die nicht die Bandbreite des vom Radarsensor ausgestrahlten Radarsignals verarbeiten können müssen. Weiterhin verringert diese Technik die Komplexität der signalgenerierenden Einrichtungen. Die auf diese Weise generierten modifizierten Nachbildungen des Sende-Radarsignals werden dann nach der Digital-Analog-Wandlung vor einer Ausstrahlung über die Antennenelemente durch geeignete Frequenzmultiplikation wieder auf die Bandbreite des Sende-Radarsignals gebracht. Je nach Lage der Streuzentren aus Sicht des Radarsensors wird dabei entweder nur das Antwortsignal eines einzelnen Streuzentrums oder auch eine Überlagerung der Signale mehrerer Streuzentren über ein Antennenelement ausgestrahlt. Die Lage des Radarsensors relativ zu den Antennenelementen ist bekannt, so dass die Verteilung der modifizierten Nachbildungen des Sende-Radarsignals auf die einzelnen Antennenelemente in einfacher Weise berechnet werden kann.
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Die vorgeschlagene Einrichtung zur Erzeugung und Aussendung eines oder mehrerer linear frequenzmodulierter Radarsignale, die einem ein Sende-Radarsignal aussendenden Radarsensor als Antwortsignale zur Simulation einer vorgegebenen Szene übermittelt werden können, weist entsprechend ein oder mehrere Antennenelemente sowie eine Sende- und Empfangseinrichtung auf, mit der das vom Radarsensor ausgestrahlte Sende-Radarsignal empfangen und bei Empfang des Sende-Radarsignals über die Antennenelemente Antwort-Signale in Richtung des Radarsensors ausgesendet werden können. Die Antwortsignale werden dabei so generiert, dass sie eine Rückstreuung des an der vorgegebenen Szene reflektierten Sende-Radarsignals simulieren, die als Verteilung von Radar-Streuzentren in der Einrichtung abgespeichert ist. Die Einrichtung zeichnet sich vor allem durch mehrere signalgenerierende Einrichtungen sowie Frequenzmultiplikatoren und ggf. Frequenzmischer aus, die in folgender Weise zusammenwirken. Durch die signalgenerierenden Einrichtungen, die jeweils einem der Radar-Streuzentren zuordenbar sind, wird eine entsprechend der Eigenschaften des Radar-Streuzentrums modifizierte Nachbildung des Sende-Radarsignals mit gegenüber dem Sende-Radarsignal reduzierter Frequenzbandbreite erzeugt, die durch analoge Frequenzmultiplikation wieder auf die Frequenzbandbreite und Frequenz des Sende-Radarsignals gebracht werden können. Die Form, Frequenz, Frequenzbandbreite und Amplitude des Sende-Radarsignals wird der Einrichtung hierbei vorab bereitgestellt. Für jedes Antennenelement weist die Einrichtung einen Frequenzmischer und ggf. einen Frequenzmultiplikator auf, über die die modifizierte Nachbildung des Sende-Radarsignals oder eine Überlagerung mehrerer der modifizierten Nachbildungen des Sende-Radarsignals vor der Abstrahlung durch das Antennenelement auf die Bandbreite des Sende-Radarsignals gebracht wird. Die Zuordnung der einzelnen signalgenerierenden Einrichtungen zu den Antennenelementen kann dabei in Abhängigkeit von der Verteilung der Streuzentren bzw. der zu simulierenden Szene über geeignete Schalteinrichtungen gesteuert werden. Der Empfang des Sende-Radarsignals kann über ein oder mehrere separate Antennenelemente oder auch über eines oder mehrere der Antennenelemente erfolgen, die auch zur Abstrahlung der Antwortsignale eingesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Einrichtung weist die Sende- und Empfangseinrichtung für jedes der Antennenelemente auch eine Überlagerungseinrichtung zur Überlagerung der über das Antennenelement zur Simulation der vorgegebenen Szene abzustrahlenden modifizierten Nachbildungen des Sende-Radarsignals auf.
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Die vorgeschlagene Einrichtung lässt sich nicht nur zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens, d.h. zur Funktionsprüfung eines Radarsensors, einsetzen. Vielmehr lässt sich mit dieser Einrichtung jedem ein linear frequenzmoduliertes Signal ausstrahlenden Radarsensor eine beliebige Szene simulieren.
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Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ist die Einrichtung vorzugsweise als Test- und Evaluationseinrichtung zur Funktionsprüfung eines Radarsensors oder Radarsystems, insbesondere eines Automobilradars, ausgebildet und weist entsprechend eine oder mehrere Gruppen von Antennenelementen auf, die vor dem Radarsensor angeordnet werden können, sowie eine Einrichtung zur Überprüfung einer korrekten Erkennung der vorgegebenen Szene durch den Radarsensor. Bei Vorliegen mehrerer Gruppen von Antennenelementen sind diese vorzugsweise gegeneinander beweglich angeordnet und mehrere Aktuatoren vorhanden, über die die Gruppen von Antennenelementen gegeneinander in der Position veränderbar sind. Die Aktuatoren sind zur Simulation einer Szene durch die Einrichtung geeignet ansteuerbar.
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Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Einrichtung ermöglichen die Funktionsprüfung von Radarsystemen, die auch einzelne Objekte in der Szene klassifizieren und dadurch unterscheiden oder identifizieren können. Dies betrifft insbesondere die Überprüfung neuer Fahrzeugradare in der automobilen Zulieferungsindustrie. Zur Verifikation der Einhaltung vorgegebener Leistungskriterien können das Verfahren und die Einrichtung in der Automobilindustrie auch nach Integration der Radare in das Chassis der Fahrzeuge verwendet werden. Das Verfahren und die Einrichtung eignen sich beispielsweise auch für den Einsatz bei technischen Überwachungsvereinen, um die Funktionsfähigkeit der in ein Fahrzeug integrierten Radarsensorik in regelmäßigen Abständen durchführen zu können. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Einrichtung lassen sich aber auch Radarsysteme bzw. Radarsensoren für andere Anwendungen überprüfen. Die Einrichtung selbst lässt sich auch für Anwendungen einsetzen, bei denen es nicht um die Überprüfung eines Radarsensors sondern um die Täuschung eines Radars geht.
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Figurenliste
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Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Einrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine beispielhafte Anordnung von Fahrzeug mit Radarsensor und Antennenanordnung zur Überprüfung des Automobilradars in komplexen Fahrzeugumgebungen;
- 2 ein Beispiel für einen Aufbau der Antennenanordnung bei dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. der vorgeschlagenen Einrichtung;
- 3 eine Darstellung der Höhenanordnung der Antennen der Ausgestaltung der 2;
- 4 ein Beispiel für eine Anordnung zur Vermessung der Position der Streuzentren auf einem Fahrzeug;
- 5 ein Beispiel für an einem Fahrzeug gemessene RCS-Daten unter verschiedenen Aspektwinkeln;
- 6 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung pro Antennenelement; und
- 7 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Einrichtung pro Antennenelement.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Verfahren wird im Folgenden anhand einer beispielhaften Test- und Evaluationsumgebung zur Überprüfung des Radarsensors eines Automobils beispielhaft erläutert. Die hierzu eingesetzte Test- und Evaluationseinrichtung 1 weist in diesem Beispiel eine Antennenanordnung 2 auf, die aus einer Vielzahl einzelner Antennenelemente gebildet ist, über die Antwortsignale auf ein vom zu prüfenden Radarsensor eines Fahrzeugs 4 ausgesendetes Sende-Radarsignal ausgestrahlt werden können. Die Antennenelemente der Antennenanordnung 2 können hierbei in unterschiedlicher Weise angeordnet sein, insbesondere linear, auf einem Kreis oder auch auf einer Kugelfläche. 1 zeigt hierzu beispielhaft eine entsprechende Anordnung der Test- und Evaluationseinrichtung 1 vor dem Fahrzeug 4 mit dem zu überprüfenden Radarsensor. Die Steuerung der Test- und Evaluationseinrichtung 1 erfolgt über ein Rechnersystem 3, mit dem auch die Verteilung der Radar-Streuzentren, im Folgenden vereinfacht als Streuzentren bezeichnet, berechnet werden kann. In der 1 ist auch ein Beispiel für eine vereinfachte Szene mit drei sich vor dem Fahrzeug 4 bewegenden virtuellen Fahrzeugen 6 als Radarzielen dargestellt, die durch die Aussendung der Antwortsignale über die Antennenanordnung 2 simuliert werden.
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Um eine handhabbare Anzahl von Antennenelementen zu nutzen, besteht die Antennenanordnung 2 der in diesem Beispiel dargestellten Test- und Evaluationseinrichtung 1 aus drei halbkreisförmigen, übereinander geschachtelten Schienenelementen 10, auf denen jeweils eine z.B. kreisbogenförmige Gruppenantenne 7 gelagert ist. 2 zeigt eine beispielhafte Darstellung dieser Antennenanordnung 2 mit den drei Schienenelementen 10 und den Gruppenantennen 7, die jeweils aus einer Gruppe einzelner Antennenelemente 8 zusammengesetzt sind. Die einzelnen Gruppenantennen 7 können auf den Schienenelementen 10 motorgetrieben in ihrer Winkelposition bezüglich des Radarsensors gegeneinander verschoben werden, wie dies mit den Pfeilen in der 2 angedeutet ist. Die Schienenelemente 10 sind um etwas mehr als eine Antennenhöhe in der Höhe versetzt. Dies ist in 3 dargestellt. Um zusätzlich auch den Elevationswinkel von Streuzentren simulieren zu können, sind die Antennenelemente 8 auf einer Teilzylinderoberfläche angeordnet und die Schienenelemente ineinander verschachtelt (vgl. 2). Die Antennenelemente können beispielsweise als Hornantennen bei ca. 76 GHz verwendet werden. Typische Hornantennen haben eine Höhe von ca. 16mm, so dass es ausreichend ist, die Schienenelemente 10 um ca. 2cm in der Höhe zu versetzen. Der Radius der Schienenelemente 10 beträgt in diesem Beispiel ca. 2m, die Länge der einzelnen Gruppenantennen 7 ca. 58cm. Dies resultiert daraus, dass eine Kfz-Breite von 2m in 7m Abstand einer maßstabsgerechten Kfz-Breite von 0,58m in 2m Abstand entspricht. Mit einer Gruppenantenne 7 kann damit in diesem Beispiel ein einzelnes Fahrzeug simuliert werden. Die Anzahl der Antennenelemente 8 der Gruppenantennen 7 wird so groß gewählt, dass allen signifikanten Streuzentren entsprechend ihrer Einfallswinkel jeweils ein Antennenelement zugeordnet werden kann, und beträgt vorzugsweise ≥ 20 je Gruppenantenne, im vorliegenden Beispiel 29. Die Verteilung der Streuzentren, die zugeordneten Einfallswinkel und die Abstände der Streuzentren auf der jeweiligen Objektoberfläche werden mit Hilfe von CEM-Software bestimmt, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird.
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Die Anordnung der Gruppenantennen 7 kann nun so gewählt werden, dass z.B. Fahrzeuge auf benachbarten Spuren bzw. Standstreifen auf der Autobahn über der Zeit simuliert werden können. In gleicher Weise gilt dies für den Verkehr auf Landstraßen oder innerhalb einer Ortschaft. Bei Positions- und Winkeländerungen zu simulierender Fahrzeuge über der Zeit werden die Positionen der Gruppenantennen 7 entsprechend auf den Schienenelementen 10 angepasst. Die hierfür vorhandenen Stellmotoren 5 sind in 2 durch die schwarz gefüllten Kreise dargestellt. Abstände der zu simulierenden Fahrzeuge 6 gegenüber dem Radarsensor spiegeln sich im Zeitversatz der Antwortsignale der Test- und Evaluationseinrichtung wider. Die Geschwindigkeiten der zu simulierenden Fahrzeuge sind dem Dopplerversatz der zugehörigen Antwortsignale zugeordnet. Um die Radarumgebung, beispielsweise sich einer Kreuzung nähernde Fahrzeuge usw., berücksichtigen zu können, sind im Beispiel der 2 zusätzlich auf dem inneren Schienenbogen 10 an beiden Enden jeweils zwei Antennenelemente 8 starr angeordnet. Sollen Fahrzeuge simuliert werden, die sich quer zur Fahrtrichtung bewegen, so können deren Streuzentren durch Verknüpfung der drei Gruppenantennen 7 dargestellt werden.
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Im vorliegenden Beispiel ist oberhalb des obersten Schienenelementes 10 zusätzlich zu den bereits beschriebenen Sendeantennen der Test- und Evaluationseinrichtung eine Empfangsantenne 9 so angeordnet, dass sie eventuelle Bewegungen der als Sendeantennen dienenden Antennenelemente nicht beeinträchtigt. Die Empfangsantenne 9 ist in diesem Beispiel zentral positioniert, kann jedoch prinzipiell auch an anderen Positionen angebracht werden. Falls auch Automobilradare mit elektronischer Strahlschwenkung, z.B. via Rotman-Linsen, genutzt werden, so sollte jeweils ein Antennenelement der Gruppenantennen 7 sowohl einen Empfangs- als auch einen Sendemodus besitzen. Eine zusätzliche Empfangsantenne entfällt unter diesen Voraussetzungen. Die Empfangsantennen sind für die Bereitstellung eines Referenzsignals des Automobilradars notwendig, das zur Erzeugung eines künstlichen Empfangssignals bzw. der darauf basierenden Antwortsignale dient. Hinter den Empfangsantennen 9 wird zusätzlich zum empfangenen Signal ein zum Empfangssignal um 90° phasenverschobenes Signal erzeugt (IQ-Demodulation), um das reelle, empfangene Signal in ein komplexes Referenzsignal zu transformieren.
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Vor der Nutzung der Test- und Evaluationseinrichtung werden die Sende- und Empfangskanäle synchronisiert und ihre Amplituden- und Phasengänge über der Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur abgeglichen. Zur Synchronisation und zum Kanalabgleich können Verfahren genutzt werden, die aus dem Bereich der AESA-Antennen (Active Electronic Scanning Antenna Array) bekannt sind.
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Für die Berechnung der von der Test- und Evaluationseinrichtung abgestrahlten Antwortsignale, die komplexe, hochaufgelöste Verkehrsszenarien simulieren, sowie der Antennenelementpositionen und der Antennengewichtungskoeffizienten werden abhängig von der Frequenz, Zeit und Raumposition der zu simulierenden Fahrzeuge, sonstigen Verkehrsteilnehmer und der Fahrzeugumgebung beispielsweise numerische Verfahren zur elektromagnetischen Wellenausbreitung genutzt, die z.B. in Form der Software FARAD® des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik und der RWTH Aachen zur Verfügung stehen. Weiterhin können je nach Szenario zur Berechnung auch kommerzielle Programme wie FEKO oder CST herangezogen werden. Die mit diesen CEM-Programmen berechneten Streuzentrenverteilungen der Verkehrsszenarien werden auf einem Festspeicher abgelegt, um sie nach dem Empfang eines Sende-Radarsignals mit diesem, bzw. seiner künstlichen Nachbildung, zu falten und anschließend in quasi Echtzeit wieder abzustrahlen. Die Streuzentrenverteilung eines Zielobjekts bzw. Fahrzeugs wird für ein dichtes Winkelraster berechnet. Der Abstand zwischen zwei Rasterpunkten ist durch die maximale Entfernung zwischen den Zielobjekten und dem Fahrzeugradar bzw. Radarsensor sowie durch den von der Antennenelementgröße vorgegebenen Minimalabstand zwischen zwei Antennenelementen bestimmt. Die berechneten Streuzentrenverteilungen werden vor ihrer Nutzung vorzugsweise anhand von Messdaten zumindest für die wesentlichen Zielobjekte verifiziert und validiert. Im Unterschied zu bekannten Test- und Evaluationseinrichtungen werden die Antwortsignale nicht nur zu einem Zeitpunkt aus einer Richtung sondern entsprechend der Verkehrssituation und der Reflexionseigenschaften der simulierten Objekte richtungs- und zeitabhängig abgestrahlt.
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In den berechneten und abzustrahlenden Szenarien werden vorzugsweise nicht nur an Fahrzeugen reflektierte Signale und entstehende Interferenzen sondern auch die elektromagnetische Umgebung des Radars berücksichtigt. Hierzu zählen nicht nur Reflexionen am Straßenrand und auf der Straße sondern auch die von anderen Radaren abgestrahlten Signale im gleichen Frequenzbereich. In den berechneten Szenarien werden auch bildgebende Radarverfahren mit berücksichtigt, die zukünftig in Automobilradaren, insbesondere im Zusammenhang mit autonom gelenkten Fahrzeugen an Bedeutung gewinnen werden. Bildgebende Radare ermöglichen es, die Umgebung zweidimensional und dreidimensional zu erfassen und unter Nutzung von Klassifikationsverfahren die Umgebung zu klassifizieren. In den mit dem vorgeschlagenen Verfahren simulierten Szenarien, die zum Test des Automobilradars dienen, wird das sich über der Zeit ändernde Rückstrahlverhalten der Umgebung nachgebildet, um die Radarbildgebung und Radarzielklassifikation zu überprüfen. Entsprechend der vom Automobilradar abgestrahlten Signale ist es möglich, sowohl Schmalbandsignale als auch Breitbandsignale, die z.B. 4GHz und mehr breit sein können, abzustrahlen.
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Weiterhin werden mit dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise auch Verfahren basierend auf Mikrodoppler, die zur Unterscheidung der Verkehrsteilnehmer wie z.B. Fußgänger, Tiere, Fahrräder oder Autos geeignet sind, in den bereitgestellten Verkehrsszenarien berücksichtigt. In der Test- und Evaluationseinrichtung des vorliegenden Beispiels werden Fahrzeugrückstrahleigenschaften ab einer Entfernung von 7m simuliert sowie Umgebungseigenschaften ab einer Entfernung von 2m.
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Die mit den CEM-Programmen berechneten Streuzentrenverteilungen auf den abzubildenden Fahrzeugen können durch reale Messungen verifiziert und validiert werden. Hierzu können beispielsweise SAR-Messungen (Synthetic Aperture Radar) durchgeführt werden, bei denen das zu simulierende Fahrzeug 16 auf einer Rotationsplattform 15 angeordnet ist, wie dies in 4 dargestellt wird. Um die Streuzentren-Verteilung eines Fahrzeugs zu vermessen, ist das Radar mit Sender 11 und Empfänger 12 auf einer geradlinig verlaufenden Führungsschiene 13 angeordnet. Über einen nicht dargestellten Stellmotor wird das SAR-Gerät mit einer kontinuierlichen Geschwindigkeit vom linken Ende zum rechten Ende der Führungsschiene 13 bewegt. Das Radargerät arbeitet in einem Frequenzbereich, der zwischen 76GHz und 81GHz liegt. Das SAR-Gerät sendet während der Bewegung mit konstanter Pulsfolgefrequenz breitbandige Signale aus und zeichnet die vom Fahrzeug 16, das unter einem bestimmten Aspektwinkel positioniert wurde, reflektierten und vom SAR-Gerät empfangenen Signale auf einem Prozessrechner 14 auf. Das prozessierte SAR-Bild ermöglicht es, die Positionen der einzelnen Streuzentren 17 auf dem Fahrzeug 16 in Polarkoordinaten, d.h. in Entfernung und Einfallswinkel zu bestimmen. Beispielhaft ist in 5 die Streuzentrenverteilung eines Fahrzeuges 16 unter verschiedenen Aspektwinkeln dargestellt. Die Dynamik der Messung wurde im vorliegenden Beispiel auf 12dB eingeschränkt.
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Die vorgeschlagene Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ermöglicht die Erzeugung ein oder mehrerer Punktziele, die künstlich in ein Radar eingebracht werden können. Vorausgesetzt wird, dass das Radar ein periodisches monoton frequenzmoduliertes Signal aussendet, welches im Folgenden auch als Ursprungssignal bezeichnet wird. Es wird angenommen, dass durch a-priori-Wissen oder eine vorgeschaltete technische Einheit das Ursprungssignal mit seinen Parametern wie Startfrequenz, Bandbreite, Phasenlage, Dauer, Amplitudenverlauf, Frequenzverlauf bzw. davon abgeleitete Parameter bekannt ist. Das vom Radarsensor ausgesendete Sende-Radarsignal (Ursprungssignal) wird von der vorgeschlagenen Einrichtung empfangen, um Information über den Startzeitpunkt und die Phase des Ursprungssignals zu erhalten. Dies kann zur Triggerung und Referenzierung der Signalverarbeitung der vorgeschlagenen Einrichtung verwendet werden.
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Die generischen Ziele entsprechend der bereitgestellten Streuzentrenverteilung werden durch geeignete variierte bzw. modifizierte Nachbildungen des Ursprungssignals erzeugt. Je generisches Ziel existiert ein signalgenerierender Baustein bzw. eine digitale Repräsentation des Signals, wobei diese in Zeit und/oder Frequenz verschoben sein kann. Die Zeitverzögerung bildet die virtuelle Entfernung des generischen Ziels. Die Frequenzverschiebung erzeugt die Dopplerverschiebung des Radarsignals, welche dem generischen Ziel eine radiale Bewegungskomponente hinzufügt. Im vorliegenden Beispiel wird ein signalgenerierender Baustein eingesetzt, der das Signal mittels DDS (Direkte Digitale Synthese) erzeugt, im Folgenden auch als DDS-Baustein bezeichnet. Es können jedoch auch andere signalgenerierende Bausteine eingesetzt werden. Jeder DDS-Baustein der vorgeschlagenen Einrichtung ist für die Erzeugung eines generischen Punktstreuers im späteren Range-Profil des Radars verantwortlich. Der Ort eines jeden generischen Ziels wird durch die verzögerte Erzeugung des Ursprungs- bzw. Antwortsignals durch den zugehörigen DDS-Baustein generiert. Durch geeignete Frequenzvariation des von der DDS erzeugten Signals entsteht im Radar eine Frequenzdifferenz zum Ursprungssignal. Eine derartige Frequenzdifferenz wird üblicherweise von Radaren als durch Bewegung erzeugter Doppler-Effekt interpretiert. Um eine Bewegung zu imitieren, können die Parameter zeitliche Verzögerung, Frequenzversatz, Signalamplitude sowie Signalphase geeignet nachgeführt werden.
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Die Komplexität der einzelnen DDS-Anordnung kann reduziert werden, indem die generierte Bandbreite der DDS einem Wert entspricht, der durch eine analoge Frequenzmultiplikation auf die Bandbreite der Chirp-Sequenz des Radars bzw. Ursprungssignals gebracht werden kann. Eine weitere Möglichkeit einer Bandbreitenerhöhung der DDS-Ausgangssignale mit der reduzierten Bandbreite besteht in der digitalen Skalierung und/oder Interpolation des Spektrums der Signale. Letzteres ist jedoch limitiert durch die Eigenschaften des Digital-Analog-Wandlers, welche ebenfalls die Anwendung analoger Frequenzmultiplizierer erfordern können.
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Eine ausgedehnte Anordnung von generischen Zielen, insbesondere eine Anordnung von aus Sicht des Radarsensors in einer Richtung hintereinander liegenden Zielen, kann durch Superposition mehrerer derart generierter Signale erzeugt werden. Je Antennenelement kann dies durch digitale Addition der einzelnen DDS-Ausgangssignale oder auch durch analoge Überlagerung der Signale mittels kombinierender Bauteile oder durch Überlagerung im elektromagnetischen Feld erfolgen. In den 6 und 7 sind zwei Alternativen der Signalverarbeitung für jeweils ein Antennenelement dargestellt.
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6 zeigt hierzu eine Ausgestaltung, bei der die Superposition mehrerer Punktstreuer durch digitale Addition der einzelnen DDS-Signale erfolgt. In dieser Figur ist eine Kontrolleinheit 18 zur Steuerung der einzelnen DDS-Bausteine 19 zu erkennen, der die Zielparameter aus der vorgegebenen Streuzentrenverteilung sowie die Parameter des Ursprungssignals zugeführt werden. Für jedes Streuzentrum des mit dem Antennenelement 8 abzudeckenden Winkelbereichs wird ein getrennter DDS-Baustein 19 eingesetzt. Anschließend erfolgt eine digitale Addition sowie Weiterverarbeitung der durch die einzelnen DDS-Bausteine 19 erzeugten Signale, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als modifizierte Nachbildungen des Sende-Radarsignals bezeichnet, bis zur Digital-Analog-Wandlung mit einem D/A-Wandler. Auf der analogen Seite erfolgt dann über einen Frequenzmultiplikator 21 die Umsetzung des generierten Signals in die Frequenzbandbreite des Ursprungssignals sowie eine ggf. noch erforderliche Anpassung der Frequenz über einen Frequenzmischer 20. Anschließend erfolgt die Aussendung dieses Signals als Antwortsignal über das Antennenelement 8. Die Reihenfolge des Frequenzmischers 20 und des Frequenzmultiplikators 21 kann in dieser und der nachfolgenden Ausgestaltung auch vertauscht werden.
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7 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der die Superposition der einzeln nachgebildeten Signale (modifizierte Nachbildungen) auf der analogen Seite erfolgt. Auch in diesem Beispiel werden wiederum eine DDS-Kontrolleinheit 18 sowie je zu simulierendem Punktziel ein DDS-Baustein 19 eingesetzt. Die vom DDS-Baustein 19 erzeugten Signale werden jedoch getrennt jeweils in eigenen D/A-Wandlern in analoge Signale umgewandelt. Die Überlagerung der einzelnen Signale erfolgt dann erst auf der analogen Seite durch geeignete Zusammenführung. Das auf diese Weise erhaltene überlagerte Signal wird wie bei der Ausgestaltung der 6 anschließend mit einem Frequenzmischer 20 und einem Frequenzmultiplexer 21 auf den Frequenzbereich und die Frequenzbandbreite des Ursprungssignals gebracht und als Antwortsignal über das Antennenelement 8 abgestrahlt.
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Bei beiden Ausgestaltungen erzeugen somit M DDS-Bausteine 19 ein ausgedehntes Ziel bestehend aus M Punkten, welches gemeinsam aus der Richtung der Position des Antennenelementes 8 auf den Radarsensor einfällt. Räumlich ausgedehnte Szenen werden durch Vervielfachung dieser Anordnung erzeugt. Die Ausgestaltung der 6 hat hierbei den Vorteil, dass je Antennenelement 8 nur ein D/A-Wandler eingesetzt werden muss. Die Ausgestaltung der 7 hat einen demgegenüber erhöhten Hardware-Aufwand, da M D/A-Wandler eingesetzt werden müssen. Allerdings hat die Variante der 7 gegenüber der Variante der 6 den Vorteil einer erhöhten Dynamik des Signals durch Verzicht auf digitale Signalüberlagerung.
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Die vorgeschlagene Einrichtung ist in der Lage, ein zeitlich begrenzt phasenstarres Signal in Bezug auf das Sende-Radarsignal zu erzeugen. Dies geschieht durch Referenzierung der signalgenerierenden Bausteine auf das aktuell vom Radar ausgesendete Signal. Dies wird dazu verwendet, um generische Ziele für kohärent arbeitende Radare zu erzeugen. Die einzelnen signalgenerierenden Bausteine erzeugen im Falle einer synchronen Taktung untereinander zeitlich unbegrenzt phasenstarre Signale. Durch diese Eigenschaft werden unerwünschte Fluktuation des generischen Ziels vermieden.
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Moderne Radare, z.B. gepulste Doppler-Radare, arbeiten auf Basis der kohärenten Signalverarbeitung und haben dabei einen festen Phasenbezug zwischen gesendetem und empfangenem Radarsignal. Möchte man einem solchen Radar plausible synthetische Ziele einspielen, so müssen die generischen Zielreflexionen ebenso kohärent zum Radarsignal sein. Hierbei ist es bekannt, so genannte DRFM (Digital Radio Frequency Memory) einzusetzen, die in der Lage sind, ankommende Radarsignale zu digitalisieren, zu speichern, gegebenenfalls zu manipulieren und nach D/A-Wandlung zurückzusenden. Dabei sorgt ein gemeinsamer lokaler Oszillator am Signaleingang und Signalausgang zusammen mit davon abgeleiteten Clocks an den Digitalkomponenten innerhalb des DRFM für die Kohärenz der eigenen Signale zu denen des Radars. Im DRFM befindet sich somit eine exakte digitale Kopie des Radarsignals, welche als Zielreflexion in seinen Parametern (RCS, Range, Geschwindigkeit und Winkel) der Anforderung entsprechend variiert werden kann. Der Hauptnachteil dieses bekannten Verfahrens besteht jedoch darin, dass die A/D- und D/A-Bandbreite mindestens derjenigen des Radarsignals entsprechen muss. Das Radar selbst hingegen kann im Falle linear frequenzmodulierter Wellenformen deutlich breitere Radarsignale verarbeiten als es digitalisieren muss. Radare können demnach mit Signalbandbreiten mehrerer GHz operieren. Ein DFRM kann diese Signale jedoch nicht vollständig verarbeiten.
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Demgegenüber kann die vorgeschlagene Einrichtung derartige Signale künstlich nachbilden, sofern diese vorab ausreichend bekannt sind. Die empfangenen Sende-Radarsignale müssen hierzu nicht digitalisiert werden und die Signalgenerierung kann in einem niedrigeren Frequenzbereich mit geringerer Frequenzbandbreite erfolgen, so dass die eingesetzten D/A-Wandler nicht die Bandbreite des Sende-Radarsignals aufweisen müssen.
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Zur Übertragung und zum Aussenden der berechneten Zielantworten werden basierend auf den berechneten Streuzentrenverteilungen die Anzahl der nachzubildenden Streuzentren und deren Einfallswinkel in Abhängigkeit von dem zu simulierenden Abstand zwischen Radarsensor und Streuzentrum sowie der zugrundeliegenden Szene bzw. Verkehrssituation ermittelt. Nach Zuordnung der Positionen der Antennenelemente zu den berechneten Einfallswinkeln wird jedem Streuzentrum bzw. dem zugehörigen Antennenelement ein Transponder zugeordnet. Basierend auf dem ermittelten Abstand des Streuzentrums und der Reflexionsstärke des Streuzentrums wird dann der Sendezeitpunkt, die sich aus der Szene bzw. dem Verkehrsszenario ergebende Dopplergeschwindigkeit sowie die benötigte Signalverstärkung bestimmt und auf den Transponder übertragen. Das vom Transponder empfangene Sende-Radarsignal wird nun entsprechend der Dopplergeschwindigkeit in der Frequenz und entsprechend der Streuzentrenposition im Zeitbereich verschoben. Anschließend wird das Signal wie vorher berechnet verstärkt und zum Radarsensor zurückgestrahlt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Test- und Evaluationseinrichtung
- 2
- Antennenanordnung
- 3
- Rechnersystem
- 4
- Fahrzeug
- 5
- Stellmotoren
- 6
- Virtuelle Fahrzeuge
- 7
- Gruppenantenne
- 8
- Antennenelement
- 9
- Empfangselement
- 10
- Schienenelement
- 11
- Sender
- 12
- Empfänger
- 13
- Führungsschiene
- 14
- Prozessrechner
- 15
- Rotationsplattform
- 16
- Fahrzeug
- 17
- Streuzentren
- 18
- DDS-Steuereinheit
- 19
- DDS-Baustein
- 20
- Frequenzmischer
- 21
- Frequenzmultiplikator
