DE2315816C3

DE2315816C3 - Doppler radar method for measuring the distance between a moving body and a subsurface

Info

Publication number: DE2315816C3
Application number: DE19732315816
Authority: DE
Inventors: Peter DipL-Phys. 8000 München; Zschauer Karl-Heinz Dr. 8018 Grating Jochen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1973-03-29
Publication date: 1976-12-30

Description

bezeichnet Af = /«—/, die Doppler-Freqüenzver- konstant geblieben ist. Dieser Zeitraum ist als zeitlich Schiebung, /„ die Sendefrequenz, f_e die Empfangs- ausgedehntes Zeitintervall zu verstehen, d.h. der frequenz und c die Wellengeschwindigkeit, wie z. B. Zeitpunkt, in dem eine erfindungsgemäße Messung die Lichtgeschwindigkeit. Die Größen v_b, a₀, α werden erfolgt, wird zu einem Zeitraum ausgedehnt, in dem an Hand der F i g. 1 erläutert. Mit 1 ist der äugen- 5 fortlaufend die Doppler-Frequenzverschiebung geblickliche Ort des bewegten körpers, mit 3 der Ort, messen wird. In praktischen Anwendungsfällen können an dem reflektiert wird, und mit 5 ein als geradlinig die jeweiligen Zeiträume lückenlos aufeinanderfolgen, angenommenes Teilstück der vorausliegenden Bahn so daß eine kontinuierliche Messung durchgeführt des Körpers in näherer Umgebung derselben bezeich- wird. Der zeitliche Verlauf des Mittelwertes der zugenet. Dieses Teilstück 5 soll angenommener Weise mit io ordneten Funktion der Doppler-Frequenzverschieder vrrgegebenen Bahn zusammenfallen, α und a₀ sind bung gibt den zeitlichen Verlauf von Änderungen zwei Streckenabschnitte, die orthogonal aufeinander- des Abstandes α an, und zwar bei konstanter Bahnstehen und sich im Punki7 treffen. Mit 9 ist ein geschwindigkeit v& und Sendefrequenz/,.
Untergrund angedeutet, wie er in praktischen Fällen Die Mittelwertbildung entspricht mathematisch vorhanden sein kann. Für spezielle Anwendungsfälle 15 einer Integralmessung der Funktion AfU) der Dopplerkann wenigstens für die einzelne Messung ange- Frequenzverschiebung und läßt sich elektronisch z. B. nommen werden, daß der Untergrund parallel zum mit Hilfe eines elektrischen ÄC-Integrationsgliedes Teilstück 5 liegt und als Linie 11 eingezeichnet ist. ausführen. Die Bildung der zugeordneten Funktion Die (bekannte) Bahngeschwindigkeit v₆ des Körpers Af*(t) ist ebenfalls auf elektronischem Wege aus verläuft in aer Richtung des Teilstückes 5 und ist so der Funktion AfU) möglich, wenn zuvor das /!/-Signal entlang dieses Teilstückes konstant. Unter diesen z. B. mittels eines Diskriminators in ein elektrisches Annahmen ergibt sich α (bei bekanntem a₀) als Ab- Spannungssignal umgewandelt wurde. Anschließend stand des Ortes 3 vom Punkt 7 auf dem Teilstück 5 läßt sich mit der bekannten Methode der Ein- oder entsprechend der Gleichung. Im allgemeinen Fall Zweiweggleichrichtung sowie eines weiteren Disist α damit ein wenigstens angenäherter Wert für die as kriminators, der die Rückwandlung vornimmt, die Höhe der Bahn des bewegten Körpers in Punkt 7 über zugeordnete Funktion Af*U), beispielsweise | AfU) |, dem Untergrund 11 bzw. 9, wobei der Grad der Näh?- bilden.denotes Af = / «- /, the Doppler frequency has remained constant. This period is to be understood as a time shift, / "the transmission frequency, f _e the reception extended time interval, ie the frequency and c the wave speed, such as. B. Time at which a measurement according to the invention the speed of light. The variables v _b , a ₀ , α are carried out, is expanded to a period in which, with reference to FIG. 1 explained. With 1 is the eye 5 continuously the Doppler frequency shift observable location of the moving body, with 3 the location will be measured. In practical applications, on which is reflected, and with 5 a section of the path ahead assumed to be straight, the respective time periods follow one another without gaps, so that a continuous measurement of the body in the immediate vicinity thereof is referred to. The time course of the mean value of zugenet. This section 5 is supposed to coincide with the io-ordered function of the Doppler frequency variator given path, α and a ₀ are exercise gives the temporal course of changes in two route sections, the orthogonally to one another of the distance α , with a constant path and in the Meet Punki7. With 9 is a speed v & and transmission frequency / ,.
Background indicated, as it can be mathematically present in practical cases. For special applications 15 of an integral measurement of the function AfU) the Doppler can at least for the individual measurement frequency shift and can be electronically z. It can be assumed, for example, that the subsurface is parallel to section 5 with the aid of an electrical ÄC integration link and is shown as line 11. To run. The formation of the function associated with the (known) path velocity v ₆ of the body Af * (t) is also by electronic means extends in aer direction of the portion 5 and is the function AfU) possible if before the / / - along signal! this section constant. Among these z. B. by means of a discriminator in an electrical assumption results α (with known a ₀ ) was converted as a down-voltage signal. Then the location 3 stood from point 7 on the section 5 can be with the known method of one or according to the equation. In the general case full-wave rectification as well as a further Disist α thus an at least approximate value for the as kriminators, which carries out the reverse conversion, the height of the path of the moving body in point 7 via the assigned function Af * U), for example | AfU) |, the background 11 or 9, where the degree of sewing? - form.

rung, wie aus F i g. 1 ersichtlich, vom wie einge- An Hand der F i g. 2 wird die Durchführung destion, as shown in FIG. 1 can be seen from the as shown in FIG. 2 will carry out the

zeichneten Neigungswinkel 13 abhängt. erfindungsgemäßen Verfahrens im Prinzip erläutert.drawn angle of inclination 13 depends. Process according to the invention explained in principle.

Der in Fig. 1 eingezeichnete Fall, bei dem der 30 Der Körper21, dessen Abstand vom Untergrund 11The case drawn in FIG. 1 in which the 30 The body 21, whose distance from the ground 11

Untergrund 9 in einem spitzen Winkel zum Teil- gemessen werden soll, bewegt sich in Pfeilrichtung 25The background 9 to be measured at an acute angle to the part moves in the direction of the arrow 25

stück 5 der Bahn verläuft, entspricht dem Flugzustand etwa parallel zum Untergrund 11. Über das Antennen-section 5 of the runway, corresponds to the flight condition roughly parallel to the ground 11. Via the antenna

eines landenden Flugzeuges. Bei dem Beispiel eines system 22 wird ein hochfrequentes Wellensignal 26 mitof a landing plane. In the example of a system 22, a high frequency wave signal 26 is included

angenähert parallelen Verlaufs der Bahn des bewegten hinreichend konstanter Frequenz f, und Amplitude Körpers zum Untergrund, wie er durch die Linie 11 35 in Richtung zum Untergrund ausgestrahlt. Diesesapproximately parallel course of the path of the moving, sufficiently constant frequency f, and amplitude of the body to the ground, as radiated by the line 11 35 in the direction of the ground. This

angedeutet ist, erfaßt F i g. 1 auch den praktischen Signal wird an einem der Reflektoren 41, 42, 43 ...,is indicated, detected F i g. 1 also the practical signal is sent to one of the reflectors 41, 42, 43 ...,

Fall einer magnetischen Schwebebahn. die auf dem Untergrund in vorgegebenen AbständenFall of a magnetic levitation train. those on the ground at specified intervals

Gemäß der Erfindung wird — wie dargelegt — ein voneinander angebracht sind, reflektiert und gelangtAccording to the invention - as stated - one of each other is attached, reflected and arrives

Mittelwert der Doppler-Frequenzverschiebung ausge- entsprechend dem Doppler-Effekt mit geänderter wertet. Da die Doppler-Frequenzverschiebung Af{t) 40 Frequenz /_e wieder in das Antennensystem 22. DiesesAverage value of the Doppler frequency shift evaluated according to the Doppler effect with changed evaluations. Since the Doppler frequency shift Af {t) 40 frequency / _e back into the antenna system 22. This

eine symmetrische Funktion, bezogen auf den Sym- Signal f_e wird im Empfänger 31 demoduliert, d. h.,a symmetrical function, based on the Sym signal f _e , is demodulated in the receiver 31, that is,

metriepunkt f, ist, so ergibt die Mittelwertbildung der es wird die Differenz aus der ursprünglichen Sende-measurement point f, then the averaging results in the difference from the original transmission

Funktion Af(I) im allgemeinen den Wert 0, und zwar frequenz /_s und der Frequenz /_e des reflektiertenFunction Af (I) generally has the value 0, namely frequency / _s and the frequency / _{e of} the reflected

unabhängig für alle Werte des Abstandes a. Erfin- Signals gebildet. Das demodulierte Signal gelangt zum dungsgemäß bildet man daher aus der Funktion Af(t) 45 Integrator 34, wo die zugeordnete Funktion Af*(t) independent for all values of the distance a. Invention signal formed. The demodulated signal arrives at the purpose according to which one forms from the function Af (t) 45 integrator 34, where the assigned function Af * (t)

eine zugeordnete Funktion Af*{t), die für alle Zeit- gebildet und integriert wird. Das integrierte Signalan assigned function Af * {t), which is formed and integrated for all times. The integrated signal

punkte t einen Wert Af*>0 besitzen soll. Diese wird der Meßwertausgabe 35 zugeführt, die mit Hilfepoints t should have a value Af *> 0 . This is fed to the measured value output 35, which with the help

zugeordnete Funktion Af*U), die positiv definit ist des bekannten Wertes der Bahngeschwindigkeit dasassigned function Af * U), which is positive definite of the known value of the path speed das

und deren Mittelwert ein Maß für den Abstand α ist, vom Integrator 34 erhaltene Signal in einen Abstandskann z. B. auf folgende Arten definiert werden: 50 wert umwandelt.and the mean value of which is a measure of the distance α , the signal obtained from the integrator 34 in a distance can e.g. B. can be defined in the following ways: 50 value converts.

Der Zeitpunkt des Anfanges bzw. des Endes desThe time of the beginning or the end of the

AfU) = AfU)* für Af >0 Zeitraumes, in dem der Wert der Doppler-Frequenz- AfU) = AfU) * for Af > 0 period in which the value of the Doppler frequency

~~ verschiebung registriert werden soll, kann mit Hilfe~~ shift to be registered can be done using

Af*(t) = -AfU) für Af <0 eines zusätzlichen Hilfssignals festgestellt werden. ₀₍j_er 55 Dieses Hilfssignal ist ein scharf gebündelter Strahl, Af * (t) = -AfU) for Af <0 of an additional auxiliary signal. _{0 (} j _er 55 This auxiliary signal is a sharply focused beam,

vorteilhafterweise ein Laserstrahl, der in einem vor-advantageously a laser beam that is

Af*(t) = Af(t) tür Af>0 gegebenen Winkel ausgestrahlt wird. Dieses Hilfs- Af * (t) = Af (t) for Af> 0 given angle. This auxiliary

Af*U) — 0 für Af <0 signal kann auch von speziellen Reflektoren51, 52, Af * U) - 0 for Af <0 signal can also be provided by special reflectors51, 52,

53 ..., wie z. B. Drei-Spiegel-Anordnungen, die auf 60 dem Untergrund 11 angeordnet sind und die speziell53 ..., such as B. three-mirror arrangements, which are arranged on 60 the substrate 11 and the special

Der erste Fall entspricht einer Betragsbildung nur für das Hilfssignal ein großes ReflexionsvermögenThe first case corresponds to the formation of an absolute value only for the auxiliary signal with a large reflectivity

Af*(t) = I AfU) |, der zweite einer Negativwertunter- besitzen, reflektiert werden. Der Zeitpunkt zur Af * (t) = I AfU) |, the second of a negative value sub-own, be reflected. The time to

drückung. Messung der Doppler-Frequenzverschiebung ist z. B.depression. Measurement of the Doppler frequency shift is e.g. B.

Hierbei ist der Mittelwert über einen solchen dadurch festgelegt, daß in diesem Zeitpunkt die Laser-Zeitraum zu bilden, in dem der Körper wenigstens 65 strahlung am Körper empfangen wird. In diesem FallHere, the mean value is determined by the fact that at this point in time the laser period to form in which the body receives at least 65 radiation on the body. In this case

die Entfernung zweier benachbarter Reflektoren und ist ein zusätzlicher Empfänger für die reflektiertethe distance between two adjacent reflectors and is an additional receiver for the reflected

höchstens eine solche Entfernung zurückgelegt hat, Laserstrahlung erforderlich,has covered at most such a distance, laser radiation required,

innerhalb der die Bahngeschwindigkeit praktisch Das Antennensystem 22 läßt sich vorteilhafte™^«»within which the orbit speed is practically The antenna system 22 can be advantageous ™ ^ «»

in Streifenleitertechnik ausführen. Hierdurch erhält das Antennensystem eine äußerst flache Bauform. Als Antennenstrahler sind einzelne λ/4-Strahler geeignet, die in Kombination mit weiteren passiven λ/4-Strahlern zu einer Dipol-Reihe mit gegenüber dem Einzelstrahler erhöhter Richtcharakteristik angeordnet sind. Vorteilhafterweise ist als Generator des Wellensignals 26 ein Gunn- bzw. IMPATT-Oszillator verwendbar, der sich ebenfalls in Streifenleitungstechnik ausführen läßt. Der Generator des Wellensignals 26 wird als integrierter Bestandteil des Antennensystems 22 betrachtet. Enthält das Empfangssystem 31 eine fremdgesteuerte Mischstufe, so ist ferner, z. B. mit Hilfe eines Zirkulators, der Generator von der Empfangsvorrichtung 31 zu entkoppeln.run in stripline technology. This gives the antenna system an extremely flat design. When Antenna radiators are suitable for individual λ / 4 radiators in combination with other passive λ / 4 radiators are arranged in a dipole row with a directional characteristic that is higher than that of the individual radiator. A Gunn or IMPATT oscillator can advantageously be used as the generator of the wave signal 26, which can also be implemented using stripline technology. The generator of the wave signal 26 is considered an integral part of the antenna system 22. If the receiving system 31 contains a externally controlled mixer, so is further, z. B. with the help of a circulator, the generator from the receiving device 31 to be decoupled.

Als Reflektoren 31, 42, 43 ... werden vorteilhafterweise metallische Λ/4-Strahler verwendet, die direkt auf dem Untergrund 9 bzw. 11 angebracht sind. Ist das Reflexionsvermögen des Untergrundes für das Wellensignal 26 etwa von gleicher Größe wie dasjenige der Reflektoren, so ist es vorteilhaft, den Untergrund mit einer Schicht zu belegen, die das Wellensignal wenigstens teilweise absorbiert. Das Reflexionsvermögen der Reflektoren kann auch dadurch geändert werden, daß die Reflektoren in einer vorgegebenen Höhe über dem Untergrund angeordnet sind. In diesem Fall ergibt sich näherungsweise der tatsächliche Abstand des bewegten Körpers von der Unterlage als Summe aus dem Abstand α des Körpers von dem Reflektor und der Höhe der Reflektoren über dem Untergrund.As reflectors 31, 42, 43. If the reflectivity of the background for the wave signal 26 is approximately the same as that of the reflectors, it is advantageous to cover the background with a layer which at least partially absorbs the wave signal. The reflectivity of the reflectors can also be changed in that the reflectors are arranged at a predetermined height above the ground. In this case, the actual distance of the moving body from the base results approximately as the sum of the distance α of the body from the reflector and the height of the reflectors above the base.

Der Wert der Frequenz/» des Wellensignals26 wird so gewählt, daß das Antennensystem 22 die Bedingung zur Vorgabe der Richtcharakteristik erfüllen kann. Es ist weiterhin vorteilhaft, den Wert/, der Frequenz so zu wählen, daß Störungen durch witterungsbedingte Einflüsse, z. B. Schnee oder Eis, auf ein Minimum herabgesetzt werden. Ferner kann es auchThe value of the frequency / »of the wave signal 26 is chosen so that the antenna system 22 fulfills the condition to specify the directional characteristic can meet. It is also advantageous to use the value / that To choose frequency so that interference from weather-related influences, z. B. snow or ice, on a Be reduced to a minimum. Furthermore, it can also

s günstig sein, die Frequenz/« so zu wählen, daß das Material des Untergrundes 11 für Wellen der Frequenz /» möglichst geringes Reflexionsvermögen aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Reflektoren 41, 42, 43 ..., in äquidistanten Abständen voneinander auf dem Untergrund 9 bzw. 11 angebracht. Hierdurch treten die Zeitpunkte, in denen eine Messung der Doppler-Frequenzverschiebung vorgenommen wird, inIt may be advantageous to choose the frequency / «so that the material of the substrate 11 has the lowest possible reflectivity for waves of the frequency /».
According to a further embodiment of a method according to the invention, the reflectors 41, 42, 43... Are attached to the substrate 9 and 11 at equidistant intervals from one another. As a result, the times at which a measurement of the Doppler frequency shift is carried out occur in

is äquidistanten Zeitintervallen auf, falls die Bahngeschwindigkeit des Körpers gleichförmig ist. Dies führt zu einer weiteren Vereinfachung des Meßverfahrens, insbesondere dann, wenn die Bahngeschwindigkeit aus dem Abstand der Reflektoren voneinander be-is equidistant time intervals if the path speed of the body is uniform. This leads to a further simplification of the measurement process, especially when the web speed is determined by the distance between the reflectors

ao stimmt wird.ao is true.

Die Bahngeschwindigkeit des Körpers läßt sich auch aus dem zeitlichen Verlauf der Doppler-Frequenzverschiebung ermitteln. Hierzu muß der Abstand der Reflektoren voneinander bekannt sein.The orbital speed of the body can also be determined from the time course of the Doppler frequency shift detect. To do this, the distance between the reflectors must be known.

as Insbesondere können die Zeitpunkte ermittelt werden, zu denen keine Doppler-Frequenzverschiebung auftritt, d. h. die Zeitpunkte der Null-Durchgänge des zeitlichen Verlaufes der Doppler-Frequenzverschiebung ermittelt werden. Zu diesen Zeitpunkten hat der Winkel 14 (vgl. F i g. 1) den Wert O. Damit läßt sich aus dem zeitlichen und räumlichen Abstand der Reflektoren die Geschwindigkeit des Körpers ermitteln. Diese Maßnahme wendet man an, wenn kein wie oben beschriebenes Hilfssignal vorgesehen ist.As in particular, the times can be determined to which no Doppler frequency shift occurs, d. H. the times of the zero crossings the time course of the Doppler frequency shift can be determined. At these times, the Angle 14 (see FIG. 1) the value O. This can be used from the temporal and spatial distance of the Reflectors determine the speed of the body. This measure is used if none as the auxiliary signal described above is provided.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

The invention relates to a method for measuring a distance as specified in the preamble of claim 1.

1. Method for measuring the distance of a The determination of distances is so far mostly body 3 moving on a predetermined path carried out according to the method of the pulse time-of-flight radar, From a subsurface according to a radar method in which the transit time of a wave packet is a measure of ren, with one located on the body the distance of the observer from the moving one Sender emits wave radiation, the body is evaluated.

after reflection from one located on the body. In the time-of-flight radar method, there is a lower one

Receivers receive and their Doppler-Fre- io limit for the distance measurement, because the transit times transverse shift is evaluated, thereby the wave packets then assume such small values that the given that an electronic measurement of the transit time is not reflectors (41, 42, 43) reflected wave rays are used more or only with insufficient accuracy (26), whereby the reflectors are possible. The shortest pulse values, which can still be measured on the background (9, 11) with a predetermined degree of accuracy, would be in the nanosecond range from one another along the path (5). This results in the fact that from the course of the Doppler frequency shift Af (t) of the received, as the shortest distance, which can still be measured with sufficient reflected wave radiation with a positive definite accuracy, when electromagnetic waves are used, an amount in the function Af * (t) is formed that from the positive ao order of magnitude of a few meters,
definite function Af * (t) a mean value is formed A further reduction of the lower distance

This mean value over a time limit is achieved by forming waves with less space in which the body (21) uses propagation speed, such as at least one path corresponding to the distance acoustic waves in the sonar method. Acoustic voltage of two neighboring reflectors and high waves, however, have the disadvantage that their outward movement has covered such a distance that the inner propagation speed _{depends on the condition of the outside of which the path speed (v 6} ) practically depends on the propagation medium, e.g. B. from the temperature has remained constant, and that the mean value determined at this temperature and from the pressure, if the propagation medium velocity, is gaseous with the target value. Due to this additional failure-prone or The sonar method is not compared in all application speeds for calibration values of the mean value for these speeds and so the measurement cases are suitable, which provides the shortest measurable distance for the distance (α). limit of electromagnetic radar processes

2. The method as claimed in claim 1, characterized in that it is sold.

shows that an equidistant distance of the Re- In the document Proc. IRE 45 (1957), November,

flexors (41, 42, 43) is selected from each other. 35 p. 1553 ff., Is described as the closest approximation

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that an earth satellite is determined to the ground station characterized in that the measurement periods of the mean can be. The Doppler frequency evaluation is used for this purpose border each other without gaps. Shift of the radio signals transmitted by the satellite

4. The method according to any one of claims 1 to 3, measured signals. At the time of closest approximation, characterized in that from the temporal 40 tion, no Doppler shift occurs. The same distance between the succession of points in time, effect, can be used according to the publication Flugwelt 9 indenendieDoppler frequency shift J / den (1957) 3, March, p. 178 ff ignite as soon as the reflectors stand apart from the value that the weapon is near the target.
Path velocity (v ₆ ) of the body is determined 45 The object of the present invention is to ensure that it becomes low. Measure distances at high speed;

5. The method according to claim 1, characterized in that, for example, the distances of a magnet should be that the point in time is determined at which suspension railways are measured from the rail, a sharply focused beam of an auxiliary signal. This task is addressed with a like at the beginning is emitted in a predetermined direction, solved 50 benen method that is designed according to the invention the direction is chosen so that the beam speaking the characterizing part of claim 1 of the auxiliary signal is formed when the body (21) moves forward.

The invention makes use of the known fact

Reflectors or associated reflectors (51, 52, that use the Doppler frequency shift

53) hits, and with each one of the Re- 55 of a transmitter that is attached to the moving body

at least a portion of the auxiliary signal is located as a measure for determining the distance

reflected and can be used by someone on the body along the path of the moving body,

Receiver for this auxiliary signal is received if the wave radiation is thought to be at rest

where the time of receipt of this portion reflects the location in the direction of the moving body

the time of the beginning or the end of the 60 and is received there.

Is the period over which the averaging takes place. For the Doppler frequency shift Af lets

6. The method according to claim 5, characterized in the following equation
shows that from the time interval between the sequence of the determined points in time at vor- jy _ ² / « ^v t> ^a o
given distance of the reflectors from each other 65 _c . 1 / _Οο «+ _a
the value of the orbital velocity (v _ft ) of the body

is determined. specify in which the distance α of the path of the body

is contained by a reflector. In this equation