DE19533125C1 - Vorrichtung zur Abstandsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abstandsmessung.

Die berührungslose Messung von Abständen ist eine Grundaufga­ be der Sensorik. Mikrowellen-Distanzsensoren bieten aufgrund ihrer Robustheit und Zuverlässigkeit, insbesondere unter rau­ hen Einsatzbedingungen, im Vergleich zu konkurrierenden Sen­ sorprinzipien, wie Ultraschall oder optischen Verfahren ent­ scheidende Vorteile. Derartige auf dem Radarprinzip basieren­ de Sensoren sind daher prädestiniert für vielfältige Anwen­ dungen, beispielsweise in der Prozeßautomatisierung als Füll­ standsmeßgerät oder in der Automobiltechnik zur adaptiven Fahrgeschwindigkeitsregelung durch Überwachung des Abstandes zum voraus fahrenden Fahrzeug, zur Spurwechselabsicherung durch Erfassung des Seitenabstandes oder als automatische Einparkhilfe. Aus Lange, K.; Löcherer, K.-H. Taschenbuch der Hochfrequenztechnik/Meinke; Gundlach 5., überarb. Aufl. Ber­ lin [u. a.]: Springer, 1992, Seiten S1-S4 ist ein Radar-Distanzsensor nach dem FMCW-Prinzip (frequency modulated continuous wave) bekannt. Ein derartiger FMCW-Distanzsensor ist in Fig. 1 gezeigt. Die Abstandsinformation wird bei diesem Sensor bei Aussendung eines linear frequenz­ modulierten Radarsignals aus dem Phasenhub des Meßsignals mess(t) extrahiert. Das Meßsignal mess(t) ist das Mischsignal aus dem Sendesignal s(t) und dem Empfangssignal e(t) am Aus­ gang des Mischers MI. Ein Kernproblem dieses Sensors sind Nahdistanzmessungen. Aufgrund des geringen Laufzeitunter­ schieds zwischen Sende- und Empfangssignal s(t) und e(t) er­ gibt sich für sehr kleine Meßabstände, typischerweise kleiner als 2 m nur ein geringer Phasenhub des Meßsignals mess(t). Dies erschwert die Signalauswertung für ein Meßsignal mess(t) bei kleinen Objektabständen. Es treten beispielsweise bei ei­ ner Fourierauswertung Fenstereffekte auf, die zu unakzepta­ blen Meßfehlern führen.

Das Nahbereichsproblem kann dadurch gelöst werden, daß eine zusätzliche Laufzeitstrecke in Form eines Hohlleiterrohres zwischen die Sende-/Empfangsweiche SEW und die Antenne A ein­ gefügt wird. Dies führt allerdings zu einer zusätzlichen Dämpfung des Sendesignals s(t) und erfordert darüber hinaus einen erheblichen Platzbedarf.

In der Veröffentlichung von Lighart, L. P.; Nieuwkerk, L. R.: "An X-band solid-state FM-CW weather radar" in IEE Proc., 1990, Bd. 137, Heft 6, Seiten 418-426 ist ein FM-CW-Radar be­ kannt, das eine frequenzmodulierte Signalquelle aufweist, die ein zwischenfrequentes frequenzmoduliertes Signal erzeugt. Dieses zwischenfrequente Signal wird über einen Oszillator und einen Mikrowellenoszillator und entsprechende Mischer in die Sendefrequenzlage umgesetzt und ausgesendet. Das an einem Objekt reflektierte Signal wird empfangsseitig mit dem Signal des Mikrowellenoszillators und dem Signal des Oszillators so­ wie zwei Empfangsmischern wieder in die Zwischenfrequenzlage rückgemischt. Schließlich wird das zwischenfrequenzte Emp­ fangssignal in einer weiteren Mischeranordnung (Quadraturmischer) mit dem zwischenfrequenzten frequenzmodu­ lierten Signal der Signalquelle abgemischt und weiterverar­ beitet. Mit diesem Radarsystem sollen Meßobjekte im Bereich mehrerer Kilometer mit einer Entfernungsauflösung von mehre­ ren Metern erfaßt werden.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ab­ standsmessung anzugeben, bei der die Erfassung von kleinen Objektabständen, typischerweise kleiner als 2 m, exakt erfolgt und bei der die oben angegebenen Nachteile vermieden sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentan­ spruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Falls vermieden werden soll, daß die Sendeleistung unkontrol­ liert auf den zweiten Mischer überkoppelt, kann eine Sende- /Empfangsweiche beispielsweise in Form eines Zirkulators oder eines Richtkopplers zwischen den Bandpaß, die Antenne und den zweiten Mischer geschaltet werden, vgl. hierzu Anspruch 3.

Falls die Isolation der Sende-/Empfangsweiche (des Zirkula­ tors oder Richtkoppler) zu niedrig ist, kann eine weitere An­ tenne vorgesehen sein, die zum Empfang des reflektierten Si­ gnals dient. Diese Weiterbildung ist in Anspruch 4 angegeben. Die Sende-/Empfangsweiche (Zirkulator oder Richtkoppler) ist dann überflüssig.

Zur präziseren Detektion des Phasenhubs kann als dritter Mi­ scher ein IQ-Mischer zur-komplexen Auswertung verwendet wer­ den, vergleiche Anspruch 5.

Um den Platzbedarf und die Dämpfung für das Verzögerungsele­ ment so gering wie möglich zu halten, kann diese gemäß An­ spruch 6 als Oberflächenwellenelement ausgeführt sein.

Zur weiteren Verbesserung der Abstandsmeßgenauigkeit kann das Verzögerungselement gemäß Anspruch 7 mehrere verschiedene Verzögerungsdauern zur Verfügung stellen, die dem jeweiligen Abstandsmeßbereich angepaßt sind.

Sofern das beim Mischen am ersten Mischer entstehende zweite Seitenband stört, kann dem ersten Mischer ein Bandpaß nachge­ schaltet sein. Hierzu wird auf den Anspruch 9 verwiesen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand mehrerer Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines FMCW-Radar-Distanzsensors, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstandsmessung.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 weist einen Mikrowellenoszilla­ tor MWO auf, der ein Mikrowellensignal S_T erzeugt. Mit Hilfe eines ersten Mischers MI1 wird das Mikrowellensignal S_T mit dem von einem elektronisch durchstimmbaren Oszillator VCO ge­ lieferten frequenzmodulierten Signal S_ZF gemischt. Ein typi­ scher Wert für die konstante Trägerfrequenz f_T des Mikrowel­ lensignals S_T beträgt 21,7 GHz. Die Mittenfrequenz des fre­ quenzmodulierten Signals S_ZF beträgt typischerweise 2,4 GHz, der Frequenzhub des frequenzmodulierten Signals S_ZF liegt bei 200 MHz. Der Frequenzhub des spannungsgesteuerten Oszillators VCO ist mittels des Modulators MOD einstellbar. Der span­ nungsgesteuerte Oszillator VCO und der Modulator MOD bilden zusammen die frequenzmodulierte Signalquelle SQ. Das am Aus­ gang des ersten Mischers MI1 angeordnete Bandpaßfilter BP dient der Unterdrückung des beim Modulationsvorgang entste­ henden zweiten Seitenbandes. Unter der Annahme der obenge­ nannten Frequenzwerte liegt am Ausgang des Bandpaßfilters BP folglich ein linear frequenzmoduliertes Sendesignal S_S mit einer Mittenfrequenz f_HF = 24,1 GHz und einem Frequenzhub von 200 MHz an. Dieses Sendesignal S_S wird über eine Sende- /Empfangsweiche SEW zur Antenne A geführt und abgestrahlt. Das von einem Meßobjekt MO reflektierte Signal wird von der Antenne A aufgenommen. Das empfangene Signal S_E gelangt über die Sende-/Empfangsweiche SEW zu einem zweiten Mischer MI2 und wird dort mit dem Mikrowellensignal S_T des Mikrowellenos­ zillators MWO demoduliert. Dieses demodulierte Zwischenfre­ quenzsignal ZFS wird mit Hilfe eines Verzögerungselements LZL, auch als Laufzeitleitung bezeichnet, um die Zeitdauer τ verzögert und mit einem dritten Mischer QMI, vorzugsweise ei­ nem Quadraturmischer, mit dem frequenzmodulierten Signal S_ZF des spannungsgesteuerten Oszillators VCO gemischt. Der Qua­ draturmischer QMI liefert schließlich den Realteil I und den Imaginärteil Q eines komplexwertigen Entfernungsmeßsignals mess2 (t), aus dem beispielsweise mit Hilfe eines Rechners DSP, vorzugsweise eines digitalen Signalprozessors die Ent­ fernung L zum Meßobjekt MO berechnet wird.

Als Verzögerungselement LZL wird vorzugsweise ein Oberflä­ chenwellen (OFW)-Bauelement verwendet. Dieses hat den Vor­ teil, daß die benötigte zeitliche Verzögerung τ sehr platz­ sparend und kostengünstig implementiert werden kann. Die OFW-Laufzeitleitung führt das verzögerte Signal intern als aku­ stische Oberflächenwelle, dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit um Größenordnungen unter der der Lichtgeschwindigkeit liegt, so daß die erforderliche Zeitverzögerung τ in einem extrem kleinen Bauelement realisiert wird.

Bedarfsweise kann das Oberflächenwellenelement mehrere An­ zapfungen aufweisen, die verschiedene Lauf Zeiten τ₁ . . . τ_n erzeugen. Es kann diejenige Verzögerungsdauer τ gewählt wer­ den, die dem gewünschten Entfernungsmeßbereich entspricht. Je größer die Entfernung L des Meßobjektes MO von der Antenne A ist, desto kleiner ist die Verzögerungsdauer τ zu wählen.

Der dritte Mischer QMI muß nicht notwendigerweise ein IQ-Mischer (= Quadraturmischer) sein. Durch Verwendung eines IQ-Mischers ist jedoch der Phasenhub präziser und eindeutiger zu detektieren.

Alternativ können komplexe Signale auch mittels der Hilbert­ transformation aus dem reellen Zeitsignal gewonnen werden.

Die Sendeempfangseinheit SES, auch als Sendeempfangsstufe be­ zeichnet, kann wie in Fig. 2 dargestellt, eine monostatische Antennenanordnung sein. Diese weist eine Sende-/Empfangs­ weiche SEW, welche beispielsweise als Zirkulator oder Richt­ koppler ausgeführt sein kann, und eine Antenne A auf.

Die Sende-/Empfangseinheit SES kann auch eine bistatische An­ tennenanordnung aufweisen (nicht in den Figuren dargestellt). Hierbei sind eine Sendeantenne, welche mit dem Bandpaß BP verbunden ist und eine Empfangsantenne, welche mit dem zwei­ ten Mischer MI2 verbunden ist, vorgesehen.

Die bistatische Antennenanordnung hat gegenüber der monostati­ schen Antennenanordnung den Vorteil einer höheren Dämpfung zwischen Sende- und Empfangskreis, so daß eine höhere Ent­ kopplung von Sende- und Empfangssignal erzielt wird.

Die Vorrichtung zur Abstandsmessung ist neben den eingangs genannten Anwendungsfällen insbesondere auch für die Füll­ standsmessung geeignet.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Abstandsmessung,

• - bei der eine Signalquelle (MWO) vorgesehen ist, die ein Mikrowellensignal (S_T) erzeugt,
• - bei der eine frequenzmodulierte Signalquelle (SQ) vorge­ sehen ist, die ein frequenzmoduliertes Signal (S_ZF) er­ zeugt,
• - bei der ein erster Mischer (MI1) vorgesehen ist, der aus dem Mikrowellensignal (S_T) und dem frequenzmodulierten Si­ gnal (S_ZF) ein erstes Mischsignal (S_S) bildet,
• - bei der eine Sende-/Empfangseinheit (SES) vorgesehen ist, die das erste Mischsignal (S_S) aussendet und das an einem Objekt (MO) reflektierte Signal (S_E) empfängt,
• - bei der ein zweiter Mischer (MI2) vorgesehen ist, der aus dem empfangenen Signal (S_E) und dem Mikrowellensignal (S_T) ein zweites Mischsignal (ZFS) bildet,
• - bei dem ein Verzögerungselement (LZL) vorgesehen ist, das das zweite Mischsignal (ZFS) um eine Zeitdauer (T) verzö­ gert,
• - bei der ein dritter Mischer (QMI) vorgesehen ist, der aus dem verzögerten zweiten Mischsignal und dem frequenzmodu­ lierten Signal (S_ZF) ein drittes Mischsignal (mess2(t)) bildet, welches ein Maß für den Abstand (L) des Objekts (MO) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Sende-/Empfangseinheit (SES) eine monostatische Antennenanordnung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Sende-/Empfangseinheit (SES) einen Zirkulator oder einen Richtkoppler aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Sende-/Empfangseinheit (SES) eine bistatische Antennenanordnung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, bei der der dritte Mischer (QMI) ein IQ-Mischer ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, bei der das Verzögerungselement (LZL) ein Oberflächenwel­ lenelement ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Oberflächenwellenelement mehrere Anzapfungen zur Erzeugung verschiedener Zeitdauern (τ₁ . . . τ_n) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, bei der die frequenzmodulierte Signalquelle (SQ) einen Mo­ dulator (MOD) aufweist, der einen spannungsgesteuerten Os­ zillator (VCO) ansteuert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, bei der zwischen dem ersten Mischer (MI1) und der Sende- /Empfangseinheit (SES) ein Bandpaß (BP) vorgesehen ist.

10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9 zur Füllstandsmessung.