DE102015219612A1 - System architecture for a MIMO level radar - Google Patents

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Abstract

FMCW-Füllstandradar zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts, bei dem jedem Sender und jedem Empfänger eine eigene Phasenregelschleife zugeordnet ist. Sämtliche Phasenregelschleifen werden durch einen zentralen Referenztaktgeber angesteuert. Hierdurch ist es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, die Anzahl der Sende- und/oder Empfangskanäle zu vergrößern.FMCW level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material, where each transmitter and each receiver has its own phase locked loop. All phase-locked loops are controlled by a central reference clock. This makes it possible in a simple and cost-effective manner to increase the number of transmitting and / or receiving channels.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft die dreidimensionale Füllstandmessung mit Radar. Insbesondere betrifft die Erfindung ein FMCW-Füllstandradar zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts sowie ein Verfahren zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts.The invention relates to the three-dimensional level measurement with radar. In particular, the invention relates to an FMCW level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material and to a method for detecting the topology of the surface of a bulk material.

Technischer HintergrundTechnical background

Im Bereich der dreidimensionalen Füllstandmessung mit Radar ergeben sich völlig neue Anwendungszielsetzungen. Konnte bislang bei Schüttgutmessungen nur ein grober Messwert der aktuellen Füllhöhe ermittelt werden, so eröffnet sich bei der dreidimensionalen Füllstandmessung die Möglichkeit der Erfassung des Volumens und/oder der Masse des in einem Behälter enthaltenen Schüttgutes.In the field of three-dimensional level measurement with radar, completely new application goals arise. So far, only a rough measurement of the current filling level could be determined in bulk material measurements, so opens in the three-dimensional level measurement, the possibility of detecting the volume and / or mass of the bulk material contained in a container.

Zur Erfassung der Topologie der Schüttgutoberfläche werden Füllstandradare eingesetzt, welche die Schüttgutoberfläche abtasten können. Aus den von den verschiedenen Bereichen der Schüttgutoberfläche reflektierten Sendesignalen kann dann die Oberflächentopologie des Schüttgutes berechnet werden.To record the topology of the bulk material surface level radars are used, which can scan the bulk material surface. The surface topology of the bulk material can then be calculated from the transmission signals reflected from the various regions of the bulk material surface.

Die Abtastung der Schüttgutoberfläche kann mechanisch durch Verstellen der Hauptabstrahlrichtung der Antenne erfolgen oder elektronisch, indem Verfahren der digitalen Strahlumformung angewendet werden. Im letzteren Fall weist das Füllstandmessgerät eine aus mehreren Sende- und/oder Empfangseinrichtungen bestehende Antenne sowie eine dazu passende Auswerteeinheit auf. Aufgrund der Vielzahl an Kanälen sind diese Geräte aufwendig in der Herstellung.Scanning of the bulk material surface may be done mechanically by adjusting the main emission direction of the antenna or electronically using digital beamforming techniques. In the latter case, the fill level measuring device has an antenna consisting of a plurality of transmitting and / or receiving devices and a matching evaluation unit. Due to the large number of channels, these devices are expensive to manufacture.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein FMCW-Füllstandradar zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts bereitzustellen, welches eine einfache aber dennoch zuverlässige und flexible Systemarchitektur aufweist.It is an object of the invention to provide an FMCW level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material which has a simple yet reliable and flexible system architecture.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.This object is solved by the subject matters of the independent claims. Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the description below.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein FMCW-Füllstandradar (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave), welches nach dem frequenzmodulierten Dauerstrichradarverfahren arbeitet und zum Erfassen der Topologie der Oberfläche des Schüttguts ausgeführt ist.A first aspect of the invention relates to an FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) level radar, which operates according to the frequency-modulated continuous wave radar method and is designed to detect the topology of the surface of the bulk material.

Das Füllstandradar weist eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung auf. Die Sendeeinrichtung enthält eine erste Phasenregelschleife (PLL: Phase Locked Loop), wobei die Sendeeinrichtung zum Aussenden eines Sendesignals in Richtung der Oberfläche des Schüttguts ausgeführt ist. Die Empfangseinrichtung weist eine zweite Phasenregelschleife auf und dient dem Empfangen eines Empfangssignals. Bei dem Empfangssignal handelt es sich um das an der Oberfläche des Schüttguts reflektierte Sendesignal.The filling level radar has a transmitting device and a receiving device. The transmitting device contains a first phase locked loop (PLL: Phase Locked Loop), wherein the transmitting device is designed to emit a transmission signal in the direction of the surface of the bulk material. The receiving device has a second phase-locked loop and is used to receive a received signal. The received signal is the transmission signal reflected on the surface of the bulk material.

Darüber hinaus dient die Empfangseinrichtung zum Mischen des Empfangssignals mit einem von der zweiten Phasenregelschleife erzeugten Lokaloszillatorsignal, um ein Zwischenfrequenzsignal zu erzeugen. Es ist ein zentraler Referenztaktgeber vorgesehen, der zum Bereitstellen eines Taktsignals an sämtliche Phasenregelschleifen sowohl der Sendeeinrichtung(en) als auch der Empfangseinrichtung(en) ausgeführt ist.In addition, the receiving means is for mixing the received signal with a local oscillator signal generated by the second phase locked loop to produce an intermediate frequency signal. A central reference clock is provided, which is designed to provide a clock signal to all phase locked loops of both the transmitting device (s) and the receiving device (s).

Insbesondere können die Sendeeinrichtung und/oder die Empfangseinrichtung weitere Phasenregelschleifen aufweisen, welche entsprechende Sendesignale bzw. Lokaloszillatorsignale zum Erzeugen der Zwischenfrequenzsignale erzeugen.In particular, the transmitting device and / or the receiving device can have additional phase locked loops which generate corresponding transmission signals or local oscillator signals for generating the intermediate frequency signals.

Das Füllstandradar weist demnach mehrere Sender und Empfänger auf, wobei jeder Sendeeinrichtung und jeder Empfangseinrichtung jeweils eine eigene Phasenregelschleife zugeordnet ist. Jedoch weist das FMCW-Füllstandradar beispielsweise nur genau einen zentralen Referenztaktgeber auf, der sämtlichen Phasenregelschleifen das Taktsignal vorgibt.The filling level radar therefore has a plurality of transmitters and receivers, wherein each transmitting device and each receiving device is each assigned its own phase locked loop. However, the FMCW level radar, for example, has only one central reference clock, which gives the clock signal to all phase locked loops.

Verglichen mit der Bereitstellung einer einzigen Phasenregelschleife, deren Signal auf mehrere Sendeeinrichtungen aufgeteilt wird, ist die Anordnung jeweils einer Phasenregelschleife pro Sendeeinrichtung in Kombination mit einem zentralen Referenztaktgeber vorteilhaft, da es aus technischer Sicht weniger anspruchsvoll ist, das eine Referenztaktsignal auf die verschiedenen Phasenregelschleifen aufzuteilen, als das Signal einer einzelnen Phasenregelschleife auf mehrere Sendeeinrichtungen aufzuteilen. Ein Grund hierfür ist darin zu sehen, dass die Frequenz des Taktsignals deutlich niedriger ist als die Frequenz des Signals, das von der Phasenregelschleife erzeugt wird.Compared to the provision of a single phase-locked loop whose signal is split among several transmitters, arranging one phase locked loop per transmitter in combination with a central reference clock is advantageous since it is technically less demanding to divide a reference clock signal among the different phase locked loops. as the signal of a single phase locked loop to divide multiple transmitters. One reason for this is that the frequency of the clock signal is significantly lower than the frequency of the signal generated by the phase locked loop.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dient die erste Phasenregelschleife dem Erzeugen eines ersten Lokaloszillatorsignals in Form einer Frequenzrampe, sodass die Frequenz des Lokaloszillatorsignals über die Zeit ansteigt. Bei dem ausgesendeten Sendesignal handelt es sich zumindest im Wesentlichen um dieses Lokaloszillatorsignal. Beispielsweise kann das LO-Signal im Sender noch verstärkt oder frequenzvervielfacht werden. Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Frequenz des LO-Signals auch über der Zeit abfällt.According to one embodiment of the invention, the first phase-locked loop serves to generate a first local oscillator signal in the form of a frequency ramp, so that the frequency of the local oscillator signal increases over time. The transmitted transmission signal is at least substantially this local oscillator signal. For example, the LO signal in the transmitter can be amplified or frequency multiplied. In addition, it can be provided that the frequency of the LO signal also decreases over time.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich auch bei dem zweiten Lokaloszillatorsignal, das zum Erzeugen des Zwischenfrequenzsignals verwendet wird, um ein Signal in Form einer Frequenzrampe, sodass die Frequenz dieses Lokaloszillatorsignals über die Zeit ansteigt.According to a further embodiment of the invention, the second local oscillator signal used to generate the intermediate frequency signal is also a signal in the form of a frequency ramp, so that the frequency of this local oscillator signal increases over time.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Füllstandradar eine dritte Phasenregelschleife auf, die zum Erzeugen eines weiteren Lokaloszillatorsignals in Form einer Frequenzrampe ausgeführt ist, sodass die Frequenz des weiteren Lokaloszillatorsignals über die Zeit ansteigt. Es ist eine weitere Sendeeinrichtung oder Empfangseinrichtung vorgesehen, welche diese dritte Phasenregelschleife aufweist. Die Sendeeinrichtung verwendet dann das weitere Lokaloszillatorsignal als Sendesignal bzw. die Empfangseinrichtung verwendet das weitere Lokaloszillatorsignal zum Erzeugen eines Zwischenfrequenzsignals.According to a further embodiment of the invention, the fill level radar has a third phase-locked loop, which is designed to generate a further local oscillator signal in the form of a frequency ramp, so that the frequency of the further local oscillator signal increases over time. A further transmitting device or receiving device is provided which has this third phase locked loop. The transmitting device then uses the further local oscillator signal as the transmission signal or the receiving device uses the further local oscillator signal for generating an intermediate frequency signal.

Wie bereits oben beschrieben kann das Füllstandradar eine Vielzahl an Sendeeinrichtungen (je mit einer eigenen Phasenregelschleife versehen) und/oder Empfangseinrichtungen (ebenfalls jeweils mit einer eigenen Phasenregelschleife versehen) aufweisen. An dieser Stelle sei jedoch angemerkt, dass auch vorgesehen sein kann, dass sich jeweils eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung eine Phasenregelschleife teilen. Beispielsweise sind in diesem Fall Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung auf ein und demselben Chip integriert und der Chip kann, je nach Ansteuerung, die Funktion der Sendeeinrichtung bzw. der Empfangseinrichtung ausführen. Auch kann der Chip ausgeführt sein, gleichzeitig die Funktion der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung auszuführen.As already described above, the fill level radar can have a multiplicity of transmitting devices (each provided with its own phase locked loop) and / or receiving devices (likewise each provided with its own phase locked loop). It should be noted, however, that it can also be provided that in each case a transmitting device and a receiving device share a phase locked loop. For example, in this case, transmitting device and receiving device are integrated on one and the same chip, and the chip can, depending on the control, perform the function of the transmitting device or of the receiving device. Also, the chip may be designed to simultaneously perform the function of the transmitting device and the receiving device.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine zentrale Steuereinheit vorgesehen, die zur Bereitstellung eines Triggersignals an eine Vielzahl oder sogar an sämtliche Phasenregelschleifen zum Starten der jeweiligen Frequenzrampe ausgeführt ist.According to a further embodiment of the invention, a central control unit is provided, which is designed to provide a trigger signal to a plurality or even to all phase-locked loops for starting the respective frequency ramp.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind jeweils eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung in einer Einheit integriert, bei der es sich beispielsweise um einen Chip handelt, wobei jede dieser Einheiten jeweils nur einer Phasenregelschleife zugeordnet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Sendeeinrichtungen und mehrere Empfangseinrichtungen in einem Chip untergebracht sind.According to a further embodiment of the invention, in each case a transmitting device and a receiving device are integrated in one unit, which is, for example, a chip, wherein each of these units is in each case associated with only one phase-locked loop. It may also be provided that a plurality of transmitting devices and a plurality of receiving devices are accommodated in a chip.

Hierdurch kann die Flexibilität der Anordnung erhöht werden, da jeder Chip sowohl Sendefunktion als auch Empfangsfunktion übernehmen kann. Es kann somit vorgesehen sein, dass Sender und Empfänger in einem Chip untergebracht werden, die dann auch gleichzeitig mit einem LO-Signal betrieben werden können. Es ist auch möglich, entweder nur den Sender im Chip oder nur den Empfänger im Chip zu betreiben.As a result, the flexibility of the arrangement can be increased, since each chip can take over both transmit and receive function. It can thus be provided that the transmitter and receiver are accommodated in a chip, which can then also be operated simultaneously with an LO signal. It is also possible to operate either only the transmitter in the chip or only the receiver in the chip.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entspricht die Form des Lokaloszillatorsignals der ersten Phasenregelschleife der Form des Lokaloszillatorsignals der zweiten Phasenregelschleife. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts, bei dem ein Taktsignal an mehrere Phasenregelschleifen durch einen zentralen Referenztaktgeber bereitgestellt wird. Daraufhin wird ein durch eine erste Phasenregelschleife erzeugtes Sendesignal in Richtung der Oberfläche des Schüttguts ausgesendet. Es erfolgt dann eine Reflexion des Signals an der Schüttgutoberfläche und ein Empfangen eines entsprechenden Empfangssignals, bei dem es sich um das an der Oberfläche des Schüttguts reflektierte Sendesignal handelt. Daraufhin wird das Empfangssignal mit einem von einer zweiten Phasenregelschleife erzeugten Lokaloszillatorsignal gemischt, um ein Zwischenfrequenzsignal zu erzeugen. Dieses Zwischenfrequenzsignal wird dann an der Auswerteeinheit (zusammen mit den von den anderen Empfangseinheiten erzeugten Zwischenfrequenzsignalen) ausgewertet, um Informationen über die Topologie der Schüttgutoberfläche zu erzeugen.According to a further embodiment of the invention, the shape of the local oscillator signal of the first phase locked loop corresponds to the shape of the local oscillator signal of the second phase locked loop. A further aspect of the invention relates to a method for detecting the topology of the surface of a bulk material, wherein a clock signal is provided to a plurality of phase locked loops by a central reference clock. Subsequently, a transmission signal generated by a first phase-locked loop is emitted in the direction of the surface of the bulk material. There is then a reflection of the signal at the bulk material surface and receiving a corresponding received signal, which is the reflected on the surface of the bulk material transmission signal. Thereafter, the receive signal is mixed with a local oscillator signal generated by a second phase locked loop to produce an intermediate frequency signal. This intermediate frequency signal is then evaluated at the evaluation unit (together with the intermediate frequency signals generated by the other receiving units) in order to generate information about the topology of the bulk material surface.

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Werden in den folgenden Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Gleiche oder ähnliche Elemente können aber auch durch unterschiedliche Bezugszeichen bezeichnet sein.Hereinafter, embodiments of the invention will be described. If the same reference numbers are used in the following figures, these designate the same or similar elements. However, identical or similar elements can also be designated by different reference symbols.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

1 zeigt ein FMCW-Füllstandradar zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1 shows an FMCW level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material according to an embodiment of the invention.

2 zeigt eine Systemarchitektur eines Füllstandradars zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts. 2 shows a system architecture of a level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material.

3 zeigt eine Systemarchitektur eines Füllstandradars zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 shows a system architecture of a level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material according to a first embodiment of the invention.

4 zeigt eine Systemarchitektur eines Füllstandradars zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 4 shows a system architecture of a level radar for detecting the topology of Surface of a bulk material according to a second embodiment of the invention.

5 zeigt eine Systemarchitektur eines Füllstandradars zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 5 shows a system architecture of a level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material according to a third embodiment of the invention.

6 zeigt eine Systemarchitektur eines Füllstandradars zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 6 shows a system architecture of a level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material according to a fourth embodiment of the invention.

7 zeigt eine Systemarchitektur eines Füllstandradars zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. 7 shows a system architecture of a level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material according to a fifth embodiment of the invention.

8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 8th shows a flowchart of a method according to an embodiment of the invention.

Detaillierte Beschreibung von AusführungsbeispielenDetailed description of embodiments

Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.The illustrations in the figures are schematic and not to scale.

1 zeigt ein FMCW-Füllstandradar zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts oder anderweitigen Füllguts. Ein derartiges Radarmessgerät kann auch zur Messung der Füllhöhe von Flüssigkeiten verwendet werden, was sich insbesondere beim Einsatz eines Rührwerkes anbieten kann. 1 shows an FMCW level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material or other filling material. Such a Radarmessgerät can also be used to measure the level of liquids, which can be particularly useful when using a stirrer.

Das Füllstandradarmessgerät 105 ist in der Lage, Echosignale oder Echokurven aus unterschiedlichen Winkelbereichen 101, 102, 103 zu erfassen. Zu jeder erfassten Echokurve wird die Distanz zum jeweiligen Punkt der Oberfläche des Schüttguts 104 ermittelt. Durch numerische Integration dieser Distanzwerte und unter Postulierung einer ebenen Oberfläche 106 (z. B. Behälterboden) unter dem Schüttgut kann das Volumen der Schüttguthalde 107 ermittelt werden. Bei bekannter Dichte lässt sich weiterhin die Masse an Schüttgut berechnen.The level radar gauge 105 is capable of echo signals or echo curves from different angular ranges 101 . 102 . 103 capture. For each detected echo curve, the distance to the respective point of the surface of the bulk material 104 determined. By numerically integrating these distance values and postulating a flat surface 106 (eg container bottom) below the bulk material, the volume of the bulk material heap 107 be determined. If the density is known, the mass of bulk material can still be calculated.

Das Füllstandmessgerät 105 weist eine Antennenhalterung 108 zur Befestigung einer Antenne 109 auf. Auf dieser Antenne können die oben und im Folgenden beschriebenen Sende- und Empfangseinrichtungen und die übrige Elektronik untergebracht sein.The level gauge 105 has an antenna mount 108 for fixing an antenna 109 on. In this antenna, the above and described below transmitting and receiving devices and the remaining electronics can be accommodated.

Je nach Ausgestaltung des Füllstandmessgeräts kann die Antennenhalterung 108 ein mechanisches Verstellen der Hauptabstrahlrichtung der Antenne, beispielsweise durch Drehen 110 oder durch Verkippen, ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich hierzu können Verfahren der digitalen Strahlumformung zum Einsatz kommen. Das Füllstandmessgerät besitzt hierfür die mehrere Sende- und/oder Empfangseinrichtungen aufweisende Antenne 109 sowie eine dazu geeignete Auswerteeinheit 111, welche sich beispielsweise im Gehäuse des Füllstandmessgeräts 105 befindet.Depending on the configuration of the level measuring device, the antenna holder 108 a mechanical adjustment of the main radiation direction of the antenna, for example by turning 110 or by tilting. Alternatively or additionally, methods of digital beam forming can be used. The level gauge has for this purpose the multiple transmitting and / or receiving devices having antenna 109 as well as a suitable evaluation unit 111 , which, for example, in the housing of the level gauge 105 located.

Es können verschiedene Radarverfahren eingesetzt werden. Häufig wird das frequenzmodulierte Dauerstrichverfahren verwendet. In diesem Zusammenhang spricht man von FMCW-Füllstandradargeräten. Dabei erzeugt eine Phasenregelschleife eine Frequenzrampe, die über die Antenne abgesendet wird. Dieses Signal wird als Lokaloszillatorsignal (LO-Signal) bezeichnet. Das reflektierte Empfangssignal wird mit dem Sendesignal gemischt, wobei die Frequenz des so erzeugten Zwischenfrequenzsignals in einem linearen Zusammenhang mit dem Abstand des Reflektors, also beispielsweise der Schüttgutoberfläche, steht.Various radar methods can be used. Frequently, the frequency-modulated continuous wave method is used. In this context we speak of FMCW level radars. In this case, a phase-locked loop generates a frequency ramp which is transmitted via the antenna. This signal is called a local oscillator (LO) signal. The reflected received signal is mixed with the transmission signal, wherein the frequency of the intermediate frequency signal thus generated in a linear relationship with the distance of the reflector, so for example, the bulk material surface is.

Die Verfahren der digitalen Strahlumformung benötigen eine Vielzahl solcher Radarschaltungen in einem Gerät und können mit verschiedenen Systemarchitekturen realisiert werden. Zu unterscheiden sind Systeme mit einem Sender bzw. einer Sendeeinrichtung und mehreren Empfängern bzw. Empfangseinrichtungen (Single Input Multiple Output, SIMO), Systeme mit mehreren Sendern und einem Empfänger (Multiple Input Single Output, MISO) und Systeme mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern (Multiple Input Multiple Output, MIMO).The methods of digital beamforming require a large number of such radar circuits in one device and can be implemented with different system architectures. A distinction must be made between systems with one transmitter or a transmitting device and several receivers or receiving devices (SIMO), systems with several transmitters and one receiver (Multiple Input Single Output, MISO) and systems with several transmitters and multiple receivers ( Multiple Input Multiple Output, MIMO).

2 zeigt eine Systemarchitektur eines FMCW-Füllstandradars zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts mit mehreren Sende- und Empfangskanälen. Bei mehrkanaligen Systemen benötigen die Sende- und Empfangseinrichtungen 204, 205, 206, 207 ein gemeinsames LO-Signal, um die abgesendeten elektromagnetischen Wellen wieder empfangen zu können. Dieses hochfrequente LO-Signal wird beispielsweise durch ein Netzwerk 202 von resistiven Leistungsteilern 201 oder Leistungskopplern auf die Anzahl der gewünschten Sender und Empfänger 204, 205, 206, 207 aufgeteilt und entstammt einer PLL 203. Bei den resistiven Leistungsteilern handelt es sich beispielsweise um Wilkinson Divider. 2 shows a system architecture of an FMCW level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material with multiple transmit and receive channels. For multi-channel systems, the transmitting and receiving devices require 204 . 205 . 206 . 207 a common LO signal to receive the transmitted electromagnetic waves again. This high-frequency LO signal is transmitted through a network, for example 202 of resistive power dividers 201 or power couplers on the number of desired transmitters and receivers 204 . 205 . 206 . 207 divided and comes from a PLL 203 , The resistive power dividers are, for example, Wilkinson Divider.

Diese Art der Aufteilung der hochfrequenten Signale der PLL 203 kann stark verlustbehaftet sein und kann somit nicht beliebig oft wiederholt werden. Ebenfalls ist diese Art der Leistungsteilung empfindlich hinsichtlich mechanischer Toleranzen und den Strukturen der Leiterbahnen sowie der eingesetzten Bandbreite des Systems.This type of distribution of high-frequency signals of the PLL 203 can be very lossy and thus can not be repeated as often as you like. Also, this type of power sharing is sensitive to mechanical tolerances and the structures of the tracks as well as the bandwidth used in the system.

3 zeigt die Systemarchitektur eines Füllstandradars gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es handelt sich um eine MISO Systemarchitektur mit einem einzigen Empfänger 310. 3 shows the system architecture of a level radar according to an embodiment of the Invention. It is a MISO system architecture with a single receiver 310 ,

Ein grundsätzlicher Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass jedem Sender 304, 306, 308 und jedem Empfänger 310 eine PLL 303, 305, 307, 309 zugeordnet wird, welche den entsprechenden Sender bzw. Empfänger mit einem rampenartigen Sendesignal versorgt. Wie bereits weiter oben erläutert, kann jeweils ein Sender auch mit einem Empfänger kombiniert werden und als integriertes Bauteil gefertigt sein. In diesem Fall ist der Sender-/Empfängereinheit genau eine PLL zugeordnet.A fundamental aspect of the invention is the fact that each transmitter 304 . 306 . 308 and every recipient 310 a PLL 303 . 305 . 307 . 309 is assigned, which supplies the corresponding transmitter or receiver with a ramp-like transmission signal. As already explained above, each transmitter can also be combined with a receiver and manufactured as an integrated component. In this case, the transmitter / receiver unit is assigned exactly one PLL.

Es sind vier PLLs 303, 305, 307, 309 vorgesehen. Der Signalausgang jeder PLL ist mit genau einem Sender bzw. Empfänger verbunden. Die Kombination aus PLL und Sender bzw. Empfänger bildet die oben genannte Sendeeinrichtung 301 bzw. Empfangseinrichtung 302 aus, wobei diese Einrichtungen auch noch weitere Elemente aufweisen können. Im Falle der Empfangseinrichtung 302 handelt es sich bei den weiteren Elementen insbesondere um einen Zwischenfrequenzverstärker 311, der an den Ausgang des Empfängers 310 angeschlossen ist, einen darauf folgenden Analog/Digitalkonverter 312 und eine darauf folgende Signalverarbeitungseinrichtung 313.There are four PLLs 303 . 305 . 307 . 309 intended. The signal output of each PLL is connected to exactly one transmitter or receiver. The combination of PLL and transmitter or receiver forms the above-mentioned transmitting device 301 or receiving device 302 from, these devices may also have other elements. In the case of the receiving device 302 in particular, the further elements are an intermediate frequency amplifier 311 to the output of the receiver 310 connected, a subsequent analog / digital converter 312 and a subsequent signal processing device 313 ,

Jeder Sender 304, 306, 308 kann einen Sendeverstärker und ggf. einen Frequenzvervielfacher aufweisen. Der Empfänger 310 kann einen LNA (Low Noise Amplifier), einen Mischer und ggf. ebenfalls einen Frequenzvervielfacher aufweisen.Each transmitter 304 . 306 . 308 may have a transmission amplifier and possibly a frequency multiplier. The recipient 310 may have a LNA (Low Noise Amplifier), a mixer and possibly also a frequency multiplier.

Jeder Sender und jeder Empfänger ist also an den Signalausgang einer eigenen PLL angeschlossen, die das LO-Signal für jede Sende-/Empfangseinrichtung separat erzeugt.Each transmitter and each receiver is thus connected to the signal output of its own PLL, which generates the LO signal separately for each transceiver.

Den einzelnen PLLs wird jedoch der gleiche Systemtakt zugeführt, der aus einer einzigen Referenz 314, beispielsweise einem Quarzoszillator, abgeleitet wird. Dieses Taktsignal kann um ein Vielfaches niederfrequenter ausgeführt sein, als das LO-Signal. Das hat den Vorteil, dass zur Aufteilung der Signale keine hochfrequenten Effekte berücksichtigt werden müssen. Somit spielen mechanische Toleranzen und die Strukturen der Leiterbahnen eine untergeordnete Rolle. Die eingesetzte Systembandbreite spielt hingegen keine Rolle, da ausschließlich ein reines Taktsignal verteilt wird. Diese Referenz 314 kann auch als Referenztaktgeber bezeichnet werden.However, the individual PLLs are supplied with the same system clock, which consists of a single reference 314 , For example, a quartz oscillator, is derived. This clock signal can be executed by a multiple lower frequency than the LO signal. This has the advantage that no high-frequency effects have to be taken into account for splitting the signals. Thus, mechanical tolerances and the structures of the tracks play a minor role. The system bandwidth used, on the other hand, does not matter because only a pure clock signal is distributed. This reference 314 can also be called a reference clock.

Darüber hinaus ist eine zentrale Steuereinheit 315 vorgesehen, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, einer DSP oder eines FPGA, welche an jede PLL 303, 305, 307, 309 angeschlossen ist, und dieser mittels eines Triggersignals den Befehl gibt, die Frequenzrampe zu erzeugen und somit eine Messung zu starten.In addition, is a central control unit 315 provided, for example in the form of a microprocessor, a DSP or an FPGA, which to each PLL 303 . 305 . 307 . 309 is connected, and this by means of a trigger signal gives the command to generate the frequency ramp and thus start a measurement.

Jede PLL erzeugt somit eine separate Frequenzrampe, die mit den Frequenzrampen der anderen PLLs identisch ist. Durch die Sender wird diese Frequenzrampe abgesendet und in den Empfängern das empfangene Signal mit dieser Frequenzrampe gemischt, um so ein Zwischenfrequenzsignal zu erhalten. Zusätzliche Phasenfehler, die durch diese Systemarchitektur entstehen, können durch Kalibration herausgerechnet werden.Each PLL thus generates a separate frequency ramp which is identical to the frequency ramps of the other PLLs. By the transmitter, this frequency ramp is sent and mixed in the receivers, the received signal with this frequency ramp, so as to obtain an intermediate frequency signal. Additional phase errors caused by this system architecture can be eliminated by calibration.

4 zeigt eine Systemarchitektur eines FMCW-Füllstandradars gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel sind ein Sender 304 mit einer eigenen PLL 303 und drei Empfänger 402, 407, 310 mit entsprechenden eigenen PLLs 401, 406, 309 vorgesehen. Natürlich können weitere Empfänger und entsprechende PLLs vorgesehen sein, je nachdem, wie viel Empfangskanäle benötigt werden. Jeder Empfänger 402 ist mit einem eigenen ZF-Verstärker 403, 408, 311 verbunden, der an einen Analog/Digitalwandler 404, 409, 312 angeschlossen ist, welcher wiederum an eine entsprechende Signalverarbeitungseinrichtung 405, 410, 313 angeschlossen ist. 4 shows a system architecture of a FMCW level radar according to another embodiment of the invention. In this embodiment, a transmitter 304 with its own PLL 303 and three recipients 402 . 407 . 310 with appropriate own PLLs 401 . 406 . 309 intended. Of course, additional receivers and corresponding PLLs may be provided, depending on how many receive channels are needed. Every receiver 402 is with its own IF amplifier 403 . 408 . 311 connected to an analog / digital converter 404 . 409 . 312 is connected, which in turn to a corresponding signal processing device 405 . 410 . 313 connected.

Wie auch schon in den vorherigen und auch in den folgenden Ausführungsbeispielen kann ein einziger ein Referenztaktgeber 314 vorgesehen sein, der ein Taktsignal an sämtliche PLLs bereitstellt. Weiterhin kann eine einzige Steuereinheit 315 vorgesehen sein, welche sämtliche PLLs mit Steuersignalen versorgt, um beispielsweise eine Messung zu triggern.As in the previous and also in the following exemplary embodiments, a single one can be a reference clock 314 be provided, which provides a clock signal to all PLLs. Furthermore, a single control unit 315 be provided, which supplies all PLLs with control signals, for example, to trigger a measurement.

Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 handelt es sich demnach um eine sog. SIMO Systemarchitektur.In the embodiment of the 4 is therefore a so-called SIMO system architecture.

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Systemarchitektur für ein FMCW-Füllstandradar gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei handelt es sich um eine MIMO-Systemarchitektur mit einer Vielzahl an Sendern 304, 306 und einer Vielzahl an Empfängern 310, 407. 5 shows another embodiment of a system architecture for an FMCW level radar according to an embodiment of the invention. This is a MIMO system architecture with a large number of transmitters 304 . 306 and a variety of recipients 310 . 407 ,

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können jeweils ein Sender und ein Empfänger in einer Einheit integriert sein. Diese Einheit nutzt für das Senden und Empfangen das gleiche LO-Signal und kann als Frontend für ein einzelnes Füllstandmessgerät verstanden werden, wie dies in der 6 gezeigt ist. Die kombinierten Sender- und Empfängereinheiten sind mit den Bezugszeichen 601, 602, 603, 604 bezeichnet.According to a further embodiment, a transmitter and a receiver may each be integrated in one unit. This unit uses the same LO signal for sending and receiving and can be understood as a front end for a single level gauge, as shown in the 6 is shown. The combined transmitter and receiver units are denoted by the reference numerals 601 . 602 . 603 . 604 designated.

Somit handelt es sich also bei der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung um dieselbe Vorrichtung (siehe beispielsweise Vorrichtung 601). Beispielsweise kann solch eine Einheit 601 durch eine monolithisch integrierte Mikrowellenschaltung (Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC) ausgeführt sein. Die Sender und Empfänger dieser Radarchips können nach Belieben von der Steuereinheit 315 an- und abgeschaltet werden, um ein geeignetes Co-Array ausbilden zu können.Thus, the transmitting device and the receiving device are the same device (see, for example, device 601 ). For example, such a unit 601 be implemented by a monolithic microwave integrated circuit (MMIC). The transmitters and receivers of these radar chips can be selected by the control unit 315 be turned on and off to form a suitable co-array can.

Jede Gruppe 601, 602, 603, 604 wird dann durch jeweils eine PLL 303, 305, 307, 309 gespeist, die untereinander über den Referenztakt des Referenztaktgebers 314 synchronisiert sind.Every group 601 . 602 . 603 . 604 is then replaced by a PLL 303 . 305 . 307 . 309 fed to each other via the reference clock of the reference clock 314 are synchronized.

7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Systemarchitektur eines FMCW-Füllstandradars. Hierbei sind Teile der PLL, beispielsweise der spannungsgesteuerte Oszillator (Voltage-Controlled Oscillator, VCO) 703, auf der Sender- bzw. Empfängerseite 702 integriert. Dadurch können verschiedene Frequenzbereiche mit der gleichen PLL 303 angesteuert werden, da der VCO 703 für den Frequenzbereich entscheidend ist. Hierfür muss nicht das LO-Signal zwischen beiden Einheiten ausgetauscht werden, sondern die Steuerspannung 704 und das rückgekoppelte Ausgangssignal 705 des VCO 703. 7 shows a further embodiment of a system architecture of a FMCW level radar. In this case, parts of the PLL, for example the voltage-controlled oscillator (Voltage-Controlled Oscillator, VCO) 703 , on the transmitter or receiver side 702 integrated. This allows different frequency ranges with the same PLL 303 be driven, since the VCO 703 is crucial for the frequency domain. For this, it is not necessary to exchange the LO signal between the two units, but the control voltage 704 and the feedback output signal 705 of the VCO 703 ,

Der in der 7 gezeigte „VCO-Block” 702 entspricht dem Sender 601 der 6.The Indian 7 shown "VCO block" 702 corresponds to the transmitter 601 of the 6 ,

PLL 303 und VCO-Block 702 können auf einem Chip integriert sein oder jeweils auf einem eigenen Chip.PLL 303 and VCO block 702 can be integrated on one chip or each on a separate chip.

In diesem und in allen anderen Ausführungsbeispielen können zehn oder mehr Sende- und/oder Empfangskanäle vorgesehen sein.In this and in all other embodiments, ten or more transmitting and / or receiving channels may be provided.

8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Schritt 801 wird ein Taktsignal eines Referenztaktgebers an mehrere Phasenregelschleifen bereitgestellt, welches in Schritt 802 dazu führt, dass jede Phasenregelschleife ein rampenartiges Sendesignal erzeugt, welches in Schritt 803 von einem Sender ausgesendet wird. In Schritt 804 wird dieses Sendesignal, nachdem es an einer Schüttgutoberfläche reflektiert wurde, von einer entsprechenden Empfangseinrichtung empfangen. Das empfangene Signal wird in Schritt 805 mit einem von einer zweiten Phasenregelschleife erzeugten Lokaloszillatorsignal gemischt, um ein Zwischenfrequenzsignal zu erzeugen. 8th shows a flowchart of a method according to an embodiment of the invention. In step 801 a clock signal of a reference clock is provided to a plurality of phase locked loops, which in step 802 causes each phase-locked loop to generate a ramp-type transmit signal, which in step 803 transmitted by a transmitter. In step 804 This transmission signal is, after it has been reflected on a bulk material surface, received by a corresponding receiving device. The received signal is in step 805 mixed with a local oscillator signal generated by a second phase locked loop to produce an intermediate frequency signal.

Einen wesentlichen Vorteil bietet die oben beschriebene Systemarchitektur hinsichtlich des einfacheren LO-Verteilnetzwerks, bei dem nahezu beliebig viele Radarfrontends parallelisiert werden können. Aufgrund der hohen Integrierbarkeit der einzelnen Systemkomponenten von PLL und Radarfrontend verursachen zusätzliche PLL-Bausteine keine höheren Kosten.The system architecture described above with regard to the simpler LO distribution network, in which almost any number of radar front ends can be parallelized, offers a significant advantage. Due to the high integrability of the individual system components of the PLL and the radar front end, additional PLL components do not cause any higher costs.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend” und „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.In addition, it should be noted that "comprising" and "having" does not exclude other elements or steps, and "a" or "an" does not exclude a plurality. It should also be appreciated that features or steps described with reference to any of the above embodiments may also be used in combination with other features or steps of other embodiments described above. Reference signs in the claims are not to be considered as limitations.

Claims (8)

FMCW-Füllstandradar zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts, aufweisend: eine Sendeeinrichtung (301) mit einer ersten Phasenregelschleife (303), wobei die Sendeeinrichtung zum Aussenden eines Sendesignals in Richtung der Oberfläche des Schüttguts ausgeführt ist; eine Empfangseinrichtung (302) mit einer zweiten Phasenregelschleife (309), wobei die Empfangseinrichtung zum Empfangen eines Empfangssignals, bei dem es sich um das an der Oberfläche des Schüttguts reflektierte Sendesignal handelt, und zum Mischen des Empfangssignals mit einem von der zweiten Phasenregelschleife erzeugten Lokaloszillatorsignal ausgeführt ist, um ein Zwischenfrequenzsignal zu erzeugen; einen zentralen Referenztaktgeber (314), der zum Bereitstellen eines Taktsignals an sämtliche Phasenregelschleifen (303, 309) ausgeführt ist.FMCW level radar for detecting the topology of the surface of a bulk material, comprising: a transmitting device ( 301 ) with a first phase locked loop ( 303 ), wherein the transmitting device is designed to emit a transmission signal in the direction of the surface of the bulk material; a receiving device ( 302 ) with a second phase locked loop ( 309 wherein the receiving means is adapted to receive a receive signal which is the transmit signal reflected at the surface of the bulk material and to mix the receive signal with a local oscillator signal generated by the second phase locked loop to produce an intermediate frequency signal; a central reference clock ( 314 ) for providing a clock signal to all phase locked loops ( 303 . 309 ) is executed. Füllstandradar nach Anspruch 1, wobei die erste Phasenregelschleife (303) zum Erzeugen eines Lokaloszillatorsignals in Form einer Frequenzrampe ausgeführt ist, so dass die Frequenz des Lokaloszillatorsignals über die Zeit ansteigt; und wobei es sich bei dem Sendesignal im Wesentlichen um das Lokaloszillatorsignal handelt.Filling level radar according to claim 1, wherein the first phase locked loop ( 303 ) for generating a local oscillator signal in the form of a frequency ramp, so that the frequency of the local oscillator signal increases over time; and wherein the transmission signal is substantially the local oscillator signal. Füllstandradar nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Phasenregelschleife (309) zum Erzeugen des Lokaloszillatorsignals in Form einer Frequenzrampe ausgeführt ist, so dass die Frequenz des Lokaloszillatorsignals über die Zeit ansteigt.Level radar according to claim 1 or 2, wherein the second phase locked loop ( 309 ) for generating the local oscillator signal in the form of a frequency ramp, so that the frequency of the local oscillator signal increases over time. Füllstandradar nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: eine weitere Sendeeinrichtung (305, 306) oder Empfangseinrichtung (406, 407) mit einer dritten Phasenregelschleife (305, 406); wobei die dritte Phasenregelschleife zum Erzeugen eines weiteren Lokaloszillatorsignals in Form einer Frequenzrampe ausgeführt ist, so dass die Frequenz des weiteren Lokaloszillatorsignals über die Zeit ansteigt; wobei die weitere Sendeeinrichtung zur Verwendung des weiteren Lokaloszillatorsignals als Sendesignal bzw. die weitere Empfangseinrichtung zur Verwendung des weiteren Lokaloszillatorsignals zum Erzeugen eines Zwischenfrequenzsignals ausgeführt ist.Filling level radar according to one of the preceding claims, further comprising: a further transmitting device ( 305 . 306 ) or receiving device ( 406 . 407 ) with a third phase locked loop ( 305 . 406 ); wherein the third phase-locked loop is designed to generate a further local oscillator signal in the form of a frequency ramp so that the frequency of the further local oscillator signal increases over time; wherein the further transmitting device for using the further local oscillator signal as a transmission signal or the further receiving device for using the further local oscillator signal for generating an intermediate frequency signal is executed. Füllstandradar nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eine zentrale Steuereinheit (315), die zur Bereitstellung eines Triggersignals an sämtliche Phasenregelschleifen (303, 309) zum Starten der Erzeugung der entsprechenden Frequenzrampe ausgeführt ist.Level radar according to one of the preceding claims, a central control unit ( 315 ) for providing a trigger signal to all phase locked loops ( 303 . 309 ) is executed to start generating the corresponding frequency ramp. Füllstandradar nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils eine oder mehrere Sendeeinrichtungen (301) und eine oder mehrere Empfangseinrichtungen (302) in einer Einheit (601) integriert sind, welcher nur eine Phasenregelschleife (303) zugeordnet ist.Level radar according to one of the preceding claims, wherein in each case one or more transmitting devices ( 301 ) and one or more receiving devices ( 302 ) in one unit ( 601 ), which only has one phase locked loop ( 303 ) assigned. Füllstandradar nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Form des Lokaloszillatorsignals der ersten Phasenregelschleife (303) der Form des Lokaloszillatorsignals der zweiten Phasenregelschleife (309) entspricht.Level radar according to one of claims 2 to 6, wherein the shape of the local oscillator signal of the first phase locked loop ( 303 ) the shape of the local oscillator signal of the second phase locked loop ( 309 ) corresponds. Verfahren zum Erfassen der Topologie der Oberfläche eines Schüttguts, aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines Taktsignals an mehrere Phasenregelschleifen (303, 309) durch einen zentralen Referenztaktgeber (314); Aussenden eines durch eine erste Phasenregelschleife (303) erzeugten Sendesignals in Richtung der Oberfläche des Schüttguts; Empfangen eines Empfangssignals, bei dem es sich um das an der Oberfläche des Schüttguts reflektierte Sendesignal handelt; Mischen des Empfangssignals mit einem von einer zweiten Phasenregelschleife (309) erzeugten Lokaloszillatorsignal, um ein Zwischenfrequenzsignal zu erzeugen.Method for detecting the topology of the surface of a bulk material, comprising the steps of: providing a clock signal to a plurality of phase locked loops ( 303 . 309 ) by a central reference clock ( 314 ); Sending out a signal through a first phase locked loop ( 303 ) generated transmission signal in the direction of the surface of the bulk material; Receiving a received signal which is the transmitted signal reflected on the surface of the bulk material; Mixing the received signal with one of a second phase locked loop ( 309 ) generate local oscillator signal to generate an intermediate frequency signal.
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