DE102018209131A1 - Polarimetrisches Radar sowie eine geeignete Verwendung und Verfahren hierfür - Google Patents

Polarimetrisches Radar sowie eine geeignete Verwendung und Verfahren hierfür Download PDF

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Abstract

Polarimetrisches Radar bestehend aus einer Sendeanordnung, bei der die Trägersignale eine zirkuläre Polarisation aufweisen, wobei alle Sender der Sendeanordnung zeitgleich verwendet werden und jeder Sender mit einem Sendesignal betrieben wird, das mit einem individuellen digitalen Phasencode moduliert wird,einer Empfängeranordnung, die die reflektierten Signale über eine Antennenanordnung empfängt, wobei es sowohl Empfangsantennen gibt, die für linkszirkular polarisierte elektromagnetische Wellen ausgelegt sind, als auch Empfangsantennen, die für rechtzirkular polarisierte elektromagnetische Wellen ausgelegt sind,wobei durch die Verwendung mehrerer Sender und Empfänger eine Gesamtanordnung bereitgestellt wird, die gemäß dem Multiple Input Multiple Output Verfahren betrieben wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radarsystem mit digitaler Phasencodierung und zirkulär polarisierten Trägersignalen nach den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine geeignete Verwendung nach Anspruch 11 und ein Verfahren zur Objektbestimmung nach Anspruch 12.
  • Bekannterweise ist bei dem zukünftig angestrebten autonomen Fahren die Verwendung von mehreren Radarsensoren pro Fahrzeug notwendig. Beim aktuell eingesetzten Signalmodulierungsverfahren FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) kommt es dabei zu Interferenzen. Diese Interferenzen verursachen ein massives Ansteigen des Rauschlevels, so dass Objekte nicht mehr erkannt werden können. Konzepte und Strategien zur Vermeidung von Interferenzen gestalten sich schwierig, da signaltechnisch Ausweichstrategien gesucht werden müssen, z.B. frequenzmäßig oder durch abgestimmte Sendezyklen. Jedoch kommen diese Strategien an ihre Grenzen, wenn viele Radarsensoren und somit viele Störsignale gleichzeitig vorhanden sind, wie es z.B. beim autonomen Fahren der Fall ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die im Stand der Technik vorhandenen Nachteile zu vermeiden bzw. derart zu verbessern, dass eine gesicherte Objektbestimmung erreicht werden kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe vorrichtungstechnisch mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie verwendungs- und verfahrenstechnisch mit den Merkmalen der Ansprüche 10 und 11.
  • Grundsätzlich ist darüber hinaus festzustellen, dass in Zukunft zunehmend Modulationsverfahren eingesetzt werden, bei denen die Phase moduliert wird. Dieses Modulationsverfahren wird als PMCW (Phase-Modulated Continuous Wave) bezeichnet. Hierbei werden mehrere Sendesignale von verschiedenen Sendern in der Phase moduliert und anmeldungsgemäß gleichzeitig gemäß dem MIMO (Multiple Input Multiple Output) Prinzip abgesendet. Die Empfangssignale werden nach der Signalprozessierung wieder den entsprechenden Sendern zugeordnet. Die Messung der Winkelablage erfolgt dann im Postprocessing mittels dem DBF (Digital Beam Forming) Verfahren. Durch die zeitgleiche Verwendung mehrerer Sender kann eine große Antennenapertur generiert werden, die eine hohe Winkelauflösung auch bei großen Entfernungen ermöglicht. Außerdem erhält man durch die zeitgleiche Verwendung mehrerer Sender eine große Signalamplitude und einen großen Dynamikbereich (Störabstand), so dass auch bei großen Entfernungen Objektstrukturen detektiert werden können.
  • Eine weitere Anforderung des autonomen Fahrens ist anmeldungsgemäß die Klassifikation von Objekten. Dazu ist die Verwendung von zirkular polarisierten Wellen notwendig. Einerseits erhält man aufgrund der Zirkularität der Welle viele Rückstreupunkte und kann dadurch die Kontur der Ziele klar erkennen. Des Weiteren erhält man zu jedem Objekt ein charakteristisches polarimetrisches Muster. Mittels künstlicher Intelligenz respektive maschineller Lernverfahren können Algorithmen entwickelt werden, die hochpräzise Objekte klassifizieren können. Außerdem kann man mit zirkular polarisierten Wellen weitere Voraussetzungen für das autonome Fahren erfüllen, wie z.B. eine genaue Straßenzustandserkennung.
  • Damit polarimetrische Effekte am Ziel auch bei großen Zielentfernungen getrennt werden können, benötigt man eine hohe Winkelauflösung und einen großen Dynamikbereich. Aus diesem Grund kombiniert das erfindungsgemäße Radarsystem die oben genannten Technologien: Trägersignale mit zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen und ein PMCW- Modulationsverfahren. Durch das PMCW Verfahren ergeben sich erfindungsgemäß noch weitere Vorteile. So ist es verfahrenstechnisch möglich, dass Radarsysteme innerhalb eines Verbundes und/oder mit anderen Radarsystemen mittels Phasenkodierung zusätzliche Informationen und Funktionen miteinander abstimmen und/oder kommunizieren wie vorzugsweise:
    • - zeitliche Synchronisation mehrerer Sensoren
    • - Optimierte Codeauswahl, wenn mehrere Radarsensoren im gleichen Frequenzbereich betrieben werden
    • - Fahrzeugdaten wie beispielsweise Bremsverhalten
    • - Fahrstrecken inklusive Gefahrenstellen
    • - Verkehrsflussinformationen
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden mit den Merkmalen der Unteransprüche erzielt.
    • 1 zeigt das erfindungsgemäße Sende- und Empfangsprinzip. Es gibt mehrere Sender (TXi bis TXn) die zeitglich betrieben werden, wobei jeder Sender mit einem Sendesignal betrieben wird, dass mit einem individuellen digitalen Phasencode moduliert wird, gemäß dem PMCW (Phase-Modulated Continuous Wave) Verfahren. Danach folgt die Umsetzung der digitalen in analoge Signale mittels eines Digital-Analog-Umsetzer (DAC) und die Aufwärtsmischung in das Frequenzband zwischen 76 und 81 GHz. Jeder Sender strahlt nun sein individuell codiertes Signal ab, wobei die Wellen der elektromagnetischen Trägersignale, die von den Antennen abgestrahlt werden, zirkular polarisiert sind. Die Wellenform kann dabei linkszirkular oder rechtszirkular sein. Die von den Zielobjekten zurückreflektierten Signale gelangen zu den Empfangsantennen. Hierbei gibt es Empfangsantennen, die für linkszirkulare Polarisation ausgelegt sind, und Empfangsantennen, die für rechtszirkulare Polarisation ausgelegt sind. Danach erfolgt die Abwärtsmischung in das Basisband und Umsetzung der analogen in digitale Signale mittels eine Analog-Digital-Umsetzers (ADC). Es folgt für alle Empfangskanäle die Korrelation, die ermöglicht, dass jedes Sendesignal bei jedem Empfänger extrahiert werden kann. Danach werden für den erfindungsgemäßen polarimetrischen Modus nur für die linkszirkularen und nur für die rechtszirkularen Empfangskanäle Signalanalysen durchgeführt. Für den erfindungsgemäßen hochauflösenden Modus werden die linkszirkularen und die rechtszirkularen Empfangskanäle gemeinsam ausgewertet. Man erhält somit Radarbilddaten, inklusive einer 4D-Auflösung in Entfernung, Geschwindigkeit, horizontaler Richtung (Azimut) und vertikaler Richtung (Elevation), für die links zirkularen Empfangskanäle, für die rechtszirkularen Empfangskanäle und für die gemeinsame Verwendung von links- und rechtszirkularen Empfangskanälen. Nun erfolgt die weitere Analyse. Das Radarbild, das die links- und rechtszirkularen Empfangskanäle beinhaltet, eignet sich für hochauflösende Algorithmen. Die Radarbilder, die Empfangskanäle mit nur einer Polarisation aufweisen, eignen sich bei deren Vergleich für die Analyse polarimetrischer Eigenschaften und darauf basierender Applikationen wie vorzugsweise Objektklassifikation und Straßenzustandsbestimmung.
    • 2 zeigt beispielshaft eine erfindungsgemäße Sende- und Empfangsanordnung. Dabei sind alle Sendeantennen für linkszirkulare Polarisation ausgelegt. Für das erfindungsgemäße Radarsystem können auch alle Sendeantennen für rechtszirkulare Polarisation ausgelegt sein. Des Weiteren gibt es jeweils gleich viele Empfänger, die für linkszirkulare Polarisation ausgelegt sind, und Empfänger, die für rechtszirkulare Polarisation ausgelegt sind.
    • 3 zeigt das kopolare Gesamtarray, bestehend aus realen und synthetischen Antennenelementen, deren Positionen sich durch die Anordnung in 2 gemäß MIMO (Multiple Input Multiple Output) Prinzip ergeben. Kopolar bedeutet hierbei, dass nur die Empfänger zur Signalanalyse herangezogen werden, die auf dieselbe Polarisation wie die Sender ausgelegt sind. Diese Signalanalyse ist Teil des polarimetrischen Modus. In 3 werden linkszirkular polarisierte Wellen abgesendet und Empfänger verwendet, die auf linkszirkulare Polarisation ausgelegt sind. Hierbei ist eine Sende- Empfangsanordnung anzuwenden, die ein kopolares Gesamtarray erzeugt, dass eine bestimmte Abstandsregel einhält. Nämlich, dass der Antennenelementabstand in horizontaler und in vertikaler Richtung von der Mitte zum Rand des Antennenarrays mindestens gleichbleibt und an zumindest einer Position größer wird.
    • 4 zeigt das kreuzpolare Gesamtarray, bestehend aus realen und synthetischen Antennenelementen, deren Positionen sich durch die Anordnung in 2 gemäß dem MIMO Prinzip ergeben. Kreuzpolar bedeutet hierbei, dass nur die Empfänger zur Signalanalyse herangezogen werden, die auf die andere Polarisation wie die Sender ausgelegt sind. Diese Signalanalyse ist Teil des polarimetrischen Modus. In 4 werden linkszirkulare Wellen abgesendet und Empfänger verwendet, die auf rechtzirkulare Polarisation ausgelegt sind. Hierbei ist eine Sende- Empfangsanordnung anzuwenden, die ein kreuzpolares Gesamtarray erzeugt, dass eine bestimmte Abstandsregel einhält. Nämlich, dass der Antennenelementabstand in horizontaler und in vertikaler Richtung von der Mitte zum Rand des Antennenarrays mindestens gleichbleibt und an zumindest einer Position größer wird.
    • 5 zeigt das Gesamtarray für den Modus mit einer hohen Winkelauflösung in Azimut, bestehend aus realen und synthetischen Antennenelementen, deren Positionen sich durch die Anordnung in 2 gemäß dem MIMO Prinzip ergeben, wobei sowohl kopolare als auch kreuzpolare Antennenelemente verwendet werden. Dadurch wird in horizontaler Richtung eine große Antennenapertur generiert, die eine hohe Winkelauflösung in Azimut ermöglicht. Polarimetrische Signalunterschiede müssen hierbei in der Signalanalyse in der Belegungsfunktion berücksichtigt werden. Erfindungsgemäß werden als Antennen Hohlleiterantennen verwendet, die entweder für linkszirkulare oder für rechtszirkulare Polarisation ausgelegt sind. Diese ermöglichen eine hohe Isolation zwischen den Polarisationsrichtungen. Diese hohe Isolation ist für die Analyse polarimetrischer Eigenschaften obligatorisch. Außerdem ermöglicht die Hohlleitertechnik exakt definierte Ausprägungen der Antennenphasenzentren, die für das MIMO Prinzip vorteilhaft sind. Im Folgenden werden geeignete Strukturen von Hohlleiterantennen beschrieben.
    • 6 zeigt ein Antennenelement, ausgeführt als Steghornstrahler für linkszirkular polarisierte Wellen. Das Antennenelement besitzt einen Anschluss bestehend aus einem Rechteckhohlleiter, der für eine H10-Welle ausgelegt ist. Danach folgt eine Anpassstruktur, die den Rechteckhohlleiter mit einem quadratischen Hohlleiter verbindet. Danach folgt ein Hohlleiter, der zwei seitlich angebrachte Stege aufweist und mit der Rundhohlleiterantennenapertur verbunden ist. Die beiden Stege wirken dabei als metallische Phasenschieber und sind um 45° zum Rechteckhohlleiter ausgerichtet. Mit diesem Aufbau wird eine linkszirkular polarisierte Welle an der Rundhohlleiterantennenapertur in eine H10-Welle am Antennenanschluss umgewandelt und umgekehrt.
    • 7 zeigt ein Antennenelement, ausgeführt als Steghornstrahler für rechtszirkulare Polarisation. Der Unterschied zu dem Steghornstrahler in 6, der für eine linkszirkulare Polarisation ausgelegt ist, besteht darin, dass sich die Positionen der Stege an den jeweils beiden anderen Hohlleiterwänden befinden und somit um 90° versetzt sind.
    • 8 zeigt ein Antennenelement, ausgeführt als Hornstrahler mit integralem Septum für linkszirkular polarisierte Wellen. Das Antennenelement besitzt einen Anschluss bestehend aus einem Rechteckhohlleiter, der für eine H10-Welle ausgelegt ist. Danach folgt eine Anpassstruktur, die den Rechteckhohlleiter mit einem quadratischen Hohlleiter verbindet. Danach folgt ein Hohlleiter, in dem sich ein dielektrisches Septum befindet und der mit der Rundhohlleiterantennenapertur verbunden ist. Das Septum wirkt dabei als dielektrischer Phasenschieber und ist um 45° zum Rechteckhohlleiter ausgerichtet. Außerdem befindet sich das Septum innerhalb der Rundhohlleiterantennenapertur und ist mit dem Radom verbunden. Mit diesem Aufbau wird eine linkszirkular polarisierte Welle an der Rundhohlleiterantennenapertur in eine H10-Welle am Antennenanschluss umgewandelt und umgekehrt.
    • 9 zeigt ein Antennenelement, ausgeführt als Hornstrahler mit integralem Septum für rechtszirkulare Polarisation. Der Unterschied zu dem Antennenelement in 8, das für eine linkszirkulare Polarisation ausgelegt ist, besteht darin, dass sich das integrale Septum um 90° gedreht in dem Hohlleiter befindet.
  • Bezugszeichenliste
    • TX:
    Sendeantennen
    RX:
    Empfangsantennen
    LO:
    Lokaloszillator
    LHC:
    Left Hand Circular (Linkszirkulare Polarisation)
    RHC:
    Right Hand Circular (Rechtszirkulare Polarisation)
    DAC:
    Digital-Analog-Wandler
    ADC:
    Analog-Digital-Wandler
    1:
    Reckteckhohlleiter, ausgelegt für eine H10-Welle
    2:
    Anpassungsstruktur
    3:
    Hohlleiter, der zwei seitlich angebrachte und um 45° zum Reckeckhohlleiter ausgerichtete Stege aufweist
    4:
    Rundhohlleiterantennenapertur
    5:
    Hohlleiter, in dem sich ein dielektrisches Septum befindet
    6:
    Dielektrisches Septum, dass in die Antenne hineinragt, mit dem Radom verbunden ist und um 45° zum Rechteckhohlleiter orientiert ist
    7:
    Radom, das sich vor der Antenne befindet

Claims (12)

  1. Polarimetrisches Radar bestehend aus: - einer Sendeanordnung, bei der die Trägersignale eine zirkulare Polarisation aufweisen, wobei alle Sender der Sendeanordnung zeitgleich verwendet werden und jeder Sender mit einem Sendesignal betrieben wird, das mit einem individuellen digitalen Phasencode moduliert wird, - einer Empfängeranordnung, die die reflektierten Signale über eine Antennenanordnung empfängt, wobei es sowohl Empfangsantennen gibt, die für linkszirkular polarisierte elektromagnetische Wellen ausgelegt sind, als auch Empfangsantennen, die für rechtzirkular polarisierte elektromagnetische Wellen ausgelegt sind, - wobei durch die Verwendung mehrerer Sender und Empfänger eine Gesamtanordnung bereitgestellt wird, die gemäß dem Multiple Input Multiple Output Verfahren betrieben wird.
  2. Polarimetrisches Radar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der bei der Signalanalyse verwendeten Empfangsantennen, die für linkszirkular polarisierte elektromagnetische Wellen ausgelegt sind, gleich der Anzahl der bei der Signalanalyse verwendeten Empfangsantennen, die für rechtszirkular polarisierte elektromagnetische Wellen ausgelegt sind, ist.
  3. Polarimetrisches Radar nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei verschiedene Moden vorgesehen sind, wobei mindestens innerhalb eines Modes polarimetrische Eigenschaften analysiert werden, indem die Empfangssignale der Empfangsantennen, die für eine linkszirkulare Polarisation ausgelegt sind, und die Empfangssignale der Empfangsantennen, die für eine rechtszirkulare Polarisation ausgelegt sind, jeweils separat bis zur Datenebene, die eine Radarbilddarstellung ermöglicht, prozessiert werden und anschließend deren Unterschiede analysiert werden.
  4. Polarimetrisches Radar nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei verschiedene Moden vorgesehen sind, wobei mindestens innerhalb eines Modes hohe Winkelauflösungen analysiert werden, indem die Empfangsantennen, die für eine linkszirkulare Polarisation ausgelegt sind, und die Empfangsantennen, die für eine rechtszirkulare Polarisation ausgelegt sind, gemeinsam gemäß dem Multiple Input Multiple Output Verfahren eine Gesamtanordnung bilden und deren Empfangssignale gemeinsam prozessiert werden.
  5. Polarimetrisches Radar nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Moden nacheinander betreiben werden, wobei der Modus zur Analyse der polarimetrischen Eigenschaften vorzugsweise für Objektklassifikation und Straßenzustandsbestimmung und der Modus für eine hohe Winkelauflösung vorzugsweise zur präzisen Ortsbestimmung der Zielobjekte verwendet wird.
  6. Polarimetrisches Radar nach den Ansprüchen 1 bis 5 und bei Verwendung des Modus, innerhalb dessen die polarimetrische Eigenschaften analysiert werden dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der einzelnen Antennenelemente bei dem sich gemäß dem Multiple Input Multiple Output Verfahren ergebenden Gesamtanordnung, von der Mitte bis zum Rand der Anordnung mindestens gleich bleibt und/oder an zumindest einer Position zunimmt.
  7. Polarimetrisches Radar nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen als Hornantennen in Hohlleitertechnologie ausgeführt sind und vorzugsweise metallische oder dielektrische Phasenschieber aufweisen.
  8. Polarimetrisches Radar nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen als Steghornstrahler ausgeführt sind, wobei es sich vorzugsweise um zwei seitlich angebrachte Stege handelt, die um 45° zu einem als Antennenanschluss fungierenden Rechteckholleiter, angeordnet sind.
  9. Polarimetrisches Radar nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen als Hornantennen mit integralem Septum ausgeführt sind, wobei es sich vorzugsweise um dielektrisches Material handelt, das mit dem Antennen-Radom verbunden ist und um 45° zu einem als Antennenanschluss fungierenden Rechteckholleiter angeordnet ist.
  10. Polarimetrisches Radar nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Antennenapertur als Rundhohlleiter ausgeführt ist.
  11. Verwendung des polarimetrischen Radars nach einem der Ansprüche 1 bis 10, für den Einbau in einer bewegten Basis, die vorzugsweise ein Automobil ist, und vorzugsweise in einem Frequenzbereich zwischen 76 GHz und 81 GHz arbeitet.
  12. Verfahren zur Objektbestimmung, vorzugsweise unter Verwendung des polarimetrischen Radars nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Radarsysteme innerhalb eines Verbundes und/oder mit anderen Radarsystemen mittels Phasenkodierung zusätzliche Informationen und Funktionen miteinander abstimmen und/oder kommunizieren wie vorzugsweise: - zeitliche Synchronisation mehrerer Sensoren - Optimierte Codeauswahl, wenn mehrere Radarsensoren im gleichen Frequenzbereich betrieben werden - Fahrzeugdaten wie beispielsweise Bremsverhalten - Fahrstrecken inklusive Gefahrenstellen - Verkehrsflussinformationen
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