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"Verfahren zum Vermindern der Kollisionsgefährdung eines Straßenfahrzeuges
und Radargerät zur Durchführung des Verfahrens" Die erfindung betrifft einerseits
ein Verfahren zum Vermindern der Kollisionsgefährdung eines Straßenfahrzeuges, die
durch in seiner Fahrbahn vor ihm auftretende Hindernisse gegeben ist, , mit Hilfe
eines fahrzeugseitigen Radargerätes, dessen Antennenrichtdiagramm innerhalb eines
vorgegebenen, dem Fahrzeug vorausliegenden Raumabschnitts azimutal schwenkbar ist,
um bei der Hinderniserkennung Kurven der Fahrbahn berücksichtigen zu können, und
andererseits ein Radargerät zur Durchführung dieses Verfahrens, Bei einem bekannten
Verfahren dieser rt wird das Richtdiagramm in Abhängigkeit vom Einschlag der Fahrzeuglenkung
geschwenkt, so daß die Richtdiagrammhauptachse immer parallel zur Laufrichtung der
gelenkten Räder liegt,
Bei dem vorerwähnten bekannten Verfahren
werden einfache CW-Doppler-Radargeräte zur Ermittlung der Differenzgeschwindigkeit
zu den erkannten Hindernissen benutzt und ist eine relativ hohe Fehlalarmquote nicht
zu vermeiden.
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Hierdurch wird der Fahrzeugführer erheblich belästigt und/oder bei
automatischer Beeinflussung der Fahrgeschwindigkeit in abhängigkeit von der erkannten
bzw. vermeintlichen Kollisionsgefahr die Fahrweise bei Fehlalarmen unzureichend
kontinuierlich gehalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits ein Verfahren
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Kollisionsgefahrdung
möglichst eindeutig erkannt und hierbei mit einer geringeren Fehlalarmquote gerechnet
werden kann als es beim Stand der Technik möglich ist, und andererseits vorteilhafte
Ausführungsformen von Radargeräten zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.
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Die Erfindung kennzeichnet sich bei einem Verfahren der einleitend
genannten Art durch die Verwendung eines fahrzeugseitigen Gefahren-Prozeßrechners
in Verbindung mit einem Radargerät, das Mittel zur Ermittlung der relativen Bewegungsrichtungen,
der relativen Peilrichtungsänderungen und der Entf@rnungen zu den in den Richtdiag@ammen
befindlichen Hindernissen enthält.
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Vorzugsweise ist auch beim erfindungsgemäßen Verfahren das liadargerät
ein CW-Doppler-Radargerät.
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Zur genauen Hindernis-Peilrichtungsbestimmung eignet sich bei einem
Verfahren nach der Erfindung besondersein Radargerät mit I2itteln zur Radarpeilung,
die beispielsweise nach der Summe-Differenz-Methode arbeiten.
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Zweckmäßigerweise werden die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens benutzten Radargeräte mit an sich bekannten Mitteln zum Vermeiden einer
gegenseitigen Störung durch Gleichwellenbetrieb ausgerüstet.
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Die nach dem Verfahren nach der Erfindung und gegebenenfalls nach
deren Weiterbildungen ermittelten Informationen werden dem Fahrzeugführer in an
sich bekannter Weise übermittelt und/oder zur unmittelbaren Beeinflussung der Fahrgeschwindigkeit
und/oder Fahrrichtung unter Verwendung an sich bekannter Steuerungsmittel herangezogen.
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Im folgenden werden anhand der Abbildungen vorteilhafte Xusführungsformen
von Radargeräten zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung näher beschrieben.
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Im Bild 1 wird vereinfacht das Blockschaltbild eines O(
Radargerätes
für den vorgenannten Zweck gezeigt, Zwei eng benachbarte Richtantennen 1 und 2 sind
an die beiden Seitenarme einer hybriden Verzweigung angeschlossen. Die Diagramme
der beiden Antennen überdecken sich teilweise, wie es im Bild 2 gezeigt ist, und
wirken am Summenarm der Verzweigung 3 wie zwei parallelgeschaltete Antennen mit
einem im selben Bild als Beispiel gezeigten Summendiagramm. An den Summenarm der
Verzweigung ist über eine Sende-/Empfangsweiche 6 und ein einstellbares Dämpfungsglied
4 der mit 7 bezeichnete Sender des Radargerätes angeschlossen, Die vom Sender 7
erzeugte unmodulierte Hochfrequenzschwingung wird über das Summendiagramm der Antennen
1 und 2 gerichtet abgestrahlt, sinne von den Antennen 1 und 2 empfangene Echoenergie
wird zum Summenarm und Differenzarm der Verzweigung 3 weitergeleitet. Auf das Signal
am Differenzarm wird nachfolgend noch näher eingegangen.
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Stammt ein Echo von einem bewegten Gegenstand, so ist die reflektierte
zelle durch den Dopplereffekt in der Frequenz verschoben Diese Frequenzverschiebung
fD gegenüber der Sendefrequenz ist proportional der Geschwindigkeit, mit der das
Radargerät und der Gegenstand sich nähern bzw.
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sich voneinander entfernen.
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ls Beispiel sei ein CW-Radargerät mit einer Sendefrequenz f5 = 10
000 MHz angeführt, dem sich ein Ziel mit 3 m/s nähert. In diesem Fall ergibt sich
eine Frequenz verschiebung (Dopplerfrequenz) fD = 200 Hz.
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Von den Summenarm der Verzweigung 3 wird eine von den Antennen 1 und
2 empfangene Schoenergie über das einstellbare Dämpfungsglied 4 sowie über die Sende-/Empfangsweiche
6 und ein Empfängereingangsfilter 8 einer Einrichtung 10 zugeführt. In der Einrichtung
10 wird mittels zweier Mischdioden die empfangene Schwingung mit der vom wender
7 erzeugten Sende schwingung gemischt und die an den beiden Mischdioden entstehenden
Dopplerschwebungs signale mit der Frequenz fD zwei sich in ihre elektrischen Daten
gleichenden Verstärkern 12 und 13 zugeführt.
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Die Dioden in der Sinrichtung 10 sind in einem gegenseil tigen elektrischen
Abstand einer viertel Wellenlänge angeordnet, so daß an den Dioden bei einem Empfangssignal
zwei um 90° in der Phase verschobene Dopplerschwebungen auftreten.
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Ist die Sendefrequenz fs höher als die Empfangsfrequenz -das ist der
Fall, wenn ein z.B. vom Radargerät erfaßtes Fahrzeug sich entfernt - so haben die
an den Dioden auftretenden
Wechselspannungen mit der Schwebungsfrequenz
folgende Phasenbeziehungen Diode 1: u1 = k1 . U1 cos (# - #) # t Diode 2: u2 = k2
, U2 sin ( - #) . t Hierbei bedeuten: u1 = Momentanwert der Wechselspannung an Diode
1 k1 : k2 = Konstanten U1 = Amplitude der Wechselspannung an Diode 1 # = Kreisfreiquenz
der Sendeschwingung w 8 Kreisfrequenz der Empfangsschwingung u2 = Momentanwert der
Wechselspannung an Diode 2 U2 = Amplitude der Wechsel spannung an Diode 2 Nähert
sich das mit solch einem Radargerät ausgerüstete Fahrzeug einem Anderen Fahrzeug,
so ist durch den Dopplereffekt die Empfangsfrequenz fe höher als die Sendefrequenz
fs.
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Die Schwingungen an den Dioden mit der Schwebungsfrequenz fD folgen
dann den Beziehungen Diode 1: u1' = K1.U1.cos ( # - # ).t Diode 2: u2' = -K2.U2.sin
( # - # ).t
In einer zwei Verstärkern 12 und 13 nachgeordneten Phasenkoinzidenzstufe
15 werden im Sinne einer Fahrtrichtungstrennung die Phasenbeziehungen zwischen den
beiden verstärkten Signalen u1 und u2 bzw. u1 und u2 auwgewertet und Meldesignale
im Takt der Dopplerschwebungsfrequenz abgeleitet, aus denen die Annäherung oder
Entfernung z.B.
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zu einem in Fahrtrichtung vorausbefindlichen Fahrzeug hervorgeht.
Diese Meldungen werden auf getrennte Leitungen von der Phasenkoinzidenzstufe 15
in einen Gefahrenprozeßrechner 17 gegeben, der unter Berücksichtigung weiterer Informationen
Kollisionsgefahren oder zu geringe Bahrabstände z.B. optisch und/oder akustisch
dem Fahrzeugführer signalisiert. Das vor der Einrichtung 10 befindliche Empfängereingangsfilter
8 soll mögliche Störungen durch andere in evtl. benachbarten Frequenzbändern betriebene
Radargeräte (hier kommen hauptsächlich Impulsradargeräte auf Flughäfen, in See-
und Binnenhäfen, sowie auf Binnenschiffen in Frage) reduzieren bzw. beseitigen.
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Die hier erwähnte Störung des OW-Radarbetriebs durch Impulsradargeräte
ist nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit zu erwarten, da zusätzlich zur Bedingung
"ungefähr gleiche Betriebsfrequenzen" bei einem hochselektiven Empfängereingangsfilter
im CW-Radargerät erfahrungsgemäß der Betrieb des CW-Radargerätes nur gestört wird,
wenn die Antennen
des Impulsgerätes und des CW-Radargerätes bis
auf Sichtweite sich direkt gegenüberstehen, d. h. sich gegenseitig "ansehen". Da
für das CX adargerät nach der Erfindung nur eine sehr geringe Empfängerbandteite
benötigt wird, und zwar beträgt diese bei einer Sendewellenlänge im cm-Bereich etwa
1 kHz bis 10 kHz, ist dieses Filter 8 zweckmäßigerweise für eine hohe Betriebsgüte
von etwa QB = 500 ... 1000 bei geringer Durchlaßdämpfung ausgelegt. Mit einem Hohlraumresonator
oder Koaxialkreis können diese geforderten Werte für das Filter erreicht werden
Eine Störung der vorgenannten Radardienste durch ein solches CW-Radargerät für Straßenfahrzeuge
mit relativ geringer Sendeleistung und Reichweite kann im Einsatzfall ausgeschlossen
werden.
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Für die Entfernungsmessung zu einem Ziel oder das Messen des Fahrabstandes
zu einem vorausbefindlichen Fahrzeug wird die Erfassungsreichweite des Radargerätes
über das einstellbarc Dämpfungsglied 4 in Abhängigkeit der Zeit verändert.
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Diese Veränderung kann über die Zeit schrittweise in Stufen oder kontinuierlich
nach einer stetigen Funktion durch die Reichweitensteuerung 5 erfolgen.
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Die Reichweite einer Radaranlage kann überschlägig an Hand der Radarformel
berechnet werden.
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Hierbei bedeuten: Rmax = maximale Reichweite des Radargerätes Pt =
abgestrahlte Sendeleistung G s Antennengewinn = = Reflexionsfläche des Ziels = Wellenlänge
der Sendeschwingung Smin = minimale, auswertbare Empfangsleistung Zur näheren Erklärung
des hier angewendeten Prinzips für die Entfernungsmessung soll angenommen werden,
daß das einstellbare Dämpfungsglied 4 über einen Drehantrieb betätigt werden muß,
wobei über einen Drehwinkel von Co bis 180° die Dämpfung von einem minimalen, gegen
Null strebenden Wert, linear bis zu einem maximalen wert ansteigt und dann über
den Drehwinkel von 1800 bis 3600 linear wieder bis zum minimalen Wert abnimmt.
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Im Bild 3 ist der hier beschriebene Dämpfungsverlauf über den Drehwinkol
vom Antrieb des Dämpfungsgliedes graphisch
wiedergegeben, Durch
den am Dämpfungsglied 4 eingestellten Dämpfungswert wird die abgestrahlte Sendeleistung
redudie ziert und gleichzeitigE eine Signalentdeckung minimal benötigte Empfangsleistung
um den Dämpfungswert erhöht.
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Die Reduzierung der Erfassungsreichweite des Radargerätes durch die
eingestellte Dämpfung am Dämpfungsglied - läßt sich über die vorerwähnte Radarformel
berechnen und wird qualitätiv und guantitativ auch im Bild 3 gezeigt. Bei bekannter
Reflexionsfläche kann mit dieser Meßweise die Entfernung zu einem Ziel aus der Angabe
ermittelt werden, über welchen Drehwinkel am Dämpfungsglied ein entdeckbares Echosigna
empfangen bzw. über welchen Drehwinkel kein Echosignal empfangen wird.
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Als Beispiel soll das CW-Radargerät gegen ein Ziel mit bekannter Reflexionsfläche
eine maximale Erfassungsrelchweite von lOC m haben. Bei einer Zielentfernung "E"
von 50 m ist dann - wie in Bild 3 gezeigt - über den Winkelbereich 0° # # ein entdeckbares
Echosignal zu erwarten und über den winkelbereich 180° ## kein Echosignal.
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Die Ungenauigkeit in der Entfernungsmessung liegt bei dieser Meßmethode
in den unterschiedlichen, wirksamen Reflexionsflächen der vom Radargerät angemessenen
Fahrzeugrückseiten. Ein Schwerfahrzeug mit einem kastenförmigen
Metallaufbau
könnte schätzungsweise eine wirksame Reflexionsfläche von ca. 8 m2 besitzen und
bei einem Motorradfahrer ist mit einer wirksamen Reflexionsfläche von etwa 0,8 m2
zu rechnen. Ist die Entfernungsangabe bei diesem Meßprinzip auf eine wirksame Reflexionshöhe
von 2,5 m2 bezogen, so wird gegenüber dem einen Extremwert von 8 m2 wirksamer Reflexionsfläche
eine um ca. 30 /o zu geringe und gegenüber den anderen von 0,8 m2 wirksame Reflexionsfläche
eine um 30 % zu große Entfernung angegeben, Bei kürzeren Meßentfernungen ist eine
erhöhung der Meßgenauigkeit zu erzielen, da über das für die Fahrspurtrennung benötigte
Antennendiagramm geringer Öffnungsbreite von ca, 1,20 im Azimut und über das nachfolgend
begründete Elevationsdiagramm mit etwa gleich hohen Bündelungswerten die Rückseiten
der großen Fahrzeuge nur teilweise vom Radargerät erfasst werden.
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Selbstverständlich gibt es für CW-Radargeräte Konzepte, die eine höhere
Meßgenauigkeit ermöglichen. Diese zeichnen sich gegenüber dem hier beschriebenen
Konzept jedoch durch einen erhöhten apparativen Aufwand aus und benötigen, was weit
mehr ins Gewicht fällt, eine größere Frequenzbandbreite. Durch die hohe Anzahl der
im Verkehr befindlichen Straßenfahrzeuge sind die für die Radargeräte benötigten
Bandbreiten und die damit zusammenhängende Verteilung von
Betriebsfrequenzen
ein Problem, das nachfolgend noch häher erläutert wird. Das hier beschriebene Entfernungs
meßprinzip zeichnet sich durch seine Einfachheit aus. Bei diesem Meßprinzip läßt
sich eine Erhöhung der Meßgenauigkeit z.B. durch die Normierung der Reflexionsflächen
von den Bahrzeugrückseiten bewirken. Diese Normierung kann bei großflächigen Fahrzeugrückseiten
durch hochfrequenzdämpfende Verkleidung (Absorber) und bei sehr kleinen Fahrzeugen
durch Anbringen von "Eckenreflektoren" bewirkt erden, Für die Entfernungsmessung
ist beim beschriebenen Radargerät eine Zyklusfrequenz von 2 Hz bis 3 Hz ausreichend;
daraus folgen pro Sekunde 8 bis 12 Entfernungsinformationen von dem nächst vorausbefindlichen
Fahrzeug. Bei einem Drehantrieb des Dämpfungsgliedes 4 ist es zweckmäßig, für die
Reichweitensteuerung 5 einen kleinen Elektromotor mit Untersetzungsgetriebe einzusetzen,
um entsprechend der obengenannten Zyklusfrequenz das Dämpfungsgliod mit 120 U/min
bis 180 U/min zu betreiben.
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Die Winkelinformationen vom Drehantrieb des Dämpfungsgliedes werden
in den Gefahrenprozeßrechner 17 eingegeben, der in Verbindung mit dem Vorhandensein
eines Dopplersignals die Entfernung des Ziels ermittelt. Bei den bisher
genannten
Zielinformationen, das sind Differenzgeschwindigkeit, Vorzeichen der Differenzgeschwindigkeit
und Entfernung, muß sichergestellt werden, daß diese von Fahrzougen oder Hindernissen
stammen, die sich auf der eigenen.
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benutzen Fahrspur befinden. Diese Fahrspurtrennung kann durch Wahl
eines geeigneten Summendiagramms der Antennen 1 und 2 erreicht werden.
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Wird eine maximal Meßentfernung von z.Be 100 für den hier beschriebenen
Einsatz als ausreichend angeseheh, so berechnet sich der horizontale Öffnungswinkel
des Antennendiagramms bei einer Fahrspurbreite von 3,5 m zu 180. # B αH' =
= 2° # # E Hierbei bedeuten: a X = Rechnerische@ Öffnungswinkel des horizontalen
Antennendiagramms B = Fahrspurbreite E = Maximale Meßentfernung gegen bekannte Zielreflexionsflächen
Da die praktisch zu realisierenden Antennen nur eine enaliahe Beldstärkeabnahme
an den gewünschten Diagrammgrenzen aufweisen, ist für diesen Anwendungsfall eine
horizontale Halbwertsbreite von circa
αH = 1,2° anzustreben,
Die Leistungsabnahme bei einem Diagrammwinkel > 20 beträgt dann etwa 10 dB. Die
Bündelung in der Vertikalen wird von der auf den Bundesstraßen und Bundesautobahnen
vorherrschenden Durchfahrtshöhen bei Überführungsn und Tunnels bestimmt und muß
mit etwa αV = 1,6° Halbwertsbreite angesetzt werden.
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Die Antennenabmessungen unter Berücksichtigung eine hohen Nebenzipfeldämpfung
( > 20 dB ) können überschlägig aus den nachfolgend genannten Gleichungen 70
# # 70 # DH = ; DV = αH αV (Hierbei bedeuten: DH = Horizontale Antennenabmessung
DV = Vertikale Antennenabmessung αV = Vertikale Halbwertsbreite x = Sendewelle
αH = Horizontale Halbwertsbreite) berechnet werden. Da Radgrgeräte für Straßenfahrzeuge
aus
naheliegunden Wünschen der Fahrzeughalter und Fahrzeugproduzenten
möglichst geringe Geräteabmessungen aufweisen sollten, insbesondere geringe Antennenabmessungen,
erhebt sich aus den vorgenannten Beziehungen die Forderung nach einer hohen Betriebsfrequenz.
Hier tritt jedoch das Problem der mit der Radarsendefrequenz zunehmenden Intensität
der Wetterstörungen auf.
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Allgemein kann gesagt werden, daß Wetterstörungen den Betrieb eines
CW-Radargerätes in stärkerem Maße nachteilig beeinflussen als den Betrieb eines
Impulsradargerätcs, Der Grund dafür ist der ständige Empfang von Regen-, Schnee-
oder Hagelechos über kürzeste Laufwege, d.h. der ununterbrochene Empfang von Störechos
aus Gebieten dicht vor der Antenne und größter Feldstärke vom Radarsender.
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Die empfangende Echoleistung eines Nutzzicls nimmt demgegenüber mit
zunehmender Entfernung entsprechend der Radarformel ab, was dann zu einem ungünstigen
Verhältnis zwischen empfangener Nutzecholeistung und Störecholeistung beiträgt.
Bei einem Impulsradar hingegen werden die Wetterstörungen unter anderem durch das
von der Auflösungszelle ausgeleuchtete Regenvolumen bestimmt. Die vom Impulsradargerät
empfangenen Echoleistungen von ,Xetterreflexionen und Nutzzielreflexionen erfahren
mit der Entfernung zum Radargerät in gleichem Maße die nach dem Radarprinzip erklärbare
Loistungsabnahme.
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Daß trotz dieses hier gezeigten Nachteils einem CW-Radarkonzept der
Vorzug gegeben wird, liegt darin begründet, daß mit einem CW-Radargerät in einfachster
Weise und mit geringem Schaltungsaufwand über den Dopplereffekt die Differenzgeschwindigkeit
zu einem Ziel ermittelt werden kann. Um den Dopplereffekt bei einem Impulsradargerat
für den gleichen Zweck auszunutzen, bedarf es aufwendiger Pulsdoppler- oder MTI-Systeme
(Moving Target Indication).
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Unter Berücksichtigung der vorgenannten Zusammenhänge zwischen Sendefrequenz
und Wetterstörungen ist bei einer als ausreichend angesehenen größten Meßentfer-n,ung
von 100 m gegen Fahrzeuge mit mittleren Heckreflexionsflächen von 2,5 m2 und den
in unseren Breitengraden vorherrschenden Niederschlagsintcnsitätcn eine 2 cm-Welle
als eine kurze Sendewelle noch einsetzbar. Als zugelassene Radarfrequenzen-stehen
hier die Bänder 13,5 GHz bis 14 GHz und 15,4 GHz bis 15,7 GHz zur Verfügung. Die
Antennenabmessulgen werden hierbei DH = 116 cm und DV = 87 cm, wobei bedeuten: DH
= Horizontale Antennenabmessung f.d. Summendiagramm DV = Vertikale Antennenabmessung
Di£
relativ große horizontale Abmessung von 116 cm über die beiden Antennen 1 und 2
ist für diesen Anwendungszweck sogar erwünscht. Die Antennenbreite soll sich möglichst
über die ganze Fahrzeugbreite erstrecken, um über das Nahfelddiagramm der Antennen,
das sich etwa bis zu einer Entfernung von 2 angenähert schlauchförmig mit dem Querschnitt
der Antennetzfläche ausdehnt, Hindernisse auf den vorausbefindlichen Fahrspurabschnitt
über die Fahrzeugbreite entdecYen zu können, Eine Vergrößerung der Antennenbreiten
auf die entsprechenden Fahrzeugabmessungen unter Beibehaltung der benötigten Bündelungswerte
ist technisch möglich und kann zu einer Verringerung der Nebenzipfel herangezogen
worden.
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Die vertikale Abmessung von 87 cm der Antennen kann; bui Reduzierung
der Nebenzipfeldämpfung auf etwa 13,5 dB bis auf ca. 65 cm verringert werden.
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Die Antennen sollten möglichst horizontal polarisiert sein, um Reflexionen
von der Fahrbahndecke gering zu halten. 3ei Fahrbahndecken mit geringer Rauhigkeit
ist wegen des g£-ringen Auftreffwinkels der @elle mit Totalreflexion zu rechnen.
Als Antennenarten sind für diesen Einsatz wagen
ihrer geringen
Bautiefen Triplate-Antennen oder andere Forien von Schlitzstrahlantonnen vorteilhaft
einsetzbar.
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Die Antennen werden, wie im Bild 1 angedeutet, über das Lenkgetriebe
des Fahrzeuges mit dem Lenkausschlag der Vorderräder geschwenkt, um den in Fahrtrichtung
vorausbefindlichen Teil der Fahrspur über das Summendiagramm der Antennen 1 und
2 zu erfassen.
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Eine.geringe Übersteuerung der Antennenschwenkung (d.h.
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der Antennenschwenkwinkel ist etwas größer als der Einschwenkwinkel
der Vorderräder) wirkt sich dabei günstig auf die Fahrspurerfassung bei Fahrbahnkrümmungen
aus. Bei einer voreseheilen Wellenlänge von # = 2 cm wird (bei einer Differenzgeschwindigkeit
von 1 km/Std.) die Dopplerschwebungsfrequenz fD = 27,8 Hz Als höchste und noch sinnvoll
vom Radargerät anzuzeigende Differenzgeschwindigkeit kann ca. 250 km/Std. angesetzt
werden. Die Erfassungsreichweite des Radargerätes reicht bei dieser Differenzgeschwindigkeit
als Bremsweg zwar nicht mehr aus, die über das Radargerät abgegebene warnung kann
jedoch als eine Aufforderung zu einen Ausueichmanöver mit einer eventuellen Abbremsung
des Fahrzeuges verstanden
werden. Diese oben angeführte hohe Differenzgeschwindigkeit
tritt praktisch auch nur bei Überholvorgängen auf zwei spurigen Bunde@straßen auf.
Das dabei auftretende Gefahrenmoment kann in den häufigsten Fällen durch Überwechseln
auf die Fahrspur übereinstimmender Fahrtrichtung beseitigt werden. Das Melden eines
entgegenkommenden Fahrzeuges über eine Distanz von 100 m trägt auch bei einem Überholvorgang
mit hoher Differenzgeschwindigkeit mittelbar zur Erhöhung der Verkehrssicherheit
bei. Die maximal auszuwertende Dopplerschwebungsfrequenz wird nach diesen Überlegungen
fDmax = 6950 Hz Soll dos Radargerät auch noch sich entfernende Fahrzeuge über eine
geringe Differenzgeschwindigkeit erfassen, so ist (sinnvollerweise) ein Frequenzabstand
von 10 kHz zwischen den Betriebsfrequenzen der Radarsender einzuführen. Dieser geringe
Frequenzabstand zwischen den Betriebsfrequenzen setzt jedoch eine hohe relative
Frequenz konstanz von = # + 10 = = Unerwünschte Frequenzänderung des Senders im
Betrieb fn = Betriebsfrequenz um 15 GHz n = 1; 2; 3
über alle auf
die Frequenzen des Radarsenders sich aus--irkenden Betriebsparameter voraus. Diese
hohe relative Frequenzkonstanz eines Radarsenders kann nur mit einem großen Schaltungsaufwand
erreicht werden, wie z.B. durch Einsatz eines Oberwellen-Quarzsoszillators mit Leistungsstufe
und Frequenzvervielfacherstufen. Um preisgünstigere Senderarten wie Gunn-C sz illat
oren, Impatt-Oszillatoren oder Klystroms einsetzen zu können, darf nur mit einer
relativen Frequenzkonstanz von etwa + 5.10-4 über alle Betriebsbedingungen gerechnet
werden. Nimmt man ferner an, daß für diesen Einsatz von Radargeräten ein Frequenz
band von 215 Hz in einem der vorgenannten Radarfrequenzbänder 13,5 GHz bis 14 GHz
oder 15,4 GHz bis 15,7 GHz freigehalten wird, so ist wegen der zu erwartenden relativen
Frequenzkonstanz der Radarsender das effektiv ausnutzbare Frequenzband nur noch
200 MHz breit. Eine Aufgabe besteht nun darin, die Betriebsfrequenzen der eingesetzten
Radargeräte möglichst gleichmäßig über das Frc quenzband und den Einsatzraum zu
verteilen. Eine gleichmäßige Verteilung der Betriebsfrequenzen über den Einsatzraum
könnte z.B. über die einzelnen Kraftfahræeug-Zulassungsstellen erfolgen, Für ein
möglichst gleichmäßiges Verteilen der Betriebsfrequenzen über das vorhandene Frequenzband
ist folgendes System vorteilhaft.
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Bei einer konstant gehaltenen und vorgegebenen Umgebung 5 temperatur
von z.B, 200 C werden die Sender nach ausreichender Einlaufzeit und in ihrer Anzahl
gleichmäßig verteilt auf Betriebsfrequenzen abgestimmt. Die zu erwartenden relativen
Frequenzkonstanten entsprechen bei gleichgehaltener Umgebungstemperatur in etwa
der von thermostatisierten, freischwingenden Oszillatoren und können mit # f' #
# 10-5 fn angesetzt werden. Ferner ist zu erwarten, daß die auf die Betriebsfrequenzen
abgestimmten Sender durch die übrigen frequenzbestimmenden Parameter, wie z.B. Versorgungs-Spannung,
^bgleichtoleranz usf. mit ihren Sendefrequenzen nach einer Gauß'schen Dichtefunktion
um die Betriebsfrequenzen verteilt sind, wobei der Treffunsicherheitsbereich #f'
also 36 - wert angenommen werden kann. Die Betriebsfrequenzen können dann im Abstand
von #@ f(n+1)-fn = # = # 50 kHz 3 # = Mittleres Streumaß über das zur Verfügung
stehende Frequenzband von 200 Iz angeordnet werden Die Aufteilung des Frequenzbandes
in 4000 Betriebsfrequenzen in Verbindung mit den angenommenen
Frequenzstreuungen
erlauben eine angenähert gleichmäßige Belegung des Frequenzbandes mit Sendefrequenzen.
Die Frequenzänderungen im Einsatz durch die Temperaturabhängig keit der Sender wie
z.B. Vergrößerung des Hohlraumresonators durch Temperaturerhöhung und damit Verringerung
der Sendefrequenz, kann als systematischer Fehler angenammen werden und wird durch
das Einführen der Sicherheitsabstände an den Bandgrenzen berücksichtigt, Die Wahrscheinlichkeit
dafür, daß zwei Radargeräte für Straßenfahrzeuge beim Treffen im Verkehr durch Gleichwellenbetrieb
sich stören ist: pn(k) = (k@)#p@@@#(1-p)@@@=5#10-@ Pn(k = Wahrscheinlichkeit für
"k=2" innerhalb einer Betriebsbandbreite von 10 kHz überein stimmende Sendefrequenzen
bei "n=2"Proben p = Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Sendefrequenz in
einer Betriebsbandbreite von 10 kHz (p=5.10 5) Eierbei ist zu bemerken, daß wegen
der Fahrtrichtungstrennung vorzugsweise nur das Radargerät mit der tieferen Sendefrequenz
gestört wird. Die zu erwartende Störwahrscheinlichkeit
ist für
den praktischen Einsatz zu hoch.
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Betrachtet man z.B. den entgegenkommenden Verkehr auf einer Autobahn,
so kann ein einzelnes Fahrzeug mit über 500C anderen Fahrzeugen pro Stunde in "Berührung"
kommen. Um die Wahrscheinlichkeit für eine Störung durch Radargeräte anderer Fahrzeuge
zu reduzieren, wird vorschlagegemäß bei vorliegenden Radarinformationen der Sender
7 vom Gefahren-Prozeßrechner 17 in seiner Frequenz umgeschaltet. Liegen bei beiden
Sendefrequenzen übereinstimmende Radarinformationen wie Dopplerschwebungssignal,
Zielentfernung, Fahrtrichtung usf. vor, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit ein nicht
gestörter Betrieb anzunehmen. Sind die Radarinformationen unterschiedlich, so ist
mit einem Störungsfall zu rechnen und der Sender wird auf eine dritte Sendewelle
umgeschaltet, Die von zwei Sendefrequenzen übereinstimmenden Informationen werden
hierbei als die wahrscheinlich Richtigen angesehen und vom Gefahrenprozeßrechner
17 ausgewertet.
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Die Anzahl der Störungen beim Autobahnverkehr bezogen auf ein Einzelfahrzeug
mit 5000 Proben pro Stunde ist für das betrachtete Frequenzumschaltsystem p'n(k)
= (@#) #Pa@ (1-Pa)@@@# 0,5#10@@@/Stunde n = 5000/Std.; k = 2; pa = p2 = 25.101o
Die
Wahrscheinlichkeit für 3 oder mehrere Frequenzübereinstimmungen sind hierbei nicht
berücksichtigt worden, sie verändern das Ergebnis nur noch geringfügig.
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Die Frequenzumtastung des Sender 7 ist technisch möglich und kann
z.B. bei einem I(lystronsender durch Verändern der Reflektorspannung vorgenommen
werden. Beim Einsatz eines Impatt-Oszillators oder Gunn-Oszillators als Radarsender
ist die Frequenzumtastung durch mechanische Veränderungen am Hohlraumresonator des
Oszillators zu erreichen. Die für diesen Radareinsatz benötigte Sendeleistung beträgt
unter der Voraussetzung eines Radarempfängers mit praktisch erzielbarer Empfindlichkeit
etwa 10 mW Dauerstrich. Dieser Leistungswert wird bei Halbleiteroszillatoren für
die gewünschten Frequenzen um 15 GHz heute erreicht und sogar überschritten.
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Die bisher beschriebenen Radarinformationen können über den Gefahren-Prozeßrechner
Falschmeldungen auslösen. Als Beispiel ist in Bild 4 eine gekrümmte Fahrbahn mit
einem auf der Gegenspur entgegenkommenden Fahrzeug gezeigt. Leine über das Radargerät
abgegebene Gefahrenmeldung wäre nicht zut-reffend. Um solche Verkelirssituationen
zu erkennen und entsprecllende Informationen dem Gefahren-Prozeßrechner 17 eingeben
zu können, dienen das Di.fferellzdiagramm der Antennen
und der
Differenzkanal des ;7adargerätes mit dem Diskriminator 16.
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Im Bild 5 sind zur näheren Erklärung der Funktion des Differenzkanals
die Signale des Summenkanals und des Differenzkanals für gezeigte Zielpositionen
aufgeführt.
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Es ist zu erkennen, daß die amplitude des Differenzsignals von einem
Ziel in Strahlrichtung der Antenne besonders stark mit dem Zielwinkel llalt sich
verändert « Ferner ist ein Phasensprung von 1800 zu verzeichnen, wenn das Ziel bezogen
auf den Äbstrahlwinkel von 0 der antennen, seine Seitenlage wechselt. Das Differenz
signal steht am Differenzarm der im Bild 1 gezeigten hybriden Verzweigung 3 am und
wird über ein Empfänger-Eingangsfilter 9 einem Mischer 11 zugeführt. Das Empfänger-Eingangsfilter
9 erfüllt den gleichen Zweck wie das Filter 8 im Summenkanal. In dem Mischer 11
wird die empfangene Schwingung mit der vom Sender 7 erzeugten Schwingung gemischt.
Das an der Mischdiode entstehende Dopplerschwebungssignal wird von einem Verstärker
14 verstärkt und einem Phasen-Amplitudendis kriminator 16 zugeführt. Aus den Phasenlagen
der Schwingungen des Summensignals und Differenzsignals liefert der Diskriminator
16 dem Gefahren-Prozeßrechner Informationen, aus denen die Seitenlage des Ziels
bezogen auf die Abstrahlrichtung 0° der antennen hervorgeht, Ferner wird im Diskriminator
16
die @mplitudenabhängigkeit des Differenzsignals vom Eintreffwinkel der Echowelle
ausgewertet, um Winkelveränderungen des Ziels als weitere Information dem Gefahren-Prozeßrechner
17 einzugeben. Die iill Bild 4 gezeigte Verkehrs situation und andere dazu ähnliche
Situationen wie Bäume, Schilder, Brückenpfeiler und dergleichen an den Fahrbahnseiten
können über die Informationen Entfernung und Vinkelveränderung in Abhängigkeit der
Entfernung als ungefährliche Verkehrssituationen erkannt werden. Zur näheren Erklärung
für die Auswertung der vorgenannten Informationen dient das Bild 6, in dem drei
verschiedene Verkehrssituatinonen sowie an Hand eines Diagramms die entsprechenden
Veränderungen der Zielablagen in @bhängigkeit der Entfernung gezeigt werden. Zum
besseren Verstehen soll angenommen werden, daß das mit Radar ausgerüstete Bezugsfahrzeug
"D" feststeht und die anderen Gegenstände, das sind der Baum "A" und die Fahrzeuge
113 und "C", die Relativbewegungen ausfünren. Aus der Verkehrsskizze und dem Diagramm
ist erkenntlich, daß der Baum "A" bei ausreichender Entfernung zum Fahrzeug 1£ 'D"
das Antennendlagramm, d.h. in etwa die augenblickliche Fahrtrichtung des Fahrzeugs
"D", mit hohen Werten für den Differenzquotienten #B kreuzt. Ähnliche Informationen
lie-#E gen vom Fahrzeug "@" vor; die beiden gezeigten Verkehrssituationen sind als
unbedenklich zu bezeichnen. Anders
ist die durch das Fahrzeug "C"
hervorgerufene Verkehrssituation mit ihren Gefahrenmomenten, die über die Informationen
geringe Meßentfernung sowie geringe und zugleich mit dem Annähern abnehmende Werte
des Differenzquotienten AB erkennbar sind, Als 6. Information wird dem Gefahren-Prozeßrechner
17 7 über das Tachometer die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeugs in geeigneter Form
eingegeben um in Verbindung mit der gemessenen Entfernung zu einem vorausfahrenden
Fahrzeug Meldungen zum Einhalten eines ausreichenden Fahrabstandes ableiten zu können.
Im Bild 7 ist als Beispil ein Meldeprogramm des Gefahren-Prozeßrechners 17 in Form
einer Tabelle gezeigt. Die Kreuze in den Spalten der Tabelle stehen für das Vorhandensein
der Signale oder Informationen. Die mit den Kreuzen angezeigten Informationen einer
Zeile sind konjunktiv verbunden, ein Additionszeichen zwischen zwei Kreuzen bedeutet
eine logische ODER-Verknüpfung der Signale für eine Gefahrenmeldung. Der Gefaliren-Prozeßrechner
17 ist vorzugsweise ein Analogrechner, da die als Eingabedaten vorliegenden Meßwerte
in einfachster Weiso als wertproportionale Spannungen oder Ströme zu erstellen sind.
Ferner sind einige Meßwerte für eine Gefahrenmeldung über nicht lineare Funktionen
zu verknüpfen, was wiederum bei einem Analogrechner relativ einfach über Funktionsnetzworke
durchgeführt
werden kann. Von den Radargeräten können Fahrzeuge,
die die Fahrtrichtungen der ihnen zugeordneten Fahrzeuge kreuzen, nicht oder für
eine wirkungsvolle Sollisionsmedlung zu spät angezeigt werden. Solch eine Situation
ist z.B. gegeben, wenn aus einer bebauten und nicht einsehbaren Seitenstraße ein
Fahrzeug hervorfährt und die Fahrtrichtung anderer Fahrzeuge kreuzt. Diese gefahrliche
Verkehrssituation ist nicht nur mit Radar, sondern auch über andere Meßmethoden
schwer zu erfassen.
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Ein wirkungsvoller Einsatz solcher Radargeräte für Straßenfahrzeuge
in Hinblick auf die Reduzierung von Auffahrunfällen insbesondere bei Kolonnenfahrten
ist auf den Bundesautobahnen und Bundeetraßen zu erwarten. Selbst im Stadtverkehr
mit den oft komplexen Verkehrssituationen ist mit einem Nutzen der Radargeräte auf
die Erhöhung der Verkehrssicherheit zu rechnen.