DE2125191A1

DE2125191A1 - Systeme fur die Messung der Bewe gungsgeschwindigkeit von Korpern

Info

Publication number: DE2125191A1
Application number: DE19712125191
Authority: DE
Inventors: Kazuo Watanabe Hisashi Toyota Aichi Sato (Japan) P
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1970-07-23
Filing date: 1971-05-21
Publication date: 1972-01-27
Also published as: JPS5039536B1; US3757329A; FR2099530A1; CA947848A; GB1355354A; DE2125191B2; FR2099530B1

Description

PATENTANWÄLTE DR ING. OTTOSTÜRNER ■ DR. FRIEDRICH E. MAYER

H.Mai 1971

2021 - E Patentanmeldung

Anm.: Messrs. Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha 1, Toyota-cho, Toyota^shi, Aichi-ken,Japan

Systeme für die Messung ^; der Bewegungsgeschwindigkeit von Körpern

Die Erfindung bezieht sich auf Systeme zum Hessen der Sewegungsgeschwindigkeit von Körpern, insbesondere wenn die relative Geschwindigkeit zwischen in Be» wegung befindlichen Körpern oder zwischen einem in Bewegung befindlichen und einem festen Körper mittels des auf Wellensignale angewendeten Doppler-Effekts

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gemessen wird· Die Erfindung findet insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, Anwendung bei Systemen zum Messen der relativen Geschwindigkeit zwischen Fahrzeugen, beispielsweise Automobilen, zur VorausbeStimmung drohender Zusammenstöße·

Ss ist allgemein bekannt, daß bei Wellen, beispielsweise Schallwellen, elektromagnetischen Wellen oder dergleichen, die von einer Stelle ausgestrahlt werden und auf einen Gegenstand treffen, der sich entweder zur Quelle hin oder von dieser wegbewegt, die Frequenz der von dem Gegenstand zurückgestrahlten Welle von der Frequenz der ursprünglich ausgestrahlten Welle abweicht. Diese Tatsache ist als Doppler-Effekt bekannt. Von ihr machen die sogenannten Doppler-Funkmeßgeräte Gebrauch.

Wenn die Frequenz einer von einem Gegenstand ausgestrahlten Welle * f_t , die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle * c und die relative Geschwindigkeit zwischen einer Abstrahlquelle und einem Körper, der sich entweder auf die Quelle hin oder von ihr weg bewegt, a ν ist ι dann läßt sich für die Frequenz f_r der empfangenen Welle folgende Gleiohung aufstellen:

" Die Frequenz f^ des Doppler-Signales, die den aus dem Doppler-Effekt herrührenden Unterschied zwischen f^ und f_r darstellt, hat den Wert

f_d - ft - fr ~ ^2ftV — ο

Die Geschwindigkeit ν wird direkt dadurch gemessen, daß die Frequenz f^ der abgestrahlten Welle und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit ο so eingestellt werden, «daß sie konstante Werte darstellen·

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Die unter Verwendung dieses Doppler-Prinzipa aufgebauten Meßsysteme für Bewegungsgeschwindigkeiten können beispielsweise einen Hochfrequenz-Generator, einen Zirkulator mit einer Antenne, einen Demodulator und einen Tiefpass-Filter umfassen· Bei einem derartigen System strahlt der Zirkulator ununterbrochen eine von dem Generator erzeugte Welle gleichbleibender Frequenzüber die Antenne aus, und zwar in Riohtung auf einen sich nähernden oder entfernenden Gegenstand. Gleichzeitig empfängt der Zirkulator die von dem sioh nähernden Gegenstand zurückgestrahlte Welle. Die Frequenz der zurückgestrahlten Welle wird durch den Doppler-Effekt geändert. Der Demodulator benutzt ein Bezugssignal_? d.h. ein örtliches Überlagerungssignal, das aus einem Teil der I&ergie der abgestrahlten Welle gebildet wird» die dem Zirkulator entnommen wird. Der Trägerfrequenzüberlagerer erzeugt durch Mischen und Demudulieren dee Bezugssignale und der empfangenen Welle ein Doppler-Signal, dessen Frequenz zu der relativen Bewegungsgesohwindigkeit proportional ist. Demgemäß kann das vorbeschriebene Demodulator-System nur dann ein bedeutsames Doppler-Signal ermitteln» wenn das System als eingebaute Funktion eine Sendewelle abstrahlt·

Jedoch sind die Frequenzen der in derartigen Meßeystemen verwendbaren Sendesignale auf Grund ihrer Eigenschaften begrenzt· Deshalb können nur sehr beschränkte Frequenzbereiche verwendet werden. Wenn diese Frequenzen für Kollisions-Abtastgeräte für Fahrzeuge, beispielsweise Automobile, verwendet werden und die Geräte auf einer Vielzahl von Fahrzeugen montiert werden, kann es vorkommen, daß sioh die Sendewellen verschiedener Fahrzeuge überdecken. Auf diese Weise können die Sendewellen verschiedener Fahrzeuge mit-einander interferieren, und der Frequenz-Unterschied zwischen zwei abgestrahlten

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Wellen kann gleich der Frequenz des aufzufangenden Doppler-Signals werden. Daraus kann sich dann ein Doppler-Signal ergeben, als ob sich zwei Fahrzeuge aufeinander zu bewegten, selbst wenn tatsächlich keinerlei Bewegung vorhanden ist. Das Ergebnis ist dann eine unerwünschte Fehlfunktion.

Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung von Systemen dieser Art, beispielsweise von Dopplerfunkmeßsystemen in Richtung einer Ausschaltung der oben beschriebenen Fehlfunktion aufgrund der Interferenz von Sendewellen, ohne daß komplizierte Vorrichtungen benötigt werden.

Erfindungsgemäß werden die genannten Mängel der bekannten Systeme dadurch, ausgeschaltet und die vorgenannte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Sendewelle unregelmäßig mit einem regellosen Geräuschsignal frequenzmoduliert wird und das Doppler-Signal unter Verwendung eines Teiles der Energie der Sendewelle als Bezugssignal demoduliert wird.

Dadurch kann die Möglichkeit der Interferenz von von verschiedenen Quellen abgestrahlten-Sendewellen verringert werden.

Zweckmäßigerweise werden die Modulationsfrequenz und der Modulationsindex des .Sendesignals entsprechend den Frequenzkomponenten des regellosen Signalee demoduliert. *

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Frequenzbereich der Modulation des Sendesignals durch Begrenzungsmittel begrenzt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird diese Begrenzungsfunktion von einem Bandpass-Filter wahrgenommen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Frequenzablenkung des Doppler-Signales durch einen Tiefpass-Filter begrenzt.

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Bei dem erfindungsgemäßen System wird also ein Doppler-Ablenkzeichen durch ein regelloses Geräuachsignal frequenzmoduliert· Insbesondere wird die relative Geschwindigkeit zwischen in Bewegung befindlichen Körpern oder zwischen einem in Bewegung befindlichen und einem festen Körper dadurch gemessen, daß ein Wellensignal in Richtung zum Körper ausgestrahlt und die reflektierte Welle, deren Frequenz sich durch den Dopplereffekt geändert hat, wieder empfangen wird· Das Doppler-Signal wird mittels eines homodinen Demodulations-Systems aufgefangen, wobei als Bezugswert ein Teil des ausgestrahlten Signals dient. Das ausgestrahlte Wellensignal wird durch ein regelloses G-eräuschsignal frequenz-mo duller t, und ein Teil des frequenz-modullerten Wellensignales dient als Bezugswert. Die durch das regellose Geräuachsignal erzeugte Frequenz-Modulation sorgt dafür, daß Überlagerungen von verschiedenen ausgestrahlten Wellensignalen nicht zu Fehlfunktionen führen.

Nachstehend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert:

Abb. 1 zeigt ein Blockdiagramm des Systems; Abb.2a ist ein Frequenz-Zeit-Wellenformdiagramm, das die Änderungen der Sendefrequenzen zweier Systeme gemäß

der Erfindung illustriert; Abb.2b ist ein Frequenz-Zeit-Diagramm, das einen Teil der Abbildung 2a in vergrößerter Form darstellt.

In Abb. 1 erzeugt ein Geräuschsignal-Generator 1 regellose Wellenformen, deren Frequenz-Spektrum durch einen Bandpaes-

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resst ist«. Ein Frequ©ns<=Bio&uiator 3 moduliert die ψοζί ©in®m Oszillator 4 erzeugt© Ausgangsfrequenz entsprechend den von dem Generator 1 ©rzeugten und dem Bandpassfilter modifizierten regellosen Geräuschsignalen und füSirt das auf diese Weise frequenzmodulierte Signal einem Zirkulator 5 zu. Die Eigenschaften des Filters 2 bestimmen den Modulationa-Frequenzbereioh und die Größe der Frequenz-Abweichung· Ein Zirkulator 5 führt das derart frequenz-modulierte Sendesignal einer Antenne 6 zu, und diese strahlt das Signal in Form einer Sendewelle in Richtung auf ein in einer vorher bestimmten Richtung ankommendes Objekt ab. Sie von dem entgegenkommenden Objekt zurückgestrahlte geänderte Welle wird von der Antenne wieder empfangen·

Zirkulatoren, wie beispielsweise der Zirkulator 6, werden bereits in der MeGraw Hill Encyclopedia of Science and Technology, Ausgabe 1966, Band 6, Seite 418, sowie im Band 6, Seiten 302 bis 505, behandelt. Der Zirkulator 5 und die Antenne 6 können auch durch andere Duplex-Geräte und Antennen ersetzt werden.

Während die frequenz-modulierte Welle ausgestrahlt und die frequenz-geänderte Welle zurückgestrahlt wird, wird ein Teil der frequenz-modulierten Sendewelle oder des fre quenz-mo dul ier ten Sendesignals in einem Demodulator als Bezugswert verwendet. Der Demodulator erzeugt in Heaktion auf die frequenz-modulierte Sendewelle und die frequenz-geänderte Welle in herkömmlicher Weise ein Doppler-Signal.

Wie weiter oben beschrieben, erzeugt das erfindungsgemäße System sowohl eine Sendewelle als auch eine frequenzgeänderte Welle, deren Frequenzen gemäß den einem regellosen Signal innewohnenden unregelmäßigkeiten mit einem vorherbestimmten Modulations-Index moduliert worden sind*

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Ein Tiefpass-Filter 6 begrenzt das Frequenz-Spektrum des vom Demodulator 7 zu'einem Anzeigegerät 9 gelangenden Doppler-Signals. Der (Tiefpass-Filter begrenzt die im Anzeigegerät 9 angezeigten Frequenz-Änderungen auf eine maximale Frequenz-Änderung. Gemäß einer Aueführungeform der Erfindung besteht das Anzeigegerät 9 aus einem Frequenz-Zähler· Gemäß einer anderen Ausführungeform der Erfindung besteht das Anzeigegerät 9 aus einem Frequenz-Spannungswandler, der die Frequenz in Form eines G-leiohspannungswertes anzeigt.

Das in Abb. 1 dargestellte System arbeitet wie folgtt Die Modulations-Frequenz (Frequenzbereich des regellosen Geräuschsignales) und die Frequenz-Abweichung der von dem Oszillator 4 erzeugten Ausgangefrequenz werden im Frequenz-Modulator 3 mittels der Ausgangsleistung des das regellose Geräuschsignal erzeugenden Generators 1 ausgewählt· Diese Frequenz wird durch Einstellen eines speziellen Wertes entsprechend der Höhe der Modulations-Frequenz und der Größe der Frequenz-Abweichung gemäß den Filter-Eigenschaften des Frequenzbereichfiltere 2 moduliert. Das derart frequenzmodulierte Sendesignal wird über einen Zirkulator 5 einer Antenne 6 zugeführt» die das Signal dann in Form einer Sendewelle in eine vorher bestimmte Richtung.zu einem sich nähernden Gegenstand hin ausstrahlt. Die Antenne empfängt eine von dem sich nähernden Gegenstand zurückgestrahlte frequenz-geänderte Welle. Der Zirkulator 5 führt dieses empfangene Signal dem Demodulator 7 zu. Gleichzeitig wird ein Teil des frequenz-modulierten Sendesignals oder der frequenz-modulierten Welle einem Demodulator in herkömmlicher Weise als Bezugssignal zugeführt, der Demodulator mischt die beiden Frequenzen und wandelt sie in eine Schwebungsfrequenz oder ein Doppler-Signal um. Die Frequenz des Doppler-Signals ist in etwa proportional zu der Bewegungsgeschwindigkeit

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des Gegenstandes in Richtung zur Antenne. Bei sich radial der Antenne nähernden oder von ihr entfernenden Gegenständen ist die relative Geschwindigkeit proportional zur Doppler-Frequenz,

Der durch die im Anzeigegerät 9 benutzten Doppler-Frequenzen repräsentierte Geschwindigkeitsbereich ist nach oben hin durch den Tiefpass-Filter 8 begrenzt. Die Anzeigemittel 9 können auch aus einem Nutzstromkreis bestehen· Das in Abb. 1 dargestellte System ist in der Lage, die Auswirkungen einer Interferenz zwischen einer zurückgestrahlten Wellenform und einer oder mehreren anderen von anderen Sendern im selben Frequenzbereich ausgestrahlten Wellenformen zu vermeiden. Derartige mehrfache Signale können empfangen werden, wenn mehrere in der Nähe befindliche Automobile ein Doppler-Funkmeßgerät gemäß dem in Abb. 1 dargestellten Radarsystem besitzen und die Frequenzbereiche dieser Geräte sich überdecken. Das Gerät nach Abb.1 vermeidet sogar Probleme, die auftreten können» wenn kein Signal zurückgestrahlt wird und die Antenne 6 zwei Sendesignale im selben Frequenzbereich von anderen Antennen empfängt.

Abb. 2 zeigt zwei Sendewellenformen fti und derselben Mittelfrequenz ±q, die jeweils durch natürliche regellose Geräuschsignale innerhalb der von einem Modulations index festgelegten maximalen Frequenzabweichung 2Af_m verändert werden. Bei zwei solohen Signalen besteht die Möglichkeit, daß der Frequenzunterschied zwischen den beiden Wellen f^-jund f-^2 zeitweilig innerhalb des Frequenzbereiches empfangener Doppler-Signale, nämlich der vom Tiefpassfilter 8 durchgelassenen Signale, liegt und Störungen hervorruft. Eine derartige Störung wird normalerweise wie in Abb. 2b dargestellt auftreten, wenn der Frequenzunterschied des Lt in der Nähe der Punkte

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gemessen wird» an denen die beiden Sendewellen f-f] und Ij.2 zusammen fallen· Da jedoch beide Sendewellen fti und i^2 regellos frequenz-moduliert werden, ist die Zeit At, während der man ein scheinbares Doppler-Signal im Dopplersignal-Frequenzbereich erhält, vergleichsweise kurz. Die Art und Weise, wie sich der Frequenz-Unterschied ZIf ändert, sowie die Zeit 4t, während derer eine Störung andauert, und die Zeitabstände, in denen Störungen auf·* treten, d.h. also die Häufigkeit des Auftretens von Störungen, werden durch die Modulations-Frequenz und die Frequenzabweichung bestimmt. Demgemäß ist das durch die Störung erfolgte Dopplersignal nicht lang genug und tritt nicht oft genug auf, um auf das Anzeigegerät 9 bedeutende Auswirkungen zu haben.

Die Modulations-Frequenz und die durch das regellose Geräuschsignal ausgewählte Frequenzabweichung werden so bestimmt, daß sich eine Störungezeit 4t ergibt» die im Hinblick auf die zu messenden Veränderungen der relativen Geschwindigkeit vernachlässigbar kurz ist. Andere ausgedrückt werden die Modulations-Frequenz und die Frequenz-Abweichung so ausgewählt, daß sich eine so rasche Frequenzänderung ergibt, wie sie von einem beweglichen Körper nicht hervorgerufen werden könnte. Auf diese V/eise kann das durch eine gegenseitige Störung erzeugte scheinbare Doppler-Signal leicht gegenüber dem echten Doppler-Signal, das nur über die eigene Sendewelle des Systems empfangen wird, erkannt werden.

Der duroh die Frequenzbereichs-Filterdaten festgelegte spezifische Wert wird für die Fälle bestimmt, in denen Störungen auf Grund der Vergrößerung des Modulations-Frequenzbereiches häufig auftreten oder in denen sich die Störungszeit 4t wegen einer Vergrößerung der Frequenzabweichung verkürzt.

Wie bereits weiter oben beschrieben, ist es mit dem erfindungs-

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gemäßen System möglich, ein auf Grund interferierender Sendewellen erzeugtes Signal in ein im wesentlichen unbedeutendes Signal umzuwandeln·

Der in dem in Abb. 1 gezeigten System verwendete Oszillator 4 kann auch beispielsweise durch einen G-unne-Oszillator ersetzt werden. In diesem Fall kann der Oszillator durch direkte Überlagerung des regellosen Signals über seine Gittervorspannung auch als Modulator dienen· Aus diesem Grunde ist gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung der Frequenz-Modulator 3 nicht erforderlich.

Ferner besteht zwischen der Sendewelle und der empfangenen Welle eine zeitliche Nacheilung. Diese wird durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit !«stimmt. Bei der Verwendung der frequenz-modulierten Sendewelle als Bezugseignal gemäß dem in Abb. 1 dargestellten System ändert sich die Frequenz des Bezugssignals während der Wellenlaufzeit· Auf Grund des Frequenz-Unterschiedes entwickelt sich zwischen der Sendewelle und der empfangenen Welle eine Sohwebungswelle· Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die Modulationsfrequenz und der Modulations-Index auf der Grundlage des zu messenden Entfernungsbereiches ausgewählt, so daß der Frequenzbereich der sich auf Grund der Wellenlaufzeit entwickelnden Schwebungswellen von dem Frequenzbereich des Doppler-Signals abweicht.

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Claims

Ansprüche

1. Bwegungsgeschwindigkeit -Meßsystem mit einer Einrichtung (Erzeugereinrichtung) zur Erzeugung von Energie, die geeignet ist, Wellen zu senden und zu empfangen, gekennzeichnet durch einen auf diese Einrichtung ansprechenden Komparator, mittels dessen die Frequenzen der Sendewelle und der empfangenen Welle zu einem Doppler-Signal als Meßwert für die Geschwindigkeit vereinigt werden können sowie gekennzeichnet durch eine Modulationsvorrichtung als Teil der Erzeugereinrichtung zum regellosen Modulieren des gesendeten Signales.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsvorrichtung eine Frequenzänderungseinrichtung zum Modulieren der Frequenz des Sendesignals enthält.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsvorrichtung Begrenzungsmittel zum Begrenzen des Frequenzbereiches der Modulation des Sendesignals enthält.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsvorrichtung aus einem Erzeuger für regellose Signale mit einem die Ausgangsfrequenz dieses Erzeugers kontrollierierenden Frequenzbereichsfilter und einem auf die Ausgangsleistung des Frequenzbereichsfilters ansprechenden Modulator besteht.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator einen Tiefpassfilter zur Begrenzung der Frequenz des Doppler-Signales enthält.

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6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugereinrichtung einen Oszillator zur Erzeugung eines alternierenden Signales enthält, wobei die Modulationsvorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines regellosen Signals, einen Frequenzbereichfilter zur Begrenzung des Frequenzbereiches des regellosen Signals und einen auf den Frequenzbereichfilter ansprechenden und an den Generator angeschlossenen Modulator zum Modulieren des Sendesignals innerhalb eines durch den Frequenzbereichfilter bestimmten Frequenzbereiches aufweist.

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