WO2011091965A1 - System und verfahren zur störunterdrückung bei frequenzmodulierten radarsystemen - Google Patents

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WO2011091965A1
WO2011091965A1 PCT/EP2011/000233 EP2011000233W WO2011091965A1 WO 2011091965 A1 WO2011091965 A1 WO 2011091965A1 EP 2011000233 W EP2011000233 W EP 2011000233W WO 2011091965 A1 WO2011091965 A1 WO 2011091965A1
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WO
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microwave radiation
frequency
random
time
sensor
Prior art date
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PCT/EP2011/000233
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Christian Helbig
Felix Aertz
Thomas Ostertag
Rüdiger HÜTTER
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Voith Patent Gmbh
Pro-Micron Gmbh & Co. Kg
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/34—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G01S13/346—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal using noise modulation
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
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    • G01S13/75—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors
    • G01S13/751—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors wherein the responder or reflector radiates a coded signal
    • G01S13/755—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors wherein the responder or reflector radiates a coded signal using delay lines, e.g. acoustic delay lines

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for interference suppression in frequency-modulated radar systems.
  • Low power radar systems commonly employ a sampling technique in which individual discrete frequencies are successively sampled in a fixed time and frequency grid. Subsequently, the pulse response can be calculated via an inverse Fourier transform of the detected signal obtained.
  • the field of application of such radar systems is, for example, the reading out of reflective surface wave delay lines,
  • Level radar systems and radar rangefinders In these systems, which usually use low sampling or transmission powers, the evaluation of the detected measurement signal is often problematic due to a high number of artifacts.
  • CONFIRMATION COPY Fed Fourier transform and thus give no discrete line in the imaging area.
  • the noise is thus transformed into a noise signal.
  • the system according to the invention thus comprises a transmitter for emitting a first microwave radiation, in particular for scanning, a receiver for detecting a second derived from the first microwave radiation
  • this second microwave radiation may be a direct or indirect reflex or a second generated after receiving the first microwave radiation
  • Transmitters and receivers are connected to a controller. This may, for example, be a common control or a respective control for transmitter and receiver.
  • Control is designed to control the emission of the first microwave radiation and, inter alia, in the detection of the second microwave radiation to correlate this with the first microwave radiation and evaluate.
  • the first microwave radiation is emitted at a plurality of times.
  • the individual times are each assigned different frequencies. These may be individual discrete frequencies, for example, intended to cover a particular frequency range. However, it is also possible to scan several separate frequency ranges separately or to transmit only individual discrete frequencies in each case. Alternatively, a continuous modulation of the frequency of the first
  • Microwave radiation over a certain time and frequency range are performed.
  • the length of the period of time required for transmission or reception is random or pseudo-random.
  • the variation of the length of the emission period results in a direct
  • the period for receiving the derived second microwave radiation can be varied randomly or pseudo-randomly, for example by averaging the detected second microwave radiation for different lengths.
  • the system can be a radar system.
  • radar is understood to mean the emission of an electromagnetic wave whose wavelength is between one meter and one millimeter, which corresponds to a frequency range from approximately 300 MHz to approximately 300 GHz, as first or primary microwave radiation and the reception of a derivative, for example reflected, second or secondary microwave radiation.
  • the field of application of such a radar system is not intended solely to locate an object but to cover all areas of use, such as the interrogation of information from remote sensors or the detection of fill levels, speed, etc. In this connection, to generate the second
  • Microwave radiation and used to evaluate the information carried in the radar with this standard radar principles such as pulse, chirp or FMCW.
  • a short electrical pulse or a short wave packet is transmitted as first microwave radiation.
  • This interrogation signal hits an object after a certain delay.
  • a corresponding response signal as a second microwave radiation
  • the first microwave radiation is transmitted continuously as a continuous wave and its frequency modulated, that is, the frequency increases linearly, for example, abruptly to the initial value at a certain frequency to be reset.
  • the frequency may also increase and decrease alternately continuously, or otherwise be modulated.
  • the frequency of the time-delayed received signal of the second microwave radiation is, since the frequency of the first microwave radiation changes during the signal propagation, by a certain difference to the frequency of the first
  • a distance can be determined.
  • frequency modulated pulses are the first
  • the transmitter emits the first microwave radiation with a variable frequency.
  • the transmitter has a frequency modulator for the first microwave radiation. This is particularly advantageous in connection with the aforementioned FMCW or chirp method.
  • the frequencies are arranged equidistantly. These can be arranged in particular in a list. Due to the random selection of the transmission frequencies from the list equidistant frequencies, ie by this random jumping (random hopping) of the transmission frequency of the first microwave radiation, a fixed phase relationship between a periodic power fluctuation of the second microwave radiation and the emission time of the first
  • the waiting time between the frequencies is random or pseudo-random. Due to the random distribution of waiting times is also an otherwise artifacts causing solid
  • the receiver has a
  • Averaging means for averaging measurements wherein the number of averagings is random or pseudo-random. This is advantageous in particular when the time between the emission of the first microwave radiation and the reception of the second microwave radiation is short and thus a multiplicity of measurements or queries are carried out within a period of time can be.
  • the use of an averaging device per se allows an improvement of the signal-to-noise ratio.
  • pseudorandom number of averagings in turn, achieves the already mentioned artifact avoiding effect.
  • the system comprises a sensor with an interdigital transducer, which is the first
  • Microwave radiation converts into a surface wave and the second
  • the senor comprises an antenna, a piezoelectric crystal and a reflector as well as a resonator or a delay line.
  • a sensor is also referred to as a surface acoustic wave radio sensor.
  • Interdigital converter can on a thin plate of a
  • piezoelectric crystal may be applied as a comb-like, microstructured metallization and connected to an antenna.
  • the reflector or reflectors can, for example, as microstructured metallizations on the
  • Substrate surface of the sensor be executed.
  • the first microwave radiation is received by the antenna of the sensor and converted by the interdigital transducer into a propagating mechanical surface wave by means of the inverse piezoelectric effect.
  • one or more reflectors are mounted in a characteristic order. These reflect the surface wave and send it back to the transducer. There, they are again converted into electromagnetic waves via the direct piezoelectric effect and radiated by the antenna as second microwave radiation.
  • structures may be provided on the sensor which permit a separation in the time domain and / or in the frequency domain.
  • the use of a delay line and / or a resonator makes it possible that the first microwave radiation is stored on the sensor until the ambient electromagnetic echoes have subsided. It benefits from the fact that the propagation velocity of a surface acoustic wave is typically only 3500 m / s.
  • interdigital transducers which excite surface waves by means of a so-called double shift keying at different frequencies. This additionally gives the sensor a frequency dependence of the acoustic
  • the second microwave radiation comprises information about the identity of the sensor and / or about a measured variable detected by the sensor.
  • a sensor identity for example, partially reflecting structures in a characteristic order in the
  • the first microwave radiation from a single interrogation pulse created by the structures mentioned a plurality of pulses, which are reflected back to the interdigital transducer and there again in
  • the sensor may alternatively or additionally, for example, be designed so that the propagation velocity of the surface wave in
  • the senor can detect one or more of the following measured variables: temperature, force, acceleration, mechanical stress, torque.
  • temperature for example lithium niobate can be provided as a suitable sensor material.
  • the system is designed to detect an operating state of a rotating, oscillating and / or vibrating device. Especially at periodic
  • the said decoupling by introducing a random or pseudo-random assignment of frequency and time or / and the length of the transmission or reception period random or pseudo-random design to advantage.
  • the device is a transmission and the sensor is disposed within the transmission.
  • the sensor may be mounted, for example, on the bearing shells of the housing. Alternatively or additionally, it may also be provided on moving parts within the housing. In this context, it can be provided, in particular, that a transmitting and receiving antenna is placed within the transmission housing, which via a bushing and
  • FIG. 1 shows an exemplary radar system according to the invention.
  • the system 10 comprises an interrogator 11 and a sensor 18.
  • the interrogator 11 comprises a transmitter 12, a receiver 14 and a control and evaluation unit 16. Further, a switch 15 and a radiating and Receiving antenna 17 is provided.
  • the transmitter 12 generates an electromagnetic high frequency pulse in
  • Microwave range i. between about 300 MHz and about 300 GHz.
  • ISM bands In Europe, there are two frequency bands for this, in which the operation of a low-power transmitter for industrial, scientific and medical purposes is allowed (ISM bands). These are at 433 MHz and 2.4 GHz, an additional ISM band is at 868 MHz. Also conceivable is the use of the so-called ultra wide band (Ultra Wide Band, UWB).
  • the high frequency pulse is frequency modulated by a frequency modulator 13 included in the transmitter 12. This is after the switch 15 by the controller 16 in the
  • Antenna 17 sent out.
  • the receiver 14 receives at a corresponding position of the switch 15 via the antenna 17, a response signal 32. This is detected and evaluated by the control and evaluation unit 16.
  • the control unit 16 takes over, inter alia, the temporal and
  • the sensor 18 comprises an antenna 20, an interdigital transducer 22 and a reflector 24.
  • the emitted from the antenna 17 of the interrogator 11 electromagnetic high-frequency interrogation signal 30 is received by the antenna 20 of the sensor 18 and with the aid of the interdigital transducer 22 in a
  • the interdigital transducer 22 includes a comb-like microstructured metallization, which generates the surface wave by means of the inverse piezoelectric effect.
  • the reflector 24 is also a microstructured metallization on the substrate surface of the sensor 18 and reflects the surface wave, which in turn strikes the interdigital transducer 22, is converted by the direct piezoelectric effect into electrical signals and emitted via the antenna 20 as a response signal 32.
  • the response signal contains information about the number and location of the
  • the response signal 32 is received by the interrogator 11 and evaluated.
  • the propagation velocity of a surface acoustic wave is typically only 3500 m / s.
  • surface acoustic wave devices provide the ability to store a high frequency pulse on a small chip until the electromagnetic
  • the working range of the surface acoustic wave sensors 18 extends at low temperatures up to -196 ° C. If the surface acoustic wave chip 18 is welded in a vacuum, the sensor can also be used for cryogenic applications. Above 400 ° C, the aluminum structure of the
  • Interdigital transducer 18 damaged.
  • the usual surface wave crystals such as lithium niobate, lithium tantalate and quartz are limited
  • the interrogator 11 and the sensor 18 is incorporated within a schematically indicated gear housing 40.
  • the interrogator 11 is by means of a control and / or
  • Signal line 42 connected to the external environment of the transmission via a suitable passage 44 in the transmission housing 40.
  • the sensor 18 itself can be placed freely within the gear housing due to the existing radio connection with the interrogator 11 and make there, for example, temperature measurements at particularly relevant points.
  • temperature measurements In addition to the measured variable temperature are other physical variables such as pressure, mechanical stress and torque as well as chemical
  • the great advantage of the described surface acoustic wave radio sensor 18 lies in the substitutability under difficult industrial conditions, such as strong mechanical vibrations, high temperatures, electrically disturbed environments and also explosive gases and hazardous substances.
  • the maximum range of such a surface acoustic wave radio sensor 18 depends inter alia on the frequency band used, the maximum permissible power and the sensor principle (delay line, resonator) and is for example between one meter and 10 meters.
  • time-periodic events for example, in the transmission 40 are no longer possible Frequency-periodic and cause no artifacts in the evaluation, but smear to a noise.
  • Possible evaluation methods include fast Fourier transformation (FFT), chirp or wavelet transformation, as well as correlation and filter-based methods.
  • FFT fast Fourier transformation
  • chirp chirp
  • wavelet transformation as well as correlation and filter-based methods.
  • model-based methods such as
  • Polynomfit or a Least Square optimization can be used.
  • the mentioned disturbances can arise, for example, by a periodic, a rotating or an oscillating movement as well as by vibrations of the part at which the measurement is to be carried out.
  • gas discharge lamps, periodically modulated reflections or reflections on periodically changing impedances such as a rectifier can also cause the artifacts mentioned.
  • Surface wave sensors but also in related processes are used. This would include, for example, the surface wave identification, level radar, radar rangefinder, radar distance radar, distance-to-fault measurements and network analyzers.

Abstract

System mit einem Sender zur Aussendung einer ersten Mikrowellenstrahlung, einem Empfänger zur Erfassung einer von der ersten Mikrowellenstrahlung abgeleiteten zweiten Mikrowellenstrahlung und einer mit dem Sender und dem Empfänger verbundenen Steuerung. Die erste Mikrowellenstrahlung wird zu einer Mehrzahl an Zeitpunkten mit den Zeitpunkten zugeordneten unterschiedlichen Frequenzen ausgesendet. Die Zuordnung von Zeitpunkt und Frequenz ist zufällig oder pseudozufällig. Alternativ oder zusätzlich ist zu dem Zeitpunkt die Länge des Zeitraums für ein Aussenden oder Empfangen zufällig oder pseudozufällig. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerunterdrückung bei frequenzmodulierten Radarsystemen.

Description

System und Verfahren zur Störunterdrückung bei frequenzmodulierten
Radarsystemen
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Störunterdrückung bei frequenzmodulierten Radarsystemen.
Radarsysteme mit niedriger Leistung setzen üblicherweise ein Abtastverfahren ein, bei dem nacheinander einzelne diskrete Frequenzen in einem festen Zeit- und Frequenzraster abgetastet werden. Anschließend kann über eine inverse Fourier- Transformatjon des erhaltenen detektierten Signals die Pulsantwort errechnet werden. Der Anwendungsbereich derartiger Radarsysteme ist beispielsweise das Auslesen von reflektierenden Oberflächenwellenverzögerungsleitungen,
Füllstandsradarsysteme und Radarentfernungsmesser. Bei diesen Systemen, die üblicherweise niedrige Abtast- beziehungsweise Sendeleistungen einsetzen, ist die Auswertung des detektierten Messsignals durch eine hohe Anzahl an Artefakten oftmals problematisch.
Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Auswertung des durch eine Zeit- und Frequenzabtastung erzeugten Messsignals auftretende Artefakte zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein System und ein Verfahren gemäß den
Hauptansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass bei einer Vermeidung einer festen Zeit-Frequenz-Zuordnung bei der Abtastung Artefakte vermieden werden können, die bei periodischen Schwankungen der detektierten reflektierten
Leistung entstehen. Dadurch werden periodische Änderungen in der detektierten reflektierten Leistung nicht mehr als frequenzperiodisches Eingangssignal in die
BESTÄTIGUNGSKOPIE Fourier-Transformation eingespeist und ergeben somit keine diskrete Linie im Abbildungsbereich. Insbesondere beim Einsatz eines pseudozufällig verteilten Abtasträsters im Zeitbereich wird die Störung somit in ein Rauschsignal transformiert.
Das erfindungsgemäße System umfasst somit einen Sender zur Aussendung einer ersten Mikrowellenstrahlung insbesondere zur Abtastung, einen Empfänger zur Erfassung einer von der ersten Mikrowellenstrahlung abgeleiteten zweiten
Mikrowellenstrahlung. Bei dieser zweiten Mikrowellenstrahlung kann es sich je nach Anwendungsfall um einen direkten oder indirekten Reflex oder um eine nach einem Empfangen der ersten Mikrowellenstrahlung erzeugte zweite
Mikrowellenstrahlung handeln. Sender uhd Empfänger sind mit einer Steuerung verbunden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine gemeinsame Steuerung oder um jeweils eine Steuerung für Sender und Empfänger handeln. Die
Steuerung ist dazu ausgelegt, das Aussenden der ersten Mikrowellenstrahlung zu steuern und unter anderem bei der Erfassung der zweiten Mikrowellenstrahlung diese mit der ersten Mikrowellenstrahlung zu korrelieren und auszuwerten. Die erste Mikrowellenstrahlung wird zu einer Mehrzahl an Zeitpunkten ausgesendet. Den einzelnen Zeitpunkten sind jeweils unterschiedliche Frequenzen zugeordnet. Es kann sich hierbei um einzelne diskrete Frequenzen handeln, die beispielsweise dazu gedacht sind, einen bestimmten Frequenzbereich abzudecken. Es können aber auch mehrere getrennte Frequenzbereiche separat abgetastet werden oder jeweils nur einzelne diskrete Frequenzen ausgesendet werden. Alternativ kann auch eine kontinuierliche Modulation der Frequenz der ersten
Mikrowellenstrahlung über einen bestimmten Zeit- und Frequenzbereich durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß sind zwei alternative Konzepte zur Vermeidung des Auftretens von Artefakten vorgesehen, die aber auch vorteilhaft kombiniert werden können. Einerseits kann vorgesehen sein, dass die Zuordnung des Zeitpunktes, zu dem die erste Mikrowellenstrahlung ausgesendet wird, zu der Frequenz dieser ersten Mikrowellenstrahlung zufällig oder pseudozufällig ist. Diese bereits erwähnte Aufhebung des festen zeitlichen Frequenzabtastrasters verhindert, dass
periodische Änderungen in der Leistung der zweiten Mikrowellenstrahlung zu Artefakten führen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zu dem Zeitpunkt, zu dem die erste Mikrowellenstrahlung ausgesendet wird, die Länge des Zeitraumes, die für ein Aussenden oder Empfangen nötig ist, zufällig oder pseudozufällig ist. Die Variation der Länge des Aussendezeitraums bewirkt bei einer direkt
aufeinanderfolgenden Abfolge der Aussendezeiträume ebenfalls, dass keine direkte Beziehung zwischen Aussendezeitpunkt und Aussendefrequenz entsteht. In gleicher Weise kann der Zeitraum für das Empfangen der abgeleiteten zweiten Mikrowellenstrahlung zufällig beziehungsweise pseudozufällig variiert werden, beispielsweise durch eine unterschiedlich lange erfolgende Mittelung der erfassten zweiten Mikrowellenstrahlung. Beide alternativen Lösungen realisieren somit den Erfindungsgedanken, nämlich eine Aufhebung einer festen periodischen
Zuordnung von Zeit und Frequenz bei der Aussendung eines Mikrowellenabfrage- beziehungsweise Abtastsignals.
Bei dem System kann es sich um ein Radarsystem handeln. Vorliegend wird unter dem Begriff Radar das Aussenden einer elektromagnetischen Welle verstanden, deren Wellenlänge zwischen einem Meter und einem Millimeter liegt, was einem Frequenzbereich von etwa 300 MHz bis etwa 300 GHz entspricht, als erste oder Primärmikrowellenstrahlung und das Empfangen einer davon abgeleiteten, beispielsweise reflektierten, zweiten oder Sekundärmikrowellenstrahlung. Der Einsatzbereich eines derartigen Radarsystems soll nicht ausschließlich die Ortung eines Objekts zum Inhalt haben, sondern es sollen alle Einsatzbereiche wie etwa die Abfrage von Informationen sich entfernt befindlicher Sensoren oder die Erfassung von Füllstandshöhen, Geschwindigkeit etc. umfasst sein. In diesem Zusammenhang können zur Erzeugung der zweiten
Mikrowellenstrahlung und zur Auswertung der mit dieser beförderten Information im Radarbereich übliche Radarprinzipien wie Puls, Chirp oder FMCW eingesetzt werden. Bei dem Pulsverfahren wird ein kurzer elektrischer Impuls oder ein kurzes Wellenpaket als erste Mikrowellenstrahlung gesendet. Dieses Abfragesignal trifft nach einer bestimmten Laufzeit auf ein Objekt. Nach einer weiteren Zeitspanne wird ein entsprechendes Antwortsignal als zweite Mikrowellenstrahlung
empfangen. Aus dem Zeitraum zwischen Aussenden des Impuls beziehungsweise des Wellenpaketes und dem Auftreffen des Antwortsignals können Rückschlüsse über beispielsweise die Entfernung, beispielsweise bei einem Füllstandsradar, getroffen werden.
Bei dem FMCW-Verfahren (FMCW-Radar = Frequency Modulated Continuous Wave Radar, moduliertes Dauerstrichradar) wird die erste Mikrowellenstrahlung kontinuierlich als Dauerstrich ausgesendet und ihre Frequenz moduliert, das heißt die Frequenz steigt beispielsweise linear an, um bei einer bestimmten Frequenz abrupt auf den Ausgangswert zurückgesetzt zu werden. Alternativ zu einem derartigen Sägezahnmuster kann die Frequenz auch kontinuierlich abwechselnd ansteigen und abfallen oder auch anderweitig moduliert werden. Die Frequenz des zeitversetzt empfangenes Signal der zweiten Mikrowellenstrahlung ist, da sich während der Signalausbreitung die Frequenz der ersten Mikrowellenstrahlung ändert, um eine bestimmte Differenz zur Frequenz der ersten
Mikrowellenstrahlung verschoben. Aus dieser Frequenzdifferenzkann
beispielsweise eine Entfernung ermittelt werden.
Bei dem Chirp-Verfahren werden frequenzmodulierte Pulse als erste
Mikrowellenstrahlung eingesetzt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gibt der Sender die erste Mikrowellenstrahlung mit veränderbarer Frequenz ab. Beispielsweise weist der Sender hierzu einen Frequenzmodulator für die erste Mikrowellenstrahlung auf. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit dem genannten FMCW- oder dem Chirp-Verfahren von Vorteil.
Zur vorteilhaften Weiterbildung des Gedankens einer Aufhebung einer festen Zuordnung von Zeitpunkt und Frequenz, also des Prinzips der zufälligen oder pseudozufälligen Zuordnung von Zeitpunkt und Frequenz, kann vorgesehen sein, dass die Frequenzen äquidistant angeordnet sind. Diese können insbesondere in einer Liste angeordnet sein. Durch die zufällige Auswahl der Aussendefrequenzen aus der Liste äquidistanter Frequenzen, also durch dieses zufällige Springen („random hopping") der Aussendefrequenz der ersten Mikrowellenstrahlung, wird eine feste Phasenbeziehung zwischen einer periodischen Leistungsschwankung der zweiten Mikrowellenstrahlung und dem Aussendezeitpunkt der ersten
Mikrowellenstrahlung und die damit andernfalls entstehenden Artefakte
vermieden.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Wartezeit zwischen den Frequenzen zufällig oder pseudozufällig ist. Durch die zufällige Verteilung der Wartezeiten wird ebenfalls eine ansonsten Artefakte hervorrufende feste
Beziehung zwischen Leistungsschwankungen und den Zeitpunkten der Abfrage- Sendefrequenzen aufgehoben. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Empfänger eine
Mittelungsvorrichtung zur Mittelung von Messungen umfasst, wobei die Anzahl an Mittelungen zufällig oder pseudozufällig ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Zeit zwischen dem Aussenden der ersten Mikrowellenstrahlung und dem Empfang der zweiten Mikrowellenstrahlung kurz ist und so eine Vielzahl von Messungen beziehungsweise Abfragen innerhalb eines Zeitraums durchgeführt werden kann. Die Verwendung einer Mittelungsvorrichtung an sich erlaubt eine Verbesserung des Signal-zu-Rauschverhältnisses. Die zufällige oder
pseudozufällige Anzahl an Mittelungen erzielt wiederum den bereits erwähnten Artefakte vermeidenden Effekt.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das System einen Sensor mit einem Interdigitalwandler umfasst, der die erste
Mikrowellenstrahlung in eine Oberflächenwelle umwandelt und die zweite
Mikrowellenstrahlung hervorbringt. Des Weiferen kann vorgesehen sein, dass der Sensor eine Antenne, einen piezoelektrischen Kristall und einen Reflektor sowie zusätzlich einen Resonator oder eine Verzögerungsleitung umfasst. Ein derartiger Sensor wird auch als Oberflächenwellen-Funksensor bezeichnet. Der
Interdigitalwandler kann dabei auf einem dünnen Plättchen eines
piezoelektrischen Kristalls als eine kammartige, mikrostrukturierte Metallisierung aufgebracht sein und mit einer Antenne verbunden sein. Der oder die Reflektoren können beispielsweise als mikrostrukturierte Metallisierungen auf der
Substratoberfläche des Sensors ausgeführt sein. Die erste Mikrowellenstrahlung wird von der Antenne des Sensors empfangen und durch den Interdigitalwandler in eine sich ausbreitende mechanische Oberflächenwelle mit Hilfe des inversen piezoelektrischen Effekts umgewandelt. In der Ausbreitungsrichtung dieser Oberflächenwelle sind ein oder mehrere Reflektoren beispielsweise in einer charakteristischen Reihenfolge angebracht. Diese reflektieren die Oberflächenwelle und senden sie zurück zum Wandler. Dort werden sie wieder über den direkten piezoelektrischen Effekt in elektromagnetische Wellen gewandelt und von der Antenne als zweite Mikrowellenstrahlung abgestrahlt.
Um eine Trennung zwischen der ersten Mikrowellenstrahlung und der zweiten Mikrowellenstrahlung zu erreichen, können an dem Sensor Strukturen vorgesehen sein, die eine Trennung im Zeitbereich oder/und im Frequenzbereich ermöglichen. Der Einsatz einer Verzögerungsleitung und/oder eines Resonator ermöglicht es, dass die erste Mikrowellenstrahlung auf dem Sensor solange gespeichert wird, bis die elektromagnetischen Umgebungsechos abgeklungen sind. Dabei kommt zugute, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer akustischen Oberflächenwelle typischerweise nur 3500 m/s beträgt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, Interdigitalwandler einzusetzen, die durch eine sogenannte doppelte Umtastung bei verschiedenen Frequenzen Oberflächenwellen anregen. Damit erhält man zusätzlich bei dem Sensor eine Frequenzabhängigkeit der akustischen
Eigenschaften. Insbesondere kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass die zweite Mikrowellenstrahlung Informationen über die Identität des Sensors oder/und über eine von dem Sensor erfasste Messgröße umfasst. Zur Aufprägung einer Sensoridentität auf die zweite Mikrowellenstrahlung können beispielsweise teilreflektierende Strukturen in einer charakteristischen Reihenfolge in der
Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle vorgesehen sein. Besteht
beispielsweise die erste Mikrowellenstrahlung aus einem einzelnen Abfrageimpuls, entsteht durch die genannten Strukturen eine Vielzahl von Impulsen, die zum Interdigitalwandler zurückreflektiert werden und dort wiederum in
elektromagnetische Wellen umgewandelt und von der Antenne abgestrahlt werden. Der Sensor kann alternativ oder zusätzlich beispielsweise so gestaltet sein, dass sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle in
Abhängigkeit von der Messgröße ändert. Damit ändert sich auch die
Mittenfrequenz und die Laufzeit des Oberflächenwellensensors, was wiederum die zweite, über die Antenne abgestrahlte Mikrowellenstrahlung entsprechend verändert und somit die Messgröße aufprägt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Sensor eine oder mehrere der folgenden Messgrößen erfassen kann: Temperatur, Kraft, Beschleunigung, mechanische Spannung, Drehmoment. Zur Erfassung der Temperatur kann beispielsweise als geeignetes Sensormaterial Lithiumniobat vorgesehen sein. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das System zur Erfassung eines Betriebszustandes einer rotierenden, oszillierenden und/oder vibrierenden Vorrichtung ausgelegt ist. Insbesondere bei periodisch
wiederkehrenden Bewegungen wie den genannten kann die eingangs erwähnte unerwünschte Korrelation einer periodischen Signalleistungsschwankung und der Frequenz der ersten Mikrowellenstrahlung, also der Abfragestrahlung, auftreten. In diesem Zusammenhang ist das genannte Entkoppeln durch Einführen einer zufälligen oder pseudozufälligen Zuordnung von Frequenz und Zeit oder/und die Länge des Aussende- oder Empfangszeitraums zufällig oder pseudozufällig zu gestalten von Vorteil.
Eine konkrete Anwendung der genannten Ausführungsform ist dadurch gegeben, dass die Vorrichtung ein Getriebe und der Sensor innerhalb des Getriebes angeordnet ist. Dabei kann der Sensor beispielsweise an den Lagerschalen des Gehäuses angebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann er auch an innerhalb des Gehäuses bewegten Teilen vorgesehen sein. In diesem Zusammenhang kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Sende- und Empfangsantenne innerhalb des Getriebegehäuses platziert wird, die über eine Durchführung und
beispielsweise einem Steckverbinder nach außen geführt ist. Somit muss bis auf die Antennendurchführung innerhalb des Gehäuses keine Verkabelung zur beispielsweise des Temperatursensors erfolgen, da innerhalb des Getriebes eine drahtlose Übertragung erfolgen kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner aus dem
Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figur näher beschrieben ist.
Es zeigt: Figur 1 ein beispielhaftes Radarsystem gemäß der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes frequenzmoduliertes Radarsystem 10. Das System 10 umfasst eine Abfragevorrichtung 11 sowie einen Sensor 18. Die Abfragevorrichtung 11 umfasst einen Sender 12, einen Empfänger 14 sowie eine Steuerungs- und Auswerteeinheit 16. Ferner sind ein Schalter 15 sowie eine Abstrahl- und Empfangsantenne 17 vorgesehen.
Der Sender 12 erzeugt einen elektromagnetischen Hochfrequenzimpuls im
Mikrowellenbereich, d.h. zwischen ca. 300 MHz und etwa 300 GHz. Innerhalb
Europas gibt es hierfür zwei Frequenzbänder, in denen der Betrieb eines Senders kleiner Leistung für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke erlaubt ist (ISM-Bänder). Diese liegen bei 433 MHz und 2,4 GHz, ein zusätzliches ISM-Band liegt bei 868 MHz. Ebenfalls denkbar ist die Nutzung des sogenannten Ultrabreitbandes (Ultra Wide Band, UWB). Der Hochfrequenzimpuls wird durch einen in dem Sender 12 umfassten Frequenzmodulator 13 frequenzmoduliert. Dieser wird, nachdem der Schalter 15 durch die Steuerung 16 in die
entsprechende Stellung gebracht worden ist, als Abfragesignal 30 über die
Antenne 17 ausgesendet. Der Empfänger 14 empfängt bei einer entsprechenden Stellung des Schalter 15 über die Antenne 17 ein Antwortsignal 32. Dieses wird über die Steuerungs- und Auswerteeinheit 16 erfasst und ausgewertet. Dabei übernimmt die Steuerungseinheit 16 unter anderem die zeitliche und
frequenzbezogene Steuerung von Sender 12 und Empfänger 14 und stellt eine Korrelation der Aussende- und EmpfangspJärameter her.
Der Sensor 18 umfasst eine Antenne 20, einen Interdigitalwandler 22 sowie einen Reflektor 24. Das von der Antenne 17 der Abfragevorrichtung 11 ausgesandte elektromagnetische hochfrequentes Abfragesignal 30 wird von der Antenne 20 des Sensors 18 empfangen und mit Hilfe des Interdigitalwandlers 22 in eine
mikroakustische Oberflächenwelle umgewandelt. Der Interdigitalwandler 22 umfasst dazu eine kammartige mikrostrukturierte Metallisierung, die mit Hilfe des inversen piezoelektrischen Effekts die Oberflächenwelle erzeugt. Der Reflektor 24 ist ebenfalls eine mikrostrukturierte Metallisierung auf der Substratoberfläche des Sensors 18 und reflektiert die Oberflächenwelle, die dann wiederum auf den Interdigitalwandler 22 trifft, mittels des direkten piezoelektrischen Effekts in elektrische Signale umgewandelt wird und über die Antenne 20 als Antwortsignal 32 abgestrahlt wird.
Das Antwortsignal enthält Informationen über die Anzahl und Lage der
Reflektoren, den Reflexionsfaktor sowie über die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle. Das Antwortsignal 32 wird von der Abfragevorrichtung 11 empfangen und ausgewertet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer akustischen Oberflächenwelle beträgt typischerweise nur 3500 m/s. Dadurch bieten akustische Oberflächenwellenbauelemente die Möglichkeit, einen Hochfrequenzimpuls auf einem kleinen Chip solange zu speichern, bis die elektromagnetischen
Umgebungsechos abgeklungen sind.
Der Arbeitsbereich der Oberflächenwellen-Sensoren 18 erstreckt sich bei tiefen Temperaturen bis zu -196° C. Wird der Oberflächenwellenchip 18 im Vakuum verschweißt, so kann der Sensor auch für Tiefsttemperaturanwendungen eingesetzt werden. Oberhalb von 400 °C wird die Aluminiumstruktur der
Interdigitalwandler 18 beschädigt. Außerdem sind die üblichen Oberflächenwellen- Kristalle wie Lithiumniobat, Lithiumtantalat und Quarz nur beschränkt
hochtemperaturtauglich. Es ist jedoch möglich, aus einem
hochtemperaturtauglichen Kristall Langasit und Platinelektroden zu verwenden, um Oberflächenwellen-Funksensoren auch bis zu Temperaturen um 1000 °C einzusetzen. Ein weiterer Vorteil der Oberflächenwellen-Sensorik besteht darin, Temperaturen von bewegten Objekten wie drehenden Wellen, Turbinen oder Zentrifugenteilen zu messen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Abfragevorrichtung 11 sowie der Sensor 18 innerhalb eines schematisch angedeuteten Getriebegehäuses 40 eingebracht. Die Abfragevorrichtung 11 ist mittels einer Steuer- und/oder
Signalleitung 42 mit der äußeren Umgebung des Getriebes über eine geeignete Durchführung 44 in dem Getriebegehäuse 40 verbunden. Der Sensor 18 selbst kann aufgrund der bestehenden Funkverbindung mit der Abfragevorrichtung 11 frei innerhalb des Getriebegehäuses platziert werden und dort an besonders relevanten Stellen beispielsweise Temperaturmessungen vornehmen. Neben der Messgröße Temperatur stehen sowohl weitere physikalische Größen wie Druck, mechanische Spannung und Drehmoment als auch chemische
Messgrößen zur Detektion und Identifikation von Gasen oder Flüssigkeiten zur Verfügung. Der große Vorteil des beschriebenen Oberflächenwellen-Funksensors 18 liegt in der Ersetzbarkeit unter erschwerten industriellen Bedingungen, wie starken mechanischen Vibrationen, hohen Temperaturen, elektrisch gestörten Umgebungen und auch explosiven Gasen und Gefahrenstoffen. Die maximale Reichweite eines derartigen Oberflächenwellen-Funksensors 18 hängt unter anderem von dem genutzten Frequenzband, der maximal zulässigen Leistung und dem Sensorprinzip (Verzögerungsleitung, Resonator) ab und liegt beispielsweise zwischen einem Meter und 10 Metern.
Es lassen sich sowohl Resonatoren mit einer ausklingenden Schwingung als auch Verzögerungsleitungen mit einem Antwortmuster analog zu einem Barcode realisieren. Physikalische Messgrößen wie Temperatur oder mechanische
- Spannung verändern die Eigenschaften des piezoelektrischen Substrats und damit die Ausbreitungs- und Reflektionseigenschaften der Oberflächenwelle. Mit Hilfe einer geeigneten Signalverarbeitung in der Steuerungs- und Auswerteeinheit 16 wird die. Messgröße aus dem Antwortsignal 32 extrahiert. Durch das
erfindungsgemäße Aufheben der Zuordnung von Frequenz und Zeit sind zeitperiodische Vorgänge beispielsweise in dem Getriebe 40 nicht mehr frequenzperiodisch und verursachen keine Artefakte bei der Auswertung, sondern verschmieren zu einem Rauschen. Als mögliche Auswerteverfahren stehen die schnelle Fourier-Transformation (FFT), die Chirp- oder Wavelet-Transformation sowie korrelations- und filterbasierte Verfahren zur Verfügung. Alternativ oder zusätzlich können auch modellbasierte Verfahren wie beispielsweise ein
Polynomfit- oder eine Least-Square-Optimierung eingesetzt werden.
Die erwähnten Störungen können beispielsweise durch eine periodische, eine rotierende oder eine oszillierende Bewegung sowie auch durch Vibrationen des Teils entstehen, an dem die Messung durchgeführt werden soll. Des Weiteren können Gasentladungslampen, periodisch modulierte Reflexionen oder Reflexionen an sich periodisch ändernden Impedanzen wie beispielsweise einem Gleichrichter ebenfalls die erwähnten Artefakte hervorrufen. Das erwähnte Prinzip der
Aufhebung einer periodischen oder regelmäßigen Zuordnung von Frequenz und Zeit kann wie bei dem erwähnten Ausführungsbeispiel bei der
Oberflächenwellensensorik, aber auch bei verwandten Verfahren zum Einsatz kommen. Hierbei wären beispielsweise die Oberflächenwellenidentifikation, Füllstandsradare, Radarentfernungsmesser, Abstandswärnradar, Distance-to-Fault- Messungen sowie Netzwerkanalysatoren zu nennen.

Claims

Patentansprüche
1. System (10), umfassend die folgenden Merkmale:
1.1 einen Sender (12) zum Aussenden einer ersten Mikrowellenstrahlung (30);
1.2 einen Empfänger (14) zum Erfassung einer von der ersten
Mikrowellenstrahlung (30) abgeleiteten zweiten Mikrowellenstrahlung (32);
1.3 eine mit dem Sender (12) und dem Empfänger (14) verbundene Steuerung (16);
1.4 die erste Mikrowellenstrahlung (30) wird zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten mit den Zeitpunkten zugeordneten unterschiedlichen Frequenzen gesendet;
1.5 die Zuordnung von Zeitpunkt und Frequenz ist zufällig oder pseudozufällig und/oder die Länge des Zeitraums für das Aussenden oder Empfangen ist zufällig oder pseudozufällig;
1.6 das System (10) umfasst einen Sensor (18) mit einem Interdigitalwandler (22), der die erste Mikrowellenstrahlung (30) in eine Oberflächenwelle umwandelt und die zweite Mikrowellenstrahlung (32) hervorbringt.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) ein Radarsystem ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) nach dem Pulsverfahren oder dem FMCW-Verfahren oder dem
Chirpverfahren ausgelegt ist.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Sender (12) die erste Mikrowellenstrahlung (30) mit veränderbarer Frequenz abgibt.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Frequenzen äquidistant angeordnet sind.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wartezeit zwischen den Frequenzen zufällig oder pseudozufällig ist.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Empfänger (14) eine Mittel ungsvorrichtung (15) zur Mittelung von Messungen umfasst, wobei die Anzahl an Mittelungen zufällig oder pseudozufällig ist.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) eine Antenne (20) und/oder einen piezoelektrischen Kristall und/oder einen Reflektor (24) und/oder einen Resonator und/oder eine Verzögerungsleitung umfasst.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mikrowellenstrahlung (32) zeitlich versetzt zur ersten
Mikrowellenstrahlung (30) ausgesendet wird.
10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mikrowellenstrahlung (32) Informationen über die Identität des Sensors (18) oder/und über eine von dem Sensor (18) erfasste Messgröße umfasst.
11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) eine oder mehrere der folgenden Messgrößen erfasst:
Temperatur, Kraft, Beschleunigung, mechanische Spannung, Drehmoment.
12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) zur Erfassung eines Betriebszustandes einer rotierenden oder/und oszillierenden oder/und vibrierenden Vorrichtung ausgelegt ist.
13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Getriebe (40) und/oder dass der Sensor (18) innerhalb des Getriebes (40) angeordnet ist.
14. Verfahren zur Störunterdrückung bei frequenzmodulierten Radarsystemen, mit den Schritten:
14.1 Aussenden einer ersten Mikrowellenstrahlung zu einem ersten Zeitpunkt mit einer ersten Frequenz und
14.2 Empfangen einer von der ersten Mikrowellenstrahlung (30) abgeleiteten zweiten Mikrowellenstrahlung (32) und
14.3 Aussenden der ersten Mikrowellenstrahlung zu einem zweiten Zeitpunkt mit einer zweiten Frequenz,
14.4 Empfangen der von der ersten Mikrowellenstrahlung (30) abgeleiteten
zweiten Mikrowellenstrahlung (32),
14.5 wobei der zweite Zeitpunkt und/oder die zweite Frequenz zufällig oder
pseudozufällig bezüglich des ersten Zeitpunkts und/oder der ersten
Frequenz sind oder wobei zu den Zeitpunkten die Länge des Zeitraumes für ein Aussenden oder Empfangen zufällig oder pseudozufällig ist;
14.6 das System (10) umfasst einen Sensor (18) mit einem Interdigitalwandler (22), der die erste Mikrowellenstrahlung (30) in eine Oberflächenwelle umwandelt und die zweite Mikrowellenstrahlung (32) hervorbringt.
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