WO2016096199A1 - Verfahren zum kalibrieren eines radarsystems - Google Patents

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WO2016096199A1
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radar system
channel
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Juergen Hasch
Werner Soergel
Mekdes Girma
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a radar system and a method for calibrating a radar system
  • a leakage signal t L of a first oscillator VC01 can scatter to a first mixer 16, furthermore a leakage signal t An t can be generated by an antenna 14 and by a connecting element 13 due to mismatching. Furthermore, interference signals t R are conceivable due to reflection by a cap element or radome 30 arranged in front of the antenna 14 and / or due to circuit inaccuracies.
  • a fundamental frequency 143-152 GHz radar transceiver with built-in calibration and self-test CSICS, 2013 discloses a heterodyne radar Transceiver, which includes some self-test and calibration features to allow easy production testing and correction of analog frontend degradation.
  • DE 10 2012 202 007 A1 discloses a radar sensor which comprises an offset compensation unit which generates a compensation signal in order to be sent to the receiver with the received signal.
  • the object is achieved with a radar system, comprising:
  • a reference channel formed symmetrically to the main channel; wherein by means of a first oscillator, a first input signal can be generated, which can be fed in the main channel of an antenna, wherein a reflected portion of the first input signal can be supplied to a first mixer; - Wherein the first input signal in the reference channel via a second directional coupler to a second mixer can be fed; wherein by means of a second oscillator, a second input signal having a defined different frequency to the first input signal can be generated, which can be supplied to the first mixer and the second mixer;
  • the signal originating from the mixer of the main channel and the signal originating from the mixer of the reference channel being comparable with one another;
  • Reference channel is dimensioned such that the output signals of the main channel and the reference channel have identical properties.
  • the symmetrical structure of the radar system makes use of the fact that systematic errors occur in both channels and can thus be calibrated out analogously.
  • the result is a comfortable analog calibration of a heterodyne radar system
  • the object is achieved with a method for calibrating a radar system comprising the radar system:
  • a first input signal can be generated by means of a first oscillator, which can be fed to an antenna in the main channel, wherein a reflected portion of the first input signal can be fed to a first mixer;
  • a second input signal having a defined different frequency to the first input signal can be generated, which can be supplied to the first mixer and the second mixer;
  • Reference channel at each different terminating impedances of the reference channel
  • Impedance adjuster to an impedance corresponding to the
  • the reference channel has an impedance setting device by means of which the terminating impedance of the reference channel is adjustable. In this way, a terminating impedance of the reference channel can be set in a comfortable manner, in which all systematic errors of the entire radar system are calibrated out.
  • a further advantageous development of the radar system is characterized in that, to determine the terminating impedance of the reference channel, a detected from the output signals of the main channel and the reference channel
  • Correction coefficient is usable. In this way, error vectors are detected, thereby applying a principle similar to a calibration principle of a one-port network analyzer.
  • Correction coefficient can be determined by means of a digital control device, wherein the correction coefficient is converted into a control signal for the impedance adjusting device, wherein the control signal can be supplied by the control device to the digital setting device.
  • the calibration or correction coefficient of the heterodyne can be determined by means of a digital control device, wherein the correction coefficient is converted into a control signal for the impedance adjusting device, wherein the control signal can be supplied by the control device to the digital setting device.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a conventional heterodyne radar system; an embodiment of a radar system according to the invention; a representation of a principle for the invention
  • FIG. 2 shows a block diagram of an embodiment of a radar system 100 according to the invention.
  • a symmetrical structure of a heterodyne radar system 100 is shown with a main channel 10 and a reference channel 20 which is symmetrical to the main channel 10.
  • "Symmetrical" in this context means that in the main channel 10 and in the main channel 10 Reference channel 20 same elements are used with the same systematic errors. The symmetry of the main channel 10 and reference channel 20 to a Self-test or used for a calibration process described below.
  • a first signal S1 is fed into the main channel 10 and into the reference channel 20.
  • the signal S1 in the main channel is transmitted to an antenna 14 via a first power amplifier 11, a first directional coupler 12, a connecting element 13. From the antenna 14, the signal S1 is emitted as electromagnetic radiation and impinges on a radome 30, which is provided for protection of the antenna 14 of the radar system 100.
  • the radar system 100 may e.g. as an electronic component
  • the electromagnetic radiation is reflected and passes as an electrical signal via the antenna 14, the
  • Small signal amplifier 15 From the first small signal amplifier 15, the signal enters a first mixer 16.
  • the first mixer 16 mixes the signal together with a second signal S2 of a second oscillator VC02, the frequency of which is slightly different from the frequency of the first signal S1 of the first oscillator VC01, into a baseband, e.g. into a signal with a frequency of 100 MHz, which is better evaluated below.
  • a baseband e.g. into a signal with a frequency of 100 MHz, which is better evaluated below.
  • the signal flow is analogous to that in the main channel 10 with the
  • a digital impedance adjuster 23 (English, digital impedance tuner) is provided for setting a complex terminating impedance of the reference channel 20.
  • various complex terminating impedances can be set at the reference channel 20, whereby an electrical output signal IF R of the reference channel 20 can be influenced.
  • the second signal S2 is respectively supplied to the mixer 16, 25 of the main channel 10 and the reference channel 20, wherein the mixer 16, 25, the second signal S2 the mixing of the directional couplers 12, 22 outgoing and amplified by means of the small signal amplifier 15, 24 signals.
  • the outgoing from the first mixer 16 of the main channel 10 signal is supplied to an A / D converter 40, whereby a digital signal IF M is formed, which is a computing device 61 of a control device 60 is supplied.
  • the outgoing signal from the second mixer 25 of the reference channel 20 is supplied to an A / D converter 50, which converts the signal into a digital value IF R , which is also the computing device 61 is supplied.
  • the controller 60 is provided to calculate a ratio of the two output signals IF M , IF R.
  • the computing device 61 determines at least three reflection coefficient factors or factors from which a calibration coefficient r Ka i for the radar system 100 is determined.
  • the calibration coefficient r Ka i is converted into a control signal, which is supplied from a control element 63 of the control device 60 to the digital impedance adjuster 23. This way, in the
  • Result reaches that the output signal IF R of the reference channel 20 corresponds in its electrical properties to the output signal IF M of the main channel 10, which corresponds to a calibrated state of the radar system 100.
  • the calibrated heterodyne radar system 100 may operate in normal operation without interference from systematic errors utilizing its full bandwidth.
  • the monostatic structure of the heterodyne radar system 100 with only one antenna 14 in the transmit and receive path has as a problem that the isolation between the transmit and receive paths is not infinite, causing unwanted leakage or leakage from the
  • Both oscillators VC01, VC02 have a certain phase noise, which is correlated by superimposition in a mixing process, whereby the system accuracy can be significantly increased.
  • FIG. 3 shows a basic circuit diagram for illustrating the symmetrical structure of the radar system 100.
  • An error cell 70 for the main channel 10 and an error cell 80 for the reference channel 20 are identified
  • Fault cells 70, 80 which are formed symmetrically to each other, are used for the calibration principle according to the invention.
  • FIG. 4 shows a circuit model with an error cell 90, which is known, for example, from a calibration process of vector network analyzers.
  • the fault cells 70, 80 of FIG. 3 may be considered as fault cell 90 of FIG. 4.
  • the model of FIG. 4 includes a system which includes as input and output reflection coefficients representing particular load situations.
  • systematic errors are represented by parameters which, in connection with the radar system 100 to be calibrated, have the following meanings: e 0 o error of the directivity error
  • f L is the current reflection coefficient of a load
  • the reflection coefficient ⁇ ⁇ represents measured information that includes the systematic errors and information about the load, ie the target 200, wherein in the calibrated state of the radar system 100 only the
  • the reflection coefficient T L of the load includes information about the measured target 200.
  • Fig. 5 shows a basic sequence of the method according to the invention.
  • the heterodyne radar system 100 to be calibrated is placed in a calibration mode. This can be done, for example, in the assembly of a radar sensor with the radar system 100 in a motor vehicle. Alternatively, it is also possible to put the radar system 100 in the calibration mode at desired, defined points in time, for example by means of a control signal initiated by a vehicle driver.
  • a step 310 the radar system 100 is aligned to a free space without detectable targets 200. In this way, it is ensured that only systematic errors of the radar system 100 are taken into account for the calibration.
  • the value of the digital impedance adjuster 23 is adjusted to known values, whereby amplitudes and phase differences of the electrical output voltages at the reference channel 20 and the main channel 10 after the A / D converters 40, 50 are determined.
  • the digital impedance adjuster 23 is adjusted at least three times to known values, whereby only the output signal IF R of the reference channel 20 changes because only this is connected to the digital impedance adjuster 23. This is done at least three times in succession, whereby a linear system of equations with three unknowns is determined and can be solved.
  • error coefficients are calculated by solving the obtained linear equation system, similar to a one-port network vector analyzer procedure.
  • the output signals of the main channel 10 and the reference channel 20 can be represented by the following mathematical relationships:
  • the reflection coefficients can be determined by solving the following linear equation: where:
  • a reflection coefficient of a load connected to either the reference channel 20 or the main channel 10 can be calculated from the measured reflection coefficient ⁇ ⁇ using the following mathematical relationship:
  • Calibration coefficient r Ka i can be determined from the following mathematical relationship: In a step 340, the complex calibration coefficient r Ka i of the
  • Radar system 100 determined from the equation (8).
  • the value of the digital setting device 23 is set to the value of the calibration coefficient r Ka i, which now ensures that the radar system 100 operates without taking into account the systematic errors and is therefore calibrated.
  • the termination impedance of the reference channel 20 is set to the value corresponding to
  • Calibration coefficient r Ka i whereby the reference channel 20 becomes a kind of "calibration channel" for the main channel 10.
  • a table may be shown corresponding to one another Data from calibration coefficients and impedance values can be used.
  • a step 360 it is queried whether any environmental influences have changed, e.g. whether a temperature, a setting, an integration, etc. have changed. If this is not the case, for example in the case where the radar transceiver is integrated into a chip, there is no process variation between the reference channel 20 and the main channel 10, whereby both channels

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Abstract

Radarsystem (100), aufweisend: einen Hauptkanal (10); und einen symmetrisch zum Hauptkanal (10) ausgebildeten Referenzkanal (20); wobei mittels eines ersten Oszillators (VCO1) ein erstes Eingangssignal (S1) generierbar ist, das im Hauptkanal (10) einer Antenne (14) zuführbar ist, wobei ein reflektierter Anteil des ersten Eingangssignals (S1) einem ersten Mischer (16) zuführbar ist; - wobei das erste Eingangssignal (S1) im Referenzkanal (20) über einen zweiten Richtkoppler (22) einem zweiten Mischer (25) zuführbar ist; - wobei mittels eines zweiten Oszillators (VCO2) ein zweites Eingangssignal (S2) mit einer definiert unterschiedlichen Frequenz zum ersten Eingangssignal (S1) generierbar ist, das dem ersten Mischer (16) und dem zweiten Mischer (25) zuführbar ist; - wobei das vom Mischer (16) Hauptkanals (10) abgehende Signal des und das vom Mischer (25) des Referenzkanals (20) abgehende Signal miteinander vergleichbar sind; und - wobei abhängig vom Vergleich eine Abschlussimpedanz des Referenzkanals (20) derart dimensionierbar ist, dass die Ausgangssignale des Hauptkanals (10) und des Referenzkanals (20) identische Eigenschaften aufweisen.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Kalibrieren eines Radarsystems Die Erfindung betrifft ein Radarsystem und ein Verfahren zum Kalibrieren eines
Radarsystems.
Stand der Technik In bekannten Radarsystemen hängen einige Probleme mit systematischen
Fehlern im Hochfrequenz-Frontend zusammen. Insbesondere resultiert ein DC- Offset Problem in einer Leistungsverminderung eines Empfängers und kann dadurch eine Detektierbarkeit eines empfangenen Signals vermindern. Mögliche Quellen von Hochfrequenz-Beeinträchtigung in einem heterodynen
Radarsystem sind prinzipiell in Fig. 1 dargestellt. Ein Streusignal tL eines ersten Oszillators VC01 kann zu einem ersten Mischer 16 streuen, ferner kann ein Streusignal tAnt von einer Antenne 14 und von einem Verbindungselement 13 aufgrund von Fehlanpassung generiert werden. Ferner sind Störsignale tR aufgrund von Reflexion durch ein vor der Antenne 14 angeordnetes Kappenelement bzw. Radom 30 und/oder aufgrund von Schaltungsungenauigkeiten denkbar.
Alle genannten systematischen Fehler können zu einer beträchtlichen
Leistungsverminderung des Radarsensors führen, insbesondere im Falle von
Nahbereichsmessungen. Um diese systematischen Beeinträchtigungen zu kompensieren, wurden bereits einige Studien durchgeführt.
„A fundamental frequency 143-152 GHz Radar Transceiver with Built-In Calibration and Self-Test" CSICS, 2013 offenbart einen heterodynen Radar- Transceiver, der einige Selbsttest- und Kalibrationsmerkmale enthält, um einen einfachen Produktionstest zu ermöglichen sowie eine Korrektur von analogen Frontend-Beeinträchtigungen.
DE 10 2009 029 052 A1 offenbart ein heterodynes Radarsystem, bei dem ein Reflexionssignal als ein Zwischenfrequenzsignal ausgebildet ist.
„A Digital Leakage Cancellation Scheme for Monostatic FMCW-Radar", IEEE MTT-S Digest, 2004, offenbart zur Auslöschung von Leckage- Effekten ein heterodynes Schaltschema, welches auf digitaler Echtzeit-Signalprozessierung beruht. Vorgeschlagen wird die Erzeugung eines Signals mit gleicher Amplitude und entgegengesetzter Phasenlage zu den auszulöschenden Leckage-Signalen. Allerdings werden systematische Fehler aufgrund von Antennen- oder
Verbindungs-Fehlanpassung, sowie unerwünschte Reflexionen im Falle eines Vorhandenseins eines Radoms nicht berücksichtigt.
DE 10 2012 202 007 A1 offenbart einen Radarsensor, der eine Offset- Kompensationseinheit umfasst, die ein Kompensationssignal erzeugt, um mit dem empfangenen Signal zum Receiver gesendet zu werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes
Radarsystem bereit zu stellen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Radarsystem, aufweisend:
einen Hauptkanal; und
einen symmetrisch zum Hauptkanal ausgebildeten Referenzkanal; wobei mittels eines ersten Oszillators ein erstes Eingangssignal generierbar ist, das im Hauptkanal einer Antenne zuführbar ist, wobei ein reflektierter Anteil des ersten Eingangssignals einem ersten Mischer zuführbar ist; - wobei das erste Eingangssignal im Referenzkanal über einen zweiten Richtkoppler einem zweiten Mischer zuführbar ist; wobei mittels eines zweiten Oszillators ein zweites Eingangssignal mit einer definiert unterschiedlichen Frequenz zum ersten Eingangssignal generierbar ist, das dem ersten Mischer und dem zweiten Mischer zuführbar ist;
wobei das vom Mischer des Hauptkanals abgehende Signal und das vom Mischer des Referenzkanals abgehende Signal miteinander vergleichbar sind; und
wobei abhängig vom Vergleich eine Abschlussimpedanz des
Referenzkanals derart dimensionierbar ist, dass die Ausgangssignale des Hauptkanals und des Referenzkanals identische Eigenschaften aufweisen.
Mit dem symmetrischen Aufbau des Radarsystems wird die Tatsache ausgenutzt, dass systematische Fehler in beiden Kanälen auftreten und dadurch gemeinsam analog auskalibriert werden können. Im Ergebnis wird dadurch ein komfortables analoges Kalibrieren eines heterodynen Radarsystems
bereitgestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Kalibrieren eines Rdarsystems, das Radarsystem aufweisend:
einen Hauptkanal und einen symmetrisch zum Hauptkanal ausgebildeten Referenzkanal; wobei
mittels eines ersten Oszillators ein erstes Eingangssignal generierbar ist, das im Hauptkanal einer Antenne zuführbar ist, wobei ein reflektierter Anteil des ersten Eingangssignals einem ersten Mischer zuführbar ist;
- wobei das erste Eingangssignal im Referenzkanal über einen zweiten Richtkoppler einem zweiten Mischer zuführbar ist;
- wobei mittels eines zweiten Oszillators ein zweites Eingangssignal mit einer definiert unterschiedlichen Frequenz zum ersten Eingangssignal generierbar ist, das dem ersten Mischer und dem zweiten Mischer zuführbar ist;
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Ausrichten des Radarsystems auf einen Bereich ohne ein detektierbares Ziel; - wenigstens dreimaliges Ermitteln eines Verhältnisses zwischen dem Ausgangssignal des Hauptkanals und dem Ausgangssignal des
Referenzkanals bei jeweils unterschiedlichen Abschlussimpedanzen des Referenzkanals;
- Ermitteln von resultierenden Reflexionskoeffizienten aus den ermittelten
Verhältnissen;
Ermitteln eines Kalibrationskoeffizienten der Antenne aus den
Reflexionskoeffizienten; und
- Einstellen der Abschlussimpedanz des Referenzkanals mittels der
Impedanz-Einstelleinrichtung auf eine Impedanz, die dem
Kalbibrationskoeffizienten entspricht.
Bevorzugte Weiterbildungen des Radarsystems und des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Radarsystems zeichnet sich dadurch aus, dass der Referenzkanal eine Impedanz-Einstelleinrichtung aufweist, mittels der die Abschlussimpedanz des Referenzkanals einstellbar ist. Auf diese Weise kann auf komfortable Weise eine Abschlussimpedanz des Referenzkanals eingestellt werden, bei der alle systematischen Fehler des gesamten Radarsystems auskalibriert sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Radarsystems zeichnet sich dadurch aus, dass zur Einstellung der Abschlussimpedanz des Referenzkanals ein aus den Ausgangssignalen des Hauptkanals und des Referenzkanals ermittelter
Korrekturkoeffizient verwendbar ist. Auf diese Weise werden Fehlervektoren ermittelt, wodurch ein Prinzip, das einem Kalibrierprinzip eines Ein-Port- Netzwerkanalysators ähnlich ist, angewendet wird. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Radarsystems sieht vor, dass der
Korrekturkoeffizient mittels einer digitalen Steuerungseinrichtung ermittelbar ist, wobei der Korrekturkoeffizient in ein Steuersignal für die Impedanz- Einstelleinrichtung umgerechnet wird, wobei das Steuersignal mittels der Steuerungseinrichtung an die digitale Einsteileinrichtung zuführbar ist. Auf diese Weise kann der Kalibrier- bzw. Korrekturkoeffizient des heterodynen
Radarsystems mit bekannten Prinzipien auf einfache Weise berechnet werden. Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren, sowie unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen. Gleiche bzw. funktionsgleiche
Elemente haben gleiche Bezugsziffern.
In den Figuren zeigt: ein prinzipielles Blockschaltbild eines herkömmlichen heterodyen Radarsystems; eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radarsystems; eine Darstellung eines Prinzips zur erfindungsgemäßen
Kalibration des Radarsystems; eine Modell zur Darstellung eines Prinzips der erfindungsgemäßen Kalibration; und einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung von Ausführungsformen
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radarsystems 100. Man erkennt einen symmetrischen Aufbau eines heterodynen Radarsystems 100 mit einem Hauptkanal 10 und einem zum Hauptkanal 10 symmetrisch ausgebildeten Referenzkanal 20.„Symmetrisch" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass im Hauptkanal 10 und im Referenzkanal 20 gleiche Elemente mit gleichen systematischen Fehlern verwendet werden. Die Symmetrie des Hauptkanals 10 und Referenzkanals 20 werden zu einem Selbsttest bzw. zu einem nachfolgend beschriebenen Kalibrationsprozess verwendet.
Mittels eines ersten Oszillators bzw. Frequenzgenerators VC01 wird ein erstes Signal S1 in den Hauptkanal 10 und in den Referenzkanal 20 eingespeist. Dabei wird das Signal S1 im Hauptkanal über einen ersten Leistungsverstärker 11 , einen ersten Richtkoppler 12, ein Verbindungselement 13 an eine Antenne 14 übertragen. Von der Antenne 14 wird das Signal S1 als elektromagnetische Strahlung abgestrahlt und trifft auf ein Radom 30, welches zu einem Schutz der Antenne 14 des Radarsystems 100 vorgesehen ist.
Das Radarsystem 100 kann z.B. als ein elektronisches Bauelement
implementiert sein. Von einem Ziel 200 wird die elektromagnetische Strahlung reflektiert und gelangt als elektrisches Signal über die Antenne 14, das
Verbindungselement 13 und den ersten Richtkoppler 12 zu einem ersten
Kleinsignalverstärker 15. Vom ersten Kleinsignalverstärker 15 gelangt das Signal in einen ersten Mischer 16.
Der erste Mischer 16 mischt das Signal zusammen mit einem zweiten Signal S2 eines zweiten Oszillators VC02, dessen Frequenz geringfügig von der Frequenz des ersten Signals S1 des ersten Oszillators VC01 verschieden ist, in ein Basisband, z.B. in ein Signal mit einer Frequenz von 100 MHz, das nachfolgend besser auswertbar ist. Im Referenzkanal 20 ist der Signalfluss analog wie im Hauptkanal 10 mit dem
Unterschied, dass statt der Antenne 14 als Abschluss des Referenzkanals 20 eine digitale Impedanz-Einstelleinrichtung 23 (engl, digital impedance tuner) zur Einstellung einer komplexen Abschlussimpedanz des Referenzkanals 20 vorgesehen ist. Mittels der digitalen Impedanz-Einstelleinrichtung 23 können verschiedene komplexe Abschlussimpedanzen am Referenzkanal 20 eingestellt werden, wodurch sich ein elektrisches Ausgangssignal IFR des Referenzkanals 20 beeinflussen lässt.
Das zweite Signal S2 wird jeweils dem Mischer 16, 25 des Hauptkanals 10 und des Referenzkanals 20 zugeführt, wobei die Mischer 16, 25 das zweite Signal S2 den von den Richtkopplern 12, 22 abgehenden und mittels der Kleinsignalverstärker 15, 24 verstärkten Signalen beimischen.
Das vom ersten Mischer 16 des Hauptkanals 10 abgehende Signal wird einem A/D-Wandler 40 zugeführt, wodurch ein digitales Signal IFM gebildet wird, das einer Recheneinrichtung 61 einer Steuerungseinrichtung 60 zugeführt wird.
Das vom zweiten Mischer 25 des Referenzkanals 20 abgehende Signal wird einem A/D-Wandler 50 zugeführt, der das Signal in einen Digitalwert IFR umsetzt, der ebenfalls der Recheneinrichtung 61 zugeführt wird.
Die Steuerungseinrichtung 60 ist dazu vorgesehen, ein Verhältnis aus den beiden Ausgangssignalen IFM, IFR zu berechnen. Zu diesem Zweck ermittelt die Recheneinrichtung 61 wenigstens drei Reflexionskoeffizienten- bzw. -faktoren, aus denen ein Kalibrationskoeffizient rKai für das Radarsystem 100 ermittelt wird. Der Kalibrationskoeffizient rKai wird in ein Steuersignal umgerechnet, das von einem Steuerungselement 63 der Steuerungseinrichtung 60 an die digitale Impedanz-Einstelleinrichtung 23 zugeführt wird. Auf diese Weise wird im
Ergebnis erreicht, dass das Ausgangssignal IFR des Referenzkanals 20 in seinen elektrischen Eigenschaften dem Ausgangssignal IFM des Hauptkanals 10 entspricht, was einem kalibrierten Zustand des Radarsystems 100 entspricht.
Auf diese Art und Weise kann das kalibrierte heterodyne Radarsystem 100 in einem Normalbetrieb ohne Beeinträchtigung durch systematische Fehler unter Nutzung seiner vollen Bandbreite arbeiten.
Eine Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kalibration, welches die
systematischen Fehler des Radarsystems 100 herauskalibriert, wird im
Folgenden genauer beschrieben.
Der monostatische Aufbau des heterodynen Radarsystems 100 mit nur einer Antenne 14 im Sende- und Empfangspfad hat als Problem, dass die Isolation zwischen Sende- und Empfangspfad nicht unendlich ist, wodurch es zu einer ungewollten Ableitung bzw. einem Schwund (engl, leakage) aus den
vorgesehenen Signalpfaden kommen kann. Beide Oszillatoren VC01 , VC02 weisen ein bestimmtes Phasenrauschen auf, das durch Überlagerung in einem Mischprozess korreliert wird, wodurch die Systemgenauigkeit auf signifikante Weise gesteigert sein kann.
Fig. 3 zeigt ein prinzipielles Schaltbild zur Darstellung des symmetrischen Aufbaus des Radarsystems 100. Man erkennt eine Fehlerzelle 70 für den Hauptkanal 10 und eine Fehlerzelle 80 für den Referenzkanal 20. Die
Fehlerzellen 70, 80, die symmetrisch zueinander ausgebildet sind, werden für das erfindungsgemäße Kalibrationsprinzip verwendet.
In Fig. 4 ist ein schaltungstechnisches Modell mit einer Fehlerzelle 90 dargestellt, welches beispielsweise aus einem Kalibrationsprozess von Vektor-Netzwerk- analysatoren bekannt ist. Die Fehlerzellen 70, 80 von Fig. 3 können als Fehlerzelle 90 von Fig. 4 angesehen werden.
Das Modell von Fig. 4 umfasst ein System, welches als einem Eingang und an einem Ausgang Reflexionskoeffizienten umfasst, die bestimmte Lastsituationen repräsentieren. In der Fehlerzelle 90 sind systematische Fehler anhand von Parametern dargestellt, die im Zusammenhang mit dem zu kalibrierenden Radarsystem 100 die nachfolgenden Bedeutungen haben: e0o Fehler des Richtfaktors (engl, directivity error)
eii Quellenfehlanpassung
e10, e0i Frequenzgangfehler (engl, reflection tracking error)
ΓΜ gemessener Reflexionskoeffizient einer Last
fL aktueller Reflexionskoeffizient einer Last
Der Reflexionskoeffizient ΓΜ repräsentiert dabei gemessene Informationen, die die systematischen Fehler und Informationen über die Last, d.h. das Ziel 200, umfassen, wobei im kalibrierten Zustand des Radarsystems 100 nur die
Informationen über die Last ohne die systematischen Fehler erwünscht sind. Der Reflexionskoeffizient TL der Last enthält Informationen über das gemessene Ziel 200.
Mathematisch lässt sich das Modell von Fig. 4 nachfolgend darstellen:
Figure imgf000011_0001
lüeCi
Fig. 5 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einem Schritt 300 wird das zu kalibrierende heterodyne Radarsystem 100 in einen Kalibrationsmodus versetzt. Dies kann beispielsweise bei der Montage eines Radarsensors mit dem Radarsystem 100 in ein Kraftfahrzeug durchgeführt werden. Alternativ ist es auch möglich, das Radarsystem 100 zu gewünschten, definierten Zeitpunkten in den Kalibrationsmodus zu versetzen, zum Beispiel mittels eines von einem Fahrzeuglenker initiierten Steuersignals.
In einem Schritt 310 wird das Radarsystem 100 auf einen freien Raum ohne detektierbare Ziele 200 ausgerichtet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass für die Kalibration lediglich systematische Fehler des Radarsystems 100 berücksichtigt werden.
In einem Schritt 320 wird der Wert der digitalen Impedanz-Einstelleinrichtung 23 auf bekannte Werte verstellt, wobei Amplituden und Phasendifferenzen der elektrischen Ausgangsspannungen am Referenzkanal 20 und am Hauptkanal 10 nach den A/D-Wandlern 40, 50 ermittelt werden. Zu diesem Zweck wird die digitale Impedanz-Einstelleinrichtung 23 wenigstens dreimal auf bekannte Werte verstellt, wodurch sich nur das Ausgangssignal IFR des Referenzkanals 20 ändert, weil nur dieser mit der digitalen Impedanz-Einstelleinrichtung 23 verbunden ist. Dies wird wenigstens dreimal nacheinander durchgeführt, wodurch ein lineares Gleichungssystem mit drei Unbekannten bestimmt ist und gelöst werden kann. Optional ist es auch möglich, mehr als drei Messungen durchzuführen, wobei dadurch die ermittelten Fehlerparameter robuster werden.
In einem Schritt 330 werden Fehlerkoeffizienten durch Lösen des erhaltenen linearen Gleichungssystems berechnet, ähnlich wie bei einer Ein-Port- Netzwerkvektoranalysator-Prozedur. Dabei können die Ausgangssignale des Hauptkanals 10 und des Referenzkanals 20 durch folgende mathematische Beziehungen dargestellt werden:
IFR = AR x sin (2 n f t + 01) (2) IFM = AM x sin (2 n f t + 01) (2) mit den Parametern:
IFM ... . Ausgangssignal Hauptkanal
IFR ... . Ausgangssignal Referenzkanal
AR ... . Amplitude des Ausgangssignals des Referenzkanals
AM ... Amplitude des Ausgangssignals des Hauptkanals
Φ1.... Phase des Ausgangssignals des Referenzkanals
Φ2 ... Phase des Ausgangssignals des Hauptkanals
Der Reflexionskoeffizient ΓΜ kann aus folgender Gleichung berechnet werden: rM = IFM / IFR = Ä A ^ (4)
Die Reflexionskoeffizienten können durch Lösen der folgenden linearen Gleichung ermittelt werden:
Figure imgf000012_0002
wobei gilt:
Figure imgf000012_0001
Nach durchgeführter Kalibration kann ein Reflexionskoeffizient einer Last, die entweder mit dem Referenzkanal 20 oder mit dem Hauptkanal 10 verbunden wird, aus dem gemessenen Reflexionskoeffizienten ΓΜ unter Verwendung der nachfolgenden mathematischen Beziehung berechnet werden:
Γί = (ΓΜ - Θιι) / (Θοο - βΔΓΜ) (7)
Wenn kein Ziel 200 vorhanden ist, ist ΓΜ = 1 , wobei dann der
Kalibrationskoeffizient rKai aus folgender mathematischer Beziehung ermittelt werden kann: In einem Schritt 340 wird der komplexe Kalibrationskoeffizient rKai des
Radarsystems 100 aus der Gleichung (8) ermittelt.
In einem Schritt 350 wird schließlich der Wert der digitalen Einsteileinrichtung 23 auf den Wert des Kalibrationskoeffizienten rKai eingestellt, wodurch nunmehr sichergestellt ist, dass das Radarsystem 100 ohne Berücksichtigung der systematischen Fehler arbeitet und daher kalibriert ist.
Für normale betriebliche Messungen des Radarsystems 100 mit Zielen 200 wird die Abschlussimpedanz des Referenzkanals 20 auf den Wert, der dem
Kalibrationskoeffizient rKai entspricht, eingestellt, wodurch der Referenzkanal 20 für den Hauptkanal 10 zu einer Art„Kalibrationskanal" wird. Um den Wert der digitalen Impedanz-Einstelleinrichtung 23 auf den berechneten Wert rKai einzustellen, kann zum Beispiel eine Tabelle mit einander entsprechenden Daten von Kalibrationskoeffizienten und Impedanzwerten verwendet werden.
Nach erfolgter Kalibration, wenn die Messung nicht geändert wird, ist die
Phasen-und Amplitudendifferenz der beiden Kanäle 10, 20 Null. Auf diese Weise ist der systematischen Fehler vollständig kompensiert.
In einem Schritt 360 wird abgefragt, ob sich irgendwelche Umgebungseinflüsse geändert haben, z.B. ob sich eine Temperatur, eine Einstellung, eine Integration, usw. geändert haben. Falls dies nicht der Fall ist, beispielsweise im Falle, dass der Radartransceiver in einen Chip integriert ist, gibt es keinen Prozessvariation zwischen dem Referenzkanal 20 und dem Hauptkanal 10, wodurch beide Kanäle
10, 20 vollständig symmetrisch sind. Danach wird das Radarsystem 100 in einem Schritt 370 in einen operationeilen Normalbetriebsmodus geschaltet. Andernfalls wird die Prozedur wieder mit Schritt 300 von vorne begonnen.
Vorteilhaft können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren systematische Fehler des Radarsystems 100 unter voller Beibehaltung der dynamischen Bandbreite des Radarsystems eliminiert werden. Die erfindungsgemäße Radarkalibration kann auf diese Weise einen
bedeutsamen Zeitgewinn ermöglichen und ist sehr gut zu einer iterativen Implementation unter aktuellen Betriebsbedingungen geeignet.
Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung ein selbstkalibrierendes, heterodynes Radarsystem und ein Verfahren zu einem
Kalibrieren eines derartigen Radarsystems vorgeschlagen, wobei zur Kalibration ein Kalibrierprinzip von Netzwerk-Analysatoren angewendet wird. Vorteilhaft kann auf diese Weise ein exaktes Betriebsverhalten des Radarsystems, beispielsweise in einem Radarsensor eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand einer konkreten Ausführungsform beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Der Fachmann wird also vorgehend auch nicht dargestellte Ausführungsformen der Erfindung realisieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Radarsystem (100), aufweisend:
einen Hauptkanal (10); und
einen symmetrisch zum Hauptkanal (10) ausgebildeten Referenzkanal (20); wobei
mittels eines ersten Oszillators (VC01) ein erstes Eingangssignal (S1) generierbar ist, das im Hauptkanal (10) einer Antenne (14) zuführbar ist, wobei ein reflektierter Anteil des ersten Eingangssignals (S1) einem ersten Mischer (16) zuführbar ist;
- wobei das erste Eingangssignal (S1) im Referenzkanal (20) über einen zweiten Richtkoppler (22) einem zweiten Mischer (25) zuführbar ist;
- wobei mittels eines zweiten Oszillators (VC02) ein zweites Eingangssignal (S2) mit einer definiert unterschiedlichen Frequenz zum ersten Eingangssignal (S1) generierbar ist, das dem ersten Mischer (16) und dem zweiten Mischer (25) zuführbar ist;
- wobei das vom Mischer (16) des Hauptkanals (10) abgehende Signal und das vom Mischer (25) des Referenzkanals (20) abgehende Signal miteinander vergleichbar sind; und
- wobei abhängig vom Vergleich eine Abschlussimpedanz des
Referenzkanals (20) derart dimensionierbar ist, dass die Ausgangssignale des Hauptkanals (10) und des Referenzkanals (20) identische
Eigenschaften aufweisen.
Radarsystem (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzkanal (20) eine Impedanz-Einstelleinrichtung (23) aufweist, mittels der die Abschlussimpedanz des Referenzkanals (20) einstellbar ist.
Radarsystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Abschlussimpedanz des Referenzkanals (20) ein aus den Ausgangssignalen des Hauptkanals (10) und des Referenzkanals (20) ermittelter Korrekturkoeffizient (ΓΚ3ι) verwendbar ist.
Radarsystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturkoeffizient (ΓΚ3ι) mittels einer digitalen Steuerungseinrichtung (63) ermittelbar ist, wobei der Korrekturkoeffizient (ΓΚ3ι) in ein Steuersignal für die Impedanz-Einstelleinrichtung (23) umgerechnet wird, wobei das Steuersignal mittels der Steuerungseinrichtung (63) an die digitale Einsteileinrichtung (23) zuführbar ist.
Radarsensor aufweisend ein Radarsystem (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche.
Radarsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der
Radarsensor mittels eines Radoms (30) schützbar ist.
Verfahren zum Kalibrieren eines Radarsystems (100), das Radarsystem aufweisend: einen Hauptkanal (10) und einen symmetrisch zum Hauptkanal (10) ausgebildeten Referenzkanal (20); wobei
mittels eines ersten Oszillators (VC01) ein erstes Eingangssignal (S1) generierbar ist, das im Hauptkanal (10) einer Antenne (14) zuführbar ist, wobei ein reflektierter Anteil des ersten Eingangssignals (S1) einem ersten Mischer (16) zuführbar ist;
wobei das erste Eingangssignal (S1) im Referenzkanal (20) über einen zweiten Richtkoppler (22) einem zweiten Mischer (25) zuführbar ist;
wobei mittels eines zweiten Oszillators (VC02) ein zweites Eingangssignal (S2) mit einer definiert unterschiedlichen Frequenz zum ersten
Eingangssignal (S1) generierbar ist, das dem ersten Mischer (16) und dem zweiten Mischer (25) zuführbar ist;
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Ausrichten des Radarsystems (100) auf einen Bereich ohne ein
detektierbares Ziel (200):
- wenigstens dreimaliges Ermitteln eines Verhältnisses zwischen dem
Ausgangssignal (IFM) des Hauptkanals (10) und dem Ausgangssigal (IFR) des Referenzkanals (20) bei jeweils unterschiedlichen Abschlussimpedanzen (Γ|_ι , rL2, Γ|_3) des Referenzkanals (20); - Ermitteln von resultierenden Reflexionskoeffizienten (ΓΜι, ΓΜ2, Μ3) aus den ermittelten Verhältnissen;
Ermitteln eines Kalibrationskoeffizienten (ΓΚ3ι) der Antenne (14) aus den Reflexionskoeffizienten (ΓΜι, ΓΜ2, Μ3); und
- Einstellen der Abschlussimpedanz des Referenzkanals (20) mittels der Impedanz-Einstelleinrichtung (23) auf eine Impedanz, die dem
Kalbibrationskoeffizienten (ΓΚ3ι) entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren zu definierten
Zeitpunkten durchgeführt wird.
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