DE112011102901T5

DE112011102901T5 - Mehrbereich-Radarsystem

Info

Publication number: DE112011102901T5
Application number: DE112011102901T
Authority: DE
Inventors: Jae Seung Lee; Paul Donald SCHMALENBERG
Original assignee: Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc; Toyota Engineering and Manufacturing North America Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: US20120050092A1; WO2012030615A2; US8405541B2; DE112011102901B4; DE112011102901T8; CN103097909B; JP2013539022A; WO2012030615A3; CN103097909A

Abstract

Es wird ein Radarsystem geschaffen, das betrieben werden kann, um Objekte unter Verwendung gemeinsamer Komponenten in mehreren Bereichen zu erfassen. Das Radarsystem umfasst eine Sendeantenne, eine erste und eine zweite Mikrowellenabstrahlquelle sowie einen Empfänger. Die erste und zweite Mikrowellenabstrahlquelle werden durch die Sendeantenne übertragen. Die Echos werden vom gleichen Empfänger aufgenommen. Die erste Mikrowellenabstrahlquelle ist eine frequenzmodulierte Wellenform und die zweite Mikrowellenabstrahlquelle ist eine Ultrabreitband-Wellenform. Ein Multiplexer verbindet selektiv die erste oder die zweite Mikrowellenabstrahlquelle mit der Sendeantenne.

Description

BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 1. September 2010 eingereichten US Patentanmeldung 12/874,040, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radarsystem, das betreibbar ist, um mehrere Bereiche unter Verwendung geteilter Komponenten zu erfassen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aktuelle Radarsysteme, die im Mikrowellenbereich arbeiten, können in Fernbereichsysteme mit engem Winkel und Nahbereichsysteme mit weitem Winkel klassifiziert werden. Die Fernbereichradarsysteme haben einen relativ engen Strahl. Dementsprechend sind, im Gegensatz zu Nahbereichsystemen mit weitem Winkel, die einen breiteren Winkel haben, Fernbereichradarsysteme nicht besonders effektiv bei der Erfassung von Objekten in relativ kurzer Entfernung. Umgekehrt sind jedoch Nahbereichsysteme nicht in der Lage, Objekte in relativ großer Entfernung zur Antenne zu erfassen, da diesen Systemen die Leistung fehlt, um solche Entfernungen zu erreichen.
Automobile, welche Fernbereich- und Nahbereichsysteme verwenden, nutzen derzeit zwei verschiedene Radarsysteme. Jedes dieser Radarsysteme hat sein(e) eigene(s) Mikrowellenabstrahlquelle, Sendeantenne und Empfangselement. Dies erhöht die Herstellungskosten.
Dementsprechend besteht der Bedarf an einem Radarsystem, das Objekte sowohl im Fernbereich aus auch im Nahbereich der Plattform erfassen kann, ohne das Kosten verursacht werden, die einhergehen mit der Verwendung separater, individueller Empfangselemente und Antennen für entsprechende Fern-, Nah- und Mittelbereichsysteme.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Mehrbereich-Radarsystem zur Verwendung in einer Plattform, beispielsweise einem Automobil, geschaffen. Das Mehrbereich-Radarsystem kann am Fahrzeug montiert werden und erfasst Objekte in einem Nahbereich, einem Mittelbereich und einem Fernbereich des Automobils. Das Mehrbereich-Radarsystem umfasst eine Sendeantenne zum Aussenden von mikrowellenartiger Strahlung.
Eine erste Mikrowellenabstrahlquelle und eine zweite Mikrowellenabstrahlquelle werden durch die Sendeantenne abgestrahlt bzw. ausgesandt. Die erste Mikrowellenabstrahlquelle ist vorzugsweise eine frequenzmodulierte kontinuierliche Wellenform und betreibbar, um Objekte in einer Entfernung im Mittel- oder Fernbereich vor der Sendeantenne zu erfassen.
Die zweite Mikrowellenabstrahlquelle ist vorzugsweise eine Ultrabreitband-Wellenform und betreibbar, um Objekte im Nahbereich der Sendeantenne zu erfassen. Die Ultrabreitband-Wellenform hat ein breiteres Sichtfeld bzw. Erfassungsfeld als die frequenzmodulierte kontinuierliche Wellenform.
Ein Multiplexer steht mit der ersten und der zweiten Mikrowellenabstrahlquelle sowie der Sendeantenne in elektrischer Verbindung. Der Multiplexer verbindet selektiv die erste und/oder die zweite Mikrowellenabstrahlquelle mit der Sendeantenne. Die Sendeantenne überträgt die frequenzmodulierte Wellenform oder die Ultrabreitband-Wellenform.
Ein Empfänger empfängt ein Echo der ersten und/oder der zweiten Mikrowellenabstrahlquelle.
Ein Prozessor empfängt Signale vom Empfänger und verarbeitet die Signale derart, um den Ort eines erfassten Objekts zu bestimmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die auch das Verständnis der Erfindung verbessert, wenn diese unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung betrachtet wird; hierbei zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung verschiedener Erfassungszonen eines Mehrbereich-Radarsystems der vorliegenden Erfindung, das an einem Automobil montiert ist;
2 eine veranschaulichende Darstellung der Komponenten des Mehrbereich-Radarsystems der vorliegenden Erfindung, die eine Sendeantenne, die erste und zweite Mikrowellenabstrahlquelle und den Empfänger zeigt;
3 eine perspektivische Darstellung der Empfangselemente, welche Echos der ersten Mikrowellenabstrahlquelle verarbeiten; und
4 ein Diagramm der Empfangselemente, die Signale der ersten Mikrowellenabstrahlquelle verarbeiten, wobei die Phasenverschiebung jedes der Empfangselemente unterschiedlich voneinander ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zunächst Bezug nehmend auf 1 wird ein Mehrbereich-Radarsystem 10 dargestellt, das an einem Automobil 12 montiert ist. Das Mehrbereich-Radarsystem 10 ist betreibbar, um Objekte in verschiedenen Abständen und Sichtfeldern bzw. Erfassungsfeldern des Fahrzeugs 12 zu erfassen. Insbesondere ist das Mehrbereich-Radarsystem 10 betreibbar, um Objekte im Nahbereich, Mittelbereich und Fernbereich des Fahrzeugs 12 zu erfassen. Das Mehrbereich-Radarsystem 10 nutzt die Vorteile verschiedener Mikrowellenabstrahlquellen, um eine genaue Verfolgung und Objekterfassung in verschiedenen Bereichen des Zielfahrzeugs 12 zu schaffen.
Bezug nehmen auf 2 werden die Komponenten bzw. Bestandteile des Mehrbereich-Radarsystems 10 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Mehrbereich-Radarsystem 10 hat eine Sendeantenne 14. Vorzugsweise ist die Sendeantenne 14 ein einzelnes Abstrahlelement, das betreibbar ist, um Mikrowellen abzustrahlen.
Das Radarsystem 10 hat ferner eine erste Mikrowellenabstrahlquelle 16 und eine zweite Mikrowellenabstrahlquelle 18. Die erste Mikrowellenabstrahlquelle 16 unterscheidet sich von der zweiten Mikrowellenabstrahlquelle 18. Vorzugsweise ist die erste Mikrowellenabstrahlquelle 16 eine frequenzmodulierte kontinuierliche Wellenform (PMCW) bzw. ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradar. Die zweite Mikrowellenabstrahlquelle 18 ist eine Ultrabreitband-Wellenform bzw. ein Ultrabreitbandradar (UWB-Radar). Die erste und zweite Mikrowellenabstrahlquelle 16, 18 können gepulst oder kontinuierlich senden.
Ein Multiplexer 20 hat zwei Eingänge, die elektrisch mit der ersten und zweiten Mikrowellenabstrahlquelle 16, 18 verbunden sind, sowie einen Ausgang, der mit der Sendeantenne 14 verbunden ist. Der Multiplexer 20 verbindet selektiv die erste und/oder die zweite Mikrowellenabstrahlquelle 16, 18 mit der Sendeantenne 14. Die Sendeantenne 14 überträgt somit alternativ eine frequenzmodulierte kontinuierliche Wellenform oder eine Ultrabreitband-Wellenform.
Ein Empfänger 22 empfängt Echos der übertragenen bzw. abgestrahlten Wellenformen. Der Empfänger kann eine Mehrzahl von Strahlelementen 24 haben. Vorzugsweise sind die Strahlelemente 24 axial ausgerichtet, um eine Reihe bzw. ein Array zu bilden. Das Amplitudenverhältnis und die Phase eines jeden Strahlelements 24 können unabhängig gesteuert werden. Das Radarsystem 10 kann somit betrieben werden, um eine Azimut- bzw. Richtungswinkelabtastung, einen Dreistrahlverfolgung-Monopulsbetrieb und eine Strahlbreitensteuerung auszuführen. Der Empfänger 22 wandelt die Echos in ein Signal um.
Ein Prozessor 26 ist elektrisch mit dem Empfänger 22 und dem Multiplexer 20 verbunden. Der Prozessor 26 empfängt Signale vom Empfänger 22 und verarbeitet die Signale derart, um den Ort bzw. die Position des erfassten Objekts zu bestimmen. Der Prozessor 26 ist zudem elektrisch mit dem Multiplexer 20 verbunden. Der Prozessor 26 kommuniziert mit dem Multiplexer 20 und bestimmt, welche der ersten und zweiten Mikrowellenabstrahlquellen 16, 18 durch die Sendeantenne 14 übertragen wird. Der Prozessor 26 kann zudem betrieben werden, um die erste Mikrowellenabstrahlquelle 16 zu steuern, dass diese eine gewünschte Wellenform erzeugt, die geeignet ist, Objekte in einem Abstand in einem Mittel- oder Fernbereich von der Sendeantenne 14 zu erfassen.
Ein Verstärker 28 ist mit der ersten und zweiten Mikrowellenabstrahlquelle 16, 18 verbunden. Der Verstärker 28 steuert die Leistung, die der ersten und zweiten Mikrowellenabstrahlquelle 16, 18 zugeführt wird. Der ersten Mikrowellenabstrahlquelle 16 wird mehr Leistung zugeführt, als der zweiten Mikrowellenabstrahlquelle 18. Das Radarsystem 10 ist daher in der Lage, eine Objekterfassung in verschiedenen Bereichen durchzuführen.
Bezug nehmend auf die 3 und 4 wird nachfolgend der Betrieb des Radarsystems 10 im Fernbereich und Mittelbereich beschrieben. Im hier beschriebenen Beispiel ist der Mittelbereich als ein Bereich zwischen 30 und 60 Meter von der Sendeantenne 14 dargestellt, und der Fernbereich ist als ein Bereich zwischen 60 und 200 Meter von der Sendeantenne dargestellt. Der Nahbereich ist als ein Bereich von 30 Meter vor der Sendeantenne 14 dargestellt.
Im hier dargestellten Beispiel überträgt der Multiplexer 20 abwechselnd die erste oder die zweite Mikrowellenabstrahlquelle 16, 18 durch die Sendeantenne 14. Der Prozessor 26 ist mit einem Sendemodus ausgestattet und stellt den Empfänger 22 ein, um jeweils die erste und zweite Mikrowellenabstrahlquelle 16, 18 zu verarbeiten. Es ist jedoch auch möglich, dass das Radarsystem 10 die erste und zweite Mikrowellenabstrahlquelle 16, 18 gleichzeitig durch die Sendeantenne 14 überträgt, und dass der Prozessor eingestellt sein kann, um die jeweiligen ersten und zweiten Mikrowellenabstrahlquellen 16, 18 in vorgegebenen Intervallen zu empfangen.
Zunächst Bezug nehmend auf 3 wird der Betrieb des Fernbereich-Radarerfassungsmodus beschrieben. Die erste Mikrowellenabstrahlquelle 16 wird durch die Sendeantenne 14 übertragen. Vorzugsweise strahlt die erste Mikrowellenabstrahlquelle eine Mikrowelle zwischen etwa 76 und 81 GHz ab.
Im Fernbereichmodus ist das Radarsystem 10 derart programmiert, dass es in einem relativ schmalen Kegel vor der Antenne scannt. Insbesondere ist das Radarsystem betreibbar, um einen Scan bzw. eine Abtastung von 20° bis zu einem Abstand von 200 Meter von der Sendeantenne 14 auszuführen. Dies ist wünschenswert wenn eine Objekterfassung und -verfolgung in Umgebungen wie einer Straße durchgeführt wird, da ein großer Scan- bzw. Abtastwinkel Signale zurückwerfen bzw. -geben würde, die von Gebäuden und Bäumen, die weit neben der Straße liegen, reflektiert werden.
Wie in 3 gezeigt ist, sind aneinander angrenzende Strahlelemente 24 auf das gleiche Phasenspektrum bzw. die gleiche Phasenverschiebung eingestellt. Genauer gesagt ist die Mehrzahl der Strahlelemente 24 in eine vorgegebene Anzahl von Elementen gruppiert. Zu Zwecken der Erläuterung sind drei Elemente in der gleichen Gruppe angeordnet. Der Prozessor ist betreibbar, um den Phasenwechsler derart zu betreiben, um eine vorgegebene Phasenverschiebung für jede Gruppe der Gruppen mit vorgegebener Anzahl von Elementen zu erzeugen. Die ersten drei Elemente sind so dargestellt, dass sie keine Phasenverschiebung haben, während die nachfolgenden drei Elemente mit einer Phasenverschiebung von einer Wellenlänge dargestellt sind. Somit können einige Strahlpositionen verfeinert werden.
Wie gezeigt ist, kann der Betrieb des Radarsystems 10 Nebenkeulen als Ergebnis des „Zusammenbindens” von Elementen erzeugen. Fachleute können erkennen, dass diese Nebenkeulen durch Verwendung von blockierende Strukturen im Radar verringert werden können, oder durch Verringern der Anzahl der zusammengebundenen Elemente, d. h. durch Vergrößern der Anzahl der Elemente in den Gruppen. Obgleich ein Empfänger 22 mit 32 Strahlelementen 24 dargestellt ist, ist für Fachleute selbstverständlich, dass die Zahl der Strahlelemente 24 aus Packaging- oder Kostengründen verändert werden kann.
Bezug nehmen auf 4 wird der Betrieb des Radarsystems 10 im Mittelbereichsmodus dargestellt. Im Mittelbereichbetrieb wird in breiterer bzw. größerer Strahlwinkel benötigt. Genauer gesagt ist das Radarsystem 10 derart konfiguriert, um einen 60° Scan bzw. eine 60° Abtastung bis zu einer Entfernung von 60 Meter von der Sendeantenne 14 auszuführen. Der Empfänger führt eine einzelne Phasenverschiebung für jedes der Strahlelemente 24 durch. Natürlich hat dies den Effekt, dass die Strahlpositionen verglichen zum Fernbereich-Radarerfassungsmodus gröber werden. Der Prozessor 26 kann betreibbar sein, um Elemente während kritischer Erfassungszeitpunkte „zusammenzubinden”, wenn eine feinere Steuerung der Strahlneigung nötig ist.
Im Nahbereichsmodus sendet das Radarsystem 10 die zweite Mikrowellenabstrahlquelle 18 durch die Sendeantenne 14. Vorzugsweise ist die zweite Mikrowellenabstrahlquelle betreibbar, um Mikrowellen zwischen etwa 79 und 81 GHz zu übertragen. Die zweite Mikrowellenquelle 18 ist vorzugsweise eine Ultrabreitband-Wellenform.
Die Erfindung wurde anhand eines Beispiels beschrieben. Es ist daher klar, dass die hierzu verwandte Terminologie eher in der Natur der zur Beschreibung genutzten Worte liegt, als dass sie einen beschränkenden Effekt hätte. So können zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen im Lichte der vorstehenden Lehre durchgeführt werden. Beispielsweise ist die erste Mikrowellenquelle 16 als frequenzmodulierte kontinuierliche Wellenform beschrieben. Jedoch ist für Fachleute ersichtlich, dass auch andere Wellenformen, z. B. eine Monopuls-Wellenform, möglich sind. Somit kann die Erfindung, im Umfang der angefügten Ansprüche, anders ausgeführt werden, als oben beschrieben.

Claims

Mehrbereich-Radarsystem, aufweisend: eine Sendeantenne; eine erste Mikrowellenabstrahlquelle; eine zweite Mikrowellenabstrahlquelle, wobei die zweite Mikrowellenabstrahlquelle sich von der ersten Mikrowellenabstrahlquelle unterscheidet; einen Multiplexer, der betreibbar ist, um selektiv die erste und/oder die zweite Mikrowellenabstrahlquelle mit der Antenne zu verbinden; einen Empfänger, der betreibbar ist, um ein Echo von der ersten und der zweiten Mikrowellenabstrahlquelle zu empfangen; und einen Prozessor, der betreibbar ist, um ein Signal vom Empfänger zu empfangen und das Signal derart zu verarbeiten, um die Position eines erfassten Objekts zu bestimmen.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 1, wobei die erste Mikrowellenabstrahlquelle eine Monopuls-Wellenform ist.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 1, wobei die erste Mikrowellenabstrahlquelle eine frequenzmodulierte kontinuierliche Wellenform ist.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 1, wobei der Empfänger eine Mehrzahl von Elementen umfasst.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend einen Phasenwechsler, wobei die Mehrzahl von Elementen in eine vorgegebene Anzahl von Elementen gruppiert sind, und wobei der Controller ferner betreibbar ist, um den Phasenwechsler zu betätigen, um eine vorgegebene Phasenverschiebung in jeder der Gruppen mit einer vorgegebenen Anzahl von Elementen zu bewirken.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 5, wobei der Controller weiter betreibbar ist, um unabhängig das Amplitudenverhältnis und die Phase zu steuern, um eine gewählte Richtungswinkelabtastung, Objektverfolgung und Strahlbreite zu erzeugen.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend einen Phasenwechsler, der betreibbar ist, um für jedes aus der Mehrzahl von Elementen eine einzelne Phasenverschiebung zu erzeugen.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 7, weiter aufweisend einen Schaltkreis der den Controller mit jedem der Elemente in der vorgegebenen Anzahl von Elemente verbindet, und wobei der Controller betreibbar ist, um einen zweiten Schalter zu betätigen, um selektiv jede der Gruppen mit einer vorgegebenen Anzahl von Elementen zu betätigen.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 8, weiter aufweisend einen Verstärker, der den Controller mit jedem der Empfänger in der Gruppe von Empfängern verbindet, wobei der Controller betreibbar ist, um den zweiten Schalter zu betätigen um selektiv jeden Empfänger aus der Gruppe der Empfänger zu betätigen.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 1, wobei die erste Mikrowellenabstrahlquelle betreibbar ist, um Objekte in einem Mittelbereich und einem Fernbereich zu erfassen.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 10, wobei der Mittelbereich zwischen 30 und 60 Meter vor der Antenne liegt und der Fernbereich zwischen 60 und 200 Meter vor der Antenne liegt.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 11, wobei der Mittelbereich ein Sichtfeld von 60° von der Richtung der Antenne abdeckt und der Fernbereich ein Sichtfeld von 20° von der Richtung der Antenne abdeckt.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 10, wobei die erste Mikrowellenabstrahlquelle eine Mikrowelle zwischen 76 und 81 GHz abstrahlt.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 1, wobei die zweite Mikrowellenabstrahlquelle betreibbar ist, um Objekte in einem Nahbereich zu erfassen.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 14, wobei die Ultrabreitband-Wellenform betreibbar ist, um ein Objekt innerhalb von 30 Meter vor der Antenne zu erfassen und ein Sichtfeld von 90° hat.
Mehrbereich-Radarsystem nach Anspruch 14, wobei die zweite Mikrowellenabstrahlquelle eine Mikrowelle zwischen 79 und 81 GHz abstrahlt.