EP1570298A1 - Multi-targeting method and multi-targeting sensor device for locating short-range target objects in terms of distance and angle - Google Patents

Multi-targeting method and multi-targeting sensor device for locating short-range target objects in terms of distance and angle

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EP1570298A1
EP1570298A1 EP03785706A EP03785706A EP1570298A1 EP 1570298 A1 EP1570298 A1 EP 1570298A1 EP 03785706 A EP03785706 A EP 03785706A EP 03785706 A EP03785706 A EP 03785706A EP 1570298 A1 EP1570298 A1 EP 1570298A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor element
characteristic signal
sensor
target objects
receiving antennas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03785706A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Lindenmeier
Johann-Friedrich Luy
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1570298A1 publication Critical patent/EP1570298A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G01S13/422—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates sequential lobing, e.g. conical scan
    • G—PHYSICS
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/003—Bistatic radar systems; Multistatic radar systems
    • G—PHYSICS
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/931—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/87—Combinations of radar systems, e.g. primary radar and secondary radar
    • G01S13/878—Combination of several spaced transmitters or receivers of known location for determining the position of a transponder or a reflector

Definitions

  • Multi-target method and multi-target sensor device for the distance and angular location of target objects in the vicinity
  • the present invention relates generally to a multi-target method and a multi-target sensor device for the distance and angular location of target objects in the close range. More specifically, the present invention relates to a multi-purpose radar sensor device for the distance and angular location of targets in close range and a method for operating such a multi-purpose radar sensor device.
  • the position determination of target objects can be carried out using conventional radar technology, among other things.
  • the distance and direction (angle) of a target object to be detected should be determined.
  • To determine the direction of a narrow beam lobe is pivoted a radar ge ⁇ .
  • antennas or antenna groups with a high directivity are required, the dimensions of which are a multiple of the wavelength of the radar.
  • the radar described above is disadvantageous in that it is relatively expensive and requires a large amount of space due to large antenna apertures.
  • radar sensors for determining the position of a target object have been developed in the prior art, which provide an angular information via triangulation.
  • Ghost targets mean that after detecting the distances of several targets on several sensor elements, there are several solutions for how the individual distance values can be combined with one another in order to infer the position of the target objects.
  • FIG. 1 Such a problem of ghost target detection can be seen from FIG. 1, in which the ambiguous evaluation of the distance information which is present on the sensor elements is shown in the event that two sensor elements 1 and 2 are used.
  • the ghost targets lie at the intersection points of the arcs, which are drawn from the sensor elements 1 and 2 (as the center point) by the respective target objects to be detected.
  • the target objects are doubled.
  • the multi-target radar according to the invention for specifying the distance and direction of a plurality of target objects comprises at least one sensor element which emits a characteristic signal (e.g.
  • each sensor element of this type is therefore multi-targetable, provided that only one target object is contained in each distance range.
  • two or more sensor elements according to the invention in order to obtain clear angular statements for all target objects without exception, two or more sensor elements according to the invention can be used, which are attached at a distance from one another which is greater than the distance resolution of the sensor elements.
  • the sensor device is thus fully multi-target, since the restriction that each target object is at a different distance from the sensor element always applies to two sensor elements. Only a few sensor elements are required, which are simply constructed, since neither mechanical swiveling, nor antennas with a large aperture, nor many receivers are necessary.
  • all signal paths between their transmitters and receivers can be used with one another, as a result of which a multiplicity of reflection points trace the target object contours. This allows particularly advantageously that not only direction and distance, but also the spatial shape of target objects or objects is recognized.
  • the beam lobes of the transmission antennas can also be pivoted in order to further increase the uniqueness. You can send and receive with different antenna lobes one after the other. For example, a maximum and a zero can alternately be aimed at the target objects.
  • FIG. 2 shows a sensor element for determining the angle of incidence for a single target object according to the invention
  • FIG. 3 shows the superimposition of the waves from two different directions in a sensor element from FIG. 2;
  • FIG. 4A shows a sensor element according to the invention with a pulse generator for determining the angle of incidence in the case of a target object or a multiplicity of target objects;
  • 4B shows a sensor element according to the invention with a PN generator for determining the angle of incidence for a target object or a multiplicity of target objects;
  • 4C shows a signal response functions (eg impulse response) over the distance, the maxima of the signal response functions being at the locations of target object distances;
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the present invention with an arrangement of three sensor elements for detecting an extended object and a punctiform object
  • Fig. 6 shows another embodiment of the present invention with a plurality of sensor elements attached to a vehicle, which according to Table 1 in Transmit multiplex operated;
  • Tig. 7 the measurement of the angle to one or more line objects with the swiveling of a transmitting lobe with a maximum in the swiveling angle direction, the lobe of the receiving antenna being omnidirectional;
  • FIG. 10 shows the measurement of the angle to one or more line objects with the pivoting of a split transmitting lobe with a dip in the direction of the pivoting angle, the split lobe of the receiving antenna also being gradually pivoted.
  • a sensor element 10 for determining the angle of incidence ⁇ (direction) according to the invention in a single target object (not shown) is shown.
  • the sensor element 10 has a transmitting antenna 11 and at least two receiving antennas 1 and 2.
  • Each of the receiving antennas 1 and 2 is connected to a respective quadrature detector 21 and 22 which detects the respective signals Ui and U 2 of the receiving antennas in-phase (I ) and quadrature (Q) signals demodulated.
  • the demodulated signals subjected to an A / D conversion in the respective converters 31 and 31 and fed via the bus 40 to the processing unit 50, in which the angle of incidence ⁇ of the wave reflected by the single target object is calculated on the basis of the phase difference between the receiving antennas based on the following formula:
  • FIG. 3 illustrates the superimposition of the waves from two different directions on a single sensor element, which is constructed according to FIG. 2.
  • the determination of the direction of the target objects is carried out by the additional measurement of
  • the arrangement according to the invention consists of a sensor element 10 which detects the distances of several (not shown) target objects via the running time measurement and for each detected distance a ⁇ _ and a 2 separately detects the phase difference between two adjacent receiving antennas 1 and 2, from which then one assigned to each distance
  • Angular statement ⁇ _ and 0. 2 is calculated. Ambiguous angle statements are only possible in cases where two or more target objects are at the same distance from one sensor element.
  • a signal which changes over time is transmitted to the environment by a pulse generator 60 or a PN generator 60 'via the transmission antenna 11 and is scattered back at a number of target objects.
  • the backscattered signal is received and according to amount and phase in the baseband by the circuit shown analog to the circuit 2 transported.
  • a complex signal response function is formed over the distance, the phase of the complex function values corresponding to the phase of the received signal.
  • the impulse response in the case of a pulse radar or the correlation function in the case of a PN (pseudo-noise code) radar results in a response function over the distance from the sensor, which has maxima at those distances from those in which there are reflection points, ie target objects.
  • the correlation preferably takes place via a predetermined delay, which is provided via the respective programmable delay elements 61.
  • the phase of the signal backscattered from the respective target object can be read from each of the maxima, since the phase has been transported through to the baseband. If one now compares the two response functions generated in the two reception paths, the phase difference ⁇ of the signals backscattered from this target object can be determined for each target object, that is to say for each maximum. This phase difference is also present between the receiving antennas.
  • Maxima at which the phase differences ⁇ i and ⁇ 2 of the reflected signals of the target objects 1 and 2 are determined, can be seen from FIG. 4C, in which the signal response functions are shown by way of example using the impulse response as the distance. As already explained above, the maxima are located at the target object distances.
  • the response function on the first reception path to and from the first target object is shown with a solid line.
  • the response function on the second reception path to and from the second target object is shown with a dashed line.
  • the maxima coincide with two target objects located at the same or approximately the same distance from the one sensor element, so that no clear detection of the angles of incidence ⁇ ] _ and ⁇ is possible.
  • FIG. 5 shows the detection of the contour line of an extended target object (eg bumper) and a “point-shaped” target object (eg lamppost) with three networked sensor elements 10, 10 'and 10 ".
  • each sensor element 10, 10 'and 10 is necessary in order to obtain clear statements about the position of the scattering points and is carried out analogously to the above-described embodiments of the invention.
  • the use of a plurality of sensor elements 10, 10' and 10" different viewpoints means that no incorrect angle information is created if several scattering points are at the same distance from a sensor element.
  • at least the number of scatter points which is also the number of sensor elements, can be detected on extended target objects (such as, for example, bumpers).
  • extended target objects such as, for example, bumpers
  • the networking of all sensor elements via their radio link means that at least the number of scattering points is detected on extended target objects (such as bumpers), which is equal to the number of possible pair combinations between all sensor elements, as in 5.
  • Another target such as B. a lamppost can be detected by the sensors at the same time.
  • the evaluation of the measurement results of the networked sensor elements takes place via a suitable programming of the processing unit, which receives the phase and distance information from each of the sensor elements, and the z. B. in the event of ambiguity (no distance between the detected maxima), the unusable information is filtered out and only the information of the conveniently located sensor element is evaluated.
  • these can transmit and receive past one another simultaneously in the form of PN code sensors, or in time division multiplexing, as described in Table 1 below by way of example.
  • the sensor elements A to H in Table 1 operated in time division multiplex can be attached to a vehicle as shown in FIG. 6 in order to cover all relevant detection directions.
  • FIGS. 7 to 10 Another embodiment of angle detection with small antenna groups will now be described with reference to FIGS. 7 to 10. Different forms of beam swiveling and the application of the principle of intelligent antennas are used for location from different points of view.
  • Subgroup can be controlled separately according to amplitude and phase, antenna beams of different types can be generated and swiveled.
  • the variety of possible antenna lobes means that the angular resolution of the system becomes higher by successively pivoting several types of transmitting antenna lobes and simultaneously pivoting the receiving lobes. So you can use four degrees of freedom to vary the type of angle measurement:
  • Shape of the transmitting antenna lobe (e.g. with maximum or with a dip in the direction of the swivel angle)
  • a fifth degree of freedom can be seen as the presence of further synchronized sensor elements which can transmit simultaneously in any combination.
  • the different spatial positions of the sensor elements are also used to increase the variability of the measurements.
  • a transmitting lobe is pivoted with a maximum in the direction of the pivot angle, the lobe of the receiving antenna being omnidirectional.
  • Measurement 1 produces maxima in the transmission or at least higher transmission values for those swivel angles ⁇ , which are aimed at target objects or scatter points on target objects.
  • Panning angles ⁇ which are aimed at target objects or scattering points on target objects, are now, as expected, minima. Since the interference effects due to the overlapping of the backscatter of other target objects are different in this measurement than in measurement 1, the influence of the interference effects on the
  • Measurement accuracy can be reduced if the results of measurement 1 and measurement 2 are processed together.
  • a target object is therefore preferably in the direction ⁇ if measurement 1 simultaneously indicates an increased value and measurement 2 shows a minimum.

Abstract

The invention relates to a multi-targeting method for locating short-range target objects in terms of distance and angle, said method comprising the following steps: a) a characteristic signal is emitted by a transmitting antenna (11) of a first sensor element (10); b) the reflected characteristic signal is received by at least two adjacent reception antennae (1, 2) of the first sensor element (10); c) the difference in transit time of the reflected characteristic signal to the two adjacent reception antenna (1, 2) of the first sensor element (10) is measured in order to determine the distance between the target objects and the first sensor element (10); and d) the phase differences of the characteristic signal between the two adjacent reception antenna (1, 2) of the first sensor element (10) are measured in order to determine the angles between the target objects and the first sensor element (10). The invention also relates to a device for implementing the above-mentioned method.

Description

Mehrzielfähiges Verfahren und mehrzielfähige Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im NahbereichMulti-target method and multi-target sensor device for the distance and angular location of target objects in the vicinity
Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein mehrziel- fähiges Verfahren und eine mehrzielfähige Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich. Spezieller erläutert, betrifft die vorliegende Erfindung eine mehrzielf hige Radar-Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen mehrzielf higen Radar-Sensorvorrichtung .The present invention relates generally to a multi-target method and a multi-target sensor device for the distance and angular location of target objects in the close range. More specifically, the present invention relates to a multi-purpose radar sensor device for the distance and angular location of targets in close range and a method for operating such a multi-purpose radar sensor device.
Stand der TechnikState of the art
Die Positionsbestimmung von Zielobjekten, deren Abstand gegenüber den Abmessungen einer Messeinrichtung groß ist, kann unter anderem mit herkömmlicher Radartechnik durchgeführt werden. Dabei soll Abstand und Richtung (Winkel) eines zu erfassenden Zielobjekts bestimmt werden. Zur Bestimmung der Richtung wird eine schmale Strahlkeule eines Radars ge¬ schwenkt. Für die Erzeugung der schmalen Strahlkeule sind Antennen oder Antennengruppen mit hoher Richtwirkung vonnö- ten, deren Abmessungen ein Vielfaches der Wellenlänge des Radars betragen. Das vorstehend geschilderte Radar ist insofern nachteilig, da es relativ teuer ist und einen hohen Bauraumbedarf aufgrund großer Antennenaperturen hat.The position determination of target objects, the distance of which is large compared to the dimensions of a measuring device, can be carried out using conventional radar technology, among other things. The distance and direction (angle) of a target object to be detected should be determined. To determine the direction of a narrow beam lobe is pivoted a radar ge ¬. For the generation of the narrow beam lobe, antennas or antenna groups with a high directivity are required, the dimensions of which are a multiple of the wavelength of the radar. The radar described above is disadvantageous in that it is relatively expensive and requires a large amount of space due to large antenna apertures.
Alternativ dazu wurden im Stand der Technik Radar-Sensoren für die Bestimmung der Position eines Zielobjekts entwickelt, welche über Triangulation eine Winkelaussage liefern.Alternatively to this, radar sensors for determining the position of a target object have been developed in the prior art, which provide an angular information via triangulation.
Um jedoch eindeutige Winkelaussagen zu bekommen, ist es nö- tig, deutlich mehr als zwei Sensorelemente in verschiedenen Abständen anzubringen, um Geisterziele zu vermeiden. Geisterziele bedeuten, dass es nach der Detektion der Abstände mehrerer Ziele an mehreren Sensorelementen mehrere Lösungen gibt, wie die einzelnen Abstandswerte miteinander kombiniert werden können, um auf die Lage der Zielobjekte zu schließen.However, in order to get clear angular statements, it is necessary to attach significantly more than two sensor elements at different distances to avoid ghost targets. Ghost targets mean that after detecting the distances of several targets on several sensor elements, there are several solutions for how the individual distance values can be combined with one another in order to infer the position of the target objects.
Ein derartiges Problem der Geisterziel -Detektion ist aus der Fig. 1 ersichtlich, in der die mehrdeutige Auswertung der Abstandsinformationen, welche an den Sensorelementen vorlie- gen, gezeigt wird, für den Fall, dass zwei Sensorelemente 1 und 2 eingesetzt werden. Die Geisterziele liegen an den Schnittpunkten der Kreisbögen, die durch die jeweiligen zu erfassenden Zielobjekte von den Sensorelementen 1 und 2 aus (als Mittelpunkt) gezeichnet werden. Somit erfolgt gemäß dem Beispiel der Fig. 1 eine Verdopplung der Zielobjekte.Such a problem of ghost target detection can be seen from FIG. 1, in which the ambiguous evaluation of the distance information which is present on the sensor elements is shown in the event that two sensor elements 1 and 2 are used. The ghost targets lie at the intersection points of the arcs, which are drawn from the sensor elements 1 and 2 (as the center point) by the respective target objects to be detected. Thus, according to the example in FIG. 1, the target objects are doubled.
Darüber hinaus hat sich bei der Triangulation als nachteilig erwiesen, dass bei großem Abstand der Zielobjekte gegenüber dem Abstand der Sensorelemente die Winkelauflösung extrem ungenau wird.In addition, it has proven disadvantageous in the triangulation that the angular resolution becomes extremely imprecise when the target objects are at a great distance from the distance of the sensor elements.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile der Triangulation zu vermeiden und ein mehrziel- fähiges Verfahren und eine mehrzielfähige Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich zur Verfügung zu Stellen, bei dem bzw. der die Gefahr der Geisterzielerfassung nicht besteht.Therefore, it is an object of the present invention To avoid disadvantages of triangulation and to provide a multi-target method and a multi-target sensor device for the distance and angular location of target objects in the vicinity, in which there is no risk of ghost target detection.
Dieses Problem sowie weitere der nachstehenden Beschreibung zu entnehmenden Probleme werden durch ein mehrzielfähiges Verfahren und eine mehrzielfähige Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich gemäß den anliegenden Ansprüchen gelöst.This problem as well as further problems to be gathered from the description below are solved by a multi-target method and a multi-target sensor device for the distance and angular location of target objects in the close range according to the appended claims.
Das erfindungsgemäße mehrzielfähige Radar für die Angabe von Abstand und Richtung mehrerer Zielobjekte umfasst mindestens ein Sensorelement, das ein charakteristisches Signal (z. B.The multi-target radar according to the invention for specifying the distance and direction of a plurality of target objects comprises at least one sensor element which emits a characteristic signal (e.g.
FMCW, Impuls oder Pseudo-Noise) ausstrahlt, wobei das charakteristische Signal nach Reflexion an den zu ortenden Zielobjekten an zwei oder mehreren Empfängern ausgewertet wird, deren Antennen zueinander benachbart sind. Vorzugsweise liegt der Abstand zwischen den Antennen im Bereich der Wellenlängen der Sensorelemente . In der Auswertung werden die Abstände der Zielobjekte konventionell gewonnen, wobei jedem gemessenen Zielobjekt-Abstand nun ein Phasenunterschied zwischen den Signalen an den Empfängern und somit die Richtung der Zielob- jekte eindeutig zugeordnet werden kann. Jedes Sensorelement dieser Art ist somit trotz der kleinen Antennengruppe von zwei oder mehr Antennen mehrzielfähig, sofern in jedem Abstandsbereich nur ein Zielobjekt enthalten ist.FMCW, impulse or pseudo-noise) is emitted, the characteristic signal after reflection at the target objects to be located being evaluated at two or more receivers whose antennas are adjacent to one another. The distance between the antennas is preferably in the range of the wavelengths of the sensor elements. The distances between the target objects are obtained conventionally in the evaluation, with each measured target object distance now being able to be uniquely assigned a phase difference between the signals at the receivers and thus the direction of the target objects. In spite of the small antenna group of two or more antennas, each sensor element of this type is therefore multi-targetable, provided that only one target object is contained in each distance range.
Nach einem weiteren besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung können, um für alle Zielobjekte ausnahmslos eindeutige Winkelaussagen zu bekommen, zwei oder mehrere erfindungsgemäße Sensorelemente eingesetzt werden, welche in einem Abstand voneinander angebracht werden, welcher größer ist als die Abstandsauflösung der Sensorelemente. Damit ist die Sensorvorrichtung komplett mehrzielfähig, da die Einschränkung, dass jedes Zielobjekt einen anderen Abstand zum Sensorelement besitzt, immer für zwei Sensorelemente gilt. Es sind nur wenige, Sensorelemente nötig, welche einfach aufgebaut sind, da weder mechanische Schwenkung, noch Antennen mit großer Apertur, noch viele Empfänger notwendig sind.According to a further particularly preferred aspect of the invention, in order to obtain clear angular statements for all target objects without exception, two or more sensor elements according to the invention can be used, which are attached at a distance from one another which is greater than the distance resolution of the sensor elements. The sensor device is thus fully multi-target, since the restriction that each target object is at a different distance from the sensor element always applies to two sensor elements. Only a few sensor elements are required, which are simply constructed, since neither mechanical swiveling, nor antennas with a large aperture, nor many receivers are necessary.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können bei der Verwendung mehrerer Sensorelemente alle Signalpfade zwischen deren Sendern und Empfängern untereinander genutzt werden, wodurch eine Vielzahl von Reflexionspunkten die Zielobjektkonturen nachzeichnet. Dieses erlaubt besonders vorteilhaft, dass nicht nur Richtung und Abstand sondern auch die räumliche Form von Zielobjekten oder Gegenständen erkannt wird.According to a further aspect of the present invention, when using multiple sensor elements, all signal paths between their transmitters and receivers can be used with one another, as a result of which a multiplicity of reflection points trace the target object contours. This allows particularly advantageously that not only direction and distance, but also the spatial shape of target objects or objects is recognized.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zusätzlich auch die Strahlkeulen der Sendeantennen geschwenkt werden, um die Eindeutigkeit weiter zu erhöhen. Dabei kann nacheinander mit verschiedenen Antennenkeulen gesendet und empfangen werden. Z. B. kann abwechselnd mit einem Maximum und einer Nullstelle auf die Zielobjekte gezielt werden.In a further embodiment of the invention, the beam lobes of the transmission antennas can also be pivoted in order to further increase the uniqueness. You can send and receive with different antenna lobes one after the other. For example, a maximum and a zero can alternately be aimed at the target objects.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie der Aufbau und die Wirkungsweise verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Die begleitenden Zeichnungen veranschaulichen die vorliegende Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung weiterhin dazu, die Grundsätze der Erfindung zu erklären und um es einem Fachmann auf dem betreffenden technischen Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung zu implementieren und sie zu verwenden. Dabei zeigen:Other features and advantages of the present invention, as well as the structure and operation of various embodiments of the present invention, are described below with reference to the accompanying drawings. The accompanying drawings illustrate the present invention and, together with the description, further serve to explain the principles of the invention and to enable those skilled in the art to: Implement invention and use it. Show:
Fig. 1 das Problem der Geisterziel -Detektion bei einem Verfahren aus dem Stand der Technik, das die Triangulation zur Erfassung der Richtung eines Objektziels einsetzt ;1 shows the problem of ghost target detection in a method from the prior art which uses triangulation to detect the direction of an object target;
Fig. 2 ein Sensorelement zur erfindungsgemäßen Bestimmung des Einfallswinkels bei einem einzigen Zielobjekt;2 shows a sensor element for determining the angle of incidence for a single target object according to the invention;
Fig. 3 die Überlagerung der Wellen aus zwei verschiedenen Richtungen bei einem Sensorelement der Fig. 2 ;3 shows the superimposition of the waves from two different directions in a sensor element from FIG. 2;
Fig. 4A ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit einem Impulsgenerator zur Bestimmung des Einfallswinkels bei einem Zielobjekt oder einer Vielzahl von Zielobjekten;4A shows a sensor element according to the invention with a pulse generator for determining the angle of incidence in the case of a target object or a multiplicity of target objects;
Fig. 4B ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit einem PN-Generator zur Bestimmung des Einfallswinkels bei einem Zielobjekt oder einer Vielzahl von Zielobjekten;4B shows a sensor element according to the invention with a PN generator for determining the angle of incidence for a target object or a multiplicity of target objects;
Fig. 4C eine Signal -Antwortfunktionen (z. B. Impulsantwort) über dem Abstand, wobei die Maxima der Signal- Antwortfunktionen an den Stellen von Zielobjekt-Ab- ständen liegen;4C shows a signal response functions (eg impulse response) over the distance, the maxima of the signal response functions being at the locations of target object distances;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Anordnung von drei Sensorelementen zu Erkennung eines ausgedehnten Objekts und eines punktförmigen Objekts;5 shows a further embodiment of the present invention with an arrangement of three sensor elements for detecting an extended object and a punctiform object;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Vielzahl von an einem Fahrzeug angebrachten Sensorelementen, die gemäß der Tabelle 1 im Sendemultiplex betrieben werden;Fig. 6 shows another embodiment of the present invention with a plurality of sensor elements attached to a vehicle, which according to Table 1 in Transmit multiplex operated;
Tig. 7 die Messung des Winkels zu einem oder mehreren Zeilobjekten mit der Schwenkung einer Sendekeule mit Maximum in Schwenkwinkel-Richtung, wobei die Keule der Empfangsantenne omnidirektional ist;Tig. 7 the measurement of the angle to one or more line objects with the swiveling of a transmitting lobe with a maximum in the swiveling angle direction, the lobe of the receiving antenna being omnidirectional;
Fig. 8 die Messung des Winkels zu einem oder mehreren Zeilobjekten mit der Schwenkung einer gespaltenen Sendekeule mit Einbruch in Schwenkwinkel -Richtung, wobei die Keule der Empfangsantenne omnidirektional ist;8 shows the measurement of the angle to one or more line objects with the pivoting of a split transmitting lobe with a dip in the pivoting angle direction, the lobe of the receiving antenna being omnidirectional;
Fig. 9 die Messung des Winkels zu einem oder mehreren Zeilobjekten mit der Schwenkung einer Sendekeule mit Maximum in Schwenkwinkel -Richtung, wobei die Keule der Empfangsantenne schrittweise ebenfalls geschwenkt wird; und9 shows the measurement of the angle to one or more line objects with the pivoting of a transmitting lobe with a maximum in the pivoting angle direction, the lobe of the receiving antenna also being pivoted step by step; and
Fig. 10 die Messung des Winkels zu einem oder mehreren Zeilobjekten mit der Schwenkung einer gespaltenen Sende- keule mit Einbruch in Schwenkwinkel -Richtung, wobei die gespaltene Keule der Empfangsantenne schrittweise ebenfalls geschwenkt wird.10 shows the measurement of the angle to one or more line objects with the pivoting of a split transmitting lobe with a dip in the direction of the pivoting angle, the split lobe of the receiving antenna also being gradually pivoted.
Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenDescription of the preferred embodiments
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 wird ein Sensorelement 10 zur erfindungsgemäßen Bestimmung des Einfallswinkels φ (Richtung) bei einem (nicht gezeigten) einzigen Zielobjekt gezeigt. Das Sensorelement 10 verfügt über eine Sendeantenne 11 und min- destens zwei Empfangsantennen 1 und 2. Jede der Empfangsantennen 1 und 2 ist mit einem jeweiligen Quadraturdetektor 21 und 22 verbunden, der die jeweiligen Signale Ui und U2 der Empfangsantennen in In- Phase (I) und Quadratur (Q) Signale demoduliert. Anschließend werden die demodulierten Signale einer A/D-Wandlung in den jeweiligen Wandlern 31 und 31 unterzogen und über den Bus 40 der Verarbeitungseinheit 50 zugeführt, in der die Berechnung des Einfallswinkels φ der von dem einzigen Zielobjekt reflektierten Welle anhand des Phasenunterschieds zwischen den Empfangsantennen aufgrund der nachstehenden Formel erfolgt :With reference to FIG. 2, a sensor element 10 for determining the angle of incidence φ (direction) according to the invention in a single target object (not shown) is shown. The sensor element 10 has a transmitting antenna 11 and at least two receiving antennas 1 and 2. Each of the receiving antennas 1 and 2 is connected to a respective quadrature detector 21 and 22 which detects the respective signals Ui and U 2 of the receiving antennas in-phase (I ) and quadrature (Q) signals demodulated. Then the demodulated signals subjected to an A / D conversion in the respective converters 31 and 31 and fed via the bus 40 to the processing unit 50, in which the angle of incidence φ of the wave reflected by the single target object is calculated on the basis of the phase difference between the receiving antennas based on the following formula:
2 ' . u, u, sin φ = —arctan π ",+--._.2 '. u, u, sin φ = —arctan π ", + --._.
Weitere Einzelheiten zur Demodulation mit Quadraturdetektor sind den Fachleuten geläufig, wie aus der US-6 184 830 (Owens) oder US-5 541 608 (Murphy) ersichtlich, und werden daher hier nicht wiederholt .Those skilled in the art are familiar with further details of demodulation with a quadrature detector, as can be seen from US Pat. No. 6,184,830 (Owens) or US Pat. No. 5,541,608 (Murphy), and are therefore not repeated here.
Sind mehrere Zielobjekte zu detektieren, so kann allein mit zwei Empfangsantennen nach dem obigen Prinzip und obiger Formel keine eindeutige Winkelaussage mehr getroffen werden. In der Fig. 3 ist diese Problematik dargestellt, die die Überlagerung der Wellen aus zwei verschiedenen Richtungen an einem einzigen Sensorenelement, das gemäß der Fig. 2 aufgebaut ist, verdeutlicht.If several target objects are to be detected, it is no longer possible to make a clear angular statement using just two receiving antennas according to the above principle and the above formula. This problem is illustrated in FIG. 3, which illustrates the superimposition of the waves from two different directions on a single sensor element, which is constructed according to FIG. 2.
Aus der Überlagerung der Wellen, welche von Zielobjekt 1 und 2 reflektiert wurden, ergibt sich aus dem Phasenunterschied zwischen den benachbarten Empfangsantennen ein Winkel, welcher sich aus dem Mittelwert der gewichteten Einfallswinkel C-i und 0.2 errechnet. Die Einfallswinkel αx und 0.2 können nicht mehr einzeln aus dieser Information gewonnen werden. Um diese Einfallswinkel getrennt auflösen zu können, ist eine weitere Empfangsantenne vonnöten. Die Anzahl der auflösbaren Winkelbereiche, also die Winkelauflösung, wird durch die Anzahl der Empfangsantennen bestimmt. Für ein mehrzielfähiges Radar-System muss daher eine Gruppenantenne mit sehr schmaler schwenkbarer Keule verwendet werden, wenn eine mechanisch schwenkbare Antenne vermieden werden soll. Die Apertur der Gruppenantenne ist folglich groß gegenüber der Wellenlänge und die Schaltung entsprechend teuer, da für jede Empfangs- antenne ein eigener Empfänger oder ein HF-Schalter nötig sind.From the superposition of the waves reflected from the target object 1 and 2, results from the phase difference between the adjacent receiving antennas, an angle, which is calculated from the average of the weighted angle of incidence C and 0. 2 The angle of incidence α and x 0. 2 can no longer be recovered separately from this information. In order to be able to resolve these angles of incidence separately, a further receiving antenna is required. The number of resolvable angular ranges, i.e. the angular resolution, is determined by the number of receiving antennas. For a multi-goal Radar system must therefore use a group antenna with a very narrow swiveling lobe if a mechanically swiveling antenna is to be avoided. The aperture of the array antenna is consequently large compared to the wavelength and the circuitry correspondingly expensive, since a separate receiver or an RF switch is required for each receiving antenna.
In der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Bestimmung der Richtung der Zielobjekte durch die zusätzliche Messung vonIn the arrangement according to the invention, the determination of the direction of the target objects is carried out by the additional measurement of
Laufzeitunterschieden zwischen benachbarten Empfangsantennen in kleinen Antennenarrays ermittelt.Differences in transit time between adjacent receiving antennas in small antenna arrays were determined.
Wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt, die jeweils Ausführungs- formen der Erfindung mit Impuls- und PN-Generator zeigen, besteht die erfindungsgemäße Anordnung aus einem Sensorelement 10, welches die Abstände mehrerer (nicht gezeigter) Zielobjekte über die LaufZeitmessung detektiert und für jeden detektierten Abstand aι_ und a2 getrennt den Phasenunterschied zwischen zwei benachbarten Empfangsantennen 1 und 2 erfasst, aus dem dann jeweils für jeden Abstand eine ihm zugeordneteAs shown in FIGS. 4A and 4B, which each show embodiments of the invention with pulse and PN generator, the arrangement according to the invention consists of a sensor element 10 which detects the distances of several (not shown) target objects via the running time measurement and for each detected distance aι_ and a 2 separately detects the phase difference between two adjacent receiving antennas 1 and 2, from which then one assigned to each distance
Winkelaussage ατ_ und 0.2 errechnet wird. Uneindeutige Winkel - aussagen sind nur noch in den Fällen möglich, in denen zwei oder mehrere Zielobjekte zu dem einen Sensorelement den selben Abstand haben.Angular statement ατ_ and 0. 2 is calculated. Ambiguous angle statements are only possible in cases where two or more target objects are at the same distance from one sensor element.
Sendeseitig wird ein zeitlich veränderliches Signal durch einen Impuls -Generator 60 bzw. einen PN-Generator 60' über die Sendeantenne 11 an die Umgebung gesendet und an mehreren Zielobjekten zurückgestreut. An den im Abstand von z. B. vorzugsweise einer halben Wellenlänge voneinander positionierten Empfangsantennen 1 und 2 wird das zurückgestreute Signal jeweils empfangen und nach Betrag und Phase in das Basisband durch die gezeigte Schaltung analog zur Schaltung der Fig. 2 transportiert. In jedem der beiden Empfangspfade wird eine komplexe Signal -Antwortfunktion über dem Abstand gebildet, wobei die Phase der komplexen Funktionswerte der Phase des empfangenen Signals entspricht. So ergibt sich beispielsweise aus der Impulsantwort im Falle eines Impulsradars bzw. aus der Korrelationsfunktion im Falle eines PN- (Pseudo-Noise-Code) -Radars jeweils eine Antwortfunktion über dem Abstand vom Sensor, welche in jenen Abständen zum Sensor Maxima aufweist, in denen sich Reflexionspunkte, also Zielob- jekte befinden. Vorzugsweise erfolgt die Korrelation über eine vorgegebene Verzögerung, die über die jeweiligen programmierbaren Delay-Ele ente 61 bereitgestellt wird. An jedem der Maxima kann die Phase des vom jeweiligen Zielobjekt rückgestreuten Signals abgelesen werden, da die Phase bis in das Basisband durchtransportiert wurde. Vergleicht man nun die beiden in den zwei Empfangspfaden erzeugten Antwortfunktionen, so kann für jedes Zielobjekt, also für jedes Maximum, der Phasenunterschied Δφ der jeweils von diesem Zielobjekt rückgestreuten Signale ermittelt werden. Dieser Phasenunter- schied ist auch zwischen den Empfangsantennen vorhanden. DieOn the transmission side, a signal which changes over time is transmitted to the environment by a pulse generator 60 or a PN generator 60 'via the transmission antenna 11 and is scattered back at a number of target objects. At the distance of z. B. preferably half a wavelength from each other receiving antennas 1 and 2, the backscattered signal is received and according to amount and phase in the baseband by the circuit shown analog to the circuit 2 transported. In each of the two reception paths, a complex signal response function is formed over the distance, the phase of the complex function values corresponding to the phase of the received signal. For example, the impulse response in the case of a pulse radar or the correlation function in the case of a PN (pseudo-noise code) radar results in a response function over the distance from the sensor, which has maxima at those distances from those in which there are reflection points, ie target objects. The correlation preferably takes place via a predetermined delay, which is provided via the respective programmable delay elements 61. The phase of the signal backscattered from the respective target object can be read from each of the maxima, since the phase has been transported through to the baseband. If one now compares the two response functions generated in the two reception paths, the phase difference Δφ of the signals backscattered from this target object can be determined for each target object, that is to say for each maximum. This phase difference is also present between the receiving antennas. The
Maxima, an denen die Phasenunterschiede Δφi und Δφ2 der reflektierten Signale der Zielobjekte 1 und 2 ermittelt werden, sind aus der Fig. 4C ersichtlich, in der exemplarisch anhand der Impulsantwort die Signal -Antwortfunktionen über dem Ab- stand dargestellt werden. Die Maxima befinden sich, wie bereits vorstehend erläutert, an der Stelle von Zielobjekt- Abständen. Die Antwortfunktion am ersten Empfangspfad zum und vom ersten Zielobjekt wird mit einer durchgehenden Linie dargestellt. Die Antwortfunktion am zweiten Empfangspfad zum und vom zweiten Zielobjekt wird mit einer gestrichelten Linie dargestellt .Maxima, at which the phase differences Δφi and Δφ 2 of the reflected signals of the target objects 1 and 2 are determined, can be seen from FIG. 4C, in which the signal response functions are shown by way of example using the impulse response as the distance. As already explained above, the maxima are located at the target object distances. The response function on the first reception path to and from the first target object is shown with a solid line. The response function on the second reception path to and from the second target object is shown with a dashed line.
Aus dem Phasenunterschied zwischen den an den beiden Empfangsantennen vorhandenen Signalen kann nun für jedes Ziel- Objekt getrennt auf den jeweiligen Einstrahlwinkel αι_ und cc nach dem Prinzip retrodirektiver Arrays geschlossen werden.From the phase difference between the signals present at the two receiving antennas, it is now possible to Object can be concluded separately on the respective angle of incidence αι_ and cc according to the principle of retrodirective arrays.
Befindet sich z. B. ein Zielobjekt im Winkel ot]_ und ein weiteres Zielobjekt im Winkel 2 zu den benachbarten Empfangsantennen 1 und 2, so kann der Einfallswinkel ^ und 0-2 der von dem Zielobjekt reflektierten Welle jeweils aus dem Phasenunterschied zwischen den Empfangsantennen errechnet werden mit den jeweiligen Formeln:Is z. B. a target object at an angle ot] _ and another target object at an angle 2 to the adjacent receiving antennas 1 and 2, so the angle of incidence can ^ and 0- 2 of the light reflected from the target object wave are respectively calculated from the phase difference between the receiving antennas with the respective formulas:
Wie unter anderem aus der Fig. 4C verständlich, fallen die Maxima bei zwei im gleichen oder im annähernd gleichen Abstand zum dem einen Sensorelement befindlichen Zielobjekten zusammen, so dass keine eindeutige Detektion der Einfallswinkel α]_ und α möglich ist.As can be understood, inter alia, from FIG. 4C, the maxima coincide with two target objects located at the same or approximately the same distance from the one sensor element, so that no clear detection of the angles of incidence α] _ and α is possible.
Erfindungsgemäß wird in diesem Fall der Einsatz von zwei oder mehreren Sensorelementen, welche an verschiedenen Standpunkten angebracht werden, vorgeschlagen. Dieses erzeugt dann die Eindeutigkeit, da zwei oder mehrere Objektziele, die zu einem der Sensorelemente den gleichen Abstand haben, zu dem anderen Sensorelement bzw. den anderen Sensorelementen jeweils einenIn this case, the use of two or more sensor elements which are attached at different points of view is proposed according to the invention. This then creates the uniqueness, since two or more object targets that are at the same distance from one of the sensor elements are each one from the other sensor element or the other sensor elements
sinα, = sinα, =
2 sin or, = — arctan π verschiedenen Abstand haben müssen. Kann also der Winkel von zwei Zielobjekten an einem Sensorelement nicht erfasst werden, da die Zielobjekte in der selben Abstandszelle liegen, so kann die Lage der Zielobjekte in jedem der weiteren Sen- sorelemente bestimmt werden, da die Zielobjekte bezüglich dieser Sensorelemente in verschiedenen Abstandszellen liegen. Grundsätzlich sind zwei Sensorelemente ausreichend, um auf diese Weise die Positionen aller Zielobjekte zu orten. Weitere Sensorelemente können jedoch zur Erhöhung der Genauig- keit und Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereiches dienen und stellen darüber hinaus vorteilhaft eine Sicherung dar, falls an einem der Sensorelemente kein oder ungenügender Empfang herrscht .2 sin or, = - arctan π must have different distances. If the angle of two target objects on a sensor element cannot be detected because the target objects are in the same distance cell, the position of the target objects in each of the further sensor elements can be determined, since the target objects are located in different distance cells with respect to these sensor elements. Basically, two sensor elements are sufficient to locate the positions of all target objects in this way. However, further sensor elements can serve to increase the accuracy and enlargement of the uniqueness range and, moreover, advantageously represent a safeguard if there is no or insufficient reception at one of the sensor elements.
Fig. 5 zeigt die Erkennung der Konturlinie eines ausgedehnten Zielobjektes (z. B. Stoßstange) und eines "punktförmigen" Zielobjektes (z. B. Laternenmast) mit drei vernetzten Sensorelementen 10, 10' und 10".5 shows the detection of the contour line of an extended target object (eg bumper) and a “point-shaped” target object (eg lamppost) with three networked sensor elements 10, 10 'and 10 ".
Die Winkelerkennung in jedem Sensorelement 10, 10' und 10" ist nötig, um eine eindeutige Aussagen über die Lage der Streupunkte zu erhalten und erfolgt analog zu den vorstehend geschilderten Ausführungsformen der Erfindung. Der Einsatz von mehreren Sensorelementen 10, 10' und 10" an verschiedenen Standpunkten bewirkt, dass keine falschen Winkelangaben entstehen, wenn mehrere Streupunkte den gleichen Abstand zu einem Sensorelement haben. Zudem können an ausgedehnten Ziel- objekten (wie z. B. Stoßstangen) mindestens die Anzahl von Streupunkten detektiert werden, die auch die Anzahl der Sen- sorelemente ist. Die Vernetzung aller Sensorelemente über deren Funkstrecke bewirkt, dass an ausgedehnten Zielobjekten (wie z. B. Stoßstangen) mindestens die Anzahl von Streupunkten detektiert werden, die gleich der Anzahl der möglichen Paar-Kombinationen zwischen allen Sensorelementen ist, wie in der Fig. 5 gezeigt. Auch ein weiteres Zielobjekt wie z. B. ein Laternenmast kann von den Sensoren gleichzeitig detektiert werden.The angle detection in each sensor element 10, 10 'and 10 "is necessary in order to obtain clear statements about the position of the scattering points and is carried out analogously to the above-described embodiments of the invention. The use of a plurality of sensor elements 10, 10' and 10" different viewpoints means that no incorrect angle information is created if several scattering points are at the same distance from a sensor element. In addition, at least the number of scatter points, which is also the number of sensor elements, can be detected on extended target objects (such as, for example, bumpers). The networking of all sensor elements via their radio link means that at least the number of scattering points is detected on extended target objects (such as bumpers), which is equal to the number of possible pair combinations between all sensor elements, as in 5. Another target such as B. a lamppost can be detected by the sensors at the same time.
Die Auswertung der Messergebnisse der vernetzten Sensorelementen erfolgt über eine geeignete Programmierung der Verarbeitungseinheit, die die Phasen- und Abstandsinformation von jedem der Sensorelemente erhält, und die z. B. bei Uneindeu- tigkeit (kein Abstand zwischen den erfassten Maxima) die unverwertbare Information herausfiltert und nur die Information des günstig liegenden Sensorenelements auswertet.The evaluation of the measurement results of the networked sensor elements takes place via a suitable programming of the processing unit, which receives the phase and distance information from each of the sensor elements, and the z. B. in the event of ambiguity (no distance between the detected maxima), the unusable information is filtered out and only the information of the conveniently located sensor element is evaluated.
Bei der Ausführungsform der Fig. 5 mit einer Vielzahl von Sensorelementen können diese in Form von PN-Code-Sensoren gleichzeitig aneinander vorbei senden und empfangen, oder im Zeitmultiplex, wie in der folgenden beispielhaft beschrieben Tabelle 1.In the embodiment of FIG. 5 with a large number of sensor elements, these can transmit and receive past one another simultaneously in the form of PN code sensors, or in time division multiplexing, as described in Table 1 below by way of example.
Tabelle 1Table 1
0.1ms 02ms Erkennung von Körpern0.1ms 02ms detection of bodies
1 Sequenz durch Radarbetrieb1 sequence by radar operation
08ms 0.9ms Erkennung der Sensoren anderer Fahrzeuge Die im Zeitmultiplex betriebenen Sensorelemente A bis H der Tabelle 1 können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie in der Fig. 6 gezeigt an einem Fahrzeug angebracht werden, um alle relevanten Detektionsrichtungen abzu- decken.08ms 0.9ms detection of the sensors other vehicles According to one embodiment of the present invention, the sensor elements A to H in Table 1 operated in time division multiplex can be attached to a vehicle as shown in FIG. 6 in order to cover all relevant detection directions.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die Figuren 7 bis 10 eine weitere Ausführungsform der Winkelerkennung mit kleinen Antennengruppen beschrieben. Dabei werden verschiedene Formen der StrahlSchwenkung und die Anwendung des Prinzips intelligenter Antennen auf die Ortung von verschiedenen Standpunkten aus eingesetzt.Another embodiment of angle detection with small antenna groups will now be described with reference to FIGS. 7 to 10. Different forms of beam swiveling and the application of the principle of intelligent antennas are used for location from different points of view.
Ist auch in Senderichtung eine kleine Gruppe von Sendean- tennen vorhanden, wobei jede Antenne oder zumindest jedeIf there is also a small group of transmitting antennas in the direction of transmission, each antenna or at least each
Untergruppe jeweils getrennt nach Amplitude und Phase angesteuert werden kann, so können Antennenkeulen verschiedener Art erzeugt und geschwenkt werden. Die Vielfalt der möglichen Antennenkeulen führt dazu, dass die Winkelauflösung des Sy- stems höher wird, indem nacheinander mehrere Arten von Sende- Antennenkeulen geschwenkt werden und gleichzeitig die Empfangskeulen geschwenkt werden. Man kann also vier Freiheitsgrade nutzen, um die Art der Winkelmessung zu variieren:Subgroup can be controlled separately according to amplitude and phase, antenna beams of different types can be generated and swiveled. The variety of possible antenna lobes means that the angular resolution of the system becomes higher by successively pivoting several types of transmitting antenna lobes and simultaneously pivoting the receiving lobes. So you can use four degrees of freedom to vary the type of angle measurement:
1. Form der Sende-Antennenkeule (z. B. mit Maximum oder mit Einbruch in Richtung des Schwenkwinkels)1. Shape of the transmitting antenna lobe (e.g. with maximum or with a dip in the direction of the swivel angle)
2. Form der Empfangs-Antennenkeule ,2. shape of the receiving antenna lobe,
3. Schwenkwinkel der Sende-Antennenkeule, und3. swivel angle of the transmitting antenna lobe, and
4. Schwenkwinkel der Empfangs-Antennenkeule .4. Swivel angle of the receiving antenna lobe.
Diese vier Freiheitsgrade sind unabhängig voneinander. Variiert man die Winkelmessung nach allen vier Freiheitsgraden nacheinander, so erhöht sich die Genauigkeit der Winkelaussage um ein vielfaches im Vergleich zu einer Winkelmessung, die nur durch die Schwenkung einer einzigen Keulenart zustande kommt. Als ein fünfter Freiheitsgrad kann das Vorhandensein weiterer synchronisierter Sensorelemente gesehen werden, die in beliebiger Kombination gleichzeitig senden können. Hier werden also auch die unterschiedlichen räumlichen Standpunkte der Sensorelemente für eine Steigerung der Variabilität der Messungen genützt.These four degrees of freedom are independent of each other. If you vary the angle measurement in succession according to all four degrees of freedom, the accuracy of the angle statement increases many times compared to an angle measurement, which only comes about by swinging a single type of club. A fifth degree of freedom can be seen as the presence of further synchronized sensor elements which can transmit simultaneously in any combination. Here, the different spatial positions of the sensor elements are also used to increase the variability of the measurements.
Es ergibt sich somit eine Vielfalt verschiedener Winkelmes- sungen, die in Summe eine weitaus höhere Aussagekraft bezüglich Mehrzielfähigkeit und Genauigkeit besitzen als in einer einzigen konventionellen Winkelmessung. Einige exemplarische Anordnungen, die Variationen der Erfindung anhand der vorstehenden vier Freiheitsgrade verdeutlichen, wird in dem nachstehenden Beispiel erläutert.This results in a variety of different angle measurements, which in total are far more meaningful in terms of multi-target capability and accuracy than in a single conventional angle measurement. Some exemplary arrangements that illustrate variations of the invention using the above four degrees of freedom are explained in the example below.
Beispiel: Anordnung mit Sendeantenne A und Empfangsantenne B: Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 wird mit einer Antennenkeule, deren Maximum in Richtung des Schwenkwinkels α liegt, zuerst eine grobe Winkelabtastung vorgenommen, deren Auflösung durch die Breite der Antennenkeule gering ist . Für die Verbesserung der Auflösung in dieser Messung könnte nur durch die Verwendung größerer Arrays die Breite der Antennenkeule verkleinert werden. Um große Arrays zu ersparen, wird hier nacheinander die Art der Messungen anhand der vorstehenden vier Freiheitsgrade variiert.Example: Arrangement with transmitting antenna A and receiving antenna B: With reference to FIG. 7, with an antenna lobe whose maximum lies in the direction of the swivel angle α, a rough angular scan is first carried out, the resolution of which is low due to the width of the antenna lobe. To improve the resolution in this measurement, the width of the antenna lobe could only be reduced by using larger arrays. In order to save large arrays, the type of measurements is varied one after the other using the above four degrees of freedom.
In der Messung 1 erfolgt, wie aus der Fig. 7 zu ersehen, die Schwenkung einer Sendekeule mit einem Maximum in Schwenkwin- kel-Richtung, wobei die Keule der Empfangsantenne omnidirektional ist.In measurement 1, as can be seen from FIG. 7, a transmitting lobe is pivoted with a maximum in the direction of the pivot angle, the lobe of the receiving antenna being omnidirectional.
In der Messung 1 entstehen Maxima in der Übertragung oder zumindest höhere Ubertragungswerte für jene Schwenkwinkel α, welche auf Zielobjekte oder Streupunkte auf Zielobjekten gerichtet sind .Measurement 1 produces maxima in the transmission or at least higher transmission values for those swivel angles α, which are aimed at target objects or scatter points on target objects.
In der nachfolgenden Messung 2 wird, wie in der Fig. 8 ge- zeigt, eine gespaltene Antennenkeule geschwenkt. An denIn the subsequent measurement 2, as shown in FIG. 8, a split antenna lobe is pivoted. To the
Schwenkwinkeln α, welche auf Zielobjekte bzw. Streupunkte auf Zielobjekten gerichtet sind, entstehen nun erwartungsgemäß Minima. Da die Störeffekte durch Überlagerung der Rückstreuungen anderer Zielobjekte bei dieser Messung anders sind als bei Messung 1, kann der Einfluss der Störeffekte auf diePanning angles α, which are aimed at target objects or scattering points on target objects, are now, as expected, minima. Since the interference effects due to the overlapping of the backscatter of other target objects are different in this measurement than in measurement 1, the influence of the interference effects on the
Messgenauigkeit dann verkleinert werden, wenn man die Ergebnisse von Messung 1 und Messung 2 gemeinsam verarbeitet. Ein Zielobjekt befindet sich also bevorzugt in der Richtung α, wenn die Messung 1 einen erhöhten Wert und die Messung 2 gleichzeitig ein Minimum anzeigt.Measurement accuracy can be reduced if the results of measurement 1 and measurement 2 are processed together. A target object is therefore preferably in the direction α if measurement 1 simultaneously indicates an increased value and measurement 2 shows a minimum.
Schwenkt man nun auch die Empfangskeule in verschiedenen Variationen, wie in den Figuren 9 und 10 gezeigt, so kann aus der Vielfalt der Messergebnisse auf die Richtungen der Ziel- Objekte mit großer Genauigkeit geschlossen werden. So z. B. Erfolgt in der Messung gemäß der Fig. 9 die Schwenkung einer Sendekeule mit Maximum in Schwenkwinkel-Richtung, wobei die Keule der Empfangsantenne schrittweise ebenfalls geschwenkt wird. In der Fig. 10 erfolgt die Messung 4 mit Schwenkung einer gespaltenen Sendekeule mit Einbruch in Schwenkwinkel- Richtung, wobei die gespaltene Keule der Empfangsantenne schrittweise ebenfalls geschwenkt wird.If one swings the receiving lobe in various variations, as shown in FIGS. 9 and 10, the directions of the target objects can be deduced with great accuracy from the variety of measurement results. So z. B. If, in the measurement according to FIG. 9, a transmitting lobe is pivoted with a maximum in the direction of the pivoting angle, the lobe of the receiving antenna also being gradually pivoted. In FIG. 10, measurement 4 is carried out by pivoting a split transmitting lobe with a dip in the direction of the pivoting angle, the split lobe of the receiving antenna also being gradually pivoted.
Wenn Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Schutzumfangs solcher Elemente dar, die nur exemplarisch durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind. If features in the claims are provided with reference symbols, these reference symbols are only present for a better understanding of the claims. Accordingly, such reference numerals do not represent any restrictions on the scope of protection of those elements which are identified only by way of example by such reference numerals.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mehrzielfähiges Verfahren für die Abstands- und Win- kelortung von Zielobjekten im Nahbereich, das folgendes umfasst,1. Multi-targetable method for the distance and angular location of target objects in the close range, which comprises the following,
a) Senden eines charakteristischen Signals mittels einer Sendeantenne (11) eines ersten Sensorelements (10) ; b) Empfangen des reflektierten charakteristischena) transmitting a characteristic signal by means of a transmitting antenna (11) of a first sensor element (10); b) receiving the reflected characteristic
Signals an mindestens zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10); c) Messung der Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zu den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) zur Bestimmung der Abstände der Zielobjekte zum ersten Sensorelement (10) ; und d) Messung der Phasenunterschiede des reflektiertenSignals at at least two adjacent receiving antennas (1, 2) of the first sensor element (10); c) measuring the transit time differences of the reflected characteristic signal to the two adjacent receiving antennas (1, 2) of the first sensor element (10) to determine the distances of the target objects to the first sensor element (10); and d) measuring the phase differences of the reflected
charakteristischen Signals zwischen den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) zur Bestimmung der Winkel der Zielobjekte zum ersten Sensorelement (10) .characteristic signal between the two adjacent receiving antennas (1, 2) of the first sensor element (10) for determining the angle of the target objects to the first sensor element (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1, das die folgenden Schritte umfasst, die mittels mindestens eines weiteren Sensorelements (10', 10") durchgeführt werden, das vom ersten Sensorelement (10) beabstandet ist: e) Senden des charakteristischen Signals mittels einer Sendeantenne des zweiten Sensorelements (10', 10"); f) Empfangen des reflektierten charakteristischen Signals an mindestens zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10"); g) Messung der Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zu den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10") zur Bestimmung der Abstände der Zielobjekte zum zweiten Sensorelement (10', 10"); und h) Messung der Phasenunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zwischen den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10") zur Bestimmung der Winkel der Zielobjekte zum zweiten Sensorelement (10', 10") .2. The method as claimed in claim 1, which comprises the following steps, which are carried out by means of at least one further sensor element (10 ', 10 ") which is spaced from the first sensor element (10): e) transmitting the characteristic signal by means of a Transmitting antenna of the second sensor element (10 ', 10 "); f) receiving the reflected characteristic signal at at least two adjacent receiving antennas (1, 2) of the second sensor element (10', 10"); g) measuring the transit time differences of the reflected characteristic signal to the two adjacent receiving antennas (1, 2) of the second sensor element (10 ', 10 ") to determine the distances of the target objects to the second sensor element (10', 10"); and h) measuring the phase differences of the reflected characteristic signal between the two adjacent receiving antennas (1, 2) of the second sensor element (10 ', 10 ") to determine the angles of the target objects to the second sensor element (10', 10").
3. Verfahren nach Anspruch 2 , das die Durchführung der Schritte e) bis h) umfasst, für den Fall, dass die im ersten Sensorelement (10) gemessenen Laufzeitunterschiede annähernd oder gleich Null sind.3. The method according to claim 2, which comprises carrying out steps e) to h), in the event that the transit time differences measured in the first sensor element (10) are approximately or equal to zero.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, wobei das charakteristische Signal ein FMCW-, Impuls- oder Pseudo-Noise-Signal ist.4. The method according to one or more of claims 1-3, wherein the characteristic signal is an FMCW, pulse or pseudo-noise signal.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, das weiterhin die Vernetzung einer Vielzahl von Sensorelementen (10, 10', 10") umfasst.5. The method according to one or more of claims 1-4, further comprising the networking of a plurality of sensor elements (10, 10 ', 10 ").
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, das weiterhin einen oder mehrere der folgenden Schritte in beliebiger Reihenfolge umfasst:6. The method according to one or more of claims 1-5, further comprising one or more of the following steps in any order:
Variieren der Form der Keule der Sendeantennen; Variieren der Form der Keule der Empfangsantennen, Variieren des Schwenkwinkels der Keule der Sendeanten nen, oderVarying the shape of the beam of the transmitting antennas; Varying the shape of the receiving antenna lobe, varying the pivoting angle of the transmitting antenna lobe nen, or
Variieren des Schwenkwinkels der Keule der Empfangsan tennen.Varying the swivel angle of the club of the receive antenna.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Variieren der Form der Keule mit einem Maximum oder mit einem Einbruch in Richtung des Schwenkwinkels erfolgt.7. The method according to claim 6, wherein the variation of the shape of the club takes place with a maximum or with a dip in the direction of the pivot angle.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-7, wobei der Abstand von zwei Sensorelementen größer ist als8. The method according to one or more of claims 2-7, wherein the distance between two sensor elements is greater than
Abstandsauflösung eines jeden der Sensorelements.Distance resolution of each of the sensor elements.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, wobei die Messung der Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals die Erfassung der Maxima der Signal-Antwortfunktionen des charakteristischen Signals umfasst und wobei die Messung der Phasenunterschiede an den jeweiligen Maxima erfolgt .9. The method according to one or more of claims 1-8, wherein the measurement of the transit time differences of the reflected characteristic signal comprises the detection of the maxima of the signal response functions of the characteristic signal and wherein the phase differences are measured at the respective maxima.
10. Mehrzielf hige Sensorvorrichtung für die Abstands- und Winkelortung von Zielobjekten im Nahbereich, die ein erstes Sensorelements (10) mit einer Sendeantenne (11) und mindestens zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) umfasst, wobei die Sendeantenne (11) des ersten Sensorelements (10) ausgebildet ist, um ein charakteristisches Signal zu senden; wobei die mindestens zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) ausgebildet sind, um das reflektierte charakteristische Signals zu empfangen; wobei die Sensorvorrichtung weiterhin Mittel (21, 22, 31, 32, 40, 50) umfasst, die ausgebildet sind, um die Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zu den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) zur Bestimmung der Abstände der Zielobjekte zum ersten Sensorelement (10) zu messen; und um die Phasenunterschiede des reflektierten charakte- ristischen Signals zwischen den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des ersten Sensorelements (10) zur Bestimmung der Winkel der Zielobjekte zum ersten Sensorelement (10) zu messen.10. Multi-directional sensor device for the distance and angular location of target objects in the close range, which comprises a first sensor element (10) with a transmitting antenna (11) and at least two adjacent receiving antennas (1, 2), the transmitting antenna (11) of the first sensor element (10) is designed to send a characteristic signal; wherein the at least two adjacent receiving antennas (1, 2) of the first sensor element (10) are designed to receive the reflected characteristic signal; wherein the sensor device further comprises means (21, 22, 31, 32, 40, 50) which are designed to compare the transit time differences of the reflected characteristic signal to the two neighboring ones Measure receiving antennas (1, 2) of the first sensor element (10) for determining the distances of the target objects from the first sensor element (10); and to measure the phase differences of the reflected characteristic signal between the two adjacent receiving antennas (1, 2) of the first sensor element (10) for determining the angles of the target objects to the first sensor element (10).
11. Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, die mindestens ein weiteres Sensorelement (10', 10") umfasst, das vom ersten Sensorelement (10) beabstandet ist, wobei die Sendeantenne (11) des zweiten Sensorelements (10', 10") ausgebildet ist, um das charakteristisches Signal zu senden; wobei die mindestens zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10") ausgebildet sind, um das reflektierte charakteristische Signals zu empfangen; wobei die Mittel (21, 22, 31, 32, 40, 50) weiterhin ausgebildet sind, um die Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zwischen den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10") zur Bestimmung der Abstände der Zielobjekte zum zweiten Sensorelement (10', 10") zu messen; und um die Phasenunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals zwischen den zwei benachbarten Empfangsantennen (1, 2) des zweiten Sensorelements (10', 10") zur Bestimmung der Winkel der Zielobjekte zum zweiten Sensorelement (10', 10") zu messen.11. Sensor device according to claim 10, which comprises at least one further sensor element (10 ', 10 "), which is spaced from the first sensor element (10), the transmitting antenna (11) of the second sensor element (10', 10") being formed, to send the characteristic signal; wherein the at least two adjacent receiving antennas (1, 2) of the second sensor element (10 ', 10 ") are designed to receive the reflected characteristic signal; wherein the means (21, 22, 31, 32, 40, 50) are further configured are to measure the transit time differences of the reflected characteristic signal between the two adjacent receiving antennas (1, 2) of the second sensor element (10 ', 10 ") for determining the distances of the target objects from the second sensor element (10', 10"); and to measure the phase differences of the reflected characteristic signal between the two adjacent receiving antennas (1, 2) of the second sensor element (10 ', 10 ") in order to determine the angles of the target objects to the second sensor element (10', 10").
12. Sensorvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Mittel (21, 22, 31, 32, 40, 50) weiterhin ausgebildet sind, die Laufzeit- und Phasenunterschiede mittels des zweiten Sensorelements (10', 10") zu erfassen, falls die im ersten Sensorelement (10) gemessenen Laufzeitunterschiede annähernd oder gleich Null sind.12. Sensor device according to claim 11, wherein the means (21, 22, 31, 32, 40, 50) are further formed, the Detect transit time and phase differences by means of the second sensor element (10 ', 10 ") if the transit time differences measured in the first sensor element (10) are approximately or equal to zero.
13. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10-12, wobei das charakteristische Signal ein FMCW- , Impuls- oder Pseudo-Noise-Signal ist.13. Sensor device according to one or more of claims 10-12, wherein the characteristic signal is an FMCW, pulse or pseudo-noise signal.
14. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10-13, wobei eine Vielzahl von Sensorelementen (10, 10', 10") vernetzt ist.14. Sensor device according to one or more of claims 10-13, wherein a plurality of sensor elements (10, 10 ', 10 ") is networked.
15. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10-14, wobei die Sende- und/oder Empfangsantennen ausgebildet sind: die Form der Keule der Sendeantennen zu variieren; die Form der Keule der Empfangsantennen zu variieren, den Schwenkwinkel der Keule der Sendeantennen zu variieren, oder den Schwenkwinkel der Keule der Empfangsantennen zu variieren.15. Sensor device according to one or more of claims 10-14, wherein the transmitting and / or receiving antennas are designed: to vary the shape of the lobe of the transmitting antennas; to vary the shape of the receiving antenna lobe, to vary the pivoting angle of the transmitting antenna lobe, or to vary the pivoting angle of the receiving antenna lobe.
16. Sensorvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Variieren der Form der Keule mit einem Maximum oder mit einem Einbruch in Richtung des Schwenkwinkels erfolgt.16. Sensor device according to claim 15, wherein the variation of the shape of the lobe takes place with a maximum or with a dip in the direction of the pivot angle.
17. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11-16, wobei der Abstand von zwei Sensorelementen größer ist als die Abstandsauflösung eines jeden der Sensorelemente,17. Sensor device according to one or more of claims 11-16, wherein the distance between two sensor elements is greater than the distance resolution of each of the sensor elements,
18. Sensorvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11-17, wobei die Mittel (21, 22, 31A, 32, 40, 50) weiter hin ausgebildet sind, die Messung der Laufzeitunterschiede des reflektierten charakteristischen Signals anhand der Maxima der Signal -Antwortfunktionen des charakteristischen Signals durchzuführen, wobei die Messung der Phasenunterschiede an den jeweiligen Maxima erfolgt. 18. Sensor device according to one or more of claims 11-17, wherein the means (21, 22, 31 A , 32, 40, 50) are further designed to measure the transit time differences of the reflected characteristic signal using the maxima of the signal response functions of the characteristic signal, the phase differences being measured at the respective maxima.
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