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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors, ein
Modul, das mit einem Sensor zusammenwirkt, einen Sensor, ein Computerprogramm
und ein Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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Bei
der Messung eines Gebiets mit einem sog. "Long Range Radar" Sensor wird eine Radarwelle von dem
Sensor ausgestrahlt, an dem Objekt reflektiert und von dem Sensor
wieder aufgefangen. Die Laufzeit und Dopplerverschiebung, die dabei
auftreten, werden bei diesem Radarsensor zur Bestimmung von Abstand
und Relativgeschwindigkeit des Objekts benutzt.
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Wenn
die Radarwelle auf ihrem Ausbreitungsweg auf verlustbehaftete dielektrische
Schichten trifft, entsteht eine Reflexion und Dämpfung durch Absorption. Bei
schlechten Wetterverhältnissen
kann sich eine Wasserschicht an der Linsen- oder Radomoberfläche des
Sensors aufbauen und eine derartige dielektrische Schicht bilden.
Ab einer Wasserschichtdicke von ca. 0.23 mm wird bei einer Frequenz
von ca. 76.5 GHz 50 % der Leistung an der Wasserschicht reflektiert
und ca. 63 % der Restleistung durch Absorption gedämpft. Dadurch
wird das Signalrauschverhältnis
stark degradiert, was einen erheblichen Detektionsperformanceverlust
des Radarsensors verursacht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors für elektromagnetische
Strahlen, bei dem eine Verschiebung eines Arbeitspunkts auf einer
Kennlinie einer elektronischen Komponente des Sensors mittels eines
Frequenzabtastverfahrens bestimmt wird.
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Hierbei
ist typischerweise vorgesehen, dass jeweils eine aktuelle Kennlinie
für den
Arbeitspunkt gemessen und somit bestimmt sowie als Referenz abgelegt
wird. Dabei wird regelmäßig die
aktuell gemessene Kennlinie mit einer bereits abgelegten Kennlinie
verglichen. Insbesondere in diesem Zusammenhang kann es möglich sein,
dass die Verschiebung des Arbeitspunkts zyklisch gemessen wird.
Es sind jedoch azyklische, nach einem jeweiligen Bedarf orientierte
Messungen durchführbar.
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In
Ausgestaltung wird die Verschiebung des Arbeitspunkts gemessen,
wenn sich der Sensor in einem definierten und/oder bekannten Zustand
befindet. Dabei kann die Verschiebung des Arbeitspunkts insbesondere
dann gemessen werden, wenn ein Oberflächenmodul des Sensors frei
von Verunreinigungen, wie bspw. Feuchtigkeit in Form von Niederschlag,
ist.
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Außerdem werden
bei einer Variante der Erfindung jene Frequenzpunkte des Arbeitspunkts
auf der Kennlinie gespeichert, für
die die elektronische Komponente besonders empfindlich reagiert.
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Das
erfindungsgemäße Modul
wirkt mit einem Sensor für
elektromagnetische Strahlen zusammen. Dieser Sensor weist mindestens
eine elektronische Komponente auf. Das Modul ist dazu ausgebildet,
eine Verschiebung eines Arbeitspunkts auf einer Kennlinie einer
elektronischen Komponente des Sensors mittels eines Frequenzabtastverfahrens
zu bestimmen.
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Mit
diesem Modul sind sämtliche
Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausführbar.
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Die
Erfindung betrifft zudem einen Sensor, der mindestens eine elektronische
Komponente und ein Modul, insbesondere das erfindungsgemäße Modul,
aufweist, wobei das Modul dazu ausgebildet ist, eine Verschiebung
eines Arbeitspunkts auf einer Kennlinie einer elektronischen Komponente
des Sensors mittels eines Frequenzabtastverfahrens zu bestimmen.
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Die
mindestens eine elektronische Komponente des Sensors kann als Mischerdiode
oder Vorverstärker
ausgebildet sein. Das Oberflächenmodul des
Sensors ist als Radom (Radar Dom) oder Linse ausgebildet.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
durchzuführen,
wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden
Recheneinheit, insbesondere in einem erfindungsgemäßen Modul,
das mit einem Sensor zusammenwirkt, ausgeführt wird.
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Das
erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt
mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind,
ist dazu ausgebildet, alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens
durchzuführen,
wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden
Recheneinheit, insbesondere in einem Modul, das mit einem Sensor
zusammenwirkt, ausgeführt
wird.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein Frequenzabtast- bzw. Frequency-Scanning
Verfahren zur Messung einer Reflexion an einer Linsen- oder Radombelegung
des Sensors für
elektromagnetische Wellen bereitgestellt.
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Durch Überwachung
des Arbeitspunkts der Mischerdiode oder, je nach Radarschaltungsprinzip, eines
Vorverstärkers
lassen sich extreme Degradationen des Radarsignals erkennen. Das
vorliegende Verfahren dient somit in Ausgestaltung zur Messung der
unmittelbar auf der Sensoroberfläche
reflektierten Signalleistung. Bei Aussenden einer CW-Radarwelle
wird diese an der Wasserschicht stark reflektiert. Die stark reflektierte
Signalleistung verschiebt bei der Homodynmischung den Arbeitspunkt
der Mischerdiode, indem sie abhängig
von der Phasenlage des reflektierten Signals den Diodenstrom unter- bzw. übersteuert.
Die Phasenlage ist wiederum abhängig
von der Signalweglänge
zwischen der Mischerdiode und der Signalreflexionsstelle, d.h. der Radom-
oder Linsenoberfläche,
die bei verschiedenen Radarsensoren bis zu 1/8 der Wellenlänge schwanken
kann.
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Bei
einer Signalphasenlage, die ein vielfaches der Wellenlänge beträgt, lässt sich
durch Messung dieser Größe am Diodenausgang
der Grad der Reflektivität
an der Linsen- bzw. Radomoberfläche und
damit die Radarsignaldegradation bzw. die vollständige Sensorblindheit aufgrund
der Wasserschicht eindeutig erkennen.
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Das
vorliegende Verfahren ist für
alle Radarsysteme einsetzbar. Bei der Umsetzung dieses Messverfahren
können
große
mechanische Gehäusetoleranzen
bzw. unterschiedliche Radomgeometrien für ein Serienprodukt berücksichtigt
werden. Derartige bauliche Einflüsse
werden bei dem Frequenzabtastverfahren minimiert, außerdem ist
eine Serientauglichkeit für
verschiedene Sensoren gewährleistet.
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Mit
der Erfindung werden des weiteren Messalgorithmen zur Feststellung
der Radarsensorblindheit, insbesondere bei FMCW-LRR-Radarsensoren, wie
z. B. für
den sog. ACC-Sensor, bereitgestellt. Diese Messalgorithmen können Reflexionen
von der Radarlinsenbelegung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
unabhängig
von der Temperatur, der Alterung, der Gehäusetoleranz und der Linsen-
bzw. Radomgeometrie messen.
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Radarsensoren
werden in der Regel durch den Aufbau von verlustbehafteten dielektrischen Schichten,
wie Wasser oder Schneematsch im Strahlungsfeld, je nach Betriebsfrequenz
unterschiedlich stark degradiert. Dieser Effekt tritt besonders
bei höheren
Frequenzen, z. B bei Radarsensoren für Automotivanwendung, auf und
kann das Radarsignal vollständig
blockieren. Durch Messung der Arbeitspunktverschiebung der Mischerdiode
bzw. des Vorverstärkers
lassen sich Wasser oder Schneematsch auf der Linsen- oder Radomoberfläche und
damit die Blindheit des Radarsensors erkennen. Der hier beschriebenen
Messalgorithmen zeigen, wie diese Messung unabhängig von der Temperatur, der
Alterung, der Gehäusetoleranz
und -geometrie durchgeführt
werden kann. Damit ist auch der Aufwand zur Umsetzung des Verfahrens
für die
Serienproduktion reduziert. Dieser Ansatz kann bei Long Rang Radar
für Anwendungen
zur Erkennung der Wasserschichtbildung auf der Linse-/Radomoberfläche, zur
Abschätzung
eines Radarsensorperformanceverlustes sowie zur Steuerung bzw. Aktivierung
von Gegenmaßnahmen,
wie z. B. einer Linsenheizung, eingesetzt werden.
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Radarsysteme
oder -einrichtungen nutzen typischerweise elektrische Komponenten
mit nicht linearen Eigenschaften, wie bspw. Mischerdioden oder Vorverstärker, zur Signalfrequenzvervielfachung
bzw. Signalverstärkung.
Hauptsächlich
wird der Arbeitspunkt der Mischerdiode von der Temperatur, der Steuerspannung,
bspw. Gunnleistung oder -frequenz der reflektierten Signale und/oder
der Alterung beeinflusst. Diese zwingen den Arbeitspunkt, sich auf
der Kennlinie, insbesondere einer sogenannten Arbeitsgerade, unterschiedlich
zu verschieben, was im Rahmen der Erfindung zur Feststellung der Reflexionsstärke der
Linsenbelegung und damit verursachten Signaldegradation eines automotiven
Radarsensors genutzt wird.
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Das
Frequenzabtastverfahren misst in Ausgestaltung zunächst die
Kennline des Arbeitspunkts der Mischerdioden in diskreten Frequenzschritten
innerhalb des zugelassenen Frequenzbereiches beim freien Sensor
und legt diese als Referenz ab. Dies ist nötig, um den Blindheitsindikator
unabhängig
von den Gehäusetoleranzen,
bspw. einem effektiven Abstand zwischen der Linsen- oder Radomoberfläche und
der Mischerdioden, zu machen. Dabei werden in jedem Falle auch die
Frequenzpunkte gemessen, bei denen der Arbeitspunkt der Mischerdioden
am empfindlichsten reagiert.
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Um
nun auch noch die Temperaturabhängigkeit
und die Alterung der Bauteile zu eliminieren, wird diese Referenz-Kennlinie
zyklisch immer wieder aktuell gemessen, wenn aufgrund bestimmter
Situationen eindeutig sichergestellt werden kann, dass die Linsen-
oder Radomoberfläche
frei von dielektrischen Verunreinigungen ist. Ist eine solche eindeutige
Situation nicht mehr gegeben, wird die dann aktuell gemessene Kennlinie
mit der zuletzt abgelegten Referenz verglichen. Für den Fall,
dass die Abweichung über
alle Frequenzpunkte über
einen bestimmten festzulegenden Schwellwert hinausgeht, wird mittels
eines Blindheitsindikators eine Sensorblindheit angezeigt.
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Die
Messwerte stellen bei freier Linse oder freiem Radome die momentane
Kennlinie, insbesondere Frequenzkennlinie, dar und werden zyklisch
erneut gemessen und gespeichert. Somit werden sowohl die Temperatur-
als auch die Alterungseffekte auf die Überwachung der Mischerarbeitspunkte
unterdrückt.
Einer zusätzliche
Indikator, der schon für die
Blindheitserkennung eingesetzt wurde, kann einen Hinweis dafür geben,
ob eine Analyse bzw. ein Vergleich zwischen den Integralwerten der
momentan definierten Frequenzkennlinien und den neuen Messwerten
durchgeführt
werden kann. Ergibt diese Analyse eine eindeutige Differenz, die
einen vordefinierten Schwellenwert übersteigt, ist die Linsenbelegung
des Radarsensors festzustellen.
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Im
allgemeinen misst das hier vorgeschlagene Verfahren zum Frequenabtasten
die Änderung der
Mischerdiodenspannung aufgrund der Reflexion an der Linsen- oder
Radombelegung unabhängig von
der Temperatur, Betriebsfrequenz (Oszillatorleistung), Alterung
und Gehäusetoleranz.
Dies verbessert die Serientauglichkeit der beschriebene Indikatoren
zur Erkennung der Radarsignaldegradation.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Diagramm mit Kennlinien einer elektronischen Komponente eines
Sensors.
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2 zeigt
in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
dem in 1 gezeigten Diagramm ist entlang einer vertikal
orientierten Achse 2 eine Spannung einer als Mischerdiode
ausgebildeten elektronischen Komponente eines Sensors für elektromagnetische
Wellen über
einer Frequenz aufgetragen. Die Frequenz für eintreffende elektromagnetische
Strahlen ist entlang einer hier horizontal orientierten Achse 4 aufgetragen.
In diesem Diagramm ist in einem Frequenzbereich zwischen 76 GHz
und 77 GHz eine erste momentane Kennlinie 6 für die Frequenz
aufgetragen. Diese momentane Kennlinie 6 ergibt sich in einem
definierten Zustand der elektronischen Komponente, falls ein Oberflächenmodul
des Sensors frei von Verunreinigungen ist. In dem Diagramm aus 1 sind
des weiteren noch eine zweite Kennlinie 8 sowie eine dritte
Kennlinie 10 aufgetragen. Diese beiden Kennlinien 8, 10 gehen
durch Verschiebung aus der momentanen Kennlinie 6 hervor.
Derartige Verschiebungen ergeben sich in der vorliegenden Ausführungsform,
wenn sich auf dem Oberflächenmodul, das
hier als Radom ausgebildet ist, eine Wasserschicht bildet. Zudem
sind derartige Verschiebungen auch durch eine Variation eines effektiven
Abstands des Oberflächenmoduls
von einer Antenne des Sensors bedingt.
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Somit
zeigt das Diagramm aus 1 insgesamt auch Veränderungen
eines Arbeitspunkts der elektronischen Komponente. Mit dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betreiben des Sensors für
elektromagnetische Strahlen wird die Verschiebung des Arbeitspunkts
ausgehend von der momentanen Kennlinie 6 hin zu den weiteren
Kennlinien 8, 10 der elektronischen Komponente
des Sensors mit einem Frequenzabtastverfahren bestimmt. Dabei erfolgt
in Abhängigkeit
der Frequenz ein Abtasten bzw. ein Scanning des Arbeitspunkts der
elektronischen Komponente in einzelnen Frequenzschritten innerhalb
eines zugelassenen Frequenzbandes, hier im Bereich zwischen 76 GHz
und 77 GHz.
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2 zeigt
in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines Sensors 12,
der hier durch den gestrichelten Kasten begrenzt ist. Dieser Sensor
umfasst ein als Radom ausgebildetes Oberflächenmodul 14, eine
Antenne 16, die zum Senden sowie zum Empfangen elektromagnetischer
Strahlen, hier Radarstrahlen, ausgebildet ist. Des weiteren umfasst
der Sensor 12 eine als Mischerdiode ausgebildete elektronische
Komponente 18, einen spannungsgesteuerten Oszillator (voltage
controlled oscillater, VCO), einen Vorverstärker 22, ein erstes
Verabeitungsmodul 24 zur Radarsignalverarbeitung und ein
als Messeinheit ausgebildetes Modul 26, das zur Bestimmung
eines Arbeitspunkts der elektronischen Komponente 18 ausgebildet
ist. Hierzu bestimmt das Modul 26 eine Verschiebung des
Arbeitspunkts auf einer Kennlinie der elektronischen Komponente 18 des
Sensors 12 mit einem Frequenzabtastverfahren.