DE2428330B2 - Frequenzumtast-Radargerät zur Doppler-Geschwindigkeits- und Dopplerphase n-Entfernungsmessung zwecks Kollisionsvermeidung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Radargerät zur Vermeidung von Fahrzeugkollisionen, bei welchem zwei Scndewellen verschiedener Frequenz benutzt werden 5c und die relative Geschwindigkeit zwischen einem Fahrzeug und einem Zielobjekt an Hand der Frequenz eines Doppler-Signals und die relative Entfernung an Hand der Phasendifferenz zwischen den zwei gebildeten Doppler-Signalen ermittelt werden, mit einem Oszillator zur abwechselnden Erzeugung jeweils einer der zwei Wellen unterschiedlicher Frequenz und einem Detektor zur Bildung der diesen beiden Frequenzen zugeordneten Doppler-Signale.

Ein Radargerät der genannten Bauart ist durch die ISA.-Patentschrift 36 50 243 bekanntgeworden. Das bekannte System verwendet zwei Sendefrequen/en im Mikrowellenbereich, deren eine geringfügig höher als die andere ist. Die beiden Frequenzen werden konsekutiv ausgestrahlt, wobei der Wechsel /wischen 6s den beiden Frequen/en /11 bestimmten Perioden auftritt. Durch die Kombination eines Teiles der ausgesendeten Wellen und der empfangenen Wellen in

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einem Mischdetektor werden zwei Doppler-Signale erzeugt die durch einen Synchron-Detektor separiert werden Der Detektor seinerseits wird durch die Umschalt-Zeitpunkte synchronisiert, wenn die abgestrahlte Frequenz von der einen der beiden Frequenzen zu der anderen wechselt. Durch ein Tiefpaßfilter erhalten die durch den Synchron-Detektor separierten Sienale die Form kontinuierlicher Wellen. Nach dieser Signal-Aufbereitung wird die relative Geschwindigkeit aus der Periode eines der beiden Doppler-Signale bestimmt, während die relative Entfernung aus der Phasendifferenz zwischen den beiden Doppler-Signalen bestimmt wird. Aus diesen Daten wird die Möglichkeit einer Kollision bestimmt, die sodann durch »eeignete Warnsysteme verhindert wird.

Bei dem bekannten System erfolgt die Umschaltung der beiden Sendefreqiienzen ständig und ohne Rücksicht auf die Anwesenheit oder Abwesenheit einer Kollisionsgefahr. Zur Umschaltung wird eine Rechteck-Frequenz benutzt, die mindestens lOOmal so hoch ist wie die durchschnittliche Doppler-Signal-Frequen/ Hierbei wird für die Frequenz-Schaltungen also em besonderer Oszillator benötigt und sowohl die Detektor-Schaltung als auch die Filter-Schaltung können komplex und in ihrer Arbeitsweise unzuverlässig scm. Besonders störend ist jedoch, daß dieses System relativ breite Frequenz-Bänder erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber ein Radar-System der eingangs genannten Art von einfachem Aufbau und ueringem Bandbreiten-Bedarf.

Die erfindungsgemäße Lösung ist gekennzeichnet durch eine an den Detektor angeschlossene Pegel-Abtastschaltung zur Abtastung des Pegels des von dem Detektor gebildeten Doppler-Signals und Schaltmittel zur Umschaltung des Oszillators zur Ausstrahlung eines Signals mit der anderen der beiden Frequenzen erst dann, wenn der Pegel des der Abtastschaltung anliegenden Signals einen bestimmten Spannungspegel überschreitet.

Da=. Merkmal der Erfindung hat zur Folge, daß die Frequenz-Umschaltung nicht eingeleitet wird, bevor Fahrzeug und Objekt einander relativ nahe sind. Eine Umschaltung ist also nur dann angezeigt, wenn sich das festgestellte Objekt innerhalb einer Gefahrenzone befindet.

Einzelheiten werden nun an Hand einer bevorzugten Ausgestaltung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Fi g. 1 ist ein Block-Schaltbild und zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Radargerätes:

F i g.2 "zeigt eine Anzahl von Wellcnformen. wie sie an bestimmten Punkten der in F i g. 1 dargestellten Schaltung anzutreffen sind.

Unter Bezugnahme auf Fig. I ist eine Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, bei welcher ein Oszillator 1 benutzt wird: der Oszillator ist mit einem Frequenz-Modulator versehen, der. wie noch beschrieben wird, selektiv eine Frequenz/, oder J₂ erzeugt. Der Ausgang des Oszillators 1 liegt an einer Sendeantenne 3. welche die von dem Oszillator 1 erzeugte Frequenz/, oder /, gegen ein Ziel 2 richtet. Die von der Antenne 3 gegen das Ziel 2 abgestrahlten Wellen werden von diesem reflektiert und von einer Empfangsantenne 4 aufgenommen. Das Ausgan,^;issignal der Empfangsanlcnnc4 ist mit einem Mischdetektor5 verbunden, der ein üblicher Homodyn-Detektor sein kann. Für den Homodvn-Deteklor eignen sich viele bekannte Schaltungen, und es kann beispielsweise ein

3-Anschlüsse-Zirkulalor benutzt werden. Zwischen dem Oszillator 1 und dem Detektor 5 liegt ein Richt-I,opplerl8 (durch Strichlinie angedeutet). Ein Teil des dem Ziel 2 zugedachten Signals wird an den Misch-DetektorS gegeben, und es werden ausge- S strahlte Wellen gemischt und dem konventionellen Homodyn-Detektor ausgesetzt. Der Homod\n-Detcktor mischt die beiden Frequenzen und setzt sie in ein lnterfrequenz- oder Doppler-Signal um. Die Frequenz des Doppler-Signals ist ungefähr proportional der Geschwindigkeits-Komponente des Zieles in Richtung der Antenne. Für ein ankommendes oder sich entfernendes Objekt, welches sich radial in bezug auf die Antenne bewegt, ist die relative Geschwindigkeit der Doppler-Frequenz proportional. Entsprechend der von dem Oszillator 1 erzeugten Frequenz /, oder J₂ wird am Ausgang des Detektors 5 ein Doppler-Signaiy'di oder j_i2 erzeugt.

Das Ausgangssignal des Detektors 5 gelangt über einen Verstärker6 an einen Komparator?, der die Null-Durchgänge des am Ausgang des Detektors 5 erzeugten Doppler-SignalsJ]_n oder/,,, feststellt. Der Ausgang des Komparator 7 liegt an einem Trigger-Signal-Generator 11 für die Frequenz-Umschaltungen, der das Doppler-Signal /,,, oder J_äl abfühlt und anspricht, wenn dieses einen Null-Potential-Pegel durchläuft. Der Komparator? kann aufgefaßt werden als eine Vorrichtung zur Pegelprüfung, welche anspricht, sobald das Doppler-Signal einen bestimmten Spannungspegel durchläuft. Im Fall der vorliegenden Ausgestaltung liegt dieser Spannunuspcücl-Durchlauf bei OVoIt.

Der Trigger-Signal-Generator 11 für die Frequenz-Umschaltungen umfaßt eine Verzögerungsschaltung 8. deren Eingang am Ausgang des Komparators 7 liegt und deren Ausgang mit einem Eingang einer Anti-Koinzidenz-Scha'.tung oder eines Gatters 9 verbunden ist. Der andere Eingang der Anti-Koinzidenz-Schaltung 9, welche zwei Eingänge umfaßt, empfängt das Ausgangssignal des Komparators 7, und der Ausgang der Schaltung 9 ist mit einem monostabilen Multivibrator 10 verbunden. Die Elemente 8, 9 und 10 bilden den Trigger-Signal-Generator 11 für die Frequenz-Umschaliungen. Der Ausgang des Generators 11 liegt an einem Tor-Eingang eines F!ip-Flops_12. welches die komplementären Ausgänge Q und Q hat. Der normale Ausgang Q des Flip-Flops 12 liegt am Eingang eines Modiilationsspannungs-Generators 13. dessen Ausgang mit dem Eingang des Oszillators 1 verbunden ist. Der komplementäre Ausgang Q des Flip-Flops 12. das ist der bei Q erscheinende Ausgang, liegt an einem Eingang einer UND-Schaltung 15 mit zwei Eingänuen. Der Q-Ausgang ist auch mit einem Eingang eines Flip-Flops 14 verbunden, welches die komplementären Ausgänge Q und Q hat. Der zweite Eingang des zwei Eingänge umfassenden UND-Gatters 15 empfängt den Q-Ausgang des Flip-Flops 14.

Der Ausgang des UND-Gatters 15 gelangt als Eingangssignal an eine MeßsehalUmg 17. welche ebenfalls Signale von dem ρ-Ausgang des Flip-Flops 14 sowie das Ausgangssignal eines Taktimpuls-GeiK-ralors 16 empfängt.

Die Wirkungsweise der in F' i g. 1 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung wird nun unter Bezug- 6s nähme auf die in F'i g. 2 gezeigten Wcllenformen erläutert. Es sei bemerkt, daß \erschiedene Punkte in dem Block-Schaltbild der F" i g. 1 mit Buchslaben versehen sind; diese Buchstaben sind vervollständigt entsprechend der jeweiligen Wellenformen an diesen Punkten in F i g. 2.

Das von dem Detektor 5 erzeugte und von dem Verstärker 6 verstärkte Doppler-Gignal/_dl oder /,,, ist anschaulich dargestellt bei 5_h in Fi g. 2A. Die Doppler-Signale Z_1n und J_a2 sind von sinusförmiger Gestalt und haben ungefähr gleiche Zeitperioden, womit die als T₁ dargestellten Zeitperioden gemeint sind, welche Zeitperiode umgekehrt proportional ist zu der relativen Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Eine Zeit T₂ in der Wellenform S_h bezieht sich auf die Phasendifferenz zwischen den Doppler-Signalen /_d, und J _ä2 und ist der relativen Entfernung zwischen dem Objekt und dem Fahrzeug direkt proportional. Der Null-Durchgang eines jeden der Doppler-Signale f_äi und /j₂ wird durch den Komparator oder "Pegelfühler 7 festgestellt.

Wenn das Doppler-Signal j_dl zum Zeitpunkg /,, das Null-Potential durchläuft, ändert sich die im Oszillator 1 erzeugte Frequenz der Sendewelle von /, auf /,. wie noch beschrieben wird. Die Frequenz der Sendewelle verbleibt auf der Frequenz /, bis zum Zeitpunkt /,. zu welchem das Doppler-Signal /_(P den Nullpegei durchläuft.

Zum Zeitpunkt i, wechselt die Frequenz der Sendewelle von /, auf /,. Die Frequenz /, der Sendewelle verbleibt bis zu einem Zeitpunkg r₂. zu welchem das Doppler-Signal/j, von einem positiven Wert kommend den Nullpegel durchläuft. Zu diesem Zeitpunkt f₂ wechselt die Frequenz der Sendewelle wiederum von /, auf /,. Somit fährt die von dem Oszillator 1 erzeugte Sendewelle mit Umschaltungen zwischen /, und /, fort, sobald für die Doppler-Signale J]_n und Jj₂ der Null-Durchgangspegel festgestellt w ird. Die kombinierte Wellenform entsprechend dem oben gesagten ist in Fig. 2A als S„ dargestellt.

Das am Ausgang des Komparators 7 erscheinende Signal S-, liegt direkt an einem Eingang der AntiKoinzidenz-Schaltung 9 des Trigger-Signal-Generators 11. Die Verzögerungsschaltung 8. an welcher das Ausgangssignal S- des Komparators 7 ebenfalls liegt, erzeugt das Wellensignal S₈ mit einer Verzögerungszeit f_D für den anderen Eingang der Schaltung 9. Eine Serie von Impulsen mit einer Dauer entsprechend der Verzögerungszeit f„ gelangen als Ausgangssignal S₉ der Schaltung 9 an den monostabilen Multivibrator 10, der eine Reihe von Trigger-Impulsen geeigneter Dauer erzeugt, wie an Hand der Wellenform S₁₁ dargestellt. Die Trigger-Impulse erscheinen bei den Null-Durchgängen der entsprechenden Doppler-Signale. wobei bemerkt sei. daß jeder andere Spannungspegel als solcher Durchgangspeuel gewählt weiden könnte.

Die Serie der Trigger-Impulse S_n gelangt an den Hingang des Flip-Flops 12. dessen Ausgang cmc Impuls-Wellenform hat. wie durch die Wellenform S₁,Q dargestellt, und dessen komplementärer^ Ausgang S₁, _c; in Fig. 2G dargestellt ist und am Q-Ausgang des Flip-Flops 12 erscheint. Jedesmal wenn der Tngger-Impuls S₁₁ am Ausgang des Trigger-Signal-Generators 11 erschein!, veranlaßt der Modulalionsspannungs-Gcnerator 13 die Frequenz, auf welcher der Oszillator 1 arbeitel, hierdurch von der einen auf die andere der beiden ausgestrahlten Frequenzen umzuschalten.

Am 0-Anschluß des Flip-Flops 14 wird die Wellenform S_{14 ς)} erzeugt, welche die Zeilperiode der Doppler-

Signale darstellt. Da die Doppler-Signale von ungefähr gleicher Frequenz sind, insbesondere im Hinblick auf die Zeitperiode, kann das Zeitintervall T₁ als der Halb-Periode des Doppler-Signals/,,, entsprechend betrachtet werden. Als Ausgangssignal des UND-Gatters 15 wird die Wellenform S₁₅ erzeugt, deren Impulsdauer die Phasendifferenz zwischen den Doppler-Signalen f_dl und j_d2 dargestellt. Die Meßschaltung 17 empfängt eine Reihe von Impulsen des Taktimpuls-Generators 16, deren Anzahl gesteuert wird durch die Impulsdauer, wie dargestellt durch die Wellenform S₁₂^ Somit erfolgt ein Vergleich der Zeitperioden der abgetasteten Doppler-Signale und der Phasen-Differenz zwischen diesen, so daß die relative Geschwindigkeit und die relative Entfernung zwischen dem Ziel und dem Fahrzeug bestimmt werden können.

Wie zuvor erläutert und in Übereinstimmung mit der Erfindung wechselt die Frequenz des Oszillators 1 zwischen den Frequenzen/, und J₂ in Abhängigkeit von dem Spannungspegel des Doppler-Signals am Ausgang des Verstärkers 6. Deswegen muß die Umschaltfrequenz nur 4mal so hoch sein wie die Doppler-Signal-Frequenz, und das von den durch den Oszillator 1 erzeugten Wellen oder Signalen belegte Frequenzband kann wesentlich kleiner sein, als das bisher möglich war. Weiterhin liefert die Erfindung ein veibessertes und vereinfachtes Verfahren zur Bestimmung der Werte, die notwendig sind zur Erzeugung der relativen Geschwindigkeit und der relativen Entfernung zwischen einem Fahrzeug und einem Zielobjekt. Somit konnten die aufwendigen Detektor-Schaltungen. Filter-Schaltungen und weiteres aufwendiges Netzwerk ausgeschaltet werden, wie es die bisherigen Geräte erforderten.

An Stelle der Hcrleitung der halben Periode des Doppler-Signals. wie durch die Wellenform 2 £ dargestellt, kann auch die ganze Periode hergeleitet werden zur Erzielung der relativen Geschwindigkeit und anderer Größer, die zur Verhinderung einer Fahrzeugkollision notwendig sind. Weiterhin ist es möglich, den vorgegebenen Spannungspegcl für den Vergleich in dem Komparator? zu steuern, so daß das vorliegende Gerät nicht auf kleine Ziclobjekte anspricht, die nur in geringem Maße Wellen reflektieren. Wie deutlich geworden sein mag. leitet das vorliegende Gerät keine Wechsel zwischen den Frequenzen ein. bevor der Dopplcr-Spannungspegel einen bestimmten Wert erreicht hat. der die Feststellung von Null-Durchgängen ermöglicht. Somit beginnt das Umschalten zwischen den Frequenzen nur dann, wenn die Gefahrenzone erreicht oder überschritten ist. Diese Gefahrenzone ist definiert durch die Erzeugung eines merklichen Doppler-Signals. wodurch die in F i g. 1 dargestellte Apparatur in Betriebsbereitschaft kommt.

Daß die in F i g. 1 dargestellte Ausgestaltung der Erfindung arbeitet, um die relative Entfernung und die relative Geschwindigkeit zwischen einem Fahrzeug und einem Ziclobjckl festzustellen, kann an Hand der folgenden mathematischen Ableitung erläutert werden.

Die Frequenzen /,„ und /_l(2. die man im Zusammenhang mit der Ausstrahlung von Wellen mit den Frequenzen/, und J₂ erhält, sind in den nachstehenden Gleichungen (I) und (2) angeschrieben.

.U = 2 r/r'·- (D

hi = 2r./₂,c. (2)

Hierbei ist ν die relative Geschwindigkeit und <· die Ausbreitungsgeschwindigkcit des Lichts. Weil j\ ungefähr gleich ist mit J₂, ist J_di ungefähr gleich mit J_dl. Eine Teil 7,. die der halben Periode des Doppler-Signals entspricht, ist in den folgenden Gleichungen (3) und (4) definiert, wobei K₁ eine Konstante ist. die sich auf die Sendefrequenzen /, oder J₂ bezieht, was unterhalb gezeigt ist.

I C

2/_lil(oder2/₁₂) 4r/, (oder4r./₂)

Die Kreisfrequenzen der Doppler-Signale oind unterhalb in den Gleichungen (5) und (6) angeschrieben, wobei O₁ und <», die Kreisfrequenzen derSendewellcn sind.

('Ut — - -~T

Es wird angenommen, daß die Winkclgcschwindigkcits-Differenz I <■< die Beziehung befriedigt, daß I m -c Hi,. ι», i O₂ und deswegen »>ι_Λ ~ v>_i2.

Die Phasen-Differenz 10 der Kreisfrequenzen des Doppler-Signals ist unterhalb in Gleichung (7) angeschrieben.
35

10 = 2(

ι·!,) rlc — 2c Im/t·

wobei r die relative Entfernung zwischen Ziel und Fahrzeug ist.

Eine Zeit 7₂. welche der Phasen-Differenz zwischen den Doppier-Signalen entspricht, ist unterhalb in Gleichung (8) angeschrieben.

7, =

-Ί C

Somit wird die relative Geschwindigkeit r hergeleitet durch Herlcitung der Zeit 7,, welche der halben Periode des Doppler-Signals entspricht, und die Konstante K₁ ist bezogen auf die Frequenz/, oder f₂ der Sendewelle, was durch den festgestellten Wert

so definiert ist. Die relative Entfernung r ist abgeleitet durch Auffinden der Zeit T₂. welche der Phasen-Differenz der Doppler-Signale entspricht, so daß die Zeit T₂ definiert ist durch das Produkt zwischen der Zeit 7",. welche der halben Periode des Doppler-Signals entspricht, und der Konstanten K₂, weicht abhängig ist von der Kreisfrcquenz-Differcnz I <■> dci Scndcwcllcn.

Somit ermöglicht die in F i g. 1 dargestellte Aus gestaltung des Geräts die Bestimmung der relativer Entfernung und der relativen Geschwindigkeit zwischen einem Zielobjekt und einem Fahrzeug ir einer in Bezug auf die bisherige Art einfachen unc wirtschaftlichen Weise.

Hierzu 2 BInIt Zciihnunccn

Claims (4)

Patentansprüche: 24

1. Radargerät zur Vermeidung von Fahrzeug-Kollisionen, bei welchem zwei Sendewellen verschiedener Frequenz benutzt werden und die relative Geschwindigkeit zwischen einem Fahrzeug und einem Zielobjekt an Hand der Frequenz eines Doppler-Signals und die relative Entfernung an Hand der Phasendifferenz zwischen den zwei gebildeten Doppler-Signalen ermittelt werden, mit einem Oszillator zur abwechselnden Erzeugung jeweils einer der zwei Wellen unterschiedlicher Frequenz und einem Detektor zur Bildung der diesen beiden Frequenzen zugeordneten Doppler-Signale, gekennzeichnet durch eine an den Detektor (5) angeschlossene Pegel - Abtastschaltung (7) zur Abtastung des Pegels des von dem Detektor gebildeten Doppler-Signals (SJ und Schaltmittel (11-15) zur Umschaltung des Oszillators(l) zur Ausstrahlung eines Signals mit der anderen der beiden Frequenzen erst dann, wenn der Pegel des der Abtastschaltung anliegenden Signals einen bestimmten Spannungspegel überschreitet.

2. Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (11-15) zur Umschaltung des Oszillators (1) einen Modulationsspannungs-Generator (13) zur Erzeugung von Signalen umfassen, welche die Frequenz des von dem Oszillator erzeugten Signals von der einen auf die andere der beiden Frequenzen umschalten.

3. Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Pegel-Abtastschaltung (7) eine Trigger-Schaltung (11) angeschlossen ist. welche jeweils ein Trigger-Signal (S_n (erzeugt, wenn eines der beiden Doppler-Signale einen vorbestimmten Spannungspegel durchläutt.

4. Radargerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegel-Abtastschaltung (7) Mittel enthält, welche feststellen, wann das Doppler-Signal einen Spannungs-Nullpegel durchläuft.