-
Die Erfindung betrifft ein Radarsensorsystem mit einer Anordnung von wenigstens zwei winkelauflösenden Radarsensoren an einem Kraftfahrzeug.
-
Stand der Technik
-
DE 102 13 987 A1 beschreibt eine Kreuzecho-Detektion und -Abstandsmessung bei bistatischen Pulsradaren mit räumlich getrennten Sende- und Empfangsantennen und Trägerfrequenz-Oszillatoren, die nicht frequenz- oder phasensynchronisiert sind. Eine Pulsmodulation erfolgt bei allen Sender- und Empfängerpaaren zeitsynchron.
-
Radarsysteme zur Messung von Abstand, Relativgeschwindigkeit und Winkeln von Objekten wie z. B. Fahrzeugen und Hindernissen werden zunehmend in Kraftfahrzeugen für Sicherheits- und Komfortfunktionen eingesetzt. Im allgemeinen kann eine Winkelschätzung in Azimut und in Elevation erfolgen. Typische Sendefrequenzen liegen bei 24 GHz oder 77 GHz, wobei Bandbreiten belegt werden, die kleiner oder gleich 4 GHz sind und beispielsweise 0,5 GHz betragen können. Im Zuge der funktionalen Erweiterung von Fahrerassistenzsystemen werden immer häufiger mehrere unabhängig voneinander arbeitende Radarsensoren eingesetzt, die ein größeres Sichtbild abdecken.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Bei einem winkelauflösenden Radarsensor mit mehreren Antennenelementen, die in einer Richtung an verschiedenen Positionen angeordnet sind, führen unterschiedliche Winkel der georteten Objekte in der betreffenden Richtung zu unterschiedlichen Differenzen in den Lauflängen, welche die Radarsignale auf ihrem Pfad über das Objekt bis zum jeweiligen Antennenelement zurücklegen. Diese Lauflängendifferenzen führen zu entsprechenden Unterschieden in der Phase der Signale, die von den Antennenelementen empfangen und in zugehörigen Auswertungskanälen ausgewertet werden. Anhand unterschiedlicher in den verschiedenen Kanälen empfangenen komplexen Amplituden lässt sich dann der Einfallswinkel des Radarsignals und damit der Winkel des georteten Objekts in der betreffenden Richtung bestimmen.
-
Zur Erzielung einer hohen Winkelauflösung ist eine möglichst große Apertur der Antenne in der betreffenden Richtung erwünscht. Im Falle der Anordnung mehrerer Antennenelemente als Gruppenantenne gibt die Apertur die Gesamtausdehnung der Anordnung der Antennenelemente in der Richtung der Winkelmessung, bezogen auf die Wellenlänge λ der Radarstrahlung an. Wenn jedoch die Abstände zwischen benachbarten Antennenelementen zu groß sind, können Mehrdeutigkeiten der Winkelmessung auftreten, da man für Lauflängendifferenzen, die sich um ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge λ unterscheiden, dieselben Phasenbeziehungen zwischen den empfangenen Signalen enthält. Eine eindeutige Winkelmessung lässt sich beispielsweise mit einer ULA-(Uniform Linear Array)-Struktur erreichen, bei der die Antennenelemente in Abständen von λ/2 angeordnet sind. In diesem Fall nimmt jedoch mit zunehmender Apertur auch die Anzahl der Antennenelemente und damit auch die Anzahl der erforderlichen Auswertungskanäle zu, so dass entsprechend hohe Hardwarekosten entstehen.
-
Bei einem MIMO-Radar (Multiple-Input-Multiple-Output) wird ein größeres Winkelauflösungsvermögen dadurch erreicht, dass man nicht nur mit mehreren empfangenden Antennenelementen arbeitet, sondern auch mit mehreren sendenden Antennenelementen, wobei unterschiedliche Kombinationen von sendenden und empfangenden Antennenelementen ausgewertet werden. Die sendenden Antennenelemente werden dabei gemäß einem Multiplexverfahren mit zueinander orthogonalen Sendesignalen betrieben, beispielsweise im Zeitmultiplex oder im Frequenzmultiplex oder Codemultiplex. Die variierenden Positionen der sendenden Antennenelemente relativ zu den empfangenden Antennenelementen führen dann zu zusätzlichen Phasendifferenzen und damit zu Signalen, welche äquivalent sind zu Signalen, die man mit einer Konfiguration mit einem einzelnen sendenden Antennenelement und zusätzlichen (virtuellen) empfangenden Antennenelementen erhalten würde. Auf diese Weise wird die Apertur virtuell vergrößert und damit die Winkelauflösung verbessert.
-
Im Hinblick auf ein möglichst hohe Winkelauflösung ist es dabei vorteilhaft, wenn das virtuelle Antennenarray so ausgedünnt ist, das die einzelnen Antennenelemente relativ große Abstände zueinander haben. Unter diesen Umständen ist jedoch die Eindeutigkeitsbedingung nicht mehr erfüllt, so dass es zu Mehrdeutigkeiten kommt, die insbesondere bei verrauschten Radarechos und einer Überlagerung von Signalen mehrerer georteter Objekte einen hohen Rechenaufwand zur Auswertung erfordert.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges kooperatives Radarsensorsystem zu schaffen, das einen kooperativen, phasenkohärenten Betrieb mehrerer Radarsensoren ermöglicht, bei dem eine hohe Winkeltrennfähigkeit auf eine recheneffiziente und möglichst robuste Art erreicht wird.
-
Wünschenswert ist insbesondere eine hohe Trennfähigkeit in Elevation. Denn es ist beispielsweise bei Fahrassistenzsystemen wünschenswert, bereits bei hohen Entfernungen von beispielsweise 150 m auch unbewegliche, niedrige Hindernisse in Form beispielsweise einer Europalette, die flach auf der Fahrbahn liegt, zu erkennen und von überfahrbaren Objekten zu unterscheiden.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein kooperatives Radarsensorsystem mit einer Anordnung von wenigstens zwei winkelauflösenden Radarsensoren an einem Kraftfahrzeug, die in einer Richtung in verschiedenen Positionen angeordnet sind, in welcher Richtung die Radarsensoren winkelauflösend sind, wobei die Radarsensoren jeweils mehrere Antennenelemente aufweisen, die in der genannten Richtung in verschiedenen Positionen angeordnet sind, und mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung, die für eine Betriebsweise ausgelegt ist, bei der
in einem ersten Schritt wenigstens zwei der Radarsensoren gemäß einem Multiplexverfahren betrieben werden mit zueinander orthogonalen Sendesignalen, wobei die Sendesignale der Radarsensoren zueinander phasenkohärent sind, wobei für einen jeweiligen Radarsensor der Anordnung ein Winkelbereich eines georteten Radarobjekts bestimmt wird anhand von Amplituden- und/oder Phasenbeziehungen zwischen von Antennenelementen des Radarsensors empfangenen Signalen, welche Antennenelemente in der genannten Richtung in verschiedenen Positionen angeordnet sind, und
in einem zweiten Schritt ein Schätzwert für den Winkel des georteten Radarobjekts innerhalb eines Winkel-Suchraumes, der dem für einen jeweiligen der Radarsensoren im ersten Schritt bestimmten Winkelbereich entspricht, bestimmt wird anhand von Amplituden- und/oder Phasenbeziehungen zwischen im ersten Schritt empfangenen Signalen, die unterschiedlichen monostatischen und bistatischen Konfigurationen von sendenden und empfangenden Radarsensoren entsprechen, und unter Berücksichtigung einer Phasenbeziehung zwischen den von den jeweiligen Radarsensoren im ersten Schritt gesendeten Signalen.
-
Im ersten Schritt wird somit für die einzelnen Radarsensoren zu einem georteten Radarobjekt eine Winkelschätzung durchgeführt, und es wird ein Winkelbereich des georteten Radarobjekts bestimmt. Bei einem Radarsensor mit mehreren, in einheitlichen Abständen in einer Richtung angeordneten Antennenelementen, insbesondere einer ULA-Antennenstruktur, kann beispielsweise eine herkömmliche Winkelschätzung erfolgen, wobei dann durch die Winkelauflösung der Winkelbereich festgelegt ist, innerhalb dessen der geschätzte Winkel liegt.
-
Die im zweiten Schritt durchgeführte Bestimmung eines Schätzwertes für den Winkel des georteten Radarobjekts kann dann beispielsweise nach dem Prinzip der MIMO-Winkelschätzung durchgeführt werden. Dazu erfolgt eine übergeordnete Winkelschätzung, bei der die unterschiedlichen Konfigurationen von sendenden und empfangenden Radarsensoren als Elemente eines virtuellen MIMO-Arrays betrachtet werden können. Beispielsweise werden die einzelnen Radarsensoren, die in der betreffenden Richtung in verschiedenen Positionen angeordnet sind, als ausgedünntes Array betrachtet, und von jedem Radarsensor geht beispielsweise je geortetem Objekt und je sendendem Radarsensor nur eine einzige Referenzphase oder komplexe Amplitude in die Auswertung ein. Den für das ausgedünnte Array erwarteten Mehrdeutigkeiten der Winkelschätzung wird dadurch begegnet, dass die Winkelschätzung auf einen Winkel-Suchraum beschränkt wird, der dem im ersten Schritt bestimmten Winkelbereich entspricht. Durch die auf zwei Schritte aufgeteilte Winkelschätzung kann somit eine Winkelschätzung mit hoher Winkelauflösung auf recheneffiziente Weise durchgeführt werden, und es wird zudem eine hohe Robustheit der Winkelschätzung erreicht.
-
Im ersten Schritt wird somit je Radarsensor zu einem georteten Objekt eine Winkelschätzung mit geringer Winkelauflösung erhalten. Im zweiten Schritt wird dann innerhalb des durch die Winkelauflösung gegebenem Winkel-Suchraums ein Winkel mit hoher Winkelauflösung bestimmt.
-
Die Winkelschätzung im zweiten Schritt wird dadurch ermöglicht, dass die Phasenbeziehung zwischen den von den jeweiligen Radarsensoren im ersten Schritt gesendeten Signalen berücksichtigt wird. Die empfangenen Signale werden somit phasenkohärent ausgewertet, unter Berücksichtigung einer Phasenbeziehung zwischen den Signalen, die von Sendeantennen unterschiedlicher Radarsensoren stammen.
-
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird im ersten Schritt für einen jeweiligen Radarsensor der Anordnung ein Winkelbereich eines georteten Radarobjekts bestimmt für eine monostatische Konfiguration des gleichen, sendenden und empfangenden Radarsensors und/oder für wenigstens eine bistatische Konfiguration wenigstens eines sendenden Radarsensors und des betreffenden, empfangenden Radarsensors. Dies erfolgt für die jeweilige Konfiguration anhand von Amplituden- und/oder Phasenbeziehungen zwischen von Antennenelementen des Radarsensors empfangenen Signalen, wobei die Antennenelemente in der genannten Richtung in verschiedenen Positionen angeordnet sind.
-
Die genannte Richtung kann beispielsweise die vertikale Richtung sein, wobei die Radarsensoren winkelauflösend in Elevation sind, oder die Richtung kann beispielsweise eine horizontale Richtung sein, wobei die Radarsensoren winkelauflösend im Azimut sind.
-
Die Radarsensoren sind über eine Phasensynchronisations-Verbindung miteinander gekoppelt. Die Phasensynchronisations-Verbindung kann beispielsweise in Form wenigstens einer Signalleitung ausgeführt sein. Beispielsweise wird ein Trägerfrequenzsignal über die Phasensynchronisations-Verbindung zwischen den einzelnen Radarsensoren übertragen.
-
Die Anordnung der Radarsensoren kann wenigstens einen passiven winkelauflösenden Radarsensor umfassen. Dementsprechend ist dann vorzugsweise die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, bei der genannten Betriebsweise im ersten Schritt für einen jeweiligen passiven Radarsensor der Anordnung den Winkelbereich eines georteten Radarobjekts zu bestimmen für wenigstens eine bistatische Konfiguration wenigstens eines sendenden Radarsensors und des passiven, empfangenden Radarsensors. Dies erfolgt für die jeweilige Konfiguration anhand von Amplituden- und/oder Phasenbeziehungen zwischen von Antennenelementen des passiven Radarsensors empfangenen Signalen, wobei die Antennenelemente in der genannten Richtung in verschiedenen Positionen angeordnet sind.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
In einer oder mehreren vorteilhaften Ausführungsformen ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, bei der genannte Betriebsweise im ersten Schritt für einen jeweiligen Radarsensor und für den bestimmten Winkelbereich aus Amplituden- und/oder Phasenbeziehungen zwischen den von den Antennenelementen des Radarsensors empfangenen Signalen eine zu den Amplituden- und/oder Phasenbeziehungen und zu dem bestimmten Winkelbereich konsistente Referenzphase bezogen auf ein Phasenzentrum des Radarsensors zu berechnen, und im zweiten Schritt anhand der jeweiligen Referenzphasen und unter Berücksichtigung der Phasenbeziehung zwischen den von den jeweiligen Radarsensoren im ersten Schritt gesendeten Signalen den Schätzwert für den Winkel des georteten Objektes zu bestimmen. Im zweiten Schritt können somit die einzelnen empfangenden Radarsensoren als Antennenelemente aufgefasst werden, bei denen jeweils die Referenzphase am Phasenzentrum gemessen wurde. Die Berechnung kann dadurch auf sehr effiziente Weise erfolgen. Anstelle der Referenzphase kann beispielsweise auch eine komplexe Referenzamplitude berechnet werden und für die Auswertung im zweiten Schritt herangezogen werden. Die Phase der komplexen Referenzamplitude kann dann als Referenzphase bezeichnet werden.
-
Vorzugsweise wird für die unterschiedlichen monostatischen und bistatischen Konfigurationen von sendenden und empfangenden Radarsensoren jeweils eine solche Referenzphase (oder komplexe Referenzamplitude), bezogen auf ein Phasenzentrum des empfangenden Radarsensors, berechnet, wobei anhand dieser Referenzphasen (oder komplexen Referenzamplituden) und unter Berücksichtigung der Phasenbeziehung zwischen den von den jeweiligen Radarsensoren im ersten Schritt gesendeten Signalen im zweiten der Schätzwert für den Winkel des georteten Objektes bestimmt wird.
-
Die Referenzphasen (oder komplexe Referenzamplituden) können unter Einbeziehung der Phasenbeziehung zwischen den von den jeweiligen Radarsensoren im ersten Schritt gesendeten Signalen auch in globale Referenzphasen (oder komplexe Referenzamplituden) umgerechnet werden, anhand derer dann im zweiten Schritt der Schätzwert für den Winkel des georteten Objekts bestimmt wird.
-
Durch Kombination der monostatischen und bistatischen Auswertung unter Berücksichtigung der Phasenbeziehung zwischen den Sendesignalen der Radarsensoren kann die zur Winkelschätzung im zweiten Schritt zur Verfügung stehende Menge der Phaseninformation erhöht werden. Dies ermöglicht eine verbesserte Winkelauflösung. Die variierenden relativen Positionen von sendenden und empfangenden Radarsensoren führen zu zusätzlichen Phasendifferenzen und damit zu Signalen, die äquivalent sind zu Signalen, die man mit einer Konfiguration mit einem einzelnen sendenden Radarsensor und zusätzlichen (virtuellen) empfangenden Radarsensoren erhalten würde. Auf diese Weise wird die Apertur des kooperativen Radarsensorsystems virtuell vergrößert und damit die Winkelauflösung im zweiten Schritt verbessert, wobei durch die Berücksichtigung der einzelnen Radarsensoren über ihre Referenzphasen oder komplexen Referenzamplituden die Recheneffizienz erhöht wird.
-
In einer oder mehreren vorteilhaften Ausführungsformen ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, bei der genannten Betriebsweise im ersten Schritt für einen jeweiligen empfangenden Radarsensor und für die von einem jeweiligen sendenden Radarsensor stammenden, von dem empfangenden Radarsensor empfangenen Signale der einzelnen Antennenelemente, die in der genannten Richtung in verschiedenen Positionen angeordnet sind, Abstands-Geschwindigkeits-Radarbilder zu berechnen, für ein geortetes Radarobjekt aus den zugehörigen Informationen in den Abstands-Geschwindigkeits-Radarbildern mittels digitaler Strahlformung ein Winkelspektrum zu berechnen und anhand des Winkelspektrums den Winkelbereich des georteten Radarobjektes zu bestimmen.
-
Es wird somit für eine jeweilige Konfiguration von sendendem Radarsensor und empfangendem Radarsensor je empfangendem Antennenelement des empfangenden Radarsensors ein Abstands-Geschwindigkeits-Radarbild berechnet. Somit wird zu einem georteten Objekt für eine jeweilige Konfiguration von sendenden und empfangenden Radarsensoren jeweils ein Winkelspektrum aus den dem Objekt zugeordneten Zellen der Abstands-Geschwindigkeits-Radarbilder berechnet, und es wird anhand des Winkelspektrums der Winkelbereich des georteten Objektes bestimmt.
-
Ein Winkelspektrum wird mittels digitaler Strahlformung berechnet, indem für mehrere Empfangswinkel die Amplituden- und Phaseninformationen (komplexe Amplituden) in den Abstands-Geschwindigkeits-Radarbildern, welche den empfangenden Antennenelementen des empfangenden Radarsensors zugeordnet sind, phasenrichtig, bezogen auf die Empfangswinkel, summiert werden. D.h. es wird summiert unter Einberechnung von Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Antennenelementen, welche für den betreffenden Empfangswinkel erwartet werden. Bei dem zutreffenden Empfangswinkel verstärken sich die Amplituden- und Phaseninformationen der einzelnen Radarbilder konstruktiv. Somit kann im Winkelspektrum der zutreffende Empfangswinkel anhand des Maximalwertes der Amplitude erkannt werden. Der als zutreffend erkannte Empfangswinkel entspricht aufgrund der begrenzten Winkelauflösung einem Winkelbereich, welcher somit im ersten Schritt bestimmt wird.
-
Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, bei der genannten Betriebsweise im zweiten Schritt für ein geortetes Radarobjekt mittels digitaler Strahlformung ein übergeordnetes Winkelspektrum zu berechnen aus den im ersten Schritt dem jeweiligen bestimmten Winkelbereich zugeordneten Informationen in den jeweiligen Winkelspektren, die den unterschiedlichen monostatischen und bistatischen Konfigurationen von sendenden und empfangenden Radarsensoren entsprechen.
-
D.h., es wird von jedem Winkelspektrum, welches einer der Konfigurationen von sendenden und empfangenden Radarsensoren entspricht, die dem bestimmten Winkelbereich zugeordnete Information im Winkelspektrum für die Bildung des übergeordneten Winkelspektrums verwendet. Diese Information kann insbesondere Amplituden- und Phaseninformation umfassen. Die Information kann beispielsweise die oben erwähnte Referenzphase oder komplexe Referenzamplitude umfassen, oder die Referenzphase oder komplexe Referenzamplitude kann anhand dieser Information berechnet werden. Diese Information ist dem im ersten Schritt bestimmten Winkelbereich zugeordnet. Die verwendeten Informationen (oder komplexen Amplituden) der Winkelspektren aus dem ersten Schritt dienen als Grundlage für die Berechnung des übergeordneten Winkelspektrums.
-
Ein übergeordnetes Winkelspektrum wird mittels digitaler Strahlformung berechnet, indem für mehrere übergeordnete Empfangswinkel die jeweils verwendete Amplituden- und Phaseninformation aus den Winkelspektren des ersten Schritts phasenrichtig, bezogen auf den übergeordneten Empfangswinkel, summiert werden. D.h. es wird summiert unter Einberechnung von Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Radarsensoren (oder zwischen deren Phasenzentren), welche für den betreffenden übergeordneten Empfangswinkel erwartet werden. Dabei wird der Winkel-Suchraum, also der die übergeordneten Empfangswinkel umfassende Winkelraum, für den das übergeordnete Winkelspektrum berechnet wird, beschränkt auf den im ersten Schritt bestimmten Winkelbereich. Bei dem zutreffenden übergeordneten Empfangswinkel verstärken sich die einzelnen verwendeten Amplituden- und Phaseninformationen aus den Winkelspektren des ersten Schritts konstruktiv. Somit kann im übergeordneten Winkelspektrum der zutreffende übergeordnete Empfangswinkel anhand des Maximalwertes der Amplitude erkannt werden.
-
Der übergeordnete Empfangswinkel wird somit mit höherer Winkelauflösung bestimmt als der Empfangswinkel im ersten Schritt und liegt innerhalb des im ersten Schritt bestimmten Winkelbereichs.
-
In einer oder mehreren vorteilhaften Ausführungsformen ist die Richtung eine vertikale Richtung, die Radarsensoren sind winkelauflösend in Elevation, und bei der genannten Betriebsweise ist der im ersten Schritt bestimmte Winkelbereich ein Elevationswinkelbereich und der Winkel, für den im zweiten Schritt ein Schätzwert bestimmt wird, ein Elevationswinkel des georteten Radarobjektes. Mit dem Radarsensorsystem lassen sich somit Elevationswinkel eines georteten Radarobjektes in bisher unerreicht hoher Genauigkeit auch bei vergleichsweise großen Objektentfernungen bestimmen. Die Richtung kann jedoch auch eine horizontale Richtung sein, die Radarsensoren können winkelauflösend im Azimut sein, und bei der genannten Betriebsweise kann der im ersten Schritt bestimmte Winkelbereich ein Azimutwinkelbereich sein und der Winkel, für den im zweiten Schritt ein Schätzwert bestimmt wird, ein Azimutwinkel des georteten Radarobjekts sein.
-
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Anordnung wenigstens drei winkelauflösende Radarsensoren, die in der genannten Richtung in verschiedenen Positionen angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Abstände von Paaren benachbarter Radarsensoren voneinander verschieden. Besonders bevorzugt sind die Abstände von Paaren benachbarter Radarsensoren keine Vielfachen voneinander. Durch eine solche Auslegung der Anordnung der Radarsensoren können besonders günstige Winkel-Mehrdeutigkeitseigenschaften der Anordnung erreicht werden.
-
Vorzugsweise hat der in der genannten Betriebsweise im ersten Schritt bestimmte Winkelbereich eine Breite, die durch die Winkelauflösung des betreffenden Radarsensors begrenzt ist. Insbesondere kann die Winkelauflösung durch die Apertur des Radarsensors in der genannten Richtung bestimmt sein.
-
In einer oder mehreren vorteilhaften Ausführungsformen ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, bei der genannten Betriebsweise im Falle eines in einem Abstand georteten Radarobjektes, welcher Abstand kleiner oder gleich einem vorgegebenen Nahfeld-Abstand ist, im zweiten Schritt für jeweilige Kombinationen von sendenden und empfangenden Radarsensoren unterschiedliche Winkelbereiche dem Winkel-Suchraum zuzuordnen.
-
Insbesondere können im zweiten Schritt für jeweilige Kombinationen von sendenden und empfangenden Radarsensoren unterschiedliche Winkelbereiche für die bei der Auswertung der Amplituden- und/oder Phasenbeziehungen in Beziehung zueinander ausgewerteten, im ersten Schritt empfangenen Signale vorgesehen werden. Beispielsweise können für unterschiedliche Kombinationen von sendenden und empfangenden Radarsensoren Referenzphasen (oder komplexe Referenzamplituden), die für die jeweiligen Kombinationen zu unterschiedlichen Winkelbereichen konsistent sind, berechnet werden. Somit wird bei Objekten im Nahfeld berücksichtigt, dass die unterschiedlichen Radarsensoren ein geortetes Objekt unter unterschiedlichen Einfallswinkeln (und somit in entsprechenden, unterschiedlichen Winkelbereichen) erfassen.
-
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines kooperativen Radarsensorsystems, welche eine Anordnung von wenigstens zwei winkelauflösenden Radarsensoren an einem Kraftfahrzeug umfasst, die in einer Richtung in verschiedenen Positionen angeordnet sind, in welcher Richtung die Radarsensoren winkelauflösend sind, wobei die Radarsensoren jeweils mehrere Antennenelemente aufweisen, die in der genannten Richtung in verschiedenen Positionen angeordnet sind, wobei das Verfahren umfasst:
- einen ersten Schritt, in welchem die Radarsensoren gemäß einem Multiplexverfahren betrieben werden mit zueinander orthogonalen Sendesignalen, wobei die Sendesignale der Radarsensoren zueinander phasenkohärent sind, wobei für einen jeweiligen Radarsensor ein Winkelbereich eines georteten Radarobjekts bestimmt wird anhand von Amplituden- und/oder Phasenbeziehungen zwischen von Antennenelementen des Radarsensors empfangenen Signalen, welche Antennenelemente in der genannten Richtung in verschiedenen Positionen angeordnet sind, und
- einen zweiten Schritt, in welchem ein Schätzwert für den Winkel des georteten Radarobjekts innerhalb eines Winkel-Suchraumes, der dem für einen jeweiligen der Radarsensoren im ersten Schritt bestimmten Winkelbereich entspricht, bestimmt wird anhand von Amplituden- und/oder Phasenbeziehungen zwischen im ersten Schritt empfangenen Signalen, die unterschiedlichen monostatischen und bistatischen Konfigurationen von sendenden und empfangenden Radarsensoren entsprechen, und unter Berücksichtigung einer Phasenbeziehung zwischen den von den jeweiligen Radarsensoren im ersten Schritt gesendeten Signalen.
-
Das Verfahren kann beispielsweise der hierin beschriebenen Betriebsweise entsprechen. Das Verfahren kann insbesondere die hierin genannten Merkmale gemäß der Betriebsweise der Steuer- und Auswerteeinrichtung umfassen.
-
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Radarsensorsystems;
- 2 eine schematische Darstellung eines Winkelspektrums;
- 3 eine schematische Darstellung eines Winkelspektrums eines übergeordneten Arrays; und
- 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Radarsensorsystems.
-
Das in 1 gezeigte Radarsensorsystem umfasst drei Radarsensoren 10, 12, 14 und eine gemeinsame Steuer- und Auswerteeinrichtung 16, welche den Radarsensoren 12, 12, 14 jeweils zugeordnete Steuer- und Auswerteeinheiten 18 umfasst.
-
Jeder Radarsensor 10, 12, 14 umfasst eine Sendeantenne Tx sowie mehrere Empfangsantennen Rx, die je Radarsensor ein lineares Antennenarray bilden. Die Radarsensoren 10, 12, 14 werden so in ein Kraftfahrzeug eingebaut, dass die Radarsensoren 10, 12, 14 auf unterschiedlichen Höhen, voneinander beabstandet in vertikaler Richtung, angeordnet sind, so dass die einzelnen Radarsensoren 10, 12, 14 eine Winkelauflösung in Elevation aufweisen und für die übergeordnete Anordnung der Radarsensoren 10, 12, 14 eine übergeordnete Apertur der Radarsensoranordnung in der Vertikalen erreicht wird. Die Hauptkeulen der Antennendiagramme (und somit die Sichtfelder) der Radarsensoren 10, 12, 14 überlappen sich größtenteils. In 1 sind symbolisch Radarstrahlen dargestellt, die von den Antennenelementen Rx unter einem Elevationswinkel θ empfangen werden.
-
Die Radarsensoren 10, 12, 14 sind über eine Trägerfrequenz-Synchronisationsleitung 20 miteinander verbunden, über die eine Trägerfrequenz eines lokalen Oszillators 22 eines im Master-Modus betriebenen ersten Radarsensors 10 an die im Slave-Modus betriebenen weiteren Radarsensoren 12, 14 übertragen wird. Der im Master-Modus betriebene erste Radarsensor 10 enthält einen Steuerungsteil 24, der die Funktion des lokalen Oszillators 22 steuert. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Radarsensor um ein Chirp-Sequence-Radar, d.h. die Frequenz des vom Oszillator 22 gelieferten Sendesignals wird periodisch in Form einer Folge von steigenden und/oder fallenden Frequenzrampen (Chirps) moduliert. Die Radarsensoren 10, 12, 14 umfassen weiter einen Modulationsteil 26, der das jeweilige Sendesignal gemäß einem Multiplexingverfahren moduliert, so dass die von den jeweiligen sendenden Radarsensoren 10, 12, 14 stammenden, an einem Radarobjekt reflektierten und wieder an einem gleichen oder anderen der Radarsensoren 10, 12, 14 empfangenen Signale durch eine entsprechende Demodulation in der Steuerungs- und Auswerteeinheit 18 getrennt ausgewertet werden können.
-
Die von einem jeweiligen Antennenelement Rx empfangenen Signale werden jeweils einem Mischer 28 zugeführt, wo sie mit dem vom lokalen Oszillator 22 gelieferten Sendesignal gemischt werden. Auf diese Weise erhält man für jedes der Antennenelemente Rx ein Basisfrequenzsignal Z, das der elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit 18 zugeführt wird.
-
Die Steuer- und Auswerteeinheit 18 enthält weiter einen Auswerteteil mit einem im Beispiel vierkanaligen Analog/Digital-Wandler 30, der die von den vier Antennenelementen Rx erhaltenen Zwischenfrequenzsignale Z digitalisiert und jeweils über die Dauer einer Modulationssequenz, beispielsweise einer Folge von schnellen Rampen, aufzeichnet. Die so erhaltenen Zeitsignale werden dann kanalweise in einer Transformationsstufe 32 durch eine zweidimensionale schnelle Fouriertransformation in entsprechende Abstands-Geschwindigkeits-Radarbilder (2D-Frequenzspektren) umgewandelt. Ferner werden die Signale demoduliert, so dass für die von einem jeweiligen Radarsensor 10, 12, 14 gemäß dem Multiplexingverfahren gesendeten Signale die betreffenden Signalanteile in verschiedene Auswertungsebenen separiert werden; 1 zeigt zur Vereinfachung nur eine Auswertungsebene. In den erhaltenen Radarbildern zeichnet sich jedes geortete Objekt in der Form eines Peaks ab, dessen Frequenzlage in einer Dimension von der Signallaufzeit vom Radarsensor zum Objekt und zurück zum Radarsensor sowie in einer zweiten Dimension - aufgrund des Dopplereffektes - von der Relativgeschwindigkeit des Objektes abhängig ist. Aus der Frequenzlage eines Peaks lässt sich dann in bekannter Weise der Abstand d und die Relativgeschwindigkeit v des betreffenden Objektes berechnen, wozu beispielsweise die in den einzelnen Kanälen erhaltenen Radarbilder durch Summation der Betragsquadrate der komplexen Amplituden des Peaks zusammengefasst werden.
-
Es handelt sich somit um ein Range-Dopplerverfahren mit Pulskompression, bei dem in einer Dimension eine Trennung der Radarobjekte nach ihren Entfernungen erfolgt und in einer anderen Dimension, anhand der Unterschiede von Phasenlagen zwischen den Reflexionen der einzelnen Signalpulse, Ortsveränderungen und damit Geschwindigkeiten der Radarobjekte ermittelt werden. Bei einem typischen Modulationsmuster haben die einzelnen Rampen der Folge eine gleiche Mittenfrequenz. In einer besonderen Auslegung der Folge von Frequenzrampen nehmen die Mittenfrequenzen der einzelnen Chirps von Chirp zu Chirp gleichmäßig zu oder ab, so dass die Chirps ihrerseits eine Rampe bilden, die als „langsame Rampe“ bezeichnet wird, während die einzelnen Chirps auch als „schnelle Rampen“ bezeichnet werden.
-
Wie in 1 anhand der Radarstrahlen schematisch dargestellt wird, führen die unterschiedlichen Positionen der Antennenelemente Rx eines Radarsensors 10, 12, 14 dazu, dass die Radarstrahlen, die von ein und demselben Antennenelement Tx emittiert wurden, am Objekt reflektiert wurden und dann von den verschiedenen Antennenelemente Rx empfangen werden, unterschiedliche Lauflängen zurücklegen und deshalb Phasenunterschiede aufweisen, die vom Elevationswinkel θ des Objekts abhängig sind. Auch die zugehörigen Basisfrequenzsignale Z sowie die komplexen Amplituden eines Peaks im Abstand-Geschwindigkeits-Radarbild, welches dem Objekt zugeordnet ist, weisen entsprechende Phasenunterschiede auf. Auch die Amplituden (Beträge) der empfangenen Signale sind von Antennenelement zu Antennenelement unterschiedlich, ebenfalls abhängig vom Elevationswinkel θ.
-
Eine Winkelschätzeinheit 34 führt eine Auswertung der in den unterschiedlichen Empfangskanälen (die den empfangenden Antennenelementen entsprechen) erhaltenen komplexen Amplituden, die dem georteten Objekt zugeordnet sind, gemäß einer Methode der digitalen Strahlformung (Digitial Beam Forming) durch und ermittelt so einen ersten Schätzwert θ1 für den Elevationswinkel θ des Radarobjekts. Dazu wird die in den jeweiligen Empfangskanälen i erhaltene komplexe Amplitude des Peaks für mehrere, von einem Empfangswinkelbereich des Radarsensors 10, 12, 14 umfasste Empfangswinkel jeweils um die in den einzelnen Empfangskanälen erwartete Phasenverschiebung Δϑi phasenverschoben und die solchermaßen phasenverschobenen komplexen Amplituden der Anfangskanäle aufaddiert.
-
Bei der digitalen Strahlformung wird somit die Signalenergie der monostatischen bzw. bistatischen Empfangssignale des einzelnen Radarsensors in Strahlen (Beams) gebündelt. Für jeden Empfangswinkel θ wird somit ein Spektralwert A(θ) erhalten, wobei sich bei einer Übereinstimmung des Empfangswinkels mit dem tatsächlichen Winkel des Objekts die phasenverschobenen komplexen Amplituden konstruktiv addieren. Der entsprechend gerichtete Radarstrahl in der dazugehörigen Abstands-Geschwindigkeits-Zelle des Radarbildes enthält somit die meiste Radarenergie verglichen mit Strahlen, die für andere Empfangswinkel berechnet wurden. Auf diese Weise wird ein Winkelspektrum der summierten Amplitude A für die jeweiligen überprüften Empfangswinkel erhalten. 2 zeigt symbolisch einen Verlauf eines Betrages |A(θ)| über dem Empfangswinkel θ, wobei zu Veranschaulichungszwecken ein kontinuierliches Winkelspektrum dargestellt ist. In 2 ist ein Peak 40 bei einem Einfallswinkel θ schematisch gezeigt. Die Winkelschätzeinheit 34 ermittelt dann aus der Lage des Betragsmaximums 40 im Winkelspektrum den ersten Schätzwert θ1 für den Elevationswinkel θ des Objekts. Der ermittelte Schätzwert θ1 entspricht einem Winkelbereich, dessen Breite durch die Winkelauflösung des einzelnen Radarsensors 10, 12, 14 gegeben ist.
-
Die beschriebene Auswertung der in den einzelnen Empfangskanälen i eines Radarsensors 10, 12, 14 empfangenen Radarsignale, die von einer Sendeantenne Tx eines der Radarsensoren 10, 12, 14 stammen und von dem Radarobjekt reflektiert wurden, wird von der Steuer- und Auswerteeinheit 18 des jeweiligen Radarsensors für die von den jeweiligen Sendeantennen Tx stammenden Signale getrennt durchgeführt. Die Transformationseinheit 32 wertet je Radarsensor 10, 12, 14 die monostatischen Empfangssignale, also die von der Sendeantenne Tx desselben Radarsensors stammenden Empfangssignale, separat aus von den von einem der jeweils anderen Radarsensoren 12, 14 stammenden bistatischen Empfangssignale. Die Multiplexmodulation wird dazu demoduliert. Auch das Winkelspektrum A(θ) wird separat für die gemultiplexten Signale der Radarsensoren 10, 12, 14 von der Winkel-Schätzeinheit 34 berechnet und jeweils ausgewertet, um einen jeweiligen ersten Schätzwert θ1 zu bestimmen.
-
Eine übergeordnete Winkel-Schätzeinheit 36 erhält von den jeweiligen Winkelschätzeinheiten 34 der Radarsensoren 10, 12, 14 den ersten Schätzwert θ1, entsprechend dem Winkelbereich, für die jeweilige monostatische oder bistatische Konfiguration vom sendenden und empfangenden Radarsensor 10, 12, 14 sowie die entsprechende jeweilige komplexe Amplitude A des Maximums des Betrages des jeweiligen Winkelspektrums. Diese komplexe Amplitude A des Winkelspektrums hat eine Phase, die einer Referenzphase, bezogen auf ein Phasenzentrum des jeweiligen Radarsensors 10, 12, 14 entspricht.
-
Die übergeordnete Winkel-Schätzeinheit 16 setzt die Referenzphasen bzw. komplexen Amplituden A des Peaks des jeweiligen Winkelspektrums für die jeweiligen Konfigurationen von sendenden und empfangenden Radarsensoren 10, 12, 14 zueinander in Beziehung über die bekannten Signallaufzeiten der Trägerfrequenz-Synchronisationsleitung 20 und entsprechende Phasenbeziehungen zwischen den Sendesignalen der einzelnen Radarsensoren 10, 12, 14. Dazu berechnet die übergeordnete Winkelschätzeinheit 36 ein übergeordnetes Winkelspektrum für unterschiedliche Empfangswinkel θ, welche innerhalb des von dem jeweiligen einzelnen Radarsensor 10, 12, 14 ermittelten Winkelbereichs entsprechend der ersten Winkelschätzung θ1 liegen, wobei die jeweiligen komplexen Amplituden wiederum phasenverschoben werden um die für den zu überprüfenden Einfallswinkel θ erwarteten Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen empfangenen Radarsensoren 10, 12, 14 aufgrund deren unterschiedlicher Position in vertikaler Richtung. Bei der Berechnung des übergeordneten Winkelspektrums werden insbesondere die definierten relativen Positionen der Radarsensoren 10, 12, 14 zueinander berücksichtigt; ebenfalls werden die bekannten Phasenbeziehungen zwischen den Sendesignalen der einzelnen Radarsensoren 10, 12, 14 berücksichtigt. 3 zeigt zur Veranschaulichung symbolisch ein übergeordnetes Winkelspektrum für einen größeren Bereich des Einfallswinkels θ, der der Darstellung in 2 entspricht. In 3 sind die mehrdeutigen Peaks des übergeordneten Spektrums schematisch als Spitzen 42 dargestellt. Das Winkelspektrum, welches aus den Empfangskanälen eines einzelnen Radarsensors ermittelt wurde, ist zur Veranschaulichung gestrichelt eingezeichnet. Wie in 3 zu erkennen ist, weist das übergeordnete Winkelspektrum innerhalb des Winkelbereichs der ersten Schätzung ein Maximum auf, welches von der übergeordneten Winkelschätzeinheit 36 ausgewertet wird. Die übergeordnete Winkelschätzeinheit 36 bestimmt so einen genaueren, übergeordneten Schätzwert θ als Lage des Maximums für den Winkel des Objekts. In der übergeordneten Winkelschätzeinheit 36 können dazu beispielsweise modellbasierte Winkelschätzmethoden implementiert sein, z.B. solche mit einem Mehrziel-Signalmodell. Die zweistufige Auslegung der Betriebsweise zur Winkelschätzung ist hier besonders vorteilhaft, da eine rechenaufwendige modellbasierte Winkelschätzmethode nur lokal, d.h. für den eng begrenzten Winkel-Suchraum, ausgeführt zu werden braucht.
-
Eine solche Auslegung des Radarsensorsystems, bei dem das übergeordnete Winkelspektrum ein Maximum oder möglichst wenige Peaks innerhalb der Eindeutigkeitsbreite des Winkelspektrums des einzelnen Radarsensors aufweist, ist dadurch erreichbar, dass (i) die einzelnen Radarsensoren 10, 12, 14 eine hinreichend große Apertur aufweisen, so dass die Winkelauflösung bei der ersten Schätzung erhöht wird; dass (ii) eine hinreichend große Anzahl von in unterschiedlichen Abständen positionierten Radarsensoren 10, 12, 14 vorgesehen wird, so dass die Mehrdeutigkeiten des übergeordneten Winkelspektrums verringert werden; und/oder dass (iii) die einzelnen Radarsensoren der Radarsensoranordnung platziert werden entsprechend bekannten Auslegungsmethoden für ausgedünnte Antennenarrays von MIMO-Radarsensoren. Dabei ist es zur Verringerung der Mehrdeutigkeiten im übergeordneten Winkelspektrum vorteilhaft, wenn wenigstens drei Radarsensoren eingesetzt werden, die in der genannten Richtung (im Beispiel also in der Vertikalen) in verschiedenen Positionen angeordnet sind, so dass die Abstände von Paaren benachbarter Radarsensoren 10, 12, 14 voneinander verschieden sind und keine Vielfachen voneinander sind.
-
Durch die verteilte Anordnung der Radarsensoren 10, 12, 14 entsteht eine besonders große Apertur des Radarsensorsystems, so dass bei der übergeordneten Winkelschätzung die Winkelschätzung mit hoher Genauigkeit (hoher Winkelauflösung) erfolgen kann. Die Radarsensoren 10, 12, 14 der Radarsensoranordnung können als Elemente eines virtuellen MIMO-Arrays betrachtet werden. Bei den beschriebenen Beispielen wird durch den kooperativen, phasenkohärenten Betrieb der Radarsensoren 10, 12, 14 somit eine hohe Winkeltrennfähigkeit bei einer robusten und recheneffizienten Auswertung erreicht.
-
Zwar kann im Prinzip bei einer wie beschrieben ausgelegten Anordnung von Radarsensoren eine Winkelschätzung auch in einem einzigen Schritt durchgeführt werden, wenn nur der beschriebene zweite Schritt ausgeführt wird, ohne Beschränkung auf einen bestimmten Winkel-Suchraum. Das erfindungsgemäße Radarsensorsystem, welches für die zweistufige Winkelschätzung ausgelegt ist, zeichnet sich demgegenüber durch eine hohe Recheneffizienz aus.
-
Um bei mehreren georteten Radarobjekten sich überlagernde Mehrdeutigkeiten voneinander separieren zu können, kann beispielsweise ein modellbasierter Ansatz verwendet werden, bei dem für ein einzelnes Objekt die aufgrund der Anordnung der Radarsensoren bekannten, erwarteten Mehrdeutigkeiten von den Abstands-Geschwindigkeits-Radarbildern (Messdaten) abgezogen werden und für das nächste geortete Radarobjekt anhand der so bereinigten Messdaten die Winkelauswertung erneut durchgeführt wird.
-
Wenn beispielsweise zwei Radarobjekte auf eine gleiche Stelle im Abstands-Geschwindigkeits-Radarbild abgebildet werden, können auch für die erste Winkelschätzung der Winkelschätzeinheit 34 und die übergeordnete Winkelschätzung der übergeordneten Winkelschätzeinheit 36 mehrere Kombinationen von in Frage kommenden Objektwinkeln θ der beiden Objekte separat ausgewertet werden, so dass durch eine deutliche Erhöhung des Rechenaufwandes auch ein solcher spezieller Fall ausgewertet werden kann.
-
Etwaige auftretende Mehrdeutigkeiten des übergeordneten Arrays innerhalb der Winkelbreite der ersten Schätzung θ1 können auch durch andere modellbasierte Verfahren oder mittels Objekt-Tracking aufgelöst werden.
-
Das Radarsensorsystem kann auch einen oder mehrere passive Radarsensoren umfassen. Beispielsweise kann es sich bei einem der beispielhaft dargestellten Radarsensoren 12, 14 um einen passiven Radarsensor handeln, der bei der genannten Betriebsweise kein Sendesignal aussendet, sondern nur anhand der Sendesignale der anderen Radarsensoren eine bistatische Auswertung wie beschrieben durchführt.
-
4 zeigt ein dem hier beschriebenen Radarsensorsystem entsprechendes Betriebsverfahren, mit den Schritten der Ortung S10 eines Radarobjekts, einschließlich Bestimmung von Schätzwerten für den Abstand d und die Geschwindigkeit v; der lokalen Winkelschätzung S12 mit Bestimmung des ersten Schätzwertes θ1 für den Winkel θ des georteten Objekts; der Auswahl S14 des entsprechenden Radarstrahls (Beam) der digitalen Strahlformung der ersten Winkelschätzeinheit 34 entsprechend dem ermittelten Winkelbereich für die übergeordnete Winkelschätzung; und der übergeordneten Winkelschätzung S16 mit Bestimmung des genaueren Schätzwertes θ für den Elevationswinkel des Objekts.
-
Während in den beschriebenen Beispielen ein Elevationswinkel eines georteten Objekts bestimmt wurde, können das Radarsensorsystem und das Betriebsverfahren auch in entsprechender Weise zur hochgenauen und effizienten Bestimmung eines Azimutwinkels eines georteten Radarobjekts ausgelegt sein, wobei dann die Antennenelemente der Radarsensoren sowie die Radarsensoren der Anordnung an verschiedenen Positionen in einer horizontalen Richtung angeordnet sind.
-
Bei der oben beschriebenen Auswertung durch das Radarsensorsystem der 1 wurde der Fernfeld-Fall beschrieben, bei dem aufgrund einer hinreichend hohen Entfernung d des Radarobjektes die vom Radarobjekt eintreffenden Empfangssignale als ebene Welle betrachtet werden und an jedem der Radarsensoren 10, 12, 14 der gleiche Einfallswinkel θ erwartet wird. Im Nahfeld-Fall, bei dem der Abstand d kleiner oder gleich einem je nach Konfiguration der Radarsensoranordnung des Radarsensorsystems vorgegebenen Nahfeld-Abstand ist, kann eine übergeordnete Winkelschätzung durch die übergeordnete Winkelschätzeinheit 36 unter Berücksichtigung der für die jeweiligen Konfigurationen von sendenden und empfangenden Radarsensoren 10, 12, 14 unterschiedlichen Einfallswinkel (und tatsächlichen Objektwinkel) θ durchgeführt werden. Dazu werden die in den ersten Winkelschätzungen von den Winkelschätzeinheiten 34 ermittelten ersten Schätzwerte θ1 bzw. die entsprechenden ggf. unterschiedlichen Winkelbereiche berücksichtigt, die einem selben Winkel-Suchraum der übergeordneten Winkelschätzung entsprechen. Somit kann wiederum durch die Zweistufigkeit der Auswertung eine besonders hohe Effizienz erreicht werden, da die sich durch den Nahfeld-Fall ergebenden Winkelunterschiede lediglich in der übergeordneten Winkelschätzung berücksichtigt werden brauchen.
-
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 Patentliteratur
-
