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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von
Objekten in einem Erfassungsbereich, bei der Radarimpulse mittels
eines Sendekanals ausgesendet werden und an den Objekten reflektierte
Impulse mittels eines Empfangssignals empfangen werden. Hierzu ist
im Empfangskanal, dem LO (Local Feed)-Kanal, ein Verzögerungsmittel
vorgesehen, mittels dem die Pulsfolge, die zum Abmischen mit dem
Empfangssignal dem Mischer als LO-Signal zugeführt wird, mit einer variablen
Verzögerung
gegenüber
den Sendeimpulsen verzögert werden
kann. Weiterhin ist vorgesehen, dass für jeden Verzögerungswert
des Verzögerungsmittels
Impulsfolgen mit mindestens zwei unterschiedlichen Trägerfrequenzen
ausgesandt werden, wobei die Trägerfrequenzen
von der Messentfernung und damit von dem Verzögerungswert abhängig sind.
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Stand der
Technik
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Aus
der
DE 199 26 787 ist
eine ähnliche
Radareinrichtung bekannt. Dabei wird ein Sendeschalter durch die
Impulse eines Generators ein- und ausgeschaltet, so dass während der
Pulsdauer eine von einem Oszillator generierte und über eine
Gabelschaltung auf den Sendeschalter geleitete Hochfrequenzwelle
zur Sendeantenne durchschaltet. Ein Empfangsteil erhält ebenfalls
das Ausgangssignal des Generators. Das Empfangssignal, d. h. ein
an einem Objekt reflektierter Radarpuls, wird mit dem Oszillatorsignal,
das über
einen Empfangsschalter zu einem Mischer gelangt, während eines
vorgegebenen Zeittores gemischt und ausgewertet.
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Auch
die
US 6,067,040 arbeitet
mit einem Sendeschalter, der durch Impulse eines Generators ein-
und ausgeschaltet wird. Für
den Empfang der reflektierten Radarpulse sind getrennte Züge für I- und Q-Singale
vorgesehen. Auch hier wird das Empfangssignal nur während eines
vorgegebenen Zeittores gemischt und ausgewertet.
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Kern und Vorteile
der Erfindung
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Der
Kern der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Detektion
von Objekten in einem Erfassungsbereich anzugeben, bei der keine
Detektionslücken
in Abhängigkeit
der Zielentfernung bzw. Phasenlage auftreten ohne einen aufwendigen
Quadraturempfänger
verwenden zu müssen.
Erfindungsgemäß wird dieses
durch die Merkmale des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Vorteilhafterweise
weist der Sendekanal eine Sendeantenne sowie einen Impulsmodulator,
der von einem Impulsformer angesteuert wird, auf, wobei dem Pulsformer
eine Pulswiederholfrequenz zuführbar
ist.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass der Empfangskanal eine Empfangsantenne,
einen Empfangsmischer, sowie ein Impulsmodulator, der von einem Impulsformer
angesteuert wird, aufweist, wobei dem Impulsformer eine durch das
Verzögerungsmittel
im Vergleich zur Pulswiederholfrequenz des Sendekanals verzögerte Pulswiederholfrequenz,
zuführbar ist.
Vorteilhafterweise sind dem Sendekanal und dem Empfangskanal Trägerfrequenzen
zuführbar,
die mittels einem spannungsgesteuerten Oszillator erzeugt werden.
Hierbei kommt insbesondere ein spannungsgesteuerter Oszillator zum
Einsatz, der kurze Einschwingzeiten aufweist, so dass sehr schnell
zwischen zwei Trägerfrequenzen
gewechselt werden kann.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass die dem Sendekanal und die dem Empfangskanal
zugeführte Pulswiederholfrequenz
von einem einzigen Pulsgenerator erzeugt werden.
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Vorteilhafterweise
ist der Frequenzunterschied der Trägerfrequenzen der mindestens
zwei Impulse vom Verzögerungswert
des Verzögerungsmittels
abhängig.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass der Frequenzunterschied der beiden unterschiedlichen
Trägerfrequenzen
in Abhängigkeit
der durch den Verzögerungswert
vorgebbaren Messentfernung so gewählt wird, dass die beiden Zwischenfrequenzsignale der
Reflektionen eines Ziels in bekannter Entfernung, durch die die
Verzögerung
voreingestellt, am Mischerausgang einen Phasenunterschied von 90° aufweisen.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass der Frequenzunterschied der beiden Trägerfrequenzen umso
größer ist,
desto geringer die Verzögerung
des Verzögerungsmittels
und damit die Entfernung des momentanen Messbereichs ist.
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Vorteilhafterweise
sind die Größe des Frequenzunterschieds
der beiden Trägerfrequenzen
und die Verzögerungszeitdauer
des Verzögerungsmittels voneinander
abhängig,
insbesondere hyperbolisch voneinander abhängig.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, dass der Verzögerungswert des Verzögerungsmittels,
also die Verzögerungszeit
des Verzögerungsmittels
und der Frequenzunterschied der mindestens zwei Trägerfrequenzen
durch ein Steuermittel, insbesondere einen Mikroprozessor gesteuert
wird.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, die Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug einzusetzen,
insbesondere um hiermit das Fahrzeugumfeld vor dem Fahrzeug, hinter
dem Fahrzeug oder seitlich des Fahrzeugs hinsichtlich sicherheitsrelevanter
Objekte erfassen zu können.
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Vorteilhafterweise
liegen die Trägerfrequenzen
im Bereich um 24 GHz oder im Bereich um 77 GHz.
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Vorteilhafterweise
weist die Schließzeit
des Empfangsschalters, der das abgezweigte Oszillatorsignal, den
sogenannten LO-Eingang des Mischers, taktet, eine zeitliche Verzögerung zur
Schließzeit
des Sendeschalters auf. Diese Verzögerung ist variabel und entspricht
dem Verschieben eines Detektionstors über den Messbereich. Die Verzögerung erfolgt auf
dem triggernden Rechtecksignal der Schalter.
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder
in beliebigerer Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie
unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in ihrer Beschreibung bzw.
in den Zeichnungen.
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Zeichnungen
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen
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1 ein Blockschaltbild einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 ein erstes Diagramm, das
die Abhängigkeit
des Entfernungsmessbereichs x bzw. die Verzögerungszeit τ in Abhängigkeit über der
Zeit t zeigt,
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2a eine Detailansicht der 2 und
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3 die Abhängigkeit
des Frequenzunterschieds der beiden Trägerfrequenzen in Abhängigkeit
der Zeitverzögerung τ bzw. des
Entfernungsmessbereichs x.
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Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
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In 1 ist ein Blockschaltbild
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Zu erkennen ist ein spannungsgesteuerter Oszillator 1,
der beispielsweise bei einer ersten festen Trägerfrequenz fT =
24 GHz oder 77 GHz betrieben wird. Mittels der dem spannungsgesteuerten
Oszillator zugeführten
Steuerspannung kann dieser Oszillator 1 auch bei mindestens
einer weiteren Trägerfrequenz
fT + Δf
betrieben werden, wobei der Frequenzunterschied Δf erfindungsgemäß variierbar
ist. Das vom Oszillator 1 ausgegebene Trägersignal
wird einem Sendekanal und einem Empfangskanal zugeführt. Im
Sendekanal wird das Trägersignal
einem ersten, sendeseitigen Pulsmodulator 2 zugeführt und das
modulierte Trägersignal
an eine Sendeantenne 5 weitergeleitet, die das modulierte
Trägersignal
abstrahlt. Zur Modulation ist ein Pulsgenerator 3 in Form
eines PRF (Pulse Repetition Frequency)-Generators vorgesehen, der
Triggerflanken erzeugt und an einen ersten, sendeseitigen Pulsformer 4 ausgibt. Dieser
sendeseitige Pulsformer 4 steuert mit seinem Ausgangspuls
den sendeseitigen HF-Modulator 2 an, wodurch
das Sendesignal mit der Trägerfrequenz
fT bzw. fT + Δf pulsartig
moduliert wird. Das Trägersignal,
das vom spannungsgesteuerten Oszillator 1 erzeugt wird,
wird weiterhin beispielsweise mittels eines Leitungskopplers, einem
Empfangszweig zugeführt,
in dem sich ein zweiter, empfangsseitiger HF-Modulator 8 befindet.
Dieser empfangsseitige HF-Modulator 8 moduliert ebenfalls
pulsförmig
das Trägersignal
fT bzw. fT + Δf und gibt
dieses an einen Mischer 10 aus, dem zusätzlich das Empfangssignal Rx
zugeführt
wird, das von einer Empfangsantenne 9 empfangen wurde.
Die von der Sendeantenne 5 abgestrahlte Sendeleistung Tx
wird an Objekten im Erfassungsbereich des Radarsystems reflektiert
und die reflektierten Teilwellen Rx von der Empfangsantenne 9 empfangen.
Zur Ansteuerung des empfangsseitigen HF-Modulators 8 wird das Ausgangssignal des
PRF-Generators 3 mit der erzeugten Pulswiederholfrequenz
einer Verzögerungseinrichtung 6 zugeführt, die
die Pulsfolge des PRF-Generators 3 um eine steuerbare Zeit
verzögert.
Diese verzögerte Pulsfolge
am Ausgang der Verzögerungseinrichtung 6 wird
einem zweiten, empfangsseitigen Pulsformer 7 zugeführt, der
mit seinem Ausgangssignal den zweiten, empfangsseitigen HF-Modulator 8 ansteuert.
Dem Mischer 10 im Empfangskanal wird damit das gleiche
Signal zugeführt,
wie der Sendeantenne 5 im Sendekanal, nur dass das LO-Signal
des Mischers 10 im Empfangskanal um einem Verzögerungswert,
der durch die Verzögerungseinrichtung 6 steuerbar
ist, verzögert
ist. Der Mischer 10 mischt das verzögerte, resultierende LO-Signal
mit dem von der Empfangsantenne 9 empfangenen Empfangssignal
homodyn auf die Zwischenfrequenz f = 0 und erzeugt hieraus ein Zwischenfrequenzsignal,
das am Ausgang des Mischers bereitgestellt wird. Durch die Verzögerung der
Verzögerungseinrichtung 6 ist
es hiermit möglich,
Objekte zu erkennen, die sich in einem bestimmten Entfernungsbereich,
dem momentanen Messbereich, befinden, zu detektieren. Zur Detektion
von Objekten in einem vorbestimmten Messbereich, der x Meter von
der Vorrichtung entfernt ist, ist es nötig, die Pulswiederholfrequenz,
d.h. den Träger
des LO-Pulsformers, die vom Pulsgenerator 3 erzeugt wird,
im Verzögerungsbaustein 6 so
lange zu verzögern,
wie das Sendesignal von der Sendeantenne 5 zum detektieren
Objekt in der Entfernung x und vom Objekt zur Empfangsantenne 9 benötigt. Das
Ausgangssignal des Mischers 10 wird einem Demultiplexer 11 zugeführt, der
das Zwischenfrequenzsignal wahlweise an einen Integrator 1 oder
Integrator 2 weiterleitet, die beispielsweise unterschiedlich lange
Integrationszeiten aufweisen und die die Zwischenfrequenzsignale über mehrere
Pulse integrieren. Die vom spannungsgesteuerten Oszillator 1 zu erzeugende
Trägerfrequenz
fT bzw. fT + Δf sowie die momentane
Verzögerungszeit τ der Verzögerungseinrichtung 6 kann
hierbei von einer Steuereinrichtung 12 bestimmt werden
und von dieser Steuereinrichtung 12 an den spannungsgesteuerten
Oszillator 1 und an die Verzögerungseinrichtung 6 ausgegeben werden.
Weiterhin gibt die Steuereinrichtung 12 ein Ausgangssignal
an den Demultiplexer 11 aus, an welchen Integrator das
momentane Zwischenfrequenzsignal weitergeleitet werden soll. Da
bei der Messung mittels eines Pulsradarsystems mit einem einkanaligen
Empfänger
Objektentfernungen existieren, in denen ein vorhandenes Objekt aufgrund
seiner Phasenlage nicht erkannt werden kann, wird häufig ein
teurer und aufwendiger, zweikanaliger Quadraturempfänger aufgebaut.
Um dennoch mittels eines einkanaligen Empfängers alle Objekte im momentanen
Messbereich des Systems erkennen zu können, unabhängig von deren momentaner Phasenlage,
werden in Abhängigkeit
des momentanen Messbereichs, also der momentanen Verzögerung der
Verzögerungseinrichtung 6 Pulsfolgen
erzeugt, die mindestens zwei unterschiedliche Trägerfrequenzen, nämlich fT und fT + Δf aufweisen.
Hierzu muss innerhalb eines Messbereichs der spannungsgesteuerte
Oszillator mindestens einmal in seiner Trägerfrequenz umgeschaltet werden.
Es werden demzufolge für
jeden momentanen Messbereich, der durch den Verzögerungswert τ der Verzögerungseinrichtung 6 eingestellt
wird, Impulse abgestrahlt, die mindestens zwei unterschiedliche
Trägerfrequenzen
aufweisen, wobei der Frequenzunterschied Δf der beiden Trägerfrequenzen
fT und fT + Δf so zu dimensionieren
ist, dass die am Ausgang des Mischers 10 anliegenden Zwischenfrequenzsignale
der Pulsfolgen in Abhängigkeit
des momentanen Messbereichs x einen Phasenunterschied von 90° aufweisen.
Hierdurch ist es möglich,
Objekte die mittels einer ersten Trägerfrequenz nicht detektierbar
sind, da diese sich in einer sogenannten blinden Phasenlage befinden,
mittels Impulsen, die die zweite Trägerfrequenz fT + Δf aufweisen,
detektierbar sind. Durch ein mindestens einmaliges Umschalten der
Trägerfrequenz
des spannungsgesteuerten Oszillators 1 pro Messbereich
ist es damit möglich,
einen einkanalig aufgebauten Empfänger zu verwenden und dennoch
alle Objekte im Messbereich, unabhängig von ihrer Phasenlage erkennen
zu können.
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In 2 ist ein Diagramm dargestellt,
bei dem auf der Abszisse 14 die Zeit in Millisekunden aufgetragen
ist. Auf der Ordinate 15 ist die Verzögerungszeit τ, die die
Verzögerungseinrichtung 6 das Pulswiederholsignal
verzögert,
in Nanosekunden aufgetragen. Da durch diese Verzögerung der Messbereich der
Radareinrichtung vorgewählt
wird, kann gleichbedeutend als weitere Ordinate 16 die
Entfernung x des Messbereichs in Meter aufgetragen werden, was auf
Ordinate 16 dargestellt ist. Beispielsweise ist es möglich, den
gesamten Messbereich des Radarsystems, beispielsweise von x = 0
bis 20 m innerhalb der Zeit t = 0 bis 10 ms zu durchsuchen.
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Hierzu
wird während
der Zeit t zwischen 0 und 10 ms die Verzögerungszeit τ der Verzögerungseinrichtung 6 linear
von τ =
0 bis 133 ns verändert. Hierbei
ist es möglich,
die Verzögerungszeit τ linear mit
der Zeit t zu verändern,
so dass jeder Entfernungsbereich x gleichlang durchsucht wird. Denkbar ist
es jedoch auch, andere Abhängigkeiten
der Verzögerungszeit τ von der
Zeit t zu wählen,
beispielsweise quadratische Abhängigkeiten
oder Wurzelabhängigkeiten,
so dass beispielsweise weiter entfernte Bereiche, eine längere Pulsintegrationszeit
aufweisen können
als nähere
Bereiche. Vorteilhafterweise hat die Kennlinie 17 die Form
einer Ursprungsgeraden und verknüpft
Zeit t und Verzögerungszeit τ linear miteinander.
Nachdem der Messbereich durchsucht wurde, ist es möglich, den
Messbereich wieder von x = 0 Meter hin zu steigenden Entfernungen
zu durchsuchen, in dem man die Kennlinie 17 als Sägezahnfunktion
vorsieht. Genauso wäre
es möglich,
eine Pause abzuwarten bis der nächste
Messzyklus durchlaufen wird. Ebenfalls ist es möglich, den Messbereich von
x = 20 Metern wieder zu kleineren Entfernungen hin zu verändern, so
dass eine auf- und absteigende Kennlinie 17 entsteht. Gemäß dem Detailausschnitt
ist in 2a eine weitere
Ausführungsform
dargestellt, beispielsweise dass die Kennlinie 17 in Form
kleiner Treppenstufen 17a ausgeführt ist. Verändert man
die Verzögerungszeit τ der Verzögerungseinrichtung 6 in
Treppenstufenform, wie in 2a dargestellt,
so hat man für
Zeitdauern 18 pro Messbereich eine konstante Verzögerung,
wodurch auch die Messbereichsentfernung für die Dauer 18 konstant
bleibt. Nach Ablauf dieser Zeitdauer verändert sich die Verzögerungszeit τ der Verzögerungseinrichtung 6 um
die Messbereichsschrittweite 19, in dem der Wert τ erhöht oder
erniedrigt wird. Dieser neue Verzögerungswert τ bleibt wieder
für eine
Messbereichszeitdauer 18 konstant um in dieser Zeit die nächste Messbereichsscheibe
nach Objekten durchsuchen zu können.
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In 3 ist ein weiteres Diagramm
dargestellt, das den Zusammenhang des Trägerfrequenzunterschieds Δf der pro
Messbereich mindestens einmal erhöht oder erniedrigt werden muss,
in Abhängigkeit
von der Verzögerungszeit τ der Verzögerungseinrichtung 6.
Als weitere Abszisse ist die Gerade 16 aufgetragen, die
gleichbedeutend wie die Verzögerungszeit τ den Entfernungsmessbereich
x in Metern angibt, da die Verzögerungszeit τ mit dem
Entfernungsmessbereich x, identisch wie in 2, über
die Laufzeit der Sende- und Empfangswelle verknüpft sind. Um die verschiedenen
Entfernungsbereiche x über
den Erfassungsbereich während
der Zeit t = 0 bis 10 ms durchzumessen wird die Verzögerungszeit τ vorteilhafterweise
linear von τ =
0 bis 133 ns erhöht. Während der
Zeitdauer 18 eines jeden Entfernungsbereichs werden Pulse
mit der Trägerfrequenz
fT abgestrahlt, sowie Impulse mit der zweiten
Trägerfrequenz
fT + Δf
abgestrahlt. Um jeweils innerhalb der Entfernungsbereiche Messungen
durchführen
zu können,
d. h auch Objekte in blinden Phasenlagen des Trägersignals fT erkennen
zu können,
muss über die
gesamte Verzögerungszeit τ der Trägerfrequenzunterschied Δf variiert
werden. Um in jeder Entfernungszelle einen Phasenunterschied von
90° zwischen
den beiden Zwischenfrequenzsignalen am Mischerausgang zu erhalten,
muss der Frequenzunterschied Δf
zwischen zwei benachbarten nahen Entfernungszellen größer sein
als der Frequenzunterschied Δf
zweier benachbarter, weit entfernter Entfernungszellen. Hierdurch
ergibt sich eine hyperbelförmige
Kurve 21, die den Frequenzunterschied Δf mit der Verzögerungszeit τ bzw. der
Messentfernung x verknüpft.
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Damit
ist Um am Mischerausgang eine 90°-Beziehung
der beiden Zwischenfrequenzsignale zu erreichen, müssen die
Wellenlängen
der beiden Trägerfrequenzen
im Entfernungsmessbereich um λ/4
verschoben sein. Um innerhalb eines Messbereichs einen λ/4-Unterschied
der beiden Trägerfrequenzen
zu erreichen, unter Berücksichtigung,
dass die Verzögerungszeit τ die Zeit
ist, die das Signal für die
doppelte Entfernung x benötigt
(Hin- und Rückweg)
ergibt sich ein Zusammenhang nach
mit
womit sich für Δf zu
ergibt.
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Hierdurch
entsteht die hyperbolische Kurve 21 zwischen Verzögerungszeit τ und Trägerfrequenzunterschied Δf. Je nach
Auslegung des Systems sind selbstverständlich auch andere Trägerfrequenzen, Trägerfrequenzunterschiede,
Verzögerungszeiten dem
Belieben des Fachmanns sowie der Anwendungssituation, für die das
System ausgelegt werden soll, überlassen.
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Ebenfalls
ist es möglich,
statt einer einmaligen Umschaltung der Trägerfrequenz zwischen fT und fT + Δf pro Messbereichszelle
kann auch ein mehrfaches Umschalten möglich sein, beispielsweise
ein wechselweiches Hin- und Herschalten zwischen fT und
fT + Δf
wobei das Umschaltmuster der Trägerfrequenzen
von der Zwischenfrequenzsignalverarbeitung der Auswerteeinrichtung 11 abhängig ist,
da dort die Zwischenfrequenzsignale beispielsweise integriert werden
müssen
und während
der Integration kein Trägerfrequenzwechsel
erfolgen sollte.
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Weiterhin
ist es vorgesehen, dass das Mischerausgangssignal auf eine Verzweigeinrichtung 11 ausgegeben
wird, die als Demultiplexer arbeitet. Dieser Demultiplexer 11 wird
durch die Steuereinrichtung 12 gesteuert und leitet das
Zwischenfrequenzsignal wahlweise an einen von zwei parallel geschalteten
Integratoren weiter. Die Aufteilung der Zwischenfrequenzsignale
an die Integratoren kann beispielsweise in Abhängigkeit der momentan verwendeten
Trägerfrequenz
fT bzw. fT + Δf erfolgen.