DE2237139C2 - "Doppler-Radargerät zur Messung der Eigengeschwindigkeit eines Fahrzeuges" - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Doppler-Radargerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Hierbei ist als ein Doppler-Radargeräl aus Vereinfachungsgründert eine Anordnung bezeichnet, die unter vorgegebener Ausrichtung zur FahrZeüglängsachse über mindestens eine Antenne elektromagnetische Wellen schräg zum Erdboden gerichtet aussendet, nach dem Rückstoßprinzip von dort reflektierte Anteile der Wellen wiederempfängt und die Geschwindigkeitsinfor* mation aus den wiederempfangenen Wellen unter Ausnutzung des Dopplereffektes ableitet. Die bei einem Radargerät definitionsgemäß erfolgende Zielentdekkung und Zielentfernungsbestimmung ist beim Erfindungsgegenstand grundsätzlich nicht erforderlich.

Ein Doppler-Radargerät mit Schlitzantenne für die Eigengeschwindigkeitsmessung eines erdungebundenen Fahrzeuges (Flugzeuges) ist aus der DE-PS 10 70 249 bekannt

Die bekannte Methode zur Messung der Eigengeschwindigkeit eines erdgebundenen Fahrzeuges, z. B. Schienen- oder Kraftfahrzeuges, aus der Umdrehungsgeschwindigkeit eines Laufrades ist in manchen Fällen prinzipiell zu ungenau, und zwar wegen des unvermeidlieh auftretenden Schlupfes zwischen Rad und Fahrbahn. Ähnliches gilt in manchen Fällen für Kettenfahrzeuge. Bei Magnetkissenbahnen ist überhaupt kein Laufrad vorhanden. In diesen Fällen ist die Übertragung des aus der vorerwähnten Patentschrift bekannten Prinzips der Eigengeschwindigkeitsmessung mit Hilfe eines Doppler-Radargerätes von erdungebundenen auf erdgebundene Fahrzeuge zweckmäßig. Übrigen? kann auch bei Anlegemanövern großer Schiffe die Geschwindigkeit z. B. gegenüber einer Kaimauer auf diese Weise gemessen werden.

Bei allen diesen Anwendungen für erdgebundene Fahrzeuge ist der Abstand zwischen der am Fahrzeug angebrachten Radarantenne und dem als Reflektor dienenden Erdboden (Fahrbahn) so klein, daß er in der Größenordnung einiger Wellenlängen bzw. in der Größenordnung der Antennenabmessungen liegt Der reflektierende Erdboden befindet sich demnach im Nahfeld der Antenne.

F i g. 1 verdeutlicht diesen Sachverhalt Hier ist gezeigt, wie eine als Hornstrahler ausgebildete Radarantenne 1 an der Unterseite eines Kraftfahrzeuges 2 angebracht sein muß, um eine gewisse Richtwirkung bzw. Bündelung zu besitzen und hierbei einen von 90° abweichenden Winkel φ zu definieren, den die Mitte des ausgesendeten »Strahls« mit dem Trdboden 3 bildet. Die Strahlmitte in (oder gegen die) Fahrtrichtung muß ja schräg geneigt sein, um überh?upt eine Dopplerverschiebung der diffus reflektierten Welle zu bekommen, da die Dopplerfrequenz proportional zum cos φ ist.

Durch den vorgegebenen geringen Abstand zwischen dem Boden des Fahrzeugs 2 und dem Erdboden 3 können auch die Abmessungen üblicher Radarantennen — z. B. Hornstrahler, Parabolantenne, Schlitzantenne (mit Resonanzschlitzen in einer der Schmalseiten eines Hohl'siters) — nicht genügend groß gegenüber der verwendeten Wellenlänge von z. B. 3 cm gemacht werden, so daß die Bündelung solcher Antennen relativ stering wird.

Fig. 2 zeigt einen Beispielsfall, bei dem eine Halbwertsbreite von ± 10° vorliegt und die mittlere Neigung <po = 45° beträgt; dann ist cos <pi = 0,57 und cos ψ2 = 0,82.

Das Spektrum der reflektierten Strahlung wird dadurch sehr breit und die Bandbreite der Dopplerfrequenzen fp. die nach der Rückmischung im Gerät entstehen, ist — wie aus F i g. 3 hervorgeht — über 35%. Ein derart breites Frequenzspektrum erfordert zur genauen Bestimmung der mittiefen Frequenz foa eine relativ lange Inlegrationszeit, woraus folgt, daß die

Geschwindigkeitsmessung bei schnellen Änderungen (Beschleunigen, Bremsen) sehr ungenau wird, Diese Überlegungen gelten ausdrücklich auch für die vorerwähnte übliche Schlitzantenne, bestehend aus einem

Rechteck-Hohlleiter mit einer Mehrzahl von zur Hohlleiterlängsachse geneigten Resonanzsehlitzen um eine der Hohlleiterschmalseiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Gerät der gattungsgemäßen Art für die Anwendung bei einem erdgebundenen Fahrzeug anzugeben, das 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 vermitteln ermöglicht

Die Lösung dieser Aufgabe ist dem Patentanspruch 1 entnehmbar. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, die anhand der Fig.4 bis 7 im folgenden näher beschrieben werden.

F i g. 4 zeigt ein Querschnittsbild einer Schlitzantenne 4 des Gerätes nach der Erfindung an der Unterseite des Kraftfahrzeuges 2. Der Schlitz dieser Antenne befindet sich etwas außerhalb der Mitte der unteren Breitseite (Breitseitenlängsachse) des Hohlleiters, so daß der Hohlleiter bei Einspeisung einer Welle an seinem Speisepunkt diese Welle über die Schlitze ' ach 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 in F i g. 5 gezeigten Winkel«. Dieser Winkel errechnet sich aus cos « = λοΙλΗ, wobei %o die Freiraumwellenlänge und %n die Welle im Hohlleiter darstellt. Bei üblichen Hohlleiterquerschnitten ergibt sich in der Mitte des Betriebsfrequenzbereiches ein Winkel «von etwa 45°.

Der für die Erfindung wesentliche Vorteil dieser Antenne besteht darin, daß über die ganze Länge der Antenne die Strahlung mit der Antenne den Winkel α bildet, wie das in F i g. 5 angedeutet ist, und daß dadurch die Phasenfronten der abgestrahlten Welle auch im Nahfeld praktisch parallel verlaufen.

Bringt rrin eine derartige Antenne 4 in Längsrichtung unter dem Fahrzeug 2 an, dessen Fahrtrichtung in F i g. 5 als von rechts nach links unterstellt ist, so ergibt sich eine Strahlung zum Erdboden, die in Fahrtrichtung, d. h. in F i g. 5 nach links im Winkel «, geneigt ist, wenn der Radarsender und der Radarempfänger im gemeinsamen Gehäuse 6 am rückwärtiger. Ende der Antenne liegen. Das andere Ende der Antenne wird zweckmäßig mit einem Absorbers abgeschlossen.

Durch die annähernd parallelen Phasenfronten bei der Antenne 4 tritt im Gegensatz zur Darstellung in F i g. 2 und 3 hier überall der gleiche Winkel auf und ist das Spektrum der Dopplerfrequenzen bei Verwendung 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 Antennenhohlleiters von 60 cm ergibt sich bei 10 GHz eine Bandbreite des Dopplerfrequenzspektrums von ca. 5%, d. h. ein Wert, der wesentlich geringer ist als der mit einem Hornstrahler von ±10° Halbwertsbreite seines Diagramms erreichbare.

Die Verfälschung oder Verbreiterung des Dopplerspektrums, die bei Nickschwingungen des Fahrzeuges auftreten kann, ist durch eine Ausgestaltung der Erfindung nach F i g. 6 kompensierbar: Im Radargerät 6 kann in der bei der Doppier-Navigation von Luftfahrzeugen Herkömmlichen Weise mit Hilfe von zwei Mischern ein Dopplersignal aus der Strahlung in Fahrtrichtung und ein Dopplersignal ads der Strahlung gegen die Fahrtrichtung gebildet werden; diese beiden Signale werden miteinander kombiniert Hierzu besteht die Schlitzantenne aus zwei Schlitzantennen-Hohlleitern -i, deren Längsachsen miteinander fluchten oder zueinander parallel verlaufen. Die Speisung erfolgt in entgegengesetzte Richtungen, so daß zwei Richtdiagramme 7 und 8 erzeugt werden. Ein weiterer Fehler im Dopplersignal kann durch Schwingungen des Fahrzeuges, die zu einer vertikalen Abstandsänderung von der Fahrbahn führen, hervorgerufen werden. Er ist bei Ermittlung dieses Abstandes durch ein davon abhängendes Korrektursignal kompensierbar. Um diese Fehler zu ermitteln, kann ein Signal von dem Mischer 10 des Ausführungsbeispiels der Erfindung nach F i g. 7 abgeleitet werden. Dieser Mischer, der aus einer Videodiode bestehen kann, empfängt die quasi-optisch gespiegelte Strahlung 9, die einer Dopplerverschiebung nicht unterworfen ist, die aber ihre Phasenlage mit dem Abstand der Antenne vom Erdboden ändert. Die Mischung der Strahlung 9 mit dem im Hohlleiter 4 verbliebenen Restsignal des Senders ergibt eine niederfrequente Schwingung, die Ändemngen des Vertikalabstandes aufzeigt und zur Korrektur der Meßwertverarbeitung verwendet werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 Patentansprüche:

1. Doppier-Radargerät zur Messung der Eigengeschwindigkeit eines Fahrzeuges mit mindestens einer Schlitzantenne in Form eines Rechteck-Hohlleiters, über die bei der Messung die Radarschwingungen vom Fahrzeug schräg zum Erdboden gerichtet ausgestrahlt und empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ermöglichen genauer Geschwindigkeitsmessungen eines erdgebundenen Fahrzeuges der Schlitzantennen-Hohlleiter (4) einerseits mit seiner Längsachse parallel zur Richtung des Geschwindigkeitsvektors und mit seinen Breitseiten parallel zur Erdoberfläche ausgerichtet ist und andererseits in seiner unteren Breitseite einen etwas außerhalb der Breitseitenmitte verlaufenden Längsschlitz für die Radarschwingungen besitzt (F i g. 4 und 5).

2. Doppier-Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzantenne aus zwei Schlitzanicvinen-Hohlleitern der angegebenen Ausrichtung und mit einer solchen Ausrichtung ihrer Längsachsen besteht, daß diese miteinander fluchten oder zueinander parallel verlaufen, und daß der Speiseanschluß des einen der zwei Schlitzantennen-Hohlleiter am hinteren und der Speiseanschluß des anderen der zwei Schlitzantennen-Hohlleiter am vorderen Hohlleiterende, jeweils bezogen auf die Fahrtrichtung, vorgesehen sind, so daß zwei voneinander unabhängige Richtdiagramme (7, 8) erzeugt werden, die nach schräg unten in entgegengesetzte Richtungen weisen, d. h. ein Richtdiagramm nach schräg unten in Fahrtrichtung und das andere nach schräg unten entgegengesetzt der Fahrtrichtung (F ig. 6).

3. Doppler-Radargerät naci. Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Betriebswellenlänge im Zusammenhang mit der Hohlleiterdimensionierung der Schlitzantenne(n) derart gewählt ist, daß der Richtdiagramm-Schielwinkel (α), bezogen auf die Schlitzantennenlängsachse, etwa 45° beträgt(Fig. 5).

4. Doppler-Radargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die vertikale Abstandsschwankungen der Schlitzantenne vom Erdboden ermitteln und daraus ein Korrektursignal für die Eigengeschwindigkeit des Fahrzeuges herleiten.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Abstandsschwankungsermittlung eine Mischdiode, z. B. eine Videodiode (10), enthalten, die am Erdboden gespiegelte, nicht dem Dopplereffekt unterworfene Anteile der Sendestrahlung mit einem Anteil unmittelbar vom Radarsender abgeleiteter Energie mischt (F i g. 7).