DE3113904A1

DE3113904A1 - Radargeraet

Info

Publication number: DE3113904A1
Application number: DE19813113904
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. 7015 Korntal-Münchingen Leitl; Georg Ing.(grad.) 7141 Möglingen Schulte-Hubbert
Original assignee: Individual
Current assignee: Leitl Franz Dipl-Ing 7100 Heilbronn De
Priority date: 1981-04-07
Filing date: 1981-04-07
Publication date: 1982-10-28
Also published as: DE3113904C2; US4611211A

Description

Rückstrahlortungsgerät, insbesondere Radargerät

Die Erfindung geht aus von einem Rückstrahlortungsgerät, insbesondere Radargerät, wie im Oberbegriff der Ansprüche 1/ 2 oder angegeben. Ein derartiges Rückstrahlortungsgerät ist aus Elektronik-Zeitung, Nr. 3, 9. Februar 1981, Seite 6 bekannt. Ein solches Radargerät ist auch in der deutschen Patentanmeldung P 30 47 728.2 vorgeschlagen.

Bei dem dort beschriebenen Rückstrahlortungsgerät müssen die Hauptstrahlrichtungen der beiden Strahlungsdiagramme einen Winkel von 90° miteinander bilden. Diese Forderung ist bei manchen Anwendungsfällen von Nachteil.

Es wild doshalb ein neues Rückstrahl Ortungsgerät angegeben, bei dem der winkel zwischen den Hauptstrahlrichtungen der beiden Strahlungsdiagramme in einem großen Bereich liegen kann. Die Auswertung kann mit geringem Aufwand realisiert und schnell durchgeführt werden.

Das neue Rückstrahlortungsgerät ist besonders zur Messung der Geschwindigkeit von Walzgut, der Geschwindigkeit einer stromenden Flüssigkeit oder zur Messung der Eigengeschwindigkeit von Fahrzeugen geeignet.

STL/81/5

- ir-

Die Erfindung wird anhand der einzigen Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Sie ist eir3 Skizze zur Erläuterung der Auswertung.

Als Rückstrahlortungsgerät 1 wird ein Radargerät verwendet, das über zwei Strahlungsdiagramme 3, 4 in unterschiedliche Richtungen dreieckförmig frequenzmodulierte Dauerstrichsignale abstrahlt. Die Hauptstrahlrichtungen der beiden Strahlungsdiagranime bilden einen Winkel von 45° miteinander. Bei der Messung wird die Hauptstrahlrichtung des einen Strahlurigsdiagramms so ausgerichtet, daß sie mit der Ausbreitungsrichtung des zu vermessenden Objekts 2 angenähert einen Winkel von 90° bildet. Ist die Ausbreitungsrichtung des Objekts festgelegt (z.B. Walzgut, strömende Flüssigkeiten), dann kann die Bündelung relativ stark gewählt werden. Schwankt die Ausbreitungsrichtung in gewissen Grenzen, dann wählt man eine weniger starke Bündelung. In diesem Fall kann in einem größeren Winkelbereich die 90 -Bedingung erfüllt werden.

Em Radargerät enthält einen HF-Teil, einen ZF-Teil, einen NF-Toil und einen Auswerteteil. Das neue Radargerät enthält für jede Richtung einen HF-Teil, einen ZF-Teil und eintjn NF-Teil. Der Auswerteteil ist für beide Richtungen nur einmal vorhanden. Bei bestimmten Anwendungen reicht es, wenn in einem bestimmten rtythmus zwischen den beiden Richtungen umgeschaltet wird. In diesen Fällen reicht es aus, den ZF- und den NF-Teil nur einmal vorzusehen.

Auf die einzelnen Teile wird hier nicht näher eingegangen, da sie dem Fachmann allgemein bekannt sind (z.B. aus dem Buch "Introduction to Radar Systems" von M.I. Skolnik, Mc Graw Hill Verlag, New York 1980).

Wie bereits erwähnt, bildet die Hauptstrahlrichtung des ersten Strahlungsdiagramms 3 mit der Ausbreitungsrichtung des Objekts 2 einen Winkel von angenähert 90°. Bei einem Winkel von exakt 9O° ist die Relativgeschwindigkeit V, in Bezug zum Radargerät gleich null. Bei den anderen Fällen wird die Relativgeschwindigkeit null für Signale aus Richtungen, die von der Hauptstrahlrichtung etwas abweichen, gemessen. Von den gemessenen Wertepaaren Relativgeschwindigkeit/Entfernung wählt man dasjenige Wertepaar aus, bei dem die Relativgeschwindigkeit gleich null ist und speichert die ihr zugeordnete Entfernung r_1o. Es wird außerdem der Zeitpunkt T bestimmt, zu dem dieses Wertepaar gemessen wird. Dieser Zeitpunkt wird gespeichert.

Wird das Objekt von dem zweiten Strahlungsdiagramm erfaßt, dann werden erneut die Relativgeschwindigkeit V2 und die Entfernung r^ gemessen. Es werden ein Wertepaar und die Zeit Tjj, zu dem dieses Wertepaar gemessen wurde, gespeichert.

Aus den gemessenen Werten wird in einem Rechner des Radargerätes nach der Gleichung

V„

ψ~ψ

. 9.

die Geschwindigkeit des Objekts in seiner Ausbreitungsrichtung ermittelt.

Die die Zeitpunkte, zu denen die Wertepaare gemessen wurden, gespeichert sind, ist es möglich, die Zeitdifferenz t zwischen den Messungen zu bestimmen. Zwischen den Messungen hat das Objekt den Weg v.t in seiner Ausbreitungsrichtung 5 zurückgelegt. Die Geschwindigkeit kann also weiterhin auch nach der Gleichung

^r2 ~ ^rl0 .

oder nach der Gleichung
^VB

ermittelt werden.

Bei der bisheringen Beschreibung wurde angenommen, daß das erste Strahlungsdiagramm angenähert senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (5) des Objekts ausgerichtet ist, und daß in dieser Richtung ein Wertepaar für die Entfernung r^ und die Relativgeschwindigkeit V. vorhanden ist, bei dem die Relativgeschwindigkeit V, gleich null ist. Diese Voraussetzung ist jedoch bei gewissen Einsatzzwecken nicht immer erfüllbar. In diesen Fällen ist jedoch ebenfalls eine Geschwindigkeitsmessung möglich. Sie erfolgt gemäß dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Es gilt wieder sinngemäß die Fig.l, jedoch bildet hier die Hauptstrahlrichtung des ersten Strahlungsdiagramms mit der Ausbreitungsrichtung 5 des Objekts keinen rechten Winkel. Die Strahlungsdiagramme zeigen in beliebige Richtungen in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung. Von den Wertepaaren r., v, und r~/ v₂, die für die beiden Richtungen gemessen werden, wird jeweils

ein beliebiges Wertepaar ausgewählt. Die Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Objektes erfolgt dann naah der Gleichung

oder nach der Gleichung

oder nach Gleichungen, die aus diesen Gleichungen abgeleitet wurden.

Die Zeit t ist wieder, wie im ersten Fall, die Zeit zwischen den beiden Zeitpunkten, zu denen die beiden Wertepaare gemessen wurden. Die Zeit t wird nur ermittelt, wenn zur Auswertung die Gleichung, in der t enthalten ist, herangezogen wird.

Ist das Objekt ein bewegtes Einzelobjekt von relativ geringer räumlicher Ausdehnung, dann wird es zuerst vom ersten Strahlungsdiagramm 3 und anschließend vom zweiten Strahlungsdiagramm 4 erfaßt. Dies gilt für jedes der obigen Beispiele. In diesen Fällen kann die Zeit t ermittelt werden und somit können jeweils eine Geschwindigkeit V₂. und eine Geschwindigkeit V ermittelt werden. Es liegt eine Überbestimmtheit vor. Diese Überbestimmtheit kann in vorteilhafter Weise dazu ausgenützt werden, eine etwaige Relativbewegung des Rückstreuzentrums RZ des Objekts in Bezug auf die Geometrie des Objekts zu kompensieren.

Es wurde nämlich bisher davon ausgegangen, daß sich die Lage des Rückstreuzentrums RZ in Bezug auf die Geometrie des Objekts 2 zwischen den Messungen in den Richtungen der beiden Strahlungsdiagranune 3, 4 nicht ändert. In diesen Fällen ist die Geschwindigkeit V_A gleich der Geschwindigkeit V_ß. Ändert sich die relative Lage des Rückstreuzentrums, dann kann man für die Geschwindigkeit des Objekts in seiner Ausbreitungsrichtung unterschiedliche Werte V_A, V_D erhalten, je nachdem, welche Meßwerte man der Auswertung zu Grunde legt, d.h. das Meßergebnis ist überbestimmt. Dies nützt man, wie bereits erwähnt, in vorteilhafter Weise aus um eine Verbesserung der Meßgenauigkeit zu erhalten. Hierzu werden die beiden Ergebnisse geeignet kombiniert und zwar gemäß der Gleichung

V =otV_A +ßV_B.

ot und (b sind Gewichtungsfaktoren (<*+/S = 1) , die vom Verhältnis -^=- der Entfernungen und von der Form des Objekts abhängen.

Für typische Objektformen lassen sich für die Gewichtungs faktoren oi. und ß> eindeutige Vorschriften angeben, die eine exakte Kompensation des Einflusses der relativen Lage des Rückstreuzentrums in Bezug auf die Geometrie des Objekts angeben, ermöglichen.

So ergeben sich beispielsweise für kugel- oder zylinderförmige Objekte mit den Annahmen V₁ = O und ·ν*\ 0,5, wobei J* der Kugeldurchmesser ist, folgende*Koeffizienten:

OC=

1+3 -¹·
^r2

I₊ fl

^r2

1+3 ^
^r2

Berechnet man die Geschwindigkeit V aus der Kombination von V. und V , dann ist es möglich, daß im Rechner des Radargerätes die Geschwindigkeiten V und V_ß nicht getrennt berechnet, sondern daß gleich die Geschwindigkeit V berechnet wird. Für das oben genannte Beispiel ist

V =

Ist das Objekt eine ebene Fläche, die zur Bewegungsrichtung parallel ausgerichtet ist, dann ist Oi = ο und ß> = 1. Ist die ebene Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung ausgerichtet, dann is tot = 1 und β = O.

Für andere Objektformen und andere Winkel zwischen den Hauptstrahlrichtungen lassen ebenfalls entsprechende Werte für OC und |J ermitteln.

Bisher wurde davon ausgegangen, daß das Objekt jeweils nur von einem der beiden Strahlungsdiagramme erfaßt wird. Die Auswertung kann jedoch in den Fällen, in denen das Objekt von beiden Strahlungsdiagrammen gleichzeitig erfaßt wird, analog zu dem Beschriebenen erfolgen. Objekte mit sehr großer Ausdehnung sind beispielsweise Walzgut, strömende Medien, usw. Auch die Eigengeschwindigkeit eines Fahrzeugs kai.n mit dem neuen Radargerät gemessen werden. In diesem Fall ist das Radargerät im Fahrzeug angeordnet und das Objekt mit der sehr großen Ausdehnung ist die Straße.

In den genannten Fällen wird das Objekt stets von beiden Strahlungsdiagrammen gleichzeitig erfaßt. Es werden jedoch immer nur die über ein einziges Strahlungsdiagramm empfangenen Signale weiterverarbeitet. Das Umschalten von einem Strahlungsdiagramm zum anderen erfolgt proportional zur Geschwindigkeit, und zwar so, daß jeweils Signale ausgewertet werden, die vom selben Ort des Objekts reflektiert wurden. Dadurch wird der Einfluß von Inhomogenitäten der Oberfläche des Objekts eliminiert. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Umschaltfrequenz nicht nur proportional zur Geschwindigkeit sondern zusätzlich auch umgekehrt' proportional zum Abstand (r_lQ) gewählt wird, denn dadurch wird immer genau der Ausschnitt gemessen, der gerade vom Strahlbereich der Antennen beleuchtet wird. Bei Medien mit homogenen Oberflächen (z.B. strömendes Wasser) kann auch mit einem konstanten, geschwindigkeitsunabhängigen Takt umgeschaltet werden.

Statistische Schwankungen des Rückstreuzentrums mitteln sich aus und haben auf die Genauigkeit des Meßergebnisses keinen Einfluß.

In den Fällen, in denen das Objekt von beiden Strahlungsdiagrammen gleichzeitig erfaßt wird, ist die Zeit t für die Auswertung ohne Bedeutung, da sie durch den Umschalttakt festgelegt ist. Eine Kompensation der Relativbewegung ist daher nicht möglich.

, .Ak:

Leerseite

Claims

Dipl.-Ing. Franz Leiti

Alleenstraße 21

7015 Korntal-Münchingen 2

Patentansprüc he

Rückstrahlortungsgerät, insbesondere Radargerät, von dem die Entfernung zu einem Objekt und die Relativgeschwindigkeit dieses Objekts in Bezug auf das Rückstrahlortungsgerät ermittelt werden, bei dem mindestens zwei Antennen vorgesehen sind, deren Strahlungsdiagramme unterschiedlich ausgerichtet sind, und bei dem aus den mit den beiden Antennen aufgenommenen Signalen jeweils die Entfernung und die Relativgeschwindigkeit zu dem Objekt gemessen und gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Hauptstrahlrichtungen der beiden Strahlungsdiagramme (3, 4) kleiner als 90° ist, daß von den Entfernungswerten (T₁), die man durch Auswertung der über das erste Strahlungsdiagramm (3) empfangenen Signale erhält, diejenige Entfernung (r_lo) ausgewählt wird, bei der das Objekt (2) die Relativgeschwindigkeit (V,) null hat, und daß aus dieser Entfernung und anderen gespeicherten Werten die Geschwindigkeit (V_ß) des Objekts (2) in seiner Ausbreitungsrichtung (5) nach der Gleichung

V,

oder nach einer aus dieser Gleichung abgeleiteten Gleichung ermittelt wird, wobei V- und r₂ die Relativgeschwindigkeit und die Entfernung in Richtung des zweiten Strahlungsüiagramms (4) sind.

STL/81/5
2. Rückstrahlortungsgerät, insbesondere Radargerät, von dem die Entfernung zu einem Objekt und die Relativgeschwindigkeit dieses Objekts in Bezug auf das Rückstrahlortungsgerät ermittelt werden, bei dem mindestens zwei Antennen vorgesehen sind, deren Strahlungsdiagramme unterschiedlich ausgerichtet sind,und bei dem aus den mit den beiden Antennen aufgenommenen Signalen jeweils die Entfernung und die Relativgeschwindigkeit zu dem Objekt gemessen und gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der winkel zwischen den Hauptstrahlrichtungen der beiden Strahlungsdiagramme (3, 4) kleiner als 90° ist, daß von den Entfernungswerten (r.), die man durch Auswertung der über das erste Strahlungsdiagramm (3) empfangenen Signale erhält, diejenige Entfernung (r«_o) ausgewählt wird, bei der das Objekt (2) die Relativgeschwindigkeit (V₁) null hat, daß die Zeitdifferenz (t) zwischen der Zeit, zu der diese Entfernung (r_lQ) gemessen wurde, und der Zeit, zu der eine Entfernung (r,) und die zugehörige Relativgeschwindigkeit (V,) in Richtung des zweiten Strahlungsdiagramm (4) gemessen wird, ermittelt und gespeichert wird, und daß die Geschwindigkeit (V_A) des Objekts (2) in seiner Ausbreitungsrichtung (5) nach der Gleichung

^VA t y

r ² - r
^r2 ^r10

oder nach der Gleichung

oder nach einer aus diesen Gleichungen abgeleiteten Gleichung ermittelt wird.

_ 3-
3. RückstrahlOrtungsgerät, insbesondere Radargerät, von dem die Entfernung zu einem Objekt und die Relativgeschwindigkeit dieses Objekts in Bezug auf das Rückstrahlortungsgerät ermittelt werden, bei dem mindestens zwei Antennen vorgesehen sind, deren Strahlungsdiagramme unterschiedlich ausgerichtet sind,und bei dem aus den mit den beiden Antennen aufgenommenen Signalen jeweils die Entfernung und die Relativgeschwindigkeit zu dem Objekt gemessen und gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem beliebigen Wertepaar für Entfernung (r^ und Relativgeschwindigkeit (V₁) in Richtung des ersten Strahlungsdiagramms (3)und einem beliebigen Wertepaar für Entfernung (r₂) und Relativgeschwindigkeit (V₂) in Richtung des zweiten Strahlungsdiagramms (4) die Geschwindigkeit des Objekts (2) in seiner Ausbreitungsrichtung (5) nach der Gleichung

_v T

^va

oder nach der Gleichung

oder nach einer aus diesen Gleichungen abgeleiteten Gleichung ermittelt wird, wobei t die Zeit zwischen den beiden Zeitpunkten, zu denen die beiden Wertepaare gemessen werden, ist.
4. Rückstrahlortungsgerät nach den Ansprüchen 1 und 2 oder nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit (V) des Objekts (2) diejenige Geschwindigkeit ist, die man durch Kombination der Meßwerte V, und V„

A B

gemäß der Gleichung
v = ocv_A

erhält, wobei * und β Gewichtsfaktoren sind, die festgelegt sind durch «-+/J = 1 und die sowohl eine Funktion des Verhältnisses —=· als auch eine Funktion

2
der Form des Objekts sind.
5. Rückstrahlortungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die räumliche Ausdehnung des Objekts, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll, so groß ist, daß es von beiden Strahlungsdiagrammen gleichzeitig erfaßt wird, in einem vorgegebenen Takt abwechselnd die Signale, die über das erste bzw. über das zweite Strahlungsdiagramm empfangen werden, ausgewertet werden.
6. Rückstrahlortungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die räumliche Ausdehnung des Objekts so groß ist, daß es von beiden Strahlungsdiagrammen gleichzeitig erfaßt wird und wenn es unterschiedliche Rückstrahleigenschaften aufweist, mit einer Taktfrequenz proportional zu seiner Ausbreitungsgeschwindigkeit und indirekt proportional zum Abstand (r.) , bei dem die Relativgeschwindigkeit (V,) gleich null ist, zwischen den Strahlungsdiagrammen umgeschaltet wird, dergestalt, daß über beide Strahlungsdiagramme Signale empfangen werden, die vom selben räumlichen Ort des Objekts reflektiert wurden.
7. Rückstrahlortungsgerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Takt so gewählt ist, daß vor dem Umschalten zum anderen Strahlungsdiagramm jeweils mehrere Messungen ausgeführt werden.
8. Rückstrahlortungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nur Signale ausgewertet werden, die von einem Gegenstand in einem bestimmten Entfernungsbereich reflektiert wurden.
9.Ruckstrahlortungsgerat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Hauptstrahlrichtungen der beiden Strahlungsdiagramme angenähert 45 ist.
10. Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines Objekts mit einem Radargerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beicen Strahlungsdiagramme zumindest angenähert senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (5) des Objekts ausgerichtet ist.