DE-102024210623-A1 - Sparse-Array Aperturen mit integriertem gleichmäßigen linearen Antennenarry zur Reduktion des Hypothesenraums der Winkelschätzung

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antennenstruktur (320) für ein Multiple-Input-Multiple-Output-Radarsystem, MIMO-Radarsystem, ein solches Radarsystem und eine Auswerteverfahren zur Winkelauswertung, Das MIMO-Radarsystem umfasst eine Vielzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) und eine Vielzahl von Sendeantennen (750, 750-n), die beabstandet zueinander angeordnet sind und eine spärlich besetzte Antennenapertur ausbilden, eine Mehrzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) eine gleichmäßiges lineares Antennenarray ausbilden. Für eine Winkelbestimmung ist vorgesehen, dass anhand der Echoinformationen dieser Empfangsantennen (650, 650-n) des gleichmäßigen linearen Antennenarrays grob Winkel zu den erfassten Objekten ermittelt werden und diese grob ermittelten Winkel jeweils genutzt werden, um die Anzahl der zu berücksichtigenden Winkelhypothesen bei einer Ermittlung der genauen Winkel der Objekte einzuschränken, das jeweils nur Winkelhypothesen berücksichtigt werden, die die im Rahmen einer Unsicherheit des jeweils grob ermittelten Winkels mit diesem übereinstimmen.

Inventors

• Thomas Gisder
• Markus Robert
• Pascal Marcel Seiler
• Andreas Noack
• Marc-Michael Meinecke
• Heiko Gustav Kurz
• Paniz Adibpour

Assignees

• VOLKSWAGEN AKTIENGESELLSCHAFT

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241105

Claims (10)

1. Antennenstruktur (320) für ein Multiple-Input-Multiple-Output-Radarsystem, MIMO-Radarsystem, umfassend eine Vielzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) und eine Vielzahl von Sendeantennen (750, 750-n), die beabstandet zueinander angeordnet sind und eine spärlich besetzte Antennenapertur ausbilden, dadurch gekennzeichnet , dass eine Mehrzahl der Vielzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) eine gleichmäßiges lineares Antennenarray ausbilden.
2. Antennenstruktur (320) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Abstände von benachbarten Empfangsantennen (650, 650-n) der Mehrzahl von Empfangsantennen (650, 650-n), die das gleichmäßige lineare Antennenarray ausbilden, kleiner oder gleich der Hälfte der Wellenlänge der abzustrahlenden Radarsignale sind.
3. Antennenstruktur (320) nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass eine weitere Mehrzahl der Empfangsantennen (650, 650-n) ein weiteres gleichmäßiges lineares Antennenarray ausbilden, wobei eine lineare Ausrichtungsrichtung der Mehrzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) des einen gleichmäßigen linearen Antennenarray verschieden von einer weiteren linearen Ausrichtungsrichtung der weiteren Mehrzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) des einen weiteren gleichmäßigen linearen Antennenarrays ist.
4. Antennenstruktur (320) nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die eine Ausrichtungsrichtung und die weitere Ausrichtungsrichtung einen Winkel von größer 70°, vorzugsweis von 90° einschließen.
5. Antennenstruktur (320) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Vielzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) und die Vielzahl von Sendeantennen (750, 750-n) eine zweidimensionale Antennenapertur ausbilden.
6. Multiple-Input-Multiple-Output-Radarsystem, MIMO-Radarsystem, umfassend eine Vielzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) und eine Vielzahl von Sendeantennen (750, 750-n), die beabstandet zueinander angeordnet sind und eine spärlich besetzte Apertur ausbilden, wobei mit jeder der Sendeantennen (750, 750-n) eine Sendemodul (700, 700-n) für ein Aufbereiten des abzustrahlenden Radarsignals und mit jeder der Empfangsantennen (650, 650-n) ein Empfangsmodul (600,600-n) für eine Verarbeiten des erfassten Radarechosignals und Ableiten von Radarechoinformationen verknüpft ist, und eine Zentralstation, die mit den Sende und Empfangsmodulen (600, 600-n) informationstechnisch verbunden ist, wobei die Zentralstation ausgebildet ist, Radarsignalinformationen zu erzeugen, zu den Sendemodulen (700, 700-n) zu übertragen und deren Abstrahlung über die Vielzahl der Sendeantennen (750, 750-n) zu steuern und die Echoinformationen der Empfangsmodule (600, 600-n) zu empfangen und gemeinsam auszuwerten, um Objekte in Umfeld zu erkennen und relativ zum Radarsystem zu lokalisieren dadurch gekennzeichnet , dass eine Mehrzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) eine gleichmäßiges lineares Antennenarray ausbilden, und die Zentralstation ausgebildet ist, bei einer Auswertung anhand der Echoinformationen der Mehrzahl von Empfangsantennen (650, 650-n), die das eine gleichmäßige lineare Antennenarray ausbilden, Winkel zu Objekten grob ermittelt werden und bei einer genauen Winkelermittlung der erfassten Objekte auf Basis der Echoinformationen aller Empfangsantennen (650, 650-n) der Vielzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) nur eine begrenzte Anzahl von möglichen Winkelhypothesen für die jeweiligen erfassten Objekte berücksichtigt werden, die im Rahmen einer Unsicherheit des jeweils grob ermittelten Winkels mit diesem übereinstimmen.
7. Verfahren zur Umfelderfassung mittels eines Multiple-Input-Multiple-Output-Radarsystem, MIMO-Radarsystem, umfassend eine Vielzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) und eine Vielzahl von Sendeantennen (750, 750-n), die beabstandet zueinander angeordnet sind und eine spärlich besetzte Apertur ausbilden, wobei mit jeder der Sendeantennen (750, 750-n) eine Sendemodul (700, 700-n) für ein Aufbereiten des abzustrahlenden Radarsignals und mit jeder der Empfangsantennen (650, 650-n) ein Empfangsmodul (600, 600-n) für eine Verarbeiten des erfassten Radarechosignals und Ableiten von Radarechoinformationen verknüpft ist, und eine Zentralstation, die mit den Sende und Empfangsmodulen (600, 600-n) informationstechnisch verbunden ist, wobei die Zentralstation ausgebildet ist, Radarsignalinformationen zu erzeugen, zu den Sendemodulen (700, 700-n) zu übertragen und deren Abstrahlung über die Vielzahl der Sendeantennen (750, 750-n) zu steuern und die Echoinformationen der Empfangsmodule (600, 600-n) zu empfangen und gemeinsam auszuwerten, um Objekte in Umfeld zu erkennen und relativ zum Radarsystem zu lokalisieren, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erzeugen einer Radarsignalinformation, die eine Abfolge von Chirps, linear monoton hinsichtlich der Frequenz modulierten Signalabschnitten, umfasst, zeitversetztes Abstrahlen der Chirps über die Vielzahl der Sendeantennen (750, 750-n), so dass in jedem Zeitabschnitt nur eine der Sendeantennen (750, 750-n) einen Chirp als Radarsignal abstrahlt, zeitgleiches Empfangen von an den Objekten erzeugten Radarechosignalen und Ableiten der Echoinformationen, gemeinsames Auswerten der Echoinformationen um eine Entfernung und einen Winkel der erfassten Objekte relativ zu dem MIMO-Radarsystem zu ermitteln, wobei zur Ermittlung des Winkels eine jeden Objekt eine Vielzahl von Winkelhypothesen ausgewertet werden, die von der ermittelten Entfernung des Objekts abhängig sind, dadurch gekennzeichnet , dass eine Mehrzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) eine gleichmäßiges lineares Antennenarray ausbilden und anhand der Echoinformationen dieser Empfangsantennen (650, 650-n) des gleichmäßigen linearen Antennenarrays grob Winkel zu den erfassten Objekten ermittelt werden und diese grob ermittelten Winkel jeweils genutzt werden, um die Anzahl der zu berücksichtigenden Winkelhypothesen bei einer Ermittlung der genauen Winkel der Objekte einzuschränken, das jeweils nur Winkelhypothesen berücksichtigt werden, die die im Rahmen einer Unsicherheit des jeweils grob ermittelten Winkels mit diesem übereinstimmen.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , dass zusätzlich anhand Echoinformationen aller Empfangsantennen (650, 650-n) der Vielzahl von Empfangsantennen (650, 650-n) Entfernungen zu den Objekten ermittelt werden und ferner anhand der Echoinformationen der Mehrzahl von Empfangsantennen (650, 650-n), die das eine gleichmäßige lineare Antennenarray ausbilden, für die erfassten Objekten, deren Winkel grob ermittelt sind, zugehörige weitere Entfernungen ermittelt werden und eine Zuordnung der grob ermittelten Winkel zu den anhand der Echoinformationen aller Empfangsantennen (650, 650-n) erfassten Objekten erfolgt, in dem der grob ermittelte Winkel dem anhand aller Echoinformationen erfassten Objekt zugeordnet wird, mit dessen Entfernung die weitere Entfernung im Rahmeneines Toleranzbereichs übereinstimmt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet , dass die grobe Ermittlung des Winkels anhand der zu einem der Chirps erfassten Echoinformationen ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 , dadurch gekennzeichnet , dass die Entfernungen zu Objekten anhand der Echoinformationen der Empfangsantennen (650, 650-n) des gleichmäßigen linearen Antennenarrays ermittelt werden, die jeweils während der Abstrahlung eines Chirps erfasst sind, und diese Ermittlung während einer Messsequenz in der die Chirps über die verschiedenen Sendeantennen (750, 750-n) zeitversetzt abgestrahlt werden mehrfach für über die verschiedenen Sendeantennen (750, 750-n) abgestrahlte Chirps vorgenommen wird, um einen Unterschied bei der Entfernungsbestimmung anhand verschiedener Sendeantenne-Empfangsantenne-Paare abzuschätzen.

Description

Die Erfindung betrifft Fahrzeugradarsysteme mit verteilten Antennenstrukturen sowie die Auswertung von Radarsignalen eines solchen Fahrzeugradarsystems zur Umfelderfassung, insbesondere eine Verbesserung einer Effizienz einer Winkelauswertung, das heißt, eine Verbesserung einer Berechnungseffizienz. Verteilte Radarantennenstrukturen, die englisch auch als distributed, multi-static oder bi-static oder multiple-input-multiple-output (MIMO) Antennenstrukturen bezeichnet werden, werden in Fahrzeugradarsystemen zur Umfelderfassung eingesetzt. Radarsysteme mit verteilten Antennenstrukturen betrachten potenzielle Ziele aus unterschiedlichen Aspektwinkeln zu Gunsten geringer Fluktuationsverluste. Die Berechnung der Zielkoordinaten vor einer kohärenten Summierung der Einzelsignale ist gegenüber monostatischen Radarsystemen aufgrund der unterschiedlichen Signallaufzeiten für die verschiedenen Antennen wesentlich komplizierter und rechenaufwändiger. Bei einer Verwendung der MIMO-Funktionalität sowie eines räumlichen Multiplexing werden virtuelle Antennenposition zu einem virtuellen Array aufgespannt. Die virtuelle Position der resultierenden Empfangskanäle können dabei vielfache oder nur Teile der Wellenlängen zueinander entfernt positioniert sein. Diese Charakteristik erhöht die Komplexität der Winkelberechnung wesentlich und erfordert den Einsatz umfangreicher Signalverarbeitungs-Algorithmik. Für eine Umfelderfassung von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, tritt eine weitere Schwierigkeit darin auf, dass ausreichend leistungsstarke Rechensysteme den Kostenrahmen für eine Anwendung im automobilen Umfeld sprengen würden. Hintergrund ist eine Vielzahl an Hypothesen. Eine Hypothese ist von den physischen Positionen von Sende- und Empfangsantennen, einer Zielentfernung (Entfernung zu einem Objekt im Umfeld) und einem Raumrichtungswinkel (einer Richtung zum Objekt) abhängig. Insbesondere das mit großen Aperturen verbesserte Auslösungsvermögen, lässt die Vielzahl an zu betrachtenden Winkelschritten zur Parametrisierung des Hypothesenraums massive ansteigen. Weiter ist die Auslegung einer komplexen Implementierungsvariante auf einer entsprechenden Zielhardware mit langwierigen Entwicklungszeiten, Spezialwissen über die Zielhardware und hohen Entwicklungskosten verbunden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine verteilten Antennenstruktur, ein Radarsystem, insbesondere für Fahrzeuge, mit einer verteilten Antennenstruktur und dessen Auswertungsverfahren zu verbessern, insbesondere eine benötigte Rechenleistung zur Winkelbestimmung zu verringern. Die Erfindung wird durch eine Antennenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Radarsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, in eine verteilte Antennenstruktur, welche die Merkmale einer spärlich ausgelegten großen Apertur aufweist Empfangsantennen zu integrieren, die ein gleichmäßiges lineares Antennenarray ausbilden. Dieses bedeutet, dass eine Mehrzahl von Antennen in einem Abstand entlang einer geraden Strecke angeordnet sind und die Abstände zwischen benachbarten Empfangsantennen gleich sind. Dieser Abstand ist vorzugsweise gleich einer halben Wellenlänge, die mit der Mittenfrequenz des ausgesandten Radarsignals korrespondiert. Aufgrund der Struktur eines gleichmäßigen linearen Antennenarrays ist es mit bekannten Methoden möglich einen Winkel zu Objekten im Umfeld zu ermitteln. Diese ermöglicht jedoch keine ausreichende Trennung von Objekten. Die bestimmten Winkel weisen nur eine begrenzte Winkelauflösung und somit eine relativ große Unsicherheit auf. Dennoch kann die Anzahl der Winkelhypothesen, die für eine genaue Bestimmung des Winkels eines Objekts zu berücksichtigen sind, erheblich eingeschränkt werden. Eine benötiget Rechenleistung wird hierdurch deutlich verringert. Vorschlagen wir somit eine Antennenstruktur, die eine große spärlich ausgelegte Apertur aufspannt, so auszugestalten, dass ein Teil der Empfangsantennen mindestens ein gleichmäßiges lineares Antennenarray ausbildet. Werden über Sendeantennen der Antennenstruktur zeitversetzt sogenannte Chirps, linear monoton hinsichtlich der Frequenz modulierte Signalabschnitte, abgestrahlt, so können die während eines solchen Chirps zeitgleich an den Empfangsantennen des gleichmäßig linearen Antennenarray genutzt werden, um jeweils einen groben Winkel für erfasste Objekte zu ermitteln, unter dem diese von dem Radarsystem gesehen werden. Hierdurch kann die Anzahl der Winkelhypothesen, die für eine genaue Winkelbestimmung anhand der Messeergebnisse aller Empfangsantennen zu berücksichtigen sind, deutlich reduziert werden. Bei einer solchen Auswertung werden die Messergebnisse, die von den Empfangsantennen zeitgleich und für eine Vielzahl von Chirps einer Messsequenz erfasst sind, gemeinsam ausgewertet. Chirps einer Messsequenz werde von