HD-Radar. Kompaktes hochauflösendes Radarsystem für stationäre und mobile Anwendungen auf Basis verschalteter Mehrantennensysteme

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1 HD-Radar Kompaktes hochauflösendes Radarsystem für stationäre und mobile Anwendungen auf Basis verschalteter Mehrantennensysteme BMBF-Förderkennzeichen: 16SV5270K, 16SV5271 VDI/VDE/IT Öffentliches Statusmeeting für EAS und AVS 06./07. Februar 2012, Berlin Marc Behrens Roman Gieron

2 Gliederung Vorstellung der Projektpartner Überblick über das Projekt Motivation Ziel Herausforderungen Vorgehensweise Status im Projekt HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

3 s.m.s smart microwave sensors Kompetenzen: Radar System Design Radarsignalverarbeitung Waveform-Design DSP Hardware Design und Test. Antenna Design und Test. MMIC Design (mit Partner). Kalibrierung / Radar Sensoren in Volumenproduktion Praktische Anwendungen des Radars Demonstratoren Testsysteme Komplett mit Tracking, Sensorfusion und Warnalgorithmen HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

4 IMST GmbH Entwicklung von Antennensystemen für Kommunikation und Radar Komplette Funksystem-Entwicklung einschließlich Hardware und Software MMIC- und RF-IC Design Herstellung und Vertrieb von Funkmodulen und EM Modelling Software Akkreditiertes Prüflabor für EMV, EMVU, R&TTE, Antennen HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

5 Aktuelle Situation 24 GHz Sensorsysteme mit 1 Sende- und 2 Empfangsantennen im Massenmarkt Viele Applikationen im Bereich Traffic-Management Überwachung Automobilbereich Wunsch nach höherer Performanz insbesondere Zieltrennung! HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

6 Applikationsdenken in kartesischen Koordinaten, Radar- Messung in Polarkoordinaten Applikationen fordern aber häufig gute Messgenauigkeit in kartesischen Koordinaten (Querablage) Problem Winkelmeßgenauigkeit bei hohen Entfernungen Mehrwegeausbreitung Reflektion über Boden + Leitplanke Ausdehnung von Zielen (mehrere fluktuierende effektive Rückstreuzentren statt einfachem Punktreflektor) Dynamikproblem: Trennung starker schwacher Ziele Vermischung der Ziele / Maskierung: starke Clutter-Ziele, schwache relevante Ziele, z.b. Kind hinter/neben LKW, Container Mensch auf Metalldach Aktuelle Radarfragestellungen HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

7 Problem Lösung Aktuelle Sensoren: 1 Sender 2 Empfänger x Objekt 1 Objekt 2 detektiertes Objekt Schwierigkeiten bei der korrekten Interpretation der Situation in komplexen Umgebungen! Objekt 1 Objekt 2 y 20m 20m Klassische Lösungsansätze: Winkelauflösung, z.b. mehr Antennenbeams oder Superresolutionverfahren bei mehreren Empfangsantennen Azimut + Elevationsmessung Verbesserung der Auflösung in Entfernung und Geschwindigkeit dadurch verbesserte Zieltrennung Erkennung/Auflösung von Maskierungssituationen Hochauflösung Radarsenor HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

8 Aufgabenstellung Hochauflösung erfordert Kombination von Hochauflösung in Entfernung, Relativgeschwindigkeit und Winkel Kombination Signalform Antenne Anzahl Antennen für Azimut-Winkelauflösung Elevationsmessung möglich? Sequentielle Messung / parallele Messung Viele Antennenbeams nötig hoher Platzbedarf, Kosten Bauform: Anforderung für minimale Größe, so wenig Antennenfläche und Bauteile wie möglich! Signalverarbeitung: komplette Messung im Bereich von 30-50ms Evaluation Zeiten für verschiedene Applikationen Evaluation Antennenkonzepte / Messbereich HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

9 Entwicklungsziel Kohärentes MIMO-System: S S S DSV E E E DSV M Sender und N Empfänger liefern Auflösung wie ein System aus 1 Sender und (MxN) Empfängern. Kombination aus relativ geringen Herstellkosten und hoher räumlicher Performance Sender: M Empfänger: N Auflösung der Ziele: zweidimensional MIMO = Multiple Input Multiple Output Fragestellung: Wie viele Antennen benötigt? Platzbedarf? Rechenaufwand? Kombination mit Sendesignal - sequentielle parallele Verarbeitung HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

10 Herausforderungen Antenne / Speisenetzwerk Struktur / Aufbau Überkopplung Toleranzen Erweiterbarkeit HF-Board neues HF-Board nötig diskreter Aufbau, neue Bauteile neuer VCO Stabilität Sendesignal Phasendifferenzkennlinie Uniformität Einzelantennen Größe Netzwerk Schalter = neue Schlüsselkomponente Platzbedarf? Integrationsdichte neue Design-Regeln erarbeiten DSP-Board Rechenbedarf neue Algorithmen Speicherbedarf Algorithmen Modulare Ausrichtung HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

11 Vorgehensweise Phase 1: 1. Entwicklung Testplattform (klassisches ULA - SR-Radar mit 8 einspaltigen RX-Antennen mit Abstand d = 6mm und klassischer TX) Evaluierung notwendiger Anzahl von RX-Antennen für Winkelauflösung Geforderte physikalische Winkelauflösung / erreichbare Auflösung mittels Parameterverfahren Toleranzen Antennenuniformität / Überkopplung Raumbedarf Kombination Sendesignal und Superresolution bei Empfangsantennen Leistungsvergleich der Signalverarbeitungsalgorithmen Technologieprüfung: Lagenaufbau, Integrationsdichte Testplattform nur Datenkollektor nicht eigenständig HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

12 Vorgehensweise Phase 1 (Fortsetzung): 1. Analyse bestehender HF-Schalter für MIMO Systeme Einbezug Erkenntnisse Signaldynamik/Isolation, Kohärenz / Frequenzlage Filterverhalten NF Lebenszeit, Schaltzeiten 2. Evaluierung Sendesignalkonzepte mit HF-Schalter 3. Testaufbau 2D-SAR Erkenntnisse für Design und Simulation des Antennen-Arrays bei IMST 4. Evaluierung Signalverarbeitungsaufwand / Ressourcen 5. Definition von Anforderungen an ein Radarsystem aus Applikationssicht, insbesondere Meßzeit, Dynamik, Sichtbereich, Zielverteilung HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

13 Testsensor RF-Board DSP Board Bauteilhalter Gehäuse HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

14 Antennengewinn RX [db] Antennen Elevationsmessung RXE1 RXE2 TX Azimutmessung RXA1 RXA2 RXA3 RXA4 RXA5 RXA6 RXA7 RXA8 Erstes Design als Test für erzielbare Richtwirkung erzielbare Winkelmessgenauigkeit Entkopplung zwischen Kanälen Größe und Integrierbarkeit Antennenkonzept Winkel [ ] RxA-1 Az RxA-1 El RxA-2 Az RxA-2 El RxA-3 Az RxA-3 El RxA-4 Az RxA-4 El RxA-5 Az RxA-5 El RxA-6 Az RxA-6 El RxA-7 Az RxA-7 El RxA-8 Az RxA-8 El Für die Anwendungen müssen die Antennen neu konfiguriert und weiter optimiert werden. Beamforming in RX modulares Layout je nach Anwendung erweiterbar Superresolutionverfahren HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

15 Schaltertechnologie Schaltkonzepte PS1 PS2 Phase PS1 Phase PS2 Phase PS3 Beam PS3 Beam Beam LNA / PA Phasenzustandsschalter weitgehend unabhängig vom Schalterelement selbst sehr gute Isolation zwischen Ports gut integrierbar z.b. PIN-Dioden RF in Schalter (z.b. PIN-Dioden) Antenne / Antennenspalte 90 Hybrid LNA / PA ϕ / 2 RF out HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

16 2D-SAR Messtechnik Antennen- Messkammer R6#1 R10#1 R10#2 R2#1 Cam1 TX Tor links/rechts RX Nahfeldscanner Cam2 Personentür HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

17 Aktueller Status Testsensor auf Basis bestehender Komponenten aufgebaut o Basis neuer Lagenaufbau und Integrationstechnologie o Empfangsantennenarray entwickelt Basis für die Untersuchung von Überkopplung und Isolation bei gleichartigen Antennenarrays Validierung der erzielbaren Winkelauflösung o Evaluierung der Vor-/Nachteile von unabhängiger Azimut- und Elevationsmessung o Evaluierung Sendesignalkonzept bzgl. Kombination R-Vrel-Winkel Auflösung o Evaluierung Signalverarbeitungsaufwand Ressourcenbedarf Schaltkonzepte Evaluierung verschiedener Konzepte und Schalter Testaufbau für Abgleich Simulation realer Aufbau Konzepte für schaltbare TX-Antennen entwickelt 2D-SAR Messtechnik Aufgebaut und getestet Tests mit aktueller Testplatine geplant erledigt teilweise erledigt, aktuell laufend nicht erledigt, fehlgeschlagen HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

18 Vorgehensweise II Phase 2: ab ca. Mitte Entwicklung Demonstrator MIMO-Testradar Grundmodul ohne Spezialisierung für Endapplikation Theoretische Ermittlung der Einschränkungen für verschiedene Zielapplikationen auf Basis der gesammelten Anforderungen Basis: universelles Konzept was möglichst gute Eignung für mehrere Applikationen aufweist 2. Ermittlung von Design-Rules zur Feinoptimierung/Abstimmung auf Applikationen 3. Evaluierung Maßnahmen zur Baugrößenreduktion bzw. Erhöhung der Integrationsdichte! HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen??? Roman Gieron IMST GmbH Carl-Friedrich-Gauß-Str Kamp-Lintfort Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0) Web: Marc Behrens s.m.s. smart microwave sensors GmbH In den Waashainen 1, Braunschweig Telefon: +49 (531) FAX: +49 (531) Web: HD-Radar Projekt VDI/VDE/IT Statusmeeting für AVS/EAS, Februar