WO2015176889A1 - Verfahren zur überwachung der funktionstüchtigkeit einer radarvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur überwachung der funktionstüchtigkeit einer radarvorrichtung Download PDF

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WO2015176889A1
WO2015176889A1 PCT/EP2015/058477 EP2015058477W WO2015176889A1 WO 2015176889 A1 WO2015176889 A1 WO 2015176889A1 EP 2015058477 W EP2015058477 W EP 2015058477W WO 2015176889 A1 WO2015176889 A1 WO 2015176889A1
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transmission
signal
circuit arrangement
radar device
side circuit
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PCT/EP2015/058477
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Winfried Mayer
Werner Meier
Bernhard Michalski
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Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284Electromagnetic waves

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the functioning of a microwave radar device and to a microwave radar device having a self-monitoring function, the radar device having a transmitting-side circuit, a coupling element, a transmitting / receiving unit and a receiving-side circuit, comprising the following steps:
  • the transmission signal is coupled to the transmission / reception unit by means of the coupling element
  • the transmission signal is emitted by the transmitting / receiving unit
  • this reflected reception signal is received by the transmission / reception unit
  • the received signal is coupled by means of the coupling element to the receiving side circuit
  • microwaves are transmitted by means of a transmitting unit in the direction of an object and the echo waves reflected at the surface of the object are received by a receiving unit. It will be a the
  • Echo amplitudes formed as a function of the distance echo function from which a so-called useful echo signal and its transit time are determined. From the running time, the distance between the object surface and the radar device is determined.
  • the useful echo signal corresponds to reflected microwaves, which were reflected directly from the object surface.
  • pulse radar for level measurement periodically microwave transmission pulses, hereinafter referred to as wave packets sent, which are reflected by the Brown-surface and received after a distance-dependent run time again.
  • the received signal amplitude as a function of time represents an echo function.
  • Each value of this echo function corresponds to the intensity of the reflected
  • Microwaves that have been reflected from a certain distance to a given reference point are Microwaves that have been reflected from a certain distance to a given reference point.
  • Ei Generator generates first microwave pulses and emits them via an antenna with a predetermined transmission pulse repetition frequency in the direction of the surface of the medium.
  • Another generator generates reference microwave pulses equal to the first microwave pulses.
  • the first microwave pulses are generated at a specific transmit pulse repetition frequency, but this differs slightly from the received pulse repetition frequency of the reference microwave pulses.
  • the echo signal resulting from a plurality of microwave pulses and the reference signal resulting from a plurality of reference microwave pulses are mixed.
  • At the output of the mixer is an intermediate frequency signal.
  • the intermediate frequency signal has the same shape as the echo signal, but is opposite to this one
  • the time expansion factor is equal to a quotient of the transmission pulse repetition frequency and the amount of the difference between the transmission and the receive pulse repetition frequencies.
  • a transmission pulse repetition frequency of a few megahertz a frequency difference of the pulse repetition frequencies of a few hertz and a microwave frequency of a few gigahertz, the frequency of the
  • Intermediate frequency signal below 500 kHz.
  • the advantage of the transformation to the intermediate frequency is that relatively slow and thus inexpensive electronic components can be used for signal acquisition and / or signal evaluation.
  • the transit time measurement method is one of many methods of measuring the level in a vessel.
  • the running time of the measuring signal is a measure of the distance.
  • the running distance is equal to the product of transit time and propagation speed. From the half life can be determined accordingly the level of the medium in a container.
  • the echo function represents the entire signal course as a function of time, each measured value of the echo function corresponding to the amplitude of an echo signal reflected at a specific distance on a surface.
  • the time that a broadband wave signal pulse needs for a traveled distance is determined.
  • the actual useful echo signal and its transit time are determined on the basis of the so-called echo function or the digital envelope, wherein the envelope reproduces the amplitude of the echo signals as a function of the distance 'antenna - surface of the medium'.
  • the envelope itself is the result of a rectification, optionally a logarithmization and a digitization of the intermediate frequency.
  • the determination of the distance takes place via the determination of the distance of the wanted echo signal, which represents the fill level, to a reference signal.
  • the number of sampling points between the two maxima at a constant sampling time is then directly proportional to the distance 'antenna - surface of the medium'.
  • microwave level measuring devices are used in many industries, such. B. in chemistry or in the food industry used. Typically, the level is measured in a container. These containers usually have an opening on which a nozzle or a flange is provided for attaching a measuring device.
  • a radar device that is used to determine the level in a container has many different assemblies that are used to produce the
  • Oscillation frequency of the transmitter and / or local oscillator lead to errors in the measuring distance. Such errors can be exceeded when permitted
  • the transmission signal (STX) is decoupled from the transmission / reception unit (4) and coupled directly to the reception-side circuit arrangement (2) by means of the coupling element (3),
  • the transmission signal (S T x) is sampled by the reception-side circuit arrangement (2), and an information contained in the sampled transmission signal (STX) about the
  • Functioning of the radar device is detected by means of the evaluation unit.
  • the transmission signal is triggered delayed by a predetermined period of time.
  • the transmitting side is triggered delayed by a predetermined period of time.
  • Circuitry on at least one time delay element are Circuitry on at least one time delay element.
  • Receive-side circuitry at least one time delay element, and the signal generated at the receiving end is triggered delayed by a predetermined period of time.
  • the object is further achieved by working with microwaves
  • Radar device with a self-monitoring function according to the preamble of claim 5, characterized in that
  • the transmission-side circuit arrangement has at least one time delay element which serves to trigger the transmission signal delayed by a predetermined period of time.
  • the receiving-side circuit arrangement of the radar device according to the invention has at least one time delay element which serves to delay the signal generated on the receiving side by a predetermined period of time.
  • the coupling element is a hybrid coupler.
  • the transmission-side circuit arrangement, the coupling element and the reception-side circuit arrangement are integrated on a monolithic microwave circuit (MMIC).
  • the transmitting / receiving unit is integrated on the monolithic microwave circuit (MMIC).
  • the transmission-side circuit arrangement has at least one attenuator which, in the second operating mode, serves the purpose directly to the receiver side
  • Fig. 1 is a block diagram of a radar device according to the prior art
  • 2 shows a block diagram of a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a block diagram of a second embodiment of the invention
  • Fig. 5a, b two known in the art variants of a coupling element
  • Fig. 7a, b switch positions of a first switch S1.
  • the radar device shown in FIG. 1 has a transmission-side circuit arrangement 1 and a reception-side circuit arrangement 2 and a coupling element 3 which couples both the transmission-side circuit arrangement 1 to a transmission / reception unit 4 and the transmission / reception unit 4 coupled to the receiving side circuit 2.
  • Circuit arrangements 2 each have a PRF generator 5, 6 and a
  • the respective PRF generators 5, 6 serve to generate a regular and highly accurate clocked square wave signal in the form of a pulsed rectangular electrical signal.
  • the frequencies of the square wave signals thus generated in the PRF generators 5, 6 are in the low MHz range and slightly different from a fixed difference frequency Generators 5, 6. For this reason, quartz oscillators are typically used for this purpose.
  • the transmission-side and reception-side output signals SAX, S A i_o are routed to respective pulse shorteners 7, 8 downstream of the PRF generators 5, 6.
  • the pulse shorteners 7, 8 serve to shorten the duration of the pulses of the respective signal to a predetermined width.
  • the width of the pulses can also be described in terms of spatial propagation. According to the speed of light, the duration of a pulse corresponds to a spatial propagation of the pulse by multiplying the time by the speed of light.
  • the spatial propagation of a pulse can, but need not, correspond to a physical reality, for example, after the pulse is converted into a free-radiating electromagnetic signal.
  • a typical duration of a pulse is a few nanoseconds, especially less than 10
  • Nanosecond for example 1 nanosecond. If the propagation velocity or speed of light is 3 * 10 ⁇ 8 meters per second, a 1 ns pulse corresponds to a spatial spread of 0.3 meters.
  • the transmission-side pulses are further fed to a transmission oscillator 9.
  • This transmission oscillator 9 generates as transmission signal S T x high-frequency wave packets having the pulse length of the pulses.
  • the number of oscillations contained in the vibration package depends on the pulse length and the oscillator frequency F9 of the transmitting oscillator 9. For example, results at an oscillator frequency F9 of 30 GHz and a pulse duration which is 1 ns, a transmission pulse containing 30 vibrations. In other words, then a vibration has a length of one centimeter.
  • a transmission signal having such regular transmission pulses is amplified 1 1 and coupled by means of the coupling unit 3 to a transmitting / receiving unit 4, such as an antenna, and emitted by means of the transmitting / receiving unit 4.
  • the reception-side pulses are an oscillator 10, in this case a
  • LO local oscillator
  • the transmitted transmission signal S T x is reflected back from an object, such as a medium in a container, and is incident on the transmitting / receiving unit 4, this incident signal S RX from the transmitting / receiving unit 4 and forwarded from the coupling unit 3 to an amplifier 12.
  • Both the resulting received signal SRX and the signal Si_o generated on the receiving side are fed to a receiving mixer 13.
  • the receiver mixer 13 is used to generate a time-expanded intermediate frequency signal SZF ZU, which includes the information content of the received signal SRX, but oscillates at a predetermined low frequency F Z F, so that the intermediate frequency signal SZF without much effort with an analog to digital (A / D) Transducer 15 can be scanned.
  • the information digitized in this way is then forwarded to a computing unit 16, such as a microcontroller 16.
  • a so-called envelope is formed.
  • the envelope corresponds to a graphical representation of the amplitude of the incident received signal SRX as a function of time.
  • a switch S1 is connected downstream of the transmitting oscillator 9 and / or the transmission amplifier 1 1 in the transmitting side circuit 1.
  • the switch S1 In a first operating mode B1, the switch S1 is already in a first switch position 1 and the transmission signal S T x is coupled in the conventional manner to a first terminal S of the coupling element 3 and by means of the coupling element 3 via a second terminal A to the Transmitter / receiver unit 4 coupled.
  • the coupling element 3 shown in FIG. 2 has a total of four connections S, T, A, E.
  • In the first operating mode B1 will continue to be reflected received signals SRX, which received by the transmitting / receiving unit 4 be supplied to the second terminal A of the coupling element and forwarded via a third terminal E to the receiving amplifier 12 and receiving mixer 13.
  • the transmission signal STX is redirected so that the transmission signal STX a fourth terminal T of the coupling element 3 is supplied.
  • the coupling element 3 is designed so that signals STX , which are coupled to the fourth terminal T, are output at the third terminal E. This is an easy way to couple transmit signals STX directly to the receive amplifier 12 and receive mixer 13.
  • a damping element ⁇ is further shown.
  • the attenuation element ⁇ and the transmission amplifier 1 1 determine the power of the transmission signal STX.
  • the transmission power is increased, so that the reflected components of the transmission signal, which return as reception signals SRX, have sufficient energy so that the reception signals SRX can be registered and evaluated by the transmission / reception unit 4.
  • the transmission power set for the first operating mode B1 is too high. For this reason, the transmission power is reduced by means of the attenuation element ⁇ and / or the transmission amplifier 1 1.
  • the transmission amplifier 1 1 can be set, for example by means of a control signal from the microcontroller 16 to a minimum transmission power output.
  • the transmission signal S T x is coupled directly to the reception amplifier 12, it is forwarded to the reception mixer 13.
  • the signal SRX is mixed with the pulsed signal S L o generated on the reception side.
  • a / D converter 15 leads to the microcontroller 16.
  • the test echo signal of the envelope has a specific shape after specification of the transmission-side circuit arrangement 1. For example, at a predetermined set transmission power of the transmission signal STX, the test echo signal to a certain amplitude. As the transmit power increases, the amplitude of the test echo signal increases. It is thus possible, the functionality of the Radar device to check by checking whether the test echo signal is within a predetermined tolerance range according to the specifications of the transmitting side circuit 1.
  • 3 shows a block diagram of a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 The components of the embodiment shown in FIG. 3 operate in substantially the same manner as the components shown in FIG. In Fig. 3, a time delay element T1 is shown, which is connected downstream of the PRF generator 5 of the transmission-side circuit 1. As well as that shown in Fig. 2
  • Embodiment works the embodiment shown in Fig. 3 in a first
  • the time delay element T1 is activated by the microcontroller 16. This activation may be, for example, the switching of a second switch S2, this second switch S2, as shown in FIG. 3, being switched on the basis of a control signal of the microcontroller 16, so that the output signal SAX of the PRF generator 5 is applied to the time delay element T1 is redirected.
  • the time delay element T1 serves to set a predetermined delay in the
  • Transmitter signal S T x generated, which then, as described above, in the same manner as a reflected received signal SRX via the coupling element 3 is coupled to the receiving-side circuit 2 and evaluated.
  • the test echo signal shown in the envelope will appear at a point in the envelope corresponding to a later time or distance.
  • the delay may be set so that the test echo signal appears at a predetermined location on the envelope.
  • a delay element that introduces a delay of 33ns.
  • a 33ns delay of the duration of a pulse corresponds to a 10 meter running distance.
  • S T x which is emitted, is partially reflected by an object and after a total of 10 meters running distance from the
  • Receiving unit 4 is concerned, it is an object that is 5 meters away from the radar device.
  • a transmission signal S T x which is delayed by 33 ns, then appears as a test echo signal at a location in the envelope corresponding to a 5 meter distance. It is thus possible to shift the test echo signal to a region of the envelope where there are few spurious signals.
  • the transmission signal S T x can be placed outside this ringing area by being delayed.
  • the delay time is selected such that it corresponds to the signal propagation time of a received signal SR X from the lower to medium range of the radar device, wherein the range of range is the distance range that can be clearly detected by the radar device.
  • the delay element T1 is a digital component which sets a predetermined delay with a predetermined accuracy.
  • the delay element T1 can be realized for example by a delay gate or a monoflop circuit.
  • the delay element T1 is activated by a control signal whenever the radar device is to be switched to a second operating mode B2.
  • 4 shows a third embodiment of the radar device according to the invention.
  • 4 shows a delay element T2, which is integrated in the receiving-side circuit arrangement 2.
  • various switches S1, S3, S4, E1, E2 are shown, which can be controlled by the computing unit 16. Control signals can be transmitted from the microcontroller 16 via the paths shown as dashed lines to the various switches and to the transmission amplifier 11.
  • Switch positions of the remaining switches S3, S4, E1, E2 allow different diagnostic methods and different evaluation results. For example, if all switches S3, S4, E1, E2 are open, no signal should be sampled by the A / D converter 15. In the event that a signal arrives at the microcontroller 16, although the
  • Switches S3, S4, E1, E2 are all in an open switch position, this is a proof that an external interference signal is present.
  • the switch position of these switches S3, S4, E1, E2 can correspond to the switch position of the second switch S2 of FIG. 3 by the third switch S3 and the sixth switch E2 closed and the fourth switch S4 and the fifth switch E1 are left open.
  • a diagnostic method can be carried out by the arithmetic unit 16 comparing the test echo signal in an envelope formed by the transmission signal STX with a specification of the transmission-side circuit 1 and / or arithmetic unit 16, in particular with respect to the shape of the test echo signal ,
  • the shape of the test echo signal is, in addition to the amplitude, such properties as, for example, the width or the slope of the front or rear edge of the test echo signal which are to coincide with the aforementioned specification in a predetermined tolerance range.
  • an intermediate frequency signal S Z F is output at the output of the mixer 13, which corresponds to the coincidence of the signal Si_o generated at the receiving end and the test signal S T EST.
  • two distances can be determined from the temporal occurrence of the intermediate frequency signals SZF, the first intermediate frequency signal S Z F corresponding to a zero distance of the radar device and the second intermediate frequency signal SZF corresponding to one of the selected delay
  • the functionality of the radar device can be checked mainly by the reference distance.
  • Amplitudes of the intermediate frequency signals SZF can be used to check the functionality of the measuring chain or the functionality of the radar device.
  • An unscheduled change in at least one of the assemblies 1-15 of the radar device may cause a distance and / or amplitude deviation.
  • this deviation By means of a comparison between this deviation and at least one reference value, for example a limit value, the proper function of the radar device can be determined and / or monitored.
  • Diagnosis are useful, for example, the collapse of the amplitude of the test echo signal, a change in the reference position of the test echo signal, a change in the width of the test echo signal maximum, a change in the frequency of
  • Intermediate frequency signal S Z F in the test echo signal maximum and / or a change in the position or shape of the test echo signal maximum can initiate these listed errors. For example, when the amplitude of the test echo signal falls, it may be that a drop in the gain from the receive amplifier 12 or receive mixer 13 is behind it. If the reference position of the test echo signal changes, this may indicate a frequency change F5, F6 in the PRF generators 5, 6. If the width of the test echo signal maximum changes, there is a possible change in the pulse width of the pulse shorteners 7, 8. If the frequency F Z F changes of the intermediate frequency signal SZF in the test echo signal maximum, this indicates a change in frequency of the transmitting oscillator 9 and / or the local oscillator 10.
  • these two signals S T x, S L o hit the receive mixer 13 and generate an intermediate frequency signal SZF, wherein the test echo signal, which is derived from the intermediate frequency signal S Z F, appears at a position of the envelope that a negative Distance equals.
  • SZF intermediate frequency signal
  • all switches S3, S4, E1, E2 are closed, a total of four test echo signals are formed.
  • the transmission-side delay element T1 and the reception-side delay element T2 are set to introduce the same delay, two of these four test echo signals should appear at zero distance, and the other two test echo signals should be at a positive or negative negative running distance corresponding to the delay from the zero distance appears.
  • Temperature determination by shifting the position of a Test echo signal after the use of the delay elements T1, T2 is correlated with the existing temperature.
  • FIG. 5 shows two variants of a coupling element 3 known to the person skilled in the art, which fulfill the function required by the radar device according to the invention.
  • FIG. 5 a shows a realization of the coupling element 3 as a line circuit
  • FIG. 5 b proposes a possibility with concentrated components.
  • Examples are classified under the generic term hybrid coupler. Due to the suitable realization of the coupling element 3 as a hybrid coupler, the fourth connection T is decoupled in the first operating mode B1 when receiving signals SRX are received. In the second operating mode B2, however, the second terminal A is decoupled, so that the majority of the transmission signal STX reaches the reception mixer 13 via the reception amplifier 12 and only a negligibly small proportion is emitted via the transmission / reception unit 4. 6 shows this relationship using the example of a hybrid coupler 3 realized in line technology.
  • the hybrid coupler 3 is shown in the first operating mode B1 in the transmission case.
  • transmission signals S T x which are present at the first terminal S, are transmitted to the second terminal A and fourth terminal T.
  • Almost no signal component of the transmission signal S T x reaches the third terminal E, which leads to the receiving-side circuit arrangement 2.
  • Fig. 6b a reception case is shown. Reflected signals SRX, which are incident on the transmitting / receiving unit 4, are guided by the transmitting / receiving unit 4 to the second terminal A of the hybrid coupler 3. As already mentioned in connection with FIG. 5, the fourth connection T is decoupled in this case.
  • FIG. 6c shows the mode of operation of the hybrid coupler 3 in the second operating mode B2.
  • the test signals STEST are supplied to the fourth terminal T.
  • a signal applied at the terminal T STEST reaches both the first terminal S and the third terminal E.
  • FIG. 7a shows a switch position of the first switch S1, which enables a reflection-free termination of the first terminal S of the coupling element 3 in the second operating mode B2.
  • the first terminal S is additionally connected via a resistor R to ground. In the switch position for the first operating mode B1, however, this resistor R is not observed. This is shown in Fig. 7b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit einer mit Mikrowellen arbeitenden Radarvorrichtung, wobei die Radarvorrichtung eine sendeseitige Schaltungsanordnung (1), ein Koppelelement (3), eine Sende-/Empfangseinheit (4) und eine empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) aufweist, sowie eine mit Mikrowellen arbeitende Radarvorrichtung mit einer Selbstüberwachungsfunktion, dadurch gekennzeichnet, dass ein Koppelelement (3) in einem zweiten Betriebsmodus (B2) der Radarvorrichtung das Sendesignal (STX) direkt an die empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) ankoppelt, und dass die empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) eine Information über die Funktionstüchtigkeit der Radarvorrichtung anhand des abgetasteten Sendesignals (STX) liefert.

Description

Verfahren zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit einer Radarvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit einer mit Mikrowellen arbeitenden Radarvorrichtung sowie eine mit Mikrowellen arbeitende Radarvorrichtung mit einer Selbstüberwachungsfunktion, wobei die Radarvorrichtung eine sendeseitige Schaltungsanordnung, ein Koppelelement, eine Sende-/Empfangseinheit und eine empfangsseitige Schaltungsanordnung aufweist, umfassend die folgende Schritte:
-ein elektromagnetisches Sendesignal wird von der sendeseitigen Schaltungsanordnung generiert,
-in einem ersten Betriebsmodus wird das Sendesignal vermittels des Koppelelements an die Sende-/Empfangseinheit gekoppelt,
-das Sendesignal wird von der Sende-/Empfangseinheit abgestrahlt,
-in dem Fall, dass zumindest ein Teil des Sendesignals reflektiert wird und an der Sende- /Empfangseinheit einfällt, wird dieses reflektierte Empfangssignal von der Sende- /Empfangseinheit empfangen,
-das Empfangssignal wird vermittels des Koppelelements an die empfangsseitige Schaltungsanordnung gekoppelt, und
-eine in dem Empfangssignal enthaltene Entfernungsinformation wird von der
empfangsseitigen Schaltungsanordnung erfasst
Zur Bestimmung einer Distanz bei der Verwendung einer mit Mikrowellen arbeitenden Radarvorrichtung, werden Mikrowellen mittels einer Sendeeinheit in Richtung eines Gegenstands gesendet und die an der Oberfläche des Gegenstandes reflektierten Echowellen werden von einer Empfangsinheit empfangen. Es wird eine die
Echoamplituden als Funktion der Entfernung darstellende Echofunktion gebildet, aus der ein sogenanntes Nutzechosignal und dessen Laufzeit bestimmt werden. Aus der Laufzeit wird der Abstand zwischen der Gegenstandsoberfläche und der Radarvorrichtung bestimmt. Dabei entspricht das Nutzechosignal reflektierten Mikrowellen, die direkt von der Gegenstandsoberfläche reflektiert wurden.
Insbesondere beim Pulsradar für Füllstandsmessung werden periodisch Mikrowellen- Sendeimpulse, im Folgenden als Wellenpakete bezeichnet, gesendet, die von der Füllgut- Oberfläche reflektiert und nach einer abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen werden. Die empfangene Signalamplitude als Funktion der Zeit stellt eine Echofunktion dar. Jeder Wert dieser Echofunktion entspricht der Intensität der reflektierten
Mikrowellen, die von einem bestimmten Abstand zu einem vorgegebenen Referenzpunkt reflektiert wurden.
In der DE 31 07 444 A1 wird ein hochauflösendes Impulsradarverfahren beschrieben. Ei Generator erzeugt erste Mikrowellenpulse und strahlt sie über eine Antenne mit einer vorgegebenen Sende-Pulswiederholfrequenz in Richtung der Oberfläche des Füllguts aus. Ein weiterer Generator erzeugt Referenz-Mikrowellenpulse, die gleich den ersten Mikrowellenpulsen sind. Die ersten Mikrowellenpulse werden mit einer bestimmten Sende-Pulswiederholfrequenz generiert, wobei sich diese jedoch von der Empfangs- Pulswiederholfrequenz der Referenz-Mikrowellenpulse geringfügig unterscheidet. Das aus mehreren Mikrowellenpulsen entstehende Echosignal und das aus mehreren Referenz-Mikrowellenpulse entstehende Referenzsignal werden gemischt. Am Ausgang des Mischers steht ein Zwischenfrequenzsignal an. Das Zwischenfrequenzsignal hat den gleichen Verlauf wie das Echosignal, ist gegenüber diesem jedoch um einen
Zeitdehnungsfaktor gestreckt, der gleich einem Quotienten aus der Sende- Pulswiederholfrequenz und dem Betrag der Differenz aus der Sende- und der Empfangs- Pulswiederholfrequenzen ist. Bei einer Sende-Pulswiederholfrequenz von einigen Megahertz, einer Frequenzdifferenz der Pulswiederholfrequenzen von wenigen Hertz und einer Mikrowellenfrequenz von einigen Gigahertz liegt die Frequenz des
Zwischenfrequenzsignals unterhalb von 500 kHz. Der Vorteil der Transformation auf die Zwischenfrequenz ist, dass relativ langsame und damit kostengünstige elektronische Bauteile zur Signalerfassung und/oder Signalauswertung verwendet werden können.
Die Laufzeit-Messmethode ist eine von vielen Messmethoden zur Ermittlung des Füllstands in einem Behälter. Bei dieser Messmethode ist die Laufzeit des Messsignals ein Maß für den Abstand. Die Laufstrecke ist gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit. Aus der halben Laufzeit lässt sich demgemäß der Füllstand des Mediums in einem Behälter ermitteln. Die Echofunktion stellt hierbei den gesamten Signalverlauf als Funktion der Zeit dar, wobei jeder Messwert der Echofunktion der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand an einer Oberfläche reflektierten Echosignals entspricht.
Bei der Zeitdifferenzmessung wird die Zeit, die ein breitbandiger Wellensignalimpuls für eine zurückgelegte Wegstrecke benötigt, ermittelt. Das eigentliche Nutzechosignal und dessen Laufzeit werden anhand der sog. Echofunktion bzw. der digitalen Hüllkurve bestimmt, wobei die Hüllkurve die Amplitude der Echosignale als Funktion des Abstandes 'Antenne - Oberfläche des Füllguts' wiedergibt.
Die Hüllkurve selbst ist das Ergebnis einer Gleichrichtung, optional einer Logarithmierung und einer Digitalisierung der Zwischenfrequenz. Die Entfernungsbestimmung erfolgt über die Bestimmung des Abstandes des Nutzechosignals, das den Füllstand repräsentiert, zu einem Referenzsignal. Die Anzahl der Abtastpunkte zwischen den beiden Maxima bei konstanter Abtastzeit ist dann direkt proportional zum Abstand 'Antenne - Oberfläche des Füllguts'. Mit Mikrowellen arbeitende Füllstandsmeßgeräte werden in sehr vielen Industriezweigen, z. B. in der Chemie oder in der Lebensmittelindustrie, eingesetzt. Typischerweise ist der Füllstand in einem Behälter zu messen. Diese Behälter weisen üblicherweise eine Öffnung auf, an der ein Stutzen oder ein Flansch zur Befestigung eines Messgerätes vorgesehen ist.
Eine Radarvorrichtung, die eingesetzt wird, um den Füllstand in einem Behälter zu bestimmen, weist viele verschiedene Baugruppen auf, die zum Erzeugen der
Messfunktionalität und zur Verarbeitung der Messsignale notwendig sind. Durch
Fehlfunktionen einzelner oder mehrerer dieser Baugruppen können Fehlmessungen entstehen, die unter Umständen nicht von gültigen Messungen unterscheidbar sind.
Veränderungen der Differenz der Pulswiederholfrequenzen, der Pulsdauer, der
Schwingungsfrequenz des Sende- und/oder Empfangsoszillators führen beispielsweise zu Fehlern in der Messdistanz. Solche Fehler können beim Überschreiten zulässiger
Grenzwerte schwerwiegende und möglicherweise sicherheitsrelevante Risiken darstellen. Aus diesem Grund ist es erstrebenswert, die ordnungsgemäße Funktionalität der Radarvorrichtung in kurzen Zeitintervallen zu überprüfen oder sogar im Betrieb permanent zu überwachen.
In der Druckschrift (D1 ) - Kissinger, Lämmle, Wiegel:„Integrated Test for Silicon Front Ends", IEEE microwave magazine, Mai 2010 - sind verschiedene Ansätze zum
Überprüfen der elektronischen Teile eines Radarsystems offenbart. Insbesondere ist eine Rückkopplung zwischen Sende- und Empfangspfad beschrieben, wobei das Sendesignal als Testsignal benutzt wird. Allerdings lassen sich die Möglichkeiten von D1 nicht auf das Pulsradarprinzip für die Füllstandsmessung übertragen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Überprüfung der Baugruppen einer Radarvorrichtung vorzuschlagen, sowie eine mit Mikrowellen arbeitende
Radarvorrichtung mit einer Selbstüberwachungsfunktion anzugeben, die die
Funktionstüchtigkeit möglichst aller Baugruppen eines Pulsradars für Füllstandsmessung überprüfen kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
-in einem zweiten Betriebsmodus (B2) wird das Sendesignal (STX) von der Sende- /Empfangseinheit (4) entkoppelt und vermittels des Koppelelements (3) direkt an die empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) gekoppelt,
-das Sendesignal (STx) wird von der empfangsseitigen Schaltungsanordnung (2) abgetastet, und -eine in dem abgetasteten Sendesignal (STX) enthaltene Information über die
Funktionstüchtigkeit der Radarvorrichtung wird mittels der Auswerteeinheit erfasst.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Sendesignal um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert ausgelöst. Hierfür weist die sendeseitige
Schaltungsanordnung zumindest ein Zeitverzögerungselement auf.
In einer zweiten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die
empfangsseitige Schaltungsanordnung zumindest ein Zeitverzögerungselement auf, und das empfangsseitig generierte Signal wird um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert ausgelöst.
Gemäß einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das
Sendesignal mindestens einmal so geteilt und umgeleitet, dass die mindestens zwei daraus entstehende Sendesignale zeitverzögert einander gegenüber sind.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine mit Mikrowellen arbeitende
Radarvorrichtung mit einer Selbstüberwachungsfunktion gemäß dem Oberbegriff in Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das Koppelelement in einem zweiten Betriebsmodus der Radarvorrichtung das
Sendesignal direkt an der empfangsseitigen Schaltungsanordnung ankoppelt, und dass die empfangsseitige Schaltungsanordnung eine Information über die
Funktionstüchtigkeit der Radarvorrichtung anhand des abgetasteten Sendesignals liefert. In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Radarvorrichtung weist
die sendeseitige Schaltungsanordnung mindestens ein Zeitverzögerungselement auf, das dazu dient, das Sendesignal um eine vorgegebenen Zeitdauer verzögert auszulösen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die empfangsseitige Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Radarvorrichtung mindestens ein Zeitverzögerungselement auf, das dazu dient, das empfangsseitig generierte Signal um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert auszulösen.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Radarvorrichtung ist das Koppelelement ein Hybridkoppler.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die sendeseitige Schaltungsanordnung, das Koppelelement und die empfangsseitige Schaltungsanordnung auf einer monolithischen Mikrowellenschaltung (MMIC) integriert. In einer weiteren Ausgestaltung ist die Sende-/Empfangseinheit auf der monolithischen Mikrowellenschaltung (MMIC) integriert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Radarvorrichtung weist die sendeseitige Schaltungsanordnung mindestens ein Dämpfungsglied auf, das in dem zweiten Betriebsmodus dazu dient, das direkt an die empfangsseitige
Schaltungsanordnung gekoppelte Sendesignal so in seiner Intensität abzuschwächen, dass die empfangsseitige Schaltungsanordnung nicht übersteuert wird. Alternativ zum Dämpfungsglied kann im zweiten Betriebsmodus durch eine
Eingriffsmöglichkeit auf den Sendeverstärker dessen Verstärkung so reduziert werden, dass die empfangsseitige Schaltungsanordnung nicht durch das Sendesignal übersteuert wird. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:
Fig. 1 : ein Blockschaltbild einer Radarvorrichtung gemäß dem Stand der Technik; Fig. 2: ein Blockschaltbild einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Radarvorrichtung;
Fig. 3: ein Blockschaltbild einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Radarvorrichtung;
Fig. 4: ein Blockschaltbild einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Radarvorrichtung;
Fig. 5a, b: zwei dem Fachmann bekannte Varianten eines Koppelelements;
Fig. 6a-c: die Funktion des Koppelelement am Beispiel eines mit Leitungstechnik realisierten Hybridkopplers,
Fig. 7a, b: Schalterstellungen eines ersten Schalters S1 .
Die Verwendungen der erfindungsgemäßen Idee, die in der nachfolgenden Beschreibung näher im Zusammenhang mit jeweils einer nach dem Pulskorrelationsprinzip arbeitenden Radarvorrichtung erläutert sind, sind nicht auf die jeweiligen Augestaltungen beschränkt. Insbesondere würde ein Fachmann erkennen, dass die von der Radarvorrichtung ausgeführte Funktionen, die hier im Zusammenhang mit einem der verschiedenen hier beschriebenen Ausgestaltungen der Radarvorrichtung erläutert werden, an andere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Radarvorrichtung leicht übertragbar sind.
Die in Fig. 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigte Radarvorrichtung weist eine sendeseitige Schaltungsanordnung 1 und eine empfangsseitige Schaltungsanordnung 2 sowie ein Koppelelement 3 auf, das sowohl die sendeseitige Schaltungsanordnung 1 an eine Sende-/Empfangseinheit 4 ankoppelt als auch die Sende-/Empfangseinheit 4 an der empfangsseitigen Schaltungsanordnung 2 ankoppelt. Sowohl die sendeseitige Schaltungsanordnung 1 als auch die empfangsseitige
Schaltungsanordnungen 2 weisen jeweils einen PRF-Generator 5, 6 und einen
Pulsverkürzer 7, 8 auf, wobei PRF für Pulswiederholfrequenz steht (aus dem Englischen „Pulse Repetion Frequency"). Die jeweiligen PRF-Generatoren 5, 6 dienen dazu, jeweils ein regelmäßiges und hochgenau getaktetes Rechtecksignal in Form eines gepulsten rechteckigen elektrischen Signals zu erzeugen. Die Frequenzen der auf diese Weise in den PRF-Generatoren 5, 6 erzeugten Rechtecksignale liegen im unteren MHz-Bereich und unterscheiden sich geringfügig um eine festeingestellte Differenzfrequenz. Die Messgenauigkeit einer Radarvorrichtung, die nach dem Pulskorrelationsprinzip arbeitet, hängt im Wesentlichem von der Frequenzgenauigkeit dieser PRF-Generatoren 5, 6 ab. Aus diesem Grund werden typischerweise Quarzoszillatoren hierfür eingesetzt.
Die sendeseitigen-/ und empfangsseitigen Ausgangssignale SAX , SAi_o werden an jeweils nach den PRF-Generatoren 5, 6 nachgeschaltete Pulsverkürzer 7, 8 geleitet. Die Pulsverkürzer 7, 8 dienen dazu, die Zeitdauer der Pulse des jeweiligen Signals auf eine vorgegebenen Breite zu verkürzen. Die Breite der Pulse kann auch im Sinne einer räumlichen Ausbreitung beschrieben werden. Gemäß Lichtgeschwindigkeit entspricht die Zeitdauer eines Pulses einer räumliche Ausbreitung des Pulses, indem die Zeit mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert wird. Die räumliche Ausbreitung eines Pulses kann, muss aber nicht, einer physikalischen Realität entsprechen, beispielsweise nachdem der Puls in ein freistrahlendes elektromagnetisches Signal umgesetzt wird. Eine typische Zeitdauer eines Pulses beträgt wenige Nanosekunden, insb. weniger als 10
Nanosekunde, bspw. 1 Nanosekunde. Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. Lichtgeschwindigkeit 3*10Λ8 Meter pro Sekunde beträgt, entspricht eine 1 ns Puls einer räumlichen Ausbreitung von 0,3 Meter.
Die sendeseitigen Pulse werden weiterhin zu einem Sendeoszillator 9 geführt. Dieser Sendeoszillator 9 erzeugt als Sendesignal STx hochfrequente Wellenpakete, die die Pulslänge der Pulse aufweisen. Die Anzahl der im Schwingungspaket enthaltenen Schwingungen richtet sich nach der Pulslänge und der Oszillatorfrequenz F9 des Sendeoszillators 9. Beispielsweise ergibt sich bei einer Oszillatorfrequenz F9 von 30 GHz und einer Pulsdauer, die 1 ns beträgt, ein Sendepuls, der 30 Schwingungen enthält. In anderen Worten hat dann eine Schwingung eine Länge von einem Zentimeter. Ein Sendesignal, das solche regelmäßigen Sendepulse aufweist, wird verstärkt 1 1 und mittels der Koppeleinheit 3 an eine Sende-/Empfangseinheit 4, wie beispielsweise eine Antenne, gekoppelt und mittels der Sende-/Empfangseinheit 4 abgestrahlt.
Die empfangsseitigen Pulse werden einem Oszillator 10, in diesem Fall einem
sogenannten Lokaloszillator (LO), zugeführt. Es wird dabei ein aus hochfrequenten Pulsen gebildetes empfangsseitiges Signal SLo generiert.
In dem Fall, dass zumindest ein Teil des abgestrahlten Sendesignals STx von einem Gegenstand, wie beispielsweise einem Medium in einem Behälter, zurückreflektiert wird und auf der Sende-/Empfangseinheit 4 einfällt, wird dieses einfallende Signal SRX von der Sende-/Empfangseinheit 4 empfangen und von der Koppeleinheit 3 an einen Verstärker 12 weitergeleitet. Sowohl das daraus resultierende Empfangssignal SRX als auch das empfangsseitig generierte Signal Si_o werden einem Empfangsmischer 13 zugeführt. Der Empfangsmischer 13 dient dazu, ein zeitgedehntes Zwischenfrequenzsignal SZF ZU erzeugen, das den Informationsinhalt des Empfangssignals SRX beinhaltet, aber mit einer vorgegebenen niedrigen Frequenz FZF oszilliert, so dass das Zwischenfrequenzsignal SZF ohne hohem Aufwand mit einem Analog zu Digital (A/D) Wandler 15 abgetastet werden kann. Die auf diese Weise digitalisierte Information wird dann an eine Recheneinheit 16, wie beispielsweise einen Mikrocontroller 16, weitergeleitet.
Anhand der digitalisierten Information wird meist eine sogenannte Hüllkurve gebildet. Die Hüllkurve entspricht einer graphischen Darstellung der Amplitude des einfallenden Empfangssignals SRX in Abhängigkeit der Zeit. Somit ist es möglich ein Echosignal, welches einem reflektierten Anteil SRX des Sendesignals STX entspricht, zu erkennen. Aus der Laufzeit wird dann eine Laufdistanz ermittelt. Fig. 2 stellt ein Blockschaltbild einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Radarvorrichtung dar. Um eine Überwachung der verschiedenen Baugruppen 1 -15 bei einer aus den Stand der Technik bekannten Radarvorrichtung durchzuführen, wird in der sendeseitigen Schaltungsanordnung 1 ein Schalter S1 dem Sendeoszillator 9 und/oder dem Sendeverstärker 1 1 nachgeschaltet. In einem ersten Betriebsmodus B1 befindet sich der Schalter S1 bereits in einer ersten Schalterstellung 1 und das Sendesignal STx wird auf die herkömmliche Art und Weise an einen ersten Anschluss S des Koppelelements 3 angekoppelt und mittels des Koppelelements 3 über einen zweiten Anschluss A an die Sende-/Empfangseinheit 4 angekoppelt. Das in Fig. 2 gezeigte Koppelelement 3 weist insgesamt vier Anschlüsse S, T, A, E auf. Im ersten Betriebsmodus B1 werden weiterhin reflektierte Empfangssignalen SRX, die mittels der Sende-/Empfangseinheit 4 empfangen werden, dem zweiten Anschluss A des Koppelelements zugeführt und über einen dritten Anschluss E an den Empfangsverstärker 12 und Empfangsmischer 13 weitergeleitet.
In einem zweiten erfindungsgemäßen Betriebsmodus B2 wird der Schalter S1
beispielsweise von einem Mikrocontroller 16 in eine zweite Schalterstellung 2 geschaltet, und das Sendesignal STX wird so umgeleitet, dass das Sendesignal STX einem vierten Anschluss T des Koppelelements 3 zugeführt wird. Das Koppelelement 3 ist so ausgestaltet, dass Signale STX, die an dem vierten Anschluss T angekoppelt werden, bei dem dritten Anschluss E ausgegeben werden. Dies ist eine einfache Möglichkeit, Sendesignale STX direkt an den Empfangsverstärker 12 und Empfangsmischer 13 anzukoppeln.
In Fig. 2 ist weiterhin ein Dämpfungselement α gezeigt. Das Dämpfungselement α und der Sendeverstärker 1 1 bestimmen die Leistung des Sendesignals STX. In dem ersten Betriebsmodus B1 wird die Sendeleistung erhöht, so dass die reflektierten Anteile des Sendesignals, die als Empfangssignale SRX zurückkehren, ausreichend Energie haben, so dass die Empfangssignale SRX von der Sende-/Empfangseinheit 4 registriert und ausgewertet werden können. In dem zweiten Betriebsmodus B2 ist jedoch die für den ersten Betriebsmodus B1 eingestellte Sendeleistung zu hoch. Aus diesem Grund wird die Sendeleistung mittels des Dämpfungselements α und/oder des Sendeverstärkers 1 1 reduziert. Der Sendeverstärker 1 1 kann beispielsweise mittels eines Steuersignals von dem Mikrocontroller 16 auf eine minimale Sendeleistungsabgabe eingestellt werden.
Nachdem das Sendesignal STx direkt an den Empfangsverstärker 12 gekoppelt wird, wird es weitergeleitet zum Empfangsmischer 13. In dem Empfangsmischer 13 wird das Signal SRX mit dem empfangsseitig generierten gepulsten Signal SLo gemischt. Der
niederfrequente Anteil des Zwischenfrequenzsignals SZF, das vom Empfangsmischer 13 ausgegeben wird, wird durch einen dem Ausgang des Empfangsmischers 13
nachgeschalteten Filter 14 durchgelassen und an einen Analog/ Digital Wandler 15 weitergeleitet. Der Ausgang des A/D Wandlers 15 führt zu dem Mikrocontroller 16.
Aus dem oben beschriebenen Verfahren zur Abtastung des an die empfangsseitige Schaltungsanordnung 2 angekoppelten Signals SRX wird eine Information erfasst, die meistens in Form einer Hüllkurve dargestellt wird. Eine Hüllkurve, die auf diese Weise gebildet ist, weist ein Test-Echosignal auf, das dem Sendesignal STx entspricht. In dem zweiten Betriebsmodus B2 weist das Test-Echosignal der Hüllkurve nach Vorgabe der sendeseitigen Schaltungsanordnung 1 eine bestimmte Form auf. Beispielsweise weist bei einer vorgegebenen eingestellten Sendeleistung des Sendesignals STX das Test- Echosignal eine bestimmte Amplitude auf. Bei einer Erhöhung der Sendeleistung wird die Amplitude des Test-Echosignals größer. Es ist somit möglich, die Funktionstüchtigkeit der Radarvorrichtung zu überprüfen, indem überprüft wird, ob das Test-Echosignal innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs entsprechend den Vorgaben der sendeseitigen Schaltungsanordnung 1 liegt. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Radarvorrichtung. Die Komponenten der in Fig. 3 gezeigten Ausgestaltung funktionieren im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie die in Fig. 2 gezeigten Komponenten. In Fig. 3 ist ein Zeitverzögerungselement T1 gezeigt, das dem PRF-Generator 5 der sendeseitigen Schaltungsanordnung 1 nachgeschaltet ist. Ebenso wie die in Fig. 2 gezeigte
Ausgestaltung funktioniert die in Fig. 3 gezeigte Ausgestaltung in einem ersten
Betriebsmodus B1 und einem zweiten Betriebsmodus B2. In dem zweiten Betriebsmodus B2 wird das Zeitverzögerungselement T1 von dem MikroController 16 aktiviert. Beim Aktivieren kann es sich hierbei beispielsweise um das Schalten eines zweiten Schalters S2 handeln, wobei dieser zweite Schalter S2, wie in Fig. 3 gezeigt, aufgrund eines Steuersignals des Mikrocontrollers 16 geschaltet wird, sodass das Ausgangssignal SAX des PRF-Generators 5 an das Zeitverzögerungselement T1 umgeleitet wird. Das Zeitverzögerungselement T1 dient dazu, eine vorgegebene Verzögerung in das
Ausgangssignal SAX des PRF-Generators einzuschleusen. Dadaurch wird nach
Durchlaufen der Pulsverkürzerstufe 7 vom Sendeoszillator ein zeit verzögertes
Sendesignal STx erzeugt, das dann, wie oben beschrieben, auf die gleiche Weise wie ein reflektiertes Empfangssignal SRX über das Koppelelement 3 an der empfangsseitigen Schaltungsanordnung 2 angekoppelt und ausgewertet wird.
Aufgrund der Verzögerung wird das Test-Echosignal, das in der Hüllkurve gezeigt wird, an einer Stelle in der Hüllkurve erscheinen, die einen späteren Zeitpunkt bzw. einer größeren Distanz entspricht. Die Verzögerung kann so eingestellt sein, dass das Test- Echosignal an einer vorgegebenen Stelle der Hüllkurve erscheint. Beispielsweise ist es möglich, ein Verzögerungselement zu verwenden, das eine Verzögerung von 33ns einschleust. Eine 33ns Verzögerung der Laufzeit eines Pulses entspricht einer 10 Meter Laufdistanz. Bei einem Sendesignal STx, das ausgesendet wird, teilweise von einem Gegenstand reflektiert wird und nach insgesamt 10 Meter Laufdistanz von der
Empfangseinheit 4 empfangen wird, handelt es um einen Gegenstand, der 5 Meter von der Radarvorrichtung entfernt ist. Ein Sendesignal STx, das um 33ns verzögert wird, erscheint dann als Test-Echosignal an einer Stelle in der Hüllkurve, die einer 5 Meter Entfernung entspricht. Es ist somit möglich, das Test-Echosignal in einen Bereich der Hüllkurve, in dem wenig Störsignale vorhanden sind, zu verlagern. Bei hochfrequenten Radarvorrichtungen gibt es im Nahbereich einen sogenannten Klingelbereich, in dem Störsignale auftreten, die u.a. durch Übergänge zwischen verschieden Komponente der sendeseitigen Schaltungsanordnung 1 erzeugt werden. Das Sendesignal STx kann außerhalb dieses Klingelbereichs platziert werden, indem es verzögert wird. Vorteilhaft wird die Verzögerungszeit so gewählt, dass sie der Signallaufzeit eines Empfangssignals SRX aus dem unteren bis mittleren Reichweitenbereich der Radarvorrichtung entspricht, wobei der Reichweitenbereich der Distanzbereich ist, den die Radarvorrichtung eindeutig erfassen kann.
Das Verzögerungselement T1 ist eine digitale Komponente, die mit einer vorgegebenen Genauigkeit eine vorgegebene Verzögerung einstellt. Das Verzögerungselement T1 kann beispielsweise durch ein Laufzeitgatter oder eine Monoflopschaltung realisiert werden. Das Verzögerungselement T1 wird durch ein Steuersignal immer dann aktiviert, wenn die Radarvorrichtung in einen zweiten Betriebsmodus B2 eingeschaltet werden soll.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Radarvorrichtung. Fig. 4 zeigt ein Verzögerungselement T2, das in der empfangsseitigen Schaltungsanordnung 2 integriert ist. Weiterhin sind verschieden Schalter S1 , S3, S4, E1 , E2 dargestellt, die von der Recheneinheit 16 aus gesteuert werden können. Steuersignale können von dem Mikrocontroller 16 über die als Strichlinien dargestellten Pfade an die verschiedenen Schalter und an den Sendeverstärker 1 1 übertragen werden.
Wenn die Radarvorrichtung in den zweiten Betriebsmodus B2 eingeschaltet wird, indem der erste Schalter S1 über ein Steuersignal betätigt wird, kann ein Diagnoseverfahren durchgeführt werden. Die verschiedenen möglichen Kombinationen der
Schalterstellungen der übrige Schalter S3, S4, E1 , E2 ermöglichen verschiedene Diagnoseverfahren und unterschiedliche Auswerteergebnisse. Wenn beispielsweise alle Schalter S3, S4, E1 , E2 offen sind, soll kein Signal von dem A/D Wandler 15 abgetastet werden. In dem Fall, dass ein Signal beim Mikrocontroller 16 ankommt, obwohl die
Schalter S3, S4, E1 , E2 alle in einer offenen Schalterstellung sind, ist das ein Beweis dafür, dass ein externes Störsignal vorliegt.
Die Schalterstellung dieser Schalter S3, S4, E1 , E2 kann der Schalterstellung des zweiten Schalters S2 aus Fig. 3 entsprechen, indem der dritte Schalter S3 und der sechste Schalter E2 geschlossen und der vierte Schalter S4 und der fünfte Schalter E1 offen gelassen sind. In dieser Schalterstellung kann ein Diagnoseverfahren durchgeführt werden, indem die Recheneinheit 16 das Test-Echosignal in einer aus dem Sendesignal STX gebildeten Hüllkurve mit einer Vorgabe der sendeseitigen Schaltungsanordnung 1 und/oder Recheneinheit 16 vergleicht, insb. in Bezug auf die Form des Test-Echosignals. Bei der Form des Test-Echosignals handelt es sich neben der Amplitude um solche Eigenschaften wie z.B. die Breite oder die Steigung der vorderen oder hinteren Flanke des Test-Echosignals die in einem vorgegebenen Toleranzbereich mit der zuvor genannten Vorgabe übereinstimmen sollen. Es besteht eine weitere Möglichkeit zur Diagnose in dem Fall, dass die zwei Schalter S3, S4, die in der sendeseitigen Schaltungsanordnung 1 angeordnet sind, beide geschlossen sind. Wenn beide Schalter S3, S4 geschlossen sind, werden zwei Pulse generiert. Es wird in diesem Fall bei jeder auslösenden Flanke des sendeseitigen PRF-Signals Six der sendeseitige Pulsverkürzer 7 und der Sendeoszillator 9 zweimal ausgelöst, wobei der zweite Auslösepunkt um die eingestellte Verzögerung gegenüber dem ersten verschoben ist. Die beiden im folgenden Testsignal STEST genannten Sendesignale STx werden über den ersten Schalter S1 in der Schalterstellung, die dem zweiten Betriebsmodus B2 entspricht, über das Dämpfungselement α in das Koppelelement 3 eingespeist.
Auf die übliche Weise wird ein Zwischenfrequenzsignal SZF am Ausgang des Mischers 13 ausgegeben, das dem Aufeinandertreffen des empfangsseitig generierten Signals Si_o und des Testsignals STEST entspricht. Wie oben beschrieben, können aus dem zeitlichen Auftreten der Zwischenfrequenz-Signale SZF zwei Distanzen bestimmt werden, wobei das erste Zwischenfrequenzsignal SZF einer Nulldistanz der Radarvorrichtung entspricht und das zweite Zwischenfrequenzsignal SZF einer der gewählten Verzögerung
entsprechenden Referenzdistanz. Die Funktionsfähigkeit der Radarvorrichtung kann vorwiegend durch die Referenzdistanz überprüft werden. Durch die Vorgabe der sendeseitigen Schaltungsanordnung 1 , und insbesondere des Dämpfungselements α und des als bekannt anzunehmenden Koppelfaktors des Koppelelements 3, sind auch die
Amplituden der Zwischenfrequenzsignale SZF zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Messkette bzw. der Funktionstüchtigkeit der Radarvorrichtung nutzbar. Eine nicht vorgesehene Änderung in wenigstens einer der Baugruppen 1-15 der Radarvorrichtung kann eine Distanz- und/oder Amplitudenabweichungen verursachen. Mittels eines Vergleichs zwischen dieser Abweichung und zumindest einem Referenzwert, bspw. einem Grenzwert, kann die ordnungsgemäße Funktion der Radarvorrichtung bestimmt und/oder überwacht werden.
Eigenschaften des Zwischenfrequenzsignals SZF, die für die zuvor beschriebene
Diagnose nutzbar sind, sind beispielsweise das Einbrechen der Amplitude des Test- Echosignals eine Veränderung der Referenzposition des Test-Echosignals eine Änderung der Breite des Test-Echosignalmaximums, eine Veränderung der Frequenz des
Zwischenfrequenzsignals SZF im Test-Echosignalmaximum und/oder eine Veränderung der Position oder Form des Test-Echosignalmaximums. Verschiedene Ursachen können diese gelisteten Fehler einleiten. Beispielsweise kann es beim Einbrechen der Amplitude des Test-Echosignals sein, dass ein Abfall der Verstärkung vom Empfangsverstärker 12 oder Empfangsmischer 13 dahinter steht. Verändert sich die Referenzposition des Test- Echosignals kann das auf eine Frequenzveränderung F5, F6 in den PRF Generatoren 5, 6 hinweisen. Ändert sich die Breite des Test-Echosignalmaximums, gibt es eine mögliche Pulsbreitenveränderung der Pulsverkürzer 7, 8. Bei einer Veränderung der Frequenz FZF des Zwischenfrequenzsignals SZF im Test-Echosignalmaximum, deutet dies auf eine Frequenzänderung des Sendeoszillators 9 und/oder des Lokaloszillators 10 hin. Bei einer sehr großen Änderung in der Frequenz F9, F10 des Sendeoszillators 9 und/oder des Lokaloszillators 10 kann dies auch als Amplitudenabfall des Test-Echosignals auftreten, da die Frequenz FZF des Zwischenfrequenzsignals SZF in diesem Fall eventuell nicht mehr den dem Empfangsmischer 13 nachgeschalteten Filter 14 passieren kann. Bei einer Veränderung der Position oder Form des Test-Echosignalmaximums ist es möglich, dass eine fehlerhafte Datenaufzeichnung durch den Analog/Digital Wandler 15 auftritt. Durch die Entkopplung der Sende-/Empfangseinheit 4 im zweiten Betriebsmodus B2 wird gewährleistet, dass sich keine nennenswerten reflexionsbedingten Echosignalen SRX aus der Szenerie dem Test-Echosignal überlagern und so eine genaue Auswertung des Test- Echosignals stören. Es sind weitere Schalterstellungen möglich, womit noch mehr Diagnoseinformationen gewonnen werden können. Beispielsweise, wenn der dritte Schalter S3 und der sechste Schalter E2 offen sind, und der vierte Schalter S4 und der fünfte Schalter E1 geschlossen sind, wird nur das empfangsseitig generierte Signal SLo verzögert, während das sendeseitige Sendesignal Six ohne Verzögerung generiert wird. Im zweiten
Betriebsmodus B2 werden diese zwei Signale STx, SLo auf den Empfangsmischer 13 treffen und ein Zwischenfrequenzsignal SZF generieren, wobei das Test-Echosignal, das aus dem Zwischenfrequenzsignal SZF abgeleitet wird, an einer Stelle der Hüllkurve erscheint, die einer negativen Distanz entspricht. Wenn alle Schalter S3, S4, E1 , E2 geschlossen sind, bilden sich insgesamt vier Test- Echosignale. In dem Fall, dass das sendeseitige Verzögerungselement T1 und das empfangsseitige Verzögerungselement T2 so eingestellt sind, dass sie die gleiche Verzögerung einschleusen, sollen zwei von diesen vier Test-Echosignalen an Nulldistanz erscheinen, und die anderen zwei Test-Echosignale sollen auf eine jeweils positive oder negative der Verzögerung entsprechende Laufdistanz von der Nulldistanz erscheinen. In dem Fall, dass eine oder mehrere dieser Erwartungen nicht erfüllt werden, gibt es einen Hinweis darauf, dass mindestens eines der Verzögerungselemente T1 , T2 eine nicht vorgegebene Verzögerung einstellt. Mit der Verwendung von verschiedenen Schalterstellungen in einem Diagnoseverfahren ist es möglich, eine Temperaturabhängigkeit der Verzögerungselemente T1 , T2 zu kompensieren. Andererseits ist es selbstverständlich auch möglich, in dem Fall, dass eine Temperaturabhängigkeit der Verzögerungselemente T1 , T2 bekannt ist, eine
Temperaturbestimmung durchzuführen, indem eine Verschiebung der Position eines Test-Echosignals nach dem Einsatz der Verzögerungselemente T1 , T2 mit der vorhandenen Temperatur korreliert wird.
Fig. 5 zeigt zwei dem Fachmann bekannte Varianten eines Koppelelements 3, die die von der erfindungsgemäßen Radarvorrichtung geforderten Funktionsweise erfüllen. In Fig. 5a ist eine Realisierung des Koppelelements 3 als Leitungsschaltung dargestellt, und in Fig. 5b wird eine Möglichkeit mit konzentrierten Bauelementen vorgeschlagen. Diese
Beispiele sind unter dem Oberbegriff Hybridkoppler einzuordnen. Durch die geeignete Realisierung des Koppelelements 3 als Hybridkoppler ist im ersten Betriebsmodus B1 beim Empfang von Empfangssignalen SRX der vierte Anschluss T entkoppelt. Im zweiten Betriebsmodus B2 ist dagegen der zweite Anschluss A entkoppelt, so dass der Großteil des Sendesignals STX über den Empfangsverstärker 12 an den Empfangsmischer 13 gelangt und nur ein vernachlässigbar kleiner Anteil über Sende-/Empfangseinheit 4 abgestrahlt wird. Fig. 6 zeigt diesen Zusammenhang am Beispiel eines in Leitungstechnik realisierten Hybridkopplers 3.
In Fig. 6a ist der Hybridkoppler 3 im ersten Betriebsmodus B1 beim Sendefall gezeigt. Hierbei werden Sendesignale STx, die an dem ersten Anschluss S anliegen, an den zweiten Anschluss A und vierten Anschluss T ausgesendet. Nahezu kein Signalanteil des Sendesignals STx gelangt an den dritten Anschluss E, der zu der empfangsseitigen Schaltungsanordnung 2 führt. Durch die Schalterstellung des ersten Schalters S1 im ersten Betriebsmodus B1 und des schon vorhandenen Dämpfungselement α ist eine für die gewünschte Funktion des Hybridkopplers 3 nötige Wellenimpedanz am vierten Anschluss T des Hybridkopplers 3 gegeben.
In Fig. 6b ist ein Empfangsfall gezeigt. Reflektierte Signale SRX, die auf der Sende- /Empfangseinheit 4 einfallen, werden von der Sende-/Empfangseinheit 4 zum zweiten Anschluss A des Hybridkopplers 3 geführt. Wie schon im Zusammenhang mit Fig. 5 erwähnt, ist der vierte Anschluss T in diesem Fall entkoppelt.
Fig. 6c zeigt die Funktionsweise des Hybridkopplers 3 im zweiten Betriebsmodus B2. Im zweiten Betriebsmodus B2 werden die Testsignale STEST dem vierten Anschluss T zugeführt. Wie anhand der gezeichneten Pfeile gezeigt wird, gelangt ein beim Anschluss T anliegendes Signal STEST sowohl zum ersten Anschluss S als auch zum, dritten Anschluss E. Bei der Realisierung als Hybridkoppler 3 ist die Funktion des
Koppelelements 3 auf die zuvor beschriebene Weise nur gegeben, wenn die
Wellenimpedanz des Kopplers an den Anschlüssen abgestimmt ist. Daher muss der erste Anschluss S des Koppelelements 3 bezüglich der Wellenimpedanz, insb. wenn der erste Schalter S1 in der Schalterstellung für den zweiten Betriebsmodus B2 geschaltet ist, reflexionsfrei ausgestaltet sein. Eine mögliche Lösung dazu ist in Fig. 7 gezeigt. Fig. 7 a zeigt eine Schalterstellung des ersten Schalters S1 , die einen reflexionsfreien Abschluss des ersten Anschlusses S des Koppelelements 3 im zweiten Betriebsmodus B2 ermöglicht. Im zweiten Betriebsmodus B2 wird der erste Anschluss S zusätzlich über einen Widerstand R an Masse angeschlossen. Bei der Schalterstellung für den ersten Betriebsmodus B1 dagegen ist dieser Widerstand R nicht zu beachten. Dies ist in Fig. 7b gezeigt.
Bezugszeichenliste
1 sendeseitige Schaltungsanordnung
2 empfangsseitige Schaltungsanordnung 3 Koppelelement/ Hybridkoppler
4 Sende-/Empfangseinheit
5 sendeseitiger PRF-Generator
6 empfangsseitiger PRF-Generator
7 sendeseitiger Pulsverkürzer
8 empfangsseitiger Pulsverkürzer
9 Sendeoszillator
10 Lokaloszillator
1 1 sendeseitiger Verstärker
12 empfangsseitiger Verstärker
13 Empfangsmischer
14 Filter
15 A/D Wandler
16 Recheneinheit/Controller
B1 erster Betriebsmodus
B2 zweiter Betriebsmodus
S, A, E, T Anschlüsse des Koppelelements
SAX Ausgangssignal
STX Sendesignal
SRX Empfangssignal
SLO Lokaloszillator
STEST Testsignale

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung der Funktionstüchtigkeit einer mit Mikrowellen arbeitenden Radarvorrichtung, wobei die Radarvorrichtung eine sendeseitige Schaltungsanordnung (1 ), ein Koppelelement (3), eine Sende-/Empfangseinheit (4) und eine empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) aufweist, umfassend die folgenden Schritte:
-ein elektromagnetisches Sendesignal (STX) wird von der sendeseitigen
Schaltungsanordnung (1 ) generiert,
-in einem ersten Betriebsmodus (B1 ) wird das Sendesignal (STX) vermittels des
Koppelelements (3) an die Sende-/Empfangseinheit (4) gekoppelt,
-das Sendesignal (STX) wird von der Sende-/Empfangseinheit (4) abgestrahlt,
-in dem Fall, dass zumindest ein Teil des Sendesignals (STx) reflektiert wird und an der Sende-/Empfangseinheit einfällt, wird dieses reflektierte Empfangssignal (SRX) von der Sende-/Empfangseinheit (4) empfangen,
-das Empfangssignal (SRX) wird vermittels des Koppelelements (3) an die empfangsseitig Schaltungsanordnung (2) gekoppelt, und
-eine in dem Empfangssignal (SRX) enthaltene Entfernungsinformation wird von der empfangsseitigen Schaltungsanordnung (2) erfasst. gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
-in einem zweiten Betriebsmodus (B2) wird das Sendesignal (STX) von der Sende- /Empfangseinheit (4) entkoppelt und vermittels des Koppelelements (3) direkt an die empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) gekoppelt,
-eine Information über die Funktionstüchtigkeit der Radarvorrichtung wird von der empfangsseitigen Schaltungsanordnung (2) erfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die sendeseitige Schaltungsanordnung (1 ) zumindest ein Zeitverzögerungselement (T1 ) aufweist, gekennzeichnet durch den Schritt: -das Sendesignal (STx) wird um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert ausgelöst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) zumindest ein Zeitverzögerungselement (T2) aufweist, gekennzeichnet durch den Schritt:
-das empfangsseitig generierte Signal (Si_o) wird um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert ausgelöst.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet durch den Schritt: -das Sendesignal (STX) wird mindestens einmal so geteilt und umgeleitet, dass die mindestens zwei daraus entstehenden Sendesignale (STx, STEST) zeitverzögert einander gegenüber sind.
5. Eine mit Mikrowellen arbeitende Radarvorrichtung mit einer
Selbstüberwachungsfunktion, wobei die Radarvorrichtung
-eine sendeseitige Schaltungsanordnung (1 ) aufweist, die dazu dient, ein Sendesignal (STX) ZU generieren,
-eine Sende-/Empfangseinheit (4) aufweist, die dazu dient Sendesignale (STx) zu senden und Empfangssignale (SRX) ZU empfangen,
-eine empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) aufweist, die dazu dient, ein
Empfangssignal (SRX) abzutasten, und
-ein Koppelelement (3) aufweist, das in einem ersten Betriebsmodus (B1 ) der
Radarvorrichtung dazu dient, das Sendesignal (STX) an die Sende-/Empfangseinheit (4) anzukoppeln, und das Empfangssignal (SRX) an die empfangsseitigen
Schaltungsanordnung (2) anzukoppeln,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Koppelelement (3) in einem zweiten Betriebsmodus (B2) der Radarvorrichtung das Sendesignal (STX) direkt an der empfangsseitigen Schaltungsanordnung (2) ankoppelt, und
dass die empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) eine Information über die
Funktionstüchtigkeit der Radarvorrichtung anhand des abgetasteten Sendesignals (STx) liefert.
6. Radarvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die sendeseitige Schaltungsanordnung (1 ) mindestens ein Zeitverzögerungselement (T1 ) aufweist, das dazu dient, das Sendesignal (STx) um eine vorgegebenen Zeitdauer verzögert auszulösen.
7. Radarvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) mindestens ein Zeitverzögerungselement (T2) aufweist, das dazu dient, das empfangsseitig generierte Signal (Si_o) um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert auszulösen.
8. Radarvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Koppelelement (3) ein Hybridkoppler (3) ist.
9. Radarvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die sendeseitige Schaltungsanordnung (1 ), das Koppelelement (3) und die
empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) auf einer monolithischen
Mikrowellenschaltung (MMIC) integriert sind.
10. Radarvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sende-/Empfangseinheit (4) auf der monolithischen Mikrowellenschaltung (MMIC) integriert ist.
1 1. Radarvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die sendeseitige Schaltungsanordnung (1 ) mindestens ein Dämpfungsglied (a) aufweist, das in dem zweiten Betriebsmodus (B2) dazu dient, das direkt an die empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) gekoppelte Sendesignal (STX) SO in seiner Intensität abzuschwächen, dass die empfangsseitige Schaltungsanordnung (2) nicht übersteuert wird.
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