DE19631165A1

DE19631165A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Elimination von Störeinflüssen beim FMCW-Radar

Info

Publication number: DE19631165A1
Application number: DE19631165A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof Dr Russer; Peter Dipl Phys Thuermel
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1996-08-01
Filing date: 1996-08-01
Publication date: 1998-02-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur absoluten Abstands messung zwischen nicht kooperative Objekten. Die Basis ist ein Meßverfahren bzw. eine Meßvorrichtung, die mit dem Aus gangssignal eines Senders beschickt wird und dieses Ausgangs signal mit einem von einem Meßobjekt reflektierten Ausgangs signal überlagert, wobei eine daraus erhaltene Zwischenfre quenz die Abstandsinformation enthält. In der Optik werden derartige Meßvorrichtungen als Interferometer bezeichnet.

Im Gegensatz zur konventionellen Längeninterferometrie mit frequenzstabilisierten HeNe-Lasern bietet die Absolutinter ferometrie mit durchstimmbaren Halbleiterlasern die Möglich keit, Abstände statisch ohne Verschieben des Meßreflektors zu bestimmen. Sämtliche kommerziellen Interferometer sind dage gen lediglich in der Lage, Weglängenänderungen zu messen, d. h. der Startpunkt der Messung, auf den die nachfolgenden Meßwerte bezogen werden, ist unbekannt. Eine Strahlunterbre chung führt beispielsweise zum Abbruch der Messung, da der Bezug zu den vorangegangenen Meßwerten unwiederbringlich ver loren ist. Bei den absolut messenden Verfahren wird die kohä rente Überlagerung der ausgesandten mit einer von einem Ob jekt reflektierten elektromagnetischen Welle erzeugt. Die Trägerfrequenz wird dabei während der Meßzeit um einen gewis sen Frequenzhub durchgestimmt, was durch entsprechende An steuerung des Senders erfolgt. Die Trägerfrequenz liegt bei spielsweise beim Mikrowellen-Radar im GHz-Bereich (beispielsweise im Bereich von 1-70 GHz und beim Laserradar, d. h. im optischen Spektralbereich bei ca. 100 THz mit einer bestimmten Bandbreite. In diesem Zusammenhang ist folgende Literaturstelle zu nennen: (1) "Frequency-Modulated Conti nuous Wave Systems In Coherence Radar Performance Estimati on", Samuel O. Piper, J. A. Scheer (Ed.), 1993 Artech House Estimation, Samuel O. Piper, J. A. Scheer (Ed.), 1993 Artech House Inc., Norwood, Ma Seiten 289 bis 296.

Relativbewegungen zwischen Meßobjekt und Radarsensor während der Meßzeit können systematische Meßfehler hervorrufen. Diese Fehler sind um das Verhältnis zwischen Trägerfrequenz und Frequenzhub größer, als die verursachenden Abstandsverände rungen. Da dieses Verhältnis beispielsweise beim Laserradar mit etwa 1000 besonders groß ist, sind dem industriellen Ein satz des Laser-Radars bisher extrem enge Grenzen gesetzt. Aber auch beim Mikrowellen-Radar können große Relativge schwindigkeiten zwischen Sensor und Objekt, wie sie z. B. bei einem Einsatz in der Automobiltechnik vorkommen, zu bislang unüberwindlichen Schwierigkeiten führen. Unter den Relativbe wegungen sind sowohl Abstandsveränderungen, als auch latera le, d. h. ungefähr senkrecht zur Abstandsrichtung auftretende Bewegungen gemeint. Das mit der gesuchten Zwischenfrequenz amplitudenmodulierte Empfangssignal, das die Abstandsinforma tion enthält, wird durch Objektbewegungen zusätzlich fre quenzmoduliert. In der mathematischen Darstellung findet sich im Argument des Empfangssignales also ein zweiter zeitabhän giger Phasenterm, der durch die Objektbewegung relativ zum Sensor verursacht wird. Eine korrekte Bestimmung der die Ab standsinformation enthaltenden Zwischenfrequenz ist dadurch im allgemeinen nicht mehr möglich. Der einfachste Fall liegt beispielsweise vor, wenn sich das Objekt mit konstanter Ge schwindigkeit vom Sensor wegbewegt oder sich ihm nähert. Die Objektbewegung führt dann zu einer Dopplerverschiebung der Zwischenfrequenz und somit zu einem systematischen Meßfehler. Für den Fall eines typischen Laserradars läßt sich dieser Meßfehler abschätzen. Bei einem Frequenzhub von 250 GHz führt eine Objektbewegung von einer halben Wellenlänge, beispiels weise 0,7 µm, während der Meßzeit zu einem systematischen Fehler von 600 µm. Der Meßfehler ist hier also etwa um den Faktor 1000 größer als seine Ursache. Bei beliebigen Objekt bewegungen, wie beispielsweise Oszillationen, treten weit kompliziertere Phänomene auf, die das Signal (Zwischen frequenz) für eine weitere Signalverarbeitung vollkommen un brauchbar machen.

Das oben angesprochene Problem der Fehlervergrößerung wurde zwar verschiedentlich beim Laserradar beobachtet. Lösungsan sätze, die für beliebige Objektbewegungen erfolgversprechend wären, sind jedoch bisher nicht bekannt. Das Problem ist bei spielsweise in folgenden Literaturstellen angesprochen wor den: (2) "Absolutinterferometrie mit durchstimmbaren Halblei terlasern", T. Pfeifer, J. Thiel, Technisches Messen 60, Nr. 5, 1993; (3) "Wavelength-shift inferferometry for distance measurements using the Fourier transform technique for fringe analysis", M. Suematsu, M. Takeda, Applied Optics, Vol. 30, No. 28, 1991.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, womit die Elimination von Störeinflüssen, beispielsweise aufgrund von Relativbewegungen zwischen Objekt und Sensor, beim FMCW-Radar effektiv gegeben ist. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale von Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 8, Anspruch 9 , Anspruch 11, Anspruch 12 bzw. Anspruch 16.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit einer simultanen Messung zweier Interferenzsignale mit derselben bzw. einer identischen Meßanordnung Störeinflüsse im Nutzsi gnal beseitigt werden können. Bei der Messung für das eine Signal wird die Frequenz der ausgesandten elektromagnetischen Welle während der Messung um einen bestimmten Frequenzhub veränderte. Bei der Messung bezüglich des zweiten Signal es mit derselben Meßanordnung unterscheidet sich die Steigung der Frequenzveränderung bzw. des Frequenzhubes wesentlich von der beim ersten Signal. Durch Mischen (d. h. Multiplikation) der beiden so erhaltenen Signale (Empfangssignale) entsteht ein Signal, das sich in der mathematischen Beschreibung aus zwei amplitudenmodulierten Signalen zusammensetzt. Eines dieser beiden amplitudenmodulierten Signale oszilliert mit der Summe der Zwischenfrequenzen und enthält die Abstandsinformation. Das andere enthält die durch die Objektbewegung hervorgerufe ne Störung und kann, da es frequenzverschoben ist, durch ge eignete Filter leicht eliminiert werden. Somit können bei ei nem Laserradar beispielsweise auch Brechungsindexvariation in dem Medium zwischen Sensor und Objekt ausgeglichen werden. Weiterhin sind Störungen des Nutzsignales durch wechselnde Abtastbedingungen beim Scannen beherrschbar. Wesentlich ist die Abstimmung von mindestens einem Sender (Mikrowellensender Abstimmung von mindestens einem Sender (Mikrowellensender oder Laser) derart, daß dessen Ausgangssignale einen Fre quenzhub aufweisen, dessen Steigung von Signal zu Signal mög lichst unterschiedlich ist, also beispielsweise zum einen po sitiv ist und zum anderen negativ. Besteht die Möglichkeit, die Ausgangssignale zweier Sender gleichzeitig in eine Meß anordnung einzuspeisen, die zur Überlagerung eines Ausgangs signales und eines von einem Objekt rückreflektierten Signa les dient, so werden über zwei Detektoren zwei Empfangssigna le aufgenommen. Diese werden multipliziert und ergeben ein mit der Zwischenfrequenz oszillierendes elektrisches Emp fangssignal.

Eine weitere Möglichkeit zur Beschickung der Meßanordnung zur Überlagerung eines Ausgangssignales mit einem von einer Meß oberfläche reflektierten Signal ist die im Zeitmultiplex or ganisierte Ansteuerung eines einzigen Senders innerhalb der Abtastfrequenz, wobei alternierend zwei Ansteuerungen ge schaltet werden, die zwei Ausgangssignale mit unterschiedli chem Frequenzhub am Sender ergeben.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Ansteuerungen des Senders derart geschehen, daß die Stei gungen der Frequenzhübe der Ausgangssignale an einem oder zwei Sendern unterschiedliches Vorzeichen aufweisen, so daß die Unterschiede im Frequenzhub maximal werden.

Wird der Sender durch einen Laser dargestellt, so ist die Meßanordnung ein Interferometer, bestehend aus einem Refe renzarm und einem Objektarm. Dabei besteht die Möglichkeit, daß die Länge des Referenzarmes zu Null wird. Die entspre chenden Detektoren sind optoelektrische Wandler. Zur Strahl führung beim Einsatz von zwei Sendern bzw. Lasern ist die un terschiedliche Polarisation der Ausgangsstrahlen notwendig, da hinter der optischen Meßeinheit, dem Interferometer, durch entsprechende optische Elemente die verschiedenen Empfangs signale wieder in entsprechender Weise getrennt werden kön nen.

Darüber hinaus kann bei der Auswertung durch eine zusätzliche 90°-Phasenverschiebung der Empfangssignale die durch die Ob jektbewegung hervorgerufene Störung vollständig eliminiert werden.

Die Erfindung läßt sich in analoger Weise zum FMCW-Laser- Radar auch beim FMCW-Mikrowellen-Radar einsetzen. Prinzipiell werden jeweils elektromagnetische Wellen verwendet, moduliert und entsprechend ausgewertet. Beim Mikrowellen-Radar wird an stelle eines Lasers ein Mikrowellensender eingesetzt und an stelle eines optoelektrischen Detektors beispielsweise ein Eindiodenmischer (beispielsweise eine Schottky-Diode).

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bewirkt auch die Reduktion der durch die Objektbewegungen hervorgerufenen Störsignale durch eine besondere Ansteuerung der Laserdiode. Dies geschieht mit einer pseudorausch codierten Folge von einer vorgegebenen Anzahl von diskreten Werten aus einer Ansteuerfunktion. Empfangsseitig werden die sendeseitig vorgenommenen Codierungen entsprechend einer be stimmten Vorschrift über einen Decodierer rückgängig gemacht bzw. "es wird zurücksortiert". Diese erfindungsgemäße Lösung Aufgabe weist die besonderen Vorteile auf, daß der optische und elektronische Aufwand extrem gering ausfällt. Wird bei anderen Ausgestaltungen der Erfindung die Laserfrequenz streng monoton erhöht oder gesenkt, so geschieht dies hier in diskreten Schritten. Bei der pseudorausch-codierten Ansteue rung wird eine bestimmte Anzahl von aufeinanderfolgenden dis kreten Werten der Laserfrequenz derart vertauscht, daß eine rauschartige aber bekannte Folge von Werten entsteht. Bei der Dekodierung des Empfangssignales wird diese Vertauschung rückgängig gemacht. Spektrallinien, die zusätzlich zur ge suchten Zwischenfrequenz im Spektrum des Meßsignales auf tau chen, werden somit in ein weißes Rauschen umgewandelt.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh rungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau zur Reduktion des Ein flusses von Objektbewegungen beim FMCW-Laser-Radar unter Ein satz von zwei Ausgangssignalen.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau entsprechend Fig. 1 mit einer Ansteuerung im Zeitmultiplex mit entsprechend syn chronisiertem Demultiplex.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Signalauswertung zur vollständigen Elimination der durch Objektbewegungen hervor gerufenen Störungen.

Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines FMCW-Mikro wellenradars mittels Ansteuerung im Zeitmultiplex.

Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines FMCW-Laser- Radars unter Verwendung einer pseuorausch-codierten Folge von diskieten Werten einer ansteigenden Ansteuerfunktion.

Fig. 6 zeigt das Amplitudenspektrum bei konventioneller An steuerung und Auswertung.

Fig. 7 zeigt ein entsprechendes Spektrum bei der Ansteuerung und Auswertung nach einem Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung entsprechend der Fig. 5.

Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf der simultanen Mes sung zweier Interferenzsignale mit derselben bzw. einer iden tischen Meßanordnung. Bei der einen Messung wird dabei die Frequenz der ausgesandten elektromagnetischen Welle während der Messung um einen bestimmten Frequenzhub verringert. Man spricht deswegen von "down-chirp". In diesem Fall addieren sich die zeitabhängigen Phasenterme, die durch die Zwischen frequenz einerseits und durch die Objektbewegung andererseits hervorgerufen werden bei der entsprechenden mathematischen Darstellung. Bei der zweiten - simultan mit derselben Meß anordnung durchgeführten - Messung wird dagegen die Frequenz erhöht, wobei man von "up-chirp" spricht. Hier verhalten sich die beiden zeitabhängigen Phasenterme subtraktiv.

Durch Mischen, d. h. Multiplikation, der beiden so erhaltenen Empfangssignale i1, i2 entsteht ein Signal im, das sich in der mathematischen Darstellung additiv aus zwei amplitudenmo dulierten Signalen zusammensetzt. Eines dieser beiden Signale oszilliert mit der doppelten Zwischenfrequenz und enthält so mit die Abstandsinformation. Das andere enthält die durch die Objektbewegung hervorgerufene Störung und kann, da es fre quenzverschoben ist, durch geeignete Filter eliminiert wer den. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist in Fig. 3 wiedergegeben, wobei zusätzlich durch eine 90°-Phasenver schiebung und eine etwas kompliziertere Signalauswertung, nämlich Multiplikation und Addition, die durch die Objektbe wegung hervorgerufene Störung vollständig eliminiert wird.

Die Fig. 1 zeigt zwei abstimmbare Laser 1, 2 bzw. Laserdi oden mit entsprechenden Ausgangssignalen s1, s2. Die Laser emittieren dabei linear polarisierte Wellen, deren Polarisa tionsebenen aufeinander senkrecht stehen. Hierbei können die entsprechenden Lichtwellen mit Hilfe geeigneter polarisati onsunabhängiger und polarisierender Strahlteiler 6; 5.1, 5.2 getrennt geführt und detektiert werden. Während die optische Frequenz des einen Lasers 2 während des Meßvorganges erhöht wird, "up-chirp", wird die des zweiten Lasers 1 erniedrigt, "down-chirp".

Die optische Meßeinrichtung in Fig. 1, das Interferometer, wird mit den beiden Ausgangssignalen s1, s2 beschickt. Das Interferometer weist einen Referenzarm 7 und einen Objektarm 8 auf. Die Meßanordnung ist geeignet, um absolute Messungen durchzuführen. Damit kann der Abstand zwischen der Meßanord nung und einer Oberfläche des Objektes 11 durch Auswertung einer Zwischenfrequenz 20 erzielt werden.

Die Führung der unterschiedlich polarisierten Laserstrahlen in Fig. 1 geschieht mittels der polarisierenden Strahlteiler 5.1 und 5.2. Dies führt einerseits zur parallelen Beschickung der Meßanordnung mit den Ausgangs strahlen und andererseits am polarisierenden Strahlteiler polarisierenden Strahlteiler 5.2 zur entsprechenden Trennung der jeweils für sich im Inter ferometer überlagerten Strahlen. Die Detektion geschieht mit tels der Detektoren 9, 10, wobei eine optoelektrische Unwand lung erfolgt und die Empfangssignale i1, i2 vorliegen. Nach der Multiplikation liegt das Empfangssignal im vor. Dieses Signal schwingt mit der Summe der Zwischenfrequenzen der bei den Empfangssignale.

Die Fig. 2 zeigt eine Interferometeranordnung als Meßvor richtung entsprechend mit Referenzarm 7 und Objektarm 8. Auch hier besteht das Ziel, die Zwischenfrequenz 20 eindeutig aus werten zu können, wozu Störeinflüsse durch Relativbewegungen zwischen dem Objekt 11 und der Meßanordnung leicht eliminier bar sein müssen. Das mit entsprechenden optischen Elementen ausgestattete Interferometer wird mit Ausgangssignalen einer Laserdiode 14 versorgt. Die Laserdiode 14 wird über den Ab stimmstrom 13 im Zeitmultiplex 12 von den Ansteuerungen 3 und 4 angesteuert, wobei innerhalb der Abtastfrequenz die beiden Ausgangssignale der Laserdiode 14 unterschiedliche Steigungen für ihre gemittelten Frequenzhübe aufweisen. Die Synchroni sierung 17 sorgt für die korrekte Zuordnung des am Detektor 15 aufgenommenen und optoelektrisch gewandelten Signal es in dem Demultiplexer 16. Um die durch den Zeitmultiplex erzeug ten zeitlichen Verzögerungen auszugleichen, wird in entspre chenden Sample- und Hold-Einheiten das jeweils ankommende Si gnal aufbereitet und jeweils einem Multiplizierer zugeführt. Die erhaltene resultierende Zwischenfrequenz 20 des Signales trägt wiederum die Abstandsinformation, wobei Störgrößen ein fach ausfilterbar sind. Die Meßvorrichtung kann sowohl ana log, als auch digital betrieben werden.

Die Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit einer Auswertung der bei den Empfangssignale i1, i2, die aus dem Meßaufbau 19 gelie fert werden. Beide Signale werden einer Phasenverschiebung 21 um jeweils 90° unterworfen. Somit entstehen jeweils die Si gnale i1, i2 und i3 und i4. Die Cosinusausdrücke und die Si nusausdrücke werden jeweils multipliziert und die Ergebnisse anschließend addiert. Somit ergibt sich ebenfalls die Zwi schenfrequenz 20 unter Ausschaltung des Störtermes.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung entsprechend der Erfindung für ein FMCW-Mikrowellen-Radar. Die Ansteuerung eines Mikrowel lensenders 25 geschieht in ähnlicher Weise wie oben in Ver bindung mit Fig. 2 beschrieben beim Laserradar. In diesem Fall wird jedoch über eine Sendeantenne 23 eine elektromagne tische Welle im Mikrowellenbereich auf das Objekt 11 gerich tet. Eine reflektierte Welle wird über die Empfangsantenne 24 aufgenommen. In dem Eindiodenmischer 22 werden diese beiden Signale überlagert. Der anschließende Demultiplexer 16 mit der entsprechenden Synchronisierung 17, den Sample- und Hold- Einheiten 18 und dem anschließenden Multiplizierer erzeugen dann wie oben beschrieben die Zwischenfrequenz 20.

Eine denkbare Lösung des Problemes könnte auch der parallele Einsatz zweier identischer Meßanordnungen (Interferometer), jeweils mit "up-chirp" und "down-chirp" betrieben, sein. Die Ausgangsstrahlen sollten jedoch den gleichen Auftreffpunkt am Objekt 11 haben.

Anschließend werden zur Verdeutlichung der Erfindung die ma thematischen Zusammenhänge bei der Ermittlung der Zwischen frequenz 20 beschrieben:
Diese Darstellung ist ohne Einschränkung der Allgemeinheit auf den Fall des FMCW-Laserradars bezogen. Dabei wird eine zeitlich lineare Frequenzmodulation angenommen, die wäh rend der Meßzeit T_m einen Frequenzhub Δω hervorruft. Unter der Annahme, daß die überlagerten elektromagnetischen Wellen linear polarisiert und eben sind, läßt sich am Ort der Über lagerung für die vom Objekt 11 reflektierte Welle und die ausgesandte Welle (Referenzstrahl, Ausgangssignal) folgendes schreiben:

Das Signal ist dann proportional zur Intensität des Interfe renztermes, der bei der Überlagerung entsteht. Da Δω « ω₀ ergibt sich:

Hierin ist die gesuchte Zwischenfrequenz:

Man erkennt, daß im Argument von Gleichung 3 neben der ge suchten Zwischenfrequenz noch zwei andere zeitabhängige Pha senterme vorkommen können, die entweder durch axiale (in Ab standsrichtung) oder transversale (quer zur Abstandsrichtung) Ortsveränderungen zwischen Objekt und Sensor auftreten kön nen. Der letzte additive Term in Gleichung 3 bezeichnet ein Störsignal, das sogenannte Speckles verursacht. Bei einer konventionellen Anordnung nach dem Stand der Technik können die zusätzlich zur Zwischenfrequenz enthaltenen Phasenterme in Gleichung 3 zu einer Frequenzverschiebung der ermittelten Zwischenfrequenz oder zu einer Vielzahl von Störfrequenzen führen, die von der gesuchten Zwischenfrequenz nicht mehr un terschieden werden können.

Das vorgeschlagene Verfahren beruht auf der simultanen Mes sung zweier Interferenzsignale mit derselben bzw. einer iden tischen Meßanordnung. Bei einer der Messungen gilt dabei (up-chirp). Bei der zweiten simultan mit derselben Meßanordnung durchgeführten Messung gilt (down-chirp). Vereinfachend, aber ohne Verlust der Allgemeinheit wird jeweils eine lineare Abstimmcharakteristik angenommen. Somit ergibt sich für den up-chirp das gleiche Ergebnis ent sprechend Gleichung 3.

Für den down-chirp erhält man jedoch:

Durch Multiplikation von i1 mit i2 erhält man nun ein Signal, welches sich additiv aus zwei cosinus-Termen zusammensetzt, von denen einer nur die Abstandsinformation und einer die Störung enthält. Mit den Zwischenfrequenzen nach Gleichung 4 ergibt sich:

Obwohl nach wie vor ein Term durch Veränderungen der Weglän gendifferenz frequenzmoduliert wird, kann der ungestörte Term, da er den gleichen Leistungsinhalt hat und frequenzver schoben ist, jederzeit aus dem Leistungsspektrum ermittelt werden.

Darüber hinaus ist eine vollständige Elimination des Störtermes in Gleichung 7 auch durch eine Phasenverschiebung der beiden Empfangssignale i1, i2 um 90° möglich. Es entstehen dann die beiden Signale:

Nach jeweiliger Multiplikation der beiden sinus-Terme (Gleichung 8 und Gleichung 9) und cosinus-Terme (Gleichung 5 und Gleichung 6) und anschließender Addition der beiden Er gebnisse verbleibt nur ein cosinus-Term, der mit der Summe der beiden Zwischenfrequenzen ω_IF1 + ω_IF2 oszilliert. Die Pha senverschiebung kann beispielsweise durch einen elektroni schen, breitbandigen 90°-Phasenverschieber erreicht werden. Die beiden bisher beschriebenen Ausführungen der Erfindung sind mit einem relativ hohen apparativen Aufwand verbunden. Um dies wesentlich zu reduzieren, wird in Fig. 5 eine Vorrichtung vorgestellt, die ebenfalls ein Interferometer als Meßeinrichtung verwendet. Dieses Interferometer besteht aus einem Referenzarm 7 und einem Objektarm 8. Es wird der Ab stand zum Objekt 11 gemessen. Sendeseitig ist eine Laserdiode 27 mit einer entsprechend nachgeschalteten Optik vorhanden, die über einen Abstimmstrom 26 angesteuert wird. Die ur sprünglich vorhandene Ansteuerfunktion 33 besteht aus einer ansteigenden Folge von einer bestimmten Anzahl von diskreten Amplitudenwerten und ist insbesondere streng monoton. Dabei ist jeder Wert einmal vorhanden und die Werte bzw. Stufen sind gleichmäßig unterteilt und die Reihenfolge wird in einem Codierer 31 entsprechend einer bestimmten Vorschrift bei spielsweise zufällig oder paarweise vertauscht und regi striert. Ein D/A-Wandler 29 erzeugt den analogen Abstimmstrom 26, der der Laserdiode 27 zugeführt wird. Empfangsseitig wird das Empfangssignal i über einen Analog/Digital-Wandler 30 wieder digitalisiert und einem Decodierer 32 zugeführt. Die besagten Wandler 29 und 30 sind synchronisiert. Der Decodie rer 32 greift auf die bestimmte Vorschrift des Codierers 31 zurück und führt eine Rückvertauschung der Platzfolge der entsprechenden Werte entsprechend der Codierung auf der Sen deseite durch. Im Anschluß daran kann beispielsweise durch eine Fourier-Transformation das Frequenzspektrum 34 ermit telt werden.

Fig. 6 zeigt ein Frequenzspektrum entsprechend dem Stand der Technik. Das Nutzsignal 35 ist hier durch die Summe der Steu ersignale 37 völlig überdeckt und kann nicht eliminiert bzw. erkannt werden.

In Fig. 7 ist das Frequenzspektrum 34 entsprechend Fig. 5 dargestellt, wobei das Nutzsignal 35 aus einem weißen Rau schen 36 deutlich hervorsticht.

Die mit den Fig. 5 und 7 zusammenhängende Ausführungsform der Erfindung verwendet ein auf besondere Art und Weise ge bildetes Pseudorauschen, mit dem die Modulation sendeseitig durchgeführt wird. Notwendig ist zumindest sendeseitig eine wertdiskrete Organisation und empfangsseitig eine zeitdiskre te Behandlung des Empfangssignales. Das entstehende Rauschen muß derart breitbandig sein, daß die Rauschamplituden relativ klein sind. Es werden insgesamt eine große Anzahl von digita len Werten innerhalb der Ansteuerungsfunktion benötigt. Die Stufen stellen einen bestimmten Frequenzhub dar. Mit 100 Wer ten bzw. Stufen lassen sich beispielsweise 50 Perioden im Fo tostrom darstellen. Somit ergibt sich eine Mindestgröße für die Anzahl der Werte bzw. Stufen. Es existieren doppelt so viele Abtastwerte.

Symbolverzeichnis

c Lichtgeschwindigkeit
E_P(t) Elektrische Feldstärke der vom Objekt reflektierten Welle
E_R(t) Elektrische Feldstärke der vom Referenzspiegel re flektierten Welle
i(t) Photostrom
i_{0, 1, 2, 3, 4} Amplituden der Photoströme
t Zeit
T_m Meßdauer
x(t) laterale Position des Objektes
y(t) laterale Position des Objektes
Z_P(t) radiale Position des Objektes
Z_R radiale Position des Spiegels im Referenzarm des In terferometers
λ Wellenlänge der vom Laser emittierten elektromagneti schen Strahlung
Φ_S(x, y) durch Speckle verursachter Phasenterm im Interferenz signal
Δω Frequenzhub der vom Laser während der Meßzeit emit tierten elektromagnetischen Strahlung
ω₀ Kreisfrequenz der vom Laser emittierten elektromagne tischen Strahlung ohne Abstimmung
ω_IF Zwischenfrequenz
ω(t) instantane Kreisfrequenz der vom Laser emittierten elektromagnetischen Strahlung
τ_P Laufzeitdifferenz des Lichtes im Interferometer

Bezugszeichenliste

26 Abstimmstrom
27 Laserdiode
28 Photodiode
29 D/A-Wandler
30 A/D-Wandler
31 Codierer
32 Decodierer
33 Ansteuerfunktion
34 Frequenzspektrum
35 Nutzsignal
36 weißes Rauschen
37 Störsignale
s Ausgangssignal
i Empfangssignal

Claims

1. Verfahren zur Elimination von Störeinflüssen beim FMCW- Radar beim Einsatz von mindestens zwei frequenzmodulierbaren Sendern mit simultaner Beschickung einer einzigen Meßanord nung zur Überlagerung eines Ausgangssignales (s1, s2) und ei nes von einem Objekt (11) reflektierten Signales, mit den Ausgangssignalen (s1, s2) der Sender und mit der separaten Aufnahme der Empfangssignale (i1, i2) mittels zweier Detekto ren (9, 10), wobei die mindestens zwei frequenzmodulierbaren Sender während einer Messung derart angesteuert werden, daß die Ausgangssignale (s1, s2) jeweils einen Frequenzhub mit unterschiedlicher mittlerer Steigung aufweisen, die erhalte nen Empfangssignale (i1, i2) multipliziert werden, so daß ein Signal entsteht, das mathematisch durch zwei additive Terme beschrieben wird, von denen der erste Term mit der Summe der Zwischenfrequenzen der Empfangssignale (i1, i2) oszilliert, und somit eine Abstandsinformation enthält und von denen der zweite Term die durch eine Objektbewegung hervorgerufene Stö rung enthält, so daß die beiden Terme gegeneinander frequenz verschoben sind und der zweite Term leicht eliminierbar ist.

2. Verfahren zur Elimination von Störeinflüssen beim FMCW- Radar beim Einsatz eines einzigen frequenzmodulierbaren Sen ders mit innerhalb der Abtastfrequenz des Radars liegender zeitdiskreter Beschickung einer einzigen Meßanordnung zur Überlagerung eines Ausgangssignales (s1, s2) und eines von einem Objekt (11) reflektierten Signales, mit den Ausgangs signalen des Senders im Zeitmultiplex und mit der separaten Aufnahme der Empfangssignale mittels eines Detektors (15) und einem synchronisierten Demultiplex-System, wobei der Sender während einer Messung derart angesteuert wird, daß jedes der im Zeitmultiplex an die Meßanordnung übertragenen Ausgangs signale jeweils einen Frequenzhub mit einer unterschiedlichen mittleren Steigung für jedes Signal aufweist, die erhaltenen Empfangssignale (i1, i2) multipliziert werden, so daß ein Si gnal entsteht, das mathematisch durch zwei additive Terme be schrieben wird, von denen der erste Term mit der Summe der Zwischenfrequenzen der Empfangssignale (i1, i2) oszilliert und somit eine Abstandsinformation enthält, und von denen der zweite Term die durch eine Objektbewegung hervorgerufene Stö rung enthält, so daß die beiden Terme gegeneinander frequenz verschoben sind und der zweite Term leicht eliminierbar ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Frequenzhub von zwei Ausgangssignalen (s1, s2) jeweils eine Steigung mit unterschiedlichen Vorzeichen aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Ausgangssignale von abstimmbaren Lasern erzeugt werden, die Meßanordnung ein optisches Interferometer zur absoluten Abstandsmessung ist und die Detektoren optoelektrische Wand ler sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin die Laser durch Halblei terlaser und die Detektoren durch Photodioden dargestellt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die vollständige Elimination der durch den zweiten mathemati schen Term dargestellten Störung durch eine Phasenverschie bung der beiden Empfangssignale (i1, i2) um 90° geschieht, mit anschließender Multiplikation und Addition, so daß ein einziger Term, der mit der Summe der Zwischenfrequenzen der Empfangssignale (i1, i2) oszilliert und als Nutzsignal ver bleibt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, worin ein abstimmbarer Sender (25) Ausgangssignale im Mikrowellen bereich liefert, so daß ein Mikrowellen-Radar vorliegt.

8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das FMCW-Laser-Radar aus folgenden Bestandteilen aufgebaut ist:

- zwei Laserdioden, die derart angesteuert werden, daß die Ausgangssignale jeweils unterschiedliche Steigungen für den Verlauf der mittleren Frequenz aufweisen,
- einem polarisierenden Strahlteiler (5.1), der die Aus gangsstrahlen (s1, s2), deren Polarisationsebenen um 90° gegeneinander gedreht sind, kolinear ausbildet,
- einen polarisationsunabhängigen Strahlteiler (6) am Zu sammentreffen von Referenzarm und Objektarm des Inter ferometers,
- einen polarisierenden Strahlteiler (5.2) zur Trennung der in unterschiedlichen Ebenen polarisierten Empfangssigna le,
- zwei Detektoren zur Detektion der jeweiligen Empfangs signale, und
- einer Multiplikationseinheit zur Erzeugung der Zwischen frequenz (20).

9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens entsprechend der Ansprüche 1 bis 6, worin das FMCW-Laser-Radar aus folgen den Bestandteilen aufgebaut ist:

- einen durchstimmbaren Laser, der über einen Multiplexer (12) zeitdiskret von zwei unterschiedlichen Ansteuerungen (3, 4) derart versorgt wird, daß seine Ausgangssignale einen Frequenzhub mit jeweils unterschiedlicher mittlerer Steigung aufweisen,
- eine Interferometeranordnung als Meßsystem,
- einem Detektor (15) zur optoelektrischen Umwandlung,
- einem mit dem Multiplexer (12) synchronisierter Demulti plexer (16) zur separaten Ausgabe der beiden Empfangs signale,
- jeweils einer Sample- and Hold-Einheit (18) für jedes Empfangssignal und
- eine Multiplikationseinheit für die Empfangssignale zur Erzeugung der Zwischenfrequenz (20).

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, worin zwei Empfangs signale (i1, i2) jeweils einer Phasenverschiebung (21) unter worfen werden, zwei Multiplikationseinheiten zur Multiplika tion der sich ergebenden jeweiligen Cosinus- und Sinuswerte nach der Phasenverschiebung vorhanden sind und durch einen Ad dierer die gewünschte Zwischenfrequenz 20 erzeugt wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, worin das FMCW-Mikrowellen-Radar aus folgenden Bestandtei len aufgebaut ist:

- einer einen durchstimmbaren Mikrowellensender (25) an steuernden Multiplexeinheit (12),
- einer Sende- und einer Empfangsantenne (23, 24),
- einem Eindiodenmischer zur Überlagerung des Ausgangs signales und der jeweilig von der Oberfläche des Objektes (11) reflektierten Welle,
- einer synchronisierten Demultiplexeinheit (16),
- einer Sample- and Hold-Einheit (18) und
- einer Multiplikationseinheit, deren Ausgangssignal mit der Zwischenfrequenz (20) behaftet ist.

12. Verfahren zur Elimination von Störeinflüssen beim FMCW- Radar beim Einsatz eines einzigen frequenzmodulierbaren Sen ders, verbunden mit:

- der Beschickung einer einzigen Meßanordnung zur Überla gerung eines Ausgangssignales (s) mit einem von einem Objekt (11) reflektierten Signal mit dem Ausgangssignal (S),
- der separaten Aufnahme des Empfangssignales (i) mittels eines Detektors,
- der Versorgung des Senders mit einem Abstimmstrom (26), der durch eine Ansteuerfunktion (33) mit ansteigender Folge mit einer bestimmten Anzahl von diskreten Werten dargestellt wird, wobei diese Werte nach einer bestimmten Vorschrift vertauscht werden und in Anschluß daran eine Digital/Analog-Wandlung erfahren, und
- der synchronisierten empfangsseitigen Analog/ Digital-Wandlung des Empfangssignales (i), wobei entsprechend der bestimmten Vorschrift eine Zurückvertauschung der korrespondierenden Werte stattfindet, woraufhin

die Aufstellung eines Frequenzspektrums des Empfangssignales (i) geschieht, in welchem durch Objektbewegungen hervorgeru fene Störsignale leicht eliminierbar sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, worin das Ausgangssignal (s) von einem abstimmbaren Laser erzeugt wird, die Meßanordnung ein optisches Interferometer zur absoluten Abstandsmessung ist und der Detektor ein optoelektrischer Wandler ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, worin der Laser durch einen Halbleiterlaser und der Detektor durch eine Photodiode darge stellt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, worin ein abstimmbarer Sender Ausgangssignale im Mikrowellenbereich liefert, so daß ein Mikrowellen-Radar vorliegt.

16. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens entspre chend einem der Ansprüche 12 bis 15, worin die Vorrichtung aus folgenden Bestandteilen aufgebaut ist:

- einem Interferometer mit einem Referenzarm (7) und einem Objektarm (8) zum Empfang eines Ausgangssignales (s) ei ner Laserdiode (27) und zur Ausgabe eines Empfangssigna les (i),
- einem sendeseitigen Codierer (31), der eine digitalisierte aus einer ansteigenden Folge von diskreten Werten bestimmter Anzahl bestehende Ansteuerfunktion (33) nach einer bestimmten Vorschrift kodiert,
- einem Digital/Analog-Wandler (29), der die codierte Ansteuerfunktion (33) in den Abstimmstrom (26) umwan delt,
- einer empfangsseitigen Fotodiode (28) als Detektor für das Empfangssignal (i),
- einem mit dem D/A-Wandler (29) synchronisierten A/D- Wandler (30),
- einem Decodierer (32) zur Rückvertauschung entsprechend der bestimmten Vorschrift, und
- einer Einheit zur Ausgabe des Frequenzspektrums (34).

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, worin das Interferometer durch einen Eindiodenmischer zur Überlagerung des Ausgangs signales und des von der Oberfläche des Objektes (11) reflek tierten Signales in Verbindung mit einer Sende- und einer Empfangsantenne und die Laserdiode (27) durch einen durch stimmbaren Mikrowellensender dargestellt werden.