Die Rolle der 77 GHz Single-Chip-Radarsensoren im Kfz

Freiraum-Erkennung

Ein Freiraum-Sensor erweitert die natürliche Fähigkeit eines Radarsystems zur Erkennung von Hindernissen für Anwendungen wie etwa die Kollisionserkennung beim Öffnen der Türen oder der Heckklappe. Anwendungen dieser Art nutzen die hohe Entfernungsauflösung von Radarsystemen sowie ihre Fähigkeit zur Detektierung von Hindernissen in geringer Entfernung (Masten, Parkplatzschranken, Wände, Fahrzeuge auf benachbarten Parkplätzen – siehe Bild 4). Auch für Einparkhilfen kann ein Freiraum-Sensor verwendet werden.

Bild 5 zeigt eine typische Verarbeitungskette für eine Freiraumsensor-Applikation. Der Baustein verarbeitet hier die vom ADC kommenden Daten eines Frames mithilfe einer 2D-FFT-Operation. Hierdurch werden Objekte in Bezug auf Entfernung und Geschwindigkeit aufgelöst, sodass in der Nähe befindliche, bewegliche Objekte von stationären Hindernissen unterschieden werden können. Mit einem beweglichen Radar, das beispielsweise an einer Tür angebracht ist, hilft die Doppler-Auflösung auch bei der Detektierung von Objekten, die zwar stationär sind, aber in Bezug auf das Radar unterschiedliche relative Geschwindigkeiten haben. Durch nicht-kohärente Akkumulation der 2D-FFT-Matrizen über die verschiedenen Antennen entsteht eine Entfernungs-Geschwindigkeits-Heatmap, die dann von einem Detektieralgorithmus weiterverarbeitet werden kann.

Bei dem Detektieralgorithmus kann es sich um einen einfachen CFAR-CA-Detektor (Constant False-Alarm Rate – Cell Averaging) handeln. Ausgefeiltere Varianten wie etwa CFAR-OS (CFAR-Ordered Statistic) können außerdem bei der Verbesserung der Detektierungseigenschaften unter dem Einfluss von Bodenecho helfen.

Durch Verarbeiten der zugehörigen Bins über die 2D-FFT-Matrizen lässt sich der Einfallswinkel der detektierten Objekte abschätzen. Zur bestmöglichen Nutzung der verfügbaren TX/RX-Antennen empfehle ich, das System im MIMO-Modus (Multiple Input/Multiple Output) zu betreiben. Der Winkelschätzer-Block nutzt die per 2D-FFT verarbeiteten Signale in Verbindung mit per MIMO synthetisierten virtuellen Antennen, wobei der Winkelschätzungs-Algorithmus auf einem FFT- oder Beamforming-Algorithmus beruhen kann. Anspruchsvolle Algorithmen wie etwa der MUSIC-Algorithmus (MUltiple SIgnal Classification) können eine höhere Winkelauflösung erreichen.

Die Wahl der Antennenkonfiguration und des Sichtfelds (Field of View, FOV) der Antennenelemente ist in Freiraumsensor-Anwendungen von großer Bedeutung. Generell ist ein Kompromiss zwischen dem Elevations-Sichtfeld und der Bodenecho-Unterdrückung zu schließen, ebenso wie zwischen der Fähigkeit zur Elevationsabschätzung und der Azimut-Auflösung. Aus den zahlreichen Design-Möglichkeiten sollen zwei Optionen herausgegriffen werden. Eine besteht im Design von Antennen mit einem breiten Elevations- und Azimut-Sichtfeld. Die Antennen lassen sich dann so platzieren, dass durch den MIMO-Betrieb ein virtuelles 2D-Array synthetisiert wird, was wiederum eine Winkelschätzung in Elevations- und Azimutrichtung erlaubt. Hierzu sind in Bild 6 einige Beispiele zu sehen. Während ein weites Sichtfeld in Elevations- und Azimutrichtung eine echte 3D-Erfassung ergibt, muss die Platzierung des Radars sehr gut überlegt werden, damit Bodenechos minimiert werden.

Eine weitere Option ist das Design von Antennen mit einem engen Sichtfeld in Elevationsrichtung und einem weiten Sichtfeld in Azimutrichtung, wobei die Platzierung der Antennen so gewählt wird, dass in Azimutrichtung eine größtmögliche Auflösung sichergestellt ist (Bild 7).

In Tabelle 1 ist eine exemplarische Chirp-Konfiguration für eine Freiraumsensor-Applikation wiedergegeben.

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