Mehr Radar, mehr Sicherheit

Neue Radarsensoren für Sicherheit und Komfort im Automobil der Zukunft

Seit 1999 setzen die führenden Automobilhersteller auf radarbasierte Assistenzsysteme, zunächst lediglich für Komfortsysteme wie die aktive Geschwindigkeitsregelung. Mittlerweile wird eine zunehmende Anzahl von Millimeterwellen-Radarsensoren auch für aktive Sicherheitsfunktionen eingesetzt, um mit ihrer Hilfe Unfälle zu verhindern oder zumindest deren Folgen zu minimieren.

Automobile Radarsensoren nutzen elektromagnetische Wellen im Mikro- und Millimeterwellenbereich. Diese Wellen werden vom Sensor emittiert, an Objekten im Raum reflektiert und so zum Teil wieder am Standort des Sensors empfangen, wodurch auf die Anwesenheit eines Objektes geschlossen werden kann. Durch Bestimmung der Laufzeit t der elektromagnetischen Welle vom Sensor zum Objekt und wieder zurück kann der Abstand R des Objektes bestimmt werden. Die Ausbreitung der Wellen vollzieht sich mit Lichtgeschwindigkeit c0. Die Laufzeiten der Radarsignale betragen bei einem Zielobjektabstand von 100 m nur rund 0,67 µs. Zur technischen Umsetzung der Abstandsmessung wird das vom Radar ausgesandte Signal mit Zeitmarken versehen (= moduliert), wobei für automobile Anwendungen speziell die Pulsmodulation (Pulsradar) und die Frequenzmodulation mit linearen Rampen (FMCW-Radar) größere Bedeutung haben.

Aufgrund des Dopplereffekts kommt es im Falle einer relativen Bewegung zwischen Sensor und Zielobjekt zu einer Frequenzverschiebung. Im Falle einer Annäherung ist die empfangene Frequenz größer als die ausgesandte Trägerfrequenz f0, bei Entfernung geringer. Durch Auswertung der Frequenzdifferenz fD kann auf die relative radiale Geschwindigkeit vR zwischen Radarsensor und Ziel geschlossen werden.

Als dritter wichtiger Parameter wird der Winkel zwischen Sensor und Ziel bestimmt. Hierbei sind zwei Möglichkeiten zu unterscheiden: Zum einen kann selektiv durch entsprechende Ausgestaltung des Radarantennensystems die Ausstrahlung und/oder der Empfang des Radarsignals nur in bzw. aus einem Raumwinkelsegment erfolgen. Wird ein Ziel mit einer derartigen winkelselektiven Antenne erfasst, so kann sich dieses nur im beleuchteten bzw. abgetasteten Raumwinkelsegment befinden. Voraussetzung für eine qualitativ hochwertige Winkelmessung ist dabei die Erzeugung scharf bündelnder Antennenkeulen. Dieses Verfahren ist seit langem zur Überwachung des Luftverkehrs bekannt. Auch im Automobilbereich wird dieses Verfahren heute häufig eingesetzt, allerdings ohne mechanische Bewegung der Antenne. Zumeist wird durch Auswertung der Signale mehrerer fester, überlappender und stark gebündelter Antennenkeulen dabei die Messgenauigkeit weiter gesteigert. Die Realisierung hoch bündelnder Antennen mit minimalen geometrischen Abmessungen bedingt aufgrund physikalischer Grundgesetze möglichst hohe Arbeitsfrequenzen.

Parallel zur Nutzung hoch bündelnder Antennensysteme hat sich in den letzten Jahren die Wellenfrontanalyse etabliert, welche auch Digital Beam-Forming (DBF) oder „Angle of Arrival Estimation“ (AOA) genannt wird. Dieses Verfahren geht davon aus, dass das vom Ziel reflektierte Signal als ebene Wellenfront auf den Sensor einfällt. Ziel des Messverfahrens ist es, den Einfallswinkel dieser Wellenfront zu bestimmen. Dazu wird eine Reihe von linear angeordneten Antennen verwendet, die alle gleichzeitig das einfallende Signal aufnehmen. Jede Einzelantenne muss dabei über einen großen Winkelbereich empfangen können. Zwischen den Antennen besteht – je nach Einfallswinkel – ein minimaler Laufzeitunterschied, der in einem Phasenunterschied der Empfangssignale resultiert. Fällt beispielsweise die Welle senkrecht auf die Antennenanordung, so trifft das Signal gleichzeitig an allen Antennen ein. Damit haben alle Empfangssignale die gleiche Phase. Kommt das Signal von links, so wird die linke Antenne das Signal geringfügig vor der mittleren bzw. der rechten Antenne empfangen und damit ein Phasenunterschied entstehen. In der Praxis fallen stets viele Signale gleichzeitig auf die Antenne ein. Sofern die Ziele nicht aufgrund anderer Messgrößen voneinander getrennt werden können, lässt sich theoretisch mit zwei Antennen der Winkel eines Zieles messen, mit drei Antennen der Winkel von zwei Zielen und so weiter. Allgemein sind zur

Bestimmung von n Zielwinkeln bei diesem Verfahren n + 1 Antennen nötig. Die praktische Bestimmung der Phasendifferenzen erfolgt heute zumeist digital (FFT, MUSIC-Verfahren, ESPRIT-Verfahren). Der Hardware- und der Software-Aufwand sind jedoch erheblich größer als bei der Winkelmessung mit hoch bündelnden Antennen. Das ist auch der Grund, warum dieses Verfahren derzeit erst in wenigen Automobilradaren eingesetzt wird. Für die Zukunft wird dem Verfahren der Wellenfrontanalyse aber großes Potential eingeräumt.

1. Teil: Neue Radarsensoren für Sicherheit und Komfort im Automobil der Zukunft
2. Teil: Ortungsqualität und Frequenzbänder
3. Teil: Forschungsprojekte KOKON und RoCC
4. Teil: Verbau von Sensoren hinter Karosserieteilen
5. Teil: Sensordatenfusion
6. Teil: Kooperative Sensortechnologie

Weiterführende Links:

• Sicherheit: Fahrerassistenzsysteme als Wettbewerbsvorteil
• Bedienung/HMI: Near Field Communication zur Interaktion mit dem Fahrzeug
• FZI und IPG arbeiten gemeinsam am Auto der Zukunft: Integrationsplattform für mehr aktive Sicherheit und Energieeffizienz
• PRORETA 3: Conti und TU Darmstadt entwickeln Assistenzsystem für Stadtverkehr
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