DE19601875A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Elimination von Störeinflüssen beim FMCW-Radar - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Elimination von Störeinflüssen beim FMCW-RadarInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur absoluten Abstands
messung zwischen nicht kooperative Objekten. Die Basis ist
ein Meßverfahren bzw. eine Meßvorrichtung, die mit dem Aus
gangssignal eines Senders beschickt wird und dieses Ausgangs
signal mit einem von einem Meßobjekt reflektierten Ausgangs
signal überlagert, wobei eine daraus erhaltene Zwischenfre
quenz die Abstandsinformation enthält. In der Optik werden
derartige Meßvorrichtungen als Interferometer bezeichnet.
Im Gegensatz zur konventionellen Längeninterferometrie mit
frequenzstabilisierten HeNe-Lasern bietet die Absolutinter
ferometrie mit durchstimmbaren Halbleiterlasern die Möglich
keit, Abstände statisch ohne Verschieben des Meßreflektors zu
bestimmen. Sämtliche kommerziellen Interferometer sind dage
gen lediglich in der Lage, Weglängenänderungen zu messen,
d. h. der Startpunkt der Messung, auf den die nachfolgenden
Meßwerte bezogen werden, ist unbekannt. Eine Strahlunterbre
chung führt beispielsweise zum Abbruch der Messung, da der
Bezug zu den vorangegangenen Meßwerten unwiederbringlich ver
loren ist. Bei den absolut messenden Verfahren wird die kohä
rente Überlagerung der ausgesandten mit einer von einem Ob
jekt reflektierten elektromagnetischen Welle erzeugt. Die
Trägerfrequenz wird dabei während der Meßzeit um einen gewis
sen Frequenzhub durchgestimmt, was durch entsprechende An
steuerung des Senders erfolgt. Die Trägerfrequenz liegt bei
spielsweise beim Mikrowellen-Radar im GHz-Bereich
(beispielsweise im Bereich von 1-70 GHz und beim Laserradar,
d. h. im optischen Spektralbereich bei ca. 100 THz mit einer
bestimmten Bandbreite. In diesem Zusammenhang ist folgende
Literaturstelle zu nennen: (1) "Frequency-Modulated Conti
nuous Wave Systems In Coherence Radar Performance Estimati
on", Samuel O. Piper, J. A. Scheer (Ed.), 1993 Artech House
Inc., Norwood, Ma Seiten 289 bis 296.
Relativbewegungen zwischen Meßobjekt und Radarsensor während
der Meßzeit können systematische Meßfehler hervorrufen. Diese
Fehler sind um das Verhältnis zwischen Trägerfrequenz und
Frequenzhub größer, als die verursachenden Abstandsverände
rungen. Da dieses Verhältnis beispielsweise beim Laserradar
mit etwa 1000 besonders groß ist, sind dem industriellen Ein
satz des Laser-Radars bisher extrem enge Grenzen gesetzt.
Aber auch beim Mikrowellen-Radar können große Relativge
schwindigkeiten zwischen Sensor und Objekt, wie sie z. B. bei
einem Einsatz in der Automobiltechnik vorkommen, zu bislang
unüberwindlichen Schwierigkeiten führen. Unter den Relativbe
wegungen sind sowohl Abstandsveränderungen, als auch latera
le, d. h. ungefähr senkrecht zur Abstandsrichtung auftretende
Bewegungen gemeint. Das mit der gesuchten Zwischenfrequenz
amplitudenmodulierte Empfangssignal, das die Abstandsinforma
tion enthält, wird durch Objektbewegungen zusätzlich fre
quenzmoduliert. In der mathematischen Darstellung findet sich
im Argument des Empfangssignales also ein zweiter zeitabhän
giger Phasenterm, der durch die Objektbewegung relativ zum
Sensor verursacht wird. Eine korrekte Bestimmung der die Ab
standsinformation enthaltenden Zwischenfrequenz ist dadurch
im allgemeinen nicht mehr möglich. Der einfachste Fall liegt
beispielsweise vor, wenn sich das Objekt mit konstanter Ge
schwindigkeit vom Sensor wegbewegt oder sich ihm nähert. Die
Objektbewegung führt dann zu einer Dopplerverschiebung der
Zwischenfrequenz und somit zu einem systematischen Meßfehler.
Für den Fall eines typischen Laserradars läßt sich dieser
Meßfehler abschätzen. Bei einem Frequenzhub von 250 GHz führt
eine Objektbewegung von einer halben Wellenlänge, beispiels
weise 0,7 µm, während der Meßzeit zu einem systematischen
Fehler von 600 µm. Der Meßfehler ist hier also etwa um den
Faktor 1000 größer als seine Ursache. Bei beliebigen Objekt
bewegungen, wie beispielsweise Oszillationen, treten weit
kompliziertere Phänomene auf, die das Signal (Zwischen
frequenz) für eine weitere Signalverarbeitung vollkommen un
brauchbar machen.
Das oben angesprochene Problem der Fehlervergrößerung wurde
zwar verschiedentlich beim Laserradar beobachtet. Lösungsan
sätze, die für beliebige Objektbewegungen erfolgversprechend
wären, sind jedoch bisher nicht bekannt. Das Problem ist bei
spielsweise in folgenden Literaturstellen angesprochen wor
den: (2) "Absolutinterferometrie mit durchstimmbaren Halblei
terlasern", T. Pfeifer, J. Thiel, Technisches Messen 60, Nr.
5, 1993; (3) "Wavelength-shift inferferometry for distance
measurements using the Fourier transform technique for fringe
analysis", M. Suematsu, M. Takeda, Applied Optics, Vol. 30,
No. 28, 1991.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung bereit zustellen, womit die Elimination von
Störeinflüssen, beispielsweise aufgrund von Relativbewegungen
zwischen Objekt und Sensor, beim FMCW-Radar effektiv gegeben
ist. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale
von Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 8, Anspruch 9 bzw. An
spruch 11.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit einer
simultanen Messung zweier Interferenzsignale mit derselben
bzw. einer identischen Meßanordnung Störeinflüsse im Nutzsi
gnal beseitigt werden können. Bei der Messung für das eine
Signal wird die Frequenz der ausgesandten elektromagnetischen
Welle während der Messung um einen bestimmten Frequenzhub
verändert. Bei der Messung bezüglich des zweiten Signales mit
derselben Meßanordnung unterscheidet sich die Steigung der
Frequenzveränderung bzw. des Frequenzhubes wesentlich von der
beim ersten Signal. Durch Mischen (d. h. Multiplikation) der
beiden so erhaltenen Signale (Empfangssignale) entsteht ein
Signal, das sich in der mathematischen Beschreibung aus zwei
amplitudenmodulierten Signalen zusammensetzt. Eines dieser
beiden amplitudenmodulierten Signale oszilliert mit der Summe
Zwischenfrequenzen und enthält die Abstandsinformation. Das
andere enthält die durch die Objektbewegung hervorgerufene
Störung und kann, da es frequenzverschoben ist, durch geeig
nete Filter leicht eliminiert werden. Somit können bei einem
Laserradar beispielsweise auch Brechungsindexvariation in dem
Medium zwischen Sensor und Objekt ausgeglichen werden. Wei
terhin sind Störungen des Nutzsignales durch wechselnde Ab
tastbedingungen beim Scannen beherrschbar. Wesentlich ist die
Abstimmung von mindestens einem Sender (Mikrowellensender
oder Laser) derart, daß dessen Ausgangssignale einen Fre
quenzhub aufweisen, dessen Steigung von Signal zu Signal mög
lichst unterschiedlich ist, also beispielsweise zum einen po
sitiv ist und zum anderen negativ. Besteht die Möglichkeit,
die Ausgangssignale zweier Sender gleichzeitig in eine Meß
anordnung einzuspeisen, die zur Überlagerung eines Ausgangs
signales und eines von einem Objekt rückreflektierten Signa
les dient, so werden über zwei Detektoren zwei Empfangssigna
le aufgenommen. Diese werden multipliziert und ergeben ein
mit der Zwischenfrequenz oszillierendes elektrisches Emp
fangssignal.
Eine weitere Möglichkeit zur Beschickung der Meßanordnung zur
Überlagerung eines Ausgangssignales mit einem von einer Meß
oberfläche reflektierten Signal ist die im Zeitmultiplex or
ganisierte Ansteuerung eines einzigen Senders innerhalb der
Abtastfrequenz, wobei alternierend zwei Ansteuerungen ge
schaltet werden, die zwei Ausgangssignale mit unterschiedli
chem Frequenzhub am Sender ergeben.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß
die Ansteuerungen des Senders derart geschehen, daß die Stei
gungen der Frequenzhübe der Ausgangssignale an einem oder
zwei Sendern unterschiedliches Vorzeichen aufweisen, so daß
die Unterschiede im Frequenzhub maximal werden.
Wird der Sender durch einen Laser dargestellt, so ist die
Meßanordnung ein Interferometer, bestehend aus einem Refe
renzarm und einem Objektarm. Dabei besteht die Möglichkeit,
daß die Länge des Referenzarmes zu Null wird. Die entspre
chenden Detektoren sind optoelektrische Wandler. Zur Strahl
führung beim Einsatz von zwei Sendern bzw. Lasern ist die un
terschiedliche Polarisation der Ausgangsstrahlen notwendig,
da hinter der optischen Meßeinheit, dem Interferometer, durch
entsprechende optische Elemente die verschiedenen Empfangs
signale wieder in entsprechender Weise getrennt werden kön
nen.
Darüberhinaus kann bei der Auswertung durch eine zusätzliche
90°-Phasenverschiebung der Empfangssignale die durch die Ob
jektbewegung hervorgerufene Störung vollständig eliminiert
werden.
Die Erfindung läßt sich in analoger Weise zum FMCW-Laser-
Radar auch beim FMCW-Mikrowellen-Radar einsetzen. Prinzipiell
werden jeweils elektromagnetische Wellen verwendet, moduliert
und entsprechend ausgewertet. Beim Mikrowellen-Radar wird an
stelle eines Lasers ein Mikrowellensender eingesetzt und an
stelle eines optoelektrischen Detektors beispielsweise ein
Eindiodenmischer (beispielsweise eine Schottky-Diode).
Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh
rungsbeispiele beschrieben.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau zur Reduktion des Ein
flusses von Objektbewegungen beim FMCW-Laser-Radar unter Ein
satz von zwei Ausgangssignalen.
Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau entsprechend Fig. 1
mit einer Ansteuerung im Zeitmultiplex mit entsprechend syn
chronisiertem Demultiplex.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Signalauswertung zur
vollständigen Elimination der durch Objektbewegungen hervor
gerufenen Störungen.
Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines FMCW-Mikro
wellenradars mittels Ansteuerung im Zeitmultiplex.
Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf der simultanen Mes
sung zweier Interferenzsignale mit derselben bzw. einer iden
tischen Meßanordnung. Bei der einen Messung wird dabei die
Frequenz der ausgesandten elektromagnetischen Welle während
der Messung um einen bestimmten Frequenzhub verringert. Man
spricht deswegen von "down-chirp". In diesem Fall addieren
sich die zeitabhängigen Phasenterme, die durch die Zwischen
frequenz einerseits und durch die Objektbewegung andererseits
hervorgerufen werden bei der entsprechenden mathematischen
Darstellung. Bei der zweiten - simultan mit derselben Meß
anordnung durchgeführten - Messung wird dagegen die Frequenz
erhöht, wobei man von "up-chirp" spricht. Hier verhalten sich
die beiden zeitabhängigen Phasenterme subtraktiv.
Durch Mischen, d. h. Multiplikation, der beiden so erhaltenen
Empfangssignale i1, i2 entsteht ein Signal im, das sich in
der mathematischen Darstellung additiv aus zwei amplitudenmo
dulierten Signalen zusammensetzt. Eines dieser beiden Signale
oszilliert mit der doppelten Zwischenfrequenz und enthält so
mit die Abstandsinformation. Das andere enthält die durch die
Objektbewegung hervorgerufene Störung und kann, da es fre
quenzverschoben ist, durch geeignete Filter eliminiert wer
den. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist in Fig. 3
wiedergegeben, wobei zusätzlich durch eine 90°-Phasenver
schiebung und eine etwas kompliziertere Signalauswertung,
nämlich Multiplikation und Addition, die durch die Objektbe
wegung hervorgerufene Störung vollständig eliminiert wird.
Die Fig. 1 zeigt zwei abstimmbare Laser 1, 2 bzw. Laserdi
oden mit entsprechenden Ausgangssignalen s1, s2. Die Laser
emittieren dabei linear polarisierte Wellen, deren Polarisa
tionsebenen aufeinander senkrecht stehen. Hierbei können die
entsprechenden Lichtwellen mit Hilfe geeigneter polarisati
onsunabhängiger und polarisierender Strahlteiler 6; 5.1, 5.2
getrennt geführt und detektiert werden. Während die optische
Frequenz des einen Lasers 2 während des Meßvorganges erhöht
wird, "up-chirp", wird die des zweiten Lasers 1 erniedrigt,
"down-chirp".
Die optische Meßeinrichtung in Fig. 1, das Interferometer,
wird mit den beiden Ausgangssignalen s1, s2 beschickt. Das
Interferometer weist einen Referenzarm 7 und einen Objektarm
8 auf. Die Meßanordnung ist geeignet, um absolute Messungen
durchzuführen. Damit kann der Abstand zwischen der Meßanord
nung und einer Oberfläche des Objektes 11 durch Auswertung
einer Zwischenfrequenz 20 erzielt werden.
Die Führung der unterschiedlich polarisierten Laserstrahlen
in Fig. 1 geschieht mittels der polarisierenden Strahlteiler
5.1 und 5.2. Dies führt einerseits zur parallelen Beschickung
der Meßanordnung mit den Ausgangsstrahlen und andererseits am
polarisierenden Strahlteiler 5.2 zur entsprechenden Trennung
der jeweils für sich im Interferometer überlagerten Strahlen.
Die Detektion geschieht mittels der Detektoren 9, 10, wobei
eine optoelektrische Unwandlung erfolgt und die Empfangs
signale i1, i2 vorliegen. Nach der Multiplikation liegt das
Empfangssignal im vor. Dieses Signal schwingt mit der Summe
der Zwischenfrequenzen der beiden Empfangssignale.
Die Fig. 2 zeigt eine Interferometeranordnung als Meßvor
richtung entsprechend mit Referenzarm 7 und Objektarm 8. Auch
hier besteht das Ziel, die Zwischenfrequenz 20 eindeutig aus
werten zu können, wozu Störeinflüsse durch Relativbewegungen
zwischen dem Objekt 11 und der Meßanordnung leicht eliminier
bar sein müssen. Das mit entsprechenden optischen Elementen
ausgestattete Interferometer wird mit Ausgangssignalen einer
Laserdiode 14 versorgt. Die Laserdiode 14 wird über den Ab
stimmstrom 13 im Zeitmultiplex 12 von den Ansteuerungen 3 und
4 angesteuert, wobei innerhalb der Abtastfrequenz die beiden
Ausgangssignale der Laserdiode 14 unterschiedliche Steigungen
für ihre gemittelten Frequenzhübe aufweisen. Die Synchroni
sierung 17 sorgt für die korrekte Zuordnung des am Detektor
15 aufgenommenen und optoelektrisch gewandelten Signal es in
dem Demultiplexer 16. Um die durch den Zeitmultiplex erzeug
ten zeitlichen Verzögerungen auszugleichen, wird in entspre
chenden Sample- und Hold-Einheiten das jeweils ankommende Si
gnal aufbereitet und jeweils einem Multiplizierer zugeführt.
Die erhaltene resultierende Zwischenfrequenz 20 des Signales
trägt wiederum die Abstandsinformation, wobei Störgrößen ein
fach ausfilterbar sind. Die Meßvorrichtung kann sowohl ana
log, als auch digital betrieben werden.
Die Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit einer Auswertung der bei
den Empfangssignale i1, i2, die aus dem Meßaufbau 19 gelie
fert werden. Beide Signale werden einer Phasenverschiebung 21
um jeweils 90° unterworfen. Somit entstehen jeweils die Si
gnale i1, i2 und i3 und i4. Die Cosinusausdrücke und die Si
nusausdrücke werden jeweils multipliziert und die Ergebnisse
anschließend addiert. Somit ergibt sich ebenfalls die Zwi
schenfrequenz 20 unter Ausschaltung des Störtermes.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung entsprechend der Erfindung für
ein FMCW-Mikrowellen-Radar. Die Ansteuerung eines Mikrowel
lensenders 25 geschieht in ähnlicher Weise wie oben in Ver
bindung mit Fig. 2 beschrieben beim Laserradar. In diesem
Fall wird jedoch über eine Sendeantenne 23 eine elektromagne
tische Welle im Mikrowellenbereich auf das Objekt 11 gerich
tet. Eine reflektierte Welle wird über die Empfangsantenne 24
aufgenommen. In dem Eindiodenmischer 22 werden diese beiden
Signale überlagert. Der anschließende Demultiplexer 16 mit
der entsprechenden Synchronisierung 17, den Sample- und Hold-
Einheiten 18 und dem anschließenden Multiplizierer erzeugen
dann wie oben beschrieben die Zwischenfrequenz 20.
Eine denkbare Lösung des Problemes könnte auch der parallele
Einsatz zweier identischer Meßanordnungen (Interferometer),
jeweils mit "up-chirp" und "down-chirp" betrieben, sein. Die
Ausgangsstrahlen sollten jedoch den gleichen Auftreffpunkt am
Objekt 11 haben.
Anschließend werden zur Verdeutlichung der Erfindung die ma
thematischen Zusammenhänge bei der Ermittlung der Zwischen
frequenz 20 beschrieben:
Diese Darstellung ist ohne Einschränkung der Allgemeinheit auf den Fall des FMCW-Laserradars bezogen. Dabei wird eine zeitlich lineare Frequenzmodulation
Diese Darstellung ist ohne Einschränkung der Allgemeinheit auf den Fall des FMCW-Laserradars bezogen. Dabei wird eine zeitlich lineare Frequenzmodulation
angenommen, die
während der Meßzeit Tm einen Frequenzhub Δω hervorruft. Unter
der Annahme, daß die überlagerten elektromagnetischen Wellen
linear polarisiert und eben sind, läßt sich am Ort der Über
lagerung für die vom Objekt 11 reflektierte Welle und die
ausgesandte Welle (Referenzstrahl, Ausgangssignal) folgendes
schreiben:
Das Signal ist dann proportional zur Intensität des Interfe
renztermes, der bei der Überlagerung entsteht. Da Δω « ω₀
ergibt sich:
Hierin ist die gesuchte Zwischenfrequenz:
Man erkennt, daß im Argument von Gleichung 3 neben der ge
suchten Zwischenfrequenz noch zwei andere zeitabhängige Pha
senterme vorkommen können, die entweder durch axiale (in Ab
standsrichtung) oder transversale (quer zur Abstandsrichtung)
Ortsveränderungen zwischen Objekt und Sensor auftreten kön
nen. Der letzte additive Term in Gleichung 3 bezeichnet ein
Störsignal, das sogenannte Speckles verursacht. Bei einer
konventionellen Anordnung nach dem Stand der Technik können
die zusätzlich zur Zwischenfrequenz enthaltenen Phasenterme
in Gleichung 3 zu einer Frequenzverschiebung der ermittelten
Zwischenfrequenz oder zu einer Vielzahl von Störfrequenzen
führen, die von der gesuchten Zwischenfrequenz nicht mehr un
terschieden werden können.
Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf der simultanen Mes
sung zweier Interferenzsignale mit derselben bzw. einer iden
tischen Meßanordnung. Bei einer der Messungen gilt dabei
(up-chirp). Bei der zweiten simultan mit derselben
Meßanordnung durchgeführten Messung gilt
(down-
chirp). Vereinfachend, aber ohne Verlust der Allgemeinheit
wird jeweils eine lineare Abstimmcharakteristik angenommen.
Somit ergibt sich für den up-chirp das gleiche Ergebnis ent
sprechend Gleichung 3.
Für den down-chirp erhält man jedoch:
Durch Multiplikation von i1 mit i2 erhält man nun ein Signal,
welches sich additiv aus zwei cosinus-Termen zusammensetzt,
von denen einer nur die Abstandsinformation und einer die
Störung enthält. Mit den Zwischenfrequenzen nach Gleichung 4
ergibt sich:
Obwohl nach wie vor ein Term durch Veränderungen der Weglän
gendifferenz frequenzmoduliert wird, kann der ungestörte
Term, da er den gleichen Leistungsinhalt hat und frequenzver
schoben ist, jederzeit aus dem Leistungsspektrum ermittelt
werden.
Darüber hinaus ist eine vollständige Elimination des Störter
mes in Gleichung 7 auch durch eine Phasenverschiebung der
beiden Empfangssignale i1, i2 um 90° möglich. Es entstehen
dann die beiden Signale:
Nach jeweiliger Multiplikation der beiden sinus-Terme
(Gleichung 8 und Gleichung 9) und cosinus-Terme (Gleichung 5
und Gleichung 6) und anschließender Addition der beiden Er
gebnisse verbleibt nur ein cosinus-Term, der mit der Summe
der beiden Zwischenfrequenzen ωIF1 + ωIF2 oszilliert. Die Pha
senverschiebung kann beispielsweise durch einen elektroni
schen, breitbandigen 90°-Phasenschieber erreicht werden.
Bezugszeichenliste
c Lichtgeschwindigkeit
EP(t) Elektrische Feldstärke der vom Objekt reflektierten Welle
ER(t) Elektrische Feldstärke der vom Referenzspiegel re flektierten Welle
i(t) Photostrom
i0, 1, 2, 3, 4 Amplituden der Photoströme
t Zeit
Tm Meßdauer
x(t) laterale Position des Objektes
y(t) laterale Position des Objektes
ZP(t) radiale Position des Objektes
ZR(t) radiale Position des Spiegels im Referenzarm des In terferometers
λ Wellenlänge der vom Laser emittierten elektromagneti schen Strahlung
Φs(x,y) durch Speckle verursachter Phasenterm im Interferenz signal
Δω Frequenzhub der vom Laser während der Meßzeit emit tierten elektromagnetischen Strahlung
ω₀ Kreisfrequenz der vom Laser emittierten elektromagne tischen Strahlung ohne Abstimmung
ωIF Zwischenfrequenz
ω(t) instantane Kreisfrequenz der vom Laser emittierten elektromagnetischen Strahlung
τP Laufzeitdifferenz des Lichtes im Interferometer.
EP(t) Elektrische Feldstärke der vom Objekt reflektierten Welle
ER(t) Elektrische Feldstärke der vom Referenzspiegel re flektierten Welle
i(t) Photostrom
i0, 1, 2, 3, 4 Amplituden der Photoströme
t Zeit
Tm Meßdauer
x(t) laterale Position des Objektes
y(t) laterale Position des Objektes
ZP(t) radiale Position des Objektes
ZR(t) radiale Position des Spiegels im Referenzarm des In terferometers
λ Wellenlänge der vom Laser emittierten elektromagneti schen Strahlung
Φs(x,y) durch Speckle verursachter Phasenterm im Interferenz signal
Δω Frequenzhub der vom Laser während der Meßzeit emit tierten elektromagnetischen Strahlung
ω₀ Kreisfrequenz der vom Laser emittierten elektromagne tischen Strahlung ohne Abstimmung
ωIF Zwischenfrequenz
ω(t) instantane Kreisfrequenz der vom Laser emittierten elektromagnetischen Strahlung
τP Laufzeitdifferenz des Lichtes im Interferometer.
Claims (11)
1. Verfahren zur Elimination von Störeinflüssen beim FMCW-
Radar beim Einsatz von mindestens zwei frequenzmodulierbaren
Sendern mit simultaner Beschickung einer einzigen Meßanord
nung zur Überlagerung eines Ausgangssignales (s1, s2) und ei
nes von einem Objekt (11) reflektierten Signales, mit den
Ausgangssignalen (s1, s2) der Sender und mit der separaten
Aufnahme der Empfangssignale (i1, i2) mittels zweier Detekto
ren (9, 10), wobei die mindestens zwei frequenzmodulierbaren
Sender während einer Messung derart angesteuert werden, daß
die Ausgangssignale (s1, s2) jeweils einen Frequenzhub mit
unterschiedlicher mittlerer Steigung aufweisen, die erhalte
nen Empfangssignale (e1, e2) multipliziert werden, so daß ein
Signal entsteht, das mathematisch durch zwei additive Terme
beschrieben wird, von denen der erste Term mit der Summe der
Zwischenfrequenzen der Empfangssignale (e1, e2), oszilliert
und somit eine Abstandsinformation enthält und von denen der
zweite Term die durch eine Objektbewegung hervorgerufene Stö
rung enthält, so daß die beiden Terme gegeneinander frequenz
verschoben sind und der zweite Term leicht eliminierbar ist.
2. Verfahren zur Elimination von Störeinflüssen beim FMCW-
Radar beim Einsatz eines einzigen frequenzmodulierbaren Sen
ders mit innerhalb der Abtastfrequenz des Radars liegender
zeitdiskreter Beschickung einer einzigen Meßanordnung zur
Überlagerung eines Ausgangssignales (s1, s2) und eines von
einem Objekt (11) reflektierten Signales, mit den Ausgangs
signalen des Senders im Zeitmultiplex und mit der separaten
Aufnahme der Empfangssignale mittels eines Detektors (15) und
einem synchronisierten Demultiplex-System, wobei der Sender
während einer Messung derart angesteuert wird, daß jedes der
im Zeitmultiplex an die Meßanordnung übertragenen Ausgangs
signale jeweils einen Frequenzhub mit einer unterschiedlichen
mittleren Steigung für jedes Signal aufweist, die erhaltenen
Empfangssignale (e1, e2) multipliziert werden, so daß ein Si
gnal entsteht, das mathematisch durch zwei additive Terme be
schrieben wird, von denen der erste Term mit der Summe der
Zwischenfrequenzen der Empfangssignale (e1, e2) oszilliert
und somit eine Abstandsinformation enthält, und von denen der
zweite Term die durch eine Objektbewegung hervorgerufene Stö
rung enthält, so daß die beiden Terme gegeneinander frequenz
verschoben sind und der zweite Term leicht eliminierbar ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
der Frequenzhub von zwei Ausgangssignalen (s1, s2) jeweils
eine Steigung mit unterschiedlichen Vorzeichen aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
die Ausgangssignale von abstimmbaren Lasern erzeugt werden,
die Meßanordnung ein optisches Interferometer zur absoluten
Abstandsmessung ist und die Detektoren optoelektrische Wand
ler sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, worin die Laser durch Halblei
terlaser und die Detektoren durch Photodioden dargestellt
werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin
die vollständige Elimination der durch den zweiten mathemati
schen Term dargestellten Störung durch eine Phasenverschie
bung der beiden Empfangssignale (i1, i2) um 90° geschieht,
mit anschließender Multiplikation und Addition, so daß ein
einziger Term, der mit der Summe der Zwischenfrequenzen der
Empfangssignale (i1, i2) oszilliert und als Nutzsignal ver
bleibt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, worin
ein abstimmbarer Sender (25) Ausgangssignale im Mikrowellen
bereich liefert, so daß ein Mikrowellen-Radar vorliegt.
8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens entsprechend
einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das FMCW-Laser-Radar aus
folgenden Bestandteilen aufgebaut ist:
- - zwei Laserdioden, die derart angesteuert werden, daß die Ausgangssignale jeweils unterschiedliche Steigungen für den Verlauf der mittleren Frequenz aufweisen,
- - einem polarisierenden Strahlteiler (5.1), der die Aus gangsstrahlen (s1, s2), deren Polarisationsebenen um 90° gegeneinander gedreht sind, kolinear ausbildet,
- - einen polarisationsunabhängigen Strahlteiler (6) am Zu sammentreffen von Referenzarm und Objektarm des Inter ferometers,
- - einen polarisierenden Strahlteiler (5.2) zur Trennung der in unterschiedlichen Ebenen polarisierten Empfangssigna le,
- - zwei Detektoren zur Detektion der jeweiligen Empfangs signale, und
- - einer Multiplikationseinheit zur Erzeugung der Zwischen frequenz (20).
9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens entsprechend
der Ansprüche 1 bis 6, worin das FMCW-Laser-Radar aus folgen
den Bestandteilen aufgebaut ist:
- - einen durchstimmbaren Laser, der über einen Multiplexer (12) zeitdiskret von zwei unterschiedlichen Ansteuerungen (3, 4) derart versorgt wird, daß seine Ausgangssignale einen Frequenzhub mit jeweils unterschiedlicher mittlerer Steigung aufweisen,
- - eine Interferometeranordnung als Meßsystem,
- - einem Detektor (15) zur optoelektrischen Umwandlung,
- - einem mit dem Multiplexer (12) synchronisierter Demulti plexer (16) zur separaten Ausgabe der beiden Empfangs signale,
- - jeweils einer Sample- and Hold-Einheit (18) für jedes Empfangssignal und
- - eine Multiplikationseinheit für die Empfangssignale zur Erzeugung der Zwischenfrequenz (20).
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, worin zwei Empfangs
signale (i1, i2) jeweils einer Phasenverschiebung (21) unter
worfen werden, zwei Multiplikationseinheiten zur Multiplika
tion der sich ergebenden jeweiligen Cosinus- und Sinuswerte
nach der Phasenverschiebung vorhanden sind und durch einen Ad
dierer die gewünschte Zwischenfrequenz (20) erzeugt wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
7, worin das FMCW-Mikrowellen-Radar aus folgenden Bestandtei
len aufgebaut ist:
- - einer einen durchstimmbaren Mikrowellensender (25) an steuernden Multiplexeinheit (12),
- - einer Sende- und einer Empfangsantenne (23, 24),
- - einem Eindiodenmischer zur Überlagerung des Ausgangs signales und der jeweilig von der Oberfläche des Objektes (11) reflektierten Welle,
- - einer synchronisierten Demultiplexeinheit (16),
- - einer Sample- and Hold-Einheit (18) und
- - einer Multiplikationseinheit, deren Ausgangssignal mit der Zwischenfrequenz (20) behaftet ist.
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