DE3527918A1 - Verfahren und vorrichtungen zur bestimmung der entfernung eines objektes durch auswerten der signale eines amplitudenmodierten cw-radars - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Entfernung eines Objektes durch Auswerten der Signale eines amplitudenmodulierten CW-Radars.

Zur Entfernungsmessung nach dem Radar-Prinzip wird ein elektromagnetischer Trägerstrahl amplitudenmoduliert. Die Bestimmung der Entfernung des anzumessenden Objektes erfolgt dabei durch Messung der Phasendifferenz zwischen Sende- und Empfangssignal. Als Träger werden Mikrowellen, mm-Wellen und IR- bzw. optische Wellen verwendet.

Zur Erzielung einer ausreichenden Empfindlichkeit muß das bei den gängigen Verfahren verwendete Bandfilter eine relative Bandbreite der typischen Größenordnung von << 10^-3 aufweisen. Daraus ergeben sich große technische Probleme wegen des Temperaturgangs der Mittenfrequenz und des Phasengangs, die zu technisch und wirtschftlich aufwendigen Lösungen führen.

Die in diesem Zusammenhang gebräuchliche Umsetzung der AM-Frequenz auf eine wesentlich kleinere Zwischenfrequenz erleichtert zwar die Lösung der Probleme der Temperaturkonstanz der Mittenfrequenz und des Phasengangs der Filter; es ergeben sich aber aufwendige Misch-, ZF- und Spielgelselektionsvorrichtungen.

Es ist das Ziel der Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen, die in besonders einfacher Weise ohne die genannten aufwendigen Vorrichtungen eine zuverlässige Entfernungsbestimmung erlauben. Insbesondere soll auch deren Wegfall eine Miniaturisierung ermöglicht werden.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zwei Gleichrichter mit nachgeschaltetem Tiefpaß von dem Modulationssignal direkt und um 90° verschoben getaktet und Entfernungsbereiche bzw. Entfernungen digital ermittelt werden.

Zweckmäßig wird der Eindeutigkeitsbereich mit n Komparatoren in n+1 Entfernungsbereiche eingeteilt. Dabei erfolgt die Auswertung der Entfernungsbereiche mittels Spannungskomparatoren und nachgeschalteter Logikeinrichtung.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und der Beschreibung, worin anhand der Zeichnung der Stand der Technik und verschiedene Ausführungsbeispiele erörtert werden.

Es zeigen

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Entfernungsmeßeinrichtung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 den grundsätzlichen Aufbau des Gegenstandes der Erfindung,

Fig. 3 schematisch eine Auswertvorrichtung für die vom Gegenstand der Fig. 2 erzeugten Signale,

Fig. 4 eine weitere Auswertevorrichtung, und

Fig. 5 ein komplettes System mit CW-Laser und 2-Bereichs- Auswertung.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Entfernungsmeßeinrichtung nach dem Stand der Technik. Dabei wird vom Sender S ein durch den AM-Frequenzgenerator FG amplitudenmodulierter Trägerstrahl über die Antenne bzw. Optik A auf das Ziel Z gerichtet. Der von diesem reflektierten Teil wird nach Empfang über einen Detektor D, einen Verstärker V, einen Bandpaß BP und einen Begrenzer P einem Phasendetektor PD, der z. B. eine RS-FF (setz- und rücksetzbare bistabile Kippstufe) sein kann, zugeleitet. Nach Filterung mittels eines Tiefpasses erhält man eine Spannung U, die zur Entfernung des Zieles proportional ist.

Wie bereits eingangs erwähnt, muß zur Erzielung einer ausreichenden Empfindlichkeit das verwendete Bandfilter BP eine relative Bandbreite der typischen Größenordnung von << 10^-3 aufweisen. Daraus ergeben sich große technische Probleme wegen des Temperaturgangs der Mittenfrequenz und des Phasengangs.

Die gebräuchliche Umsetzung der AM-Frequenz auf eine wesentlich kleinere Zwischenfrequenz erleichtert zwar die Probleme der Temperaturkonstanz der Mittenfrequenz und des Phasengangs der Filter; es ergeben sich aber aufwendige Misch-, ZF- und Spiegelselektionsvorrichtungen.

Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Gegenstandes der Erfindung. Sendung und Empfang erfolgen in gleicher Weise wie nach Fig. 1. Anstelle des Bandpasses BP, des Begrenzers und des Phasendetektors werden jedoch zwei Kohärenzgleichrichter KG 1 und KG 2 verwendet, denen je ein Tiefpaß TP 1 und TP 2 nachgeschaltet ist. Mittels eines Phasenschiebers wird dabei eine Phasenverschiebung von 90° zwischen den den Kohärenzgleichrichtern seitens des Frequenzgenerators FG zugeleiteten Signale erzeugt.

An den Ausgängen der Tiefpässe TP 1 und TP 2 liegen Signale der Form A cos Δ ϕ und A sin Δ ϕ an; die Tiefpaßfrequenz entspricht der halben Bandbreite des Bandpasses BP, wie er in der Lösung nach Fig. 1 benötigt würde.

Die Auswertung erfolgt nach Fig. 3 für die Einteilung in Entfernungsbereiche, z. B. mittels eines Komparators K. Man muß sich hier, um unabhängig von der Amplitude A zu bleiben, auf Δ ϕ = 45°, 135°, 225° und 315° wegen |A cos Δ ϕ| = |A sin Δ ϕ| beschränken. Die geeignete Wahl der AM-Frequenz erlaubt eine Skalierung in Entfernungen. So benötigt man beispielsweise für eine einer Distanz von 50 m entsprechende Phasenverschiebung von 45° eine AM-Frequenz von 375 kHz.

Für eine kontinuierliche Messung der Entfernung werden gemäß Fig. 4 die Ausgänge der Tiefpässe mit A/D-Wandlern verbunden und anschließend mittels eines Mikroprozessors μ P in Entfernungen umgerechnet, die einem entsprechenden Display oder einem Aktuator zugeführt werden.

Besonders zweckmäßig erfolgt die Auswertung der Entfernungen mittels eines Einship-Mikrocomputers, der einen A/D-Wandler enthält.

Fig. 5 zeigt ein komplettes System mit CW-Laser und 2-Bereichs-Auswertung. Dabei ist der als Sender dienenden Laserdiode Sender LD ein Regler R vorgeschaltet, der die Sendeleistung regelt und darüberhinaus ein AM-Interface enthält. Der Regler P seinerseits erhält den Ist-Pegel von einer PIN-Diode als Hilfsempfänger und den Soll-Pegel vom Ausgang des Tiefpasses TP 1, der bei einer 2-Bereichs-Auswertung mit ≦ωτ≦λτ 45°-Entscheidung, wie in der Fig. dargestellt, dem A cos Δ ϕ- Wert entspricht.

Am Ausgang des Komparators K liegt +, wenn Δ ϕ ≦ωτ 45° ist und -, wenn Δ ϕ ≦λτ 45° ist. Bei einer AM-Frequenz von 375 kHz entspricht der Ausgangswert + einer Entfernung ≦λτ 50 m.

Der Vorteil der Regelung des Pegels durch Verändern der Sendeleistung ist darin zu sehen, daß der bezüglich seines Phasenganges kritische Empfänger mit geringer Dynamik betrieben wird und somit nur geringe Realisierungskritiken beinhaltet.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich dadurch erweitern, daß mehr als zwei Entfernungsbereiche dadurch festgelegt werden können, daß mehrere Komparatoren verwendet werden. Dabei sind bei n Komparatoren n + 1 Entfernungsbereiche möglich.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung eines Objektes durch Auswerten der Signale eines amplitudenmodulierten CW-Radars, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gleichrichter (KG 1, KG 2) mit nachgeschaltetem Tiefpaß (TP 1, TP 2) von dem Modulationssignal direkt und um 90° verschoben getaktet und Entfernungsbereiche bzw. Entfernungen digital ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindeutigkeitsbereich in n+1 Entfernungsbereiche eingeteilt wird und daß die Auswertung der Entfernungsbereiche mittels n Spannungskomparatoren (K) und nachgeschalteter Logikeinrichtung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Entfernungen mittels Analog-Digital-Wandlung (A/D) und nachgeschaltetem Mikroprozessor (μ P) erfolgt.

4. Verfahren zur Signalauswertung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Entfernungen mittels eines Einchip-Mikrocomputers, der einen A/D-Wandler enthält, erfolgt.

5. Verfahren zur Signalauswertung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dynamikanpassung aus der Maximumübergabe der Beträge von A cos Δ ϕ bzw. A sin Δ ϕ ein Istwert für eine automatische Pegelregelung abgeleitet wird.

6. Verfahren zur Signalauswertung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dynamikanpassung bei einer 2-Bereichs-Auswertung mit ≦ωτ≦λτ 45°-Entscheidung der A cos Δ ϕ-Wert als Istwert für eine automatische Pegelregelung abgeleitet wird.

7. Verfahren zur Signalauswertung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelregelung durch Verändern der Sendeleistung erfolgt.

8. Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung eines Objektes durch Auswerten der Signale eines amplitudenmodulierten CW-Radars, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Gleichrichter (KG 1, KG 2) mit nachgeschaltetem Tiefpaß (TP 1, TP 2) und eine nachgeschaltete Logikeinrichtung sowie zur Aufteilung des Eindeutigkeitsbereichs in n+1 Entfernungsbereiche n (K) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Auswertung der Entfernungen wenigstens einen Analog-Digital-Wandler (A/D) und einen nachgeschaltetem Mikroprozessor (m P) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Auswertung der Entfernungen einen Einchip-Mikrocomputer, der einen A/D-Wandler enthält, aufweist.