WO2006069924A1 - Radarsystem zur überwachung von zielen in verschiedenen entfernungsbereichen - Google Patents

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Definitions

  • Radar system for monitoring targets in different distance ranges
  • the invention relates to a radar system for monitoring targets in different distance ranges.
  • CW radar-based burglar alarm systems consist essentially of a simple continuous wave (CW) radar.
  • the Doppler signal produced by moving objects is evaluated and used as a criterion for an alarm.
  • the distance range to be monitored is determined by the range of the CW radar and can not be precisely adjusted or not adjusted, since the range of the system is essentially limited by the transmission power and thus can not be determined with sufficient accuracy.
  • targets with different radar backscatter cross sections also have different ranges.
  • other radar modulation techniques must be used. It is well known that a distance measurement can be made with a pulse radar.
  • a CW carrier signal is amplitude modulated in a pulse shape and transmitted via an antenna. The carrier pulse is reflected at the target object and from the time between emission of the pulse and the arrival of the reflected radiation, the target distance and - using the Doppler effect - the relative speed of the target object can be determined.
  • the receiving side, the Radarsendepulsformer supplied high-frequency signal and the Radarempfangssignal is fed to a mixer, the output of the mixer is a signal evaluation on at least one
  • the sidelobes / sidebands in the frequency spectrum fall off faster or faster at a considered bandwidth. This is due to the relatively long compared to the prior art radar pulses.
  • the hardware cost is low, since only a slight modification of a simple CW radar is necessary. Due to the favorable spectral signal distribution (side lobe limitation), the approval requirements for the released frequency ranges can be adhered to without much effort.
  • a simple and low-effort range limitation for a hybrid form of CW and pulse radar can be realized. There is the possibility of a subdivision into different range limits for target object classification / separation. The current measuring range is not recognizable from the outside, which is particularly advantageous for burglar alarm systems. If a target object moves into the monitoring range of the set range limit, then a Doppler signal can be measured on the basis of the radial direction of movement of the target object relative to the radar sensor.
  • FIG. 1 is a block diagram of the radar system according to the invention.
  • FIG. 2 shows a time diagram of the radar transmission pulses and the reception-side sampling.
  • the structure of the radar system according to the invention is shown in FIG.
  • the oscillator 1 generates a high-frequency signal, e.g. in the GHz range, which passes through the directional coupler 2 and the RF switch 3 (Radarsendepulsformer) to the transmitting antenna 4 and is emitted from this.
  • a portion of the transmission power of the oscillator 1 is coupled to the directional coupler 2 and fed to the receiving mixer 6.
  • Target object 10 reflected electromagnetic wave is passed via the receiving antenna 5 to the receiving mixer 6.
  • a low-frequency Doppler signal whose frequency is proportional to the relative speed between the radar sensor and the target object, is produced at the output of the receiving mixer 6.
  • the mixer output signal is passed through the low frequency switch 7, which acts as a sampler and which is part of the sample and hold stage 8.
  • the output signal of the mixer 6 can also be fed directly to the signal evaluation 9 (without switch 7 and sample and hold stage).
  • Figure 2 For a radar system with range limitation can be realized in which the sidelobes / sidebands drop rapidly in the frequency spectrum, as shown in Figure 2 switch control is applied.
  • the upper and middle parts (zoomed) of Figure 2 show the modulation of the transmission signal.
  • the lower part of Figure 2 shows the switch control in the receiving branch, also in zoomed representation.
  • Radar pulses are, for example, 10 ⁇ s long with a period of 25 ⁇ s.
  • the RF switch 3 is controlled with the control signal TX so that a transmission pulse with a relatively long pulse duration ⁇ j , for example in the ⁇ s range, is emitted with steep edges.
  • the range limit R of the system is set (set delay time).
  • the set range R of the surveillance area can be determined using the familiar formula from radar technology
  • the pulse / sampling duration TR of the low-frequency switch 7 can also correspond to the time ⁇ t.
  • the mixer output signal directly (11) can be used for the signal evaluation 9, the range is not additionally limited and thus represents the maximum range according to the aforementioned radar equation.
  • the sample plus RX (TR) delayed with respect to the transmit pulse TX monitors the entire measuring range at intervals of each delay setting ( ⁇ t-TR)
  • a plurality of samplers connected in parallel may be provided, the delay setting and the sampling times of which are selected so that they can not be operated overlapping in time staggered during the transmission of a radar pulse. This allows you to monitor targets in multiple ranges (zones).
  • the system behaves essentially like a CW radar in the set monitoring area and provides the Doppler signal of a moving target.
  • a better distinction can be made for multi-objective scenarios and, if appropriate, a target object classification.
  • sabotage protection can be implemented for impermissible masking and masking attempts of the system.

Abstract

Bei einem Radarsystem zur Überwachung von Zielen in verschiedenen Entfernungszonen wer den Radarpulse ausgesendet, deren Länge größer ist als es der Laufzeit zwischen zwei voneinander zu trennenden Objekten in verschiedenen Entfernungen entspricht. Empfangsseitig wird das dem Radarsendepulsformer (3) zugeleitete Hochfrequenzsignal und das Radarempfangssignal einem Mischer (6) zugeführt. Das Ausgangssignal des Mischers (6) wird einer Signalauswertung (9) über mindestens einen Abtaster (7, 8) zugeführt, dessen Verzögerungseinstellung gegenüber der Anstiegsflanke des Radarsendepulses die Reichweitengrenze des zu überwachenden Entfernungsbereiches vorgibt.

Description

Radarsystem zur Überwachung von Zielen in verschiedenen Entfernungsbereichen
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Radarsystem zur Überwachung von Zielen in verschiedenen Entfernungsbereichen.
Die meisten heutigen auf Radar basierenden Einbrecheralarmanlagen bestehen im wesentlichen aus einem einfachen CW (continous wave) Radar. Bei diesem Radarprinzip wird das durch bewegte Objekte entstehenden Dopplersignal ausgewertet und als Kriterium für eine Alarm herangezogen. Der zu überwachende Entfernungsbereich wird durch die Reichweite des CW-Radars bestimmt und kann nicht exakt eingestellt bzw. nicht verstellt werden, da die Reichweite des Systems im wesentlichen durch die Sendeleistung beschränkt wird und diese somit nicht hinreichend genau bestimmt werden kann. Insbesondere besitzen Ziele mit unterschiedlichen Radar-Rückstreuquerschnitten auch unterschiedliche Reichweiten. Um Abstände einzustellen und/oder messen zu können, müssen andere Radar-Modulationsverfahren verwendet werden. Es ist allgemein bekannt, dass eine Abstandsmessung mit einem Pulsradar vorgenommen werden kann. Hierbei wird ein CW-Trägersignal pulsförmig amplitudenmoduliert und über eine Antenne ausgesendet. Der Trägerpuls wird am Zielobjekt reflektiert und aus der Zeit zwischen Aussenden des Pulses und dem Eintreffen der reflektierten Strahlung können die Zielentfernung und - unter Ausnutzung des Dopplereffekts - die Relativgeschwindigkeit des Zielobjektes bestimmt werden.
Ein auf diesem Prinzip basierendes System ist in abgewandelter Form in der US 6 239 736 Bl beschrieben. Hierbei wird ein Burst-Oszillator verwendet, der in kurzer Folge Pulse aussendet, die mit sich selbst oder den folgend erzeugten Pulsen gemischt werden, um eine Zielinformation über einen Entfernungsbereich zu erhalten. Ein weiteres auf diesem Prinzip basierendes Verfahren gemäß der DE 199 63 006 Al beschreibt das Erzeugen einer veränderlichen virtuellen Barriere in einem bestimmten Abstand zum Sensor bzw. mit einer bestimmten Länge bei gleichzeitiger Entfernungs- und
Geschwindigkeitsmessung. In der DE 199 63 006 Al wird ebenfalls vorgeschlagen, die empfangene Pulse mit Referenzpulsen zu mischen, die eine zum Empfangspuls abweichende verstellbare Pulsdauer besitzen.
Vorteile der Erfindung
Mit den Maßnahmen des Anspruchs 1, d.h. es werden Radarpulse ausgesendet, deren Länge größer ist als es der Laufzeit zwischen zwei voneinander zu trennenden Objekten in verschiedenen Entfernungen bzw. Entfernungsbereichen entspricht, empfangsseitig wird das dem Radarsendepulsformer zugeleitete Hochfrequenzsignal und das Radarempfangssignal einem Mischer zugeführt, das Ausgangssignal des Mischers wird einer Signalauswertung über mindestens einen
Abtaster zugeführt, dessen Verzögerungseinstellung gegenüber der Anstiegsflanke des Radarsendepulses die Reichweitengrenze des zu überwachenden
Entfernungsbereiches vorgibt,
fallen die Nebenkeulen/Seitenbänder im Frequenzspektrum bei einer betrachteten Bandbreite stärker bzw. schneller ab. Dies liegt an den abweichend zum Stand der Technik relativ langen Radarpulsen. Der Hardwareaufwand ist gering, da nur eine geringe Modifikation eines einfachen CW-Radars notwendig ist. Durch die günstige spektrale Signalverteilung (Nebenkeulenbegrenzung) können die Zulassungsvorschriften für die freigegebenen Frequenzbereiche ohne großen Aufwand eingehalten werden. Es kann eine einfache und aufwandsarme Reichweitenbegrenzung für eine Mischform aus CW- und Puls-Radar realisiert werden. Es besteht die Möglichkeit einer Unterteilung in verschiedene Reichweitengrenzen zur Zielobjektklassifizierung/-trennung. Der aktuelle Messbereich ist von außen nicht erkennbar, was insbesondere für Einbruchsalarmanlagen vorteilhaft ist. Bewegt sich ein Zielobjekt in den Überwachungsbereich der eingestellten Reichweitengrenze, dann kann anhand der zum Radarsensor radialen Bewegungsrichtung des Zielobjekts ein Dopplersignal gemessen werden.
Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausfuhrungsbeispiele des erfindungsgemäßen Radarsystems erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild für das Radarsystem nach der Erfindung,
Figur 2 ein Zeitdiagramm der Radarsendepulse und der empfangsseitigen Abtastung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Der Aufbau des Radarsystems nach der Erfindung ist in Figur 1 dargestellt. Der Oszillator 1 erzeugt ein hochfrequentes Signal z.B. im GHz-Bereich, das über den Richtkoppler 2 und den HF-Schalter 3 (Radarsendepulsformer) zur Sendeantenne 4 gelangt und von dieser abgestrahlt wird. Ein Teil der Sendeleistung des Oszillators 1 wird am Richtkoppler 2 ausgekoppelt und dem Empfangsmischer 6 zugeführt. Die von
Zielobjekt 10 reflektierte elektromagnetische Welle wird über die Empfangsantenne 5 auf den Empfangsmischer 6 geleitet. Bei einem bewegten Zielobjekt 10 entsteht am Ausgang des Empfangsmischers 6 ein niederfrequentes Dopplersignal, dessen Frequenz proportional zur Relativgeschwindigkeit zwischen dem Radarsensor und dem Zielobjekt ist. Das Mischerausgangssignal wird über den NF-Schalter 7, der als Abtaster wirkt und der ein Teil der Sample and Hold-Stufe 8 ist, geführt. In der Signalauswertung 9 können mehrere Empfangskanäle für die Signalauswertung zusammengefasst werden. Zusätzlich kann das Ausgangssignal des Mischers 6 auch direkt (ohne Schalter 7 und Sample and Hold Stufe) der Signalauswertung 9 zugeführt werden.
Damit ein Radarsystem mit Reichweitenbegrenzung realisiert werden kann, bei dem die Nebenkeulen/Seitenbänder im Frequenzspektrum schnell abfallen, wird eine wie in Figur 2 dargestellte Schalteransteuerung angesetzt. Der obere und der mittlere Teil (gezoomt) der Figur 2 zeigen die Modulation des Sendesignals. Der untere Teil der Figur 2 zeigt die Schalteransteuerung im Empfangszweig, ebenfalls in gezoomter Darstellung. Die - A -
Radarpulse sind beispielsweise 10 μs lang bei einer Periodendauer von 25 μs. Der HF- Schalter 3 wird mit dem Steuersignal TX so angesteuert, dass ein Sendepuls mit einer relativ langen Pulsdauer τj, z.B. im μs Bereich, mit steilen Flanken ausgesendet wird. Durch die Realisierung einer langen Pulsdauer im Sendesignal erhält man das gewünschte Sendesignalspektrum mit schnell abfallenden Seitenbändern.
Mit dem NF-Schalter 7 wird über die Zeit Δt, von der steigenden Flanke des TX-Pulses bis zur fallenden Flanke des RX-Pulses, die Reichweitengrenze R des Systems eingestellt (eingestellte Verzögerungszeit). Die eingestellte Reichweite R des Überwachungsbereichs lässt sich mit der bekannten Formel aus der Radartechnik
2 berechnen, mit c Lichtgeschwindigkeit im entsprechenden Medium. Für die Puls/Sampledauer TR des NF-Schalters 7 gilt: τR <= τT. Diese wird in dem in Figur 2 dargestellten Beispiel auf einen Wert TR< τp beschränkt.
Dadurch erreicht man, dass die Empfangsleistung des am jeweiligen Ziel rückgestreuten Signals innerhalb des überwachten Entfernungsbereich näherungsweise konstant bleibt und bei der voreingestellten Reichweite R ein möglichst abrupter Übergang zum nicht sichtbaren Bereich entsteht. Hierdurch können mehrere Entfernungszonen gleichzeitig parallel überwacht werden. Die Puls/Sampledauer TR des NF-Schalters 7 kann aber auch der Zeit Δt entsprechen. Gleichzeitig kann das Mischer- Ausgangssignal direkt (11) für die Signalauswertung 9 verwendet werden, dessen Reichweite nicht zusätzlich beschränkt wird und somit die maximale Reichweite entsprechend der vorgenannten Radargleichung darstellt. Der gegenüber dem Sendepuls TX verzögerte Sampleplus RX (TR) überwacht bei jeder Verzögerungseinstellung (Δt- TR) den gesamten Messbereich im Abstand von
0m bis zur eingestellten Reichweitengrenze R. Für die Samplepulse RX werden Werte im Nanosekundenbereich gewählt.
Es können mehrere parallel geschaltete Abtaster vorgesehen sein, deren Verzögerungseinstellung und deren Abtastzeiten so gewählt sind, dass sie nicht überlappend zeitlich gestaffelt während der Aussendung eines Radarpulses betreibbar sind. Dadurch lassen sich Ziele in mehreren Entfernungsbereichen (-zonen) überwachen.
Das System verhält sich im eingestellten Überwachungsbereich im wesentlichen wie ein CW-Radar und liefert das Dopplersignal eines sich bewegenden Zielobjektes. Durch den Vergleich mehrerer Entfernungsbereiche kann eine bessere Unterscheidung bei Mehrzielszenarien und gegebenenfalls eine Zielobjektklassifϊzierung vorgenommen werden. Da mit diesem System auch kurze Reichweitengrenzen (R<lm) eingestellt werden können, kann hiermit ein Sabotageschutz (Antimask) für unzulässige Maskierungs- und Abdeckversuche des Systems realisiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Radarsystem zur Überwachung von Zielen in verschiedenen Entfernungsbereichen mit folgenden Maßnahmen: es werden Radarpulse ausgesendet, deren Länge größer ist als es der Laufzeit zwischen zwei voneinander zu trennenden Objekten in verschiedenen Entfernungen bzw. Entfernungsbereichen entspricht. empfangsseitig wird das dem Radarsendepulsformer (3) zugeleitete
Hochfrequenzsignal und das Radarempfangssignal einem Mischer (6) zugeführt, das Ausgangssignal des Mischers (6) wird einer Signalauswertung (9) über mindestens einen Abtaster (7, 8) zugeführt, dessen Verzögerungseinstellung gegenüber der Anstiegsflanke des Radarsendepulses die Reichweitengrenze des zu überwachenden Entfernungsbereiches vorgibt.
2. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Mischer (6) der Signalauswertung (9) über mehrere parallel geschaltete Abtaster (7,
8) zugeführt wird, wobei jeder Abtaster (7, 8) eine andere Verzögerungseinstellung für eine entsprechend andere Reichweitengrenze aufweist.
3. Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem mindestens einen Abtaster (7, 8) zwischen Mischer (6) und Signalauswertung (9) eine
Direktverbindung (11) vorgesehen ist.
4. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtaster (7, 8) aus einem Schalter (7) mit nachfolgendem Abtast-Halte-Glied (8) besteht).
5. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswertung (9) das Dopplersignal mindestens eines sich bewegenden Zielobjektes auswertet.
6. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungseinstellung des mindestens einen Abtasters (7, 8) sowie die Dauer der Abtastung so gewählt ist, dass die Abtastung noch während der Aussendung des Radarpulses erfolgt.
7. Radarsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren parallel geschalteten Abtastern (7, 8) deren Verzögerungseinstellung und deren Abtastzeiten so gewählt sind, dass sie nicht überlappend zeitlich gestaffelt während der Aussendung eines Radarpulses betreibbar sind.
8. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadruch gekennzeichnet, dass durch einen Vergleich innerhalb mehrerer Entfernungsbereiche eine Unterscheidung von Objekten bei Mehrzielszenarien vorgenommen wird und gegebenenfalls eine Zielobjektklassifizierung.
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