Titel

FMCW-Radarsensor für Kraftfahrzeuge

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einem FMCW-Radarsensor für Kraftfahrzeuge, mit mindestens einem Antennenelement und einer Modulationseinrichtung zum Speisen des Antennenelements mit einem frequenzmodulierten Sendesignal, dessen Frequenz periodisch ein Frequenzband überstreicht.

Bei herkömmlichen FMCW-Radarsensoren (Frequency Modulated Continuos Wave) wird die Frequenz innerhalb eines festen Frequenzbandes rampenförmig moduliert, beispielsweise abwechselnd mit einer steigenden und einer fallenden Frequenzrampe.

Das empfangene Radarecho wird mit einem Anteil des Sendesignals gemischt, so daß man ein Zwischenfrequenzsignal erhält, dessen Frequenz dem Frequenzunterschied zwischen Sendesignal und empfangenem Signal entspricht. Im Spektrum des Zwischenfrequenzsignals zeichnet ein geortetes Objekt dann in der Form eines Peaks ab, dessen Scheitelfrequenz von der Signallaufzeit und damit vom Abstand des Objekts sowie auch, aufgrund des Dopplereffektes, von der Relativgeschwindigkeit des Objekts abhängig ist. Durch Vergleich der Scheitelfrequenzen von zwei Peaks, die von demselben Objekt stammen und von denen einer auf der steigenden und der andere auf der fallenden Frequenzrampe gewonnen wurde, lassen sich dann der Abstand und die Relativgeschwingkeit des Objekts bestimmen.

Gebräuchlich ist ein monostatisches Antennenkonzept, bei dem die Antennenelemente sowohl zum Senden wie auch zum Empfangen benutzt werden.

Zumeist sind mehrere Antennenelemente in der Horizontalen nebeneinander vor einer gemeinsamen Mikrowellenlinse angeordnet. Durch die Linse wird die Radarstrahlung jedes Antennenelmenents gebündelt und in einer bestimmten Hauptabstrahlrichtung abgestrahlt, die von der Lage des betreffenden Antennenelements abhängig ist. Auf diese Weise erhält man ein Mehrstrahlradar, das in der Horizontalen, also im Azimut, einen größeren Winkelbereich abdeckt und es erlaubt, durch Vergleich der Amplituden und Phasen der von verschiedenen Antennenelementen empfangenen Radarechos den Azimutwinkel des Objekts zu bestimmen.

Grundsätzlich können zur Strahlformung und zur Bestimmung der Abstrahlrichtung anstelle einer Mikrowellenlinse oder in Kombination mit dieser auch Gruppenantennen angesetzt werden, die mehrere Einzelantennen aufweisen, die mit unterschiedlichen Phasen angesteuert werden, so daß sich durch Interferenzeffekte die gewünschte Abstrahlcharakteristik ergibt.

Zum Beispiel beschreibt DE 196 38 149 eine Gruppenantenne, mit der sich die Abstrahlrichtung nicht nur im Azimut, sondern auch in der Elevation (in der Vertikalen) beeinflussen läßt. Aus dieser Veröffentlichung ist es auch bekannt, Antennenelmente mit mehreren in der vertikal angeordneten und seriell gespeisten Subelementen zu verwenden, wodurch man in der Elevation eine Antennencharakteristik erhält, die in Abhängigkeit von der Frequenz des Sendesignals variiert.

Offenbarung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, einen FMCW-Radarsensor für Kraftfahrzeuge zu schaffen, der eine sicherere Ortung von im Vorfeld des Fahrzeugs vorhandenen Objekten, insbesondere von vorausfahrenden Fahrzeugen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Radarsensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Antennenelement mehrere in einer vertikalen Spalte angeordnete und seriell gespeiste Subelemente aufweist und daß die Modulationseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Frequenzlage des Frequenzbandes variabel einzustellen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung erlaubt es, mit einem einfach aufgebauten Radarsensor, der sich von einem herkömmlichen FMCW-Radarsensor nur durch relativ geringfügige Modifikationen unterscheidet, die Abstrahlcharakteristik - und bei einem monostatischen Antennenkonzept auch die Empfangscharakteristik - in der Elevation nach Bedarf innerhalb gewisser Grenzen zu variieren, indem einfach die Frequenzlage des Frequenzbandes variiert wird. Die Variation der Frequenzlage ist vor allem deshalb besonders einfach, weil dazu die Modulationseinrichtung benutzt werden kann, die ohnehin zum Modulieren der Sendefrequenz innerhalb des Frequenzbandes benötigt wird.

Der Aufbau der Antennenelmente aus mehreren seriell gespeisten Subelementen hat zur Folge, daß auch die Frequenzmodulation innerhalb des jeweiligen Frequenzbandes zu einer gewissen Variation der Abstrahlcharakteristik in der Vertikalen führt. Da diese Modulation jedoch periodisch mit relativ kurzer Zykluszeit erfolgt, führt sie nur zu einem "Wobbein" des Radarstrahls in der Vertikalen, die die Funktion des Radarsensors insgesamt nicht beeinträchtigt und sogar vorteilhaft ist, weil sie zu einer gewissen Erweiterung des Ortungsbereiches in der Vertikalen führt. Für die Dauer mehrerer aufeinanderfolgender Meßzyklen, die für eine zuverlässige Ortung eines Objekts benötigt werden, bleibt die Frequenzlage des Frequenzbandes praktisch konstant, so daß die Auswertung des empfangenen Signals nicht erschwert wird.

Im praktischen Einsatz des Radarsensors im Kraftfahrzeug bietet Möglichkeit, die Richtcharakteristik in der Elevation zu variieren, etliche bemerkenswerte Vorteile. Beispielsweise können Fehljustierungen des Radarsensors in der Elevation nun einfach durch Anpassung des Frequenzbandes korrigiert werden, ohne daß die Montierung des Radarsensors verändert werden muß.

Bei Fahrten in welligem Gelände kann, beispielsweise vor einer Kuppe oder bei Einfahrt in eine Mulde, der Radarstrahl in der Elevation nachgeführt werden, so daß auch schwache und/oder weiter entfernte Objekte nicht so leicht aus dem Ortungsbereich verloren gehen. Für die Erkennung der jeweiligen Geländeformen kann dabei z. B. auf Signale eines im Fahrzeug eingebauten Neigungssensors (gegebenenfalls mit Extrapolation der Änderung der Fahrzeugneigung in die Zukunft) oder auch auf die Daten einer digitalen Karte eines Navigationssystems zurückgegriffen werden.

Weiterhin kann auch bei Fahrten auf ebener Fahrbahn durch Änderung der Elevation die Ortung der Objekte und deren Charakterisierung verbessert werden. Beispielsweise kann durch einen geeigneten Algorithmus die Elevation jeweils so optimiert werden, daß man besonders starke Radarechos erhält. Gegebenenfalls kann auch durch Variieren der Elevation während der Verfolgung eines georteten Objekts zwischen hochbauenden und flachbauenden Objekten unterschieden werden, so daß sich beispielsweise die Objekte besser als LKW, PKW, Leitplanken am Fahrbahnrand oder völlig irrelevante Objekte wie Kanaldeckel oder Blechdosen auf der Fahrbahnoberfläche charakterisieren lassen.

Wenn ein Radarsensor in einem Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs beispielsweise für eine automatische Abstandsregelung oder in einem sogenannten Pre-Crash-System zur Kollisionswarnung, zur Kollisionsvermeidung oder zur Vorbereitung passiver Sicherheitssysteme auf eine bevorstehende Kollision eingesetzt wird, so besteht ein wichtiges Sicherheitserfordernis darin, daß man sich jederzeit sicher sein kann, daß der Radarsensor auch wirklich funktionsfähig ist und nicht etwa aufgrund eines Schnee- oder Eisbelages auf der Radarlinse erblindet ist. Eine automatische Blindheitserkennung ist jedoch bisher vor allem deshalb problematisch, weil auch bei einem erblindeten Radarsensor durchaus Reflexionen auftreten, die fälschlich als geortete Objekte interpretiert werden können. Bei einem realen Objekt ist jedoch zu erwarten, daß sich das Radarecho in irgendeiner Form ändert, wenn die Abstrahlcharakteristik in Elevation verändert wird. Die Reflexionen, die an einem erblindeten Radarsensor auftreten, sind dagegen von der Elevation unabhängig. Somit erlaubt die Erfindung auch eine besonders einfache und zuverlässige Blindheitserkennung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen FMCW-Radarsensors und einer zugehörigen Auswerteeinrichtung in einem Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs;

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung eines Antennenelements des

Radarsensors nach Fig. 1 ;

Fig. 3 ein Frequenz-Zeit-Diagramm für den Radarsensor nach Fig. 1 ; und Fig. 4 verschiedene Elevations-Richtcharakteristiken des Radarsensors nach

Fig. 1.

Ausführungsform der Erfindung

Fig. 1 zeigt in einem vereinfachten Blockdiagramm die wesentlichen Komponenten eines Fahrerassistenzsystems für Kraftfahrzeuge, beispielsweise eines Abstandsregelsystems (ACC; Adaptive Cruise Control), mit einem vorn in Fahrzeug eingebauten Radarsensor 10 und einer Auswerteeinrichtung 12 in der Form eines elektronischen Datenverarbeitungssystems. Der Radarsensor 10 dient dazu, vorausfahrende Fahrzeuge zu orten, und die Auswerteeinrichtung 12 greift anhand der Ortungsdaten des Radarsensors in das Antriebs- und Bremssystem des Fahrzeugs ein, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs so zu regeln, daß ein unmittelbar in der eigenen Spur vorausfahrendes Fahrzeug in einem angemessenen Sicherheitsabstand verfolgt wird.

Der Radarsensor 10 weist eine mit (im gezeigten Beispiel vier) Antennenelementen 14 bestückte Platine 16 auf, die in Abstand zu einer Mikrowellenlinse 18 angeordnet ist. Auf oder an der Platine 16 ist eine in Fig. 1 als Block dargestellte Treiberschaltung 20 angeordnet, mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 22, einer Phasenregelschleife 24, je einem Mischer 26 für jedes der Antennenelemente 14, einer Wandler- und Vorverarbeitungsstufe 28 und einer Steuereinrichtung 30. Der Oszillator 22, die Phasenregelschleife 24 und die Steuereinrichtung 30 bilden zusammen eine Modulationseinrichtung, die ein frequenzmoduliertes Sendesignal erzeugt, das über die Mischer 26 jedem der Antennenelemente 14 zugeführt wird. Im gezeigten Beispiel wird jedes Antennenelement 14 mit demselben Signal gespeist, doch sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die einzelnen Antennenelmente mit unterschiedlichen Sendesignalen gespeist werden, die sich beispielsweise in ihrer Frequenz und/oder Phase unterscheiden.

Im gezeigten Beispiel ist ein monostatisches Antennenkonzept verwirklicht, d. h., die Antennenelemente 14 dienen nicht nur zum Emittieren der Radarstrahlen sondern auch zum Empfang des Radarechos. In den Mischern 26 wird das von dem jeweiligen Antennenelement 14 empfangene Signal mit dem Sendesignal für dasselbe Antennenelement gemischt, so daß man ein Zwischenfrequenzsignal erhält, das der Wandler- und Vorverarbeitungsstufe 28 zugeführt wird. Dort werden die Zwischenfrequenzsignale digitalisiert und vorverarbeitet. Insbesondere werden die jeweils innerhalb eines bestimmten Meßzyklus aufgenommenen Signale durch Schnelle Fouriertransformation in ein Spektrum zerlegt, das dann analysiert wird, um geortete Objekte zu identifizieren und ihren Abstand und ihre Relativgeschwindigkeit sowie ihren Azimutwinkel zu bestimmen. Die so erhaltenen Ortungsdaten werden dann der Auswerteeinrichtung 12 zugeführt und dort weiter ausgewertet.

Die Antennenelemente 14 sind auf der Platine 16 in waagerechter Richtung relativ zur optischen Achse der Mikrowellenlinse 18 versetzt, so daß die von den einzelnen Antennenelementen emittierte und von der Mikrowellenlinse gebündelte Radarstrahlung jeweils unter einem etwas anderen Azimutwinkel abgegeben wird, wie in Fig. 1 durch einen Doppelpfeil A symbolisiert wird. Das erlaubt es, durch Vergleich der von den verschiedenen Antennenelementen 14 erhaltenen Signale die Azimutwinkel der georteten Objekte zu bestimmen.

Wie deutlicher in Fig. 2 gezeigt ist, besteht das Antennenelement 14 aus einer Folge von Patches oder Subelementen 32, die in gleichmäßigen Abständen in einer vertikalen Spalte angeordnet und durch Mikrowellenleitungen 34 in Serie miteinander verbunden sind. Die Spalte der Subelemente 32 ist an einem Ende, im gezeigten Beispiel am oberen Ende, durch ein Abschlußelement 36 reflexionsfrei abgeschlossen, und das Patch am entgegengesetzten Ende der Spalte ist durch eine Speiseleitung 38 mit dem Mischer 26 (Fig. 1 ) verbunden, so daß die Subelemente 32 seriell mit dem Sendesignal gespeist werden. Die Mikrowellenleitungen 34, die die einzelnen Subelemente miteinander verbinden, sind im gezeigten Beispiel als geradlinig verlaufend dargestellt, können jedoch auch als beispielsweise mäanderförmige Umwegleitungen ausgebildet sein. Ihre Länge L ist so bemessen,

1 /2 daß sie mit der Wellenlänge λ _Q / ε eines Standard-Sendesignals entspricht, das eine Standardfrequenz f von beispielsweise 77 GHz hat. Dabei ist die Dieelektrizitätskonstante des Substrats, auf dem sich die Subelemente befinden.

Wenn das Sendesignal exakt die Frequenz f _Q hat, werden folglich sämtliche Subelemente 32 zu phasengleichen Schwingungen angeregt, mit der Folge, daß die von den einzelnen Subelementen emittierten Radarsignale phasengleich sind und sich zu einem gerichteten Strahl überlagern, der in der Richtung rechtwinklig zum Antennenelement 14 emittiert wird. Da die Antennenelemente 14 im gezeigten Beispiel in der Vertikalen auf die optische Achse der Mikrowellenlinse 18 zentriert sind, liegt bei korrektem Einbau des Radarsensors das Maximum der emittierten Strahlung bei einem Elevationswinkel von 0° (waagerecht).

Wenn jedoch die Frequenz des Sendesignals gegenüber der Standardfrequenz f verändert wird, so ergeben sich leichte Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Subelementen 32. Hieraus resultiert eine Ablenkung des Radarstrahls in der Elevation, wie in Fig. 1 durch den Doppelpfeil E symbolisiert wird. Da die Beziehung zwischen dem Ablenkwinkel und der Frequenz des Sendesignals bekannt ist, läßt sich durch geeignete Wahl der Frequenz der Ablenkmittel und damit der Elevationswinkel des Maximums der emittierten Strahlung (und zugleich des Maximums der Empfindlichkeit für das Radarecho) nach Bedarf einstellen.

Entsprechend dem Funktionsprinzip eines FMCW-Radars, wird die Frequenz f des Sendesignals rampenförmig moduliert, wie in Fig. 3 in einem Zeitdiagramm dargestellt ist. Beispielsweise gibt die Kurve 40 in Fig. 3 einen Frequenzverlauf an, bei dem die Frequenz innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes 42 variiert, dessen Untergrenze gleich der Standardfrequenz f _Q von 77 GHz ist. Die Kurven 44 - 50 in Fig. 3 illustrieren entsprechende Frequenzverläufe, bei denen das Frequenzband 42 jeweils um 0,5 GHz zu höheren Frequenzen verschoben ist.

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Richtcharakteristik in der Elevation von der Frequenz f des Sendesignals. Die Kurven 40' und 44' - 50' in Fig. 1 entsprechen dabei den Frequenzen 77,0 GHz, 77,5 GHz, 78,0 GHz, 78,5 GHz bzw. 79 GHz. Man erkennt, daß sich der Elevationswinkel um bis zu +4° (aufwärts) erhöhen läßt, indem die Frequenz des Sendesignals gegenüber der Standardfrequenz f _Q um 2 GHz erhöht wird. Natürlich ist entsprechend auch eine Absenkung des Radarstrahl zu negativen Elevationswinkeln möglich, indem die Frequenz gegenüber der Standardfrequenz verringert wird.

Aufgrund der in Fig. 3 dargestellten Modulation des Sendesignals entspricht die Hauptabstrahlrichtung und damit die Hauptempfindlichkeitsrichtung des Radarstrahls jeweils dem Elevationswinkel, der zur Mitte des Frequenzbandes gehört.

Die zur Einstellung des Elevationswinkels gewählte Frequenzerhöhung oder Frequenzabsenkung gegenüber der Standardfrequenz gegenüber f _Q kann in der Praxis größer oder auch kleiner sein als die Breite des Frequenzbandes 42. Damit die Auswertung des Radarsignals nicht unnötig erschwert wird, sollte jedoch die Breite des Frequenzbandes 42 und die Form der Modulationskurve nicht geändert, sondern nur auf der Frequenzachse verschoben werden.

In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist ein Treiberausgang 52 der Auswerteeinrichtung 12 mit der Steuereinrichtung 30 verbunden. Über diesen Treiberausgang 52 kann die Auswerteeinrichtung der Steuereinrichtung 30 den Befehl geben, den Elevationswinkel zu verändern. Beispielsweise kann der Elevationswinkel vergrößert werden, wenn die Auswerteeinrichtung 12 feststellt, daß, während sich das eigene Fahrzeug auf einer Gefällstrecke befindet, das Signal des georteten vorausfahrenden Fahrzeugs schwächer wird, obgleich sich der Abstand und der Azimutwinkel dieses Fahrzeugs kaum geändert haben. In dieser Situation ist nämlich anzunehmen, daß das vorausfahrende Fahrzeug eine Talmulde erreicht hat und somit nach oben aus dem Ortungsbereich ausgewandert ist, so daß der Elevationswinkel erhöht werden sollte, um den Radarstrahl dem Objekt nachzuführen.

In Fig. 3 ist außerdem ein spezielles Funktionsmodul 54 der Auswerteeinrichtung 12 als gesonderter Block dargestellt, der ebenfalls mit der Steuereinrichtung 30 des Radarsensors verbunden ist. Dieses Funktionsmodul 54 dient dazu, eine eventuelle Erblindung des Radarsensors, beispielsweise aufgrund eines Schnee- oder Eisbelages auf der Mikrowellenlinse 18, automatisch zu erkennen. Ein typisches Kennzeichen für eine Erblindung des Radarsensors besteht darin, daß das empfangene Reflexionsmuster unabhängig von der Elevation des Radarstrahls ist. Demgemäß gibt das Funktionsmodul 54, wenn es eine Blindheitserkennung durchführt, an die Steuereinrichtung 30 den Befehl, den Elevationswinkel zu verändern, beispielsweise den gesamten Bereich erreichbarer Elevationswinkel einmal durchzuscannen, und die Auswerteeinrichtung 12 prüft dabei, ob dies irgendeine Änderung in dem empfangenen Signal zur Folge hat. Wenn dies nicht der Fall ist, kann auf eine Erblindung des Radarsensors geschlossen werden, was dazu führt, daß sich das Fahrerassistenzsystem selbst deaktiviert und einen entsprechenden Warnhinweis an den Fahrer ausgibt.