DE2242876B2

DE2242876B2 - Einrichtung zur Abstandsmessung von einem Landfahrzeug mittels reflektierter, frequenzmodulierter Wellen durch Verhältnisbildung verschiedener Schwebungs-Frequenzkomponenten

Info

Publication number: DE2242876B2
Application number: DE2242876A
Authority: DE
Inventors: Teruo Nagoya Aichi Yamanaka (Japan)
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1971-09-02
Filing date: 1972-08-31
Publication date: 1978-08-24
Also published as: JPS5126239B2; US3823399A; AU4618472A; JPS4833790A; DE2242876C3; DE2265444C2; DE2265444B1; DE2242876A1; CA1009348A; AU470427B2

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung des Abstandes eines Gegenstandes von einem Landfahrzeug der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der CH-PS 3 86 498 ist eine mit ungedämpfter Welle arbeitende Radaranlage bekannt, mit der die Wirksamkeit von Waffen in bezug auf Luftziele bewertet werden kann, wobei die sogenannte »Fehldistanz« die wesentliche Information ist. Diese Fehldistanz ist gleich der Hälfte des Abstandes zwischen den beiden am nächsten beieinanderliegenden Gleichheitssignalen, die aus der Verarbeitung von reflektierten Wellen erhalten worden sind. Die angegebenen Werte entsprechen einer Annäherung an das Ziel von etwa 9,1 m, das heißt, das Ziel wird um diese Distanz verfehlt Dieser Wert von ca. 9 m stellt die untere Meßgrenze dar.

Aus der GB-PS 8 62 059 ist eine Einrichtung bekannt, mit der beispielsweise die vertikale Höhe und die Geschwindigkeit eines Hubschraubers bestimmt werden können. Aus theoretischen Überlegungen ergibt sich, daß mit einer solchen Radareinrichtung Abstände bis in die Größenordnung von 0,3 m gemessen werden können. Diese geringen Werte stellen jedoch nur eine theoretisch erreichbare, untere Grenze dar, die nicht die geringste Beziehung zu den in der Praxis möglichen Werten hat. Bei einem Abstand von 0,3 m (1 Fuß) unterscheiden sich nämlich die Energiewerte jeweils um mehr als 80 dB. Bei solchen Unterschieden ist es jedoch _ho in der Praxis unmöglich, die erwähnten, geringen Abstände zu einem Ziel zu messen. Die aus dieser Druckschrift bekannte Radareinrichtung arbeitet also nur dann zufriedenstellend, wenn Abstände von mehr als etwa 15 m gemessen werden müssen, wobei eine ^5 obere Grenze bei etwa 300 m liegt.

Die bei dieser bekannten Radareinrichtung vorgesehenen Gleichrichter dienen zur Umwandlung der Doppler-Signale in Gleichspannungssignale, die proportional zu den Amplituden der Doppler-Komponenten sind, um eine zweckmäßige Anzeige de:: ermittelten Abstandes zu ermöglichen. Diese gleichgerichteten Signale werden dann auf »Chopper«-Modulatoren gegeben, die von einer gemeinsamen 400-Hz-Quelle angetrieben werden, so daß die ankommenden Gleichspannungssignale in Signale umgewandelt werden, die mit 400 Hz moduliert sind und so auf die Ständerwicklung eines Funktionsdrehmelders gegeben werden.

Weiterhin ist aus der US-PS 30 12 242 ein Radarsystem bekannt, mit dem der Abstand einer Rakete von einem Ziel bestimmt werden kann, so daß bei Unterschreiten einer bestimmten, unteren Abstandsgrenze ein »Treffer« angezeigt wird. Dabei werden theoretisch erreichbare Meßwerte von weniger als 3 m angegeben. Bei einem Abstand, von 3 m beträgt jedoch die Differenz der relativen Amplituden der Dopplerbestandteile ungefähr 50 dB, so daß in der Praxis keine exakte Messung mehr möglich ist Deshalb wird in dieser Patentschrift auch als untere Meßgrenze ein Wert von ca. 18 m angegeben. Dabei muß auch berücksichtigt werden, daß mit diesem System der Abstand zwischen Flugobjekten festgestellt werden soll, also Verzerrungen von reflektierten und empfangenen Wellen nicht auftreten, wie sie bei geringem Abstand vom Erdboden aufgrund der Reflexionen an anderen Gegenständen nicht zu vermeiden sind.

Schließlich ist aus der US-PS 31 82 323 noch eine Einrichtung zur Messung des Abstandes eines Gegenstandes von einem Landfahrzeug der angegebenen Gattung bekannt; dabei können jedoch offensichtlich nur Abstände gemessen werden, die weit über 10 m liegen, wobei ausdrücklich Geschwindigkeiten von ca. 170 km/h und maximale Abstände von ca. 150 m erwähnt werden. Als Beispiel wird aus einem üblichen, erhaltenen Signal ein Abstand von ca. 50 m berechnet

Neben dieser Anwendung einer solchen Einrichtung für den Autobahnverkehr, bei dem die Kraftfahrzeuge mit relativ großem Abstand fahren, sollte eine solche Einrichtung jedoch auch in der Lage sein, die relativ geringen Abstände, wie sie beispielsweise im Stadtverkehr auftreten, genau zu messen und ggf. ein Warnsignal auszulösen, wenn eine untere Grenze des Abstandes unterschritten wird. Dabei handelt es sich im allgemeinen um Abstände, die weniger als 3 m betragen.

Ein weiteres Problem bei der Messung de» Abstandes von Landfahrzeugen zu einem Gegenstand liegt darin, daß die reflektierten und wieder empfangenen Wellen nicht die nahezu ideale Wellenform der ausgesandten Wellen haben, sondern relativ stark verzerrt sind. Diese Verzerrungen lassen sich auf folgende Ursachen zurückführen:

1. Es muß ein großer Frequenzhub Af verwendet werden, um die erforderliche, hohe Empfindlichkeit zu erhalten;

2. ein Landfahrzeug, und insbesondere ein Kraftfahrzeug, hat eine sehr komplexe Form mit Vorsprüngen und Vertiefungen, wie beispielsweise an den Stoßstangen und am Kühlergrill, die zu einer unregelmäßigen Reflexion der Wellen führen;

3. bei Verwendung einer solchen Einrichtung für Kraftfahrzeuge trifft das ausgesandte Signal auf viele Hindernisse, wie beispielsweise Leitplanken, Lichtmasten, Bäume und Häuser, so daß die wieder empfangenen Signale nicht nur an dem Gegenstand, dessen Abstand gemessen werden soll, sondern auch an diesen Hindernissen reflektiert

werden und sich entsprechende Verzerrungen des empfangenen Signals ergeben;

4. die obere Grenze der Größe der verwendbaren Antenne hängt von der Art des Kraftfahrzeugs ab; diese obere Grenze kann nicht überschritten werden, wodurch ebenfalls die Empfindlichkeit stark begrenzt wird, und

5. der Gegenstand, dessen Abstand bestimmt werden soll, beispielsweise ein anderes Kraftfahrzeug, besteht aus vielen verschiedenen Materialien, wie beispielsweise Eisen, Glas und Kunstharze, die ebenfalls zu unterschiedlichen Reflexionen des ausgesandten Signals und damit zu Verzerrungen des empfangenen Signals führen.

Die aus diesen verschiedenen Gründen stark verzerrten Signale lassen sich jedoch nur mit großen apparativen Schwierigkeiten in der gewünschten Weise verarbeiten, so daß die Empfindlichkeit einer solchen Messung stark beeinflußt wird. Dies macht sich insbesondere bei sehr geringen Abständen nachteilig bemerkbar.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der angegebenen Gattung zu schaffen, mit der auch Abstände von weniger als 3 m ohne wesentliche Beeinflussung durch die obenerwähnten, auf den verschiedenen Reflexionen zurückgehenden Verzerrungen der empfangenen Welle gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß sowohl die negativen als auch die positiven Wellenformen der abgetrennten Doppler-Signale mittels der Vollweggleichrichter gleichgerichtet werden; denn dadurch werden die obenerwähnten Verzerrungen des empfangenen Doppler-Signals beseitigt, so daß das berechnete Intensitätsverhältnis zwischen den beiden, so gewonnenen Gleichstromsignalen genau dem Abstand zu dem Gegenstand entspricht. Wie Untersuchungen ergeben haben, können mit dieser Einrichtung auch sehr geringe Abstände zwischen dem Landfahrzeug und dem Gegenstand bestimmt werden, ohne daß sich diese Störungen und Verzerrungen der reflektierten und empfangenen Wellen nachteilig bemerkbar machen. Damit werden also Meßwerte erhalten, die den Abstand von dem Gegenstand auch dann sehr genau angeben, wenn dieser kleiner als 3 m ist und die empfangenen

c = rcos

Signale Bestandteile und Verzerrungen aufweisen, die auf Mehrfachreflexionen, insbesondei e auf Reflexionen an den obenerwähnten Hindernissen, zurückzuführen sind.

I Im die Meßgenauigkeit noch weiter zu verbessern, kann der arithmetische Mittelwert von mindestens zwei Intensitätsverhältnissen gebildet werden, so daß geringe zeitliche Schwankungen des Intensitätsverhältnisses und damit des gemessenen Abstandes zu dem Gegenstand ausgeglichen werden können.

Mittels einer solchen Einrichtung kann ein Steuersignal für die Betätigung einer Sicherheitseinrichtung, wie beispielsweise eines Gassacks, erzeugt werden, wenn der Abstand des Landfahrzeugs von dem Gegenstand eine untere Grenze unterschreitet, so daß die Insassen des Fahrzeuges einen gewissen Schutz gegen den dann unmittelbar bevorstehenden Zusammenstoß erhalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine Kurve, in der die Beziehung zwischen der Entfernung zu einem Gegenstand und den Intensitätsverhältnissen von Frequenzkomponenten am Ausgang einer Mischstufe aufgetragen ist,

Fig.2A bis 2C ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Messung des Abstandes eines Gegenstandes,

F i g. 3 Wellenformen, wie sie an verschiedenen Punkten des in den Fig.2A bis 2C dargestellten Blockschaltbildes auftreten,

F i g. 4 und 5 Kennlinien von zwei Entfernungsdiskriminatoren,

Fig.6A und 6B ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Einrichtung zur Messung des Abstandes eines Gegenstandes nach der Erfindung und

F i g. 7 Wellenformen, wie sie an verschiedenen Punkten der in Fig.6A und 6B dargr »eilten Einrichtung auftreten.

Im folgenden soll das Funktionsprinzip einer Einrichtung zur Messung des Abstandes eines Gegenstandes von einem Landfahrzeug anhand eines Beispiels beschrieben werden, bei dem für die Frequenzmodulation eine sinusförmige Welle verwendet wird.

Ein Bezugssignal Rq und ein mittels einer Antenne erhaltenes, reflektiertes Signal, also das Echo S, werden gemischt, so daß ein Signal erhalten wird, das aus niederfrequenten Bestandteilen oder einem Schwebungston besteht Für das dadurch erhaltene Wechselspannungssignal egilt:

ι ο

ι»,. Ii + 2m,· sin '--'"—- cos (<n,,,t + '-'"-

J,)Un_r) -t- 2Σ(- I)" cos2/11 ω,„I + -'"- - ) · J₂„(m_r) η = 1 V - /

— r

sin,,., ΙίΓ2Σ(-Ι)" cos j(2w + \)-(<»J + '-¹"—) Jj_{2n + 1} (m_P)J .

Dabei sind

zu dem das an dem Ziel reflektierte Signal erhalten wurde,

r ein Koeffizient, der von dem Reflexionsfaktor des w_m die Kreisfrequenz der Modulationsschwingung, Gegenstandes, den Kennwerten der Mischstufe J_2n die Bessel-Funktion 2/j-ter Ordnung erster Art, und ähnlichen Parametern abhängt, 65 m_f der Modulationsindex 2nAflh)_m

(u_c die Kreisfrequenz der Trägerwelle, Af der Frequenzhub und

At das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, zu dem ₉ . m_mAt

das Signal ausgesandl wurde, und dem Zeitpunkt, ^r *^mfSm 2

Beträgt der Abstand zu dem Gegenstand R, dann gilt At=IRZC,

wobei C die Geschwindigkeit der ausgestrahlten Welle ist.

Das durch die Gleichung (1) angegebene Wechselspannungssignal e wird verstärkt und in Frequenzkomponenten zerlegt, wie beispielsweise

rJ„ (m_r) cos oi_c 11,

-IrJ_x (m_r) cos (mj + j sin <-.,. If, - 2 rJ₂ {m_r) cos («>,„t + t»_m 11) cos <»_c I ί , Die Komponente

wird die Gleichstromkomponente, wenn sich der Gegenstand in bezug auf die Einrichtung nicht bewegt.

Bewegt sich nämlich der Gegenstand nicht in bezug auf die Einrichtung zur Messung seines Abstandes, so werden die Maximalwerte der Grundwelle und der Oberwelle

2r]\(m_r)sm w_cA t, )

() 2rj3fm_r)sin(u_cAt usw.

Die Verhältnisse zwischen den Maximalwerten der Harmonischen oder Oberwellen können mittels einer Dividierstufe berechnet werden. Die Verhältnisse zwischen den Maximalwerten der Frequenzkomponente, beispielsweise

Mm_ryMmr), J<(m_r)lh(m_r)

usw. können eindeutig definiert werden, wenn m_r bestimmt ist Mit anderen Worten läßt sich der Modulationsindex m_r eindeutig aus den Verhältnissen der Maximalwerte der Frequenzkomponenten berechnen. Sind Afuna ω™ vorgegeben, so ist der Modulatipnsindex m_rnur eine Funktion von At, d. h. des Abstandes R zu dem Gegenstand, wie man den Gleichungen (2) und (3) entnehmen kann. In diesem Fall kann der Abstand R aus dem Wert für m_r berechnet werden. Damit läßt sich also das Verhältnis der Maximalwerte der Frequenzkomponenten in ein Ausgangssignal umwandeln, das proportional zu dem Abstand R ist

Wenn sich der Gegenstand mit einer bestimmten Relativgeschwindigkeit u auf die Einrichtung zu oder von ihr weg bewegt, dann wird das Verhältnis zwischen

der Dopplerfrequenz Od

ω<? und der FM-Kreisfre-

quenz w_m so gewählt, daß sie der folgenden Bedingung genügt:

Die Maximalwerte der Frequenzkomponenten, wie beispielsweise df- Dopplersignal-Komponente, der Grundwellen-Komponente und der Oberwellen-Komponente, die ausgefiltert werden, sind also rjo(wr), 2rji(m_r), 2/Ji(HIr) usw. Auf diese Weise läßt sich der Abstand R aus den Verhältnissen der Maximalwerte zweier beliebiger Frequenzkomponenten für einen Gegenstand berechnen, der sich in bezug auf die Einrichtung zur Messung des Abstandes nicht bewegt.

Der Verlauf der Maximalwerte der Frequenzkomponenten Ja(mr)l2J\(mr) und h(m_r)lJ\(m_r) ist in Fig. 1 gezeigt, wobei auf der Abszisse der Modulationsindex m,. und auf der Ordinate die Intensitätsverhältnisse in dB aufgetragen sind. Um die Darstellung zu vereinfachen ist in F i g. 1 das Intensitätsverhältnis /o/2/i dargestellt das durch eine Subtraktion von 4 dB von dem tatsächlichen Verhältnis erhalten wird. In ähnlicher Weise stellt das Verhältnis /₂//i das tatsächliche Verhältnis plus 6 dB dar.

Selbstverständlich läßt sich dieses Prinzip nicht nur

ίο mit Sinuswellen, sondern auch mit anderen Wellenformen verwenden. Der Abstand des Gegenstandes von dem Landfahrzeug läßt sich jedoch nicht nur aus dem Verhältnis der Maximalamplituden der Doppler-Signale berechnen, wie es oben beschrieben wurde, sondern auch aus zeitlich gemitteiten Doppier-Signaien, das heißt, aus Gleichspannungssignalen, die aus den Doppler-Signalen gebildet worden sind.

In beiden Fällen kann das Intensitätsverhältnis aus mindestens zwei gleich- oder gegenphasigen Doppler-Signalen bestimmt werden.

Im folgenden wird zunächst eine Ausführungsform einer Einrichtung zur Messung des Abstandes eines Gegenstandes von einem Landfahrzeug beschrieben, die eine Vorstufe der erfindungsgemäßen Einrichtung darstellt und zu ihrer Erläuterung erforderlich ist

Bei dieser Einrichtung wird eine Sinuswelle zur Frequenzmodulation verwendet, wobei sich der Gegenstand in bezug auf die Einrichtung bewegen soll.
Diese Einrichtung weist gemäß Fig.2 folgende

jo Einzelteile auf: einen Frequenzverdoppler 8; einen FM-Modulator 9; einen Oszillator 10; eine Antenne 11 zur Ausstrahlung des Signals und für den Empfang des von dem Gegenstand reflektierten Echos; eine Mischstufe 12 zur Mischung des von der Antenne 11

j5 empfangenen, reflektierten Signals mit einem Teil des ausgesendeten Signals, um ein niederfrequentes Signal oder einen Schwebungston zu erhalten; einen Breitbandverstärker 13 zur verzerrungsfreien Verstärkung des Ausgangssignals der Mischstufe 12; ein Tiefpaßfilter 14, das nur das Doppler-Wechselstromsignal durchläßt; einen Bandpaßverstärker 15 zur Verstärkung des unterdrückten AM-Trägersignals, in dem die Grundwelle der FM-Welle die Trägerwelle und das Doppler-Signal das Modulationssignal ist; eine Mischstufe 16 zur Mischung des Ausgangssignals des Verstärkers mit der Grundwelle der FM-Welle, um das überlagerte Signal des Doppler-Wechselstromsignals und einer Welle mit einer Frequenz zu erhalten, die nicht niedriger ist als die Grund-FM-Frequenz; ein Tiefpaßfilter 17, das nur die Dopplersignal-Komponente aus dem Ausgangssigna! der Mischstufe 16 durchläßt; einen Bandpaßverstärker 18, der nur das unterdrückte AM-Trägersignal verstärkt, in dem das Trägersignal die zweifache Frequenz det FM-Frequenz hat und das Doppler-Signal das Modulationssignal ist; eine Mischstufe 19 zum Mischen dei Ausgangssignale des Verstärkers 18 und des Frequenzverdopplers 8, um das überlagerte Signal aus dem Dopplersignal und einer Welle mit einer Frequenz zu erhalten, die nicht niedriger ist als die doppelte FM-Frequenz; ein Tiefpaßfilter 20, das nur die Dopplersignalfrequenz von dem Ausgang der Mischstufe 19 durchläßt; eine Dividierstufe 21 (auch Teilerstufe genannt), um das Intensitätsverhältnis zwischen der Dopplersignalen der Tiefpaßfiler 14 und 17 zu erhalten einen Entfernungsdiskriminator 22, um das zu dei Entfernung zu dem Gegenstand proportionale Ausgangssignal aus dem Ausgangssignal der Dividierstufe 21 zu erhalten; eine Dividierstufe 23, um das

Intensitätsverhältnis zwischen den Doppier-Signalausgängen der Tiefpaßfilter 17 und 20 zu erhalten; einen Entfernungsdiskriminator 24, um aus dem Ausgangssignal der Teilerstufe 23 das der Entfernung zu dem Gegenstand proportionale Ausgangssignal zu erhalten; eine das arithmetische Mittel bildende Anordnung 25, die das arithmetische Mittel der Ausgangssignale der Entfernungsdiskriminatoren 22 und 24 liefert; eine Anzeigeeinrichtung 26 für die Entfernung zu dem Gegenstand; und einen automatischen Verstärkungsreglcr 27 zur automatischen Regelung des Verstärkungsgrads des Verstärkers 13.

Die Entfernungsdiskriminatoren 22 und 24 sind so ausgelegt, daß sich folgende Funktionsweise ergibt: Werden Signale, die proportional zu den Intensitätsverhältnissen zwischen Dopplersignalen sind, an die Eingänge der Diskriminatoren angelegt, so können die den Modulationsindex m_r darstellenden Ausgangssignale und daraus die Entfernung zu dem Gegenstand erhalten werden, wie in F i g. 1 dargestellt ist.

Der FM-Modulator 9 ist mit dem Modulationseingang des Oszillators 10, der in einigen Fällen keinen Modulationseingang aufweist, und mit dem Eingang des Frequenzverdopplers 9 verbunden. Der Ausgang des Oszillators 10 ist mit der Antenne 11 und mit dem Eingang der Mischstufe 12 zur Zuführung jeweils eines Teils des ausgesendeten Signals verbunden. Auch die Antenne 11 ist mit dem Eingang der Mischstufe 12 zur Zuführung des an ihr empfangenen Echos verbunden. Der Ausgang der Mischstufe 12 ist mit dem Eingang des Verstärkers 13 verbunden, dessen Ausgang mit den Eingängen des Tiefpaßfilters 14 und der Verstärker 15 und 18 verbunden ist. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 14 ist mit einem der Eingänge der Dividierstufe 21 und mit dem Eingang des automatischen Verstärkungsreglers 27 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 15 ist mit einem Eingang der Mischstufe 16 verbunden, deren anderer Eingang mit dem Ausgang des FM-Modulators 9 verbunden ist. Der Ausgang der Mischstufe 16 ist mit dem Eingang des Tiefpaßfilters 17 verbunden, dessen Ausgang mit dem anderen Eingang der Dividierstufe 21 und mit einem der Eingänge der Dividierstufe 13 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 18 ist mit einem der Eingänge der Mischstufe 19 verbunden, deren anderer Eingang mit dem Ausgang des Frequenzverdopplers 8 verbunden ist. Der Ausgang der Mischstufe 19 ist mit dem Eingang des Tiefpaßfilters 20 verbunden, dessen Ausgang mit dem anderen Eingang der Dividierstufe 23 verbunden ist Die Ausgänge der Dividierstufen 21 und 23 sind mit den Eingängen der Entfernungsdiskriminatoren 22 bzw. 24 verbunden, deren Ausgänge mit den Eingängen der das arithmetische Mittel bildenden Anordnung 25 verbunden sind, deren Ausgang wiederum mit dem Eingang der Anzeigeeinrichtung 26 verbunden ist. Der Ausgang des automatischen Verstärkungsreglers 27 ist mit dem Verstärkungsregelungseingang des Verstärkers 13 verbunden.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Einrichtung mit dem oben angegebenen Aufbau beschrieben. Das FM-Signal von dem FM-Modulator 9 wird von der Antenne 11 in Richtung zu dem Gegenstand ausgesendet; das an dem Gegenstand reflektierte Signal, d. h. Echo, wird von derselben Antenne 11 empfangen. Die Antenne 11 wird also sowohl zum Aussenden als auch zum Empfang verwendet. Das empfangene Signal wird der Mischstufe 12 zugeführt, wo es mit dem Signal von dem Oszillator 10 gemischt wird. Das'Ausgangssignal der Mischstufe 12 wird mittels des Breitbandverstärkers 13 verstärkt, dessen Ausgangssignal durch die Gleichung (1) wiedergegeben ist. Das heißt, das Ausgangssignal des Verstärkers 13 besteht aus einer Dopplersignal-Komponente, einer Grundwellen-Komponente und den Oberwellen-Komponenten, die einander überlagert sind. Der Ausgang des Verstärkers 13 wird dem Tiefpaßfilter 14 zugeführt, das ein Bandpaßfilter, ein abgestimmter oder Resonanzverstärker oder ein Tiefpaßverstärker sein kann. Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 14 ist so gewählt, daß der Ausgang des Tiefpaßfilters 14 nur aus dem Dopplersignal eo besteht, wie in F i g. 3 dargestellt ist.

Der Verstärker 15, der eine Kombination aus einem Bandpaßfilter und einem Verstärker, nur ein Bandpaßfilter, ein Tiefpaßfilter und ein Hochpaßfilter, ein abgestimmter- oder Resonanzverstärker oder dergleichen sein kann, verstärkt und läßt nur das FM-Signal durch, dessen Träger die Grundwelle der FM-Welle ist.

Die Wellenform des Ausgangssignals ei des Verstärkers 15 ist in F i g. 3 dargestellt. Die Mischstufe 16 mischt die Ausgangssignale des Verstärkers 15 und des Modulators 9; das Ausgangssignal der Mischstufe 15 wird dem Tiefpaßfilter 17 zugeführt, wobei das Dopplersignal ei, das in F i g. 3 dargestellt ist, erhalten wird. Das heißt, das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 17 besteht nur aus dem Dopplersignal, wie das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 14. In ähnlicher Weise wird das in Fig.3 dargestellte Ausgangssignal ei von dem Verstärker 18 erhalten; das in Fig.3 dargestellte Ausgangssignal e» wird von dem Tiefpaßfilter 20 erhalten. Hierbei sollte beachtet werden, daß die Maximalamplituden der Ausgangssignale der Tiefpaßfilter 14, 17 und 20 proportional zu rjo(mr), 2rJ\(mi) bzw. 2rj2(m), die in Gleichung (1) wiedergegeben sind, sind.

Mittels der Dividierstufe 21 wird der Ausdruck

ItJ\(m)lr/o(mr)
und mittels der Dividierstufe 23 der Ausdruck

rJ₂(m_r)/rJ\(nir)

berechnet. Wie bereits in Verbindung mit F i g. 1 ausgeführt wurde, wird der Modulationsindex m_r eindeutig aus diesen Verhältnissen bestimmt Die Entfernungsdiskriminatoren 22 und 24 sind so ausgelegt, daß bei Zuführung der Ausgangsspannungen oder -ströme der Teilerstufen 21 und 23 zu den Diskriminatoren 22 und 24 die Ausgangsspannungen oder -ströme proportional zu dem Modulationsindex m_r sind und sich damit der gesuchte Abstand ergibt, wie in F i g. 4 und 5 dargestellt ist. Das heißt, die Ausgangsspannungen der Entfernungsdiskriminatoren 22 und 24 stellen die Abstände zu dem Gegenstand dar. Die Ausgangssignale der Entfernungsdiskriminatoren 22 und 24 werden der den arithmetischen Mittelwert bildenden Anordnung 25 zugeführt, so daß deren Ausgangssignal das arithmetische Mittel des Abstandes zu dem Gegenstand darstellt. Das Ausgangssignal der den arithmetischen Mittelwert bildenden Anordnung 25 wird der Anzeigeeinrichtung 26 zugeführt, die den Abstand zu dem Gegenstand anzeigt. Der automatische Verstärkungsregler 27 ist eine solche automatische Verstärkungsregelungsschaltung, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers, der im allgemeinen ein Scheinverstärkungsfaktor ist, abnimmt, wenn die Maximalamplituden des Ausgangssignals des Tiefpaßfilters 14 größer als ein Bezugspegel oder eine -spannung sind, während der Verstärkungsfaktor zunimmt, wenn das Ausgangssignal kleiner als

ίο

der Bezugspegel ist. Der automatische Verstärkungsregler 27 dient der Verbesserung der Betriebszuverlässigkeit und der Genauigkeit der Einrichtung, da durch ihn das Ausgangssignal der Tiefpaßfilter 14,17 bzw. 20 konstantgehalten wird, wenn die Intensität des reflektrierten Signals oder Echos sich in Abhängigkeit von der Entfernung zu dem Gegenstand und der Lage des Gegenstandes in einem großen Bereich ändert.

Bei dieser Ausführungsform werden die Maximalamplituden der Dopplersignale erhalten und die Verhält- |₀ nisse zwischen den Signalen mittels der Dividierstufen 21, 23 berechnet; dies ist ein Beispiel zur Berechnung des zeitlichen Mittels des Intensitätsverhältnisses. Die Maximalamplituden können auch mittels einer Spitzenwert-Halteschaltung und der Verhältnisse zwischen _!5 ihnen berechnet werden; dies ist ein weiteres Beispiel zur Berechnung des zeitlichen Mittelwertes des Intensitätsverhältnisses.

In den F i g. 6 und 7 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Messung des Abstandes eines Gegenstandes von einem Landfahrzeug dargestellt. Im Vergleich mit der oben beschriebenen Ausführungsform hat diese Einrichtung eine wesentlich bessere Empfindlichkeit. Darüber hinaus kann mit ihr auch festgestellt werden, ob sich der Gegenstand auf die Einrichtung zu oder von ihr weg bewegt.

Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung unterscheidet sich von der unter Bezugnahme auf Fig.2 beschriebenen Einrichtung durch die Teile, _J() die auf die Tiefpaßfilter von F i g. 2 folgen. In F i g. 6 sind deshalb nur die Elemente dargestellt, die sich von den Elementen der oben beschriebenen Ausführungsform unterscheiden. Diese Elemente sollen im folgenden auch nur im einzelnen beschrieben werden. ^₁

Die in F i g. 6 dargestellten Tiefpaßfilter 28,29 und 30 ähneln in Aufbau und Funktionsweise den unter Bezugnahme auf Fig.2 beschriebenen Tiefpaßfiltern 14, 17 und 20 der obigen Ausführungsform. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 28 ist mit dem Eingang eines Vollweggleichrichters 31 sowie mit dem Eingang eines Sättigungsverstärkers (ein Satz nichtlinearer Verstärker) verbunden; der Vollweggleichrichter 31 liefert den Absolutwert der Signalspannung. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 30 ist mit dem Eingang eines weiteren Vollweggleichrichters 32 verbunden. Wenn die Eingangssignale an den Vollweggleichrichtern 31 und 32 negativ sind, bleiben die absoluten Größen der Eingangssignale unverändert, es werden jedoch die Vorzeichen ins Positive umgekehrt. Die Ausgänge der _w Vollweggleichrichter 31 und 32 sind mit den Eingängen eines schnellen Teilers (Dividierers) 33 verbunden, der das Verhältnis zwischen den Ausgangssignalen der Vollweggleichrichter 31 und 32 bildet Der Ausgang des schnellen Teilers 33 ist mit dem Eingang eines Entfernungsdiskriminators 34 verbunden, der in Aufbau und Funktionsweise dem in Verbindung mit Fig.2 beschriebenen Entfernungsdiskriminator 23 der obigen Ausführungsform ähnelt. Der Entfernungsdiskriminator bildet also aus dem Ausgangssignal des schnellen Teilers _w, 33 ein Ausgangssignal, das den Abstand zu dem Gegenstand darstellt. Der Ausgang des Entfernungsdiskriminators 34 ist an den Eingang einer Gatterschaltung 35 angekoppelt, deren Steueranschluß mit dem Ausgang eines Pegeldetektors 36 verbunden ist, dessen Eingang _h5 wiederum an den Ausgang des Vollweggleichrichters 31 angeschlossen ist. Die Gatterschaltung 35 läßt das Signal nur durch, wenn der Pegel des Ausgangssignals des Pegeldetektors 36 über einem vorbestimmten Pegel liegt. Der Ausgang der Gatterschaltung 35 ist mit einem der Eingänge einer Entscheidungsschaltung 37 verbunden.

Der Ausgang des Sättigungsverstärkers 39 ist an den Eingang einer Differenzierschaltung 40 angekoppelt, deren Ausgang wiederum mit einem Eingang einer Diode 41 verbunden ist. Der Ausgang der Diode 41 ist mit dem Eingang einer Verzögerungsschaltung 42, die das Signal verzögern kann, und mit dem Rückstellanschluß eines RS-(einstellrückstellbaren)Flip-Flops 44 verbunden.

Der Ausgang des Tiefpaßfilters 29 ist mit dem Eingang eines Sättigungsvenstärkers 38 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit dem Eingang einer Gatterschaltung 43 verbunden ist; deren Steueranschluß ist mit dem Ausgang der Verzögerungsschaltung 42 verbunden. Wenn der Pegel des Ausgangssignals der Verzögerungsschaltung 42 einen vorbestimmten Pegel überschreitet, öffnet die Gatterschaltung 43 und läßt das Signal zu dem Einstelleingang des RS-Flip-Flops 44 durch, dessen Ausgang mit dem anderen Eingang der Entscheidungsschaltung 37 verbunden ist.

Bei diesem Momentan-Vergleichssystem kann das Verhältnis durch Bestimmung der Amplituden von mindestens zwei Dopplersignalen der gleichen Phase berechnet werden; hierdurch unterscheidet sich die vorliegende Einrichtung von der obigen Ausführungsform, bei der das Verhältnis anhand eines zeitlichen Mittelwertes berechnet wird.

Als nächstes wird die Betriebsweise beschrieben, wenn sich der Gegenstand auf die Einrichtung zu oder von ihr weg bewegt. Das in Gleichung (1) wiedergegebene und in F i g. 7 dargestellte Ausgangssignal e₅ des Tiefpaßfilters 28 ist

Das in Gleichung (1) wiedergegebene und in Fig. 7 dargestellte Ausgangssignal es des Tiefpaßfilters 30 ist

— 2rj2(m_r)cos ω_αΔί.

Da die negativen Signale in ihrer Polarität mittels der Vollweggleichrichter 31 und 32 umgekehrt werden, werden von den Vollweggleichrichtern 31 und 32 die in F i g. 7 dargestellten Ausgangssignalwellenfonnen ei und eg erhalten. Der schnelle Teiler 33 berechnet das Verhältnis zwischen den Ausgangssignalen der Vollweggleichrichter 31 und 32. Der Ausgang des schnellen Teilers ist proportional zu dem Ausdruck

\tl2rJ₂(m_t)

In ähnlicher Weise, wie es in Verbindung mit der obigen Ausführungsform beschrieben ist, bildet der Entfernungsdiskriminator 34 das Ausgangssignal, das die Entfernung zu dem Gegenstand darstellt.

In dem Bezugsdetektor 36 wird das Ausgangssignal des Vollweggleichrichters 31, d. h.

mit einem Bezugspegel verglichen. Wenn das Ausgangssignal den Bezugspegel überschreitet, gibt der Pegeldetektor 36 ein Ausgangssignal an die Gatterschaltung 35 ab. Die Gatterschaltung 35 läßt daher das Ausgangssignal des Entfernungsdiskriminators 34 nur dann zu der Entscheidungsschaltung 36 durch, wenn das Ausgangssignal des Pegeldetektors der Gatterschaltung 35 zugeführt ist, das heißt, der Ausgangspegel des

Vollweggleichrichters 31 über dem Bezugspegel liegt. Der in dem schnellen Teiler 33 verursachte Fehler kann, wenn der Pegel des Ausgangssignals

rjo(m_r)\coscu_cat\

nahe Null ist, beseitigt werden. Auf diese Weise kann dann die Entfernung zu dem Gegenstand gemessen werden.

Im folgenden wird die Funktionsweise beschrieben, wenn festgestellt werden soll, ob sich der Gegenstand auf die Einrichtung zu oder von ihr weg bewegt. Das in Gleichung (1) wiedergegebene und in F i g. 7 dargestellte Ausgangssignal e₁₂ des Tiefpaßfilters 29 ist

— 2rJ\(m_r)sin ω_σΔί.

Das sinusförmige Eingangssignal wird mittels des Sättigungsverstärkers 38 in die in F i g. 7 dargestellte Rechteckwellenform ei3 umgeformt. Wenn sich der Gegenstand in entgegengesetzter Richtung bewegt, wird die in F i g. 7 dargestellte Wellenform en erhalten, die um 180° gegenüber der Wellenform e^ in der Phase verschoben ist. Das sinusförmige Eingangssignal des Tiefpaßfilters 28 wird durch den Sättigungsverstärker 39 ebenfalls in die in F i g. 7 dargestellte Rechteckwellenform es umgeformt; das Ausgangssignal des Sättigungsverstärkers 39 wird mittels der Differenzierschaltung 40 differenziert, so daß die F i g. 7 dargestellten, abwechselnd positiven und negativen Impulse eio erhalten werden. Die Diode 41 läßt nur die positiven Impulse durch, so daß das in F i g. 7 dargestellte Ausgangssignal ei ι der Diode 41 erhalten wird.

Bei Anliegen des Signals von der Verzögerungsschaltung 42 läßt die Gatterschaltung 43 das Ausgangssignal des Verzögerungsverstärkers 38 τ Sekunden nach dem Zeitpunkt durch, in dem der Eingangsimpuls an die Verzögerungsschaltung angelegt wird. Mit anderen Worten wird das Ausgangssigna! des Sättigungsverstärkers 38 an den Einstelleingang des Flip-Flops 44 τ Sekunden nach dem Zeitpunkt angelegt, in dem der Eingangsimpuls an der Verzögerungsschaltung angelegt wird, und wird in dem Flip-Flop 44 gespeichert. Der Eingangsimpuls an der Verzögerungsschaltung 42 wird auch dem Rückstelleingang des Flip-Flops 44 zugeführt, so daß dieser jeweils ν Sekunden vorher zurückgestellt ist, bevor das Ausgangssignal des Sättigungsverstärkers an den Einstelleingang des Flip-Flops 44 angelegt wird. Die Periode Tddes Dopplersignals ist so gewählt, daß sie der Etedingung

T_d>v

genügt, so daß das Flip-Flop 44 das digitale Ausgangssignal des Verstärkers 38 hält, wenn der Ausgangsimpuls der Verzögerungsschaltung 42 erscheint. Die digitalen Signale »0« und »1« des Ausgangssignals en des Sättigungsverstärkers 38 sind in Fi g. 7 dargestellt.

Es kann festgestellt werden, ob sich der Gegenstand auf die Einrichtung zu oder von ihr weg bewegt, indem die digitalen Signale der in Fi g. 7 dargestellten Signale es, ei j und en bestimmt werden, die um 90° in der Phase verschoben sind. Das heißt, das in F i g. 7 dargestellte Signal es wird als Bezugssignal verwendet. Wenn sich der Gegenstand von der Einrichtung weg bewegt, wird das in F i g. 7 dargestellte Signal i?i3 erhalten, während das in F i g. 7 dargestellte Signal e_]4 erhalten wird, wenn sich der Gegenstand auf die Einrichtung zu bewegt. Das digitale Signal am Ausgang des Flip-Flops 44 ist also »0«, wenn sich der Gegenstand von der Einrichtung we^ bewegt, und ist »1«, wenn sich der Gegenstand auf die Einrichtung zu bewegt. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 44 wird an einen Eingang der Entscheidungsschaltung 37 angelegt und wird eines der Sensorsignale

ίο der Entscheidungsschaltung 37.

Im Unterschied zu der obigen, anhand von F i g. 2 beschriebenen Ausführungsform ist bei dieser Ausführungsform die das arithmetische Mittel bildende Anordnung nicht vorgesehen, so daß die Empfindlichkeit beträchtlich gesteigert und festgestellt werden kann, ob sich der Gegenstand auf die Einrichtung zu oder von ihr weg bewegt.

Die hier beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist nicht auf die Messung des ruhenden Gegenstandes gerichtet; es ist jedoch auch möglich, die Entfernung zu messen, wenn sich der Gegenstand in Ruhe befindet, das heißt, wenn

COS C

ist, indem beispielsweise ein Phasenschieber in das Übertragungssystem eingesetzt wird, so daß die Phase des zu übertragenden Signals geändert werden kann; dieses Verfahren ist bereits bekannt.

Bei dieser Ausführungsform befinden sich, so wie es bisher beschrieben worden ist, die Ausgangssignale der Tiefpaßfilter 28 und 30 in dem Momentanvergleichssystem in Phase; selbstverständlich ist aber auch eine Entfernungsmessung möglich, wenn die Ausgangssignale um 180° in der Phase verschoben sind. Für die Feststellung, ob sich der Gegenstand auf die Einrichtung zu oder von dieser weg bewegt, wurden Doppler-Signa-Ie verwendet, die um 90° in der Phase verschoben waren; diese Signale wurden aber nur verwendet, um die Verarbeitung der Signale zu erleichtern. Demnach können Doppler-Signale verwendet werden, die um irgendeinen Winkel, ausgenommen 180°, in der Phase verschoben sind.

Sowohl das Momentanvergleichssystem als auch die Schaltung zur Bestimmung, ob sich der Gegenstand auf die Einrichtung zu oder von dieser weg bewegt, sind in dieser Ausführungsform vorgesehen; sie können aber selbstverständlich bei Bedarf auch einzeln verwendet werden. Das Momentanvergleichssystem ist insbesondere dort vorteilhaft, wo ein sehr schnelles Ansprechen erforderlich ist; die Schaltung zur Feststellung, ob sich der Gegenstand auf die Einrichtung zu oder von dieser weg bewegt, kann bei Bedarf zwischengeschaltet werden. Wenn sie beispielsweise in die obige Ausführungsform eingebaut wird, bei der die das arithmetische Mittel bildende Anordnung verwendet ist, kann nicht nur die Entfernung zu dem Gegenstand mit einem höheren Grad an Genauigkeit gemessen werden, sondern es kann auch bestimmt werden, ob sich der Gegenstand von der Einrichtung weg oder auf diese zu bewegt. Wenn die Schaltung in einem Gerät verwendet wird, mit dem festgestellt wird, ob sich ein Ziel nur in einer Richtung bewegt, sind in der Praxis keine Betriebsfehler mehr möglich.

Hierzu S Hliitt /xichnunnen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung des Abstandes eines Gegenstandes von einem Landfahrzeug mittels ausgesandter und reflektierter, frequenzmodulierter, kontinuierlicher Wellen mit einer Anordnung zur Abtrennung eines Doppier-Signals von einer durch Mischen der ausgesandten und reflektierten Welle erhaltenen niederfrequenten Welle und zur Abtrennung einer Grundwelle und von Oberwellen der Modulationsfrequenz sowie zur Ableitung von Dopplersignalen aus den beiden letzteren, weiterhin mit einer Anordnung zur Gleichrichtung der abgetrennten bzw. abgeleiteten Dopplersignale, mit einer Anordnung zur Berechnung des Intensitätsverhältnisses zwischen wenigstens zwei der so gewonnenen Gleichstromsignale sowie mit einer Anordnung zur Bestimmung der Entfernung zu dem Gegenstand aus dem berechneten Verhältnis, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (31,32) zur Gleichrichtung als Vollweggleichrichter ausgebildet ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch durch eine Anordnung (25) zur Bildung des arithmetischen Mittelwertes von mindestens zwei Intensitätsverhältnissen.