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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Abdeckung einer Sensoreinheit eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, hinsichtlich Verschmutzungen. Sie betrifft weiter eine danach betriebene Sensoreinheit. Unter Sensoreinheit wird hierbei insbesondere ein auf elektromagnetischer Strahlung beruhender Dopplerradarsensor verstanden.
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Dopplerradarsensoren werden beispielsweise zur Fahrzeuggeschwindigkeitserfassung verwendet, indem Radarwellen einer bestimmten Frequenz von zumindest einer Antennenanordnung versendet und von einem Objekt zurück zur Antennenanordnung reflektiert werden. Das reflektierte Echo hat aufgrund des Doppler-Effekts eine geschwindigkeitsproportionale Frequenzverschiebung. Durch Auswertung dieser Frequenzverschiebung ist es möglich, die relative Geschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug und dem Objekt zu bestimmen. Derartige Dopplerradarsensoren werden beispielsweise zur Geschwindigkeitsmessung von Schienenfahrzeugen angewendet, wobei die Antennenanordnung zweckmäßigerweise an der Fahrzeugunterseite angeordnet ist und Radarwellen in Richtung des Untergrunds versendet werden. Zum Schutz vor Verschmutzungen oder Beschädigungen der Antennenanordnung ist typischerweise ein Mikrowellenfenster beziehungsweise Radom aus einem radartransparenten Material als schützende Abdeckung vor der Antennenanordnung angeordnet.
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Die Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Genauigkeit von Dopplerradarsensoren sind prinzipbedingt von der Durchstrahlbarkeit des Radoms abhängig. Durch widrige Umweltbedingungen können Verschmutzungen auf der dem Untergrund zugewandten Außenseite auftreten, die die Funktion des Dopplerradarsensors nachteilig beeinflussen. Unter Verschmutzung sind allgemein Anhaftungen auf der Radomaußenseite zu verstehen, die die Transmission von Radarwellen beeinflussen, beispielsweise Eis, Schnee, ein auftragender Wasserfilm oder Staub.
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Bei Dopplerradarsensoren tritt das Problem auf, dass das nach unten geneigte Radom Umweltbelastungen, insbesondere Witterungseinflüssen, ausgesetzt ist, welche durch Dämpfung der Radarstrahlen zum Ausfall des Dopplerradarsensors führen können. Besonders ausgeprägt tritt dieser Effekt bei verschneiten oder vereisten Sensorflächen auf. Bei Ausfall des Dopplerradarsensors muss auf ein zweites, üblicherweise odometrisches Messverfahren zurückgegriffen werden, welches einen größeren Messfehler als der Dopplerradarsensor aufweist. Die Reinigung des Radoms erfolgt üblicherweise manuell, was im laufenden Fahrzeugbetrieb nicht durchführbar ist, so dass bei widrigen Witterungsverhältnissen lange Ausfallzeiten des Dopplerradarsensors in Kauf genommen werden müssen.
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Bisher ist keine zufriedenstellende Methode bekannt, die die Veränderung der Strahlcharakteristik der Antennenanordnung aufgrund von Radomverschmutzungen erkennt, um diese bei der Geschwindigkeitsberechnung beziehungsweise Statussignalisierung des Dopplerradarsensors zu berücksichtigen.
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Zwar könnte durch geeignete Auswertung der erfassten Dopplersignale, z. B. der Signalamplituden oder der Signal-Rausch-Abstände, der Radomzustand erfasst werden. Diese Methode bietet jedoch lediglich eine sehr ungenaue Einschätzung des Radomzustands, da Fehlinterpretationen in typischen Fahrsituationen nicht auszuschließen sind. Daher führt diese Methode grundsätzlich zu einer starken Verringerung der Verfügbarkeit des Dopplerradarsensors.
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Auch ist eine Erweiterung der Antennenanordnung mit Richtkoppelelementen denkbar, welche die Trennung von zur Antennenanordnung hinlaufenden und von der Antennenanordnung zurücklaufenden Signalkomponenten ermöglichen. Dadurch sind Aussagen zur Anpassung der Antennenanordnung ermöglicht. Diese Methode ist allerdings sowohl technisch sehr aufwendig als auch kostenintensiv und daher impraktikabel.
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Die Auswertung des DC-Anteils (Direct Current Anteils) im Dopplersignal ist prinzipiell ein Indiz für den statischen Anteil der Reflexionen. Die Größe oder Höhe des DC-Anteils ist jedoch stark von der Phasenbeziehung zwischen Sende- und Empfangssignal abhängig. Typischerweise ist die Antennenanordnung unter einem Winkel zum Untergrund gerichtet, wodurch die Phasenbeziehung aufgrund des großen Bereichs der schrägen Durchstrahlung nicht konstant ist.
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Mit den obengenannten Methoden ist es weiterhin nicht möglich, eine durch Verschmutzung des Radoms ausgelöste Verfälschung eines Mittenstrahlwinkels der Antennenanordnung zu detektieren, da die Merkmale der Dopplersignale sowie die Anpassung der Antennen nicht notwendigerweise verändert werden.
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Es wurde auch bereits versucht, das Verschmutzungsproblem durch Druckluft oder Beheizung des Radoms zu lösen, um dieses zumindest von Schnee und Eis freizuhalten. Diese Maßnahmen sind jedoch sehr kostenintensiv, energieaufwändig, wartungsaufwendig sowie ausfallgefährdet und erfordern zudem zum Teil erhebliche zusätzliche Veränderungen an den Fahrzeugen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der oben genannten Nachteile ein besonders geeignetes Verfahren zur Überwachung einer Abdeckung einer Sensoreinheit zum Zwecke der Erfassung von Verschmutzungen anzugeben. Des Weiteren soll eine nach diesem Verfahren betriebene Sensoreinheit bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Sensoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Verfahrensgemäß ist vorgesehen, zur Überwachung einer Abdeckung einer Sensoreinheit mindestens zwei benachbarte Antennenanordnungen vorzusehen und ein von einer der Antennenanordnungen versendetes erstes Funksignal zumindest teilweise an der Abdeckung zur zweiten Antennenanordnung hin zu reflektieren, wobei anhand des von der zweiten Antennenanordnung detektierten, reflektierten ersten Funksignals (Reflektionssignal) automatisch Verschmutzungen auf der Abdeckungsoberfläche erfasst werden.
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Die Sensoreinheit ist insbesondere ein Dopplerradarsensor zur Geschwindigkeitsmessung für ein Fahrzeug, vorzugsweise für ein Schienenfahrzeug. Die Sensoreinheit umfasst eine Steuereinheit, welche schaltungs- und/oder programmiertechnisch dazu eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen. Die Steuereinheit beaufschlagt einerseits die Antennenanordnungen mit einem Radarsignal als Funksignal und erfasst andererseits die reflektierten Signal-Amplituden, nachfolgend auch als Messsignal bezeichnet, zur Detektion von Verschmutzungen.
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Verschmutzungen beeinflussen die Durchstrahlbarkeit der Abdeckung, wodurch sich die Strahlungscharakteristik des reflektierten ersten Funksignals verändert. Durch die Erfassung des an der Abdeckung reflektierten ersten Funksignals ist somit eine Erfassung von Verschmutzungen auf der Abdeckungsoberfläche vorteilhaft und einfach ermöglicht. Dadurch ist die Verfügbarkeit der Sensoreinheit auch unter ungünstigen Witterungsverhältnissen erhöht, da die Signalauswertung der Steuereinheit optimal an die physikalischen Gegebenheiten angepasst werden kann.
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Weiterhin wird somit die Genauigkeit der Sensoreinheit unter ungünstigen Witterungsverhältnissen erhöht, da anhand der Kenntnis über die Beschaffenheit der Abdeckungsoberfläche auf die Verfälschung von Dopplersignalen geschlossen und damit die ermittelte Geschwindigkeit der Sensoreinheit korrigiert werden kann. Dadurch wird die Selbsteinschätzung der Sensoreinheit erheblich in deren Aussagekraft gesteigert, was sich direkt positiv auf den Sicherheitsanspruch und den Sicherheitsnachweise eines übergeordneten Fahrzeugsteuersystems auswirkt.
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Unter Verschmutzungen sind allgemein Anhaftungen auf der Abdeckungsoberfläche zu verstehen, die die Transmission des ersten Funksignals beeinflussen, wie beispielsweise Eis, Schnee, ein Wasserfilm oder Staub.
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Die Steuereinheit ist in einer zweckmäßigen Ausführungsform zumindest im Wesentlichen durch einen Mikrocontroller gebildet, in dem ein das Verfahren automatisch durchführendes Steuerprogramm implementiert ist. Die Steuereinheit kann alternativ aber auch zum Beispiel durch einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) gebildet sein.
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In der bevorzugten Einbausituation ist die Sensoreinheit an einem Unterboden des Schienenfahrzeugs angeordnet, wobei die Antennenanordnungen insbesondere zum Untergrund hin gerichtet sind. Die Antennenanordnungen sind in einer bevorzugten Ausführungsform als Transceivermodule ausgebildet, deren Abstrahlrichtung unter jeweils einem Winkel – beispielsweise 15° und 45° – gegen den Untergrund geneigt sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Antennenanordnungen insbesondere derart orientiert sind, dass eine Übertragungsstrecke zwischen diesen Antennenanordnungen aufgebaut wird, welche über die (den Antennenanordnungen zugewandte) Abdeckungsoberfläche verläuft und somit eine Einschätzung der Verschmutzung der Abdeckung erlaubt. Dadurch wird im Wesentlichen ein Übersprechen zwischen den beiden Antennenanordnungen bereitgestellt.
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Das Verfahren ist jedoch ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch auf beliebig viele und beliebig angeordnete Antennenanordnungen anwendbar, die paarweise oder in Gruppen signaltechnisch gekoppelt sind. Die weitere Beschreibung bezieht sich beispielhaft auf die Ausführungsform mit einer paarweisen Kopplung.
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Im Betrieb der Sensoreinheit wird die erste Antennenanordnung von der Steuereinheit kontinuierlich mit dem ersten Funksignal beaufschlagt. Das Funksignal ist insbesondere ein Radarsignal mit einer Wellenlänge im Zentimeter- oder Millimeter-Bereich. Die Abdeckung ist vorzugsweise als ein Radom aus einem radartransparenten Material ausgeführt. Der durch die Abdeckung transmittierte Anteil des ersten Funksignals trifft auf den Untergrund, und wird als ein Echosignal zurück zur Sensoreinheit reflektiert. Das Echosignal wird von einer oder beiden Antennenanordnungen empfangen und zur Auswertung der Fahrzeuggeschwindigkeit an die Steuereinheit versendet.
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Die detektierte Frequenz des Echosignals weist aufgrund des Doppler-Effekts einen geschwindigkeitsproportionalen Frequenzunterschied auf. Im Nachfolgenden ist unter Dopplersignal insbesondere eine Differenzbildung zwischen dem ersten Funksignal und dem detektierten Echosignal bezeichnet, anhand dessen die Fahrzeuggeschwindigkeit von der Steuereinheit ermittelt wird.
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Im Betrieb führt die Steuereinheit somit einerseits kontinuierlich die bekannte Dopplerauswertung und andererseits eine Auswertung des zwischen den Antennenanordnungen reflektierten ersten Funksignals durch. Aus der Differenz zwischen dem emittierten und reflektierten ersten Funksignal ist die Steuereinheit dazu geeignet und eingerichtet, die an der Abdeckung reflektierten und transmittierten Anteile des ersten Funksignals zu erfassen. Anhand der erfassten Differenz ist indirekt die Richtcharakteristik der Antennenanordnung beziehungsweise die Dämpfung an der Abdeckung erfassbar. Partielle oder flächige Verschmutzungen von beispielsweise Eis und/oder Schnee bewirken eine Veränderung im Amplituden- und Phasenverlauf und können somit detektiert werden. Zweckmäßigerweise sind hierzu Vergleichsverläufe für eine saubere Abdeckungsoberfläche in einem Speicher der Steuereinheit hinterlegt, anhand derer ein Verschmutzungsmaß der Abdeckungsoberfläche beispielsweise mittels eines Schwellwertvergleiches bestimmbar ist.
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Ein Funktionsblock einer typischen Steuereinheit umfasst bei einem herkömmlichen Dopplerradarsensor die Vorgabe und Stabilisierung einer Arbeitsfrequenz der Antennenanordnungen, sowie die gegebenenfalls notwendige Kanalumschaltung zwischen den Antennenanordnungen. Diese Funktionalität wird verfahrensgemäß dahingehend erweitert, dass die Arbeitsfrequenz der Antennenanordnungen derart vorgegeben wird, dass eine Übertragung zwischen den Antennenanordnungen in den für die Dopplerauswertung vorgegebenen Frequenzbändern stattfinden kann.
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Die Realisierung nutzt somit die bereits in herkömmlichen Dopplerradarsensoren vorhandenen elektronischen Bauteile. Es wird lediglich der Steuer-/Regelalgorithmus für die Arbeitsfrequenz der Frequenzstabilisierung der Sensoreinheit angepasst. Dadurch sind bereits eingebaute Dopplerradarsensoren kostengünstig mittels eines Softwareupdates zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nachrüstbar. Gegenüber anderen, meist lokalen Detektionsmöglichkeiten, wie beispielsweise kapazitive Näherungssensoren, ist die Abdeckung somit vergleichsweise großflächiger überwachbar.
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Unter einer Antennenanordnung ist insbesondere eine signaltechnisch gekoppelte Sender- und Empfängerkombination zu verstehen, die bevorzugterweise insbesondere als ein Transceivermodul ausgeführt ist. Unter der Arbeitsfrequenz der Antennenanordnung oder des Transceivermoduls ist somit insbesondere die Arbeitsfrequenz eines Senders- und/oder des Empfangsmischers zu verstehen. Für Dopplerauswertungen sind die Arbeitsfrequenzen des Transceivermoduls beziehungsweise der Antennenanordnung im Wesentlichen identisch, weil als Mischsignal empfangsseitig direkt die (spektrale) Differenz zur Sendefrequenz des ersten Funksignals für die Auswertung herangezogen wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Antennenanordnungen mit Arbeitsfrequenzen betrieben die weniger als 100 kHz voneinander abweichen. Dadurch ist sichergestellt, dass das erste Funksignal der ersten Antennenanordnung im empfangenen reflektierten Funksignal der zweiten Antennenanordnung enthalten ist.
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Das empfangene reflektierte Funksignal enthält typischerweise weitere Signalanteile, welche nicht zur Dopplerauswertung oder Zustandsbestimmung der Abdeckung genutzt werden. Diese Signalanteile werden vorzugsweise mittels eines Tiefpassfilters abgetrennt. Nach dem Tiefpassfilter ist zweckmäßigerweise ein Analog-Digital-Wandler für die weitere digitale Signalverarbeitung der Steuereinheit vorgesehen. Die maximale Abweichung der Arbeitsfrequenzen hängt somit sowohl von den Anforderungen der Signalverarbeitung, wie beispielsweise der maximal auswertbaren Geschwindigkeit, der verfügbaren Hardware sowie der verwendeten Sendefrequenz ab. Bei einer typischen Sendefrequenz von etwa 24GHz und auswertbaren Fahrzeuggeschwindigkeiten bis 500km/h beträgt diese Abweichung zwischen 40kHz und 100kHz.
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In einer geeigneten Weiterbildungsform sind die Arbeitsfrequenzen vorzugsweise im Wesentlichen identisch, so dass sichergestellt ist, dass hierbei keine Beeinflussung des Dopplersignals auftritt. Für die grundsätzliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinheit ist in der Steuereinheit keine direkte informationstechnische Kopplung in Form einer analogen oder digitalen Signalleitung zwischen einer Sendesteuerung und einer Signalverarbeitung der Steuereinheit notwendig.
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In einer alternativen Weiterbildungsform ist es beispielsweise ebenso denkbar, dass die Arbeitsfrequenzen einen definierten Abstand von wenigen kHz, beispielsweise weniger als 100kHz, zueinander aufweisen. Dadurch wird die regelungsbedingte relative Schwankungsbreite der Differenzfrequenz geringer und für die Signalverarbeitung einfacher von dem Dopplersignal unterscheidbar.
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In einer weiteren alternativen Weiterbildungsform wird eine informationstechnische Verbindung zwischen der Sendesteuerung und der Signalverarbeitung genutzt. Hierbei erfolgt die Trennung des Dopplersignals vom Messsignal durch die Vorgabe und Regelung eines definierten Abstandes (von wenigen kHz) zu einem Schätzwert der Dopplerfrequenz. Dadurch ist das Messsignal spektral fernab des Dopplersignals, so dass eine Überlagerung von Messsignal und Dopplersignal ausgeschlossen ist. Der Schätzwert kann beispielsweise anhand anderer odometrischer Messsensoren des Fahrzeugs geschätzt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Arbeitsfrequenz der ersten Antennenanordnung derart geregelt, dass jene mit einer Detektionsfrequenz der zweiten Antennenanordnung übereinstimmt.
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In einer typischen Ausgestaltungsform ist in der Steuereinheit ein Regelkreis implementiert, welcher die sendende erste Antennenanordnung in der Frequenz derart nachführt, dass deren Funksignal in der empfangenden zweiten Antennenanordnung bei einer gewünschten Frequenz, beispielsweise einer Pilotfrequenz, auftritt. Diese Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft bei Antennenanordnungen, deren Arbeitsfrequenz nicht von einer gemeinsamen Referenz abgeleitet werden können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wird das erste Funksignal in zeitlichen Abständen mit einem Mischsignal moduliert. In einer vorteilhaften Ausführung wird für das Mischsignal insbesondere eine von der Arbeitsfrequenz der Antennenanordnung verschiedene Signalfrequenz verwendet. Dadurch wird sichergestellt, dass die Steuereinheit im Betrieb das Messsignal vom Dopplersignal unterscheiden kann.
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In einer geeigneten Ausführungsform wird eine informationstechnische Verbindung zwischen der Sendesteuerung und der Signalverarbeitung genutzt. Hierbei erfolgt die Trennung des Dopplersignals vom Messsignal durch die Nutzung eines Pilotfrequenzbandes. Die Arbeitsfrequenzen der Antennenanordnungen werden dabei derart eingestellt, dass die Bestimmung der Übertragungsfunktion in einem Pilotfrequenzband erfolgt, welches fern ab von der zu erwartenden Dopplerfrequenz liegt.
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Die Mischsignale sind bevorzugterweise insbesondere niederfrequente Signale, welche auf das versendete Funksignal aufmoduliert werden. Selbst mit vergleichsweise einfachen Modulationsarten, wie beispielsweise Amplitudenmodulation, kann so das Dopplersignal in einfacher Weise mittels der Steuereinheit vom Messsignal getrennt werden. Hierbei wird der tatsächliche Umstand genutzt, dass das am Untergrund reflektierte Echosignal eine Beeinflussung durch den Dopplereffekt erfährt, während das über die Abdeckung reflektierte erste Funksignal frei von derartigen Beeinflussungen ist.
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In einer geeigneten Weiterbildungsform führt die Steuereinheit eigenständig einen Frequenzhub (zum Beispiel in Sägezahn- oder Dreieckform) als Mischsignal aus. Durch das „Vorbeilaufen“ des Trägers der sendenden ersten Antennenanordnung an dem Träger der empfangenden zweiten Antennenanordnung ergeben sich komplexe Spektren mit zuerst negativen und dann positiven Frequenzanteilen (durchlaufendes Empfangssignal). Hierdurch ist eine Trennung von Messsignal und Dopplersignal möglich. Diese Weiterbildungsform hat den Vorteil, dass keine Synchronisierung der Arbeitsfrequenzen der Antennenanordnungen notwendig ist.
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In einer bevorzugten Ausführung wird zur Erfassung von Verschmutzungen ein Verschmutzungsgrad anhand einer Übertragungsfunktion berechnet. Insbesondere wird die Übertragungsfunktion in einer geeigneten Weiterbildung aus einem definierten Abstand zwischen den Antennenanordnungen und der Abdeckung bestimmt. Unter Verschmutzungsgrad ist insbesondere ein Maß für die Abdeckungsverschmutzung zu verstehen, welches von der Steuereinheit anhand des Messsignals bestimmt wird.
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Durch Berücksichtigung der Lage der Antennenanordnung in einem Gehäuse der Sensoreinheit lässt die Auswertung der typischerweise komplexen Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke Rückschlüsse auf das Transmissions- und Reflexionsverhalten der Abdeckung zu. Die Bestimmung der Übertragungsfunktion erfordert vorteilhafterweise keinerlei Anpassungen an der Hardware der Sensoreinheit, da eine der zwei Antennenanordnungen in deren Arbeitsfrequenz derart manipuliert wird, dass es in den Arbeitsfrequenzbereich der anderen Antennenanordnung fällt, und die Übertragungsfunktion über die ohnehin zur Geschwindigkeitsbestimmung notwendige Elektronik bestimmt werden kann.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildungsform wird bei einem vorgegebenen Verschmutzungsgrad ein Reinigungsvorgang gestartet, bei welchem die Verschmutzungen von der Abdeckungsoberfläche entfernt werden. Hierzu umfasst die Sensoreinheit in einer geeigneten Ausführungsform im Bereich der Abdeckung eine Reinigungsvorrichtung zur bedarfsweisen Reinigung der Abdeckung. Der aus dem Messsignal erfasste Verschmutzungsgrad wird von der Steuereinheit beispielsweise mit einem hinterlegten Schwellwert verglichen, wobei bei einer Überschreitung des Schwellwertes die Reinigungsvorrichtung betätigt wird. Die Reinigungsvorrichtung ist beispielsweise eine Druckluftdüse zum Freiblasen der Abdeckung von Verschmutzungen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das erste Funksignal mittels zusätzlicher Reflexionsflächen in die zweite Antennenanordnung reflektiert. Hierzu sind in einer geeigneten Ausführung zweckmäßigerweise eine Anzahl von zusätzlichen Reflexionsflächen zur Reflexion des ersten Funksignals zur zweiten Antennenanordnung hin vorgesehen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Sensoraufbau derart modifiziert, dass über zusätzliche Reflexionsflächen im Sensorgehäuse auch dann ein Übersprechen der Antennenanordnungen möglich ist, wenn eine ungünstige Kopplung zwischen diesen vorliegt. Ferner wird durch die zusätzlichen Reflexionsflächen ein im Vergleich zu lokalen Detektionsmöglichkeiten vergrößerter Überwachungsbereich der Abdeckung realisiert.
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In einer geeigneten Weiterbildung wird von der zweiten Antennenanordnung ein zweites Funksignal versendet, das zumindest teilweise in die erste Antennenanordnung reflektiert und von dieser erfasst wird, wobei anhand der detektierten Funksignale der Verschmutzungsgrad erfasst wird. Die im Hinblick auf das erste Funksignal angeführten Merkmale und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das zweite Funksignal zu übertragen. In einer bevorzugten Weiterbildungsform wird durch eine gleichzeitige Auswertung der überkoppelten ersten und zweiten Funksignale in beiden Antennenanordnungen die mehrfache Bildung der Übertragungsfunktion möglich. Daraus können zum Beispiel durch Verhältnisbildung bestimmte systematische Abweichungen eliminiert werden, welche sich beispielsweise in einer vom Verschmutzungsgrad abhängigen Abschwächung oder Verstärkung der Funksignale äußeren.
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In einer geeigneten Ausgestaltung werden die Arbeitsfrequenzen der Antennenanordnungen anhand einer Bewegungsrichtung des Fahrzeugs geregelt. Hierzu ist vorzugsweise eine informationstechnische Verbindung zwischen der Sendesteuerung und der Signalverarbeitung der Steuereinheit vorgesehen. In einer möglichen Ausgestaltungsform erfolgt hierbei die Trennung des Dopplersignals vom Messsignal mittels einer Auswahl des zu nutzenden Bereichs im komplexen Spektrum. Dabei ermittelt die Signalverarbeitung, ob die Sensoreinheit sich im Vorwärts- oder Rückwärtsfahrbetrieb befindet und stellt die Arbeitsfrequenzen der Antennenanordnungen derart ein, dass bei Vorwärtsfahrt (positive Dopplerfrequenzverschiebung) der negative Anteil des Spektrums für die Bestimmung der Übertragungsfunktion genutzt werden kann und umgekehrt.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 ein Schienenfahrzeug mit einem Dopplergeschwindigkeitssensor umfassend eine Steuereinheit und zwei Transceivern,
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2 eine Übertragungsstrecke zwischen den Transceivern, und
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3 eine alternative Übertragungsstrecke mit einer zusätzlichen Reflexionsfläche.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Schienenfahrzeug 2 mit einer als Dopplergeschwindigkeitssensor ausgeführten Sensoreinheit 4 dargestellt. Der Sensoreinheit 4 umfasst eine Steuereinheit 6 und zwei hiermit gekoppelte Transceivermodule als Antennenanordnungen 8a, 8b sowie ein untergrundseitiges Radom als gemeinsame Abdeckung 10 für die Antennenanordnungen bzw. Transceivermodule 8a und 8b.
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Die Steuereinheit 6 beaufschlagt einerseits die Antennenanordnungen 8a und 8b mit jeweils einem Funksignal, nämlich einem erstes Funksignal 12a und einem zweiten Funksignal 12b und erfasst andererseits die reflektierten Signale, nachfolgend als Messsignal 14 und Echosignal 16 bezeichnet, zur Detektion von Verschmutzungen 18 und zur Geschwindigkeitsbestimmung.
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Im Betrieb werden die Antennenanordnungen 8a und 8b von der Steuereinheit 6 kontinuierlich mit den Funksignalen 12a und 12b beaufschlagt. Die Funksignale 12a und 12b sind insbesondere Radarsignale mit einer Wellenlänge im Zentimeter- oder Millimeter-Bereich. Die Abdeckung 10 ist vorzugsweise aus einem radartransparenten Material ausgeführt, sodass die Funksignale 12a und 12b die Abdeckung 10 sicher durchstrahlen können.
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Der Sensoreinheit 4 ist als Dopplerradarsensor am Unterboden des Schienenfahrzeugs 2 angeordnet, wobei die Antennenanordnungen 8a und 8b im Wesentlichen zu einem Untergrund 20 hin gerichtet sind. Die Antennenanordnungen 8a und 8b sind in 1 beispielhaft mit Mittenstrahlwinkeln von etwa 15° beziehungsweise etwa 45° gegen den Untergrund 20 geneigt.
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Anhand der 2 ist nachfolgend die Funktionsweise der Sensoreinheit 4 beispielhaft anhand des Funksignals 12a der Antennenanordnung bzw. des Transceivermoduls 8a näher erläutert. Die im Hinblick auf das Funksignal 12a angeführten Erläuterungen sind sinngemäß auch auf das Funksignal 12b zu übertragen.
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Das gesendete Funksignal 12a trifft auf die Abdeckung 10 und durchstrahlt diese zumindest teilweise als ein Transmissionssignal 22. Der nicht transmittierte und von der Abdeckung 10 reflektierte Anteil des Funksignals 12a wird nachfolgend als Reflexionssignal 24 bezeichnet. Die geometrische Anordnung und Orientierung der Antennenanordnungen 8a und 8b ist insbesondere derart gewählt, dass das Reflexionssignal 24 in die Antennenanordnung 8b reflektiert wird. Die Verschmutzungen 18 sind als Kreise eingezeichnet, wobei lediglich einer der Kreise beispielhaft mit einem Bezugszeichen versehen ist.
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Das die Abdeckung 10 durchstrahlende Transmissionssignal 22 des Funksignals 12a trifft auf den Untergrund 20 und wird dort als Echosignal 16 (1) zurück zur Sensoreinheit 4 reflektiert. Das Echosignal 16 wird von einem oder beiden Antennenanordnungen 8a oder 8b empfangen und zur Auswertung an die Steuereinheit 6 versendet.
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Die detektierte Frequenz des Echosignals 16 weist aufgrund des Doppler-Effekts einen geschwindigkeitsproportionalen Frequenzunterschied auf, anhand dessen die Fahrzeuggeschwindigkeit von der Steuereinheit 6 anhand einer Dopplerauswertung ermittelt wird. Lagern sich im Betrieb die Verschmutzungen 18 auf der Abdeckung 10 ab, so beeinflussen diese die Durchstrahlbarkeit der Abdeckung 10, wodurch sich die Strahlungscharakteristik des Reflexionssignals 24 verändert. Durch die Erfassung des an der Abdeckung 10 reflektierten Reflexionssignals 24 mittels der Antennenanordnung 8b ist somit eine Erfassung oder Ermittlung der Verschmutzung 18 auf der Radomoberfläche der Abdeckung 10 ermöglicht.
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Im Betrieb führt die Steuereinheit 6 einerseits kontinuierlich die bekannte Dopplerauswertung des Echosignals 16 und andererseits eine Auswertung des zwischen den Antennenanordnungen 8a und 8b reflektierten Reflexionssignals 24 durch. Die Differenz zwischen dem emittierten Funksignal 12a und dem Reflexionssignal 24 ist das Messsignal 14. Anhand des Messsignals 14 erfasst die Steuereinheit 6 die an der Abdeckung 10 reflektierten und transmittierten Anteile des Funksignals 12a. Dadurch ist indirekt die Richtcharakteristik der Antennenanordnungen 8a und 8b beziehungsweise die Dämpfung an der Abdeckung 10 erfassbar.
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Partielle oder flächige Verschmutzungen 18 von beispielsweise Eis und Schnee bewirken eine Veränderung im Amplituden- und Phasenverlauf und können somit sicher detektiert werden. Zweckmäßigerweise sind hierzu Vergleichsverläufe für eine saubere Abdeckungsoberfläche in einem nicht näher dargestellten Speicher der Steuereinheit 6 hinterlegt, anhand derer ein Verschmutzungsmaß oder -grad der untergrundseitigen Radomoberfläche der Abdeckung 10 bestimmt werden kann.
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Das Verschmutzungsmaß wird anhand einer hinterlegten Übertragungsfunktion berechnet. Die Übertragungsfunktion ergibt sich im Wesentlichen aus einem definierten Abstand zwischen den Antennenanordnungen 8a und 8b sowie der Abdeckung (Radom) 10. Durch die Berücksichtigung der Anordnung der Antennenanordnungen 8a und 8b in der Sensoreinheit (Dopplergeschwindigkeitssensor) 4 lässt die Auswertung der typischerweise komplexen Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke Rückschlüsse auf das Transmissions- und Reflexionsverhalten der Abdeckung 10 zu.
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Ein Funktionsblock der Steuereinheit 6 umfasst im Wesentlichen eine Vorgabe und Stabilisierung von Arbeitsfrequenzen 26a und 26b der Antennenanordnungen 8a und 8b sowie die gegebenenfalls notwendige Kanalumschaltung zwischen den Antennenanordnungen 8a und 8b. Die Arbeitsfrequenzen 26a und 26b der Antennenanordnungen 8a und 8b werden vorzugsweise derart von der Steuereinheit 6 vorgegeben, dass eine Übertragung zwischen den Antennenanordnungen 8a und 8b in den für die Dopplerauswertung vorgegebenen Frequenzbändern stattfinden kann. Vorzugsweise ist die Frequenz der Arbeitsfrequenzen 26a und 26b identisch oder weicht lediglich geringfügig um wenige kHz ab.
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Das Funk- bzw. Radarsignal 12a ist in zeitlichen Abständen mit einem Mischsignal 28 moduliert. Für das Mischsignal 28 wird insbesondere eine von den Arbeitsfrequenzen 26a und 26b der Antennenanordnungen 8a und 8b verschiedene Signalfrequenz verwendet, bevorzugt eine niederfrequente Signalfrequenz, welche auf die versendeten Funksignale 12a und 12b aufmoduliert wird.
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Die Trennung des für die Dopplerauswertung detektierten Echosignals 16 und des Messsignals 14 erfolgt durch die Nutzung eines Pilotfrequenzbandes. Hierzu ist insbesondere eine informationstechnische Verbindung zwischen einer Sendesteuerung 30 und einer Signalverarbeitung 32 der Steuereinheit 6 vorgesehen. Die Arbeitsfrequenzen 26a und 26b der Antennenanordnungen 8a, 8b werden von der Sendesteuerung 30 dabei derart eingestellt, dass die Bestimmung der Übertragungsfunktion in einem Pilotfrequenzband erfolgt, welches zur zu erwartenden Dopplerfrequenz des Echosignals 16 ausreichend weit beabstandet ist.
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Bevorzugterweise werden die Arbeitsfrequenzen 26a und 26b von der Sendesteuerung 30 anhand einer Bewegungsrichtung des Schienenfahrzeugs 2 geregelt. Dabei ermittelt die Signalverarbeitung 32, ob die Sensoreinheit 4 bzw. der Dopplergeschwindigkeitssensor sich im Vorwärts- oder Rückwärtsfahrbetrieb befindet und stellt die Arbeitsfrequenzen 26a und 26b derart ein, dass bei Vorwärtsfahrt (positive Dopplerfrequenzverschiebung des Echosignals 16 relativ zum Funksignal 12a) der negative Anteil des Spektrums für die Bestimmung der Übertragungsfunktion benutzt werden kann und umgekehrt.
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Ein erfasster Geschwindigkeitswert 34 der Sensoreinheit 4 wird von der Steuereinheit 6 an eine Auswerteeinheit 36 versendet, um dort den Geschwindigkeitswert 34 beispielsweise mit erfassten Geschwindigkeitswerten anderer Geschwindigkeitssensoren – beispielsweise durch eine Erfassung der Radumdrehungen des Schienenfahrzeugs 2 – zu vergleichen. Die Auswerteeinheit 36 leitet die erfassten Geschwindigkeitsdaten weiter an eine Fahrzeugsteuerung 38 des Schienenfahrzeugs 2.
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In 3 ist eine alternative Anordnung der Antennenanordnungen 8a und 8b bzw. Transceivermodule dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die Antennenanordnungen 8a und 8b im Wesentlichen unter dem identischen Mittelstrahlwinkel geneigt, wobei das Funksignal 12a mittels einer zusätzlichen Reflexionsfläche 40 in die Antennenanordnung 8b reflektiert wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
