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