01_Adaptive Sensoren für situativ angepasste Fahrumgebungserfassung

Das digital modulierte OFDM Radar ist ein vielversprechender Ansatz um die Einschränkungen heutiger Sensorik zu überwinden und eine adaptive Umfelderfassung zu ermöglichen. Durch die Entwicklung neuer Signalgenerierungs- und Auswertungsmethoden [1] im Rahmen des Projekts ist es möglich hochauflösende digitale OFDM Radare mit heute verfügbarer Hardware zu realisieren. Um zudem eine räumliche Lokalisierung der Objekte im Fahrzeugumfeld zu erreichen wird das Radar zu einem mehrkanaligen OFDM System erweitert. Bisher gebräuchliche Mehrkanalmethoden verminderten die Leistungsfähigkeit des Radars. Im Rahmen des Projekts wurden durch Weiterentwickelung und Verbesserungen diese Einschränkungen überwunden [3]. 

Um einen zuverlässigen Einsatz des Sensors zu garantieren, muss die Koexistenz des Systems mit traditionellen Radarsystemen untersucht werden. Im Projekt wurde messtechnisch der Störeinfluss eines herkömmlichen Radars auf ein OFDM Radar untersucht und bewertet. Da durch diese Störungen die Qualität der Radarmessung verringert wird werden geeignete Detektions- und Korrekturmethoden entwickelt [2].

Motivation und Stand der Forschung vor dem Projekt

Herkömmliche Radare wie sie im Automobilbereich eingesetzt werden zeichnen sich dadurch aus, dass der Großteil ihrer Signalgenerierung und -verarbeitung analog erfolgt. Dies hat den Nachteil, dass die Signale nicht sehr flexibel sind und eine Adaption aufgrund äußerer Bedingungen nur sehr eingeschränkt möglich ist. Zudem sind diese Radare anfällig für Störungen durch Radare anderer Verkehrsteilnehmer was zur Fehlfunktion des Sensors führen kann. Neue digitale Radarkonzepte verfolgen den Ansatz, die Signalgenerierung und -verarbeitung fast vollständig im digitalen Bereich durchzuführen. Dadurch ergibt sich, im Gegensatz zum analog modulierten Radar, eine deutlich größere Zahl an Freiheitsgraden und somit ein höheres Maß an Flexibilität und Adaptionsmöglichkeiten. Zwei vielversprechende Konzepte sind hier das PMCW (engl.: phase modulated continuous wave) sowie das OFDM Radar (engl.: orthogonal frequency-division multiplexing). Da diese Radartypen codierte rauschähnliche Signale verwenden sind sie robuster gegenüber Störungen durch andere Radare im gleichen Frequenzspektrum. Insbesondere OFDM Radare bieten zudem eine Vielzahl an Adaptionsmöglichkeiten bei der Signalgenerierung und Auswertung wodurch diese für ein adaptives Radar optimal geeignet sind.

Ziele und Schwerpunkte

  • Entwicklung neuer voll-adaptiver Radarkonzepte
  • Datengewinnung und Sensordatenverarbeitung für digital modulierte Radare (OFDM)
  • Realisierung eines OFDM-Digitalradars
  • Methoden und Konzepte zur Reduktion der für hochauflösende Digitalradare erforderlichen Signalbandbreite
  • Entwurf und Realisierung eines Konzepts eines mehrkanaligen OFDM Radars zur Lokalisierung von Zielen im Raum
  • Untersuchung der Koexistenz von digitalen und traditionellen Radarkonzepten sowie Methoden zur Detektion und Korrektur von Störungen

Lösung/Vorgehen und Ergebnisse

Digital modulierte Radare wie das OFDM Radar eignen sich durch ihre Flexibilität bei der Signalgenerierung und Auswertung zur Realisierung eines Sensors zur adaptiven Fahrumgebungserfassung. Konzepte und Methoden zur Signalverarbeitung von OFDM Radarsignalen werden zunächst mittels einer hierzu entwickelten Simulationsumgebung untersucht und verifiziert. Zusätzlich werden Messungen mit einem eigenen OFDM Radar-Demonstrator durchgeführt. Dieser erlaubt Radarmessungen im für Automobilradare zugelassenen Frequenzbereich von 77-81GHz. Die Messungen bestätigen die hohe Flexibilität, Robustheit und erzielbare Auflösung.

 

 

Bei digital modulierten Radaren erweist sich die große Signalbandbreite, die für eine hohe Auflösung des Zielabstandes benötigt wird, als kritischer Punkt. Eine zentrale Bedeutung haben hierbei der Digital-Analog- (DAC) bzw. Analog-Digital-Wandler (ADC). Mit zunehmender Signalbandbreite steigen die Anforderungen an diese Bauteile. Da ein hochauflösendes OFDM Radar mit heute, sowie auch in näherer Zukunft, verfügbarer Hardware nicht realisierbar ist, wurde ein abgewandeltes neuartiges Verfahren zur Signalgenerierung und -verarbeitung entwickelt, welches mit einer wesentlich geringeren Signalbandbreite auskommt [1]. Das Verfahren erlaubt, auf Kosten eines erhöhten Aufwands bei der Signalverarbeitung, die gewünschte hohe Auflösung bei deutlich verringerter Signalbandbreite und weist zudem keine signifikanten Qualitätseinbußen im Vergleich zu einem idealen Signal mit größerer Bandbreite auf. Dieses neue Konzept basiert auf einer geschickten Unterabtastung des Kanals in Kombination mit Frequenzsprüngen (frequency hopping) innerhalb des Messzyklus sowie einer Signalverarbeitung, welche es erlaubt die gewünschte breitbandige Kanalantwort aus einer geringeren Anzahl an Messwerten zu berechnen (u.a. durch Compressed Sensing Methoden).

 

 

Eine zunehmend wichtige Rolle bei der Verwendung von Radarsensorik zur Fahrzeugumfelderfassung spielt die Koexistenz der verwendeten Sensoren untereinander. Hierzu werden die Störeinflüsse zwischen einem OFDM Radar und einem heute bereits gebräuchlichen Automobilradar (Chirp-Sequence-Radar) simulativ und messtechnisch untersucht und bewertet. Da durch den Störeinfluss eines oder mehrerer anderer Radare die Zieldetektion erschwert wird, wurden Maßnahmen zur Störerkennung sowie zur Verringerung des Störeinflusses im Empfangssignal entwickelt und erfolgreich verifiziert [2]. Es zeigt sich, dass die Störeinwirkungen dadurch fast vollständig eliminiert werden können.

Für eine umfassende Fahrzeugumfelderfassung durch Radarsensoren ist die zusätzliche Information des Azimutwinkels eines erfassten Zieles von entscheidender Bedeutung. Dadurch wird die exakte Lokalisierung der Messpunkte im Fahrzeugumfeld und damit die Detektion und Klassifikation von ausgedehnten Objekten ermöglicht. Hierfür wird ein Signalkonzept benötigt, welches es erlaubt mehrere Sende- und Empfangsantennen innerhalb eines Messzyklus zu verwenden (MIMO). Herkömmliche Sensoren im Automobilbereich erlauben bisher lediglich den zeitversetzten Betrieb, um gegenseitige Störung zu vermeiden (TDM). Für OFDM Radare eignet sich dagegen insbesondere das Frequenzmultiplexing (FDM), welches den zeitgleichen Betrieb mehrerer Sender ermöglicht. Im Rahmen des Projekts wurden bereits bekannte sowie neue MIMO-Strategien für OFDM Radare bezüglich ihrer Integrierbarkeit und Nutzen in Automobilanwendungen bewertet und weiterentwickelt [3].

 

Referenzen:

[1] C. Knill, B. Schweizer, S. Sparrer, F. Roos, R. F. H. Fischer, and C. Waldschmidt, “High Range and Doppler Resolution by Application of Compressed Sensing Using Low Baseband Bandwidth OFDM Radar,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, no. 7, pp. 3535–3546, Jul. 2018.

[2] C. Knill, B. Schweizer, P. Hügler, and C. Waldschmidt, “Impact of an Automotive Chirp-Sequence Interferer on a Wideband OFDM Radar,” European Radar Conference, pp. 8–11, 2018.

[3] C. Knill, F. Roos, B. Schweizer, D. Schindler, and C. Waldschmidt, “Random Multiplexing for an MIMO-OFDM Radar With Compressed Sensing-Based Reconstruction,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 29, no. 4, pp. 300–302, Apr. 2019.

 

Laufzeit: 01.2019 – 12.2020

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Universität Ulm - Institut für Mikrowellentechnik

Universität Ulm - Institut für Mess-, Regel- und Mikrotechnik