DE2951143A1

DE2951143A1 - Fm-cw-radarabstandsmessgeraet

Info

Publication number: DE2951143A1
Application number: DE19792951143
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Tomasi
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-12-26
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1980-07-24
Also published as: GB2040133A; FR2445535A1; GB2040133B; US4276549A; DE2951143C2; FR2445535B1; JPS5590875A

Description

30.11.1979 *? PHF 78 587

2951U3

"FM-CW-RadarabStandsmessgerät"

Die Erfindung bezieht sich auf ein FM-CW-Radarabstandsmessgerät mit einem Generator für ein HF-Signal, das von einem Modulator linear frequenzmoduliert wird, welcher Generator ein sägezahnförraiges Signal erzeugt mit einer veränderlichen Periode T, die sich zu dem zu messenden Abstand linear verhält, mit Mitteln zum Senden eines HF-Signals zu einem Gegenstand und mit Mitteln zum Empfangen des von dem Gegenstand reflektierten HF-Signals, mit einer ersten Rückkopplungsschleife, die mit einer Mischstufe, der das empfangene Signal und das ausgestrahlte Signal zum Erzeugen eines Schwebesignals mit der Frequenz f, zugeführt werden, und weiterhin mit einem Frequenzdiskriminator mit einer zentralen Frequenz f versehen ist, dem das Schwebesignal zum Erzeugen eines Fehlersignals zugeführt

¹^ wird, das einer ersten Integratorschaltung zugeführt wird, deren Ausgang mit einem Eingang des genannten Modulators verbunden ist zum Einstellen des Neigungswinkels des sägezahnförmigen Signals um die Frequenz f, praktisch konstant und gleich f zu machen.

'" Wie allgemein bekannt, wird die Genauigkeit der Abstandsmessung durch die Linearität der sägezahnförmigen Spannung, die von dem Modulator erzeugt wird, weitgehend beeinflusst. Diese Linearität wird bei dem obenstehend beschriebenen Abstandsmessgerät nicht nur durch die Wirkung des Modulators selbst bestimmt, sondern auch durch die Form des Gegenstandes, an dem das ausgestrahlte HF-Signal reflektiert.

Die Erfindung bezweckt nun, den Einfluss der Form des Gegenstandes auf die Linearität der sägezahnförmigen

*" Spannung zu verringern und auf diese Weise die Genauigkeit der Abstandsmessung zu vergrössern.

Nach der Erfindung ist das Abstandsmessgerät dazu mit den folgenden Elementen versehen:

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30.11.1979

1) einer zweiten Rückkopplungsschleife, die an den Ausgang des Frequenzdiskriminators angeschlossen ist und-mit folgenden Teilen versehen ist:

- einem Pegeldetektor, dem das Ausgangssignal des Frequenzdiskriminators zugeführt wird;

einer zweiten Integrationsschaltung, die an den Ausgang des Pegeldetektors angeschlossen ist;

2) einer Kombinierschaltung, die zwischen dem Ausgang der ersten Integrationsschaltung und dem Eingang des Modulators liegt und zum Kombinieren der von den beiden Integrationsschaltungen gelieferten Signale eingerichtet ist;

3) Mitteln zum Steuern der zweiten Integrationsschaltung, welche Mittel durch das Ausgangssignal des Modulators gesteuert werden, welche Mittel innerhalb jeder Periode der sägezahnförmigen Spannung eine gleiche Anzahl nacheinander auftretender Steuersignale erzeugt zur Erzeugung einer gleichen Anzahl Ausgangssignale der zweiten Integrationsmittel.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Abstandsmessgerätes nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des bekannten Abstandsmessgerätes,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Steueranordnung, die in dem Abstandsmessgerät nach Fig. 1 verwendet werden kann,

Fig. h ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Abstandsmessgerätes. Derjenige Teil der Fig. 1, der zur rechten Seite des Striches A liegt, stellt das bekannte FM-CW-Abstandsmessgerät dar. Dieses Gerät ist mit einem HF-Signalgenerator 1 versehen, der mit einem Steuereingang versehen ist, der an den Ausgang eines Modulators 2 angeschlossen ist. Dieser Generator 1 liefert ein HF-Signal, das mit Hilfe einer Antenne 3 ausgestrahlt wird. Wird dieses ausgestrahlte

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30.11.1979 y ζ '' PHF 29S⁸M A3

Signal an einem Gegenstand reflektiert, so wird das reflektierte Signal mit Hilfe einer Antenne 4 empfangen und einer Mischstufe 5 zugeführt, der zugleich das ausgestrahlte Signal zugeführt wird und die ein Differenzsignal liefert.

Dieses Differenzsignal wird über ein Tiefpassfilter 10 und einen Verstärker 7 einem Frequenzdiskriminator 6 zugeführt, der auf eine feste Frequenz f eingestellt ist und ein Fehlersignal liefert, dessen Grosse der Abweichung der Frequenz des Differenzsignals gegenüber f proportional ist.

Dieses Fehlersignal wird einem Integrator 8 zugeführt, dessen Ausgangssignal die Neigung der sägezahnförmigen Spannung regelt, die von dem Modulator 2 erzeugt wird. Wird davon ausgegangen, dass die Amplitude dieser sägezahnförmigen Spannung konstant ist, so ist die Periode von der Neigung und auf diese Weise von dem Abstand D von dem Gegenstand abhängig. Für diesen Abstand gilt nun: f .c

Darin ist:
£±F der konstante Frequenzhub des HF-Signals;

c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen;
T die (veränderliche) Periode des sägezahnförmigen Signals.

Ausser den obenstehend beschriebenen Elementen, die für das normale Funktionieren des bekannten Radar-Abstandmessgerätes sorgen, ist die Rückkopplungsschleife mit einem Addierer 9 versehen, der zwischen dem Integrator 8 und dem Modulator 2 liegt, sowie mit einem Tiefpassfilter 10, das zwischen der Mischstufe 5 und dem Verstärker 7 liegt. Die Wirkungsweise dieser beiden zusätzlichen Elemente wird untenstehend erläutert. Für mehr Information in bezug auf ein derartiges bekanntes Abstandsmessgerät sei auf die französische Patentschrift Nr. 1 557 670 verwiesen.

Die Wirkungsweise des in Fig, 1 dargestellten Abstandsmessgerätes wird untenstehend an Hand der Fig. 2 näher erläutert.

Wird zunächst vorausgesetzt, dass die Rückkopplungsschleife an dem Ausgang des Frequenzdsikriminators 6 unter-

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30.11.1979 r C ^{PHF 78}

brochen ist, so liefert der Modulator 2 eine Ausgangsspannung V , deren Verlauf durch die Kurve a in Fig» 2a dargestellt ist. Vorausgesetzt ist, dass dieser Verlauf rein linear ist. Infolge dieser Ausgangsspannung V liefert , der HF-Genarator 1 ein HF-Ausgangssignal, dessen Frequenzverlauf durch die Kurve a in Fig. 2b dargestellt ist. Diese letztere Kurve ist nicht linear und die Abweichung der Linearität kann an bestimmten Stellen ednige zehn Prozent betragen. Infolge des von dem HF-Generator 1 erzeugten .Q HF-Signals, wird an dem Ausgang des Frequenzdiskriminators 6 eine Ausgangsspannung V, erhalten, deren Verlauf durch die Kurve a in Fig. 2c dargestellt ist.

Wird die Rückkopplungsschleife nun geschlossen, so wird die Ausgangsspannung V des Modulators, die Frequenz F jg des HF-Generators und die Ausgangsspannung V. des Frequenzdiskriminators 6 verlaufen, wie in den Kurven b in den Fig. 2a, 2b und 2c dargestellt ist. Dabei wird der Gegenstand als punktförmig vorausgesetzt. Es stellt sich heraus, dass diese Rückkopplungsschleife einen linearisierenden 2Q Einfluss auf den Verlauf der Frequenz des HF-Generators 1 hat. Es stellt sich heraus, dass diese linearisierende Wirkung von der Stossantwortzeit der Rückkopplungsschleife abhängig ist und setzt sich fort, je nachdem die Stossantwortzeit kürzer ist. Die auf diese Weise erhaltene linearisierende Wirkung reicht jedoch nicht aus und die Abweichung der Linearität der Frequenz des HF-Generators bleibt in der Grössenordnung von 27%, während nur eine Abweichung von 5$ akzeptierbar ist.

Die Abweichung des wirklichen Verlaufes der Frequenz des HF-Generators und der lineare Verlauf derselben ergibt sich'als annähernd mathematisch wie folgt ausgedrückt werden zu können:

£(x) = 2a χ - 3a x² (2)

wobei E die relative Abweichung von der gewünschten Neigung ist und χ eine genormte Grosse, die wie folgt definiert ist: x = , mit 0 -^ XT £ χ.

Die maximale Abweichung Δ-ί* zwischen der grössten und der kleinsten Neigung ist auf diese Weise gleich:

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30.11.1979 / f- . PHF 78 587

Δ£ = €(V3) - fcd) = 5

In dem Ausdruck 2 entspricht a = 0,2 der in Fig. 2b dargestellten Kurve b, wofür gilt, dass Ui= 0,27.

Die grosse Abweichung der Linearität des Generators 1 entsteht aus der Tatsache, dass die Rückkopplungsschleife keinen Speicher enthält, wodurch diese Rückkopplungsschleife für den Linearisierungsvorgang für jede Sägezahnperiode aufs neue anfängt und die Zeitkonstante dieser Schleife nicht klein genug ist um eine ausreichende Linearisierung zu erhalten.

Weil die obenstehend beschriebene Abweichung der Linearität systematisch ist und nur langsam ändert, beispielsweise als Funktion der Temperatur, wird jede Sägezahnperiode in eine vorbestimmte Anzahl Zeitintervalle mit derselben Dauer aufgeteilt und jedem dieser Zeitintervalle ist eine Rangnummer zugeordnet. Für jedes dieser Zeitintervalle wird ein Signalwert ermittelt, der für die in diesem Zeitintervall auftretende Abweichung der Linearität repräsentativ ist und diese Signalwerte werden in einem Speicher gespeichert und daraus in dem Zeitintervall mit derselben Rangnummer auftretend in der nächsfolgenden Sägezahnperiode ausgelesen. Die auf diese Weise von dem Speicher gelieferten Signalwerte werden in dem Addierer 9 zu dem Signal addiert, das von dem Integrator 9 geliefert wird und die auf diese Weise erhaltene Summe beeinflusst die Neigung der von dem Modulator 2 gelieferten sägezahnförmigen Spannung.

Das Abstandsmessgerät ist dazu mit einer Rückkopplungsschleife versehen, die bei dem Abstandsmessgerät nach Fig.1 digital ausgebildet ist. Diese digitale Schleife enthält in Kaskade zwischen dem Ausgang des Frequenzdiskrimxnators 6 und dem zweiten Eingang des Addierers 9 einen Pegeldetektor 11, einen Addierer 12, einen Speicher 13 und einen Analog-Digital-Wandler lh. Der Ausgang des Speichers 13 ist mit einem zweiten Eingang des Addierers 12 mittels des Leiters 15 verbunden. Zwischen dem Ausgang des Modulators 2 und einem Steuereingang des Speichers I3 liegt eine Steueranordnung 16.

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30.11.1979 f P' ^{PHF 78}

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Untenstehend wird das i-te Zeitintervall der p-Zeitintervalle, in die eine Periode T des sägezahnförmigen Signals verteilt wird, durch J. dargestellt. Mit dem Zeitintervall J. wird durch die Steueranordnung aus dem Speieher I3 eine Zahl M. ausgelesen.

Das Verteilen der sägezahnförmigen Spannung V in ρ Zeitintervalle J. wird ebenfalls durch die Steueranordnung 16 durchgeführt, die dazu auf die Art und Weise wie in Fig. 3 dargestellt, ausgebildet werden kann. Diese in Fig. 3 dargestellte Anordnung enthält eine Vergleichsanordnung 20, der über einen ersten Eingang 21 das Ausgangssignal des Modulators 2 zugeführt wird. Der Ausgang dieser Vergleichsanordnung 20 bildet zugleich den Ausgang dieser Steueranordnung. Dieser Ausgang ist weiterhin mit dem Eingang eines Modulo-p-Zählers 22 verbunden, dessen Ausgang an einen Digital-Analog-Wandler 23 angeschlossen ist. Der Ausgang des Wandlers 23 ist mit einem zweiten Eingang 2k der Vergleichsanordnung 20 verbunden. Solange die Spannung am Eingang 21 kleiner ist als die Spannung am Eingang 2k, liefert die Vergleichsanordnung 20 eine erste Signalspannung. Wird die Spannung am Eingang 21 grosser als die an dem Eingang 2k, so liefert diese Vergleichsanordnung eine zweite Signalspannung, wodurch die Zählerstellung des Zählers 22 um eine Einheit zunimmt und dadurch der Ausgang des Wandlers 23 um einen genormten Spannungsschritt & V, was die Vergleichsanordnung 20 abermals auf die erste Signalspannung umkippen lässt, in welcher Stellung diese bleiben wird, bis das Signal am Eingang 21 um den Wert O V zugenommen hat. Die Steueranordnung erzeugt auf diese Weise eine Reihe zweiter Signalspannungen oder Impulse und zwar insgesamt ρ innerhalb jeder Periode der sägezahnförmigen Spannung V . Weil V keinen rein linearen Verlauf zu haben braucht, erscheinen die Ausgangsimpulse dieser Steueranordnung nicht mit einer festen Periode, so dass auch die Dauern der Intervalle J. untereinander verschieden sein können. Diese Erscheinung hat jedoch keinen Einfluss auf das einwandfreie Funktionieren des Abstandmessgerätes.

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Der Speicher 13 kann durch ein Schieberegister gebildet werden, das aus ρ Schieberegisterteilen besteht, die je zum Speichern eines k-Bit-Wortes eingerichtet sind und deren Inhalt unter Ansteuerung der Impulse, die von der Steueranordnung 16 geliefert werden, weitergeschoben wird. Am Ausgang dieses Schieberegisters treten nun die mit k Bit kodierten digitalen Zahlen M. auf, wobei eines dieser k Bit das Vorzeichenbit dieser Zahl darstellt. In dem Zeitintervall J. wird die Zahl M., die am Ausgang des Speichers 13 erscheint, einem Digital-Analog-Wandler zugeführt. Das Ausgangssignal dieses Wandlers 1Ί wird in dem Addierer 9 zu dem Ausgangs signal des Integrators 8 addiert und das auf diese Weise erhaltene Summensignal steuert die Neigung des Ausgangssignals des Modulators Die Ausgangsspannung des Diskriminators 6, die während des Zeitintervalls J. auftritt, wird dem Pegeldetektor 11 zugeführt, der diese Ausgangsspannung mit einer positiven sowie negativen Schwellenspannung vergleicht, welche Spannungen in ihrem Absolutwert einander gleich sind.

Dieser Detektor gibt ein logisches Signal ab, das dem Wert +1, 0 bzw. -1 entspricht, je nachdem die Eingangsspannung höher 1st als die positive Schwellenspannung, die zwischen den beiden Schwellenspannungen liegt oder niedriger ist als die negative Schwellenspannung. Diese Funktionen können auf bekannte Weise mit zwei Vergleichsanordnungen verwirklicht werden. Die Ausgangszahl, +1, oder -1 wird ^u der Zahl M. mit Hilfe des Addierers 12 algebraisch addiert und das Resultat wird wieder dem Schieberegister (Speicher) zugeführt. Während des Zeit— Intervalls J. „ liefert der Speicher die Zahl M. . die 1+1 ι+1 ι

auf dieselbe Art und Weise wie M. um eine Einheit vergrössert bzw. verkleinert oder konstant gehalten wird. In dem

Zeitintervall J λ erscheint letzten Endes die Zahl M am fi> ρ

Ausgang des Speichers. Ausser als Schieberegister kann der Speicher ¹3 auch durch ein Speichermedium beispielsweise einen RAM mit adressierbaren Speicherstellen gebildet werden, wobei an jeder dieser Speicherstellen eine der ρ aus k Bits bestehenden Zahlen gespeichert werden kann.

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30.11.1979 X 4θ· PHF 78 587

In diesem Fall werden nicht die Ausgangsimpulse der in Fig. 3 dargestellten Vergleichsanordnung 20 dem Speicher zugeführt, sondern der Inhalt des Modulo-p-Zählers 22 wird demselben als Adressenkode zugeführt.

Dass die obenstehend beschriebenen Massnahmen den gewünschten Effekt haben, dürfte aus dem Untenstehenden hervorgehen. Wird von dem in (2) gegebenen Ausdruck für £l(x) ausgegangen, so gilt, dass die .Änderung άζ von 2" (x) durch den nachfolgenden Ausdruck gegeben wird.

^£= 2a - 6ax,

so dass in einem Intervall mit der Länge ρ die mittlere Änderung von <£ Z. gleich:

££(2a - 6ax) - ist.

Der maximale Wert | ht.\, der in dem ersten Zeitinter-

ka vall auftritt und zwar für χ = 1 , ist gleich: .

Für a = 0,2 und ρ = 16, gilt dann, dass

= 0,05,

f
was eine Abweichung der Linearität von 5$ bedeutet.

Die Auswirkung der digitalen Rückkopplungsschleife auf den Modulator 2 und den Generator 1 ist in Fig. k dargestellt. Dabei ist ρ gleich 8 gewählt worden. Insbesondere stellt Fig. ka die Ausgangsspannung V des Modulators 2 dar. Diese in Fig. 4a dargestellte Kurve ist aus 8 linearen Abschnitten mit einer bestimmten Neigung aufgebaut, wobei an dem Übergang von dem einen Segment zum anderen ein diskreter Neigungssprung auftritt.

Fig. kh zeigt den Verlauf der Frequenz des HF-Generators infolge der in Fig. 4a dargestellten Ausgangsspannung des Modulators.

Die Abweichung der Linearität Z. (χ) der in Fig. kh dargestellten Kurve ist in Fig. kc dargestellt.

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Claims

30.11.1979 f PHF 78

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PATENTANSPRUCH

FM-CW-Radarabstandmessgerät mit einem Generator für ein HF-Signal, das von einem Modulator linear frequenzmoduliert wird, welcher Generator ein sägezahnförmiges Signal erzeugt mit einer veränderlichen Periode T, die sich auf den zu messenden Abstand linear bezieht, mit Mitteln zum zu einem Gegenstand Senden und mit Mitteln zum Empfangen des von dem Gegenstand reflektierten HF-Signals, mit einer ersten Rückkopplungsschleife, die mit einer Mischstufe, der das empfangene Signal und das ausgestrahlte Signal zugeführt werden und zwar zum Erzeugen eines Schwebesignals mit der Frequenz f, und mit einem Frequenzdiskriminator mit einer zentralen Frequenz f versehen ist, dem das Schwebesignal zugeführt wird zum Erzeugen eines Fehlersignals, das einer ersten Integratorschaltung

'5 zugeführt wird, deren Ausgang mit einem Eingang des genannten Modulators gekoppelt ist zum Einstellen des Neigungswinkels des sägezahnförmigen Signals um die Frequenz f. praktisch konstant und gleich f zu machen, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandsmessgerät weiterhin mit

'" den folgenden Elementen versehen ist:

1) einer zweiten Rückkopplungsschleife, die an den Ausgang des Frequenzdiskriminators angeschlossen und mit den folgenden Teilen versehen ist:

— einem Pegeldetektor, dem das Ausgangssignal des Frequenz-" diskriminators zugeführt wird;

- einer zweiten Integrationsschaltung, die an den Ausgang des Pegeldetektors angeschlossen ist;

2) einer Kombinierschaltung, die zwischen dem Ausgang der ersten Integrationsechaltung und dem Eingang des Modulators liegt und zum Kombinieren der von den beiden Integrationsschaltungen gelieferten Signale eingerichtet ist;

3) Mitteln zum Steuern der zweiten Integrationsschaltung,

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ORIGINAL INSPECTED

30.11.1979 2 PHF 78

welche Mittel durch das Ausgangssignal des Modulators gesteuert werden und welche Mittel innerhalb jeder Periode der säge^ahnfÖrmigen Spannung eine gleiche Anzahl nacheinander auftretender Steuersignale erzeugt zum Erzeugen einer gleichen Anzahl Ausgangssignale der zweiten Integrationsmittel.

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