DE69319178T2

DE69319178T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von einem oder mehreren Objekten in einem Winkelsektor, mit Anwendungen

Info

Publication number: DE69319178T2
Application number: DE69319178T
Authority: DE
Inventors: Pascal Cornic; Patrice Crenn
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1992-04-30
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2013-04-24
Also published as: EP0568427A1; EP0568427B1; FR2690755A1; DE69319178D1; US5598163A; FR2690755B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Erfassung eines oder mehrerer Objekte in einer Winkelzone, sowie verschiedenen Anwendungen.
Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft Anti-Kollisionsvorrichtungen, insbesondere für Kraftfahrzeuge. In diesem Bereich möchte man eine genaue Analyse eines Raums vor einem Fahrzeug durchführen. Ziel dieser Analyse ist es, den Fahrer des Fahrzeugs bei einer Kollisionsgefahr sofort zu warnen. Die Melde-Entscheidungen der Anti-Kollisionsvorrichtungen hängen von verschiedenen Kriterien ab, die ihrerseits von der Lage und der Relativgeschwindigkeit der anderen Fahrzeuge, die die Kollisionsgefahr begründen, von der Radarsignatur u.s.w. abhängen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die räumliche Analyse des Raums vor einem Fahrzeug zu verfeinern, sodaß man einerseits die erfaßten Fahrzeuge bezüglich der Fahrspuren einordnen und andrerseits zwei einander nahe Fahrzeuge unterscheiden kann.
Zu diesem Zweck muß das Analyseradarsystem sehr strenge Bedingungen bezüglich seines Auflösungsvermögens und seiner Winkelgenauigkeit erfüllen.
Die üblicherweise vorgeschlagenen Lösungen bestehen darin, ein Radargerät mit schlankem Strahl zu verwenden und den Raum, den man analysieren will, abzutasten. Die Abtastung erfolgt im allgemeinen mechanisch, was Probleme hinsichtlich des Einbaus in Serienfahrzeuge bringt und insbesondere hinsichtlich von Sicherheitsforderungen nur eine unzureichende Sicherheit bietet.
Außerdem ist es unmöglich, eine elektronische Strahlschwenkung für solche Radarsysteme vorzusehen, da man bisher nicht in der Lage ist, eine Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung technologisch zu realisieren, die im Millimeter-Wellenlängenbereich arbeitet. Außerdem wären die Herstellungskosten für den betreffenden Markt prohibitiv.
Aus der Druckschrift FR-A-2 172 188 kennt man ein Verfahren zur Erfassung eines oder mehrerer in einem gegebenen Winkelbereich vorhandener Objekte mittels elektromagnetischer Wellen, das darin besteht, sendeseitig mehrere Elementarzonen des Winkelbereichs gemäß mindestens einem Sendediagramm mit einer Hauptkeule (3) zu überstreichen, die als die oberhalb einer Schwelle liegende Zone des Sendediagramms definiert ist, wobei diese Schwelle größer oder gleich dem Maximum der Sekundärkeulen (4) des Diagramms festgelegt ist, dann Echosignale in einem aus mehreren Sonden (22') gebildeten lückenhaften Netz (22) zu empfangen, das eine solche Netzfunktion besitzt, daß für jede beleuch tete Elementarzone eine erste Keule (6) dieser Netzfunktion in der Hauptkeule des Sendediagramms enthalten ist, während die anderen Keulen (7) außerhalb der Hauptkeule liegen, und dann die empfangenen Echos zu erfassen (10) und die winkelmäßige Stellung der erfaßten Objekte daraus abzuleiten.
Für die Durchführung des Verfahrens empfiehlt diese Druckschrift die Verwendung von Antennen mit gesteuerter Strahlschwenkung derart, daß die erste Keule der Netzfunktion mit der sendeseitigen Hauptkeule fluchtet.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren vor, das zwischen der mechanischen und der elektronischen Strahlschwenkung angesiedelt ist und darin besteht, das Prinzip der Strahlformung durch Berechnung (FFC - formation de faisceaux par le calcul) an das gestellte Problem anzupassen.
Genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung eines oder mehrerer sich in einer gegebenen Winkelzone befindenden Objekte, wie es in den Ansprüchen 1 bis 6 definiert ist.
Die Erfindung betrifft auch ein Erfagsungssystern mittels elektromagnetischer Wellen zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, wie es in den Ansprüchen 7 bis 11 definiert ist.
Andere Gegenstände der vorliegenden Erfindung betreffen verschiedene Anwendungen des erfindungsgemäßen Systems bei der Kollisionsverhinderung und der Überwachung des Straßenverkehrs.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nun anhand der beiliegenden zeichnungen näher erläutert.
Fig.1 zeigt den Verlauf einer Funktion eines linearen Netzes mit N Sonden in gleichen Abständen, die mehrdeutige Keulen enthält.
Fig.2a ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Sendediagramms.
Die Figuren 2b und 2c zeigen den Verlauf der Netzfunktion gemäß der Erfindung beim Empfang in einem besonderen Beispiel, bei dem der Strahl versetzt ist.
Fig.3a zeigt das Verfahren zur erfindungsgemäßen Strahlbildung durch Berechnung.
Fig.3b zeigt eine mögliche Verbesserung des Verfahrens gemäß Figur 3a.
Fig.4 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Erfassungssystems für die Durchführung des Verfahrens.
Fig.5 zeigt den Verlauf des Sendediagramms des Systems aus Figur 4.
Fig.6 zeigt im einzelnen ein mögliches Ausführungsbeispiel des Empfängers aus Figur 4.
Die Figuren 7 und 8 zeigen die durch die Simulation des Systems gemäß Figur 4 erzielten Ergebnisse ohne beziehungsweise mit versetztem Strahl.
Das Verfahren und das System gemäß der Erfindung werden nun im Rahmen einer besonderen Anwendung beschrieben, die als Beispiel dient und die Anti-Kollisionsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge betrifft. So werden Zahlenangaben nur zur Orientierung gemacht und beschränken nicht die Erfindung.
Die Anpassung des Systems der Strahlformung durch Berechnung, die nachfolgend abgekürzt mit FFC bezeichnet wird, an die vorliegende Anwendung muß zahlreiche Bedingungen erfüllen:
Die erste wichtige Bedingung besteht darin, daß jede Anti-Kollisionsvorrichtung für Kraftfahrzeuge im Millimeterwellenlängenbereich arbeiten muß, damit die Antennenabmessungen beim Senden und Empfangen nicht prohibitiv werden. Die Anmelderin hat sich beim Entwurf eines Netzes von Empfangssonden vor ein neues Problem gestellt gesehen, das die Abmessungen dieses Netzes betrifft. Man muß nämlich einen Kompromiß finden zwischen einerseits der Notwendigkeit der Vergrößerung des Abstands zwischen den verschiedenen Sonden, um die Realisierbarkeit der Vorrichtung im Millimeterwellenlängenbereich zu gewährleisten, und andrerseits der Größe des Netzes und der Anzahl der verwendeten Sonden, die aus Raum- und Kostengründen nicht zu groß sein können. Das lückenhafte Netz ist ein Netz, das aufgrund seiner Struktur dem gesuchten Kompromiß gut entspricht. Es hat jedoch den großen Nachteil, daß es winkelmäßig periodische Keulen ergibt, die zu einer entsprechenden winkelmäßigen Mehrdeutigkeit führen.
Figur 1 zeigt ein Beispiel einer Funktion eines linearen Netzes, bestehend aus N Sonden in gleichen Abständen d, die Netzrasterabstände genannt werden. Jede Sonde besitzt eine bestimmte charakteristische Strahlungsfunktion. Es sei bemerkt, daß für ein solches Netz die Netzfunktion, die auch charakteristische Strahlrichtungsfunktion genannt wird, durch die folgende Gleichung gegeben ist:
Hierbei gilt:
θ: Winkelrichtung des empfangenen Signals,
λ: Betriebswellenlänge,
d: Rasterabstand des Netzes,
φ: konstanter Phasenabstand zwischen einer Sonde und der nächsten.
Das Hauptmaximum dieser Funktion, das in Figur 1 das Bezugszeichen 1 trägt, ergibt sich für einen Winkel θ&sub0;, bei dem gilt: 2πd(sinθ&sub0;)/λ + φ = 0;
Die Maxima entsprechend den mehrdeutigen Nebenkeulen 2 in Figur 1 ergeben sich für alle Winkel θk wie folgt:
2π(d/λ)[sinθk - sinθ&sub0;) = 2kπ
Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Keulen des Netzes, d.h. die Periodizität des Netzes, ergibt sich dann wie folgt: θR = Arcsin(λ/d) λ/d
In Figur 1 wurden drei Keulen dargestellt, aber natürlich gibt es mehr Keulen.
Aufgrund der Existenz dieser mehrdeutigen Keulen kann man die empfangenen Echos nicht diskriminieren, wenn die Sendeantenne, die eine gegebene Winkelzone Ω beobachten soll, eine Zone beleuchtet, die mehr als eine Keule des Empfangsnetzes enthält.
Eine erste Lösung besteht darin, die Keulen des Netzes möglichst weit zu spreizen, d.h. den Netzrasterab stand zu verringern. Dieser Weg ist aber nicht gangbar, da er automatisch zu einer hohen Zahl von Sonden führt und außerdem an die Grenzen der Realisierbarkeit des Netzes im Millimeterwellenlängenbereich stößt.
Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt vor, die Wirkung der mehrdeutigen Keulen durch eine Aufteilung der beobachteten Winkelzone Ω in mehrere Elementarzonen zu beseitigen, die nacheinander beleuchtet werden, sodaß, wenn eine Elementarzone von einer gegebenen Hauptkeule des Sendediagramms beleuchtet wird, eine Keule des Empfangsnetzes vorzugsweise in der 3dB-Breite der Hautkeule liegt, während die beiden unmittelbar davor und dahinter liegenden Netzkeulen wenig oder gar nicht durch diese gleiche Hauptkeule beleuchtet werden.
Die Figuren 2a und 2b zeigen das Prinzip des Verfahrens.
In Figur 2a ist der Verlauf eines möglichen Sendediagramms für die Beleuchtung einer gegebenen Elementarzone in der insgesamt zu beobachteten Winkelzone dargestellt. Dieses Sendediagramm besitzt eine Hauptkeule 3, die als die Zone des Sendediagramms definiert ist, die oberhalb einer festen Schwelle X dB liegt und vorzugsweise die ganze Elementarzone erfaßt. Das Diagramm besitzt auch Sekundärkeulen 4, deren Maximum unter dieser gegebenen Schwelle von X dB liegt, beispielsweise unter -23dB. Die Schnittpunkte zwischen der Hauptkeule 2 und der Schwelle von X dB sind mit A und B markiert. Außerdem ist gestrichelt der Verlauf der Hauptkeulen 3' dargestellt, die die Elementarzonen zu beiden Seiten der betrachteten Elementarzone beleuchten. Es sei daran erinnert, daß erfindungsgemäß die benachbarten Elementarzonen nicht gleichzeitig beleuchtet werden, sondern nacheinander. Die Hauptkeulen 3 und 3' schneiden sich in zwei Punkten A' und B', die man vorzugsweise den Punkten A" und B" gleichsetzen kann, die einem Abfall der Hauptkeule 3 um 3dB entsprechen.
Als Nutzbereich wird das Kurvensegment bezeichnet, das zwischen den Punkten A' und B' liegt. Der Nutzbereich wird also von der Hauptkeule 3 umfaßt und entspricht der Zone der Nicht-Überdeckung der Sende-Hauptkeulen 3' für aufeinanderfolgende Elementarzonen.
Die Figuren 2b und 2c zeigen die Bedingungen, die man für die Netzfunktion beim Empfang festlegt. Die Netzfunktion muß so gewählt sein, daß für die gemäß dem Sendediagramm in Figur 2a beleuchtete Elementarzone eine erste Netzkeule 6 existiert, die zum Nutzbereich des Sendediagramms gehört. Vorzugsweise liegt diese erste Netzkeule 6 im Bereich der 3db-Grenze des Sendediagramms, und in den Figuren 2b und 2c wurden die äußersten Positionen dieser ersten Netzkeule 6 in diesem bevorzugten Fall eingezeichnet. Eine zweite entscheidende Bedingung gemäß der Erfindung hinsichtlich der Netzfunktion besteht darin, daß die anderen Keulen 7 und 8 des Netzes nicht zur Hauptkeule 3 des wie oben definierten Sendediagramms gehören, sodaß sie kaum oder gar nicht beleuchtet werden. Man erkennt aus Figur 2b ( bzw. Figur 2c), daß dies eine Mindestperiodizität eR der Netzfunktion erfor dert, für die die unmittelbar der ersten Netzkeule 6 nachfolgende (bzw. vorausgehende) Netzkeule 7 sich mindestens am Schnittpunkt B (bzw. A) der Hauptsendekeule 3 in Fig. 2a mit der Schwelle von X dB befindet.
Weiter unten wird anhand einer detaillierten Anwendung beschrieben, wie alle diese Bedingungen hinsichtlich der Netzfunktion eine vollständige Definition des lückenhaften Empfangsnetzes erlauben.
Figur 3a zeigt die Strahlbildung durch Berechnung, wie sie beim Empfang gemäß der Erfindung durchgeführt wird.
Es sei daran erinnert, daß die Technik der Strahlbildung darin besteht, eine lineare Filterung der von den Sonden des Netzes empfangenen Signale durchzuführen, um die aus bestimmten Richtungen ek kommenden Signale in Phase zu bringen. Die Phasenverschiebung zwischen dem elektrischen Feld Ei, das von einer Sonde i empfangen wird, und dem Feld E&sub0; einer als Bezugssonde gewählten Sonde 0 ergibt sich wie folgt: iψ = i2πd(sinθk)/λ
Um diese Phasenverschiebung in einer fixen Richtung θk zu kompensieren, muß man das elektrische Feld Ei mit einem Koeffizienten αik = exp[-j2πid(sinθk)/λ] multiplizieren, sodaß sich Felder E'i = Ei αik ergeben, die in Phase sind, wenn man in die Richtung θk blickt. Das gesamte aus der Richtung θk empfangene Feld ETK ergibt sich dann durch folgende Beziehung:
In Figur 3a zeigt der Verfahrensschritt 9 diese Strahlbildung durch Berechnung nacheinander oder parallel in einer Mehrzahl von winkelmäßigen Richtungen ek, die zur Winkelzone Ω und insbesondere zur beleuchteten Elementarzone gehören.
Der nächste Verfahrensschritt 10 besteht darin, durch Vergleich mit einer gegebenen Schwelle die in den verschiedenen winkelmäßigen Richtungen ek empfangenen Signale ETK zu erfassen. Diese Erfassung ermöglicht es, die Winkelposition der verschiedenen erfaßten Fahrzeuge abzuleiten.
In der Anwendung auf die Kollisionswarnung von Kraftfahrzeugen führt die Kenntnis der Winkelstellungen zur Erarbeitung der Bewertungskriterien der Gefahr.
Eine mögliche Verbesserung des oben beschriebenen Verfahrens erlaubt es, die winkelmäßige Ortung noch zu verfeinern.
Man betrachte das elektrische Feld Ei, das aus einer Richtung θ durch eine beliebige Sonde i empfangen wurde. Dieses Feld Ei läßt sich einfach abhängig von dem Feld E&sub0; einer als Bezugssonde genommenen Sonde O durch die folgende Beziehung ausdrücken: Ei = E&sub0; exp[j2id(sinθ)/λ] (1)
Verwendet man die Summe der Ausdrücke einer geometrischen Reihe, dann kann man das gesamte Feld ET, das aus der Richtung θ empfangen wurde, durch die folgende Beziehung ausdrücken: ET = ΣEi = E&sub0;f(ψ') (2)
Hierbei bedeutet ψ = 2πd(sinθ)/λ und f(ψ) ist die Netzfunktion.
Bildet man außerdem die quadratische Summe der elektrischen Felder Ei, dann erhält man folgende Beziehung:
Hierbei gilt: ψ' = 2π(2d)(sinθ)/λ
Vergleicht man die Beziehungen (2) und (3), dann kann man bemerken, daß die Quadrierung zur Folge hat, daß der Netzrasterabstand und damit die Abmessung D des Netzes fiktiv mit 2 multipliziert wird. Die Erfassungsgenauigkeit (oder Winkelgenauigkeit) wird aber durch die 3dB-Breite der Hauptkeule der Netzfunktion gegeben, die umgekehrt proportional zur Abmessung D des Netzes ist. Die Quadrierung hat also eine Verbesserung der Winkelauflösung um einen Faktor 2 zur Folge.
Figur 3b zeigt das erfindungsgemäße Verfahren unter Berücksichtigung dieser Verbesserung. Der erste Verfahrensschritt 9' besteht darin, das elektrische Feld Ei für jede Sonde i des Netzes zu quadrieren, d.h. für alle i im Intervall [0, N-1]. Die nachfolgenden Verfahrensschritte gleichen denen aus Figur 3a mit dem Unterschied, daß der Schritt 10' der Strahlbildung die Summe der Quadrate Ei² gewichtet mit einem Koeffizienten α'ik wie folgt bildet:
α'ik = exp[-j2πi(2d)(sinθ)/λ]
Es ist jedoch in der Praxis günstiger, die Verbesserung durch Quadrierung nach der üblichen Erfassung eines Gegenstands durchzuführen. So kann man eine erste Groberfassung in einem relativ großen Winkelbereich durchführen und nur dann in denjenigen Winkelzonen die Erfassung verfeinern, für die eines oder mehrere Objekte erfaßt wurden.
Der Verfahrensschritt der winkelmäßigen Verfeinerung kann auch nach anderen Methoden erfolgen.
Man kann beispielsweise eine Einzelimpulstechnik anwenden, bei der ein Vergleich der in zwei benachbarten Strahlen empfangenen Energie durchgeführt wird. Man kann auch eine winkelmäßige Übertastung gefolgt von einer Berechnung des Schwerpunkts oder einer Suche nach einem Maximum der empfangenen Signale in verschiedenen Winkelrichtungen durchführen. Es ist schließlich auch möglich, die Koeffizienten αik bei der Strahlberechnung im Sinn einer Anpassung festzulegen.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Erfassungssystems für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Anwendung auf das spezifische Problem der Kollisionsverhinderung für Kraftfahrzeuge.
In dieser konkreten Anwendung geht man davon aus, daß die von jedem Fahrzeug zu überwachende Winkelzone einen Winkel Ω von etwa 160 hat, wie dies durch den Bogen 11 angedeutet ist. Dieser Zahlenwert stammt von der Vorgabe, daß die Analyse eines Raums vor dem Fahrzeug mit einer Länge zwischen etwa 35 m (typisch jenseits der Blindzone des Radargeräts) und 200 m und einer Breite entsprechend drei Fahrspuren, d.h. etwa 10 m erfolgen soll.
Erfindungsgemäß enthält das Erfassungssystem 12 eine Sendevorrichtung 13, bestehende aus mehreren Sendeantennen 14 (im vorliegenden Beispiel aus vier Sendeantennen), die durch einen Hochfrequenzsender 15 gespeist werden. Die Sendeantennen 14 haben ein gleiches oder unterschiedliches Sendediagramm, wobei hier nur die Breite innerhalb der 3db- Grenze der Hauptkeule dargestellt ist. Gemäß dem erfindungs gemäßen Verfahren überdecken die verschiedenen Hauptkeulen Elementarzonen, z.B. von je 4º, in die die Winkelzone Ω aufgeteilt ist.
Ein Beispiel eines Sendediagramms ist in Figur 5 angegeben. Man erkennt wieder die Breite 16 der Hauptkeule innerhalb der 3dB-Breite, die einen Sektor [-2º, +2º) überdeckt. Die Sekundärkeulen 16' liegen unter einer Schwelle, beispielsweise -23dB. In Figur 5 liegt die Hauptkeule im Intervall [-6º, +6º] und der Nutzbereich im Intervall [-2º, +2º].
Um nacheinander die verschiedenen Elementarzonen zu beleuchten, werden die Antennen 14 gemäß Figur 4 in Senderichtung durch Steuermittel kontrolliert, beispielsweise eine Folgeschaltung 17, die die Weiterschaltung eines Schalters 18 mit mehreren Stellungen einer Hochfrequenz-Schalt vorrichtung 19 steuert.
Das Erfassungssystem 12 enthält weiter eine Empfangsvorrichtung, bestehend aus einem Empfänger 21, der an ein lückenhaftes Empfangsnetz 22 angeschlossen ist. Im Beispiel der Figur 4 ist das Empfangsnetz 22 so dimensioniert, daß sich eine globale Winkelauflösung α> 2º mit einem Sendediagramm gemäß dem aus Figur 5 ergibt. Die Länge D des Netzes ergibt sich aus der folgenden Näherungsformel: 70λ/D = α. Diese Formel ist nur unter der nicht beschränkenden Hypothese verwendbar, daß man das Netz einer kosinus-förmigen Amplitudengewichtung unterwirft, mit der der Pegel der Sekundärkeulen abgesenkt werden kann.
Außerdem muß gemäß Figur 5 die Periodizität θR des Netzes etwa 8º betragen, woraus sich der Netzrasterabstand d durch folgende Formel ergibt: θR = Arcsin(λ/d), also d 7,18λ.
Die Anzahl N von Sonden 22' des Netzes ergibt sich dann durch die folgende Beziehung: D = d(N-1), also N = 6 in unserem Beispiel.
So kann aus den erfindungsgemäß gegebenen Bedingungen das lückenhafte Empfangsnetz 22 vollständig bestimmt werden.
Figur 6 zeigt im Einzelnen ein mögliches Ausführungsbeispiel des Empfängers in Figur 4. Dieser Empfänger 21 enthält, wie nachfolgend im einzelnen erläutert wird, Mittel 210, 211 und 212 zur Strahlbildung durch Berechnung sowie Mittel 214 zur Erfassung der aus den verschiedenen Richtungen θK empfangenen Echos.
Die sechs von den sechs Sonden 22' des lückenhaften Netzes empfangenen Signale E&sub0; bis E&sub5; werden mithilfe von Multiplikationsmoduln 210 mit Koeffizienten αik multipliziert, wie sie oben definiert wurden und beispielsweise aus einem Speicher 211 stammen. Die Ausgänge der sechs Multiplikationsmoduln 210 werden dann in einem Summiermodul 212 addiert, der somit das aus der Richtung ek empfangene Gesamtfeld E berechnet. Die Summe kann vorzugsweise in einem Integrator integriert werden, um das Signal/Rauschverhältnis zu verbessern. Nach der Integration führt ein Detektor 214 eine lineare oder quadratische Erfassung und dann einen Vergleich mit einer vorgegebenen Schwelle durch, woraus das Vorhandensein von Objekten in einer oder mehreren Elementarzonen abgeleitet werden kann. Wenn eine Erfassung erfolgt ist, kann der Detektor 214 an einen Verfeinerungsmodul 215 einen Befehl zur Verfeinerung sowie die Daten (Winkel und Distanzen) betreffend die genauer zu untersuchenden Regionen übermitteln. Dies erlaubt es, vor dem Detektor 214 nur ein grobe Strahlbildung und Erfassung durchzuführen, sodaß Rechenzeit eingespart wird. Der Verfeinerungsmodul 215 verwendet dann einen Algorithmus zur Verbesserung der winkelmäßigen Ortung, wie z.B. eine Quadrierung, eine Einzelimpuls-Abstandsmessung, eine winkelmäßige Übertastung oder eine adaptative Strahlbildung ausgehend von den empfangenen Signalen E&sub0; bis E&sub5;. Der Speicher 211, der Detektor 214 und der Verfeinerungsmodul 215 werden über eine Synchronisationsschaltung 216 synchronisiert. Am Ausgang des Moduls 215 verfügt man mit großer Genauigkeit über die winkelmäßige und entfernungsmäßige Lage der erfaßten Objekte. Diese Informa tionen können für die Entscheidung verwertet werden, ob der Fahrer durch beliebige Mittel gemäß vorgegebenen Gefahrenkriterien auf eine eventuelle Kollisionsgefahr hingewiesen werden soll.
Die Figuren 7 und 8 zeigen die durch Simulation des Produkts aus der Sendefunktion mit der globalen Empfangsfunktion des anhand von Figur 4 beschriebenen Systems erhaltenen Ergebnisse für eine Ausrichtung des Systems gemäß der Längsachse des damit ausgerüsteten Fahrzeugs und für eine um +2º bezüglich dieser Achse versetzte Ausrichtung, wenn die Sendeantenne eine Zone von -2º bis +2º beleuchtet. Diese Simulationen erlauben die Feststellung, daß die Dimensionierung der Sende- und Empfangsantennen wirklich die erwarteten Eigenschaften ergibt, nämlich
- eine Breite der Hauptkeule 23 kleiner als 2º,
- sehr niedrige Werte der Sekundärkeulen 24 (< - 20dB),
- Netzkeulen 25 um mindestens -20dB kleiner als die Hauptkeule 23.
Die Ergebnisse können natürlich auf jede der Richtungen transponiert werden, in die die Sendeantenne schwenkbar sind.
Man kann noch bessere Ergebnisse durch Optimierung des Sendediagramms erzielen, sodaß eine maximale Reichweite in der Achse des Fahrzeugs und dafür eine auf das unmittelbar Notwendige beschränkte Reichweite in seitlicher Richtung erhalten wird. Eine einfache Vorgehensweise besteht darin, die Verteilung der Sendeleistung zu verbessern, indem nicht mehr identische Sendeantennen wie im Fall der Figur 4, sondern zwei zentrale Antennen mit einer geringeren Breite an der 3dB-Grenze als die beiden seitlichen Antennen verwendet werden.
Man kann beispielsweise zentrale Antennen mit einem Öffnungswinkel von 3º und seitliche Antenne mit einem Öffnungswinkel von 5º wählen, um die gesamte Winkelzone von 16º mit einer im wesentlichen konstanten Leistung abzudecken.
Das das erfindungsgemäße Verfahren nutzende System wurde anhand des besonderen Anwendungsfalls der Anti-Kollisionssystem für Kraftfahrzeuge beschrieben. Natürlich läßt sich aber die Erfindung leicht auch auf anderen Gebieten einsetzen, beispielsweise
- bei der Vermeidung von Hindernissen für Hubschrauber,
- als Landehilfe für Flugzeuge,
- zur Überwachung des Straßen-, Luft- oder Schienenverkehrs.
In dieser letztgenannten Anwendung muß dann ein Radargerät, das beispielsweise auf einem Mast am Straßenrand montiert ist, mit einem erfindungsgemäßen Erfassungssystem ausgerüstet werden, um die Verkehrsdichte zu messen oder eventuelle Unfälle aufzunehmen.
Das erfindungsgemäße System, das insbesondere aus den oben angegebenen Gründen für Millimeterwellen interessant ist, hat allgemeiner betrachtet immer dann Bedeutung, wenn die Gesamtkosten des Radarsystems durch Minimierung der Gesamtzahl der Empfänger gesenkt werden.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung eines oder mehrerer in einer gegebenen Winkelzone vorhandener Objekte mittels elektromagnetischer Wellen, das darin besteht, sendeseitig nacheinander mehrere Elementarzonen des Winkelbereichs gemäß mindestens einem Sendediagramm mit einer Hauptkeule (3) zu beleuchten, die als die oberhalb einer Schwelle liegende Zone des Sendediagramms definiert ist, wobei diese Schwelle größer oder gleich dem Maximum der Sekundärkeulen (4) des Diagramms festgelegt ist und wobei die Elementarzonen die Winkelzone untereinander aufteilen, dann Echosignale in einem aus mehreren Sonden (22') gebildeten lückenhaften Netz (22) zu empfangen, das eine solche Netzfunktion besitzt, daß für jede beleuchtete Elementarzone eine erste Keule (6) dieser Netzfunktion in der Hauptkeule des Sendediagramms enthalten ist, während die anderen Keulen (7, 8) außerhalb der Hauptkeule liegen, und dann die empfangenen Echos zu erfassen (10) und die winkelmäßige Stellung der erfaßten Objekte daraus abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussendung so erfolgt, daß die Hauptkeule (3), die jede Elementarzone beleuchtet, einen Nutzbereich (A'B'; A"B") entsprechend einer Zone der Nichtüberdeckung der Hauptsendekeulen (3') für aufeinanderfolgende Elementarzonen umfaßt, wobei die erste Keule (6) der Netzfunktion im Nutzbereich enthalten ist, daß der Abstand (d) der Sonden des lückenhaften Empfangsnetzes so festgelegt ist, daß die Periodizität (θR) des Netzes mindestens gleich dem Winkelabstand zwischen einer Grenze (B) der Hauptsendekeule (3) und der gegenüberliegenden Grenze (A', A") des Nutzbereichs der Hauptkeule ist, daß für jede beleuchtete Elementarzone der Empfang in mehreren winkelmäßigen Richtungen ek erfolgt, die zur Elementarzone durch Strahlbildung mittels Berechnung gehören, wobei die für jede winkelmäßige Richtung gebildeten Strahlen der Netzfunktion entsprechen, und daß der Verfahrensschritt der Erfassung (10) durch Vergleich mit einer gegebenen Schwelle erfolgt

2. Erfassungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem ein Verfahrensschritt der winkelmäßigen Verfeinerung vorgesehen ist, wenn in mindestens einer winkelmäßigen Richtung eK ein Objekt erfaßt worden ist.

3. Erfassungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der winkelmäßigen Verfeinerung darin besteht,

-die von jeder Sonde i (22') des Netzes (22) in einer Richtung θK empfangenen elektrischen Felder Ei zu quadrieren (9'),

- die Summe (10') der Quadrate der elektrischen Felder, gewichtet mit einem Koeffizienten

α'ik = exp[-j2πi(2d)(sinθ)/λ], zu bilden, wobei λ die Sendewellenlänge und d der Abstand zwischen Sonden ist,

- durch Vergleich mit einer gegebenen Schwelle das Vorliegen von aus der Richtung θK empfangenen Echos zu erfassen.

4. Erfassungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der winkelmäßigen Verfeinerung darin besteht, die Strahlbildung durch Berechnung (9) adaptativ durchzuführen.

5. Erfassungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der winkelmäßigen Verfeinerung darin besteht, die Maxima der empfangenen und erfaßten Echos in den verschiedenen winkelmäßigen Richtungen θK zu suchen.

6. Erfassungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der winkelmäßigen Verfeinerung darin besteht, eine Einzelimpulstechnik zu verwenden und einen Vergleich der in zwei benachbarten Strahlen empfangenen Energiewerte vorzunehmen.

75 Erfassungssystern mittels elektromagnetischer Wellen zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es enthält:

- mehrere Sendeantennen (14), deren Sendebetrieb durch Steuermittel (17, 18, 19) kontrolliert wird, die die Antennen nacheinander die Elementarzonen beleuchten lassen.

- eine Empfangsvorrichtung bestehend aus dem lückenhaften Empfangsnetz (22) mit den mehreren Sonden (22') und aus einem an die Sonden des Netzes angeschlossenen Empfänger (21), der Mittel (210, 211, 212) zur Strahlbildung durch Berechnung und Detektormittel (214) zur Erfassung der aus den verschiedenen winkelmäßigen Richtungen eK empfangenen Echos aufweist.

8. Erfassungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (17, 18, 19) von einer Folgeschaltung (17) gebildet werden, die einen Schalter (18) mit mehreren Stellungen einer Schaltvorrichtung (19) steuert.

9. Erfassungssystem nach einem beliebigen der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (210, 211, 212) für die Strahlbildung durch Berechnung in einer Richtung eK aufweisen:

- einen Speicher (211), der Koeffizienten

αik = exp[-j2πid(sinθk)/λ] liefert,

- eine Anzahl von Multiplikationsmoduln (210) entsprechend der Anzahl von Sonden (22') des Netzes, wobei jeder Multiplikationsmodul die Multiplikation des von der Sonde i empfangenen elektrischen Felds Ei mit dem entsprechenden Koeffizienten αiK durchführt,

- einen Summiermodul (212), der die Addition der Ausgänge der Multiplikationsmoduln durchführt.

10. Erfassungssystem nach einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel (214) einen linearen oder quadratischen Detektor enthalten, der die Erfassung durch Vergleich des Ausgangs der Strahlbildungsmittel mit einer gegebenen Schwelle durchführt, wobei alle diese Mittel durch eine Synchronisationsschaltung (216) synchronisiert sind.

11. Erfassungssystem nach einem beliebigen der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem einen Verfeinerungsmodul (215) enthält, der von den Detektormitteln (214) im Fall einer Erfassung eines Objekts gesteuert wird und von diesen Detektormitteln Daten bezüg lich der genauer zu untersuchenden Regionen empfängt.

12. Anwendung des Erfassungssystems nach den Ansprüchen 7 bis 11 auf ein Anti-Kollisionssystem für Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Fahrzeug mit einem Erfassungssystem für den Betrieb im Millimeterwellenlängen bereich zur Analyse eines vor dem Fahrzeug liegenden Raums ausgerüstet ist.

13. Anwendung des Erfassungssysterns nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß für einen zu analysierenden Raum entsprechend einer Winkelzone von etwa 16º das Erfassungssystem sendeseitig aus vier Sendeantennen (14), deren Sendediagramme die Winkelzone untereinander aufteilen, und empfangsseitig aus sechs Sonden (22') besteht.

14. Anwendung des Erfassungssystems nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß unter den vier Sendeantennen (14) die beiden zentralen Antennen eine geringere Breite an der 3dB-Grenze als die beiden seitlichen Antennen aufweisen.

15. Anwendung des Erfassungssystems nach den Ansprüchen 7 bis 11 auf die Straßenverkehrsüberwachung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Radargerät am Rand der Straße mit dem Erfassungssystem versehen ist, um die Dichte des Straßenverkehrs zu messen und eventuelle Unfälle zu erfassen.