DE19637257C2

DE19637257C2 - Radar-Entfernungsmesser, der zur Auswertung FFT zu Hilfe nimmt und nach dem Prinzip eines periodisch frequenzmodulierten Radars arbeitet

Info

Publication number: DE19637257C2
Application number: DE19637257A
Authority: DE
Inventors: Markus Niclas
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2016-09-14
Also published as: DE19637257A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Radar-Entfernungsmesser, der zur Auswertung FFT zur Hilfe nimmt und nach dem Prinzip eines periodisch frequenzmodulierten Radars (FM-Radar) arbeitet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Radarsensoren müssen wegen der BZT-Zulassung vorgeschriebene Fre quenzbänder einhalten, wobei eines der freien Frequenzbänder dasjenige von 24125 GHz mit einem maximalen Frequenzhub, das ist die Auslenkung von der Mittenfrequenz, von ±125 MHz ist. Um eine Meßgenauigkeit im cm-Bereich zu erreichen, wird das Sendesignal entweder im Zeit- oder Frequenzbereich moduliert. Bei einer Zeit- oder Frequenzmodulation des Sendesignals wird die Entfernungsauflösung durch den Frequenzhub bestimmt.

Die Mikrowellen-Füllstandsmessung nach dem FMCW-Prinzip wird beispiels weise im Bereich von genauen Füllstandsmessungen in Lagertanks angewandt. Nach dem FMCW-Prinzip wird ein hochfrequentes linear-frequenzmoduliertes Sendesignal mit dem vom Target reflektierten Empfangssignal gemischt. Aufgrund der Linearität der Frequenzmodulation ist die dabei entstehende Differenzfrequenz zwischen beiden Signalen, das sogenannte ZF-Signal, konstant und proportional der Laufzeitdifferenz und damit auch proportional dem gesuchten Abstand. Da unter realen Meßbedingungen Nebenziele auftreten, besteht das ZF-Signal aus einem Frequenzgemisch, so daß direkte Verfahren der Frequenzbestimmung, z. B. das Zählen von Nulldurchgängen, nicht angewandt werden können. Daher muß vorzugsweise eine digitale Frequenzanalyse durchgeführt werden, um das Nutzsignal vom Störsignal zu trennen. Betrachtet man ein monofrequentes harmonisches Signal endlicher Länge, so kann dieses als Multiplikation eines unendlich ausgedehnten harmonischen Signales mit einem Rechteckfenster beschrieben werden. Im Frequenzbereich bedeutet dies eine Faltung der beiden Frequenzlinien der harmonischen Schwingung mit der Transformierten des Rechteckfensters, der Si-Funktion.

Aufgrund des endlichen Abtastrasters im Zeitbereich, Abtastzeit T, erhält man im FFT-Frequenzbereich die Abtastwerte Y_k des Spektrums (Frequenzlinien) als:

N = Stichprobenumfang; k = 0... N - 1 Index der Frequenzabtastwerte
T = Abtastzeit.

Ist die zu bestimmende Frequenz f kein ganzzahliges Vielfaches der Beobachtungsfrequenz

so verteilt sich die Signalenergie über alle Frequenzabtastwerte (Leakage-Effekt). Aus der Verteilung der Signalenergie kann im Prinzip eindeutig auf die Lage des Maximums der Einhüllenden des Betragsspektrums und damit auch auf die gesuchte Frequenz f zurückgeschlossen werden.

Durch Johanngeorg Otto: Effiziente suboptimale Algorithmen zur FMCW- Füllstandsmessung, in: ITG-Fachbericht 126, Sensoren - Technologie und Anwendung, 1994, ist eine Frequenzschätzung bei der Mikrowellen-Füllstands messung bekannt geworden, wobei die Frequenzschätzung auf einen Bruchteil des FFT-Frequenzrasters genau sein muß. Es werden rechenzeitaufwendige Algorithmen zur hochgenauen Frequenzbestimmung mit suboptimalen Algorithmen, die bei guter Genauigkeit wesentlich weniger Anforderungen an das Rechenwerk stellen, verglichen. Dabei ist festgestellt worden, daß der Fehler der Abstandsbestimmung mittels einer FFT unter Verwendung eines Rechteck fensters bei einem Frequenzhub von 1 GHz ungefähr 2 cm bis +4 cm vom tatsächlichen Abstand abweicht; unter Verwendung des dort vorgeschlagenen Verfahrens des Zeropaddings wird ein Fehler von bis zu ±0,5 cm erreicht. Mit der des weiteren vorgeschlagenen Dolph-Tschebyscheff-Methode wird ein geringfügig besseres Ergebnis erreicht. Ein solcher Frequenzhub im GHz-Bereich erfordert allerdings einen erheblichen Hardwareaufwand.

Als Näherung für die Position des Maximums des Betragsspektrums kann auch der Schwerpunkt der Frequenzabtastwerte verwendet werden. Dabei geht neben der Anzahl der verwendeten Frequenzlinien die Art der Fensterfunktion ein.

Die Nachteile der angegebenen Möglichkeiten, nämlich Zeropadding und Dolph- Tschebyscheff, sind folgendermaßen: Um den Schwerpunkt mit der Dolph- Tschebyscheff-Methode zu bestimmen, werden 13 Linien benötigt, das heißt, daß der minimale Meßabstand bei einem Frequenzhub 100 MHz somit 10,5 Meter beträgt. Damit ist diese Methode für viele Füllstandsmessungen nicht mehr anwendbar. Beim Zeropadding 4 . N werden zum einen acht Linien zur Abstandsbestimmung benötigt, woraus sich ein Minimalabstand von 6 Metern errechnet, zum anderen ist die Rechenzeit 4 mal so groß. Das ist durch die vierfache Datensatzlänge begründet, so daß sich daraus ein Fehler von ±30 cm errechnet. Beim Zeropadding 512 . N ist die Rechenzeit sehr groß, nämlich 512 mal länger als bei einfacher Datensatzlänge.

Durch die DE 43 34 079 A1 ist ein Radar-Entfernungsmesser bekannt geworden, der nach dem FMCW-Prinzip konzipiert ist und im Frequenzbereich 24.125 GHz ± 125 MHz arbeitet, wobei durch eine schrittweise Ermittlung des optimalen Frequenzhubes eine genaue Entfernungsbestimmung so durchgeführt wird, daß mit dem maximal zulässigen Hub die Entfernung grob bestimmt wird, anschließend sukzessive der Hub verkleinert wird, bis ein ganzzahliges Vielfaches der generierten Entfernungstore der exakten Distanz von Meßgerät zur Reflektionsoberfläche entspricht. Als Indikator für den optimalen Hub dient die maximale Amplitude des Spektrums der Meßfrequenz oder das Minimum der sogenannten Nebenlinien im Spektrum, und eine Regelschleife, die aus einem Oszillator, einem Richtkoppler, einer Teilerkette, einem Zähler, sowie einem Mikroprozessor und einem D-A-Wandler mit einer Frequenz gebildet wird, deren ganzzahlige vielfache die eigentliche Sendefrequenz ist. Die Änderung des Fre quenzhubs hat zur Folge, daß sich die Mischfrequenz verändert, obwohl die Entfernung konstant ist. Dabei wird der Frequenzhub solange verändert, bis die abgetastete Mischfrequenz eine Ganzzahl von Schwingungszügen ist. Die Änderung des Frequenzhubs hat zur Folge, daß sich die Mischfrequenz verändert, obwohl die Entfernung konstant ist. Dabei wird der Frequenzhub solange verändert, bis die abgetastete Mischfrequenz eine ganze Zahl von Schwingungszügen im Abtastfenster ergibt, dann sind die Seitenbänder, die sich bei der Frequenzanalyse ergeben, minimal. Die Entfernung ist dann richtig angegeben, wenn die Seitenbänder minimal sind.

Durch die DE 41 14 974 A1 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Meßgenauigkeit beim FMCW-Radar, insbesondere zur Ortung von Reflexionen in Licht wellenleitern, bekannt, bei dem das durch Differenzfrequenzbildung aus Sende- und Empfangssignal bestehende Mischsignal mit einem getriggerten, in der Frequenz durchstimmbaren Hilfssignal nochmals gemischt und eines bei dieser Mischung entstehenden Seitenbänder spektral analysiert wird und außerdem der momentane Wert der Frequenz des Hilfssignals zur Signalauswertung mit herangezogen wird. Das Auswerteintervall wird bei der spektralen Analyse phasenstarr mit den zur Steuerung der Frequenz des Sendesignals verwendeten Rampensignal verknüpft.

Die Nachteile der beiden letztgenannten Gegenstände liegen darin, daß sehr viele Messungen durchgeführt werden müssen, bis das richtige Ergebnis vorliegt. Nach jeder Messung muß eine Frequenzanalyse, z. B. FFT, durchgeführt werden, um die Seitenbänder im Spektrum bestimmen zu können. Selbst wenn der richtige Frequenzhub gefunden ist, muß noch weiter gesucht werden, da nicht auszuschließen ist, daß sich die Seitenbänder weiter minimieren lassen.

Desweiteren darf nur ein dominantes Ziel vorliegen, wie es z. B. bei Flüssigkeiten der Fall ist. Nur für diesen Fall ist der Gegenstand der DE 43 34 079 A1 geeignet, was bedeutet, daß es nicht mehrzielfähig ist, so daß z. B. Schüttgüter nicht korrekt gemessen werden können, da sich für diese die Seitenbänder nicht minimieren lassen. Desweiteren können gemäß den bekannten Gegenständen keine sich bewegenden Objekte gemessen werden, weil sich auch in diesem Fall die Seitenbänder nicht minimieren lassen und ein hoher Hardwareaufwand notwendig ist.

Durch die DE 37 89 830 T2 ist des Weiteren ein Radargerät zur Messung der Entfernung zu einer Oberfläche bekannt geworden, mit Sendemitteln zur Aussendung einer frequenzmodulierten Welle, die in einem Frequenzbereich ΔF frequenzmoduliert wird, und mit Empfangsmitteln zum Empfang der reflektierten Welle, mit einem Autokorrelationsverfahren zur Autokorrelation einer Überlagerungswelle. Zur Verarbeitung des Spektrums wird, ausgehend vom Wert einer Mehrzahl von Frequenzkomponenten, die Verzögerung zwischen der ausgesendeten und der empfangenen Welle dargestellt und nach einer relativ komplizierten Berechnung Amplitudenwerte des Spektrums gebildet und diese weiterverarbeitet, um schließlich die größte Komponente der Amplitudenwerte zu bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellenabstandssensor der genannten Gattung zu schaffen, der eine höhere Genauigkeit bei der Entfernungsbestimmung haben soll und der insbesondere mehrzielfähig sein soll. Ebenso sollen mit dem Mikrowellenabstandssensor sich bewegende Objekte und auch Schüttgüter erfaßt werden können.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße Mikrowellenabstandssensor besitzt den hervorste chenden Vorteil, daß mit diesem ein hochgenauer Radarentfernungsmesser, der nach dem FMCW-Prinzip arbeitet, geschaffen ist, der insbesondere mehr zielfähig ist und der deshalb auch für Schüttgüter oder für sich bewegende Objekte eingesetzt werden kann.

Die Frequenzbestimmung mit einer FFT, deren Zeitwerte beispielsweise mit einem Rechteckfenster gewichtet werden und der Schwerpunktsbestimmung mit zwei Linien in großen Abschnitten ist sehr genau. Erfindungsgemäß erfolgt die Schwerpunktsbestimmung dadurch, in dem die Linie mit dem größten Betrag mit der Nachbarlinie mit dem größeren Betrag zur Schwerpunktsbildung herangezogen wird. Wenn die Nachbarlinien gleich groß sind, kommt es zu einem Sprung; der Meßfehler ist in diesem Fall maximal, nämlich -20 cm bis +40 cm bei einem Hub von 100 MHz. Dabei wird vom ISM-K-Band mit einem maximalen Hub von 250 MHz ausgegangen, wobei auch andere ISM-Bänder erfindungsgemäß einbezogen sind.

Unter Verwendung der bekannten Radargleichungen

erhält man

Es bedeuten:
C = Lichtgeschwindigkeit,
ΔF = Frequenzhub,
R = Objektabstand,
t_Hub = Meßzeit,
f = Mischfrequenz, die sich bei einem Objektabstand R, einem Frequenzhub ΔF und einer Meßzeit t_Hub einstellt.

Bei einer FFT erhält man nicht die absolute Frequenz, sondern die Anzahl der Schwingungen im Abtastfenster gemäß der Gleichung:

Um die Entfernung bestimmen zu können, muß der Schwerpunkt, der wie oben beschrieben berechnet wurde, mit einem Wichtungsfaktor multipliziert werden. Bei der Verwendung eines Frequenzhubes von beispielsweise 100 MHz ist der Wichtungsfaktor beispielsweise 1,5.

Multipliziert man die oben bestimmten Werte, bei denen der maximale Fehler vorliegt, mit dem Wichtungsfaktor, so erhält man die Bereiche mit maximalen Fehler bezogen auf die Entfernung.

Wenn nicht mit einer, sondern mit zwei Kennlinien mit verschiedenem Frequenzhub gemessen wird, so hat natürlich bei der Frequenzbestimmung jede Kennlinie für sich den bekannten Fehler. Da die Wichtungsfaktoren bei der Berechnung der Entfernung gemäß Gleichung [3] unterschiedlich sind, sind auch die Stellen für den maximalen Fehler, bezogen auf die Entfernung an verschiedenen Stellen, unterschiedlich.

Um die Entfernung genau bestimmen zu können, muß berechnet werden, welcher Frequenzhub - bei gegebenem Objektabstand - am günstigsten ist. Der Schwerpunkt ist dann genau, wenn die Beträge der Linien, die zur Schwerpunktsbildung herangezogen werden, nahezu gleich groß sind.

Bei der Verwendung von zwei Kennlinien könnte es, abhängig vom zulässigen Entfernungsbereich, immer noch Entfernungen geben, bei denen beide Kennlinien nicht genau genug sind. Durch Einführung einer dritten Kennlinie - und gegebenenfalls weiterer Kennlinien - zur Schwerpunktsbildung und zur Entfernungsbestimmung kann dieser Mangel behoben werden.

Von entscheidendem Vorteil ist weiterhin, daß bei der Erfindung mit einem dreifachen Zeitaufwand bei der Berechnung, zum Beispiel bei einem Frequenzhub von 100 MHz, ein Fehler von ca. ±6 cm erreicht wird. Der minimale Abstand liegt dadurch, daß nur zwei Linien zur Schwerpunkts bestimmung benötigt werden, unter den gegebenen Bedingungen bei ca. zwei Meter und damit erheblich unter den minimalen Abständen bei der Dolph- Tschebyscheff-Methode oder beim Zeropadding-Verfahren. Diese Verfahren können zwar gleich genau sein, haben aber den entscheidenden Nachteil, daß entweder der Nahbereich mindestens sieben Meter beträgt bei einem Frequenzhub von 150 MHz, oder es wird ein 512 mal größerer Zeitaufwand bei der Berechnung des Schwerpunktes benötigt.

In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Radar-Entfernungs messers können drei Frequenzhübe (Frequenzkennlinien), die ungleiche Start- und Stopfrequenzen aufweisen können, herangezogen werden, wobei mit allen drei Frequenzhüben gemessen wird. Als Fensterfunktion kann vorzugsweise ein Rechteckfenster verwendet werden, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Ebenso kann die Zwischenfrequenz (ZF) nochmals mit mehreren Mischfrequenzen (Fm1, Fm2, usw) gemischt werden.

Vorzugsweise wird der Schwerpunkt mittels mindestens zweier Frequenz kennlinien mit verschiedenem Frequenzhub oder mittels dreier Frequenz kennlinien mit verschiedenem Frequenzhub bestimmt. Bei der Verwendung eines Rechteckfensters wird zur genauen Entfernungsbestimmung berechnet, welcher Frequenzhub bei gegebenem Objektabstand am günstigsten ist, wobei der Schwerpunkt dann genau ist, wenn die Beträge der Linien, die zur Schwerpunktsbildung herangezogen werden, nahezu gleich groß sind.

Claims

1. Radar-Entfernungsmesser, der zur Auswertung FFT zur Hilfe nimmt und nach dem Prinzip eines periodisch frequenzmodulierten Radars (FM-Radar) arbeitet, zur hochgenauen berührungslosen Bestimmung von Abständen, mit digitaler Signalverarbeitung und einem begrenzten Frequenzhub, wobei zur Entfernungsbestimmung mindestens zwei Frequenzhübe (Frequenzkennlinien) herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zu diesen unterschiedlichen Frequenzhüben die dazugehörigen Wichtungs faktoren berechnet werden, wobei die Wichtung der Zeitwerte mittels einer Fensterfunktion erfolgt, und mit der FFT im Betragsspektrum derjenige Schwer punkt aus der Messung mit allen Frequenzhüben bestimmt wird, der bei der eingesetzten Fensterfunktion am genauesten ist, wonach durch Multiplikation des Schwerpunktes mit dem zum Frequenzhub gehörigen Wichtungsfaktor die Entfernung erhalten wird, und wobei die Frequenzhübe so berechnet werden, daß bei jeder möglichen Entfernung ein Schwerpunkt dann möglichst genau ist, wenn die zur Schwerpunktsbildung herangezogenen Frequenzkennlinien nahezu gleich groß sind.

2. Radar-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Frequenzhübe (Frequenzkennlinien), die ungleiche Start- und Stop frequenzen aufweisen können, herangezogen werden und mit allen drei Frequenzhüben gemessen wird.

3. Radar-Entfernungsmesser nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wichtung der Zeitwerte als Fensterfunktion ein Rechteckfenster dient.

4. Radar-Entfernungsmesser nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung eines Rechteckfensters zur genauen Entfernungsbestimmung berechnet wird, welcher Frequenzhub bei gegebenem Objektabstand am günstigsten ist, wobei der Schwerpunkt dann genau ist, wenn die Beträge der Linien, die zur Schwerpunktsbildung heran gezogen werden, nahezu gleich groß sind.