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Annäherungssensoren
verschiedener Arten werden in einer Vielfalt von Anwendungen eingesetzt,
bei denen die Entfernung zu einem Objekt und unter bestimmten Umständen die
Geschwindigkeit dieses Objekts relativ zum Sensor zu bestimmen sind.
Diese Daten können
an ein Verarbeitungssystem übergeben
werden, das die empfangenen Daten analysiert und bestimmt, ob ein
Sicherheitsschwellwert überschritten
worden ist. Wenn ein Sicherheitsschwellwert überschritten worden ist, kann
der Prozessor bestimmen, ob ein Alarm ausgelöst oder eine andere Maßnahme ergriffen
werden soll. Annäherungssensoren
werden zum Beispiel in einer Vielfalt von Anwendungen eingesetzt,
die Einbruchswarnanlagen, Hindernis-Erfassung und Kraftfahrzeuge einschließen kann.
Annäherungssensoren
in Kraftfahrzeugen können
eingesetzt werden, um die relative Position und die relative Geschwindigkeit
anderer Kraftfahrzeuge oder Objekte in der Nähe des Kraftfahrzeugs zu bestimmen.
In einem Kraftfahrzeugsystem können
diese Positions- und Geschwindigkeitsdaten zum Beispiel verwendet
werden, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs während des Betriebs mit einem
Tempomaten zu regulieren, um einen Teil der verfügbaren Bremskraft anzuwenden,
um das Fahrzeug zu verlangsamen oder um dem Fahrer eine hör- oder
sichtbare Alarmmeldung zu übermitteln.
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Eines
der Probleme, die mit den in den oben beschriebenen Systemen eingesetzten
Annäherungs- und Geschwindigkeitssensoren
verbunden sind, ist die Erkennung von Objekten, die sich außerhalb
einer festgelegten Entfernung befinden und die bewirken können, daß falscher
Alarm ausgelöst
wird. Insbesondere in einem Kraftfahrzeugsystem kann die Unfähigkeit,
Objekte auf der Grundlage der Entfernung zu unterscheiden, als Reaktion
auf den falschen Alarm zu einer plötzlichen Betätigung der
Bremsen, zur Regulierung der Geschwindigkeit in einem Tempomatsystem
oder zu einer anderen plötzlichen
Beschleunigung oder Abbremsung des Fahrzeugs führen.
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Zusätzlich zu
der Notwendigkeit, Objekte auf der Grundlage ihrer Entfernung unterscheiden
zu können,
müssen
die in Kraftfahrzeugen verwendeten Sensoren physikalisch klein,
von geringem Gewicht, höchst zuverlässig und
preiswert sein. Die Systemanforderungen für diese Sensoren sind oft ziemlich
streng, sowohl hinsichtlich des technischen Leistungsvermögens des
Sensors als auch in bezug auf die physikalischen und ökonomischen
Faktoren. Je komplexer der Sensor ist, um so größer ist die Anzahl der Teile,
und gleichzeitig sind die Kosten um so höher, das Gewicht ist um so
größer, das
physikalische Volumen des Sensors ist um so größer und die Zuverlässigkeit
des Sensors um so niedriger. Ein bekannter Objektunterscheidungssensor
ist aus US-A-3 739 379 bekannt.
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Daher
wäre es
von Vorteil, ein Sensorsystem bereitzustellen, das imstande ist,
Objekte, die sich innerhalb einer festgelegten Entfernung befinden,
von Objekten zu unterscheiden, die sich außerhalb dieser Entfernung befinden,
das die physikalischen und ökonomischen
Anforderungen erfüllt
und zuverlässig
ist.
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Es
wird ein Sensor offenbart, der imstande ist, Objekte auf der Grundlage
ihrer Entfernung vom Sensor zu unterscheiden. Der Sensor weist eine
Antenne auf, die ein Sensorsignal sendet und, wenn ein Objekt vorhanden
ist, von dort ein reflektiertes Signal empfängt. Ein Impulsoszillator stellt
ein erstes Impulssignal mit einer ersten Frequenz und Phase bereit,
wobei der Impulsoszillator das erste Impulssignal für eine vorbestimmte Impulsdauer
und mit einer vorbestimmten Impulswiederholungsfrequenz bereitstellt.
Der Impulsoszillator übergibt
das erste Impulssignal an einen ersten Eingangsanschluß eines
Dualmode-Mischers,
der ferner über
einen zweiten Anschluß mit
der Antenne verbunden ist. Der Dualmode-Mischer überträgt einen Teil des ersten Impulssignals
vom ersten Eingangsanschluß zum
zweiten Anschluß und somit
zur Antenne, damit es als das Antennensignal gesendet wird. Außerdem verwendet
der Dualmode-Mischer
einen Teil des ersten Signals, um es mit dem empfangenen reflektierten
Signal zu mischen, und stellt ein gemischtes Signal als Ausgangssignal an
einem dritten Anschluß bereit.
Somit stellt das erste Impulssignal sowohl das Signal bereit, das
als das Sensorsignal gesendet wird, als auch das Empfangsoszillatorsignal
für den
Mischer. Der Dualmode-Mischer stellt ein gemischtes Ausgangssignal
bereit, wenn das empfangene reflektierte Signal im Dualmode-Mischer
gleichzeitig mit dem ersten Impulssignal vorhanden ist. Dementsprechend
kann ein Objekt nur erkannt werden, wenn die Entfernung zu dem Objekt
derart ist, daß die
Signallaufzeit zum und vom Objekt kleiner oder gleich der vorbestimmten
Impulslänge
des ersten Impulssignals ist.
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Außerdem ist
ein Phasenschieber in Reihe zwischen dem zweiten Ausgang des Dualmode-Mischers und der
Antenne eingefügt.
Der Phasenschieber hat einen ersten Phasenschieberanschluß und empfängt den Teil
des ersten Signals, der zwischen dem ersten Ausgang und dem zweiten
Ausgang des Dualmode-Mischers übertragen
wird. Der Phasenschieber verschiebt selektiv die Phase des übertragenen
Teils des ersten Signals, den er vom Dualmode-Mischer empfangen
hat. Das übertragene
phasenverschobene reflektierte Signal wird von einem zweiten Phasenschieberanschluß des Phasenschiebers
als Ausgangssignal an die Antenne übergeben. Die Antenne empfängt das übertragene
phasenverschobene reflektierte erste Signal und sendet es als das
Sensorsignal. Falls ein Objekt vorhanden ist, empfängt die
Antenne das von dort reflektierte Signal. Die Antenne übergibt
das empfangene reflektierte Signal an den zweiten Phasenschieberanschluß des Phasenschiebers.
Der Phasenschieber kann die Phase des empfangenen reflektierten
Signals selektiv verschieben und ein phasenverschobenes reflektiertes
Signal als Ausgangssignal vom ersten Phasenschieberanschluß bereitstellen.
Der Dualmode-Mischer
empfängt
das phasenverschobene reflektierte Signal am zweiten Anschluß, wobei
der Dualmode-Mischer
dafür konfiguriert
und angeordnet ist, das phasenverschobene reflektierte Signal mit
dem durch die Impulssignalquelle bereitgestellten ersten Impulssignal
zu mischen. Auf diese Weise können
Signale in ihrer Phase derart verschoben werden, daß zwei Sensorsignale
und ihre jeweiligen reflektierten Signalantworten orthogonal zueinander
sind, das heißt„ daß die beiden
Signale gegeneinander um neunzig (90) Grad phasenverschoben sind.
Dementsprechend können
In-Phase- und Quadratur-Signalkomponenten bereitgestellt werden,
um die Genauigkeit und Funktionstüchtigkeit des Sensors zu erhöhen.
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Andere
Formen, Merkmale und Aspekte der oben geschilderten Methoden und
Systeme werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargelegt.
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
umfassender verstanden, wobei diese folgendes zeigen:
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1 ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
des Sensor-Frontends für
die Geschwindigkeitsmessung;
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2 ist
ein Zeitablaufdiagramm verschiedener Wellenformen, die in der in 1 beschriebenen
Ausführungsform
verwendet werden;
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3 ist
eine grafische Darstellung der Ortsvektoren für IQ-Kanäle, wie in 1 beschrieben;
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4A ist
eine Ausführungsform
eines zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeigneten Mischers;
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4B ist
eine weitere Ausführungsform
eines zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeigneten Mischers;
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4C ist
eine weitere Ausführungsform
eines zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeigneten Mischers;
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5 ist
eine schematische grafische Darstellung einer zur Verwendung in
der vorliegenden Erfindung geeigneten Phasenschieber-Schaltung;
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6 ist
eine schematische grafische Darstellung eines zur Verwendung in
der vorliegenden Erfindung geeigneten Abtastermoduls; und
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7 ist
ein Blockschaltbild einer weiteren Anordnung des Sensor-Frontends
für die
Geschwindigkeitsmessung;
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Es
wird ein Sensor-Frontend offenbart, das imstande ist, zwischen Objekten
innerhalb einer festgelegten Entfernung und Objekten außerhalb
dieser festgelegten Entfernung zu unterscheiden, und das verglichen mit
heutigen Sensoren eine verringerte Anzahl von Bauteilen aufweist.
Insbesondere schließt
das Sensor-Frontend eine Impulssignalquelle ein, die ein erstes
Impulssignal an einen Dualmode-Mischer übergibt. Der Dualmode-Mischer überträgt einen
Teil des ersten Impulssignals, damit er von der Antenne als Sensorsignal
gesendet wird. Ferner verwendet der Dualmode-Mischer einen Teil
des ersten Impulssignals als Empfangsoszillator zur Abwärtskonvertierung
des empfangenen reflektierten Signals, indem er das erste Impulssignal
damit mischt, um ein Basisband-Videosignal zu bilden. Diese abwärtskonvertierten
Signale werden dann verarbeitet und als Sensor-Ausgangssignal bereitgestellt.
Somit wird ein Objekt nur erkannt, wenn das erste Impulssignal und
das reflektierte Signal gleichzeitig im Dualmode-Mischer vorhanden
sind. Somit muß ein
Objekt, um erkannt zu werden, eine solche Entfernung haben, daß die gesamte
Laufzeit zum und vom Objekt kleiner als die Impulsbreite des durch
den Impulsoszillator bereitgestellten Signals ist.
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1–3 stellen
die grundlegende Architektur und Arbeitsweise des Sensor-Frontends
dar, und 4A, 4B, 4C, 5 und 6 beschreiben
Schaltungen, die zur Verwendung innerhalb der in 1 dargestellten
Ausführungsform
geeignet sind. 7 beschreibt eine weitere Ausführungsform
des Sensor-Frontends, die ebenfalls imstande ist, die in 4A–6 dargestellten
Schaltungen zu verwenden.
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Wendet
man sich 1 zu, so weist ein Sensor-Frontend 100 einen
Controller 102 auf, der eine Vielzahl von Steuerungsimpulsen
erzeugt, einschließlich
eines Sendetriggers 103, eines Abtast- und Halteimpulses 105 und
eines Phasensteuerungsimpulses 107. Ein Impulsmodulator 104 empfängt den
Sendetrigger 103 und übergibt
einen Auftastfunktions-Einschaltimpuls mit einer vorbestimmten Impulsbreite
an den Impulsoszillator 106. Der Impulsoszillator 106 antwortet
auf den Einschaltimpuls, indem er für die Zeit, in der der Einschaltimpuls
aktiv ist, das heißt
für die
vorbestimmte Impulsbreite, ein erstes Signal liefert. Während der
Zeit, in der der Einschaltimpuls aktiv ist, weist das durch den
Impulsoszillator bereitgestellte erste Signal eine erste Frequenz,
eine erste Amplitude und eine erste Phase auf. Der Sendetrigger 103 wird
mit einer vorbestimmten Impulswiederholungsfrequenz bereitgestellt.
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Ein
Dualmode-Mischer 108 ist mit dem Impulsoszillator 106 verbunden
und empfängt
das erste Signal an einem ersten Eingangsanschluß 109. Wie nachstehend
ausführlicher
beschrieben wird, sorgt der Dualmode-Mischer 108 für eine vorbestimmte
Menge von Signalübertragungen
zwischen dem ersten Eingangsanschluß 109 und einem ersten
Eingangs/Ausgangsanschluß 111.
Somit wird ein Teil des ersten Signals vom Dualmode-Mischer 108 durchgelassen
und wird als Ausgangssignal am ersten Eingangs/Ausgangsanschluß 111 bereitgestellt.
Der erste Eingangs/Ausgangsanschluß 111 kann direkt
mit dem Antennenanschluß 113 verbunden
werden oder vorzugsweise kann zwischen dem ersten Eingangs/Ausgangsanschluß 111 und
dem Antennenanschluß 113 ein
Phasenschieber 110 in Reihe eingefügt werden, wie in 1 beschrieben.
Der Phasenschieber 110 ist dafür konfiguriert und angeordnet,
den Phasensteuerungsimpuls 107 vom Controller 102 zu
empfangen, und antwortet auf den Phasensteuerungsimpuls 107,
indem er die Phase des übertragenen ersten
Signals, das er vom Dualmode-Mischer
empfangen hat, selektiv verschiebt. Die Antenne 112 ist
eine Sende- und Empfangsantenne, die eine gemeinsame Apertur sowohl
zum Senden des übertragenen
ersten Signals als Sensorsignal 121 als auch zum Empfang
eines reflektierten Signals 123, das von einem Objekt 122 reflektiert
worden ist, hat.
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Wenn
sich ein Objekt 122 innerhalb der Strahlbreite der Antenne 112 befindet,
wird ein Teil des Sensorsignals 121 von ihm reflektiert,
und dieses reflektierte Signal 123 wird durch die Antenne 112 aufgefangen. Bei
Verwendung ist der Phasenschieber 110 dafür konfiguriert
und angeordnet, den Phasensteuerungsimpuls 107 vom Controller 102 zu
empfangen, und antwortet auf den Phasensteuerungsimpuls 107 durch
selektives Verschieben der Phase des von der Antenne 112 empfangenen
reflektierten Signals 123. Der Dualmode-Mischer 108 empfängt das
phasenverschobene reflektierte Signal 123 vom Phasenschieber 110 und mischt
das phasenverschobene reflektierte Signal 123 mit dem durch
den Impulsoszillator bereitgestellten ersten Signal. Dementsprechend
findet eine Vermischung des reflektierten Signals 123 und
des ersten Signals nur während
der Zeit statt, in der der Impulsmodulator 104 den Auftastfunktions-Einschaltimpuls
an den Impulsoszillator 106 übergibt. Daher kann das Objekt 122 nur
erkannt werden, wenn in der Zeit, in der der Impulsmodulator 104 den
Auftastfunktions-Einschaltimpuls an den Impulsoszillator übergibt,
das reflektierte Signal 123 empfangen und abwärtskonvertiert
wird. Das ermöglicht
von sich aus, Objekte auf der Grundlage ihrer Entfernung von der
Antenne 112 zu unterscheiden. Es werden nur Objekte erkannt,
die eine Entfernung haben, in der die Laufzeit des Sensorsignals
und des reflektierten Signals kleiner als die vorbestimmte Impulsbreite des
Auftastfunktions-Einschaltimpulses ist. Somit kann die Erkennungsreichweite
folgendermaßen
eingestellt werden: Rd ≤ (c/2)·τw Gleichung (1) wobei
c die Lichtgeschwindigkeit ist und τw die
vorbestimmte Impulsbreite des Auftastfunktions-Einschaltimpulses ist. Objekte, die
sich außerhalb
dieser Entfernung befinden, werden nicht erkannt.
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Der
Dualmode-Mischer 108 stellt das aus der Mischungsoperation
des ersten Signals und des reflektierten Signals 123 gewonnene
Signal ("das gemischte
Signal") als ein
Ausgangssignal von einem ersten Ausgangsanschluß 117 bereit. Der
Haltekondensator 114 empfängt und speichert das gemischte
Signal, das während
der Dauer des Auftastfunktions-Einschaltimpulses bereitgestellt
wird. Ein Vorverstärker 116 ist über den Haltekondensator
geschaltet, so daß das
Signal am Haltekondensator durch den Vorverstärker 116 verstärkt und
dann an ein Abtastmodul 118 übergeben wird. Das Abtastmodul 118 ist
dafür konfiguriert
und angeordnet, einen Abtastimpuls 105 zu empfangen, und
antwortet auf den Abtastimpuls 105, indem es ein abgetastetes Ausgangssignal
liefert, das das Ausgangssignal des Vorverstärkers 116 im Moment
des Abtastimpulses 105 darstellt. Dieses abgetastete Ausgangssignal
kann an einen Analog/Digital-Wandler übergeben werden.
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Wie
oben beschrieben, wird in einer bevorzugten Ausführungsform ein Phasenschieber 110 verwendet,
um die Phase des vom Dualmode-Mischer 108 empfangenen ersten
Signals und/oder des von der Antenne 112 empfangenen reflektierten
Signals 123 selektiv zu verschieben. Der Phasenschieber
sorgt vorzugsweise für
eine Phasenverschiebung von insgesamt neunzig (90) Grad zwischen
dem ersten Signal und dem reflektierten Signal, die an den Dualmode-Mischer 108 übergeben
werden. Das kann erreicht werden, indem sowohl das gesendete als
auch das empfangene Signal um fünfundvierzig
(45) Grad verschoben werden oder indem eines der beiden Signale
um neunzig (90) Grad verschoben wird.
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Die
Erzeugung von insgesamt neunzig (90) Grad Phasendifferenz zwischen
dem ersten Signal und dem reflektierten Signal, die an den Dualmode-Mischer
108 übergeben
werden, wird als In-Phase- und Quadraturphasen-Signalisierung ("I/Q-Signalisierung") bezeichnet. Die
I/Q-Signalisierung wird verwendet, um für eine erhöhte Wahrscheinlichkeit bei
der Erkennung von Objekten innerhalb der festgelegten Entfernung
zu sorgen. Die Aussendung des reflektierten Signals
123 von
einem Objekt
122, das stationär ist oder eine konstante Entfernung
beibehält,
wenn sich die Antenne bewegt, kann dargestellt werden als:
wobei A eine Konstante ist,
f
0 die Frequenz ist, t die Zeit ist, R
0 die Entfernung zu dem Objekt ist, und der
Ausdruck
eine Phasenverschiebung ist,
die sich aus dem zweifachen Weg des Sensorsignals
121 von
der Antenne
112 zum Objekt
122 und des reflektierten
Signals
123 vom Objekt
122 zur Antenne
112 ergibt.
Die Funktion des Dualmode-Mischers liefert ein Ergebnis, das eine
nichtlineare Multiplikation des sinusförmigen ersten Signals und des
reflektierten Signals
123 ist, und das Ausgangssignal des
Mischers ist:
Emixer = Bcos (4πR0/λ) Gleichung (4)wobei
B eine mit der Stärke
des empfangenen Signals
123 verknüpfte Konstante ist, R
0 die Entfernung zum Objekt ist und λ die Wellenlänge des
Signals ist. Wenn die Entfernung R
0 ein
ganzzahliges Vielfaches von λ/8 ist,
ist das Ausgangssignal vom Dualmode-Mischer
108 offensichtlich
null, und ein Objekt, das stationär ist oder eine konstante Position
zu der sich bewegenden Antenne beibehält, wird nicht bemerkt. I/Q-Signalisierung
umgeht dieses Problem durch die Verwendung eines zweiten Signals,
des Q-Signals, das zum ersten Signal, das heißt dem I-Signal, orthogonal
ist, das heißt
um neunzig (90) Grad phasenverschoben. Dementsprechend wird ein
Objekt, das eine Entfernung hat, die Gleichung 4 erfüllt, durch
das orthogonale Q-Signal erkannt. Somit kann die Position eines
Objekts im I/Q-Raum bestimmt werden, wobei die beiden orthogonalen I-
und Q-Signale Ortsvektoren in einem orthogonalen I/Q-Vektorraum darstellen.
Der Vektor, der aus der Addition dieser beiden Signalvektoren resultiert,
stellt einen Ortsvektor zu dem Objekt für den Zeitraum der beiden Messungen
dar.
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2 beschreibt
eine Vielfalt von Wellenformen, die die Arbeitsweise des in 1 beschriebenen Sensor-Frontends 100 veranschaulichen.
Insbesondere stellt die Wellenform 202 den durch den Controller 102 bereitgestellten
Sendetrigger 103 dar. Bei der in 2 dargestellten
Wellenform wird die steigende Flanke des Sendeimpulses 103 bei
t1 an den Sendemodulator 104 übergeben. Die Wellenform 204 stellt
den Impulsmodulationsauftastfunktions-Einschaltimpuls mit einer
vorbestimmten Impulsbreite "T" dar. Der Impulsoszillator 106 empfängt den
Impulsmodulatorimpuls und stellt für die Dauer der vorbestimmten
Impulsbreite das erste Signal bereit, das mit der ersten Frequenz
schwingt, die erste Phase hat und die erste Amplitude hat. Wenn innerhalb
der Strahlbreite der Antenne 112 ein Objekt ist, wird von
dort Energie reflektiert und als ein reflektiertes Signal 123 empfangen,
das gegenüber
dem Sensorsignal gedämpft
und zeitlich verzögert
ist, wie in Wellenform 208 dargestellt. Dieses empfangene
reflektierte Signal wird durch den Dualmode-Mischer 108 zu
einem Basisband-Videopegel abwärtskonvertiert,
wie in Wellenform 210 dargestellt. Der Controller 102 stellt
einen Abtast-Triggerimpuls bereit, wie in Wellenform 210 dargestellt,
um den Basisband-Videopegel abzutasten, bevor der nächste Impuls
erzeugt wird. Wenn ein einzelner Impuls nicht hinreichend Energie
enthält,
um den Haltekondensator zu laden, können alternativ einzelne Impulse
empfangen werden, bevor der Abtast-Triggerimpuls bereitgestellt
wird, um sicherzustellen, daß der
Haltekondensator eine hinreichend große Ladung hat, die einen einwandfreien
Betrieb ermöglicht.
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Wie
oben beschrieben, wird im Sensor-Frontend vorzugsweise die I/Q-Signalisierung
verwendet. Wie in 2 dargestellt, wird die erste
Gruppe von Wellenformen 201 als In-Phase-(I-)Signale bezeichnet,
und die in 203 dargestellten Wellenformen stellen die Quadratur-(Q-)Signale
dar. Wie oben beschrieben, stellt die Wellenform 202 einen
Sendetriggerimpuls dar. Ein in Wellenform 204 dargestellter
Sendeimpulsmodulator-Impuls ist die vorgegebene Impulsbreite und
wird durch den Impulsoszillator empfangen. In diesem Fall verschiebt
der Phasenschieber das Signal jedoch um neunzig (90) Grad und stellt
so ein Signal bereit, das gegenüber
dem früher
bereitgestellten "In-Phase"-Signal um neunzig
(90) Grad phasenverschoben. Das Quadratursignal wird für die Dauer
des Sendeimpulses gesendet, wie in Wellenform 206 dargestellt.
Eine empfangene Energie liefert die Wellenform 208, die
dann zu einem Basisband-Videopegel abwärtskonvertiert wird, wie in
Wellenform 210 dargestellt, um zu einem Abtasttrigger-Zeitpunkt
abgetastet zu werden, wie in Wellenform 212 dargestellt.
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Wie
oben beschrieben, bilden die Signalamplituden der beiden In-Phase-
und Quadratur-Phasenkanäle die Meßergebnisse
einer einzigen Position des Objekts und können durch einen Vektor im
IQ-Signalraum dargestellt werden, wie in
3 dargestellt.
In der in
3 gezeigten Darstellung ist
ein erster Ortsvektor
302 dargestellt, in dem der I-Ortsvektor
wesentlich größer als
der Q-Ortsvektor ist, um eine erste Position entsprechend dem resultierenden
Vektor
303 zu bestimmen. Ein zweiter Ortsvektor
304 weist
In-Phase- und Quadratur-Ortsvektoren von ungefähr gleichem Betrag und unterschiedlicher
Lage auf, wie durch den resultierenden Vektor
305 dargestellt.
Im Idealfall können
somit Ortsvektordaten in vier Zyklen der Impulswiederholungsfrequenz
empfangen werden, wie in
2 dargestellt, in der eine erste
Messung für
eine erste In-Phase-Messung durchgeführt wird, gefolgt von einer
ersten Quadraturmessung, gefolgt von einer zweiten In-Phase-Messung,
gefolgt von einer zweiten Quadraturmessung. Weil die Ortsvektoren
die Änderung
der Phase des Objekts in zwei eigenständigen Zeitintervallen wiedergeben,
kann die Doppler-Frequenz, die proportional zur Annäherungsgeschwindigkeit
zwischen dem Sensor und dem Objekt ist, unter Verwendung der folgenden
Gleichung berechnet werden:
wobei
A
i und A
q die Amplituden
der einzelnen Komponenten der Ortsvektoren sind.
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Die
Genauigkeit der gemäß der obigen
Gleichung ermittelten Annäherungsgeschwindigkeit
verschlechtert sich proportional zur Meßgenauigkeits-Unsicherheit
der Amplitude der einzelnen Komponenten des Ortsvektors und auch
aufgrund von niedrigen Werten des Signal-Rausch-Verhältnisses.
Eine Unsicherheit in der Annäherungsgeschwindigkeit
kann daher rühren,
daß die
Ortsvektor-Phasenverschiebung,
aus der die Annäherungsgeschwindigkeit
berechnet wird, wie in der obigen Gleichung 5 beschrieben, unter
Verwendung von Daten gewonnen wird, die einen Modul "2π" enthalten. Dieser Zustand kann unter
Bedingungen auftreten, wie etwa wenn eine extrem hohe Annäherungsgeschwindigkeit
vorhanden ist oder wenn zwischen den Meßwerten eine erhebliche Zeit
verging. Somit kann die Unsicherheit vermieden werden, indem die
Datenerfassungszeit, das heißt
die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Ortsvektormessungen, innerhalb
einer Periode des Doppler-Zyklus abgeschlossen wird. Amplituden-
oder Entfernungsunsicherheiten oder beides zusammen können vermieden
werden, indem Objektwiedergaben von Objekten außerhalb bestimmter Entfernungsgrenzen
eliminiert werden. Wie oben beschrieben, wird die Aussonderung von
Objekten, die sich außerhalb
der erwünschten
Entfernung befinden, durch Begrenzung der Gesamt-Laufzeit erreicht,
das heißt,
die Zwei-Wege-Entfernung vom Sensor zum Objekt muß kleiner
sein als die Impulsbreite des Impulsmodulationsauftastfunktions-Einschaltimpulses.
Auf diese Weise konvertiert der Dualmode-Mischer 108 das
reflektierte Signal in ein Basisband-Videosignal, wobei das Basisband-Videosignal
eine Amplitude hat, die proportional zur Signalstärke und
zur Phase des empfangenen Signals ist, wobei sich die Phase auf
die Phase des Impulsoszillator-Signals bezieht. Damit werden von
vornherein nur Objekte innerhalb der festgelegten Entfernung erkannt.
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In
einer Ausführungsform,
die mit einem Fahrzeug-Erfassungssystem genutzt werden kann, werden verschiedene
Systemparameter wie etwa die Sender-Impulsbreite, die Impulswiederholungsfrequenz,
der Haltekondensator, die Videobandbreite und die I- und Q-Abtastzeit
beschrieben. Für
die Ausführungsform
eines Fahrzeugsystems enthält
Tabelle 1 mögliche
Messungsanforderungen für
ein Sicherheitsgurt-Vorspannungssystem.
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Bei
einer Annäherungsgeschwindigkeit
von 200 km/h beträgt
die Entfernungsänderung
in 1,0 Millisekunden 0,055 Meter, und die Zeit bis zum Aufprall
beträgt
0,09 s. Die Impulsbreite des Impulsmodulatorauftastfunktions-Einschaltimpulses
für eine
maximale Erkennungsreichweite von 5 Metern beträgt 33,33 Nanosekunden.
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Die
Grenzen der Geschwindigkeitsmessung werden durch die Fähigkeit
bestimmt, die Ortsvektordaten innerhalb der Datenerfassungszeit
von 1 Millisekunde zu erfassen und verarbeiten. Um die Erkennung
von Objekten innerhalb der maximalen Erkennungsreichweite von 5
Metern sicherzustellen, muß die
Impulsbreite vergrößert werden,
so daß eine
hinreichende Überschneidungszeit
zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal entsteht. Für eine Videobandbreite,
die hinreichend groß ist,
das heißt
imstande ist, den Haltekondensator während eines einzigen Zyklus
der Impulswiederholungsfrequenz zu laden, können die Ortsvektordaten in
vier Zyklen der Impulswiederholungsfrequenz gewonnen werden.
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Ein
Objekt in einer Entfernung von 5 Metern erzeugt eine Überschneidung
von 17 Nanosekunden, und somit beträgt die erforderliche Videobandbreite
unter Vernachlässigung
der Verzögerung
23 Megahertz.
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Wenn
die Impulswiederholungsfrequenz 1 Megahertz beträgt, beträgt die erforderliche Zeit für die Erfassung
der Ortsvektordaten 4 Mikrosekunden.
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Um
die Dopplerfrequenz eindeutig zu bestimmen, beträgt die maximale Änderung
der Zweiweg-Phase 2π rad, und
für einen
Datenerfassungs-Zeitabschnitt von 4 Mikrosekunden beträgt die maximale
Geschwindigkeit 1554 m/s. Es ist unwahrscheinlich, daß eine derart
hohe Geschwindigkeit in einem Fahrzeugsystem angetroffen wird. Es
kann ein Kompromiß zwischen
der Verringerung der Bandbreite, um eine höhere Nachweiswahrscheinlichkeit
zu ermöglichen,
und der Meßgenauigkeit
hergestellt werden.
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Somit
beträgt
die minimale Erfassungszeit für
eine maximale Geschwindigkeit von 250 km/h ungefähr 90 Mikrosekunden. Deshalb
könnten
bei einer Impulswiederholungsfrequenz von 1 Megahertz ungefähr 20 Abtastwerte
für jede
der vier Komponenten der beiden Ortsvektoren verwendet werden, oder
das Videoband kann in bezug auf die Einzelimpulserfassung um einen
Faktor
20 verringert werden. Ferner kann die Radarentfernungsgleichung
verwendet werden, um die Betriebserkennungsreichweite unter den
folgenden parametrischen Bedingungen anzunähern:
wobei
P
t die Sendeleistung ist (0,001 Watt), G
t der Sendeantennengewinn ist (10), G
r der Empfangsantennengewinn ist (10), λ die Betriebswellenlänge ist
(0,0124 Meter), F
s die Rauschzahl des Frontends
ist (10), σ der Radarquerschnitt
des Objekts ist (5 Quadratmeter), T die absolute Temperatur in Kelvin
ist (300°K),
k die Stefan-Boltzmann-Konstante ist (1,38 × 10
23 J/K), α das erforderliche
Erkennungssignal-Rausch-Verhältnis
ist (30) und B
n die System-Rauschbandbreite
ist (5,0 MHz). Für
diese Systemparameter zeigt Gleichung 6 eine Betriebserkennungsreichweite
von ungefähr
8,8 Metern und ein Signal-Rausch-Verhältnis von ungefähr 24,7
dB bei 5,0 Metern. Andere Anwendungen, die mit diesem System verwendet
werden können,
weisen ein Rundumsicht-Sicherheitssystem und einen elektronischen
Zaun auf.
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4A, 4B und 4C stellen
drei Ausführungsformen
von Dualmode-Mischern dar, die zur Verwendung im in 1 dargestellten
Sensor-Frontend 100 geeignet sind. 4A ist
ein doppelter Gegentakt-Mischer ("DBM") 400,
der eine erste bzw. zweite Symmetrieschaltung 404 bzw. 408 und
einen Vierdiodenkreis 406 aufweist.
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4B beschreibt
eine andere Ausführungsform
eines Dualmode-Mischers, der zur Verwendung im in 1 dargestellten
Sensor-Frontend geeignet ist. Der Mischer 420 ist ein einfacher
Gegentakt-Mischer.
Der einfache Gegentakt-Mischer 420 hat eine innere Isolation
zwischen dem ersten Eingangsanschluß 109 und dem ersten
Eingangs/Ausgangsanschluß 111 durch
die Nullstelle, die dem bipolaren Ansteuerungssignal von der Symmetrieschaltung 424 zugeordnet
ist, über
die Dioden 421 und 423. Die Induktivität 430 wird
bereitgestellt, um zu verhindern, daß Hochfrequenz-Energie vom
ersten Eingangs/Ausgangsanschluß 111 in
den ersten Ausgangsanschluß 117 eindringt.
Der Kondensator 428 wird hinzugefügt, um zu verhindern, daß das abwärtskonvertierte
Basisband-Videosignal über
den ersten Eingangs-/Ausgangsanschluß übertragen wird.
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4C beschreibt
einen Quadratur-Hybridmischer 440, der als ein Dualmode-Mischer
fungieren kann, der zur Verwendung im in 1 dargestellten
Sensor-Frontend geeignet ist. Quadratur-Hybride sind Bauelemente,
die ein Eingangssignal an einem Anschluß in zwei Signale teilen, die
an den Anschlüssen
auf der gegenüberliegenden
Seite des Hybrids ausgegeben werden. Die beiden ausgegebenen Signale
haben normalerweise die Hälfte
der Stärke
des Eingangssignals und sind gegeneinander um neunzig (90) Grad
phasenverschoben. Jeder Anschluß kann
als Eingangsanschluß verwendet
werden, wobei die anderen Anschlüsse
entsprechend den bekannten Eigenschaften von Quadratur-Hybriden
antworten. Auf diese Weise kann ein Quadratur-Hybrid während des
Sendens je nach dem Signal, das zwischen den Anschlüssen weitergegeben wird,
und während
des Empfangs als Mischer verwendet werden, da der Empfangsoszillator
und das ankommende Signal jeweils an die Ausganganschlüsse übergeben
werden, um unter Verwendung einer geeigneten Mischerdiode gemischt
zu werden.
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Wie
in 4C dargestellt, weist der Quadratur-Hybrid 440 einen
ersten Anschluß 442 auf,
normalerweise als Empfangsoszillatoreingang bezeichnet, der das
erste Signal 109 empfängt.
Der Quadratur-Hybrid 440 weist ferner einen zweiten Anschluß 444 auf,
der mit dem Phasenschieber 110 verbunden ist und das Signal 111 an
den Phasenschieber 110 übergibt
bzw. von dort empfängt.
Die Anschlüsse 446 und 448 sind
jeweils mit den Mischer-Dioden 450 und 452 verbunden,
die mit der Masse 451 verbunden sind. Die Anschlüsse 446 und 448 sind
außerdem über die
Induktivitäten 454 bzw. 456 verbunden,
um den Haltekondensator 114 anzusteuern und das Signal 117 an
ihn zu übergeben.
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5 beschreibt
eine Ausführungsform
eines Phasenschiebers 110, die zur Verwendung mit dem hierin
beschriebenen Sensor-Frontend geeignet ist. Der Phasenschieber 110 umfaßt einen
Quadratur-Hybrid 506, der vier Anschlüsse hat: 502, 504, 505 und 507,
wobei Anschluß 502 willkürlich als
der Eingangsanschluß festgelegt
ist. Wie oben beschrieben, sind Quadratur-Hybride Bauelemente, die
ein Eingangssignal an einem Anschluß in zwei Signale teilen, die
an den Anschlüssen
auf der gegenüberliegenden
Seite des Hybrids ausgegeben werden. Die beiden Ausgangssignale
haben normalerweise die Hälfte
der Leistung des Eingangssignals und sind gegeneinander um neunzig
(90) Grad phasenverschoben. In der beschriebenen Ausführungsform
wird ein am Anschluß 502 eingegebenes
Signal geteilt und zwischen den Anschlüssen 505 und 507 phasenverschoben.
Wenn ein Signal am Anschluß 502 eingegeben
wird, werden jegliche Reflexionen, die an den Anschlüssen 505 und 507 vorliegen,
durch den Hybrid durchgelassen und an den Anschlüssen 502 und 504 ausgegeben.
Dadurch können
die Impedanz und die Reflektivität
jeder Übertragungsleitung
oder jedes Schaltungselements, die mit den Anschlüssen 505 und 507 verbunden
sind, Reflexionen zurück
in den Quadratur-Hybrid 506 verursachen und eine phasenverschobene
Version des am Anschluß 502 eingegebenen
Signals als Ausgangssignal am Anschluß 504 bereitstellen.
Die Übertragungsleitungen 508 und 510 betragen eine
Viertel-Wellenlänge
bei der betreffenden Frequenz und fungieren als Impedanzwandler
für die
Abschlußimpedanzen.
Das Phasenverschiebungs-Steuerungssignal wird in den Anschluß 522 eingegeben
und bewirkt, daß die
PIN-Dioden 512 und 514 ein-
oder ausgeschaltet werden. Wenn sie eingeschaltet sind, schließen die
PIN-Dioden das Anschlußende
der Viertelwellen-Übertragungsleitungen 508 und 510 gegen
Masse kurz, was zu einer Reflektivität von 1 und einer nahezu unendlich
hohen Impedanz am Eingang zu den beiden Übertragungsleitungen führt. Falls
die PIN-Dioden 512 und 514 ausgeschaltet sind,
wird der parasitäre
Blindwiderstand der PIN-Dioden in einem Ausschaltzustand durch die
Viertelwellen-Übertragungsleitungen 508 bzw. 510 umgewandelt.
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6 stellt
eine Breitband-Abtastschaltung dar, die zur Verwendung mit dem in 1 dargestellten Sensor-Frontend
geeignet ist. Die in 6 dargestellte Schaltung nutzt
die bipolaren Hochgeschwindigkeits-Abtastimpulse 611 und 613,
um die Dioden 620 und 630 schnell ein- und auszuschalten,
um das am Eingang 636 vorliegende Signal abzutasten und
ein abgetastetes Ausgangssignal am Knoten 626 bereitzustellen. Ein
Impulsgenerator, der geeignet ist, die Hochgeschwindigkeits-Abtastimpulse 611 und 613 zu
erzeugen, weist eine Rückschnappdiode
(SRD) 614 auf, die eine sehr kurze Übergangszeit hat, das heißt, eine
SRD schaltet sehr schnell von einem leitenden zu einem nichtleitenden
Zustand um, wenn eine Sperrvorspannung angelegt wird. Wenn das Ansteuerungssignal
vom Treiber 604 fällt,
schaltet die SRD aus, und der schnell abfallende Impuls wird an
die Kondensatoren 618 und 632 übergeben, die den abfallenden
Impuls differenzieren und die Impulse 611 und 613 liefern.
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7 beschreibt
einen weiteren Aufbau für
das Sensor-Frontend. Insbesondere weist das Sensor-Frontend 700 getrennte
In-Phase- und Quadraturkanäle
auf, um die gleichzeitige Erfassung der I- und Q-Signalkomponenten zu ermöglichen.
Diese Ausführungsform
verwendet gepaarte Amplituden- und Quadraturphasenkanäle mit getrennter
Sendeantenne 710 und Empfangsantenne 726. In dieser
Anordnung ist kein Phasenschieber erforderlich. Außerdem wird
durch die gleichzeitige Erfassung der I- und Q-Kanaldaten eine schnellere Erfassung
der Ortsvektoren mit weniger Eigenfehler wegen der Objektbewegung
während
der Zeit zwischen der I- und der Q-Messung eliminiert. Außerdem kann
eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit
verwendet werden, weil kein Übertragungssignal
wie bei der in 1 dargestellten Ausführungsform
erforderlich ist, um den Sendeleistungspegel zu bilden. Die Methodik
zur Erfassung der Abtastwerte ist die gleiche, wie in 2 und 3 beschrieben
wurde, und die in 4A–6 dargestellten
Schaltungen können
als Teilschaltungen in der in 7 beschriebenen
Ausführungsform
verwendet werden. Weil eine höhere
Sendeleistung verwendet werden kann, kann eine Erkennung in größerer Entfernung
ermöglicht
werden, und eine Steigerung des Signal-Rausch-Verhältnisses
in der bestimmten Entfernung von 5 Metern kann ebenfalls ermöglicht werden.
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Wie
oben beschrieben, ist die Entfernungsunterscheidung eine Funktion
der Sende-Impulsbreite. Für die
in 1 bis 7 beschriebenen Ausführungsformen
kann die Sende-Impulsbreite geändert
werden, um spezifische Entfernungszonen zu erkunden. Zum Beispiel
kann ein kurzer Impuls entsprechend einer kurzen Reichweite zu Beginn
für nahe
Entfernungen eingesetzt werden, so daß Objekte, die dem Sensor näher sind, zuerst
erfaßt
werden können.
In dem Maße,
wie die Impulsbreite erhöht
wird, fallen zunehmend größere Entfernungszonen
in die Objekterkennungsreichweite, so daß Objekte in spezifischen Entfernungen
unterschieden werden können
und eine noch präzisere
Bestimmung der Objektentfernung durchgeführt werden kann.
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Der
Fachmann sollte außerdem
anerkennen, daß Variationen
und Modifikationen der oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen
für ein
Sensor-Frontend möglich
sind. Dementsprechend soll die Erfindung als nur durch den Schutzbereich
der beigefügten
Ansprüche
begrenzt angesehen werden.
eine Phasenverschiebung ist, die sich aus dem zweifachen Weg des Sensorsignals
