-
-
"Anordnung zurkontinuierlichen Bestimmung
-
des Geschwindigkeitsverlaufs eines Objekts" Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur kontinuierlichen Bestimmung des Geschwindigkeitsverlaufs entweder
eines die Anordnung tragenden Objekts (beispielsweise eines Fahrzeugs) oder eines
im Erfassungsbereich der Anordnung bewegten Objekts aus einem der Geschwindigkeit
entsprechenden Dopplersignal.
-
Unter Erfassungsbereich ist hierbei der räumliche Uberwachungsbereich
(Meßbereich) der das Dopplersignal erzeugenden Anordnung verstanden, also beispielsweise
der wirksame Sende/ Empfangs-Bereich einer Rückstrahlmeßeinrichtung, insbesondere
der vom Antennendiagramm einer Radaranlage erfaßte Raum.
-
Das jeweilige Dopplersignal kann aber auch nach anderen an sich bekannten
Methoden gewonnen werden; der Schwerpunkt der Erfindung liegt in der Auswerteanordnung
zur Extraktion einer hochgenauen Geschwindigkeitsinformation aus dem Dopplersignal,
auch wenn dieses - wie üblich - starke Amplituden-und Frequenzschwankungen sowie
häufig Lücken (totaler Signalausfall in unvorhersehbaren Zeitintervallen) aufweist,
die eine zuverlässige Auswertung beim Stand der Technik erschweren oder gar unmöglich
machen.
-
Ublicherweise wird bei der Realisierung der Erfindung sowohl die Einrichtung
zur Gewinnung des Dopplersignals als auch die erfindungsgemäße Anordnung zu dessen
Auswertung baulichkonstruktiv zusammengefaßt, so daß bei der Geschwindigkeitsverlaufsbestimmung
eines die Anordnung tragenden Objekts dasselbe sowohl die Einrichtung zum Gewinnen
des Dopplersignals als auch die Auswerteanordnung trägt; grundsätzlich bedarf es
in diesem Anwendungsfall jedoch nicht dieser konstruktiven Kombination, denn das
Dopplersignal könnte auch zur erfindungsgemäßen Anordnung beispielsweise drahtlos
fernübertragen werden, so daß dann diese Anordnung selbst stationär sein könnte.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der einleitend
genannten Art anzugeben, deren Ausgangsinformation über die momentane Geschwindigkeit
und den daraus herleitbaren Geschwindigkeitsverlauf gegenüber dem Stand der Technik
fehlerfreier ist, indem außer einer Signal-Lückenfüllung der spektrale Schwerpunkt
der angelieferten Dopplerfrequenz und ein entsprechendes Signal hoher spektraler
Reinheit mit ca. 1 %a gebildet wird.
-
Beispielsweise soll der Erfindungsgegenstand dazu benutzbar sein,
die Eigengeschwindigkeit eines Schienenfahrzeuges mit üblicherweise großem Schlupf
zwischen Rad und Schiene zu
bestimmen, der tachometrische Geschwindigkeitsmessungen
von vornherein extrem unzuverlässig macht. Hierbei läßt sich mittels der erfindungsgemäßen
Anordnung ein Dopplersignal zuverlässig auswerten, das aus Rückstrahlmessungen vom
Schienenfahrzeug in Richtung zum Erdboden oder noch besser zur Schiene gewonnen
wird. Die Rückstrahlmessungen erfolgen hierbei vorzugsweise nach dem Radarprinzip.
Aus den so gewonnenen Informationen über den Geschwindigkeitsverlauf 1äBt sich dann
leicht zuverlässig der momentane Standort des Fahrzeuges automatisch errechnen.
-
Andere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten finden sich beispielsweise
bei der Geschwindigkeitsüberwachung von Fördergut, insbesondere bei Verwendung von
Förderbändern, oder z. B. in der Hebetechnik bei der Geschwindigkeitsbestimmung
von Laufkatzen.
-
Grundsätzlich ist die Erfindung vorteilhaft zur Erzeugung eines nieder-
und/oder hochfrequenten Signals aus einem amplituden- und/oder phaseninkonstanten
Signal vorteilhaft benutzbar, wenn das erzeugte Signal mit der Frequenz des Ausgangssignals
übereinstimmen soll, jedoch von dessen amplituden- und/oder phasenmäßigen Schwankungen
unabhängig sein soll.
-
Bei einer Anordnung der eingangs genannten Art besteht die Erfindung
darin, daß für jeweils zwei aufeinander folgende Dopplerperioden Vergleichsmittel
vorgesehen sind, die feststellen, ob die Perioden innerhalb vorgegebener Toleranzen
miteinander übereinstimmen, daß eine Auswahllogik vorgesehen ist, die, sobald eine
einstellbare Anzahl von hintereinander liegenden Dopplerperioden als innerhalb der
Toleranz liegend festgestellt worden ist, jede der auf diese miteinander übereinsteimmenden
Dopplerperioden folgende Dopplerperiode, sofern sie gleichfalls innerhalb der vorgegebenen
Toleranz
liegt, in ein Referenz-Register durchschaltet, daß an dieses Referenz-Register ein
Zähler (digitaler Oszillator) angeschlossen ist, der mit der im Referenz-Register
zwischengespeicherten Information über die Dauer der aktuellsten (jüngsten abgeschlossenen
Messung) Dopplerperiode gespeist wird und dessen Zählrhytmus mit der Dopplerfrequenz
betragsmäßig identisch, jedoch phasenmäßig unabhängig ist, und daß aus diesem Zählrhytmus
der gesuchte Geschwindigkeitsverlauf ableitbar ist, und daß für den Fall, daß die
Vergleichsmittel eine Dopplerperiode als außerhalb der vorgegebenen Toleranz liegend
feststellen, die Vergleichsmittel die Auswahllogik veranlassen, die Durchschaltung
der Periodendauerinformation zum Referenz-Register solange zu sperren, bis das Durchschaltkriterium
wieder erfüllt ist.
-
Damit wird jedes Periodenmeßdauerergebnis, das ein in der Meßanordnung
erzeugtes Kriterium erfüllt, einem digitalen Oszillator als Referenz übergeben,
um zu gewährleisten, daß der digitale Oszillator die angelieferte, beispielsweise
vom Rückstrahlmeßgerät unmittelbar stammende Dopplerfrequenz mit extrem hoher spektraler
Güte reproduziert, ohne daß in diesem frequenzmäßig bereinigtem Signal die im Ursprungssignal
existierten Phasen- und/oder Amplitudenstörungen enthalten sind. Das Ausgangssignal
des digitalen Oszillators weist nämlich keinen Phasenbezug zum Dopplersignal auf
und ist somit von den Doppler-Phasensprüngen unbeeinflußt.
-
Zur Ableitung des Bewertungskriteriums für die Periodendauer dient
bei der erfindungsgemäßen Anordnung das Referenz-Register, das immer die jüngste
als innerhalb der Toleranz liegend festgestellte Dopplerperiodendauer beinhaltet.
-
In den Vergleichmitteln ist der Vorgabewert der Toleranz für die Dopplerperioden
zweckmäßigerweise abhängig von derjenigen Information über die Dopplerperiodendauer,
die die
für die Durchschaltung zum Referenz-Register genannten Kriterien
erfüllt, beispielsweise kann man die Abhängigkeit dieses Vorgabewertes nach Maßgabe
des momentanen Inhaltes des Referenz-Registers wählen. Der absolute Grundbetrag
dieser Toleranz für die Dopplerperioden wird unter Berücksichtigung der maximalen,
zur Verarbeitung erwarteten Beschleunigung gewählt.
-
Sehr vorteilhaft für den Erfindungsgegenstand ist seine Einfachheit,
Wirtschaftlichkeit und Funktionssicherheit.
-
Die Vergleichsmittel enthalten beispielsweise einen Aufwärtszähler
für die eine Dopplerperiode und einen Abwärtszähler für die darauf folgende Dopplerperiode,
wobei die Dopplerperioden die Zählzeitintervalle für eine Taktfrequenz ist, die
sehr viel größer als die Dopplerfrequenz gewählt ist und im Beispielsfall bei 8
z liegt. Eine Fensterlogik kann die vorgegebene Toleranz für die Dopplerperioden
dadurch feststellen, daß die Abwärtszählung, die beim Endwert der vorangehenden
Aufwärtszählung beginnt, bei einem Wert endet, der um das vorgegebene MaB von Null
abweicht; dieser Endwert kann, wie anhand der Schaltbilder weiter unten gezeigt,
vom positiven Bereich über Null hinaus in den negativen Bereich hineinlaufen, jedoch
ist der Vergleich noch vorteilhafter durchführbar, wenn bei der Abwärtszählung eine
Betragsbildung durchgeführt wird, die dadurch erreicht wird, daß der Abwärtszähler
nach Erreichen des Zählstandes Null seine Zählrichtung umkehrt und aufwärtszählt,
so daß er dann von Null her die Toleranzgrenze erreicht.
-
Zur Optimierung an den jeweiligen Anwendungsfall ist ein einstellbares
Schiebe-Register zweckmäßig, das einzustellen gestattet, wie viele Periodenvergleiche
hintereinander innerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegen müssen, bis die
Periodendauer
an das Referenz-Register angeschaltet wird.
-
Um zu Verhindern, daß der digitale Oszillator im Falle sehr großer
Lücken im ursprünglichen Dopplersignal eine unzulässig große Anzahl von Dopplerperioden
gemäß der ihm letztzugegangenen Information reproduziert, ist es zweckmäßig, einen
Zähler vorzusehen, der veranlaßt, daß nach Erreichen der maximal zulässigen Anzahl
von regenerierten Dopplerperioden das originale DopplersignaL unmittelbar zu dem
Ausgang der erfindungsgemäßen Anordnung durchgeschaltet wird, solange bis diese
Anordnung wieder bestimmungsgemäß arbeiten kann.
-
Aus der DU-AS 12 91 545 ist bei der stationären Messung den Meßort
passierender Fahrzeuge nach dem Rückstrahl- und Dopplerprinzip zur Erhöhung der
Meßsicherheit die Wiederholung der Dopplerfrequenzmessung innerhalb des gesamten
Meßzeitintervalls an sich bekannt. Für einen ähnlichen Zweck bei der Uberwachung
des Kraftfahrzeugverkehrs mit Hilfe von Radar ist aus der DT-OS 25 08 858 anstelle
der Dopplerfrequenzmessung die Dopplerperiodenmessung an sich bekannt, indem die
Dauer der Perioden durch Zählung von Impulsen gemessen werden, deren Frequenz weit
über der Dopplerfrequenz liegt. Von der Erfindung unterscheiden sich diese bekannten
Anordnungen zunächst von der Aufgabenstellung her, weil mit dem Erfindungsgegenstand
der Geschwindigkeitsverlauf kontinuierlich bestimmt werden soll, wähiend die bekannten
Anordnungen sich mit der Geschwindigkeitsmessung innerhalb eines extrem kurzen Meßzeitintervalls
in der Größenordnung von Millisekunden befassen. Beim zitierten Stand der Technik
befindet sich das Meßobjekt nur während der Durchfahrt durch das Radarantennendiagramm
im Erfassungsbereich der Anordnung, während beim Erfindungsgegenstand das Meßobjekt
während seiner gesamten Bewegungszeit im Erfassungsbereich befindlich sein muß.
Auch lösungsmäßig liegen gravierende Unterschiede des Erfindungsgegenstandes zum
Stand der Technik vor. Die
hintereinander folgende Messung einzelner
Dopplerperioden an sich ist nicht Gegenstand der Erfindung, sondern diejenigen Maßnahmen,
die zur hochgenauen frequenzmäßigen Reproduktion des Dopplersignals führen.
-
Im folgenden wird die Erfindung anhand ihrer in den Abbildungen dargestellten
Ausführungsbeispiele schaltbildmäßig und funktionsmäßig näher erläutert; die Erfindung
ist hardware-mäßig auch anders realisierbar.
-
Die Figuren 2a bis 2b sind hierbei als zusammengehörige Fig. 2 zu
betrachten. Die Unterbrechungsstellen zwischen den Figuren 2a und 2b einerseits
und 2b und 2c andererseits sind jeweils mit gleichen kleinen Buchstaben des Alphabets
bezeichnet, um zusammengehörige Teile zu identifizieren.
-
Die Schaltung gliedert sich - in Anlehnung an das Blockschaltbild
der Fig. 1 - in folgende Funktionsgruppen: Eingangs-Impulsformer 49, 50 Taktgenerator
1, 2 Digitaler Oszillator, bestehend aus Abwärtszähler 3,...6 mit Rückkopplung 7,
8 Register 11,...13 mit Bereichsmeldung 9, 10 1. Periodenmesser (Aufwärtszähler
17,...21 2. Periodenmesser (Abwärtszähler) 29,...32 Fensterlogik 33,.. .48 Auswahllogik
25, . .28 Ubernahme-Gatter 14, 15 aynchronisier-Gattes 16) Ablöse-Logik 22 Umschalter
23 Ausgangs-Pul sformer 24 Das Eingangssignal (Rechteckform) löst mit seinen positiven
Flanken im Eingaags-Iepulsformer 49, 50 ein Impulspaar EM 1,
EM
2 von je 50 ns Länge aus. Der 1. Periodenmesser 18,...21 wird von EM 2 auf Null
gesetzt und beginnt daraufhin mit der vom Taktgenerator 1, 2 gelieferten Frequenz
von ca. 8 NHz im Binär-Code hochzuzählen. Nach Ablauf einer Dopplersignal-Periode
wird mittels EM 1 der im 1. Periodenzähler momentan anstehende Zählerstand in den
2. Periodenzähler 29,...32 geladen. Dieser zählt daraufhin mit der gleichen Uaktfrequenz
abwärts.
-
Die Fensterlogik 33,...48 liefert ein "1"-Signal am Ausgang 43, sobald
der Abwärtszähler einen bestimmten positiven Wert nahe Null erreicht hat und liefert
ein "O"-Signal, sobald der gleiche negative Wert unterschritten wird, vorausgesetzt,
der Zähler ist in der Zwischenzeit nicht neu geladen worden. Es wird also ein Erwartungs-Zeitfenster
gebildet, in welches bei konstanter Eingangsfrequenz der nächste am Eingang gebildete
Impuls hineintreffen muß. Eine genaue Beschreibung der Fensterlogik erfolgt später
anhand der Fig. 3.
-
Die Auswahllogik 25,...28 zählt nun ab, wie oft nacheinander ein Eingangs
impuls in das Erwartungsfenster gefallen ist.
-
Trifft ein Eingangsimpuls EM 1 neben das Erwartungsfenster, so liefert
das Gatter 26 einen Löschimpuls und das Schieberegister 25 wird auf Null gesetzt.
Fällt aber der Eingangsimpuls ins Fenster, so bildet das Gatter 27 einen Taktimpuls
und es wird eine "1 n ins Schieberegister 25 geschoben.
-
So erscheint z. B. am Schieberegister-Ausgang C erst dann ein "1"-Signal,
wenn dreimal nacheinander ein Eingangsimpuls in das Fenster gefallen ist. Damit
ist eine strenge Kontrolle der Eingangssignal-Perioden erfolgt und der zuletzt gemessene
Periodenwert darf als soweit konstant angesehen werden, daß er als Steuergröße für
den digitalen Oszillator brauchbar ist.
-
ober das Ubernahme-Gatter 14, 15 wird ein Übernahme-Impuls il gebildet,
der den Zählerstand des 1. Periodenmessers 18,...
-
21 in das Frequenzregister 11,... 13 einschreibt.
-
Der Abwärtszähler 3,...6 lädt sich selbt bei Erreichen des Zählerstandes
"Null" über 8, 7 stets auf den Wert, der im Frequenzregister 11,...13 steht. Er
bildet mit diesem zusammen den steuerbaren digitalen Oszillator Seine Ladeimpulse
(ca 30 ns lang) stoßen über den Umschalter 23 ein Monoflop 24 (oder ein Flip-Flop)
an, welches eine einheitliche Ausgangs-Impuls folge mit für die weitere Verarbeitung
brauchbarer Länge liefert. Mit 2 am 2. Eingang des Gatters 7 können Fehlübernahmen
in den Abwärtszähler 3,...6 verhindert werden.
-
Eine Synchronisierung des digitalen Oszillators mit dem Eingangssignal
kann für Sonderfälle bei Freigabe der Konjunktion 16 über die Oderschaltung 8 erfolgen.
-
Die Ablöselogik besteht aus einem Zähler, der bei jedem Übernahmeimpuls
2 auf einen einzustellenden, die maximal zulässige Anzahl der zu reproduzierenden
Dopplerperioden darstellenden Wert geladen wird und mit jedem Oszillatorpuls aus
dem digitalen Oszillator als Takt abwärtszählt, bis er bei Erreichen der Nullstellung
über einen Umschalter (23) die Eingangsimpulsfolge EMI an das Monoflop 24 durchschaltet.
-
Das Erwartungs-Zeitfenster soll ein Kriterium für die Konstanz der
eintreffenden Perioden liefern. Die Fensterbreite muß umschaltbar sein, um sich
dem aktuellen Frequenzbereich anzupassen und so die relative Fensterbreite in vorgegebenen
Grenzen zu halten.
-
Die kleinste Fensterbreite soll zwischen den Zählerstellungen
(Darstellung:
MSB...LSB) OOOO.0000.0000.xxxx (positiver Teil) und 1111.1111.1111.xxxx (negativer
Teil) liegen. Der positive Teil wird aus den Teilkonjunktionen 41, 42 und 47, 45
gebildet, der negative Teil wird aus den Teilkonjunktionen 39, 40 und 48, 46 gebildet.
Beide Teile werden von der Disjunktion in 44 zusammengefaßt, sobald nach 43 das
gesamte Fenster zur Verfügung steht.
-
Bei Eingangsfrequenzen unter 2 kUz (entsprechend langeren Perioden)
gelangen "1 " an die Eingänge von 10 und die damit erzeugte "on legt die Ausgänge
von 35 bis 38 fest auf "1", so daß sich die Fenstergrenzen auf 0000.0000.0On.xxxx
und 1111.1111 .11xx.xxxx erweitern.
-
Bei Eingangsfrequenzen unterhalb 500 Hz steigt der gespeicherte Wert
im Frequenzregister weiter an, es gelangen "1" auch noch an 9. 45, 46 liefern fest
"1" und die Fenstergrenzen werden auf OO0O.0000.nxx.xxxx und 1111.1111.xxxx.
-
xxxx erweitert.
-
Der so erzeugte Fensterbreiten-Verlauf ist ersichtlich aus dem Diagramm
"Fensterbreite - Frequenz".
-
Durch Änderung der Dekodierschaltung kann der Fensterbreiten-Verlauf
in weiten Grenzen den jeweiligen Erfordernissen (Frequenzbereich, Beschleunigung)
angepaßt werden.
-
Es gibt folgende Sonderfälle: a) Einschalten Es werden keine Eingangsimpulse
geliefert. Der Zähler 18, ...21 läuft einmal hoch und sperrt bei Uberlauf mit 17
den Takt. Die Ablöse-Logik 22 wird durch die am Clear-Eingang liegende RC-Eombination
in Ruhestellung festgehalten und der Umschalter 23 steht so, daß das zu erwartende
Eingangssignal an das Ausgangs-Monoflop geschaltet wird.
-
b) Eingangsfrequenz unterhalb 122 Hz: Der Zahler 18,...21 läuft 8,2
ms nach jedem Eingangsimpuls EM 1 über. Das Signal CO sperrt den eigenen Takt mittels
17 und hält das Schieberegister 25 über 28 und 26 in Nullstellung fest. Damit ist
die Erzeugung von Ubernahmeimpulsen mit 14, 15 unterbunden, die Ablöse-Logik 22
bleibt in Ruhestellung und liefert über 23 das Eingangssignal an das Ausgangs-Monoflop
24.
-
c) Lücken im Signal oberhalb 122 Hz: Die Schaltung funktioniert wie
in Sonderfall 2, aber das Ablöse-Monoflop 22 bleibt für die Zeitdauer tF von Beginn
der Lücke ab noch in Arbeitsstellung und schaltet die zuletzt gefundene Frequenz
des digitalen Oszillators an das Ausgangs-Monoflop 24 durch. Ist die Lücke länger
als tF, so wird das Eingangssigaal übernommen.
-
d) Frequenzen oberhalb 7,8 kHz: Frequenzen oberhalb 7,8 kHz werden
ebenso verarbeitet wie unterhalb, nur unterschreitet die theoretische Auflösung
den geforderten Wert von 1 %o . Die Praxis zeigt jedoch, daß die tatsächliche Genauigkeit
mindestens um den Faktor 2 höher liegt als die theoretische (Nulldiagonale im Diagramm
"Fensterbreite - Frequenz"), so daß bei 15 kEz eine Auflöse-Genauigkeit von - 1
%0 erreicht wird.
-
Für die praktische Dimensionierung der Zählerlänge N gilt allgemein
N > 2log ( Fmax : Fmin ) - 1 G mit G = Genauigkeit und F = Dopplerfrequenz
Die
Taktfrequenz FT errechnet sich aus Fmax FT = .
-
2G Als sehr vorteilhaft hat sich erwiesen, daß an den internen Taktgenerator
1, 2 keine besonderen Forderungen im Hinblick auf Iangzeitkonstanz gestellt werden
müssen.
-
L e e r s e i t e