DE3239501A1

DE3239501A1 - Verfahren zum messen kurzer entfernungen und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3239501A1
Application number: DE19823239501
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 7913 Senden Solbach
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-10-26
Filing date: 1982-10-26
Publication date: 1984-04-26
Also published as: DE3239501C2

Description

Beschreibung
Verfahren zum Messen kurzer Entfernungen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Messung von Entfernungen mit Hilfe von Millimeterwellen hat den Vorteil der geringeren Antennenabmessungen und der größeren Reflexionsquerschnitte der Zielobjekte.
Gegenüber Methoden, die kürzere Wellenlängen (Licht, Infra-Rot-Wellen) benutzen, zeigen sich Millimeterwellen- verfahren als erheblich unempfindlicher gegenüber Umwelteinflüssen (Verschmutzung). Die für die Entfernungsmessung mit Hilfe von Millimeterwellen eingesetzten elektronischen Verfahren stammen im allgemeinen aus der Radar-Technik im Mikrowellenbereich (1 - 30 GHz). Im wesentlichen werden Pulsverfahren und CW-Verfahren unterschieden. Es ist bekannt, daß zur Erzielung einer hohen Auflösung (Entfernungs-Meßgenauigkeit) von etwa 10 cm mit den üblichen Verfahren, z. B. Kurzpuls- oder FM-CW-Verfahren, große spektrale Bandbreiten von einigen hundert MHz benutzt werden müssen. Solche Schaltungen sind einerseits technisch aufwendig und unter dem Gesichtspunkt der Frequenzökonomie sind solche Verfahren für viele Anwendungen nicht tragbar.
Speziell für Anwendungen in der Flugnavigation sind daher Verfahren entwickelt worden, die es gestatten, bei kleinen spektralen Bandbreiten Entfernungen von etwa 1 m bis einige hundert Meter mit einer Genauigkeit von einigen cm zu messen. Diese Methoden basieren entweder auf der Auswertung von Dopplerfrequenzen bei verschiedenen Trägerfrequenzen, vgl. "IEEE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics", März 1963, S. 27 - 33, "IRE Transaotions on Aerospace and Navigational Electronics", Dez.
1962, 5. 255 - 265, oder auf der bekannten FM-CW-Methode mit sinusförmiger Frequenzvariation, geringer Bandbreite und analoger Signalauswertung bei einer niedrigen Zwischenfrequenz, vgl. "Proceedings of the IHRE'1, Sept. 1956, S. 1140 - 1145. In quasi-statischen Meßsituationen, wie sie z. B. im Bereich der industriellen Meßtechnik vorkommen, können erstere Verfahren wegen der geringen Dopplereffekte nicht angewandt werden. Das modifizierte FM-CU-Verfahren ist empfängerseitig relativ aufwendig und scheidet daher für viele Zwecke aus.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Entfernungsmeßverfahren, insbesondere für Millimeterwellen, vorzustellen, mit dem mit geringem elektronischen Aufwand Entfernungen von ca. 1 - 50 m mit hoher relativer Genauigkeit um 1 % bestimmt werden können.
Dås-e.rfindungsgemäRe Verfahren ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet, eine erfindungsgemäße Anordnung im Patentanspruch 4. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Ausbildungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. FIG. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Sender besteht aus einer von einem Taktgenerator 1 auf einen Sendeoszillator 2 getasteten Stromversorgung 3. Die Tastung kann durch einfaches Ein-/Ausschalten der Stromversorgung 3 geschehen. Besonders ei sinusförmiger Modulation kann aber auch die Sender-Ausgangsleistung über ein elektronisches Dämpfungsglied beeinflußt werden. Ein Teil der Sendeleistung wird über einen Richtkoppler 4 auf einen Hüllkurven-Detektor 5 gegeben, während der Hauptteil der Sendeleistung von einer Sendeantenne 6 abestrahlt wird.
Das Echosignal wird von einer Empfangsantenne 7 aufgenommen und einem'Empfangs-Hüllkurven-Detektor 8 zugeführt.
Die beiden an den Detektoren 5 und 8 gewonnenen Spannungen werden in einem Phasenvergleicher 9 miteinander verglichen, wobei als Ausgangssignal eine der Entfernung d des beobachteten Objekts proportionale Gleichspannung U entsteht.
Der Verlauf der in der Anordnung auftretenden Spannungen U5 und U8 wird anhand FIG. 2 erläutert. Die vom Detektor 5 gewonnene Spannung U5 entspricht der Hüllkurve der mit einer Periodendauer T geffiteten ausgesandten Welle. Die vom Detektor 8 gewonnene Spannung U8 entspricht der Hüllkurve des Echo-Signals. Ist die Laufzeit i: des Echo-Signals klein gegenüber der Periodendauer der Sendermodulation (Nah-Echo), ergibt sich eine kleine Phasenverschiebung der Spannung U8 gegenüber der Spannung U Ist 5.
die Laufzeit t dagegen groß (Fern-Echo), ergibt sich eine entsprechend größere Phasenverschiebung der Spannungen.
Gegenüber dem bekannten Kurzpulsradarverfahren zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, daß die Periodizität der Sende- und Echo-Pulse ausgenutzt wird: Statt einer Messung der zeitlichen Verschiebung von einzelnen Sende- und Echo-Pulsen wird die Phasenverschiebung ganzer Impuls-Züge gemessen. I. A. gelingt bei den hier verwendeten breiten Pulsen keine zeitliche Trennung von Sende- und Echo-Puls bei Benutzung einer gemeinsamen Antenne für Sender und Empfänger. Deshalb verwendet das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise zwei getrennte Antennen. Dabei muß die Entkopplung der Antennen wesentlich größer sein als die Echo-Dämpfung des schwächsten zu beobachtenden Ziels. Z. B. können mit zwei nebeneinander betriebenen Parabolantennen mit ca. 35 dB Gewinn Entkopplungen größer als 70 dB ohne weiteres erzielt werden.
Höhere Entkopplungen sind durch absorbierende Wände zwischen den Antennen zu erzielen.
Auf der anderen Seite sind z. B. Echodämpfungen von etwa 60 dB zu erwarten, bei Zielen in 20 m Entfernung mit einem 2 Radarquerschnitt von 1 m bei 60 GHz. Das bedeutet, daß das erfindungsgemäße Verfahren für Entfernungsmessungen an relativ kleinen Objekten bis zu Entfernungen von einigen 10 Metern geeignet ist.
Die Periodendauer T der Sendertastung sollte zur Erzielung einer möglichst großen Phasenverschiebung der Spannungen U5 und U8 möglichst so gewählt werden, daß das weitest 5 38 entfernte zu beobachtende Ziel die größte noch eindeutige Phasenverschiebung erzeugt (meist 1800 oder 3600). Z.B.
ergibt sich bei einer Periodendauer T der Sendertastung von 10 7 s (entsprechend 10 MHz) ein Eindeutigkeitsbereich (3600) von 15 m.
Zur Detektion der bei kleinen bzw. weit entfernten Zielen auftretenden niedrigen Signalstärken muß der Empfängerdetektor hohe Empfindlichkeit aufweisen. Die bei dem oben erwähnten Beispiel benötigte Empfindlichkeit von etwa -40 dBm (100 mW Sendeleistung) läßt sich jedoch kaum mit Video-Bandbreiten von einigen zehn MHz erzielen, wie sie für die verzerrungsfreie Verarbeitung von Rechteck-Hüllkurven-Spannungen, siehe FIG. 2, benötigt würden. Statt dessen können in diesem Fall auch andere Modulationsformen der Senderleistung benutzt werden, z. B. rein sinusförmige Amplitudenmodulation, wobei die empfangsseitige Verarbeitung des detektierten Echo-Signals nahezu beliebig schmalbandig vorgenommen werden kann. Übliche Hohlleiter-Detektoren, z. B. für 60 GHz, können dann ohne weiteres Empfindlichkeiten von besser als -70 dBm erzielen, bei Video-Bandbreiten von einigen hundert Hz. Entsprechendes gilt, wenn bei z. B. rechteckförmiger Modulation nur die Grundwelle der Modulationsschwingung zum Phasenvergleich herangezogen wird.
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Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Messen kurzer Entfernungen mittels Aussendung elektromagnetischer Wellen, vorzugsweise im Millimeterwellenbereich, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsamplitude eines Senders mit einer beliebigen Kurvenform moduliert wird und daß die Phase der Hüllkurve des Sendesignals mit der Phase der Hüllkurve eines empfangenen Echosignals verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer T der Modulation des Senders so eingestellt wird, daß das Echosignal des weitest entfernten zu beobachtenden Ziels eine größte noch eindeutig auswertbare Phasenverschiebung ergibt.
3- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß nur die Grundschwingungen der Sende- und Echosignalhüllkurven für den Vergleich der Phasen der Hüllkurven benutzt werden.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch einen Sendeoszillator (2), dessen Stromversorgung (3) mittels eines Taktgenerators (1) tastbar ist, einen Richtkoppler (4), welcher den größten Teil der Ausgangsleistung des Sendeoszillators (2) auf eine Sendeantenne (6) speist und einen kleineren Teil einem Hüllkurven-Detektor (5) zuführt, dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines Phasenvergleichers (9) verbunden ist, sowie einen Empfangs-Hüllkurven-Detektor (8), dessen Eingang mit einer Empfangsantenne (7) und dessen Ausgang mit einem zweiten Eingang des Phasenvergleichers(9) verbunden ist (FIG. i).
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Sendeantenne (6) und Empfangsantenne (7) absorbierende Wände eingefügt sind.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Sende- und Empfangsantenne zu einer einzigen Antenne zusammengefaßt sind.
7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer T des Taktgenerators (1) einstellbar ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastung des Sendeoszillators (2) durch Ein-/Ausschalten der Stromversorgung (3) erfolgt.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator (1) ein elektronisches Dämpfungsglied im Ausgang des Sendeoszillators (2) in der Dämpfung verändert.