DE2438116A1

DE2438116A1 - Mikrowellen-entfernungsmessgeraet

Info

Publication number: DE2438116A1
Application number: DE2438116A
Authority: DE
Inventors: Rolf Ing Grad Jacobson; Burkhard Dipl Ing Dr In Schiek; Wolfram Dipl Phys Dr Schilz
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1974-08-08
Filing date: 1974-08-08
Publication date: 1976-02-19

Description

"Mikrowellen-Entfernungsmeßgerät" Die Erfindung betrifft ein Mikrowellen-Entfernungsmeßgerät zur Bestimmung der Entfernung eines Zielobjektes nach dem FM-CW-Radarprinzip mit annähernd linearer Frequenzmodulation und Zwischenfrequenzerzeugung.
Die Messung von Entfernungen mit Mikrowellen ist bekannte Technik. Die wichtigsten Verfahren sind das Puls-Radar, bei dem kurze Mikrowellenpulse ausgesendet werden und die Laufzeit des vom Objekt reflektierten Signals gemessen wird uni das FM-CW-Radar .(Frequency Modulated Continuous Wave), bei dem ein vorzugsweise linear in der Zeit frequenzmoduliertes, periodisches Signal ausgesendet wird, und die bei der Überlagerung des ausgesendeten und des reflektierten Signals entstehende Zwischenfrequenz ein Maß für die Entfernung ist. Fur beide Verfahren gibt es zahlreiche Variationen zur Verbesserung der räumlichen und zeitlichen Auflösung, der Reichweite, der Störungsunterdrückung usw. (siehe z. B. Skolnik, Radar Handbook, New York 1970).
Aufgabe der Erfindung ist es, bei den auf dem FM-GW-Prinzip basierenden Entfernungsmeßgeräten eine besonders hohe räumliche Meßgenauigkeit zu erreichen, die es gestattet, die Entfernungsmessung eines Objektes gegenüber den üblichen FM-CW-Radars um den Faktor 10 bis 100 zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Phase des Zwischen frequenzsignals schrittweise oder monoton geändert und aus der Bestimmung der Phas enlänge des Zwischenfrequenz-Wellenzuges die Entfernungsmessung abgeleitet wird.
Dadurch lassen sich Meßgenauigkeiten bis etwa 1 cm erzielen, wodurch der Einsatz von derartigen elektronischen Verfahren z. 13. für die Pegelhöhenmessung in Bunkern für festes oder flüssiges Schüttgut überhaupt erst technisch siimvoll ist.
Die Zeichnung stellt ein Ausftihrungsbeispiel dar. Es zeigen: Fig. 1 eine Skizze zur Prinziperläuterung, Fig. 2 und 3 Diagramme und Fig. 4 ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel des Entfernungsmeßgerätes.
Im Prinzip speist nach Fig. 1 ein Mikrowellengenerator G die Sendeantenne S. Ein Teil des Mikrowellensignals wird über einen Koppler K einem Empfangsmischer M zugeführt und dem vom Objekt 0 reflektierten und von der Empfangsantenne E aufgenommenen Signal überlagert. Das Ausgangssignal des Mischers M wird der weiteren Signalverarbeitung zugeführt, z. B. einem Freqllenzzähler, aus dem die Entfernungsangabe abgeleitet wird.
Wird das Mikrowellensignal linear in der Zeit mit der Periode T und dem Frequenzhub #f = = f2 - 11 sägezahn- oder dreieckförmig moduliert, so entsteht der in Fig. 2 für einen Sägezahn skizzierte Vorgang: Das Sendesignal s1 überlagert sich im Mischer M mit dem um die Zeit T verzögerten Empfangssignal e1. Die Zeit 7 ergibt sich aus der Laufstrecke 2. und Lichtgeschwindigkeit c zu z = 2e/c.
Durch den Frequenzabstand zwischen Sendesignal und Empfangssignal wird im Mischer eine Zwischenfrequenz ZF erzeugt, die in der Zeit T - # - und entsprechend in den folgenden Perioden - konstant ist, wenn sich die Frequenz des Sendcsignals linear mit der Zeit ändert. Der so entstehende Zeitverlauf des Signals an Mischerausgang ist in Fig. 3 dargestellt.
Ist die zeitliche Änderung der Sendefrequenz fs innerhalb der Zeit gegeben durch fs = + . t so ergibt sich eine Zwischenfrequenz ZF zu: ZF = #f . # = #f . 2 . l , T T c d. h. die Zwischenfrequenz ist direkt entfernungsproportional.
Da das Sendesignal periodisch moduliert wird, besteht auch das Ausgangssignal des Mischers aus einzelnen Wellenzügen der Länge T - T . Jeder Wellenzug enthalt eine ganze Anzahl von Perioden 2 # n und die Phasenlänge ##A und ##E am Anfang und Ende des Wellenzuges. Die Zahl der ganzen Perioden ist etwa proportional zu der Entfernung und dem Frequenzhub f. Die Genauigkeit der Entfernungsmessung ist bei dem üblichen FM-CW-Radar durch die Genauigkeit der Frequenzmessung gegeben.
Diese wiederum ist durch die Anzahl n der Perioden in der Zeit T - r bestimmt. Dabei bleibt die inden Phasenlängen AfA und ##E enthaltene Information unberücksichtigt. Die numerische Rechnung ergibt, daß mit einem Frequenzhub von 1 GHz = 109 Hz eine Entfernungsauflösung von ca. 15 cm erreicht werden kann.
Das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät beruht nun darauf, daß eine genauere Entfernuilgsinformation gewonnen werden kann, wenn auch die Phasenlängen ##A und ##E zur Auswertung mitbenutzt werden. Eine genaue Rechnung ergibt nämlich, daß die gesamte Phasenlänge #G = (##A + 2#n + ##E) proportional zur Entfernung ist: T - # G = 2# #f # 2/c T Die Gesamtlänge # G kann nun auf verschiedene Art genau bestimmt werden.
Die Messung der Phasenlänge #G erfolgt z. B. nach folgendem Prinzip: Wird die Anfangsphase des ZF-Wellenzuges WZ (Fig. 3) bei sonst konstanten Bedingungen schrittweise verändert, so bleibt die Phasenlänge£ konstant, aber es ändert sich, je nach der Größe (##A + ##E) die Zahl der Nullstellen des Wellenzuges. Wird nun die Phase in p Schritten z. B. 100, um 2 # verschoben und werden bei jedem Schritt die Nullstellen gezählt, so erhält man bei einer endlichen Anzahl von Schritten, z. 13. p - q Schritte, die kleiner oder gleich p ist gerade n Nullstellen und bei den verbleibenden Schritten (z. 13. q) n+1 Nullstellen. Daraus ermittelt sich die Phasenlänge #G zu #G = 2# [(p-q)#n + q (n+1)] # p-1 pn+q = 2# # p Die Bestimmung von #G ist umso genauer, je mehr Schritte benutzt werden. Anstelle der schrittweisen Phasenveränderung kann auch die Phase monoton um 2T während der p Zählschritte verändert werden.
Die Verschiebung der Phase des ZF-Wellenzuges kann auf folgende Weisen erfolgen: 1) In den Sendezweig wird zwischen den Koppler K und die Sendeantenne S ein Mikrowellenphasenschieber eingesetzt, der in der Zeit p.r£ die Phase des Sendesignals um 2 linear ändert.
2) Die Phasenänderung um insgesamt 2# wird durch eine Verschiebung der Anfangsfrequenz f1 um den Betrag 5 f bei konstantem #f erzielt. Da # f entfernungsunabhängig ist, wird aus dem Empfangssignal eine Steuergröße abgeleitet, die die richtige Verschiebung der Anfangsfrequenz f1 bewirkt.
3) Es kann auch die Sendefrequenz um die Frequenz F versetzt werden, wobei F so gewählt wird, daß innerhalb der Zeit 1/F gerade p Zählperioden erfolgen.
4) Das ZF-Signal wird mit einem breitbandigen Niederfrequenz-Phasenschieber schrittweise oder monoton periodisch um bis zu 2 ir verschoben.
5) Die Phasenschiebung kann auch analog zu Punkt 3 durch eine Frequenzversetzung im ZF-Bereich erfolgen.
Sehr zweckmäßig is-t es, die Frequenzversetzung im ZF-Bereich unter Verwendung der 0o und 90°-ZF-Ausgänge eines Mikrowellen-Einseitenband-Empfangsmischers sowie zweier NF-Modulatoren NFM1 und NFN2 zu erreichen, die mit zwei um 900 versetzten sinusförmigen NF-Signalen der Modulationsfrequenz Fm, die der erwähnten Versetzungsfrequenz F entspricht, angesteuert werden, wie Fig. 4 zeigt.
Der Sendeoszillator OF wird durch einen von einem Taktgenerator TG angesteuerten Dreiecksgenerator DG frequenzmoduliert.
Von der auf die Sendeantenne SA gegebenen Schwingung wird ein Anteil ausgekoppelt und einem Mischer EM zugeführt, der andererseits an einer Empfangsantenne EA angeschlossen ist Die entstehende modulierte Zwischenfrequenz ZF wird einer Klipperstufe Cl zugeführt, hinter der noch eine Austaststufe TS liegt, um im Bereich der Dreiecksspannungsspitzen aus zu tasten, da hier Phasensprünge in den Wellenzügen auftreten können. Eine solche Austaststufe, zO 3. in Form eines Gatters, empfiehlt sich insbesondere bei Frequenzmodulationsspannungen mit diskontinuierlichen Stellen, wie z. B. Dreiecks- und Sägezahnspannungen.
Anschließend wird das Signal einem Zähler Z zugefuhrt, der alle an- oder abfallenden Flanken über die Zeit l/Fm zählt, wobei Fm die Modulationsfrequenz ist. Der Anzeiger AZ gibt dann die Entfernung z. B. direkt in Zentimetern an.
Die genannten Auswerteverfahren liefern auch dann richtige Ergebnisse, wenn der Zeitverlauf des Nikrowellensignals nicht-linear ist, wozu jedoch der Frequenzhub exakt einzuhalten ist. Zu diesem Zweck kann die Konstanz des zur Signalauswertung herangezogenen Frequenzhubes durch Frequenzmarken festgelegt werden. Frequenzmarken können z. B.
Oberwellen eines Guarzoszillators oder auch aus Resonanzfrequenzen stabiler Resonatoren abgeleitet werden.
Beim Zählen der Nulldurchgänge des geklippten ZF-Signals entsteht ein Zählfehler dadurch, daß ein Impuls von der Endflanke des Austastfensters angeschnitten wird und damit eine zusätzliche Nullstelle erzeugt wird. Bei einem Phasendurchlauf von 2 v in p Zählschritten geschieht das genau p/2 -mal, so daß ein Betrag p/2 vom Zählergebnis abgezogen werden muß. Dies gilt jedoch nur dann exakt, wenn im ZF-Signal ein Tastverhältnis 1:1 (Rechtecksignal) vorliegt.
Der durch schwankendes Tastverhältnis auftretende Fehler wird erfindungsgemäß dadurch aufgehoben, daß innerhalb der Zählperiode bei der Hälfte der Zählsehritte die Polarität des hinter der Austaststufe vorliegenden Signals geändert wird. Dadurch entstehen auch bei nicht konstantem Tastverhältnis genau p/2 zusätzliche Zählimpulse.
Patentansprüche:

Claims

Patentansprüche: Mikrowellen-Entferungsmeßgerät zur Bestimmung der Entfernung eines Zielobjektes nach dem FM-CW-Radarprinzip mit annähernd linearer Frequenzmodulation und Zwischenfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase des Zwischenfrequenzsignals schrittweise oder monoton geändert und aus der Bestimmung der Phasenlänge des Zwischenfrequenz-Wellenzuges die Entfernungsmessung abgeleitet wird.
2. Nikrcwellen-Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Phasenverschiebung ein Mikrowellenphasenschieber im Sendezweig angeordnet ist.
3. Mikrowellen-Entfernungsrneßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Phasenverschiebung eine entfernungsabhängige Verschiebung der Anfangsfrequenz des Sendesignals verwendet ist.
4. Mikrowellen-Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Phasenverschiebung eine Frequenzversetzung des Sendesignals verwendet ist.
5. Mikrowellen-Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Phaoenverschiebung ein Phasenschieber im ZF-Bereich angeordnet ist.
6. Nikrowellen-Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Phasenschiebung eine Frequenzversetzung im ZF-Bereich verwendet ist.
7. Mikrowellen-Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenzversetzung ein Einseitenband-Empfangsmischer vorgesehen ist.
8. Nikrowellen-Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanz des Frequenzhubes des Mikrowellensignals Frequenzmarken erzeugt werden, die von eInem stabilen Oszillator abgeleitet sind.
9. Mikrowellen-Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanz des Frequenzhubes des Mikrowellensignals Frequenzmarken mittels frequenzatabilen Resonatoren erzeugt werden.
10. Mikrowellen-Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Frequenzmodulationsspannungen mit diskontinuierlichen Stellen eine Austaststufe für diese Bereiche im ZF-Zweig vorgesehen ist.
11. Mikrowellenentfernungsinßgerät nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zählen der von der Austaststufe gelieferten ZF-Impulse die Polarität des Signals bei der Hälfte der Zählschritte innerhalb der Zählperiode umgekehrt wird.

L e e r s e i t e