Titel

Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Radarsystems

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Radarsystems, welches mindestens zwei Antennengruppen aufweist. Den Antennengruppen ist zumindest ein Sendekanal und ein Empfangskanal zugeordnet.

Stand der Technik

Radarsysteme werden zur Messung von Abstand, Relativgeschwindigkeit sowie Azimut- und Elevationswinkel von Objekten verwendet. Zur Winkelschätzung werden üblicherweise Antennengruppen, auch als Antennenarrays bezeichnet, verwendet, die sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet werden können. Durch digitale Strahlformung (digital beamforming) wird der Einfallswinkel einer reflektierten ebenen Welle, wie sie von Zielen im Fernfeld erzeugt wird, erfasst. Zur Strahlformung werden die Phasendifferenzen der reflektierten Welle über die mehreren Empfangskanäle hinweg ausgewertet. Die Empfangssignale der Antennengruppen können durch Transformation so behandelt werden, als wären sie von virtuellen Empfängern gemessen worden. Die Auswertung erfolgt herkömmlicherweise über vorher gespeicherte Steuervektoren, welche in unterschiedlichen Verfahren angewendet werden. Beispielsweise sind beim Bartlett-Strahlformer die erwarteten Differenzphasen für verschiedene Einfallswinkel in den Steuervektoren gespeichert und diese werden dann korreliert. Alternativ können modellbasierte Schätzungen durchgeführt werden, die ebenfalls auf den Steuervektoren basieren.

Herkömmlicherweise werden die Steuervektoren bei einer einmaligen End-of- line-Kalibrierung für jeden einzelnen Sensor über den Winkel vermessen (einer oder mehrere Winkelschnitte) und dann in einem nicht-flüchtigen Speicher abgelegt. Dadurch wird ein Phasenfehler (Phasen-Offset) berücksichtig, der durch verschiedene Effekte, wie z. B. Fertigungstoleranzen von Antennen oder Zuleitungen, oder einer Interaktion der elektromagnetischen Wellen mit einem Radom, einem Gehäuse oder einer Platine, entstehen kann.

Die Antennengruppen ermöglichen ferner, die Umgebung in Winkelzellen aufzuteilen und diese gesondert voneinander zu erfassen. Dadurch können Ziele, deren Entfernung und Radialgeschwindigkeit identisch sind, über die Winkelposition voneinander getrennt werden. Jeder Radarstrahl des Radarsystems stellt dabei ein räumliches Filter dar.

Für die spezifischen Funktionen bei der Fahrzeug-Automatisierung werden bessere Winkelmessungen sowohl hinsichtlich der Genauigkeit als auch der Trennfähigkeit benötigt. Um dies zu erreichen, werden Antennengruppen mit großer Apertur verwendet. Für die Ansteuerung der entsprechenden Transceiver werden diese typischerweise gruppiert und kaskadiert, wodurch eine Transceiver-Hierarchie entsteht. Um eine kohärente Messung des Einfallswinkels der reflektierten Welle durchzuführen, sind alle Transceiver vorzugsweise mit einem Referenzoszillator verbunden. Hierfür werden typischerweise Hochfrequenz-Leitungen verwendet, welche das Signal des Referenzoszillators an die Transceiver verteilen. Je größer die Apertur ist, desto länger sind jedoch die Hochfrequenz-Leitungen.

Heutzutage werden im Fahrzeugbereich üblicherweise Patch-Antennen als Radarantennen verwendet. Die Patch-Antennen werden auf die Oberfläche einer Platine aufgebracht und mit Streifenleitungen versorgt. Demzufolge wächst die Größe der Platinen proportional zur Größe der Apertur. Bei großen Platinen steigt damit auch die Wahrscheinlichkeit einer inhomogenen Temperaturverteilung auf der Platine, die durch interne und/oder externe Einflussfaktoren erzeugt wird. Als Beispiel für interne Einflussfaktoren ist eine starke Erwärmung verschiedener Bauteilgruppen zu nennen. Beispiele für externe Einflussfaktoren sind eine Teilabschattung der Platine und eine Erwärmung aufgrund von Nachbarbaugruppen und/oder aufgrund von Luftströmungen.

Die inhomogene Temperaturverteilung sowie die Alterung der Bauteile und andere Faktoren wirken sich auf die Messung des Radarsystems aus, indem sie die vorab kalibrierten Phasenfehler verändern. Wird die Winkelschätzung weiterhin mit den anfangs gespeicherten Steuervektoren durchgeführt, so reduziert sich die Leistungsfähigkeit der Winkelschätzung. Insbesondere erhöhen sich im Winkelspektrum die Nebenkeulen, während die Hauptkeule abgeschwächt und verbreitert wird und die Position der Hauptkeule sich verändert (beam-pointing error). Im Ergebnis wird der Dynamikbereich, die Genauigkeit und die Trennfähigkeit der Winkelschätzung verringert.

Aus dem Artikel M. Harter et al., „Error analysis and self-calibration of a digital beamforming radar system“, 2015 IEEE MTT-S International Conference on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM), 2015, pp. 1-4, ist eine Selbstkalibrierung eines Radarsystems bekannt. Darin wird angenommen, dass die Wellenfronten der reflektierten Welle an den Antennen eben sind. Diese Annahme ist nur dann hinreichend erfüllt, wenn sich das Ziel im Fernfeld befindet. Die Grenze für das Fernfeld wird typischerweise mittels der Formel 1 über die Aperturlänge D und die Wellenlänge A definiert:

(Formel 1)

Unter der Annahme, dass sich das Ziel im Fernfeld befindet, wird eine eindimensionale lineare Regression aus den empfangenen Phasen an den Antennenelementen der Empfangs-Antennengruppen durchgeführt und somit der wahrscheinlichste Verlauf der Wellenfront geschätzt. Daraus werden dann die zu korrigierenden Phasenfehler berechnet. Die aus einem Ziel geschätzten Phasenfehler gelten ohne Beschränkung der Allgemeinheit für den jeweiligen Zielwinkel. Dabei ist es unerheblich, ob das Radarsystem ein Radom aufweist oder z. B. hinter einer Stoßstange angeordnet ist.

Eine weitere Voraussetzung für die Selbstkalibrierung gemäß obengenanntem Artikel ist, dass die Antennenelemente äquidistant entlang einer Dimension angeordnet sind. Hierin ist folgende Anordnung gegeben: Zur Kalibrierung der Azimut-Steuervektoren sind die Antennenelemente horizontal angeordnet und zur Kalibrierung der Elevations-Steuervektoren sind die Antennenelemente vertikal angeordnet.

Generell kann die Selbstkalibrierung für verschiedene Modulationsverfahren eingesetzt werden. Typische Sendefrequenzen liegen heute bei 24 GHz oder 77 GHz und die maximal belegbaren Bandbreiten liegen unterhalb von 4 GHz, insbesondere bei ca. 0,5 GHz.

Heutige Radarsysteme im Fahrzeugbereich verwenden typischerweise eine FMCW-Modulation (frequenzmoduliertes Dauerstrichradar) mit schnellen Rampen (Fast-Chirp-Modulation), bei der nacheinander mehrere lineare Frequenzrampen der gleichen Steigung ausgesendet werden. Die Mischung des momentanen Sendesignals mit dem Empfangssignal ergibt ein niederfrequentes Signal, dessen Frequenz (Beatfrequenz genannt) zum Abstand proportional ist. Das System wird in der Regel so ausgelegt, dass der durch die Dopplerfrequenz versursachte Anteil der Beatfrequenz vernachlässigbar ist. Die aus der Beatfrequenz gewonnene Abstandsinformation ist weitgehend eindeutig, eine Dopplerverschiebung kann anschließend durch Beobachtung der zeitlichen Entwicklung der Phase des komplexen Abstandssignals über die Rampen hinweg bestimmt werden. Die Abstands- und Geschwindigkeitsbestimmung finden unabhängig voneinander statt, in der Regel mit zweidimensionaler Fourier- Transformation. Die vorstehend beschriebene Winkelschätzung ist der Abstandsund Geschwindigkeitsschätzung nachgelagert.

Offenbarung der Erfindung

Es wird ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Radarsystems mit mindestens zwei Antennengruppen, denen zumindest ein Sendekanal und ein Empfangskanal zugeordnet ist, vorgeschlagen. Die Geometrie der Antennengruppen, also die Position der Sende- und der Empfangsantennen ist bekannt. Zudem ist die Transceiver-Hierarchie der Transceiver bekannt, die dazu verwendet werden, die Antennengruppen zu bilden, deren Elemente gleichartige Phasenfehler erfahren. Diese Daten sind Teil der Spezifikation des Radarsystems.

Zu Beginn werden mehrere Ziele durch das Radarsystem gemessen. Hierfür senden Sende-Antennengruppen elektromagnetische Wellen in Richtung der Ziele aus. Die von den Zielen reflektierten elektromagnetischen Wellen werden dann von Empfangs-Antennengruppen aufgenommen und mittels digitaler Strahlformung ausgewertet. Die Messung erfolgt nach Winkel aufgelöst, wobei die Umgebung durch die Antennengruppen in Winkelzellen aufgeteilt wird. Für jede Antennengruppe werden die Entfernungs- und Dopplerinformationen verarbeitet (auch als Range-Doppler-Verarbeitung bezeichnet). Die Verarbeitung erfolgt vorzugsweise durch eine zweidimensionale schnelle Fourier- Transformation, kann aber auch durch andere, an sich bekannte Algorithmen erfolgen. Anschließend wird eine Detektion der Ziele in den Winkelzellen durchgeführt. Hierfür werden vorzugsweise die folgenden Schritte durchgeführt: Für jede Winkelzelle wird die Energie ermittelt. Zudem wird ein Schwellwert für die geschätzte Rauschenergie einer solchen Winkelzelle geschätzt. Die ermittelte Energie wird mit dem Schwellwert für die Rauschenergie verglichen und somit die ermittelte Energie in jeder Zelle gegenüber der geschätzten Rauschenergie diskriminiert. Für den Fall, dass mehrere benachbarte Winkelzellen über dem Schwellwert für die geschätzte Rauschenergie liegen, werden die lokalen Maxima der gemessenen komplexen Daten für jede Kombination der Sender und der Empfänger bestimmt. Durch die vorstehenden Schritte werden Reflexlisten erhalten, in denen zu jedem Ziel die Entfernung, die Relativgeschwindigkeit und die komplexen Amplituden, die an den jeweiligen virtuellen Kanälen gemessen wurden, gespeichert sind.

Für die jeweiligen Kanäle werden zunächst die Amplitudenunterschiede kompensiert. Vorzugsweise werden hierfür die folgenden Schritte durchgeführt. Die mittlere Empfangsleistung über alle Signalamplituden wird berechnet, wobei insbesondere Formel 2 verwendet wird:

(Formel 2)

|x| stellt den Mittelwert der Amplituden und x _mn die einzelnen gemessenen komplexen Amplituden dar. Es wird über die Sender m = 1...M und die Empfänger n = 1...N summiert.

Anschließend wird für jeden Kanal die Abweichung der Amplitude zu der mittleren Empfangsleistung berechnet. Insbesondere wird die Abweichung durch einen Quotienten gemäß Formel 3 berechnet:

(Formel 3)

Mittels der Abweichung wird dann für jeden Kanal ein Amplitudenfehler kompensiert. Dieser Schritt erlaubt eine Kalibrierung der Empfangsleistung.

Im Folgenden wird eine Intragruppen-Kalibrierung für jede Antennengruppe ausgeführt. Hierfür wird eine zweidimensionale lineare Regression für jede Antennengruppe durchgeführt. Dabei wird die Regressionsebene geschätzt, für die der mittlere quadratische Abstand der Phasenmesswerte der Kanäle der Antennengruppen minimal wird. Bei der zweidimensionalen Regression werden die Geometriedaten der Antennengruppen verwendet, die wie eingangs beschrieben als Teil der Spezifikation des Radarsystems bekannt sind. Für jeden Kanal wird nun die Differenz zwischen dem gemessenen Phasenwert und der Regressionsebene berechnet. Dadurch wird der Intragruppen- Phasenkorrekturwert für die jeweilige Antennengruppe erhalten. Dieser Schritt wird nun für alle Antennengruppen wiederholt, sodass zu allen (virtuellen) Kanälen Intragruppen-Phasenkorrekturwerte vorliegen.

Für den Fall, dass der Phasenfehler keine Winkelabhängigkeit aufweist - beispielsweise wenn der Phasenfelder auf einer Alterung des Radarsystems basiert -, kann über die Messwerte aller Ziele für jeden Kanal gemittelt werden. Dadurch wird ein Mittelungsgewinn erzielt. Für den Fall, dass der Phasenfehler winkelabhängig ist - beispielsweise, weil das Radarsystem hinter einer Stoßstange angeordnet ist -, kann jeder Winkel über ein eigenes Ziel kalibriert werden. Vorzugsweise können Zwischenwinkel, für die kein eigenes Ziel vorhanden ist, interpoliert werden. Hierbei sollen die Winkel, für die Ziele vorhanden sind, nahe genug beieinander liegen, sodass für den Phasenfehler das Abtasttheorem eingehalten wird. Durch mehrere hintereinander ablaufende Messzyklen können Ziele in Winkelzellen erfasst werden, welche zuvor nur interpoliert wurden oder bei denen noch keine Phasenfehlerschätzung möglich war.

Im Folgenden wird eine Intergruppen-Kalibrierung für zumindest zwei unterschiedlichen Antennengruppen ausgeführt, um den Phasenfehler zwischen den unterschiedlichen Antennengruppen zu bestimmen. Für jede Antennengruppe wurde, wie oben beschrieben, eine Regressionsebene ermittelt. Nun wird der Abstand zwischen zwei Regressionsebenen von zwei unterschiedlichen Antennengruppen berechnet, wobei Modulo 2n angewandt wird. Dadurch wird der Intergruppen-Phasenkorrekturwert für die beiden Antennengruppen erhalten. Werden die Regressionsebenen mit dem Intergruppen-Phasenkorrekturwert kompensiert, so liegen alle Regressionsebenen der Antennengruppen aufeinander.

Schließlich werden die Steuervektoren jedes Kanals mit dem Intragruppen- Ph äsen korrekturwert und dem Intergruppen-Phasenkorrekturwert kompensiert. Anschließend kann eine Winkelschätzung nach bekanntem Verfahren durchgeführt werden.

Aufgrund der zweidimensionalen Regression kann das Verfahren generell für alle Geometrien der Antennengruppen angewendet werden und diese sind keiner Beschränkung weder bezüglich der Ausrichtung noch bezüglich des Abstands unterworfen. Die Antennengruppen müssen also nicht zwangsläufig entlang der Horizontalen oder entlang der Vertikalen angeordnet sein, sondern können frei platziert sein. Zudem müssen die Antennenelemente nicht äquidistant zueinander positioniert sein, sondern können in beliebigen Abständen zueinander stehen. Des Weiteren müssen die Phasenfehler für jeden Kanal nicht gleichartig verteilt sein, sondern es ist für jede Antennengruppe ein unterschiedlicher mittlerer Phasenfehler möglich. Das Verfahren kann auch für Multiple-Input-Multiple-Output-Radarsensoren (MIMO) eingesetzt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Antenne eines Radarsystems, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird.

Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung In Figur 1 ist eine Antenne eines nicht weiter dargestellten Radarsystems RS gezeigt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Die Antenne weist mehrere Antennenelemente Rxl, Rx2, Rx3, Rx4, Txl, Tx2, Tx3 und Tx4 auf, die als Sende-Antennenelemente Txl, Tx2, Tx3 und Tx4 ein Radarsignal aussenden und als Empfangs-Antennenelemente Rxl, Rx2, Rx3, Rx4 ein reflektiertes Radarsignal empfangen. Es handelt sich hierbei also um eine MIMO-Antenne (Multiple-Input-Multiple-Output). Des Weiteren sind Transceiver TI und T2 vorgesehen, mit denen die Antennenelemente Rxl, Rx2, Rx3, Rx4, Txl, Tx2, Tx3 und Tx4 verbunden sind. Ein erstes System-on-a-Chip SoCl (auch als System-on-Chip, SoC bezeichnet) besteht aus einem ersten Transceiver TI sowie zwei damit verbundenen Sende-Antennenelementen Txl, Tx2 und zwei damit verbundenen Empfänger-Antennenelementen Rxl, Rx2. Ein zweites System-on-a-Chip SoC2 besteht aus einem zweiten Transceiver T2 sowie zwei damit verbundenen Sende-Antennenelementen Tx3, Tx4 und zwei damit verbundenen Empfänger-Antennenelementen Rx3, Rx4. Die Sende- Antennenelementen Txl und Tx2 bilden zusammen mit den Empfangs- Antennenelementen Rxl und Rx2 des ersten System-on-a-Chip SoCl eine erste Antennengruppe und die Sende-Antennenelementen Tx3 und Tx4 bilden zusammen mit den Empfangs-Antennenelementen Rx3 und Rx4 des zweiten System-on-a-Chip SoC2 eine zweite Antennengruppe. Die beiden System-on-a- Chips SoCl, SoC2 sind symmetrisch ausgebaut und übereinstimmend ausgelegt. Die Geometrie G der Antennengruppen ist durch die Spezifikation des Radarsystems RS bekannt und abgespeichert (siehe Figur 2). Zudem ist die Transceiver-Hierarchie der Transceiver TI und T2 des Radarsystems RS bekannt.

Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu Beginn führt das Radarsystem RS mittels den Antennenelementen Rxl, Rx2, Rx3, Rx4, Txl, Tx2, Tx3, Tx4 eine Messung 10 mehrerer Ziele in der Umgebung aus. Die Messung 10 erfolgt nach Winkel aufgelöst, wobei die Umgebung durch die Antennengruppen in Winkelzellen aufgeteilt wird. Anschließend wird eine Verarbeitung der Entfernungs- und Dopplerinformation 11 mittels schneller Fourier-Transformation durchgeführt. Daraufhin erfolgt eine Detektion 12 der Ziele innerhalb der Winkelzellen. Für jede Winkelzelle wird die Energie ermittelt und zudem ein Schwellwert für die Rauschenergie ermittelt. Die ermittelte Energie wird in jeder Zelle gegenüber dem Schwellwert für die geschätzte Rauschenergie diskriminiert. Für den Fall, dass mehrere benachbarte Winkelzellen über dem Schwellwert für die geschätzte Rauschenergie liegen, werden die lokalen Maxima der gemessenen komplexen Daten für jede Kombination der Sender und der Empfänger bestimmt.

Für die Selbstkalibrierung werden die Amplitudenunterschiede für die jeweiligen Kanäle kompensiert 20. Hierfür wird die mittlere Empfangsleistung über alle Signalamplituden gemäß Formel 2 berechnet:

(Formel 2)

|x| stellt den Mittelwert der Amplituden und x _mn die einzelnen gemessenen komplexen Amplituden dar. Es wird über die Sender m = 1...M und die Empfänger n = 1...N summiert.

Anschließend wird für jeden Kanal die Abweichung der Amplitude zu der mittleren Empfangsleistung gemäß Formel 3 berechnet:

(Formel 3)

Mittels der Abweichung wird dann für jeden Kanal ein Amplitudenfehler kompensiert 20.

Für jede Antennengruppe der System-on-a-Chips SoCl, SoC2 wird eine zweidimensionale lineare Regression durchgeführt 21. Dabei wird jeweils die Regressionsebene geschätzt, für die der mittlere quadratische Abstand der Phasenmesswerte der Kanäle der Antennengruppen minimal wird. Bei der zweidimensionalen Regression werden die Geometriedaten G der Antennengruppen verwendet. Für jeden Kanal wird nun die Differenz zwischen dem gemessenen Phasenwert und der Regressionsebene berechnet. Dadurch wird der Intragruppen-Phasenkorrekturwert für die jeweilige Antennengruppe erhalten. Für den Fall, dass der Phasenfehler winkelabhängig ist, wird jeder Winkel über ein eigenes Ziel kalibriert 22. Zwischenwinkel, für die kein eigenes Ziel vorhanden ist, werden interpoliert 23. Für den Fall, dass der Phasenfehler keine Winkelabhängigkeit aufweist, wird über die Messwerte aller Ziele für jeden Kanal gemittelt 24. Dies wird nun für alle Antennengruppen wiederholt, sodass zu allen (virtuellen) Kanälen Intragruppen-Phasenkorrekturwerte Kintra vorliegen.

Zudem wird der Abstand zwischen den zwei berechneten Regressionsebenen der zwei Antennengruppen des ersten System-on-a-Chip SoCl und des zweiten System-on-a-Chips berechnet 25, wobei Modulo 2n angewandt wird. Dadurch wird der Intergruppen-Phasenkorrekturwert Kinter für die beiden Antennengruppen erhalten.

Schließlich erfolgt ein Kompensieren 26 der Steuervektoren jedes Kanals mit dem Intragruppen-Phasenkorrekturwert Kintra und dem Intergruppen- Phasenkorrekturwert Kinter.

Nach der Selbstkalibrierung kann aus den Reflexlisten L weitere Auswertungen wie eine Winkelschätzung 13 durchgeführt werden.