DE3239501C2

DE3239501C2 -

Info

Publication number: DE3239501C2
Application number: DE19823239501
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 7913 Senden De Solbach
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-10-26
Filing date: 1982-10-26
Publication date: 1992-04-09
Also published as: DE3239501A1

Description

Verfahren zum Messen kurzer Entfernungen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Ein solches Verfahren ist z. B. bereits in dem Artikel von O. K. Nilssen und W. D. Boyer: "Amplitude Modulated CW Radar", in IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics, 1962, Seite 250-254 beschrieben.

Die Messung von Entfernungen mit Hilfe von Millimeter wellen 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 Umwelt einflüssen (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 (Entfer nungs-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 tech nisch aufwendig und unter dem Gesichtspunkt der Frequenz ökonomie 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 Auswer tung von Dopplerfrequenzen bei verschiedenen Trägerfre quenzen, vgl. "IEEE Transactions on Aerospace and Navi gational Electronics", März 1963, S. 27-33, "IRE Trans actions on Aerospace and Navigational Electronics", Dez. 1962, S. 255-265, oder auf der bekannten FM-CW-Methode mit sinusförmiger Frequenzvariation, geringer Bandbreite und analoger Signalauswertung bei einer niedrigen Zwi schenfrequenz, vgl. "Proceedings of the IRE", Sept. 1956, S. 1140-1145. In quasi-statischen Meßsituationen, wie sie z. B. im Bereich der industriellen Meßtechnik vor kommen, können erstere Verfahren wegen der geringen Dopp lereffekte nicht angewandt werden. Das modifizierte FM- CW-Verfahren ist empfängerseitig relativ aufwendig und scheidet daher für viele Zwecke aus.

Bei dem eingangs genannten und in IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics, 1962, Seite 250-254 beschriebenen be kannten Verfahren wird mit Hilfe eines amplitudenmodulierten CW-Ra dars zum Messen kurzer Entfernungen eine sinusförmig amplitudenmodu lierte elektromagnetische Welle ausgesendet und anschließend die Phase der Hüllkurve des Sendesignals mit der Phase der durch einen Amplitudendetektor empfangsseitig erzeugten Hüllkurve des empfan genen Echosignals verglichen und daraus die Entfernung bestimmt.

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.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst, eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist Inhalt des Patentanspruchs 2. Die weiteren Ansprüche haben vorteilhafte Ausbildungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des 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 gesche hen. Besonders bei sinusförmiger Modulation kann aber auch die Sender-Ausgangsleistung über ein elektronisches Dämpfungsglied beeinflußt werden. Ein Teil der Sende leistung wird über einen Richtkoppler 4 auf einen Hüllkurven-Detektor 5 gegeben, während der Hauptteil der Sendeleistung von einer Sendeantenne 6 abgestrahlt wird. Das Echosignal wird von einer Empfangsantenne 7 aufge nommen und einem Empfangs-Hüllkurven-Detektor 8 zugeführt. Die beiden an den Detektoren 5 und 8 gewonnenen Spannungen werden in einem Phasenvergleicher 9 miteinander ver glichen, 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 getasteten ausgesandten Welle. Die vom Detektor 8 gewonnene Spannung U₈ entspricht der Hüll kurve des Echo-Signals. Ist die Laufzeit τ des Echo- Signals klein gegenüber der Periodendauer der Sendermo dulation (Nah-Echo), ergibt sich eine kleine Phasenver schiebung der Spannung U₈ gegenüber der Spannung U₅. Ist die Laufzeit τ 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 ein zelnen 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 wesent lich größer sein als die Echo-Dämpfung des schwächsten zu beobachtenden Ziels. Z. B. können mit zwei nebeneinander betriebenen Parabolantennen mit ca. 35 dB Gewinn Entkopp lungen größer als 70 dB ohne weiteres erzielt werden. Höhere Entkopplungen sind durch absorbierende Wände zwi schen 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 Radarquerschnitt von 1 m² 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 entfernte zu beobachtende Ziel die größte noch eindeutige Phasenverschiebung erzeugt (meist 180° oder 360°). Z.B. ergibt sich bei einer Periodendauer T der Sendertastung von 10^-7 s (entsprechend 10 MHz) ein Eindeutigkeitsbereich (360°) von 15 m.

Zur Detektion der bei kleinen bzw. weit entfernten Zielen auftretenden niedrigen Signalstärken muß der Empfänger detektor hohe Empfindlichkeit aufweisen. Die bei dem oben erwähnten Beispiel benötigte Empfindlichkeit von etwa - 40 Bm (100 mW Sendeleistung) l t sich jedoch kaum mit Video-Bandbreiten von einigen zehn MHz erzielen, wie sie für die verzerrungsfreie Verarbeitung von Rechteck-Hüll kurven-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 Verarbei tung des detektierten Echo-Signals nahezu beliebig schmal bandig vorgenommen werden kann. Übliche Hohlleiter-Detek toren, z. B. für 60 GHz, können dann ohne weiteres Emp findlichkeiten 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.

Claims

1. Verfahren zum Messen kurzer Entfernungen mittels Aussendung elek tromagnetischer Wellen, vorzugsweise im Millimeterwellenbereich, bei welchem Verfahren die Schwingungsamplitude eines Senders moduliert wird und die Phase der Hüllkurve des Sendesignals mit der Phase der Hüllkurve eines empfangenen Echosignals verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenform des Modulationssignals beliebig ist, daß die Periodendauer T der Modulation des Senders so einge stellt wird, daß das Echosignal des weitest entfernten zu beob achtenden Ziels eine größte noch eindeutig auswertbare Phasenver schiebung ergibt und daß nur die Grundschwingungen der Sende- und Echosignalhüllkurven für den Vergleich der Phasen der Hüllkurven be nutzt werden.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine 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) ver bunden 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. 1).

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Sendeantenne (6) und Empfangsantenne (7) absor bierende Wände eingefügt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sende- und Empfangsantenne zu einer einzigen Antenne zusammengefaßt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer T des Taktgenerators (1) einstellbar ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastung des Sendeoszillators (2) durch Ein-/Ausschalten der Stromversorgung (3) erfolgt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator (1) ein elektronisches Dämpfungsglied im Ausgang des Sendeoszillators (2) in der Dämpfung verändert.