Beschreibung

Titel

Verfahren zum Betreiben eines Sensors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors, ein Modul, das mit einem Sensor zusammenwirkt, einen Sensor, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.

Stand der Technik

Bei der Messung eines Gebiets mit einem sog. "Long Range Radar" Sensor wird eine Radarwelle von dem Sensor ausgestrahlt, an dem Objekt reflektiert und von dem Sensor wieder aufgefangen. Die Laufzeit und Dopplerverschiebung, die dabei auftreten, werden bei diesem Radarsensor zur Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit des Objekts benutzt.

Wenn die Radarwelle auf ihrem Ausbreitungsweg auf verlustbehaftete dielektrische Schichten trifft, entsteht eine Reflexion und Dämpfung durch Absorption. Bei schlechten Wetterverhältnissen kann sich eine Wasserschicht an der Linsen- oder Radomoberfläche des Sensors aufbauen und eine derartige dielektrische Schicht bilden. Ab einer

Wasserschichtdicke von ca. 0.23 mm wird bei einer Frequenz von ca. 76.5 GHz 50 % der Leistung an der Wasserschicht reflektiert und ca. 63 % der Restleistung durch Absorption gedämpft. Dadurch wird das Signalrauschverhältnis stark degradiert, was einen erheblichen Detektionsperformanceverlust des Radarsensors verursacht.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors für elektromagnetische Strahlen, bei dem eine Verschiebung eines Arbeitspunkts auf einer Kennlinie einer

elektronischen Komponente des Sensors mittels eines Frequenzabtastverfahrens bestimmt wird.

Hierbei ist typischerweise vorgesehen, dass jeweils eine aktuelle Kennlinie für den Arbeitspunkt gemessen und somit bestimmt sowie als Referenz abgelegt wird. Dabei wird regelmäßig die aktuell gemessene Kennlinie mit einer bereits abgelegten Kennlinie verglichen. Insbesondere in diesem Zusammenhang kann es möglich sein, dass die Verschiebung des Arbeitspunkts zyklisch gemessen wird. Es sind jedoch azyklische, nach einem jeweiligen Bedarf orientierte Messungen durchführbar.

In Ausgestaltung wird die Verschiebung des Arbeitspunkts gemessen, wenn sich der Sensor in einem definierten und/oder bekannten Zustand befindet. Dabei kann die Verschiebung des Arbeitspunkts insbesondere dann gemessen werden, wenn ein Oberflächenmodul des Sensors frei von Verunreinigungen, wie bspw. Feuchtigkeit in Form von Niederschlag, ist.

Außerdem werden bei einer Variante der Erfindung jene Frequenzpunkte des Arbeitspunkts auf der Kennlinie gespeichert, für die die elektronische Komponente besonders empfindlich reagiert.

Das erfindungsgemäße Modul wirkt mit einem Sensor für elektromagnetische Strahlen zusammen. Dieser Sensor weist mindestens eine elektronische Komponente auf. Das Modul ist dazu ausgebildet, eine Verschiebung eines Arbeitspunkts auf einer Kennlinie einer elektronischen Komponente des Sensors mittels eines Frequenzabtastverfahrens zu bestimmen.

Mit diesem Modul sind sämtliche Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführbar.

Die Erfindung betrifft zudem einen Sensor, der mindestens eine elektronische Komponente und ein Modul, insbesondere das erfindungsgemäße Modul, aufweist, wobei das Modul dazu ausgebildet ist, eine Verschiebung eines Arbeitspunkts auf einer Kennlinie einer elektronischen Komponente des Sensors mittels eines Frequenzabtastverfahrens zu bestimmen.

Die mindestens eine elektronische Komponente des Sensors kann als Mischerdiode oder Vorverstärker ausgebildet sein. Das Oberflächenmodul des Sensors ist als Radom (Radar Dom) oder Linse ausgebildet.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einem erfindungsgemäßen Modul, das mit einem Sensor zusammenwirkt, ausgeführt wird.

Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, ist dazu ausgebildet, alle Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einem Modul, das mit einem Sensor zusammenwirkt, ausgeführt wird.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Frequenzabtast- bzw. Frequency-Scanning Verfahren zur Messung einer Reflexion an einer Linsen- oder Radombelegung des Sensors für elektromagnetische Wellen bereitgestellt.

Durch überwachung des Arbeitspunkts der Mischerdiode oder, je nach Radarschaltungsprinzip, eines Vorverstärkers lassen sich extreme Degradationen des Radarsignals erkennen. Das vorliegende Verfahren dient somit in Ausgestaltung zur Messung der unmittelbar auf der Sensoroberfläche reflektierten Signalleistung. Bei Aussenden einer CW-Radarwelle wird diese an der Wasserschicht stark reflektiert. Die stark reflektierte Signalleistung verschiebt bei der Homodynmischung den Arbeitspunkt der Mischerdiode, indem sie abhängig von der Phasenlage des reflektierten Signals den Diodenstrom unter- bzw. übersteuert. Die Phasenlage ist wiederum abhängig von der Signalweglänge zwischen der Mischerdiode und der Signalreflexionsstelle, d.h. der Radom- oder Linsenoberfläche, die bei verschiedenen Radarsensoren bis zu 1/8 der

Wellenlänge schwanken kann.

Bei einer Signalphasenlage, die ein vielfaches der Wellenlänge beträgt, lässt sich durch Messung dieser Größe am Diodenausgang der Grad der Reflektivität an der Linsen- bzw.

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Radomoberfläche und damit die Radarsignaldegradation bzw. die vollständige Sensorblindheit aufgrund der Wasserschicht eindeutig erkennen.

Das vorliegende Verfahren ist für alle Radarsysteme einsetzbar. Bei der Umsetzung dieses Messverfahren können große mechanische Gehäusetoleranzen bzw. unterschiedliche Radomgeometrien für ein Serienprodukt berücksichtigt werden. Derartige bauliche Einflüsse werden bei dem Frequenzabtastverfahren minimiert, außerdem ist eine Serientauglichkeit für verschiedene Sensoren gewährleistet.

Mit der Erfindung werden des weiteren Messalgorithmen zur Feststellung der

Radarsensorblindheit, insbesondere bei FMCW-LRR-Radarsensoren, wie z.B. für den sog. ACC-Sensor, bereitgestellt. Diese Messalgorithmen können Reflexionen von der Radarlinsenbelegung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unabhängig von der Temperatur, der Alterung, der Gehäusetoleranz und der Linsen- bzw. Radomgeometrie messen.

Radarsensoren werden in der Regel durch den Aufbau von verlustbehafteten dielektrischen Schichten, wie Wasser oder Schneematsch im Strahlungsfeld, je nach Betriebsfrequenz unterschiedlich stark degradiert. Dieser Effekt tritt besonders bei höheren Frequenzen, z. B bei Radarsensoren für Automotivanwendung, auf und kann das

Radarsignal vollständig blockieren. Durch Messung der Arbeitspunktverschiebung der Mischerdiode bzw. des Vorverstärkers lassen sich Wasser oder Schneematsch auf der Linsen- oder Radomoberfläche und damit die Blindheit des Radarsensors erkennen. Der hier beschriebenen Messalgorithmen zeigen, wie diese Messung unabhängig von der Temperatur, der Alterung, der Gehäusetoleranz und

-geometrie durchgeführt werden kann. Damit ist auch der Aufwand zur Umsetzung des Verfahrens für die Serienproduktion reduziert. Dieser Ansatz kann bei Long Rang Radar für Anwendungen zur Erkennung der Wasserschichtbildung auf der Linse- / Radomoberfläche, zur Abschätzung eines Radarsensorperformanceverlustes sowie zur Steuerung bzw. Aktivierung von Gegenmaßnahmen, wie z. B. einer Linsenheizung, eingesetzt werden.

Radarsysteme oder -einrichtungen nutzen typischerweise elektrische Komponenten mit nicht linearen Eigenschaften, wie bspw. Mischerdioden oder Vorverstärker, zur

Signalfrequenzvervielfachung bzw. Signalverstärkung. Hauptsächlich wird der Arbeitspunkt der Mischerdiode von der Temperatur, der Steuerspannung, bspw. Gunnleistung oder -frequenz der reflektierten Signale und/oder der Alterung beeinflusst. Diese zwingen den Arbeitspunkt, sich auf der Kennlinie, insbesondere einer sogenannten Arbeitsgerade, unterschiedlich zu verschieben, was im Rahmen der Erfindung zur

Feststellung der Reflexionsstärke der Linsenbelegung und damit verursachten Signaldegradation eines automotiven Radarsensors genutzt wird.

Das Frequenzabtastverfahren misst in Ausgestaltung zunächst die Kennline des Arbeitspunkts der Mischerdioden in diskreten Frequenzschritten innerhalb des zugelassenen Frequenzbereiches beim freien Sensor und legt diese als Referenz ab. Dies ist nötig, um den Blindheitsindikator unabhängig von den Gehäusetoleranzen, bspw. einem effektiven Abstand zwischen der Linsen- oder Radomoberfläche und der Mischerdioden, zu machen. Dabei werden in jedem Falle auch die Frequenzpunkte gemessen, bei denen der Arbeitspunkt der Mischerdioden am empfindlichsten reagiert.

Um nun auch noch die Temperaturabhängigkeit und die Alterung der Bauteile zu eliminieren, wird diese Referenz-Kennlinie zyklisch immer wieder aktuell gemessen, wenn aufgrund bestimmter Situationen eindeutig sichergestellt werden kann, dass die Linsen- oder Radomoberfläche frei von dielektrischen Verunreinigungen ist. Ist eine solche eindeutige Situation nicht mehr gegeben, wird die dann aktuell gemessene Kennlinie mit der zuletzt abgelegten Referenz verglichen. Für den Fall, dass die Abweichung über alle Frequenzpunkte über einen bestimmten festzulegenden Schwellwert hinausgeht, wird mittels eines Blindheitsindikators eine Sensorblindheit angezeigt.

Die Messwerte stellen bei freier Linse oder freiem Radome die momentane Kennlinie, insbesondere Frequenzkennlinie, dar und werden zyklisch erneut gemessen und gespeichert. Somit werden sowohl die Temperatur- als auch die Alterungseffekte auf die überwachung der Mischerarbeitspunkte unterdrückt. Einer zusätzliche Indikator, der schon für die Blindheitserkennung eingesetzt wurde, kann einen Hinweis dafür geben, ob eine Analyse bzw. ein Vergleich zwischen den Integralwerten der momentan definierten Frequenzkennlinien und den neuen Messwerten durchgeführt werden kann. Ergibt diese

Analyse eine eindeutige Differenz, die einen vordefinierten Schwellenwert übersteigt, ist die Linsenbelegung des Radarsensors festzustellen.

Im allgemeinen misst das hier vorgeschlagene Verfahren zum Frequenabtasten die änderung der Mischerdiodenspannung aufgrund der Reflexion an der Linsen- oder

Radombelegung unabhängig von der Temperatur, Betriebsfrequenz (Oszillatorleistung), Alterung und Gehäusetoleranz. Dies verbessert die Serientauglichkeit der beschriebene Indikatoren zur Erkennung der Radarsignaldegradation.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt ein Diagramm mit Kennlinien einer elektronischen Komponente eines Sensors.

Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors.

Ausführungsformen der Erfindung

In dem in Figur 1 gezeigten Diagramm ist entlang einer vertikal orientierten Achse 2 eine

Spannung einer als Mischerdiode ausgebildeten elektronischen Komponente eines Sensors für elektromagnetische Wellen über einer Frequenz aufgetragen. Die Frequenz für eintreffende elektromagnetische Strahlen ist entlang einer hier horizontal orientierten Achse 4 aufgetragen. In diesem Diagramm ist in einem Frequenzbereich zwischen 76 GHz und 77GHz eine erste momentane Kennlinie 6 für die Frequenz aufgetragen. Diese momentane Kennlinie 6 ergibt sich in einem definierten Zustand der elektronischen Komponente, falls ein Oberflächenmodul des Sensors frei von Verunreinigungen ist. In dem Diagramm aus Figur 1 sind des weiteren noch eine zweite Kennlinie 8 sowie eine dritte Kennlinie 10 aufgetragen. Diese beiden Kennlinien 8, 10 gehen durch Verschiebung aus der momentanen Kennlinie 6 hervor. Derartige Verschiebungen ergeben sich in der vorliegenden Ausführungsform, wenn sich auf dem Oberflächenmodul, das hier als Radom ausgebildet ist, eine Wasserschicht bildet. Zudem sind derartige Verschiebungen auch durch eine Variation eines effektiven Abstands des Oberflächenmoduls von einer Antenne des Sensors bedingt.

Somit zeigt das Diagramm aus Figur 1 insgesamt auch Veränderungen eines Arbeitspunkts der elektronischen Komponente. Mit dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Sensors für elektromagnetische Strahlen wird die Verschiebung des Arbeitspunkts ausgehend von der momentanen

Kennlinie 6 hin zu den weiteren Kennlinien 8, 10 der elektronischen Komponente des Sensors mit einem Frequenzabtastverfahren bestimmt. Dabei erfolgt in Abhängigkeit der Frequenz ein Abtasten bzw. ein Scanning des Arbeitspunkts der elektronischen Komponente in einzelnen Frequenzschritten innerhalb eines zugelassenen Frequenzbandes, hier im Bereich zwischen 76 GHz und 77 GHz.

Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines Sensors 12, der hier durch den gestrichelten Kasten begrenzt ist. Dieser Sensor umfasst ein als Radom ausgebildetes Oberflächenmodul 14, eine Antenne 16, die zum Senden sowie zum Empfangen elektromagnetischer Strahlen, hier Radarstrahlen, ausgebildet ist. Des weiteren umfasst der Sensor 12 eine als Mischerdiode ausgebildete elektronische Komponente 18, einen spannungsgesteuerten Oszillator (voltage controlled oscillater, VCO), einen Vorverstärker 22, ein erstes Verabeitungsmodul 24 zur Radarsignalverarbeitung und ein als Messeinheit ausgebildetes Modul 26, das zur Bestimmung eines Arbeitspunkts der elektronischen Komponente 18 ausgebildet ist.

Hierzu bestimmt das Modul 26 eine Verschiebung des Arbeitspunkts auf einer Kennlinie der elektronischen Komponente 18 des Sensors 12 mit einem Frequenzabtastverfahren.