DE2748124A1 - Mikrowellen-entfernungsmessystem zur bestimmung der entfernung eines objekts - Google Patents

Mikrowellen-entfernungsmessystem zur bestimmung der entfernung eines objekts

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DE2748124A1 DE19772748124 DE2748124A DE2748124A1 DE 2748124 A1 DE2748124 A1 DE 2748124A1 DE 19772748124 DE19772748124 DE 19772748124 DE 2748124 A DE2748124 A DE 2748124A DE 2748124 A1 DE2748124 A1 DE 2748124A1
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Description

"Mikrowellen-Eitfernungsmeßsystem zur Bestimmung der Entfernung eines Objekts"
Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikrowellen-Entfernungsmeßsystem zur Bestimmung der Entfernung eines Zielobjektes mittels der Phasendifferenz zwischen einer ausgesandten freque*nzmodulierten Welle und der vom Objekt reflektierten und empfangenen Welle.
Die Verfahren, die auf dem Prinzip der Frequenzmodulation von kontinuierlich ausgestrahlten Wellen beruhen, stellen hohe Anforderungen an die Linearität bzw. den zeitlichen Ablauf der Frequenzmodulation, insbesondere wenn größere Genauigkeiten der Entfernungsmeßwerte verlangt werden, da sie mit einem Phasenschieber oder -modulator bei der Mischung des reflektierten empfangenen Signals mit dem ausgesandten Signal arbeiten. Aus der US-PS 3 249 938 und US-PS 2 528 109 ist es bekannt, einen solchen Phasenschieber zwischen dem Sender und Empfänger anzuordnen. Gegebenenfalls kann dabei auch erst ein ZF-Oszillator phasenmoduliert werden.
Aus der DT-OS 2 438 116 ist es ferner bekannt, die Phase eines Zwischenfrequenzsignals schrittweise oder monoton zu ändern und aus der Bestimmung der Phasenlänge des Zwischenfrequenzwellenzuges die Entfernungsmessung abzuleiten.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein einfacheres und schneller wirksames Mikrowellenmeßsystem ohne Phasenschiebung zu schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das ausgesandte Mikrowellensignal kontinuierlich auf zwei feste Frequenzen (fu, fo) gesteuert wird, die einen genau definierten Abstand (Frequenzhub) aufweisen, und das vom Zielobjekt reflektierte und empfangene Signal mit Hilfe eines Signalumsetzers (U) amplituden- und phasengetreu auf ein Zwischenfrequenzsignal umgesetzt wird, von dessen gesamten Phasenhub das Maß für die Entfernung abgeleitet wird.
Obgleich es bei dem neuen Mikrowellenmeßsystem sogar zulässig ist, daß sich die Frequenz innerhalb eines Meßzyklus nichtmonoton ändert, können Zentimeter- oder millimetergenaue Meßwerte erhalten und angezeigt werden.
Zweckmäßig ist es,zur Bestimmung des Phasenhubs eine Phasenvergleichsstufe vorzusehen, der das Zwischenfrequenzsignal und ein durch einen Faktor N geteiltes Signal eines spannungsgesteuerten Oszillators zugeführt werden und das entstehende Fehlersignal
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den spannungsgesteuerten Oszillator derart nachsteuert, daß die Phase des spannungsgesteuerten Oszillators gerade das N-fache der Phase des Zwischenfrequenzsignals beträgt.
Besonders vorteilhaft IMBt sich das neue Mikromeßsystem bei Objektabständen von einigen Metern anwenden, z.B. bei Pegelhöhenmessungen von Silos, Bunkern und dgl. sowie Teufenmessungen an Hochöfen.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele dar. Es zeigen: Fig· 1 einen scheoatlsehen Aufbau, Flg. 2 ein Aufbauscheaa des Itasetzers, Flg. 3 ein weiteres Aufbauschema eines Umsetzers.
Ein Mikrowellensignal S. der Frequenz f wird Über eine Sendeantenne Aabgestrahlt, an einem Objekt 0 reflektiert und mit einer Empfangsantenne E empfangen. Ein Signalumsetzer U, auf dessen Realisierung weiteruaten eingegangen werden soll, erlaubt es, ein sinusförmiges Zwischenfrequenz-Signal S«* zu erzeugen, dessen Phase und Amplitude ein genaues Abbild des empfangenen Mikrowellen-Signals S2 ist. Außerdem steht ein zweites Zwischenfrequenz-Signal S^1 gleicher Frequenz zur Verfugung, dessen Phase gleich der Phase des gesendeten Mikrowellen-Signales S. ist.
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Praktisch verwertbar ist die Differenzphase von SEi und die von SAi, die gleich der Differenzphase von S£ und der von S. ist. Diese Differenzphäsen seien gleich Φα bei der unteren Sendefrequenz fu und gleich cp bei der oberen Sendefrequenz fo. Die Phasen ePu und Φο ergeben sich aus der Entfernung zum Objekt d und der Lichtgeschwindigkeit c. «Pu und «PQ verstehen sich einschließlich der Vielfachen von 2ττ. Die Phasendifferenz ΔΦ ist dann gleich
Αφ = Φο - Φυ = -2Π- (fO - fu) · 2 d = ig. · Af · 2 · d (1)
und d hängt damit nur von der Entfernung und dem Frequenzhub ab, nicht jedoch von den Einzelheiten der Frequenzänderung von fu nach fo. Eine genaue Messung von ΔΦ erlaubt daher die Entfernung d zu bestimmen, sofern der Frequenzhub Af konstant gehalten wird. Bei einem ausgeführten Gerät beträgt der Frequenzhub 200 MHz, fu = 10,0 GHz, fo = 10,2 GHz. Die Zwischenfrequenz f ist 10 kHz.
Wird die Mikrowellenfrequenz von fu nach fo in z.B. 1s geändert, so ändert sich die Phase des Zwischenfrequenzsignales S£i um einen bestimmten Betrag ΑΦ, der gemessen werden soll. Das geschieht auf die folgende Weise:
Die Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators VCO bei z.B. 10 MHz wird durch N (z.B. N = 1000) geteilt. Das dabei entstehende Signal von etwa 10 kHz wird in einer Phasenvergleichsstufe PH mit der Phase des Signals S^1 verglichen.
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Eine Phasenabweichung dient als Regelsignal für den spannungsgesteuerten Oszillator VCO. Ist die Entfernung d = Null, dann ist auch ΔΦ « Null und der VCO wird gerade Z = 10 Perioden in 1 see aufweisen. Ist jedoch die Entfernung d > 0, dann wird der VCO während der Meßzeit von z.B. 1 see gerade
1°
in * 100° Perioden aufweisen, oder allgemein ausgedrückt
z " fi N + έττ ' 100° β %. N + § ' Δ£·ά·Μ (2)
Beträgt die Meßzeit nicht 1s, sondern At, dann gilt Z m At · I1 · N + § . Af«d«N (3)
Die Anzahl der Perioden Z des VCO läßt sich durch einen Zähler Z einfach bestimmen. Die Größen At, f^ und N wird man dabei so bestimmen, daß der Ausdruck At*f^*N bis auf die erste oder die beiden ersten Ziffern nur Nullen enthält, und außerdem wird man
f und N so wählen, daß der Ausdruck ^- Af*d*N direkt in mm geeicht 1st. Diese Wahl istimmer möglich. FUr eine maximale Entfernung von z.B. 30 m ergeben dann die letzten 5 Stellen von Z die Entfernung in mm auf dem Digitalanzeiger A. Vie erwähnt, wird ein Signalumsetzer U benötigt, der das empfangene Mikrowellensignal in ein Zwischenfrequenzsignal S^ abbildet. Hierfür läßt sich das Prinzip Elnseitenbandversetzer/Einseitenbandempfänger verwenden (Fig. 2).
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Das Mikrowellensignal des Oszillators OSC wird einem Einseitenbandgenerator SSG zugeführt, der mit der Zwischenfrequenz f^ moduliert wird. Ferner wird das Mikrowellensignal über einen Koppler K und einen Isolator I einem Einseltenbandempfänger SSD zugeführt, dessen anderer Eingang die reflektierte Empfangswelle erhält, so daß das Zwischenfrequenzsignal Sg. an dessen Ausgang entsteht.
Ein? weitere Möglichkeit, den Signalumsetzer U zu realisieren besteht nach Fig. 3 darin, zwei abstimmbare Oszillatoren OSC1, 0SC2 mittels einer Phasenregelungsschaltung auf einen konstanten Frequenzabstand zu bringen, der gleich der Zwischenfrequenz f^ ist. Einer der beiden abstimmbaren Oszillatoren dient als Sendeoszillator 0SC1, der andere als Empfangsmischoszillator 0SC2.
Beiden erwähnten Signalumsetzern ist gemeinsam, daß man durch Umschalten entweder das obere oder untere Seitenband ausnutzen kann. Damit wird erreicht, daß die Phase des Zwischenfrequenzsignales S£i entweder gleich der Phase φ des empfangenen Mikrowellensignales S£ ist oder gleich -Φ.
Diese Eigenschaft kann mit Vorteil bei dem Mikrowellenentfernungs messer ausgenutzt werden, um das Meßergebnis unempfindlich gegen Bewegungen des Meßobjektes zu machen. Der bei Bewegung auftretende Dopplereffekt kann nämlich Meßfehler bewirken. Er kann weitgehend unterdrückt werden, wenn man die Anzahl der Perioden Z1 zunächst für eine Frequenzänderung von fu nach fo bestimmt und
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    Mikrowellen-Entfernungsmeßsystem zur Bestimmung der Entfernung eines Objekts mittels der Phasendifferenz zwischen einer ausgesandten frequenzmodulierten Welle und der
    und empfangenen vom Objekt reflektierten/Welle, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgesandte Mikrowellensignal kontinuierlich auf zwei feste Frequenzen (fu, fo) gesteuert wird, die einen genau definierten Abstand (Frequenzhub) aufweisen, und das vom Zielobjekt reflektierte und empfangene Signal mit Hilfe eines Signalumsetzers (U) amplituden- und phasengetreu auf ein Zwischenfrequenzsignal umgesetzt wird, von dessen gesamten Phasenhub das Maß für die Entfernung abgeleitet wird.
    2. Mikrowellen-Entfernungsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Phasenhubs eine Phasenvergleichsstufe (PH) vorgesehen ist, der das Zwischenfrequenzsignal (Sßi) und ein durch einen Faktor N geteiltes Signal eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) zugeführt werden, und das entstehende Fehlersignal den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) derart nachsteuert, daß die Phase des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) gerade das N-fache der Phase des Zwischenfrequenzslgnals (Sg1) beträgt.
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    3· Mikrowellen-Entfernungsmeßsystem nach
    Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Perioden Z des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) während einer vorgegebenen Zählzeit gezählt und angezeigt wird, und daß Beginn und Ende der Zählzeit zeitlich damit zusammenfallen, daß das gesendete Mikrowellensignal entweder die Frequenzen fu oder fo angenommen hat.
    4. Mikrowellen-Entfernungsmeßsystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zählergebnisse Z^ und Zg von einer Frequenzveränderung von fu nach fο und einer Frequenzveränderung von fo nach fu zusammengefaßt werden.
    5. Mikrowellen-Entfernungsmeßsystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzer (U) aus einem mit der Zwischenfrequenz (fi) modulierten Einseitenbandgenerator (SSG) und einem Einseitenbanddetektor (SSE) besteht, dem das unmodulierte Signal und das empfangene modulierte Signal zugeführt werden, und der die Zwischenfrequenz (Sgj\ liefert.
    6. Mikrowellen-Entfernungsmeßsystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzer aus zwei abstimmbaren Oszillatoren (OSC1, 0SC2)
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    besteht, die mittels einer Phasenregelungsschaltung (PHR) auf einen konstanten Frequenzabstand gebracht sind, der gleich der Zwischenfrequenz fi ist, wobei einer der beiden abstimmbaren Oszillatoren als Sendeoszillator (OSC1), der andere als Empfangsmischoszillator (0SC2) dient.
    7. Mikrowellen-Entfernungsmeßsystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Frequenzhub von fο nach fu die Seitenbänder im Signalumsetzer (U) derart vertauscht werden, daß die Phase des Zwischenfrequenzsignals (Sgj) im Vorzeichen umgedreht wird.
    8. Mikrowellen-Entferungsmeßsystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzhub von fo nach fu, der Teilungsfaktor N die Meßzeit At und die Zwischenfrequenz f 1 zahlenmäßig so gewählt werden, daß das gezählte Ergebnis Z bis auf die erste Stelle direkt die Entfernung in mm oder cm angibt.
    9· Mikrowellen-Entfernungsmeßsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei festem Frequenzhub die Mittenfrequenz von einem Zählvorgang zum nächsten geändert wird und über mehrere Zählvorgänge gemittelt wird.
    10. Mikrowellen-Entferungsmeßsystem nach Anspruch
    1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das
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    Mikrowellensignal sich etwa im UHF/VHF-Bereich befindet und auf einen optischen Träger aufmoduliert wird, der abgestrahlt und reflektiert empfangen wird, und dessen Demodulationsprodukt weiterverarbeitet wird.
    11. Mikrowellen-Entfernungsmeßsystem nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der unteren und oberen Frequenz fu und fo ein relativ starkes Signal abgestrahlt und im Frequenzbereich zwischen fu und fo das gesendete Signal sehr wesentlich abgeschwächt wird, so daß die Leistung des ausgesandten Signals nur gerade deutlich über dem thermischen Rauschen in einer vorgegebenen Bandbreite liegt.
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