DE3821216A1

DE3821216A1 - Messsystem

Info

Publication number: DE3821216A1
Application number: DE3821216A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr Colquhoun; Klaus Dipl Phys Dr Berchtold
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1989-12-28
Also published as: DE3821216C2; US5025260A

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem mit einer Meßanord nung bestehend aus einem Sende- und Empfangsteil und einer Auswerteelektronik.

Es ist bekannt, mit Hilfe des Dopplereffektes die Ge schwindigkeit eines bewegten Objektes aufgrund der ge messenen Dopplerverschiebung zu bestimmen und hieraus mit Hilfe einer Integration den zurückgelegten Weg abzu leiten. Eine entsprechende Meßanordnung würde einen auf wendigen Aufbau erfordern und wäre daher nur mit hohen Herstellungskosten produzierbar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Meßsystem mit einer Meßanordnung der eingangs genannten Art zum Messen von Abständen anzugeben, die einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist sowie einfach handhab bar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich nenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Das dieser er findungsgemäßen Meßanordnung zugrundeliegende Meßsystem erlaubt nicht nur einen einfachen Aufbau der Anordnung, sondern auch eine einfache Durchführung des Meßvorganges, indem die Anordnung entlang der Meßstrecke bewegt wird, wobei das Meßergebnis unabhängig von der Geschwindigkeit der bewegten Anordnung ist.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen entnehmbar.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßanordnung,

Fig. 2 das Blockschaltbild der erfindungs gemäßen Meßanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Meßvorganges, und

Fig. 4a und 4b jeweils eine Darstellung des Kurven verlaufs der Zwischenfrequenz während der Meßdauer.

Die Meßanordnung nach Fig. 1 weist ein auf einer Vorder seite eines rechteckförmigen und flachen Gehäusekörpers 9 angeordnetes Antennensystem 4 auf, das aus einer auf einem Träger aufgebauten planaren Antenne 5 sowie einer dielektrischen Linse 6 besteht. Der in der gleichen Ebene wie die planare Antenne 5 angeordnete Sende- und Empfangsteil 2, ist mit ihr über eine Streifenleitung verbunden und als GaAs-MMIC (Monolitic Microwave Inte grated Circuit) aufgebaut. Hinter der planaren Antenne 5, im Gehäuse 9, ist auf einer Leiterplatte die als inte grierter Si-Schaltkreis ausgebildete Auswerteelektronik 3 untergebracht, die mit dem auf der Oberseite des Ge häuses 9 angeordneten Anzeigeeinrichtung 7 verbunden ist. Schließlich ist im Gehäuse 9 auch eine Stromversor gungseinheit 8 untergebracht.

Diese Meßanordnung ist geeignet, Abstände von 0 bis eini ge 100 m unter Ausnutzung des Dopplereffektes mit Mikro wellen-Strahlung bei einer Sendefrequenz von beispiels weise 100 GHz zu messen. Hierzu wird gemäß Fig. 3 zur Messung des Abstandes der beiden Orte A und B die Meßan ordnung 1 zwischen diesen beiden Orten A und B bewegt, wobei während dieser Bewegung die von der Antenne 4 ab gestrahlten Signale mit einer Sendefrequenz f ₁ an der feststehenden Wand W auf die Antenne 4 zurück reflektiert werden, so daß sich die Empfangsfrequenz f ₂ aufgrund der Dopplerverschiebung nach folgender Formel berechnet:

wobei f₁ die Sendefrequenz, v die Geschwindigkeit der bewegten Anordnung und c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Aus der Sendefrequenz f₁ und der Empfangsfrequenz f₂ ergibt sich für die Zwischenfrequenz f _ZF mit Hilfe der Gleichung (1):

für v « c folgt aus der Gleichung (2):

Die Meßstrecke zwischen den beiden Orten A und B mit der Länge d wird mit der Geschwindigkeit v in der Zeit t₁ zurückgelegt:

d = v · t₁. (4)

Aus der Gleichung (3) und (4) ergibt sich für die Zwi schenfrequenz f _ZF:

Die Anzahl N der während der Zeitdauer t₁ erzeugten Perioden der Zwischenfrequenz f _ZF gemäß der Fig. 4a ergibt sich mit Hilfe der Gleichung (5) zu

bzw. für die Anzahl N′ der Halbperioden der gleichgerichteten Zwischenfrequenz f _ZF gemäß der Fig. 4b zu

Durch Umstellung der beiden Gleichungen (6a) und (6b) ergibt sich für den Abstand d der beiden Orte A und B:

Dieses Ergebnis ist von der Geschwindigkeit v und der Zeitdauer t ₁ unabhängig, daß heißt, es ist unerheblich wie schnell die Meßanordnung entlang der Meßstrecke zwi schen den beiden Orten A und B bewegt wird, die zurück gelegte Strecke wird immer durch die Anzahl der Perioden bzw. Halbperioden gemäß der Gleichung (7a) bzw. (7b) bestimmt.

Gemäß Fig. 2 besteht der Sende- und Empfangsteil 2 aus einem dielektrisch stabilisierten Oszillator 10, der auf MESFET-Basis hergestellt und für eine Ausgangsleistung von ca. 10 mW ausgelegt ist. Es können auch Gunn- oder Impatt-Dioden als Oszillator-Element eingesetzt werden. Dieser Oszillator 10 dient als Sender und als lokaler Oszillator (LO) für die Mischerstufe 12. Das Oszillator signal mit einer Frequenz von 100 GHz wird auf die An tenne 4 geleitet, während das LO- und das Empfangssignal über einen Hybridringkoppler 11 auf die als Schottky- Diodenmischer ausgebildete Mischerstufe 12 geführt wer den. Das Ausgangssignal der Mischerstufe 12 wird der Auswerteelektronik 3 zugeführt, wobei das Ergebnis der Auswertung in deren Anzeigeeinrichtung 7 zur Anzeige kommt.

Bei einer Sendefrequenz f ₁ von 100 GHz entspricht jede Periode der Zwischenfrequenz f _ZF einem Abstand d von ca. 3 mm, während nach Gleichrichtung der Zwischenfrequenz f _ZF dieser Wert halbiert wird, wodurch die Meßgenauig keit verbessert werden kann.

Die Anzahl der während des Meßvorganges erzeugten Perio den der Zwischenfrequenz f _ZF entspricht genau der Anzahl der Maximas, wodurch in einfacher Weise ein die Auswerte elektronik 3 enthaltender Impulszähler zum Zählen der Maximas verwendbar ist. Der Abstand d wird aus der An zahl der Maximas mittels eines Mikroprozessors, der eben falls ein Bestandteil der Auswerteelektronik 3 ist, ge mäß der Beziehung nach Formel (6a) bzw. (6b) abgeleitet und in der Anzeigeeinrichtung 7 angezeigt.

Das Antennensystem 4 kann, wie in Fig. 1 gezeigt ist, als Kombination aus einer planaren Antenne 5 und einer dielektrischen Linse 6 ausgebildet sein. Ferner kann das Antennensystem 4 nur aus planaren Antennen bestehen oder aber als Kombination aus einer planaren Antenne mit einer Horn-Antenne.

Claims

1. Meßsystem mit einer Meßanordnung (1) bestehend aus einem Sende- und Empfangsteil (2) und einer Auswerte elektronik (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (d) zwischen einem ersten Ort (A) und einem zweiten Ort (B) durch Bewegen der Meßanordnung (1) zwischen den bei den Orten (A, B) unter Ausnutzung des Dopplereffektes ermittelt wird, indem aus der Sendefrequenz (f ₁) des vom Sendeteil (2) abgestrahlten Signales und der Empfangs frequenz (f ₂) des im Empfangsteil (2) aufgenommenen, an einem feststehenden Objekt (W) reflektierten Singales in dem Sende- und Empfangsteil (2) eine Zwischenfrequenz (f _ZF) gebildet wird, und daß aus der während des Meßvor gangs erzeugten Anzahl (N, N′) der Perioden der Zwischen frequenz (f _ZF) in der Auswerteelektronik (3) der Abstand (d) abgeleitet wird.

2. Meßanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß zwischen dem Abstand (d) und der Anzahl (N) der Perioden folgender Zusammenhang besteht: wobei c die Lichtgeschwindigkeit und f ₁ die Sendefrequenz des abgestrahlten Signales ist.

3. Meßanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß zur Bestimmung der Anzahl (N) der Perioden die Maximas gezählt werden.

4. Meßanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß zwischen dem Abstand (d) und der Anzahl (N′) der Halbperioden folgender Zusammenhang besteht: wobei c die Lichtgeschwindigkeit und f ₁ die Sendefrequenz des abgestrahlten Signales ist.

5. Meßanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß zur Bestimmung der Anzahl (N′) der Halbperioden die Maximas der gleichgerichteten Zwischenfrequenzkurve gezählt werden.

6. Meßanordnung (1) nach Anspruch 3 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (3) einen Im pulszähler zum Zählen der Maximas aufweist.

7. Meßanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Auswerteelektronik (3) einen Mikroprozessor enthält, um aus der Anzahl (N, N′) der Maximas den Ab stand (d) gemäß der Beziehung nach Anspruch 2 oder 4 abzuleiten.

8. Meßanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende- und Empfangs teil (2) als integrierter GaAs-Schaltkreis ausgebildet ist.

9. Meßanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (3) als integrierter Si-Schaltkreis ausgebildet ist.

10. Meßanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende- und Empfangs teil (2) ein Antennensystem (4) aufweist.

11. Meßanordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das Antennensystem (4) aus einer planaren Antenne (5) besteht.

12. Meßanordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das Antennensystem (4) aus einer Kombina tion von einer planaren Antenne (5) und einer dielektri schen Linse (6) oder einer Horn-Antenne besteht.

13. Meßanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende- und Empfangs teil (2) im 100 GHz-Bereich arbeitet.