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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft allgemein Fahrzeugradarsysteme.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Derzeitige Fahrzeugradarsysteme stellen einen einzigen Radarstrahl mit festgestellter Breite bereit, zum Beispiel wie er bei adaptiver Fahrgeschwindigkeitsregelung verwendet wird. Die Strahlbreiten in solchen Systemen sind durch die Größe der Antennenarray-Apertur begrenzt. Verglichen mit der Radarwellenlänge muss die Antennenapertur bei Abwesenheit anderer Komponenten zum Erhalt eines schmalen Radarstrahls groß sein. Daher versuchen herkömmliche Hochauflösungsradarsysteme, die Antennenapertur zu maximieren, was für Fahrzeuganwendungen, bei denen Kosten, Gewichtung und Verpackung eine wichtige Rolle spielen, eine Herausforderung bildet.
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Aus der Druckschrift
DE 690 17 043 T2 ist eine Erkennungseinrichtung zum Anbringen an ein Fahrzeug mit einer Mikrowelleneinrichtung bekannt, wobei die Mikrowelleneinrichtung einen Feststrahl bereitstellt und weiter ein Mittel zum Variieren der Divergenz des Strahles entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit aufweist.
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Aus der Druckschrift
DE 100 59 891 A1 ist ein Kraftfahrzeugabstandssensor zur Ermittlung des Abstandes des Kraftfahrzeugs zu einem vorausfahrenden Fahrzeug bzw. zu einem vorausbefindlichen Objekt bekannt, bei dem der Öffnungswinkel eines Sensorstrahls des Kraftfahrzeugabstandssensors einstellbar ist.
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Aus der Druckschrift
US 2006/0028385 A1 ist ein Radar/Kommunikations-System bekannt, bei dem eine Metamaterial-Linse verwendet wird.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Ein Radarsystem für ein Fahrzeug umfasst eine Radarantenne, die dazu betrieben werden kann, einen Radarstrahl zu erzeugen; und eine Linsenbaugruppe, die eine aktive Linse umfasst, wobei der Radarstrahl durch die Linsenbaugruppe tritt. Das Sichtfeld des Radarstrahls lässt sich mit der aktiven Linse verstellen, indem die Strahlbreite und/oder der Scanwinkel des Radarstrahls verändert wird/werden.
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Bei den Radarsystemen gemäß den Ansprüchen 1 und 16 ist die aktive Linse aus einem Metamaterial mit einer einstellbaren Eigenschaft ausgebildet, und das Sichtfeld lässt sich durch Steuern der einstellbaren Eigenschaft des Metamaterials einstellen, zum Beispiel unter Verwendung eines elektrischen Signals. Die Linsenbaugruppe kann ein Fahrzeugbauteil enthalten, wie ein Kühlgrillbauteil (wie zum Beispiel die Fahrzeugplakette) oder ein Stoßstangenbauteil. Das Fahrzeugbauteil kann ein aktives Material umfassen. Die Linsenbaugruppe kann ferner ein Radom umfassen. Ein Radom wirkt dahingehend, dass er Bauteile der Vorrichtung vor Wettereinwirkungen schützt, und diese Funktion kann von einem Fahrzeugbauteil bereitgestellt werden. Das Metamaterial kann durch Schalter miteinander verbundene, elektrisch leitende Elemente enthalten, zum Beispiel einer mehrschichtige Leiterplattenbaugruppe, wobei die Schalter mit einem elektronischen Steuersignal selektiv geöffnet und geschlossen werden.
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Ein einstellbares Sichtfeld kann durch Ändern des Scanwinkels eines Radarstrahls und/oder der Strahlbreite erreicht werden. Ist die Strahlbreite im Vergleich zum Scanwinkel schmal, ist das Sichtfeld ungefähr gleich dem Scanwinkel. Sowohl Scanwinkel als auch Strahlbreite können unter Verwendung einer aktiven Linse eingestellt werden. Zum Beispiel kann die Strahlbreite und/oder der Scanwinkel (wie er nach dem Durchgang des Strahls durch die Linsenbaugruppe gemessen wird) unter Verwendung eines Metamaterials zur Bereitstellung einer Zerstreuungslinse unterschiedlicher Stärke eingestellt werden. Durch eine elektronische Schaltung kann ein elektronisches Steuersignal an die aktive Linse geschickt werden, wobei das Sichtfeld des Strahls unter Verwendung des elektronischen Steuersignals einstellbar ist. Der Betriebsmodus und/oder das Sichtfeld kann oder können gemäß einem oder mehreren Fahrzeugparametern, wie zum Beispiel Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrerauswahl und dergleichen eingestellt werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen ein Radarsystem für ein Fahrzeug mit mehreren Betriebsmoden, wobei jeder Betriebsmodus ein unterschiedliches Sichtfeld aufweist. Betriebsmoden des Radarsystems können verwendet werden, um in Verbindung mit anderen Fahrzeugsystemen unterschiedliche Funktionen bereitzustellen, wie zum Beispiel adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung, Fußgängererfassung, Fahrzeugerfassung, Tiererfassung oder Einparkhilfe für das Fahrzeug.
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Der Begriff „aktiv”, wie er in den Begriffen „aktive Linse” und „aktives Material” verwendet wird, bezieht sich auf eine Linse bzw. ein Material mit einer Eigenschaft, die sich einstellen lässt, beispielsweise durch ein elektronisches Steuereingangssignal, um so die Eigenschaften eines dadurch hindurchlaufenden Radarstrahls zu verändern. Zum Beispiel kann der Brechungsindex (bei Radarfrequenzen) eines aktiven Materials eingestellt werden, um so die Strahlform des durch das aktive Material hindurchlaufenden Radarstrahls zu verändern.
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Der Begriff Linsenbaugruppe bezieht sich auf eine oder mehrere Linsen, möglicherweise in Kombination mit anderen Bauteilen wie z. B. ein Radom, durch die ein Radarstrahl tritt. Eine Aktivlinsenbaugruppe ist eine Linsenbaugruppe, die mindestens eine aktive Linse enthält, und der Begriff schließt die Verwendung einer einzigen aktiven Linse mit ein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A–1C zeigen einen von einer Antenne bereitgestellten Radarstrahl, eine Anordnung eines Antennenarrays bzw. eine Antenne in Kombination mit einer aktiven Linse;
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2A und 2B zeigen eine Einstellung der Strahlform unter Verwendung von Aktivlinsenbaugruppen, die eine bzw. zwei Linsen enthalten;
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3 zeigt ein schaltbares und/oder abstimmbares Radarsystem für ein Fahrzeug, bei dem das Radarsystem Betriebsmoden mit schmaler, mittlerer und breiter Strahlbreite aufweist;
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4 zeigt ein Radarsystem, das ein Antennenarray und eine aktive Linse enthält;
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5A und 5B zeigen Radarsichtfelder;
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6 zeigt eine mögliche Metamaterialkonfiguration zur Verwendung bei einer Linse;
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7 zeigt ein mögliches abstimmbares aktives Metamaterial zur Verwendung bei einer Linse;
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8 zeigt die Steuerung des Brechungsindexes einer Aktivmetamateriallinse unter Verwendung einer Steuerschaltung; und
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9 zeigt eine Anwendung eines verbesserten Radarsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Fahrzeugradarsysteme, einschließlich Beispielen, bei denen ein Radarstrahl eine Strahlform, und so Strahlbreite, aufweist, die durch Einstellung einer aktiven Linse verändert werden kann.
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Ein beispielhaftes Radarsystem umfasst eine Antenne, mindestens eine aktive Linse und fakultativ Bauteile des Fahrzeugkühlergrills. Das Antennenarray kann einen Radom aufweisen, um so die Antennenarrayelemente gegenüber Umwelteinwirkungen zu schützen. Der Radom kann eine aktive Linse enthalten, oder es kann eine aktive Linse in dem einzelnen Schutzradom umschlossen sein.
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Eine Linse kann ein aktives Material, wie zum Beispiel Material mit einem einstellbaren Brechungsindex bei Radarfrequenzen, umfassen. Mit einer aktiven Linse lässt sich ein kontinuierliches Sichtfeldgebiet erhalten, wobei das Sichtfeld die Strahlbreite eines nicht geschwenkten Strahls, der Scanwinkel eines schmalen Strahls oder eine Kombination aus Strahlbreite und Scanwinkel sein kann.
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Das Sichtfeld kann unter Verwendung eines Steuereingangssignal, das eine oder mehrere Eigenschaften des aktiven Materials verändert, gesteuert werden. Die Linse kann zwischen verschiedenen Zuständen geschaltet werden, was zum Beispiel den Erhalt einer diskreten Anzahl von Strahlformen gemäß einem Steuereingangssignal ermöglicht. Diese können zum Beispiel einem schmalen, mittleren und breiten Sichtfeld entsprechen. Bei anderen Beispielen kann man zum Erhalt einer erwünschten Strahlbreite und/oder erwünschter Scanwinkel von unter oder gleich 360° eine Kombination von geschalteten Elementen und abgestimmten Elementen verwenden.
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Ein Radarsystem mit einer aktiven Linse ermöglicht es dem Radarsystem, mehrere Betriebsmoden aufzuweisen. Diese Betriebsmoden können Erfassung und Abstandbestimmung für adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung, Crash-Verhinderung und Betrieb mit höherer Auflösung (z. B. schmalerer Strahl) für Bildgebung und Zielidentifizierung umfassen. Breite Sichtfelder können für Nahfeldeinparkhilfe und Fußgängererfassung verwendet werden.
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Bei einigen Ausführungsformen umfasst die aktive Linse ein aktives Metamaterial. Ein beispielhaftes Metamaterial umfasst eine periodische elektromagnetische Struktur, zum Beispiel einen periodischen Verbundstoff, der zwei oder mehr Materialien umfasst (bei einigen Beispielen kann eine Komponente Luft sein). Es können mit Metamaterialien sowohl positive als auch negative Brechungsindices bei der geeigneten Radarfrequenz erhalten werden. Der Brechungsindex eines aktiven Metamaterials kann zum Beispiel unter Verwendung von MEMS-Schaltern (Micro-Electric Mechanical Systems – elektromechanische Mikrosysteme) oder anderen kapazitiven MEMS-Einrichtungen zur selektiven Verbindung leitfähiger Elemente untereinander, Anlegen von elektrischen Feldern an elektrisch abstimmbare Materialien oder anderen Ansätzen eingestellt werden.
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Eine aktive Linse kann effektiv deaktiviert werden, um so eine im Wesentlichen reduzierte Auswirkung auf die Radarstrahlform zu haben. Ein Antennenarray mit kleiner Apertur stellt ein (unverändertes) breites Sichtfeld (z. B. breiter Strahl und/oder breiter Scanwinkel) zur Verwendung als Einparkhilfe oder adaptive Nahfeld-Fahrgeschwindigkeitsregelung, oder Pre-Crash-Sensor bereit. Aktivierung der aktiven Linse reduziert die Strahlbreite, was einen schmalen Strahl ergibt, der zum Beispiel für die Objekterfassung, Bildgebung und Objektidentifizierung aus weiterer Entfernung oder andere Anwendungen Verwendung finden kann.
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Objektidentifizierung kann die Identifizierung von anderen Fahrzeugen, Fußgängern, Tieren und dergleichen in Abständen, die über die Sichtgrenzen eines Fahrers hinausgehen, umfassen. Insbesondere kann die Verwendung von Radar verbesserte Bildgebung und/oder Objektidentifizierung bei schlechten Sichtverhältnissen wie z. B. Regen, Schnee, Nebel oder Dunkelheit ermöglichen.
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Bei anderen Beispielen kann ein Verbundlinsensystem verwendet werden. Die Verwendung einer Linsenbaugruppe umfassend ein oder mehrere Linsen ermöglicht die Miniaturisierung von Antennenarrays für Fahrzeuganwendungen. Sowohl schmale als auch breite Sichtfelder können bei Verwendung kleinerer Radaraperturen als derzeit in Gebrauch erhalten werden. Antennenminiaturisierung ermöglicht es der Antenne, weniger störend an einem Fahrzeug angebracht zu werden. Zum Beispiel kann sich die Antenne hinter oder in einem Fahrzeugbauteil, wie z. B. einem Kühlergrillelement (wie z. B. einer Fahrzeugplakette), einer Stoßstange, Leuchte, Aufbauverkleidung und dergleichen, befinden. Bei einigen Beispielen der vorliegenden Erfindung umfasst das Fahrzeugbauteil ein aktives Metamaterial.
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1A zeigt ein herkömmliches Antennenarray 10, das strahlende Elemente 12 umfasst, die einen Radarstrahl mit Hauptkeule 14 und Nebenkeulen wie z. B. 16 erzeugen. Ohne Linse wird die Strahlbreite, die Breite der Hauptkeule 14, durch die Antennenarraygröße bestimmt. Ferner wird das Verhältnis Hauptkeule zu Nebenkeule durch die Anzahl von Arrayelementen bestimmt. Die Breite der Hauptkeule kann als Strahlbreite bezeichnet werden.
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1B ist eine Ansicht einer zweidimensionalen Anordnung von Antennenstrahlungselementen 12. Die Antennenarraygröße steht mit den physikalischen Abmessungen der Anordnung in Zusammenhang. Andere Anordnungen können verwendet werden, zum Beispiel auf einer gekrümmten Oberfläche liegende Antennenelemente.
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Die Radarantenne kann dahingehend betrieben werden, einen Radarstrahl, wie z. B. einen Strahl von Millimeterwellenstrahlung, bereitzustellen. Die Radarantenne, und dazugehörige Schaltkreise, kann dahingehend betrieben werden, reflektierten oder auf andere Weise zurückgesendeten Radar zu senden und zu empfangen, zum Beispiel unter Verwendung von herkömmlichen Sende- und/oder Empfangsschaltungen.
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Im Allgemeinen erzeugt die Reduzierung der physikalischen Größe des Antennenarray eine breitere Hauptkeule, und so einen breiteren Radarstrahl. Die Verwendung einer Linse ermöglicht es dem Antennenarray miniaturisiert zu werden, während ein relativ schmaler Strahl erhalten werden kann. Aus einer Kombination aus einer Antenne und einer Linse erhaltene Strahlbreiten können so schmal wie diejenigen sein, die von einer größeren Antenne ohne Linse erhalten werden. Ein breiterer Strahl entspricht im Allgemeinen einem kürzeren Betriebsbereich, wenn andere Strahlparameter und/oder Schaltkreise ähnlich sind.
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1C zeigt eine Kombination aus Antennenarray 20 und Linse 22. In diesem Fall ist das Antennenarray 20 kleiner als das in 1A gezeigte Antennenarray 10. Bei Abwesenheit jeglicher weiterer Strahlaufbereitung ist die Strahlbreite breiter, wie bei 26 gezeigt ist. Die Verwendung einer Linse ermöglicht jedoch eine Strahlbreite, die ähnlich der zu erhaltenden Strahlbreite des größeren Array ist, wie bei 24 gezeigt. Daher kann die effektive Apertur einer kleineren Antenne unter Verwendung der Linse vergrößert werden, wodurch eine Strahlbreite erhalten werden kann, die der eines größeren Antennenarrays ähnelt, und so ermöglicht die Verwendung einer Linse die Miniaturisierung der Antenne. Ferner können durch die Aktivierung oder Deaktivierung der Linse, oder einer anderen Linseneinstellung, mehrere Strahlbreiten erhalten werden (zum Beispiel wie durch die beiden Hauptkeulen 24 und 26 gezeigt ist).
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Die Begriffe Strahlform und Strahlbreite beziehen sich auf die Hauptkeule des Strahlungsfelds, und die Nebenkeulen werden, sofern nicht anders angegeben, nicht weiter betrachtet. 1C zum Beispiel zeigt lediglich die Hauptkeulen.
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2A zeigt ein Antennenarray 30 und eine aktive Linse 32. Die Strahlbreite kann mit der aktiven Linse gesteuert werden. Der mit der aktiven Linse 32 erhaltene Strahl kann von dem bei 34 gezeigten zu dem bei 36 gezeigten schmaler gemacht werden. Die aktive Linse kann mit einem elektronischen Steuereingangssignal elektronisch eingestellt werden, zum Beispiel wie es an anderer Stelle ausführlicher beschrieben steht.
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2B zeigt ein System umfassend ein Antennenarray 40 und eine Linsenbaugruppe, die zwei Linsen 42 und 43 enthält. Bei diesem Beispiel ist/sind eine oder beide Linsen aktive Linsen, wodurch man einen schmalen (44) oder breiten (46) Radarstrahl erhalten kann. Die Begriffe „schmal” und „breit” sind zueinander relative Begriffe. Bei einigen Beispielen kann/können eine oder beide Linsen deaktiviert sein. Andere Baugruppen mit mehrfachen Linsen können verwendet werden, um eine breitere Abstimmung der Strahlbreite oder weitere Antennenminiaturisierung zu erhalten. Zum Beispiel kann man zwei oder mehrere Linsen aktivieren, teilweise aktivieren und/oder zusammen deaktivieren; oder man kann eine oder mehrere einer Mehrzahl aktiver Linsen aktivieren, teilweise aktivieren und/oder deaktivieren.
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3 zeigt ein Fahrzeug 50 mit einem daran getragenen Radarsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die drei mit A, B und C bezeichneten Dreiecke ähneln den Sichtfeldern von drei möglichen Betriebsmoden des Radarsystems, die unterschiedliche Auflösungen aufweisen. Bei diesem Beispiel entspricht der mit A bezeichnete erste Modus einem Strahl mit langer Reichweite, hoher Winkelauflösung und schmalem Scanwinkel. Der mit B bezeichnete zweite Modus entspricht einem Strahl mit mittlerer Reichweite, mittlerer Winkelauflösung und mittlerem Scanwinkel. Der mit C bezeichnete Modus entspricht einem Strahl mit kurzer Reichweite, niedrigerer Winkelauflösung und einem breiten Scanwinkel.
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Das Radarsystem kann zwischen solchen Konfigurationen geschaltet werden oder kontinuierlich zwischen solchen Konfigurationen oder durchgehend abgestimmt werden. Die Konfiguration (A) mit langer Reichweite kann für die Anwendungen automatische Fahrgeschwindigkeitsregelung (ACC – Automatic Cruise Control) oder Pre-Crash-Erfassung (PCS – Pre-Crash Sensing) verwendet werden. Die Konfiguration mit mittlerer Reichweite kann zur Erfassung eines Abschneideverhaltens, einer Widerhandlung an einer Kreuzung wie Unterlassen des Anhaltens an einer roten Ampel, zur Erweiterung des PCS oder zum Erfassen von die Straße überquerenden Tieren oder Fußgängern verwendet werden. Die Konfiguration mit kurzer Reichweite und mit einem sehr breiten Sichtfeld kann zur Fußgängererfassung in städtischer Umgebung, zur Einparkhilfe oder bei ähnlichen Anwendungen verwendet werden.
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So hat ein verbessertes Radarsystem für ein Fahrzeug gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mehrere Betriebsmoden, einschließlich eines ersten Betriebsmodus, der einen Strahl mit hoher Auflösung und einem schmalen Scanwinkel bereitstellt, und eines zweiten Betriebsmodus, der einen Strahl mit mittlerer Auflösung und mittlerem Scanwinkel bereitstellt. Die Begriffe „schmal” und „breit” und „niedrig” und „mittlere” werden relativ verwendet. Der erste Betriebsmodus kann ein Bildgebungsmodus, eine automatische Fahrgeschwindigkeitsregelung oder ein Pre-Crash-Erfassungsmodus sein. Der zweite Betriebsmodus kann zur Fußgängererfassung, zur Erfassung einer Widerhandlung an einer Kreuzung, als Einparkhilfe oder für einen anderen Vorgang mit kurzer Reichweite verwendet werden. Eine einzige Vorrichtung kann verwendet werden, um einen Multifunktionsbetrieb bereitzustellen, einschließlich dieser oder anderer Funktionen.
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4 zeigt eine Konfiguration mit einem Antennenarray 62 auf einem Substrat 60, belegt mit einer Linsenbaugruppe umfassend den Radom 64 und das Kühlergrillelement 66. Der Radom schützt die Radarantenne vor Umwelteinwirkungen. Bei diesem Beispiel umfasst der Radom ein Metamaterial, so dass der Radom die Funktion einer aktiven Linse bereitstellt. Das Kühlergrillelement kann eine weitere Schutzfunktion bereitstellen. Ferner kann das Kühlergrillelement 66 ein zweites Metamaterial umfassen, zum Beispiel zur weiteren Veränderung der Strahlbreite und/oder des Scanwinkels. Bei einem weiteren Beispiel ist die Metamateriallinse in dem Kühlergrillelement 46 enthalten und der Radom ist kein aktives Element.
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5A und 5B zeigen Sichtfelder eines Radarsystems 70. 5A zeigt drei mögliche Strahlpositionen als gepunktete Linien, einschließlich Zentralposition 74 und zwei winklig versetzten Positionen an den jeweiligen Seiten der Zentralposition. Unter Verwendung der Strahlschwenkung erhält man ein mit gepunkteten Linien 72 und 72' angezeigtes Sichtfeld. Die Strahlbreite ist mit einem Doppelpfeil dargestellt. 5B zeigt ein schmaleres Sichtfeld, angezeigt von den Strichlinien 76 und 76'. Das schmalere Sichtfeld ist durch Reduzieren des Scanwinkels und/oder Reduzieren der Strahlbreite erhältlich. Für eine schmalere Strahlbreite ist das Sichtfeld dem Scanwinkel ungefähr gleich.
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Bei einigen Beispielen kann man das Sichtfeld in einer im Wesentlichen parallel zur das Fahrzeug tragenden Straßenoberfläche verlaufenden Ebene einstellen. Das Sichtfeld kann im Allgemeinen konisch oder in Richtung der Normalen zur Straßenoberfläche schmaler verlaufen.
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6 zeigt ein mögliches Verbundmaterial zur Verwendung als ein Metamaterial, das leitende Formen wie z. B. 80 und 82, getragen von isolierenden Medien wie z. B. einer Leiterplatte 84, umfasst. Verschiedene im Stand der Technik bekannte Metamaterialkonstruktionen können in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Das Verbundmaterial umfasst eine Elementarzelle mit einer Elementarzellengröße. Man kann eine oder mehrere dieser Elementarzellen zur Bildung eines Metamaterials verwenden. In dieser Darstellung umfasst die Zelleneinheit des Metamaterials einen Draht mit einer Drahtbreite und eine Deckplatte mit einem Deckplattendurchmesser. Diese Parameter und die Trennung der leitfähigen Elemente können zur Erhaltung von erwünschten Parametern eingestellt werden.
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Die Elementarzellenkonfiguration kann gewählt werden, einen erwünschten Brechungsindex und/oder Brechungsindexgradienten bei der Betriebsfrequenz oder Frequenzen der Radarantenne zu erhalten. Die Linse kann aktiviert und deaktiviert, teilweise aktiviert und/oder zwischen einer Anzahl verschiedener Konfigurationen geschaltet werden oder im Wesentlichen kontinuierliche Steuerung der Strahlauflösung ermöglichen.
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Mögliche Verbundmaterialien zur Verwendung in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in „Fabrication and characterization of a negative index composite metamaterial” [Herstellung und Charakterisierung eines Verbundmaterials mit negativem Index] von A. F. Starr, P. M. Rye, D. R. Smith, S. Nemat-Nasser, Physical Review B, 70, 113102 (2004), beschrieben. Wie darin beschrieben wurden Verbundplatten mit einem negativen Brechungsindex von zwischen 8,4 und 9,2 GHz hergestellt. Das Verbundmetamaterial wurde unter Verwendung von Lithographie mehrschichtiger Leiterplatten hergestellt, mit Durchkontaktierungen, die zur Ausbildung von Abschnitten der Streuelemente senkrecht zu den Leiterplattenoberflächen verwendet werden.
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7 zeigt ein Beispiel einer MEMS-Einrichtung zur Verwendung in einem aktiven Metamaterial. Das System umfasst eine Elektrode 90 und einen Strahlschalter 92. Zwischen der Elektrode und dem Strahlschalter liegt ein dielektrisches Material 94. Der Strahlschalter hat ein freies Ende 96 und ein festgelegtes Ende 98 und ist über ein elektronisches Steuersignal elektrisch auswählbar.
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8 ist eine schematische Darstellung, die ein Eingangsradarsignal zeigt, das bei 100 durch eine aktive Linse 102, wie z. B. eine Metamateriallinse, geht. Eine Steuerschaltung 104 stellt ein niedrigfrequentes Steuersignal für MEMS-Schalter in der Metamateriallinse bereit, was Abstimmung, Aktivierung/Deaktivierung der Linse oder sonst die Auswahl einer erwünschten Linseneigenschaft ermöglicht. Die Verwendung von aktiven Metamaterialien mit negativem Index ermöglicht die Herstellung von aktiven Zerstreuungslinsen, die man zur Veränderung des Sichtfelds eines Radarsystems verwenden kann.
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9 zeigt eine Anwendung eines verbesserten Radarsystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Radarsystem 110, mit mehreren Moden mit unterschiedlichen Sichtfeldern, empfängt Fahrzeugparameter von einer Fahrzeugparameterquelle 112, die einen oder mehrere Fahrzeugsensoren wie z. B. einen Geschwindigkeitssensor oder ein GPS umfassen kann. Das Radarsystem stellt Daten an Fahrzeugsysteme wie z. B. ein Einparkhilfesystem 114, eine adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung 116 und ein Fußgängerwarnsystem 118 bereit. Diese Fahrzeugsysteme sind beispielhaft und andere Kombinationen können verwendet werden. Die von dem Radarsystem bereitgestellten Daten können die relative Position und/oder Geschwindigkeit von externen erfassten Objekten umfassen. Andere Sensorsysteme, wie ein System im sichtbaren oder IR-Bereich, können auch zur Bereitstellung von Daten an diese Fahrzeugsysteme verwendet werden. Die Auswahl von Betriebsmodus, und Sichtfeld, kann von den Fahrzeugparametern oder von Feedback von anderen Fahrzeugsystemen bestimmt oder beeinflusst werden.
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Aktives Material
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Bei Beispielen der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine aktive Linse die Einstellung des Radarstrahls von beispielsweise einem schmalen Strahl mit langer Reichweite zu einem breiten Strahl mit kürzerer Reichweite, wie es vom Fahrzeugführer und/oder dem Fahrzeugkontrollsystem benötigt oder gesteuert wird. Die Linse umfasst ein aktives Material mit einer Eigenschaft wie z. B. Brechungsindex bei Radarfrequenzen, die sich zur Veränderung der Strahleigenschaften wie z. B. Strahlbreite und/oder Scanwinkel einstellen lässt. Der Brechungsindex des aktiven Materials kann über ein von einer elektronischen Steuerschaltung bereitgestelltes elektronisches Steuereingangssignal gesteuert werden.
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Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten eine Linsenbaugruppe umfassend mehrere Linsen, wo zum Beispiel mindestens eine Linse eine aktive Linse ist, mit einer oder mehreren Eigenschaften, die sich zur Veränderung der Strahleigenschaften eines durch die Linsenbaugruppe laufenden Radarstrahls einstellen lassen.
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Metamaterialien
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Bei einigen Beispielen umfasst das aktive Material ein Metamaterial. Herkömmliche Linsen gestatten keinen negativen Brechungsindex oder große Brechungsindexgradienten, obwohl diese durch die Verwendung von Metamaterialien erhältlich sind. Bei einem Metamaterial können Dielektrizitätskonstanten und/oder Durchlässigkeit eingestellt werden, zum Beispiel zur besseren Impedanzanpassung.
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Eine Metamateriallinse kann über ein Steuereingangssignal aktiviert oder deaktiviert werden, oder es können sonst ihre Eigenschaften eingestellt werden. Man kann einen Schalter vom MEMS-Typ, eine Abstimmungseinrichtung, eine Schottky-Halbleiterdiode oder eine Kombination daraus verwenden, aber andere Arten von Schalt- oder Steuerungselementen können bei der Linse verwendet werden, zum Beispiel unter Verwendung von elektrischem Abstimmen eines oder mehrerer Bauteile in dem Metamaterial.
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Beispielhafte Metamaterialien umfassen elektrische Leiter, wie Metalle, leitende Polymere oder andere elektrische Leiter, die auf einem nichtleitenden Medium liegen oder sonst davon getragen werden. Beispielsweise können Metamateriallinsen Drähte, Durchkontaktierungen, Filme und dergleichen umfassen. Metamateriallinsen können mehrschichtige Leiterplatten mit dazugehörigen Bauteilen wie Schaltern, Verbindungen, abstimmbaren Elementen oder dergleichen umfassen.
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Metamaterialien können dazu konfiguriert werden, für Radarwellenlängen einen negativen Brechungsindex aufzuweisen. Beispielsweise kann ein Metamaterial umfassend offene Leitungsringe mit Axialrichtung ungefähr entlang der Radarausbreitungsrichtung eine negative Durchlässigkeit und einen negativen Brechungsindex aufweisen. Beispiele umfassen C-förmige Leiter und Split-Ring-Resonatoren.
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Leitende Strukturen können mit Schaltern selektiv miteinander verbunden sein. Die selektive Verbindung von leitenden Elementen, wie z. B. Drähten oder anderen leitenden Formen, im Metamaterial ermöglicht es einer ein solches Material umfassenden Linse aktiviert oder deaktiviert oder sonst abgestimmt zu werden. Bei einem Beispiel hat die Linse wenig Auswirkung auf einen durch sie hindurchgehenden übertragenen Strahl, während im aktivierten Zustand eine merkliche Divergenz (oder möglicherweise Konvergenz, abhängig von den Metamaterialparametern) stattfindet.
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Die selektive Verbindung oder Trennung oder sonst Abstimmung von leitenden Elementen in Zelleinheiten eines Metamaterials kann die Eigenschaften der Metamaterialmasse zu einem solchen Grad verändern, dass die Linse auf einen durch sie hindurchgehenden Radarstrahl eine vernachlässigbare, geringe oder größere Auswirkung haben kann, und die Auswirkung kann über Schalter wie z. B. MEMS in dem Metamaterial oder dazugehörig gesteuert werden.
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Metamaterialien können mit gewerblicher Leiterplattenmehrschichttechnologie hergestellt werden, wie zum Beispiel in „Fabrication and characterization of a negative-refractive-index composite metamaterial” von Starr et al., Physical Review B, 70 (2004), beschrieben. Für den Betrieb bei 77 Gigahertz kann die Elementarzellengröße des Metamaterials ungefähr 400 Mikrometer betragen, und Merkmalsgrößen von zwischen 10 und 20 Mikrometer können daher verwendet werden.
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Man kann Metamaterialien mit einer Mikroherstellungsmethode herstellen. Zum Beispiel können über Lithographie-, Abscheidungs- und Ätzprozesse, die den für die Mikroherstellung von integrierten Schaltungen oder MEMS verwendeten ähneln, Elementarzellenstrukturen auf ein nichtleitfähiges Substrat aufgedruckt werden. Das nichtleitfähige Substrat kann ein Glas (wie z. B. Borsilicatglas oder ein anderes hitzebeständiges Glas), eine Keramik (wie z. B. Glaskeramik), Kunststoff oder anderes Material sein.
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Gradienten-Index-Linsen (GRIN-Linsen) können auch unter Verwendung von Metamaterialien ausgebildet werden, und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten die Verwendung von aktiven GRIN-Linsen. Ferner ist es möglich, dass die Einstellung einer aktiven Linse nicht über die gesamte Linse gleichmäßig ist. Beispielsweise kann ein Teil der Linsenfläche aktiviert oder deaktiviert oder sonst abgestimmt sein, während sich andere Teile nicht ändern.
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Eine Linsenbaugruppe kann einen Radom und/oder ein Fahrzeugkühlergrillbauteil, umfassend Metamaterialien, enthalten, durch den oder das der gesendete Radar tritt. Linsen können aktiviert, deaktiviert, abgestimmt oder auf andere Weise eingestellt werden, um so die Strahlbreite und/oder den Scanwinkel des Radars einzustellen. Die Strahlbreite und der Scanwinkel sind so einstellbar.
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Fahrzeugkühlergrill
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Ein Fahrzeug hat in der Regel an der Vorderseite des Fahrzeugs einen Kühlergrill, der Öffnungen hat, über die Luft eintreten und über den Kühler streifen kann. Der Kühlergrill repräsentiert oft einen wichtigen Gesichtspunkt in dem Erscheinungsbild des Fahrzeugs und eine herkömmliche Radarvorrichtung, die an dem Kühlergrill angebracht ist, kann dem Erscheinungsbild des Fahrzeugs maßgeblich abträglich sein.
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Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Radarantenne hinter dem Kühlergrill angeordnet, so dass der Radarstrahl durch den Kühlergrill tritt. Bei weiteren Ausführungsformen umfasst ein Kühlergrillbauteil ein aktives Material, wie z. B. ein Metamaterial, und das aktive Material wird eingestellt, um so die Strahl- und/oder die Scanwinkeleigenschaften zu verändern. Ein Kühlergrillbauteil kann die Fahrzeugplakette sein, wie zum Beispiel eine Fahrzeugplakette, die das Handelszeichen des Herstellers trägt. Die Fahrzeugplakette kann ein Metamaterial umfassen, wobei die Fahrzeugplakette als eine aktive Linse fungiert.
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Eine beispielhafte Vorrichtung enthält eine Linsenbaugruppe, die einen Radom und ein separates Element (wie z. B. den Fahrzeugkühlergrill oder ein daran angebrachtes Element) umfasst, wobei die Linsenbaugruppe dahingehend betrieben werden kann, die Strahlbreite eines Radarsystems zu steuern und/oder zu verändern. Der Radom ist fakultativ und man kann darauf verzichten. Bei anderen Beispielen kann die Linsenbaugruppe ein Bauteil des Fahrzeugkühlergrills oder ein daran angebrachtes Element, ein Bauteil der Fahrzeugvorder- oder -heckstoßstange, oder ein anderes Fahrzeugbauteil umfassen.
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Andere Fahrzeugstellen
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Ein Radarsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann an der Vorderseite des Fahrzeugs angeordnet sein, zum Beispiel in der Nähe des Fahrzeugkühlergrills, wie oben erörtert wurde. Andere mögliche Stellen umfassen das Heck und die Seiten des Fahrzeugs, zum Beispiel in einer Stoßstangenbaugruppe (Vorder- und/oder Heckstoßstange), einer Leuchte, einem Verkleidungsteil oder einem anderen Fahrzeugbauteil. Ein Fahrzeug kann mehrere Antennen- und Linsenbaugruppen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben.
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Mehrfachbetriebsmoden
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Betriebsmoden können einen Modus mit schmalem Scanwinkel und Hochauflösungsstrahlbreite für automatische Fahrgeschwindigkeitsregelung (ACC) und/oder Pre-Crash-Erfassen (PCS); einen Modus mit mittlerem Scanwinkel und mittlerer Strahlbreite zur Abschneideerfassung, erweiterten PCS und/oder Fußgängererfassung; und einen Modus mit weitem Scanwinkel und Strahlbreite mit niedrigerer Auflösung zur Fußgängererfassung in städtischen Gebieten, als Einparkhilfe oder für andere Anwendungen umfassen. Eine einzige Vorrichtung kann zwei oder mehr solcher Betriebsmoden bereitstellen.
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Aus Einfachheitsgründen zeigen die folgenden Beispiele ein System mit zwei Moden, einem ersten Modus mit einem Hochauflösungsstrahl mit schmalem Scanwinkel und einem zweiten Modus mit einem Strahl mit weitem Scanwinkel und niedrigerer Auflösung. Es können jedoch auch drei oder mehr Moden vorliegen, die sich jeweils hinsichtlich Strahl- und/oder Scaneigenschaften, wie z. B. Strahlbreite, Strahlschwenkung, Scanwinkel, Zentralrichtung des Strahls, übertragener Leistung, Pulsbetriebübertragung oder Dauerbetriebübertragung, Modulationstyp oder anderer Strahlparameter unterscheiden.
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Ein System kann in Intervallen von einem ersten Betriebsmodus zu einem zweiten Betriebsmodus schalten. Eine aktive Linse kann in Intervallen aktiviert und deaktiviert werden, zum Beispiel kann eine aktive Linse in Intervallen im Bereich von 0,1–10 Sekunden, wie z. B. im Bereich von 0,2–2 Sekunden, aktiviert werden, wobei die Linse zu einer Zeit zwischen den Aktivierungen deaktiviert ist.
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Bei anderen Beispielen kann die Fahrerauswahl zur Auswahl eines Betriebsmodus dienen, zum Beispiel möglicherweise Überstimmung einer Voreinstellung. Ein Fahrer kann einen Modus mit weitem Schwenken oder breitem Strahl in städtischen Gebieten oder einen Modus mit schmaler Schwenkung oder schmalem Strahl beim Fahren auf Autobahnen einlegen.
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Das System kann auch bei Erfassung externer Parameter zu einem bestimmten Modus schalten. Beispielsweise kann automatisch aus einem der folgenden Gründen ein Modus mit schmalem Strahl gewählt werden: Fahrzeuggeschwindigkeit über einem Schwellparameter; schlechte Sichtverhältnisse wie erfasstem Niederschlag oder Dunkelheit; Erfassung eines unbekannten Objekts mit dem Radar oder einem anderen Sensor, wobei dann ein schmaler Strahl zur Bildgebung und/oder Identifikation verwendet wird; Autobahnfahrt (zum Beispiel wie es vom Navigationssystem bestimmt ist) oder Fahrzeugverhalten (wie bei längerer Zeit bei hoher Geschwindigkeit); oder andere Parameter.
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Ein Modus mit breitem Strahl kann aus einem der folgenden Parameter automatisch ausgewählt werden: niedrige Geschwindigkeit; Fahrt in städtischen Gebieten; häufiges Anhalten (zum Beispiel unter Verwendung der vorherigen Fahrzeuggeschwindigkeiten); Gangauswahl (wie Einlegen des Rückwärts- oder eines niedrigen Gangs); oder andere Parameter.
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Bei einigen Beispielen kann ein erster Betriebsmodus zwischen zwei oder mehreren von einer Mehrzahl aus möglichen Einstellungen schalten und eine durchschnittliche Strahlbreite oder einen durchschnittlichen Scanwinkel von weniger als einem zweiten Modus aufweisen. Beispielsweise kann ein erster Modus zwischen schmalen und mittleren Strahlbreiten oder Scanwinkeln schalten, und ein zweiter Modus kann zwischen breiten und mittleren Strahlbreiten oder Scanwinkeln schalten. Unterschiedliche Betriebsmoden können unterschiedliche Kombinationen von Strahlbreiten oder Scanwinkeln mit unterschiedlichen Funktionalitäten umfassen.
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Ein Verfahren zur Unterstützung des Betriebs eines Fahrzeugs umfasst die Bereitstellung eines Radarsystems, das einen Radarstrahl erzeugt; das Laufen des Radarstrahls durch eine Linsenbaugruppe, die eine aktive Linse umfasst; das Einstellen der aktiven Linse in der Linsenbaugruppe in Intervallen, um so ein Sichtfeld des Radarsystems zu verändern; das Erhalten von ersten Daten unter Verwendung eines ersten Sichtfelds (Strahlbreite, Scanwinkel oder eine Kombination daraus); das Erhalten von zweiten Daten unter Verwendung eines zweiten Sichtfelds und Verwenden der ersten und zweiten Daten zur Unterstützung beim Betrieb des Fahrzeugs. Beispielsweise kann das erste Sichtfeld schmaler als das zweite Sichtfeld sein. Einstellen einer aktiven Linse in der Linsenbaugruppe in Intervallen kann das Bereitstellen eines elektronischen Steuersignals an ein aktives Metamaterial umfassen.
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Bildgebungssysteme
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Optische Bildgebungssysteme sind oft groß und teuer. Herkömmliche Systeme im sichtbaren und IR-Bereich brauchen eine unbehinderte Sichtlinie, die durch Schmutz oder Eisansammlung begrenzt sein kann. Dadurch ist die Verwendung solcher System in Fahrzeuganwendungen begrenzt. Verbesserte Radarsysteme gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können statt herkömmliche Kamerasysteme im sichtbaren und IR-Bereich (oder zusätzlich dazu) verwendet werden. Ein kompaktes Millimeter-(oder Submillimeter-)wellenbildgebungssystem kann mit einer Radarabstandsmessungfunktionalität kombiniert werden, um eine verbesserte multifunktionelle Vorrichtung bereitzustellen.
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Bei einigen Ausführungsformen kann man einen Radar mit synthetischer Apertur (SAR – Synthetic Aperture Radar) zur Ausbildung von Bildern der Fahrzeugumgebung verwenden. Die Apertur kann mit einer aktiven Linse oder einem anderen Verfahren wie z. B. Verwendung von Phaseneinstellungen zwischen Antennenelementen gescannt werden. Man kann die gleiche aktive Linse für Scan- und Strahlbreiteneinstellungen eines Radarstrahls verwenden. Eine DBF-Antenne (Digital Beam-Forming – digitale Strahlformung) kann verwendet werden, und Linsen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zur Reduzierung der Größe einer solchen Antenne für Fahrzeuganwendungen verwendet werden.
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Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung können in Bildgebungssystemen verwendet werden, einschließlich Hochauflösungsziel- oder Hindernisidentifizierung, anstelle von oder zusätzlich zu herkömmlichen Kamerasystemen im sichtbaren und IR-Bereich. Ein Radarsystem kann auch zur Bereitstellung von Informationen über die Umgebung über die Grenzen der herkömmlichen Scheinwerferbeleuchtung bei Nacht oder bei anderen Verhältnissen mit schlechter Sicht hinaus verwendet werden.
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Radarbetrieb
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Eine Radarvorrichtung kann als Pulsradar betrieben werden, und die Pulswiederholungsfrequenz kann einen vorbestimmten Wert betragen oder unter Verwendung einer geschätzten oder bestimmten Distanz von Objekten in der Fahrzeugumgebung ausgewählt werden. Mithilfe einer aktiven Linse kann man das Sichtfeld der Radarvorrichtung schnell ändern, so dass Daten aus relativ weiten und schmalen Sichtfeldern gesammelt werden können. Daten aus unterschiedlichen Betriebsmoden können über sequenzielle, überlappende oder gleichzeitige Zeitintervalle gesammelt werden.
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Man kann den Betriebsmodus oder die Betriebsmoden der Radarvorrichtung unter Verwendung von Fahrzeugparametern (einschließlich aktueller oder vorheriger Daten) wie Fahrzeugbetriebsparametern, Radardaten, GPS- oder anderen Positionsdaten und/oder anderen Daten auswählen. Fahrzeugbetriebsparameter umfassen Geschwindigkeit, Fahrlenkungseingaben, Bremsen, Gangwechsel und dergleichen. Beispielsweise kann von einer durchgehend hohen Geschwindigkeit angenommen werden, dass sie eine Autobahnfahrt anzeigt, und das Radarsystem kann über die ganze oder einen Hauptteil der Zeit in einem Modus mit schmalem Sichtfeld betrieben werden, zum Beispiel als Teil eines Systems zur adaptiven Fahrgeschwindigkeitsregelung. Stop-and-go-Fahrten bei niedrigen Geschwindigkeiten und vielen Kurven kann Fahrten in der Stadt anzeigen, und es kann ein Modus mit einem breiteren Sichtfeld verwendet werden, zum Beispiel als Teil eines Fußgängerwarnsystems.
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Die Radarvorrichtung kann durch zwei oder mehr Betriebsmoden zyklisieren, jeder mit einem unterschiedlichen Sichtfeld. Die Durchlaufzeit der Zyklen bzw. die Zeit in jedem Modus kann gemäß Fahrzeugparametern eingestellt werden.
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Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Antenne in einem Monopulsmodus betrieben werden. Reflektierte Signale von verschiedenen Teilen des Strahls können verglichen werden, was eine verbesserte Bestimmung der Bewegung von Objekten im Sichtfeld erlaubt. Monopulsbetrieb kann Phasen-, Amplituden- oder kombinierte Phasen-/Amplitudenmonopulsbetrieb umfassen.
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Beispielsweise erfasst ein beispielhaftes Monopulsradarsystem Signale von einem Objekt (wie einem anderen Fahrzeug) an mindestens zwei Stellen (die unterschiedliche Teile eines Antennenarrays sein können) und erhält die Positionsinformationen relativ zu einer Azimutrichtung unter Verwendung der Summe und der Differenz der erfassten Signale.
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Bei einigen Beispielen erzeugt die Radarantenne einen Strahl, der über einen Scanwinkel geschwenkt wird. Ein Strahl kann in einer Ebene, wie zum Beispiel im Allgemeinen parallel zur Straßenoberfläche, oder in zwei Dimensionen geschwenkt werden. Das Schwenken kann durch mechanische Drehung der Antenne, Phaseneinstellungen zwischen Strahlungselementen oder anderen im Stand der Technik bekannten Methoden erreicht werden. Eine aktive Linse, die variable Strahlbrechung verwendet, kann den Scanwinkel, und damit das Sichtfeld, verändern. Das Sichtfeld der Vorrichtung steht in Zusammenhang mit dem Scanwinkel, nachdem der Strahl durch die Linsenbaugruppe getreten ist, und dies kann über die aktive Linse verändert werden.
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Relative Bewegung von Objekten kann mit Dopplerverschiebungsmessungen oder aus Änderungen in der erfassten Distanz über Zeit bestimmt werden. Radardaten können zur Verbesserung der Fahrzeugbetriebssicherheit mit anderen Datenquellen kombiniert werden.
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Kommunikationssysteme
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Eine Radarvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch eine Kommunikationsfunktionalität aufweisen. Daten können über einen von der Radarantenne entweder gesendeten oder empfangenen Radarstrahl getragen werden. Eine aktive Linse kann für Strahlbreiten- und/oder Strahllenkungsanwendungen verwendet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt. Die Beispiele sollen keine Einschränkungen des Erfindungsumfangs darstellen. Verfahren, Vorrichtungen, Zusammensetzungen und dergleichen sind hier beispielhaft beschrieben und nicht als Einschränkungen des Erfindungsumfangs beabsichtigt. Änderungen in diesem Zusammenhang und andere Verwendungen werden dem Fachmann offensichtlich sein. Der Erfindungsumfang wird von dem Umfang der Ansprüche definiert.
