DE2335613B2

DE2335613B2 - Verfahren und vorrichtung zur messung von abstaenden, abstandsaenderungen und/oder geschwindigkeitsaenderungen relativ sich zueinander bewegender gegenstaende

Info

Publication number: DE2335613B2
Application number: DE19732335613
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Reitberger, Peter, Dipl.-Ing., 8000 München
Priority date: 1973-07-13
Filing date: 1973-07-13
Publication date: 1976-01-29
Also published as: DE2335613A1

Description

)ie Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur ssung von Abständen, Abstandsänderungen und/ r Geschwindigkeitsänderungen relativ sich zuciner bewegender Gegenstände, bei dem sich in einem iörmigen Medium ausbreitende akustische Signale einem Sender des einen Gegenstandes ausgesandt von einem Empfänger des anderen Gegenstandes ifangen und anschließend wieder aktiv abgestrahlt den und daß die Signale zwischen Empfang und itrahlung in ihren Parametern verändert werden, lesondere für Fahrzeuge aller Art.
Ii der Radartechnik ist es bekannt, durch Laufmessung akustischer bzw. elektromagnetischer Ilen, die von einem der Gegenstände passiv reflektiert werden, den Abstand zwischen diesen Ge genständen zu bestimmen (Primär-Radir). Gemäi dem Sekundär-Radarverfahren ist es weiterhin bekannt, ein elektromagnetisches Signal von einer ab· fragenden Station auszustrahlen, das von einem Gegenstand empfangen wird und dort ein Antwortsigna: in einem aktiven Antwortgerät, dem Transponder auslöst. Das Antwortsignal wird von der abfragender Station empfangen und analysiert.

ίο Das Primär-Radarverfahren mit passiver Reflexion hat einen wesentlichen Nachteil, der darin besteht, daß an Nachbargegenständen unerwünschte Echos auftreten, die das eigentliche Echo des Gegenstandes, dessen Entfernung gemessen werden soll, überlagern und die Analyse erschweren. Darüber hinaus ist es oft schwierig, festzustellen, welches der nachgewiesenen Echos von dem Gegenstand herrührt, dessen Entfernung gemessen werden soll. Dieses Verfahren hat weiterhin den Nachteil, daß auf Grund der mit der Entfernung sehr raschen Leistungsabnahme der passiv reflektierten Wellen eine sehr hohe Sendeleistung benötigt wird. Das Sekundär-Radar-Verfahrcn mit aktiven Reflektoren wurde bisher nur mit elektromagnetischen Signalwellen durchgeführt; es blieb bisher auf die Radartechnik beschränkt. Dieses Verfahren ist technisch sehr aufwendig und wäre insbesondere im Hinblick auf die für eine kommerzielle Anwendung benötigte einfache Bedienungsweise für Massenfertigung wenig geeignet. Darüber hinaus würde die Anwendung beispielsweise für das Messen von Abständen bei Fahrzeugen infolge der hohen Kosten kommerziell nicht interessant sein.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein einfaches, robustes Verfahren zur Entfernungsmessung von sich relativ zueinander bewegenden Gegenständen zu liefern, das die genannten Nachteile der bekannten Verfahren nicht aufweist und darüber hinaus einen geringeren Geräteaufwand erfordert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dopplerverschieburg und die Laufzeit der Signale zur Messung herangezogen werden.

Während beim Sekundärradar das Abfragesignal vom Antwortsignal vollkommen getrennt ist, wird im vorliegenden Falle die vom Sender des einen Gegen-Standes abgegebene Strahlung lediglich verändert und aktiv reflektiert.

Diese Maßnahme erlaubt es, zum Nachweis kleinster Abstands- und/oder Geschwindigkeitsänderungen, das vom Sender des anderen Gegenstandes zurückgestrahlte Signal nach Rückempfang und anschließender Veränderung der Parameter ein zweites Mal als zu reflektierendes Signal auszusenden. Dies kann beliebig oft wiederholt werden, so daß die Meßempfindlichkeit gesteigert werden kann. Besonders geeignet für die Anwendung des Meßverfahrens bei Land- und Wasserfahrzeugen ist die Verwendung akustischer Strahlen, insbesondere von Ultraschall.

Darüber hinaus kann das Verfahren dahingehend

ausgebildet werden, daß den umlaufenden Signalen zusätzliche Informationen aufgeprägt und zusätzlich übertragen werden kann. Damit die empfangenen Signale vom Stör-Rauschen gut getrennt werden können, wird vorzugsweise Amplitudendemodulation beim Sender und Empfänger nul Hilfe von Synchrondemodulatoren angewandt. Der benötigte Träger wird mit Hilfe eines Phase-lock-loop-Kreiscs erzeugt. Dieser Kreis kann gleichzeitig auch zur Frequenz- und Phasendemodulation verwendet werden. Um eine Rück-

Kopplung zwischen Sender und Empfänger des einen Gegenstandes zu vermeiden, kann weiterhin vorgesehen werden., zwischen Empfang und Ausstrahlung des Signals die Frequenz zu verändern. Es ist weiterhin möglich, den Lautsprecher und das Mikrophon bei geeigneter Impulsaussendung (Zeit multiplex) in einem Gerät zusammenzufassen. Eine weitere Am-_- führungsfom ist mit mehreren geeignet räumlich angeordneten Mikrophonen möglich, womit eine Richtungsänderung der sich relativ zueinander bewegenden Gegenstände durch Auswertung von Phasendifferenzen nachgewiesen werden kann.

Neben den Vorteilen, nur sehr geringe Sendeleistungen zu benötigen, ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, kleinste Frequenz- und damit Geschwindigkeitsänderungen dadurch zu messen, daß der Meßeffekt durch mehrmaliges Umlaufen der Signale erhöht wird.

Eine ältere Anmeldung gemäß der DT-OS 23 21 018 schlägt ein Verfahren zur Messung von Abständen vor, bei dem Ultraschall durch ein Rohr in Längsrichtung geschickt wird und durch Feststellen der Laufzeit des Ultraschallsignals der Weg, den das Ultraschallsignal zurückgelegt hat, und damit die Länge beispielsweise der Rohrleitung bestimmt wird. Die Signalrückführung erfolgt dabei entweder nach Signal über eine elektrische Leitung, oder nach Umwandlung des Schallsignals in ein Schallsignal mit der Umwandlung des Schallsignals in ein elektrisches anderer Frequenz über dieselbe, zuvor durchlaufene Strecke. Auf Grund der Tatsache, daß als Meßparameter allein die Laufzeit genommen wird, ist es im Gegensatz zu dem vorliegenden Verfahren, bei dem auch der Doppiereffekt zur Messung ausgenutzt wird. nicht möglich, Abstandsänderungen und/oder Geschwindigkeitsänderungen neben Abstandsmessungen vorzunehmen, insbesondere nicht in Zusammenhang mit sich relativ zueinander bewegenden Gegenstanden.

Aus der US-PS 35 62 749 ist zur Lagefeststellung eines Gegenstandes oder eines Objektes ein System mit einem mitgekoppelten Kreis bekannt, bei dem eine Schwingung einsetzt, sobald der Verstärkungsfaktor des geschlossenen Kreises den Wert 1 übersteigt. Aus dem Einsetzen der Schwingung kann dann auf die Lage des Objektes, bzw. auf die Relativlage der Objekte zueinander geschlossen werden. Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß d?s Einsetzen der Schwingung im mitgekoppelten Kreis nicht festliegt, weil das Einsetzen der Schwingung stark von der Schwingungsdämpfung in der Luft, also beispielsweise von der Lufttemperatur und de^r Luftfeuchtigkeit abhängt, so daß mit diesem Verfahren keine sicheren Meßwerte erhalten werden können.

Schließlich sei noch erwähnt, daß es zwar bekannt ist, die Dopplerverschiebung in der Ultraschallmeßtechnik zur Messung heranzuziehen (DT-AS 17 91 060), nicht jedoch zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe und in der erfindungsgemäßen Weise.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Meßverfahrens der beidseitigen aktiven Reflexion,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens für Abstandsmessungen und/oder Differenzgeschwindigkeitsmessung an Fahrzeugen,

F i g. 3 eine Schaltungsanordnung gemäß der Lrfindung zur Ermittlung der Differenzgeschwindigkeit bzw. der Dopplerfrequenz.

In F i g. 1 ist mit dem Bezugszeichen T12 ein Oszillator versehen, der über den Sender L1 Signale aussendet. Diese Wellen werden vom Empfänger Ml aufgenommen, wobei die Empfangsfrequenz gegebenenfalls durch eine Dopplerverschiebung verändert wird.

Dieses Signa! wird im Transponder Tl verstärkt

ίο in der Frequenz um den Faktor K, beispielsweise 4/3 verändert und vom Oszillator Γ 22 wieder ausgestrahlt. Diese neue Frequenz wird mit dem Sender L1 ausgesendet und beim Empfänger M1 wieder aufgenommen. Nun ist es möglich, den Kreis durch

eine Frequenzveränderung mit dem Faktor IK. also beispielsweise um 3/4 den Transponder T 1 wieder zu schließen. Kleinste Dopplerverschiebungen verstärken sich in dieser Schaltung nach jedem Signalumlauf. Γ11, Γ 21 stellen jeweils Empfangsverstär-

ker mit Signalaufbereitung dar.

In F i g. 2 stellen Gegenstand A und B jeweils ein Fahrzeug dar. Im Fahrzeug A erzeugt ein Oszillator 2 eine Frequenz f₀, die einem Modulator 6 zugeführt wird. In diesem Modulator werden aktuelle Fahrzeuginformationen von Fahrzeug A und oder Testsignale für die Laufzeitmessung der Trägerfrequenz j₀ aufmoduliert. Das modulierte Signal wird über den Lautsprecher 7 als akustische Welle ausgestrahlt. Dieses ausgestrahlte Signal wird vom Mikrophon 9 im Fahrzeug B aufgefangen und mit geeigneter Signalerkennung 12 regeneriert. Bei der Signalübertragung kann Dopplervci Schiebung auftreten. Die geeignete Signaldetcktion 12 ist häufig mit Hilfe von Phase-lock-loop-Kreisen und Synchrondetektoren zu bewerkstelligen. Nach dieser Signalerkennung läßt sich die aktuelle Fahrzeuginformation von Fahrzeug A wieder aus dem Signal gewinnen und im Fahrzeug B weiterverarbeiten. Weiterhin wird das Signal in einem Modulator 11 mit der aktuellen Fahrzeug-

4" information von Fahrzeug B moduliert. Dieses modulierte Signal wird auf den Lautsprecher 10 gegeben und akustisch abgestrahlt. Es wird im Fahrzeug A vom Mikrophon 8 aufgefangen. Dieses Signal beinhaltet zweifache Dopplerfrequenz, sofern Fahrzeug A und ß eine relative Geschwindigkeit zueinander besitzen. Dieses empfangene Signal wird wiederum verstärkt und regeneriert 3. Dadurch werden die aktuellen Fahrzeuginformationen von Fahrzeug B im Fahrzeug A verfügbar.

Weiterhin werden die demodulierten Testsignale dem Laufzeitbewerter 4 zugeführt, der aus diesen Tcslsignalen die Laufzeit und damit den Abstand zwischen Fahrzeug A und Z? bestimmt. Die empfangene Signalfrequenz wird einem Frequenzvcrgleieher 1 zugeführt, der die relative Geschwindigkeit aus der Dopplerverschiebung ermittelt. Wenn keine erkennbare Dopplerverschiebung in diesem ersten Umlauf des Signals vorlag, kann durch die Triggereinrichtung 13 der Oszillator 2 auf die Empfangsfrequenz vom Mikrophon 8 getriggert werden. Damit ergibt sich nach einer Zeitspanne, die mehreren Laufzeiten des Signals zwischen den Fahrzeugen entspricht, auch bei kleinsten relativen Geschwindigkeiten zwischen Fahrzeug A und B eine erkennbare Differenzfrequenz.

F i g. 3 zeigt eine Schaltung bei dem der Kreis am Gegenstand A beim Transponder 1 unterbrochen ist. Im Sender A wird eine Frequenz/, von z.B. 60 kHz

ausgestrahlt, die aus einem VCO 101 (Voltage control oszillator) mit 360 kHz erzeujt und dann im Teiler 102 auf 60 kHz geteilt wird. Weiterhin wird die Frequenz von 360 kHz im Teiler 103 auf 45 kHz geteilt. Diese 45 kHz werden einem Synchrondetektor 104 zugeführt, der als zweiter Eingang 45 kHz und die zweifache Dopplerverschiebung besitzt und deshalb am Ausgang lediglich die zweifache Dopplerfrequenz erzeugt. Dieser Synchrondetektor wird von der Lockindikation 105 gesteuert.

Das empfangene Signal im Sender-Empfänger A wird durch einen Phase-lock-loop-Kreis 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111 frequenzrichtig detektiert. Dadurch ist es möglich, im Synchrondetektor 104 die zweifache Dopplerfrequenz zu messen. 106 ist ein Begrenzverstärker, 107 ein Phasendetektor, 108 ein Filter, 109 und 110 ein Frequenzteiler 1:2, 105 ein Phasendetektor, der die »In-Phase-Komponente« erkennt. Der VCO 111 besitzt einen normal und einen negierten Ausgang. Dieser negierte Ausgang ist nötig, um nach dem Teiler 109 eine Phasenverschiebung um 90° gegenüber dem Ausgang des Teilers 110 zu erzeugen.

Beschreibung des Transponders im Bild 3: Dei aktive Reflektor b verstärkt das Eingangssignal vor 60 kHz und Dopplerverschiebung in einem Begrenzerverstärker 201 und gibt es auf einen Phase-lock-

loop-Kreis 202, 203, 204, 205. In diesem Phaselock-loop-Kreis schwingt der VCO auf einer Mittenfrequenz von 36OkHz. Diese 36OkHz werden im Teiler 204 durch 6 geteilt und phasenstarr im Phasendetektor 202 mit der Eingangsfrequenz /<. verkoppelt.

In unserem Beispiel ist /,, gleich 60 kHz ± Dopplerverschiebung. Der VCO 205 besitzt einen normal und einen negierten Ausgang. Der negierte Ausgang wird über einen Teiler 207 einem Phasendetektor 206 zugeführt, der die »In-Phase-Komponente« feststellt und diese zur Lock-Indikation verwendet. Diese Lock-Indikation schaltet über Verstärker 208 der Endverstärker 210. Der Endverstärker 210 wird mil der vom Teiler 209 auf 45 kHz + Doppler geteilter VCO 205 Frequenz angesteuert. 203 ist ein Filter füi den Phase-lock-loop-Kreis im aktiven Reflektor Mikro 1, 4 sind für den Signalempfang und Lautsprecher 2, 3 für die Signalaussendung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung von Abständen, Abstandsveränderungen und/oder Geschwindigkeitsänderungen relativ sich zueinander bewegender Gegenstände, bei dem sich in einem gasförmigen Medium ausbreitende akustische Signale von einem Sender des einen Gegenstands ausgesandt und von einem Empfänger des anderen Gegenstands empfangen und anschließend wieder aktiv abgestrahlt werden und daß die Signale zwischen Empfang und Abstrahlung in ihren Parametern verändert werden, insbesondere für Fahrzeuge aller Art, dadurch gekennzeichnet, daß die Dopplerverschiebung und die Laufzeit der Signale zur Messung herangezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang des abwechslungsweisen Sendens und Empfangens beliebig oft wiederholt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung Ultraschall angewandt wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Übertragung von Information sowohl im einen Gegenstand als auch im anderen Gegenstand eine Signaleinkopplung und/ oder eine Signalauskopplung vorgenommen wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von störenden Rückkopplungen zwischen dem Sender und Empfänger eines Gegenstandes die Signalfrequenz zwischen Empfang und Abstrahlung verändert wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Empfänger und Sender durch ein einziges Bauteil repräsentiert werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß turn Nachweis einer Richtungsänderung der sich relativ zueinander bewegenden Gegenstände der Empfänger aus zwei oder mehreren räumlich getignet angeordneten Mikrophonen besteht.