EP1481260A1 - PULSRADARVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM ERFASSEN, ZUM DETEKTIEREN UND/ODER ZUM AUSWERTEN VON MINDESTENS EINEM OBJEKT - Google Patents

PULSRADARVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM ERFASSEN, ZUM DETEKTIEREN UND/ODER ZUM AUSWERTEN VON MINDESTENS EINEM OBJEKT

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EP1481260A1
EP1481260A1 EP02794986A EP02794986A EP1481260A1 EP 1481260 A1 EP1481260 A1 EP 1481260A1 EP 02794986 A EP02794986 A EP 02794986A EP 02794986 A EP02794986 A EP 02794986A EP 1481260 A1 EP1481260 A1 EP 1481260A1
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unit
signals
pulse switch
pulse
switch unit
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EP02794986A
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Robert Bosch GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a pulse radar device for detecting, detecting and / or evaluating at least one object, having [a] at least one oscillator unit, in particular microwave
  • Oscillator unit for generating oscillator signals
  • At least one transmit pulse switch unit to which the oscillator signals are applied for generating pulse-modulated ones
  • nr.at least one transmission antenna unit connected downstream of the transmission pulse switch unit for radiating the high-frequency signals generated by the transmission pulse switch unit;
  • At least one clock generator unit in particular N [low] F [requenz] clock generator unit, for generating clock signals with which both the transmit pulse switch unit and the receive pulse switch unit can be acted on; and [e] at least one pulse delay unit connected between the clock generator unit and the reception pulse switch unit for delaying the clock signal defined with respect to the clock signals with which the transmission pulse switch unit is actuated, with which the reception pulse switch unit is actuated.
  • the present invention further relates to a method for detecting, detecting and / or evaluating at least one object, in which method
  • Oscillator signals are generated by means of at least one oscillator unit, in particular a microwave oscillator unit; pulse-modulated high-frequency signals are generated by means of at least one transmit pulse switch unit to which the oscillator signals are applied; the radio-frequency signals generated by the transmission pulse switch unit are emitted by means of at least one transmission antenna unit connected downstream of the transmission pulse switch unit; the signals reflected on the object by means of at least one catch antenna unit can be received; the signals received by the receiving antenna unit, with which the first input connection of at least one l [nphase] / Q [uadratur] mixing unit connected downstream of the receiving antenna unit can be acted upon, with the oscillator signals with which the second input connection of the respective I / Q mixing unit can be acted on, can be mixed using the respective I / Q mixing unit; Clock signals with which both the transmit pulse switch unit and at least one receive pulse switch unit downstream of the receive antenna unit can be acted upon are generated by means of at least one clock generator unit, in particular N [low] F [reque
  • an object detection system with a microwave radar sensor is known, by means of which the detection of objects in front of a vehicle, in particular also at a greater distance, is made possible.
  • This radar sensor contributes to one Vehicle safety system in which information about the distance and the relative speed of the vehicle to the preceding vehicles is continuously processed in a predetermined angular range.
  • Document DE 44 42 189 A1 discloses that in a system for measuring distance in the vicinity of motor vehicles, sensors with transmitter units and with receiver units are used at the same time for transmitting and receiving information. With the aid of the distance measurement, passive protective measures for the motor vehicle, for example in the event of a front, side or rear impact, can be activated here. With an exchange of the recorded information, for example, an assessment of traffic situations can be carried out to activate corresponding triggering systems.
  • an object detection system in which an optical transmitter for a light beam with a variable transmission angle and an angle-resolving optical receiver are provided.
  • the emitted light beam is modulated here in such a way that the position of the object within the angular range of the emitted light beam can also be determined up to a certain distance from the phase difference between the transmitted light beam and the received light beam.
  • Document DE 196 22 777 A1 discloses a sensor system for automatically determining the relative position between two objects.
  • This conventional sensor system consists of a combination of an angle-independent sensor and an angle-dependent sensor.
  • the sensor which does not resolve the angle and is therefore independent of the angle, is designed as a sensor which measures the distance to one via a transit time measurement
  • the angle-dependent sensor consists of a geometric arrangement of optoelectronic transmitters and receivers, which are arranged in the form of light barriers.
  • the sensors, which both cover a common detection area, are arranged in close spatial proximity.
  • the distance to the object is determined by means of the angle-independent sensor and the angle to the object by means of the angle-resolving sensor.
  • the relative position to the object is known on the basis of the distance and the angle to the object.
  • the use of two sensors is proposed, which together determine the angle to the object according to the triangulation principle.
  • a method and a device for object detection with at least two distance-resolving sensors attached to a motor vehicle are known, the detection areas of which overlap at least partially.
  • Means are available to determine relative positions of possible detected objects with respect to the sensors in the overlap area according to the triangulation principle; Possible apparent objects that result from the object determination can be determined by dynamic object observations.
  • an object detection system proposed in particular for a motor vehicle, the object detection system more object detectors and / or operating means of which different detection ranges and / or de- be tektions Suitee detected.
  • an object detector can be a radar sensor which, in a first operating mode, has a relatively large detection range with a relatively small angle detection range and in a second operating mode has a relatively short detection range with an enlarged angle detection range.
  • a distance measurement can be carried out with a so-called pulse radar, in which a carrier pulse with a rectangular envelope of an electromagnetic oscillation in the gigahertz range is emitted.
  • This carrier pulse is reflected on the target object, and from the time period between the emission of the pulse and the arrival of the reflected radiation, the target distance and, with restrictions, the relative speed of the target object can be determined using the Doppler effect.
  • a measuring principle is described, for example, in the specialist book by Albrecht Ludloff, "Handbook Radar and Radar Signal Processing", pages 2-21 to 2-44, Vieweg-Verlag, 1993.
  • a large number of radar sensors for the individual conflict situations in the vicinity of the motor vehicle are generally required for the safe control of the occupant protection systems mentioned at the beginning in a motor vehicle;
  • early collision detection is necessary in order to enable premature detection of an object which poses a danger to the vehicle occupants in the event of a collision.
  • This should make it possible to activate protective systems such as airbags, belt tensioners or sidebags in good time in order to achieve the greatest possible protective effect.
  • the detection or monitoring of the traffic situation can also be useful for a large number of other applications.
  • so-called universal sensors can be operated together using a specially adapted bus system and interconnected with an evaluation unit, but for performance reasons it is often not possible to optimally process all distance ranges within a short range in a relatively short evaluation time for safe functioning.
  • the surrounding area of the motor vehicle is detected in one or more reception branches using a transmission signal from a pulse radar sensor such that different distance areas are evaluated in parallel and / or sequentially; nevertheless, neither the device nor the method according to the document DE 199 63 005 A1 is able to also provide corresponding angle information with regard to the object to be detected.
  • the teaching according to the present invention is therefore based on the conventional radar concept and on the conventional level of development, which permits the distance measurement of the targets to be detected and sensed by means of 24 gigahertz short-range radar technology, and not only supplements them with further reception channels or paths, but to implement a sensor group around at least one (receiving) group antenna.
  • This at least one group antenna enables digital signal processing methods
  • the directional effect of the same can be continuously adapted to the current properties of the transmission channel; in this context, one also speaks of an adaptive antenna system or of an intelligent antenna (so-called “smart antenna”).
  • the adaptation is carried out by algorithms which determine the best possible set of weighting factors on the basis of the received signal values.
  • the present invention relates to the use of at least one pulse radar device of the type set out above and / or a method according to the type set out above in the field of vehicle surroundings sensor technology, for example for measuring and for determining the angular position of at least one object, such as that is also relevant in the context of a pre-crash detection in a motor vehicle.
  • a sensor system determines whether there is a possible collision with the detected object, for example with another
  • Angle detection or a Stop & Go system as an extension to an existing device for automatic control of the driving speed such as an A [daptive-] C [ruise-] C [ontrol] system.
  • FIGS. 1 to 3 Further refinements, features and advantages of the present invention are explained in more detail below with reference to the three exemplary embodiments illustrated by FIGS. 1 to 3.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of the pulse radar device according to the present invention.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a second exemplary embodiment of the pulse radar device according to the present invention.
  • Fig. 3 is a schematic representation of a third embodiment of the pulse radar device according to the present invention.
  • FIGS. 1 to 3 Identical or similar configurations, elements or features are provided with identical reference numerals in FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the pulse radar device 100, in which oscillator signals in the form of pulses are used by means of a microwave oscillator unit 20 (so-called “24 GHz microwave front end” corresponding to a period of approximately 41.67 picoseconds or a wavelength of approximately 12.5 millimeters) a pulse duration of approximately four hundred picoseconds (corresponding to a frequency of approximately 2.5 gigahertz or a wavelength of approximately twelve centimeters) and amplitude-modulated on a 24.125 gigahertz carrier.
  • a microwave oscillator unit 20 so-called “24 GHz microwave front end” corresponding to a period of approximately 41.67 picoseconds or a wavelength of approximately 12.5 millimeters
  • a pulse duration of approximately four hundred picoseconds (corresponding to a frequency of approximately 2.5 gigahertz or a wavelength of approximately twelve centimeters) and amplitude-modulated on a 24.125 gigahertz carrier.
  • a pulse therefore contains about ten wave trains of the 24 GHz carrier
  • Step recovery diodes are used to generate the short pulses.
  • the pulses on the transmission side control a transmission pulse switch unit 12 in the form of a microwave switch, with which the carrier is amplitude-modulated (so-called “on-off-keying").
  • the pulse repetition frequency is about five megahertz, which is one
  • the transmission pulses shaped in this way are passed to a transmission amplifier unit 14 in the form of an amplifier transistor and then to a transmission antenna element 16, by means of which the transmission pulse switch Unit 12 generated high-frequency signals are emitted and which provides a broad antenna pattern (so-called "antenna pattern") for the purpose of a large range of angular coverage.
  • the pulses reflected by the target objects are then collected by a receiving antenna unit 30, which is separate because of the ease of decoupling, and fed to a receiving amplifier.
  • a receiving antenna unit 30 in the form of a group antenna with four antenna elements 32, 34, 36, 38 is shown as an example in FIG. 1 (however, two, three, five or more antenna elements can also be provided).
  • each antenna element 32, 34, 36, 38 there is, according to the invention, a separate receiver channel or path, each having a receive amplifier 42, 44, 46, 48 in the form of a so-called L [ow-] N [oise-] A [mplifier] , for example each having one or two R [adio] F [requenz] transistor units,
  • Baseband amplifier and with impedance conversion for example each having an N [low] F [requenz] transistor unit with associated filter, and
  • the respective L [okal-] O [scillator] gate of all I / Q mixers 62, 64, 66, 68 is now pulsed by means of a power divider 18 that works as symmetrically as possible, by means of a pulse delay unit 24 adjustable time delayed sweeping L [okal-] O [szillator] signals of the same amplitude and with the same time profile are driven and fed. These LO pulses are generated in exactly the same way as the pulses on the transmission side.
  • the signal energy of the baseband signals of the received pulses at the output connection of the I / Q mixers 62, 64, 66, 68 becomes maximum (so-called "local maximum”); in other words, this means that the received pulses are a matched
  • this matched filter performs a temporal windowing on the reception side, it also filters out unwanted noise and thus optimizes the signal-to-noise power ratio behind the I / Q mixers 62, 64, 66, 68.
  • the time delay which is proportional to the distance of the target object, is only slowly varied between zero and about two hundred nanoseconds compared to the pulse repetition frequency of five megahertz provided by the microwave oscillator unit 20, namely by means of at least one variation oscillator unit 26 assigned to the pulse delay unit 24 a frequency of approximately one hundred Hertz (corresponding to a period of approximately ten milliseconds) and preferably sawtooth-shaped;
  • the matched filter represents a time domain window that is generated by means of the sawtooth signal
  • Variation oscillator unit 26 is pushed across the width of the distances of the target object.
  • the matched filter or "target window” lies for more than one pulse above a target and that the signal energies of several pulses belonging to a target are obtained by a subsequent, by means of the low-pass filter units 72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b low pass filtering (on) are integrated, which improves the signal-to-noise power ratio and thus significantly increases the probability of exact target detection; Furthermore, by means of the low-pass filters 72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b, the bandwidth of the received analog signals is compared to the broadband
  • Components of the baseband signal and for the Q [uadratur] components of the baseband signal limit the target range resolution that can still be derived after the respective low-pass filter 72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b and will therefore be approximately one hundred times one hundred Hertz ,
  • a relatively low sampling rate namely approximately twenty kilohertz to approximately forty kilohertz, is the A [nalog] / D [igital] converter 82a, 82b, 84a, 84b, 86a, 86b, 88a, 88b that samples the baseband signals sufficient for further digital signal processing and evaluation in a microprocessor 90.
  • the cut-off frequency of the low-pass filters 72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b also limits the maximum Doppler frequency of the baseband pulses that occurs with target objects moving radially to the radar and thus the maximum radial relative speed of detectable target objects.
  • a / D filters which are connected downstream of the low-pass filter units 72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b and operate at least essentially in parallel.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the pulse radar device 100, which is a variant of the first exemplary embodiment
  • Figure 1 illustrates; for this reason, only the differences from the first exemplary embodiment are set out below to avoid unnecessary repetitions.
  • the pulse switches 52, 54, 56, 58 on the receiving side are the I / Q mixers 62, 64, 66, 68 in the R [adio] F [requenz] instead of in the L [okal-] O [szillator] branch.
  • Receiving branch 50 namely after the respective antenna elements 32, 34, 36, 38 and after the respective receiving amplifiers 42, 44, 46, 48 and in front of the respective I / Q mixers 62, 64, 66, 68.
  • each of the four I / Q mixer 62, 64, 66, 68 directly on its second input connection (and not as in the first embodiment).
  • Example is fed by the oscillator signal of the microwave oscillator unit 20 via the only receive pulse switch unit 52) there.
  • the receive pulse switch units 52, 54, 56, 58 of the four receive channels or paths can be activated selectively or selectively, and in this case — preferably individually in succession in time and — preferably with adjustable time delay using the pulse delay unit 24, What is made possible in FIG. 3 by a multi-unit 28, which can switch through the 5 MHz pulses of the low-frequency clock generator unit 22 to the four different reception channels or paths as desired.
  • the respective output signals from the output connections of the receive pulse switch units 52, 54, .56, 58 are dividered via a H [high] F [requenz] power divider / combiner 60 (so-called "H [igh] F [requency]”) / combiner ”) and brought together on the
  • a prerequisite for the perfect functioning of the circuit technology according to FIG. 3 is that the chronologically successive recording of the individual element signals takes place faster than the signal situation of the sensor field changes.
  • a higher outlay for the A / D converters 82a, 82b, 84a, 84b, 86a, 86b, 88a, 88b and for the digital signal processing 90 is appropriate for this, in order to be higher in comparison to the circuit arrangements according to FIGS. 1 and 2 To achieve scanning rates or higher processing rates.
  • a selective scanning of the received signals of the antenna elements 32, 34, 36, 38 of the receiving group antenna 30 takes place in a manner essential to the invention by means of the selective, preferably individually sequential activation of the received pulse switch units 52, 54, 56, 58 ,
  • Object situation in the sensed field is significantly faster, so that a complex signal vector for digital signal processing in the processor 90 can be reconstructed from the complex-value individual signals forwarded to the processor 90, which can be assigned to the four antenna elements 32, 34, 36, 38.
  • the three exemplary embodiments described above can be changed in particular with regard to the number of their receiving channels or branches and the receiver modules used together or separately, without essentially changing the function according to the present invention.
  • a combination of parallel and sequential evaluation of the different distance and / or angular ranges that deviates from the three exemplary embodiments shown is also possible. Furthermore, even when evaluating the information from the different distance ranges, it may not be necessary to query all of the distance information in order to save measurement time because of the drop in performance with the fourth power of the distance; however, the distance information should be checked continuously until the first relevant change.

Abstract

Um eine Pulsradarvorrichtung 100 sowie ein Verfahren zum Erfassen, zum Detektieren und/oder zum Auswerten von mindestens einem Objekt so weiterzuentwickeln, dass nicht nur Informationen hinsichtlich der Entfernung, sondern auch hinsichtlich der Winkellage des zu detektierenden Objekts erhalten werden, wird vorgeschlagen, dass die Empfangsantenneneinheit 30 der Pulsradarvorrichtung 100 als mindestens eine mindestens zwei Antennenelemente 32, 34, 36, 38 aufweisende Gruppenantenne ausgebildet ist und zum Empfangen der am Objekt reflektierten Signale als vektorielle Signale ausgelegt ist und dass dem Empfangszweig 50 der Pulsradarvorrichtung 100 mindestens eine Empfangsschaltung 70, insbesondere N[iedrig]F[requenz]-Empfangsschaltung, zum Auswerten und zum Weiterverarbeiten der empfangenen vektoriellen Signale nachgeschaltet ist, so dass auch die Winkellage des mindestens einen Objekts messbar sowie bestimmbar ist.

Description

Pulsradarvorrichtung und Verfahren zum Erfassen, zum Detektieren und/oder zum Auswerten von mindestens einem Objekt
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pulsradarvorrichtung zum Erfassen, zum Detektieren und/oder zum Auswerten von mindestens einem Objekt, aufweisend [a] mindestens eine Oszillatoreinheit, insbesondere Mikrowellen-
Oszillatoreinheit, zum Erzeugen von Oszillatorsignalen;
[b] mindestens einen der Oszillatoreinheit nachgeschalteten Sendezweig mit
[b.1] mindestens einer mit den Oszillatorsignalen beaufschlagbaren Sendepulsschaltereinheit zum Erzeugen von pulsmodulierten
Hochfrequenzsignalen und
[b.2] nr.indestens einer der Sendepulsschaltereinheit nachgeschalteten Sendeantenneneinheit zum Abstrahlen der von der Sendepulsschaltereinheit erzeugten Hochfrequenzsignale; [c] mindestens einen der Oszillatoreinheit nachgeschalteten Empfangszweig, insbesondere R[adio]F[requenz]-Empfangszweig, mit
[c.1] mindestens einer Empfangsantenneneinheit zum Empfangen der am Objekt reflektierten Signale, [c.2] mindestens einer der Empfangsantenneneinheit nachgeschalteten
Empfangspulsschaltereinheit und [c.3] mindestens einer der Empfangsantenneneinheit nachgeschalteten I[nphase]/Q[uadratur]-Mischeinheit zum Mischen
[c.3.1] der von der Empfangsantenneneinheit empfangenen Signale, mit denen der erste Eingangsanschluß der I/Q-Mischeinheit beaufschlagbar ist, [c.3.2] mit den Oszillatorsignalen, mit denen der zweite Eingangsanschluß der jeweiligen I/Q-Mischeinheit beaufschlagbar ist:
[d] mindestens eine Taktgeneratoreinheit, insbesondere N[iedrig- ]F[requenz]-Taktgeneratoreinheit, zum Erzeugen von Taktsignalen, mit denen sowohl die Sendepulsschaltereinheit als auch die Empfangspulsschaltereinheit beaufschlagbar ist; und [e] mindestens eine zwischen die Taktgeneratoreinheit und die Empfangspulsschaltereinheit geschaltete Pulsverzögerungseinheit zum gegenüber den Taktsignalen, mit denen die Sendepulsschaltereinheit angesteuert wird, definierten zeitlichen Verzögern der Taktsi- g:ιale, mit denen die Empfangspulsschaltereinheit angesteuert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zum Erfassen, zum Detektieren und/oder zum Auswerten von mindestens einem Objekt, bei welchem Verfahren
Oszillatorsignale mittels mindestens einer Oszillatoreinheit, insbe- sondere Mikrowellen-Oszillatoreinheit, erzeugt werden; pulsmodulierte Hochfrequenzsignale mittels mindestens einer mit den Oszillatorsignalen beaufschlagten Sendepulsschaltereinheit erzeugt werden; die von der Sendepulsschaltereinheit erzeugten Hochfrequenzsi- gnale mittels mindestens einer der Sendepulsschaltereinheit nachgeschalteten Sendeantenneneinheit abgestrahlt werden; die am Objekt reflektierten Signale mittels mindestens einer Emp- fangsantenneneinheit empfangen werden; die von der Empfangsantenneneinheit empfangenen Signale, mit denen der erste Eingangsanschluß mindestens einer der Empfangsantenneneinheit nachgeschalteten l[nphase]/Q[uadratur]- Mischeinheit beaufschlagbar ist, mit den Oszillatorsignalen, mit denen der zweite Eingangsanschluß der jeweiligen I/Q-Mischeinheit beaufschlagbar ist, mittels der jeweiligen I/Q-Mischeinheit gemischt werden; Taktsignale, mit denen sowohl die Sendepulsschaltereinheit als auch mindestens eine der Empfangsantenneneinheit nachgeschaltete Empfangspulsschaltereinheit beaufschlagbar ist, mittels mindestens einer Taktgeneratoreinheit, insbesondere N[iedrig- ]F[requenz]-Taktgeneratoreinheit, erzeugt werden; und die Taktsignale, mit denen die Empfangspulsschaltereinheit ange- steuert wird, gegenüber den Taktsignalen, mit denen die Sendepulsschaltereinheit angesteuert wird, mittels mindestens einer zwischen der Taktgeneratoreinheit und der Empfangspulsschaltereinheit zwischengeschalteten Pulsverzögerungseinheit definiert zeitlich verzögert werden.
Stand der Technik
Eine Sensierung des Umfelds eines Fortbewegungsmittels, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, kann grundsätzlich mittels LIDAR (= Light Detecting
And Ranging), mittels RADAR (= RAdio Detecting And Ranging), mittels Video oder auch mittels Ultraschall erfolgen.
So ist aus der Druckschrift DE 42 42 700 A1 ein Objektdetektionssystem mit Mikrowellen-Radarsensor bekannt, durch den die Erfassung von insbesondere auch in einer größeren Distanz vorausfahrenden Objekten an einem Fahrzeug ermöglicht wird. Dieser Radarsensor trägt zu einem Fahrzeugsicherheitssystem bei, bei dem ständig Informationen über den Abstand und die Relativgeschwindigkeit des Fahrzeugs zu den vorausfahrenden Fahrzeugen in einem vorgegebenen Winkelbereich verarbeitet werden.
In der Druckschrift DE 44 42 189 A1 ist offenbart, daß bei einem System zur Abstandsmessung im Umgebungsbereich von Kraftfahrzeugen Sensoren mit Sendeeinheiten und mit Empfangseinheiten zugleich zum Senden und zum Empfangen von Informationen eingesetzt werden. Unter Zuhilfe- nähme der Abstandsmessung können hier passive Schutzmaßnahmen für das Kraftfahrzeug, beispielsweise bei einem Front-, Seiten- oder Heckaufprall, aktiviert werden. Mit einem Austausch der erfaßten Informationen kann zum Beispiel eine Beurteilung von Verkehrssituationen zur Aktivierung entsprechender Auslösesysteme durchgeführt werden.
Weiterhin ist auch aus der Druckschrift DE 196 16 038 A1 ein Objektde- tektionssystem bekannt, bei dem ein optischer Sender für einen Lichtstrahl mit veränderlichem Sendewinkel und ein winkelauflösender optischer Empfänger vorhanden sind. Der ausgesendete Lichtstrahl wird hier derart moduliert, daß aus der Phasendifferenz des gesendeten Lichtstrahls und des empfangenen Lichtstrahls bis zu einer bestimmten Entfernung auch die Lage des Objekts innerhalb des Winkelbereichs des ausgesendeten Lichtstrahls ermittelbar ist.
In der Druckschrift DE 196 22 777 A1 ist ein Sensorsystem zur automatischen relativen Positionsbestimmung zwischen zwei Objekten offenbart. Dieses konventionelle Sensorsystem besteht aus einer Kombination eines winkelunabhängigen Sensors und eines winkelabhängigen Sensors. Der nicht winkelauflösende und somit winkelunabhängige Sensor ist als ein Sensor ausgeführt, der über eine Laufzeitmessung den Abstand zu einem
Objekt auswertet. Als mögliche Sensoren werden Radar-, Lidar- oder Ultraschallsensoren vorgeschlagen. Der winkelabhängige Sensor besteht aus einer geometrischen Anordnung von optoelektronischen Sendern und Empfängern, die in Form von Lichtschranken angeordnet sind. Die Sensoren, die beide einen gemeinsamen Detektionsbereich abdecken, sind räumlich eng benachbart angeordnet.
Um eine relative Position zum Objekt zu bestimmen, wird mittels des winkelunabhängigen Sensors der Abstand zum Objekt und mittels des winkelauflösenden Sensors der Winkel zum Objekt bestimmt.
Auf Basis des Abstands und des Winkels zum Objekt ist die relative Position zum Objekt bekannt. Als Alternative zur genannten Anordnung von optoelektronischen Sendern und Empfängern wird eine Verwendung von zwei Sensoren vorgeschlagen, die gemeinsam nach dem Triangulationsprinzip den Winkel zum Objekt bestimmen.
Aus der Druckschrift DE 199 49 409 A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Objektdetektierung mit mindestens zwei an einem Kraftfahrzeug angebrachten abstandsauflösenden Sensoren bekannt, deren De- tektionsbereiche sich zumindest teilweise überlappen. Hierbei sind Mittel vorhanden, um relative Positionen möglicher detektierter Objekte bezüglich der Sensoren im Überlappungsbereich nach dem Triangulationsprinzip zu bestimmen; mögliche Scheinobjekte, die durch die Objektbestimmung entstehen, können durch dynamische Objektbeobachtungen ermittelt werden.
In der Druckschrift DE 100 11 263 A1 schließlich ist ein Objektdetektions- system, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, wobei das Objektdetektionssystem mehrere Objektdetektoren und/oder Betriebsmodi aufweist, mit denen unterschiedliche Detektionsreichweiten und/oder De- tektionsbereiche erfaßt werden. Hierbei kann ein Objektdetektor ein Radarsensor sein, der in einem ersten Betriebsmodus eine relativ große Detektionsreichweite bei relativ kleinem Winkelerfassungsbereich und in einem zweiten Betriebsmodus eine relativ dazu geringe Detektionsreich- weite bei vergrößertem Winkelerfassungsbereich aufweist.
Es ist darüber hinaus für sich gesehen allgemein bekannt, daß eine Ab- Standsmessung mit einem sogenannten Pulsradar vorgenommen werden kann, bei dem ein Trägerpuls mit einer rechteckförmigen Umhüllung einer elektromagnetischen Schwingung im Gigahertzbereich ausgesendet wird.
Dieser Trägerpuls wird am Zielobjekt reflektiert, und aus der Zeitspanne zwischen dem Aussenden des Impulses und dem Eintreffen der reflektierten Strahlung kann die Zielentfernung und mit Einschränkungen unter Ausnutzen des Dopplereffekts auch die Relativgeschwindigkeit des Zielobjekts bestimmt werden. Ein solches Meßprinzip ist beispielsweise in dem Fachbuch von Albrecht Ludloff, "Handbuch Radar und Radarsignal- Verarbeitung", Seiten 2-21 bis 2-44, Vieweg-Verlag, 1993 beschrieben.
Für das sichere Ansteuern der eingangs erwähnten Insassenschutzsysteme in einem Kraftfahrzeug werden in der Regel eine Vielzahl von Radarsensoren für die einzelnen Konfliktsituationen im Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs benötigt; beispielsweise ist eine Kollisionsfrüherkennung (sogenannte Pre-Crash-Erkennung) notwendig, um ein vorzeitiges Erfassen eines Objekts zu ermöglichen, das bei einer Kollision eine Gefahr für die Fahrzeuginsassen darstellt. Hierdurch sollte es möglich sein, Schutzsysteme wie Airbag, Gurtstraffer oder Sidebag rechtzeitig zu akti- vieren, um dadurch die größtmögliche Schutzwirkung zu erzielen.
Das Erfassen bzw. Überwachen der Verkehrssituation, insbesondere im Nahbereich des Kraftfahrzeugs, kann darüber hinaus auch für eine Vielzahl weiterer Anwendungen nutzbringend sein. Hierzu zählen Einparkhil- fen, Hilfen zur Überwachung des sogenannten "toten Winkels" sowie eine
Unterstützung des sogenannten "Stop & Go"-Verkehrs, bei dem der Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug ermittelt wird, um automatisch an- halten und anfahren zu können.
Hierbei werden üblicherweise eine Vielzahl von Radarsensoren mit jeweils an die Meßaufgabe angepaßten unterschiedlichen Anforderungen ver- wendet, wobei sich die Anforderungen im wesentlichen in der Reichweite und in der Auswertezeit unterscheiden, denn jede dieser Funktionen weist spezifische Erfassungsbereiche sowie unterschiedliche Meßzykluszeiten auf; zwar lassen sich prinzipiell sogenannte Universalsensoren über ein speziell angepaßtes Bussystem gemeinsam betreiben und mit einer Aus- werteeir heit zusammenschalten, jedoch lassen sich oft aus Leistungsgründen nicht alle Entfernungsbereiche innerhalb eines Nahbereichs in einer für eine sichere Funktionsweise relativ kurzen Auswertezeit optimal abarbeiten.
Aus diesem Grunde wird in der Druckschrift DE 199 63 005 A1 eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erfassen und zum Auswerten von Objekten im Umgebungsbereich eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen.
Hierbei wird gemäß der Druckschrift DE 199 63 005 A1 der Umgebungsbereich des Kraftfahrzeugs unter Ausnutzung eines Sendesignals jeweils eines Pulsradarsensors in einem oder mehreren Empfangszweigen derart erfaßt, daß unterschiedliche Entfernungsbereiche parallel und/oder sequentiell ausgewertet werden; gleichwohl ist weder die Vorrichtung noch das Verfahren gemäß der Druckschrift DE 199 63 005 A1 in der Lage, auch eine entsprechende Winkelinformation hinsichtlich des zu detektie- renden Objekts zu liefern.
Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzuläng- lichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Standes' der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Pulsradarvorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß nicht nur Informationen hin- sichtlich der Entfernung, sondern auch hinsichtlich der Winkellage eines zu detektierenden Objekts erhalten werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Pulsradarvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den im An- spruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Lehre gemäß der vorliegenden Erfindung baut demnach auf dem kon- ventionellen Radarkonzept und auf dem konventionellen Entwicklungsstand, der die Entfernungsmessung der zu detektierenden und zu sensie- renden Ziele mittels 24 Gigahertz-Nahbereichsradar-Technik erlaubt, auf und ergänzt diese nicht nur um weitere Empfangskanäle oder -pfade, sondern zum Realisieren einer Sensorgruppe um mindestens eine (Emp- fangs-)Gruppenantenne.
Diese mindestens eine Gruppenantenne ermöglicht mit digitalen Signal- verarbeiαingsmethoden
- eine Strahlformung von Antennenrichtdiagrammen, - Winkelmessungen detektierter Zielobjekte sowie
- sogenannte D[irection]O[f]A[rrival]-Algorithmen in Kombination mit dem Pulsbetrieb und führt somit zu erheblich genaueren Informationen über das sensierte Fahrzeugumfeld.
In diesem Zusammenhang können gleichzeitig eine Verringerung der benötigten Anzahl an Radarsensoren sowie an Einbauorten pro Kraftfahrzeug und damit insgesamt geringere Kosten für das Nahbereichsradarsy- stem erzielt werden, wobei der Einsatz mindestens einer Gruppenantenne im Empfangszweig ein erhebliches Innovationspotential auf dem Gebiet der Radarsensoren eröffnet und eine geschickte sowie kostengünstige Kombination aus analoger und digitaler Signalverarbeitung darstellt.
Hierbei ergibt sich im allgemeinen eine Gruppenantenne, wie sie beispielsweise aus der Druckschrift DE 195 35 441 A1 bekannt ist, aus der Zusammenschaltung mehrerer Einzelantennen. Durch die komplexe Ge- wichtung der einzelnen Antennenpfade kann beispielsweise eine Richt- Charakteristik der Gesamtanordnung mit einer stark ausgeprägten Hauptkeule in der gewünschten Richtung erhalten werden; darüber hinaus können auch Nullstellen im Richtdiagramm erzeugt werden, um verschiedene Störsignale richtungsselektiv zu unterdrücken.
Für den Empfang mit einer Gruppenantenne kann die Richtwirkung derselben laufend an die momentanen Eigenschaften des Übertragungskanals angepaßt werden; in diesem Zusammenhang wird auch von einem adaptiven Antennensystem bzw. von einer intelligenten Antenne (sogenannte "smart antenna") gesprochen. Die Adaption erfolgt durch Algorith- men, die auf Basis der empfangenen Signalwerte einen möglichst optimalen Satz von Gewichtsfaktoren bestimmen.
Die Wahl eines geeigneten Algorithmus ist hierbei im wesentlichen abhängig - von den konkreten Eigenschaften des Übertragungskanals,
- von den konkreten Eigenschaften der Gruppenantenne,
- von der verfügbaren Rechen leistung der digitalen Signalverarbeitung,
- von der geforderten Genauigkeit sowie
- von der Robustheit gegen Fehlereinflüsse.
Der Fachmann auf dem technischen Gebiet der Objektdetektierung mittels abstandsauflösender Sensoren wird in bezug auf die vorliegende Erfin- dung insbesondere zu schätzen wissen, daß mittels des Einsatzes der mehreren zur Gruppenantenne gehörenden Antennenelemente, deren jeweils aufgenommene Informationen auf mehreren zugeordneten Empfangskanälen oder -pfaden transportiert und verarbeitet werden, nicht zuletzt aus der Phasenbeziehung der Signale zueinander eine Winkelinformation und hieraus eine Richtungsschätzung mittels eines Einzelsensors gewonnen werden kann. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäß' vorgeschlagene Lösung mit nur sehr geringem Mehraufwand und mit sehr geringen Mehrkosten verbunden.
Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung mindestens einer Pulsradarvorrichtung der vorstehend dargelegten Art und/oder eines Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art auf dem Gebiet der Fahrzeugumfeldsensorik, so zum Beispiel zum Messen sowie zum Be- stimmen der Winkellage von mindestens einem Objekt, wie sie etwa auch im Rahmen einer Pre-Crash-Sensierung bei einem Kraftfahrzeug relevant ist.
Hierbei wird durch eine Sensorik festgestellt, ob es zu einer möglichen Kollision mit dem detektierten Objekt, beispielsweise mit einem anderen
Kraftfahrzeug, kommen wird. Falls es zu einer Kollision kommt, wird zusätzlich bestimmt, mit welcher Geschwindigkeit und an welchem Aufschlagpunkt es zur Kollision kommt. In Kenntnis dieser Daten können lebensrettende Millisekunden für den Fahrer des Kraftfahrzeugs gewonnen werden, in denen vorbereitende Maßnahmen beispielsweise bei der An- steuerung des Airbags oder bei einem Gurtstraffersystem vorgenommen werden können.
Weitere mögliche Einsatzgebiete von System und von Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind Einpark-Assistenzsysteme, eine Tote-
Winkel-Detektion oder ein Stop & Go-System als Erweiterung zu einer bestehenden Einrichtung zum automatischen Regeln der Fahrgeschwin- digkeit, wie etwa einem A[daptive-]C[ruise-]C[ontrol]-System.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand der durch die Figuren 1 bis 3 veranschaulichten drei Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Pulsradarvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Pulsradarvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Pulsradarvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Ausgestaltungen, Elemente oder Merkmale sind in den Figuren 1 bis 3 mit identischen Bezugszeichen versehen.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Im folgenden wird die für den Nahbereich ausgelegte Pulsradarvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung sowie ein hierauf bezogenes Verfahren zum Erfassen, zum Detektieren und/oder zum Auswerten von min- destens einem Objekt beispielhaft erläutert. Bei den gezeigten drei Ausführungsbeispielen ist die Grenze zwischen dem in den Figuren 1 , 2 und 3 jeweils in der linken Bildhälfte angeordneten H[och]F[requenz]-Bereich (= sogenannte "R[adio]F[requency]") und dem in den Figuren 1 , 2 und 3 jeweils in der rechten Bildhälfte angeordneten N[iedrig]F[requenz]-Bereich (= sogenannte "L[ow]F[requency]") jeweils durch eine strichpunktierte Linie angedeutet.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Pulsradarvorrichtung 100, bei der mittels einer Mikrowellen-Oszillatoreinheit 20 (sogenanntes "24 GHz-Mikrowellenfrontend" entsprechend einer Periodendauer von etwa 41 ,67 Pikosekunden oder einer Wellenlänge von etwa 12,5 Millimetern) Oszillatorsignale in Form von Pulsen einer Pulsdauer von etwa vierhundert Pikosekunden (entsprechend einer Frequenz von etwa 2,5 Gigahertz oder einer Wellenlänge von etwa zwölf Zentimetern) erzeugt und auf einen 24,125 Gigahertz-Träger amplitudenmoduliert werden.
Ein Puls enthält demzufolge etwa zehn Wellenzüge des 24 GHz-Trägers
(-> Periodendauer etwa vierzig Pikosekunden) und ist etwa zehn Wellenlängen des Trägers, nämlich etwa 12,5 Zentimeter, lang, wodurch die Größenordnung der erreichbaren Entfernungsauflösung gegeben ist; zum Erzeugen der kurzen Pulse werden Step-Recovery-Dioden eingesetzt.
Die Pulse steuern sendeseitig eine Sendepulsschaltereinheit 12 in Form eines Mikrowellenschalters an, mit dem der Träger amplitudenmoduliert wird (sogenanntes "on-off-keying"). Die Seitenbänder des Modulationsspektrums haben ihre ersten Nullstellen (400 ps)"1 = 2,5 GHz entfernt vom Träger. Die Pulswiederholfrequenz beträgt etwa fünf Megahertz, was einer
Periodendauer bzw. Laufzeit von etwa 200 Nanosekunden und mithin etwa sechzig Metern Pulslaufweg entspricht; eindeutige Entfernungsmessungen sind also bis maximal etwa dreißig Meter möglich.
Die so geformten Sendepulse werden zu einer Sendeverstärkereinheit 14 in Form eines Verstärkertransistors und danach zu einem Sendeantennenelement 16 geführt, mittels dessen die von der Sendepulsschalterein- heit 12 erzeugten Hochfrequenzsignale abgestrahlt werden und das ein breites Antennenrichtdiagramm (sogenanntes "antenna pattern") zum Zwecke eines großen Bereichs der Winkelabdeckung bereitstellt. Die von den Zielobjekten reflektierten Pulse werden sodann von einer wegen der einfacheren Entkoppelbarkeit separaten Empfangsantenneneinheit 30 aufgefangen und einem Empfangsverstärker zuführt.
Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ist nun in Figur 1 exemplarisch eine Empfangsantenneneinheit 30 in Form einer Gruppenantenne mit vier Antennenelementen 32, 34, 36, 38 gezeigt (es können jedoch auch zwei, drei, fünf oder mehr Antennenelemente vorgesehen sein).
Für jedes Antennenelement 32, 34, 36, 38 ist erfindungsgemäß ein eigener Emp fängerkanal oder -pfad, aufweisend - jeweils einen Empfangsverstärker 42, 44, 46, 48 in Form eines sogenannten L[ow-]N[oise-]A[mplifiers], zum Beispiel jeweils aufweisend eine oder zwei R[adio]F[requenz]-Transistoreinheiten,
- jeweils einen I[nphase]/Q[uadratur]-Mischer 62, 64, 66, 68, zum Beispiel jeweils aufweisend vier R[adio]F[requenz]-Diodeneinheiten, - jeweils zwei Tiefpaßfilter 72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b mit
Basisbandverstärker und mit Impedanzumsetzung, zum Beispiel jeweils aufweisend eine N[iedrig]F[requenz]-Transistoreinheit mit zugehörigem Filter, und
- jeweils zwei A[nalog]/D[igital]-Umsetzer 82a, 82b, 84a, 84b, 86a, 86b, 88a, 88b, angeordnet vorzugsweise innerhalb mindestens eines Mikro- controllers, aufgebaut.
Wie der Darstellung der Figur 1 entnehmbar ist, wird nun das jeweilige L[okal-]O[szillator]-Tor aller I/Q-Mischer 62, 64, 66, 68 über einen möglichst symmetrisch arbeitenden Leistungsteiler 18 mit gepulsten, mittels einer Pulsverzögerungseinheit 24 einstellbar zeitlich verzögerten wieder- kehrenden L[okal-]O[szillator]-Signalen gleicher Amplitude und gleichen zeitlichen Verlaufs angesteuert und gespeist. Diese LO-lmpulse werden genauso erzeugt wie die Pulse sendeseitig.
Stimmt nun die durch die Pulsverzögerungseinheit 24 eingestellte zeitliche
Verzögerung dieser LO-Pulse mit der Laufzeit der an einem Zielobjekt reflektierten Sendepulse überein, wird die Signalenergie der Basisbandsignale der Empfangspulse am Ausgangsanschluß der I/Q-Mischer 62, 64, 66, 68 maximal (sogenanntes "lokales Maximum"); dies bedeutet mit an- deren Worten, daß die empfangenen Pulse gewissermaßen ein Matched-
Filter in der Zeitdomäne durchlaufen. Da dieses Matched-Filter empfangs- seitig gewissermaßen eine zeitliche Fensterung durchführt, filtert es darüber hinaus unerwünschtes Rauschen heraus und optimiert so das Si- gnal-zu-Rausch-Leistungsverhältnis hinter den I/Q-Mischem 62, 64, 66, 68.
Die zeitliche Verzögerung, die proportional zur Entfernung des Zielobjekts ist, wird - verglichen mit der von der Mikrowellen-Oszillatoreinheit 20 bereitgestellten Pulswiederholfrequenz von fünf Megahertz - nur langsam zwischen Null und etwa zweihundert Nanosekunden variiert, nämlich mittels mindestens einer der Pulsverzögerungseinheit 24 zugeordneten Variationsoszillatoreinheit 26 mit einer Frequenz von etwa einhundert Hertz (entsprechend einer Periodendauer von etwa zehn Millisekunden) und vorzugsweise sägezahnförmig; gewissermaßen stellt also das Matched- Filter ein Zeitdomänenfenster dar, das mittels des Sägezahnsignals der
Variationsoszillatoreinheit 26 über die Breite der Entfernungen des Zielobjekts geschoben wird.
Dies bedeutet, daß das Matched-Filter oder "Ziel-Fenster" für mehr als einen Puls über einem Ziel liegt und daß die Signalenergien mehrerer zu einem Ziel gehörender Pulse durch eine anschließende, mittels der Tiefpaßfiltereinheiten 72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b erfolgende Tief- paßfilterung (auf)integriert werden, was das Signal-zu-Rausch- Leistungsverhältnis verbessert und damit die Wahrscheinlichkeit einer exakten Zieldetektierung in signifikanter Weise erhöht; des weiteren wird mittels der Tiefpaßfilter 72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b die Band- breite der empfangenen analogen Signale gegenüber den breitbandigen
Pulssignalen in signifikanter Weise schmäler.
Die Grenzfrequenz der für jeden der vier R[adio]F[requenz]- Empfangskanale oder -pfade vorgesehenen jeweils zwei Tiefpaßfilter 72a, 72b bzw. 74a, 74b bzw. 76a, 76b bzw. 78a, 78b für die l[nphase]-
Komponenten des Basisbandsignals und für die Q[uadratur]- Komponenten des Basisbandsignals begrenzt die nach dem jeweiligen Tiefpaßfilter 72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b noch ableitbare Zielentfernungsauflösung und wird daher etwa das Einhundertfache von ein- hundert Hertz betragen.
Demzufolge ist eine relativ geringe Abtastrate, nämlich etwa zwanzig Kilohertz bis etwa vierzig Kilohertz, der die Basisbandsignale abtastenden, nachfolgend noch erläuterten A[nalog]/D[igital]-Umsetzer 82a, 82b, 84a, 84b, 86a, 86b, 88a, 88b für eine weitere digitale Signalverarbeitung und - auswertung in einem Mikroprozessor 90 ausreichend.
Die Grenzfrequenz der Tiefpaßfilter 72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b begrenzt außerdem die bei sich radial zum Radar bewegenden Ziel- Objekten entstehende maximale Dopplerfrequenz der Basisbandpulse und somit die maximale radiale Relativgeschwindigkeit detektierbarer Zielobjekte.
Bei den den Tiefpaßfiltereinheiten 72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b nachgeschalteten, zumindest im wesentlichen parallel arbeitenden A/D-
Umsetzern 82a, 82b, 84a, 84b, 86a, 86b, 88a, 88b haben die Abtastzeitpunkte alle gleich zu sein oder zumindest in einem festen zeitlichen Ra- ster zueinander zu stehen, so daß innerhalb der in Form der Nfiedrig- ]F[requenz]-Elektronik ausgebildeten Empfangsschaltung 70 eine kohärente Verarbeitung der Signale der Antennenelemente 32, 34, 36, 38 gewährleistet ist ("N[iedrig-]F[requenz]-Elektronik" bedeutet in diesem Zu- sammenhang Tiefpaß- und Abtastfrequenzen in der Größenordnung von einigen Kilohertz).
Auf der digitalen Seite der A/D-Umsetzer 82a, 82b, 84a, 84b, 86a, 86b, 88a, 88b stehen somit vektorielle, komplexwertige Basisbandsignale zur Verfügung, auf die nun digitale Signalverarbeitungsverfahren zur Antennendiagramm-Strahlformung (<--> räumliche Filterung), Winkelschätzverfahren und dergleichen angewendet werden können.
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Pulsradarvorrichtung 100 dargestellt, das eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels aus
Figur 1 darstellt; aus diesem Grunde werden nachstehend zum Vermeiden unnötiger Wiederholungen lediglich die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel dargelegt.
Die empfangseitigen Pulsschalter 52, 54, 56, 58 sind gemäß Figur 2 anstelle im L[okal-]O[szillator]-Zweig der I/Q-Mischer 62, 64, 66, 68 im R[adio]F[requenz]-Empfangszweig 50, und zwar nach den jeweiligen Antennenelementen 32, 34, 36, 38 sowie nach den jeweiligen Empfangsverstärkern 42, 44, 46, 48 und vor jeweiligen den I/Q-Mischem 62, 64, 66, 68 angeordnet.
Zwar werden bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel vier Empfangspuls- schaltereinheiten 52, 54, 56, 58 benötigt (beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird nur eine Empfangspulsschaltereinheit 52 benötigt), jedoch ergeben sich Vorteile in bezug auf Leistungsbetrachtungen, nicht zuletzt weil jeder der vier I/Q-Mischer 62, 64, 66, 68 an seinem jeweils zweiten Eingangsanschluß unmittelbar (und nicht wie beim ersten Ausfüh- rungsbeispiel gemäß Figur 1 über die dort einzige Empfangspulsschaltereinheit 52) durch das Oszillatorsignal der Mikrowellen-Oszillatoreinheit 20 gespeist wird.
Gemäß einem in Figur 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel der Pulsradarvorrichtung 100 können die Empfangspulsschaltereinheiten 52, 54, 56, 58 der vier Empfangskanäle oder -pfade selektiv oder wahlweise, und hierbei - vorzugsweise einzeln zeitlich nacheinander sowie - vorzugsweise mittels der Pulsverzögerungseinheit 24 einstellbar zeitverzögert angesteuert werden, was in Figur 3 durch eine Mu[ltiple]xeinheit 28 ermöglicht ist, die die 5 MHz-Pulse der N[iedrig-]F[requenz]- Taktgeneratoreinheit 22 beliebig auf die vier verschiedenen Empfangska- näle oder -pfade durchschalten kann.
Im Schaltbild der Figur 3 werden die jeweiligen Ausgangssignale aus den Ausgangsanschlüssen der Empfangspulsschaltereinheiten 52, 54, .56, 58 über einen H[och]F[requenz]-Leistungsteiler/-kombinierer 60 (sogenannter "H[igh]F[requency] divider/combiner") zusammengeführt und auf den dem
H[och]F[requenz]-Leistungsteiler/-kombinierer 60 nachgeschalteten einzigen Inphase/Quadratur-Mischer 62 gegeben, dessen zweiter Eingangsanschluß wiederum unmittelbar (und nicht wie beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 über die Empfangspulsschaltereinheit 52) durch das Oszillatorsignal der Mikrowellen-Oszillatoreinheit 20 gespeist wird.
Für die digitale Signalverarbeitung steht hier gemäß Figur 3 also nur ein komplexwertiger Skalar und nicht, wie gemäß den Figuren 1 und 2, ein komplexwertiger Vektor zur selben Zeit zur Verfügung. In Entsprechung hierzu werden die Signale der vier verschiedenen Antennenelemente 32,
34, 36, 38 beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 also sequentiell, das heißt zeitlich nacheinander (und nicht zeitgleich) von der digitalen Signalverarbeitung 90 'aufgenommen, was mit einer deutlichen Reduzierung des schaltungstechnischen Aufwands bei Figur 3 einhergeht.
Voraussetzung für die einwandfreie Funktion der Schaltungstechnik ge- maß Figur 3 ist hierbei, daß die zeitlich aufeinanderfolgende Aufnahme der Einzelelementsignale schneller erfolgt, als sich die Signalsituation des Sensorfelds ändert. Hierzu ist unter Umständen ein höherer Aufwand bei den A/D-Umsetzern 82a, 82b, 84a, 84b, 86a, 86b, 88a, 88b und bei der digitalen Signalverarbeitung 90 angemessen, um im Vergleich zu den Schaltungsanordnungen gemäß den Figuren 1 und 2 höhere Abrastraten bzw. höhere Verarbeitungsraten zu erzielen.
Im Ergebnis erfolgt mithin beim dritten Ausführungsbeispiel der Pulsradarvorrichtung 100 in erfindungswesentlicher Weise mittels des selektiven, vorzugsweise einzeln zeitlich nacheinander gestalteten Ansteuerns der der Empfangspulsschaltereinheiten 52, 54, 56, 58 ein selektives Abtasten der Empfangssignale der Antennenelemente 32, 34, 36, 38 der Empfangsgruppenantenne 30.
Dieses Abtasten erfolgt im Verhältnis zu Änderungen der Signal- bzw.
Objektsituation im sensierten Feld wesentlich schneller, so daß sich aus den zum Prozessor 90 weitergeleiteten komplexwertigen Einzelsignalen, die den vier Antennenelementen 32, 34, 36, 38 zugeordnet werden können, ein komplexwertiger Signalvektor zur digitalen Signalverarbeitung im Prozessor 90 rekonstruieren läßt.
Die vorstehend beschriebenen drei Ausführungsbeispiele können insbesondere hinsichtlich der Anzahl ihrer Empfangskanäle oder -zweige und der gemeinsam oder separat eingesetzten Empfängerbausteine verändert werden, ohne die Funktion gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen zu verändern. Eine von den dargestellten drei Ausführungsbeispielen abweichende Kombination von paralleler und sequentieller Auswertung der verschiedenen Entfernungs- und/oder Winkelbereiche ist ebenfalls möglich. Weiterhin müssen auch bei der Auswertung der Informationen der verschiede- nen Entfernungsbereiche unter Umständen nicht alle Entfernungsinformationen abgefragt werden, um wegen des Leistungsabfalls mit der vierten Potenz der Entfernung Meßzeit einzusparen; hierbei sollten allerdings die Entfernungsinformationen ständig bis zur ersten relevanten Änderung überprüft werden.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Pulsradarvorrichtung (100) zum Erfassen, zum Detektieren und/oder zum Auswerten von mindestens einem Objekt, aufweisend
[a] rr indestens eine Oszillatoreinheit (20), insbesondere Mikrowellen- Oszillatoreinheit, zum Erzeugen von Oszillatorsignalen;
[b] mindestens einen der Oszillatoreinheit (20) nachgeschalteten Sendezweig (10) mit
[b.1] mindestens einer mit den Oszillatorsignalen beaufschlagbaren Sendepulsschaltereinheit (12) zum Erzeugen von pulsmodulierten Hochfrequenzsignalen und
[b.2] mindestens einer der Sendepulsschaltereinheit (12) nachgeschalteten Sendeantenneneinheit (16) zum Abstrahlen der von der Sendepulsschaltereinheit (12) erzeugten Hochfrequenzsignale;
[c] mindestens einen der Oszillatoreinheit (20) nachgeschalteten Empfangszweig (50), insbesondere R[adio]F[requenz]-
Empfangszweig, mit
[c.1] mindestens einer Empfangsantenneneinheit (30) zum Empfangen der am Objekt reflektierten Signale,
[c.2] mindestens einer der Empfangsantenneneinheit (30) nachge- schalteten Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) und
[c.3] mindestens einer der Empfangsantenneneinheit (30) nachgeschalteten I[nphase]/Q[uadratur]-Mischeinheit (62, 64, 66, 68) zum Mischen
[c.3.1] der von der Empfangsantenneneinheit (30) empfangenen Signale, mit denen der erste Eingangsanschluß der I/Q-Mischeinheit (62, 64,
66, 68) beaufschlagbar ist,
[c.3.2] mit den Oszillatorsignalen, mit denen der zweite Eingangsanschluß d r jeweiligen I/Q-Mischeinheit (62, 64, 66, 68) beaufschlagbar ist:
[d] mindestens eine Taktgeneratoreinheit (22), insbesondere N[iedrig- ]F[requenz]-Taktgeneratoreinheit, zum Erzeugen von Taktsignalen, mit denen sowohl die Sendepulsschaltereinheit (12) als auch die Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) beaufschlagbar ist; und
[e] mindestens eine zwischen die Taktgeneratoreinheit (22) und die Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) geschaltete Pulsverzögerungseinheit (24) zum gegenüber den Taktsignalen, mit denen die Sendepulsschaltereinheit (12) angesteuert wird, definierten zeitlichen Verzögern der Taktsignale, mit denen die Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) angesteuert wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß die Empfangsantenneneinheit (30) als mindestens eine mindestens zwei Antennenelemente (32, 34,
36, 38) aufweisende Gruppenantenne ausgebildet ist und zum Empfangen der am Objekt reflektierten Signale als vektorielle Signale ausgelegt ist und daß dem Empfangszweig (50) mindestens eine Empfangsschaltung (70), insbesondere N[iedrig-]F[requenz]-Empfangsschaltung, zum Auswerten und zum Weiterverarbeiten der empfangenen vektoriellen Signale nachgeschaltet ist, so daß auch die Winkellage des mindestens einen Objekts meßbar sowie bestimmbar ist.
2. Pulsradarvorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillatoreinheit (20) mindestens eine Leistungsteilereinheit (18) nachgeschaltet ist, mittels derer die von der Oszillatorein- heit (20) erzeugten Oszillatorsignale auf den Sendezweig (10) und auf den Empfangszweig (50) verteilbar sind. Pulsradarvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, d3ß der Sendeantenneneinheit (10) mindestens eine Sendeverstärkereinheit (14) zum Verstärken der abgestrahlten Hochfre- quenzsignale vorgeschaltet ist und/oder daß den Antennenelementen (32, 34, 36, 38) der Gruppenantenne jeweils mindestens eine Empfangsverstärkereinheit (42, 44, 46, 48) zum Verstärken der vom jeweiligen Antennenelement (32, 34, 36, 38) empfangenen Signale nachgeschaltet ist.
Pulsradarvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsschaltung (70) aufweist: mindestens eine dem I[nphase]-Ausgangsanschluß der l/Q- Mischeinheit (62, 64, 66, 68) nachgeschaltete Tiefpaßfiltereinheit
(72a, 74a, 76a, 78a) sowie mindestens eine dem Q[uadratur]-Ausgangsanschluß der I/Q- Mischeinheit (62, 64, 66, 68) nachgeschaltete Tiefpaßfiltereinheit (72b, 74b, 76b, 78b), welche Tiefpaßfiltereinheiten (72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a,
78b) zum Filtern und/oder zum Integrieren, insbesondere zum Schmälern der Bandbreite, der empfangenen analogen breitbandi- gen Signale vorgesehen sind; mindestens eine der jeweiligen Tiefpaßfiltereinheit (72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b) nachgeschaltete A[nalog]/D[igital]-
Wandlereinheit (82a, 82b, 84a, 84b, 86a, 86b, 88a, 88b) zum Umsetzen der tiefpaßgefilterten analogen Signale mit relativ geringer Abtastrate in digitale Signale; und mindestens eine den A/D-Wandlereinheiten (82a, 82b, 84a, 84b, 86a, 86b, 88a, 88b) nachgeschaltete Prozessoreinheit (90), insbesondere Mikroprozessoreinheit, zum digitalen Verarbeiten der in Form von komplexwertigen Vektoren oder komplexwertigen Skala- ren systematisierten digitalen Signale.
5. Pulsradarvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, - d-aß die Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) zwischen die
Oszillatoreinheit (20) und die jeweiligen I/Q-Mischeinheiten (62, 64, 66, 68) geschaltet ist oder daß die jeweilige Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) zwischen das jeweilige Antennenelement (32, 34, 36, 38) und die je- weilige I/Q-Mischeinheit (62, 64, 66, 68) geschaltet ist.
6. Pulsradarvorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Pulsverzögerungseinheit (24) und die jeweilige Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) mindestens eine
Mu[ltiple]xeinheit (28) zum selektiven, insbesondere zeitlich nacheinander versetzten Ansteuern der jeweiligen Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) mit den zeitlich verzögerten Taktsignalen geschaltet ist und - daß zwischen die jeweilige Empfangspulsschaltereinheit (52, 54,
56, 58) und die I/Q-Mischeinheit (62) mindestens eine Leistungs- kombinierereinheit (60), insbesondere H[och]F[requenz]- Leistungsteiler/-kombinierereinheit, zum Bereitstellen von komplexwertigen Skalaren für die digitale Signalverarbeitung geschaltet ist.
7. Verfahren zum Erfassen, zum Detektieren und/oder zum Auswerten von mindestens einem Objekt, bei welchem Verfahren Oszillatorsignale mittels mindestens einer Oszillatoreinheit (22), insbesondere Mikrowellen-Oszillatoreinheit, erzeugt werden; pulsmodulierte Hochfrequenzsignale mittels mindestens einer mit den Oszillatorsignalen beaufschlagten Sendepulsschaltereinheit (12) erzeugt werden; die von der Sendepulsschaltereinheit (12) erzeugten Hochfrequenzsignale mittels mindestens einer der Sendepulsschaltereinheit (12) nachgeschalteten Sendeantenneneinheit (16) abgestrahlt werden; die am Objekt reflektierten Signale mittels mindestens einer Empfangsantenneneinheit (30) empfangen werden; die von der Empfangsantenneneinheit (30) empfangenen Signale, mit denen der erste Eingangsanschluß mindestens einer der Emp- fangsantenneneinheit (30) nachgeschalteten l[nphase]/Q[uadratur]-
Mischeinheit (62, 64, 66, 68) beaufschlagbar ist, mit den Oszillatorsignalen, mit denen der zweite Eingangsanschluß der jeweiligen I/Q-Mischeinheit (62, 64, 66, 68) beaufschlagbar ist, mittels der jeweiligen I/Q-Mischeinheit (62, 64, 66, 68) gemischt werden; - Taktsignale, mit denen sowohl die Sendepulsschaltereinheit (12) als auch mindestens eine der Empfangsantenneneinheit (30) nachgeschaltete Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) beaufschlagbar ist, mittels mindestens einer Taktgeneratoreinheit (22), insbesondere N[iedrig-]F[requenz]-Taktgeneratoreinheit, erzeugt werden; und die Taktsignale, mit denen die Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) angesteuert wird, gegenüber den Taktsignalen, mit denen die Sendepulsschaltereinheit (12) angesteuert wird, mittels mindestens einer zwischen der Taktgeneratoreinheit (22) und der Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) zwischengeschalteten
Pulsverzögerungseinheit (24) definiert zeitlich verzögert werden,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- daß die am Objekt reflektierten Signale mittels mindestens einer mindestens zwei Antennenelemente (32, 34, 36, 38) aufweisenden Gruppenantenne als vektorielle Signale empfangen werden und daß die empfangenen vektoriellen Signale mittels mindestens einer Empfangsschaltung (70), insbesondere N[iedrig-]F[requenz]- Empfangsschaltung, ausgewertet und weiterverarbeitet werden, so daß auch die Winkellage des mindestens einen Objekts gemessen sowie bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangenen analogen breitbandigen Signale mittels mindestens einer dem I[nphase]-Ausgangsanschluß der l/Q- Mischeinheit (62, 64, 66, 68) nachgeschalteten Tiefpaßfiltereinheit
(72a, 74a, 76a, 78a) sowie mittels mindestens einer dem Q[uadratur]-Ausgangsanschluß der I/Q-Mischeinheit (62, 64, 66, 68) nachgeschalteten Tiefpaßfiltereinheit (72b, 74b, 76b, 78b) gefiltert und/oder integriert, insbesondere in ihrer Bandbreite ge- schmälert, sowie mittels mindestens einer der jeweiligen Tiefpaßfiltereinheit (72a, 72b, 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b) nachgeschalteten A[nalog]/D[igital]-Wandlereinheit (82a, 82b, 84a, 84b, 86a, 86b, 88a, 88b) mit relativ geringer Abtastrate in digitale Signale umge- setzt werden und daß die in Form von komplexwertigen Vektoren oder komplexwertigen Skalaren systematisierten digitalen Signale mittels mindestens einer den A/D-Wandlereinheiten (82a, 82b, 84a, 84b, 86a, 86b, 88a, 88b) nachgeschalteten Prozessoreinheit (90), insbesondere Mikroprozessoreinheit, digital verarbeitet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) mittels mindestens einer zwischen die Pulsverzögerungseinheit (24) und d:e jeweilige Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) geschalteten Mu[ltiple]xeinheit (28) selektiv, insbesondere zeitlich nacheinander versetzt mit den zeitlich verzögerten Taktsignalen angesteuert wird, wenn die jeweilige Empfangspulsschaltereinheit (52, 54, 56, 58) zwischen das jeweilige Antennenelement (32, 34, 36, 38) und die jeweilige I/Q-Mischeinheit (62, 64, 66, 68) geschaltet ist.
Verwendung mindestens einer Pulsradarvorrichtung (100) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder eines Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9 zum Messen sowie zum Bestimmen der Winkellage von mindestens einem Ob- jekt.
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