(57)【要約】  本発明は、第1のマイクロ波放射を放出するための放出器と、第1のマイクロ波放射から引き出される第2のマイクロ波放射を検出するための受信機と、放出器および受信機に接続された制御システムとを有するシステムに関している。第1のマイクロ波放射は、複数の時間ポイントで、これらの時間ポイントに割り当てられた異なる周波数で放出される。時間ポイントと周波数の相関は、ランダムまたは擬似ランダムである。別法または追加として、時間ポイントにおける放出または受信のための時間期間の長さもランダムまたは擬似ランダムである。本発明は、さらに、周波数変調レーダシステム内の干渉を抑制するための方法に関している。
2013518262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1のマイクロ波放射(30)を放出するための送信機(12)と、
前記第1のマイクロ波放射(30)から引き出される第2のマイクロ波放射(32)を受け取るための受信機(14)と、
前記送信機(12)および前記受信機(14)に接続された制御ユニット(16)と
を特徴として備え、
前記第1のマイクロ波放射(30)が複数の時間ポイントで送信され、前記時間ポイントに異なる周波数が割り当てられ、
時間ポイントおよび周波数の割当てがランダムまたは擬似ランダムであり、および/または放出または受信のための時間期間の長さがランダムまたは擬似ランダムである、システム(10)であって、
前記第1のマイクロ波放射(30)を表面波に変換し前記第2のマイクロ波放射(32)を生成するインターディジタル変換器(22)を備えたセンサ(18)を備えるシステム(10)。
【請求項２】
前記システム(10)がレーダシステムであることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記システム(10)がパルス方式またはFMCW方式あるいはチャープ方式に従って構成されることを特徴とする請求項1または2に記載のシステム。
【請求項４】
前記送信機(12)が可変周波数の前記第1のマイクロ波放射(30)を放出することを特徴とする請求項1から3の一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記周波数が等距離方式で構成されることを特徴とする請求項1から4の一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記周波数と周波数の間の待機時間がランダムまたは擬似ランダムであることを特徴とする請求項1から5の一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記受信機(14)が、測値を平均化するための平均化装置(15)を備え、平均化する数がランダムまたは擬似ランダムであることを特徴とする請求項1から6の一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記センサ(18)がアンテナ(20)および/または圧電結晶および/または反射体(24)および/または共振器および/または遅延線路を備えることを特徴とする請求項1から7の一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記第2のマイクロ波放射(32)が前記第1のマイクロ波放射(30)に対して時間くい違い方式で送信されることを特徴とする請求項1から8の一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第2のマイクロ波放射(32)が、前記センサ(18)の識別に関する情報および/または前記センサ(18)によって検出される測定量に関する情報を含むことを特徴とする請求項1から9の一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記センサ(18)が、温度、力、加速度、機械的張力、トルクの測定量のうちの1つまたは複数を検出することを特徴とする請求項1から10の一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記システム(10)が、回転装置および/または発振装置および/または振動装置の動作状態を検出するように構成されることを特徴とする請求項1から11の一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記装置が歯車(40)であり、および/または前記センサ(18)が前記歯車(40)の中に配置されることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
【請求項１４】
周波数変調レーダシステムにおける干渉を抑制するための方法であって、
第1の時間ポイントで第1の周波数の第1のマイクロ波放射を放出するステップと、
前記第1のマイクロ波放射(30)から引き出される第2のマイクロ波放射(32)を受け取るステップと、
第2の時間ポイントで第2の周波数の前記第1のマイクロ波放射を放出するステップと、
前記第1のマイクロ波放射(30)から引き出される前記第2のマイクロ波放射(32)を受け取るステップとを含み、
前記第2の時間ポイントおよび/または前記第2の周波数が、前記第1の時間ポイントおよび/または前記第1の周波数に対してランダムまたは擬似ランダムであり、あるいは前記時間ポイントにおける放出または受信のための期間の長さがランダムまたは擬似ランダムであり、
前記システム(10)が、前記第1のマイクロ波放射(30)を表面波に変換し前記第2のマイクロ波放射(32)を生成するインターディジタル変換器(22)を備えたセンサ(18)を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数変調レーダシステム内の干渉を抑制するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低パワーレーダシステムには、通常、個々の離散周波数が一定の時間および周波数ラスターで連続的に走査される走査プロセスが使用されている。次に、受信した検出信号のフーリエ逆変換によってパルス応答を計算することができる。このようなレーダシステムの応用分野は、反射表面波遅延線の読取り、フィルレベルレーダシステムおよびレーダ射程ファインダである。検出された測定信号の評価は、一般的には低走査および放出パワーを使用しているこれらのシステム内における極めて多数のアーティファクトのため、問題であることがしばしばである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって本発明の目的は、時間および周波数走査によって生成される測定信号の評価に生じるアーティファクトを防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、主請求項によるシステムおよび方法によって達成される。本発明の有利な他の開発は、従属請求項に示されている。
【０００５】
走査における固定時間-周波数割当てを回避すると、検出される反射パワーの周期変動に生成されるアーティファクトを回避することができることは驚くべき注目であった。その結果、検出される反射パワーの周期変化が周波数周期入力信号としてフーリエ変換にもたらされることはもはやなく、したがって何らかの離散線が変換領域に生成されることはない。したがって干渉は、とりわけ擬似ランダム分布走査ラスターが時間範囲に使用されると、雑音信号に変換される。
【０００６】
したがって本発明によるシステムは、とりわけ走査のための第1のマイクロ波放射を放出するための送信機と、第1のマイクロ波放射から引き出される第2のマイクロ波放射を検出するための受信機を備えている。用途に応じて、前記第2のマイクロ波放射は、直接または間接反射、つまり第1のマイクロ波放射を受け取った後に生成される第2のマイクロ波放射に関係していてもよい。送信機および受信機は制御ユニットに接続されている。制御ユニットは、例えば共通の制御ユニットに関係していても、あるいは送信機および受信機のための個々の制御ユニットに関係していてもよい。制御ユニットは、第1のマイクロ波放射の放出を制御するように構成されており、また、第2のマイクロ波放射の検出においては、とりわけ第2のマイクロ波放射と第1のマイクロ波放射を相関させ、かつ、評価するように構成されている。第1のマイクロ波放射は、複数の時間ポイントで放出することができる。個々の時間ポイントは、それぞれ異なる周波数に割り当てられる。それらは、例えば特定の周波数範囲をカバーすることが意図された個々の離散周波数に関係していてもよい。また、複数の個別の周波数範囲を個々に走査することも、あるいはそれぞれの個々の離散周波数のみを放出することも可能である。別法としては、特定の時間および周波数範囲にわたって第1のマイクロ波放射の周波数を連続的に変調することも可能である。
【０００７】
本発明によれば、アーティファクトの発生を回避するための2つの代替概念が提供され、有利にはこれらの2つの代替概念を互いに組み合わせることも可能である。一方では、第1のマイクロ波放射が放出される時間ポイントの割当てを、前記第1のマイクロ波放射の周波数に対してランダムまたは擬似ランダムにすることができる。上で言及した固定時間周波数走査ラスターの除去により、第2のマイクロ波放射のパワーの周期変化によるアーティファクトが防止される。
【０００８】
別法または追加として、第1のマイクロ波放射が放出される時間ポイントにおける、放出または受信のために必要な時間期間の長さをランダムまたは擬似ランダムにすることも可能である。また、放出期間の長さを変化させることにより、放出期間の直接連続シーケンスにおいて、放出時間ポイントと放出周波数との間に直接的な関係が生じないことが保証される。同様に、引き出された第2のマイクロ波放射を受け取るための期間もランダムまたは擬似ランダム方式で変更することができ、例えば、長期間にわたって別様に生じる、検出される第2のマイクロ波放射を平均することによって変更することができる。したがって代替解決法は、いずれも、マイクロ波問合せ信号または走査信号の放出における時間および周波数の固定周期割当てが除去される本発明の着想を実現している。
【０００９】
システムは、レーダシステムに関係することができる。この場合、レーダという用語は、波長の範囲が、第1のマイクロ波放射つまり一次マイクロ波放射、および該一次マイクロ波放射から引き出される第2のマイクロ波放射つまり二次マイクロ波放射(例えば反射放射)の受信としての約300MHzから最大約300GHzの周波数範囲に対応する1メートルと1ミリメートルの間の電磁波の放出として理解されたい。このようなレーダシステムのための応用分野は、対象の位置突き止めに限定してはならず、遠隔センサからの情報の問合せ、あるいはフィリングレベルの検出、速度、等々などのあらゆる応用分野が包含されるものとする。
【００１０】
この点に関して、パルス、チャープあるいはFMCWなどのレーダ分野で従来から使用されているレーダ原理を使用して第2のマイクロ波放射を生成し、かつ、前記放射と共に運ばれる情報を評価することができる。短電気パルスすなわち短波束が第1のマイクロ波放射としてパルス方式で放出される。この問合せ信号が特定の伝搬期間を経た後、対象に遭遇する。もう1つの時間間隔の後、第2のマイクロ波放射として個々の応答信号が受信される。例えばフィルレベルレーダの場合、例えば距離に対する結果は、パルスすなわち波束の放出と応答信号の衝突との間の時間間隔から引き出すことができる。
【００１１】
FMCW方式(FMCWレーダ=周波数変調持続波レーダ、変調持続波レーダ)の場合、持続波として第1のマイクロ波放射が連続的に放出され、その周波数が変調されるが、これは、例えば特定の周波数の初期値に突発的に設定しなおすために、周波数が直線的に高くなることを意味している。このような鋸歯パターンの代替として、交互方式で周波数を連続的に高くし、かつ、低くすることも可能であり、あるいは他の方法で変調することも可能である。第1のマイクロ波放射の周波数は、信号が伝搬している間に変化するため、時間くい違い方式で受信される第2のマイクロ波放射の信号の周波数は、第1のマイクロ波放射の周波数に対して特定の差だけシフトする。距離は、例えばこの周波数の差から決定することができる。
【００１２】
チャープ方式では、第1のマイクロ波放射として周波数変調パルスが使用される。
【００１３】
本発明の有利な他の開発によれば、送信機は、周波数が可変の第1のマイクロ波放射を放出する。送信機は、例えばこの目的のために、第1のマイクロ波放射のための周波数変調器を備えている。これは、とりわけ上記FMCW方式またはチャープ方式に関して有利である。
【００１４】
時間および周波数の固定割当てを除去する着想、つまり周波数が等距離方式で構成されるという時間および周波数のランダムまたは擬似ランダム割当ての主体の有利な他の開発を提供することができる。周波数は、とりわけリストで構成することができる。等距離周波数のリストから放出周波数をランダムに選択することにより、つまり第1のマイクロ波放射の放出周波数の前記ランダムホッピングにより、第2のマイクロ波放射の周期パワー変動と第1のマイクロ波放射の放出時間の間の固定位相関係が回避され、かつ、固定位相関係によって潜在的に生じるアーティファクトが回避される。
【００１５】
別法または追加として、周波数と周波数の間の待機時間をランダムまたは擬似ランダムにすることも可能である。待機時間のランダム分布により、さもなければアーティファクトの原因になる、パワー変動と問合せ送信周波数の時間との間の固定関係が同じく除去される。
【００１６】
さらに、受信機は、測値を平均化するための平均化装置を備えることも可能であり、平均化する数はランダムまたは擬似ランダムである。これは、第1のマイクロ波放射の放出と第2のマイクロ波放射の受信との間の時間が短い場合にとりわけ有利であり、一定の時間期間内に複数の測定、つまり問合せを実施することができる。この平均化装置を使用することにより、雑音対信号比を自ら改善することができる。ランダムまたは擬似ランダム数の平均化により、上で既に言及したアーティファクト防止効果が得られる。
【００１７】
本発明の特殊な実施形態では、システムは、第1のマイクロ波放射を表面波に変換し第2のマイクロ波放射を生成するインターディジタル変換器を備えたセンサを備えることができる。センサは、さらに、アンテナ、圧電性結晶および反射体を備えることができ、また、さらに共振器または遅延線路を備えることができる。このようなセンサは、表面波無線センサとしても知られている。インターディジタル変換器は、櫛形微細構造メタライゼーションの形態の圧電性結晶の薄いプレートレットに加えることができ、また、アンテナに接続することができる。1つまたは複数の反射体は、例えばセンサの基板表面の微細構造メタライゼーションとして配置することができる。第1のマイクロ波放射は、センサのアンテナによって受信され、また、インターディジタル変換器によって、逆圧電効果によって伝搬機械表面波に変換される。1つまたは複数の反射体が、例えば前記表面波の伝搬方向に特性シーケンスで取り付けられる。これらの反射体は表面波を反射し、変換器に送り返す。送り返された表面波は、変換器で、直接圧電効果によって電磁波に変換され、第2のマイクロ波放射としてアンテナによって放出される。
【００１８】
第1のマイクロ波放射と第2のマイクロ波放射の間の分離を達成するために、時間範囲内における分離および/または周波数範囲内における分離を可能にする構造をセンサ上に提供することができる。遅延線路および/または共振器を使用することにより、電磁周囲エコーが減衰するまでの時間の間、第1のマイクロ波放射をセンサ上に保存することができる。有利な面は、音響表面波の伝搬速度が、通常、3500m/sにすぎないことである。また、いわゆる異なる周波数における二重シフトキーイングによって表面波を励起するインターディジタル変換器を使用することも可能である。それにより、さらに、音響特性の周波数依存性がセンサ内に得られる。
【００１９】
有利な実施形態によれば、とりわけ、第2のマイクロ波放射は、センサの識別に関する情報および/またはセンサによって検出される測定量に関する情報を含むことができる。第2のマイクロ波放射上にセンサ識別の印を付けるために、部分反射構造を表面波の伝搬方向に特性シーケンスで提供することができる。第1のマイクロ波放射が例えば単一の問合せパルスからなっている場合、上で言及した構造によって複数のパルスが生成され、これらのパルスは、インターディジタル変換器によってはね返され、かつ、インターディジタル変換器で再度電磁波に変換され、アンテナによって放出される。センサは、別法または追加として、例えば表面波の伝搬速度が測定量に応じて変化する方法で配置することも可能である。その結果、表面波センサの中心周波数および伝搬時間が変化し、したがってそれに応じて、アンテナによって放出される第2のマイクロ波放射が変化し、それにより測定量が表される。
【００２０】
センサは、とりわけ、温度、力、加速度、機械的張力、トルクの測定量のうちの1つまたは複数を検出することができる。ニオブ酸リチウムは、温度を検出するための適切なセンサ材料として提供することができる。
【００２１】
本発明の有利な実施形態によれば、システムは、回転装置、発振装置および/または振動装置の動作状態を検出するように構成されている。最初に言及した、周期信号パワー変動と第1のマイクロ波放射(つまり問合せ放射)の周波数との間の望ましくない相関は、上で言及した運動などのとりわけ周期反復運動で生じることがある。この点に関して、上で言及した、周波数および時間のランダムまたは擬似ランダム割当ての導入、および/または放出期間および受信期間の長さのランダムまたは擬似ランダム方式の構成による非干渉化は有利である。
【００２２】
上で言及した実施形態の具体的な用途は、装置が歯車を備え、かつ、センサが該歯車の中に配置される方法で提供される。センサは、ハウジングの軸受殻に取り付けることができる。別法または追加として、ハウジング内を移動する部品の上にセンサを提供することも可能である。この点に関して、とりわけ、例えばリードスルーおよびコネクタを介して外部へ導かれる送受信アンテナを歯車ハウジング内に配置することができる。したがって歯車内で無線送信することができるため、ハウジング内のアンテナのリードスルーとは別の、例えば温度センサへの何らかの配線を提供する必要はない。
【００２３】
本発明によるシステムおよび/または本発明による方法の他の有利な構成は、図面を参照して以下でより詳細に説明する実施形態によって提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による一例示的レーダシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図1は、本発明による周波数変調レーダシステム10を示したものである。システム10は、問合せ装置11およびセンサ18を備えている。問合せ装置11は、送信機12、受信機14および制御および評価ユニット16を備えている。さらにスイッチ15および放出および受信アンテナ17が提供されている。
【００２６】
送信機12は、マイクロ波レンジ、つまり約300MHzと約300GHzの間の電磁高周波パルスを生成する。欧州圏には2つの周波数帯域が存在し、産業用、科学用および医療用低電力送信機は、この帯域内での動作が許容されている(ISM帯域)。それらは433MHzおよび2.4GHzである。追加ISM帯域は868MHzである。いわゆる超広帯域(UWB)の使用も可能である。高周波パルスは、送信機12内に含まれている周波数変調器13によって周波数変調される。高周波パルスは、スイッチ15が制御ユニット16によって対応する位置にもたらされると、問合せ信号30としてアンテナ17を介して送信される。受信機14は、スイッチ15が対応する位置にもたらされると、アンテナ17を介して応答信号32を受信する。応答信号32は、制御および評価ユニット16によって検出され、かつ、評価される。制御ユニット16は、とりわけ送信機12および受信機14の時間および周波数に関連する制御を保証し、かつ、送信パラメータおよび受信パラメータの相関を生成する。
【００２７】
センサ18は、アンテナ20、インターディジタル変換器22および反射体24を備えている。問合せ装置11のアンテナ17によって送信される電磁高周波問合せ信号30は、センサ18のアンテナ20によって受信され、かつ、インターディジタル変換器22によって微小音響表面波に変換される。インターディジタル変換器22は、そのために、逆圧電効果によって表面波を生成する櫛形微細構造メタライゼーションを備えている。反射体24もセンサ18の基板表面の微細構造メタライゼーションであり、表面波を反射し、反射した表面波が次にインターディジタル変換器22に遭遇し、圧電効果によって電気信号に変換され、応答信号32としてアンテナ20によって放出される。
【００２８】
応答信号には、反射体の数および位置、反射率および音波の伝搬速度に関する情報が含まれている。応答信号32は、問合せ装置11によって受信され、かつ、評価される。音響表面波の伝搬速度は、通常、3500m/sにすぎない。したがって音響表面波の成分は、電磁周囲エコーが減衰するまでの時間の間、高周波パルスを微小チップの上に保存する可能性を提供している。
【００２９】
表面波センサ18の動作範囲は、-196℃までの低温に及んでいる。表面波チップ18が真空中で溶接されると、センサは、極低温用途のために使用することも可能である。アルミニウム構造のインターディジタル変換器18は、400℃を超えると損傷する可能性がある。さらに、ニオブ酸リチウム、リチウムタンタレートおよび水晶などの従来の表面波結晶は、限度内でのみ高温に適している。しかしながら、同じく最大約1000℃までの温度の表面波無線センサを使用するために、高温に適した結晶からのランガジットおよび白金電極を使用することも可能である。回転軸、タービンあるいは遠心機部品などの移動対象の温度が測定されることは、表面波センサシステムの他の利点である。
【００３０】
この実施形態では、問合せ装置11およびセンサ18は、概略的に示されている歯車ハウジング40の中に導入されている。問合せ装置11は、歯車ハウジング40内の適切なリードスルー44を介して、制御および/または信号線42によって歯車の外部環境に接続されている。センサ18は、問合せ装置11との既存の無線接続の結果として、本質的に歯車ハウジング内に自由に配置することができ、例えばとりわけ関連するポイントで温度測定を実施することができる。
【００３１】
温度の測定量に加えて、圧力、機械的張力およびトルクなどの他の物理量、ならびに気体または液体を検出し、かつ、識別するための化学測定量が存在している。説明されている表面波無線センサ18の主な利点は、強い機械的振動、高温、電気的に妨害された環境、また、爆発性ガスおよび危険な材料などの困難な産業上の条件の下での適用性にある。このような表面波無線センサ18の最大範囲は、とりわけ、利用される周波数帯域、最大許容可能パワーおよびセンサ原理(遅延線路、共振器)によって決まり、例えば1mと10mの間である。
【００３２】
持続振動の共振器と、応答パターンがバーコードに類似している遅延線路の両方を実現することができる。温度または機械的張力などの物理測定量は、圧電基板の特性を変化させ、したがって表面波の伝搬特性および反射特性が変化することになる。測定量は、制御および評価ユニット16内での適切な信号処理によって応答信号32から抽出することができる。本発明による周波数および時間の割当ての除去の結果、例えば歯車40内での時間周期プロセスは、もはや周波数周期ではなく、したがって評価における何らかのアーティファクトの原因にはならず、雑音の中にまぎれ込むことになる。可能な評価方法は、高速フーリエ変換(FFT)、チャープまたはウェーブレット変換、および相関ベース方法ならびにフィルタベース方法である。別法または追加として、多項式当てはめまたは最小二乗最適化などのモデルベース方法を使用することも可能である。
【００３３】
上で言及した妨害は、周期的運動、回転運動または発振運動によってもたらされることがあり、また、測定が実施される部品の振動によってもたらされることがある。さらに、ガス放電ランプ、周期変調反射、または整流器などの周期的に変化するインピーダンス上の反射も、上で言及したアーティファクトの原因になることがある。言及されている、周波数および時間の周期的つまり規則的割当てを除去する原理は、実施形態の中で言及されているように表面波センサシステムに使用することができるが、関連する方法にも使用することができる。これらには、表面波識別、フィルレベルレーダ、レーダ射程ファインダ、距離警告レーダ、距離-障害測定およびネットワークアナライザが含まれている。
【符号の説明】
【００３４】
10  周波数変調レーダシステム
11  問合せ装置
12  送信機
13  周波数変調器
14  受信機
15  スイッチ
16  制御および評価ユニット
17、20  アンテナ
18  センサ
22  インターディジタル変換器
24  反射体
30  問合せ信号
32  応答信号
40  歯車ハウジング
42  制御および/または信号線
44  リードスルー
【図１】
2013518262.tif 000003
【国際調査報告】
2013518262.tif 000004
2013518262.tif 000005
2013518262.tif 000006
2013518262.tif 000007
2013518262.tif 000008
2013518262.tif 000009