DE19722180C2 - Anordnung und Verfahren zur Abstands- oder Geschwindigkeitsmessung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ab­ stands- oder Geschwindigkeitsmessung nach dem FMCW-Prinzip sowie ein Verfahren zur Abstands- oder Geschwindigkeitsmes­ sung, das in Verbindung mit herkömmlichen FMCW-Sensoren ver­ besserte Meßergebnisse liefert.

Eine Vielzahl bekannter Sensoren zur berührungslosen Messung physikalischer Größen wie z. B. Entfernung oder Geschwindig­ keit verwenden das Radar-Prinzip, bei dem Wellen ausgesandt werden und anhand der von einem Meßobjekt reflektierten Wel­ len die zu messenden Größen bestimmt werden. Dopplersensoren auf Ultraschall- oder Mikrowellenbasis sind für derartige Zwecke geeignet. In der Veröffentlichung von H. Ruser e. a.: "Kombinierter Ultraschall-Mikrowellensensor für die zuverläs­ sige Detektion von Anwesenheit und Bewegung" in Sensors '97, 13.-15.05.1997 Nürnberg, ist ein Sensor beschrieben, in dem ein CW-Ultraschall- und ein CW-Mikrowellen-Dopplersensor mit­ einander kombiniert sind. Der Funktionsweise dieses Sensors liegt die Dopplerfrequenz-Koinzidenz zugrunde.

In der WO 90/12292 ist ein Füllstandsmesser beschrieben, bei dem ein Mikrowellen-Echolot mit einem Schallwellen-Echolot kombiniert ist, um mittels des Schallwellen-Echolots das Mikrowellen-Echolot auf die jeweils vorherrschenden Signal­ ausbreitungsgeschwindigkeiten zu eichen.

Zur Bestimmung der Entfernung eines Meßobjektes werden vor­ zugsweise Mikrowellen-FMCW-Dopplersensoren (frequency modula­ ted continuous wave) verwendet. Bei derartigen Sensoren wird eine linear ansteigende oder fallende Modulationskennlinie einem Mikrowellensignal aufmoduliert. Ein Problem, das sich bei der Realisierung derartiger Sensoren ergibt, besteht dar­ in, daß diese Modulation nicht ausreichend linear herbeizu­ führen ist. Es gibt daher verschiedene Ansätze, die Kennlinie zu linearisieren (z. B. DE 34 38 053 A1 oder DT 27 10 841 A1). Es sind außerdem eine Reihe von Verfahren entwickelt worden, mit denen vorgegebene Kennlinien eines Ultraschallmo­ dulators produziert werden können (s. z. B. die Veröffentli­ chung von J. Schmolke e. a.: "Generation of optimal input si­ gnals for ultrasound pulse-echo systems" in 1982 Ultrasonics Symposium).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur berührungslosen Abstands- oder Geschwindigkeitsmessung anzu­ geben, die eine hohe Meßgenauigkeit liefert. Außerdem soll ein Verfahren zur berührungslosen Abstands- oder Geschwindig­ keitsmessung angegeben werden, das auch in Verbindung mit herkömmlichen FMCW-Sensoren verwendet werden kann, um deren Meßgenauigkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird mit der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. mit dem Verfahren mit den Merkmalen des An­ spruches 7 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den je­ weiligen abhängigen Ansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung werden zwei FMCW- Sensoren verwendet, die sich durch die Medien der Signalaus­ breitung im Raum voneinander unterscheiden. Vorzugsweise ist einer der Sensoren ein Mikrowellen-FMCW-Sensor und der andere ein Ultraschall-FMCW-Sensor. Durch die Verwendung der unter­ schiedlichen Übertragungsmedien besitzen die beiden verwende­ ten Sensoren unterschiedliche technische Eigenschaften, die es ermöglichen, aus einer geeigneten Kombination der beiden gelieferten Meßsignale eine gegenseitige Adaptation dieser Sensoren und damit eine Erhöhung der Meßgenauigkeit zu errei­ chen. Die am Empfangsort gemessenen Ultraschall- und Mikro­ wellen-Dopplerfrequenzen sind kohärent und die von einem be­ wegten Meßobjekt herrührenden Signale in beiden Sensoren ähn­ lich. Störungen hingegen wirken auf das Mikrowellensignal und auf das Ultraschallsignal unterschiedlich ein. Derartige Stö­ rungen können daher mit dem kombinierten FMCW-Sensor bis zu einem gewissen Grad eliminiert werden, der ausreicht, um das Meßergebnis wesentlich zu verbessern. Die Auswertung der von dem Ultraschallsensor und dem Mikrowellensensor gelieferten Meßsignale erfolgt vorzugsweise auf der Grundlage des Dopp­ lerfrequenz-Koinzidenz-Prinzips.

In der beigefügten Figur ist eine erfindungsgemäße Anordnung im Schema dargestellt. Es sind zwei FMCW-Sensoren als Block­ schaltbilder eingezeichnet. Jeder Sensor verfügt über eine Signalquelle VCO, deren Signal mittels eines Modulators MO moduliert wird. Die Kennlinie dieser Modulation ist z. B. li­ near, sie besteht vorzugsweise z. B. aus einer Folge von wäh­ rend eines bestimmten Zeitintervalles steigenden oder fallen­ den Geraden oder einer Folge abwechselnd steigender und fal­ lender Geradenabschnitte. Das modulierte Sendesignal s(t) wird mittels einer Sendeantenne AS in den Raum auf das Meßob­ jekt M abgestrahlt. Die von dem Meßobjekt reflektierten Si­ gnale werden von einer Empfangsantenne AE empfangen und als Empfangssignal e(t) einem Mischer MI zugeführt, in dem das Empfangssignal mit dem von der Signalquelle stammenden Signal zu einem Meßsignal gemischt wird. Die dargestellte Anordnung ist ein sogenanntes bistatisches Radarsystem, das über ge­ trennte Sende- und Empfangsantennen verfügt. Erfindungsgemäß kann auch ein an sich bekanntes monostatisches Radarsystem verwendet werden. Dieses verfügt nur über eine Antenne, wobei die Sende- und Empfangssignale in einem Richtkoppler oder Zirkulator voneinander getrennt werden.

In dem Schema der Figur ist eine entsprechende zweite Sen­ soranordnung 1 vorhanden, bei der ebenfalls eine Signalquelle VCO1 mit einem Modulator MO1, ein Mischer MI1 und Sende- und Empfangsantennen AS1 und AE1 vorhanden sind. Der erste Sensor kann z. B. ein Mikrowellen-FMCW-Dopplersensor und der zweite Sensor 1 ein Ultraschall-FMCW-Dopplersensor sein. Zusammen mit der Auswerteeinheit A bildet die in der Figur dargestell­ te Gesamtanordnung ein Beispiel für den erfindungsgemäßen Sensor. Das jeweilige Meßsignal wird dieser Auswerteeinheit, im Fall eines digital arbeitenden Rechners über einen jewei­ ligen Analog-Digital-Wandler, zugeführt. Die Auswerteeinrich­ tung ist dafür vorgesehen, die von den beiden Sensoren über­ mittelten Meßsignale in der Weise auszuwerten, daß eine An­ passung einer Kennlinie der Modulation des ersten Sensors an einen durch eine Kennlinie der Modulation des zweiten Sensors vorgegebenen Verlauf erfolgt und/oder daß eine Eichung des zweiten Sensors auf Bezugsgrößen erfolgt, die von dem ersten Sensor ermittelt werden. Bei Verwendung eines Mikrowellensen­ sors und eines Ultraschallsensors kann z. B. eine unzurei­ chend lineare Kennlinie der Modulation des Mikrowellensensors an den besseren Kennlinienverlauf der Modulation des Ultra­ schallsensors angepaßt werden. Falls die Schallgeschwindig­ keit in dem Medium, das den Raum zwischen der Meßanordnung und dem Meßobjekt erfüllt, nicht bekannt ist, weil z. B. die Temperatur der Luft nicht bekannt ist, kann die Messung mit­ tels des Mikrowellensensors dazu benutzt werden, den Ultra­ schallsensor zu eichen, so daß eine absolute Messung z. B. von Entfernungen auch mit dem Ultraschallsensor möglich ist. Die Auswerteeinrichtung ist aufgrund der Auswertealgorithmen in der Lage, die gewünschten Meßergebnisse auszugeben. Die Meßergebnisse können insbesondere die Entfernung des Meßob­ jektes von der Meßanordnung, dessen Geschwindigkeit auf die Meßanordnung zu oder von der Meßanordnung weg oder andere prinzipiell mit einem FMCW-Sensor erfaßbare Meßgrößen sein.

Eine nichtlineare Modulationskennlinie des Mikrowellensenders bedingt eine zeitlich nicht konstante Differenzfrequenz des FMCW-Sensors. Dadurch wird das Spektrum deutlich verbreitert, was die Meßergebnisse verfälscht und eine Detektion von Meß­ objekten unter Umständen unmöglich macht. Durch das bei der erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzte Verfahren wird die Frequenzmodulation des Mikrowellensignals so beeinflußt, daß sich die vom Ultraschallsensor und vom Mikrowellensensor gleichzeitig erfaßten Objekte im Mikrowellensensor mit hohem Kontrast darstellen und der Fehler zwischen den Empfangs­ signalen des Ultraschallsensors und des Mikrowellensensors minimiert wird. Der Phasenverlauf des Ultraschallsignales ist entweder ausreichend linear. Das kann beispielsweise der Fall sein bei Einsatz eines Breitbandwandlers und einer Bandbreite des Sweep (ein Durchstimmen der Frequenz von einer niedrig­ sten zu einer höchsten Frequenz oder umgekehrt), die wesent­ lich kleiner als die Bandbreite des Ultraschallsenders ist.

Oder die Kennlinie des Ultraschallsenders wird durch geeigne­ te Maßnahmen linearisiert, beispielsweise durch zeitliche Mittelung über die Kohärenzlänge der Ultraschallwellen oder eine inverse Filterung des Sende- bzw. Empfangssignales zur Eliminierung des Einflusses der Wandler-Übertragungsfunktion, wie das im Prinzip aus der Literatur bekannt ist. Eine inver­ se Vorfilterung des Sendesignals bietet sich bei einer Demo­ dulation des Empfangssignals mittels einer fest installierten Vorrichtung (hardware) an, eine inverse Nachfilterung des nicht demodulierten Empfangssignals wird bei einer direkten Abtastung des Empfangssignales und einer Demodulation mittels Programmes (software), beispielsweise in einem Microcontrol­ ler oder DSP (digital signal processor), gewählt.

Statt einer linearen Kennlinie der Modulation kann grundsätz­ lich erfindungsgemäß eine beliebige Kennlinie der Modulation gewählt werden, die zumindest bei einem der verwendeten Sen­ soren hinreichend genau eingestellt werden kann oder die aus der Messung ermittelt oder rechnerisch der Auswertung zugrun­ degelegt werden kann. Da eine lineare Modulation bei herkömm­ lichen FMCW-Sensoren allgemein üblich ist, werden nachfolgend als Beispiel die Anordnung und das Verfahren für den Fall ei­ ner zugrundegelegten linearen Kennlinie der Modulation be­ schrieben.

Der verzerrte Frequenz- bzw. Phasenverlauf des Mikrowellensi­ gnals wird aus dem Bezugssignal des Ultraschallsenders nach einem ausgewählten Adaptationsalgorithmus aus der Ultra­ schallreferenz zurückgerechnet. Beispielsweise werden zu die­ sem Zweck die Abtastpunkte des Mikrowellenmeßsignales, d. h. des mit dem Sendesignal gemischten Empfangssignales, nicht in konstantem zeitlichem Abstand, sondern für bestimmte Phasen des entsprechenden Ultraschallmeßsignales gewählt. Wenn die Abtastwerte in den entsprechenden zeitlichen Abständen, in denen das Ultraschallmeßsignal abgetastet wurde, angeordnet werden, erhält man den Verlauf des Mikrowellenmeßsignales entsprechend einer linearen Kennlinie der Modulation des Mikrowellensignales.

Eine derartige Anpassung, die einer rechnerischen Linearisie­ rung der Kennlinie der Mikrowellenmodulation entspricht, kann auf diejenigen Signale beschränkt werden, die von interessie­ renden Meßobjekten reflektiert werden. Dazu werden nur die Frequenzbereiche des Betragsspektrums der Mikrowellen- Empfangssignale ausgewertet, welche den aus den signifikanten Anteilen des Ultraschall-Betragsspektrums bestimmten Entfer­ nungen von Meßobjekten entsprechen. Um eine Ultraschall- Referenzphase bereitzustellen, werden die entsprechenden Ma­ ximabereiche des Ultraschall-Betragsspektrums extrahiert, in den Zeitbereich rücktransformiert und (beispielsweise durch Hilberttransformation) zu einem komplexen Signal erweitert. Die aus dem Mikrowellenspektrum ausgewählten Frequenzbereiche werden rücktransformiert und zum komplexen Zeitsignal erwei­ tert, für welches zur Linearisierung die Phase nach der be­ schriebenen Methode umgetastet wird.

Die Linearisierung der Phasenkennlinie des Mikrowellensensors wird z. B. in einer Initialisierungsphase anhand von unbeweg­ ten Objekten vorgenommen, die sowohl vom Mikrowellensensor als auch vom Ultraschallsensor detektiert werden. Die Ergeb­ nisse sind dann auch für Situationen gültig, in denen nicht alle Objekte gleichzeitig vom Ultraschallsensor erfaßt wer­ den.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Vereinfachung da­ durch, daß zur Realisierung keine zusätzlichen Referenzmodel­ le notwendig sind, der Korrekturalgorithmus immanent im Ul­ traschall-Mikrowellen-Koinzidenz-Prinzip begründet liegt und eine einfache Realisierung der Auswertealgorithmen in einer Auswerteeinheit z. B. durch Implementierung auf einem Mikro­ kontroller möglich ist. Durch die Verbesserung des Signal- Rausch-Abstandes werden zusätzlich zur Verbesserung der Ent­ fernungsauflösung und Geschwindigkeitsauflösung die Reichwei­ te und Detektionssicherheit des Gesamtsensors erhöht.

Eine rechnerische oder adaptive Korrektur der Kennlinie der Mikrowellenmodulation in der erfindungsgemäßen Meßanordnung oder bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Sen­ soren kann benutzt werden, um den Ultraschallsensor zu ei­ chen. Über den Vergleich der Abstandsmessungen aus dem Mikro­ wellensignal und dem Ultraschallsignal wird bestimmt, welche Schallgeschwindigkeit der Messung mittels des Ultraschallsen­ sors zugrundegelegt werden muß, um systematische Fehlmessun­ gen des Ultraschallsensors zu eliminieren. Der auf diese Wei­ se geeichte Ultraschallsensor korrigiert adaptiv das Meßer­ gebnis des Gesamtsystems.

Die erfindungsgemäße Kombination verschiedener FMCW-Sensoren liefert ein Verfahren, mit dem bekannte FMCW-Mikrowellen­ sensoren verbessert werden können. Ein Mikrowellen-FMCW- Sensor wird zu diesem Zweck kombiniert mit einem Ultraschall- FMCW-Sensor, der z. B. einen ausreichend linearen Verlauf der Modulationskennlinie aufweist. Damit kann die Kennlinie der Modulation des Mikrowellensignales rechnerisch oder durch ei­ ne geeignete Vorverzerrung des Modulationssignales faktisch linearisiert werden. Diese Linearisierung kann speziell da­ durch erfolgen, daß die Phasenkennlinie des Meßsignals des Mikrowellensensors (d. h. der Mischung aus Sende- und Emp­ fangssignal im Mikrowellensensor) abgetastet wird und dabei diejenigen Zeitpunkte bestimmt werden, an denen die Phase des Mikrowellenmeßsignales gleich ist vorgegebenen Phasen des von dem Ultraschallsensor gelieferten Meßsignales. Diese Phasen können z. B. dadurch vorgegeben sein, daß das Ultraschallmeß­ signal in gleichen Zeitintervallen abgetastet wird und die zugehörigen Phasen des Ultraschallmeßsignales bestimmt wer­ den. Alternativ kann eine Phase willkürlich vorgegeben wer­ den. Man bestimmt dann die Zeitpunkte, an denen das Ultra­ schallmeßsignal diese Phase besitzt. In jedem Fall werden die Abtastwerte der Phasenkennlinie des Mikrowellenmeßsignals an den Zeitpunkten der entsprechenden Abtastwerte des Ultra­ schallmeßsignales angeordnet, was einem mit linearer Modula­ tionskennlinie erzeugten Meßsignal entspricht.

Diese Linearisierung der Mikrowellensignale kann bei besonde­ ren Ausführungen des Verfahrens auf bestimmten Detektionsbe­ reiche beschränkt werden, die durch bestimmte Anteile im Be­ tragsspektrum des Ultraschall-Empfangssignales bestimmt wer­ den. Umgekehrt kann die Kennlinie der Modulation der Ultra­ schallsignale linearisiert werden. Bei den angegebenen Vari­ anten wird das Verfahren vorzugsweise in der Weise durchge­ führt, daß in einer Anfangsphase anhand von Meßobjekten, die sowohl vom Mikrowellensensor als auch vom Ultraschallsensor erfaßt werden, die Kennlinien der Modulationen linearisiert werden oder Bezugsgrößen oder Bezugskennlinien ermittelt wer­ den, anhand derer rechnerisch auftretende Fehler eliminiert werden können. Die dabei gewonnenen Ergebnisse (Algorithmen oder Datenbasen aus Bezugsgrößen) werden dann zum Messen von Objekten verwendet, die nicht gleichzeitig von beiden Senso­ ren erfaßt werden. Eine weitere Verbesserung erreicht man da­ mit, daß man die Schallgeschwindigkeit in dem Medium, das den Raum zwischen dem Sensor und dem Meßobjekt erfüllt, bestimmt und dadurch den Ultraschallsensor auf absolute Meßwerte eicht. Damit erhält man weitere Vergleichswerte, mit denen die Meßergebnisse des Mikrowellensensors nachkorrigiert wer­ den können.

Entsprechendes gilt, falls der Auswertung eine Kennlinie der Modulation mit nichtlinearem Verlauf zugrundegelegt wird.

Claims (12)

1. Anordnung zur berührungslosen Abstands- oder Geschwindig­ keitsmessung,

• 1. bei der ein erster FMCW-Sensor und ein zweiter FMCW-Sensor vorhanden sind,
• 2. bei der die Sensoren für unterschiedliche Medien der Signalausbreitung im Raum vorgesehen sind,
• 3. bei der eine Auswerteeinrichtung vorhanden ist, die dafür vorgesehen ist, vorgegebene oder aus einem Meßsignal des zweiten FMCW-Sensors bestimmte Phasen eines Meßsignals des ersten FMCW-Sensors in Zeitabständen anzuordnen, in denen die entsprechenden Phasen des Meßsignals des zweiten FMCW- Sensors auftreten, um so ein korrigiertes Meßsignal zu er­ mitteln oder eine Korrektur der Modulation des ersten FMCW- Sensors herbeizuführen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Auswerteeinrichtung dafür vorgesehen ist,
die Zeitabstände zwischen vorgegebenen Phasen des Meßsignals des zweiten FMCW-Sensors festzustellen und
die entsprechenden Phasen des Meßsignals des ersten FMCW- Sensors in diesen Zeitabständen anzuordnen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Auswerteeinrichtung dafür vorgesehen ist,
in vorgegebenen Zeitabständen die Phasen des Meßsignals des zweiten FMCW-Sensors festzustellen und
die entsprechenden Phasen des Meßsignals des ersten FMCW- Sensors in den vorgegebenen Zeitabständen anzuordnen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der zweite FMCW-Sensor dafür eingerichtet ist, mit einer Modulation mit linearer Kennlinie betrieben zu werden.

5. Anordnung nach Anspruch 4, bei der Mittel vorhanden sind, mit denen auf Grund einer Aus­ wertung durch die Auswerteeinheit eine Korrektur der Modula­ tion des ersten FMCW-Sensors herbeigeführt werden kann, die einer Linearisierung der Kennlinie der Modulation entspricht.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die FMCW-Sensoren ein Mikrowellen-FMCW-Sensor und ein Ultraschall-FMCW-Sensor sind.

7. Verfahren zur berührungslosen Abstands- oder Geschwindig­ keitsmessung,
bei dem zu einer Messung eines ersten FMCW-Sensors eine Be­ zugsmessung mit einem zweiten FMCW-Sensor durchgeführt wird, der ein anderes Medium der Signalausbreitung im Raum nutzt, und
bei dem vorgegebene oder aus einem Meßsignal des zweiten FMCW-Sensors bestimmte Phasen eines Meßsignals des ersten FMCW-Sensors in Zeitabständen angeordnet werden, in denen die entsprechenden Phasen des Meßsignals des zweiten FMCW-Sensors auftreten, um so ein korrigiertes Meßsignal zu ermitteln oder eine Modulation des ersten FMCW-Sensors zu korrigieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem
die Zeitabstände zwischen vorgegebenen Phasen des Meßsignals des zweiten FMCW-Sensors festgestellt werden und
die entsprechenden Phasen des Meßsignals des ersten FMCW- Sensors in diesen Zeitabständen angeordnet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem
in vorgegebenen Zeitabständen die Phasen des Meßsignals des zweiten FMCW-Sensors festgestellt werden und
die entsprechenden Phasen des Meßsignals des ersten FMCW- Sensors in den vorgegebenen Zeitabständen angeordnet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der zweite FMCW-Sensor mit einer Modulation mit li­ nearer Kennlinie betrieben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Modulation des ersten FMCW-Sensors so korrigiert wird, daß diese Korrektur einer Linearisierung der Kennlinie dieser Modulation entspricht.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem ein Mikrowellen-FMCW-Sensor und ein Ultraschall-FMCW- Sensor verwendet werden.