Radarsensoren für das autonome Fahren

Inhaltsverzeichnis

1. Geschichte des Radars

2. Technische Grundlagen
2.1 Modulation und Demodulation
2.2 Doppler Effekt
2.3 Kennwerte von Radarsystemen und Radarsensoren
2.4 Informationen der Radarsignale
2.5 Signalverarbeitung
2.5.1 Entdeckungs- und Falschmeldewahrscheinlichkeit

3. Aktuelle Radarsensoren

4. Einfluss der Radarsensoren auf autonomes Fahren

5.Markt für Radarsensoren und Ausblick
5.1 Kooperative Sensoren und Sensordatenfusion
5.2 Dual Sensor
5.3 Digitale Strahlformung
5.4 Dreidimensional messende Radarsensoren

Literaturverzeichnis

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

1. Geschichte des Radars

Das Radarprinzip (engl. Radio Detection and Ranging) wurde erstmals im Jahr 1886 von Heinrich Hertz beschrieben. Heinrich Hertz entdeckte, dass Radiowellen von metallischen Objekten reflektiert werden. Weiterentwickelt wurde diese Erkenntnis von dem Hochfrequenztechniker Christian Hülsmeyer. Er erkannte, dass mit diesem Verfahren entfernte metallische Objekte detektiert werden können. Sein Telemobiloskop, mit dem er entfernte Schiffe detektieren konnte, gilt als Vorläufer der heutigen Radarsysteme.

Schließlich war es der schottische Physiker Sir Robert Alexander Wattson-Watt, der sich 1919 ein Verfahren zur Ortung von Objekten mittels Radiowellen patentieren ließ. Die Radartechnik wurde für militärische Zwecke zur Zeit des Zweiten Weltkriegs stark vorangetrieben und ist heute in vielen Bereichen, sowohl zivil (z.B. Wetterradar) als auch militärisch (z.B. Artillerieradar) stark vertreten. Entsprechend dieser unterschiedlichen Einsatzgebiete kommen auch sehr unterschiedliche Techniken und Frequenzen zum Einsatz.

Die eingesetzten Frequenzen reichen von einigen MHz für die Radioastronomie bis zu mehreren GHz im Bereich der industriellen Fertigung [Glatz, 2008].

Radar wurde erstmals im Jahre 1998 für eine adaptive Geschwindigkeitsregelung in Fahrzeugen angeboten [Muntzinger, 2011].

2. Technische Grundlagen

Ein Radarsystem besteht grundsätzlich aus den in Abbildung 1 dargestellten Elementen. Das Radarsignal wird durch einen Sender erzeugt und durch die Antenne ausgestrahlt [Skolnik, 1970]. Der hier dargestellte Duplexer ermöglicht es der Antenne, sowohl Sender als aus Empfänger zu sein. Die Radarwellen werden von reflektierenden Objekten zu einem kleinen Teil in die Richtung des Radars zurückgeworfen. Dieses Signal wird nun von der Antenne gebündelt und durch den Empfänger verstärkt. Wenn das empfangene Signal ausreichend ist, so wurde ein Objekt detektiert. Das Signal kann anschließend aufgearbeitet werden und beispielsweise auf einem Bildschirm sichtbar gemacht werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Blockdiagramm eines Radarsystems mit leistungsverstärktem Sender und einem Überlagerungsempfänger

[Skolnik, 1970]

Radarstrahlen verlassen den Sensor in gebündelter Weise mit gleicher Intensität in alle Raumrichtungen, nicht als Kugelwelle. Dafür sorgt die Antenne [Winner et al, 2015]. Der direktive Antennengewinn GD beschreibt das Verhältnis zwischen der Intensität (, ) im Raumwinkel der stärksten Abstrahlung und dem Wert ⁄4 eines homogenen Kugelstrahlers gleicher Gesamtleistung = ∬ (, ) [Winner et al, 2015]. ist der Azimutwinkel in der horizontalen Ebene und der Elevationswinkel in der vertikalen Ebene. Der direktive Antennengewinn ist umso größer, desto stärker die Strahlen gebündelt werden.

Die Reichweite ist diejenige Entfernung von dem Radarsender zum Ziel, bei der die Empfangsleistung bei gegebener Rückstreufläche des Ziels gerade noch oberhalb des kleinsten detektierbaren Signals liegt [Göbel, 2011].

Die allgemeine Radargleichung für Radarsysteme mit Antennen, die gleichzeitig senden und empfangen (Monostatisch), lautet wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

bezeichnet hierbei die gleichmäßige Verteilung der Leistung einer elektromagnetischen Welle über einer Kugeloberfläche. Der Antennengewinn ist mit gekennzeichnet (Hier monostatisch, daher () multipliziert mit ()).  ist der Rückstrahlquerschnitt, ein Maß für den Anteil der reflektierten Leistung (siehe auch Tabelle

1). Die Systemverluste sind zusammengefasst und als L im Nenner zu finden. Die Reichweite ist also proportional der vierten Wurzel der Sendeleistung [Göbel, 2011]. Die Verdopplung der Reichweite zieht also, bei gleichbleibenden Nebenbedingungen, eine Faktor 16 höhere Sendeleistung nach sich. Eine andere Möglichkeit ist durch die Erhöhung der Wellenlänge möglich, was wiederum Einfluss auf Größen wie beispielsweise Antennengröße und Wellenausbreitung hat [Göbel, 2011]. Die Detektierung eines Ziels ist grundsätzlich immer ein statistischer Vorgang, bei dem immer der Entdeckungs- und Falschmeldewahrscheinlichkeit Rechnung getragen werden muss.

Tabelle 1: Rückstrahlquerschnitte von Radarzielen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[Ludloff, 2013]

Radarsysteme lassen sich durch die Art der Messung unterscheiden.

Zum einen gibt es sogenannte Puls-Doppler Radare, zum anderen frequenzmodulierte Dauerstrichradare (engl. FMCW= frequency modulated continuous wave). Das Puls-Doppler Radar nutzt die Frequenzänderung des gesendeten Pulses durch den Dopplereffekt um die Relativgeschwindigkeit zu bestimmen. Das frequenzmodulierte Dauerstrichradar verändert zeitlich die Frequenz einer kontinuierlich ausgesendeten Millimeterwelle. Durch die zeitliche Frequenzverschiebung des empfangenden Signals wird die Entfernung bestimmt. Bei diesem Verfahren kann ebenfalls der Dopplereffekt zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit verwendet werden [Wender, 2008] (siehe auch Kapitel 2.4).

2.1 Modulation und Demodulation

Abbildung 2: Amplitudenmodulation

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: [Elektronik Kompendium, 2017]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Frequenzmodulation Quelle: [Arcor, 2017]

Die Abstrahlung und der Empfang von elektromagnetischen Wellen stellt nur die notwendige Voraussetzung für die Funktion von Radar dar [Winner, et al. 2015]. Die elektromagnetischen Wellen sind der Träger der Informationen, die Information selbst muss dem Träger sendeseitig aufmoduliert und empfangsseitig demoduliert werden. Vereinfacht gesagt muss der Information eine Signatur zur Wiedererkennung und ein Zeitbezug zur Messung der Laufzeit mitgegeben werden. Mathematisch betrachtet ist die Modulation eine Multiplikation von Träger- und Informationssignal (siehe auch Abbildung 2 und 3).

Die allgemeine Form für die ausgesendete Radarstrahlung ist eine harmonische Wellenfunktion:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit den drei Variablen Amplitude , Frequenz , und Phasenverschiebung kann eine Modulation durchgeführt werden. Im Automobilbereich wird meist eine Amplitudenmodulation in Form von Pulsmodulation und eine Frequenzmodulation vorgenommen [Winner, et al. 2015].

Bei der Pulsmodulation wird ein kurzer Wellenzug der Pulslänge gebildet. Dieser ideale Puls benötigt eine zur Pulslänge reziproke Bandbreite. Das Signal ergibt sich aus der Multiplikation einer ebenen Welle und einer Fensterfunktion, die für einen ideal schnell an- und abschaltenden Puls als Rechteckfenster um die Pulsmitte 0 beschrieben wird [Winner, et al. 2015].

Bei der linearen Frequenzmodulation steigt oder fällt die Frequenz innerhalb eines Rechteckpulses zeitlinear über die Dauer des unkomprimierten Pulses um den positiven oder negativen Frequenzhub ∆, ausgehend von der Startfrequenz 0 − ∆/2 [Ludloff, 2008]. Der Frequenzmodulation werden folgende Verfahren zugeordnet:

FSK (engl. Frequency-Shift-Keying), FMSK (Frequency Modulated Shift Keying), FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) und Chirp Sequence Modulation.

Die Wahl der Modulationsart hängt im Wesentlichen von folgenden Größen ab:

1. Entfernungsauflösung
2. Erwarteter Dopplerbereich der Ziele
3. Dauer des Sendepulses entsprechend der bereitzustellenden mittleren Sendeleistung
4. Realisierungsmöglichkeiten und Kosten

[Ludloff, 2008]

Einige Modulationsarten wurden in der Vergangenheit aufgrund komplexer Signalerzeugung und -verarbeitung kaum verwendet. Mit heutiger digitaler Signalerzeugung und - verarbeitung spielen solche Einschränkungen kaum noch eine Rolle. Das populärste Modulationsverfahren für Radarsensoren ist aktuell das Frequency Modulated Continuous Wave Verfahren. Dieses Verfahren ist mit weniger Aufwand verbunden, da hier eine indirekte Laufzeitmessung möglich ist, bei der die Frequenzen (und nicht die Zeit) zwischen Sende- und Empfangssignal verglichen werden [Reif, 2010].

2.2 Doppler Effekt

Der vom Österreicher Christian Doppler 1842 entdeckte Effekt besagt, dass eine elektromagnetische Welle eine Frequenzverschiebung erfährt, wenn sich Beobachter und Sender relativ zueinander bewegen. Dasselbe geschieht, wenn ein Radarstrahl von einem relativ zum Radar bewegten Objekt reflektiert wird [Winner, et al. 2015]. Ein Radarstrahl legt zu einer beliebigen Entfernung r und wieder zurück zum Empfänger eine reelle Zahl z von insgesamt z=2r/ Wellenlängen zurück. Daraus folgt eine Phasenverzögerung von =-2z.

Bei einer Änderung von r mit erfährt auch die Phase eine Änderung von = −2 = −⁴

[Winner, et al. 2015]. Das empfangene Signal zu Gleichung 2.1.1 lässt sich also wie folgt umschreiben:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Doppler-Effekt ist die Frequenzänderung , die proportional zur Relativgeschwindigkeit und zum Kehrwert der Wellenlänger = 0/ ist [Winner, et al., 2015]. Daraus lässt sich folgende Gleichung für den Doppler-Effekt ableiten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Kennwerte von Radarsystemen und Radarsensoren

Um die räumliche Verteilung der abgestrahlten Energie einer Antenne zu beschreiben, wird ein sogenanntes Strahlungsdiagramm (engl. Radiation Pattern) benutzt (siehe Abbildung 4). Das Strahlungsdiagramm ist ein Maß für die in eine bestimmte Richtung (Azimut , Elevation ) abgestrahlte Leistung pro Flächeneinheit [Ludloff, 2008]. Das Strahlungsdiagramm weist eine Hauptkeule (engl. Main Beam) und die unvermeidbaren Seitenzipfel oder Nebenkeulen (engl. Sidelobs) auf. Die Größe und der Verlauf der Keulen hängt vorwiegend vom Amplitudenverlauf der Apertur-Belegung ab, also von der Öffnungsweite der Antenne. Ein wichtiger Parameter für die Funktionalität des Radars in der Ebene, in der hohe Richtwirkung erwünscht ist, ist der Antennenparameter der 3 dBKeulenbreite (engl. Beamwidth). Dieser Parameter ist entscheidend für Winkelmessgenauigkeit und Clutterunterdrückung, also die Unterdrückung von Zielen, die das Radar erfasst und anzeigt, die aber unerwünscht sind. Für eine gute Winkelmessgenauigkeit und Winkelauflösung ist eine kleine Keulenbreite (d.h. hohe Bündelung) wünschenswert [Ludloff, 2008]. Für die Keulenbreite in Grad gilt annähernd:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Abmessung der Antenne in der Ebene des Winkels 3 wird durch D gekennzeichnet. Die Keulenbreite ist definiert als der Winkelbereich, innerhalb dessen die am Radarziel gemessene Leistung um 3dB, relativ zur Leistung im Strahlungsmaximum, nach jeder Seite abfällt.

Abbildung 4: Typisches Strahlungsdiagramm einer Antenne in der Azimutebene

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[Ludloff, 2008]

Eine wichtige Eigenschaft, die ein Radarsensor ebenfalls für den automobilen Einsatz mitbringt, ist die Mehrzielfähigkeit. Um diese zu gewährleisten, ist eine geeignete Trennfähigkeit in mindestens einer der Dimensionen Abstand, Relativgeschwindigkeit und Azimutwinkel notwendig [Winner, et al. 2015]. Mehrzielfähigkeit bedeutet in der Praxis, dass ein möglichst geringes „Zellvolumen“ angestrebt wird͘ Damit ist das Produkt der Zellengrößen der drei Dimensionen gemeint, auch wenn diese unterschiedliche Einheiten besitzen [Winner, et al. 2015]. Die Mehrzielfähigkeit ist einzig auf Winkelbasis nicht mit einbaukompatiblen Antennen möglich. Das gleiche gilt für die Mehrzielfähigkeit einzig aufgrund des Abstandes, da diese an ihre Grenzen stößt, wenn sich mehrere Objekte in gleichem Abstand befinden. Bei stehenden Objekten ist auch die Trennfähigkeit nach der Relativgeschwindigkeit nicht möglich. Sinnvoll ist also eine Trennfähigkeit nach Abstand und Relativgeschwindigkeit [Winner, et al. 2015].

2.4 Informationen der Radarsignale

Entfernung. Die Messung der Entfernung eines Objektes ist wohl die gängigste Charakteristik des Radars. Die Entfernung wird durch die Messung der Zeit des Radarsignals vom Sender zum Objekt und zurück gemessen. Kein anderer Sensor kann über solche Entfernungen und bei schlechten Wetterbedingungen mit einer solchen Genauigkeit messen [Skolnik, 1970]. Entfernung wird meist mit dem Short Pulse gemessen, einem Radar mit weiter Bandbreite. Je kürzer der Impuls, desto genauer die Entfernungsmessung [Skolnik, 1970].

Relativgeschwindigkeit. Durch fortlaufende Messungen der Entfernung kann die Änderungsrate der Entfernung und damit die Relativgeschwindigkeit erfasst werden [Skolnik, 1970]. Dies ist ebenfalls mithilfe der Doppler-Frequenz Verschiebung des Echo Signals an einem bewegten Objekt möglich.

Abbildung 5: Signalform eines linearen FMCW- Radars [Bouzouraa, 2011]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 beschreibt die Funktionsweise eines FMCW Radars und dient uns im Folgenden zur Beschreibung der Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung.

Das FMCW Radar sendet ein lineares frequenzmoduliertes Trägersignal mit der Trägerfrequenz f0 aus [Bouzouraa, 2011]. Das Sendesignal setzt sich aus verschiedenen Segmenten zusammen, wobei die Frequenz rampenförmig moduliert wird. Die Sendefrequenz fs kann wie folgt beschrieben werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wird ein Ziel mit der Relativgeschwindigkeit in der Anfangsentfernung R0 detektiert , so kann die radiale Entfernung wie folgt in Abhängigkeit von der Zeit beschrieben werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das empfangene Signal ist um die Laufzeit  gegenüber dem Sendesignal verzögert [Bouzouraa 2011]. Da sich elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreiten, lässt sich folgender Zusammenhang für die Laufzeit ableiten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Dopplereffekt führt zu einer Dopplerfrequenzverschiebung des empfangenen Signals, siehe Gleichung 2.2.2. Mithilfe einer FFT (Fast Fourier Transformation) kann nun die Frequenzverschiebung zwischen Empfangsfrequenz und Sendefrequenz berechnet werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Daraus lässt sich die Laufzeitfrequenzverschiebung und die Entfernung R ableiten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Frequenzverschiebung () enthält sowohl die Laufzeitfrequenzverschiebung als auch die Dopplerfrequenzverschiebung. Aus diesem Grund werden in der Regel mindestens zwei Frequenzrampen verwendet, um die beiden Unbekannten und bestimmen zu können [Bouzouraa, 2011].

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