Thema: Radarsensorik in der Fahrzeugtechnik

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1 Thema: Radarsensorik in der Fahrzeugtechnik Radargrundlagen Hintergrund Radarsystemtechnik Anwendung Radarsignalverarbeitung Quelle: emotion.de, Zugriff Juni Juli 2010

2 Gliederung I. Anforderungen II. Physikalische Grundlagen III. Modulationsverfahren IV. Signalverarbeitung V. Sensoraufbau VI. Realisierung im Fahrzeug

3 Anforderungen gleichzeitiges messen von (bewegter und stationärer Objekte) Entfernung Relativgeschwindigkeit Winkelposition im gesamten Geschwindigkeitsbereich auch in Mehrzielsituationen Robuster Aufbau und unanfällig gegen Störungen keine negative Beeinflussung des Fahrzeugdesigns niedrige Kosten Hohe Verfügbarkeit bei unterschiedlichsten Umweltbedingungen R A D A R s e n S o r i k

4 Radar: Radio Detection and Ranging Entdeckung, Lokalisierung und Bestimmung von Objektparametern Sendet elektromagnetische Welle gebündelt aus sogenanntes Primärsignal Reflexion der Elektromagnetischen Wellen an Objekten Abhängig und Geometrie, Orientierung, Material Quelle: hondaoldies.de/korbmacher Archiv/Technik/acc.htm, Zugriff Juni 2010 Empfang des reflektierten Anteils der Welle als Echo Sekundärsignal mit verschiedenen Kriterien ausgewertet Informationen über die Objekte Besonderheiten der automobilen Radartechnik Im Vergleich zu militärischen sowie Luft und Schifffahrt Kleinere Abstände (250m) und Winkel Hohe Mehrzielfähigkeit Geringe Baugröße Erheblich geringere Kosten Kleinere Dopplerfrequenzen

5 Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen eine Welle aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit c Vakuum = km/s Zusammenhang: c = λ * f Quelle [7] und [8] Signalerzeugung Festfrequenz Sender GaAs Transistoren Gunn Dioden Silizium Bauelemente Frequenzmodulierte Signale Quelle [20] VCO Voltage Controlled Oscillator (Kapazitätsdiode in einem Resonanzkreis) offener Schwingkreis (Antenne) Quelle [9] und kompendium.de/sites/kom/ htm

6 Ausbreitung und Reflexion Radarstrahlen verlassen Sensor nicht als Kugelwelle sondern in gebündelter Weise stark bündeln, damit ein gutes laterales und vertikales Auflösungsvermögen erreicht wird Die Antenne sichert durch das Antennendiagramm die erforderliche Verteilung der Sendeleistung im Raum νelevation φ Azimuth Quelle [18] Eindimensionale Antennencharakteristik [1] Strahlungsdichte durch Gestaltung der Antennen in bestimmten Raumrichtungen konzentrieren direkter Antennengewinn G D als Verhältnis zwischen: Intensität P( φ,υ) max im Raumwinkel der stärksten Abstrahlung 4π * G = λ² und dem Wert P total / 4π eines homogenen Kugelstrahlers gleicher Gesamtleistung A e...effektive Aeff Antennenfläche

7 Radargleichung Zusammenhang zwischen Empfangs und Sendeleistung am Radargerät Dämpfungsfaktor Radarsystem mit Zielobjekt; Quelle [19] Radargleichung [19] empfangene Reflexionsleistung fällt mit r 4 Große Herausforderung für Empfangstechnik Typischer Wertebereich der Kenngrößen [1]

8 Dämpfungsfaktor L ges Die auf der Übertragungsstrecke auftretenden Verluste als Produkt aller Einzelverluste in L ges zusammengefasst Dämpfung der EMW durch Atmosphäre Dämpfung durch Radom oder Stoßfänger sehr dünne metallische Schicht zur Nachbildung der Markenlogos (<1μm) Starkregen 10 25mm/h Quelle [18] relativ geringe Dämpfung bei unterschiedlichen Wetterbedingungen mm Wellen durchlässiger Kunststoff max. zulässige Dämpfung von 3 db im Einfachdurchlauf durch Karosserieteile

9 Reflexionsvermögen des Radarziels Radarquerschnitt σ [Fläche] Radar Cross Section (RCS) entspricht genau der mittigen Querschnittsfläche πa² eines Kugelreflektors mit Radius a relevante Flächen σ= m² (Automobilbereich) LKW 1000m² PKW 100m² Motorrad 10m² Mensch 1m² Streubreits abhängig von Art des Ziels aber noch stärker äk von Geometrie und der Orientierung z.b. Gedrehter LKW Rückstreuung nur noch von den Kanten oder Achsteilen Quelle [1] Quelle: Zugriff Juni 2010

10 Leistungsreichweite eines Radars Leistung des empfangenen Signals Detektionsschwelle = Faktor: SNR threshold etwa 6 bis 10 db über Rauschen Quelle [1] Quelle [8]

11 Modulationsverfahren abstrahlen und empfangen elektromagnetischer Wellen als Voraussetzung für Funktion eines Radars nur Träger für die Information Information selbst muss diesem Träger senderseitig aufmoduliert und u ( ) ( ) empfangsseitig demoduliert werden t t = At * cos 2π * f0t + ϕ0 Quelle [1] Abgestrahlten Wellenzug muss Kennzeichnung für Wiedererkennung und Zeitbezug zu Laufzeitmessung mitgegeben werden

12 Radarverfahren Pulsradar Dauerstrich (Continous Wave ) Radar Puls Puls Doppler Frequency Shift Keying Frequency Modulated CW Zukünftige neue Verfahren für Automobilbau als Kombination klassischer Verfahren schrittweise frequenzkodiertes FMCW Radar gepulstes FMCW Radar Chirp Sequence Modulation

13 Puls Doppler: Prinzip Abstandsmessung Kurzer Wellenzug der Pulslänge τ P bestimmt Ortsauflösung Pulsmodulation [8] Verschiedene Impulslängen [20] Abstand ergibt sich aus der halben Laufzeit der Welle Δt und der Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium cl Nachteile: Laufzeitmessung zur Bestimmung von Δt sehr aufwändig Ungünstige Verhältnis von Spitzenleistung zur mittleren Leistung Hohe benötigte Empfangsbandbreite daher wird alternativ die Modulation der Anregungsfrequenz genutzt

14 Puls Doppler: Prinzip Geschwindigkeitsmessung Frequenz der reflektierten Welle f D ändert sich, wenn Relativgeschwindigkeit vorhanden Ursache hierfür ist der Dopplereffekt (ACHTUNG: Radialgeschwindigkeit!) Quellen [5] und [7] Dopplerfrequenz proportional mit der f C skaliert! Quelle [1] Auflösung der Doppler Frequenz und damit der Relativgeschwindigkeit Direkte Relativgeschwindigkeitsmessung v rel als Entscheidender Vorteil der Radarmessung Analyse des Frequenzspektrums notwendig

15 FMCW Radar: Modulationsverfahren nun nicht mehr die Laufzeit direkt betrachtet, sondern vielmehr die Differenzfrequenz f R. mit Kenntnis der momentanen Differenzfrequenz ist auf die Zielentfernung zu schließen Quelle [1] Quelle [1] Quelle [1] f 0 Trägerfrequenz f hub Frequenzhub T Chirp Zeitdauer eines Modulationsfensters Λ Upchirp: steigender Sendefrequenz ( Λ= 1) Downchirp: fallender Sendefrequenz (Λ = 1) Quelle [17]

16 FMCW Radar: Relativgeschwindigkeit Objekt A: Objekt B: fährt mit Relativgeschwindigkeit 0 fährt mit derselben Geschwindigkeit wie das eigene Fahrzeug Quelle [2] Im Frequenzspektrum wird nun nach den charakteristischen Maxima gesucht

17 FMCW Radar: v rel d I Diagramm Abstand und Relativgeschwindigkeit folgen der Relation (Linearkombination) Maximum der Frequenz f A,1 ergibt eine Gerade im v rel d I Diagramm Quelle [2] Geraden schneiden sich bei:

18 Zusammenhang : Dopplerfrequenz und Relativgeschwindigkeit bei verschiedenen Sendefrequenzen (lineare Beziehung) Relativgeschwindigkeit v r v r =180km/h Send defrequenz f S Quelle [5] korrespondierende Dopplerfrequenz f D Bei 252km/h folgt f D =35,7 khz Nach Nyquist Theorem eine Abtastrate min 71,4 khz erforderlich! Allerdings ist Trägerfrequenz (77 GHz) zu hoch für eine direkte Messung der Verschiebung im Trägerband selbst bei max. Relativgeschwindigkeit gerade ein Millionstel der Trägerfrequenz Tatsächlich Mischen (Signalmultiplikation) und bei viel niedrigeren Frequenzen messen

19 FMCW Sensor: Aufbau Spannungsgesteuerter Oszillator Voltage Controlled Oscillator Mischen des empfangenen Signals mit dem ausgesendetem Signal Prinzipieller Aufbau eines FMCW Sensors [11] Frequenzverlauf von Sende, Empfangs, Differenzsignal zur Bestimmung von Entfernung und Bewegung von Reflektoren [11] Mischen (Signalmultiplikation): aus zwei Signalen unterschiedlicher Frequenz ein Ausgangssignal mit der entsprechenden Differenzfrequenz Multiplikation zweier Sinusfunktionen entstehen Sinussignale mit der Differenz und der Summenfrequenz Summenfrequenz i.a. durch Frequenzfilterung eliminiert

20 Bestimmung des φ Azimuth Winkels Winkelwert in einem Radarsystem durch verschiedene Verfahren bestimmbar Scanning* Mehrstrahler* Beamforming *Quelle [1] 3D Ansicht der vier Einzelkeulen [19] Planarantenne mechanisch sehr schnell geschwenkt gesamter Azimut innerhalb Mess und Auswertezyklus (50 20ms) Radarkeule min 2 Hauptkeulenbreite (wenn Antenne nicht größer als 15cm) Messwerte diskreten Winkelposition zugeordnet Hinsichtlich Relativgeschwindigkeit schlechter, da Aufteilung der Messzeit bei gegebener Einzelstrahlbreite, ausgedehnter Messbereich Winkelauswertung durch Vergleich mit sensorspezifisch normierten Antennencharakteristik Im nichtflüchtigen Speicher abgelegt

21 Bestimmung des φ Azimuth Winkels Neuartige Nahbereichssysteme berechnen der Winkel zu einem Reflexionsobjekt auch in einem multistatischen Ansatz mit verteilten Einzelsensoren Triangulationsverfahren Grid of Evidence Quelle [4] Quelle [4]

22 Mehrzielfähigkeit Mehrzielfähigkeit nicht verzichtbar Trennfähigkeit mindestens einer Dimension notwendig In Praxis: möglichst kleines Zellvolumen Anhaltspunkte für Zellgrößen eines LRR kleiner PKW in 100m Entfernung Abstand von drei Zellen benötigt (Strahlenunschärfe) Quelle [1] Mehrzielfähigkeit allein auf Winkelbasis nicht möglich (Sensorgröße) auf Basis Abstand an Grenzen, wenn mehrere Objekte nah zusammen Relativgeschwindigkeit versagt bei stehenden Objekten 5m 4 Realsituation [14], ergänzt 70m

23 Grundsätzlicher Sensoraufbau Jedes Einzelradarsystem besteht normalerweise aus vier funktionalen Komponenten Antennensystem und HF Frontend Ablaufsteuerung/Überwachung/Kommunikation Zieldetektionsalgorithmen (Detektion oder auch Pre Processing) Zielverfolgungsalgorithmen und Situationsanalyse (Post Prozessing) Algorithmen in Software Quelle [1] Quelle [1]

24 Radar Signalverarbeitung Systemblockdiagramm Spektralanalyse per Fast Fourier Transformation (FFT), spielt in allen modernen ACC RADAR eine wichtige Rolle bei der Signalvorverarbeitung Systemblockdiagramm [14] Quelle [12] FMCW Basisband Spektrum mit 3 Zielen, Quelle [14] Hintergrundrauschen insbesondere aufgrund Bodenstörechos (Nebenkeulen)

25 Realisierung im Fahrzeug Quelle [15], ergänzt Informationsfluss über CAN/FlexRay Quelle [3]

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