DE19902076A1 - Sensor zum Messen eines Abstands zu einem Objekt - Google Patents

Sensor zum Messen eines Abstands zu einem Objekt

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (1) zum Messen eines Abstands (a) zu einem Objekt (2), wobei DOLLAR A - ein Oszillator (4) ein Trägersignal (5) generiert, DOLLAR A - ein erster Modulationsschalter (17) Pulse auf das Trägersignal (5) aufmoduliert und ein erstes Pulssignal (3) erzeugt, das in Richtung auf das Objekt (2) gesendet wird, DOLLAR A - das von dem Objekt (2) reflektierte und um eine Laufzeit verzögerte erste Pulssignal (13) empfangen wird, DOLLAR A - ein Leistungsteiler (16), der zwischen dem Oszillator (4) und dem ersten Modulationsschalter (17) angeordnet ist, das Trägersignal (5) zu einem zweiten Modulationsschalter (19) führt, DOLLAR A - der zweite Modulationsschalter (19) Pulse auf das Trägersignal (5) aufmoduliert und ein zweites Pulssignal (9) erzeugt, das um eine variable Verzögerung verzögert wird, DOLLAR A - Mittel durch einen Vergleich der Verzögerung des zweiten Pulssignals mit der Laufzeit des ersten Pulssignals die Laufzeit ermitteln und den Abstand (a) zu dem Objekt (2) bestimmen. DOLLAR A Um die Durchlaßdämpfung der Modulationsschalter (17; 19) zu erhöhen, wird vorgeschlagen, daß zwischen dem Oszillator (4) und dem Leistungsteiler (16) ein dritter Modulationsschalter (21) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen eines Abstands zu einem Objekt mit:
  • - einem Oszillator zur Generierung eines Trägersignals,
  • - einem ersten Modulationsschalter zur Modulation von Pulsen auf das Trägersignal und zur Erzeugung eines ersten Pulssignals,
  • - einer Sendeantenne zum Aussenden des ersten Pulssignals in Richtung auf das Objekt,
  • - einer Empfangsantenne zum Empfangen des von dem Objekt reflektierten und um eine Laufzeit verzögerten ersten Pulssignals,
  • - einem Leistungsteiler, der zwischen dem Oszillator und dem ersten Modulationsschalter angeordnet ist,
  • - einem zweiten Modulationsschalter zur Modulation von Pulsen auf das Trägersignal, das über den Leistungsteiler zu dem zweiten Modulationsschalter geführt ist, und zur Erzeugung eines zweiten Pulssignals,
  • - ersten Mitteln zum Verzögern des zweiten Pulssignals um eine variable Verzögerung,
  • - zweiten Mitteln, die mit den ersten Mitteln zusammenwirken, zum Variieren der Verzögerung des zweiten Pulssignals,
  • - dritten Mitteln zum Vergleich der Laufzeit des ersten Pulssignals mit der Verzögerung des zweiten Pulssignals und
  • - vierten Mitteln zum Ermitteln der an den ersten Mitteln eingestellten Verzögerung, bei der die Verzögerung gleich der Laufzeit ist, und zum Bestimmen des Abstands zu dem Objekt aus der ermittelten Verzögerung und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Pulssignals.
Derartige Sensoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie finden in einer Vielzahl von unterschiedlichen Bereichen Anwendung. Ein bevorzugter Einsatzbereich ist die Abstandsmessung zwischen zwei Kraftfahrzeugen. Dadurch kann bspw. der Abstand zwischen zwei hintereinander fahrenden Kraftfahrzeugen durch Regelung der Geschwindigkeit des hinteren Fahrzeugs konstant gehalten werden. Dazu weist das hintere Kraftfahrzeug in seinem in Fahrtrichtung vorderen Bereich einen Sensor der eingangs genannten Art auf.
Die Sensoren zum Messen des Abstands zu einem Objekt bestimmen üblicherweise die Laufzeit eines periodischen Pulssignals von seiner Aussendung durch den Sensor über die Reflexion an dem Objekt bis zu dem Empfang durch den Sensor. Der Abstand zu dem Objekt ergibt sich aus der Laufzeit des Pulssignals multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Pulssignale und dividiert durch zwei. Auf dieser Grundlage arbeiten bspw. Ultraschallsensoren bzw. Pulsradar-Sensoren.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Pulssignale beträgt bei derartigen Sensoren etwa Schallgeschwindigkeit bzw. Lichtgeschwindigkeit. Insbesondere bei Pulsradar-Sensoren liegen die zu bestimmenden Laufzeiten bei der Annahme eines maximalen Meßbereichs von wenigen Metern im Nanosekundenbereich. Derart kurze Pulslaufzeiten können nicht direkt gemessen werden, indem bspw. ein Zeitgeber beim Aussenden des Pulssignals mit START und beim Empfang des reflektierten Pulssignals mit STOP gesetzt wird. Vielmehr finden zum Bestimmen der Pulslaufzeiten indirekte vergleichende Verfahren Anwendung.
Die vergleichenden Verfahren arbeiten üblicherweise nach dem folgenden Prinzip: Ein Oszillator generiert ein Trägersignal, dem in einem ersten Modulationsschalter Pulse aufmoduliert werden. Das Ausgangssignal des ersten Modulationsschalter wird als erstes Pulssignal bezeichnet. Eine Sendeantenne sendet das erste Pulssignal aus in Richtung auf das Objekt. Das erste Pulssignal wird von dem Objekt reflektiert und von einer Empfangsantenne des Sensors empfangen. Das empfangene erste Pulssignal ist gegenüber dem ausgesandten ersten Pulssignal um eine Laufzeit verzögert.
Der Sensor weist darüber hinaus einen Leistungsteiler auf, der zwischen dem Oszillator und dem ersten Modulationsschalter angeordnet ist. Durch den Leistungsteiler wird das Trägersignal zu einem zweiten Modulationsschalter geführt. In dem zweiten Modulationsschalter werden dem Trägersignal ebenfalls Pulse aufmoduliert. Das Ausgangssignal des zweiten Modulationsschalters wird als zweites Pulssignal bezeichnet.
Durch erste Mittel wird das zweite Pulssignal um eine variable Verzögerung verzögert. Die ersten Mittel sind bspw. als ein Totzeitglied ausgebildet. Zweite Mittel wirken mit den ersten Mitteln zusammen und dienen zum Variieren der Verzögerung des zweiten Pulssignals. Die zweiten Mittel sind bspw. als eine Sweepspannung ausgebildet, durch die das Totzeitglied angesteuert wird. Durch dritte Mittel wird die Laufzeit des ersten Pulssignals mit der Verzögerung des zweiten Pulssignals verglichen. Die dritten Mittel sind bspw. als ein Mischer ausgebildet, dessen Ausgangssignal genau dann detektierbar ansteigt, wenn die momentan durch die zweiten Mittel an den ersten Mitteln eingestellte Verzögerung gleich der Laufzeit des ersten Pulssignals ist.
Falls die Verzögerung des zweiten Pulssignals gleich der Laufzeit des ersten Pulssignals ist, muß ermittelt werden, welche Verzögerung zu diesem Zeitpunkt an den ersten Mitteln eingestellt ist. Dazu weist der Sensor vierte Mittel auf. Durch die vierten Mittel wird auch der Abstand zu dem Objekt aus der ermittelten Verzögerung und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Pulssignals bestimmt.
Die bekannten Sensoren haben verschiedene Nachteile. Die Modulationsschalter der Sensoren weisen in der geöffneten Stellung, in der die Durchlaßdämpfung idealerweise unendlich sein sollte, nur eine endliche Durchlaßdämpfung auf. Deshalb ist die Amplitude des im Zeitbereich aufgetragenen Pulssignals während der Zeiträume, an denen der Modulationsschalter geöffnet ist, auch nicht Null, wie dies idealerweise sein sollte. Während dieser Zeiträume weist das Pulssignal vielmehr einen deutlichen Amplitudenwert auf.
Die Amplitudenwerte des Pulssignals während der Zeiträume, an denen der Modulationsschalter geöffnet ist, führen bei dem im Frequenzbereich aufgetragenen Pulssignal zu einem recht großen Dauerstrichzeiger auf der Trägersignalfrequenz. Während sich die mittlere reale Pulsleistung des Pulssignals auf viele Spektrallinien verteilt, konzentriert sich die mittlere Dauerstrichleistung auf eine einzige Spektrallinie.
Die Modulationsschalter der bekannten Sensoren erreichen bspw. eine Durchlaßdämpfung von etwa -25 dB. Folglich wird auch bei einem geöffneten Modulationsschalter bei einem angenommenen Pausentastverhältnis von etwa 1 etwa 0,3% (10.log x% = -25 dB; x% = 10-25/10 = 0,3%) der Pulsspitzenleistung Ppulsspitze von dem Schalter als Dauerstrichzeiger durchgelassen. Die Leistung des Zeigers der Trägerfrequenz, die sog. Continuos-Wave-Leistung, beträgt PCW = Ppulsspitze -25 dB.
Das Pulstastverhältnis npuls (d. h. das Verhältnis der Pulsdauer Tpuls des Pulssignals zur Pulswiederholperiode Tpulswiederhol) bei einer angenommenen Pulsdauer von Tpuls = 500 ps und einer Pulswiederholfrequenz von fpulswiederhol = 5 MHz (Pulswiederholperiode Tpulswiederhol = 1/fpulswiederhol = 1/5 MHz = 200 ns) ergibt sich aus npuls = Tpuls/Tpulswiederhol = 500 ps/200 ns = 2,5.10-3. Somit errechnet sich die mittlere reale Pulsleistung bei einer ausreichenden Systembandbreite zu Paverage = Ppulsspitze -26 dB (10.log npuls = -26 dB) und hat folglich eine ähnliche Größenordnung wie PCW.
Wenn man das Spektrum der mittleren realen Pulsleistung und der mittleren Dauerstrichleistung darstellt (vgl. Fig. 3), fällt auf, daß sich die mittlere reale Pulsleistung auf viele Spektrallinien 30 verteilt (Liniensprektrum), da es sich um ein periodisches Signal handelt, während sich die mittlere Dauerstrichleistung auf eine einzige Spektrallinie 31 konzentriert. Der Leistungsabstand des Dauerstrichzeigers 31 zu den Pulssignalzeigern 30 hat für das eingeführte Beispiel eine Größenordnung von ≧ 26 dB (Ppulslinie ≈ Ppulsspitze -52 dB) und ist des weiteren von der Pulsform des Pulssignals abhängig.
Vom Gesetzgeber gibt es nach der Norm ETSI (European Telecommunications Standards Institute) 300 440 Vorgaben, durch die die maximal zulässige Leistungsdichte der Sendesignale des Sensors beschränkt und auf ein bestimmtes Basisfrequenzband begrenzt wird (vgl. Fig. 3). Das Basisfrequenzband geht bspw. von f1 = 24 GHz bis f2 = 24,25 GHz. Innerhalb dieses Basisfrequenzbands beträgt die maximal zulässige Leistung innerhalb eines Messfensters von 100 kHz Bandbreite p2 = 20 dBm und außerhalb des Basisfrequenzbands p1 = -30 dBm. Das Frequenzspektrum des Pulssignals wird nun derart ausgerichtet, daß die Spektrallinien bei keiner Frequenz f die maximal zulässige Leistung p1 bzw. p2 überschreiten. Dazu ist es erforderlich, daß der Dauerstrichzeiger auf der Trägersignalfrequenz fträger innerhalb dieses gesetzlich vorgeschriebenen Basisfrequenzbands liegt. Häufig übersteigt die Dauerstrichleistung jedoch selbst diese relativ große maximal zulässige Leistung p2 innerhalb des Basisfrequenzbands. Um das zu verhindern muß dann die Leistung des gesamten Pulssignals reduziert werden. Das hat jedoch zur Folge, daß nicht nur die Leistung des störenden Dauerstrichzeigers, sondern auch die mittlere reale Pulsleistung reduziert wird, was zu einer Verringerung der Reichweite des Sensors führt.
Die bekannten Sensoren, die ein Pulssignal mit einem relativ großen Dauerstrichzeiger im Frequenzspektrum aussenden, haben zudem den Nachteil, daß sie sehr störanfällig gegenüber Störsignalen sind, die in dem Basisfrequenzband arbeiten, in dem das Pulssignal liegt. Die Störanfälligkeit des Sensors besteht insbesondere gegenüber frequenzmodulierten Störsignalen, sog. frequence-modulated-continuos-wave (FMCW)- Störsignalen, die in regelmäßigen Abständen die Trägerfrequenz des Dauerstrichzeigers überstreichen.
Schließlich weisen die bekannten Sensoren aufgrund der Größe des Dauerstrichzeigers auf der Trägersignalfrequenz den Nachteil auf, daß sie sehr anfällig gegenüber kohärenten Störanteilen bzw. gegenüber unerwünschten Dopplereinkopplungen sind.
Aus den vorgenannten Nachteilen des Standes der Technik ergibt sich somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, daß die Größe des Dauerstrichzeigers in der spektralen Leistungsverteilung der Pulssignale des Sensors auf der Trägersignalfrequenz reduziert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von dem Sensor der eingangs genannten Art vor, daß zwischen dem Oszillator und dem Leistungsteiler ein dritter Modulationsschalter angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die Größe des Dauerstrichzeigers in der spektralen Leistungsverteilung der Pulssignale auf der Trägerfrequenz am besten dadurch reduziert werden kann, daß die Durchlaßdämpfung des ersten und des zweiten Modulationsschalters erhöht wird. Die Durchlaßdämpfung der Modulationsschalter läßt sich gemäß der vorliegenden Erfindung am einfachsten durch die Anordnung von weiteren Modulationsschaltern in Reihe mit dem ersten und dem zweiten Modulationsschalter erhöhen. Grundsätzlich wäre es möglich, zu dem ersten und zu dem zweiten Modulationsschalter jeweils einen oder mehrere Modulationsschalter in Reihe anzuordnen. Dadurch würde der Aufbau des Sensors jedoch relativ aufwendig werden und es ergäben sich Probleme bei der Synchronisation der jeweils in Reihe zueinander angeordneten Modulationsschalter.
Deshalb schlägt die Erfindung vor, einen dritten Modulationsschalter derart anzuordnen, daß er sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Modulationsschalter in Reihe angeordnet ist. Dazu wird der dritte Modulationsschalter zwischen dem Oszillator und dem Leistungsteiler angeordnet. Durch den Leistungsteiler wird das Trägersignal aus dem dritten Modulationsschalter auf den ersten und auf den zweiten Modulationsschalter geführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensor addieren sich die Durchlaßdämpfungen des ersten und des dritten Modulationsschalters bzw. des zweiten und des dritten Modulationsschalters. Wenn der dritte Modulationsschalter also die gleiche Durchlaßdämpfung aufweist wie der erste und der zweite Modulationsschalter, verdoppelt sich die Durchlaßdämpfung am Ausgang des ersten bzw. des zweiten Modulationsschalters. Durch die Erhöhung der Durchlaßdämpfung der Modulationsschalter kann der Dauerstrichzeiger ohne großen Aufwand in etwa auf die Größenordnung der Pulssignalzeiger gedämpft werden. Bei dem eingangs angeführten Beispiel kann die Leistung des Zeigers der Trägerfrequenz PCW des erfindungsgemäßen Sensors in etwa auf die Größe der mittleren Pulsstrichsignalleistung Ppulslinie reduziert werden.
Im einzelnen wird durch die Erhöhung der Durchlaßdämpfung des ersten Modulationsschalters die Größe des Dauerstrichzeigers so weit reduziert, daß das Frequenzspektrum des ersten Pulssignals, insbesondere die Spektrallinie des Dauerstrichzeigers, unterhalb der maximal zulässigen Leistung bleibt. Aufgrund der kleinen Größe des Dauerstrichzeigers ist es nicht erforderlich, die Leistung des gesamten ersten Pulssignals zu reduzieren, um sicherzustellen, daß die Spektrallinie des Dauerstrichzeigers innerhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Leistungsgrenze liegt. Vielmehr kann das erste Pulssignal mit der gesetzlich maximal möglichen Leistung betrieben werden, so daß die Spektrallinien der mittleren realen Pulsleistung des ersten Pulssignals gerade noch unterhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Leistungsgrenze liegen. Auf diese Weise kann die gesetzlich erlaubte maximale Leistung des ersten Pulssignals voll ausgenutzt werden.
Durch die Erhöhung der Durchlaßdämpfung des zweiten Modulationsschalters wird die Größe des Dauerstrichzeigers des zweiten Pulssignals reduziert. Dadurch kann die Störempfindlichkeit des Sensors gegenüber anderen Geräten, die Signale mit Frequenzen aussenden, die innerhalb des Basisfrequenzbands des Sensors liegen, reduziert werden.
Durch die Erhöhung der Durchlaßdämpfung sowohl des ersten als auch des zweiten Modulationsschalters kann schließlich die Anfälligkeit des Sensors gegenüber kohärenten Störanteilen bzw. gegenüber unerwünschten Dopplereinkopplungen reduziert werden.
Der erfindungsgemäße Sensor hat somit entscheidende Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Sensor.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Sensor einen Pulswiederholfrequenz (pulse-repeatfrequence, PRF)-Generator aufweist, der den ersten Modulationsschalter und den zweiten Modulationsschalter über ein Triggersignal ansteuert. Der PRF- Generator erzeugt bspw. ein Rechtecksignal, dessen Frequenz der Pulswiederholfrequenz des ersten und des zweiten Pulssignals entspricht. Bei jeder ansteigenden oder bei jeder abfallenden Flanke des Rechtecksignals werden der ersten und der zweite Modulationsschalter durch ein Triggersignal derart angesteuert, daß sie sich für die Dauer eines Pulses schließen. Auf diese Weise können dem Trägersignal mit einer bestimmten Pulswiederholfrequenz Pulse mit einer bestimmten Pulsdauer aufmoduliert werden. Am Ausgang des ersten Modulationsschalters liegt dann das erste Pulssignal und am Ausgang des zweiten Modulationsschalters liegt das zweite Pulssignal an.
Es ist denkbar, daß die ersten Mittel unmittelbar auf das zweite Pulssignal wirken und dieses um eine variable Verzögerung verzögern. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, daß das Triggersignal zum Ansteuern des zweiten Modulationsschalters durch die ersten Mittel um die variable Verzögerung verzögert ist. Dadurch wird das zweite Pulssignal mittelbar durch Verzögern des entsprechenden Triggersignals verzögert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, daß der PRF-Generator den dritten Modulationsschalter über das Triggersignal und ein verzögertes Triggersignal ansteuert. Dadurch kann der dritte Modulationsschalter auf einfache Weise mit dem ersten und dem zweiten Modulationsschalter synchronisiert werden.
Vorteilhafterweise steuert der PRF-Generator den dritten Modulationsschalter derart an, daß er zumindest dann geschlossen ist, wenn der erste Modulationsschalter oder der zweite Modulationsschalter geschlossen sind. Dadurch wird sichergestellt, daß durch gezieltes Schließen des ersten oder zweiten Modulationsschalters nach wie vor Pulse auf das Trägersignal aufmoduliert werden können. Der dritte Modulationsschalter kann langsamer geschaltet werden als der erste und der zweite Modulationsschalter. Das erlaubt eine schmalbandigere Auslegung der Leitungen von dem dritten Modulationsschalter zu dem ersten und dem zweiten Modulationsschalter und des Leistungsteilers. Schmalbandigere Bauteile sind einfacher zu realisieren als breitbandige Bauteile und sind deshalb auch wesentlich kostengünstiger.
Der PRF-Generator steuert den dritten Modulationsschalter vorzugsweise derart an, daß er jeweils um ein Mehrfaches der Zeit geschlossen ist, für die der erste Modulationsschalter oder der zweite Modulationsschalter geschlossen ist.
Die Modulationsschalter können beliebig ausgebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, daß die Modulationsschalter jeweils eine Übertragungsleitung mit variablem Reflexionsfaktor zum Führen des Trägersignals, eine in die Übertragungsleitung mündende Stichleitung und Mittel zum Verändern des Abschlußwiderstands der Stichleitung aufweisen, wobei der Reflexionsfaktor der Übertragungsleitung durch Verändern des Abschlußwiderstands der Stichleitung einstellbar ist. Derartig ausgebildete Modulationsschalter werden durch Verändern des Reflexionsfaktors der Übertragungsleitung geschaltet. Diese Modulationsschalter sind insbesondere für die Hochfrequenztechnik gut geeignet, da sie besonders kurze Schaltzeiten aufweisen. Ihre Durchlaßdämpfung im geöffneten Zustand ist im Vergleich zu andersartigen Modulationsschaltern jedoch relativ gering. Deshalb ist es insbesondere bei derart ausgebildeten ersten und zweiten Modulationsschaltern vorteilhaft, die Durchlaßdämpfung durch das in-Reihe-Anordnen weiterer Modulationsschalter zu erhöhen.
Schließlich wird gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Sensor in einem Frequenzbereich betrieben wird, der außerhalb des nach ETSI 300 440 für den Sensor gesetzlich vorgeschriebenen Basisfrequenzbands zur Leistungsbegrenzung liegt. Die bekannten Sensoren müssen alle innerhalb dieses Basisfrequenzbands betrieben werden, da sonst die Spektrallinie des Dauerstrichzeigers die gesetzlich vorgeschriebene Leistungsgrenze überschreiten würde. Deshalb muß bei den bekannten Sensoren dafür gesorgt werden, daß das Frequenzsprektrum des ersten Pulssignals derart ausgerichtet ist, daß die Spektrallinie des Dauerstrichzeigers genau innerhalb des Basisfrequenzbereichs liegt. Bei dem erfindungsgemäßen Sensor konnte die Größe des Dauerstrichzeigers jedoch so weit reduziert werden, daß der Sensor auch außerhalb dieses Basisfrequenzbands betrieben werden kann, ohne daß die Reichweite des gesamten Pulssignals reduziert werden muß. Durch einen Betrieb des Sensors außerhalb des gesetzlich vorgeschrieben Basisfrequenzbands kann der Sensor Störungen durch andere Geräte, die Signale mit einer Frequenz aussenden, die in der Regel innerhalb des Basisfrequenzbands liegt, aus dem Wege gehen. Dadurch kann die Störanfälligkeit des erfindungsgemäßen Sensors entscheidend reduziert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltung eines erfindungsgemäßen Sensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 2 die Signalverläufe des erfindungsgemäßen Sensors aus Fig. 1 und
Fig. 3 die spektrale Leistungsverteilung eines aus dem Stand der Technik bekannten Sensors.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Sensor in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Der Sensor 1 dient zum Messen des Abstands a zu einem Objekt 2. Ein bevorzugter Einsatzbereich des Sensors 1 ist die Abstandsmessung zwischen zwei Kraftfahrzeugen. Dadurch kann bspw. der Abstand zwischen zwei hintereinander fahrenden Kraftfahrzeugen durch Regelung der Geschwindigkeit des hinteren Fahrzeugs konstant gehalten werden. Dazu weist das hintere Kraftfahrzeug in seinem in Fahrtrichtung vorderen Bereich den Sensor 1 auf.
Der Sensor 1 bestimmt die Laufzeit eines ersten periodischen Pulssignals 3 von seiner Aussendung durch den Sensor 1 über die Reflexion an dem Objekt 2 bis zu dem Empfang durch den Sensor 1. Der Abstand a zu dem Objekt 2 ergibt sich aus der Laufzeit des ersten Pulssignals 3 multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Pulssignals 3 und dividiert durch zwei. Das erste Pulssignal 3 ist bspw. als ein Ultraschallsignal oder als ein Radarsignal ausgebildet.
Der Sensor 1 arbeitet nach dem folgenden Prinzip: Ein Oszillator 4 generiert ein Trägersignal 5, dem in einem ersten Modulationsschalter 17 Pulse aufmoduliert werden. Das Ausgangssignal des ersten Modulationsschalter 17 wird als erstes Pulssignal 3 bezeichnet. Eine Sendeantenne 7 sendet das erste Pulssignal 3 aus in Richtung auf das Objekt 2. Das erste Pulssignal 3 wird von dem Objekt 2 reflektiert, und das reflektierte Pulssignal 13 wird von einer Empfangsantenne 8 des Sensors 1 empfangen. Das empfangene erste Pulssignal 13 ist aufgrund des zurückgelegten Weges von dem Sensor 1 zu dem Objekt 2 und wieder zurück zu dem Sensor 1 um eine Laufzeit Tlauf gegenüber dem ausgesandten ersten Pulssignal 3 verzögert. Die Laufzeit Tlauf ist abhängig von dem Abstand a zu dem Objekt und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Pulssignals 3.
Der Sensor 1 weist darüber hinaus einen Leistungsteiler 16 auf, der zwischen dem Oszillator 4 und dem ersten Modulationsschalter 17 angeordnet ist. Durch den Leistungsteiler 16 wird das Trägersignal 5 zu einem zweiten Modulationsschalter 19 geführt. Dem Trägersignal 5 werden in dem zweiten Modulationsschalter 19 ebenfalls Pulse aufmoduliert. Das Ausgangssignal des zweiten Modulationsschalters 19 wird als zweites Pulssignal 9 bezeichnet.
Das zweite Pulssignal wird durch erste Mittel 11 um eine variable Verzögerung Tverz verzögert. Die ersten Mittel 11 sind als ein Totzeitglied ausgebildet. Zweite Mittel 12 wirken mit den ersten Mitteln 11 zusammen und dienen zum Variieren der Verzögerung Tverz des zweiten Pulssignals 9. Die zweiten Mittel 12 sind als ein Sweepspannung ausgebildet, durch die das Totzeitglied angesteuert wird. Durch dritte Mittel 14 wird die Laufzeit Tlauf des ersten Pulssignals 3 mit der Verzögerung Tverz des zweiten Pulssignals 9 verglichen. Die dritten Mittel 14 sind als ein Mischer ausgebildet, dessen Ausgangssignal genau dann detektierbar ansteigt, wenn die momentan durch die zweiten Mittel 12 an den ersten Mitteln 11 eingestellte Verzögerung Tverz gleich der Laufzeit Tlauf des empfangenen ersten Pulssignals 13 ist.
Falls die Verzögerung Tverz des zweiten Pulssignals 9 gleich der Laufzeit Tlauf des ersten Pulssignals 3 ist, muß ermittelt werden, welche Verzögerung Tverz zu diesem Zeitpunkt des Anstiegs des Mischerausgangssignals an den ersten Mitteln 11 eingestellt ist. Dazu weist der Sensor 1 vierte Mittel auf. Durch die vierten Mittel wird auch der Abstand a zu dem Objekt 2 aus der ermittelten Verzögerung Tverz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Pulssignals 3 bestimmt.
Bei der vorliegenden Erfindung geht es insbesondere darum, die Durchlaßdämpfung des ersten Modulationsschalter 17 und des zweiten Modulationsschalters 19 zu erhöhen. Das wird dadurch erreicht, daß ein dritter Modulationsschalter 21 zwischen dem Oszillator 4 und dem Leistungsteiler 16 angeordnet wird. Der dritte Modulationsschalter 21 ist also in Reihe sowohl zu dem ersten Modulationsschalter 17 als auch zu dem zweiten Modulationsschalter 19 angeordnet. Jeweils zwei in Reihe angeordnete Modulationsschalter 17 und 21 bzw. 19 und 21 bilden eine Schalteinheit 6 bzw. 16. Die Durchlaßdämpfung der Schalteinheiten 6, 16 wird durch die Summe der Durchlaßdämpfungen der einzelnen in Reihe angeordneten Modulationsschalter 17 und 21 bzw. 19 und 21 gebildet.
Zum periodischen Betätigen der Modulationsschalter 17, 19 werden diese durch einen Pulswiederholfrequenz(puls-repeat­ frequence, PRF)-Generator 18 über ein Triggersignal 20 angesteuert. Der PRF-Generator 18 erzeugt ein Rechtecksignal, dessen Frequenz der Pulswiederholfrequenz fpulswiederhol des ersten Pulssignals 3 und des zweiten Pulssignals 9 entspricht. Bei jeder ansteigenden Flanke des Rechtecksignals werden der ersten Modulationsschalter 17 und der zweite Modulationsschalter 19 durch das Triggersignal 20 derart angesteuert, daß sie sich für die Dauer eines Pulses Tpuls schließen. Auf diese Weise können dem Trägersignal 5 mit einer bestimmten Pulswiederholfrequenz fpulswiederhol Pulse mit einer bestimmten Pulsdauer Tpuls aufmoduliert werden. Am Ausgang des ersten Modulationsschalters 17 liegt dann das erste Pulssignal 3 und am Ausgang des zweiten Modulationsschalters 19 liegt das zweite Pulssignal 9 an.
Das Triggersignal 5 wird vor dem Ansteuern des zweiten Modulationsschalters 19 durch die ersten Mittel 11 um die variable Verzögerung Tverz verzögert. Der zweite Modulationsschalter 19 wird dann durch das verzögerte Triggersignal 22 angesteuert. Das zweite Pulssignal 9 wird also mittelbar durch Verzögern des Triggersignals 5 verzögert.
Der PRF-Generator 18 steuert den dritten Modulationsschalter 19 über das Triggersignal 20 und das verzögerte Triggersignal 22 derart an, daß er zumindest dann geschlossen ist, wenn der erste Modulationsschalter 17 oder der zweite Modulationsschalter 19 geschlossen sind. Der dritte Modulationsschalter wird langsamer geschaltet als der erste Modulationsschalter 17 und der zweite Modulationsschalter 19.
In Fig. 2 sind die Signalverläufe der Schaltzeiten der Modulationsschalter 17, 19, 21 dargestellt. Der PRF-Generator 18 steuert den dritten Modulationsschalter 21 derart an, daß er jeweils um ein Mehrfaches der Zelt Tschalt geschlossen ist, für die der erste Modulationsschalter 17 oder der zweite Modulationsschalter 19 geschlossen ist (Tschalt = n.Tpuls).
Bei einer Bandbreite der Pulse, die auf das Trägersignal 5 aufmoduliert werden, von fpuls = 2 GHz ergibt sich eine Pulsdauer von Tpuls = 500 ps. Bei einer angenommenen Pulswiederholfrequenz von fpulswiederhol = 5 MHz ergibt sich eine Pulswiederholperiode von Tpulswiederhol = 200 ns für das erste Pulssignal 3 und das zweite Pulssignal 9. Die ersten Mittel 11 werden derart angesteuert, daß das zweite Pulssignal 9 um eine Verzögerung von Tverz = 30 ns gegenüber dem ersten Pulssignal 3 verzögert ist. Der dritte Modulationsschalter 21 überdeckt in seinem geschlossenen Zustand die geschlossenen Zustände des ersten Modulationsschalters 17 und des zweiten Modulationsschalters 19. Der Schaltvorgang des dritten Modulationsschalters 21 dauert bei dem Beispiel aus Fig. 2 Tschalt = 4 ns, also die achtfache Zeit der Pulsdauer Tpuls. Das erlaubt eine schmalbandigere Auslegung (250 MHz) der Leitungen von dem dritten Modulationsschalter 21 zu dem ersten Modulationsschalter 17 und dem zweiten Modulationsschalter 19 und des Leistungsteilers 16.
Die Modulationsschalter 17, 19, 21 weisen jeweils eine Übertragungsleitung mit variablem Reflexionsfaktor zum Führen des Trägersignals 5, eine in die Übertragungsleitung mündende Stichleitung und Mittel zum Verändern des Abschlußwiderstands der Stichleitung auf. Der Reflexionsfaktor der Übertragungsleitung kann durch Verändern des Abschlußwiderstands der Stichleitung eingestellt werden. Derartig ausgebildete Modulationsschalter 17, 19, 21 werden durch Verändern des Reflexionsfaktors der Übertragungsleitung geschaltet. Solche Modulationsschalter 17, 19, 21 sind insbesondere für die Hochfrequenztechnik gut geeignet, da sie besonders kurze Schaltzeiten aufweisen.

Claims (8)

1. Sensor (1) zum Messen eines Abstands (a) zu einem Objekt (2), mit:
  • - einem Oszillator (4) zur Generierung eines Trägersignals (5),
  • - einem ersten Modulationsschalter (17) zur Modulation von Pulsen auf das Trägersignal (5) und zur Erzeugung eines ersten Pulssignals (3),
  • - einer Sendeantenne (7) zum Aussenden des ersten Pulssignals (3) in Richtung auf das Objekt (2),
  • - einer Empfangsantenne (8) zum Empfangen des von dem Objekt (2) reflektierten und um eine Laufzeit verzögerten ersten Pulssignals (13),
  • - einem Leistungsteiler (16), der zwischen dem Oszillator (4) und dem ersten Modulationsschalter (17) angeordnet ist,
  • - einem zweiten Modulationsschalter (19) zur Modulation von Pulsen auf das Trägersignal (5), das über den Leistungsteiler (16) zu dem zweiten Modulationsschalter (19) geführt ist, und zur Erzeugung eines zweiten Pulssignals (9),
  • - ersten Mitteln (11) zum Verzögern des zweiten Pulssignals (9) um eine variable Verzögerung,
  • - zweiten Mitteln (12), die mit den ersten Mitteln (11) zusammenwirken, zum Variieren der Verzögerung des zweiten Pulssignals (9),
  • - dritten Mitteln (14) zum Vergleich der Laufzeit des ersten Pulssignals (3, 13) mit der Verzögerung des zweiten Pulssignals (19) und
  • - vierten Mitteln zum Ermitteln der an den ersten Mitteln (11) eingestellten Verzögerung, bei der die Verzögerung gleich der Laufzeit ist, und zum Bestimmen des Abstands (a) zu dem Objekt (2) aus der ermittelten Verzögerung und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Pulssignals (3, 13),
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Oszillator (4) und dem Leistungsteiler (16) ein dritter Modulationsschalter (21) angeordnet ist.
2. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) einen Pulswiederholfrequenz (pulse-repeat- frequence, PRF)-Generator (18) aufweist, der den ersten Modulationsschalter (17) und den zweiten Modulationsschalter (19) über ein Triggersignal (20) ansteuert.
3. Sensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Triggersignal (20) zum Ansteuern des zweiten Modulationsschalters (19) durch die ersten Mittel (11) um die variable Verzögerung verzögert ist.
4. Sensor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der PRF-Generator (18) den dritten Modulationsschalter (21) über das Triggersignal (20) und ein verzögertes Triggersignal (22) ansteuert.
5. Sensor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der PRF-Generator (18) den dritten Modulationsschalter (21) derart ansteuert, daß er zumindest dann geschlossen ist, wenn der erste Modulationsschalter (17) oder der zweite Modulationsschalter (19) geschlossen sind.
6. Sensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der PRF-Generator (18) den dritten Modulationsschalter (21) derart ansteuert, daß er jeweils um ein Mehrfaches der Zeit geschlossen ist, für die der erste Modulationsschalter (17) oder der zweite Modulationsschalter (19) geschlossen ist.
7. Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsschalter (17; 19; 21) jeweils eine Übertragungsleitung mit variabler Durchlaßdämpfung zum Führen des Trägersignals (5), eine in die Übertragungsleitung mündende Stichleitung und Mittel zum Verändern des Abschlußwiderstands der Stichleitung aufweisen, wobei die Durchlaßdämpfung der Übertragungsleitung durch Verändern des Abschlußwiderstands der Stichleitung einstellbar ist.
8. Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) in einem Frequenzbereich betrieben wird, der außerhalb des nach ETSI 300 440 für den Sensor (1) gesetzlich vorgeschriebenen Basisfrequenzbands zur Leistungsbegrenzung liegt.
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