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Elektrooptische MIMO-Radarsysteme für das Autonome Fahren

Unsere Fachgruppe entwickelt in Kooperation mit Partnern aus Industrie und Forschungsinstituten hochintegrierte elektrooptische MIMO-Radarsensoren für Anwendungen im Bereich hochautomatisiertes Fahren. Im Gegensatz zu anderen Sensorkonzepten für automatisches Fahren, wie z.B. Lidar (Light detection and ranging), VLC (visible light communication) oder kamera-basierten Systemen, sind radar-basierte Systeme deutlich robuster gegenüber Umwelteinflüssen, wie Umgebungslicht, Regen, Schnee, Nebel usw. Ausserdem sind Radarsysteme in der Lage selbst über sehr große Distanzen Objekte zuverlässig zu detektieren. Allerdings ist die Winkelauflösung selbst bei modernen Radarsystemen derzeit nicht ausreichend für das automatische Fahren.

Abb. 1: Block Diagramm des elektronisch-photonischen MIMO Radarsystems

Der limitierende Faktor bei der Winkelauflösung ist u.a. die maximale Fläche des Antennen-Arrays (Antennen-Apertur), denn je größer die Antennen-Apertur ist, desto besser ist die Winkelauflösung des Radarsystems, d.h. kleinere Objekte werden besser erkannt.
Eine große Herausforderung ist dabei die Kommunikation zwischen den Hochfrequenz-Radar-Frontends (77 GHz Radar-Chip mit Antenne) und der Zentralstation, in der die Sendesignale erzeugt und die Empfangssignale verarbeitet werden. Selbst bei moderaten Frequenzen von einigen GHz ist der maximale Abstand der Antennen durch Verluste in den elektrischen Leitungen (mehrere dB/cm), auf einige cm beschränkt. Im Gegensatz zu elektrischen Leitungen haben Glasfasern nur Verluste im Bereich von 0,1dB/km auch bei sehr hohen Frequenzen, wodurch es möglich ist den Abstand der Antennen fast beliebig groß zu entwerfen, wodurch die Winkelauflösung fast beliebig fein eingestellt werden kann.
Abb. 1 zeigt ein Blockschaltbild für solch ein elektrooptisches Radarsystem. In einer Zentralstation wird das Radarsignal vom elektrischen ins optische gewandelt, an beliebig viele Transmitter und Receiver verteilt. Diese Transmitter und Receiver formen dann eine Phasengesteuerte Gruppeantenne, die die Umgebung mit hoher Winkelauflösung auch bei hohen Reichweiten detektieren kann. Im Rahmen des Projekts wurden die weltweit ersten integrierten photonisch-elektronischen Radarchips (Abb. 2) entwickelt. Das optische Signal wird über Gitterkoppler in den Chip eingekoppelt, mittels Photodiode und Transimpedanzverstärker in ein elektrisches Signal gewandelt, in das Radarband von 76 GHz-77GHz hochgemischt, welches für automobile Anwendungen lizensiert ist, bevor es in einem Pufferverstärker und einem Leistungsverstärker verstärkt wird.

Abb. 2: Chip Foto des weltweit ersten elektronisch-photonischen Radartransmitters.