Fmcw雷達系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于水平或距離測量的FMCW雷達系統(tǒng)，將產(chǎn)生的待發(fā)送至目標的調(diào)頻信號與從目標接收的回波信號混合以產(chǎn)生差拍信號。差拍信號在被數(shù)字處理器數(shù)字化和處理之前經(jīng)過模擬濾波器單元，以確定待測量的水平或距離。通過信號生成器生成測試信號，并且控制切換單元以將差拍信號或測試信號連接至模擬濾波器單元。為了進行FMCW雷達系統(tǒng)的簡單的故障探測，信號生成器適于生成具有周期波形(例如，方波)的寬帶信號形式的測試信號，并且數(shù)字處理單元適于通過快速傅里葉變換計算數(shù)字化的過濾的測試信號的頻譜，并且如果計算的頻譜與參考頻譜相差預定量，則生成故障信號。
【專利說明】
FMCW雷達系統(tǒng)
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種用于水平或距離測量的FMCW雷達系統(tǒng)，該FMCW雷達系統(tǒng)包括:發(fā)送/接收單元，用于生成待發(fā)送至目標的調(diào)頻信號，并且用于將從目標接收的回波信號與生成的調(diào)頻信號混合以產(chǎn)生差拍信號;模擬濾波器單元，用于過濾差拍信號;數(shù)字處理單元，用于數(shù)字化并處理過濾的且數(shù)字化的差拍信號，以確定待測量的水平或距離;信號生成器，由數(shù)字處理單元控制用于生成測試信號，以及切換單元，可控制為將差拍信號或測試信號連接至模擬濾波器單元。
【背景技術】
[0002]FMCW雷達系統(tǒng)從W02013/164456A1中可知。由于系統(tǒng)的短測量范圍中的回波的振幅遠高于來自更遠處的回波，所以模擬濾波器單元具有高通特性以便降低差拍信號的動態(tài)范圍。然而，濾波函數(shù)可影響差拍信號的曲線，并且因此影響測量的精確度。在已知的FMCW雷達系統(tǒng)中，信號生成器生成參考信號，用于校正過濾的且數(shù)字化的差拍信號的誤差，該誤差是由模擬濾波器單元造成的。為此，從OHz到最高發(fā)生拍頻掃描參考信號，并且由數(shù)字處理單元記錄濾波函數(shù)(具有衰減和相位響應)。從這一數(shù)據(jù)計算逆濾波函數(shù)，并且該逆濾波函數(shù)用于校正在水平或距離測量的過程中獲得的差拍信號的數(shù)字化采樣值。
[0003]為了使產(chǎn)品獲得國際標準IEC61508的批準，有必要使用故障模式、影響和診斷分析(FMEDA)來計算電子電路中未檢測到的故障的可能性。不同的故障模式被應用至電路中的每個部件，并且分析效果。效果被分類為:它們對產(chǎn)品性能的影響；以及是否能夠可靠地檢測到故障。通過包括診斷電路，故障將被檢測到的可能性可增加，該診斷電路能夠檢測到其電路或部件已故障，并且通過不同故障模式的效果的組件分析來避免復雜組件的必要性。因為難以預測組件值的改變的效果，所以特別難以以此方式分析濾波電路。對于FMCW雷達系統(tǒng)的模擬濾波器單元尤其是這樣。差拍信號是由取決于目標狀況的若干頻率成分組成的復雜波形。濾波器單元具有雙功能:當測量范圍增加時，通過增加增益來提高差拍信號的動態(tài)范圍；以及在數(shù)字化和處理之前，抗混疊以從差拍信號移除高頻成分。復雜濾波器設計中的所有這些結果對故障檢測的可能性有負面影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此，本發(fā)明的目標是提供FMCW雷達系統(tǒng)中的簡單的故障檢測。
[0005]根據(jù)本發(fā)明以及前述的FMCW雷達系統(tǒng)實現(xiàn)本目標:
[0006]-信號生成器適于生成具有寬帶頻譜的周期波形信號形式的測試信號，以及
[0007]-數(shù)字處理單元適于通過快速傅里葉變換計算數(shù)字化的過濾的測試信號的頻譜；并且如果計算的頻譜與參考頻譜相差預定量，則數(shù)字處理單元適于生成故障信號。
[0008]應理解，在本發(fā)明的含義內(nèi)，術語切換單元可包括等效的元件，諸如加法器，通過控制，該加法器接收差拍信號或測試信號。
[0009]寬帶信號被理解為多諧波信號(S卩，同時包含多個諧波的信號)，諸如，方波、三角波、一系列尖脈沖或類似的。具體地，方波具有其富含限定的諧波的優(yōu)勢，并且方波可輕易地由微控制器生成。在這種情況下，信號生成器可包括在數(shù)字處理單元中，從而不需要單獨的信號生成器。通過對方波進行區(qū)分可產(chǎn)生一系列的正尖脈沖和負尖脈沖。
[0010]由快速傅里葉變換計算得到的數(shù)字化的過濾的測試信號的頻譜已是濾波器單元的離散頻率的響應。因此，根據(jù)本發(fā)明，在一個步驟中計算濾波器單元的響應，因此沒必要掃描頻率測試信號。
[0011]在FMCW雷達系統(tǒng)的優(yōu)選實施方式中，數(shù)字處理單元適于在快速傅里葉變換步驟中首先處理數(shù)字化過濾的差拍信號，獲得頻域中的頻譜或回波曲線，該頻域或回波曲線被進一步分析以便確定要測量的目標距離。在這種情況下，基于并且利用已包括在FMCW雷達系統(tǒng)中的評估能力來評估已經(jīng)過濾波器單元之后的測試信號。
[0012]與數(shù)字化的過濾的測試信號的計算頻譜相比，參考頻譜優(yōu)選記錄在裝置中。為此，數(shù)字處理單元可包括存儲器，用于在系統(tǒng)的制造或校準的過程中，將測試信號的計算頻譜存儲為參考頻譜。
[0013]當測試信號的諧波的振幅隨著諧波階降低時，難以可靠地檢測具有非常高階的諧波。因此，為了覆蓋過濾器的整個頻率范圍，將測試分為兩個或多個步驟也許是有利的:在每個步驟中應用不同基礎頻率的周期波形信號(例如，應用200Hz方波信號并測量達到2kHz的諧波，然后應用2kHz并測量達到10kHz的諧波)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，如果數(shù)字化的過濾的測試信號的當前計算的頻譜與參考頻譜相差預定量，則生成故障信號。故障信號可由FMCW雷達系統(tǒng)輸出為警報。在生成故障信號后，數(shù)字處理單元可優(yōu)選地、附帶地、或可選地使FMCW雷達系統(tǒng)處于故障安全狀態(tài)。優(yōu)選地，使用小于或等于FMCW雷達系統(tǒng)的預定故障響應時間的重復周期來執(zhí)行濾波器單元的測試。
[0015]本發(fā)明通過提供簡單的方法以特征化濾波器并且確定濾波器特征是否改變，從而來診斷FMCW雷達的差拍信號濾波器單元的故障。
【附圖說明】
[0016]現(xiàn)在將參考由附圖中的單個附圖示出的優(yōu)選實施方式，通過非限制性實施例的方式更詳細地描述本發(fā)明，該單個附圖是FMCW雷達系統(tǒng)的簡化的示意圖。
【具體實施方式】
[0017]附圖示出了用于測量目標I的距離(諸如，容器中物質(zhì)的填充水平)的FMCW雷達系統(tǒng)的功能框圖。該系統(tǒng)包括:發(fā)送/接收單元2，用于生成待發(fā)送至目標I的調(diào)頻信號3，并且用于將從目標I接收的回波信號4與調(diào)頻信號3混合以產(chǎn)生差拍信號5。為此，函數(shù)生成器6周期地生成線性的，例如，三角形或鋸齒形的調(diào)制函數(shù)7，用于控制生成調(diào)頻信號3的電壓控制微波振蕩器8。經(jīng)由環(huán)行器或定向耦合器9將微波信號3提供至天線10，從該天線10，微波信號3作為發(fā)送信號11發(fā)送至目標I。在經(jīng)過與測量距離成比例的傳播時間之后，來自目標I的回波12由天線10接收為回波信號4。所接收的回波信號4通過環(huán)行器或定向耦合器9定向至混合器13，其中，回波信號4與調(diào)頻信號3混合以生成差拍信號5。在傳播時間的過程中，由于信號3的調(diào)頻，其頻率已改變，使得信號3和所接收的回波信號4具有不同頻率。因此，差拍信號5具有對應于信號3和4的頻率差的頻率。因為發(fā)送信號3的調(diào)頻隨著時間呈線性，所以差拍信號5的頻率與要測量的距離成正比。然而，在測量實踐中，差拍信號5的質(zhì)量受干擾回波(雜波)的影響，使得差拍信號5是由許多頻率分量組成的復雜波形。
[0018]通過模擬濾波器單元15經(jīng)由切換單元14反饋差拍信號5，該模擬濾波器單元具有用于降低差拍信號5的動態(tài)范圍的高通濾波器16，以及用于抗混疊目的的低通濾波器17。過濾的差拍信號5隨后被提供至數(shù)字處理器18，該數(shù)字處理器18包括模數(shù)轉換器19和微控制器20。在微控制器20中，過濾的且數(shù)字化的差拍信號13經(jīng)由快速傅里葉變換算法21以獲得待進一步分析的頻譜或回波曲線，以確定待測量的目標距離并且將其提供至輸出端22。
[0019]微控制器20包括生成測試信號24的信號生成器23，本文中，測試信號是方波形式。微控制器20還包括定時單元25，其控制切換單元14以便間歇性地斷開差拍信號5與模擬濾波器單元15的連接，并且反而將測試信號24連接至濾波器單元15。微控制器20通過使用快速傅里葉變換算法21計算數(shù)字化的過濾的測試信號5的頻譜，并且如果計算的頻譜與參考頻譜相差預定量，則生成故障信號。由于方波測試信號24富含諧波，所以計算得到的頻譜已是離散頻率的濾波器響應。有將當前獲得的頻譜或濾波器響應與參考頻譜相比較的多種方式。例如，可計算頻譜的波峰的包絡，并且將其與相應的參考頻譜的包絡相比較。當前獲得的頻譜的包絡的容許變化可被選擇為在參考頻譜的包絡以上和以下限定的公差帶。在本示例中，在FMCW雷達系統(tǒng)的制造或校準的過程中，確定一次參考頻譜或其包絡，并且存儲在微控制器20的存儲器26中。故障信號可經(jīng)由輸出端22輸出為警報和/或用于使FMCW雷達系統(tǒng)處于故障安全狀態(tài)。測試信號24被反饋至濾波器單元5的過程的時間應足夠長以獲取穩(wěn)定狀態(tài)的濾波器響應(例如，1ms的2KHz方波測試信號24)。應用于濾波器單元5的兩個連續(xù)的測試信號24之間的重復周期小于或等于FMCW雷達系統(tǒng)的預定故障響應時間(例如，20s)。
【主權項】
1.一種用于水平或距離測量的FMCW雷達系統(tǒng)，包括: -發(fā)送/接收單元(2)，用于生成待發(fā)送至目標(I)的調(diào)頻信號(3)，并且用于將從所述目標(I)接收的回波信號(4)與生成的所述調(diào)頻信號(3)混合以產(chǎn)生差拍信號(5)， -模擬濾波器單元(15)，用于過濾所述差拍信號(5)， -數(shù)字處理單元(18)，用于數(shù)字化并處理過濾的且數(shù)字化的所述差拍信號(5)，以確定待測量的所述水平或所述距離， -信號生成器(23)，由所述數(shù)字處理單元(18)控制用于生成測試信號(24)，以及-切換單元(14)，能夠控制為將所述差拍信號(5)或所述測試信號(24)連接至所述模擬濾波器單元(15)， 其特征在于， -所述信號生成器(23)適于生成具有寬帶頻譜的周期波形信號形式的所述測試信號(24)，以及 -所述數(shù)字處理單元(18)適于通過快速傅里葉變換計算數(shù)字化的過濾的所述測試信號(5)的頻譜，并且如果計算的頻譜與參考頻譜相差預定量，則生成故障信號。2.根據(jù)權利要求1所述的FMCW雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字處理單元(18)適于在快速傅里葉變換步驟中首先處理數(shù)字化的過濾的所述差拍信號(5)。3.根據(jù)權利要求1或2所述的FMCW雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述測試信號(24)是方波、三角形波和一系列尖脈沖中的一種。4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的FMCW雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述信號生成器(23)包括在所述數(shù)字處理單元(18)中或由所述數(shù)字處理單元控制。5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的FMCW雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字處理單元(18)適于控制所述信號生成器(23)以生成不同基礎頻率的所述周期波形信號。6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的FMCW雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字處理單元(18)適于在生成所述故障信號后，使所述FMCW雷達系統(tǒng)處于故障安全狀態(tài)。7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的FMCW雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述信號生成器(23)適于以小于或等于所述系統(tǒng)的預定故障響應時間的重復周期生成所述測試信號(24)。8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的FMCW雷達系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字處理單元(18)包括存儲器(26)，用于在所述系統(tǒng)的制造或校準的過程中，將計算的所述測試信號(24)的頻譜存儲為所述參考頻譜。
【文檔編號】G01S13/34GK105911530SQ201610037262
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月20日
【發(fā)明人】艾倫·阿斯利特, 約翰內(nèi)斯·特奧多魯斯·科內(nèi)利斯·杜文瓦登, 劉靜, 米海-加布里埃爾·塞班
【申請人】西門子公司