DE19743132A1

DE19743132A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abstandsmessung

Info

Publication number: DE19743132A1
Application number: DE19743132A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Lindmueller; Michael Dipl Ing Ludwig
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2017-10-01
Also published as: DE19743132C2; US5963509A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsmessung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vor richtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 2.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung sind aus der WO 97/09638 bekannt. Die bekannte Vorrichtung arbei tet nach dem FMCW-Prinzip (Frequency Modulated Continuous Wave) und enthält hierzu eine Signalquelle in Form eines durchstimmbaren Mikrowellenoszillators, der ein linear fre quenzmoduliertes Mikrowellensignal erzeugt. Das frequenz modulierte Signal wird über eine Sende-/Empfangseinrichtung abgestrahlt und an einem Objekt reflektiert, dessen Abstand zu der Vorrichtung zu bestimmen ist. Das von dem Objekt zu rückreflektierte Signal wird mittels der Sende-/Empfangs einrichtung empfangen und in einer Demodulatoreinrichtung mit dem zur Abstrahlung vorgesehenen Signal gemischt. Aufgrund der Laufzeit des empfangenen Signals auf seinem Weg von der Sende-/Empfangseinrichtung zu dem Objekt und zurück und der zwischenzeitlich durch die Frequenzmodulation erfolgten Fre quenzänderung des abzustrahlenden Signals ergibt sich eine Differenz zwischen den Frequenzen beider Signale, so daß die Demodulatoreinrichtung ausgangsseitig ein Demodulationssignal mit einer dieser Differenz entsprechenden Frequenz erzeugt. Da die Frequenzmodulation des Mikrowellensignals linear er folgt, ist die Frequenz des Demodulationssignals proportional zum Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Objekt, so daß dieser in einer Auswerteeinrichtung unmittelbar aus der Fre quenz des Demodulationssignals bestimmt werden kann.

Wenn außer dem eigentlichen Zielobjekt davor- oder dahinter liegende reflektierende Störobjekte existieren, so erhält man für das Demodulationssignal ein Frequenzgemisch, welches die Bestimmung des Abstandes zu dem Zielobjekt nicht mehr durch reine Frequenzmessung erlaubt. Als Störobjekte wirken bei spielsweise Steckverbinder im Leitungsweg für das frequenz modulierte Signal, der Rand einer das Signal abstrahlenden Antenne oder bei einer Füllstandsmessung der Gefäßboden. Es ist möglich, das Frequenzgemisch in der Auswerteeinrichtung einer Fourier-Analyse zu unterziehen, um so die von den un terschiedlichen Objekten herrührenden Frequenzen voneinander trennen zu können, jedoch muß wegen der periodisch erfol genden linearen, z. B. dreieck- oder sägezahnförmigen, Fre quenzmodulation des hochfrequenten Signals die Fourier-Trans formation in einem Zeitfenster erfolgen, wodurch die Fre quenzauflösung beschränkt ist. Insbesondere bei einem gerin gen Abstand des Zielobjekts ist die Frequenz des Demodula tionssignals sehr gering, so daß das Verhältnis von Peri odendauer zu der Länge des Zeitfensters kleiner als Eins und damit für eine Fourier-Transformation auf jeden Fall zu ge ring sein kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ohne großen Rechenaufwand eine sichere Abstandsmessung auch bei geringem Abstand des Zielobjektes zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren bzw. die in Anspruch 2 angegebene Vor richtung gelöst.

Das Demodulationssignal wird mit seinem von unterschiedlichen reflektierenden Objekten herrührenden Frequenzgemisch laufend mit mindestens einem Schätzsignal mit angenommener Frequenz und veränderbarer Phase verglichen, wobei für 1 . . . n Fre quenzen 1 . . . n Schätzsignale gebildet werden. Dabei wird das jeweilige Schätzsignal bezüglich seiner Phase in Abhängigkeit von dem zwischen ihm und dem Demodulationssignal vorhandenen Phasenunterschied korrigiert. Die zeitliche Phasenänderung ist dabei ein Maß für den Fehler der angenommenen Frequenz des Schätzsignals, die entsprechend korrigiert wird. Die so korrigierte Frequenz wird zur Abstandsbestimmung herangezo gen. Dabei ist lediglich erforderlich, daß anfangs der Start wert für die angenommene Frequenz des Schätzsignals in der Nähe der von dem Zielobjekt herrührenden Frequenz liegt, so daß die laufende Korrektur der Frequenz des Schätzsignals in Richtung auf die von dem Zielobjekt herrührende Frequenz und nicht in Richtung auf eine von einem Störobjekt herrührende Frequenz erfolgt. Ist dies der Fall, so konvergiert die Fre quenz des Schätzsignals auch bei einem ungenauen Startwert in Richtung auf die von dem Zielobjekt herrührende Frequenz und folgt dieser bei Änderungen des Abstandes zwischen der Vor richtung und dem Zielobjekt nach.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figur der Zeichnung Bezug genommen, die ein Ausführungs beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstandsmes sung zeigt.

Diese enthält eine Signalquelle 1 mit einem Funktionsgenera tor 2 und einem von diesem steuerbaren Oszillator 3, hier einem Mikrowellenoszillator. Der Oszillator 3 erzeugt ein hochfrequentes Signal s, hier ein Mikrowellensignal, das in Abhängigkeit von einer von dem Funktionsgenerator 2 peri odisch erzeugten linearen, z. B. dreieck- oder sägezahnför migen, Modulationsfunktion u frequenzmoduliert ist. Das fre quenzmodulierte Signal s wird einer Sende-/Empfangseinrich tung 4 zugeführt, innerhalb der es über eine Sende-/Empfangs weiche 5 zu einer Antenne 6 gelangt und von dort aus in Rich tung auf ein Objekt 7 abgestrahlt wird, dessen Abstand a zu der Vorrichtung, speziell zu der Antenne 6, bemessen werden soll. Das abgestrahlte Signal s wird von dem Objekt 7 zurück reflektiert und nach einer zum Abstand a proportionalen Lauf zeit als reflektiertes Signal r von der Antenne 6 empfan gen. Von dort gelangt das reflektierte Signal r über die Sende-/Empfangsweiche 5 zu einer Demodulatoreinrichtung 8, der außerdem das von der Signalquelle 1 erzeugte frequenz modulierte Signal s zugeführt wird. Während der Laufzeit des empfangenen Signals r hat sich die Frequenz des abzustrahlen den Signals s aufgrund seiner Frequenzmodulation geändert, so daß die der Demodulatoreinrichtung 8 zugeführten Signale s und r unterschiedliche Frequenzen aufweisen. Die Demodulator einrichtung 8 erzeugt ausgangsseitig ein Demodulationssignal y mit einer der Differenz der Frequenzen der beiden Signale s und r entsprechenden Frequenz und enthält hierzu einen Si gnalmischer 9 mit einem nachgeordneten Tiefpaßfilter 10. Da die Frequenzmodulation des abzustrahlenden Signals s über die Zeit linear erfolgt, ist die Frequenz des Demodulationssi gnals y direkt proportional zu dem zu messenden Abstand a, der somit in einer der Demodulatoreinrichtung 8 nachgeord neten Auswerteeinrichtung 11 unmittelbar aus der Frequenz des Demodulationssignals y bestimmt werden kann.

Es besteht jedoch das Problem, daß neben dem eigentlichen Zielobjekt 7 weitere davor- oder dahinterliegende reflektie rende Störobjekte, z. B. der Rand der Antenne 6, existieren, so daß das Demodulationssignal y aus einem Frequenzgemisch besteht, aus dem die von dem Objekt 7 herrührende Frequenz separiert werden muß.

Hierzu wird in einem Signalmodell 12 für den von der Refle xion des Signals s an dem Objekt 7 herrührenden Anteil des Demodulationssignals y mit der Frequenz f_n ein Schätzsignal ermittelt. Dieses Schätzsignal weist als Startwert eine anfänglich angenommene Frequenz in der Nähe der Frequenz f_n auf. Ferner ist die Phasenlage des Schätzsignals durch zu mindest einen Modellparameter b des Signalmodells 12 be stimmt.

Das gegebenenfalls über ein Bandpaßfilter 13 geführte Demodu lationssignal y und das Schätzsignal werden in einer Ver gleichseinrichtung 14 miteinander verglichen. Als Ergebnis des Vergleichs wird ein Schätzfehler e erhalten, aufgrund dessen die Modellparameter b in einem hier durch einen Funk tionsblock 15 bezeichneten Algorithmus im Sinne einer Ver ringerung des Schätzfehlers e verändert werden. Um laufend eine Aktualisierung der Modellparameter b zu erhalten, wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein re kursiver Algorithmus verwendet, bei dem die jeweils neuen, aktuellen Modellparameter b(k) in Abhängigkeit von den zuvor ermittelten Modellparametern b(k-1) und dem gewichteten Schätzfehler e(k) mit b(k) = b(k-1) + p(k).e(k) ermittelt werden.

Mit den aktualisierten Modellparametern b ergibt sich eine Angleichung des Schätzsignals bezüglich seiner Phase ϕ und gegebenenfalls anderer Merkmale, wie z. B. der Amplitude, an das Demodulationssignal y. Da das Schätzsignal bezüglich seiner Phase ϕ dem Signal y nachfolgt, können Abweichungen zwischen der angenommenen Frequenz des Schätzsignals und der davon nachzubildenden Frequenz f_n innerhalb des Frequenz gemischs des Demodulationssignals y über zeitliche Änderungen der Phase ϕ des Schätzsignals erfaßt werden. Gleiches gilt auch für Frequenzänderungen, die von Änderungen des Abstandes a hervorgerufen werden. Dabei gilt für die Frequenzänderungen bzw. Frequenzabweichungen Δω und bei einer Abtastzeit T_A:

Δω.T_A = Δϕ = ϕ(k) - ϕ(k-1).

Voraussetzung ist, daß der Startwert der Frequenz des Schätz signals in der Nähe der zu ermittelnden Frequenz f_n liegt, so daß der verwendete Algorithmus in Richtung auf diese Fre quenz f_n zu und nicht zu einer möglichen Störfrequenz hin konvergiert.

Der Startwert der Frequenz des Schätzsignals kann bei de finierten Verhältnissen, wenn sich z. B. das Objekt 7 nicht bewegt und der Abstand a daher konstant ist, mittels einer in einer Recheneinrichtung 16 durchgeführten Fourier-Transforma tion des Demodulationssignals y ermittelt werden. Der Rechen aufwand hierfür ist relativ gering, weil sich das Frequenz spektrum des Demodulationssignals y wegen der konstanten Ver hältnisse nicht ändert und daher genügend Rechenzeit zur Ver fügung steht. Eine alternative Möglichkeit besteht darin, bei unveränderlichem Abstand a nacheinander Schätzsignale mit unterschiedlichen Startwerten für ihre Frequenz zu erzeugen und anschließend denjenigen Startwert auszuwählen, bei dem das Schätzsignal mit seiner Frequenz zu einem plausiblen Frequenzwert hin konvergiert.

Die Berechnung der Phasenänderung Δϕ = ϕ(k) - ϕ(k-1) aus den Modellparametern b erfolgt in einem Funktionsblock 17. Mit der so berechneten Phasenänderung Δϕ wird die Frequenz des Schätzsignals um den Betrag Δω = Δϕ/T_A korrigiert. Aus der so korrigierten Frequenz des Schätzsignals , die sich, wie bereits erläutert, der Frequenz f_n angleicht und dieser nachfolgt, wird dann in einem Funktionsblock 18 direkt der Abstand a berechnet.

Das Ausführungsbeispiel wurde für die Erzeugung eines Schätz signals mit einer angenommenen Frequenz beschrieben. Entsprechend können für mehrere Frequenzen mehrere Schätz signale erzeugt werden.

Claims

1. Verfahren zur Abstandsmessung, bei dem

- ein hocherfreutes, linear frequenzmoduliertes Signal (s) erzeugt und zu einem Objekt (7), dessen Abstand (a) zu be stimmen ist, abgestrahlt wird,
- ein von dem Objekt (7) zurückreflektiertes Signal (r) emp fangen wird und
- ein Demodulationssignal (y) aus dem empfangenen und zurück reflektierten Signal (r) und dem gleichzeitig abzustrahlen den Signal (s) mit einer der Differenz zwischen den Fre quenzen beider Signale (s, r) entsprechenden Frequenz er zeugt wird und daraus der Abstand (a) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
- daß für das Demodulationssignal (y) mindestens ein Schätz signal () mit jeweils einer angenommenen Frequenz () und einer veränderbaren Phase gebildet wird,
- daß durch Vergleich des Demodulationssignals (y) mit dem Schätzsignal () ein Schätzfehler (e) erzeugt wird,
- daß die Phase des Schätzsignals () adaptiv im Sinne einer Verringerung des Schätzfehlers (e) verändert wird,
- daß die Frequenz des Schätzsignals () entsprechend der zeitlichen Änderung der Phase (Δϕ) korrigiert wird und
- daß aus der so korrigierten Frequenz () der Abstand (a) bestimmt wird.

2. Vorrichtung zur Abstandsmessung

- mit einer Signalquelle (1) zur Erzeugung eines hochfrequen ten, linear frequenzmodulierten Signals (s),
- mit einer Sende-/Empfangseinrichtung (4) zum Abstrahlen des Signals (s) und zum Empfangen eines von einem Objekt (7) zurückreflektierten Signals (r),
- mit einer Demodulatoreinrichtung (8) zur Erzeugung eines Demodulationssignals (y) aus dem empfangenen Signal (r) und dem gleichzeitig abzustrahlenden Signal (s) mit einer der Differenz zwischen den Frequenzen beider Signale (s, r) entsprechenden Frequenz und
- mit einer der Demodulatoreinrichtung (8) nachgeordneten Auswerteeinrichtung (11) zur Bestimmung des Abstandes (a) zwischen der Vorrichtung und dem Objekt (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (11) enthält:
- ein Signalmodell (12) zur Erzeugung mindestens eines Schätzsignals () für das Demodulationssignal (y) mit je weils einer angenommenen Frequenz () und einer durch zu mindest einen veränderbaren Modellparameter (b) bestimmten Phase,
- eine Vergleichseinrichtung (14) zur Erzeugung eines Schätz fehlers (e) als Ergebnis eines Vergleichs zwischen dem De modulationssignal (y) und dem Schätzsignal (),
- Mittel (15) zur adaptiven Veränderung der Modellparameter (b) im Sinne einer Verringerung des Schätzfehlers (e),
- Mittel (17) zur Ermittlung der aus der Änderung des zumin dest einen Modellparameters (b) folgenden Änderung (Δϕ) der Phase des Schätzsignals (),
- Mittel zur Korrektur der angenommenen Frequenz () des Schätzsignals () entsprechend der zeitlichen Änderung (Δϕ) der Phase und
- Mittel (18) zur Bestimmung des Abstandes (a) aus der korri gierten Frequenz.