DE19500114C2 - Vorrichtung zur Geschwindigkeitsbestimmung nach dem Doppler-Prinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Geschwin­ digkeitsbestimmung nach dem Doppler-Prinzip, mit einem Doppler-Transceiver, der Impulse aussendet, von dem Meßobjekt reflektierte Impulse empfängt und Doppler- Signale erzeugt, deren Frequenz der Geschwindigkeit des Meßobjekts entspricht.

Doppler-Detektoren können beispielsweise als Bewegungs­ melder oder Geschwindigkeitsmelder zum Erfassen beweg­ ter Objekte benutzt werden oder auch zur Geschwindig­ keitsmessung. Sie enthalten einen Transceiver, der eine elektromagnetische Welle als Sendesignal aussendet und einen Signalempfänger aufweist, der das von dem Meßob­ jekt reflektierte Sendesignal empfängt. Wenn das Objekt sich bewegt, ist die Frequenz des empfangenen Signals unterschiedlich von derjenigen des Sendesignals. Durch Differenzbildung der beiden Frequenzen wird die Dif­ ferenzfrequenz ermittelt, die die Doppler-Frequenz dar­ stellt. Die Höhe der Doppler-Frequenz gibt die Ge­ schwindigkeit an, mit der sich der Abstand des Meßob­ jekts von der Meßstelle vergrößert oder verkleinert.

Um zu ermitteln, ob die Geschwindigkeit des Meßobjekts einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, können die aus den Doppler-Signalen erzeugten Doppler-Impulse einem Frequenz-Grenzwertschalter zugeführt werden. Üblicher­ weise enthält einer solcher Frequenz-Grenzwertschalter einen Frequenz/Spannungs-Wandler, der eine Spannung erzeugt, die der Frequenz der Doppler-Impulse propor­ tional ist. Diese Spannung wird in einem Spannungskom­ parator mit einem Spannungsgrenzwert verglichen. Über­ schreitet die Frequenz die durch den Spannungsgrenzwert vorgegebene Grenzfrequenz, dann liefert der Komparator ein Ausgangssignal. Die Verwendung eines Fre­ quenz/Spannungs-Wandlers hat zur Folge, daß Nicht­ linearitäten des Wandlers sich auf das Meßergebnis aus­ wirken. Probleme entstehen ferner bei niedrigen Frequenzen, wenn der Wandler ein Spannungssignal mit geringer Amplitude liefert, das notwendigerweise ungenau ist. Ferner treten durch die Operationszeit des Wandlers Verzögerungen ein.

Aus DE 32 19 819 C2 ist ein Doppler-Radar-Geschwindig­ keitsmesser bekannt, der einen Doppler-Transceiver auf­ weist, welcher Mikrowellensignale einer vorbestimmten Frequenz aussendet und einen Teil der reflektierten Wellen wieder empfängt. Dabei werden die Empfangssignale einem Mixer zugeführt und aufgrund des Frequenzunter­ schieds zwischen diesen beiden Signalen wird das Dopp­ ler-Signal gewonnen, welches in ein Doppler-Impulssignal umgewandelt wird. Die in einer bestimmten Zeitperiode auftretenden Doppler-Impulse werden von einem Zähler gezählt, dessen Zählwert der Fahrzeuggeschwindigkeit proportional ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Geschwindigkeitsbestimmung nach dem Doppler- Prinzip zu schaffen, die eine schnelle und exakte Aus­ wertung der Doppler-Impulse mit einfachen Mitteln er­ möglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält die Über­ wachungsschaltung einen Frequenz-Grenzwertschalter mit den Funktionen von zwei monostabilen Kippstufen. Die erste monostabile Kippstufe wird mit den Doppler-Im­ pulsen getriggert. Ihre Haltezeit bestimmt den Frequenz-Grenzwert. Der Ausgang der ersten monostabilen Kippstufe triggert eine zweite monostabile Kippstufe und die Signale beider Kippstufen werden entsprechend einer Logikbedingung zusammengefaßt, um das Aus­ gangssignal zu erzeugen. Die Kippzeit der zweiten mono­ stabilen Kippstufe ist größer oder gleich der Kippzeit der ersten monostabilen Kippstufe. Wenn die Frequenz der Doppler-Impulse größer ist als die Grenzfrequenz, bleibt die erste monostabile Kippstufe im Setz-Zustand. Diese Kippstufe ist retriggerbar und bleibt daher ober­ halb der Grenzfrequenz ständig gesetzt. Die zweite monostabile Kippstufe dient dazu, für das Ausgangs­ signal konstantbleibende Zustände zu schaffen, d. h. dafür zu sorgen, daß das Ausgangssignal ein konstantes Signal ist, wenn die Grenzfrequenz überschritten ist, und ebenfalls ein konstantes Signal ist, wenn die Grenzfrequenz unterschritten ist.

Ein besonderer Vorteil des Frequenz-Grenzwertschalters besteht darin, das ein Linearitätsproblem nicht exis­ tiert. Über die gesamte Frequenzbandbreite beträgt die Detektionszeit lediglich eine Periodenlänge der momen­ tanen Frequenz. Dies entspricht der Strecke, die das Meßobjekt bis zur Detektion zurückgelegt hat. Die Meß­ strecke, die das Meßobjekt zurücklegt bis das Meßergeb­ nis vorliegt, ist konstant und somit unabhängig von der Objektgeschwindigkeit. Auch bei sehr niedrigen Objekt­ geschwindigkeiten, bei denen die Doppler-Impulse eine geringe Frequenz haben, entsteht ein deutlich identifi­ zierbares Ausgangssignal, das solange konstant ist, wie der betreffende Zustand anhält.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich generell zur Detektion von Objektbewegungen und zur Ermittlung, ob die Geschwindigkeit des Objekts einen Grenzwert übersteigt oder unterschreitet. Die Überwachungsein­ richtung funktioniert in vollem Umfang digital. Sie kann daher sowohl als Hardwarelösung als auch als Soft­ warelösung realisiert werden. Daher sind die mono­ stabilen Kippstufen und das Gatter generell als Funk­ tionen und nicht notwendigerweise als separate Hard­ warekomponenten zu verstehen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Ge­ schwindigkeitsbestimmung nach dem Doppler-Prin­ zip,

Fig. 2 ein Schaltbild des Frequenz-Grenzwertschalters, und

Fig. 3 Impulsdiagramme zur Erläuterung der Funktion des Frequenz-Grenzwertschalters.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist einen Doppler-Trans­ ceiver 10 auf, der Impulse mit einer Trägerfrequenz von typischerweise 24,125 GHz aussendet. Die Sendeantenne ist mit SA bezeichnet und die Empfangsantenne mit EA. Der Transceiver 10 bildet die Differenz zwischen der Frequenz des Sendesignals und der Frequenz des Em­ pfangssignals. An seinem Ausgang entsteht das Doppler­ signal IF mit der Doppler-Frequenz. Diese Doppler- Frequenz ist gleich der Frequenz der Differenz zwischen Sende- und Empfangssignal.

Das Doppler-Signal IF wird in einer Aufbereitungsstufe 11 verstärkt und gefiltert. Das so verstärkte und ge­ filterte Doppler-Signal wird anschließend einem Im­ pulsformer 12 zugeführt, der an seinem Ausgang die digitalen Doppler-Impulse D1 liefert. Diese Doppler- Impulse werden der Überwachungseinrichtung 13 zuge­ führt.

Die Überwachungseinrichtung 13 enthält den Frequenz- Grenzwertschalter 14, der an seinem Ausgang ein Status­ signal SS liefert, das in "1" ist, wenn die Frequenz f der Doppler-Impulse DI größer oder gleich einer vorbe­ stimmten Grenzfrequenz f_G ist.

Fig. 2 zeigt die Schaltung des Frequenz-Grenzwert­ schalters. Dieser weist eine erste monostabile Kipp­ stufe 15 und eine zweite monostabile Kippstufe 16 sowie ein Gatter 17 auf. Die monostabilen Kippstufen 15 und 16 sind positiv flankengesteuert, d. h. es handelt sich um dynamische Kippstufen, die durch positive Flanken an ihrem jeweiligen Eingang getriggert werden. Die Kipp­ stufen sind retriggerbare Kippstufen, d. h. sie behalten den Kippzustand bei, wenn sie während der Kipphase von neuem getriggert werden.

Dem Eingang A der monostabilen Kippstufe 15 werden die Doppler-Impulse DI zugeführt. Der Ausgang B ist mit dem Eingang der monostabilen Kippstufe 16 verbunden. Der Ausgang C der Kippstufe 16 ist mit dem einen Eingang des Gatters 17 verbunden. Der andere Eingang des Gat­ ters 17 ist mit dem invertierenden Ausgang D der Kipp­ stufe 15 verbunden. Das Gatter 17 ist ein Äquivalenz­ gatter (XNOR), das an seinem Ausgang E nur dann "1" Signal liefert, wenn beide Eingangssignale einander gleich sind. An dem Ausgang E entsteht das Statussignal SS, das "1" ist, wenn die Frequenz f größer oder gleich der Grenzfrequenz f_G ist.

Fig. 3 zeigt die Spannungen an den Schaltungspunkten A, B, C, D, E von Fig. 2, wobei a) den Zustand darstellt, daß die Frequenz f der Doppler-Impulse DI kleiner ist als die Grenzfrequenz f_G, die 1/T1 ist, wobei T1 die Kippdauer der Kippstufe 15 ist. T2 ist die Kippdauer der Kippstufe 16. Wenn der zeitliche Abstand der Dopp­ ler-Impulse DI größer ist als T1, fällt die Kippstufe 15 nach jedem Doppler-Impuls zurück, wodurch das Signal am Ausgang B die in Fig. 3a) dargestellte Impulsform annimmt. Wenn die Kippstufe 15 gesetzt wird, verursacht dies nahezu gleichzeitig auch ein Setzen der Kippstufe 16. Die Kippdauer T2 der Kippstufe 16 muß größer oder gleich der Kippdauer T1 der Kippstufe 15 sein. Da in dem Zustand von Fig. 3a) die Signale an den Ausgängen C und D immer antivalent sind, liefert das Gatter 17 an seinem Ausgang E ein Signal, das ständig "0" ist.

In gleicher Weise bleibt das Signal E "0", wenn f gleich "Null" ist, also wenn überhaupt keine Doppler- Impulse empfangen werden.

In Fig. 3b) ist der Fall dargestellt, daß f gleich f_G ist. Die Doppler-Impulse DI haben einen zeitlichen Ab­ stand voneinander, der gleich T1 ist, so daß die Kipp­ stufe 15 immer von neuem gesetzt wird, ohne zurückzu­ fallen. Die Kippstufe 16 wird jedoch nur bei dem ersten Doppler-Impuls gesetzt und fällt anschließend zurück. Dies bedeutet, daß das Signal am Ausgang E nur während der ersten Periodendauer "0" ist und danach kontinuier­ lich den Wert "1" annimmt. Der Frequenz-Grenzwertschal­ ter 14 hat also eine Ansprechdauer, die gleich T2 ist.

Das von dem Impulsformer 12 empfangene Doppler-Signal IF ist stark rauschbehaftet. Der Rauschpegel ist durch das Eigenrauschen bestimmt, das von Sende-, Empfangs- und Verstärkerkomponenten erzeugt wird und auch dann entsteht, wenn an der Empfangsantenne EA kein Signal empfangen wird. Der Impulsformer 12 ist so ausgebildet, daß er Hystereseverhalten hat, wobei der Hysteresebe­ reich teilweise unterhalb des Rauschpegels liegt. Dies bedeutet, daß die Einschaltschwelle oberhalb und die Ausschaltschwelle des Impulsformers unterhalb des Rauschpegels liegt. Da der Hysteresebereich in den Rauschbereich hineinragt und somit außer den Doppler- Impulsen Störimpulse auftreten können, enthält die Überwachungseinrichtung 13 weitere (nicht dargestellte) Impulsfilter zum Diskriminieren und Herausfiltern von Störimpulsen.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Geschwindigkeitsbestimmung nach dem Doppler-Prinzip, mit einem Doppler-Transceiver (10), der Impulse aussendet, reflektierte Impulse empfängt und Doppler-Signale (IF) erzeugt, deren Frequenz der Geschwindigkeit des Meßobjekts ent­ spricht,
einem Impulsformer (12) zum Umformen der Doppler- Signale (IF) in Doppler-Impulse (DI),
und einer Überwachungseinrichtung (13), die er­ kennt, ob die Frequenz (f) der Doppler-Impulse (DI) oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes (f_G) liegt,
wobei die Überwachungseinrichtung (13) einen Frequenz-Grenzwertschalter (14) enthält, der eine die Grenzfrequenz bestimmende erste monostabile Kippstufe (15), eine von dem Ausgangssignal der ersten monostabilen Kippstufe (15) getriggerte zweite monostabile Kippstufe (16) und ein Gatter (17) aufweist, das die Signale beider Kippstufen (15, 16) empfängt und ein Statussignal (SS) liefert, das angibt, ob die Frequenz der Doppler- Impulse über oder unter der Grenzfrequenz (f_G) liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Impulsformer (12) Hysteresever­ halten hat und der Hysteresebereich teilweise unterhalb des Rauschpegels liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kippzeit (T1) der ersten monostabilen Kippstufe (15) zur Veränderung des Grenzwertes (f_G) der Frequenz einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gatter (17) eine Äquivalenz-Funktion (XNOR) hat und das invertierte Ausgangssignal der ersten Kippstufe (15) sowie das Ausgangssignal der zweiten Kippstufe (16) em­ pfängt.