DE102005030296A1 - Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit eines Dopplerradarsensors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit eines Dopplerradarsensors mit einer Mikrowellentransceiverantenne zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit über Grund, bei dem vorgesehen ist, dass die Mikrowellentransceiverantenne derart gedreht und/oder gekippt wird, dass die bestrahlte Untergrundfläche eine lang gestreckte Ellipse ist, die im Wesentlichen zwischen zwei genauigkeitsbegrenzenden Isodopplerlinien liegt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit eines Dopplerradarsensors mit einer Mikrowellentransceiverantenne zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit über Grund.
• Bei der Radar-Geschwindigkeitsmessung auf Grundlage des Dopplereffektes wird die geschwindigkeitsproportionale Frequenzverschiebung der empfangenen Mikrowelle gegenüber der abgestrahlten ausgewertet. Wird schräg zum Untergrund abgestrahlt, geht der Abstrahlwinkel mit in die Berechnung ein. Da immer eine endlich kleine Fläche des Untergrundes bestrahlt werden muss, tragen verschiedene Winkelanteile zum Gesamtsignal bei. Die Auswertung des entstehenden Frequenzgemisches ist derart abweichungsbehaftet, dass eine große Bandbreite auch zu hohen Messabweichungen führt. Deswegen wird versucht, die bestrahlte Fläche in Bewegungsrichtung möglichst schmal zu halten. Dafür sind bisher kostenintensive Antennen mit einer großen Apertur notwendig. Weiterhin wird für hochgenaue Messungen eine flache Abstrahlung zur Verringerung der winkel- und untergrundabhängigen Abweichungen angestrebt. Hierbei treten bei dem üblichen elliptischen Bestrahlungsflächen auf dem Untergrund zusätzliche Effekte auf, welche die erreichbare Bandbreitenminimierung begrenzen. Trotz teurer Antennentechnik bleibt der genauigkeitssteigernde Effekt beschränkt. Der in Fahrtrichtung schmale bestrahlte Streifen des Untergrundes führt einerseits zu geringen Korrelationslängen innerhalb der Signalanteile einzelner Streukörper und damit wiederum zu Messunsicherheiten, andererseits ist der Bestrahlungsstreifen bei hohen Genauigkeitsansprüchen bisher nicht größer als die üblichen Strukturen im Fahrweg oder Gleisbett, z. B. Schwelle oder Metallgehäuse. So kommt es infolge hoher Intensitätsschwankungen zu Verfügbarkeitseinschränkungen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit eines Dopplerradarsensors zur Fahrzeuggeschwindigkeitsmessung anzugeben.
• Die Genauigkeit von Messverfahren auf Grundlage des Geschwindigkeitsdopplereffektes wird maßgeblich durch die relative spektrale Bandbreite des entstehenden Frequenzgemisches bestimmt. Diese relative Bandbreite entspricht einem geschwindigkeitsunabhängigen Bereich zwischen zwei gedachten Isodopplerlinien auf dem Untergrund. Aus der Genauigkeitsangabe lassen sich diese Linien ableiten.
• Die bestrahlte Untergrundfläche wird erfindungsgemäß aus der Fahrtrichtung heraus gedreht und gezielt an die Isodopplergewichtung des bestrahlten Untergrundes angepasst. Dadurch passt eine wesentlich größere Bestrahlungsfläche zwischen zwei genauigkeitsbegrenzenden Isodopplerlinien. So werden mehr Streukörper erfasst und die statistische Zuverlässigkeit steigt. Die Korrelationslänge der Signalanteile eines Streukörpers beim Durchqueren der Bestrahlungsfläche vergrößert sich, wodurch sich die mögliche Genauigkeit erhöht.
• Durch die Verkippung der Antennenhauptstrahlrichtung gegenüber der Fahrtrichtung treten kaum noch spiegelnde Reflexe an metallischen Objekten im Fahrweg bzw. Gleisbett auf, da diese meist senkrecht bzw. parallel zur Fahrtrichtung ausgerichtet sind. Extreme Intensitätsschwankungen des Doppelsignals werden somit vermieden.
• Die Erfassungslänge parallel zur Fahrtrichtung, aus der gleichzeitig Signalanteile erfasst werden, ist größer als die Gleisschwellen. Somit verringert sich die daraus folgende genauigkeits- und verfügbarkeitsbeschränkende Intensitätsmodulation der Dopplersignale. Einfachere Auswerteverfahren können erfolgreich eingesetzt werden.
• Die Apertur, d. h. die Antennenbreite in die weniger bündelnde Abstrahlrichtung kann gegenüber bisherigen Einsatzvarianten ohne Einbußen weiter gesenkt werden. Damit verringert sich die notwendige Fläche an teurem Hochfrequenzleiterplattenmaterial, welches die Antennenkosten bestimmt.
• Die senkrechte Bauhöhe des Sensors verringert sich stark. Somit können auch kritische Einbauplätze, z. B. unter dem ICE, durch entsprechende Applikationen abgedeckt werden. Eine insgesamt kompaktere Sensorbauform mit kleinerem Gehäuse wird möglich.
• Durch die kleinere Antennenprojektionsfläche in Fahrtrichtung und den sehr spitzen Winkel der Antennefläche gegenüber der anströmenden Luft, insbesondere bei Regen, Schnee und verschmutztem Spritzwasser wird der entsprechende Sensor unempfindlicher gegenüber Verschmutzung und Witterungseinflüssen.
• Die sich an die Antenneneigenschaften ergebenden Forderungen aus Einbaubedingungen, Fahrbahnbedingungen, Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsansprüchen, Sensorabmessungen, Verschmutzungsbeständigkeit und Randbedingungen des Frequenzauswerteverfahrens werden gemeinsam betrachtet. Anhand eines Isodopplerdiagrammes – Isodopenfeldes – können diese Eigenschaften in Interaktion optimiert werden. Die dadurch realisierte Nutzung sämtlicher Freiheitsgrade der Antennendimensionierung und -ausrichtung führt ohne einschränkende Nebenbedingungen zu einer Optimaljustierung, nämlich starke Bündelung in Querrichtung, welche sich fast orthogonal von der gebräuchlichen Ausrichtung der Antenne, nämlich starke Bündelung in Fahrtrichtung, unterscheidet.
• Dabei können auch kostengünstige Standard-Mikrowellentransceiverantennen verwendet werden.
• Die Erfindung ist in den Patentansprüchen näher gekennzeichnet und wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 schematisch den Beitrag eines Streukörpers zum Dopplerspektrum,
• 2 eine typische Isodopplerstruktur und Beleuchtungsflächen verschieden ausgerichteter Antennen und
• 3 eine Isodopplerstruktur zur Veranschaulichung der Vorgehensweise bei der Optimierung der Antennenausrichtung.
• Die folgenden Betrachtungen orientieren sich an einer Modellvorstellung. Ausgegangen wird hierbei von Linien auf dem Untergrund, auf denen Streukörper liegen, welche die gleiche Frequenz zum Dopplerspektrum beitragen. Diese Linien werden Isodopplerlinien genannt. Da hier nur relative Eigenschaften, wie die relative Bandbreite des Dopplerfrequenzgemisches betrachtet werden, ist die Isodopplerstruktur geschwindigkeitsinvariabel. Zum besseren Verständnis wird im Folgenden von einer gleichförmigen Bewegung ausgegangen.
• Das Dopplerspektrum ergibt sich aus den in Amplitude und Frequenz gewichteten Leistungsanteilen aller durch die Antenne angestrahlten Streukörper. Die Frequenz, die der einzelne Streukörper zum Gesamtspektrum liefert, ist dabei von dem Winkel zwischen der Geschwindigkeitskomponente in Fahrtrich tung und der Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Streukörpers abhängig.
• Werden auf dem Untergrund die Streukörper markiert, welche die gleiche Frequenz im Spektrum bewirken, so ergeben sich hyperbelförmige Isodopplerlinien.
• Ausgehend davon, dass eine gleichbleibende Frequenz einem gleichbleibenden Winkel α entspricht, ergibt sich die mathematische Darstellung der Isodopplerlinien.
• Auf der betrachteten x,y-Ebene lässt sich gemäß 2 weiterhin die Beleuchtungsfläche der Antenne abbilden. Die Lage der Beleuchtungsfläche in der Isodopplerstruktur erlaubt Abschätzungen zum Dopplerspektrum.
• Jede der Isodopplerlinien in 2 stellt eine Frequenz im Spektrum dar. Anhand der räumlichen Lage der Beleuchtungsfläche zu einzelnen Linien kann also abgeschätzt werden, welche Frequenzen im Spektrum den größten Anteil besitzen. Die Abbildung zeigt weiterhin, wie sich verschiedene Konfigurationen des Sensors auf den Footprint im Diagramm auswirken. Ein Kippen um die Längsachse bewirkt eine Parallelverschiebung des Footprints. Ein Drehen des gesamten Sensors bewirkt ein Verschieben des Footprints entlang einer Kreisbahn. Kombinationen aus beiden Möglichkeiten erlauben nun ein zielgenaues Positionieren des Footprints der Antenne in Bereiche, die ein sehr schmales Dopplerspektrum sicherstellen.
• 2 zeigt hierfür ein Beispiel. Das Antennenmodul wird hierzu fast waagerecht an die Sensorfront montiert. Dies ist entgegen der allgemein üblichen Ausrichtung. Jede der Isodopplerlinien in 2 stellt eine Frequenz im Spektrum dar. Anhand der räumlichen Lage der Beleuchtungsfläche zu einzelnen Linien kann also abgeschätzt werden, welche Frequenzen im Spektrum den größten Anteil besitzen. Vorteil dieser Anpassung ist weiterhin die relativ einfache Realisierbarkeit. Durch Drehen und Kippen des Moduls an der Sensorfront kann der Beleuchtungsfleck der Antenne auf eine beliebige Stelle des Untergrundes positioniert werden. Diese Anordnung kann aus den zugrundeliegenden Winkelbeziehungen errechnet und so praktisch realisiert werden.
• Nachfolgend wird die Vorgehensweise bei noch zu konstruierender optimaler Antenne unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
• Zunächst wird ein idealer Nickwinkel aus den Einbauverhältnissen und korrespondierend mit dem Frequenzauswerteverfahren festgelegt. Daraus ergeben sich die Basisisodope des Isodopenfeldes. Entsprechend der Fahrbahngegebenheiten wird eine möglichst lang gestreckte elliptische Fläche zwischen dem sich aus den Genauigkeitsansprüchen ergebenden Isodopenpaar im Diagramm platziert. Anhand der Korrelationslängenansprüche des Auswerteverfahrens wird gegebenenfalls die Ellipse korrigiert. Die lange Symmetrieachse der Ellipse zur Antennenposition wird parallel verschoben. Daraus ergibt sich zusammen mit der angestrebten Höhe h (1) über dem Untergrund der Kippwinkel. Die Schwerpunktentfernung der parallel verschobenen Ellipse zur Antennenposition ergibt zusammen mit der angestrebten Höhe h (1) über dem Untergrund den Drehwinkel. Mit den Werten von Dreh- und Kippwinkel kann die Bestrahlungsellipse auf eine zur Antennefläche parallele Fläche im Bestrahlungsellipsenschwerpunkt projiziert werden. So ist mit bekannten Verfahren über die gewünschte Abstrahlcharakteristik die Antenne berechenbar.
• Bei vorhandener Antenne müssen Kompromisse hinsichtlich der Einbauverhältnisse, der Ansprüche des Auswerteverfahrens, und der Genauigkeitsansprüche getroffen werden. Gegebenfalls müssen einige der aufgeführten Schritte mehrmals durchlaufen werden und die einzelnen Ansprüche dabei neu gewichtet werden.
• Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend genannte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit eines Dopplerradarsensors mit einer Mikrowellentransceiverantenne zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit über Grund, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellentransceiverantenne derart gedreht und/oder gekippt wird, dass die bestrahlte Untergrundfläche eine lang gestreckte Ellipse ist, die im Wesentlichen zwischen zwei Isodopplerlinien liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptstrahlrichtung der Mikrowellentransceiverantenne gegenüber der Fahrzeugbewegungsrichtung verkippt und/oder der die Mikrowellentransceiverantenne selbst in ihrer Montageebene gedreht wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau und die Abmessung der Mikrowellentransceiverantenne als gegeben angesehen werden und durch Verkippung und Verdrehung der Mikrowellentransceiverantenne die Anpassung an die angestrebten Eigenschaften des Dopplerspektrums erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Wahl der Verkippung die Möglichkeit der spiegelnden Reflektion an metallischen Objekten im Fahrweg und damit die Dynamik des auszuwertenden Doppelerspektrums minimiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der Frequenzmerkmale im Dopplerspektrum der Neigungswinkel der Hauptstrahlrichtung gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verkippung der Mikrowellentransceiverantenne zur Minimierung der Störungen durch sich anhaftenden Schmutz und Schnee genutzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dimensionierung der Verkippung und Verdrehung die mathematisch-physikalische Hilfskonstruktion eines Isodopplerlinienfeldes genutzt wird, in dem die von der Mikrowellentransceiverantenne bestrahlte Untergrundfläche beurteilt und angepasst wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der angestrebten Sensorgenauigkeit die maximale spektrale Bandbreite des Dopplerspektrums und daraus die Lage der die bestrahlte Untergrundfläche der endgültig justierten Mikrowellentransceiverantenne begrenzenden Isodopplerlinien abgeleitet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellentransceiverantenne derart verkippt und verdreht wird, dass ihre bestrahlte Untergrundfläche zwischen den beiden begrenzenden Isodopplerlinien liegt und gleichzeitig die weiteren Randbedingungen der Montage, insbesondere die Höhe der Sensorkonstruktion und/oder die minimale Breite des Fahrweges, berücksichtigt werden.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Standard-Mikrowellentransceiverantenne verwendet wird.