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Die Erfindung betrifft ein Radarsystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Radarsystems.
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Stand der Technik
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Ein wesentliches Charakteristikum bekannter Radarsensoren für Fahrsicherheitsanwendungen von Kraftfahrzeugen besteht darin, dass die Radarsensoren hinter einem Stoßfänger der Kraftfahrzeuge verdeckt verbaut werden.
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DE 10 2009 060 164 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Radarsensorvorrichtung, ein Verfahren zur Erzeugung und zum Empfang von Radarwellen sowie eine entsprechende Radarsensorvorrichtung und ein entsprechendes Fahrzeug. Im Verfahren ist vorgesehen, dass durch ein weiteres geeignetes zusätzliches dielektrisches Element eine Verzerrung des Strahlengangs zwischen einem Radarsensor und einem beliebig geformten Stoßfänger vorgesehen ist, so dass Fehler, die durch den Stoßfänger entstehen, kompensiert werden. Allerdings muss dieses zusätzliche Element für jede neue Stoßfängergeometrie neu ausgelegt werden.
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F. Fitzek, „Integrierte 79 GHz Breitbandradarsensoren für Fahrerassistenzsysteme der Zukunft", Dissertation TU München, ISBN 978-3-8439-0339-4, 2011 und F. Pfeiffer, „Analyse und Optimierung von Radomen für automobile Radarsensoren", Dissertation TU München, 2009 offenbaren Verfahren zur vorteilhaften Beeinflussung eines Strahlengangs im Stoßfänger eines Kraftfahrzeugs. Aufgrund der Fertigungsprozesse und Schnittstellen im Zusammenwirken zwischen Radar- und Sensorhersteller, Stoßfängerhersteller und Automobilbauer stellt dies allerdings eine sehr aufwendige, bezüglich der Fertigungstoleranzen anspruchsvolle und damit teure Lösung dar.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein geringer störempfindliches Radarsystem bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Radarsystem, aufweisend:
- – eine Signalverarbeitungseinrichtung mit einer ersten Schnittstelle;
- – eine Hochfrequenzsignal-Einrichtung, die über eine zweite Schnittstelle mit der Signalverarbeitungseinrichtung verbunden ist; und
- – eine definierte Anzahl von HF-Kanälen, die funktional mit der Hochfrequenzsignal-Einrichtung und mit einer Antenneneinrichtung verbunden sind, wobei die Hochfrequenzsignal-Einrichtung für jeden HF-Kanal eine analoge Kompensationseinrichtung zur Kompensation eines Störeffekts eines Abdeckelements für das Radarsystem aufweist, wobei die analogen Kompensationseinrichtungen mittels der Signalverarbeitungseinrichtung digital ansteuerbar sind.
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Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Radarsystem optimiert betrieben werden, weil störende Effekte des Abdeckelements mittels der analogen Kompensationseinrichtungen digital einstellbar kompensiert werden. Für eine Signalverarbeitung kann dadurch die digitale Signalverarbeitungseinrichtung entlastet werden, wodurch eine Signalverarbeitungsqualität reflektierter Nutzsignale in vorteilhafte Weise erhöht ist. In ihrer Vielfachheit sind die Kompensationseinrichtungen somit vorteilhaft in der Lage, störende Reflexionen des Abdeckelements richtungsabhängig zu kompensieren.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines Radarsystems, aufweisend die Schritte:
- – Ansteuern einer Antenneneinrichtung mit wenigstens zwei Antennenuntergruppen mittels einer Hochfrequenzsignal-Einrichtung mit Radarsignalen, wobei eine definierte Anzahl von HF-Kanälen zwischen der Hochfrequenzsignal-Einrichtung und der Antenneneinrichtung angeordnet ist;
- – wobei jeder einzelne HF-Kanal über eine zugeordnete analoge Kompensationseinrichtung digital mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung derart angesteuert wird, dass Störeffekte eines Abdeckelements kompensiert werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Radarsystems und des Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Radarsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antenneneinrichtung wenigstens zwei Antennenuntergruppen mit jeweils schwenkbarer Richtcharakteristik aufweist, wobei mittels der Kompensationseinrichtungen pro Antennenuntergruppen eine individuelle Stellgrößenkompensation durchführbar ist. Aufgrund der Tatsache, dass für verschiedene Funktionen häufig verschiedene Antennendiagramme erforderlich sind, kann auf diese Weise ein optimiertes Betriebsverhalten für sämtliche Antennendiagramme des Radarsystems bereitgestellt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Radarsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtungen mittels der Signalverarbeitungseinrichtung konfigurierbar sind. Auf diese Weise kann ein analoges Betriebsverhalten der Kompensationseinrichtungen mittels einer digitalen Konfiguration festgelegt werden, wobei entsprechende Algorithmen auf der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung ablaufen und einfach abgeändert werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Radarsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtungen in Abhängigkeit von analogen und digitalen Ansteuer- und Auswertungseinstellungen der Antennenuntergruppen konfigurierbar sind. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass Konfiguration der Kompensationseinrichtungen in Abhängigkeit von einer Richtung, in die ein Gruppensteuervektor der Antenneneinrichtung ausgerichtet ist, durchgeführt wird. Auf diese Weise ist eine optimale Anpassung der Kompensationsrichtungen an Betriebseigenschaften des Radarsystems innerhalb dessen gesamten Detektions-Winkelbereichs unterstützt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Radarsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtungen vor einer Inbetriebnahme und/oder in einem Normalbetrieb des Radarsystems konfigurierbar sind. Auf diese Weise kann ein Vorwissen, wie die Kompensationseinrichtung eingestellt werden muss, in einem Konfigurations- bzw. Kalibrationsprozess aufgebaut werden. Dies kann vorteilhaft einmal und/oder auch mehrmals durchgeführt werden, was zum Beispiel dann sinnvoll ist, wenn das Abdeckelement ausgetauscht wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Radarsystems zeichnet sich dadurch aus, dass mittels der Kompensationseinrichtungen ein analoges Signal derart in einen Signalpfad zwischen der Hochfrequenzsignal-Einrichtung und der Antenneneinrichtung einbringbar ist, dass Nutzsignale von detektierten Zielen mit einem hohen Dynamikbereich auswertbar sind. Ein hoher Dynamikumfang der empfangenen Signale ist deshalb möglich, weil auf diese Weise ein Kompensationsaufwand für die Signalverarbeitungseinrichtung eingespart werden kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren, sowie unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugsziffern.
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In den Figuren zeigt:
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1a und 1b charakteristische Verläufe von Richtcharakteristiken eines Radarsystems;
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2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radarsystems; und
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3 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1a zeigt exemplarisch eine Richtcharakteristik R einer Antenne eines Radarsensors 200 mit exemplarischen Strahlrichtungen von Antennenelementen.
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1b zeigt schematisch einen Einfluss eines Stoßfängers auf die Richtcharakteristik R, die im Vergleich mit der Richtcharakteristik R von 1a deutlich erkennbar durch unerwünschte Vielfachreflexionen deformiert ist. In 1b ist prinzipiell dargestellt, dass ein definiert geformtes Abdeckelement 50 (z.B. ein als lackiertes Kunststoffformteil ausgebildeter Stoßfänger, ein strukturiertes Automobilmarkenemblem, usw.) ein Streuobjekt für die Antenne repräsentiert, das zu starken Verzerrungen der Richtcharakteristik R des Radarsensors 200 führen kann. Derartige Verzerrungen können bei Winkelmessungen des Radarsensors 200 zu Fehlern führen. Die entstehenden Reflexionen können einen nutzbaren Dynamikbereich stark reduzieren, so dass schwache Reflexe gegenüber starken Reflexen schlechter detektiert werden. Diese Verzerrungen lassen sich durch Einschränkungen von Materialeigenschaften und/oder von Krümmungsradien des Abdeckelements 50 zwar verringern, wobei diese gestalterischen Einschränkungen aber oftmals aus gestalterischen Gründen nicht oder nur zurückhaltend akzeptiert werden.
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Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radarsystems 100 ist als Blockschaltbild in 2 dargestellt. Das Radarsystem 100 kann Teil eines nicht dargestellten Radarsensors 200 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug sein. Das Radarsystem 100 umfasst ein Gehäuse 60, in dem eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung 10 (z.B. ein Mikrocontroller), die unter anderem eine Basisbandsignalauswertung für eine digitale Klassifikation übernimmt, angeordnet ist. Über eine erste Schnittstelle S1 (z.B. in Form eines CAN-Busses oder dergleichen) ist eine Kommunikation mit einem Fahrzeugsteuergerät (nicht dargestellt) und Einrichtungen zur Erzeugung einer elektrischen Versorgungsspannung aus einer Bordnetzversorgung (nicht dargestellt) möglich. Ferner vorgesehen ist eine analoge, digital ansteuerbare Hochfrequenzsignaleinrichtung 20 („Hochfrequenz-Frontend“), die mit der Signalverarbeitungseinrichtung 10 funktional über eine zweite Schnittstelle S2 verbunden ist. Über die zweite Schnittstelle S2 können Daten eines Gruppensteuervektors an die Hochfrequenzsignaleinrichtung 20 übertragen werden. Die Hochfrequenzsignaleinrichtung 20 ist ferner mit einer Antenneneinrichtung 40 über mehrere HF-Kanäle K1 ... Kn funktional verbunden. Die Antenneneinrichtung 40 ist vorzugweise als eine Gruppenantenne mit mehreren Antennenuntergruppen 40a, 40b, 40c (engl. array antenna) mit pro Antennenuntergruppe 40a, 40b, 40c schwenkbarer Antennencharakteristik ausgebildet, wobei mehrere der Antennenuntergruppen 40a, 40b, 40c für einen Sende- und/oder einen Empfangsbetrieb vorgesehen sein können. Die Schwenkung der Richtcharakteristik kann dabei entweder als analoge Strahlformung oder als empfangsseitige digitale Strahlformung ausgeführt sein.
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Jede Antennenuntergruppe 40a, 40b, 40c ist über wenigstens einen, typischerweise über mehrere unabhängige Frequenzkanäle K1 ... Kn an die Hochfrequenzsignaleinrichtung 20 funktional angebunden. Jeder HF-Kanal K1 ... Kn kann in Amplitude und Phase des Hochfrequenzsignals getrennt digital eingestellt bzw. digital ausgewertet werden und kann sowohl senden als auch empfangen. Programmtechnisch implementierte Algorithmen zur digitalen Einstellung bzw. Auswertung der einzelnen Hochfrequenzkanäle K1 ... Kn laufen auf der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung 10 ab.
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Die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 10 kann darüber hinaus eine Detektion und Klassifikation von abstrakten Reflexen und Objekten durchführen, die den gemessenen Hochfrequenzsignalen zugeordnet werden. Auf diese Weise können aus den reflektierten Radarsignalen konkrete Objekte, wie zum Beispiel ein Kraftfahrzeug, das mit einer definierten Geschwindigkeit in eine definierte Richtung fährt, abgeleitet werden. Die detektierten abstrakten Objekte mit ihren klassifizierten Eigenschaften stellen letztlich ein wesentliches Auswertungsergebnis des Radarsensors 200 dar.
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Für eine Verringerung eines Einflusses eines nicht dargestellten, definiert geformten Abdeckelements 50 (z.B. ein lackiertes, an einer Karosserie des Kraftfahrzeugs fixiertes Kunststoffteil vor dem Radarsystem 100 in Form eines Stoßfängers) ist besonders das Zusammenwirken der Gruppenantenne im Sensorgehäuse mit dem vorgegebenen Kunststoffteil für verschiedene typische Ansteuer- und Auswerteeinstellungen für die unabhängigen HF-Kanäle K1 ... Kn von Interesse. Beispielsweise kann durch geeignetes Einstellen der Phasenlagen der Sendesignale der verschiedenen Antennenkanäle die Hauptstrahlrichtung der Richtcharakteristik für den Sendefall geändert werden. Die Richtungsauflösung für die empfangenen Signale erfolgt im Falle der so genannten digitalen Strahlformung (engl. digital beam forming, DBF) durch eine Auswertung der Phasen- und Amplitudeninformation der Empfangssignale der einzelnen Hochfrequenzkanäle K1 ... Kn nach der Analog-Digital-Wandlung im digitalen Basisband, d.h. in der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung 10. Im seltener verwendeten Fall einer analogen Strahlformung (engl. analogue beam forming) müssen die einzelnen Empfangssignale mit geeigneten unterschiedlichen Phasenlagen des Lokaloszillators ins Basisband gemischt werden. Die Auswertung erfolgt auch in diesem Fall nach der Analog-Digital-Wandlung in der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung 10.
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Erfindungsgemäß wird eine digital einstellbare analoge Kompensation von unerwünschten Reflexionen am Abdeckelement 50 vorgeschlagen. Dazu wird für eine optimierte Einstellung von Kompensationseinrichtungen 30 eine Kenntnis über die jeweils analog oder digital gewählten Sende- und Empfangseinrichtungen der einzelnen Antennenuntergruppen 40a, 40b, 40c benötigt, da sich die zu kompensierenden, unerwünschten Reflexionen am Abdeckelement 50 aus richtungsabhängigen Anteilen zusammensetzen. Diese Kenntnisse über die analogen und digitalen Ansteuer- und Auswertungseinstellungen werden im Folgenden „Gruppensteuervektor“ (engl. array steering vector) genannt. Mittels des Gruppensteuervektors kann eine spezifische Phasenbelegung der einzelnen Antennenuntergruppen 40a, 40b, 40c empfangsseitig erreicht werden, so dass auf diese Weise eine Vorzugsrichtung der Antenneneinrichtung 40 eingestellt werden kann, aus der vorzugsweise reflektierte elektromagnetische Energie detektiert wird.
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Zum Zwecke der genannten Kompensation werden mittels der Kompensationseinrichtungen 30 zu Störsignalen entgegen gerichtete analoge Signale in den Signalpfad eingebracht, so dass sich die Störsignale und die eingebrachten Kompensationssignale im Wesentlichen aufheben. Im Ergebnis verbleibt dadurch für die nachfolgende Analog-Digital-Wandlung zur Bearbeitung des Nutzsignals wesentlich mehr Dynamik.
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In 2 ist ein Aufbau der Antenneneinrichtung 40 als eine Gruppenantenne stark vereinfacht dargestellt. Eine Antennenuntergruppe 40a, 40b, 40c umfasst mindestens zwei unabhängige HF-Kanäle K1 ... Kn, die jeweils sowohl senden als auch empfangen können. Eine typische Antennenuntergruppe 40a ... 40c umfasst eine Sendeantennen-Untergruppe mit mehreren, z.B. zwei bis zehn Sende/Empfangskanälen, die in mehrere, z.B. zwei oder drei Antennenuntergruppen 40a ... 40c gegliedert sein kann. Die einzelnen Antennenuntergruppen 40a ... 40c können dabei sowohl senden als auch empfangen. Jedoch kann aufgrund der gewünschten Funktionalität des Radarsensors 200 einzelnen Antennenuntergruppen 40a, 40b, 40c eine primäre Sende- oder Empfangsfunktion zugeordnet werden.
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Die gesamte Kompensationsvorrichtung umfasst die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 10 und die analogen Kompensationseinrichtungen 30 für jeden HF-Kanal K1 ... Kn der Hochfrequenzsignaleinrichtung 20.
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Werksseitig kann vorzugsweise bereits nach dem Einbau des Radarsensors 200 in das Kraftfahrzeug ein Selbsttest des Radarsensors 200 durchgeführt werden. Dieser findet vorteilhafterweise in einer Umgebung mit geringen Reflexionen statt, wobei zu diesem Zweck beispielsweise in geeignetem Abstand vor dem störenden Abdeckelement 50 ein Hochfrequenzwellenabsorber angeordnet sein kann. Bei dem genannten Selbsttest werden die für den Betrieb relevanten Gruppensteuervektoren unter Verwendung von vermessungstechnisch ermittelten Daten des Abdeckelements 50 eingestellt.
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Abweichungen der Empfangssignale der einzelnen HF-Kanäle K1 ... Kn von den erwarteten Sollwerten, die bei einer reflexionsarmen Umgebung theoretisch idealerweise bei einem verschwindend geringen Signalpegel liegen, werden durch Veränderung der Einstellung der analogen Kompensationseinrichtungen 30 jedes HF-Kanals bzw. Empfangskanals K1 ... Kn kompensiert. Diese Veränderung kann zum Beispiel in einer schnellen, iterativen Regelschleife erfolgen. Wenn der Sollwert bis auf eine zulässige verbleibende Abweichung getroffen wird, werden die Einstellungen für die analogen Kompensationseinrichtungen 30 für den jeweiligen Gruppensteuervektor gespeichert.
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Im operativen Normalbetrieb des Radarsensors 200 werden abhängig vom vorgegebenen Gruppensteuervektor die jeweils gültigen Einstellungen der analogen Kompensationseinrichtungen 30 für jeden HF-Kanal K1 ... Kn eingestellt. Wenn der vorgegebene Gruppensteuervektor nicht in der Liste der werkseitig beim Selbsttest enthaltenen Gruppensteuervektoren enthalten ist, kann eine gültige Einstellung durch Interpolation, zum Beispiel durch eine lineare Interpolation der Stellgrößen gefunden werden. Im Fall der digitalen Strahlformung kann die Kompensation abschnittsweise für verschiedene Winkelbereiche durchgeführt werden, innerhalb derer die Richtungsabhängigkeit nahezu gleichbleibend ist. Auf diese Weise kann eine Anzahl der notwendigen Radarmessungen mit unterschiedlichen analogen Kompensationseinstellungen vorteilhaft minimiert werden.
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Der Vorteil der analogen Kompensationseinrichtungen 30 in jedem HF-Kanal K1 ... Kn ist der Erhalt eines vollen Dynamikumfangs der nachgeschalteten Analog-Digital-Wandlung. Dies lässt sich dadurch begründen, dass ein Rechenaufwand für die nachgeschaltete Analog/Digital Wandlungseinheit deshalb minimiert ist, weil die störenden Reflexionen bereits vorab analog kompensiert wurden. Vorteilhaft ist dadurch eine erhöhte Bandbreite des Radarsensors 200 unterstützt.
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Wenn beim Selbsttest nicht nur eine reflexionsarme Umgebung, sondern auch verschiedene definierte Radarziele zum Einsatz kommen dürfen, so kann die Genauigkeit der Kompensation weiter gesteigert werden, indem zunächst die tatsächliche Zielrichtung und Zielreflektivität mit der durch das Abdeckelement 50 verfälschen Zielrichtung und Zielreflektivität verglichen wird und durch eine geeignete Einstellung der Kompensationseinrichtungen 30 der HF-Kanäle K1 ... Kn minimiert wird. Die Minimierung des Fehlers kann zum Beispiel durch die Minimierung des summierten Fehlerquadrats für alle HF-Kanäle K1 ... Kn für alle verfügbaren Referenzenmessungen (reflexionsfreie Umgebung, Ziel auf Position 1 bis n) erfolgen.
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In bestimmungsgemäßen Betrieb des Radarsensors 200 wird dann abhängig vom Gruppensteuervektor und gegebenenfalls abhängig von detektierten Zielrichtungen die digital einstellbare Kompensation nachjustiert.
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3 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einem Schritt 300 wird ein Ansteuern einer Antenneneinrichtung 40 mit wenigstens zwei Antennenuntergruppen 40a, 40b, 40c mittels einer Hochfrequenzsignal-Einrichtung (20) mit Radarsignalen durchgeführt, wobei eine definierte Anzahl von HF-Kanälen K1 ... Kn zwischen der Hochfrequenzsignal-Einrichtung 20 und der Antenneneinrichtung 40 angeordnet ist.
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In einem Schritt 310 wird jeder einzelne HF-Kanal über eine zugeordnete analoge Kompensationseinrichtung digital mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung 10 derart angesteuert, dass Störeffekte eines Abdeckelements 50 kompensiert werden.
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Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung ein Radarsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Radarsystems vorgeschlagen, mit dem Messfehler (insbesondere Winkelmessfehler, vom Radarsystem unerwünschte Ziele (engl. clutter) und Messfehler durch reduzierte Messdynamik), die durch den verdeckten Einbau eines automobilen Radarsensors hinter einem beliebig geformten, gegebenenfalls lackierten Kunststoff-Formteil entstehen, deutlich verringert werden können. Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Radarsystem vorteilhaft möglich, störende Reflexionen eines Stoßfängers richtungsabhängig zu kompensieren. Denkbar ist eine Anwendung des erfindungsgemäßen Radarsystems auch in portablen elektronischen Einrichtungen, wie z.B. einem Mobiltelefon und dergleichen.
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Aufgrund der Tatsache, dass die Signalverarbeitungseinrichtung von Kompensationsaufgaben entlastet ist, ist eine exakte Betriebscharakteristik des Radarsystems mit hohem Dynamikumfang unterstützt.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit auch vorgehend nicht beschriebene Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009060164 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- F. Fitzek, „Integrierte 79 GHz Breitbandradarsensoren für Fahrerassistenzsysteme der Zukunft“, Dissertation TU München, ISBN 978-3-8439-0339-4, 2011 [0004]
- F. Pfeiffer, „Analyse und Optimierung von Radomen für automobile Radarsensoren“, Dissertation TU München, 2009 [0004]