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Untersuchungen zur Anwendung einesFMCW-Radars zur Schätzung kleiner
Abstände
Bachelorarbeit
Lisa Jäger
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.1
Chair of
Communication Systems
Gliederung
Thema der Arbeit
Funktionsprinzip eines FMCW-Radars
Entwickelte Software zur Abstandsbestimmung in Matlab
Ergebnisse der durchgeführten Abstandsmessungen
Untersuchungen zu einer Anwendung im Backofen
Fazit und Ausblick
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.2
Chair of
Communication Systems
Thema der Arbeit
Anwendung von Radar in einem Backofen
Vermessen der Backblechposition
→ Optimierung von
Automatikprogrammen
Untersuchung von ’low-cost’
FMCW-Radar Sensoren
→ Kostengünstig für
Serienproduktion
Bildquelle: http://img.moebelplus.de/xlarge/gorenje_bop9958ax_szene2.jpg
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.3
Chair of
Communication Systems
http://img.moebelplus.de/xlarge/gorenje_bop9958ax_szene2.jpg
Grundlagen
FMCW-Prinzip
FMCW-Radar: Frequency Modulated Continuous Wave Radar
Tm
fH
fd
Empfangssignal
Sendesignal
Fre
qu
enz
Zeit
R : Abstand zum Objekt
Tm : Sägezahnperiodendauer
fd : Differenzfrequenz
fH : Frequenzhub
c : Lichtgeschwindigkeit
R =Tm·fd·c
2·fH
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.4
Chair of
Communication Systems
Grundlagen
Entwicklungskit iSYS-4004 der Firma InnoSenT
Sendefrequenz: 24 GHz
Bandbreite: 247,5 MHz
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.5
Chair of
Communication Systems
Auswertungssoftware
Rohdaten des Sensors1,24 m
Q
I
Am
pli
tude
(ohne
Ein
hei
t)
Abtastwerte
0 100 200 3000
1000
2000
3000
4000
Verzerrung der Signale durch Störreflektoren
Parameter Tm und fH durch Hardware festgelegt
Ziel: Differenzfrequenz fd bestimmen
R =Tm·fd·c
2·fH
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.6
Chair of
Communication Systems
Auswertungssoftware
Algorithmen zur Abstandsbestimmung
1,24 m
QI
Am
pli
tude
(ohne
Ein
hei
t)
Abtastwerte
0 100 200 3000
1000
2000
3000
4000
Methoden:
1. Abstandsschätzung durch Vergleich
der I- und Q-Signale
2. Abstandsschätzung über
Auswertung der Periodendauer
→ Beide Methoden nicht geeignet, da
I- und Q- Signal stark verzerrt sind
3. Abstandsschätzung über
Spektralanalyse
→ Genaue Auswertung möglich
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Chair of
Communication Systems
Auswertungssoftware
Spektralanalyse
3-stufige Interpolation um Frequenzauflösung zu erhöhen
(theoretische Auflösung vorher: 390 Hz→ 60 cm , nachher: 1,5 Hz→ 0,3 mm)
Störreflektoren im Frequenzspektrum erkennbar
Am
pli
tud
e(o
hn
eE
inh
eit)
Frequenz in Hz0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
←Wand
← Gitter
Q-SpektrumI-Spektrum
Am
pli
tud
e(o
hn
eE
inh
eit)
Frequenz in Hz0 500 1000 1500 2000 2500 3000
×10−4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.8
Chair of
Communication Systems
Auswertung
Vergleich zwischen GUI und entwickelter Software
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.9
Chair of
Communication Systems
Auswertung
Vergleich zwischen GUI und entwickelter Software
Untere Erfassungsgrenze der entwickelten Software: 0,6 m
Untere Erfassungsgrenze der GUI: 0,9 m
Genauigkeit bei Messungen von 1 m bis 1,5 m:
Reflektor GUI Spektralanalyse
Metallplatte ± 3,7 cm ± 2,2 cm
Gitter (vertikal) ± 9,95 cm ± 11,88 cm
Gitter (horizontal) ± 11,1 cm ± 5,04 cm
Das Gitter zeigt keine polarisationsabhängigen Effekte, da der Abstand der
Gitterstreben im Bereich der verwendeten Wellenlänge liegt.
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.10
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Anwendung des Sensors im Backofen
Bildquelle: http://img.moebelplus.de/xlarge/gorenje_bop9958ax_szene2.jpg
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Communication Systems
http://img.moebelplus.de/xlarge/gorenje_bop9958ax_szene2.jpg
Anwendung des Sensors im Backofen
Verzögerungsglied
Ziel: kleine Abstände (< 0,6 m) messen (Maße des Backofens)
Möglichkeit: Signallaufzeit erhöhen durch Verzögerungsleitung
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.12
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Communication Systems
Anwendung des Sensors im Backofen
Mehrfachreflexion, Resonanz
gemessene Frequenz
Sollfrequenz
Q-Spektrum
I-Spektrum
Am
pli
tud
e(o
hn
eE
inh
eit)
Frequenz in Hz
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
×10−4
0
1
2
3
4
5
6
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.13
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Communication Systems
Anwendung des Sensors im Backofen
Frequenzbereiche
Frequenzbereiche von Störreflektoren ausblenden
Möglichen Frequenzbereich in unterschiedliche Stufen (diskrete
Backblechpositionen) unterteilen
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Anwendung des Sensors im Backofen
Frequenzbereiche
Frequenzbereiche von Störreflektoren ausblenden
Möglichen Frequenzbereich in unterschiedliche Stufen (diskrete
Backblechpositionen) unterteilen
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Communication Systems
Anwendung des Sensors im Backofen
Frequenzbereiche
Frequenzbereiche von Störreflektoren ausblenden
Möglichen Frequenzbereich in unterschiedliche Stufen (diskrete
Backblechpositionen) unterteilen
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
Lisa Jägerp.16
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Communication Systems
Fazit
Entwicklung einer Software zur Auswertung der Rohdaten
Entwickelte Spektralanalyse genauer als GUI der Firma InnoSenT
Unter nahezu idealen Bedingungen: ab 0,6 m, mit Genauigkeit ± 2,2 cm
Untersuchungen im Hinblick einer Anwendung des Radarsensors im Backofen
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Ausblick
Einbau einer Verzögerungsleitung
→Möglichst lang
Optimierung der Software durch Unterteilung der Frequenzspektrums
→Diskrete Abstände der Backbleche bekannt
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Anhang
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Anhang
Messaufbau, ISEL
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kleiner Abstände
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Anhang
Reflektor Backblech
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kleiner Abstände
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Anhang
Erweiterter Backofen
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Anhang
Spektralanalyse
3-stufige Interpolation um Frequenzauflösung zu erhöhen
(theoretische Auflösung vorher: 390 Hz→ 60 cm , nachher: 1,5 Hz→ 0,3 mm)
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Anhang
Ausgangssignale bei kleinen Abständen
gemessene Frequenz
Sollfrequenz
Q-Spektrum
I-Spektrum
Am
pli
tud
e(o
hn
eE
inh
eit)
Frequenz in Hz
Q
I
Am
pli
tud
e(o
hn
eE
inh
eit)
Abtastwerte
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 50 100 150 200 250 300
×10−3
0
1
2
3
0
2000
4000
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Communication Systems
Anhang
Abweichungen bei kleinen Abständen
Messung 2
Messung 1A
bw
eich
un
gzu
mta
tsäc
hli
chen
Ab
stan
din
m
Entfernung zum Objekt in m
∆ = ±14.2 cm
0.25 0.34 0.43 0.52 0.61 0.7 0.79 0.88 0.97−0.15
−0.1
−0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Communication Systems
Anhang
Gitter horizontal
Leermessung
Gitter horizontal
Metallplatte (an Position des Gitters)
Ab
wei
chu
ng
zum
tats
äch
lich
enA
bst
and
inm
Entfernung zum Objekt in m
0.7 0.82 0.94 1.06 1.18 1.3 1.42 1.54 1.66 1.78 1.9−1.5
−1
−0.5
0
0.5
1
1.5
FMCW-Radar zur Schätzung
kleiner Abstände
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Communication Systems
Anhang
Gitter vertikal
Leermessung
Gitter vertikal
Metallplatte (an Position des Gitters)
Ab
wei
chu
ng
zum
tats
äch
lich
enA
bst
and
inm
Entfernung zum Objekt in m
0.7 0.82 0.94 1.06 1.18 1.3 1.42 1.54 1.66 1.78 1.9−1.5
−1
−0.5
0
0.5
1
1.5
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