DE-102025110972-B3 - Photonisches Radarsystem, Verfahren zum Betreiben eines photonischen Radarsystems, Zentraleinheit und Verfahren zum Betreiben der Zentraleinheit

Abstract

Die Erfindung betrifft ein photonisches Radarsystem (100) und ein Verfahren zum Betreiben eines photonischen Radarsystems (100). Ferner betrifft die Erfindung eine Zentraleinheit (10) und ein Verfahren zum Betreiben der Zentraleinheit (10). Die Erfindung bezieht sich auf die Verringerung des Rechenaufwands, der für die Doppler-Verarbeitung in spärlich verteilten Antennenaperturen erforderlich ist, durch die Einbeziehung von Uniform-Linear-Array(ULA)-Strukturen (70).

Inventors

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

Assignees

• VOLKSWAGEN AKTIENGESELLSCHAFT

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20250321

Claims (10)

1. Photonisches Radarsystem (100), umfassend: - eine spärlich verteilte Antennenanordnung (50) mit mindestens einem ersten Radarempfänger (42) und einer Uniform-Linear-Array(ULA)-Struktur (70) mit mindestens einem ersten Radarsender (60) und mindestens einem zweiten Radarempfänger (72), wobei zumindest der erste Radarempfänger (42) in Bezug zu dem ersten Radarsender (60) spärlich verteilt angeordnet ist, - eine über mindestens einen Wellenleiter (12) mit der spärlich verteilten Antennenanordnung (50) gekoppelte Zentraleinheit (10) mit einem Signalgenerator (18) und einer optischen Sendeeinheit (20a), wobei der Signalgenerator (18) dazu eingerichtet ist, ein Rampensignal mit einer Sequenz von Chirp-Signalen zu erzeugen, und die optische Sendeeinheit (20a) dazu eingerichtet ist, ein optisches Radartreibersignal bereitzustellen, welches ein optisches Radarträgersignal und ein optisches Rampensignal basierend auf dem von dem Signalgenerator (18) erzeugten Rampensignal umfasst, und dieses in den Wellenleiter (12) einzukoppeln, wobei die spärlich verteilte Antennenanordnung (50) eine optische Empfangseinheit (52) und eine optische Modulationseinheit (80, 49) umfasst, wobei die optische Empfangseinheit (52) dazu eingerichtet ist, das in den Wellenleiter (12) eingekoppelte optische Radartreibersignal zu empfangen und in ein elektrisches Radartreibersignal umzuwandeln und das elektrische Radartreibersignal dem ersten Radarsender (60) bereitzustellen, und die optische Modulationseinheit (80, 49) dazu eingerichtet ist, optische Radarantwortsignale bereitzustellen, welche über den ersten und den zweiten Radarempfänger (42, 72) empfangene Radarechosignale und das optische Radartreibersignal umfassen, und diese in den Wellenleiter (12) einzukoppeln, wobei die Zentraleinheit (10) ferner eine zum Empfangen der in den Wellenleiter (12) eingekoppelten optischen Radarantwortsignale eingerichtete zentrale optische Empfangseinheit (30) umfasst, und - eine Auswerteeinheit (14), die dazu eingerichtet ist: - eine Dopplerfrequenz-Information basierend auf den durch die ULA-Struktur (70) empfangenen Radarechosignalen und der Sequenz von Chirp-Signalen zu ermitteln, - die durch den ersten Radarempfänger (42) empfangenen Radarechosignale basierend auf der ermittelten Dopplerfrequenz-Information zu korrigieren und - die korrigierten Radarechosignale und die durch die ULA-Struktur (70) empfangenen Radarechosignale basierend auf der Sequenz von Chirp-Signalen auszuwerten und eine hieraus abgeleitete Radarinformation auszugeben.
2. Radarsystem (100) nach Anspruch 1 , wobei die spärlich verteilte Antennenanordnung (50) einen zweiten Radarsender umfasst, der in Bezug zu der ULA-Struktur (70) spärlich verteilt angeordnet ist, wobei die optische Empfangseinheit (52) dazu eingerichtet ist, das elektrische Radartreibersignal dem ersten Radarsender (60) und dem zweiten Radarsender derart bereitzustellen, dass ein erstes Chirp-Signal der Sequenz von Chirp-Signalen dem ersten Radarsender (60) und ein zweites Chirp-Signal der Sequenz von Chirp-Signalen dem zweiten Radarsender zugeordnet werden.
3. Radarsystem (100) nach Anspruch 2 , wobei die Auswerteeinheit (14) dazu eingerichtet ist, basierend auf den korrigierten Radarechosignalen durch die ULA-Struktur (70) empfangenen Radarechosignalen und auf der Sequenz von Chirp-Signalen eine Winkelabschätzung zu einem Zielobjekt zu berechnen und die berechnete Winkelabschätzung auszugeben.
4. Radarsystem (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3 , wobei der Signalgenerator (18) dazu eingerichtet ist, eine Chirp-Sweep-Zeit und/oder eine Frequenzbandbreite der Chirp-Signale des Rampensignals derart zu verringern, dass sich ein zeitlicher Abstand zwischen den ersten Chirp-Signalen benachbarter Sequenzen von Chirp-Signalen des Rampensignals unterhalb eines vorgegebenen Höchstabstands ergibt.
5. Radarsystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ULA-Struktur (70) einen dritten Radarempfänger umfasst und die Antennenanordnung (50) und/oder die Auswerteeinheit (14) dazu eingerichtet ist/sind, die durch die ULA-Struktur (70) gleichzeitig empfangenen Radarechosignale kohärent zu integrieren und als von der ULA-Struktur (70) empfangene Radarechosignale bereitzustellen.
6. Verfahren zum Betreiben eines photonischen Radarsystems (100), umfassend die Schritte: - Erzeugen (102) eines Rampensignals mit einer Sequenz von Chirp-Signalen durch eine Zentraleinheit (10), - Bereitstellen (104) eines optischen Radartreibersignals durch die Zentraleinheit (10), wobei das optische Radartreibersignal ein optisches Radarträgersignal und ein optisches Rampensignal basierend auf dem erzeugten Rampensignal umfasst, - Einkoppeln (106) des optischen Radartreibersignals in einen Wellenleiter (12) durch die Zentraleinheit (10), - Empfangen und Umwandeln (108) des in den Wellenleiter (12) eingekoppelten optischen Radartreibersignals in ein elektrisches Radartreibersignal durch eine spärlich verteilte Antennenanordnung (50) mit einer Uniform-Linear-Array(ULA)-Struktur (70), - Antreiben (110) eines Radarsenders (60) der ULA-Struktur (70) mit dem elektrischen Radartreibersignal, - Empfangen (112) von Radarechosignalen mit einem ersten Radarempfänger (42) und einem zweiten Radarempfänger (72), wobei der erste Radarempfänger (42) in Bezug zu dem Radarsender (60) spärlich verteilt angeordnet ist und der zweite Radarempfänger (72) von der ULA-Struktur (70) umfasst ist, - Bereitstellen und Einkoppeln (114) optischer Radarantwortsignale, welche die über den ersten und den zweiten Radarempfänger (42, 72) empfangenen Radarechosignale und das optische Radartreibersignal umfassen, in den Wellenleiter (12) durch die spärlich verteilte Antennenanordnung (50), - Empfangen (116) der in den Wellenleiter (12) eingekoppelten optischen Radarantwortsignale durch die Zentraleinheit (10), - Ermitteln (118) einer Dopplerfrequenz-Information basierend auf den durch die ULA-Struktur (70) empfangenen Radarechosignalen und der Sequenz von Chirp-Signalen, - Korrigieren (120) der durch den ersten Radarempfänger (42) empfangenen Radarechosignale basierend auf der ermittelten Dopplerfrequenz-Information und - Auswerten (122) der korrigierten Radarechosignale und der durch die ULA-Struktur (70) empfangenen Radarechosignale basierend auf der Sequenz von Chirp-Signalen und Ausgeben einer hieraus abgeleiteten Radarinformation.
7. Zentraleinheit (10) zur Verwendung in einem photonischen Radarsystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 , umfassend: - eine zum Empfangen von in den Wellenleiter (12) eingekoppelten optischen Radarantwortsignalen eingerichtete zentrale optische Empfangseinheit (30) und - eine Auswerteeinheit (14), die dazu eingerichtet ist: - eine Dopplerfrequenz-Information basierend auf durch eine Uniform-Linear-Array(ULA)-Struktur (70) empfangenen Radarechosignalen und einer Sequenz von Chirp-Signalen zu ermitteln, - durch einen in Bezug zu der ULA-Struktur (70) spärlich verteilt angeordneten ersten Radarempfänger (42) empfangene Radarechosignale basierend auf der ermittelten Dopplerfrequenz-Information zu korrigieren und - die korrigierten Radarechosignale und die durch die ULA-Struktur (70) empfangenen Radarechosignale basierend auf der Sequenz von Chirp-Signalen auszuwerten und eine hieraus abgeleitete Radarinformation auszugeben.
8. Zentraleinheit (10) nach Anspruch 7 , ferner umfassend: - einen zum Erzeugen eines Rampensignals mit einer Sequenz von Chirp-Signalen eingerichteten Signalgenerator (18) und - eine optischen Sendeeinheit (20a), die dazu eingerichtet ist, ein optisches Radartreibersignal bereitzustellen, welches ein optisches Radarträgersignal und ein optisches Rampensignal basierend auf dem von dem Signalgenerator (18) erzeugten Rampensignal umfasst, und dieses in einen mit der Zentraleinheit (10) koppelbaren Wellenleiter (12) einzukoppeln.
9. Verfahren zum Betreiben einer Zentraleinheit (10) gemäß Anspruch 7 oder 8 , umfassend die Schritte: - Empfangen (116) von in den Wellenleiter (12) eingekoppelten optischen Radarantwortsignalen durch die Zentraleinheit (10), - Ermitteln einer Dopplerfrequenz-Information basierend auf durch eine Uniform-Linear-Array(ULA)-Struktur (70) empfangenen Radarechosignalen und einer Sequenz von Chirp-Signalen, - Korrigieren von durch einen in Bezug zu der ULA-Struktur (70) spärlich verteilt angeordneten ersten Radarempfänger (42) empfangenen Radarechosignalen basierend auf der ermittelten Dopplerfrequenz-Information und - Auswerten der korrigierten Radarechosignale und der durch die ULA-Struktur (70) empfangenen Radarechosignale basierend auf der Sequenz von Chirp-Signalen und Ausgeben einer hieraus abgeleiteten Radarinformation.
10. Verfahren nach Anspruch 9 , ferner umfassend die Schritte: - Erzeugen (102) eines Rampensignals mit einer Sequenz von Chirp-Signalen, - Bereitstellen (104) eines optischen Radartreibersignals, welches ein optisches Radarträgersignal und ein optisches Rampensignal basierend auf dem erzeugten Rampensignal umfasst, und - Einkoppeln (106) des optischen Radartreibersignals in den Wellenleiter (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein photonisches Radarsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines photonischen Radarsystems. Ferner betrifft die Erfindung eine Zentraleinheit und ein Verfahren zum Betreiben der Zentraleinheit. Radarsensoren sind seit Jahren im automobilen Sektor etabliert und liefern bei allen Witterungsbedingungen zuverlässig und ausfallsicher Daten. Zur Verbesserung eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses erfolgt meist eine kohärente Summierung über die Dimension der Empfangskanäle. Jedoch aufgrund unterschiedlicher Signallaufzeiten zwischen Sende-, Empfangsantenne und einem potenziellen Ziel werden abweichende Messentfernungen hervorrufen, die in einem nichtlinearen Phasenterm resultieren, der eine kohärente Integration über die Dimension der Empfangskanäle zu Gunsten eines besseren Signal-zu-RauschVerhältnisses unterbindet. Die Druckschrift WO 2023 / 076 280 A2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für Bildgebungs- und Objekterkennungsradare mit Subarray-Antennengruppen, die in einer Sparse-Array- und MIMO-Konfiguration angeordnet sind, die die Sensorleistung verbessert. Die Druckschrift CN 107 436 429 A beschreibt ein Verfahren zur robusten Schätzung von Polarisations-Dual-Base-MIMO-Radar-Parametern in einer Umgebung mit Aufprallgeräuschen durch die gemeinsame Realisierung einer De-Impact-Vorverarbeitung und eines Sparse-Rekonstruktionsmechanismus mit komprimierter Abtastung. Die Druckschrift CN 103 885 048 A offenbart ein Verfahren zur Korrektur von Amplituden- und Phasenfehlern von Dual-Base-MIMO-Radar-Transceiver-Arrays, das eine genauere Schätzung des Wellenankunftswinkels und des Wellenabgangswinkels erreichen kann. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein verteiltes Radarsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines verteilten Radarsystems mit verringertem erforderlichen Rechenaufwand zu entwickeln. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein photonisches Radarsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines photonischen Radarsystems sowie eine Zentraleinheit und ein Verfahren zum Betreiben der Zentraleinheit gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche. Ein erster Aspekt betrifft ein photonisches Radarsystem. Das photonische Radarsystem umfasst eine spärlich verteilte Antennenanordnung, eine über mindestens einen (optischen) Wellenleiter mit der spärlich verteilten Antennenanordnung gekoppelte Zentraleinheit und eine Auswerteeinheit. Bevorzugt wird eine optische Faser, beispielsweise eine Glasfaser, als Wellenleiter verwendet. Mit anderen Worten ist das photonische Radarsystem ein spärlich verteiltes photonisches Radarsystem. Ein spärlich verteiltes (photonisches) Radarsystem ist ein Radarsystem, das aus einer begrenzten Anzahl von Radarsensoren besteht, die über ein großes geografisches Gebiet verteilt sind. Im Gegensatz zu dichten Radarsystemen, die viele Sensoren in engem Abstand zueinander haben, nutzen spärlich verteilte Systeme die Vorteile der größeren Abstände zwischen den Sensoren, um eine breitere Abdeckung zu erreichen und gleichzeitig die Kosten und den Aufwand für die Installation und Wartung zu reduzieren. Im einfachsten Fall kann ein spärlich verteiltes Radarsystem durch ein nicht vollbesetztes Array von Radarsensoren erreicht werden. Die spärlich verteilte Antennenanordnung umfasst mindestens einen ersten Radarempfänger und eine Uniform-Linear-Array(ULA)-Struktur. Eine ULA-Struktur ist eine Anordnung von Radarsensoren, die in gleichem Abstand entlang einer geraden Linie angeordnet sind. Ein Abstand zwischen benachbarten Radarsensoren beträgt bevorzugt höchstes eine halbe Wellenlänge des zu emittierenden Radarsignals(d≤λ2).Hierdurch können Gitterwellen (englisch „grating waves“) verhindert werden. Die ULA-Struktur umfasst mindestens einen ersten Radarsender und mindestens einen zweiten Radarempfänger. Mit anderen Worten sind der erste Radarsender und der zweite Radarempfänger in einem Abstand zueinander angeordnet, der höchstens eine halbe Wellenlänge des zu emittierenden Radarsignals umfasst. Der erste Radarempfänger ist in Bezug zu dem ersten Radarsender spärlich verteilt angeordnet. Mit anderen Worten ist ein Abstand zwischen dem ersten Radarempfänger und dem Radarsender (der ULA-Struktur) mindestens so groß, dass ein nichtlinearer Phasenterm durch die abweichenden Messabstände in der verteilten Antennenapertur entsteht. Mit anderen Worten sind der radiale Abstand zwischen dem ersten Radarsender und einem Zielobjekt und der radiale Abstand zwischen dem ersten Radarempfänger und dem Zielobjekt voneinander unterschiedlich (d ≠ 2R0), sodass eine kohärente Integration über die beiden Radarempfänger nicht mehr möglich ist. Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen dem ersten Radarsender und dem zweiten Radarempfänger mindestens eine Wellenlänge λ, beispielsweise mindestens 2λ, mindestens 3λ, mindestens 4λ des zu emittierenden Radarsignals oder höher. Bei einer Frequenz von 77 Gigahert