WO2006045668A1 - Sensorsystem für kraftfahrzeuge mit fmcw-radar sensoren zur winkelaufgelösten entfernungsbestimmung eines objekts mittels triangulation - Google Patents

Sensorsystem für kraftfahrzeuge mit fmcw-radar sensoren zur winkelaufgelösten entfernungsbestimmung eines objekts mittels triangulation Download PDF

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signals
phase
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Klaus VOIGTLÄNDER
Hans Irion
Matthias Steinhauer
Wolfgang Menzel
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S2013/93271—Sensor installation details in the front of the vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a device for angular resolution
  • One way to increase the safety of a vehicle is to automatically detect obstacles in traffic. For this purpose, a determination of the distance of the vehicle to a possible obstacle is required, as well as a determination of the direction in which the obstacle is located.
  • the direction to the obstacle must be determined to distinguish between obstacles that are on the road or at the edge of the road.
  • One way to increase the comfort of the vehicle is to determine the speed of a preceding vehicle in dense traffic and automatically adjust the speed of your own vehicle. This requires the distance be determinable to the vehicle in front, its speed and whether this vehicle is on the same lane or offset to the own vehicle in a second lane. These are two possible uses for a radar system in the vehicle sector, another would be, inter alia, a parking aid. All of these methods require a device which allows the distance and
  • a primary source is provided for microwaves, the emission of which is focused by means of suitable optics onto a beam with a half-width of 3-4 ° and then by means of a deflection optics 3-4
  • the portions reflected by an object are detected separately with a detection device.
  • An amplitude comparison of the reflected components for the individual beams makes it possible to determine the direction in which the object is located.
  • the achievable angular resolution, as well as the covered angle range are disadvantageously determined by the mechanical structure and thus limit the range of application of the sensor.
  • Another method provides to determine from the phase of the reflected rays, the geometric arrangement of the object to a sensor array.
  • a sensor arrangement provides that a suitable transmitting device illuminates the entire desired viewing area and a plurality of receiving devices detect the signals reflected by the object. The receiving devices determine the phase of the individual reflected signals and a signal processing device calculates, based on these phase signals, the different path lengths that the reflected signals have covered and thus the geometric arrangement of the object to the vehicle.
  • a disadvantage of this arrangement is that a high output power of the transmitting device is required because for all receiving devices a part of the transmission signal must be provided for a receiving mixer and due to the strong attenuation of the frequencies used in the range of 76-81, 122-
  • Another sensor arrangement provides to use only one receiver device and to connect these temporally sequentially with a plurality of antenna devices.
  • the disadvantage of this device is that the duration for a measurement with all antenna devices due to the multiplexing process is too long for this device to be used for dynamic situations in traffic.
  • a further sensor arrangement provides for combining the receiving device with the transmitting device and for connecting the receiving device to a plurality of antenna devices in chronological succession.
  • This device also has the disadvantage of a too long measurement time.
  • the idea underlying the present invention is to arrange a plurality of sensor modules at intervals with each sensor module having a local oscillator device.
  • the oscillator device generates an oscillator signal, which is forwarded to a transceiver device, and the oscillator signal is radiated.
  • the transceiver is arranged to receive signals reflected from the object.
  • a phase detection device is coupled to an input with the oscillator device and with a second input to the transceiver. Based on the oscillator signal and the received reflected signals, the phase detection means determines a phase signal.
  • Signal processing device determines a direction of the object to the sensor module based on the distances between the sensor modules to each other and the phase signals.
  • the present invention has the advantage over the known approach that each sensor module has its own local oscillator device.
  • Distribution device for distributing the microwave signal from a central oscillator device to the individual sensor modules is therefore not required and thus the losses of the device are kept low.
  • the method according to the invention for an angle-resolved distance determination for an object using the device according to the invention provides that at least one of the transmitter / receiver devices of the sensor modules transmits the oscillator signal.
  • the reflected rays from the object are received by the transmitting / receiving device from a direction of the object.
  • a phase signal is determined, which in turn is the basis for determining the direction of the object to a sensor module by means of the control and signal processing means.
  • the distances of the sensor modules to each other are equidistant or in a further preferred embodiment, the distances are different in size. Equidistant distances have the advantage that a high signal to noise ratio can be achieved. By contrast, an arrangement with different sized spacings has the advantage that this reduces the number of ambiguities for the direction determination.
  • a co -imation device comprising a lens and / or a dielectric polyrod is arranged in the emission direction of one of the sensor modules.
  • a quasi-optical filter is arranged in the emission direction of one of the sensor modules, with which a suppression of ambiguities can be achieved from certain directions.
  • At least one of the phase detection devices has a controllable filter device with an adjustable filter characteristic.
  • At least one of the sensor modules has a controllable oscillator device with adjustable oscillator frequency.
  • the control and processing device is connected to at least one of the sensor modules in order to adjust the filter device and / or the oscillator frequency of the sensor module with control signals. This allows the
  • the phase detection device has a
  • the phase detection device is set up such that the phase signal can be determined by direct sampling of the received reflected signal.
  • the sensor modules are arranged along a line or flat.
  • the oscillator signals of two sensor modules are adjusted by means of the control and signal processing device such that they have different oscillator frequencies.
  • control and signal processing device changes the oscillator frequency of the oscillator module according to a
  • the oscillator frequency of the oscillator modules is changed according to the same frequency ramp after a time offset, wherein the time offset for the individual sensor modules is different. In this way, the individual
  • an FMCW (frequency modulated continuous wave) method for determining the distance of the object to the sensors can be made possible by the frequency ramp.
  • a filter characteristic of a filter device of the phase detection device of at least one of the sensor modules is set such that the phase detection device only determines phase signals which are based on the signals emitted by this sensor module. This allows parallel operation of the sensor modules with high angular resolution.
  • the phase detection device only detects phase signals which are based on signals radiated by a second sensor module.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a schematic side view of an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a second schematic side view of the embodiment from a second orthogonal direction
  • Figures 4a - 4d are schematic representations of four embodiments of a sensor module
  • Figure 6 is a schematic representation of a synchronization of two oscillator devices
  • Figure 7 is a schematic representation of a frequency characteristic
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an embodiment of a present invention in a side view.
  • a plurality of sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n are arranged on a support 1.
  • This carrier 1 may, for. B. attached to a surface on a front side of a vehicle.
  • the sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n are arranged along a spatial direction x with the distances di, d 2 .
  • the distances di, d 2 can be in the range of 1 mm to 4 cm.
  • the distances 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n between the transmission modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n and the object K are generally of different lengths.
  • the distances S 1 , S 2 , S 3 , S n take an angle a 1 , a 2 , a 3 , a n to the direction y, which also differ. From geometrical considerations it follows that the angles a 1 , a 2 , a 3 , a n can be unambiguously determined from the lengths of the distances S 1, S 2 , S 3 , S n and the distances d 1 , d 2 .
  • the angles a 1 , a 2 , a 3 , a n are also referred to as the direction of the object K to the sensor modules S 1 , S 2 , S 3 , S n .
  • each sensor module 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n transmits an oscillator signal having an oscillator frequency.
  • These oscillator signals are from the
  • each transmit module 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n only takes into account the reflected signal which emerges from an oscillator signal sent by these transmit modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n .
  • Sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n specific phase differences are dependent on the lengths of the distances S 1 , S 2 , S 3 , S n between the sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n and the object K.
  • the phase differences are fed as phase signals to a signal processor, which based on the differences of the phase signals, the length differences of the Distances S ⁇ S 2 , S 3 , S n and the angles a 1 , a 2 , a 3 , a n can determine.
  • a relative phase information of the individual oscillator signals of the various sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n to each other is not required, only the phase difference of the respective oscillator signal to the reflected signal must be determined by the respective sensor modules.
  • the angles can be determined by means of a Fourier transformation and / or adaptive methods such. For example, the so-called “minimum variance beamforming" can be determined, and corresponding methods are used for radar and sonar systems.
  • ambiguities arise, which inter alia depend on the distances di, d 2 .
  • d 2 of a wavelength of the oscillator signal results in an ambiguity for an angle a 1 , a 2 , a 3 , a n and the angle , which are 30 ° or smaller than the angle a 1 , a 2 , a 3 , a n .
  • the angular range in which an ambiguity results is smaller and, accordingly, more ambiguities arise within the observed angular range.
  • the distances di, d 2 are in the range of / 2 to 5, wherein the wavelength of the oscillator signal indicates.
  • the oscillator frequencies of the individual sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n may be different. At a minimum, in one embodiment they are chosen differently for each time. In this way, an assignment of the reflected signals to the individual sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n is possible.
  • a time-multiplexing method may be used in which the sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n transmit an oscillator signal offset in time from one another and receive the reflected signals.
  • a further embodiment of the present invention provides that not all sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n transmit an oscillator signal.
  • the sensor module 2 1 sends an oscillator signal, and the reflected components of the oscillator signal are received by the sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n .
  • Phase difference of the reflected signal, which receives the sensor module 2 2, to an oscillator signal of the sensor module 2 2 is determined by the fact that the oscillator signal of the sensor module is synchronized to 2 2 the oscillator signal of the sensor module 2. 1
  • the thus determined phase differences are transmitted from sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n as phase signals to a signal processing device and based on the differences of the phase signals, the lengths of the distances S 1 , S 2 , S 3 , S n and the angle a 1 , a 2 , a 3 , a n are determined.
  • the advantage of a single transmitter is that neither frequency nor time division multiplexing is needed. For two or more transmitting sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n corresponding multiplexing methods are to be used.
  • the sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n are arranged so that they do not all send an oscillator signal.
  • a second possibility of achieving only a single quasi-active is to set the oscillator frequency of the transmission module 2 1 to a first oscillator frequency and oscillator frequencies of the other
  • Sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n set to another or more other oscillator frequencies.
  • a filter device which can base only phase signals with the first oscillation frequency of the sensor module 2 1 . In this way, the phase signals based on the oscillator signals of the second sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n are suppressed.
  • Figure 2 shows a schematic side view of an embodiment of the present invention.
  • a support 1 which may be mounted on a vehicle, a plurality of sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n spaced with the distances di, d 2 are arranged.
  • a plurality of sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n spaced with the distances di, d 2 are arranged.
  • Polyrods 3 can be arranged.
  • the polyrod 3 are tapered dielectric rods that can be used as a co-ordinator.
  • the transmission and reception angle of the sensor module is limited to about ⁇ 20 °.
  • the signal processing device must be provided with corresponding calculation routines which take into account only angles within the transmission and reception angles.
  • an optical lens 5 for example a cylindrical lens, the signal intensity is increased in a desired angular range and thus enables an improvement of the signal-to-noise ratio. Further suppression of the ambiguities can be achieved by a so-called quasi-optical filter 6.
  • This quasi-optical filter 6 consists of a plurality of dielectric layers, which are arranged in the direction y to each other.
  • the quasi-optical filter 6 has a transmission characteristic, which depends on the frequency of the signal and the angle of incidence of the signal to the quasi-optical filter 6. This is used to transmit signals with an oscillation frequency from one direction and to suppress them from other directions.
  • the information about the filter characteristic is supplied to the signal processing for suppressing the ambiguities.
  • FIG. 3 shows a side view of the preceding embodiment from a second spatial direction.
  • An arrangement of the sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n can be done in one or more rows.
  • the sensor modules can be 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n individual integrated components, or can be produced together on the carrier 1 integrated.
  • FIGS. 4a-d Four embodiments of a sensor module 2 are shown in FIGS. 4a-d.
  • FIGS. 4a and 4b each show a heterodyne and 4c and 4d each a homodyne detection.
  • a local oscillator 21a is shown, which with a
  • the local oscillator 21a generates an oscillator signal having a frequency in the range of 76-81 GHz, 122-123 GHz (see above) or 126-145 GHz.
  • the local oscillator 21 may be arranged so that its oscillation frequency is adjustable.
  • the local oscillator 21a may include a phase-locked loop that allows synchronization of the oscillator signal with a low-frequency applied signal.
  • the oscillator device is connected via a path to a transceiver device 20.
  • the transmitting / receiving device 20 has an antenna device. The transmitting / receiving device can be unlocked and then sends the oscillator signal 110 via the antenna device. About the Transceiver, a reflected signal 111 can be received.
  • Phase detection means 30, a second local oscillator 21 b whose oscillator signal is mixed with the oscillator signal 110 of the local oscillator 21a and the reflected signal 111 by means of two mixers 25a and 25b.
  • the two signals mixed in this way are supplied to a third mixer 24, thus demultipulating the reflected signal 111 with the oscillator signal.
  • the mixer 24 may be a push-pull mixer.
  • the demixed signal 112 includes a phase signal 100 that depends on the phase difference of the oscillator signal 110 and the reflected signal.
  • a filter device 27 is connected downstream of the mixer 24 in order to filter out higher-frequency components of the demixed signal 112.
  • the filter device 27 may have an adjustable filter characteristic. The filter characteristic of the filter
  • the filter characteristic of the filter 27 can have a correspondingly broad filter band.
  • the filter characteristic is adjusted so that only reflected signals 111 are taken into account in the phase signal, which have the same frequency as the oscillator signal of a primary or central sensor module 2 1 .
  • the coupling device 24b is replaced by a circulator device 26.
  • FIGS. 4c and 4d show a homodyne detection device.
  • Phase detection device 30 has in both cases only one mixing device 24.
  • the mixer 24 is supplied with portions of the oscillator signal 110 and the reflected signal 111 via two coupling means 23a and 23b.
  • the demixed by the mixer 24 signal 112 is as before a Filter device 27 is supplied to determine the phase signal 100.
  • the coupling device 23 b is replaced by a circulator device 26.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the signal routing of an embodiment of the present invention.
  • the sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n each give their
  • Phase signals 100 1 , 100 2 , 100 3 , 100 n off.
  • the phase signals 100 1 , 100 2 , 100 3 , 100 n are respectively determined and output in parallel in the described frequency-division multiplexing method or in a time-multiplexing method.
  • the phase signals 100 1 , 100 2 , 100 3 , 100 n are fed to a conversion device 8.
  • the conversion device 8 has an analog-to-digital converter. The digitized
  • Phase signals 100 1 , 100 2 , 100 3 , 100 n are supplied to a signal processing and control device 10.
  • This signal processing and control device 10 determines, based on the digitized phase signals 100 1 , 100 2 , 100 3 , 100 n, the lengths of the distances S 1 , S 2 , S 3 , S n and the angles a 1 , a 2 , a 3 , a n .
  • the signal processing and control device via control signals 102 1 ,
  • control signals can be provided which enable the transceiver modules 20 so that the transceivers 20 send the oscillator signal 110.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a synchronization of two oscillator devices.
  • An oscillator device 21 of a first sensor module 2 1 is connected to a first phase-locked loop 29 1 .
  • an oscillator device 21 2 is connected to a second phase-locked loop 29 2 .
  • the phase-locked loops 29 1 and 29 2 are equipped with a low-frequency oscillator device
  • the signal processing device interprets this erroneously as an angle between the signal paths S 1 , S 2 , S 3 , S n . Since the phase difference is proportional to the product of the oscillator frequency and the length of the signal path S 1 , S 2 , S 3 , S n , the errors in the angle determination increase with increasing oscillator frequency and increasing distance of the object K.
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the present invention which provides for changing the oscillator frequency w according to the illustrated frequency curve over time t.
  • the frequency is changed according to one or more frequency ramps 201, 202, 203, 204 with different slope.
  • the duration of a ramp is T.
  • a modulation method which uses the frequency characteristic shown in FIG. 7 is the continuous-wave frequency modulation method (FMCW). This
  • Frequency modulation method is suitable for use in vehicles due to its ease of implementation.
  • the various slopes of the ramps 201, 202, 203, 204 make it possible to distinguish the contribution of the length of the signal path S 1 , S 2 , S 3 , S n and a Doppler shift by a moving object K to the determined phase difference.
  • FIG. 8 shows the profile of the oscillator frequency for the oscillator signals of the individual sensor modules 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 n . These change their oscillation frequency w in accordance with the frequency characteristic of FIG. 7, but the frequency characteristics are carried out with a short time offset dt to one another. Thus, at one time all frequencies are the
  • Sensor module 2 different and have at least the frequency difference dw on.
  • the phase signals which are each time offset by dt can be used to evaluate the phase signals.
  • An error results in the determination of the angle characterized in that the vehicle and / or the object K moves within the time span dt and thus within this period corresponding to the angle a 1 , a 2 , a 3 , a n and the signal paths S 1 , S 2 , S 3 , S n change.
  • the time difference dt is significantly less than the duration T to choose a ramp.
  • the modulation speed is so fast that within a period the vehicle moves only slightly and thus the errors in the angle determination remain very small.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Mehrzahl an Sensormodulen 2, 21,22, 23, 2n, welche in Abständen d1, d2 zueinander angeordnet sind, wobei jedes Sensormodul 2, 21,22, 23, 2n eine lokale Oszillatoreinrichtung aufweist. Die Oszillatoreinrichtung generiert ein Oszillatorsignal, welches an eine Sendeempfangseinrichtung weitergeleitet wird, und das Oszillatorsignal abgestrahlt wird. Die Sende-/Empfangseinrichtung ist derart eingerichtet, dass sie von dem Objekt reflektierte Signale empfangen kann. Eine Phasendetektionseinrichtung ist mit einem Eingang mit der Oszillatoreinrichtung und mit einem zweiten Eingang mit der Sende- /Empfangseinrichtung verkoppelt. Basierend auf dem Oszillatorsignal und den empfangen reflektierten Signalen bestimmt die Phasendetektionseinrichtung ein Phasensignal. Eine Steuer- und Signalverarbeitungseinrichtung bestimmt basierend auf den Abständen der Sensormodule zueinander und den Phasensignalen eine Richtung a1, a2, a3, an des Objekts zu dem Sensormodul.

Description

SENSORSYSTEM FÜR KRAFTFAHRZEUGE MIT FMCW-RADAR SENSOREN ZUR WINKELAUFGELÖSTEN ENTFERNUNGSBESTIMMUNG EINES OBJEKTS MITTELS TRIANGULATION
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine winkelaufgelöste
Entfernungs- und Geschwindigkeitsbestimmung eines Objekts und ein Verfahren zur winkelaufgelösten Entfernungs- und Geschwindigkeitsbestimmung und der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf Radarsysteme in Fahrzeugen beschrieben wird, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt.
Die Sicherheit und den Komfort von Fahrzeugen zu steigern ist eines der vorrangigen Ziele der Automobilindustrie. Eine Möglichkeit die Sicherheit eines Fahrzeuges zu erhöhen, besteht darin Hindernisse im Straßenverkehr automatisch zu erkennen. Hierzu ist eine Entfernungsbestimmung des Fahrzeuges zu einem möglichen Hindernis erforderlich, wie auch eine Bestimmung der Richtung, in welcher sich das Hindernis befindet. Hierbei muss unter anderem die Richtung zum dem Hindernis bestimmt werden, um zwischen Hindernissen zu unterscheiden, welche sich auf der Fahrbahn oder am Rand der Fahrbahn befinden.
Eine Möglichkeit den Komfort des Fahrzeugs zu erhöhen besteht darin, in dichtem Verkehr die Geschwindigkeit eines vorausfahrenden Fahrzeuges zu bestimmen und die Geschwindigkeit des eigenen Fahrzeugs automatisch anzupassen. Dazu muss der Abstand zu dem vorausfahrenden Fahrzeug bestimmbar sein, dessen Geschwindigkeit und ob sich dieses Fahrzeug auf der selben Fahrzeugspur oder versetzt zu dem eigenen Fahrzeug auf einer zweiten Fahrspur befindet. Dies sind zwei mögliche Verwendungen für ein Radarsystem im Fahrzeugbereich, ein weiteres wäre unter anderem eine Einparkhilfe. All diese Verfahren benötigen eine Vorrichtung, welcher ermöglicht, den Abstand und
Richtung eines Objekts bezogen auf das Fahrzeug zu bestimmen.
In einem herkömmlichen Verfahren wird eine Primärquelle für Mikrowellen bereitgestellt, deren Emission mit Hilfe einer geeigneten Optik auf einen Strahl mit einer Halbwertsbreite von 3-4° gebündelt wird und dann mittels einer Umlenkoptik daraus 3-4
Strahlen bildet, welche zusammen einen relativ schmalen Winkelbereich von 8-16° abdecken. Für jeden einzelnen dieser Strahlen wird getrennt die von einem Objekt reflektierten Anteile mit einer Erfassungseinrichtung erfasst. Ein Amplitudenvergleich der reflektierten Anteile für die einzelnen Strahlen ermöglicht einer Bestimmung der Richtung, in welcher das Objekt sich befindet. Die erreichbare Winkelauflösung, sowie der abgedeckte Winkelbereich sind nachteiligerweise durch den mechanischen Aufbau festgelegt und beschränken somit den Einsatzbereich des Sensors.
Ein weiteres Verfahren sieht vor aus der Phase der reflektierten Strahlen die geometrische Anordnung des Objekts zu einer Sensoranordnung zu bestimmen. Eine Sensoranordnung sieht vor, dass eine geeignete Sendeeinrichtung den gesamten gewünschten Beobachtungsbereich ausleuchtet und eine Mehrzahl von Empfangseinrichtungen die vom Objekt reflektierten Signale erfassen. Die Empfangs-einrichtungen bestimmen die Phase der einzelnen reflektierten Signale und eine Signalverarbeitungseinrichtung berechnet basierend auf diesen Phasensignalen die unterschiedlichen Weglängen, welche die reflektierten Signale zurückgelegt haben und damit die geometrische Anordnung des Objekts zu dem Fahrzeug. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass eine hohe Ausgangsleistung der Sendeeinrichtung benötigt wird, da für alle Empfangseinrichtungen ein Teil des Sendesignals für einen Empfangsmischer bereitgestellt werden muss und sich aufgrund der starken Dämpfung der verwendeten Frequenzen im Bereich von 76-81 , 122-
123 oder 126- 150 GHz (oder höher) hohe Verluste in den erforderlichen Verteilernetzwerken ergeben. Eine weitere Sensoranordnung sieht vor, nur eine Empfängereinrichtung zu verwenden und diese zeitlich sequenziell mit einer Mehrzahl von Antenneneinrichtungen zu verbinden. Der Nachteil dieser Vorrichtung ist, dass die Dauer für eine Messung mit allen Antenneneinrichtungen aufgrund des Multiplexverfahrens zu lange ist, als dass diese Vorrichtung für dynamische Situationen im Straßenverkehr verwendet werden kann.
Eine weitere Sensoranordnung sieht vor, die Empfangseinrichtung mit der Sendeeinrichtung zu kombinieren und diese zeitlich aufeinanderfolgend mit einer Mehrzahl von Antenneneinrichtungen zu verbinden. Diese Vorrichtung weist ebenfalls den Nachteil einer zu langen Messdauer auf.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche kurze Messdauern ermöglichen und geringe Leistungsverluste aufweisen und die ohne eine der Sende- und Empfangseinrichtungen auf Hochfrequenzebene (77/122/140 GHz siehe oben) auskommt.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur winkelaufgelösten Entfernungsbestimmung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Verfahren zur winkelaufgelösten Bestimmung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, eine Mehrzahl an Sensormodulen in Abständen zueinander anzuordnen, wobei jedes Sensormodul eine lokale Oszillatoreinrichtung aufweist. Die Oszillatoreinrichtung generiert ein Oszillatorsignal, welches an eine Sendeempfangseinrichtung weitergeleitet wird, und das Oszillatorsignal abgestrahlt wird. Die Sende-/Empfangseinrichtung ist derart eingerichtet, dass sie von dem Objekt reflektierte Signale empfangen kann. Eine Phasendetektionseinrichtung ist mit einem Eingang mit der Oszillatoreinrichtung und mit einem zweiten Eingang mit der Sende-/Empfangseinrichtung verkoppelt. Basierend auf dem Oszillatorsignal und den empfangenen reflektierten Signalen bestimmt die Phasendetektionseinrichtung ein Phasensignal. Eine Steuer- und - A -
Signalverarbeitungseinrichtung bestimmt basierend auf den Abständen der Sensormodule zueinander und den Phasensignalen eine Richtung des Objekts zu dem Sensormodul.
Die vorliegende Erfindung weist gegenüber dem bekannten Lösungsansatz den Vorteil auf, dass jedes Sensormodul eine eigene lokale Oszillatoreinrichtung aufweist. Eine
Verteilungseinrichtung zum Verteilen des Mikrowellensignals von einer zentralen Oszillatoreinrichtung zu den einzelnen Sensormodulen wird daher nicht benötigt und damit werden die Verluste der Vorrichtung gering gehalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren für ein winkelaufgelöste Entfernungsbestimmung für ein Objekt unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass mindestens eine der Sende-/Empfangseinrichtungen der Sensormodule das Oszillatorsignal sendet. Die von dem Objekt reflektierten Strahlen werden mittels der Sende-/Empfangseinrichtung aus einer Richtung des Objekts empfangen. Basierend auf den empfangenen reflektierten Signalen und dem Oszillatorsignal wird ein Phasensignal bestimmt, welches wiederum die Grundlage für die Bestimmung der Richtung des Objekts zu einem Sensormodul mittels der Steuer- und Signalverarbeitungseinrichtung ist.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Vorrichtung, sowie des im Patentanspruch 15 angegebenen Verfahrens.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die Abstände der Sensormodule zueinander äquidistant oder in einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Abstände unterschiedlich groß. Äquidistante Abstände weisen den Vorteil auf, dass ein hohes Signal zu Rausch Verhältnis erreichbar ist. Hingegen weist eine Anordnung mit unterschiedlich großen Abständen den Vorteil auf, dass dadurch die Zahl der Mehrdeutigkeiten für die Richtungsbestimmung reduzierbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist in Abstrahlrichtung eines der Sensormodule eine Kolimationseinrichtung aus einer Linse und/oder einem dielektrischen Polyrod angeordnet. Diese Kolimationseinrichtungen ermöglichen eine Signalerhöhung der gesendeten Oszillatorsignale, sowie der empfangenen reflektierten Signale in oder aus gewünschten Richtungen.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist in Abstrahlrichtung eines der Sensormodule ein quasi optischer Filter angeordnet, womit sich eine Unterdrückung von Mehrdeutigkeiten aus bestimmten Richtungen erreichen lässt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist mindestens eine der Phasendetektionseinrichtung eine steuerbaren Filtereinrichtung mit einer einstellbaren Filtercharakteristik auf. Eine weitere bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass mindestens eines der Sensormodule eine steuerbaren Oszillatoreinrichtung mit einstellbarer Oszillatorfrequenz aufweist. Eine besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung mit mindestens einem der Sensormodule verbunden ist, um mit Steuersignalen die Filtereinrichtung und/oder die Oszillatorfrequenz des Sensormoduls einzustellen. Dies ermöglicht die
Oszillatorfrequenzen der einzelnen Sensormodule auf getrennte Frequenzen einzustellen und über die Filtercharakteristiken nur die Phasensignale zu bestimmen, deren zugeordneten reflektierten Signale von einem bestimmten Sensormodul emittiert wurden. Hierbei ist es von besonderem Interesse, dass die einzelnen Sensormodulen mit verschieden Frequenzen senden und nur die reflektierten Signale in den Phasensignalen berücksichtigen, welche die gleiche Frequenz wie das Oszillatorsignals des jeweiligen Sensormoduls aufweist. Auf diese Weise kann ein Multiplex- Verfahren im Frequenzbereich realisiert werden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist die Phasendetektionseinrichtung einen
Mischer zum Entmischen des empfangenen reflektierten Signals auf.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist die Phasendetektionseinrichtung derart eingerichtet, dass das Phasensignal mittels direkter Abtastung des empfangenen reflektierten Signals bestimmbar ist.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung sind mindestens zwei Oszillatoreinrichtungen nicht zueinander synchronisiert. Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist eine Synchronisationseinrichtung vorgesehen, mit welcher mindestens zwei Oszillatoreinrichtungen synchronisierbar sind. Zusätzlich können die Oszillatoreinrichtungen eine Phasenregelschleife aufweisen. Dies ermöglicht die Oszillatoreinrichtung mit Hilfe eines niederfrequenten Signals zueinander zu synchronisieren.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung sind die Sensormodule entlang einer Linie oder flächig angeordnet.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung werden die Oszillatorsignale zweier Sensormodule derart mittels der Steuer- und Signalverarbeitungseinrichtung eingestellt, dass sie unterschiedliche Oszillatorfrequenzen aufweisen.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ändert die Steuer- und Signalverarbeitungseinrichtung die Oszillatorfrequenz des Oszillatormoduls gemäß einer
Frequenzrampe über die Zeit.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird die Oszillatorfrequenz der Oszillatormodule gemäß der selben Frequenzrampe nach einem Zeitversatz geändert, wobei der Zeitversatz für die einzelnen Sensormodule verschieden ist. Auf diese Weise sind die einzelnen
Oszillatorfrequenzen der Sensormodule zu jedem Zeitpunkt verschieden. Zugleich lässt sich durch die Frequenzrampe ein FMCW- Verfahren (Frequenzmoduliertes Dauerstrichverfahren) zur Bestimmung der Entfernung des Objekts zu den Sensoren ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird eine Filtercharakteristik einer Filtereinrichtung der Phasendetektionseinrichtung von mindestens einem der Sensormodule derart eingestellt, dass die Phasendetektionseinrichtung nur Phasensignale bestimmt, welche auf den von diesem Sensormodul abgestrahlten Signale basieren. Dies ermöglicht einen parallelen Betrieb der Sensormodule mit hoher Winkelauflösung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfasst die Phasendetektiveinrichtung nur Phasensignale, welche auf von einem zweiten Sensormodul abgestrahlten Signalen basieren. Dabei ergibt sich zwar eine geringere Winkelauflösung ab in der zuvor genannten Weiterbildung, dafür aber geringere Probleme mit Mehrdeutigkeiten von verschiedenen Richtungen.
ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung, sowie vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Figuren der Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Figur 3 eine zweite schematische Seitenansicht des Ausführungsbeispiels aus einer zweiten orthogonalen Richtung;
Figuren 4a - 4d schematische Darstellungen von vier Ausführungsformen eines Sensormoduls;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Verschaltung einer Ausführungsform;
Figur 6 eine schematische Darstellung einer Synchronisation zweier Oszillatoreinrichtungen;
Figur 7 eine schematische Darstellung eines Frequenzverlaufs; und
Figur 8 eine schematischen Darstellung eines Frequenzverlaufs einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts gegenteiliges angegeben ist.
In Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer vorliegenden Erfindung in einer Seitenansicht dargestellt. Auf einem Träger 1 sind eine Mehrzahl von Sensormodulen 21, 22, 23, 2n angeordnet. Dieser Träger 1 kann z. B. an einer Oberfläche an einer Frontseite eines Fahrzeuges angebracht sein. In der dargestellten Ausführungsform sind die Sensormodule 21, 22, 23, 2n entlang einer Raumrichtung x mit den Abständen di, d2 angeordnet. Die Abstände di, d2 können im Bereich von 1 mm bis 4cm liegen.
In einer zur Richtung x orthogonalen Raumrichtung y z. B. in Fahrtrichtung des Fahrzeuges, befindet sich ein Objekt K mit dem Objektabstand D zu den Sensormodulen
2\ 22, 23, 2n. Die Wegstrecken 21, 22, 23, 2n zwischen den Sendemodulen 21, 22, 23, 2n und dem Objekt K sind im Allgemeinen unterschiedlich lang. Die Wegstrecken S1, S2, S3, Sn nehmen zu der Richtung y einen Winkel a1, a2, a3, an ein, welche sich ebenfalls unterscheiden. Aus geometrischen Überlegungen ergibt sich, dass die Winkel a1, a2, a3, an aus den Längen der Wegstrecken S^ S2, S3, Sn und den Abständen di, d2 eindeutig bestimmbar sind. Nachfolgend werden die Winkel a1, a2, a3, an auch als Richtung des Objekts K zu den Sensormodulen S1, S2, S3, Sn bezeichnet.
In der beschriebenen Ausführungsform sendet jedes Sensormodul 21, 22, 23, 2n ein Oszillatorsignal mit einer Oszillatorfrequenz. Diese Oszillatorsignale werden von dem
Objekt K zum Teil wieder zu den Sensormodulen 21, 22, 23, 2n reflektiert. Die Sensormodule 21, 22, 23, 2n sind derart eingerichtet, dass sie die Phasendifferenz des reflektierten Signals zu dem Oszillatorsignal bestimmen könne. Dabei berücksichtigt jedes Sendemodul 21, 22, 23, 2n nur jeweils das reflektierte Signal, welches aus einem von diesen Sendemodulen 21, 22, 23, 2n gesendeten Oszillatorsignal hervorgeht. Die durch die
Sensormodule 21, 22, 23, 2n bestimmten Phasendifferenzen sind abhängig von den Längen der Wegstrecken S1, S2, S3, Sn zwischen den Sensormodulen 21, 22, 23, 2n und dem Objekt K. Die Phasendifferenzen werden als Phasensignale einer Signalverarbeitung zugeführt, welche basierend auf den Differenzen der Phasensignale die Längenunterschiede der Wegstrecken S^ S2, S3, Sn und die Winkel a1, a2, a3, an bestimmen kann. Eine relative Phaseninformation der einzelnen Oszillatorsignale der verschiedenen Sensormodule 21, 22, 23, 2n zueinander wird nicht benötigt, einzig die Phasendifferenz des jeweiligen Oszillatorsignals zu dem reflektieren Signal muss von den jeweiligen Sensormodulen bestimmt werden. Die Winkel können mit Hilfe einer Fouriertransformation und/oder adaptiven Verfahren wie z. B. dem sog. „Minimum Variance Beamforming" bestimmt werden. Entsprechende Verfahren werden für Radar- und Sonarsysteme verwendet.
Bei der Bestimmung des Objekts K und der Richtung a1, a2, a3, an des Objekts K ergeben sich Mehrdeutigkeiten, welche u.a. von den Abständen di, d2 abhängen. Bei einer äquidistanten Anordnung der Sensormodule 21, 22, 23, 2n mit einem Abstand di, d2 von einer Wellenlänge des Oszillatorsignals ergibt sich eine Mehrdeutigkeit für einen Winkel a1, a2, a3, an und die Winkel, welche um 30° bzw. kleiner als der Winkel a1, a2, a3, an sind. Mit zunehmendem Abstand di, d2 der Sensormodule 21, 22, 23, 2n wird der Winkelbereich, in dem sich eine Mehrdeutigkeit ergibt kleiner und dementsprechend ergeben sich mehr Mehrdeutigkeiten innerhalb des beobachteten Winkelbereichs. Die Abstände di, d2 liegen im Bereich von /2 bis 5 , wobei die Wellenlänge des Oszillatorsignals angibt.
Bei einer Anordnung der Sensormodule 21, 22, 23, 2n mit verschieden großen Abständen reduzieren sich die Mehrdeutigkeiten. Allerdings ergibt sich bei dieser Anordnung eine stärkere Überlagerung der reflektierten Signale von Objekten, die gleiche Entfernung und Geschwindigkeit aufweisen und sich nur im Winkel unterscheiden. Dadurch können schwächere Objekte durch stärkere Objekte maskiert
Die Oszillatorfrequenzen der einzelnen Sensormodulen 21, 22, 23, 2n können verschieden sein. Zumindest werden sie in einer Ausführungsform für jeden Zeitpunkt verschieden gewählt. Auf diese Weise ist eine Zuordnung der reflektierten Signale zu den einzelnen Sensormodulen 21, 22, 23, 2n möglich. Alternativ kann auch ein Zeit-Multiplexverfahren verwendet werden, bei welchem die Sensormodule 21, 22, 23, 2n zeitlich versetzt zueinander ein Oszillatorsignal senden und die reflektierten Signale empfangen. Ebenso ist eine Kombination der beiden Multiplexverfahren denkbar, um einerseits den Vorteil des parallelen Senden und Empfangene mithilfe des Frequenz-Multiplex- Verfahrens zu nützen und andererseits nur eine begrenzte Anzahl an Sendefrequenzen zu benötigen. Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass nicht alle Sensormodule 21, 22, 23, 2n ein Oszillatorsignal senden. Beispielhafterweise sendet nur das Sensormodul 21 ein Oszillatorsignal, und die reflektierten Anteile des Oszillatorsignals werden von den Sensormodulen 21, 22, 23, 2n empfangen. Die
Phasendifferenz des reflektierten Signals, welches das Sensormodul 22 empfängt, zu einem Oszillatorsignal des Sensormoduls 22 wird dadurch festgelegt, dass das Oszillatorsignal des Sensormoduls 22 zu dem Oszillatorsignal des Sensormoduls 21 synchronisiert wird. Die so bestimmten Phasendifferenzen werden von Sensormodulen 21, 22, 23, 2n als Phasensignale an eine Signalverarbeitungseinrichtung übermittelt und basierend auf den Unterschieden der Phasensignale die Längen der Wegstrecken S1, S2, S3, Sn und die Winkel a1, a2, a3, an bestimmt werden. Der Vorteil eines einzelnen Senders liegt darin, dass weder ein Frequenz- noch ein Zeitmultiplexverfahren benötigt wird. Bei zwei oder mehr sendenden Sensormodulen 21, 22, 23, 2n sind entsprechende Multiplexverfahren zu verwenden.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform werden die Sensormodule 21, 22, 23, 2n so eingerichtet, dass sie nicht alle ein Oszillatorsignal senden. Eine zweite Möglichkeit, nur einen einzelnen quasiaktiven zu erreichen, ist, die Oszillatorfrequenz des Sendemoduls 21 auf eine erste Oszillatorfrequenz einzustellen und Oszillatorfrequenzen der anderen
Sensormodule 21, 22, 23, 2n auf eine andere oder mehrere andere Oszillatorfrequenzen einzustellen. In den Sensormodulen 21, 22, 23, 2n ist eine Filtereinrichtung vorzusehen, welche nur Phasensignale mit der ersten Oszillationsfrequenz des Sensormoduls 21 basieren lässt. Auf diese Weise werden die Phasensignale, welche auf den Oszillatorsignalen der zweiten Sensormodule 21, 22, 23, 2n basieren, unterdrückt.
Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Auf einem Träger 1, welcher an einem Fahrzeug angebracht sein kann, sind eine Mehrzahl an Sensormodulen 21, 22, 23, 2n beabstandet mit den Abständen di, d2 angeordnet. Optional können oberhalb der Sensormodule 21, 22, 23, 2n dielektrische
Polyrods 3 angeordnet sein. Die Polyrod 3 sind kegelförmige dielektrische Stäbe, welche als Kolimationseinrichtung verwendet werden können. Durch ein Polyrod 3 mit einer Länge von 3 λ wird der Sende- und Empfangswinkel des Sensormoduls auf etwa ± 20° eingeschränkt. Vorteilhafterweise lassen sich so Mehrdeutigkeiten der Winkelbestimmung verringern, wenn Mehrdeutigkeiten erst bei Winkeln auftreten, welche größer als ± 20° sind. Dazu sind der Signalverarbeitungseinrichtung entsprechende Berechnungsroutinen bereitzustellen, welche nur Winkel innerhalb des Sende- und Empfangswinkels berücksichtigen. Durch eine optische Linse 5, z.B. einer zylindrischen Linse, wird die Signalintensität in einem erwünschten Winkelbereich erhöht und somit einer Verbesserung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses ermöglicht. Eine weitere Unterdrückung der Mehrdeutigkeiten kann durch ein sog. quasioptisches Filter 6 erreicht werden. Dieser quasioptische Filter 6 besteht aus mehreren dielektrischen Schichten, welche in Richtung y aufeinander angeordnet sind. Der quasioptische Filter 6 weist eine Transmissionscharakteristik auf, welche von der Frequenz des Signals und dem Einfallswinkel des Signals zu dem quasioptischen Filter 6 abhängt. Dies wird genutzt, um Signale mit einer Oszillationsfrequenz aus einer Richtung transmittieren zu lassen und aus anderen Richtungen zu unterdrücken. Die Information über die Filtercharakteristik wird der Signalverarbeitung zur Unterdrückung der Mehrdeutigkeiten zugeführt.
In Figur 3 ist eine Seitenansicht der vorhergehenden Ausführungsform aus einer zweiten Raumrichtung dargestellt. Eine Anordnung der Sensormodule 21, 22, 23, 2n kann in einer oder mehreren Reihen erfolgen. Die Sensormodule können 21, 22, 23, 2n einzelne integrierte Bauelemente sein, oder zusammen auf dem Träger 1 integriert hergestellt werden.
In den Figuren 4a-d sind vier Ausführungsformen eines Sensormoduls 2 dargestellt. Die Figuren 4a und 4b zeigen jeweils eine Heterodyn- und 4c und 4d jeweils eine Homodyn- Detektion. In Figur 4a ist ein lokaler Oszillator 21a dargestellt, welcher mit einer
Sendeeinrichtung 20 verbunden ist. Der lokale Oszillator 21a erzeugt ein Oszillatorsignal mit einer Frequenz im Bereich von 76-81 GHz, 122-123 GHz (siehe oben) oder 126-145 GHz. Der lokale Oszillator 21 kann so eingerichtet sein, dass seine Oszillationsfrequenz einstellbar ist. Außerdem kann der lokale Oszillator 21a eine Phasenregelschleife aufweisen, welche eine Synchronisation des Oszillatorsignals mit einem niederfrequenten zugeführten Signal ermöglicht. Die Oszillatoreinrichtung ist über einen Pfad mit einer Sende-/Empfangseinrichtung 20 verbunden. Die Sende-/Empfangseinrichtung 20 weist eine Antenneneinrichtung auf. Die Sende-/Empfangseinrichtung kann freigeschaltet werden und sendet dann das Oszillatorsignal 110 über die Antenneneinrichtung. Über die Sende-/Empfangseinrichtung kann ein reflektiertes Signal 111 empfangen werden. Über eine Kopplungseinrichtung 23a an dem lokalen Oszillator 21a und einer Kopplungseinrichtung 23b, welche in der Nähe der Sende-/Empfangseinrichtung angeordnet ist, werden das Oszillatorsignal 110 und das reflektierte Signal 111 einer Phasendetektionseinrichtung 30 zugeführt. In Figur 4a weist die
Phasendetektionseinrichtung 30 einen zweiten lokalen Oszillator 21 b auf, dessen Oszillatorsignal dem Oszillatorsignal 110 des lokalen Oszillators 21a und dem reflektierten Signal 111 mithilfe zweier Mischer 25a und 25b zugemischt wird. Die beiden auf diese Weise gemischten Signale werden einem dritten Mischer 24 zugeführt, und so das reflektierte Signal 111 mit dem Oszillatorsignal entmischt. Der Mischer 24 kann ein Gegentaktmischer sein. Das entmischte Signal 112 beinhaltet ein Phasensignal 100, welches von der Phasendifferenz des Oszillatorsignals 110 und des reflektierten Signals abhängt. Eine Filtereinrichtung 27 ist dem Mischer 24 nachgeschaltet, um höherfrequente Anteile des entmischten Signals 112 auszufiltern. Die Filtereinrichtung 27 kann eine einstellbare Filtercharakteristik aufweisen. Die Filtercharakteristik des Filters
27 wird derart eingestellt, dass nur reflektierte Signale 111 im Phasensignal 100 berücksichtigt werden, welche nahezu dieselbe Frequenz wie das Oszillatorsignal aufweisen. Bei einem Frequenzmultiplex- Verfahren bestimmt somit das Sensormodul 2 nur Phasensignale 100, welche mit dem von ihm gesendeten Oszillatorsignal 110 korrespondieren. Damit reflektierte Signale 111 in dem Phasensignal 100 berücksichtigt werden, welche aufgrund einer Dopplerverschiebung eine geänderte Frequenz bezüglich des Oszillatorsignals 110 aufweisen, kann die Filtercharakteristik des Filters 27 ein entsprechend breites Filterband aufweisen. In einem anderen Verfahren wird die Filtercharakteristik so eingestellt, dass nur reflektierte Signale 111 im Phasensignal berücksichtigt werden, welche dieselbe Frequenz wie das Oszillatorsignal eines primären oder zentralen Sensormoduls 21 aufweisen.
In Figur 4b ist die Kopplungseinrichtung 24b durch eine Zirkulatoreinrichtung 26 ersetzt.
Die Figuren 4c und 4d zeigen eine Homodyndetektionseinrichtung. Die
Phasendetektionseinrichtung 30 weist in beiden Fällen nur noch eine Mischeinrichtung 24 auf. Der Mischeinrichtung 24 werden Anteile des Oszillatorsignals 110 und des reflektierten Signals 111 über zwei Kopplungseinrichtungen 23a und 23b zugeführt. Das durch die Mischeinrichtung 24 entmischte Signal 112 wird wie zuvor einer Filtereinrichtung 27 zugeführt, um das Phasensignal 100 zu bestimmen. In Figur 4d ist die Kopplungseinrichtung 23b durch eine Zirkulatoreinrichtung 26 ersetzt.
In Figur 5 ist eine schematische Darstellung der Signalführung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Sensormodule 21, 22, 23, 2n geben jeweils ihre
Phasensignale 1001, 1002, 1003, 100n aus. Die Phasensignale 1001, 1002, 1003, 100n werden entsprechend parallel bei dem beschriebenen Frequenz-Multiplex- Verfahren bzw. aufeinanderfolgend bei einem Zeit-Multiplex- Verfahren bestimmt und ausgegeben. Die Phasensignale 1001, 1002, 1003, 100n werden einer Wandlungseinrichtung 8 zugeführt. Die Wandlungseinrichtung 8 weist einen Analog-Digital- Wandler auf. Die digitalisierten
Phasensignale 1001, 1002, 1003, 100n werden einer Signalverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung 10 zugeführt. Diese Signalverarbeitungs- und Steuerungseinrichtung 10 bestimmt basierend auf den digitalisierten Phasensignalen 1001, 1002, 1003, 100n die Längen der Wegstrecken S1, S2, S3, Sn und die Winkel a1, a2, a3, an. Zudem kann die Signalverarbeitungs- und Steuereinrichtung über Steuersignale 1021,
1022, 1023, 102n die Oszillatorfrequenzen der einzelnen Sensormodule 21, 22, 23, 2n und die Filtercharakteristiken der Sensormodule verändern. Außerdem können Steuersignale vorgesehen sein, welche die Sende-Empfangsmodule 20 freischalten, sodass die Sende- /Empfangseinrichtungen 20 das Oszillatorsignal 110 senden.
In Figur 6 ist eine schematische Darstellung einer Synchronisation zweier Oszillatoreinrichtungen dargestellt. Eine Oszillatoreinrichtung 21 eines ersten Sensormoduls 21 ist mit einer ersten Phasenregelschleife 291 verbunden. Analog ist eine Oszillatoreinrichtung 212 mit einer zweiten Phasenregelschleife 292 verbunden. Die Phasenregelschleifen 291 und 292 sind mit einer niederfrequenten Oszillatoreinrichtung
50 verbunden. Diese generiert ein Oszillatorsignal, welches sich mit geringen Verlusten verteilen lässt. Mittels der beiden Phasenregelschleifen 291 und 292 wird eine phasenstarre Anbindung der Oszillatorsignale der beiden Oszillatoreinrichtungen 21 ! und 212 an die niederfrequente Oszillatoreinrichtung 50 erreicht. Der Vorteil gegenüber einer Verteilung des hochfrequenten Oszillatorsignals mit der Oszillatorfrequenz w durch eine zentrale Oszillatoreinrichtung, liegt in den geringeren Verlusten.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde darauf hingewiesen, dass eine Entkopplung der Sensormodule 21, 22, 23, 2n bei mehreren freigeschalteten Sende- /Empfangseinrichtungen 2 verwendet wird und dies mit einem Frequenz-Multiplex- Verfahren erreicht werden kann. Der Vorteil des Frequenz-Multiplex- Verfahrens ist, dass die Sende-/Empfangseinrichtungen 2 gleichzeitig betreiben werden können. Jedoch ergeben sich bei einer Frequenzdifferenz zwischen den Oszillatorfrequenzen zweier Oszillatorsignale 110 bei gleicher Signalstrecke S1, S2, S3, Sn unterschiedliche
Phasendifferenzen. Die Signalverarbeitungseinrichtung interpretiert dies fehlerhafterweise als Winkel zwischen den Signalstrecken S1, S2, S3, Sn. Da die Phasendifferenz proportional dem Produkt der Oszillatorfrequenz und der Länge der Signalstrecke S1, S2, S3, Sn ist, wachsen die Fehler in der Winkelbestimmung mit zunehmender Oszillatorfrequenz und zunehmender Entfernung des Objekts K. Eine
Korrektur der fehlerhaft bestimmten Winkel ist bei Kenntnis der Oszillatorfrequenzen möglich, wenn die Entfernungen mit erhöhter Genauigkeit bestimmbar sind. Jedoch ist der dafür notwendige Aufwand erheblich.
In Figur 7 wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche vorsieht die Oszillatorfrequenz w gemäß der dargestellten Frequenzkurve über die Zeit t zu ändern. Dabei wird die Frequenz gemäß einer oder mehrer Frequenzrampen 201, 202, 203, 204 mit verschiedener Steigung verändert. Die Dauer einer Rampe sei T. Ein Modulationsverfahren, welches den in Figur 7 dargestellten Frequenzverlauf verwendet ist das Dauerstrichfrequenzmodulationsverfahren (FMCW). Dieses
Frequenzmodulationsverfahren ist aufgrund seiner einfachen Umsetzbarkeit für einen Einsatz in Fahrzeugen geeignet. Die verschiedenen Steigungen der Rampen 201, 202, 203, 204 ermöglichen eine Unterscheidung des Beitrags der Länge des Signalstrecke S1, S2, S3, Sn und einer Dopplerverschiebung durch ein bewegtes Objekt K zu der bestimmten Phasendifferenz.
Figur 8 zeigt den Verlauf des Oszillatorfrequenz für die Oszillatorsignale der einzelnen Sensormodule 21, 22, 23, 2n. Diese ändern ihre Oszillationsfrequenz w gemäß dem Frequenzverlauf der Figur 7, jedoch werden die Frequenzverläufe mit einem geringen Zeitversatz dt zueinander ausgeführt. Somit sind zu einem Zeitpunkt alle Frequenzen der
Sensormodule 2 verschieden und weisen im Minimum die Frequenzdifferenz dw auf. Jedoch können zur Auswertung der Phasensignale die jeweils um dt zeitversetzt bestimmten Phasensignale verwendet werden. Auf diese Weise werden Fehler in der Winkelbestimmung durch unterschiedliche Oszillatorfrequenzen w vermieden. Ein Fehler ergibt sich in der Winkelbestimmung dadurch, dass das Fahrzeug und/oder das Objekt K sich innerhalb der Zeitspanne dt bewegt und somit innerhalb dieser Zeitspanne sich entsprechend die Winkel a1, a2, a3, an und die Signalstrecken S1, S2, S3, Sn ändern. Die Zeitdifferenz dt ist deutlich geringer als die Dauer T einer Rampe zu wählen. Des weiteren ist die Modulationsgeschwindigkeit gemäß dem Frequenzverlauf nach Figur 7 so schnell, dass sich innerhalb einer Periode das Fahrzeug nur geringfügig bewegt und damit die Fehler in der Winkelbestimmung sehr gering bleiben.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur winkelaufgelösten Entfernungs- und
Geschwindigkeitsbestimmung eines Objekts (K), mit einer Mehrzahl an Sensormodulen (2, 21, 22, 23, 2n) welche in Abständen (di, d2) zueinander angeordnet sind,
wobei ein Sensormodul (2, 21, 22, 23, 2n) eine lokale Oszillatoreinrichtung (21, 21a) zum Generieren eines Oszillatorsignals (110) aufweist, welches an eine Sende-/ Empfangseinrichtung (20) weitergeleitet wird, wobei die Sende-/ Empfangseinrichtung (20) das Oszillatorsignal (110) senden kann und wobei die Sende-/ Empfangseinrichtung (20) derart eingerichtet ist, dass sie von dem Objekt (K) reflektierte Signale (111) empfangen kann, und eine Phasendetektionseinrichtung (30) aufweist, welche mit einem Eingang an die Oszillatoreinrichtung (21, 21a) und mit einem zweiten Eingang an die Sende-/Empfangseinrichtung (20) gekoppelt ist und basierend auf dem Oszillatorsignal (110) und den empfangenen reflektierten Signalen (111) ein Phasensignal (100) bestimmt;
und wobei ein Ausgang der Phasendetektionseinrichtung (30) der Sensormodule (2, 21, 22, 23, 2n) mit einer Steuer-/und Signalverarbeitungseinrichtung (10) verbunden ist, welche basierend auf den Abständen (d) und den Phasensignalen (100) eine Richtung (a1, a2, a3, an) des Objekts (K) zu den Sensormodulen (2, 21, 22, 23, 2n) bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abstände (di, d2) äquidistant sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abstände (di, d2) verschieden groß sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens in Abstrahlrichtung eines der Sensormodule (2, 21, 22, 23, 2n) eine Kollimationseinrichtung
(3, 5) aus einer Linse (5) und/oder einem dielektrischem Polyrod (3) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens in Abstrahlrichtung eines der Sensormodule (2, 21, 22, 23, 2n) ein quasioptischer Filter (6) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Phasendetektionseinrichtung (30) eine steuerbare Filtereinrichtung (27) mit einer einstellbaren Filtercharakteristik aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Sensormodule (2, 21, 22, 23, 2n) eine steuerbare Oszillatoreinrichtung (21, 21a) mit einstellbarer Oszillatorfrequenz (w) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Steuer- und
Verarbeitungseinrichtung (10) mit mindestens einem der Sensormodule (2, 21, 22, 23, 2n) verbunden ist, um mit Steuersignalen (101 \ 1012, 1013, 101n) die Filtereinrichtung (27) und/oder die Oszillatorfrequenz (w) des Sensormoduls (2) einzustellen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Phasendektektionseinrichtung (30) einen Mischer (24) zum Entmischen des empfangenen reflektierten Signals (111) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasendetektionseinrichtung (30) derart eingerichtet ist, dass das Phasensignal (100) mittels direkter Abtastung des empfangenen reflektierten Signals (111) bestimmbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
O Osszziillllaattoorreeiinnrriicchhttuunnggeenn ( (2211,, 2211εa) mindestens zweier Sensormodule (2, 21, 22, 23, 2n) nicht zueinander synchronisiert sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine
Synchronisationseinrichtung (50) vorgesehen ist, mit welcher die Oszillatoreinrichtungen (21 !, 212) mindestens zweier Oszillatoreinrichtungen (211, 212) synchronisierbar sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Oszillatoreinrichtungen (211, 212) eine Phasenregelschleife (29 !, 292) aufweisen.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Sensormodule (2, 21, 22, 23, 2n) entlang einer Linie oder flächig angeordnet sind.
15. Verfahren für eine winkelaufgelöste Entfernungs- und
Geschwindigkeitsbestimmung eines Objekts (K) unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, mit den Schritten:
Senden des Oszillatorsignals (110) von mindestens einem der Sende-/Empfangsmodule (20) der Sensormodule (2, 21, 22, 23, 2n).
Empfangen von an dem Objekt (K) reflektierter Signale (111) mittels der Sende- /Empfangseinrichtung (20) aus einer Richtung (a1, a2, a3, an);
Bestimmen eines Phasensignals (100) basierend auf dem Oszillatorsignal (110) und den empfangenen reflektierten Signalen (111);
Bestimmen der Richtung (a1, a2, a3, an) mittels der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung (10) basierend auf den Abständen (d) der Sensormodule zueinander und den bestimmten Phasensignalen (100).
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Steuer- und
Signalverarbeitungseinrichtung die Oszillatormodule (21, 21a) derart einstellt, dass die Oszillatorsignale (110) je zweier Sensormodule (2, 21, 22, 23, 2n) unterschiedliche Oszillatorfrequenzen (w) aufweisen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung die Oszillatorfrequenz (w) der Oszillatormodule (21, 21a) gemäß einer Frequenzrampe (201 \ 2012, 2013, 2014) über die Zeit ändert.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Oszillatorfrequenz (w) der
Oszillatormodule (21, 21a) gemäß der selben Frequenzrampe (2011, 2012, 2013, 2014) nach einem Zeitversatz (dt) geändert wird, wobei der Zeitversatz (dt) für die einzelnen Sensormodule (2, 21, 22, 23, 2n) verschieden ist, sodass zu jedem Zeitpunkt die Oszillatorsignale (110) je zweier Sensormodule (21, 22, 23, 2n) unterschiedliche Oszillatorfrequenzen aufweisen.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei eine Filtercharakteristik einer Filtereinrichtung (27) der Phasendetektionseinrichtung (30) von mindestens einem der Sensormodule (2, 21, 22, 23, 2n) derart eingestellt wird, dass die Phasendetektionseinrichtung (30) nur Phasensignale (100) bestimmt, welche auf den von diesem Sensormodul (2, 21, 22, 23, 2n) gesendeten Signalen (110) basieren.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16-18, wobei die Filtercharakteristik einer Filtereinrichtung (27) der Phasendetektionseinrichtung eines zweiten Sensormoduls (21, 22, 23, 2n) derart eingestellt wird, dass die Phasendetektionseinrichtung (30) nur
Phasensignale (100) bestimmt, welche auf von einem ersten zweiten Sensormodul (2, 21, 22, 23, 2n) gesendeten Signalen (110) basieren.
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