DE2519670A1 - Sekundaerradarverfahren und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Patentamt - All 7

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30. Äprii 1975

Ing. Karl Vockenhuber, 1180 Wien, Pötzleinedorferstraße 118 DDr. Raimund Hauser, 1040 Wien, Goldeggasse 2/2/2/9

Sekundärradarverfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sekundärradarverfahren, vorzugsweise zur Abstandsmessung, insbesondere an Transportsystemen, bei dem zunächst ein Primärsignal von einer ersten Station, z. B. einem Fahrzeug, aus gesendet und an einer zweiten Station, z. B. einem weiteren Fahrzeug, empfangen wird, worauf nach Empfang des Piimärsignals von der zweiten Station aus ein Sekundärsignal gesendet und an der ersten Station empfangen wird, und auf Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Übliche 'Sekundärradarsysteme ( vgl, SKOLNIK, M. I. (ed. }: Radar Handbook. Chapter 38: Beacons. Mc Graw Hill Company, New York, 1970 } arbeiten mit elektromagnetischen Wellen im Mikrowellenbereich als Radarsignal, unter Verwendung eines meist ortsfesten "Primär"-Gerätes ( bestehend aus Abfragesender und Empfänger ) und eines meist von Flugzeugen, Schiffen usw. mitgeffihrten "Sekundär"-Gerätes oder Transponder, bestehend aus Empfänger und Antwortsender.

Vom Abfragesender des Primargerätes werden Impulse elektromagnetischer Wellen bestimmter Wellenlänge ausgestrahlt. Treffen diese auf den Empfänger des Transponders, so lösen sie ein Antwortsignal aus, das üblicherweise ans einer definierten Folge kurzer Sendeimpulse elektromagnetischer Wellen besteht, deren

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WeMsnlänge ungleich der der ursprünglichen Abfragesignale ist. Auf GemiuI der verishiedenen Wellenlänge von Abfrage- und Antwortsignal ( "Sekundärecho™ ) kann

letzteres im Empfänger des Primärgerätes leicht von "Primärechos", die van RefeEsfon des Abfragesignals herrühren, unterschieden werden. Aus der Anzahl raid der zeitlichen Folge der Antwortinapalse ( "Antwortcode" ) kann weiters das Ziel genau klassltiziisErt; -wexcien und können srasätsiiiefee Angaben z. B. über die Flughöhe des mit dem Transponder verseheneu Zielobjektes übertragen werden. Für die genaustem Anwendußgszwecke bzw. Transportsysteme funktioniert das bekannte Verfahren recht gut. Derzeit in Entwicklung befindliche neuartige Transportsystem z. wie etwa die Magnetkissenbahn, sollen vollautomatisch, d. h. ohne Fahrpersonal sstei» at werden. Dazui ist miter anderem eine AbstaadsnieSeinrichtung erforderlich, die das Auffahren von Fahrzeugen ( Zügen, Kabinen } verhindert. Im Interesse der Zuverlässigkeit ist die gleichzeitige Verwendung mehrerer, möglichst verschiedenartiger, Abstaadmeßstysieme, vorzusehen. Insbesondere ist es oft erwünscht, nicht nur den Abstand zum vorderen Fahrzeug, sondern auch den zum nachkommenden Zug od. dgl. zu kennen. Dies würde aber den Aufbau zweier völlig gleicher Sekundärradarsysteme es? rricra, was mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgäbe zugrunde, ein Sektirfärriidai?- verfahren zu schaffen, bei dem unter Vermeidung eines doppelten GeräibeaiifwandQs die gewünschten Informationen erhalten werden. Dies geschieht erfindm^sgemäß dadurch, daß nach Berechnung des Abstandes zwischen den beiden Stationen am Orte dss ersten Station zum Übermitteln der errechneten Werte an die zweite Station ds PrfiuSvsignal, wie für das Sekundärsignal an sich bekannt, mit einem entsprechen«*^ Code, vorzugsweise einem Digitaleode, moduliert wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand! des tsh folgenden Beschreibung von in. der Zeichnung schematisch dargestelltec **ί(·ί /rtmgsbeispielen. Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßei s?⁷Xi^iixradaxsystems, von dem Fig. 2 eine Äusführungsvariante zek; T/^hrenJ F'g. 3 dös zugs-

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hörigen Diagramme veranschaulicht, ist in Fig. 4 ein Detail einer weiteren AtKrMhrungsform dargestellt. Die Fig. 5 bis 7 veranschaulichen <die Anwendung des erftodia^ßgemäßen Verfahrens auf ein Fahrbahn-gebundenes Verkehrsey stern.

In einem Primärgerät 1 erzeugt ein Taktimpulegenerator TIG, ΐ>β4Βρ*βΐΒweise ein astabiler Multivibrator, Taktimpulse TI niedriger Frequenz von z.B. 1ΒΌ Hz. Über eine Taktweiche TW gelangen diese Taktimpulae TI zu eiaem Seedcimpalsgenerator SIG₁ der daraufhin die erforderlichen Stromimpulee SIE zur Ansteuerung einer Laserdiode LD abgibt. Die Diode LD strahlt dann über «ine Sendeoptik SO kurze Infrarot-Lichtimprise SIO ab. Die in ihrer zeltlichen Lage mit den Lichtimpulsen SK) übereinstimmenden Stromimpulse SIE dienen weiters zur Ansteuerung einer Verzögerungsechaltung VZG, die nach

einer vorbestimmten VerzögerungezeitT einen Zeitfenstergenerator ZFG zur <§&>-

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gäbe eines Zeitfensterimpulees ZF veranlasst. Dadurch wird erreicht, daß Empfangs signale erst ab der Zeit χ _aan nach der Sendeimpuleabgabe während der anschließenden Dauer des Zeitfenaterimpulses ZF verax&eitet weiden können.

Bas Primärgerät 1 weist auch eine EmftfaageoptÜc BD auf, die «tewaige optische Empfangssignale EIO auf eine Photodiode FO konzentriert. Die optischen Empiangsslgnale EK) können einerseits Befiexiowm 4e» aeuaemigfmXem des Primärgerätee 1 aber auch Sendesignale eines ebenfalls dargestellten Sekuedärgerätes 2 sein. Das Ausgangssignal EIE der Photodiode FD wird mm eiwan Empflfagerver»täTiBer EV in einen symmetrisci»en Doppelimpuls umgewandelt and anschließend begrenzend verstärkt. Die Einzelheiten dieses Vorgabe sind an sich b^aumt und ia aßt Zeltschrift « NTZ" 26 (1973 ), Heft 9, Seite 43S bis 440 beschrieben. Das noch nicht vollständig begrenzte AuBgasgaBeignal des EmpfiB«erveratärkere EV wird in bekannter Weise einem Trigger TE zur Signalerkennung zugeflihrt. Soferae dabei die Amplitude des vom Empfllngerverstärker EV Jkommenden Signales den vorgegebenen Schweliwerst 4es Triggers TR überschreitet, aktiviert dieser einen NuUdurchgangstrigger iiGT, der dann den Zeitpunkt des Nulldurchganges der Miitenflanke des vollständig begrenzten EmpÄngerverstürkerausgangss^nais feststellt.

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Da die beiden Träggeisehalte^gen TE und HGT ©rai «äoaseh 'den verzögerten Zelifensfcerimpals ZF aktiviert werden, können iEmpSangssignal© die von fieilexionen des Sendesignals

des Primäa^erStee 1 herrühren, nicht verarbeitet werden, weil die vorbestimmte V<er-

so gewählt wird, daü auch im Extremfall reflektierte StxaJfalen wäfadieser 'VeTzögerangsz.eüt eintreffen mfiBBen.

Die Ausgangssignale des EmpfangerverstMrkers EV werden auch einer Begelsehaltung EE zugeführt, in der eine der Amplitude der EmpfangBsignale proportionale Hef elspannung erzeigt wird, die gemäß FIg, 1 den Sendeimpulsgenerator SIG zum Naehregeln der Senderletstung in Abhängigkeit von der Amplitude dee empfangenen Sekundlrimpulses, gemäß Fig. 2 jedoch eine mechanische Blende vor der Photodiode FB zur Grobregelung der Amplitude der elektrischen Empfangs impulse EIE betitigt, so daß !Übersteuerungen des EmpfängerverstMrkers EV vermieden werden, Auch dieser Vorgang wird erst durch den verzögerten Zeitfensterimpuls ZF aktiviert, damit die Amplituden von Empfangssiignalen, die von Befiexxonen des Sendesignals des PrimSrsenders 1 herrfflhren, unberücksichtigt bleSjen, .iDen gleichen Zweck verfolgt aber aueh die Begelung gemSB Fig,l_a da bei gleichartiger Aasbildung des PrimlrgeritteB 1 mnd des Transponders 2 beispielsweise eine za große Empfangsamplitude darauf schließen IiBt, daB auch die eigene Sendeamplitude zu boch Ist.

Wie bereits erwähnt, wird der Nulldurchgangstrigger NGT einerseits durch das Signal des Triggers TB und anderseits durch den Zeitfensterlmpule ZF aktiviert. Am Ausgange dee Nulldurcle*ngstriggerB NGT ergibt sich sodann ein Torimpuls TOI, dessen Breite proportional der Laufzeit des optischen Prlmär-SendesignalB vom Primargeirät 1 zum Sekundirgerlt 2 plus der Laufzeit des optischen Sekundär-Sendesignals vom Sekun därgerlt 2 zum Prlmtrgerit 1 ist, Diese Impulsbreite kann in bekannter Form elektronisch SIiS₁KeWeXtBt werden, beispielsweise in Analogteehnik mittels einer an sich bekannten Entfernungsrecheneinrichtung ERA. Das AusgangsBignal dieser Baugruppe stellt den gesuchten Analpgniefiwert AH der Entfernung zwischen Primlrgerät und Sekundärgerfit dar.

Zur Übermittlung dieses Meßwertes auch an den Ort des Transponders 2 kann beispielsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator VCO dienen, dessen Frequenz sich proportional dem Entfernungsmeßwert einstellt. Über die Taktweiche TW dient nun diese Taktfrequenz zur Ansteuerung des Sendeimpulsgenerators SIG bzw. der Laserdiode LD, soferne das vom Signalerkennungstrigger TR abgegebene Signal das Vorhandensein von Empfangssignalen während der Dauer des Zeitfensterimpulses ZF angibt. Es wird in diesem Falle gleichzeitig der ursprüngliche Taktimpulsgenerator TIG durch eine Taktsperreinrichtung TSG stillgelegt. Es sei erwähnt, daß die Impulse des Oszillators VCO eine wesentlich höhere Frequenz als die Taktimpulse TI aufweisen, z. B. eine Frequenz von einigen kHz.

Die Übertragung des Abstandsmeßwertes zum Transponder soll ja möglichst rasch erfolgen, woraus sich die Notwendigkeit einer hohen Taktfrequenz der Abfrageimpulsaussendung ergibt. Andererseits ist eine derartige Modulation nur erforderlich und sinnvoll, wenn sich der Transponder innerhalb der Einsatzreichweite des Primärgerätes befindet. Deshalb geht man im Interesse einer hohen Lebensdauer der Sendeelemente so vor, daß man einen Impulsgenerator niedriger Folgefrequenz zur periodischen Ansteuerung des Abfragesenders vorsieht und erst wenn Sekundärechos aufgenommen werden, wird dieser Taktimpulsgenerator stillgelegt bzw. der Abfragesender mit der vergleichsweise wesentlich höheren mittleren Frequenz angesteuert.

Im Blockschaltbild des Sekundärgerätes bzw. Transponders 2 sind Teile von im wesentlichen gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen wie im Primärgerät bezeichnet. Da, wie ersichtlich, die Empfangsschaltung des Sekundärgerätes 2 mit der Empfangeoptik EO, der Photodiode FD, dem Empfängerverstärker EV, der Empfängerregelung ER, dem Signalerkennungstrigger TR und dem Nulldurchgangstrigger NGT im wesentlichen wie beim Primärgermt 1 aufgebaut ist, erübrigt eich eine ine Einzelne gehende nochmalige Schilderung. Der Ausgangsimpuls des NuHdurcfagangstriggers NGT stimmt in seiner zeitlichen Lage mit der eines optischen Empfangsimpulses ED überein und wird

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durch eine Verzögerungsschaltung VZG um die vorbestimmte Zeitspanne χ verzö-

gert und steuert dann über den Sendeimpulsgenerator SIG die Laserdiode LD des Sekundärsenders an, die wieder über eine Sendeoptik SO kurze Infrarot- Lichtimpulse abstrahlt. Die vorbestimmte Verzögerungszeit f der Verzifgerungsschaltung VZG des Sekundärgerätes 2 stimmt mit der des Primärgerätes 1 überein.

Die Sekundfir-Sendesignale gelangen einerseits an den Empfänger des Primärgerätes 1 und werden dort in der beschriebenen Weise weiterverarbeitet, gelangen aber

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unter Umständen auch infolge Reflexionen teilweise als Störsignal wiederum zsim Empfänger des Sekundärgerätes 2. Damit diese Störsignale nicht neuerlich einen Seksindär-Seadeimpuls auslösen können, muß der Signalerkennungstrigger TR und der Nulldurchgangstrigger NGT für einen ausreichend langen Zeitraum nach Abgabe eines Sekundäreendesignals bzw. nach Aufnahme des auslösenden Empfangesignals gesperrt werden. Dies bewirkt der vom Zeitfenstergenerator ZFG abgegebene Zeitfensterimpuls ZF.

Wird nun vom Primärgerät 1 der ermittelte Entfernungsmeßwert zum Sekundärgerät durch lineare Veränderung der Taktfrequenz des Primärsenders iibermittelt, so kann einfach durch Integration der Zeitfensterimpulse ZF mittels eines Integrators INT der Analog-Entfemungsmeßwert am Ort des Sekundärgerätes 2 gewonnen werden.

Zu Fig. 2 wurde bereits erwähnt, daß hiebei eine mechanische Blende in der Empfängeroptik EO verwendet wird. Es kann nun vorteilhaft sein, zwecks Austauschbarkeit der Geräte die Schaltung des in Fig. 2 gezeigten Gerätes in der dargestellten Art auszuführen, wobei beim Anschluß an die Klemmen I das Gerät als Primärgerät betrieben werden kann, beim Anschluß an die Klemmen Π jedoch als Transponder. Diese Umschaltbarkeit ist besondere deshalb leicht durchzuführen, weil sichBrlmär- und Sekundärgerät praktisch kaum voneinander unterscheiden. Der wesentliche Unterschied besteht im Anschluß des Integrators INT bei der Verwendung als Sekundärgerät.

An Hand der Fig. 4 sei die Möglichkeit der Übermittlung dee Entfernungsmeßwertes vom Primär- zum Sekundärgerät mittels einer Rückkopplung veranschaulicht. Dabei sind aus Fig.l lediglich der Taktimpulsgenerator TIG mit der Taktweiche TW bzw. der Taktsperreinrichtung TSG einerseits und die beiden Trigger TR und NGT dargestellt. Die Breite des Torimpulses TOI des Nulldurchgangstriggers NGT wird zweckmäßig hie-

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bei durch einen Impulsdauervervielfacher IDV an sich bekannter Wirkungsweise vervielfacht, um nachfolgend mit niedriger Taktfrequenz digital ausgezählt werden zu können^ was hinsichtlich der empfangsseitigen Erkennbarkeit Vorteile bringt. Der Impulsdauervervielfacher IDV kann prinzipiell aber auch entfallen und die Ausschaltflanke des Torimpulses selbst zur Ansteuerung des Primärsenders herangezogen werden. Dies ist praktisch jedoch nur möglich, wenn die verwendeten Laserdioden die resultierende hohe Taktfrequenz von z. B. 1 MHz ohne Schaden verarbeiten können.

Die Breite und damit die zeitliche Lage der Ausschaltflanke des Torimpulses

TOI ist der zu messenden Entfernung zwischen Primär- und Sekundärgerm direkt linear proportional. Demnach ist auch die zeitliche Lage der Ausschaltflanke des vervielfachten Torimpulses proportional der Meßentferaung, wobei der Proportlonalitätafaktor gleich dem Multiplikationsfaktor bei der Impulsdauervervielfachung ist. Wenn also die Ausschaltflanke des vervielfachten Torimpulses TOV beispielsweise über die Taktweiche TW 2ur Ansteuerung des Primär-Senders dient, ist die Periodendauer der Taktfrequenz der Primär-Sendeimpulse proportional der Meßentfernung. Diese kann demnach am Ort des Sekundärgerätes beispielsweise einfach durch analoge Integration der Zeitfensterimpulse mittels des Integrators INT gewonnen werden. Auch hiebe! ist Im Primärgerät zum Abschalten des Taktimpulsgenerators TIG ein Taktsperrgenerator TSG vorgesehen.

In Fig. δ ist ein fahrbahngebundenes Verkehresystem In Draufsicht schematisch dargestellt. Hiebe! bewegen sich zwei Fahrzeuge 3,4 entlang einer Bahn 5, die eine Kurve 6 aufweist. An der Vorderseite des Fahrzeuges 3 befindet sich ein Primärgerät wogegen an der Rückseite jedes der beiden Fahrzeuge 3,4 ein Transponder 2 angeordnet ist. An der Fahrbahn 5 befindet sich im Bereiche der Kurve 8 eine Beflexionsfläcbe ?,

durch die die vom Primärgerät 1 abgestrahlte Energie auch im Kurvenbereieh dem Sekundärgerät 2 zuführbar ist.

Die Ausbildung der Reflexiouafläebe 7 kann beispielsweise so erfolgen, dafi im Falle des Vorhandenseins einer Stromabnehmerschiene 8, «on der das Fahrzeug 3 seinen Fahrstrom bezieht ( Fig. 6 ) das Primärgerät im Bereiche dieser Schiene angeordnet wird, so daß die Schiene selbst als Reflektor dient. Die· ist besonders bei Ver-

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Claims (5)

Patentanwalt _ 9 _ A ft I 1J P j[ OIpWng.v:ar.£rJ?»Weeli Π j 1} / U 7 Stuttgart N. Menzelstraße 40 2519f?WPrilI97! Patentansprüche

1. j Sekundärradarverfahren, vorzugsweise zur Abstandsmessung, insbesondere

an Tranaportsy stemen, bei dem zunächst ein PrimJtrsJgnal von einer ersten Station, z.B. einem Fahrzeug, aus gesendet und an einer zweiten Station, z. B. einem weiteren Fahrzeug, empfangen wird, worauf nach Empfang des Primärsignals von der zweiten Station aus ein Sekundärsignal gesendet und an der ersten Station empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Berechnung des Abstandes zwischen den beiden Stationen am Orte der ersten Station zum Übermitteln der errechneten Werte an die zweite Station das Primärsignal, wie für das Sekundär signal an sich bekannt, mit einem entsprechenden Code, vorzugsweise einem Digitalcode, moduliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folgefrequenz des Primäreignais linear proportional dem Abstandmeßwert eingestellt wird.

3. Primärgerät zur Durchführung des Verfahrene nach Anspruch 1 oder 2, mit einer, vorzugsweise eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser aufweisenden, Sendeeinrichtung für das Primärsignal und einer Empfangseinrichtung für das Sekundärsignal, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Empfangseinrichtung ( FD ) in an sich bekannter Weise eine Rückkopplungsleitung zum Modulieren des Primärsignales in Abhängigkeit vom Abstand der beiden Stationen (1, 2 ) angeschlossen ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Sendeeinrichtung von einem Taktimpulsgenerator ( TIG ) niedriger Folgefrequenz gesteuert ist, und daß das Ausgangssignal der Empfangseinrichtung ( FD ) nach Erhalt des Sekundärsignals einer Einrichtung ( TW, VCO ) zum Erhöhen der Taktfrequenz zuleitbar ist, vorzugsweise einer Umschalteinrichtung { TW ) zum Umschalten auf einen weiteren Taktimpulsgenerator ( VCO ) höherer Folgefrequenz.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschalteinrichtung (I, Π ) vorgesehen ist, mit welcher das Primärgerät (1 ) auf Transponder bzw. Sekundärbetrieb umschaltbar ist.

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