DE19714570A1 - Mehrstahliges Radarsystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrstrahliges Radar­ system zur Gewinnung und Auswertung von Winkelinformationen detektierter Radarziele. Sie betrifft insbesondere ein Radarsystem für ein Kraftfahrzeug, um im Rahmen einer auto­ matischen Abstandswarnung oder Abstandsregelung voraus­ fahrende Fahrzeuge anhand der erhaltenden Winkelinformation einzelnen Fahrspuren zuordnen zu können.

Stand der Technik

Ein gattungsgemäßes Radarsystem ist beispielsweise aus der WO 97/02496 bekannt. Das Radarsystem gemäß dieser Schrift weist drei kombinierte Sende-/Empfangselemente auf, die in Verbindung mit einer gemeinsamen Antennenlinse drei Sende- beziehungsweise Empfangskeulen ausbilden. Reflektierte Radarsignale, die über diese drei Empfangskeulen aufgenommen werden, werden zunächst in drei parallelen Signalpfaden verarbeitet. Anhand einer Amplitudenauswertung kann eine Winkellage aller detektierten Objekte berechnet werden.

Für zukünftige, erweiterte Einsatzbereiche solcher Radar­ systeme, beispielsweise in Staus oder im Stadtverkehr, besteht nun die Forderung, daß der beobachtbare Winkel­ bereich, insbesondere im Nahbereich des Radarsystems verbreitert werden soll.

Schwierigkeiten ergeben sich dabei nun daraus, daß die empfangenen Radarsignale in der Regel sehr schwach sind und dementsprechend zur Vermeidung unnötiger zusätzlicher Dämpfungen möglichst unmittelbar nach ihrer Aufnahme auf­ bereitet und verarbeitet werden müssen. In diesem Sinne ist es vorteilhaft, erste Verstärker- und/oder Mischerstufen in jedem Empfangspfad vorzusehen, um auf diese Weise signal­ dämpfende Hochfrequenzumschalter oder -multiplexer möglichst zu vermeiden. Dies führt jedoch dazu, daß bei einer Ver­ größerung des beobachtbaren Winkelbereichs durch Erweitern des aus der oben genannten Schrift bekannten Sende-/Empfangs­ konzepts, d. h. durch ein Hinzufügen weiterer Sende-/Empfangs­ elemente der Schaltungsaufwand auf der Empfangsseite und damit ein wesentlicher Kostenfaktor deutlich zunimmt. Eine einfache Verbreiterung der einzelnen bisher verwendeten Sende-/Empfangskeulen würde demgegenüber die bisher erreichte Winkelauflösung verschlechtern.

Aus der US 4,308,536 ist ein Antikollisions-Kraftfahrzeug Radar bekannt, welches zwei Sendeantennen und nur eine Empfangsantenne besitzt. Die beiden Sendeantennen besitzen Antennenkeulen, die jeweils einen Winkel von 3° gegenüber der Längsachse des Kraftfahrzeugs einnehmen. Jede Keulen­ breite beträgt 10°. Die Hauptstrahlrichtung der Empfangs­ antenne ist auf die Längsachse des Kraftfahrzeugs ausge­ richtet. Die Ausgangspulse eines Senders werden mit Hilfe eines Schalters abwechselnd auf die beiden Sendeantennen umgeschaltet. Der beobachtbare Winkelbereich beträgt hier 16°. Dies ist im Hinblick auf die angestrebten zukünftigen Anwendungen zu gering. Eine Verbreiterung des beobachtbaren Winkelbereichs wirkt sich bei diesem, allgemein als "Sequen­ tial Lobing" bekannten Prinzip nachteilig auf die Genauig­ keit der Winkelmessung aus.

Aus der EP 568 427 A1 ist ein gattungsgemäßes Radarsystem bekannt, das vier einzeln einschaltbare Sendeelemente und sechs gleichzeitig verwendete Empfangselemente besitzt. Auch bei diesem System beträgt der beobachtbare Winkelbereich 16°, was wie bereits erwähnt für die zukünftigen Anwendungen zu gering ist.

Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein mehrstrahliges Radarsystem zur Bestimmung einer Winkelinformation detek­ tierter Radarziele anzugeben, bei dem der beobachtbare Winkelbereich gegenüber bekannten Systemen auf kosten­ günstige Weise und bei annähernd gleicher Winkelauflösung verbreitert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe entsprechend dem kenn­ zeichnenden Teil des Hauptanspruchs dadurch gelöst, daß mehr Sendeelemente als Empfangselemente vorhanden sind und daß die vorhandenen Sendeelemente sowohl einzeln als auch in beliebiger gleichzeitiger Kombination einschaltbar sind. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den untergeordneten Ansprüchen.

Auf Grund des Merkmals, daß mehr Sendeelemente als Empfangs­ elemente vorhanden sind, kann der beleuchtbare und demzu­ folge der grundsätzlich beobachtbare Winkelbereich auf kostengünstige Weise verbreitert werden. In Kombination mit dem zweiten Merkmal, daß nämlich die vorhandenen Sendeele­ mente sowohl einzeln als auch in beliebiger gleichzeitiger Kombination einschaltbar sind, ergibt sich, wie nachfolgend noch genauer erläutert, die Möglichkeit, diesen verbreiter­ ten, beleuchteten Winkelbereich auch ohne weitere Empfangs­ elemente mit der geforderten Genauigkeit auszuwerten.

Über die gegenüber bekannten Radarsystemen zusätzlich vor­ handenen Sendeelemente ist der erweiterte zu beobachtende Winkelbereich gezielt beleuchtbar. Der Empfang reflektierter Radarziele erfolgt wie bisher über die bereits vorhandenen und bekannten Empfangselemente. Dabei können gegebenenfalls auch die Nebenkeulen der Empfangselemente ausgenutzt werden.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Radarsystems ist, daß ein gegenüber bekannten Radarsystemen verbreiterter beobachtbarer Winkelbereich ohne Hinzufügen weiterer Empfangspfade erreicht wird und dementsprechend keine weiteren, kostenintensiven Empfangssignalpfade benötigt werden. Darüber hinaus ist der erweiterte Winkelbereich schnell und flexibel einstellbar und veränderbar. Auf Grund dieser Eigenschaft kann das Radarsystem vorteilhafterweise an unterschiedliche Meßaufgaben angepaßt werden. Wird beispielsweise in einem Stau ein breiter beobachtbarer Winkelbereich benötigt, kann durch Verwendung aller vorhan­ denen Sendeelemente eine breite Abstrahlcharakteristik erzeugt werden. Wird demgegenüber bei schneller Fahrt auf einer Autobahn nur ein schmaler beobachtbarer Winkelbereich benötigt, wird beispielsweise nur über ein oder zwei Sende­ elemente gesendet. Ein weiterer Vorteil des erfindungs­ gemäßen Radarsystems ist, daß die eigentliche Winkelaus­ wertung im wesentlichen nach den schon bisher angewendeten Verfahren, beispielsweise wie in WO 97/02496 erwähnt, anhand eines Amplitudenvergleichs erfolgen kann. Dementsprechend sind nur geringfügige Ergänzungen oder Modifikationen in einem bekannten Signalverarbeitungsalgorithmus notwendig. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß auf signaldämpfende Umschalter zwischen verschiedenen Empfangs­ pfaden verzichtet werden kann. Als Folge dessen ist es möglich, mit einer im Vergleich mit Radarsystemen, die solche Umschalter aufweisen, geringeren Sendeleistung zu arbeiten. Dies wiederum ist besonderes im Hinblick auf Anforderungen und Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) sehr vorteilhaft.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Radarsystems,

Fig. 2 mögliche Strahlungsdiagramme eines erfindungsgemäßen Radarsystems im Sendefall und

Fig. 3 mögliche effektiv wirksame Antennendiagramme eines erfindungsgemäßen Radarsystems.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Radarsystem in einer schematischen Darstellung. Unterhalb einer dielektrischen Linse 17, die als fokussierendes Element dient, sind bei­ spielhaft angenommen fünf Antennenelemente 101, 102, 103, 104 und 105 angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Ausgestal­ tung sind diese als Patchantennenelemente ausgeführt. Sie können jedoch auch auf andere Weise, beispielsweise als Hornstrahler realisiert sein. Die Antennenelemente 101 und 105 arbeiten rein als Sendeelemente. Sie sind über jeweils einen Schalter, beispielsweise PIN-Dioden-Schalter, einer Schalteranordnung 13 mit einem Oszillator 14 verbunden. Letzterer erzeugt Hochfrequenzsignale, die einerseits als Sendesignale dienen und gemäß der hier bevorzugten Ausge­ staltung der Erfindung auch zum Herabmischen der Empfangs­ signale genutzt werden. Die Antennenelemente 102, 103 und 104 sind kombinierte Sende- und Empfangselemente. Die Antennenelemente 101, 102, 103, 104 und 105 sind räumlich so zueinander angeordnet, daß sich die Gesamtheit der Empfangs­ elemente 102, 103 und 104 dieser Anordnung mittig zur Gesamtheit der Sendeelemente, in diesem Fall also mittig zur Gesamtheit aller Antennenelemente befindet.

Die kombinierten Sende- und Empfangselemente 102, 103 und 104 sind mit jeweils einer sende-Empfangsweiche 112, 113 und 114 verbunden. Die Sende-Empfangsweichen 112, 113 und 114 sind vorzugsweise als Rat-Race-Ringe ausgeführt, können jedoch alternativ auch beispielsweise einen Zirkulator darstellen. Jeweils einem Eingang der Sende-Empfangsweichen 112, 113 und 114 sind über jeweils einen Schalter der Schalteranordnung 13 die Hochfrequenzsignale der Oszillators 14 zugeführt. Über die einzelnen Schalter der Schalter­ anordnung 13 sind somit alle Sendeelemente sowohl einzeln als auch in beliebiger gleichzeitiger Kombination einschalt­ bar. An einem weiteren Anschluß sind die Sende-Empfangs­ weichen 112, 113 und 114 mit jeweils einem Mischer 122, 123 und 124 verbunden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Hochfrequenzsignale des Oszillators 14 über Zuführungen 162, 163 und 164 jeweils einem weiteren Eingang der drei Mischer zugeführt. Somit werden in jedem Mischer 122, 123 und 124 die empfangenen Radarsignale mit den jeweils momen­ tanen Sendesignalen gemischt. Dies ist der Aufbau eines FMCW-Radarsystems, wie er für die eingangs genannten Anwen­ dungen bevorzugt wird. Jedoch ist die Erfindung nicht allein auf dieses Radarprinzip beschränkt und kann auch bei Puls­ radarsystemen Verwendung finden. Die herabgemischten Empfangssignale der drei Mischer 122, 123 und 124 stehen an Ausgängen 152, 153 und 154 zur weiteren Signalverarbeitung zur Verfügung.

Ausgehend von den fünf Antennenelementen 101 bis 105 sind fünf Antennenkeulen 181, 182, 183, 184 und 185 dargestellt. Entsprechend einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die außenliegenden Antennenkeulen 181 und 185 dabei so aus­ gebildet, daß überwiegend ein vorderer und/oder seitlicher Nahbereich des Radarsystems beleuchtet wird. Dies ist besonders vorteilhaft bei einem Einsatz eines erfindungs­ gemäßen Radarsystems im Rahmen einer automatischen Abstands­ warnung oder Abstandsregelung in einem Kraftfahrzeug. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung dieses Ausführungsbei­ spiels ist, daß die Sende- und die Empfangselemente räumlich so zueinander angeordnet sind, daß sich die Gesamtheit der Empfangselemente 102, 103 und 104 dieser Anordnung mittig zur Gesamtheit der Sendeelemente 101, 102, 103, 104 und 105 befindet.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Radarsystems wird nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 verdeutlicht. Fig. 2 zeigt dabei neun ausgewählte, schematisch anhand von Anten­ nendiagrammen dargestellte Sendekonfigurationen eines erfindungsgemäßen Radarsystems. Dabei sind in dieser prinzi­ piellen Darstellung und im Unterschied zu den Antennenkeulen in Fig. 1 die Abstrahlcharakteristiken aller Sendelemente gleich angenommen. In der Konfiguration 21 zeigt ein schema­ tisches Antennendiagramm 211, daß in dieser Konfiguration nur über ein außenliegendes Antennenelement 105 gesendet wird. In der Konfiguration 22 wird beispielhaft über zwei benachbarte, außenliegende Antennenelemente 104 und 105 gesendet. In der Konfiguration 23 wird über die drei Sende­ elemente 103, 104 und 105 gesendet. In der Konfiguration 24 wird über alle vorhandenen Antennenelemente 101 bis 105 gesendet. In der Konfiguration 25 wird demgegenüber wiederum nur über ein Antennenelement gesendet, welches in diesem Fall dem Antennenelement 101 der Fig. 1 entspricht. Die in Fig. 2 weiterhin dargestellten Konfigurationen zeigen einen Teil aller insgesamt möglichen Kombinationen von Sende­ elementen.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung effektiv wirksame Antennencharakteristiken, die sich aus einer Überlagerung der Abstrahlcharakteristiken der Sendekonfigurationen gemäß Fig. 2 und den Empfangscharakteristiken der Empfangs­ elemente eines erfindungsgemäßen Radarsystems gemäß Fig. 1 ergeben. Die effektiv wirksame Antennencharakteristik 31 ergibt sich beispielsweise, wenn ein erfindungsgemäßes Radarsystem entsprechend Fig. 1 in der Sendekonfiguration 21 betrieben wird. Zu erkennen sind drei Verläufe 311, 312 und 313 von Antennendiagrammen, die zu den drei Empfangsele­ menten 102, 103 und 104 gehören. Die Verläufe 311, 312 und 313 weisen dabei unterschiedlich hohe Maxima auf, wobei der Verlauf 311 das kleinste und der Verlauf 313 das höchste Maximum besitzt. Der Verlauf 313 gehört zu dem am weitesten rechts liegenden Empfangselement 104, der Verlauf 312 zu dem Empfangselement 103 und der Verlauf 311 zu dem linken Empfangselement 102. Die unterschiedlich hohe Ausprägung der Maxima ergibt sich daraus, daß entsprechend der Sendekonfi­ guration 21 vorwiegend die rechte Seite des zu beobachtenden Winkelbereichs beleuchtet wird. Dementsprechend weisen reflektierte Radarsignale beim rechten Empfangselement 104 einen höchsten Signalpegel und beim linken Empfangselement 102 einen niedrigeren Signalpegel auf. Die effektiv wirksame Antennencharakteristik des erfindungsgemäßen Radarsystems ist bildlich gesprochen bei einer Sendekonfiguration 21 ein wenig nach rechts geschwenkt.

Die unterschiedlich hohe Ausprägung der Maxima und damit verbunden die unterschiedlich hohen Signalpegel der Empfangssignale detektierter Radarziele wirken sich bei der Winkelauswertung detektierter Radarziele besonders vorteil­ haft aus. So ist beispielsweise in der noch nicht veröffent­ lichten DE-Anmeldung mit dem Aktenzeichen 195 43 813.2 eine Winkelauswertung beschrieben, bei der empfangene Radar­ signale aus drei Antennenkeulen aufgrund ihrer jeweiligen Signalamplituden ausgewertet werden. Diese Auswertung ist bei größeren Winkeln zunehmend schwieriger, da die aus zu­ wertenden Amplitudenunterschiede in den Randbereichen der Antennenkeulen zunehmend geringer werden. Aufgrund der Schwenkung der effektiv wirksamen Antennencharakteristik werden die Unterschiede bei den Signalpegeln empfangener Radarsignale vorteilhafterweise vergrößert. Alternativ oder ergänzend kann natürlich in bekannter Weise die Phasenlage der reflektierten Radarsignale zur Winkelbestimmung heran­ gezogen werden.

Die effektiv wirksame Antennencharakteristik 31 ergibt sich bei der Sendekonfiguration 22. Auch in diesem Fall ist die effektiv wirksame Antennencharakteristik nach rechts ge­ schwenkt. Dabei ist diese Schwenkung hier jedoch schwächer als bei der zuvor erläuterten Antennencharakteristik 31. Dies resultiert daraus, daß in der Sendekonfiguration 22 zusätzlich nun über das Antennenelement 104, welches weiter mittig liegt als das Antennenelement 105, gesendet wird. Bei der effektiv wirksamen Antennencharakteristik 34 erkennt man, daß sie insgesamt symmetrisch nach vorne ausgerichtet ist. Diesen Fall, der bevorzugt für die Beobachtung und Aus­ wertung eines engeren Winkelbereichs genutzt wird, erhält man, wenn entsprechend der Sendekonfiguration 24 über alle Sendelemente 101 bis 105 gleichzeitig gesendet wird. Die effektiv wirksame Antennencharakteristik 35 ist umgekehrt zu der Charakteristik 31 nach links geschwenkt. Die Winkelaus­ wertung detektierter Radarziele erfolgt bei allen Sendekon­ figurationen und damit bei allen effektiven Antennencharak­ teristiken nach demselben bekannten Prinzip.

Claims (6)

1. Mehrstrahliges Radarsystem, insbesondere für Kraftfahr­ zeuganwendungen,

• - mit Sendeelementen (101-105), über die Radarwellen abgestrahlt werden können und
• - mit Empfangselementen (102-104), über die reflektierte Radarwellen wieder aufgenommen werden können,
• - wobei sich eine effektiv wirksame Antennencharakteri­ stik des mehrstrahligen Radarsystems aus der Über­ lagerung der Abstrahlcharakteristik eines oder mehrerer Sendeelemente und der Empfangscharakteristik mindestens eines Empfangselements ergibt und
• - wobei diese effektive Antennencharakteristik für jeweils mindestens einen Meßzyklus durch Umschalten zwischen verschiedenen Sende- oder/und Empfangs­ elementen veränderbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß mehr Sendeelemente als Empfangselemente vorhanden sind und daß die vorhandenen Sendeelemente sowohl einzeln als auch gleichzeitig in beliebiger Kombination (13) einschaltbar sind.

2. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangselemente kombinierte Sende- und Empfangs­ elemente sind.

3. Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sende- und die Empfangselemente räumlich so zueinander angeordnet sind, daß sich die Gesamtheit der Empfangselemente dieser Anordnung mittig zur Gesamtheit der Sendeelemente befindet.

4. Radarsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß außenliegende Sendeelemente der genannten Anordnung eine derartige Abstrahlcharakteristik aufweisen, daß über­ wiegend ein vorderer und/oder seitlicher Nahbereich des Radarsystems beleuchtet wird.

5. Radarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangssignale eines jeden Empfangselements über jeweils einen eigenen Empfangsmischer herabmischbar sind.

6. Radarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung der Winkel­ lage detektierter Radarziele anhand eines Amplituden- und/oder Phasenvergleichs der Empfangssignale von mindestens zwei Empfangselementen erfolgt.