DE10018553A1 - Verfahren zur Erfassung und Korrektur von Nichtlinearitäten in einem Mikrowellenradarsystem - Google Patents

Verfahren zur Erfassung und Korrektur von Nichtlinearitäten in einem Mikrowellenradarsystem

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erfassung und Kompensierung von Nichtlinearitäten in einem Mikrowellenradarsystem vorgeschlagen, bei dem mit einem Sendeoszillator (1) ein nach einer vorgegebenen Funktion frequenzmoduliertes Sendesignal erzeugt wird und aus der Mischung des Sendesignals mit einem von einem Objekt reflektierten empfangenen Signal ein Abstand des Mikrowellenradarsystems von dem Objekt ermittelt wird. In vorgegebenen Zeitfenstern (DELTAt) wird anstatt eine die Frequenzmodulation bewirkende Ansteuerspannung, vorzugsweise mit einer Testrampe (16), eine vorgegebene konstante Testansteuerspannung auf den Sendeoszillator (1) geschaltet, wobei während des Zeitfensters (DELTAt) die Spannungs-/Frequenzkennlinie eines Bausteins (12) für die Erzeugung der Funktionskennlinie für die Frequenzmodulation unter Berücksichtigung des Referenzsignals aktualisiert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung und Korrektur von Nichtlinearitäten in einem Mikrowellenradarsystem nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Es ist beispielsweise aus der DE 197 13 967 A1 bekannt dass bei einem System zur Abstandsmessung im Umgebungsbereich von Kraftfahrzeugen ein sog. FMCW-Mikrowellenradarsensor vorhanden ist (FMCW = Frequenz Modulated Continuous Wave). Dieser Radarsensor weist als wesentliche Elemente einen Sendeoszillator, einen Mischer und ein Antennensystem zur Abstrahlung und zum Empfang der an einem Objekt reflektierten Radarstrahlen auf. Das gesendete Signal ist dabei beispielsweise mit einer vorgegebenen Rampenfunktion frequenzmoduliert, so dass aufgrund der Laufzeit des empfangenen reflektierten Signals eine zwischenzeitlich durch die Modulationsrampe geänderten Frequenz des Sendesignals vorliegt und dieser Frequenzunterschied ein direktes Maß für die Abstandsmessung ist.
Die Linearität der zuvor erwähnten Rampenfunktion bzw. der ausgesendeten Frequenzrampe ist von entscheidender Bedeutung für die Messgenauigkeit, die Trennschärfe und die Empfindlichkeit des FMCW-Mikrowellenradars. Um die Erzeugung der linearen Frequenzrampen für die Modulation sicherzustellen ist bei der bekannten Anordnung noch ein Referenzoszillator vorhanden, dessen Ausgangssignal parallel zur eigentlichen Abstandsmessung direkt im Radarsensor mit dem Sendesignal gemischt wird. Aus der Demodulation dieses Signals ist eine Referenzgröße erzeugbar, die eine eventuellen Nichtlinearität im Sendezweig des Radarsensors beinhaltet und somit bei der Auswertung entsprechend berücksichtigt werden kann.
Bei herkömmlichen Mikrowellenradarsystemen wird zur Erzielung einer hinreichen guten Linearität der Frequenzrampe ev. auch eine Frequenzregelung verwendet (FLL- oder Pll-Regelkreise), die mit entsprechenden zusätzlichen, in der Regel aufwendigen, Schaltungsmaßnahmen realisiert ist. Diese Frequenzregelungen und die dazugehörigen Hardware-Schaltungskomponenten müssen im Betrieb ständig auf ihre Funktionsfähigkeit überwacht werden, weil ein Fehlverhalten innerhalb des Frequenzregelkreises zur Modulation mit nicht hinreichend linearen Frequenzrampen führt.
Mit den bekannten Anordnungen ist somit zwar eine sog. Echtzeit-Frequenzregelung auf die gewünschte Modulationsfrequenz mit einer Korrektur der Nichtlinearitäten durchführbar, jedoch ist hierfür ein relativ großer Schaltungsaufwand erforderlich.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem eingangs erwähnten Verfahren zur Erfassung und Korrektur von Nichtlinearitäten in einem Mikrowellenradarsystem, bei dem mit einem Sendeoszillator ein nach einer vorgegebenen Funktion frequenzmoduliertes Sendesignal erzeugt wird und aus der Mischung des Sendesignals mit einem von einem Objekt reflektierten empfangenen Signal ein Abstand des Mikrowellenradarsystems von dem Objekt ermittelt wird. In vorteilhafter Weise ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass in vorgegebenen Zeitfenstern anstatt eine für in normalen Messzyklen vorgesehene Frequenzmodulation bewirkende Ansteuerspannung eine vorgegebene konstante Testansteuerspannung oder eine aufeinanderfolgende Reihe solcher Spannungen auf den Sendeoszillator geführt wird.
Auf einfache Weise kann nunmehr das bei der jeweiligen konstanten Testansteuerspannung ermittelte Referenzsignal, dass einem Frequenzwert des Sendeoszillators entsprechen soll, zur Korrektur der Kennlinie für die Frequenzmodulation und somit zur Kompensation von Nichtlinearitäten herangezogen werden. Im Prinzip besteht die Erfindung also darin, dass mittels einer Testfunktion die Spannungs-/Fre­ quenzkennlinie des im mm-Wellenbereich arbeitenden Sendeoszillators vermessen wird.
Die Testansteuerung des Oszillators erfolgt dabei durch die konstante Ansteuerspannung, die für das vorgegebene Zeitfenster an den Sendeoszillator (VCO) angelegt wird. Die Testspannung wird am Sendeoszillator in eine Sendefrequenz umgesetzt und diese mit der Frequenz eines Referenzoszillators (DRO), z. B. mit dessen 6. Oberwelle, gemischt. Die Mischfrequenz ist dann proportional zur emittierten Oszillatorfrequenz, wobei die Frequenz des Referenzoszillators so gewählt werden kann, dass die Mischfrequenz in einem Bereich < 1 GHz liegt.
Für die gängige Art einer Rampe als Modulationsfunktion für den Sendeoszillator wird dann aus dem Messergebnis eine im Spannungsbereich geeignet vorverzerrte Rampenfunktion erzeugt, die die Nichtlinearität der Spannungs- /Frequenzkennlinie des Sendeoszillators berücksichtigt und kompensiert. Diese Nichtlinearitäten können beispielsweise auch durch eine nichtlinearen Frequenzrampe im normalen Betrieb aufgrund eines Fehlers des Rampengenerators oder eines Regelkreises (PLL oder FLL) sowie durch eine Fehlfunktion eines Referenzoszillators (DRO) oder einer fehlerhafte U/f-Wandlung durch den Sendeoszillator (GUNN- Oszillator) verursacht sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einer stufenförmige Testrampe durchgeführt, deren einzelne Stufen das Zeitfenster Δt mit Testansteuerspannungen jeweils unterschiedlicher Größe bilden und deren Stufen jeweils einen vorgegebenen, eventuell auch einen konstanten Hub aufweisen. Auf jeder Stufe wird dann der tatsächliche Frequenzwert des Sendeoszillators ermittelt werden.
Dieser Linearitätstest findet beim Betrieb des Mikrowellenradarsystems zyklisch, zum Beispiel einmal pro Sekunde, statt. In vorteilhafter Weise wird nach einer vorgegebenen Anzahl von Messzyklen, bevorzugt in jedem zehnten Meßzyklus und einmalig bei der Initialisierung des Mikrowellenradars die stufenförmige Testrampe an den Sendeoszillator geschaltet und dann die Testrampe derart ausgewertet, dass aus den gemessenen Frequenzwerten die Differenz der Hübe der Frequenzwerte zu den Hüben der Testrampe ermittelt wird. Die Hubdifferenzen benachbarter Stufen werden betragsmäßig addiert werden und die Summe mit einer Fehlerschwelle verglichen.
Um den für die zuvor genannte Berechnung benötigten Speicheraufwand gering zu halten, wird ein Linearitätsindikator δ gebildet, der durch sukzessives Berechnen von Summen der Hubdifferenzen ermittelt wird. Hierzu wird der Sendeoszillator von der kleinstmöglichen Frequenz über den gesamten Ansteuerungsbereich in konstanten Schrittweiten hochgefahren, wodurch man im Idealfall für die Zwischenfrequenz eine Treppenkurve mit jeweils konstantem Hub erhält. Im nächsten Schritt wird nun der Betrag der Hubdifferenz |ΔHub| von Stufe n zu Stufe n-1, bei einer Gesamtzahl von k Stufen, gebildet und anschließend über alle Hubdifferenzen aufsummiert. Es ergibt sich dadurch für den Linearitätsindikator δ folgende Beziehung:
wobei
Hubn = fstufe(n) - fstufe(n-1) (2)
ist.
Die Frequenz des aus der Mischung entstandenen Referenz­ signals kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform mit einem Frequenzteiler soweit heruntergeteilt werden, dass sie während des vorgegebenen Zeitfensters mit hinreichender Genauigkeit gemessen werden kann. Man erhält somit eine direkte Zuordnung des angelegten Testspannungswerts zur Oszillatorfrequenz.
Mit der Erfindung ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass während des oben erwähnten Zeitfensters die Spannungs- /Frequenzkennlinie des Bausteins für die Erzeugung der Funktion für die Frequenzmodulation unter Berücksichtigung des Referenzsignals aktualisiert werden kann und im Betrieb des Mikrowellenradarsystems außerhalb des Zeitfenster die aktualisierte Spannungs-/Frequenzkennlinie für die Frequenzmodulation des Sendeoszillators herangezogen wird. So kann auf einfache Weise durch Variation der Testansteuerspannung in aufeinanderfolgenden Zeitfenstern die gesamte Spannungs-/Frequenzkennlinie ermittelt bzw. aktualisiert werden, wenn sie sich z. B. durch Temperatureinflüsse verändert hat. Anschließend kann die so gefundene Kennlinie bei der Erzeugung einer Modulationsrampe für den Verlauf der Ansteuerspannung im normalen Betrieb berücksichtigt werden, so dass im Ergebnis eine lineare Frequenzrampe vom Mikrowellenradar ausgesendet wird.
Insgesamt gestattet das erfindungsgemäße Verfahren einen kostengünstigen Aufbau eines Mikrowellenradarsystems mit den erforderlichen Frequenzregrelungskomponenten, da die Aktualisierung bzw. Korrektur der Spannungs-/Frequenz­ kennlinie als Steuerbefehle in ein Softwareprogramm für die Rampenerzeugung zur Frequenzmodulation ohne großen zusätzlichen Schaltungsaufwand integrierbar sind. Weiterhin ist das vorgeschlagene Verfahren robust gegen Schwankungen in den Werten der Bauelemente in der Reglerelektronik und darüber hinaus auch leicht an neue Betriebsbedingungen adaptierbar.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Zeichnung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung und Korrektur von Nichtlinearitäten in einem Mikrowellenradarsystem wird anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild von Schaltungs- und Funktionskomponenten eines Mikrowellenradarsystems mit einer Testrampe für einen Linearitätstest;
Fig. 2 eine Treppenkurve der Testrampe zur Ansteuerung eines Sendeoszillators im Mikrowellenradarsystem nach der Fig. 1 und
Fig. 3 die für den Linearitätstest gemessene Treppenkurve im Verhältnis zu der exakten Treppenkurve.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild mit den für die Erfindung wesentlichen Elementen eines FMCW-Mikrowellenradarsystems dargestellt. Es ist ein spannungsgesteuerter Sendeoszillator 1 (GUNN-VCO), beispielsweise im Frequenzbereich von 76,5 GHz, vorhanden, dessen Ausgangssignal auf einen Sende- /Empfangsbaustein 2 geführt ist. Dieser Sende- /Empfangsbaustein 2 mit einer vorgeschalteten Linse 3 kann beispielsweise ein Bestandteil eines Radarsensors an einem Kraftfahrzeug sein, mit dem der Abstand zu einem Objekt, wie beispielsweise ein vorausfahrendes Fahrzug, ermittelt werden soll.
Das Sendesignal wird im Sende-/Empfangsbaustein 2 über Koppelbausteine 4 auf hier drei Antennen 5 zur lateralen Erfassung eines Objekts geführt werden und das empfangene, vom Objekt reflektierte Signal wird in jeweils einem Mischer 6 mit dem Sendesignal fGUNN gemischt und das Mischsignal an Ausgängen 7 wird in der, in der Beschreibungseinleitung schon erwähnten Weise zur Abstandsmessung herangezogen. Es ist weiterhin ein Referenzoszillator (DRO) 8 vorhanden, dessen Ausgangssignal mit dem Sendesignal fGUNN zur Erzeugung eines Zwischenfrequenzsignals fZF verknüpft wird. Weiterhin ist ein Mischerbaustein 9 vorhanden, dessen Ausgangssignal über einen Frequenzteiler 10 geführt wird, zur Erzeugung des weiter unten erläuterten Referenzsignals. Die Verknüpfungen der Signale im Baustein 2 erfolgen hierbei in einer in der Mikrowellentechnik typischen Kopplungsweise.
Im normalen Betriebszustand wird mit einem Rampengenerator 11 ein lineares Rampensignal u(t) erzeugt, aus dem wiederum in einem Baustein 12 eine charakteristische Spannungs- /Frequenzkennlinie f(u) herleitbar ist. Über einen Regelbaustein 13, der in der Regel mit Programmsteuerbefehlen softwaremäßig realisiert wird, kann über einen Treiber 14 der spannungsgesteuerte Sendeoszillator 1 in seiner Frequenz entsprechend der Kennlinie des Bausteins 12 moduliert werden.
Ein Testspannungsgenerator 15 erzeugt in vorgegebenen Zeitfenstern Δt eine vorgegebene konstante Testan­ steuerspannung, hier eine Testrampe 16, die in diesen Zeitfenstern Δt über den Regelbaustein 13 auf den Sendeoszillator 1 geschaltet wird.
Das vom Frequenzteiler 10 in diesen Zeitfenstern Δt abgegebene Testsignal, das einem bestimmten Frequenzwert des Sendeoszillators 1 entspricht, wird nunmehr zur Korrektur der Spannungs-/Frequenzkennlinie im Baustein 12, wieder über den Regelbaustein 13 geleitet, herangezogen. Für die Modulationsfunktion des Sendeoszillator 1 wird somit aus dem Testsignalen eine im Spannungsbereich geeignete vorverzerrte Spannungsrampe erzeugt, die die Nichtlinearität innerhalb des Mikrowellenradarsystems berücksichtigt.
In Fig. 2 ist in Anlehnung an die Testrampe 16 des Testgenerators 15 die daraus resultierenden ideale Frequenz fGUNN des Sendeoszillators 1 von fmin bis fmax über einer Ansteuerspannung UDAC dargestellt mit Stufen S1 bis S6, die sich jeweils mit Hüben H1 bis H6 voneinander unterscheiden. Die aus der Beziehung für einen Linearitätsindikator δ folgende Berechnung nach der Formel (1)
mit
Hubn = fstufe(n) - fstufe(n-1)
erzeugte Summe aller Hubdifferenzen wird dann mit dem festgelegten Maximalwert fmax verglichen. Bei Überschreitung des Maximalwertes fmax wird dies als eine positive Fehlerdetektion gewertet und eine Korrektur der Kennlinie, wie anhand der Fig. 1 beschrieben, vorgenommen. Da die Frequenzhübe H1 bis H6 eventuell in einem Zeitfenster Δt nicht exakt ermittelt werden, gilt es eine Mindestanzahl von benötigten Differenzzählerständen pro Stufenfrequenz festzulegen, um eine entsprechende Mindestgenauigkeit bei der Hubberechnung und somit auch bei der Berechnung der Summe aller Hubdifferenzen zu erhalten. Weiterhin ist auch die Gesamtzahl der Stufen und die maximale Summe der Hubdifferenzen, bei der eine Fehlerreaktion erfolgen soll, zu berücksichtigen.
Mit einer an sich bekannten mikroprozessorgesteuerten elektronischen Schaltungsanordnungen kann die erforderliche Stufenfrequenz aus den gemessenen Signalen ermittelt werden. Mit Hilfe einer Interrupt-Steuerung (Timer Mode) wird die Anzahl auftretender Pegelwechsel mit definierter Richtung (d. h. HIGH-LOW oder LOW-HIGH) des Prozessortaktes innerhalb einer Periode des Referenzsignals ermittelt. Intern wird dabei ein Zähler bei jedem Pegelwechsel von inkrementiert und mittels eines Interrupts ist es nun möglich bei jeder positiven (oder auch negativen) Flanke des Referenzsignals diesen Zählerstand auszulesen. Bei einem Prozessortakt von 28,5 MHz ergibt dies z. B. ein Δt von ca. ±70 ns. Um den Fehler bei der Berechnung der Stufenfrequenz zu minimieren, kann man statt nur über eine Periode über n Perioden messen und dann den Differenzzählerstand entsprechend durch n teilen. Da auch bei einer Messung über n Perioden ein maximaler Fehler des Differenzzählerstandes von ±1 auftritt ergibt sich durch die anschließende Teilung ein maximaler Fehler von ±1/n.
Aus Fig. 3 ist als punktierte Linie die exakte Treppenkurve 16 mit Stufen S1 bis S5 und als durchgezogene Linie die gemessene Treppenkurve 17 gezeigt. Die positiven und negativen Abweichung Δs1 bis Δs5 sind hier ebenfalls jeweils an jedem Hub zwischen den Stufen S1 bis S5 eingezeichnet. Für die Linearitätsüberwachung mit Hilfe der Summe der Hubdifferenzen wird der systematische Fehler maximal, wenn die berechneten Hübe abwechselnd einen maximalen positiven bzw. max. negativen Fehler aufweisen. Dies ergibt sich, wenn der Fehler bei der Stufenfrequenzberechnung abwechselnd maximal positiv bzw. max. negativ ist, wie aus der Fig. 3 zu entnehmen. Für den Linearitätsindikator δ ergibt sich somit als systematischer Fehler im schlechtesten Fall:
δ = (Δs1 + 2.Δs2 + Δs3) + (Δs2 + 2.Δs3 + Δs4)+(Δs3 + 2.Δs4 + Δs5)+. . . (3)
oder
Unter Einbeziehung der Frequenzwerte für die Stufenabweichungen Δs1 bis Δs5 ist es nun möglich, durch einfaches Umstellen dieser Gleichung für einen beliebigen maximalen, systematischen Fehler die dafür benötigte Anzahl n der Stufen zu ermitteln. Beispielsweise erhält man für eine untere Rampenfrequenz von ca. 400 MHz und einem Gesamthub von ca. 200 MHz und insgesamt 10 Stufen bei einem maximalen systematischen Fehler von 1 MHz ein minimal benötigtes n von 36.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erfassung und Korrektur von Nichtlinearitäten in einem Mikrowellenradarsystem, bei dem mit einem Sendeoszillator (1) ein nach einer vorgegebenen Funktion frequenzmoduliertes Sendesignal erzeugt wird und aus der Mischung des Sendesignals mit einem von einem Objekt reflektierten empfangenen Signal ein Abstand des Mikrowellenradarsystems von dem Objekt ermittelt wird und bei dem die Linearitätseigenschaften des Mikrowellenradarsystems mittels eines Referenzsignals untersucht werden und die jeweiligen Ergebnisse zur Korrektur herangezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in vorgegebenen Zeitfenstern (Δt) anstatt eine die Frequenzmodulation bewirkende Ansteuerspannung eine vorgegebene konstante Testansteuerspannung (16) auf den Sendeoszillator (1) geschaltet wird und dass während des Zeitfensters (Δt) die Spannungs-/Frequenz­ kennlinie eines Bausteins (12) für die Erzeugung der Funktionskennlinie für die Frequenzmodulation unter Berücksichtigung des Referenzsignals aktualisiert wird und im Betrieb des Mikrowellenradarsystems außerhalb des Zeitfenster (Δt) die aktualisierte Spannungs-/Frequenz­ kennlinie für die Frequenzmodulation herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine stufenförmige Testrampe (16) verwendet wird, deren einzelne Stufen (S1 bis S6) das Zeitfenster (Δt) mit Testansteuerspannungen jeweils unterschiedlicher Größe bilden und deren Stufen (S1 bis S6) jeweils einen vorgegebenen Hub (H1 bis H6) aufweisen, dass auf jeder Stufe (S1 bis S6) ein Testsignal unter Erzeugung des entsprechenden Frequenzwerts (fGUNN) des Sendeoszillators (1) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubdifferenzen (Δs1 bis Δs5) benachbarter Stufen (S1 bis S5) betragsmäßig addiert werden und die Summe mit einer Fehlerschwelle (fmax) verglichen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Linearitätsindikator (δ) durch sukzessives Berechnen von Summen der Hubdifferenzen (Δs1 bis Δs5) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubdifferenzen durch Auswertung der Zählerstände einer mikroprozessorgesteuerten Schaltungsanordnung ermittelt werden, wobei zur Erreichung einer Mindestgenauigkeit eine Mindestanzahl von benötigten Differenzzählerständen pro Stufenfrequenz festgelegt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenfrequenz aus der Gesamtzahl der Stufen und der maximalen Summe der Hubdifferenzen, bei der eine Fehlerreaktion erfolgen soll, ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Stufenfrequenz über eine Mehrzahl (n) von Perioden gemessen wird und der so gemessenen Differenzzählerstand durch die Anzahl (n) geteilt wird.
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