DE2237139A1 - Anordnung zur eigengeschwindigkeitsbestimmung eines erdgebundenen fahrzeuges - Google Patents

Description

• "Anordnung zur Eigengeschwindigkeitsbestimmung eines erdgebundenen Fahrzouges" Die Erfindung betrifft eine Anordnung, die in oder an einem erdgebundenen Fahrzeug (Land- oder Wasserfahrzeug) dessen Eigengeschwindigkeit dadurch bestimmt, daß sie unter vorgegebener Ausrichtung zur Fahrzeuglängsachse über mindestens eine Antenne elektromagnetische Wellen nach dem Rückstrahlprinzip zum Erdboden gerichtet aussendet und von dort reflektierte Anteile der Wellen wiederempfängt und daß sie die Goh schwindigkeitsinformation aus den wiederempfangenen Wellen unter Ausnutzung des Doppiereffektes ahleitet.
• Eine derartige Anordnung wird zu ihrer vereinfachten neschreibung im folgenden als Doppler-Radargerät bezeichnet, obwohl die definitionsgemäß bei einem Radargerät erfolgende Zielentdeckung und Zielentfernungsbestimmung beim Brfindungsgegenstand grundsätzlich nich-t erforderlich ist.
• Zur Messung der Eigengeschwindigkeit von erdgebundenen Fahrzeugen ist es in manchen Fällen nicht möglich, die Umdrehung eines Laufrades heranzuziehen. So ist z. ß. die Eigengeschwindigkeit eine wichtige Vergleichsgröße für die Funktion von Antiblockiervorrichtungen n Kraftfahrzeugen. Hierbei kann wegen des auftretenden Schlupfes zischen Rad und Fahrbahn die Radumdrchung zu einer genauen Messung nicht herangezogen werden.. Ähnliches. gilt in manchen Fällen für Kettenfahrzeuge. Auch bei Magnctkissenbahnen ist kein Laufrad vorhanden. In diesen Fallen ist eine genaue Geschwindigkeitsmessung mit llilre eines Mikriowellen-Doppler-Radargerätes möglich. Auch bei Anlegemanövern großer Schiffe kann z. B.
• die Geschwindigkeit gegeniiber einer Kaimauer auf diese Weise gemessen werden.
• Bei allen diesen oben beschriebenen Anwendungen ist der Abstand zwischen der am Fahrzeug angebrachten Radarantenne und dem als Reflektor dienendem Erdboden (Fahrbahn) sehr klein, wenn man sonstige bekannte Radarverfahren zum Vergleich heranzieht. I)ieser Abstand ist in der Größenordnung einiger Wellenlängen bzw. in der Größenordnung der Antennenabmessungen. Der reflektierende Frdbolen befindet sicji demnach im Nahfeld der Antenne. Bringt man eine solche Radarantenne 1 z. B. an der Unterseite des Fahrzeuges 2 an, so muß einerseits die Antenne eine gewisse Richtwirkung bzw. Bündelung besitzen, um einen Winkel # definieren zu könnens den die Mitte des ausgesendeten "Strahls" mit dem Erdboden 3 bildet (Fig. 1). Andererseits muß die Strahlmitte in (oder gegen die) Fahrtrichtung geneigt sein, um ilberhaupt eine Dopplerverschiebung der diffus reflektierten Welle zu bekommen, da die Dopplerfrequenz proportional zum cos ç ist.
• Durch den vorgegebenen geringen Abstand zwischen Fahrzeug 2 und Boden 3 können auch die Abmessungen iiblicher Antennen (z. B. Trichter.straiiler, Parabolantenne und ähnl.) nicht genügend groß gegenüber der verwendeten Wellenlänge (z. 13.
• 3 cm bei f = 10 GIIz) gemacht werden, so daß die Bündelung solcher Antennen - die ohnehin nur im Fernfeld genau zu definieren ist - relativ gering wird. Nimmt man eine IIalbwertsbreite von + 100 an und beträgt die mittlere Neigung #0 = 45@ (Fig. 2), so ist cos #1 = 0,57 und cos #2 = 0.82.
• Das Spektrum der reflektierten Strahlung wird dadurch sehr breit und die Bandbreite der Dopplerfrequenzen fD, die nach der Rückmischung im Gerät entstehen, ist über 35 % (Fig. 3).
• Ein derart brcites Frequenzspektrum erfordert zur genauen I3estiinmiing der mittleren Frequenz fD eine relativ lange Integrationszeit, d. h. die Geschwindigkeitsmessung ist bei schnellen Aiiderungen sehr ungenau.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der einleitend genannten Art anzugeben, die die vorerwähnten Nachteile infolge ZU breiten Spektrums der Dopplerfrequenzen vermeidet und somit die Ermittlung der Eigengeschwindigkeit bei gleicher Meßzeit genauer oder bei gleicher Genauigkeit schneller zu ermitteln ermöglicht.
• Bei einer Anordnung der einleitend genannten Art besteht die Erfindung darin, daß als die Antenne eine Schlitzantenne vorgesehen ist, die die Jorni eines Rechteck-Hohlleiters aufweist, in einer dessen Breitseiten unsymmetrisch zur Breitseitenlängsachse Läng9schlitzt angeordnet sind und dessen seinem Speiseanschluß gegenüberliegendes Ende vorzugsweise - z. B. mittels eines Absorbers - elektrisch Abgeschlossen ist.
• Anhand der Figuren 4 bis 7 werden im folgenden vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Weiterbildungen der Erfindung näher beschrieben.
• Fig. 4 zeigt ein Querschnittsbild einer Schlitzantenne 4 nach der Erfindung, Die Schlitze dieser Antenne befinden sich etwas außerhalb der Mitte der breiten Seite (Breitseitenlängs achse) des Hohlleiters, so- daß der Hohlleiter bei Einspeisung einer Welle an seinem Speisepunkt diese Welle über die Schlitze nach außen abstrahlt. Wegen der im Hohlleiter herrschenden Phasengeschwindigkeit, die höher ist als die Phasengeschwindigkeit der Welle im umgebenden freien Raum, bildet die abgestrahlte Welle 7 mit den Längsseiten des Hohlleiters 4 einen Winkel a (Fig, 5). Dieser Winkel errechnet sich aus cos a = #0/#H, wobei #0 die Freiraumwellenlänge und #H die Welle im Hohlleiter darstellt. Bei üblichen Hohlleiterquerschnitten ergibt sich in der Mitte des Betriebsfrequenzbereiches ein Winkel α von etwa 45°. Der Vorteil dieser Antenne besteht darin, daß über die ganze Länge der Antenne die Strahlung mit der Antenne den Winkel α bildet, wie das in Fig. 5 angedeutet ist und daß dadurch die Phasenfronten der abgestrahlten Welle auch im Nahfeld praktisch parallel verlaufen. Bringt man eine derartige Antenne 1s in Längsrichtung unter dem Fahrzeug 2 an (Fig. 5), so ergibt sich eine Strahlung zum Erdboden, die in Fahrtrichtung im Winkel oc geneigt ist, wenn Radarsender und Empfänger 6 am rückwärtigen nde der Antenne liegen. Das andere Ende der-Antenne wird zweckmäßig mit einem Absorber 5 abgeschlossen. Durch die annähernd parallelen Phasenfronten tritt im Gegensatz zur Darstellung in Fig. 2 und 3 hier überall der gleiche Einfallswinkel auf und das Spektrum der Üopplerfrequenzen ist mit der Antenne 4 wesentlich schmaler; d. h. die Ermittlung der Eigengeschwindigkeit kann bei gleicher Meßzeit genauer oder bei gleicher Genauigkeit schneller erfolgen. Bei einer Länge des Antennenholilleiters von 60 cm ergibt sich bei 10 GHz eine Bandbreite des Dopplerfrequenzspektrums von ca. 5 %, ein Wert der wesentlich geringer ist, als der mit einem Trichterstrahler von + 100 Halbwertsbreite erreichbare.
• Die Verfälschung oder Verbreiterung des Dopplerspoktrums*, die bei Nickschwingungen des Fahrzeuges auftreten kann, ist durch eine doppelte Anordnung von Antennen 4 nach Fig. 6 kompensierbar: Im Radargerät 6 kann in herkömmlichor Weise mit Hilfe von zwei Mischern ein Signal der Strahlung in Fahrtrichtung 7 und ein Signal der Strahlung gegen die Fahrtrichtung 8 gebildet werden. Diese Technik ist im Prinzip aus der Luftfahrt bei Doppler-Navigations-Bordgeräten zur Messung der Übergrundgeschwindigkeit und/oder Abtrift mittels Radarwellen an sich bekannt.
• Ein weiterer Fehler im Dopplersignal kann durch Schwingungen des Fahrzeuges, die zu einer vertilcalen Abstandsänderung von der Fahrbahn führen, hervorgerufen werden. Um diese Fehler zu ermitteln, kann ein Signal von dem Mischer 10 in Fig. 7 abgeleitet werden. Dieser Mischer, der aus einer Videodiode bestehen kann, cmpfängt die optisch reflektierte Strahlung 9, die einer Dopplerverschiebung nicht unterworfen ist, aber ilir Phasenlage mit dein Abstand, der Antenne vom Erdboden ändert. Die Mischung der Welle 9 mit dem im Hohlleiter verbliebenen Restsignal de; Senders ergibt eine niederfrequente Schwingung, die Änderungen des Vertikalabstandes aufzeigt und zur Korrektur der Meßwertverarbeitung verwendet werden kann.

Claims (6)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Anordnung, die in oder an einem erdgebundenen Fahrzeug (Land- oder Wasserfahrzeug) dessen Eigengeschwindigkeit dadurch bestimmt, daß sie unter vorgegebener Ausrichtung zur Fahrzeuglängsachse über mindestens eine Antenne elektromagnetische Wellen nach dem ltiickstrahlprinzip zum Erdboden gerichtet aussendet und von dort reflektierte Anteile der Wellen wiederempfängt und daß sie die Geschwindigkeitsinformation aus den wiederempfangenen Wellen unter Ausnutzung des Dopplereffektes ableitet, dadurch gekennzeichnet, daß als die Antenne eine Schlitzantenne vorgesehen ist, die die Form eines Rechteck-Hohlleiters aufweist, in einer dessen Breitseiten unsymmetrisch zur i3reitseitenlängsach.se Längs schlitze angeordnet sind und dessen seinen Speiseanschluß gegenüberliegendes Ende - z. B. mittels eines Absorbers - @lektrisch abgeschlossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 für ein Landfahrzeug, insbesondere ein schienenungebundenes Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzantenne an der Fahrzeugunterseite derart angeordnct ist, daß die Schlitzantennenlängsachse parallel zur Fahrzeuglägsachse (Fahrtrichtung) verläuft und sich die Schlitze in der unteren, parallel zur Fahrzeugunterseite verlaufenden Hohlleiterbreitseite befinden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Fahrzeugunterseite eine zusätzliche Schlittantelme prinzipiell glcicher Konstruktion zenit gleichfalls nach unten gerichteten Schlitzen und mit einer solchen Ausrichtung ihrer Längsachse angeordnet ist, die mit der Längsachse der anderen Schlitzantenue fluchtet oder zu ihr parallel verläuft, und daß der Speiseanschluß der einen der zwei Schlitzantennen am hinteren und der Speiseanschluß der anderen der zwei Schlitzantennen am vorderen Hohlleiterende, jeweils bezogen auf die Fahrtrichtung, vorgesehen sind, so daß die Richtdiagramme der zwei Schlitzantennen voneinander un@bhängig nach schräg unten in entgegengesetzte Richtungen weisen, cl. h. ein Richtdiagramm nach schräg unten in Fahrtrichtung und das andere nach schräg unten entgegengesetzt der Fahrtrichtung.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Betriebswellenlänge im Zusammenhang mit der Hohlleiterdimensionierung der Schlitzantenne (n) derart gewählt ist, daß der Richtdiagramm-Schielwinkel, bezogen auf die Schlitzantennenlängsachse, etwa 45° gt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die vertikale Abstandsschwankungen der Schlitzantenne von ihrem rückstrahlenden Objekt (von der Fahrbahn) ormitteln und daraus ein Korrektursignal für die Eigeugeschwindigkeit des Fahrzeuges herleiten.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurcll gekennzeichnet, <laß die Mittel zur Abstandsachwankungsermittlung eine Mischdiode, z. B. eine Videodiode enthalten, die reflektierte, nicht dem Dopplereffekt unterworfene Anteile der Sendestrahlung empfängt.

L e e r s e i t e