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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
Radarsensorik für automotive AnwendungKurs 21345: Seminar Sensoren Sebastian Weihard, 12.07.2010
Radarsensorik in der FahrzeugtechnikKurs 21345: Seminar Sensoren Sebastian Weihard, Sommer 2010
Gliederung
I. Anforderungen
II. Physikalische Grundlagen
III. Modulationsverfahren
IV. Signalverarbeitung
V. Sensoraufbau
VI. Realisierung im Fahrzeug
Radarsensorik für automotive AnwendungKurs 21345: Seminar Sensoren Sebastian Weihard, 12.07.2010
Radarsensorik in der FahrzeugtechnikKurs 21345: Seminar Sensoren Sebastian Weihard, Sommer 2010
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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Radarsensorik in der FahrzeugtechnikKurs 21345: Seminar Sensoren Sebastian Weihard, Sommer 2010
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
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