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Anordnung zur Messung der Geschwindigkeit von bewegten Gegenständen
mit Hilfe elektromagnetischer Wellen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung
der Geschwindigkeit oder ihrer Komponenten von bewegten Gegenständen mit Hilfe elektromagnetischer
Wellen.
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Bekanntlich wird zur Geschwindigkeitsmessung bewegter Gegenstände
- z.B. Fahrzeuge, Flugkörper etc. - häufig die @@@@@@ Verschiebung einer elektromagnetischen
Welle, das sog.
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Dopplerradar herangezogen. Aus Gründen der Antennenbündelung und der
Höhe der Dopplerfrequenz, die proportional zur Trägerfrequenz ist, werden solche
Messungen vorzugsweise im Mikrowellenbereich vorgenommen.
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Wird zum Senden und zum Empfang der reflektierten Strahlung eine konzentrierte
Antenne herkömmlicher Bauart benutzt oder sind derartige Sende- und EmpSangsantennen
dicht neben einander aufgestellt, so fällt für Maßobäekte, die sich im Fernfeld
der Antenne befinden, die Leistung der reflektierten Welle mit der vierten Potenz
der Entfernung ab. Soll die Geschwindigkeit eines Meßobaektes über einen größeren
Entfernungsbereich gemessen werden, so muß zur Erreichung genügenden Störabstandes
bzw. genügender Meßgenauigkeit die Leistung oder Empfindlichkeit der Radaranlage
auf die schwache Reflexion des fernsten Punktes des Meßobjektes dimensioniert werden.
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Dies führt insbesonders dann zu großen Schwierigkeiten, wenn der Reflexionsquerschnitt
des Meßobjektes sehr klein ist und wenn durch die Umgebung sehr starke Reflexionen
anderer Gegenstände auftreten. In geschlossenen Räumen können auch
Mehrfachreflexionen
an Wänden und Einrichtungsgegenständen solche Messungen sehr erschweren, wenn die
Nutzreflexion klein gegen die Störungen wird0 Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, eine Anordung zu schaffen, bei welcher die Strahlungs-Intensität längs der
Meßstrecke konstant bleibt und somit die Meßgenauigkeit der Geschwindigkeit unabhängig
von der Entfernung des Meßobjektes vom Sende- und Empfangsgerät wird.
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Erfindungsgemäß wird zur Messung der Geschwindigkeit von bewegten
Gegenständen mit Hilfe elektromagnetischer Wellen vorgeschlagen, als Antennen gleichmäßig
abstrahlende Wellenleiter zu verwenden, die annähernd parallel zur Bewegung richtung
der zu messenden Gegenstände angebracht sind.
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3anstelle der Geschwindigkeit selbst können auch die Komponenten der
Geschwindigkeit in einer Richtung parallel zur Antennenleitung bestimmt werden.
;Ibls Antenne verwendet man ein Leitungsgebilde, das eine elektromagnetische Welle
nur teilweise zu führen vermag und zum anderen Teil abstrahlt, wobei diese "verteilt
strahlende Antenne" in etwa parallel zur Bewegungsrichtung des zu messenden Gegenstandes
geführt wird. Bei geeigneter Dimensionierung des Leitungsgebildes kann so erreicht
werden, daß die Strahlungsintensität längs der gesamten Meßstrecke annähernd konstant
bleibt und somit die Meßgenauig keit der Geschwindigkeit unabhängig von der Entfernung
des Meßobjektes wird.
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Insgesamt kann sich damit auch der Bedarf an Sendeleistung soweit
verringern, daß eine Verwendung leistungsschwacher Mikro~ wellenoszillatoren - z.B.
Halbleiteroszillatoren - möglich wird. Die Messung erfolgt hierbei im Nahfeld der
Antenne, da der Abstand des Meßobektes klein gegenüber den Längsabmessungen der
Antenne ist0 Ein Strahlungsdiagramm der Antenne kann demzufolge nicht in Ebenen
definiert werden, deren Normalen senkrecht zur Längs ausdehnung der Antenne stehen.
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Zur näheren Erläuterung nögen die beiliegenden Figuren dienen, Es
zeigen: Fig. la einen Rechteck-Hohlleiter mit einem Schlitz in der Mittellinie einer
Wandfläche; Fig. Ib den gleichen Hohlleiter mit gegenüber der Mittellinie versetztem
Schlitz; Figo 2 einen Rechteck-Hohlleiter mit versetztem Schlitz in einer Wandfläche
und in der Mittelachse liegendem Schlitz in der gegenüber liegenden Wandfläche;
Fig. 3 die schematische Anordnung einer-Sende-Antenne mit mehreren Oszillatoren
und gesondertem Mutter-Ossillator; Fig. 4 die schematische Anordnung einer Sende-Antenne
mit mehreren Oszillatoren und an das Leitung system angekäppeltem Mutter-Oszillator;
Fig. . für Sendung und Empfang gemeinsame Antenne; Fig. 6 Sende-Antenne und Empfangs-Antenne
getrennt zu beiden Seiten der Fahrbahn; Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Rechteck-Hohlleiter
mit Abstrahl-Diagramm und bewegtem Gegenstand; Fig. 8 Querschnitt durch unmittelbar
nebeneinander liegende Rechteck-Hohlleoter für Sendung und Empfang; Fig. 9 rechteckige
Sende-Antenne und Empfangs-Antenne in größerem Abstand von einander; Fig. 10 einen
Antennen-Xohlleiter mit an beiden Enden der Sendeseite angeordneten Empfängern.
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Als Beispiel für eine Antenne mit Längsschlitz kann eine Anordnung
nach Fig. 1 b angegeben werden. Um die Verlustdämpfung der Leitungsanordnung klein
gegenüber der Strahlungsdämpfung zu machen, verwendet man zweckmäßig einen Rechteckhohlleiter
42 mit H10 - Welle. Ein Schlitz 43 in der Rohlleiterwand parallel zur Längsachse,
der in der Mitte der breiten Seite angebracht ist, strahlt bekanntlich nicht ab,
da er keine Wandströme unterbricht (Fig. 1 a)O Versetzt man jedoch den Längsschlitz
43 zur Seite, wie dies im Schnittbild der Fig. 1 b gezeigt ist, so ergibt sich eine
teilweise Abstrahlung der Hohlleiterwelle in den umgebenden Raum. Die Stärke der
Abstrahlung bzw. die
Strahlungsdämpfung der Hohlleitung kann durch
den Abstand e des Schlitzes 43 von der Hohlleitermitte und durch die Schlitzweite
eingestellt werden. So ergibt sich z.B. für eine Schlitz~ weite von 1 mm bei einem
Abstand e = 1,2 mm von der Mitte eines 3and-Hohlleiters bei d0 GHz eine Strahlungsdämpfung
von 1 dB/m.
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Fu'r eine längere Meßstrecke ist es notwendig, um die Abstrahlungsleistung
pro Längeneinheit konstant zu halten, die Strahlungsdämpfung entfernungsabhängig
zu machen. So muß man in Sendernähe weniger Strahlungsdämpfung erzeugen als in größerem
Abstand vom Sender. Dies kann z.B. durch eine Variation des Schlitzabstandes e von
der Rohlleitermitte erfolgen, wobei sich e stetig ändern kann (schräger Schlitz)
oder auch stufenförmig. Wegen der im Hohlleiter herrschenden Phasengeschwindigkeit,
die höher ist als im umgebenden freien Raum ergibt sich eine Richtung der abgestrahlten
Welle, die zur Ausbreitungs richtung im Hohlleiter einen spitzen Winkel p( bildet.
Der Winkel errechnet sich aus cos α = r: o/ HX wobei A die Wellenlänge im
Freiraum und 2 H die Wellenlänge im Hohlleiter darstellt. Für 10 GHz ergibt sich
beim X-Band-Hchlleiter ein Winkel von etwa 45° zur Längsachse des Hohlleiters0 Eine
Beeinflussung des senkrecht zur Hohlleiterachse zu messenden Strahlungadiagrammes
kann durch eine geeignete Formgebung nach bekannten Regeln des Mikrowellenantennenbaues
erfolgen, wie dies als keilförmige Erweiterung 53 des Strahlung schlitzes 43 in
Fig. 2 oben angedeutet ist.
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Eine Verformung der Abmessungen des Hohlleiters durch akuxtische Schockwellen,
die zu einer Veränderung der Phasengeschwindigkeit der Welle im Hohlleiter und damit
zu einer Vortäuschung einer Dopplerverschiebung fffhren könnte, kann durch einen
zweiten Schlitz im Hohlleiter entgegengewirkt werden.
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Befindet sich der zweite Schlitz 44 wie in Fig. 2 auf der Unterseite
des Hohlleiters gezeigt, in der Mitte dieser Seite, so dient er nur als Luftaustrittsöffnung
ohne aber abzustrahlen.
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Für sehr lange Meßstrecken, bzw. für starke Abstrahlung pro Längeneinheit
kann es zweckmäßig sein, die Sendeleistung nicht nur an einer Stelle, z.B. am Ende
der Antennenanlage zu erzeugen, sondern die Sendeleistung an mehreren Stellen in
die Antennenleitung einzuspeisen. So ist es z.B. möglich (Fig. 3) an einer Stelle
einen besonders frequenzstabilen Mutteroszillator 1 zu verwenden und von diesem
durch Verstärkung oder Synchronisation von weiteren Oszillatoren weitere Sendeleistungsquellen
2 phasenstarr zu steuern und deren Leistung an mehreren verschiedenen Stellen in
die Antennenleitung 3 einzuspeisen.
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Vorzugsweise kann als Verteilungs- oder Synchronisationsleitung zur
Verkopplung mehrerer Oszillatoren die Antennenleitung selbst verwendet werden In
diesem Falle ist es z.B.
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möglich, den Mutteroszillator 1 an einer Stelle an das strahlende
Leitungssystem 9 anzukoppeln und all weiteren Stellen, an welchen die Leistung gerade
bis ZU einer für die Synchronisation oder Verstärkung noch ausreichenden Schwelle
abgesunken ist, einen weiteren Oszillator oder Verstärker 2 anzuschließen, der die
Leistung für einen neuen Antennenabschnitt wieder auf einen ausreichenden Wert anhebt
wie dies in Fig. 4 skizziert ist.
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In gleicher Weise kann es zweckmäßig sein, bei dem Antennenhohlleiter
Verstärker für eine Anhebung des reflektierten Signales vorzusehen.
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Wie bei Radargeräten üblich, kann die Messung sowohl mit einer gemeinsamen
Antennenanlage für Senden und Empfang durchgeführt werden als auch mit getrennter
Sende- und Empfangsantenne. Der erste Fall ist in Fig. 5 skizziert, Hier ist der
Sender 4 vom Empfänger 5 über eine Weiche 6 (z.B. Zirkulator) entkoppelt. Die gemeinsame
Hohlleiterantenne 7 mit verteilter Strahlung 8 nimmt auch die vom eßobjekt 10 ausgehende
reflektierte Strahlung 9 auf o Hierbei ist es gleichgültig, ob das Meßobjekt sich
in Richtung 11 oder 12
Im Falle getrennter Antennen (Fig. 6) speist
der Sender 13 den etreblenden Hohlleiter 14 der Empfänger 15 ist an einen zweiten
gleichartigen Hoblleiter 16 angeschlossen. Die Sendestrahlung 17 wird vom Meßobjekt
18 reflektiert und in Richtung 19 von der Empfangzantenne 16 aufgenommen. Die auswertung
- Eildung der Differenzfrequenz, Auszählung der Nulldurchgänge usw. - erfolgt in
der bei Dopplerradargeräten üblichen Weisen Die Anordnung mit gemeinsamer Sende
empfangsantenne ißt in Fig. 7 in einem Schnitt senkrecht zur Antennenlängeachse
bzw.
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senkrecht zur Bewegungerichtung des Meßobjektes 22 nochmals skizziert,
um eine beispielhafte Form des Antennendiagramms 21 senkrecht zur Längsachse des
geschlitzten Iohlleiters 20 aufzuzeigen.
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Eine Anordnung mit getrennten Antennen nach Fig. 6 kann sowohl mit
nebeneinander liegenden Hohlleitern 23 und 27 nach Fig. 8 als auch mit weiter voneinander
entfernt angebrachten Hohlleitern 28 und 32 gemäß Fig. 9 ausgeführt werden. Die
Anordnung nach Fig. 9 kann zu einer besseren Entkopplung der Sende- und Empfangs
zweige führen.
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Zur Berechnung der Geschwindigkeit des Meßobjektes ist die Phasengeschwindigkeit
im Antennenhohlleiter zugrundezulegen, die Freiraumausbreitung und der Abstrahlungswinkel
1 α (s.oben) spielen so lange keine Rolle, solange die Bewegungsrichtung des
Meßobjektes parallel zum Antennenhohlleiter verläuft.
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Tritt eine Bevegungskomponente senkrecht hierzu auf, ist auch eine
Freiraumausbreitung zu berücksichtigen.
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Rüstet man den Antennenhohlleiter sowohl auf der Sendeseite (Fig.
10) mit einem Empfänger F1 (34) als auch an dem dem Sender gegenüberliegenden Ende
mit einem zweiten Empfänger 35 aus, so lassen sich mit dieser Anordnung die Längskomponenten
40 von den Querkomponenten t1 der Bewegung des Meßobjektes 37
trennen.
Die Eigenschaften des geschlitzten Hchllsiters bewirken, daß der Winkel α
der abgestrahlten Welle 36 gleich ist dem Winkel α 1 aus der eine reflektierte
Welle 38 aufgenommen wird, die im Hohlleiter 33 auf den @@@pfänger 34 zuläuft. Im
gleichen Winkel α 2, aber in Gegenrichtung vensetzt, wird auch reflektierte
Strahlung 39 aufgenonnen und läuft über den Hohlleiter 33 zum zweiten Empfänger
35. In diesem Empfänger bildet sich eine Differenzfrequenz, die nur von der Querkomponente
der Bewagung ahhängt, da eine vom Sender an der Stelle 34 ausgehende Welle unabhängig
ges er Stellung des meßobjektes in Längsrichtung 40 immer die gleiche Entfernung
über 33, 36, 39 und wieder 33 bs zum Empfänger 35 zurücklegt. Der Empfänger 35 kann
aus einer einfachen Mikrowellenmischdiode bestehen.