Beschreibung
Radarsensor, Radarsensor-Svstem sowie Verfahren zur Bestimmung der Position eines Objekts mit horizontaler und vertikaler digitaler Strahlformunq zur Vermessung von Punkt- und flächenförmig reflektierenden Objekten
Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft einen Radarsensor, Radarsensor-System, sowie Verfahren zur Bestimmung der Position eines Objekts.
Millimeterwellen-Radarsensoren, z.B. für automobile und aeronautische Anwendungen sollen eine kompakte und kostengünstige Bauweise vorweisen.
Beschränkt sich die Detektion auf nur eine Ebene (meist die horizontale Ebene), was bei den meisten automobilen Radarsensoren der Fall ist, so kann dies in kostengünstiger Weise durch den Einsatz planarer Antennen und mehreren Empfängern erfolgen. Die Strahlformung und Steuerung erfolgt dabei nach dem Prinzip des„Digital Beamforming".
Für einige Anwendungen jedoch, ist sowohl eine exakte vertikale als auch eine horizontale Positionsbestimmung erforderlich. Dies gilt beispielsweise für eine Sensorik zur Türraum-Überwachung von Kraftfahrzeugen, bei denen sich die Türe automatisch öffnen lässt. Hier muss der Sensor potentielle Hindernisse erkennen, sodass eine Kollision mit der sich öffnenden Tür vermieden wird. Die Hindernisse können dabei im Bereich der Fahrzeughöhe beliebig angeordnet sein.
Eine weitere Anwendung wäre die sogenannte Einparkhilfe, bei der beispielsweise zwischen potentiell kollidierenden Objekten und niedrigen Randsteinen unterschieden werden muss.
Das Reflexionsverhalten von planaren und punktförmigen Reflektoren unterscheidet sich im Wesentlichen dahingehend, dass planare Flächen nur bei senkrechtem Einfall des Radarstrahls eine Signifikaten Reflexion aufweisen, wogegen bei punktförmigen Reflektoren auch bei anderen Winkeln dies der Fall ist. Dieser Umstand kann dazu führen, dass ausgedehnte planare Flächen in ihrer Kontur nicht erkannt werden und es insbesondere bei der automatisch sich öffnenden Türe zu einer Kollision kommen kann.
Stand der Technik
Aus der Dissertation von Dr. Winfried Mayer mit dem Titel„Abbildender Radarsensor mit sendeseitig geschalteter Gruppenantenne", Cuvillier Verlag, Göttingen 2008, ISBN 978-3-86727-565-1 IM ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bekannt, welches mit der Technik der digitalen Strahlformung, bei denen ein Antennenarray mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern eingesetzt wird, ein Gebiet überwacht.
In der DE 10 2008 052 246 A1 wird ein Sensorsystem mit verstellbarer Elevationsstrahlrichtung zur vertikalen Lagebestimmung von Objekten beschrieben. Die Verstellung erfolgt hierbei durch die mechanische Bewegung eines Reflektors.
In der PCT/EP2012/003702 wird ein abbildender Radarsensor mit synthetischer Vergrößerung der Antennenapertur und zweidimensionaler Strahlschwenkung beschrieben. Die zweidimensionale Strahlschwenkung erfolgt dabei in der horizontalen durch digitale Strahlformung aus mehreren Empfangskanälen, in der veritkalen durch den Vergleich der Amplituden zweier Empfangssignale, welche von zwei Sendern erzeugt werden, welche ein zueinander in der vertikalen verkipptes Antennendiagramm aufweisen. Dieses Verfahren weist in der Praxis jedoch den Nachteil auf, dass durch dem Sensor vorgelagerte Strukturen, wie Radome, Plastik- Stoßfänger oder Türschweiler die Amplitudencharakteristik der Antennendiagramme
verzerrt wird. Dies bedeutet, dass je nach Abdeckung eine Kalibrierung des Radarsensors durchzuführen ist, um diese Verzerrungen messtechnisch zu erfassen und zu kompensieren.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung, ein Verfahren sowie ein Radarsystem zur Verfügung zu stellen, womit die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung einen Radarsensor bzw. ein Radarsensor-System bzw. eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem eine vertikale Lage eines Objekts bestimmt werden kann und mit deren Hilfe eine Klassifizierung zwischen punkt- und flächenförmigen Objekten durchgeführt werden kann.
Die Aufgabe wird vorrichtungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 13, verfahrensgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 18 oder 19 gelöst.
Folgende Lösungsmöglichkeiten sind erfindungsrelevant, beispielsweise durch eine
A. Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Objekts im dreidimensionalen Raum, mit mindestens zwei Radar-Sende-/Empfangs-Einrichtungen, wobei jede Einrichtung mindestens 4 Empfänger und einen oder zwei Sender aufweist, mit einem Antennenarray für eine horizontale Strahlschwenkung welches in der vertikalen einen fächerförmigen Strahl aufweist, und einem Antennenarray für eine vertikale Strahlschwenkung, dessen Einzelstrahl- Elemente in der vertikalen als auch in der horizontalen eine breite
Richtcharakteristik aufweisen
B. eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Objekts im dreidimensionalen Raum, mit einer Sendeantennenreihe und einer Empfangsantennenreihe dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antennenreihen ortogonal zueinander angeordnet sind, einer Auswerteeinheit, welche aus den sequentiellen Empfangssignalen von den einzelnen Sendern
ein virtuelles Array erzeugt, dessen Antennenstrahl sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen elektronisch steuerbar ist oder ein
C. Radarsystem zur Verwendung einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Objekts im dreidimensionalen Raum im Sinne von A und B, bestehend aus zwei voneinander unabhängigen Sende- /Empfangseinrichtungen für eine horizontale und vertikale Strahlschwenkung
D. ein Radarsystem zur Verwendung einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Position eines Objekts im dreidimensionalen Raum im Sinne von B, bestehend aus mindestens 4 Sendern und 8 Empfängern, welche miteinander synchronisiert sind und somit eine zweidimensionale Strahlschwenkung eines einzelnen Antennenstrahls erlauben und ferner ein
E. Radarsystem, bei dem die Einzelstrahlelemente im Sender und Empfänger in einem Winkel von 45 Grad angeordnet sind und somit sowohl Sender als auch Empfänger die gleiche Polarisation aufweisen;
F. eine Radarsensoranordnung zur Unterscheidung von punktförmigen und flächenförmigen Reflektoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsbereiche der beiden Sensoren sich überlappen und dass die Sensoren einander gegenüberliegend angeordnet sind mit vorzugsweise einem
G. Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit den Verfahrensschritten:
Senden und Empfangen von Signalen mit Hilfe von Antennen mit fächerförmig ausgebildetem Antennenstrahl in der vertikalen Richtung
Verknüpfung der Empfangssignale nach der Methode der digitalen Strahlformung zu mehreren gebündelten Antennenstrahlen in der horizontalen Richtung,
Senden und Empfangen von Signalen mit breiten Antennenstrahlen in der vertikalen und horizontalen Richtung, wobei die Antennen ortogonal zu den Antennen mit fächerförmigen Strahl angeordnet sind
Verknüpfung dieser Signale nach der Methode der digitalen Strahlformung zu mehreren gebündelten Antennenstrahlen in der vertikalen Richtung
Darstellung der horizontalen und vertikalen Position des Objekts und oder einem
H. Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts mit einer Vorrichtung entsprechend dem Anspruch 2, mit den Verfahrensschritten:
Sequentielles Senden von Signalen mit einer Reihe von Sendern und gleichzeitiges Empfangen der an Objekten reflektierten Strahlen mit einer Reihe von Empfängern
Verknüpfung der Empfangssignale nach der Methode der zweidimensionalen digitalen Strahlformung zu mehreren gebündelten Antennenstrahlen in der horizontalen und vertikalen Richtung,
Darstellung der horizontalen und vertikalen Position des Objekts.
Unter anderem wird durch den Einsatz eines zweiten Radarsensors eine Abhilfe geschaffen, welcher gegenüber dem ersten in Fahrtrichtung versetzt angeordnet ist. Die Sensoren sind miteinander vernetzt und die gesammelte Information wird nach dem Master-Slave-Prinzip von einem der beiden Sensoren ausgewertet.
Weitergehende Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit den folgenden Abbildungen werden vorteilhafte Ausgestaltungen dargestellt.
Abbildung 1 zeigt die Sensoranordnung am Fahrzeug mit horizontalem Blickfeld zur Überwachung des Öffnungsbereichs der Türen. Die Sensoren sind jeweils um ca. 30 Grad verkippt eingebaut und haben ein Blickfeld von ca. 1 10 Grad. Pro Fahrzeugseite sind mindestens 2 Sensoren einzubauen, um den Öffnungsbereich der Türen optimal abzudecken.
Abbildung 2 zeigt das vertikale Blickfeld der Sensoren und den Bereich potentieller Hindernisse.
Die Anordnung der Sensoren wurde so gewählt, dass zum einen der Öffnungsbereich der Türen maximal abgedeckt wird, zum anderen dazu, punktförmige Reflektoren von flächenförmigen zu unterscheiden. Hierzu ist eine Überlappung der Blickfelder der Sensoren erforderlich.
Bei punktförmigen Objekten darf die Tür sich bis zum Objekt hin öffnen, wogegen bei flächenförmigen Hindernissen, wie zum Beispiel Wände oder benachbart parkende Fahrzeuge, die Tür sich nur bis zur potentiell verlängerten Fläche öffnen darf.
In Abbildung 3 ist die Detektion eines punktförmigen Reflektors und in Abbildung 4 die eines planaren flächenförmigen Objekts skizziert.
Das punktförmige Objekt wird von beiden Sensoren in Entfernung und Winkel erfasst. Beim flächenförmigen planaren Objekt treten jedoch nur Reflexionen bei senkrechtem Einfallswinkel auf. Beide Sensoren sind nicht in der Lage, ein und denselben Reflexionspunkt zu detektieren. Die Radarsensoren detektieren die radiale Entfernung und den Winkel zum Reflexionsort. Bildet man nun die Ortogonalen zu den Strahlrichtungen der einzelnen Sensoren, so verlaufen diese bei einem Flächenziel in etwa parallel, bei einem Punktziel kreuzen sie sich. Die Türe darf beim Punktziel bis zu dessen Position geöffnet werden, bei einem Flächenziel
nur bis zur verlängerten Ortogonale. Somit wird verhindert, dass die Türe beim Öffnen die Wand berührt, obwohl der Reflexionspunkt weiter entfernt liegt als der Kollisionspunkt.
Abbildung 5 zeigt das Millimeterwellen-Modul eines einzelnen Radarsensors mit Antennenanordnung. Der Sensor besteht aus einer Sende-Empfangseinrichtung (1 ) für den vertikalen Scan und einer Sende-Empfangseinrichtung (2) für den horizontalen Scan. Jede Sende-/Empfangseinrichtung besteht aus mindestens 4 Empfängern (3a, 3b) und einem oder zwei Sendern (4a, 4b). Da die erforderliche Detektionsrate für die Türüberwachung gering ist im Vergleich zur Meßrate des Sensors, kann die Sensorik die vertikale Detektion und die horizontale Detektion zeitlich nacheinander durchführen. Dies reduziert die Kosten, da nur eine Signalverarbeitungseinheit benötigt wird. Ferner wird vermieden, dass die Sende- /Empfangseinheiten sich gegenseitig stören.
Abbildung 6 zeigt das funktionale Blockdiagramm des Radarsensors. Es besteht aus zwei hochintegrierten Radarfrontends, mit je zwei Sendern und vier Empfängern. In den Empfängern sind bereits analog-digital-Wandler integriert, sodass diese direkt an die Signalverarbeitungseinheit, einem multicore-digitalen Signalprozessor, angeschlossen werden kann. Der Signalprozesser übernimmt zusätzlich die Aufgabe der Steuerung der Sende-/Empfangsmodule und bedient die Kommunikations- Schnittstelle mit der Außenwelt, z.B. mit der Steuerelektronik der automatischen Tür.
Mit der, vorzugsweise in IM beschriebenen, digitalen Strahlformung mit zwei Sendern und mehreren Empfängern wird nun die vertikale und horizontale Winkelposition des zu detektierenden Objekts bestimmt sowie die Entfernung zum Objekt vermessen. Die Einzelsender eines Senderpaares werden dabei zeitlich nacheinander betrieben. Das Zusammenführen der Information aus beiden Detektionsprozessen entspricht der Detektion mit nur einem Sender und dem Empfang mit einem virtuellen Array (3a', 3b'), welches doppelt so groß ist als das reale Array. Damit lässt sich die Winkelmeßgenauigkeit um den Faktor 2 erhöhen. Falls dies nicht erforderlich ist, kann die Detektion auch mit nur einem Sender betrieben werden.
Abbildung 7 zeigt das Zeitdiagramm und die Modulationsform einer einzelnen Sende- /Empfangseinheit.
Dabei werden die beiden Sender abwechselnd in der Frequenz linear sägezahnförmig moduliert. Dieser Zyklus wird n-mal wiederholt. Aus den Datensätzen der Einzelnen Modulationsrampen wird mit Hilfe einer schnellen Fouriertransformation (FFT) die Entfernung zum Objekt ermittelt. Danach werden diese Datensätze zu einem Spektrogramm angeordnet und über die Spalten der Spektrogramm-Matrix eine zweite FFT gerechnet. Die Zeilenposition dieser sogenannten Range-Doppler-Matrix entspricht der Geschwindigkeit des Objekts, die Spaltenposition entspricht der radialen Entfernung. Die Modulationsfrequenz fm ist größer als die maximal auftretende Doppler-Frequenz, sodass eine unabhängige und eindeutige Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung durchgeführt werden kann.
Horizontaler Scan:
Um das in Abbildung 1 und 2 dargestellte Blickfeld abzudecken wurde eine Antennenzeile gewählt, welche das in Abbildung 8 gezeigte vertikale Diagramm aufweist. Die Anordnung und Dimensionierung der einzelnen Strahlerelemente der Antennenzeile wurde dabei nicht wie sonst üblich auf maximale Strahlbündelung hin optimiert, sondern so ausgelegt, dass sich ein nach oben gerichteter Fächer-Strahl ausbildet. Dieser Fächerstrahl stellt sicher, dass Reflexionen von Objekten, welche unterhalb des Türschweilers liegen unterdrückt werden und der Sensor auch Objekte bei hohen vertikalen Winkeln noch erfassen kann. Der Gewinn einer solchen Antennenzeile entspricht in etwa nur noch den eines Einzelstrahlers. Die Entfernungen zu den Objekten ist jedoch so gering, dass eine ausreichende Empfindlichkeit des Radarsensors noch gegeben.
Das horizontale Diagramm dieser Antennenzeile ist in Abbildung 9 dargestellt. Es hat eine sehr große 3dB-Strahlbreite, um den erforderlichen breiten Blickbereich von 1 10° auszuleuchten. Nach der digitalen Strahlformung ergibt sich das in Abbildung 10 gezeigte Array-Diagramm, welches um bis zu +-50° geschwenkt werden kann,
ohne dass sogenannte Grating-Lobes entstehen, welche zu Scheinzielen führen könnten.
Vertikaler Scan:
Hier kommen keine Antennenzeilen sondern nur ein einzelne Strahlerelemente, sogenannte Microstrip-Patch-Strahler zum Einsatz. Dieser Strahler hat sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen einen großen Öffnungswinkel (siehe Abbildung 1 1 ). Die digitale Strahlschwenkung beschränkt sich hierbei auf den Winkelbreich von -70° bis 0°. Zwar treten bei -70° Scheinziele in der entgegengesetzten Richtung auf. Diese würden aber physikalisch unterhalb der Straßenoberfläche liegen und können somit durch eine einfache Plausibilitätsprüfung eliminiert werden. Bis zu einem Schwenkwinkel von -60° ist die Detektion frei von grating Lobes und somit von Scheinzielen.
Durch den abwechselnd horizontalen und vertikalen Scan wird also der Türöffnungsbereich zweidimensional überwacht, sodass auch hervorstehende Hindernisse, wie Laderampen, Geländer oder Außenspiegel benachbarter Fahrzeuge als Hindernisse erkannt werden.
Zweidimensionaler Scan:
Eine Alternative zu einem Radarsensor mit horizontalem und vertikalem Scan stellt ein Radarsensor mit zweidimensionalen Scan dar, bei dem ein hochbündelnder Strahl in zwei Raumrichtungen gesteuert werden kann. Abbildung 12 zeigt das Millimeterwellenmodul mit zwei Sende-/Empfangsmodulen, welche 4 Sender und 8 Empfänger zur Verfügung stellen. Die Sendeantennen sind dabei in einer Reihe ortogonal zu der Reihe der Empfangsantennen angeordnet. Die Sendeantennen sollen dabei die gleiche Polarisationsrichtung aufweisen als die Empfangsantenne, um die maximale Systemempfindlichkeit zu gewährleisten. Bei der Einspeißung der Antennen auf der gleichen Ebene, wie dies beispielsweise in Abbildung 5 zu sehen ist, wäre bei dem nötigen Abstand der Sende-Strahlelelmente eine Leitungsführung
für die Zuleitung zu den Strahlelementen nicht möglich. Um diese zu realisieren, wurden die Strahlerelemente sowohl beim Sender als auch beim Empfänger um 45° verkippt.
In Erweiterung zu dem beispielsweise in IM beschriebenen bekannten Verfahren kann damit das gezeigte virtuelle Empfangsarray erzeugt werden, sodass für die Signalverarbeitung ein Array aus 4 x 8 Einzelstrahlern zur Verfügung steht. Jeder dieser Einzelstrahler kann im Rahmen der Signalauswertung sowohl in Phase als auch in Amplitude reguliert werden, sodass eine Strahlschwenkung sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung möglich ist.
Abbildung 13 zeigt das steuerbare Diagramm des Arrays mit einer 3dB-Strahlbreite von 16 Grad in der Horizontalen und 29 Grad in der Vertikalen.