Band 84 Karlsruher Forschungsberichte aus dem Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik Tom Schipper Modellbasierte Analyse des Interferenzverhaltens von Kfz-Radaren Tom Schipper Modellbasierte Analyse des Interferenzverhaltens von Kfz-Radaren Karlsruher Forschungsberichte aus dem Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Thomas Zwick Band 84 Eine Übersicht aller bisher in dieser Schriftenreihe erschienenen Bände finden Sie am Ende des Buches. Modellbasierte Analyse des Interferenzverhaltens von Kfz-Radaren von Tom Schipper Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie KIT-Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, 2016 Print on Demand 2017 – Gedruckt auf FSC-zertifiziertem Papier ISSN 1868-4696 ISBN 978-3-7315-0639-3 DOI 10.5445/KSP/1000066931 This document – excluding the cover, pictures and graphs – is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International License (CC BY-SA 4.0): https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en The cover page is licensed under the Creative Commons Attribution-No Derivatives 4.0 International License (CC BY-ND 4.0): https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/deed.en Impressum Karlsruher Institut für Technologie (KIT) KIT Scientific Publishing Straße am Forum 2 D-76131 Karlsruhe KIT Scientific Publishing is a registered trademark of Karlsruhe Institute of Technology. Reprint using the book cover is not allowed. www.ksp.kit.edu Vorwort des Herausgebers Radarsensoren sind in den letzten Jahren zu einer festen Gr ̈ oße im Automo- bilgesch ̈ aft geworden und werden erfreulicherweise zu einem sehr großen Teil in Deutschland entwickelt und gefertigt. Unterschiedliche Sch ̈ atzungen rechnen mit einem weltweiten Anteil an Fahrzeugen im Straßenverkehr mit mindestens einem Radar zwischen 30% und 80% im Jahr 2030. Zwar sind die Radare im Kfz heute alle noch Teil reiner Fahrerassistenzsysteme (d.h. die Verantwortung liegt ausschließlich beim Fahrer), so wird doch jetzt schon fieberhaft an zuk ̈ unftigen Systemen f ̈ ur das autonome Fahren gearbeitet. Beim autonomen Fahren muss das System die Verantwortung f ̈ ur jegliche Fahrman ̈ over ̈ ubernehmen, was eine extreme Herausforderung an die Zuverl ̈ assigkeit der Sensorik bedeutet. Auf- grund der extremen Komplexit ̈ at der Kfz-Umgebung ist mehrfache Sensorredun- danz unabdingbar. Alle Kfz-Firmen sind sich einig, dass mehrere Sensortechno- logien (Radar, Kamera sowie evtl. Lidar und Ultraschall) gleichzeitig eingesetzt werden m ̈ ussen aber auch die Sensoren einer Technologie selbst redundant den gleichen Umgebungsabschnitt beobachten m ̈ ussen. Zur Erreichung der genann- ten Ziele werden allerdings noch mehrere große Herausforderungen ̈ uberwunden werden m ̈ ussen. Neben verbesserten Sensoren selbst wird zum einen eine virtuelle Testumgebung f ̈ ur Fahrzeuge inkl. Sensorik ben ̈ otigt, um die Sensoren effizient weiterentwi- ckeln aber auch benchmarken bzw. qualifizieren zu k ̈ onnen. Zum anderen l ̈ asst die zunehmende Verbreitung von Radarsensoren das Thema Interferenz relevant werden. Genau an diesen Punkten setzt die Arbeit von Herrn Tom Schipper an. In seiner Dissertation hat Herr Schipper wichtige wissenschaftliche Grundlagen zur modellbasierten Analyse des Interferenzverhaltens zwischen Kfz-Radaren erarbeitet. Wesentliche Zusammenh ̈ ange werden theoretisch aufgezeigt, mit Messungen verifiziert und es wird ein Signalmodell zur detaillierten Vorher- sage entwickelt. Herr Schipper realisiert eine neuartige virtuelle Testumgebung, mit der Automobilradare vor der Hardwarerealisierung optimiert und auf Inter- ferenztoleranz hin getestet werden k ̈ onnen. Insbesondere Letzteres ist mit Mes- sungen im heutigen Straßenverkehr aufgrund der noch eher geringen Verbreitung von Radaren mit Messungen gar nicht m ̈ oglich. Herr Schipper hat hier, in Zu- sammenarbeit mit dem Joint Research Center der Europ ̈ aischen Kommission in Ispra, eigens RCS-Messdaten f ̈ ur verschiedene Fahrzeuge erhoben, um das ver- wendete Wellenausbreitungsmodell realit ̈ atsnahkonfigurieren zu k ̈ onnen. Basie- rend auf dem neuartigen Simulationsmodell konnte der Effekt einer schrittwei- sen Erh ̈ ohung der Radarpenetrationsrate im Straßenverkehr auf das St ̈ orpotential erstmalig umfassend untersucht werden. Herr Schipper hat mit den von ihm vorgestellten Methoden wichtige Grundlagen zum Testen von Automobilradaren gelegt und damit schon jetzt viel Aufmerk- samkeit in der Fachwelt erregt. Ich w ̈ unsche ihm alles Gute f ̈ ur die Zukunft und hoffe, dass er seine exzellenten und vielseitigen F ̈ ahigkeiten auch weiterhin er- folgreich einsetzen kann. Prof. Dr.-Ing. Thomas Zwick - Institutsleiter - Modellbasierte Analyse des Interferenzverhaltens von Kfz-Radaren Zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTOR-INGENIEURS von der Fakult ̈ at f ̈ ur Elektrotechnik und Informationstechnik, am Karlsruher Institut f ̈ ur Technologie (KIT) genehmigte DISSERTATION von M. Sc. Tom Schipper geb. in Frankenthal Tag der m ̈ undlichen Pr ̈ ufung: 31.05.2016 Hauptreferent: Prof. Dr.-Ing. Thomas Zwick Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Menzel Zusammenfassung Die steigende Anzahl verbauter Kfz-Radarsensoren verlangt aktuell nach einer eingehenden Untersuchung von deren gegenseitiger Interferenz. Die vorliegende Arbeit liefert zu diesem Forschungsgebiet Beitr ̈ age in Form von Modellen und darauf aufbauenden Analysen. Die einzelnen Modelle werden weiter zu einer virtuellen Testfahrt verkn ̈ upft, welche die Entwicklung und Evaluation von kom- pletten Kfz-Radarsensoren unter Ber ̈ ucksichtigung des Radar-Funkkanals er- laubt. Im Rahmen dieser Arbeit wird die virtuelle Testfahrt im Kontext der Ra- darinterferenz eingesetzt. F ̈ ur ein herk ̈ ommliches FMCW-Radar werden die empfangenen St ̈ orsignale f ̈ ur CW-, FMCW- oder CS-Modulationen nach dem Mischvorgang im Zeit- und Fre- quenzbereich modelliert. Auch wird der Einfluss von Anti-Aliasing-Filter und Analog-Digital-Wandler auf St ̈ orsignale sowie gest ̈ orte Nutzsignale diskutiert. Faustformeln, abgeleitet aus den Erkenntnissen dieser Diskussion, erlauben die Absch ̈ atzung des Gesamtgewinns eines Radars gegen ̈ uber St ̈ orungen. Auf Basis dieses Gesamtgewinns werden systematisch potentiell problematische Konstel- lationen von Radar, Ziel und St ̈ orer identifiziert. Durch die Kombination aus Wellenausbreitungsmodell, Zielmodellierung, Ver- kehrsfluss- und Umgebungsmodell sowie den Signalmodellen entsteht ein Mehr- Nutzer Kfz-Radar Simulator. Letzterer wird eingesetzt, um die Einfl ̈ usse von Umgebung, Radarpenetrationsrate sowie von Verkehrsflussparametern auf das St ̈ orpotential, die insgesamt empfangene St ̈ orleistung, abzusch ̈ atzen. Weiter wird die Anwendung des Simulators f ̈ ur zwei typische Interferenz-Sze- narien demonstriert, der Detektion eines Fußg ̈ angers an einer Kreuzung, sowie f ̈ ur die Einfahrt und Durchquerung eines Kreisverkehrs. Dabei kann die Re- duktion der Empfindlichkeit eines Kfz-Radarsensors in einer virtuellen Test- fahrt nachvollzogen werden, weswegen sich der Einsatz von Interferenz-Gegen- maßnahmen empfehlen kann. i Zusammenfassung Auf Basis der Erkenntnisse aus den vorherigen Kapiteln werden ausgesuchte Interferenz-Gegenmaßnahmen auf deren Wirksamkeit hin eingesch ̈ atzt und, als weitere Anwendungsdemonstration des Simulators, zum Teil parametrisiert. Letztlich wird ein Vorschlag zu deren kombiniertem Einsatz gegeben. ii Inhaltsverzeichnis Abk ̈ urzungen, Symbole und Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . vii 1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Ziele der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 L ̈ osungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 Systemmodell und Interferenzeffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1 Definition des Systemmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.1 Sendeseite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.2 Modellierung des Funkkanals . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.3 Empfangsseite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Modellierung des Nutzsignals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Modellierung von FMCW-St ̈ orungen . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.1 St ̈ orung im Zeitbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.2 St ̈ orung im Frequenzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.3 Einfluss des Anti-Aliasing Filters auf das St ̈ orsignal . . . . 36 2.3.4 Mehrfache St ̈ orungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.3.5 Modellierung des Gesamtsignals . . . . . . . . . . . . . . 59 2.3.6 Gewinn gegen ̈ uber St ̈ orungen . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.4 Konstellationsdiagramm f ̈ ur die Reichweite von Radaren . . . . . 68 2.5 St ̈ orungen und ben ̈ otigter Dynamikbereich von ADCs . . . . . . 72 3 Konzeption eines Mehr-Nutzer Kfz-Radar Simulators . . . . . . . 79 3.1 Chancen und Herausforderungen der virtuellen Testfahrt . . . . . 79 3.2 Systemsimulation und Simulationskontrolle . . . . . . . . . . . . 83 3.3 Automatische Szenario-Generierung . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.3.1 Verkehrssimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.3.2 Auswahl relevanter Verkehrsteilnehmer . . . . . . . . . . . 88 3.3.3 Szenario-Erstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.4 Manuelle Szenario-Generierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 iii Inhaltsverzeichnis 3.5 Bestimmung der Funkkan ̈ ale f ̈ ur die Systemsimulation . . . . . . 96 3.5.1 Kurzeinf ̈ uhrung in das Wellenausbreitungsmodell . . . . . 96 3.5.2 Methodik zur Simulation des Radar-Funkkanals . . . . . . 99 3.5.3 Messung des monostatischen RCS . . . . . . . . . . . . . 103 3.5.4 Modellierung von verteilten Zielen . . . . . . . . . . . . . 109 4 Simulative Absch ̈ atzung des zuk ̈ unftigen St ̈ orpotentials . . . . . . 111 4.1 Aufbau der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.1.1 Definition und Modellierung der Szenarien . . . . . . . . . 111 4.1.2 Stichprobe und Stichprobenumfang . . . . . . . . . . . . . 113 4.1.3 Bewertungskriterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.1.4 Konfiguration der Antennen . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.2 Simulationsergebnisse f ̈ ur Fahrt auf gerader Strecke . . . . . . . . 117 4.2.1 Szenario A: Einfluss der Radarpenetrationsrate . . . . . . . 117 4.2.2 Szenario B: Einfluss der Anzahl von Fahrstreifen je Fahrtrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.2.3 Szenario C: Einfluss der Umgebung . . . . . . . . . . . . . 121 4.2.4 Szenario D: Einfluss der Wunschgeschwindigkeit . . . . . . 122 4.3 Simulation f ̈ ur Fahrt ̈ uber Kreuzung . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.4 Detektionswahrscheinlichkeit f ̈ ur nicht fluktuierende Ziele . . . . 127 4.5 Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 5 Anwendungsdemonstrationen des Simulators . . . . . . . . . . . . 131 5.1 Detektion eines Fußg ̈ angers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2 Systemsimulation f ̈ ur die Einfahrt in einen Kreisverkehr . . . . . 139 5.3 Verbesserung der St ̈ orfestigkeit von Kfz-Radarsensoren . . . . . . 143 5.3.1 Entkopplung durch Polarisationsdiversit ̈ at . . . . . . . . . . 143 5.3.2 Entkopplung durch richtungsabh ̈ angige Unterteilung des Spektrums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.3.3 Adaptive Entscheidungsschwellen . . . . . . . . . . . . . . 146 5.3.4 St ̈ ordetektion und St ̈ orunterdr ̈ uckung im Zeitbereich . . . . 147 5.3.5 Variation von Pausenzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 5.3.6 Variation des genutzten Frequenzbereichs . . . . . . . . . . 155 5.3.7 Variation der Abfolge von Frequenzrampen . . . . . . . . . 157 5.3.8 Steuerung der variablen Verst ̈ arkung . . . . . . . . . . . . 158 5.4 Kombinierter Einsatz von Gegenmaßnahmen . . . . . . . . . . . 159 6 Schlussfolgerungen und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 iv Inhaltsverzeichnis A Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 A.1 Koordinatensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 A.2 Berechnung von Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 A.3 Fourier-Transformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 A.4 Informationen zum Experimentalradar . . . . . . . . . . . . . . . 169 A.5 Aufbau zur Generierung von St ̈ orsignalen . . . . . . . . . . . . . 170 A.6 Hampel-Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 A.7 Bin ̈ are Klassifikation und G ̈ utekriterien . . . . . . . . . . . . . . 171 A.8 St ̈ orungen durch Pulsradare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 v Abk ̈ urzungen, Symbole und Konstanten Abk ̈ urzungen AAF engl. Anti-Aliasing Filter ACC engl. Adaptive Cruise Control ADC engl. Analog-Digital-Converter (Analog-Digital-Wandler) ADS Advanced Design System der Firma Keysight® AEB engl. Autonomous Emergency Braking BLR engl. Backward Looking Radar (r ̈ uckw ̈ arts schauendes Radar) BLRR engl. Backward Looking Radar Right (r ̈ uckw ̈ arts schauendes Radar, rechte Seite) BLRL engl. Backward Looking Radar Left (r ̈ uckw ̈ arts schauendes Radar, linke Seite) CAS engl. Collision Avoidance System CFAR engl. Constant False Alarm Rate CPG engl. Coherent Power Gain CS engl. Chirp Sequence (Radar) CW engl. Continuous Wave (Radar) (Dauerstrich(radar)) DBF engl. Digital Beamforming DC engl. Duty Cycle (Tastgrad) DS engl. Desired Speed dBsm engl. Decibel square meter EIRP engl. Equivalent Isotropically Radiated Power ( ̈ Aquivalente isotrope Strahlungsleistung) ESP Elektronisches Stabilit ̈ atsprogramm vii Abk ̈ urzungen, Symbole und Konstanten ETSI engl. European Telecommunications Standards Institute (http://www.etsi.org/) Euro NCAP engl. European New Car Assessment Programme FFT engl. Fast Fourier Transformation (Schnelle Fouriertransformation) FLR engl. Forward Looking Radar (vorw ̈ arts schauendes Radar) FMCW engl. Frequency Modulated Continuous Wave (Radar) (Frequenzmoduliertes Dauerstrich(radar) FSK engl. Frequency Shift Keying (Radar) FT Fourier-Transformation oder Fourier-Transformierte Fzp Fahrzeugprotokoll, VISSIM Version 5.40 GKS Globales Koordinatensystem GO engl. Geometrical Optics GPL GNU Public License HF Hochfrequenz HIL Hardware in the Loop IFFT engl. Inverse Fast Fourier Transformation IFOC engl. Interference Free Operation Constellations ihert3d engl. ihe r ay- t racing 3d , Software zur Simulation der Wellenausbreitung in 3D des IHE I/Q In-Phase und Quadratur JRC engl. Joint Resarch Center of the European Commission, Ispra, Italy Kfz Kraftfahrzeug LKS Lokales Koordinatensystem Lkw Lastkraftwagen LNA engl. Low Noise Amplifier (Rauscharmer Verst ̈ arker) LPD engl. Lanes Per Driving Direction LO Lokaler Oszillator (engl. Local Oscillator) LOS engl. Line-Of-Sight MAD engl. Median Absolute Deviation MATLAB engl. MATrix LABoratory®Software der Firma The Mathworks, Inc. Pkw Personenkraftwagen PRF engl. Pulse Repetition Frequency (Pulswiederholfrequenz) RCS engl. Radar Cross Section (Radarr ̈ uckstreuquerschnitt) viii