EP1828805A1 - Radar system with adaptive digital reception beam forming and switchable transmission directional characteristics for coverage of near and far range - Google Patents

Radar system with adaptive digital reception beam forming and switchable transmission directional characteristics for coverage of near and far range

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Publication number
EP1828805A1
EP1828805A1 EP05808119A EP05808119A EP1828805A1 EP 1828805 A1 EP1828805 A1 EP 1828805A1 EP 05808119 A EP05808119 A EP 05808119A EP 05808119 A EP05808119 A EP 05808119A EP 1828805 A1 EP1828805 A1 EP 1828805A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radar system
antenna
receiving
range
radar
Prior art date
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Ceased
Application number
EP05808119A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Schoeberl
Thomas Focke
Thomas Hansen
Martin Schneider
Joerg Schoebel
Volker Gross
Oliver Brueggemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1828805A1 publication Critical patent/EP1828805A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/03Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • G01S7/032Constructional details for solid-state radar subsystems
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S13/00Systems 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
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06Systems determining position data of a target
    • G01S13/42Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
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    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/931Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/24Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation by switching energy from one active radiating element to another, e.g. for beam switching
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S13/00Systems 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
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/931Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G01S2013/9327Sensor installation details
    • G01S2013/93272Sensor installation details in the back of the vehicles

Definitions

  • radar sensors In the field of driver assistance functions with predictive detection systems, radar sensors have primarily been used in the frequency range 76 to 77 GHz in the past few years
  • the limit of the horizontal detection width which consists of the selected
  • Antenna concepts resulting, is also disadvantageous because, for example, Einscherer only very late detected or relevant objects in tight curves more often disappear from the "field of vision.”
  • an extension of the field of view in the near to medium range is mandatory required.
  • additional sensors such as video or, for the ultralight range up to about 3 m, ultrasonic sensors.
  • Detection range can be determined very precisely (angular accuracy), but this is generally only possible reliably if only one object is to be detected at a certain distance and with a certain relative speed. If there are two or more objects at the same distance and they may also have the same speed, then today's radar sensors can only be single
  • WO 2004/051308 A1 relates to a device for measuring angular positions using radar pulses and mutually overlapping antenna beam characteristics of at least two antenna elements. At the receiving end, a common evaluation of received signals of at least two antenna elements takes place.
  • a switch for switching between at least two different directional characteristics, at least two receiving antennas, an evaluation device for the common evaluation of the digitized signals at least two receiving antennas in the sense of a correlation of the receiving antenna signals can be a very wider horizontal
  • Detection area e.g. up to ⁇ 40 °, at medium ranges (1 ... 50 m), e.g. for early detection of scrapers in this distance range, and a narrow horizontal detection range, e.g. ⁇ 6 °, reach at long ranges (80 ... 150 m).
  • the different distance ranges can be switched flexibly and optionally dynamically. Due to the possibility of using digital evaluation methods, a high angle separation, in particular by parameter estimation methods, can be achieved. For a secure detection of a lane situation or a separation of closely adjacent and possibly very different vehicles is possible.
  • planar radiators in particular patch elements which can be controlled individually or in particular by columns, can be achieved with a low structural depth.
  • the front-end design of the radar system is scalable, which means that the front-end can be adapted to special requirements, such as locating field, range, and thus eg in the rear area by means of special embodiments - A -
  • the invention allows the use of modern evaluation methods, whose angular separation power is not directly related to the size of the radiating aperture, but theoretically is almost independent of this.
  • planar antenna structures such as so-called patch antennas, or other planar antenna structures such as dipoles or short, empty end stubs ("stubs") are particularly advantageous, which also offer the possibility of maximum flat front ends for
  • the parallel individual radiators preferably have a spacing of the order of half the free-space wavelength, ie approximately 2 mm at 77 GHz.
  • the receiving side on the high-frequency level no need
  • Beam lobes are formed, but the received signals of individual antenna columns directly digital, or after appropriate digitization, further processed (digital beam shaping) in the sense of a correlation of the antenna signals.
  • digital beam shaping digital beam shaping
  • the constraints of beamforming at the digital level can be circumvented by using high resolution estimation techniques for angle determination.
  • FIG. 1 shows a block diagram for a radar front end
  • FIG. 2 shows a single antenna element
  • FIG. 3 series-fed antenna elements, FIG. 4 antenna elements fed in parallel,
  • FIG. 5 and FIG. 6 embodiments of transmitting antennas with a plurality of individual radiators
  • FIG. 7 shows a transmitting antenna designed as a single element
  • FIG 8 shows a transmitting antenna executed with several individual elements and more specific
  • Figure 9 shows a radar front end with two different local oscillator frequencies for
  • FIG. 10 the switching between two transmitting antennas
  • FIG. 11 Connection / disconnection of elements within an antenna
  • Figure 12 to 14 reception concepts with extension by amplifiers and multiplexers
  • Figure 15 shows the distribution of the local oscillator signal with repeaters.
  • FIG. 1 shows a block diagram for a radar front end 1.
  • This front end 1 consists in detail of: a possibly stabilized via a PLL and optionally via a DRO, modulatable, preferably in so-called MMICs highly integrated 77 GHz source 2 (so-called modulated local oscillator), a transmitting unit 4 consisting of: - at least two different transmit antennas 41 and 42 in planar technology
  • Antenna patch of which an antenna 41 is designed so that it generates a comparatively highly concentrated antenna lobe by corresponding superposition of the waves belonging to the antenna 41, a further antenna 42 which is designed so that they by appropriate superposition of the waves to antenna 42 belonging to individual radiators a comparatively broad azimuthal antenna characteristic generated or consists of only one radiating element, optionally further transmit antennas which are designed so that they generate further, special transmission characteristics, a 77 GHz switch 40 for switching between the different transmitting antennas, that is between the Antennas 41 and 42 and optionally further antennas, a receiving unit 5 consisting of at least two parallel, receiving individual emitters 51 and 52 and optionally further in planar technology (patch antennas), the received signals by a mixer unit 50 in u nffenbarer antenna proximity are mixed down into an intermediate frequency band (baseband), and a power divider 3, so-called Tx-Rx power divider, for dividing the
  • the respective individual emitters 43 of the transmitting antennas 41, 42 and receiving antennas 51, 52 may, as shown in FIGS. 2 to 4, consist of a single patch 60 or of a plurality of vertically stacked patches (antenna gaps).
  • the latter is in the absence of further bundling units, e.g. Cylindrical lens, advantageous to both the transmitting and receiving side in the elevation plane, the energy parallel to
  • Bundle road level The feeding of the patches in a column takes place as series feed 61, parallel feed 62 (corporate feed) or as a combination thereof.
  • a radiation-coupled supply for example via multi-layer slot patch or patch patch couplings, is also possible.
  • the antenna column is thus arranged perpendicular to the road surface. Bundling in elevation could be both send and receive also be carried out at the receiving end by using a cylindrical lens, then a single radiator would be represented by a single patch. Their focal line would then correspond approximately to the center lines of the individual patches.
  • 77 GHz source 2 To represent the 77 GHz source 2, commercially available chips or chipsets in MMIC technology or other 77 GHz generating elements such as e.g. Gunn elements are used.
  • the first transmission antenna 41 is shown in FIG 5 by the use of several
  • the analog connection 44 in the sense of a power divider allows e.g. the assignment of the individual emitters by a certain amplitude distribution. This can e.g. be chosen so that the so-called side lobes of the antenna 41 occupy a very low level below the main lobe, e.g. -30 dB. As a result, in contrast to conventional sensors, it is possible to minimize disturbances caused by "illumination" of objects outside the main lobe For example, the use of seven individual radiators in antenna 41 permits a main lobe width of ⁇ 6.5 ° with a lowering of the side lobes
  • Figure 6 shows a variant of four columns of individual radiators 43.
  • the second transmitting antenna 42 is used to achieve the widest possible azimuthal illumination.
  • the use of a single radiating element in antenna 42 according to FIG. 7 enables a main lobe width of approximately ⁇ 40 °.
  • the use of the high-beam antenna 41 would allow objects at a great distance, e.g. 80 m ... 150 m, but only in a narrow angular range.
  • the use of the azimuthally broad-emitter antenna 42 would allow objects of e.g. in the run-up to the ego vehicle in a very wide azimuthal detection area to locate. Since the 77GHz energy is not focused, but radiated "wide", distant, objects are only slightly illuminated, so that their reflections are low and therefore not disturbing Antenna 41 would thus be the antenna for the operating mode LRR (Long Range Radar) while Antenna 42 would be used for the MRR (Medium Range Radar) or SRR (Short Range Radar) mode and would, for example, serve timely detection of pruning shears or other relevant objects in the outer (near to mid range) range Modes MRR / SRR is that the receiving individual emitters 51, 52 and possibly further have a broad azimuthal beam characteristic.
  • the overall unit with the described switching options can be referred to as a URR (Universal Range Radar).
  • transmission antennas may be used to e.g. to generate further specific transmission characteristics, e.g. azimuthal or optionally also vertically tilted beams, that is radar beams whose maximum does not point in the direction perpendicular to the front end but in different directions.
  • the antennas 41 and 42 could already be designed so that their main beam directions already have directions deviating from the vertical of the front end, e.g. to allow certain installation scenarios on the vehicle where the sensor has e.g. can not run perpendicular to the vehicle axis.
  • a modulated 77 GHz signal This may be, for example, an FMCW, pulse, FSK, pseudonoise (PN) or else further customary radar modulation methods, or else combinations of the methods mentioned.
  • the 77 GHz switch 40 is used for switching between the different transmission antennas, that is, in the switching mode a) transmits only the antenna 41 and in switching mode b) only antenna 42.
  • Other switching modes can optionally further antennas with other special transmission characteristics available
  • Such 77 GHz switches are already available in integrated technology (MMICs), but can also be realized by using so-called PIN diodes in a discrete design.
  • the reflected waves fall on the parallel, receiving
  • the invention described here relates in particular to digital beamforming with respect to the receiving unit.
  • the received signals of a plurality of receiving individual emitters which are applied in parallel in the receiving unit, are mixed down into the analog baseband via a mixer unit 50, amplified and filtered, digitized and multiplied in the processor unit by complex weighting factors and finally added, ie a correlation, in particular weighted summation, of different individual radiators in the digital range is undertaken.
  • This approach then also produces beamformed signals, but only digitally.
  • monopulse or continuous scanning can also be used.
  • methods are also applicable which are not subject to the limitation of the angular separation capability to the half-width of the beam lobes.
  • the power divider 3 may be realized in the form of a so-called Wilkinson divider, a so-called T-divider, a ring hybrid or a line coupler.
  • Other embodiments are a planar lens, e.g. Rotman lens, or a divider with one / more integrated power amplifiers (active power splitter)
  • MMIC can be constructed.
  • All 77 GHz line elements are preferably constructed in microstrip technology, but the invention is independent thereof.
  • 77 GHz source stabilized / modulated by a PLL unit and optionally a DRO, two sources 21 according to Figure 9 with different frequencies f ⁇ and ⁇ 2 for transmitting and receiving branch: thus the system works at the receiving end with a
  • Intermediate frequency sources may refer to a reference 20, for example, by divider / PLL or multiplication).
  • FIG. 10 shows a first embodiment of the change-over switch 40 within the transmitting unit 4 in the form of switching between the antennas 41 and 42 and
  • FIG 11 shows an embodiment in the form of the connection / disconnection of elements within an antenna: it is switched between the antennas 41 (part of the entire antenna) and 42 (entire antenna).
  • FIGs 12 to 14 show the receiving unit 5 extended to LNA (Low Noise
  • Amplifier 70 multiplex unit 71 and IF preamplifier 72.
  • the mixer unit 50 is expanded by LNA 70 and / or IF preamplifier 72.
  • a plurality of receiving antennas 51, 52 successively to the mixer unit 50, which may be extended by LNA 70 and / or IF preamplifier 72.
  • the multiplex unit serves to reduce the number of receiving channels to be processed.
  • the multiplex unit 71 successively switches a plurality of receiving antennas 51, 52 with associated LNAs 70 onto the mixer unit 50, which may be extended by LNA and / or IF preamplifiers. The latter variant is advantageous if the noise of the multiplex unit is too high.
  • FIG. 15 shows an extension of the Tx-LO distribution with amplifiers that may be used at one or more of the positions 80, 81, 82, 83.
  • Mixers serve to provide the required local oscillator power levels for a sufficiently good mixing process (in terms of mixer conversion losses and mixer overhead noise). Their use depends on the design of the power divider 3, the number of receiving single radiators and the chosen mixer concept. Alternatively / additionally, an amplifier 82 between Tx-Rx
  • Power divider 3 and the transmitting unit 4 or one or more amplifiers 83 between antenna switch 40 and one or more transmitting antennas 41, 42 are used.
  • Multiplex unit 71, preamplifier 80 and IF preamplifier 72 may be partially discrete, partially highly integrated in MMICs or all together in one MMIC highly integrated.
  • the bundling properties in elevation of the transmit antennas 41, 42 and optionally further may be different.
  • the Bundling properties in elevation of the receiving individual emitters 51, 52 and optionally further may also be different.
  • FMCW frequency-modulated continous wave modulation
  • two or more modulation ramps with different parameters e.g., ramp slope
  • the necessary assignment of the frequency lines generated by the targets in the individual ramps to one another is particularly difficult in the case of separate processing / digitization of the signals from (planar) individual elements (as used, for example, for the subspace-based parameter estimation methods), because at the receiving end there is no restriction of the antenna characteristic in azimuth or at best a restriction to the area of near / MRR / mode exists.
  • the characteristic of the transmitting antenna for the long range is limited to a relatively narrow angular range in the order of ⁇ 4 ° to ⁇ 8 °, so that on the highway curves are still sufficiently lit, but otherwise only
  • Targets are irradiated in the driving tube.
  • the side lobes of the transmitting antenna must also be suppressed as much as possible, because targets in the vicinity, such as crash barriers, which are irradiated on the side lobes, would otherwise lead to relatively strong received signals.
  • a transmitting antenna with wide azimuthal beam characteristic is used, because for applications in city traffic, eg Stauriolfahren, pre-crash functions, etc., a large angular range in azimuth, eg ⁇ 60 °, must be covered. Since in the operating state near range no very high range is required, the transmission power can be reduced in addition to the anyway lower antenna gain due to the wide main lobe coupled to the switch to the near range. This desirably reduces the range.
  • Targets that are not within the range covered by the current operating condition can be suppressed for FMCW modulation by an appropriate filter for the baseband signals switched to operating state.
  • the baseband frequency caused by the distance is significantly larger than the baseband frequency by the Doppler shift.
  • Highpass filter for the far range the near targets and with a lowpass filter for the near range the distant targets are suppressed.
  • a certain overlap of the passbands must be provided because of the range uncertainty caused by the Doppler components.
  • the mentioned filter characteristic is usually still accompanied by an additional high-pass filter.
  • Distance range relevant angle range also has a favorable effect on the tracking of the targets.
  • the quality of the target detections of an FMCW ramp pass is not so good that all targets are reliably detected and determined in position.
  • Targets are stored and tracked over several ramp passes in a target list, possibly with prediction of the expected position and confirmation of a target only after repeated consistent detection. This so-called tracking becomes all the more difficult and computationally more, the more goals are to be processed. A reduction in the number of goals to be processed is also very helpful here.
  • a range of the input level of -120 ... +5 dBm should be tolerated by the input stage (mixer) if necessary LNA.
  • an override of the input stage is acceptable as long as only intermodulation products of the strong signals from the near range occur. These Intermodulation products are in baseband just like the associated input signals at low frequencies and are removed by the switchable filter described above.
  • the transmit power In short-range mode, on the other hand, the transmit power must be lowered so that no overmodulation and intermodulation occur.
  • the baseband dynamics For digitization with sufficiently fast and low-cost A / D converters, the baseband dynamics must be limited to a range of approx. 60 dB (10 bits). This is done in the far-field mode by the high pass characteristic of the LF signal path, which suppresses low frequency components. By reducing the transmission power in the near range, the requirements for the switchable filter and the associated switching of the AF gain can be reduced.
  • the column spacing must either not be significantly greater than half the free space wavelength or the side lobes of the transmitting antenna in the region of the grating lobes must be so small that no targets are detected there.
  • the height of the targets in elevation is maximally 4 m (truck) typically approx. 2 m. Since it is not known in advance which areas of a vehicle represent the strongest radar targets, long-distance passenger cars and motorcycles should be irradiated at their full height (trucks generally have much stronger radar targets). At close range, goals do not have to be fully captured because of the lower
  • an opening angle of 4 ° at a distance of 3 m illuminates only an area of about 20 cm in height, in which a reflection center would have to be. Therefore, an increase in the opening angle for close range to about 5 to 20 ° (I m height in 3 ... 10 m distance) necessary. It should be sufficient to irradiate the areas where usually the strongest reflections occur (license plate and surrounding areas, wheel arches, ).
  • Broad-range transmit antenna has a relatively narrow lobe in elevation, about 3 to 5 °
  • near-range transmit antenna has a wider main lobe in elevation, e.g. 20 °

Abstract

The invention relates to a radar system, provided with a switch (40), for switching between at least two transmission antennae (41, 42) with different directional characteristics, in particular, for differing separation regions. A common analysis of the digitised signals for at least two receiver antennae (51, 52) is carried out in the receiver as a correlation of the receive antennae signals.

Description

RADARSYSTEM MIT ADAPTIVER DIGITALER EMPFANGS-STRAHLFORMUNG UND UMSCHALTBARER SENDE-RICHTCHARAKTERISTIK ZUR ABDECKUNG VON NAH- UND FERNBEREICHRADAR SYSTEM WITH ADAPTIVE DIGITAL RECEPTION RAY SHAPING AND SWITCHABLE TRANSMITTER CHARACTERISTICS FOR COVERING CLOSE AND REMOTE RANGE
Stand der TechnikState of the art
Seit einigen Jahren sind im Bereich der Fahrerassistenzfunktionen mit vorausschauenden Erfassungssystemen Radarsensoren primär im Frequenzbereich 76 bis 77 GHz imIn the field of driver assistance functions with predictive detection systems, radar sensors have primarily been used in the frequency range 76 to 77 GHz in the past few years
Einsatz. Diese werden bislang noch im Oberklassesegment zur Realisierung der Assistenzfunktion „adaptiver Tempomat (ACC = Adaptive Cruise Control)" im Geschwindigkeitsbereich 30 bis 180 km/h verwendet.Commitment. These are still used in the upper class segment for the realization of the assistance function "Adaptive Cruise Control (ACC) in the speed range 30 to 180 km / h.
Die bisherigen am Markt verfügbaren Radarsensoren zeichnen sich durch folgendeThe radar sensors available on the market are characterized by the following
Eigenschaften aus:Properties from:
„Reichweite bis ca. 120... 150 m, horizontale Erfassung im Bereich ± 4° ±10°,"Range up to approx. 120 ... 150 m, horizontal detection in the range ± 4 ° ± 10 °,
Winkelgenauigkeit ca. 0,5°.Angular accuracy about 0.5 °.
Eine Einschränkung heutiger Sensoren besteht darin, dass die Bautiefe vergleichsweise groß ist bzw. die Forderung der Fahrzeughersteller nach wesentlich flacheren Sensoren nur unzureichend erfüllt werden kann.A limitation of today's sensors is that the overall depth is relatively large or the requirement of vehicle manufacturers for significantly flatter sensors can be met only insufficient.
Die Begrenzung der horizontalen Erfassungsbreite, die aus den gewähltenThe limit of the horizontal detection width, which consists of the selected
Antennenkonzepten resultiert, ist ebenfalls nachteilig, da z.B. Einscherer erst sehr spät erkannt werden oder relevante Objekte in engen Kurven häufiger aus dem „Blickfeld" verschwinden. Hier ist insbesondere für ein automatisches Staufolgeverfahren eine Erweiterung des Sichtfeldes im nahen bis mittleren Entfernungsbereich zwingend erforderlich. Hier wird zur Zeit z.B. daran gedacht, Zusatzsensoren wie Video oder, für den Ultranahbereich bis ca. 3 m, Ultraschall-Sensoren zu verwenden.Antenna concepts resulting, is also disadvantageous because, for example, Einscherer only very late detected or relevant objects in tight curves more often disappear from the "field of vision." Here, especially for an automatic Staufolgeverfahren an extension of the field of view in the near to medium range is mandatory required. Here, for example, it is currently being considered to use additional sensors such as video or, for the ultralight range up to about 3 m, ultrasonic sensors.
Eine weitere wesentliche Einschränkung ist darin zu sehen, dass die bislang eingesetzten Radarsensoren zwar Objekte in ihrer Winkelablage im oben genannten horizontalenAnother essential limitation is that the radar sensors used hitherto, although objects in their angular storage in the above horizontal
Erfassungsbereich sehr präzise bestimmen können (Winkelgenauigkeit), aber dies ist im allgemeinen nur dann zuverlässig möglich, wenn nur ein Objekt in einem bestimmten Abstand und mit einer bestimmten Relativgeschwindigkeit zu erfassen ist. Befinden sich zwei oder mehr Objekte im selben Abstand und haben diese unter Umständen auch die gleiche Geschwindigkeit, so können die heutigen Radarsensoren nur dann einzelneDetection range can be determined very precisely (angular accuracy), but this is generally only possible reliably if only one object is to be detected at a certain distance and with a certain relative speed. If there are two or more objects at the same distance and they may also have the same speed, then today's radar sensors can only be single
Objekte voneinander trennen, wenn die Radarkeule bzw. die Halbwertsbreite der Radarkeule schmaler ist als der Winkelabstand der zu trennenden Objekte. Für eine bestimmte Halbwertsbreite eines Antennenstrahls ist bei gegebener Frequenz bzw. Wellenlänge jedoch eine bestimmte Größe der Antennenapertur erforderlich. Bei kreisrunder Antennenapertur mit dem Durchmesser D und einer konstanten Belegung gilt näherungsweise folgender Zusammenhang für die Halbwertsbreite υ in Grad:Separate objects if the radar lobe or the half-width of the radar lobe is narrower than the angular distance of the objects to be separated. For a given half-width of an antenna beam, however, a given size of the antenna aperture is required for a given frequency or wavelength. In the case of a circular antenna aperture with the diameter D and a constant coverage, approximately the following relationship applies for the half-width υ in degrees:
υ - 59° - Dυ - 59 ° - D
mit der Wellenlänge λ (λ = 3,9 mm bei 77 GHz). Soll beispielsweise einewith the wavelength λ (λ = 3.9 mm at 77 GHz). If, for example, a
Winkeltrennung von mindestens 2° erreichbar sein, so wäre nach obiger Formel bereits ein Aperturdurchmesser D > 115 mm zu wählen. Dieses ist für einen ACC-Sensor nicht akzeptabel, da die maximal zulässige Baugröße auf deutlich kleinere Abmaße begrenzt ist. Andererseits ist ein derartiges Trennvermögen von ca. 2° und gegebenenfalls noch darunter erforderlich, um eine eindeutige Fahrspur-Zuordnung bei größerenAn angular separation of at least 2 ° can be achieved, so an aperture diameter D> 115 mm would already be selected according to the above formula. This is not acceptable for an ACC sensor, as the maximum permissible size is limited to significantly smaller dimensions. On the other hand, such a separation capacity of about 2 ° and possibly even less is required to a clear lane assignment for larger
Objektentfernungen durchführen zu können. Der Aperturdurchmesser D eines beispielhaften Sensors beträgt z.B. 75 (60) mm. Hieraus ergibt sich die minimal mögliche Halbwertsbreite bei einer einzelnen Radarkeule zu 3,1° (3,8°). Die reale Halbwertsbreite ist deutlich größer, da eine konstante Aperturbelegung nicht erfolgt, sondern die Belegung zum Rand hin abnimmt. Bei zum Rand hin abnehmenden Aperturbelegungen steigt der Vorfaktor in obiger Formel (59°) an aufwerte zwischen 80°... 100°, das heißt die Halbwertbreite bewegt sich im Bereich von 4,2°...5,2° (für D = 75 mm) bzw. 5,2o...6,5o (fur D = 60 mm). Aus der DE 197 14 570 Al ist ein mehrstrahliges Radarsystem bekannt, bei dem mehr Sendeelemente als Empfangselemente vorhanden sind, wobei die vorhandenen Sendeelemente sowohl einzeln als auch in beliebiger gleichzeitiger Kombination einschaltbar sind. Auch die Empfangselemente lassen sich umschalten. Damit kann der beobachtbare Winkelbereich verbreitert werden.To perform object removals. The aperture diameter D of an exemplary sensor is, for example, 75 (60) mm. This results in the minimum possible half width for a single radar lobe to 3.1 ° (3.8 °). The real half-width is much larger, since a constant Aperturbelegung not done, but decreases the occupancy to the edge. With decreasing Aperturbelegungen to the edge of the pre-factor increases in the above formula (59 °) at revalues between 80 ° ... 100 °, that is, the half-value range is in the range of 4.2 ° ... 5.2 ° (for D = 75 mm) or 5.2 o ... 6.5 o (for D = 60 mm). From DE 197 14 570 Al a multi-beam radar system is known in which more transmitting elements are present as receiving elements, wherein the existing transmitting elements both singly and in any simultaneous combination can be switched on. The reception elements can also be switched. Thus, the observable angle range can be widened.
Die WO 2004/051308 Al betrifft eine Einrichtung zur Messung von Winkelpositionen unter Verwendung von Radarpulsen und sich gegenseitig überlappenden Antennen- Strahlcharakteristiken mindestens zweier Antennenelemente. Empfangsseitig erfolgt eine gemeinsame Auswertung von Empfangssignalen mindestens zweier Antennenelemente.WO 2004/051308 A1 relates to a device for measuring angular positions using radar pulses and mutually overlapping antenna beam characteristics of at least two antenna elements. At the receiving end, a common evaluation of received signals of at least two antenna elements takes place.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Mit den Maßnahmen gemäß Anspruch 1, das heißt bei einem Radarsystem bestehend aus mindestens zwei Sendeantennen mit zwei unterschiedlichen Richtcharakteristiken, insbesondere für unterschiedliche Entfernungsbereiche, einem Umschalter zur Umschaltung zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Richtcharakteristiken, mindestens zwei Empfangsantennen, einer Auswerteeinrichtung zur gemeinsamen Auswertung der digitalisierten Signale mindestens zweier Empfangsantennen im Sinne einer Korrelation der Empfangsantennensignale, lässt sich ein sehr breiter horizontalerWith the measures according to claim 1, that is, in a radar system consisting of at least two transmitting antennas with two different directional characteristics, in particular for different distance ranges, a switch for switching between at least two different directional characteristics, at least two receiving antennas, an evaluation device for the common evaluation of the digitized signals at least two receiving antennas in the sense of a correlation of the receiving antenna signals, can be a very wider horizontal
Erfassungsbereich, z.B. bis zu ± 40°, bei mittleren Reichweiten (1... 50 m), z.B. zur frühzeitigen Erkennung von Einscherern in diesem Entfernungsbereich, und ein schmaler horizontaler Erfassungsbereich, z.B. ± 6°, bei großen Reichweiten (80... 150 m) erreichen.Detection area, e.g. up to ± 40 °, at medium ranges (1 ... 50 m), e.g. for early detection of scrapers in this distance range, and a narrow horizontal detection range, e.g. ± 6 °, reach at long ranges (80 ... 150 m).
Die unterschiedlichen Entfernungsbereiche lassen sich flexibel und gegebenenfalls dynamisch umschalten. Durch die Möglichkeit des Einsatzes digitaler Auswerteverfahren kann eine hohe Winkeltrennung, insbesondere durch Parameterschätzverfahren erreicht werden. Damit ist eine sichere Erfassung einer Gassensituation oder eine Trennung eng benachbarter und unter Umständen sehr unterschiedlicher Fahrzeuge möglich. DurchThe different distance ranges can be switched flexibly and optionally dynamically. Due to the possibility of using digital evaluation methods, a high angle separation, in particular by parameter estimation methods, can be achieved. For a secure detection of a lane situation or a separation of closely adjacent and possibly very different vehicles is possible. By
Verwendung von Planarstrahlern, insbesondere Patchelemente, die einzeln oder insbesondere spaltenweise ansteuerbar sind, lässt sich eine geringe Bautiefe erreichen. Das Frontend-Design des Radarsystems ist skalierbar, das heißt durch spezielle Ausführungsformen kann das Frontend an besondere Anforderungen, z.B. an Ortungsfeld, Reichweite, angepasst werden und dadurch z.B. im Heckbereich - A -Use of planar radiators, in particular patch elements which can be controlled individually or in particular by columns, can be achieved with a low structural depth. The front-end design of the radar system is scalable, which means that the front-end can be adapted to special requirements, such as locating field, range, and thus eg in the rear area by means of special embodiments - A -
Verwendung finden für Tote- Winkel-Überwachung, Spurwechsel-Assistent etc., gegebenenfalls auch mit einer anderen Ausgestaltung der digitalen Signalauswertung. Die Erfindung gestattet den Einsatz moderner Auswerteverfahren, deren Winkeltrennvermögen nicht unmittelbar mit der Größe der strahlenden Apertur zusammenhängt, sondern theoretisch von dieser sogar nahezu unabhängig ist.Use find for dead-angle monitoring, lane change assistant, etc., possibly also with another embodiment of the digital signal evaluation. The invention allows the use of modern evaluation methods, whose angular separation power is not directly related to the size of the radiating aperture, but theoretically is almost independent of this.
Derartige Verfahren sind unter dem Begriff „unterraumbasierte Parameterschätzverfahren" bereits seit Mitte der 80-er Jahre bekannt. Wichtigste Vertreter sind die Verfahren Music und Esprit. Diese Ansätze basieren auf der Verwendung mehrerer paralleler Antennenelemente auf Empfangsseite mit jeweils gleichen, einander überlappenden Richtcharakteristiken und der Auswertung derSuch methods are known by the term "subspace-based parameter estimation methods" since the mid-1980s The most important representatives are the methods Music and Esprit These approaches are based on the use of several parallel antenna elements on the receiving side, each with the same, overlapping directional characteristics and the evaluation of the
Korrelationseigenschaften dieser quasi zeitsynchron vorliegenden parallelen Empfangssignale mittels digitaler Signalverarbeitung. Diese Ansätze erlauben bei ausreichendem Signal-zu-Rauschabstand (S/N Signal to noise ratio) an den Empfängern eine hoch präzise Winkeltrennung selbst bei stark unterschiedlicher Reflektivität der zu trennenden Objekte.Correlation properties of these quasi time synchronously present parallel received signals by means of digital signal processing. These approaches, with sufficient signal-to-noise ratio (S / N signal to noise ratio) at the receivers, allow highly precise angular separation even with greatly different reflectivity of the objects to be separated.
Zur Realisierung derartiger Antennenanordnungen ist die Verwendung von planaren Antennenstrukturen, wie sogenannter Patch- Antennen, oder anderer planarer Antennenstrukturen wie Dipole oder kurzer, am Ende leer laufender Leitungsstücke („Stubs") besonders vorteilhaft, die darüber hinaus die Möglichkeit bieten, maximal flache Frontends zur Minimierung der Bautiefe zu erhalten. Zur Realisierung einer maximalen horizontalen Erfassung ohne sogenannte „Gräting Lobes" mit entsprechenden Mehrdeutigkeiten in der Winkelschätzung haben die parallelen Einzelstrahler vorzugsweise einen Abstand in der Größenordnung der halben Freiraum- Wellenlänge, also ca. 2 mm bei 77 GHz.For the realization of such antenna arrangements, the use of planar antenna structures, such as so-called patch antennas, or other planar antenna structures such as dipoles or short, empty end stubs ("stubs") are particularly advantageous, which also offer the possibility of maximum flat front ends for In order to realize maximum horizontal detection without so-called "grating praise" with corresponding ambiguities in the angle estimation, the parallel individual radiators preferably have a spacing of the order of half the free-space wavelength, ie approximately 2 mm at 77 GHz.
Bei Verwendung derartiger paralleler Anordnungen sind sogenannte digitale Strahlformungsmethoden einsetzbar, bei denen eine gebündelte Strahlkeule erst durch digitale Signalverarbeitung gebildet wird, nicht aber in der analogen Hochfrequenzebene wie bei einer Linsenantennen oder Parabolantenne. Die digitale Strahlformung ist insbesondere vorteilhaft zur Detektion weit entfernter Objekte, da dadurch ein ausreichendes S/N gebildet wird und so eine zuverlässige Ortung möglich ist. Bei bisherigen Frontends mit digitaler Strahlformung ist das Sichtfeld auf ca. ± 10° beschränkt und somit nur begrenzt nutzbar für die Funktionen, die eine deutlich breitere azimutale Erfassung des vorausliegenden Fahrzeugumfeldes erfordern.When using such parallel arrangements so-called digital beam forming methods are used in which a bundled beam lobe is formed only by digital signal processing, but not in the analog high-frequency plane as in a lens antennas or parabolic antenna. The digital beam shaping is particularly advantageous for the detection of distant objects, as this sufficient S / N is formed and so a reliable location is possible. In previous frontends with digital beam shaping, the field of view is limited to approximately ± 10 ° and thus can only be used to a limited extent for the functions which require a significantly wider azimuthal detection of the vehicle environment ahead.
Bei der Erfindung müssen empfangsseitig auf der Hochfrequenz-Ebene keineIn the invention, the receiving side on the high-frequency level no need
Strahlkeulen ausgebildet werden, vielmehr können die Empfangssignale einzelner Antennenspalten direkt digital, bzw. nach entsprechender Digitalisierung, weiterverarbeitet werden (digitale Strahlformung) im Sinne einer Korrelation der Antennensignale. Bei Mehrzielszenarien können die sich durch die Strahlformung auf digitaler Ebene ergebenden Einschränkungen dadurch umgangen werden, dass hochauflösende Schätzverfahren zur Winkelbestimmung eingesetzt werden.Beam lobes are formed, but the received signals of individual antenna columns directly digital, or after appropriate digitization, further processed (digital beam shaping) in the sense of a correlation of the antenna signals. In multi-objective scenarios, the constraints of beamforming at the digital level can be circumvented by using high resolution estimation techniques for angle determination.
Zeichnungendrawings
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigenReference to the drawings embodiments of the invention will be explained in more detail. Show it
Figur 1 ein Blockschaltbild für ein Radar-Frontend,FIG. 1 shows a block diagram for a radar front end,
Figur 2 ein Einzelantennenelement,FIG. 2 shows a single antenna element,
Figur 3 seriengespeiste Antennenelemente, Figur 4 parallel gespeiste Antennenelemente,FIG. 3 series-fed antenna elements, FIG. 4 antenna elements fed in parallel,
Figur 5 und Figur 6 Ausgestaltungen von Sendeantennen mit mehreren Einzelstrahlern,FIG. 5 and FIG. 6 embodiments of transmitting antennas with a plurality of individual radiators,
Figur 7 eine Sendeantenne ausgeführt als Einzelelement,FIG. 7 shows a transmitting antenna designed as a single element,
Figur 8 eine Sendeantenne ausgeführt mit mehreren Einzelelementen und speziellerFigure 8 shows a transmitting antenna executed with several individual elements and more specific
Verbindung, Figur 9 ein Radar-Frontend mit zwei unterschiedlichen Lokaloszillatorfrequenzen fürConnection, Figure 9 shows a radar front end with two different local oscillator frequencies for
Sende- und Empfangszweig,Send and receive branch,
Figur 10 die Umschaltung zwischen zwei Sendeantennen,FIG. 10 the switching between two transmitting antennas,
Figur 11 Zu-/Abschaltung von Elementen innerhalb einer Antenne,FIG. 11 Connection / disconnection of elements within an antenna,
Figur 12 bis 14 Empfangskonzepte mit Erweiterung durch Verstärker und Multiplexer, Figur 15 die Verteilung des Lokaloszillatorsignals mit Zwischenverstärkern.Figure 12 to 14 reception concepts with extension by amplifiers and multiplexers, Figure 15 shows the distribution of the local oscillator signal with repeaters.
Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild für ein Radar-Frontend 1. Dieses Frontend 1 besteht im einzelnen aus: einer gegebenenfalls über eine PLL und gegebenenfalls über einen DRO stabilisierten, modulierbaren, vorzugsweise in sogenannten MMICs hochintegrierten 77 GHz Quelle 2 (sogenannter modulierter Lokaloszillator), einer Sendeeinheit 4 bestehend aus: - mindestens zwei unterschiedlichen Sendeantennen 41 und 42 in planarer TechnologieFIG. 1 shows a block diagram for a radar front end 1. This front end 1 consists in detail of: a possibly stabilized via a PLL and optionally via a DRO, modulatable, preferably in so-called MMICs highly integrated 77 GHz source 2 (so-called modulated local oscillator), a transmitting unit 4 consisting of: - at least two different transmit antennas 41 and 42 in planar technology
(Patchantennen), von denen eine Antenne 41 so ausgelegt ist, dass sie durch entsprechende Überlagerung der Wellen der zu Antenne 41 gehörenden Einzelstrahler eine vergleichsweise stark gebündelte Antennenkeule erzeugt, eine weitere Antenne 42 die so ausgelegt ist, dass sie durch entsprechende Überlagerung der Wellen der zu Antenne 42 gehörenden Einzelstrahler eine vergleichsweise breite azimutale Antennencharakteristik erzeugt oder aus nur einem Strahlerelement besteht, gegebenenfalls weiteren Sendeantennen die so ausgelegt sind, dass sie weitere, spezielle Sendecharakteristiken erzeugen, einem 77 GHz Umschalter 40 zur Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Sendeantennen, das heißt zwischen den Antennen 41 und 42 und gegebenenfalls weiteren Antennen, einer Empfangseinheit 5 bestehend aus mindestens zwei parallelen, empfangenden Einzelstrahlern 51 und 52 und gegebenenfalls weiterer in planarer Technologie (Patchantennen), deren Empfangssignale durch eine Mischereinheit 50 in unmittelbarer Antennennähe in ein Zwischenfrequenzband (Basisband) herabgemischt werden, und einem Leistungsteiler 3, sogenannter Tx-Rx-Leistungsteiler, zur Aufteilung der(Antenna patch), of which an antenna 41 is designed so that it generates a comparatively highly concentrated antenna lobe by corresponding superposition of the waves belonging to the antenna 41, a further antenna 42 which is designed so that they by appropriate superposition of the waves to antenna 42 belonging to individual radiators a comparatively broad azimuthal antenna characteristic generated or consists of only one radiating element, optionally further transmit antennas which are designed so that they generate further, special transmission characteristics, a 77 GHz switch 40 for switching between the different transmitting antennas, that is between the Antennas 41 and 42 and optionally further antennas, a receiving unit 5 consisting of at least two parallel, receiving individual emitters 51 and 52 and optionally further in planar technology (patch antennas), the received signals by a mixer unit 50 in u nmittelbarer antenna proximity are mixed down into an intermediate frequency band (baseband), and a power divider 3, so-called Tx-Rx power divider, for dividing the
Lokaloszillatorleistung der 77 GHz Quelle 2 in die jeweils in der Sendeeinheit 4 und in der Empfangseinheit 5 benötigten Anteile.Local oscillator power of the 77 GHz source 2 in the respectively required in the transmitting unit 4 and in the receiving unit 5 shares.
Die jeweiligen Einzelstrahler 43 der Sendeantennen 41, 42 und Empfangsantennen 51, 52 können wie die Figuren 2 bis 4 zeigen, aus einem einzelnen Patch 60 oder aber aus mehreren, vertikal übereinander angeordneten Patchen bestehen (Antennenspalte). Letzteres ist bei Verzicht auf weitere bündelnde Einheiten, z.B. Zylinderlinse, vorteilhaft, um in der Elevationsebene sowohl sende- als auch empfangsseitig die Energie parallel zurThe respective individual emitters 43 of the transmitting antennas 41, 42 and receiving antennas 51, 52 may, as shown in FIGS. 2 to 4, consist of a single patch 60 or of a plurality of vertically stacked patches (antenna gaps). The latter is in the absence of further bundling units, e.g. Cylindrical lens, advantageous to both the transmitting and receiving side in the elevation plane, the energy parallel to
Fahrbahnebene zu bündeln. Die Speisung der Patche in einer Spalte erfolgt als Serienspeisung 61, Parallelspeisung 62 (corporate feed) oder als Kombination daraus. Auch eine strahlungsgekoppelte Speisung z.B. über mehrlagige Schlitz-Patch oder Patch- Patch Ankopplungen ist möglich. Die Antennenspalte sei also senkrecht zur Fahrbahnoberfläche angeordnet. Die Bündelung in Elevation könnte sowohl sende- als auch empfangsseitig auch durch Verwendung einer zylindrischen Linse erfolgen, dann wäre ein Einzelstrahler durch ein einzelnes Patch darstellbar. Deren Brennlinie würde dann ca. mit den Mittellinien der Einzelpatche übereinstimmen.Bundle road level. The feeding of the patches in a column takes place as series feed 61, parallel feed 62 (corporate feed) or as a combination thereof. A radiation-coupled supply, for example via multi-layer slot patch or patch patch couplings, is also possible. The antenna column is thus arranged perpendicular to the road surface. Bundling in elevation could be both send and receive also be carried out at the receiving end by using a cylindrical lens, then a single radiator would be represented by a single patch. Their focal line would then correspond approximately to the center lines of the individual patches.
Wesentlich ist, dass bezogen auf die azimutale Ebene der Sendeeinheit 4 sogenannte analoge Strahlformungsmethoden Verwendung finden sollen, während die Empfangseinheit 5 so gestaltet ist, dass gemeinsam mit einer nachgeschalteten Auswerteeinheit sogenannte digitale Strahlformungsverfahren verwendet werden. Dieses wird im wesentlichen durch parallel angeordnete Empfangs-Einzelstrahler mit einer quasi parallelen, gegebenenfalls auch über eine Multiplexeinheit geführten, Weiterverarbeitung erreicht. Erst dieser digitale Ansatz auf Empfangsseite durch parallel betriebene einzelne Empfangsantennen bzw. Empfangs-Einzelstrahler 51, 52 und gegebenenfalls weitere erlaubt den Einsatz von Verfahren, die eine hohe Trennbarkeit im Winkel, d.h. deutlich geringer als die Halbwertsbreite einer gebündelten Radarkeule, zur Verfügung stellen.It is essential that based on the azimuthal level of the transmitting unit 4 so-called analog beam forming methods should be used, while the receiving unit 5 is designed so that together with a downstream evaluation so-called digital beam forming methods are used. This is achieved essentially by parallel receiving single emitters with a quasi-parallel, optionally also guided via a multiplexing unit, further processing. Only this digital approach on the receiving side by parallel operated individual receiving antennas or receiving individual emitters 51, 52 and optionally further allows the use of methods that have a high separability at an angle, i. significantly lower than the half width of a collimated radar lobe.
Zur Darstellung der 77 GHz Quelle 2 können kommerziell erhältliche Chips bzw. Chipsätze in MMIC Technologie oder auch andere 77 GHz erzeugende Elemente wie z.B. Gunn-Elemente verwendet werden.To represent the 77 GHz source 2, commercially available chips or chipsets in MMIC technology or other 77 GHz generating elements such as e.g. Gunn elements are used.
Die erste Sendeantenne 41 wird gemäß Figur 5 durch die Verwendung mehrererThe first transmission antenna 41 is shown in FIG 5 by the use of several
Einzelstrahler 43 und deren Verbindung auf HF-Analogsignalebene 44 realisiert. Die analoge Verbindung 44 im Sinne eines Leistungsteilers erlaubt z.B. die Belegung der Einzelstrahler durch eine bestimmte Amplitudenverteilung. Diese kann z.B. so gewählt werden, dass die sogenannten Nebenkeulen der Antenne 41 ein sehr geringes Niveau unterhalb der Hauptkeule einnehmen, z.B. -30 dB. Hierdurch ist es im Gegensatz zu bisher üblichen Sensoren möglich, Störungen durch „Beleuchtung" von Objekten außerhalb der Hauptkeule sehr gering zu halten. Beispielsweise erlaubt die Verwendung von sieben Einzelstrahlern in Antenne 41 eine Hauptkeulenbreite von ± 6,5° bei einer Absenkung der Nebenkeulen auf -28dB. Figur 6 zeigt eine Variante von vier Spalten von Einzelstrahlern 43.Single radiator 43 and their connection to RF analog signal level 44 realized. The analog connection 44 in the sense of a power divider allows e.g. the assignment of the individual emitters by a certain amplitude distribution. This can e.g. be chosen so that the so-called side lobes of the antenna 41 occupy a very low level below the main lobe, e.g. -30 dB. As a result, in contrast to conventional sensors, it is possible to minimize disturbances caused by "illumination" of objects outside the main lobe For example, the use of seven individual radiators in antenna 41 permits a main lobe width of ± 6.5 ° with a lowering of the side lobes Figure 6 shows a variant of four columns of individual radiators 43.
Die zweite Sendeantenne 42 wird dazu verwendet, eine möglichst breite azimutale Ausleuchtung zu erzielen. Beispielsweise ermöglicht die Verwendung eines einzigen Strahlerelements in Antenne 42 gemäß Figur 7 eine Hauptkeulenbreite von ca. ± 40°. Es ist aber durchaus auch möglich, durch die gezielte Auslegung einer mehrelementigen Antenne 42 mit einem speziellen Leistungsteiler 45 (gemäß Figur 8) größere Hauptkeulenbreiten als ± 40° zu erzielen.The second transmitting antenna 42 is used to achieve the widest possible azimuthal illumination. For example, the use of a single radiating element in antenna 42 according to FIG. 7 enables a main lobe width of approximately ± 40 °. But it is also quite possible, through the targeted design of a multi-element Antenna 42 with a special power divider 45 (according to Figure 8) to achieve larger main lobe widths than ± 40 °.
Die Verwendung der stark bündelnden Antenne 41 würde es erlauben, Objekte in großer Entfernung, z.B. 80 m... 150 m, zu erfassen, aber nur in einem schmalen Winkelbereich.The use of the high-beam antenna 41 would allow objects at a great distance, e.g. 80 m ... 150 m, but only in a narrow angular range.
Dies hat den Vorteil, dass Störungen von Straßenrandbebauungen, insbesondere von Leitplanken, sehr stark reduziert werden können.This has the advantage that disturbances of roadside developments, in particular guardrails, can be greatly reduced.
Die Verwendung der azimutal breit abstrahlenden Antenne 42 würde es erlauben, Objekte z.B. im Vorfeld des Egofahrzeugs in einem sehr breiten azimutalen Erfassungsbereich zu orten. Da die 77GHz Energie aber nicht fokussiert, sondern „breit" abgestrahlt wird, werden entferntere, Objekte nur gering beleuchtet, so dass deren Reflexionen gering und damit auch nicht störend sind. Antenne 41 wäre somit die Antenne für den Betriebsmodus LRR (Long Range Radar), während Antenne 42 für den Modus MRR (Medium Range Radar) oder SRR (Short Range Radar) eingesetzt werden würde und z.B. der rechtzeitigen Erfassung von Einscherern oder sonstiger relevanter Objekte im Äußeren (nahen bis mittleren Entfernungs-) Bereich dienen würde. Wichtig für die Modi MRR/SRR ist, dass die empfangenden Einzelstrahler 51, 52 und gegebenenfalls weitere eine breite azimutale Strahlcharakteristik aufweisen. Die Gesamteinheit mit den beschriebenen Umschaltmöglichkeiten kann als ein URR (Universal Range Radar) bezeichnet werden.The use of the azimuthally broad-emitter antenna 42 would allow objects of e.g. in the run-up to the ego vehicle in a very wide azimuthal detection area to locate. Since the 77GHz energy is not focused, but radiated "wide", distant, objects are only slightly illuminated, so that their reflections are low and therefore not disturbing Antenna 41 would thus be the antenna for the operating mode LRR (Long Range Radar) while Antenna 42 would be used for the MRR (Medium Range Radar) or SRR (Short Range Radar) mode and would, for example, serve timely detection of pruning shears or other relevant objects in the outer (near to mid range) range Modes MRR / SRR is that the receiving individual emitters 51, 52 and possibly further have a broad azimuthal beam characteristic.The overall unit with the described switching options can be referred to as a URR (Universal Range Radar).
Weitere Sendeantennen können eingesetzt werden, um z.B. weitere bestimmte Sendecharakteristiken zu erzeugen, z.B. azimutal oder gegebenenfalls auch vertikal geschwenkte Beams, das heißt Radarkeulen, deren Maximum nicht in die zum Frontend senkrechte sondern in davon abweichende Richtungen weist. Auch die Antennen 41 und 42 könnten bereits so ausgelegt werden, dass ihre Hauptstrahlrichtungen bereits von der senkrechten des Frontends abweichende Richtungen besitzen, um z.B. bestimmte Einbauszenarien am Fahrzeug zu ermöglichen, bei denen der Sensor z.B. nicht senkrecht zur Fahrzeugachse verlaufen kann.Other transmission antennas may be used to e.g. to generate further specific transmission characteristics, e.g. azimuthal or optionally also vertically tilted beams, that is radar beams whose maximum does not point in the direction perpendicular to the front end but in different directions. Also, the antennas 41 and 42 could already be designed so that their main beam directions already have directions deviating from the vertical of the front end, e.g. to allow certain installation scenarios on the vehicle where the sensor has e.g. can not run perpendicular to the vehicle axis.
Üblicherweise strahlt die jeweils verwendete Sendeantenne 41 oder 42 oder gegebenenfalls weitere ein moduliertes 77 GHz Signal ab. Hierbei kann es sich z.B. um ein FMCW, Puls, FSK, Pseudonoise (PN) oder auch um weitere übliche Radar- Modulationsverfahren, oder auch um Kombinationen der genannten Verfahren handeln. Der 77 GHz Umschalter 40 dient der Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Sendeantennen, das heißt im Schaltmodus a) sendet nur die Antenne 41 und im Schaltmodus b) nur Antenne 42. Mit weiteren Schaltmodi können gegebenenfalls weitere Antennen mit weiteren speziellen Sendecharakteristiken die zur Verfügung stehendeUsually, the respectively used transmitting antenna 41 or 42 or possibly further emits a modulated 77 GHz signal. This may be, for example, an FMCW, pulse, FSK, pseudonoise (PN) or else further customary radar modulation methods, or else combinations of the methods mentioned. The 77 GHz switch 40 is used for switching between the different transmission antennas, that is, in the switching mode a) transmits only the antenna 41 and in switching mode b) only antenna 42. Other switching modes can optionally further antennas with other special transmission characteristics available
Sendeleistung abstrahlen. Derartige 77 GHz Umschalter sind bereits in integrierter Technologie (MMICs) verfügbar, können aber auch durch Verwendung sogenannter pin- Dioden in einem diskreten Aufbau realisiert werden.Radiate transmission power. Such 77 GHz switches are already available in integrated technology (MMICs), but can also be realized by using so-called PIN diodes in a discrete design.
Die Empfangseinheit 5 mit den empfangenden Einzelstrahlern 51 und 52 und gegebenenfalls weiterer dient zur Aufnahme der an einzelnen Objekten reflektierten Wellen. Je nach Modulationsart kann aus einem Frequenzversatz, einem Laufzeit- oder einem Phasenunterschied zum Sendesignal auf den Abstand und über den sogenannten Doppler-Effekt auch auf die Relativgeschwindigkeit dieser Objekte geschlossen werden. Desweiteren fallen die reflektierten Wellen auf den parallelen, empfangendenThe receiving unit 5 with the receiving individual radiators 51 and 52 and optionally further serves to receive the waves reflected at individual objects. Depending on the type of modulation, it is also possible to deduce the relative speed of these objects from a frequency offset, a transit time or a phase difference relative to the transmission signal, and via the so-called Doppler effect. Furthermore, the reflected waves fall on the parallel, receiving
Einzelstrahlern schräg und daher mit unterschiedlichen Phasenbeziehungen ein, sofern diese Objekte eine seitliche Ablage zur Normalen des Antennenfrontendes aufweisen. Durch Analyse dieser Phasenbeziehungen lässt sich auch die Winkelablage dieser Objekte berechnen. Klassische Verfahren wie das Monopuls- Verfahren führen diese Analyse durch einen Betragsvergleich mehrerer Empfangssignale von einander azimutal überlappenden Strahlkeulen durch. Das Monopuls- Verfahren kann man sowohl mit sogenannten analog geformten Strahlkeulen durchführen, die man z.B. über eine dielektrische Linse erzeugen kann, oder aber man erzeugt diese überlappenden Strahlkeulen erst durch digitale Signalverarbeitung (digitale Strahlformung) in der Auswerteeinheit. Ein anderes Verfahren wäre das horizontale Abscannen desSingle radiators obliquely and therefore with different phase relationships, if these objects have a lateral offset to the normal of the antenna front end. By analyzing these phase relations, the angular deviation of these objects can also be calculated. Classical methods such as the monopulse method perform this analysis by comparing the magnitude of a plurality of received signals from azimuthally overlapping beam lobes. The monopulse process can be carried out both with so-called analog-shaped beam lobes, which are e.g. can generate over a dielectric lens, or one generates these overlapping beam lobes only by digital signal processing (digital beam forming) in the evaluation. Another method would be to scan the image horizontally
Erfassungsbereichs mit nur einer Strahlkeule. Hierbei wäre dann die Winkelablage aus der Amplitudenverteilung über den Winkel zu bestimmen. Aber bei allen diesen sogenannten klassischen Winkelschätzverfahren ist die Trennfähigkeit auf die Halbwertsbreite (n) der Strahlkeule (n) begrenzt.Detection area with only one beam lobe. In this case, the angular deviation from the amplitude distribution over the angle would have to be determined. But in all these so-called classical angle estimation methods, the separability is limited to the half-width (n) of the beam lobe (s).
Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich bezüglich der Empfangseinheit insbesondere auf die digitale Strahlformung. Hierbei werden zunächst die parallel in der Empfangseinheit anliegenden Empfangssignale mehrerer Empfangs-Einzelstrahler über eine Mischereinheit 50 ins analoge Basisband herabgemischt, verstärkt und gefiltert, digitalisiert und in der Prozessoreinheit mit komplexen Gewichtungsfaktoren multipliziert und schließlich addiert, d.h. es wird eine Korrelation, insbesondere gewichtete Summation, verschiedener Einzelstrahler im digitalen Bereich vorgenommen. Dieser Ansatz ergibt dann ebenfalls strahlgeformte Signale, jedoch auf ausschließlich digitale Art. Für die Winkelschätzung können auch das Monopuls- Verfahren oder das kontinuierliche Abscannen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind aber auch Verfahren anwendbar, die nicht der Begrenzung der Winkeltrennfähigkeit auf die Halbwertsbreite der Strahlkeulen unterliegen. Diese sogenannten „unterraumbasierten Parameterschätzverfahren" analysieren die Korrelationseigenschaften der Empfangs- Einzelstrahler. Durch Zerlegung der empfangenen Signale in einen sogenannten Signal- und Rauschunterraum ergibt sich die Möglichkeit einer sehr hohen Winkeltrennfähigkeit.The invention described here relates in particular to digital beamforming with respect to the receiving unit. In this case, the received signals of a plurality of receiving individual emitters, which are applied in parallel in the receiving unit, are mixed down into the analog baseband via a mixer unit 50, amplified and filtered, digitized and multiplied in the processor unit by complex weighting factors and finally added, ie a correlation, in particular weighted summation, of different individual radiators in the digital range is undertaken. This approach then also produces beamformed signals, but only digitally. For the angle estimation, monopulse or continuous scanning can also be used. In addition, however, methods are also applicable which are not subject to the limitation of the angular separation capability to the half-width of the beam lobes. By analyzing the received signals into a so-called signal and noise subspace, the possibility of a very high angular separation capability results.
Der Leistungsteiler 3 kann in der Form eines sogenannten Wilkinson-Teilers, eines sogenannten T-Teilers, eines Ringhybrids oder eines Leitungskopplers realisiert sein. Weitere Ausführungsformen sind eine planare Linse, z.B. Rotman-Linse, oder ein Teiler mit einem/mehreren integrierten Verstärkern (active power Splitter), der insgesamt alsThe power divider 3 may be realized in the form of a so-called Wilkinson divider, a so-called T-divider, a ring hybrid or a line coupler. Other embodiments are a planar lens, e.g. Rotman lens, or a divider with one / more integrated power amplifiers (active power splitter)
MMIC aufgebaut sein kann.MMIC can be constructed.
Alle 77 GHz Leitungselemente werden vorzugsweise in Mikrostreifenleitertechnik aufgebaut, die Erfindung ist davon jedoch unabhängig.All 77 GHz line elements are preferably constructed in microstrip technology, but the invention is independent thereof.
Nachfolgend werden alternative Ausführungsformen sowie Realisierungsdetails aufgezeigt:In the following, alternative embodiments and realization details are shown:
mehr als zwei Sendeantennen, - mehr als zwei Empfangs-Einzelelemente,more than two transmitting antennas, - more than two receiving individual elements,
77 GHz Quelle durch MMICs oder Gunn-Element realisiert,77 GHz source realized by MMICs or Gunn element,
77 GHz Quelle durch eine PLL-Einheit und gegebenenfalls einen DRO stabilisiert/moduliert, zwei Quellen 21 gemäß Figur 9 mit unterschiedlichen Frequenzen f\ und Ϋ2 für Sende- und Empfangszweig: damit arbeitet das System empfangsseitig mit einer77 GHz source stabilized / modulated by a PLL unit and optionally a DRO, two sources 21 according to Figure 9 with different frequencies f \ and Ϋ2 for transmitting and receiving branch: thus the system works at the receiving end with a
Zwischenfrequenz (Quellen können sich z.B. durch Teiler/PLL oder Vervielfachung auf eine Referenz 20 beziehen).Intermediate frequency (sources may refer to a reference 20, for example, by divider / PLL or multiplication).
Figur 10 zeigt eine erste Ausführungsform des Umschalters 40 innerhalb der Sendeeinheit 4 in Form von Umschaltung zwischen den Antennen 41 und 42 und Figur 11 eine Ausführungsform in Form der Zu-/Abschaltung von Elementen innerhalb einer Antenne: es wird zwischen den Antennen 41 (Teil der gesamten Antenne) und 42 (gesamte Antenne) umgeschaltet.FIG. 10 shows a first embodiment of the change-over switch 40 within the transmitting unit 4 in the form of switching between the antennas 41 and 42 and FIG 11 shows an embodiment in the form of the connection / disconnection of elements within an antenna: it is switched between the antennas 41 (part of the entire antenna) and 42 (entire antenna).
Die Figuren 12 bis 14 zeigen die Empfangseinheit 5 erweitert um LNA (Low NoiseFigures 12 to 14 show the receiving unit 5 extended to LNA (Low Noise
Amplifϊer) 70, Multiplex-Einheit 71 und ZF-Vorverstärker 72. In einer ersten Variante gemäß Figur 12 wird die Mischer-Einheit 50 erweitert um LNA 70 und/oder ZF- Vorverstärker 72. In einer zweiten Variante gemäß Figur 13 schaltet eine Multiplex- Einheit 71 mehrere Empfangsantennen 51, 52 sukzessiv auf die Mischereinheit 50, die um LNA 70 und/oder ZF-Vorverstärker 72 erweitert sein kann. Die Multiplex-Einheit dient zur Reduzierung der Anzahl der weiterzuverarbeitenden Empfangskanäle. In einer dritten Variante gemäß Figur 14 schaltet die Multiplex-Einheit 71 mehrere Empfangsantennen 51, 52 mit zugehörigen LNAs 70 sukzessiv auf die Mischereinheit 50, die um LNA und/oder ZF-Vorverstärker erweitert sein kann. Letztere Variante ist vorteilhaft, wenn das Rauschen der Multiplex-Einheit zu hoch ist.Amplifier 70), multiplex unit 71 and IF preamplifier 72. In a first variant according to FIG. 12, the mixer unit 50 is expanded by LNA 70 and / or IF preamplifier 72. In a second variant according to FIG. Unit 71 a plurality of receiving antennas 51, 52 successively to the mixer unit 50, which may be extended by LNA 70 and / or IF preamplifier 72. The multiplex unit serves to reduce the number of receiving channels to be processed. In a third variant according to FIG. 14, the multiplex unit 71 successively switches a plurality of receiving antennas 51, 52 with associated LNAs 70 onto the mixer unit 50, which may be extended by LNA and / or IF preamplifiers. The latter variant is advantageous if the noise of the multiplex unit is too high.
Figur 15 zeigt eine Erweiterung der Tx-LO- Verteilung mit Verstärkern, die an einer oder mehrere der Positionen 80, 81, 82, 83 eingesetzt werden können. Vorverstärker 80 zwischen Tx-Rx Leistungsteiler 3 und der Mischereinheit 50 der Empfangseinheit 5 oder Vorverstärker 81 innerhalb der LO- Verteilung in der Empfangseinheit auf die einzelnenFIG. 15 shows an extension of the Tx-LO distribution with amplifiers that may be used at one or more of the positions 80, 81, 82, 83. Preamplifier 80 between Tx-Rx power divider 3 and the mixer unit 50 of the receiving unit 5 or preamplifier 81 within the LO distribution in the receiving unit to the individual
Mischer dienen zur Bereitstellung der erforderlichen Lokaloszillator-Leistungspegel für einen ausreichend guten Mischprozess (bezüglich der Mischer-Konversionsverluste und des Mischer-Zusatzrauschens). Ihre Verwendung ist abhängig von der Auslegung des Leistungsteilers 3, der Anzahl der Empfangs-Einzelstrahler und des gewählten Mischerkonzepts. Alternativ/zusätzlich kann auch ein Verstärker 82 zwischen Tx-Rx-Mixers serve to provide the required local oscillator power levels for a sufficiently good mixing process (in terms of mixer conversion losses and mixer overhead noise). Their use depends on the design of the power divider 3, the number of receiving single radiators and the chosen mixer concept. Alternatively / additionally, an amplifier 82 between Tx-Rx
Leistungsteiler 3 und der Sendeeinheit 4 oder ein oder mehrere Verstärker 83 zwischen Antennenumschalter 40 und einer oder mehrerer Sendeantennen 41, 42 eingesetzt werden.Power divider 3 and the transmitting unit 4 or one or more amplifiers 83 between antenna switch 40 and one or more transmitting antennas 41, 42 are used.
Leistungsteiler 3, Umschalter 40, Mischereinheit 50, um LNAs 70 erweitertePower divider 3, switch 40, mixer unit 50 to LNAs 70 advanced
Mischereinheit, Multiplex-Einheit 71, Vorverstärker 80 und ZF-Vorverstärker 72 können zum Teil diskret aufgebaut, teilweise hochintegriert in MMICs oder auch alle gemeinsam in ein MMIC hochintegriert sein. Die Bündelungseigenschaften in Elevation der Sendeantennen 41, 42 und gegebenenfalls weiterer können unterschiedlich sein. Die Bündelungseigenschaften in Elevation der Empfangs-Einzelstrahler 51, 52 und gegebenenfalls weiterer können ebenfalls unterschiedlich sein.Mixer unit, multiplex unit 71, preamplifier 80 and IF preamplifier 72 may be partially discrete, partially highly integrated in MMICs or all together in one MMIC highly integrated. The bundling properties in elevation of the transmit antennas 41, 42 and optionally further may be different. The Bundling properties in elevation of the receiving individual emitters 51, 52 and optionally further may also be different.
In Automobilradarsystemen wird häufig eine FMCW (frequency-modulated continous wave)-Modulation eingesetzt. Um Abstands- und Geschwindigkeitsinformation voneinander trennen zu können, müssen zwei oder mehrere Modulationsrampen mit unterschiedlichen Parametern (z.B. Rampensteigung) verwendet werden. Die erforderliche Zuordnung der durch die Ziele in den einzelnen Rampen erzeugten Frequenzlinien zueinander ist besonders schwierig bei separater Verarbeitung/Digitalisierung der Signale von (planaren) Einzelelementen (wie sie z.B: für die unterraumbasierten Parameterschätzverfahren eingesetzt werden), weil empfangsseitig keine Beschränkung der Antennencharakteristik in Azimut oder bestenfalls eine Beschränkung auf den Bereich des Nahbereichs-/MRR-/Modus existiert. Es werden also prinzipiell Reflexionen von allen Zielen im Erfassungsbereich der Empfangsantenne empfangen, so dass die Zuordnung der Frequenzlinien zueinander schon allein durch die Anzahl der Ziele sehr schwierig wird. Besonders im Fernbereich kann die Anzahl detektierter Ziele im Erfassungsbereich der Empfangsantennen extrem groß werden. Daher muss durch zusätzliche Maßnahmen soweit wie möglich sichergestellt werden, dass nur Signale von Zielen empfangen oder verarbeitet werden, die für den jeweiligen Betriebszustand relevant sind. Dazu dienen vorzugsweise folgendeIn automotive radar systems FMCW (frequency-modulated continous wave) modulation is frequently used. In order to separate distance and speed information, two or more modulation ramps with different parameters (e.g., ramp slope) must be used. The necessary assignment of the frequency lines generated by the targets in the individual ramps to one another is particularly difficult in the case of separate processing / digitization of the signals from (planar) individual elements (as used, for example, for the subspace-based parameter estimation methods), because at the receiving end there is no restriction of the antenna characteristic in azimuth or at best a restriction to the area of near / MRR / mode exists. Thus, in principle, reflections from all targets in the detection range of the receiving antenna are received, so that the assignment of the frequency lines to one another becomes very difficult, if only by the number of targets. Especially in the far range, the number of detected targets in the detection range of the receiving antennas can become extremely large. Therefore, additional measures must be taken to ensure as far as possible that only signals from targets that are relevant to the respective operating state are received or processed. The following are preferably used for this purpose
Maßnahmen:Activities:
die Charakteristik der Sendeantenne für den Fernbereich wird auf einen relativ schmalen Winkelbereich in der Größenordnung von ± 4° bis ± 8° beschränkt, so dass auf der Autobahn Kurven noch hinreichend ausgeleuchtet werden, ansonsten aber nurthe characteristic of the transmitting antenna for the long range is limited to a relatively narrow angular range in the order of ± 4 ° to ± 8 °, so that on the highway curves are still sufficiently lit, but otherwise only
Ziele im Fahrschlauch bestrahlt werden. Die Nebenkeulen der Sendeantenne müssen außerdem möglichst stark unterdrückt werden, weil Ziele im Nahbereich, auch z.B. Leitplanken, die über die Nebenkeulen bestrahlt werden, sonst zu relativ starken Empfangssignalen führen würden. - Damit wird es notwendig, einen zweiten Betriebszustand für den Nahbereich einzuführen. In diesem Betriebszustand wird eine Sendeantenne mit breiter azimutaler Strahlcharakteristik verwendet, weil für Applikationen im Stadtverkehr, z.B. Staufolgefahren, Pre-Crash-Funktionen usw. ein großer Winkelbereich in Azimut, z.B. ± 60°, abgedeckt werden muss. Da im Betriebszustand Nahbereich keine sehr hohe Reichweite gefordert wird, kann die Sendeleistung zusätzlich zum sowieso niedrigerem Antennengewinn wegen der breiten Hauptkeule gekoppelt an die Umschaltung auf den Nahbereich reduziert werden. Dies verringert in erwünschter Weise die Reichweite.Targets are irradiated in the driving tube. The side lobes of the transmitting antenna must also be suppressed as much as possible, because targets in the vicinity, such as crash barriers, which are irradiated on the side lobes, would otherwise lead to relatively strong received signals. This makes it necessary to introduce a second operating state for the near range. In this operating state, a transmitting antenna with wide azimuthal beam characteristic is used, because for applications in city traffic, eg Staufolgefahren, pre-crash functions, etc., a large angular range in azimuth, eg ± 60 °, must be covered. Since in the operating state near range no very high range is required, the transmission power can be reduced in addition to the anyway lower antenna gain due to the wide main lobe coupled to the switch to the near range. This desirably reduces the range.
Ziele, die nicht im Entfernungsbereich liegen, der vom jeweiligen Betriebszustand abgedeckt wird, können für FMCW-Modulation durch einen mit dem Betriebszustand umgeschalteten passenden Filter für die Basisbandsignale unterdrückt werden. Die Basisband-Frequenz, die durch die Entfernung hervorgerufen wird, ist deutlich größer als die Basisband-Frequenz durch die Dopplerverschiebung. Damit können z.B. mit einemTargets that are not within the range covered by the current operating condition can be suppressed for FMCW modulation by an appropriate filter for the baseband signals switched to operating state. The baseband frequency caused by the distance is significantly larger than the baseband frequency by the Doppler shift. Thus, e.g. with a
Hochpassfϊlter für den Fernbereich die nahen Ziele und mit einem Tiefpassfϊlter für den Nahbereich die entfernten Ziele unterdrückt werden. Für die Eckfrequenzen des Filters muss wegen der Entfernungsunsicherheit, bedingt durch die Dopplerkomponenten, eine gewissen Überlappung der Durchlassbereiche vorgesehen werden. Die genannte Filtercharakteristik wird üblicherweise noch von einer zusätzlichen Hochpass-Highpass filter for the far range the near targets and with a lowpass filter for the near range the distant targets are suppressed. For the corner frequencies of the filter, a certain overlap of the passbands must be provided because of the range uncertainty caused by the Doppler components. The mentioned filter characteristic is usually still accompanied by an additional high-pass filter.
Charakteristik überlagert. Letztere dient dazu, die Entfernungsdynamik (Empfangsleistung ist proportional R"^) teilweise auszugleichen. Die Parameter der Modulation (z.B. Rampensteigung bei FMCW) sind entsprechend zu wählen.Characteristic superimposed. The latter is used to partially compensate for the range dynamics (receive power is proportional to R "^) and the parameters of the modulation (for example, ramp slope in FMCW) should be selected accordingly.
Die hier beschriebene Reduktion der Anzahl detektierter Ziele auf den im jeweiligenThe reduction of the number of detected targets described here in the respective
Entfernungsbereich relevanten Winkelbereich wirkt sich außerdem günstig auf das Tracking der Ziele aus. Im allgemeinen ist die Qualität der Zieldetektionen eines FMCW- Rampendurchlaufs nicht so gut, dass alle Ziele mit Sicherheit erkannt und in ihrer Position bestimmt werden. Weiterhin treten Geisterechos und nicht eindeutig auflösbare Zuordnungen der Frequenzlinien auf. Diese Unsicherheiten lassen sich beseitigen, wennDistance range relevant angle range also has a favorable effect on the tracking of the targets. In general, the quality of the target detections of an FMCW ramp pass is not so good that all targets are reliably detected and determined in position. Furthermore, there are ghost echoes and not clearly resolvable assignments of the frequency lines. These uncertainties can be eliminated if
Ziele über mehrere Rampendurchläufe in einer Zielliste gespeichert und verfolgt werden, gegebenenfalls mit Prädiktion der zu erwartenden Position und Bestätigung eines Ziels erst nach mehrmaliger konsistenter Detektion. Dieses sogenannte Tracking wird umso schwieriger und rechenaufwendiger, je mehr Ziele zu verarbeiten sind. Eine Reduktion der Anzahl zu verarbeitender Ziele ist auch hier sehr hilfreich.Targets are stored and tracked over several ramp passes in a target list, possibly with prediction of the expected position and confirmation of a target only after repeated consistent detection. This so-called tracking becomes all the more difficult and computationally more, the more goals are to be processed. A reduction in the number of goals to be processed is also very helpful here.
Ein Bereich des Eingangspegels von -120... +5 dBm sollte von der Eingangsstufe (Mischer) gegebenenfalls LNA toleriert werden. Im Modus Fernbereich ist dabei eine Übersteuerung der Eingangsstufe akzeptabel, solange ausschließlich Intermodulationsprodukte der starken Signale aus dem Nahbereich auftreten. Diese Intermodulationsprodukte liegen im Basisband genau wie die zugehörigen Eingangssignale bei niedrigen Frequenzen und werden durch den oben beschriebenen umschaltbaren Filter entfernt. Im Modus Nahbereich muss die Sendeleistung hingegen so weit abgesenkt werden, dass keine Übersteuerung und Intermodulation mehr auftritt.A range of the input level of -120 ... +5 dBm should be tolerated by the input stage (mixer) if necessary LNA. In the far-range mode, an override of the input stage is acceptable as long as only intermodulation products of the strong signals from the near range occur. These Intermodulation products are in baseband just like the associated input signals at low frequencies and are removed by the switchable filter described above. In short-range mode, on the other hand, the transmit power must be lowered so that no overmodulation and intermodulation occur.
Für die Digitalisierung mit hinreichend schnellen und preisgünstigen A/D- Wandlern muss die Dynamik im Basisband auf einen Bereich von ca. 60 dB (10 Bit) beschränkt werden. Dies geschieht im Modus Fernbereich durch die Hochpass-Charakteristik des NF-Signalpfades, wodurch Anteile bei niedrigeren Frequenzen unterdrückt werden. Durch eine Reduktion der Sendeleistung im Nahbereich können die Anforderungen an das umschaltbare Filter und an die damit verbundene Umschaltung der NF-Verstärkung reduziert werden.For digitization with sufficiently fast and low-cost A / D converters, the baseband dynamics must be limited to a range of approx. 60 dB (10 bits). This is done in the far-field mode by the high pass characteristic of the LF signal path, which suppresses low frequency components. By reducing the transmission power in the near range, the requirements for the switchable filter and the associated switching of the AF gain can be reduced.
Wenn der Spalten- Abstand größer ist als halbe Freiraumwellenlänge ist, treten Mehrdeutigkeiten in der Winkelbestimmung auf (analog zu grating lobes = höhereIf the column spacing is greater than half the free space wavelength, ambiguities in the angle determination occur (analogous to grating lobes = higher
Beugungsordnungen bei der Strahlformung). Daher darf der Spaltenabstand entweder nicht signifikant größer sein als eine halbe Freiraumwellenlänge oder es müssen die Nebenkeulen der Sendeantenne im Bereich der Grating lobes so klein sein, dass dort keine Ziele mehr detektiert werden.Diffraction orders in beam shaping). Therefore, the column spacing must either not be significantly greater than half the free space wavelength or the side lobes of the transmitting antenna in the region of the grating lobes must be so small that no targets are detected there.
Die Höhe der Ziele in Elevation beträgt maximal 4 m (LKW) typisch ca. 2 m. Da nicht von vornherein bekannt ist, welche Bereiche eines Fahrzeugs die stärksten Radarziele darstellen, sollten PKWs und Motorräder im Fernbereich ungefähr auf ihrer vollen Höhe bestrahlt werden (LKWs bieten im allgemeinen wesentlich stärkere Radarziele). Im Nahbereich müssen Ziele nicht in voller Höhe erfasst werden, weil durch den geringerenThe height of the targets in elevation is maximally 4 m (truck) typically approx. 2 m. Since it is not known in advance which areas of a vehicle represent the strongest radar targets, long-distance passenger cars and motorcycles should be irradiated at their full height (trucks generally have much stronger radar targets). At close range, goals do not have to be fully captured because of the lower
Abstand auch schwächere Reflexionszentren am Ziel ein hinreichendes Empfangssignal erzeugen. In der Breite der Strahlkeule sollte außerdem eine gewissen Toleranz gegen Nicken und/oder Beladung des Fahrzeugs enthalten sein. Ein Öffnungswinkel von typisch 3 bis 4° ist damit hinreichend für Fernbereich (2 m Höhe in 30 m Entfernung). Gleichzeitig reduziert diese schmale Hauptkeule Reflexionen vom Boden, die zu unerwünschten Signalen bzw. zu nicht-existierenden Zielen (clutter) führen.Distance even weaker reflection centers at the destination produce a sufficient received signal. In the width of the beam lobe should also be included a certain tolerance against pitching and / or loading of the vehicle. An opening angle of typically 3 to 4 ° is thus sufficient for long-range (2 m height in 30 m distance). At the same time, this narrow main lobe reduces reflections from the ground that lead to unwanted signals or clutter.
Ein Öffnungswinkel von 4° beleuchtet jedoch bei 3 m Abstand in der Höhe nur noch einen Bereich von ca. 20 cm, in dem sich ein Reflexionszentrum befinden müsste. Daher ist eine Vergrößerung des Öffnungswinkels für Nahbereich auf ca. 5 bis 20° (I m Höhe in 3... 10 m Entfernung) notwendig. Dabei sollte es ausreichen, die Bereiche, in denen üblicherweise die stärksten Reflexionen auftreten (Nummernschild und umgebende Bereiche, Radkästen,...) zu bestrahlen.However, an opening angle of 4 ° at a distance of 3 m illuminates only an area of about 20 cm in height, in which a reflection center would have to be. Therefore, an increase in the opening angle for close range to about 5 to 20 ° (I m height in 3 ... 10 m distance) necessary. It should be sufficient to irradiate the areas where usually the strongest reflections occur (license plate and surrounding areas, wheel arches, ...).
Nachfolgende werden die wichtigen Merkmale nochmals zusammengefasst:The following summarizes the important features:
Antennenumschaltung der Sendeantenne für zwei Entfernungsbereiche, Nahbereich: möglichst breite und flache Charakteristik für Detektion von Radarzielen bis zu einer ersten Entfernungsgrenze (bzw. Frequenzgrenze bei FMCW- Modulation),Antenna switching of the transmitting antenna for two distance ranges, short-range: as broad and flat characteristics as possible for detection of radar targets up to a first distance limit (or frequency limit with FMCW modulation),
Fernbereich: Hauptkeule so gestaltet, dass der Fahrschlauch auf Autobahnen oder Landstraßen unter Einbeziehung typischer Kurvenradien abgedeckt wird (typischerweise ± 8°, sinnvoller Bereich etwa bis ±4° bis ±12°), und möglichst geringe Nebenkeulen (typischerweise -30 dB und geringer); Verarbeitung der detektierten Radarziele erfolgt erst ab einer zweiten Entfernungsgrenze (bzw.Long-range: main lobe designed to cover the lane on highways or highways incorporating typical curve radii (typically ± 8 °, reasonable range approximately to ± 4 ° to ± 12 °), and minimized sidelobes (typically -30 dB and lower) ; Processing of the detected radar targets takes place only from a second distance limit (resp.
Frequenzgrenze bei FMCW-Modulation), Überlappung der Entfernungsgrenzen,Frequency limit with FMCW modulation), overlapping of the distance limits,
Empfangsseitig digitale Verarbeitung insbesondere mehrere Antennenspalten ins Basisband geführt und digitalisiert, wobei auch eine Umschaltung der Spalten auftreten kann,Digitally processed, in particular, a plurality of antenna columns on the receiving side, and digitized into the baseband, wherein a switching over of the columns can occur,
Spalten der Empfangsantenne mit breiter Strahlcharakteristik in Azimut, wie z.B. Einzelpatches in Elevation zu einer Spalte angeordnet.Columns of the receiving antenna with wide beam characteristic in azimuth, such as. Single patches arranged in elevation to a column.
Optional können diese Merkmale noch mit mindestens einem der folgenden Merkmale kombiniert werden:Optionally, these features may be combined with at least one of the following features:
1. Sendeantenne für Fernbereich hat in Elevation eine relativ schmale Keule, ca. 3 bis 5°, Sendeantenne für Nahbereich hat in Elevation eine breitere Hauptkeule, z.B. 20°,1. Broad-range transmit antenna has a relatively narrow lobe in elevation, about 3 to 5 °, near-range transmit antenna has a wider main lobe in elevation, e.g. 20 °,
2. Umschaltung der Charakteristik des Basisband-Filters gegebenenfalls mit Umschaltung der Verstärkung,2. switching the characteristic of the baseband filter, if necessary, with switching of the amplification,
3. Reduktion der Sendeleistung für den Modus Nahbereich, 4. Modulationsumschaltung (FMCW-Parameter oder anderes Modulationsprinzip (Doppler, Puls-Doppler, FSK)),3. reduction of the transmission power for the mode close range, 4. modulation switching (FMCW parameter or other modulation principle (Doppler, pulse Doppler, FSK)),
5. Schaltbare LNAs vor den Mischern,5. Switchable LNAs in front of the mixers,
6. Verwendung hoch auflösender Winkelschätzverfahren zusammen mit digitaler Strahlformung und klassischen Auswertemethoden. 6. Use of high-resolution angle estimation methods together with digital beamforming and classical evaluation methods.

Claims

Patentansprüche claims
1. Radarsystem bestehend aus: mindestens zwei Sendeantennen mit unterschiedlichen Richtcharakteristiken insbesondere für unterschiedliche Entfernungsbereiche, - einem Umschalter (40) zur Umschaltung zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Sendecharakteristiken, mindestens zwei Empfangsantennen (51, 52), einer Auswerteeinrichtung zur gemeinsamen Auswertung der digitalisierten Signale der mindestens zwei Empfangsantennen im Sinne einer Korrelation der Empfangsantennensignale.1. radar system comprising: at least two transmitting antennas having different directional characteristics, in particular for different distance ranges, - a changeover switch (40) for switching between at least two different transmission characteristics, at least two receiving antennas (51, 52), an evaluation device for the common evaluation of the digitized signals of at least two receiving antennas in the sense of a correlation of the receiving antenna signals.
2. Radarsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine empfangsseitige digitale Strahlformung.2. Radar system according to claim 1, characterized by a receiving side digital beam shaping.
3. Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die3. Radar system according to claim 1 or 2, characterized in that the
Auswerteeinrichtung so ausgebildet ist, dass die Detektion von Radarzielen nach Entfernungsbereichen selektierbar ist.Evaluation device is designed so that the detection of radar targets can be selected by distance ranges.
4. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Nahbereich eine sehr breite horizontale Richtcharakteristik vorgesehen ist und für einen Fernbereich eine schmale Richtcharakteristik.4. Radar system according to one of claims 1 to 3, characterized in that a very wide horizontal directional characteristic is provided for a near area and for a long range a narrow directional characteristic.
5. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Richtcharakteristiken durch Überlagerung der Richtcharakteristiken von mehreren einzelnen Antennenelementen realisiert sind. 5. Radar system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the different directional characteristics are realized by superimposing the directional characteristics of a plurality of individual antenna elements.
6. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein modulierbarer Lokaloszillator (2, 20) vorgesehen ist mit einem Leistungsteiler zur Aufteilung der Lokaloszillatorleistung für Sende- und Empfangseinheit.6. Radar system according to one of claims 1 to 5, characterized in that a modulable local oscillator (2, 20) is provided with a power divider for dividing the local oscillator power for transmitting and receiving unit.
7. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der mindestens zwei Empfangsantennen über eine Mischereinheit in das analoge Basisband herabmischbar sind und nach Digitalisierung mit komplexen Gewichtsfaktoren multiplizierbar und addierbar sind.7. Radar system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the signals of the at least two receiving antennas are mixable down via a mixer unit in the analog baseband and after digitization with complex weighting factors are multiplied and added.
8. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der mindestens zwei Empfangsantennen einem unterraumbasierten Parameterschätzverfahren unterziehbar sind zur Analyse ihrer Korrelationseigenschaften.8. Radar system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the signals of the at least two receiving antennas undergo a subspace-based parameter estimation method for analyzing their correlation properties.
9. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine empfangsseitige Multiplex-Einheit (71) vorgesehen ist, mittels derer die Signale mehrerer Empfangsantennen sukzessiv auf eine Mischeinheit schaltbar sind.9. Radar system according to one of claims 1 to 8, characterized in that a receiving-side multiplex unit (71) is provided, by means of which the signals of a plurality of receiving antennas are successively switchable to a mixing unit.
10. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Entfernungsbereiche bzw. die ihnen zugeordneten Richtcharakteristiken überlappend ausgebildet sind und die Verarbeitung der detektierten Radarziele erst ab einer vorgegebenen Mindestentfernungsgrenze erfolgt.10. Radar system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the different distance ranges or their associated directional characteristics are formed overlapping and the processing of the detected radar targets takes place only from a predetermined minimum distance limit.
11. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als11. Radar system according to one of claims 1 to 10, characterized in that as
Antennenelemente Patch-Einzelstrahler und/oder Spalten von Einzelstrahlern vorgesehen sind, die in Serien- oder Parallelspeisung betreibbar sind.Antenna elements patch single radiators and / or columns of individual radiators are provided, which are operable in series or parallel feed.
12. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein umschaltbares Basisbandfϊlter vorgesehen ist, das Ziele außerhalb eines ausgewählten12. Radar system according to one of claims 1 to 11, characterized in that a switchable Basisbandfϊlter is provided, the targets outside of a selected
Entfernungsbereiches unterdrückt.Distance range suppressed.
13. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Reduzierung der Sendeleistung für den Betrieb in einem Nahbereich vorgesehen sind. 13. Radar system according to one of claims 1 to 12, characterized in that means are provided for reducing the transmission power for operation in a vicinity.
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