DE3902582C2

DE3902582C2 - Verfahren zur lokalen Verkehrsdatenerfassung und -auswertung

Info

Publication number: DE3902582C2
Application number: DE3902582A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Ing Stammler
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-01-28
Filing date: 1989-01-28
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2009-01-29
Also published as: DE3902582A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Verkehrs datenerfassung und -auswertung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Verfahren bzw. Vorrichtungen dieser Art werden beispiels weise zur Überwachung bzw. Steuerung oder statistischen Erfassung des Verkehrsflusses auf Autobahnen, Überland straßen und/oder im innerstädtischen Bereich eingesetzt. Möglich ist auch ihr Einsatz im Bereich des spurgebundenen Verkehrs, beispielsweise für Eisenbahnen, oder in der auto matisierten Lagerhaltung oder im Bereich der industriellen Fertigung, beispielsweise zur Überwachung und Steuerung von automatisierten Fertigungsstraßen.

Aus der Druckschrift: HORMANN, G.: Die Radar-Verkehrssonde RVS-1; in: Telefunken-Zeitung, 1966, Bd. 39, Heft 2, S. 175-186 ist eine CW(Dauerstrich)-Radar-Verkehrssonde zur Ver kehrsdatenerfassung, beispielsweise von Kraftfahrzeugen, bekannt. Dabei wird das von den zu erfassenden Verkehrs teilnehmern reflektierte Echosignal in vorgebbarer Weise ausgewertet, beispielsweise zur Ermittlung der Anzahl, der Art sowie der Geschwindigkeit der Verkehrsteilnehmer.

Aus der Druckschrift: SKOLNIK, M. I.: Introduction to Radar Systems; New York: McGraw-Hill, 1980, 2. Aufl. , S. 70-81, ist die Funktionsweise und der Aufbau eines CW-Radars (Dauer strich-Radars) bekannt, insbesondere die Auswertung von Doppler-Signalen mittels einer Filterbank oder alternativ durch eine Spektralanalyse mittels digitaler Schaltkreise unter Verwendung einer Fast Fourier Transformation (FFT).

Aus der Druckschrift: PAPOULIS, A.: Signal Analysis; New York: McGraw-Hill, 1977, S. 248-251 ist eine Extrapolation digitaler Signale bekannt. Dabei wird eine Spektralanalyse mit Hilfe von Schätzverfahren durchgeführt.

In der Druckschrift: CHILDERS, D. G. [Hsg.]: Modern Spectrum Analysis; New York: IEEE Press, 1978, S. 34-71 wer den mehrere Analysefahren beschrieben, wobei eine Spektral analyse verwendet wird. Dabei werden unter anderem digitale Schätzverfahren verwendet, die beispielsweise ein sogenann tes "autoregressiv" (AR)-, ein sogenanntes "moving avarage" (MA)- oder ein sogenanntes "autoregressive-moving avarage" (ARMA)-Modell verwenden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine möglichst zuverlässige, genaue und schnelle Verkehrsdatenerfassung und -auswertung möglich ist.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Patentan spruch 1 beschrieben. In den übrigen Ansprüchen sind vor teilhafte Aus- und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie bevorzugte Anwendungen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren am Bei spiel eines überregionalen Systems zur Überwachung bzw. Steuerung des Verkehrsflusses im Straßenverkehr, insbesonde re auf Autobahnen, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Übersichtsbild eines solchen überregionalen Systems zur Überwachung bzw. Steuerung des Ver kehrsflusses auf Autobahnen.

Fig. 2 ein Übersichtsbild einer vorteilhaften Ausfüh rungsform einer Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der mehrere dieser Vorrichtungen glei cher Art miteinander kombiniert sind.

Fig. 3 ein detaillierteres Blockschaltbild einer der kombinierten Vorrichtungen gemäß Fig. 2.

Fig. 4 einen Straßenausschnitt mit einem Fahrzeug und einer Schilderbrücke und mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 3.

Fig. 5 einen vertikalen Schnitt durch das Strahlungsfeld des Radarsensors der Vorrichtung gemäß Fig. 4.

Fig. 6 ein detaillierteres Blockschaltbild der Ein richtung zur digitalen Signalverarbeitung der Vorrichtung gemäß Fig. 3.

Fig. 7 eine vorteilhafte weitere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 3, bei der zusätzlich Informationen über die Bewegungsrichtung der überwachten Objekte übertragen und ausgewertet werden.

Das überregionale System zur Überwachung bzw. Steuerung des Verkehrsflusses, beispielsweise auf Autobahnen in Fig. 1, enthält eine Reihe von Vorrichtungen 1, die auf ausge wählten Punkten des Autobahnnetzes (beispielsweise im Bereich von Autobahnkreuzen oder -dreiecken oder im Bereich von Autobahnauf- und -abfahrten) verteilt sind und dort den lokalen Verkehrsfluß überwachen, und zwar vorteilhafter weise für jede Fahrspur gesondert. Hierbei kann es sich um konventionelle Überwachungsvorrichtungen 1n, wie z. B. Induktionsschleifen, oder aber vorteilhafterweise um Vor richtungen 1a gemäß einer früher angemeldeten, aber zum Zeitpunkt der Anmeldung noch nicht veröffentlichten DE 38 10 357 A1 des Anmelders handeln, die neben der Überwachungsfunktion im Prinzip auch die Übertragung von Informationen an die Verkehrsteilnehmer übernehmen können.

Die in einem bestimmten örtlichen Teilbereich des Autobahn netzes stationierten Überwachungsvorrichtungen 1 sind über eine Datenübertragungseinrichtung 2, in dem Beispiel in Form eines Busses (RS 485) mit Protokoll gemäß IEC/TC57, mit einer für diesen Teilbereich zuständigen lokalen Strecken station 3 verbunden, die im wesentlichen aus einem Steuer modul 30 besteht, das beispielsweise über eine V. 24-Schnitt stelle mit einem Modem 31 verbunden ist und an das zu Konfi gurations- oder Testzwecke z. B. über eine weitere V. 24- Schnittstelle ein Computer (z. B. ein Personalcomputer) bzw. Terminal 32 anschließbar ist.

An die Datenübertragungseinrichtung 2 können weiterhin Wechsel-Verkehrszeichen 8 angeschlossen sein, die z. B. aufgrund der von den Vorrichtungen 1 erfaßten und ausgewer teten Verkehrsinformationen von der zuständigen lokalen Streckenstation 3 über die Datenübertragungseinrichtung 2 die der Verkehrssituation angepaßten amtlichen Verkehrszei chen und/oder Informationen für die Verkehrsteilnehmer anzeigen. Weiterhin können an diese Datenübertragungsein richtung 2 weitere Sensoren 9 angeschlossen sein, die die meteorologischen Daten für diesen Teilbereich des Autobahn netzes erfassen und der Streckenstation 3 weitermelden, wie z. B. Angaben über die Sichtweite, Temperatur, Wind, Nieder schlag, Schnee, Glatteis, Nässe usw.

Die Streckenstationen 3 der einzelnen Teilbereiche des Auto bahnnetzes sind in der nächsthöheren Stufe über eine weitere Datenübertragungseinrichtung 4, z. B. über das bereits in stallierte Autobahn-Telefonnotrufnetz, mit regionalen Unter zentralen 5 verbunden, die ihrerseits in der nächsthöheren Stufe über eine weitere Datenübertragungseinrichtung, z. B. das öffentliche Telefonnetz, mit einer Zentrale 7 verbunden ist.

Durch diese hierarchische Gliederung in mehrere Stufen ist sichergestellt, daß bei Ausfall einzelner Komponenten oder Übertragungsleitungen des Systems die anderen Komponenten ungestört oder nur mit geringen Beeinträchtigungen weiterar beiten können.

In einer ersten Ausbaustufe wird mit einem solchen überre gionalen System zur Überwachung bzw. Steuerung im wesentli chen bezweckt:

- den Verkehrsfluß (Durchschnittsgeschwindigkeit, Zahl und Art der Fahrzeuge) und die meteorologischen Ver hältnisse (Sichtweite, Temperatur, Wind, Niederschlag/Schnee, Glatteis/Nässe usw. ) insbesondere an kritischen Punkten des Autobahnnetzes zu überwachen;
- die erfaßten Daten sofort an die zuständige regionale Unterzentrale 5 weiterzuleiten, beispielsweise über das parallel zum Autobahnnetz verlegte Autobahn-Telefonnot rufnetz;
- aufgrund der Auswertung dieser Daten die Wechsel-Ver kehrszeichen in den betreffenden Teilbereichen des Autobahnnetzes entsprechend durch die zuständige regio nale Unterzentrale anzupassen bzw. über die die Ver kehrszeichen erzeugenden Anlagen zusätzliche Hinweise und Informationen für die Verkehrsteilnehmer zu geben, wie z. B. Hinweise auf Verkehrsstaus, Baustellen, Unfälle usw.

Darüber hinaus können die regionalen Unterzentralen aktuelle Verkehrszustandsberichte an die Rundfunkstationen senden, die diese über den Verkehrsrundfunk unverzögert an die Verkehrsteilnehmer weitergeben. In einer weiteren Ausbaustu fe könnten diese Informationen über die lokalen Vorrichtun gen 1 direkt an die Verkehrsteilnehmer übermittelt werden.

Die Kommunikationsprozeduren zwischen den einzelnen Teilen des Systems und die Protokolle sind dabei zweckmäßigerweise in Übereinstimmung mit der IEC/TC 57 definiert.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 1a gemäß DE 38 10 357 A1 zur loka len Überwachung des Verkehrsflusses. Sie besteht aus mehre ren Einzelvorrichtungen 10 ₁, 11 ₁, 12 ₁ - 10 ₈, 11 ₈, 12 ₈ jeweils zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Indizes 1 und 8 beispielhaft acht solche Einzelvorrichtungen andeuten sollen. Eine solche Einzelvorrichtung überwacht jeweils eine Fahrspur und be steht jeweils aus

- einem Radarsensor 10 ₁ bzw. 10 ₈, der in einer Höhe h beispielsweise an einem Mast an der Seite der Autobahn oder an einer Verkehrsschilderbrücke angebracht sein kann und unter einem bestimmten vertikalen Anstell winkel α herab auf die Verkehrsteilnehmer gerichtet ist (vgl. auch Fig. 4);
- einer Übertragungseinrichtung 11 ₁ bzw. 11 ₈, die einer seits die Stromversorgungsleitungen für den Radarsensor 10 ₁ bzw. 10 ₈ führt und andererseits die Ausgangssignale D₁ bzw. D₈ des Radarsensors 10 ₁ bzw. 10 ₈ an eine Auswerteeinheit 12 ₁ bzw. 12 ₈ überträgt, wobei die Auswerte einheit 12 ₁ bzw. 12 ₈ die Ausgangssignale D₁ bzw. D₈ des Radarsensors 10 ₁ bzw. 10 ₈ auswertet und daraus die aktuellen Verkehrsdaten bestimmt (Geschwindigkeit, Durchschnitts geschwindigkeit, Fahrzeuglänge, Fahrzeugabstand, Fahrzeugart usw. ).

In dem Ausführungsbeispiel sind acht solcher Einzelvorrich tungen 10-12 _1-8 ausgangsseitig über einen gemeinsamen Standard-ECB-Bus 13 (zusätzlich sind auch die jeweiligen Übertragungseinrichtungen 11 ₁-11 ₈ direkt an diesen Bus 13 angeschlossen) mit einem Datenkollektor 14, beispielsweise einem Mikrocomputer, verbunden, dessen Aufgabe neben der Datenspeicherung vor allem in der Steuerung bzw. Überwachung der acht Einzelvorrichtungen (Datenüberwachung, Fehlerkon trolle usw. ) und in der Kommunikation mit dem Steuermodul (30 in Fig. 1) der zugehörigen Streckenstation (3 in Fig. 1) besteht. Außerdem kommen die regionalen Unterzentralen (5 in Fig. 1) oder die Zentrale (7 in Fig. 1) über die zuständige Steuereinrichtung (3 in Fig. 1) Befehle, neue Parameterwerte usw. an den Datenkollektor 14 senden, der diese Informatio nen analysiert und sie entsprechend an eine, mehrere oder alle Einzelvorrichtungen 10 ₁, 11 ₁, 12 ₁ ... 10 ₈, 11 ₈, 12 ₈ weiterleitet.

In einer weiteren Ausführungsstufe können darüber hinaus lokal oder zentral erzeugte Informationen über die Einzelvorrichtungen 10 ₁ ... 12 ₈ direkt an die Verkehrsteilnehmer weitergeleitet werden (beispielsweise Informationen über Verkehrsstaus, Umleitungsmöglichkeiten, Gefahrenstellen, Baustellen usw. ).

Außerdem kann an den ECB-Bus 13 ein zusätzlicher Speicher 15 angeschlossen werden, in dem die in den Einzelvorrichtungen 10 ₁ ... 12 ₈ erzeugten Daten gespeichert werden können. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn eine solche Vorrichtung 1a nicht als Teil eines überregionalen Systems, sondern als unabhängiges "autarkes" mobiles Einzelsystem eingesetzt wird, beispielsweise zur Verkehrszählung an einer inner städtischen Straßenkreuzung.

Fig. 3 zeigt als Blockschaltbild den prinzipiellen Aufbau einer vorteilhaften Einzelvorrichtung 10 ₁ ... 12 ₁ gemäß Fig. 2 im Detail.

Als Radarsensor 10 ist ein Millimeterwellen-Sende/Empfangs gerät vorgesehen, das aus einem lokalen Oszillator 100 ₁ einem Kopplungsnetzwerk 101 ₁, einem Duplexer 102 ₁, einem Mischer 103 ₁ sowie einer Sende/Empfangsantenne 104 ₁ besteht.

Das Gerät sendet über die Antenne 104 ₁ ein kontinuierliches unmoduliertes sinusförmiges Millimeterwellensignal des lokalen Oszillators 100 ₁ mit der Frequenz f₀ = 61,25 GHz aus und empfängt über die Antenne 104 ₁ einen Teil der von den den Radarstrahl passierenden Fahrzeugen reflektierten Si gnale, die wegen des Dopplereffekts eine Frequenzverschie bung erfahren haben. Durch direktes Mischen eines solchen Signals mit einem über das Kopplungsnetzwerk 101 ₁ ausgekop pelten Teils des ausgesandten Signals wird in dem Mischer ein erstes Ausgangssignal D₁ mit der Differenzfrequenz, ein sog. Dopplerecho oder Dopplersignal, erzeugt.

Die Frequenz f₀ = 61,25 GHz ermöglicht es, auf besonders vorteilhafte Weise eine hohe Absorption durch die Atmosphäre (20 dB/km) mit der Komptaktheit von Millimeterwellenbautei len zu kombinieren. So paßt der gesamte Radarsensor 10 ₁ zusammen mit einem Teil 110 ₁ der Übertragungseinrichtung in ein würfelförmiges Gehäuse mit der Kantenlänge von etwa 15 cm.

Sender und Empfänger sind unterschiedlich polarisiert, um Cluttereffekte infolge Regen oder Schnee zu verringern. Die Sendeleistung beträgt weniger als 10 mW. Die Strahlcharakte ristik hat vorzugsweise einen horizontalen bzw. vertikalen Öffnungswinkel von 3° bzw. 13° (vgl. hierzu Fig. 5, in der ein vertikaler Schnitt durch das Strahlungsfeld des Sensors gezeigt ist).

Wie Fig. 4 zeigt, ist der Sensor beispielsweise an einer Verkehrssignalbrücke in einer Höhe h (beispielsweise h ≈ 5,5 m) über der zu überwachenden Fahrspur angeordnet und ist mit seinem Strahlungsfeld unter einem Anstellwinkel α (ge messen zur Vertikalen) auf die zugehörige Fahrspur gerich tet. Ein in Fig. 4 als "Objekt" bezeichnetes Fahrzeug mit der Geschwindigkeit v reflektiert einen Teil der vom Sensor 10 ₁ ausgesandten Strahlung in Richtung des Sensors. Im Idealfall ergibt sich die Frequenz f des Dopplerechos zu

wobei c für die Lichtgeschwindigkeit steht. Der Anstellwin kel α entspricht dabei nach den Gesetzen der Geometrie dem Winkel zwischen Radarstrahl und dem Geschwindigkeitsvektor v des den Radarstrahl passierenden Fahrzeugs.

In der Praxis ergeben sich allerdings Abweichungen von dem hier geschilderten Idealfall, z. B. in Form meßbarer Fre quenzverschiebungen, die nicht auf dem Dopplereffekt beruhen, oder Amplitudenfluktuationen bis hin zur vollständigen Ab sorption des Signals durch die den Radarstrahl passierenden Fahrzeuge. Verursacht werden diese Effekte vor allem durch Überlappung von reflektierten Signalen, die an unterschied lichen Stellen des Fahrzeugs mit unterschiedlicher Geometrie bzw. Reflexionscharakteristik reflektiert worden sind, bzw. durch die endliche Ausdehung des Radarstrahlungsfeldes in Bewegungsrichtung der Fahrzeuge.

Bei der Auswahl des Anstellwinkels α müssen zwei Effekte beachtet werden, die nicht gleichzeitig optimiert werden können: eine hohe Genauigkeit für die Messung der Fahrzeug länge und eine zuverlässige Trennung aufeinanderfolgender Fahrzeuge wird mit großen Anstellwinkeln α (Grenzfall: Strahlungsfeld ist senkrecht nach unten gerichtet) erreicht. Jedoch ist die Breite des Frequenzspektrums eines Doppler echos i. a. umso größer (und damit die Ungenauigkeit der Frequenzmessung), je größer α ist. Dies hat nach Gleichung (1) zur Folge, daß die Genauigkeit bei der Bestimmung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs umso geringer ist, je größer der Anstellewinkel α gewählt ist oder, mit anderen Worten, je genauer die Messung der Fahrzeuglänge erfolgt.

Eine Optimierung dieser beiden gegenläufigen Effekte führt zu einem Anstellwinkel von etwa 53°. Hierbei kann das Strah lungsfeld des Radarsensors 10 ₁ entweder - wie in Fig. 4 dargestellt - auf die Vorderseite der Fahrzeuge gerichtet sein (positiver α-Wert) oder auf die Rückseite der Fahrzeuge (negativer α-Wert (gestrichelt in Fig. 4)). Aufgrund unter schiedlicher Abschattungsgrade durch die Fahrzeuge ergeben sich für diese beiden Ausrichtungsmöglichkeiten unterschied liche Fehler in der Längenmessung der Fahrzeuge.

Die Übertragseinheit 11 ₁ in Fig. 3 besteht aus einem sensor seitigen Teil 110 ₁, der in Fig. 4 zusammen mit dem Radarsen sor 10 ₁ in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist, einem Übertragungskabel 111 ₁, dessen Länge sich bis zu 1- 2 km bemessen kann und das den sensorseitigen Teil 110 ₁ der Übertragungseinheit 11 ₁ mit einem auswerteeinheitsseitigen Teil 112 ₁ der Übertragungseinheit 11 ₁ verbindet (vgl. auch Fig. 4). Hierdurch ist es z. B. möglich, auch ausgedehntere Teilbereiche des Autobahnnetzes, wie z. B. Autobahnkreuze oder -dreiecke oder großräumige Auf- und Abfahrten, bei denen jeweils mehr als acht Fahrspuren überwacht werden müssen und die insgesamt somit den Einsatz von mehr als acht erfindungsgemäßen Vorrichtungen erfordern, mit einer einzi gen lokalen Streckenstation (3 in Fig. 1 und 4) zu überwa chen. Vorzugsweise wird über die Übertragungseinheit 11 ₁ auch die zum Betrieb des Radarsensors 10 ₁ erforderliche Betriebsgleichspannung (typ. +24 V) von der lokalen Steuer station geliefert.

Um bei der Übertragung des Dopplerechos Dämpfungs-, Rausch- und/oder Netzbrumm-Einflüsse zu minimieren, wird das zu übertragende Dopplerecho im sensorseitigen Teil 110 ₁, der Übertragungseinheit mit einem Modulator 1103 ₁ frequenzmodu liert und nach der Übertragung im auswerteeinheitsseitigen Teil 112 ₁ mit Hilfe eines Demodulators 1120 ₁ demoduliert.

Darüber hinaus wird in einer vorteilhaften Ausführungsform in dem sensorseitigen Teil 110 ₁ ein Pilotsignal P₁ z. B. der Frequenz f = 16 kHz den Dopplerechos D₁ hinzuaddiert und mitübertragen. In dem auswerteeinheitsseitigen Teil 112 ₁ der Übertragungseinrichtung 11 ₁ befindet sich entsprechend eine Auswerteschaltung 1121 ₁, die die korrekte Übertragung des Pilotsignals P₁ überprüft und im Falle eines Fehlers diesen über einen direkten Anschluß 16 ₁ an den zugehörigen ECB-Bus 13 dem Datenkollektor 14 meldet. Vorzugsweise wird das Pilotsignal P₁ an den vom Sensor 10 ₁ erzeugten Rauschsignal pegel angekoppelt, so daß bei Ausfall des Sensors 10 ₁ und dem damit verbundenen fehlenden Rauschsignal auch kein Pilotsignal P₁ übertragen wird und die Auswerteschaltung 1121 ₁ sofort eine Fehlermeldung an den Datenkollektor 14 senden kann.

Bevorzugt sind jeweils die auswerteeinheitsseitigen Teile von vier der acht zu einem Datenkollektor 14 gehörenden Übertragungseinrich tungen 11 ₁ ... 11 ₈ auf einer Karte zusammengefaßt.

Die Auswerteeinheit 12 ₁ in Fig. 3 schließlich besteht aus einem Antialiasing-Tiefpaßfilter 121 ₁ zur Vermeidung von spektralen Überfaltungen, einem Analog/Digital-Wandler 123 ₁ und einer Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124 ₁. In bevorzugten Ausführungsformen ist dem Analog/Digital- Wandler 123 ₁ zusätzlich ein Verstärker 122 ₁ mit einstellba rem Verstärkungsfaktor vorgeschaltet, dessen Verstärkungs faktor so eingestellt wird, daß trotz unterschiedlicher Anbringungshöhen der Radarsensoren 10 ₁ ... 10 ₈ die Doppler signale auf eine Standardhöhe normalisiert werden können.

Weiterhin ist dem Antialiasing-Tiefpaßfilter 121 ₁ zusätzlich ein Schalter 120 ₁ vorgeschaltet, der es ermöglicht, anstelle der Dopplerechos D₁ ein Testsignal T₁ in die Auswerteeinheit 12 ₁ einzuspeisen, das vorteilhaft in der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124 ₁ erzeugt wird, und mit dem die Auswerteeinheit 12 ₁ einem Selbsttest unterzogen werden kann. Der Ausgang der Einrichtung zur digitalen Signalverar beitung 124 ₁ ist mit dem ECB-Standardbus verbunden.

Die vorteilhafte Ausführungsform der Auswerteeinheit 12 ₁ in Fig. 6 schließlich enthält neben dem Umschalter 120 ₁ zur Einspeisung des Testsignals T₁ anstelle des Dopplerechos D₁ das Antialiasing-Tiefpaßfilter 121 ₁, vorzugsweise in Form eines Digitalfilters (z. B. Schalter/Kondensatorfilter), sowie den Verstärker 122 ₁ mit einstellbarem Verstärkungs grad, den Analog/Digitalwandler 123 ₁ und die Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124 ₁. Die Besonderheit dieser Anordnung liegt zum einen darin, daß über einen Taktgeber 125 ₁ die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 121 ₁ und die Abtastrate des Analog/Digitalwandlers 123 ₁ an den vorherr schenden Geschwindigkeitsbereich angepaßt werden kann, und zum anderen darin, daß ein zusätzliches Signal R₂ in die Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung 124 ₁ einge speist wird, das aus einem weiteren Dopplerecho R₁ abgelei tet wird und als Information die Bewegungsrichtung der Fahrzeuge enthält.

Die Einrichtung 124 ₁ zur digitalen Signalverarbeitung be steht aus vier miteinander vernetzten, digitalen Signalpro zessoren 1240-1243 (z. B. NEC 7720), die parallel arbeiten, sowie einem Adapter 1244 für den Anschluß der Signalprozes soren 1240-1243 an den ECB-Standardbus 13, einem Taktgeber 1245 zur Erzeugung eines Testsignals, einem Alarmgeber 1246 zum Melden von Fehlern z. B. an eine Leuchtdiode auf der Frontplatte der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung und/oder an den Datenkollektor (14 in Fig. 2) und eine Schaltung 1247 zur Kompensation der Abweichung des tatsäch lich eingestellten Anstellwinkels α von dem optimalen An stellwinkel von etwa 53°.

Die Vorrichtung gemäß DE 38 10 357 A1 in Fig. 7 unterscheidet sich von der Vorrichtung in Fig. 3 da durch, daß

1. der Mischer im Radarsensor zwei Dopplersignale D₁ und R₁ liefert, deren Phasenlage zueinander Auskunft gibt über die Fahrt- bzw. Bewegungsrichtung des Objekts. Dazu wird für jede Schwingung des Dopplersignals D₁ in einem Phasenvergleicher 1105 ₁ ein Phasenvergleich mit R₁ durchgeführt und das Ergebnis ("voreilend" bzw. "nacheilend") als 1-Bit-Signal codiert und über eine zusätzliche Ader 1111 ₁ im Übertragungskabel 111 ₁ zu der Auswerteeinheit 12 ₁ übermittelt;
2. das zu übertragende und auszuwertende Dopplersignal durch Summation aus den beiden phasenverschobenen Dopplersignalen D₁ und R₁ gewonnen wird (D₁ + R₁).

Das Verfahren läuft wie folgt ab:
Das im Radarsensor 10 ₁ erzeugte (analoge) Dopplerecho wird in dem sensorseitigen Teil der Übertragungseinheit 110 ₁ zu nächst in einem Verstärker 1100 ₁ verstärkt, in einem Band paßfilter 1101 ₁ gefiltert, in einem Addierer 1104 ₁ mit dem Pilotsignal P₁ versehen und im Modulator 1103 ₁ frequenzmodu liert. Nach der Übertragung wird das frequenzmodulierte Signal demoduliert und im Tiefpaßfilter 121 ₁ von den übrigen Signalen (z. B. dem Pilotsignal P₁) separiert bzw. nach Verstärkung im Verstärker 122 ₁ im Analog/Digitalwandler 123 ₁ digitalisiert und in die Einrichtung zur digitalen Signal verarbeitung 124 ₁ eingespeist.

Erfindungsgemäß wird in dieser Einrichtung 124 ₁ aus diesen digitalisierten Dopplerechos D₁ das Frequenzspektrum ent weder durch Autokorrelation des Dopplerechos D₁ mit an schließender Spektraltransformation oder durch Relaiskor relation des Dopplerechos D₁ mit anschließender Spektral transformation und vorteilhaft durch direkte Spektraltrans formation gebildet, wobei die Spektraltransformation mit einem nichtlinearen Schätzverfahren durchgeführt wird. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, ein nichtlineares Schätzverfahren einzusetzen, das auf einem AR-Modell oder ARMA-Modell basiert.

Anschließend wird in diesem Spektrum die Frequenz mit maxi maler Amplitude bestimmt und aus dieser Frequenz unter Zuhilfenahme der Gleichung (1) die Geschwindigkeit des Fahrzeugs abgeleitet.

In der Praxis ergeben sich mit f₀ = 61,25 GHz, c = 300 000 km/h und Geschwindigkeit v < 207 km/h ein Frequenzbereich der Dopplerechos D₁ von 0 bis etwa 14,25 kHz, was nach dem Abtasttheorem eine Mindest-Abtastrate des Analog/Digital- Wandlers 123 ₁ von 28,5 kHz erfordert (vorzugsweise 32 kHz).

Die Dynamik des Dopplerechos hängt von der Entfernung zwi schen Radarsensor und dem reflektierenden Gegenstand ab, also dem Fahrzeug, und vom effektiven radarempfindlichen Wirkungsquerschnitt der zu registrierenden Fahrzeuge. Ty pisch kann ein Dynamikbereich von ca. 60 dB erwartet werden.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, wie z. B. dem Zählen von Nulldurchgängen beim Dopplerecho oder dem Messen der Periodendauer über mehrere Schwingungen hinweg, ist durch die hier verwendeten Verfahren sichergestellt, daß Signalbe reiche mit relativ kleinem Signal/Rausch-Verhältnis nicht das Meßergebnis verschlechtern, da z. B. eine Korrelation berechnet wird und die tatsächliche Dopplerfrequenz diejeni ge Frequenz mit der maximalen Amplitude im Spektrum ist, woraus mit Gleichung (1) die Geschwindigkeit des Fahrzeugs abgeleitet werden kann.

Für den Fall, daß der tatsächliche Winkel α des instal lierten Radarsensors von dem optimalen Winkel α = 53° ab weicht, muß die berechnete Geschwindigkeit entsprechend korrigiert werden (mit ca. 2,3% für eine Abweichung von ca. 1°). Um dies berücksichtigen zu können, wird die Abweichung vorteilhafterweise nach der Installation des Sensors gemes sen und durch entsprechende Einstellung der Winkelkompensa tionsschaltung 1247 in der Einrichtung 124 ₁ zur digitalen Signalverarbeitung kompensiert.

In einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird zur Bestimmung der Bewegungsrichtung der Fahrzeuge ein zusätzli ches Dopplerecho erzeugt, das gegenüber dem ersten Doppler echo phasenverschoben ist. Für jede Periode der beiden Signale wird die Phasenlage der beiden Signale verglichen und die für jede Periode ermittelte Phasenlage anschließend jeweils mit einem Bit codiert. In der Einrichtung 124 ₁ zur digitalen Signalverarbeitung wird anschließend aus der Folge der einzelnen Bits in dem Signalprozessor 1240 die Bewe gungsrichtung der Fahrzeuge abgeleitet.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden außerdem der Anfang und das Ende der einzelnen Dopplerechos bestimmt, u. a. um aus der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und aus der Dauer des damit verbundenen Dopplerechos die Länge des Fahrzeugs abzuleiten.

Die Signaldauermessung basiert auf der Messung der Einhül lenden des Dopplersignals, wobei vorteilhaft in einem zeit lich sich verschiebenden Fenster der Betragsmittelwert des Dopplerechos bestimmt wird und dieser Wert jeweils mit einem ersten und zweiten Schwellenwert verglichen wird. Über schreitet der Wert zu einem Zeitpunkt erstmalig den ersten Schwellenwert, so wird damit der Beginn des Dopplerechos festgelegt bzw. definiert; unterschreitet der Wert zu einem späteren Zeitpunkt den zweiten Schwellenwert, so wird damit das Ende des Dopplerechos festgelegt bzw. definiert. Zwischenzeitliche kurzzeitige Unterschreitungen des zweiten Schwellenwertes innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer Ta infolge ungünstiger Reflexionsbedingungen beim Fahrzeug (kein Reflexionsanteil in Richtung Sensor; vollständige Absorption der Radarstrahlung durch den Gegenstand usw.) werden in einer vorteilhaften Fortbildung des Ver fahrens nicht als Signalende gewertet. Besonders vorteilhaft ist es, die erlaubte Unterschreitungsdauer Ta an die bis dahin ermittelten mittleren Werte der Geschwindigkeit und/oder Signaldauer und/oder Signalamplitude anzupassen. Darüber hinaus kann die Höhe der Schwellenwerte an den jeweils vorherrschenden Rauschpegel angepaßt werden (beispielsweise Erhöhung der Schwellenwerte bei starkem Regen oder bei Schneefall), um die Zahl der Fehldetektionen zu verringern. Auch können die beiden Schwellenwerte in ihrer Höhe unterschiedlich gewählt werden. Anstelle des Betragsmittelwertes des Dopplerechos kann auch die in dem Fenster anfallende Energie als Bezugsgröße gewonnen werden.

Wie weiter oben bereits erwähnt, ist es möglich, aus Geschwindigkeit des Fahrzeugs und Signaldauer des damit verbundenen Dopplerechos gemäß der Gleichung

L = v.T (2)

die Länge des Fahrzeugs zu bestimmen, wobei L die Länge, v die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und T die Signaldauer des Dopplerechos D₁ ist. Dieses Ergebnis berücksichtigt allerdings nicht die endliche Ausdehnung des Radarflecks in Bewegungsrichtung des Fahrzeugs. Der tatsächlich vorliegende Radarfleck hängt u. a. von der Höhe des Fahrzeugs und von der Höhe der Schwellenwerte ab. Statistische Messungen an einer Vielzahl von Fahrzeugen führten zu einem Mittelwert von 80 cm, der sich im wesentlichen mit dem theoretischen Wert gemäß Fig. 4 deckt. Diese Radarfleckausdehnung (experimentell und/oder theoretisch bestimmt) wird in einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens bei der Bestimmung der Länge L und der Signaldauer T berücksichtigt.

Aufgrund der bisher bestimmten Werte (v, T, L) und weiterer In formationen (momentaner Rauschpegel, Signalenergie, stati stische Parameter zum bisherigen Signalverlauf) kann an schließend eine Klassifikation der Signale durchgeführt werden, um Fehldetektionen, z. B. infolge von starkem Regen oder Schneefall, auf ein Mindestmaß zu reduzieren.

Um in einem weiteren Schritt eine Unterscheidung zwischen LKW und PKW auf der Basis der Fahrzeuglänge und/oder Signal amplitude treffen zu können, ist es von Vorteil, die unter schiedlichen Installations- oder Anbringungshöhen der ein zelnen Radarsensoren mit Hilfe der Verstärker 122 ₁ in den Auswerteeinheiten 12 zu kompensieren und die Berechnungen auf der Basis einer normalisierten Installationshöhe durch zuführen.

Der schräge Einfall des Radarstrahlungsfeldes führt zu einem unerwünschten Abschattungseffekt bei den Fahrzeugen (ins besondere bei LKWs), der die tatsächliche Länge des Fahr zeugs verfälscht. Dieser Effekt kann in den Berechnungen durch einen Korrekturwert kompensiert werden, der zweckmäßi gerweise empirisch aus Messungen an einer möglichst großen Zahl von Fahrzeugen statistisch ermittelt wird und der vorteilhaft mit dem Korrekturwert für die endliche Ausdeh nung des Radarflecks zu einem gemeinsamen Korrekturwert zusammengefaßt wird.

Zur Verbesserung der Signalauswertung können beim verwendeten nichtlinearen Schätzverfahren die Eingangsdaten zusätz lich mit einer Fensterfunktion gewichtet werden, beispiels weise um die im mittleren Bereich des Fensters liegenden Stützpunkte gegenüber den am Rand liegenden Stützpunkten bei der Berechnung stärker zu berücksichtigen ("Windowing").

Im einzelnen nehmen die vier Signalprozessoren 1240-1243 in Fig. 6 folgende Aufgaben wahr:

a) Signalprozessor 1240:
- - Auswertung des Rauschpegels
- - Messung der Einhüllenden des Dopplerechos
- - Bestimmung der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs
b) Signalprozessor 1241:
- - Spektraltransformation des Dopplerechos
- - "Windowing" durch ein nichtlineares Schätzverfahren
c) Signalprozessor 1242:
- - spektrale Mittelung der durch die FFT Spektraltrans formation erhaltenen Frequenzspektren
- - Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit
- - Bestimmung der Fahrzeuglänge
- - Unterdrückung von Clutter infolge Regen und/oder Schnee
- - Kompensation der Abweichung des eingestellten Anstell winkels α vom optimalen Anstellwinkel (α = 53°)
d) Signalprozessor 1243:
- - Fahrzeugklassifizierung
- - mittlere Geschwindigkeit der Fahrzeuge
- - Testfunktionsgewinnung mit Auswertung des Selbsttests der Einrichtung zur digitalen Signalverarbeitung.

Die Verwendung eines Radarsensors beinhaltet folgende Vor teile gegenüber konventionellen Lösungen (Induktionsschlei fen etc.):

1. Installation ohne Arbeiten am Fahrbahnbelag (vgl. Schleifen) möglich;
2. höhere Lebensdauer, da keinerlei Abnutzung durch Verkehr;
3. mobile Verkehrsdatenerfassung möglich (Anbringung an Peitschenmasten bzw. Einstrahlung von der Fahrbahnseite usw.);
4. Einsatzmöglichkeit an Baustellen, insbesondere wenn im Zuge der Bauarbeiten die Fahrbahnbeläge zerstört bzw. die Fahrspuren verlegt werden müssen;
5. kein Abgleich im Betrieb ("Einmessen") bzw. keine spätere Nachjustierung erforderlich;
6. Erweiterbarkeit um die Kommunikation zum Fahrzeug.

Aus der vollständig digitalen Realisierung der Dopplersi gnal-Auswertung ergeben sich folgende Vorteile:

1. sehr hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Fahrzeug geschwindigkeit;
2. sichere Signalklassifikation durch Einbeziehung von Zeit-, Frequenz- und Amplitudenkriterien;
3. Reproduzierbarkeit der Ergebnisse;
4. keinerlei Justierungsarbeiten infolge Alterung oder Temperaturdrift und somit geringer Wartungsaufwand;
5. Einbeziehung von intelligenter Überwachungs- und Kon trollfunktionen;
6. einfache Anpassung an spezielle Anwendungen durch Modifikation der Abtastrate und Änderung von Auswerte- oder Ausgabeprogrammen; keine Hardware-, ggf. nur Softwareänderungen erforderlich,
7. Möglichkeit zur Übernahme von Steuerparametern oder Entscheidungskriterien der Übergeordneten Instanzen in die Auswertung.

Aus der gewählten und beschriebenen Systemkonfiguration, bestehend aus Radarsensor, Übertragungseinheit, digitaler Signalverarbeitungseinheit und Datenkollektor, ergeben sich weiterhin folgende Vorteile:

1. Einsetzbarkeit als autarkes System (mit lokalem Spei cher) oder als Teil eines Netzes;
2. große Entfernungen von der Streckenstation zum Anbrin gungsort des Sensors sind erlaubt, d. h. die Anzahl erforderlicher Streckenstationen mit Netzversorgung kann verringert werden;
3. Überwachung und Kontrolle aller Systemkomponenten vom Datenkollektor aus.

Es versteht sich, daß mit fachmännischem Können und Wissen die Erfindung aus- und weitergebildet sowie an die unter schiedlichen Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies hier an dieser Stelle näher erläutert werden müßte.

So ist es z. B. denkbar, mit anderen Signalprozessoren eine andere Signalprozessorkonfiguration zu schaffen, die die gleichen Aufgaben löst wie die in Fig. 6 gezeigte Konfigu ration.

Weiterhin ist es möglich, zur Unterdrückung von Clutter und/oder anderen Rauschsignalen in regelmäßigen Abständen Dopplerechos auszuwerten, die nicht aufgrund von Reflexionen an Fahrzeugen erzeugt worden sind, und die erhaltenen Fre quenzspektren von den Frequenzspektren zu subtrahieren, die aufgrund von Reflexionen an Fahrzeugen gewonnen worden sind.

Schließlich ist es denkbar, für gängige Fahrzeugtypen den zeitlichen Verlauf der zugehörigen Dopplerechos ("Pattern") in einem zusätzlichen Speicher der Einrichtung 124 ₁ zur digitalen Signalverarbeitung zu speichern und die gemessenen zeitlichen Verläufe der Dopplerechos mit diesen gespeicher ten Pattern zu vergleichen, um zum einen eine Fahrzeugtyp identifikation zu ermöglichen und um zum anderen die Zahl der Fehldetektionen infolge kurzzeitiger Einbrüche des Dopplerechos innerhalb der Signaldauer weiter zu vermindern.

Claims

1. Verfahren zur lokalen Verkehrsdatenerfassung und -aus wertung mittels einer Vorrichtung, welche einen Radarsen sor, eine Übertragungseinrichtung und eine Auswerteeinheit enthält, wobei der Radarsensor und die Auswerteeinheit über die Übertragungseinrichtung miteinander verbunden sind, und wobei der Radarsensor ein kontinuierliches Signal kon stanter Frequenz und Amplitude unter einem festen ver tikalen Anstellwinkel α aussendet und, sobald ein sich bewegendes Objekt den Radarstrahl mit einer Ge schwindigkeitskomponente in Strahlrichtung passiert, einen Teil des am Objekt reflektierten und aufgrund des Doppler effektes frequenzverschobenen Signals empfängt und durch Mischung der beiden Signale ein erstes Ausgangssignal mit der Differenzfrequenz erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit ein vorgeschaltetes Tiefpaßfilter zur Vermeidung von spektralen Überfaltungen, einen Analog/Digital-Wandler und eine nachgeschaltete Einrichtung zur digitalen Signalverar beitung enthält, daß in der Einrichtung zur digitalen Signal verarbeitung (124 ₁) der Betragsmittelwert des ersten Ausgangs signals (D₁) in einem zeitlich sich verschiebenden Fenster be stimmt wird und dieser Betragsmittelwert jeweils mit einem vor gegebenen ersten und zweiten Schwellenwert verglichen wird und daß ein erstmaliges Überschreiten des ersten Schwellenwertes durch den Betragsmittelwert als Beginn des ersten Ausgangssi gnals (D₁) und ein nachfolgendes Unterschreiten des zweiten Schwellenwertes durch den Betragsmittelwert als Ende des ersten Ausgangssignals (D₁) festgelegt wird, daß anschließend das Fre quenzspektrum des ersten Ausgangssignals (D₁) durch direkte Spektraltransformation des Ausgangssignals (D₁) oder durch Auto- oder Relaiskorrelation des Ausgangssignals (D₁) und sich daran anschließender Spektraltransformation gebildet wird und anschließend in diesem Spektrum die Frequenz mit maximaler Amplitude bestimmt wird und aus dieser Frequenz die Geschwin digkeit des Objektes abgeleitet wird, und daß die Spektral transformation mit einem nichtlinearen Schätzverfahren durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schätzverfahren auf einem AR- oder ARMA-Modell basiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ein- oder mehrmaliges kurzzeitiges Unterschreiten des zweiten Schwellenwertes durch den Betragsmittelwert inner halb einer vorgegebenen Zeitdauer Ta bei der Festlegung des Endes des ersten Ausgangssignals (D₁) nicht berücksichtigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erlaubte Unterschreitungszeitdauer Ta an die bis dahin ermittelten mittleren Werte der Geschwindigkeit und/oder Signaldauer und/oder Signalamplitude angepaßt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der beiden Schwellenwerte an den jeweils vorherrschenden mittleren Rauschpegel angepaßt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwellenwerte in ihrer Höhe unterschiedlich gewählt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im sensorseitigen Teil der Übertragungseinrichtung dem ersten Ausgangssignal (D₁) ein Pilotton überlagert wird, sofern der Rauschpegel am Sensor ausgang einen bestimmten dritten Schwellenwert überschrei tet, und im auswerteeinheitsseitlichen Teil der Übertra gungseinrichtung die Anwesenheit des Pilottons überprüft wird und das Ergebnis dieser Prüfung an die Auswerteeinheit weitergeleitet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn zeichnet durch die Anwendung in einem regionalen, nationalen oder multinationalen Verkehrserfassungs- und/oder -leit system (2-9) oder in einem autonomen, lokalen Verkehrser fassungs- und/oder -leitsystem.