DE102014219925B4 - UWB radar microcontroller interface - Google Patents
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Abstract
Ultrabreitbandradar (1) zur Abstandsmessung, umfassend die folgenden Merkmale:- eine Sendereinheit (2) zum Aussenden (31) eines elektromagnetischen Impulssignales (20) an einem ersten Zeitpunkt (to),- eine Empfängereinheit (3) zum Empfangen (33) eines Echosignales (30) an einem zweiten Zeitpunkt (t) oder an mindestens einem weiteren Zeitpunkt (t, ... tn),- eine Mehrzahl von n Stromquellen (4),- eine Mehrzahl von n Kondensatoren (5), die mit der Mehrzahl von n Stromquellen (4) elektrisch verbunden ist, und- einen Analog-Digital-Wandler (6), der mit der Mehrzahl von n Kondensatoren (5) elektrisch verbunden ist,wobei- jeder Stromquelle (4) jeweils ein Kondensator (5) zugeordnet ist,- die n Stromquellen (4) jeweils konfiguriert sind, ein Aufladen des jeweils zugeordneten Kondensators (5) zum ersten Zeitpunkt (t) zu starten und beim Empfangen (33) mehrerer Echosignale (30) zum zweiten oder mindestens einem weiteren Zeitpunkt (t,...t) nacheinander deaktiviert zu werden, und- der Analog-Digital-Wandler (6) konfiguriert ist, für jedes der empfangenen Echosignale (30) ein jeweiliges Spannungssignal des jeweiligen Kondensators (5) zum zweiten Zeitpunkt (t) oder zum jeweiligen weiteren Zeitpunkt (t, ... t) in ein erstes oder ein weiteres digitales Signal zu wandeln, wobei das Spannungssignal jeweils proportional zur Zeitdauer (Δt) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t) und dem zweiten (t) oder dem mindestens einen weiteren Zeitpunkt (t, ... t) ist.Ultra-wideband radar (1) for distance measurement, comprising the following features: - a transmitter unit (2) for emitting (31) an electromagnetic pulse signal (20) at a first time (to), - a receiver unit (3) for receiving (33) an echo signal (30) at a second time (t) or at at least one further time (t, ... tn), - a plurality of n current sources (4), - a plurality of n capacitors (5) having the plurality of n current sources (4) is electrically connected, and- an analog-to-digital converter (6) which is electrically connected to the plurality of n capacitors (5), wherein each power source (4) is associated with a respective capacitor (5) in that the n current sources (4) are each configured to start a charging of the respective associated capacitor (5) at the first instant (t) and to receive (33) a plurality of echo signals (30) at the second or at least one further instant (t, ... t) to be deactivated one after the other, and- the analogue digi tal converter (6) is configured, for each of the received echo signals (30) a respective voltage signal of the respective capacitor (5) at the second time (t) or the respective further time (t, ... t) in a first or a to convert another digital signal, wherein the voltage signal is proportional to the time duration (Δt) between the first time (t) and the second (t) or the at least one further time (t, ... t).
Description
Die Erfindung betrifft ein Ultrabreitbandradar zur Abstandsmessung und ein Verfahren zur Abstandsmessung mit einem Ultrabreitbandradar.The invention relates to an ultra-wideband radar for distance measurement and a method for distance measurement with an ultra-wideband radar.
Impuls-Radare im Allgemeinen und Ultrabreitband-Radare (UWB) im Speziellen benutzen sehr kurze Signalimpulse, um den Abstand bzw. die Entfernung eines Gegenstandes oder Objektes vom Radar zu ermitteln. Hierfür wird ein elektromagnetischer Impuls mittels einer Sendeantenne ausgesendet, wobei die typische Dauer eines Impulses im Bereich von einigen Pikosekunden bis hin zum Mikrosekundenbereich liegt. Der ausgesendete Impuls wird von einem Objekt in Richtung des Radars zurückreflektiert (Echo) und von der Empfangsantenne des Radargerätes empfangen und aufgenommen. Aus der Laufzeit des Impulses zwischen dem Senden des Impulses und dem Empfang des Echosignales kann dann die Entfernung des Objektes zum Radar ermittelt werden. Je kleiner die Halbwertsbreite des Impulses ist, desto genauer lässt sich der Abstand messen und desto höher ist die erreichbare Abstands- oder Entfernungsauflösung. Die Laufzeit ist abhängig vom Abstand des Gegenstands zum Radargerät und liegt je nach Anwendung im Bereich einiger Pikosekunden bis hin zu einigen hundert Nanosekunden.Pulse radars in general and ultra wideband radars (UWB) in particular use very short signal pulses to determine the distance or distance of an object or object from the radar. For this purpose, an electromagnetic pulse is emitted by means of a transmitting antenna, wherein the typical duration of a pulse is in the range of a few picoseconds up to the microsecond range. The emitted pulse is reflected back by an object in the direction of the radar (echo) and received by the receiving antenna of the radar and recorded. From the duration of the pulse between the transmission of the pulse and the reception of the echo signal, the distance of the object to the radar can then be determined. The smaller the half width of the pulse, the more accurate the distance can be measured and the higher the achievable distance or range resolution. The running time depends on the distance of the object to the radar device and, depending on the application, ranges from a few picoseconds to a few hundred nanoseconds.
Ein einfacher Ansatz, die Laufzeit zu messen ist einen Zähler mit einer ausreichend hohen Taktrate beim Aussenden des Impulses zu starten und beim Empfang des Echos wieder zu stoppen. Für eine Auflösung von 100 ps wird eine Taktrate oder Zählfrequenz von 10 GHz benötigt.A simple approach to measuring the runtime is to start a counter with a sufficiently high clock rate when transmitting the pulse and stop it again when the echo is received. For a resolution of 100 ps, a clock rate or count frequency of 10 GHz is required.
Ein Standard-Mikrocontroller, der Taktzyklen im höheren Nanosekundenbereich aufweist (typischerweise einige hundert Nanosekunden), ist also nicht in der Lage, Laufzeiten im Sub-Nanosekundenbereich direkt zu messen. Darüberhinaus sind Radarsysteme vielmals in Umgebungen eingesetzt, wo mehr als ein Zielsignal sowie Störungen zu erwarten sind. Dementsprechend gehören zu einem Sendeimpuls immer auch mehrere Echosignale, die jeweils Zielinformationen und Störgrößen umfassen. Diese Informationen können mit einem einfachen Zeitmesser nicht verarbeitet werden.A standard microcontroller that has clock cycles in the higher nanosecond range (typically several hundred nanoseconds), so is not able to directly measure maturities in the sub-nanosecond range. In addition, radar systems are widely used in environments where more than one target signal and interference is expected. Accordingly, a transmission pulse always also includes a plurality of echo signals, each of which includes destination information and disturbances. This information can not be processed with a simple timer.
Aus dem Stand der Technik sind für die Umsetzung von UWB-Radarsignalen in den Digitalbereich entweder hochperformige Analog-Digitalwandler (ADC) mit mehreren Gigasamples/Sekunde oder hoch genaue Hochfrequenzschaltungen zur Takterzeugung für Digitalzähler bekannt. Die Umwandlung des Signals mittels Highspeed-ADC hat den Vorteil, dass die Zielerfassung softwaretechnisch erfolgen kann. Nachteilig sind jedoch die extrem hohen Kosten für Hochgeschwindigkeits-ADCs. Darüberhinaus sind auch sehr gute ADCs nicht geeignet im unteren Picosekundenbereich zu arbeiten.From the state of the art, either high-performance analog-to-digital converters (ADC) with several gigasamples / second or high-precision high-frequency circuits for clock generation for digital meters are known for the conversion of UWB radar signals into the digital domain. The conversion of the signal by means of high-speed ADC has the advantage that the target acquisition can be done by software. However, the disadvantages are the extremely high costs for high-speed ADCs. In addition, even very good ADCs are not suitable to work in the lower picosecond range.
Ein anderer bekannter Ansatz besteht darin, einen ersten, langsamen Zähler mit dem Sendepuls und einen zweiten, schnelleren Zähler mit dem Echoimpuls zu starten. Es wird dann mit einem dritten Zähler die Zeit gemessen, die verstreicht bis der schnelle Zähler den langsamen Zähler eingeholt hat. Je nach Verhältnis des langsamen zum schnellen Zähler kann das Intervall zwischen dem Senden des Sendepulses und dem Empfangen des Echos um mehrere Größenordnungen gestreckt werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der hohe Platzbedarf für diese integrierte Schaltung, insbesondere dann, wenn mehrere Ziele erkannt werden müssen. Auch weisen derartige Lösungen einen hohen Stromverbrauch auf.Another known approach is to start a first, slow counter with the transmit pulse and a second, faster counter with the echo pulse. It is then measured with a third counter the time that elapses until the fast counter has overtaken the slow counter. Depending on the ratio of the slow to the fast counter, the interval between sending the transmit pulse and receiving the echo can be stretched by several orders of magnitude. A disadvantage of this method is the high space requirement for this integrated circuit, especially when multiple destinations must be detected. Also, such solutions have a high power consumption.
Ein weiterer Ansatz zur Zeitmessung bei einem gepulsten Radar-Entfernungssensorsystem wird in
Die Funktionsweise eines Zeit-Amplituden-Konverter-Bauelementes ist beispielsweise in
In
Weitere bekannte Impuls-Radare und Ultrabreitband-Radare sowie Verfahren zum Betreiben der Radare, insbesondere Verfahren zur Laufzeitmessung, sind beispielsweise in den Druckschriften
Es besteht ein Bedarf an einem verbesserten Ultrabreitbandradar und einem Verfahren zur Abstandsmessung von mehreren Zielen, wobei das Ultrabreitbandradar eine hohe Zeitauflösung und gleichzeitig geringe Herstellungs- und Betriebskosten, insbesondere einen geringen Stromverbrauch, aufweist.There is a need for an improved ultra-wideband radar and a method for measuring the distance of multiple targets, the ultra-wideband radar having a high time resolution and at the same time low manufacturing and operating costs, in particular low power consumption.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Ultrabreitbandradar und ein Verfahren zur Abstandsmessung bereitzustellen, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultrabreitbandradar und ein Verfahren zur Abstandsmessung von mehreren Objekten bereitzustellen, wobei das Ultrabreitbandradar und das Verfahren sowohl eine hohe Zeitauflösung als auch geringe Herstellungs- und Betriebskosten aufweisen.The object of the present invention is to provide an improved ultra-wideband radar and a method for distance measurement, which overcomes the disadvantages known from the prior art. In particular, it is an object of the present invention to provide an ultra-wideband radar and a method for measuring the distance of several objects, the ultra-wideband radar and the method having both a high time resolution and low manufacturing and operating costs.
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ultrabreitbandradar nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst. Gegenstände nach den abhängigen Unteransprüchen beschreiben bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung.The above object is achieved by an ultra-wideband radar according to claim 1 and a method according to
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Ultrabreitbandradar zur Abstandsmessung gemäß Anspruch 1.A first aspect of the invention relates to an ultra-wideband radar for distance measurement according to claim 1.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsmessung mit einem Ultrabreitbandradar gemäß Anspruch 12.A second aspect of the invention relates to a method for distance measurement with an ultra-wideband radar according to
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, kurze Zeitintervalle über den Umweg einer analogen Größe zu digitalisieren. Erfindungsgemäß wird hierbei die Zeitinformation zwischenzeitlich in einem Spannungssignal gespeichert und anschließend mit einem Analog-Digital-Wandler, insbesondere mit einem Spannungs-Digital-Wandler, in ein digitales Signal gewandelt.The invention is based on the knowledge of digitizing short time intervals via the detour of an analog variable. According to the invention, the time information is temporarily stored in a voltage signal and then converted into a digital signal with an analog-digital converter, in particular with a voltage-digital converter.
Hierfür sind erfindungsgemäß eine Mehrzahl Stromquellen und eine Mehrzahl Kondensatoren vorgesehen, die mit einander elektrisch verbunden sind. Zeitgleich mit dem Aussenden des Impulssignales, nämlich an einem ersten Zeitpunkt, wird die Stromquelle aktiviert, so dass der Kondensator aufgeladen wird. Das Aufladen bewirkt, dass die Spannung am Kondensator linear ansteigt, gemäß der folgenden Beziehung:
U die Spannung am Kondensator, I der Ladestrom, C die Kapazität des Kondensators und t die Zeit ist. Zeitgleich mit dem Empfangen eines Echosignales an einem zweiten, vom ersten Zeitpunkt verschiedenen Zeitpunkt wird die Stromquelle wieder deaktiviert, wobei die Spannung im Kondensator verbleibt und der Wert der Spannung proportional zur Zeitdauer zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt ist. Anschließend wird das Spannungssignal mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert.For this purpose, a plurality of current sources and a plurality of capacitors are provided according to the invention, which are electrically connected to each other. Simultaneously with the transmission of the pulse signal, namely at a first time, the current source is activated, so that the capacitor is charged. Charging causes the voltage on the capacitor to increase linearly according to the following relationship:
U is the voltage at the capacitor, I is the charging current, C is the capacitance of the capacitor and t is the time. Simultaneously with receiving an echo signal at a second time other than the first time, the current source is deactivated again, leaving the voltage in the capacitor and the value of the voltage proportional to the time period between the first time and the second time. Subsequently, the voltage signal is digitized by means of an analog-to-digital converter.
Von besonderem Vorteil bei der Erfindung ist die Entkoppelung des Analog-Digital-Wandlers von zeitkritischen Signalen. Die Zeitinformation bleibt solange als Spannung im Kondensator gespeichert, bis dieser wieder entladen oder ausgelesen wird. Auch ist der Gesamt-Stromverbrauch des erfindungsgemäßen Radars im Vergleich zu bekannten System eher gering.Of particular advantage in the invention is the decoupling of the analog-to-digital converter of time-critical signals. The time information remains stored as a voltage in the capacitor until it is discharged again or read out. Also, the total power consumption of the radar according to the invention is rather low compared to known systems.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ultrabreitbandradars und des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.In the following, preferred embodiments of the ultra-wideband radar according to the invention and of the method according to the invention will be described.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, dass das Ultrabreitbandradar eine Mehrzahl von n Stromquellen und n Kondensatoren umfasst, wobei jeder Stromquelle jeweils ein Kondensator zugeordnet ist. Der Wert n kann jede beliebige natürliche Zahl
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist also vorgesehen, dass die n Stromquellen konfiguriert sind, die n Kondensatoren ab dem ersten Zeitpunkt und mit dem Aussenden des elektromagnetischen Impulssignales aufzuladen, und beim Empfangen mehrerer Echosignale an mindestens einem weiteren Zeitpunkt nacheinander deaktiviert zu werden, wobei der Analog-Digital-Wandler konfiguriert ist, für jedes der empfangenen Echosignale ein weiteres Spannungssignal des entsprechenden Kondensators in ein weiteres digitales Signal zu wandeln, das jeweils proportional zur Zeitdauer zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem mindestens einem weiteren Zeitpunkt ist. Bei dieser Ausgestaltung kann beispielsweise eine Schalteranordnung, insbesondere eine Sample-and-hold Schaltung, vorgesehen sein. Alternativ kann aber auch ein Multiplexer oder mehrere Analog-Digital-Wandler (ADC) vorgesehen sein.In an expedient embodiment, it is therefore provided that the n current sources are configured to charge the n capacitors from the first instant and with the emission of the electromagnetic pulse signal, and to be deactivated in succession upon receiving a plurality of echo signals at at least one further time, wherein the analogue Digital converter is configured to convert, for each of the received echo signals, another voltage signal of the corresponding capacitor in a further digital signal which is proportional to the time duration between the first time and the at least one further time. In this embodiment, for example, a switch arrangement, in particular a sample-and-hold circuit may be provided. Alternatively, however, it is also possible to provide a multiplexer or a plurality of analog-to-digital converters (ADC).
Gemäß einem derzeit besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Stromquellen steuerbar ausgebildet, wobei ein Ladestrom für den jeweiligen Kondensator zwischen 1 µA und 1 mA einstellbar ist. Diese Ausgestaltung dient zur Vergrößerung des Messbereiches. Insbesondere wenn mehrere nahe Ziele genauer aufgelöst werden sollen, wird der Ladestrom höher eingestellt, so dass die Kondensatoren schneller aufgeladen werden. Ist hingegen eine höhere Reichweite für das Radar gewünscht, oder ist die Signallaufzeit aufgrund des Mediums, in das eingestrahlt wird, verlangsamt, so wird der Ladestrom verringert, so dass sich die Ladezeiten der Kondensatoren verlängern. Der Wertebereich der Ladeströme liegt im Bereich von etwa 1 µA bis 10 mA für Radar-Messungen in Luft.According to a currently particularly preferred embodiment, the current sources are controllable, wherein a charging current for the respective capacitor between 1 uA and 1 mA is adjustable. This embodiment serves to increase the measuring range. In particular, when more close targets are to be resolved more accurately, the charging current is set higher, so that the capacitors are charged faster. If, however, a higher range for the radar is desired, or is the signal propagation time is slowed down due to the irradiated medium, so the charging current is reduced, so that the charging times of the capacitors lengthen. The value range of the charging currents is in the range of about 1 μA to 10 mA for radar measurements in air.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Kondensatoren steuerbar ausgebildet sind, wobei eine jeweilige Kapazität variabel zwischen 0,1pF und 10nF einstellbar ist. Auch diese Ausgestaltung dient wiederum zur Vergrößerung des Messbereiches. Die Kondensatoren können sowohl als interne als auch als externe Bauelemente ausgebildet sein, wobei die Verwendung von steuerbaren, externen Kondensatoren eine zusätzliche Vergrößerung des Messbereiches erlaubt.A preferred embodiment provides that the capacitors are designed to be controllable, wherein a respective capacitance is variably adjustable between 0.1pF and 10nF. This embodiment again serves to increase the measuring range. The capacitors can be designed both as internal and as external components, wherein the use of controllable, external capacitors allows an additional enlargement of the measuring range.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erster Zähler zum Zählen mehrerer Echosignale vorgesehen, der konfiguriert ist, jedes empfangene Echosignal einer der n Stromquellen und der n Kondensatoren zuzuordnen. Bei dieser Ausgestaltungform ist der erste Zähler mit den n Stromquellen verbunden und wird beim Aussenden des Impulssignals auf null gesetzt.In an advantageous embodiment, a first counter is provided for counting a plurality of echo signals, which is configured to associate each received echo signal with one of the n current sources and the n capacitors. In this embodiment, the first counter is connected to the n current sources and is set to zero when transmitting the pulse signal.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht zumindest einen Komparator vor, der jedes Echosignal mit einem vorbestimmten Schwellwert vergleicht und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt und an den ersten Zähler weiterleitet. Bei dieser Weiterbildung wird/werden das/die Echosignal(e) über einen Komparator digitalisiert und dann an einen Eingang des ersten Zählers weitergeleitet. Jedes Echosignal, das über dem vorbestimmten Schwellwert des Komparators liegt, erzeugt eine steigende oder fallende Flanke, die den ersten Zähler weitertaktet. Bevorzugt ist der Schwellwert einstellbar ausgeführt und dient so als einstellbare Schaltschwelle für den Komparator. Hierbei kann die Schaltschwelle so gewählt und eingestellt werden, dass eine Echoerkennung mit maximaler Empfindlichkeit und minimaler Fehlerrate ausgeführt wird, wobei Drifts, Offsets und Temperatureffekte in den Echosignalen korrigiert werden. Auch kann die Schaltschwelle so angesteuert werden, dass das sogenannte Distance Fading ausgeglichen wird. Hierbei wird die Schaltschwelle für nahe Ziele mit großem Signalhub hoch angesetzt und dann mit zunehmender Laufzeit der Echosignale herabgesetzt, so dass auch entfernte Ziele mit schwachen Echosignalen gut erkannt werden. Ebenso kann die Schaltschwelle für mehrere aufeinanderfolgende Messungen verschieden hoch angesetzt werden, um z.B. eine Aussage über die Hüllkurve/Amplitude der Echos treffen zu können, oder ein Graustufenbild zu erzeugen.A preferred development provides at least one comparator which compares each echo signal with a predetermined threshold value and generates a corresponding output signal and forwards it to the first counter. In this development, the echo signal (s) is / are digitized via a comparator and then forwarded to an input of the first counter. Each echo signal that is above the predetermined threshold value of the comparator produces a rising or falling edge that continues to clock the first counter. Preferably, the threshold is designed to be adjustable and thus serves as an adjustable switching threshold for the comparator. Here, the switching threshold can be selected and set so that echo detection is performed with maximum sensitivity and minimum error rate, drifts, offsets and temperature effects are corrected in the echo signals. Also, the switching threshold can be controlled so that the so-called distance fading is compensated. In this case, the switching threshold for close targets with a high signal swing is set high and then reduced as the propagation time of the echo signals increases, so that even distant targets with weak echo signals are recognized well. Likewise, the switching threshold can be set at different levels for several consecutive measurements, e.g. to be able to make a statement about the envelope / amplitude of the echoes, or to generate a grayscale image.
In einer Ausführungsform ist eine Überlaufeinrichtung vorgesehen, die konfiguriert ist, ein Überlaufsignal auszugeben, wenn mehr als n Echosignale empfangen werden. Diese Ausgestaltungsform berücksichtigt den Fall, dass mehr (>n) Echosignale vom Radar empfangen werden als Kondensatoren vorgesehen sind, so dass mindestens ein Ziel nicht erfasst wird. In diesem Fall wird ein Überlaufsignal generiert, das weitere Maßnahmen einleiten kann und soll, um den Messbereich entsprechend zu vergrößern und/oder zu verschieben.In one embodiment, an overflow device is provided that is configured to output an overflow signal when more than n echo signals are received. This embodiment takes into account the case that more (> n) echo signals are received from the radar than capacitors are provided so that at least one target is not detected. In this case, an overflow signal is generated which can and should initiate further measures in order to enlarge and / or shift the measuring range accordingly.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht eine Verzögerungseinrichtung vor, die konfiguriert ist, eine variable, zeitliche Verzögerung nach dem Aussenden des elektromagnetischen Impulssignales und vor dem Aufladen des Kondensators bereitzustellen, so dass der Kondensator erst nach Ablauf der zeitlichen Verzögerung, zu einem späteren Zeitpunkt aufgeladen wird, und sich der Messbereich für die Abstandsmessung verschiebt. Bei dieser Ausgestaltungsform ist insbesondere die Verbindung zwischen dem Komparator und dem ersten Zähler mittels eines Schalters schaltbar ausgeführt. Auch kann hierbei ein weiterer, zweiter Zähler vorgesehen und angeschlossen sein. Wird der zweite Zähler von einer Referenztaktquelle gespeist, kann somit eine variable Verzögerung zwischen dem Aussenden des Impulssignales und dem Zählen der ersten Echosignale eingestellt werden. Wird der zweite Zähler vom Komparatorausgang gespeist, kann eine variable Anzahl von ersten Objekten ausgeblendet werden. Beide Betriebsmodi sind vorteilhaft, um den Erfassungsbereich des Radars zu vergrößern. Sind z. B. bei einer ersten Messung mehr Ziele als Kondensatoren vorhanden, kann in einer zweiten Messung diese Anzahl von Zielen ignoriert werden, indem der Eingang des ersten Zählers erst danach an den Komparatorausgang angeschlossen wird. In gleicher Weise kann ein sogenanntes „Sliding Window“-Verfahren genutzt werden, indem man nach einer ersten Messung bei jeder weiteren Messung die Verzögerung in Anzahl von Referenztakten um einen gewissen Faktor erhöht. In diesem Modus können einzelne Ziele in mehreren Messungen auftauchen, wenn sich die verschiedenen Zeitfenster überlappen.A preferred embodiment provides a delay device which is configured to provide a variable, time delay after the emission of the electromagnetic pulse signal and before the charging of the capacitor, so that the capacitor is charged only after the time delay, at a later time, and the measuring range for the distance measurement shifts. In this embodiment, in particular, the connection between the comparator and the first counter is designed switchable by means of a switch. Also, in this case another, second counter can be provided and connected. If the second counter is fed by a reference clock source, a variable delay between the transmission of the pulse signal and the counting of the first echo signals can thus be set. If the second counter is fed by the comparator output, a variable number of first objects can be hidden. Both modes of operation are advantageous to increase the coverage of the radar. Are z. B. more targets than capacitors present in a first measurement, this number of targets can be ignored in a second measurement by the input of the first counter is then connected to the comparator output. In the same way, a so-called "sliding window" method can be used by increasing the delay in number of reference clocks by a certain factor after a first measurement in each further measurement. In this mode, individual targets may appear in multiple measurements as the different time windows overlap.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Verzögerungseinrichtung konfiguriert ist eine variable Taktverzögerung bereitzustellen.A preferred embodiment provides that the delay device is configured to provide a variable clock delay.
Eine bevorzugte Ausgestaltung umfasst zusätzlich einen Referenztaktgeber, der konfiguriert ist, die variable, zeitliche Verzögerung oder die variable Taktverzögerung einzustellen.A preferred embodiment additionally includes a reference clock configured to set the variable time delay or the variable clock delay.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Ultrabreitbandradars ist konfiguriert, die elektromagnetischen Impulssignale mit einer Frequenz von 10 kHz bis zu mehreren 10 GHz, bevorzugt zwischen 10MHz bis 200GHz und noch mehr bevorzugt zwischen 1GHz bis 100GHz auszusenden.A preferred development of the ultra-wideband radar is configured to emit the electromagnetic pulse signals having a frequency of 10 kHz to several 10 GHz, preferably between 10 MHz to 200 GHz and even more preferably between 1 GHz to 100 GHz.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Ultrabreitbandradar konfiguriert ist, mehrere Spannungssignale des gleichen Kondensators bei der Abstandsmessung eines gleichen Objektes mit mehreren, aufeinanderfolgenden, elektromagnetischen Impulssignalen zu integrieren. Wie voran beschrieben, wird (normalerweise) mit dem Aussenden eines Impulssignales der erste Zähler für eine Distanzmessung zurückgesetzt und die mehreren Stromquellen gleichzeitig aktiviert. Nach Beendigung einer Messung und dem Auslesen der Kondensatoren werden diese wieder entladen und das Radar ist bereit für die nächste Messung mit dem nächsten Impuls. Hierfür wird ein Rücksetzeingang des ersten Zählers mit dem Aussenden jedes Sendeimpulses getriggert. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist hingegen eine weitere Rücksetzlogik vor dem Rücksetzeingang des Zielzählers vorgesehen. Diese Rücksetzlogik erlaubt es, den ersten Zähler zurückzusetzen, ohne dass die Kondensatoren entladen werden. Damit ist es möglich, mehrere Sendepulse zu integrieren. Da der erste Zähler immer zurückgesetzt wird, wird jedes ankommende Echosignal immer dem gleichen Kondensator zugewiesen. Die Spannung, die am Ende an einem Kondensator anliegt, ist also ein Mittelwert über mehrere Messungen mit mehren ausgesendeten Impulssignalen. Ein zusätzlich vorhandener Verzögerungszähler, der von einer Referenzquelle getaktet wird, kann die Rücksetzlogik bevorzugt periodisch ansteuern, so dass eine einstellbare Anzahl von Messungen automatisch integriert werden kann, bevor die Spannungen ausgelesen werden. In an expedient embodiment, it is provided that the ultra-wideband radar is configured to integrate a plurality of voltage signals of the same capacitor in the distance measurement of a same object with a plurality of successive electromagnetic pulse signals. As described above, the first counter for a distance measurement is (normally) reset with the transmission of a pulse signal and the multiple current sources activated simultaneously. After a measurement has been completed and the capacitors have been read, they are discharged again and the radar is ready for the next measurement with the next pulse. For this purpose, a reset input of the first counter is triggered with the transmission of each transmission pulse. In the present embodiment, however, a further reset logic is provided before the reset input of the target counter. This reset logic allows the first counter to be reset without discharging the capacitors. This makes it possible to integrate several transmission pulses. Since the first counter is always reset, each incoming echo signal is always assigned to the same capacitor. The voltage applied to a capacitor at the end is therefore an average over several measurements with several transmitted pulse signals. An additionally present delay counter, which is clocked by a reference source, can preferably periodically control the reset logic so that an adjustable number of measurements can be automatically integrated before the voltages are read out.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird. Im Einzelnen zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltungsform eines Ultrabreitbandradars zur Abstandsmessung eines Objektes, -
2 : eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Ultrabreitbandradars, und -
3 : ein Ablaufdiagram für eine mögliche Ausgestaltung eines Verfahrens zur Abstandsmessung eines Objektes.
-
1 : a schematic representation of a possible embodiment of an ultra-wideband radar for measuring the distance of an object, -
2 : A schematic representation of the operation of an ultra-wideband radar, and -
3 : a flow chart for a possible embodiment of a method for measuring the distance of an object.
Darüberhinaus umfasst das dargestellte Ultrabreitbandradar
Das in der
Das in der
In bevorzugter Weise wird mit dem Aussenden eines Impulssignales der erste Zähler
Auch umfasst das in der
c die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist.
c is the speed of light in air.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- UltrabreitbandradarUWB radar
- 22
- Sendereinheittransmitter unit
- 33
- Empfängereinheitreceiver unit
- 44
- Stromquelle(n)Power source (s)
- 55
- Kondensator(en)Condenser (s)
- 66
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- 77
- Erster ZählerFirst counter
- 88th
- Komparatorcomparator
- 99
- Schwellwertthreshold
- 1010
- ÜberlaufeinrichtungOverflow device
- 1111
- Verzögerungseinrichtungdelay means
- 1212
- Schalteranordnungswitch arrangement
- 1313
- RücksetzlogikReset logic
- 1414
- Rücksetzeingang des ersten Zählers 7Reset input of the first counter 7
- 2020
- Elektromagnetisches ImpulssignalElectromagnetic pulse signal
- 2121
- Objektobject
- 3030
- Echosignalecho signal
- 3131
-
Aussenden des elektromagnetischen Impulssignales
20 Emitting theelectromagnetic pulse signal 20 - 3232
-
Aktivieren der Stromquelle
4 Activate thepower source 4 - 3333
-
Empfangen des Echosignals
30 Receiving theecho signal 30 - 3434
-
Erfassen des Spannungssignal für einen Kondensator
5 Detecting the voltage signal for acapacitor 5 - 3535
- Umwandeln des erfassten SpannungssignalsConverting the detected voltage signal
- 3636
- Weitere VerarbeitungFurther processing
- t0 t 0
- Erster ZeitpunktFirst time
- t1 t 1
- Zweiter ZeitpunktSecond time
- ΔT.DELTA.T
-
Tastpause zwischen den elektromagnetischen Impulssignalen
20 Tastpause between the electromagnetic pulse signals20 - Δt.delta.t
- Zeitdauertime
- dtdt
- Variable zeitliche VerzögerungVariable time delay
- t2,... tn t 2 , ... t n
- mindestens ein dritter Zeitpunktat least a third time
- D1D1
-
Entfernung des ersten Objektes
21 Removal of thefirst object 21 - D2D2
-
Entfernung des zweiten Objektes
21 Removal of thesecond object 21
Claims (13)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE102014219925.5A DE102014219925B4 (en) | 2014-10-01 | 2014-10-01 | UWB radar microcontroller interface |
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Family
ID=55531039
Family Applications (1)
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-
2014
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Patent Citations (5)
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