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Thema: Radarsensorik in der Fahrzeugtechnik ¾ Hintergrund ¾ Anwendung Thema: Radarsensorik in der Fahrzeugtechnik ¾ Radargrundlagen ¾ Radarsystemtechnik ¾ Radarsignalverarbeitung Kurs 21345: Seminar Sensoren Sebastian Weihard, 12. Juli 2010 Quelle: http://www.concordeemotion.de, Zugriff Juni 2010

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Thema: Radarsensorik in der Fahrzeugtechnik

Hintergrund

Anwendung

Thema: Radarsensorik in der Fahrzeugtechnik

Radargrundlagen

Radarsystemtechnik

Radarsignalverarbeitung

Kurs 21345: Seminar Sensoren Sebastian Weihard, 12. Juli 2010

Quelle: http://www.concorde‐emotion.de, Zugriff Juni 2010

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Gliederung

I. Anforderungen

II. Physikalische Grundlagen

III. Modulationsverfahren

IV. Signalverarbeitung

V. Sensoraufbau

VI. Realisierung im Fahrzeug

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Anforderungengleichzeitiges messen von (bewegter und stationärer Objekte)

− Entfernung

− Relativgeschwindigkeit

− Winkelposition

RADARs

im gesamten Geschwindigkeitsbereich

auch in MehrzielsituationensenSorik

Robuster Aufbau und unanfällig gegen Störungen

„keine“ negative Beeinflussung des Fahrzeugdesigns

niedrige Kosten

Hohe Verfügbarkeit bei unterschiedlichsten Umweltbedingungen

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Radar:    Radio Detection and Ranging

• Sendet elektromagnetische Welle gebündelt aus

sogenanntes Primärsignal

• Reflexion der Elektromagnetischen Wellen an „Objekten“

Abhängig und Geometrie, Orientierung, Material

Entdeckung, Lokalisierung und Bestimmung von Objektparametern

• Empfang des reflektierten Anteils der Welle als „Echo“

Sekundärsignal mit verschiedenen Kriterien ausgewertet

Informationen über die Objekte 

Im Vergleich zu militärischen sowie Luft und Schifffahrt

Kleinere Abstände (250m) und Winkel

Hohe Mehrzielfähigkeit

Geringe Baugröße

Erheblich geringere Kosten

Kleinere Dopplerfrequenzen

Besonderheiten der automobilen Radartechnik

Quelle: hondaoldies.de/Korbmacher‐Archiv/Technik/acc.htm, Zugriff Juni 2010

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Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen

eine Welle aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern

Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit

c Vakuum = 299 792. 458 km/s

Zusammenhang: c = λ * f 

offener Schwingkreis (Antenne)

Quelle [9] und http://www.elektronik‐kompendium.de/sites/kom/0810171.htm

Signalerzeugung

Festfrequenz‐Sender  − GaAs‐Transistoren− Gunn‐Dioden− Silizium‐Bauelemente

Frequenzmodulierte Signale  

− VCO‐ Voltage Controlled Oscillator

(Kapazitätsdiode in einem Resonanzkreis)

Quelle [20]

Quelle [7] und [8]

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Ausbreitung und ReflexionRadarstrahlen verlassen Sensor nicht als Kugelwelle sondern in gebündelter Weise

stark bündeln, damit ein gutes laterales und vertikales Auflösungsvermögen erreicht wird

φAzimuth

Die Antenne sichert durch das Antennendiagramm die erforderliche Verteilung der Sendeleistung im Raum

νElevatio

n

( )max,υφP

π4/totalP

Strahlungsdichte durch Gestaltung der Antennen in bestimmten Raumrichtungen konzentrieren

direkter Antennengewinn GD als Verhältnis zwischen:

− Intensität                     im Raumwinkel der stärksten Abstrahlung

− und dem Wert                    eines homogenen Kugelstrahlers gleicher Gesamtleistung 

Quelle [18] Eindimensionale Antennencharakteristik [1]

²*4λ

π effAG =

ächeAntennenfleffektiveAe....

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Radargleichung

Zusammenhang zwischen Empfangs‐ und Sendeleistung am Radargerät

Dämpfungsfaktor

Radarsystem mit Zielobjekt; Quelle [19]

empfangene Reflexionsleistung fällt mit r4

Große Herausforderung für Empfangstechnik

Typischer Wertebereich der Kenngrößen [1]

Radargleichung [19]

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Dämpfungsfaktor Lges

Dämpfung der EMW durch Atmosphäre

sehr dünne metallische Schichtzur Nachbildung der Markenlogos (<1μm) 

Dämpfung durch Radom oder Stoßfänger

Die auf der Übertragungsstrecke auftretenden Verluste als Produkt aller Einzelverluste in Lges zusammengefasst

relativ geringe Dämpfung bei unterschiedlichen   

Wetterbedingungenmm‐Wellen durchlässiger Kunststoff

max. zulässige Dämpfung von 3 dB im   

Einfachdurchlauf durch Karosserieteile

Starkregen 10‐25mm/h

Quelle [18]

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Reflexionsvermögen des RadarzielsRadarquerschnitt σ [Fläche] ‐ Radar Cross Section (RCS)

entspricht genau der mittigen Querschnittsfläche πa²  eines Kugelreflektors mit Radius a 

relevante Flächen σ=1...10 000m² (Automobilbereich)

− LKW ≈1000m²

− PKW ≈100m²

− Motorrad ≈10m²

− Mensch ≈1m²

S b i bhä i A d Zi l b h ä k

Quelle: www.ihe.kit.edu/img/content/radarbild.jpg, Zugriff Juni 2010

Streubreits abhängig von Art des Ziels aber noch stärker von

− Geometrie und der Orientierung

− z.B. Gedrehter LKW 

Rückstreuung nur noch von den Kanten oder Achsteilen Quelle [1]

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Leistungsreichweite eines Radars

=Leistung des empfangenen Signals  Detektionsschwelle

Faktor: SNRthreshold etwa 6 bis 10 dB über Rauschen

Quelle [1]

Quelle [8]

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Modulationsverfahrenabstrahlen und empfangen elektromagnetischer Wellen als Voraussetzung für Funktion eines Radars

„nur“ Träger für die Information

Information selbst muss diesem Träger 

− senderseitig aufmoduliert und 

− empfangsseitig demoduliert werden ( ) ( )00*2cos* ϕπ += tfAtu tt

Abgestrahlten Wellenzug muss 

−Kennzeichnung für Wiedererkennung und 

−Zeitbezug zu Laufzeitmessung mitgegeben werden

Quelle [1]

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Radarverfahren

Puls‐Doppler Frequency Modulated CWFrequency Shift KeyingPuls

Pulsradar Dauerstrich (ContinousWave‐) Radar

schrittweise frequenzkodiertes FMCW‐Radar

gepulstes FMCW‐Radar

Chirp Sequence Modulation

Zukünftige neue Verfahren für Automobilbau

als Kombination klassischer Verfahren

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Puls‐Doppler: Prinzip Abstandsmessung

Kurzer Wellenzug der Pulslänge τP

bestimmt Ortsauflösung

Nachteile:

Laufzeitmessung zur Bestimmung von Δt sehr aufwändigUngünstige Verhältnis von Spitzenleistung zur mittleren Leistung

Hohe benötigte Empfangsbandbreite

daher wird alternativ die Modulation der Anregungsfrequenz genutzt

Abstand ergibt sich aus

der halben Laufzeit der Welle Δt und der   

Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium cLPulsmodulation [8]

Verschiedene Impulslängen [20]

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Puls‐Doppler: Prinzip Geschwindigkeitsmessung

Frequenz der reflektierten Welle fD ändert sich, wenn Relativgeschwindigkeit vorhanden

Ursache hierfür ist der Dopplereffekt (ACHTUNG: Radialgeschwindigkeit!)

Direkte Relativgeschwindigkeitsmessung vrel als Entscheidender Vorteil der Radarmessung

Analyse des Frequenzspektrums notwendig

Quellen [5] und [7]

Auflösung der Doppler‐Frequenz und damit der Relativgeschwindigkeit

Dopplerfrequenz proportional mit der fC skaliert!Quelle [1]

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FMCW‐Radar: Modulationsverfahren

nun nicht mehr die Laufzeit direkt betrachtet, sondern vielmehr die Differenzfrequenz fR.

mit Kenntnis der momentanen Differenzfrequenz ist auf die Zielentfernung zu schließen

f0 Trägerfrequenzfhub FrequenzhubTChirp Zeitdauer eines ModulationsfenstersΛ Upchirp:   steigender Sendefrequenz ( Λ= 1) 

Downchirp:  fallender Sendefrequenz (Λ = ‐1) 

Quelle [1]

Quelle [1]

Quelle [1]

Quelle [17]

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FMCW‐Radar: Relativgeschwindigkeit

Objekt A: fährt mit Relativgeschwindigkeit ≠0

Objekt B: fährt mit derselben Geschwindigkeit wie das eigene Fahrzeug

Quelle [2]

Im Frequenzspektrum wird nun nach den charakteristischen Maxima gesucht

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FMCW‐Radar:  vrel ‐ dI ‐Diagramm

Abstand und Relativgeschwindigkeit folgen der Relation (Linearkombination)

Maximum der Frequenz fA,1 ergibt eine Gerade im vrel ‐ dI ‐Diagramm

Geraden schneiden sich bei:

Quelle [2]

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Zusammenhang : Dopplerfrequenz und Relativgeschwindigkeitde

freq

uenz  f

S

vr=180km/h

bei verschiedenen Sendefrequenzen (lineare Beziehung)

Relativgeschwindigkeit vr

Send

korrespondierende Dopplerfrequenz  fD

Bei 252km/h folgt fD=35,7 kHzNach 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

Quelle [5]

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FMCW‐ Sensor: Aufbau

Spannungsgesteuerter OszillatorVoltage ControlledOscillator

Mischen des empfangenen Signalsmit 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 

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Scanning* Mehrstrahler*

Beamforming

Bestimmung des φ Azimuth‐Winkels Winkelwert in einem Radarsystem durch verschiedene Verfahren bestimmbar

− Planarantennemechanisch 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

*Quelle [1] 3D Ansicht der vier Einzelkeulen [19]

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Bestimmung des φ Azimuth‐Winkels 

Triangulationsverfahren Grid of Evidence

Neuartige Nahbereichssysteme berechnen der Winkel zu einem Reflexionsobjekt auch in einem 

multistatischen Ansatz mit verteilten Einzelsensoren

Quelle [4]

Quelle [4]

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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)

5m

70m4°

Mehrzielfähigkeit 

− allein auf Winkelbasis nicht möglich (Sensorgröße)

− auf Basis Abstand an Grenzen, wenn 

mehrere Objekte nah zusammen

− Relativgeschwindigkeit versagt bei stehenden Objekten

Quelle [1]

Realsituation [14], ergänzt

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Grundsätzlicher Sensoraufbau

Algorithmen in 

Software

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)

Quelle [1]

Quelle [1]

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Radar‐Signalverarbeitung 

Spektralanalyse per Fast‐Fourier‐Transformation (FFT),

spielt in allen modernen ACC‐RADAR‐Sensoren eine wichtige Rolle bei 

der Signalvorverarbeitung

Systemblockdiagramm

Hintergrundrauschen insbesondere aufgrund Bodenstörechos (Nebenkeulen)

FMCW‐Basisband‐Spektrum mit 3 Zielen, Quelle [14]Quelle [12]

Systemblockdiagramm [14]

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Realisierung im Fahrzeug

Informationsfluss über CAN/FlexRay

Quelle [3]

Quelle [15], ergänzt

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[1] Winner, H.; Hakuli, S.; Wolf, G.: Handbuch Fahrerassistenzsysteme, Vieweg+Teubner, Wiesbaden, 2009

[2] Trautmann, T.: Grundlagen der Fahrzeugmechatronik, Vieweg+Teubner, Wiesbaden, 2009[3] Mende, R.: Radarsysteme zur automatischen Abstandsregelung in Automobilen, Dissertation, Braunschweig, 1999

[4] Skutek, M.: Ein PreCrash‐System auf Basis multisensorieller Umgebungserfassung, Dissertation, Chemnitz, 2006

[5] Siart, U.:  Doppler, http://www.siart.de/lehre/doppler.pdf, Zugriff Juni 2010

[6] Schuler, K.: Intelligente Antennensysteme für Kraftfahrzeug‐Nahbereichs‐Radar‐Sensorik, Dissertation, Karlsruhe, 2007

[7] Ries, S.:  Hinderniserkennung, Seminar "Mobile Systeme" ,Universität Koblenz‐Landau, 2005

[8] Bouattour, A.: Radartechnik, http://www.ipe.uni‐stuttgart.de, Stuttgart, Zugriff Juni 2010

[9] Gütter, D.: 4. Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, wwwpub.zih.tu‐dresden.de/~guetter, Dresden, Zugriff Juni 2010

[10] Hella KGaA Hueck & Co.,: Radom – Radartransparente Abdeckung, http://www.hella.com/produktion, Zugriff Juli 2010

[11] Ruser, H.: Ultraschall‐Mikrowellen‐Sensorsystem zur Geschwindigkeits‐ und Abstandsmessung mit diversitär‐redundanter Auswertung der    

Phasensignale, Dissertation, München, 2003

[12] Rohling, H.: Radartechnik‐ und signalverarbeitung, http://www.et2.tu‐harburg.de/lehre/Radarsignalverarbeitung/Folien.pdf,  Zugriff Juni 2010

[13] Freese, J.: Untersuchung von Gruppenantennen für den Einsatz in aktiven Antennensystemen, Dissertation,  Darmstadt, 2007

[14] Yang, B.; Weigel, R.; Schöberl, T.; Binzer, T.: Radarsystemtechnik und Radarsignalverarbeitung für Automobilanwendungen, http://www.lss.uni‐stuttgart.de, Zugriff Juni 2010

[15] Fölster, F.; Rohling, H.: Signal processing structure for automotive radar, http://frequenz.schiele‐schoen.de/, Zugriff Juni 2010

[16] Wixforth, T.; Ritschel,  W.: Multimode‐Radar‐ Technologie für 24 GHz, http://www.konstruktion.de, Zugriff Juni 2010

[17]Hofmann, M.: Intelligent Vehicle Technologies oder wie lernt der Computer Autofahren , http://www2.informatik.uni‐erlangen.de,  Zugriff Juni 2010

[18] Günther, O.: Modellierung und Leakage‐Kompensation von 77GHz FMCW‐Weitbereichsradar‐ Transceivern in SiGe‐Technologie für Kfz‐Anwendungen, Diss., Erlangen, 2008

[19] Pfeiffer, F.: Analyse und Optimierung von Radomen für automobile Radarsensoren, Dissertation, München, 2009

[20] Brumbi, D.: Grundlagen der Radartechnik zur Füllstandsmessung, KROHNE Messtechnik GmbH & Co. KG Duisburg, 1999