DE102019207723A1

DE102019207723A1 - Verfahren und Anordnung zur simultanen Überwachung eines Raumbereiches mittels Radar

Info

Publication number: DE102019207723A1
Application number: DE102019207723.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Wasserzier
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2019-11-28

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Anordnung zur simultanen Überwachung eines Raumbereiches mittels Radar wird ein bekanntes Rauschradarsignal in den Raumbereich eingestrahlt und aus dem Raumbereich reflektierte Anteile mit einer passiv frequenzscannenden Empfangsantenne empfangen. Das von der Empfangsantenne geliefert Empfangssignal wird in ein digitales Signal gewandelt und durch spektrale Filterung mit digitalen Filtern in mehrere Teilsignale unterschiedlicher Frequenzbereiche aufgeteilt, die aufgrund der Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik der Empfangsantenne unterschiedlichen Raumrichtungen innerhalb des Raumbereiches zugeordnet sind. Die Teilsignale werden ausgewertet, um Objekte innerhalb des Raumbereiches wenigstens winkelaufgelöst zu detektieren. Das Verfahren und die Anordnung ermöglichen eine simultane und kontinuierliche Überwachung eines breiten Raumbereiches mit geringem Hardwareaufwand und großer Flexibilität bei hoher Genauigkeit der Positionsbestimmung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung eines Raumbereiches mittels Radar, bei dem aus dem Raumbereich reflektierte Anteile eines Rauschradarsignals empfangen und ausgewertet werden. Eine derartige Überwachung ist für viele Anwendungen einsetzbar, in denen ein bestimmter Raumbereich auf Objekte überwacht werden soll, die sich im Raumbereich befinden, in den Raumbereich eintreten oder sich im Raumbereich bewegen, beispielsweise bei Automobil-Radaren oder zur Überwachung des Umfelds von Industrie- oder Energieerzeugungsanlagen.
Üblicherweise muss bei Radarmessungen zwischen der Genauigkeit der Positionsbestimmung und der Breite des simultan überwachten Raumvolumens abgewogen werden. Eine hohe Genauigkeit der Positionsbestimmung erfordert in der Regel eine stark bündelnde Antennenkeule, die simultane Überwachung eines breiten Raumbereiches eine entsprechend breite Antennenkeule. Durch Verfahren wie MIMO (Multiple Input Multiple Output) kann diese Einschränkung überwunden werden. Allerdings erfordern MIMO-Radare aufgrund der mehrkanaligen Radar-Systeme und der Vielzahl orthogonaler Radarsignale einen hohen Hardware- und Rechenaufwand.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Überwachung eines breiten Raumbereiches mittels Radar anzugeben, die eine simultane Überwachung des Raumbereiches bei geringem Hardwareaufwand mit hoher Positionsgenauigkeit und Flexibilität hinsichtlich der Messaufgaben ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird in einer ersten, bevorzugten Alternative ein bekanntes Rauschradarsignal in den Raumbereich eingestrahlt und aus dem Raumbereich reflektierte Anteile des Rauschradarsignals mit einer passiv frequenzscannenden Empfangsantenne empfangen, die eine bekannte Abhängigkeit der Frequenz von der Raumrichtung, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik bezeichnet, für den zu überwachenden Raumbereich aufweist. Frequenzscannende Antennen (FSA), wie sie beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung eingesetzt werden, sind Antennen, deren Keulenform und insbesondere Keulenausrichtung (der Hauptkeule) von der Frequenz der transformierten elektromagnetischen Wellen abhängt. Sie stellen eine Sonderform passiv elektronisch schwenkender Antennen (PESA) dar. Damit kann jedem Frequenzbereich des von der Empfangsantenne gelieferten Empfangssignals eine Raumrichtung innerhalb des Raumbereiches zugeordnet werden. Beim vorgeschlagenen Verfahren wird dieses von der Empfangsantenne gelieferte Empfangssignal zunächst in ein digitales Signal gewandelt und dann durch spektrale Filterung mit mehreren, vorzugsweise rekonfigurierbaren, digitalen Filtern in mehrere Teilsignale unterschiedlicher Frequenzbereiche aufgeteilt, die aufgrund der Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik der Empfangsantenne unterschiedlichen Raumrichtungen innerhalb des Raumbereiches zugeordnet sind. Das Design der Empfangsantenne und die Aufteilung in die Teilsignale bzw. Frequenzbereiche werden so gewählt, dass die Raumrichtungen den gesamten zu überwachenden Raumbereich überspannen oder zumindest interessierende Bereiche davon abdecken. Die Teilsignale werden dann ausgewertet, um Objekte innerhalb dieses Raumbereiches zumindest winkelaufgelöst zu detektieren.
Durch die Kombination des Rauschradarsignals mit der passiv frequenzscannenden Empfangsantenne kann der gesamte Raumbereich simultan, also für alle Orte des Raumbereiches gleichzeitig, überwacht werden. Die Bandbreite des Radarrauschsignals muss dabei selbstverständlich ausreichend groß gewählt sein, damit der gesamte Raumbereich mit der frequenzscannenden Antenne erfasst wird. Ein bandbegrenztes Rauschradarsignal enthält idealerweise in jedem Zeitabschnitt sämtliche Frequenzen des Frequenzbandes in gleicher Intensität. Dies gilt auch für Rauschradarsignale, die in praktischen Radaranwendungen mit ihren zeitlich ausgedehnten Pulsen eingesetzt werden, da ein Radarpuls niemals infinitesimal kurz werden kann. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Rauschradarsignal jedoch bevorzugt nicht gepulst sondern über den Überwachungszeitraum, beispielsweise mehrere Minuten, Stunden oder Tage, kontinuierlich in den zu überwachenden Raumbereich eingestrahlt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Einstrahlung des Rauschradarsignals mit einer passiv frequenzscannenden Sendeantenne, die die gleiche Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik wie die Empfangsantenne aufweist. Der durch die hohe Bündelung in die jeweiligen Raumrichtungen mit passiv frequenzscannenden Antennen erzielbare Antennengewinn kann in diesem Fall sowohl im Sende- als auch im Empfangskanal ausgenutzt werden. Dies ermöglicht eine hohe Detektionsleistung. In alternativen Ausgestaltungen kann das Rauschradarsignal aber auch mit einer anderen Antennenart in den Raumbereich ausgestrahlt werden, die eine simultane Ausleuchtung des gesamten Raumbereiches ermöglicht. Für die Erzeugung des Rauschradarsignals kann beispielsweise ein Rauschradargenerator eingesetzt werden, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise aus Horton, B. M. „Noise-Modulated Distance Measuring Systems," Proceedings of the IRE (47:5), 1959, pp. 821-828.
Das Empfangssignal wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren zunächst in ein digitales Signal gewandelt, das dann mit Hilfe digitaler Filter spektral gefiltert wird, um die einzelnen Teilsignale zu erhalten. Der Vorteil der Nutzung digitaler Filter besteht einerseits darin, dass ein einzelner Analog-Digital-Umsetzer für die Digitalisierung des Empfangssignals aller Raumrichtungen ausreichend sein kann. In diesem Fall werden demnach nur ein einzelner Sende- und ein einzelner Empfangszweig für das Radar benötigt. Es können aber auch mehrere Analog-Digital-Umsetzer zum Einsatz kommen. Andererseits ermöglicht die Nutzung digitaler Filter eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Messaufgaben. Konfigurierbare digitale Filter lassen sich in Bandbreite und (Mitten-)Frequenz sehr einfach an unterschiedliche Messaufgaben anpassen. Das digitale Signal kann daher mit mehreren unterschiedlichen Konstellationen/Einstellungen der digitalen Filter für unterschiedliche Messaufgaben ausgewertet werden, bspw. zur Bestimmung von Richtung, Entfernung und/oder Geschwindigkeit und/oder zur Schwingungsanalyse eines oder mehrerer Objekte im überwachten Raumbereich. Diese Filterung und Auswertung des digitalen Signals für unterschiedliche Messaufgaben kann parallel bzw. gleichzeitig oder auch sequentiell erfolgen, jedoch immer mit den gleichen Ausgangsdaten, dem digitalen Signal. Es wird somit bei allen gleichzeitig oder sequentiell durchgeführten Messaufgaben der identische Datensatz analysiert, d.h. gefiltert und ausgewertet. Das digitale Signal kann hierzu für eine sequentielle Auswertung in einem Speicher gepuffert oder für eine gleichzeitige Auswertung einer Parallelverarbeitung unterzogen werden, wie sie auf aktueller digitaler Hardware (FPGA) möglich ist. Diese gleichzeitige oder sequentielle Auswertung der gleichen Ausgangsdaten für unterschiedliche Messaufgaben ermöglicht beispielsweise eine Bestimmung sowohl der Richtung als auch der Entfernung eines Objekts jeweils mit hoher Auflösung.
Die zugehörige Anordnung zur simultanen Überwachung eines Raumbereiches gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren weist entsprechend wenigstens eine Sende- und eine Empfangsantenne auf, die als passiv frequenzscannende Antennen mit gleicher Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik ausgebildet und auf einen zu überwachenden Raumbereich ausrichtbar sind. Eine mit der Sendeantenne verbundene Sendeeinrichtung mit einem Rauschradargenerator ist zur Ausstrahlung eines Rauschradarsignals über die Sendeantenne ausgebildet. Eine mit der Empfangsantenne verbundene Empfangseinrichtung ist so ausgebildet, dass sie ein durch die Empfangsantenne empfangenes Empfangssignal in ein digitales Signal wandelt und durch spektrale Filterung mit, vorzugsweise rekonfigurierbaren, digitalen Filtern in mehrere Teilsignale unterschiedlicher Frequenzbereiche aufteilt, die entsprechend dem vorgeschlagenen Verfahren aufgrund der Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik der Empfangsantenne unterschiedlichen Raumrichtungen innerhalb des Raumbereiches zugeordnet sind. Eine mit der Empfangseinrichtung verbundene Auswerteeinrichtung ist zur Auswertung der Teilsignale ausgebildet, um Objekte innerhalb des Raumbereiches zumindest winkelaufgelöst, d.h. in den verschiedenen Raumrichtungen, zu detektieren. Eine derartige Anordnung lässt sich aufgrund der geringen Anzahl an Sende- bzw. Empfangskanälen ohne großen Hardwareaufwand ausführen. Frequenzscannende Antennen arbeiten rein passiv und können vergleichsweise günstig und wartungsarm bereitgestellt werden, beispielsweise in Form von Schlitzhohlleitern. Die für den jeweiligen Raumbereich erforderliche Frequenzbandbreite und räumlich überdeckte Keulenbreite der passiv frequenzscannenden Antennen kann durch das Antennendesign an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Dies ist aus dem Stand der Technik bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung. So ist beispielsweise in M. Danielsen et al., „Frequency scanning microstrip antennas", IEEE Transactions on Antennas and Propagation (27:2), 1979, Seiten 146-150, ein Verfahren zum Design einer frequenzscannenden Antenne beschrieben.
In der zweiten Alternative des vorgeschlagenen Verfahrens wird als Rauschradarsignal ein bereits vorhandenes Radarrauschen genutzt. Da Rauschen als Überlagerung vieler Signale unterschiedlicher Frequenzen interpretiert werden kann, können vorhandene elektromagnetische Signale mit rauschähnlichem Charakter, wie sie beispielsweise in Form von Kommunikations- bzw. Rundfunksignalen vorliegen, für das Verfahren genutzt werden. Es handelt sich dann um ein reines Passiv-Radarsystem, bei dem die von den vorhandenen rauschähnlichen Signalen aus dem Raumbereich reflektierten Rauschradar-Anteile mit der passiv frequenzscannenden Empfangsantenne erfasst und ausgewertet werden. Die Auswertung erfordert die Kenntnis des eingestrahlten Signals, so dass dieses bei dieser Alternative des Verfahrens mit einer separaten Antenne erfasst wird.
Das vorgeschlagene Verfahren in der ersten Alternative und die zugehörige Anordnung lassen sich sehr vorteilhaft im Bereich von Automobil-Radaren einsetzen. In diesem Bereich ist in Zukunft durch die steigende Anzahl von Radarsystemen im Straßenverkehr mit gegenseitigen Beeinflussungen und Störungen zu rechnen. Der Einsatz von Rausch-Radaren eignet sich hier besonders, da diese Probleme der gegenseitigen Beeinflussung dabei vermieden werden. Zwei stochastisch unabhängige Zufallsprozesse, wie es die Sendesignale von Rauschradaren sind, korrelieren nicht. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung ist es sowohl bei dieser Anwendung als auch bei anderen Anwendungen zur Überwachung von Raumbereichen möglich, kostengünstig und schnell die Richtung eintreffender Radarechos zu bestimmen. Die Raumrichtung wird hierbei nicht mathematisch geschätzt sondern physikalisch vermessen.
Figurenliste
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der Frequenz von der Raumrichtung bei passiv frequenzscannenden Antennen;
2 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus der vorgeschlagenen Anordnung zur Durchführung des Verfahrens;
3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung für die Durchführung mehrerer Messaufgaben; und
4 eine schematische Darstellung zweier unterschiedlicher Antennenkeulen, wie sie auf Basis des digitalen Signals durch digitale Filterung generiert werden können.

Wege zur Ausführung der Erfindung
In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen werden das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung in Ausgestaltungen erläutert, bei denen eine passiv frequenzscannende Sendeantenne und eine passiv frequenzscannende Empfangsantenne mit gleicher Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik für den zu überwachenden Raumbereich eingesetzt werden. Über die Sendeantenne wird ein bandbreitebegrenztes Rauschradarsignal in den Raumbereich ausgesendet. Die Sendeantenne fächert hierbei das Rauschsignal gemäß dessen Frequenzanteilen in verschiedene Raumrichtungen auf, wie dies schematisch anhand der 1 angedeutet ist. In dieser Figur ist eine Sendekeule 9 einer Sendeantenne 1 bei einem Winkel β(f₀) = 0° für einen Frequenzbereich f₀ des Rauschradarsignals mit einer durchgezogenen Linie und für einen anderen Frequenzbereich f₁ des Rauschradarsignals mit einer gestrichelten Linie angedeutet, bei dem die Sendekeule unter einem Winkel β(f₁) ≠ 0° ausgerichtet ist. Derartige Antennenkeulen überdecken den gesamten Raumbereich simultan. Dieser Prozess läuft ähnlich wie bei einem optischen Prisma ab, welches Licht in seine Spektralanteile auffächert. Es wird allerdings nicht wie im optischen Fall eine Auffächerung in monofrequente Signale ausgeführt. Vielmehr werden bei Nutzung einer frequenzscannenden Antenne in jede Raumrichtung schmalbandige Anteile des ursprünglichen Rauschsignals abgestrahlt. Die Frequenzbandbreite und die räumlich überdeckte Keulenbreite werden durch das Antennendesign vorgegeben und beim vorgeschlagenen Verfahren an den entsprechenden Raumbereich angepasst. Somit ist mittels spektral eindeutig differenzierbarer Signale definierter Bandbreite ein für alle der aufgefächerten Richtungen simultaner Radarbetrieb möglich.
Im Empfangszweig des Radars verhält sich die frequenzscannende Antenne reziprok. Sie empfängt elektromagnetische Wellen, wobei je nach Einfallsrichtung der elektromagnetischen Welle bzw. des reflektierten Radarsignals eine Frequenzselektion inhärent vorgenommen wird. Die Empfangsantenne hat damit die Eigenschaften eines richtungsabhängigen Frequenzfilters. Sämtliche empfangenen Signale werden durch die Empfangsantenne zu einem einzelnen Signal gebündelt und an den Empfangszweig der Radaranordnung geleitet. Um in der Datenauswertung die Radarechos der einzelnen Raumrichtungen wieder zu extrahieren, werden mehrere Frequenzfilter eingesetzt, die das Frequenzverhalten der Empfangsantenne nachbilden. So wird das Empfangssignal erneut in spektrale Bereiche aufgeteilt, welche jeweils Rückschlüsse auf die Radar-Echos innerhalb der einzelnen beobachteten Raumrichtungen der frequenzscannenden Empfangsantenne erlauben. 2 zeigt zur Veranschaulichung des Signalflusses einen beispielhaften schematischen Aufbau der vorgeschlagenen Anordnung, in dem die Sendeantenne 1 und die Empfangsantenne 2, die Sendeeinrichtung 3 mit dem Rauschsignalgenerator 4, die Empfangseinrichtung 6, mehrere digitale Frequenzfilter 7 sowie die Auswerteeinrichtung 8 und die Analog-Digital-Wandler erkennbar sind. Ein Teil des mit dem Rauschsignalgenerator 4 erzeugten und über die Sendeantenne 1 ausgestrahlten Rauschradarsignals wird über einen Abzweiger 5 der gleichen Filterung wie das Empfangssignal unterzogen, um in der Auswerteeinrichtung 8 für jede Richtung das für die Auswertung erforderliche Referenzsignal zu erhalten.
Bei der Auslegung oder Auswahl der für das Verfahren eingesetzten Antennen ist zu beachten, dass die Parameter Keulenbreite (Breite der Sende- und Empfangskeule) und Entfernungsauflösung reziprok linear miteinander verknüpft sind. Je genauer die Entfernungsbestimmung erfolgen soll, desto ungenauer ist die Richtungsmessung bei konstanter verfügbarer Breite des Frequenzbandes. Diese Faktoren sind beim Entwurf des Antennendesigns für die jeweilige Anwendung zu berücksichtigen. Das Verhältnis von effektiver Keulenbreite zu Überwachungs- bzw. zu überwachendem Raumbereich spiegelt sich in der Auslegung der Frequenzfilter wider, die der Signalverarbeitung vorgeschaltet sind.
Im Folgenden werden zwei Realisierungen des Verfahrens in den Radar-Frequenzbändern 381 und 382 exemplarisch dargestellt. Die Definition dieser Frequenzbänder entspricht den Frequenzteilplänen 381 (15,4-15,7 GHz), Nichtnavigatorischer Ortungsfunkdienst (B=300MHz), und 382 (15,7-17,3 GHz), Nichtnavigatorischer Ortungsfunkdienst (B=1600MHz), mit Referenz zum „Frequenzplan gemäß $54 TKF über die Aufteilung des Frequenzbereichs von 0 kHz bis 3000 GHz auf die Frequenznutzungen sowie über die Festlegungen für diese Frequenznutzungen“, Bundesnetzagentur, März 2018.
Der zu überwachende horizontale Winkelbereich (Raumbereich) sei bei diesen beispielhaften Realisierungen mit 90° Ausdehnung spezifiziert. Teilt die Antenne diesen Winkelbereich in 15 effektive Antennenkeulen je 6° auf, so sind in der Radarverarbeitung 15 Frequenzfilter notwendig, die im Fall des Frequenzbands 381 jeweils 20 MHz Bandbreite und im Fall des Frequenzbands 382 jeweils 106 MHz Bandbreite aufweisen. Im Frequenzband 382 lässt sich so eine Radaranwendung mit 1,4m Entfernungsauflösung bei 6° Keulenbreite implementieren, im Frequenzband 381 beträgt die erzielbare Entfernungsauflösung nur 7,5m. Wird eine andere Radaranwendung mit effektiver Keulenbreite von 1° spezifiziert, so sind 45m Entfernungsauflösung im Frequenzband 381 und 8,5m Entfernungsauflösung im Frequenzband 382 realisierbar. Beide Keulenbreiten lassen sich beim vorgeschlagenen Verfahren durch entsprechende Konfiguration der digitalen Filter auch parallel realisieren, indem das (gleiche) digitale Signal einmal mit einer Keulenbreite von 6° für eine hohe Entfernungsauflösung und einmal mit einer Keulenbreite von 1° für eine hohe Richtungsauflösung gefiltert und ausgewertet wird. Diese gleichzeitige Filterung und Auswertung für unterschiedliche Messaufgaben wird im Folgenden noch näher erläutert.
Bei obigen Realisierungen des vorgeschlagenen Verfahrens wird also jeweils in 90° Raumrichtung ein Rauschsignal ausgesendet, welches zur simultanen und kontinuierlichen Vermessung in Entfernung und Richtung aller Ziele geeignet ist. Tracking kann ohne Strahlnachführung durchgeführt werden und aufgrund dessen ist die Zahl der zu verfolgenden Ziele im Rahmen der Ausleuchtungsbreite, Richtungs-, Doppler- und Entfernungsauflösung prinzipiell unbeschränkt.
In den folgenden Ausführungsbeispielen sollen die Echos eines oder mehrerer Objekte bzw. Ziele mit dem vorgeschlagenen Verfahren unter Verwendung einer oder mehrerer Frequenz-scannender Antenne(n) (FSA) erfasst, und Zielparameter wie Entfernung, Richtung und Geschwindigkeit gemessen werden. Die Frequenzbandbreite des Rauschsignals erstreckt sich dabei über mehrere, idealerweise sogar sämtliche, Frequenzen der FSA 2.
Beispielhaft ist in 3 eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Radaranordnung mit zwei Zielen (A und B) dargestellt. Diese bewegen sich mit einer Radialgeschwindigkeit v_A und v_B bezüglich des Radars. Ihre jeweilige Entfernung von der Radaranordnung beträgt R_A bzw. R_B . Die Radarechos der Ziele fallen aus den Richtungen D_A und D_B in die FSA 2 ein. Die über die FSA empfangenen Radarsignale der zwei Ziele werden mit n (nicht zwangsläufig sämtlich) verschiedenen Prozeduren (P) und n (nicht zwangsläufig sämtlich) verschiedenen digitalen Filtern (F) analysiert.
Hierzu wird das Empfangssignal der FSA 2, nach geeigneter analoger Signalprozessierung im Radar Frontend 10, hier mit einem einzigen Analog-zu-Digital Wandler (A/D) digitalisiert. Dieses digitale Signal wird für die Radarverarbeitung in diesem Beispiel (mindestens zwei) verschiedenen Auswertungen unterzogen, die jeweils aus einem digitalen Filter F und einer angepassten Auswertungsprozedur P besteht. Die Frequenzcharakteristik des Filters F entspricht dabei einer bestimmten räumlichen Erfassungscharakteristik der FSA 2. Symbolisch dargestellt greifen die jeweiligen Analyseprozeduren P auf den gemeinsamen Pufferspeicher 11 in 3 zu. Eine solche Pufferung der Signale ist nicht zwangsweise notwendig. Vielmehr hängt ihr Einsatz von der konkreten Hardwarearchitektur ab, die zur digitalen Signalverarbeitung verwendet wird.
Die möglichen Messaufgaben stellen unterschiedliche Anforderungen an die Beschaffenheit und Details von Frequenzfilter F und Prozedur P. Mögliche Auswertungskriterien bzw. Messaufgaben können u.a. sein:

a) Entfernungsbestimmung mit hoher Entfernungsauflösung
b) Richtungsbestimmung über schmale Antennenkeulen
c) Präzise Geschwindigkeitsbestimmung
d) Analyse bewegter Komponenten auf dem Ziel (Mikro-Doppler)

Die gleichzeitige Ausführung mehrerer dieser Auswertungen für ein- oder mehrere Ziele - oder auch die gleichzeitige Ausführung einer dieser Auswertungen für mehrere Ziele - kann durch mindestens zwei F/P Paare aus 3 erfolgen. Für die beispielsweise simultane Erfüllung der vier beschriebenen Auswertungskriterien a)-d) für zwei Ziele A und B würden somit acht der n Signalverarbeitungszweige aus 3 genutzt werden.
Im Folgenden wird zunächst die gleichzeitige Bestimmung von Entfernung und Einfallsrichtung beschrieben (Auswertungskriterien a) und b)).
4 zeigt die Ausgestaltung zweier unterschiedlicher Antennenkeulen (unterschiedliche Richtung und Breite), wie sie auf den bereits digitalisierten Daten (digitales Signal) durch digitale Filterung generiert werden können. Das Filter wird beschrieben durch seine Parameter Mittenfrequenz f und Bandbreite B. Mit nicht-durchgängigen Strichen in 4 eingezeichnet sind Hauptkeulen für Antennenanregung mit monofrequenten Signalen, im Folgenden als elementare Antennenkeulen bezeichnet. Die Keulenbreite und der gegenseitige Überschneidungsgrad der elementaren Antennenkeulen sowie deren Frequenzabhängigkeit sind fallspezifische Aufgaben an das Antennendesign. Die Charakteristik der elementaren Antennenkeulen einer FSA 2 mag für verschiedene Blickrichtungen mehr oder weniger stark variieren. Aus diesem Grund wurden deutlich unterschiedlich gerichtete elementare Antennenkeulen in 4 nicht mit einheitlicher Zeichnung dargestellt.
Die generelle Ausrichtung der (auf den Empfangsdaten erzeugten) Antennenkeule wird über den Filterparameter Mittenfrequenz f eingestellt, während die effektive Keulenbreite über die Filterbandbreite B kontrolliert wird. Alle elementaren Antennenkeulen, die zu Frequenzen $f_{β} = f \pm \frac{B}{2}$
gehören, überlagern sich und formen bei Anregung mit Bandbreite B>0 eine Gesamtkeule β(f,B) aus, die in dieselbe Richtung weist wie die elementare Antennenkeule β(f,0), aber einen breiteren Raumbereich erfasst. Dabei gilt: je kleiner die Bandbreite, desto schmaler die synthetisierte Antennenkeule.
Die Bestimmung der Zielentfernung der Bandbreite B>0 erfolgt im Rahmen der Entfernungsauflösung $Δ R = \frac{C}{2 B}$
welche die minimale Entfernung zweier Ziele beschreibt, die notwendig ist, um die Echos der Ziele zu trennen (c steht dabei für die Lichtgeschwindigkeit).
Es ist naheliegend, dass eine hohe Signalbandbreite in der obigen Formel zu einer verbesserten Entfernungsauflösung führt. Soll jedoch gleichzeitig auch die Richtung des Ziels bestimmt werden, so verschlechtert sich die Auflösung der Richtungsmessung mit steigender Bandbreite B aufgrund der durch die Bandbreite bedingt verbreiterten Keulenbreite.
Die Ausgestaltung der 3 erlaubt über die Verwendung unterschiedlicher Filterbandbreiten eine Umgehung dieser Einschränkung. Für die Entfernungsbestimmung kann ein digitales Filter hoher Bandbreite B₁ herangezogen werden. Die Richtungsbestimmung kann dazu simultan mit, unter Umständen mehreren, digitalen Filtern festgelegter (schmalbandiger) Filterparameter erfolgen. Die Richtungsbestimmung kann auch sequentiell zur Entfernungsbestimmung durchgeführt werden. Wird Letzteres auf exakt den (gepufferten) digitalen Daten (digitales Signal), die zur Entfernungsbestimmung herangezogen wurden, ausgeführt, hat dies den Vorteil, dass die Filterkenngrößen der Richtungsbestimmung aus Vorinformationen, die durch die Entfernungsmessung gewonnen wurden, Nutzen ziehen können.
Die Grenzen dieser Ausgestaltung werden durch das Antennendesign vorgegeben, denn Signalfrequenzen, die nicht mit der Richtung eines Zieles harmonieren, tragen auch nicht zur Verbesserung der Entfernungsauflösung bei.
Aus 4 können anhand eines beispielsweisen Einsatzes zweier digitaler Filter generalisierte Aussagen getroffen werden. Das Analysefilter mit Mittenfrequenz f₁ und Bandbreite B₁ erfasst Daten aus einem breiteren Winkelbereich als das Filter mit den Parametern f₂ und B₂ . Für zwei unterschiedliche Messaufgaben können sich die Filterparameter gänzlich unterscheiden (B₁ ≠ B₂ und f1 ≠ f₂ ). Dies gilt jedoch nicht zwangsläufig. So können zwei unterschiedliche Messaufgaben in identischer Hauptrichtung (f₁ = f₂ ) mit der Parameterkonfiguration B₁ ≠ B₂ durchgeführt werden, und somit verschiedenartige Entfernungs- und Richtungsauflösungen erzielen. Identische Messaufgaben in unterschiedlichen Raumrichtungen können mit der Parameterkonfiguration f1 ≠ f2 und B₁ = B₂ durchgeführt werden. Dies dient z.B. der simultanen Verfolgung zweier unterschiedlicher Ziele oder, im Kontext der gleichzeitigen Untersuchung von Entfernung und Richtung, der feingliedrigen Richtungsuntersuchung eines in Entfernungsdimension mit breiter Antennenkeule analysierten Raumbereichs mit mehreren schmalbandigen Filtern, also mehreren schmaleren Antennenkeulen.
Im Folgenden wird auf weitere Messaufgaben eingegangen, die zusätzlich oder auch anstelle der bereits erörterten Messaufgaben „Richtung“ und „Entfernung“ mit der Ausgestaltung nach 3 untersucht werden können.
Die Doppler-Frequenzanalyse erlaubt Rückschlüsse auf die Radialgeschwindigkeit des Objekts. Auch lassen sich Eigenbewegungen wie oszillierende Teile (Rotoren, Triebwerke) oder sonstige Bewegungen am Objekt über die zeitliche Struktur bzw. Periodizität der Doppler-Modulation (Mikro-Doppler) erfassen.
Die Dopplerverschiebung f_D des Radarsignals gehorcht der Beziehung $f_{D} = \frac{2 v f_{t}}{c}$
und ist direkt proportional zur Radialgeschwindigkeit v des Objekts. Strenggenommen gilt diese Formel nur für monofrequente Signale der Frequenz f_t . Ohne Einschränkung der hier vorgestellten Aspekte sei dieser Zusammenhang nur für nicht-relativistische Bewegungen aufgeführt.
Hat das Radarsignal, wie im Falle eines bandbegrenzten Rauschens, eine endliche Bandbreite B>0, die sich um die Trägerfrequenz f_t erstreckt, so sendet es ein Signal im Frequenzbereich $f = f_{t} \pm \frac{B}{2}$
aus. Diese Eigenschaft verschmiert die aus einer konstanten Geschwindigkeit v resultierende Dopplerfrequenz von $f_{D, m i n} = \frac{2 v (f_{t} - \frac{B}{2})}{c}$
bis $f_{D, m a x} = \frac{2 v (f_{t} + \frac{B}{2})}{c}$
insgesamt also über einen Bereich $f_{D, Δ} = f_{D, m a x} - f_{D, m i n} = \frac{2 v B}{c}$
dessen Breite linear von der Signalbandbreite B abhängt.
Für deterministische Signale, wie z.B. dem weit verbreiteten Radarchirp, der seine Bandbreite über eine Frequenzmodulation, welche zu jedem Zeitpunkt die Zuordnung genau einer einzigen Sendefrequenz erlaubt, kann dieses Verschmieren kompensiert werden. Bei Rauschwellenformen mit Frequenzmodulationen, die eine Zufallscharakteristik aufweisen, ist dieses Vorgehen nicht möglich, da sich bei einem Rauschsignal, theoretisch, gleichzeitig sämtliche Signalfrequenzen überlagern.
Für die (Mikro-)Doppler Analyse mittels Rauschradar ist daher eine möglichst geringe Bandbreite wünschenswert, welche eine verschlechterte Entfernungsauflösung mit sich bringt. Dies kann beim vorgeschlagenen Verfahren ohne Weiteres durch den Einsatz digitaler Filter implementiert werden. Dies gilt nicht zwangsläufig nur für frequenzscannende Antennen, ist aber insbesondere dort sinnvoll, da Ziele (digital) durch Nachführung der Mittenfrequenz schmalbandiger Filter über mehrere Raumbereiche verfolgt werden können. So kann die Schwingungsanalyse über einen längeren Zeitraum erfolgen, als nur diejenige Zeitspanne bieten würde, während der sich ein Ziel innerhalb einer festen (Doppler-Analyse-bedingt schmalen) Keulenbreite der Antenne befindet. Die Mikro-Doppler Analyse von Schwingungen im niedrigen Hz-Bereich bis hin zum sub-Hz Bereich erfordert eine Beobachtungszeit in der Größenordnung von Sekunden. Als Beispiel sei hier die Flügelschlagbestimmung von Vögeln mittels Radar genannt, die eine lange bestehende Radarproblematik darstellt (vgl. z.B. B. Bruderer et al., „Zur Bestimmung von Flügelschlagfrequenzen tag-und nachtziehender Vogelarten mit Radar“, Der Ornithologische Beobachter, Band 69, Dezember 1972).
Bezugszeichenliste

1: Sendeantenne
2: Empfangsantenne
3: Sendeeinrichtung
4: Rauschradargenerator
5: Abzweigung
6: Empfangseinrichtung
7: Frequenzfilter
8: Auswerteeinrichtung
9: Sendekeule
10: Radar Frontend
11: Speicher
F: Digitaler Filter
P: Auswertungsprozedur
A/D: Analog-zu-Digital Wandler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Horton, B. M. „Noise-Modulated Distance Measuring Systems,“ Proceedings of the IRE (47:5), 1959, pp. 821-828 [0007]
M. Danielsen et al., „Frequency scanning microstrip antennas“, IEEE Transactions on Antennas and Propagation (27:2), 1979, Seiten 146-150 [0009]

Claims

Verfahren zur simultanen Überwachung eines Raumbereiches mittels Radar, bei dem - ein bekanntes Rauschradarsignal in den Raumbereich eingestrahlt oder ein von externen Quellen in den Raumbereich eingestrahltes unbekanntes Rauschradarsignal erfasst wird, - aus dem Raumbereich reflektierte Anteile des Rauschradarsignals mit einer ersten passiv frequenzscannenden Antenne (2) empfangen werden, die eine bekannte Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik für den Raumbereich aufweist, - ein von der ersten passiv frequenzscannenden Antenne (2) geliefertes Empfangssignal in ein digitales Signal gewandelt und durch spektrale Filterung mit digitalen Filtern (7) in mehrere Teilsignale unterschiedlicher Frequenzbereiche aufgeteilt wird, die aufgrund der Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik der ersten passiv frequenzscannenden Antenne (2) unterschiedlichen Raumrichtungen innerhalb des Raumbereiches zugeordnet sind, und - die Teilsignale ausgewertet werden, um Objekte innerhalb des Raumbereiches zumindest winkelaufgelöst zu detektieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bekannte Rauschradarsignal mit einer zweiten passiv frequenzscannenden Antenne (1) in den Raumbereich eingestrahlt wird, die die gleiche Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik wie die erste passiv frequenzscannende Antenne (2) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Signal wenigstens zwei voneinander unabhängigen Filterungen mit unterschiedlicher Konfiguration der digitalen Filter (7) unterworfen wird, um wenigstens zwei unterschiedliche Messaufgaben zu erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei unterschiedlichen Messaufgaben eine Richtungsbestimmung mit möglichst hoher Winkelauflösung und eine Entfernungsbestimmung mit möglichst hoher Entfernungsauflösung und/oder eine möglichst präzise Geschwindigkeitsbestimmung und/oder eine Analyse bewegter Komponenten auf einem detektierten Objekt umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Signal durch die spektrale Filterung für eine winkelaufgelöste Detektion so aufgeteilt wird, dass die unterschiedlichen Frequenzbereiche aneinander grenzen oder teilweise überlappen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Signal durch die spektrale Filterung für eine winkelaufgelöste Detektion in wenigstens 10 Teilsignale unterschiedlicher Frequenzbereiche aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rauschradarsignal während eines Überwachungszeitraums kontinuierlich in den Raumbereich eingestrahlt wird.
Anordnung zur simultanen Überwachung eines Raumbereiches mittels Radar, mit - wenigstens einer Sendeantenne (1) und einer Empfangsantenne (2), die als passiv frequenzscannende Antennen mit gleicher Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik ausgebildet und auf einen zu überwachenden Raumbereich ausrichtbar sind, - einer mit der Sendeantenne (1) verbundenen Sendeeinrichtung (3) mit einem Rauschradargenerator (4), die zur Ausstrahlung eines Rauschradarsignals über die Sendeantenne (1) ausgebildet ist, - einer mit der Empfangsantenne (2) verbundenen Empfangseinrichtung (6), die wenigstens einen Analog-Digital-Wandler zur Wandlung eines durch die Empfangsantenne (2) empfangenen Empfangssignals in ein digitales Signal und mehrere digitale Filter (7) zur spektralen Filterung des digitalen Signals aufweist und so ausgebildet ist, dass sie das digitale Signal durch spektrale Filterung in mehrere Teilsignale unterschiedlicher Frequenzbereiche aufteilt, die aufgrund der Frequenz-Raumrichtungs-Charakteristik der Empfangsantenne (2) unterschiedlichen Raumrichtungen innerhalb des Raumbereiches zugeordnet sind, und - einer Auswerteeinrichtung (8), die mit der Empfangseinrichtung (6) verbunden ist und zur Auswertung der Teilsignale ausgebildet ist, um Objekte innerhalb des Raumbereiches zumindest winkelaufgelöst zu detektieren.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (6) so ausgebildet ist, dass sie das digitale Signal wenigstens zwei voneinander unabhängigen Filterungen mit unterschiedlicher Konfiguration der digitalen Filter (7) unterwirft, um wenigstens zwei unterschiedliche Messaufgaben zu erfüllen.
Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Frequenzbereiche für eine winkelaufgelöste Detektion aneinander grenzen oder teilweise überlappen.