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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radarvorrichtung und ein Radarverfahren.
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Stand der Technik
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Zur Umfeldüberwachung in Fahrerassistenzsystemen sind neben dem Abstand und der Relativgeschwindigkeit auch der Azimut- und Elevationswinkel von großer Bedeutung, da hierüber eine Fahrspurzuordnung durchgeführt und eine Aussage über die Relevanz des Ziels getroffen werden kann. So kann ermittelt werden, ob ein Objekt überfahrbar, gegenfahrbar oder unterfahrbar ist.
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Azimut- und Elevationswinkel der Ziele können aus Amplituden- und/oder Phasenunterschieden von Sende- und/oder Empfangsantennen eines Antennenarrays ermittelt werden. Um die Genauigkeit und Trennfähigkeit der Winkelschätzung zu verbessern, kann das MIMO-Prinzip (multiple input multiple output) eingesetzt werden. Im Gegensatz zu klassischen SIMO-Radaren (single input multiple output) mit einer Sendeantenne und mehreren Empfangsantennen werden dazu mehrere Sendeantennen und mehrere Empfangsantennen verwendet.
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Bei der Winkelschätzung werden die Empfangssignale mit einem vorher vermessenen winkelabhängigen Antennendiagramm verglichen. Für den Fall, dass sich nur ein Ziel in einer (d,v)-Zelle befindet, wobei d den Abstand und v die Relativgeschwindigkeit bezeichnet, ergibt sich der geschätzte Winkel als Position der besten Übereinstimmung zwischen Empfangssignal und Antennendiagramm.
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Aus der
US 8 436 763 B2 ist ein MIMO-Radarsensor bekannt, der das MIMO-Prinzip mit Codemultiplex und zwei Sendeantennen einsetzt, um die Azimutwinkelschätzung zu verbessern. Dabei sind die beiden Sendeantennen am linken bzw. rechten Rand des Gesamtarrays angeordnet, um so eine möglichst große virtuelle Apertur zu erzielen.
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Um die Reichweite bzw. Detektionsperformance von Radarsensoren zu erhöhen, kann sendeseitige Strahllenkung (TX-Beamsteering) eingesetzt werden. Dabei werden die Sender zeitgleich aktiviert und mithilfe von TX-Phasenschiebern kann die resultierende Richtcharakteristik beeinflusst werden. Bei großen Abständen zwischen den Sendern ist die resultierende Richtcharakteristik sehr schmal und es entstehen zahlreiche Nebenkeulen.
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Sendeseitige Strahllenkungsverfahren sind bekannt aus Van Trees, „Optimum array processing - Part IV of detection, estimation, and modulation theory“,
John Wiley, 2002, Capon, „High-Resolution Frequency-Wavenumber Spectrum Analysis," Proceedings of the IEEE, 1969, Vol. 57, S. 1408-1418, und Cox et al., „Robust adaptive beamforming," IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. 35, Nr. 10, S. 1365-1376, 1987.
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Ein Verfahren zur Bestimmung einer Relativgeschwindigkeit eines Radarziels ist aus der
WO 2015/197222 A1 bekannt. Die
WO 2015/197226 A1 betrifft ein MIMO-Radarmessverfahren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Radarvorrichtung und ein Radarverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Radarvorrichtung mit einer Sendeempfängereinrichtung mit einer Vielzahl von Empfangsantennen und einer Vielzahl von Sendeantennen, wobei ein Abstand zwischen mindestens zwei der Sendeantennen kleiner als ein größter Abstand von Abständen zwischen zwei Empfangsantennen ist, wobei die Sendeantennen bezüglich der Empfangsantennen vertikal versetzt sind. Die Radarvorrichtung umfasst weiter eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Sendeempfängereinrichtung anzusteuern, um die Sendeempfängereinrichtung mittels eines sendeseitigen Strahllenkungsverfahrens zu betreiben.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Radarverfahren, wobei Radarstrahlung durch eine Sendeempfängereinrichtung ausgesendet wird, mit einer Vielzahl von Empfangsantennen und einer Vielzahl von Sendeantennen, wobei ein Abstand zwischen mindestens zwei der Sendeantennen kleiner als ein größter Abstand von Abständen zwischen zwei Empfangsantennen ist, wobei die Sendeantennen bezüglich der Empfangsantennen vertikal versetzt sind, und wobei die Sendeempfängereinrichtung mittels eines sendeseitigen Strahllenkungsverfahrens betrieben werden kann. Reflektierte Radarstrahlung wird durch die Sendeempfängereinrichtung empfangen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine kompakten MIMO-Radarvorrichtung mit der Fähigkeit zur sendeseitiger Strahllenkung (TX-Beamsteering) bereit.
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Durch Verwendung von mindestens zwei Sendeantennen mit einem relativ kleinen Abstand kann das Auftreten von zu vielen störenden Nebenkeulen verhindert werden. Die Sendeantennen können genutzt werden, um die Richtcharakteristik sendeseitig zu beeinflussen und damit eine größere Reichweite zu erreichen.
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Der Abstand kann hier beispielweise ein horizontaler Abstand sein, welcher mit Bezug auf die Zentren der Sendeantennen bzw. Empfangsantennen gemessen wird. Der Abstand ist dabei kleiner als der Abstand zwischen den äußersten Empfangsantennen, sodass diese zwei Sendeantennen nicht links und rechts des Empfangsarrays platziert sind.
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Wird das gesamte Sendearray links oder rechts neben dem Empfangsarray platziert, erhöht sich die horizontale Abmessung der Radarvorrichtung. Indem die Sendeantennen zu den Empfangsantennen einen vertikalen Versatz aufweisen, kann daher ein in horizontaler Richtung kompakter Aufbau sichergestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung sind die Empfangsantennen oberhalb der Sendeantennen platziert und überlappen in ihrer horizontalen Ausdehnung ganz oder teilweise mit einer oder mehreren Sendeantennen. Dadurch kann die horizontale Abmessung der Radarvorrichtung reduziert werden. Alternativ sind die Empfangsantennen unterhalb der Sendeantennen platziert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung weisen auch mindestens zwei Empfangsantennen einen kleinen horizontalen Abstand auf, um auch im Betriebsmodus mit sendeseitigem Strahllenkungsverfahren eine eindeutige Azimutwinkelschätzung zu ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung ist die Steuereinrichtung in einen Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) integriert. Dieser kann sich im Zentrum zwischen den Sendeantennen und den Empfangsantennen befinden. Die Zuleitungen zu den Antennenelementen können dann besonders kurz ausfallen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung ist der Abstand zwischen mindestens zwei der Sendeantennen kleiner als das Fünffache einer maximalen Wellenlänge einer von der Sendeempfängereinrichtung ausgesendeten Radarstrahlung, bevorzugt kleiner als das Doppelte der maximalen Wellenlänge der von der Sendeempfängereinrichtung ausgesendeten Radarstrahlung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung ist die Steuereinrichtung weiter dazu ausgebildet, die Sendeempfängereinrichtung anzusteuern, um die Sendeempfängereinrichtung ohne das sendeseitige Strahllenkungsverfahren zu betreiben. Die Sendeempfängereinrichtung kann somit in mehreren Betriebsmodi betrieben werden, wobei neben dem Betriebsmodus unter Verwendung eines Strahllenkungsverfahrens auch ein Betriebsmodus mit einem Standardbetrieb ohne Strahllenkungsverfahren zum Einsatz kommen kann. Bei dem Standardbetrieb werden die mehreren Sendeantennen zur Erhöhung der Apertur und zur Verbesserung der Eindeutigkeit in der Winkelschätzung eingesetzt. Gleichzeitig können bei Verwendung einer Joint-Sampling Frequency-Modulated-Continuous-Wave (JS-FMCW)-Modulation die Sendeantennen zur Verbesserung der Geschwindigkeitsschätzung genutzt werden, wie aus der
WO 2015/197222 A1 und der
WO 2015/197226 A1 bekannt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung ist die Steuereinrichtung weiter dazu ausgebildet, die Sendeempfängereinrichtung anzusteuern, um in einem Zeitmultiplex-Verfahrens zwischen dem Betreiben der Sendeempfängereinrichtung mit dem sendeseitigen Strahllenkungsverfahren (erster Betriebsmodus) und ohne das sendeseitige Strahllenkungsverfahren (zweiter Betriebsmodus) abzuwechseln. Dies kann einen weiteren möglichen Betriebsmodus darstellen. Dabei kann der Wechsel zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus zwischen zwei Chirps oder zyklenweise erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung ist die Steuereinrichtung weiter dazu ausgebildet, die Sendeempfängereinrichtung anzusteuern, um eine erste Teilmenge der Sendeantennen mit dem sendeseitigen Strahllenkungsverfahren zu betreiben und eine von der ersten Teilmenge verschiedene zweite Teilmenge der Sendeantennen ohne das sendeseitige Strahllenkungsverfahren zu betreiben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung ist eine Vielzahl der Sendeantennen horizontal nebeneinander angeordnet, wobei mindestens eine weitere Sendeantenne vertikal versetzt zu den horizontal angeordneten Sendeantennen angeordnet ist, und wobei die Radarvorrichtung eine Auswerteeinrichtung umfasst, welche dazu ausgebildet ist, einen Elevationswinkel und einen Azimutwinkel von mindestens einen Ziel anhand von Radardaten, welche die Sendeempfängereinrichtung erzeugt, zu schätzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung weist die Sendeempfängereinrichtung mindestens drei Sendeantennen und mindestens drei Empfangsantennen auf. Dadurch kann das Einstellen der Richtcharakteristik bei dem sendeseitigen Strahllenkungsverfahren verbessert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung ist die Steuereinrichtung räumlich zwischen den Sendeantennen und den Empfangsantennen angeordnet. Dadurch kann die Länge der Zuleitungen verringert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung umfassen die Sendeantennen und die Empfangsantennen planare Patchantennen, Hohlleiterantennen und/oder Hornantennen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Radarvorrichtung weist die Sendeempfängereinrichtung sendeseitige Phasenschieber auf, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, zum Betreiben der Sendeempfängereinrichtung mittels des sendeseitigen Strahllenkungsverfahrens eine Richtcharakteristik von Radarstrahlung, welche die Sendeantennen aussendet, durch Ansteuern der sendeseitigen Phasenschieber einzustellen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung, verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Radarvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Draufsicht auf eine Radarvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine schematische Draufsicht auf eine Radarvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 4 eine schematische Draufsicht auf eine Radarvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
- 5 ein Flussdiagramm eines Radarverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Radarvorrichtung 1a mit einer Sendeempfängereinrichtung 2. Diese weist eine Vielzahl von Empfangsantennen 4 und eine Vielzahl von Sendeantennen 3 auf.
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Ein Abstand zwischen mindestens zwei der Sendeantennen 3 in horizontaler Richtung ist dabei kleiner als der horizontale Abstand zwischen den am weitesten voneinander entfernten Empfangsantennen 4. Der Abstand wird dabei bezüglich des Zentrums der jeweiligen Antennen gemessen. Weiter sind die Sendeantennen 3 bezüglich der Empfangsantennen 4 vertikal versetzt. Beispielweise können die Sendeantennen 3 oberhalb der Empfangsantennen 4 angeordnet sein oder umgekehrt.
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Die Radarvorrichtung 1a umfasst weiter eine Steuereinrichtung 5, welche die Sendeempfängereinrichtung 2 ansteuert. Die Sendeempfängereinrichtung 2 kann dabei in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden. In einem ersten Betriebsmodus kommt ein sendeseitiges Strahllenkungsverfahren zum Einsatz. Hierzu weist die Sendeempfängereinrichtung 2 sendeseitige Phasenschieber auf. Die Steuereinrichtung 5 stellt eine Richtcharakteristik von Radarstrahlung, welche die Sendeantennen 3 aussendet, durch Ansteuern der sendeseitigen Phasenschieber ein.
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In einem zweiten Betriebsmodus wird ein Standardverfahren angewendet, ohne sendeseitiges Strahllenkungsverfahren. In einem dritten Betriebsmodus kann eine Teilmenge der Sendeantennen 3 in dem ersten Betriebsmodus betrieben werden und eine weitere Teilmenge der Sendeantennen 3 in dem zweiten Betriebsmodus. Auch ein Zeitmultiplexverfahren ist möglich, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus gewechselt wird.
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Weiter umfasst die Radarvorrichtung 1a eine Auswerteeinrichtung 6, welche einen Azimutwinkel und optional zusätzlich einen Elevationswinkel eines Ziels 7 ermittelt. Dabei werden Radardaten ausgewertet, welche anhand der von den Empfangsantennen 4 empfangenen Radarstrahlung erzeugt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Empfangsantennen 3 und Sendeantennen 4 beschränkt. Je höher die Anzahl an Sendeantennen 4 ist, die für das sendeseitige Strahllenkungsverfahren genutzt werden kann, desto größer ist der Gewinn des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses bezüglich einer Vorzugsrichtung.
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Radarvorrichtung 1b. Hier sind zwei Sendeantennen 3a, 3b mit einem ersten Abstand d1 horizontal nebeneinander angeordnet. Weiter sind zwei Empfangsantennen 4a, 4b mit einem zweiten Abstand d2 horizontal nebeneinander und bezüglich der Sendeantennen 3a, 3b vertikal versetzt angeordnet. Zwischen den Sendeantennen 3a, 3b und den Empfangsantennen 4a, 4b ist ein MMIC 8 angeordnet, welcher die Steuereinrichtung 5 und Auswerteeinrichtung 6 aufweist.
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Die erste Sendeantenne 3a weist einen horizontalen Überlapp mit der ersten Empfangsantenne 4a auf. Die zweite Sendeantenne 3b weist einen horizontalen Überlapp mit der zweiten Empfangsantenne 4b auf. Der erste Abstand d1 ist kleiner als der zweite Abstand d2.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine weitere Radarvorrichtung 1c. Diese weist eine dritte Sendeantenne 3c und eine dritte Empfangsantenne 4c auf. Durch diese weiteren Antennen kann eine bessere Performance beim sendeseitigen Strahllenkungsverfahren erzielt werden. Eine Erhöhung der Anzahl an Empfangsantennen verbessert weiter die Winkelschätzung sowohl im normalen Betriebsmodus als auch beim Strahllenkungsverfahren. Der Abstand d1 zwischen der ersten Sendeantenne 3a und der zweiten Sendeantenne 3b ist kleiner als ein Abstand d2 zwischen den beiden äußersten Empfangsantennen 4a, 4c.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine weitere Radarvorrichtung 1d. Dabei ist die zweite Sendeantenne 3b vertikal relativ zur ersten Sendeantenne 3a und dritten Sendeantenne 3c versetzt. Dadurch wird auch eine Bestimmung des Elevationswinkels und/oder ein Nachführen des ausgesendeten Radarstrahls in Elevationsrichtung ermöglicht, indem eine Phasendifferenz zwischen der zweiten Sendeantenne 3b relativ zur ersten Sendeantenne 3a und dritten Sendeantenne 3c eingestellt wird. Beim sendeseitigen Strahllenkungsverfahren kann so die Richtcharakteristik in Elevationsrichtung verändert werden, im Standardmodus kann ein Elevationswinkel geschätzt werden.
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Die in den 2 bis 4 gezeigten Anordnungen können alternativ auch mit einer Platzierung der Empfangsantennen 4a-4c oberhalb der Sendeantennen 3a-3c realisiert werden.
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Die Sende- und Empfangsantennen 3a-3c, 4a-4c können als planare Patchantennen auf einer Leiterplatte, als Hohlleiterantennen oder als Hornantennen realisiert werden.
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5 zeigt ein Flussdiagramm eines Radarverfahrens. In einem ersten Verfahrensschritt S 1 wird Radarstrahlung durch eine Sendeempfängereinrichtung 2 ausgesendet. Die Sendeempfängereinrichtung 2 kann Teil einer oben beschriebenen Radarvorrichtung 1a-1d sein. Umgekehrt können die oben beschriebenen Radarvorrichtungen 1a-1d ausgebildet sein, das im Folgenden beschriebene Radarverfahren durchzuführen.
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Die Sendeempfängervorrichtung 2 umfasst jeweils eine Vielzahl von Empfangsantennen 4 und eine Vielzahl von Sendeantennen 3, wobei ein Abstand zwischen mindestens zwei der Sendeantennen 3 kleiner als ein größter Abstand von Abständen zwischen zwei Empfangsantennen 4 ist.
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Die Sendeantennen 3 sind weiter bezüglich der Empfangsantennen 4 vertikal versetzt. Die Sendeempfängereinrichtung 2 kann mittels eines sendeseitigen Strahllenkungsverfahrens betrieben werden.
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In einem zweiten Schritt S2 wird reflektierte Radarstrahlung durch die Sendeempfängereinrichtung empfangen.
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Weitere Betriebsmodi sind möglich, etwa der oben beschriebene Standardbetrieb ohne sendeseitiges Strahllenkungsverfahren, ein teilweiser Betrieb der Sendeantennen 3 im sendeseitigen Strahllenkungsverfahren oder ein zeitliches Abwechseln zwischen sendeseitigem Strahllenkungsverfahren und Standardbetrieb.
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Beim sendeseitigen Strahllenkungsverfahren kann die Steuereinrichtung 5 einzustellende Koeffizienten (Amplitude und Phase) auf vielfältige Weise bestimmen und optimieren, um verschiedene Zwecke zu erreichen. So kann eine feste Vorzugsrichtung, z.B. 0°, eingestellt werden. Die Vorzugsrichtung kann auch adaptiv eingestellt werden. Weiter ist ein Ausgleich der Sensordejustage abhängig von der Dejustageschätzung der Radarvorrichtung 1a-1d möglich. Die Vorzugsrichtung kann auch abhängig vom Straßenverlauf, der aus Radardaten, Videodaten, Lidardaten oder aus einer Karte ermittelt wird, eingestellt werden. Weiter kann ein gewünschtes Zielobjekt verfolgt werden. Es ist möglich, eine Vorzugsrichtung bei gleichzeitiger Unterdrückung von unerwünschten Zielrichtungen einzustellen. Weiter kann die Detektionsperformance für bestimmte Ziele durch Unterdrückung von Spiegelpfaden an Leitplanken oder Tunnelwänden verbessert werden. Hierzu kann der aus der Umfelderfassung bekannte Verlauf der Leitplanke bzw. der Tunnelwand und die Richtung der gewünschten Ziele genutzt werden, um die Richtung des Spiegelpfads zu ermitteln und diesen dann gezielt zu unterdrücken.
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Bei der Bestimmung der Koeffizienten können verschiedene Verfahren wie Delay-and-Sum-Beamforming, Minimum Variance Distortionless Response Beamformer (MVDR), Null Beamforming etc. eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8436763 B2 [0005]
- WO 2015/197222 A1 [0008, 0021]
- WO 2015/197226 A1 [0008, 0021]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- John Wiley, 2002, Capon, „High-Resolution Frequency-Wavenumber Spectrum Analysis,“ Proceedings of the IEEE, 1969, Vol. 57, S. 1408-1418, und Cox et al., „Robust adaptive beamforming,“ IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. 35, Nr. 10, S. 1365-1376 [0007]
