DE3840449A1 - Anordnung zur messung der horizontalen und/oder vertikalen geschwindigkeitskomponente eines relativ zu einem zweiten objekt bewegten ersten objekts - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Anordnungen dieser Art sind mit Dopplerradarsensoren ausgerüstet und werden eingesetzt, um zwei zueinander orthogonale Geschwindigkeitskomponenten eines relativ zu einem anderen Objekt bewegten Objekts zu messen. Dies kann beispielsweise ein auf einer Straße fahrendes Fahrzeug sein oder ein über Land oder Wasser fliegendes Flugzeug oder ein bewegtes Teil einer Maschine.

Zur Messung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs über Grund beispielsweise wird eine solche Anordnung so am Fahrzeug befestigt, daß die Dopplersensoren auf den Grund (die Straße z. B.) strahlen. Tritt neben der horizontalen Bewegung mit der Geschwindigkeitskomponente _-H auch eine vertikale Bewegung des Fahrzeugs mit der Geschwindigkeitskomponente _V auf (z. B. beim Ein- und Ausfeder eines Autos), so können, wie bereits vorgeschlagen wurde, sowohl die horizontale Geschwindigkeitskomponente _H - als auch die vertikale Geschwindigkeitskomponente _V - aus den Dopplerfrequenzen bestimmt werden, die mit Hilfe zweier Dopplerradarsensoren gemessen werden, deren Anordnung am Fahrzeug in Fig. 1 gezeigt ist.

Die beiden Dopplerradarsensoren 1 a bzw. 1 b in Fig. 1 sind unter dem Fahrzeug 4 hintereinander angeordnet und besitzen jeweils eine Antenne, deren Hauptkeule 2 a bzw. 2 b mit ihrer Hauptstrahlrichtung um den Winkel +R bzw. -R von der Grundnormalen 3 in Fahrtrichtung bzw. gegen die Fahrtrichtung abweichen. Die Grundnormale 3 stimmt dabei überein mit der Symmetrieachse des durch die Antennen der Sensoren 1 a und 1 b erzeugten Strahlungsfeldes.

Die Dopplerfrequenz f _Da am Ausgang des Sensors 1 a beträgt

f _Da = f _DV + f _DH (1)

und die Dopplerfrequenz f _Db am Ausgang des Sensors 1 b beträgt

f _Db = f _DV - f _DH (2)

wobei f _DH die Dopplerfrequnez aus der Horizontalbewegung ist und f _DV die aus der Vertikalbewegung.

Die Dopplerfrequenz f _DH aus der Horizontalbewegung beträgt

und die Dopplerfrequenz f _DH aus der Vertikalbewegung beträgt

wobei f _S die Sendefrequenz des Dopplerradarsensors ist und C₀ die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bzw. (in einer Näherung) in Luft.

Die Horizontalgeschwindigkeitskomponente _H wird gemäß Gleichung (3) aus der Dopplerfrequenz f _DH bestimmt, welche gemäß den Gleichungen (1) und (2) aus den gemessenen Dopplerfrequenzen f _DA und f _Db folgt:

Entsprechend wird die Vertikalgeschwindigkeitskomponente _V gemäß Gleichung (4) aus der Dopplerfrequenz f _DV bestimmt, welche gemäß den Gleichungen (1) und (2) ebenfalls aus den gemessenen Dopplerfrequenzen f _D1 und f _D2 folgt:

Für den Fall, daß die Dopplersensoren so ausgeführt sind, daß nur |f _Da | und |f _Db | (also die Beträge) an deren Ausgängen erscheinen, müssen unter Berücksichtigung von |f _DH | < |f _DV | die Gleichungen (5) und (6) entsprechend angepaßt werden.

Von Nachteil ist bei dieser Anordnung die Notwendigkeit von zwei Sensoren, selbst wenn nur eine Geschwindigkeitskomponente des Fahrzeugs (z. B. die Horizontalgeschwindigkeitskomponente _H bestimmt werden soll. Insbesondere sind auch zwei Antennen erforderlich, die bei den benötigten Keulenbreiten von i. a. maximal 15° erhebliche Abmessungen haben. So besitzt bei einer Sendefrequenz f _S von z. B. 24 GHz jede Antenne eine Fläche von mindestens 50×50 mm².

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die weniger aufwendig ist und trotzdem eine Messung der beiden zueinander orthogonalen Geschwindigkeitskomponenten des bewegten Objekts zuläßt.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sowie bevorzugte Anwendungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Anordnung sieht nur noch einen Dopplerradarsensor und eine Antenne vor, wobei die Antenne zwei Strahlungskeulen aufweist. Die Hauptstrahlrichtungen dieser Keule liegen unter Winkeln +R bzw. -R von der Grundnormalen in Fahrtrichtung bzw. gegen die Fahrtrichtung.

Die Vorteile der Erfindung sind vor allem in dem geringen Platzbedarf, dem geringen Aufwand und der billigen Herstellung zu sehen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die bereits vorgeschlagene und diskutierte Anordnung mit zwei Dopplerradarsensoren;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Anordnung mit nur einem Dopplerradarsensor;

Fig. 3 Frequenzspektren der von der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 2 empfangenen Dopplersignale für verschiedene Bewegungszustände des Fahrzeugs;

Fig. 4 das Blockschaltbild einer an sich bekannten Ausführungsform des Empfängerteils der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 2;

Fig. 5 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Empfängerteils der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 2.

Die erfindungsgemäße Dopplerradarsensoranordnung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der bereits vorgeschlagenen Anordnung gemäß Fig. 1 dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung nur noch ein Dopplerradarsensor 1 am Fahrzeug 4 benötigt wird, der mit einer Antenne ausgerüstet ist, die zwei Strahlungskeulen 2 a, 2 b aufweist. Die Hauptstrahlrichtungen dieser Keulen 2 a und 2 b liegen unter Winkeln +R bzw. -R von der Grundnormalen 3 und zeigen in Fahrtrichtung bzw. gegen die Fahrtrichtung.

Die Antenne dieses Sensors ist bei gleicher Keulenbreite nicht größer als die Antenne eines Sensors gemäß Fig. 1. Prinzipiell kann für den erfindungsgemäßen Dopplerradarsensor jede Antenne mit zwei zumindest annähernd gleichen Hauptkeulen, die den Winkel 2R einschließen, verwendet werden.

Eine besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Ausführungsform bietet die Verwendung einer flächenhaften Gruppenantenne ("Array Antenna"). Eine besonders kostengünstige Anordnung wäre hierbei eine planare Wanderwellenantenne ("Travelling Wave Antenna") aus einer Mehrzahl von Mikrostreifenleitungsstrahlern auf einem dielektrischen Trägermaterial. Die Erzeugung einer Hauptkeule und deren Schwankung um den Winkel R aus der Flächenormalen der Antenne um den Winkel R aus der Flächennormalen der Antenne wird durch phasenverschobene Speisung der einzelnen Mikrostreifenleitungsstrahler erreicht. Hierzu sind in an sich bekannter Weise die Wellenlänge g _W der Wanderwelle und der Abstand S der Strahler geeignet zu dimensionieren. Entsprechende Dimensionierungsvorschriften sind beispielsweise in Kapitel 10 des "Antenne Engineering Handbook" von Jasik, erschienen bei McGraw-Hill (New York, 1984), Kapitel 10, S. 4-5 beschrieben.

Die Gleichung zur Bestimmung der möglichen Winkel R _n lautet beispielsweise für den Fall, daß die Einzelstrahler aufgrund ihrer Anordnung bei phasengleicher Speisung abwechselnd gegenphasig strahlen:

für n=0, ±1, ±2, ±3 . . . usw.

Die Strahlungskeule unter dem Winkel -R wird mit der Mehrdeutigkeit der Strahlungscharakteristik einer Gruppenantenne erzeugt, indem der Abstand S der Einzelstrahler größer als die Hälfte der Wellenlänge λ₀ der Wanderwelle im Vakuum (bzw. angenähert in Luft) gewählt wird.

Die in phasengesteuerten Antennen an sich unerwünschte Mehrdeutigkeit der Richtcharakteristik (es treten Nebenkeulen mit großen Amplituden ["Grating Lobes"] auf) wird bei der erfindungsgemäßen Lösung gezielt und mit großem Vorteil ausgenutzt.

Gemäß Kapitel 20, Seiten 6-7, des oben erwähnten "Antenna Engineering Handbook" von Jasik gilt für den Winkel R _G , unter dem eine zusätzliche Hauptkeule auftritt, falls die eigentliche Hauptkeule um den Winkel R von der Flächennormalen der Antenne geschwenkt wird:

Bei R _G =-R folgt demnach für den Abstand S der einzelnen Strahler:

Vorstellbar ist auch eine Antennenanordnung mit R _G ≠R, was jedoch einen erhöhten Aufwand bei der Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten des Fahrzeugs (oder allgemein des bewegten Objektes) bedeutet.

Am Antennenausgang der erfindungsgemäßen Dopplerradarsensoranordnung liegt ein Signalgemisch vor, das in der Anordnung gemäß Fig. 1 in Form von zwei getrennten Signalen an den Ausgängen der Antenne der beiden Sensoren 1 a und 1 b vorhanden ist. Die Spektralanteile dieses Signalgemisches des Empfangssignals sind in Fig. 3 für verschiedene Bewegungszustände des Fahrzeugs angegeben, und zwar in Fig. 3a für den Fall _H <0, _V =0, in Fig. 3b für den Fall _H =0, _V <0 und in Fig. 3c für den Fall _-H <0 und _V <0 sowie _H < _V . Vereinfachend wird dabei von einem beliebig schmalen Spektrum der empfangenen Dopplersignale f _Da und f _Db ausgegangen.

Das Dopplersignal f _Da , das von der ersten Antennenkeule (2 a in Fig. 2) mit um den Winkel +R von der Flächennormalen geschwenkten Hauptstrahlrichtung empfangen wird (und das identisch ist mit dem Dopplersignal f _Da der Antenne des Sensors 1 a in Fig. 1), liegt im oberen Seitenband OS des Trägers mit der Frequenz f _S . Das Dopplersignal f _Db , das von der zweiten Antennenkeule (2 b in Fig. 2) mit um den Winkel -R von der Flächennormalen geschwenkten Hauptstrahlrichtung empfangen wird (und das identisch ist mit dem Dopplersignal f _Db der Antenne des Sensors 1 b in Fig. 1), liegt hingegen im unteren Seitenband US des Trägers mit der Frequenz f _S . Dies gilt allerdings nur, solange die Bedingungen

|f _DH |<|f _DV | (10)

und

f _DH <0 (11)

erfüllt sind.

Dem Empfänger der erfindungsgemäßen Dopplerradarsensoranordnung kommt die Aufgabe zu, die Signale des oberen und des unteren Seitenbandes an getrennten Ausgängen zur Verfügung zu stellen. Dann kann auf einfache Art und Weise gemäß Gleichung (5) durch Bilden der Differenz der beiden Dopplerfrequenzen f _Da und f _Db die horizontale Geschwindigkeitskomponente _H des Fahrzeugs bestimmt werden und gemäß Gleichung (6) durch Bilden der Summe der beiden Dopplerfrequenzen f _Da und f _Db entsprechend die vertikalen Geschwindigkeitskomponente _V .

Eine an sich bereits bekannte und beispielsweise in dem Artikel von J. Schroth: "S-Band-Empfänger für die elektronisch steuerbare Antennenanlage ELRA", Techn. Mitt. AEG- TELEFUNKEN 67 (1979) 3, Seiten 83-85 beschriebene Ausführungsform eines solchen Empfängers 1 ist in Fig. 4 gezeigt.

Das empfangene hochfrequente Dopplersignalgemisch DS wird zunächst in einem 3dB-Leistungsteiler 11 mit 0°-Phasenverschiebung aufgeteilt und zwei Mischern 12 und 13 zugeführt und dort jeweils mit dem Signal eines Lokal-Oszillators gemischt. Die beiden LO-Signale LO und LO sind dabei um 90° gegeneinander phasenverschoben.

Dies wird hier beispielhaft erreicht, indem das Ausgangssignal eines Lokal-Oszillators LO zunächst in einem weiteren 3dB-Leistungsteiler 14 mit 0°-Phasenverschiebung aufgeteilt wird und das eine Ausgangssignal des Teilers 14 direkt dem Mischer 12 zugeführt wird, während das andere Ausgangssignal des Teilers 14 zusätzlich noch einen 90°-Phasenschieber 15 durchläuft. Die Ausgangssignale der beiden Mischer 12 und 13 bilden zusammen ein Quadratsignal mit In-Phase-Anteil I und Quadratur-Anteil Q und werden in ein 90°-3dB-Hybrid 16 eingespeist, an dessen einem Ausgang das obere Seitenband OS mit der Frequenz f _OS und an dessen anderem Ausgang das untere Seitenband US mit der Frequenz f _US erscheint, so daß die zur Bestimmung von _V und _-H erforderliche Trennung von f _Da und f _Db damit erreicht ist.

Ein solcher Empfänger ist vorteilhaft als integrierte Schaltung aufzubauen und benötigt nicht mehr Platz als die beiden Empfänger, die in den beiden Dopplerradarsensoren 1 a und 1 b in der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendet werden.

Eine vorteilhafte Abwandlung dieses Empfängers zeigt Fig. 5. Das nach der getrennten Mischung mit zwei um 90° phasenverschobenen Lokal-Oszillator-Signalen vorliegende Quadratursignal wird Analog-Digital-Wandlern 17 und 18 zugeführt. Die beiden digitalisierten Signale werden anschließend einem Fourierprozessor 19 als Realteil Re und als Imaginärteil Im zugeführt und dort einer Fouriertransformation unterzogen. Als Rechenalgorithmus eignet sich beispielsweise die Schnelle Fouriertransformation (FFT). Das Ausgangssignal des Fourierprozessors 19 enthält die Spektralanteile des Dopplersignals. Es weist Maxima auf bei den Frequenzen

f₁ = f _DH + f _DV mit f₁ = f _OS - f _S (12)

und

f₂ = f _DH - f _DV mit f₂ = f _S - f _US (13)

Daraus folgt analog zu den Gleichungen (1), (2), (5) und (6)

Für den Fall f _DH <0 wird mit den Gleichungen (12) bis (15) die Geschwindigkeitskomponente - _H nur betragsrichtig bestimmt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dopplerradarsensors für den Millimeterwellenbereich setzt sich beispielsweise aus folgenden Baugruppen zusammen:

• - Mikrostreifenleitungsantenne auf RT/Duroid 5870-Trägermaterial,
• - monolithisch integrierter Empfänger auf GaAs-Basis,
• - wasserdicht verschlossenes Kunststoffgehäuse.

Für eine Trägerfrequenz f _S =24 GHz ergibt sich damit eine Baugröße des Sensors von ca. 10 cm×10 cm×2 cm.

Es versteht sich, daß die Erfindung mit fachmännischem Können und Wissen aus- und weitergebildet bzw. an die unterschiedlichen Anwendungen angepaßt werden kann, ohne daß dies hier an dieser Stelle näher erläutert werden müßte.

So ist es z. B. möglich, anstelle der beiden Analog-Digital-Wandler in Fig. 5 nur einen einzigen Analog-Digital-Wandler einzusetzen, der im Zeitmultiplex-Betrieb die Signale beider Kanäle verarbeitet.

Weiterhin ist es z. B. möglich, anstelle des speziellen Fourierprozesses in Fig. 5 ein anderes Rechenwerk mit einem Programm zur Fouriertransformation zu verwenden.

Schließlich kann dieses Rechenwerk z. B. auch zur Bestimmung der Maxima im berechneten Frequenzspektrum des Dopplersignals und zur Berechnung von f _DH und f _DV bzw. _H und _V und gegebenenfalls weiterer interessierender Größen eingesetzt werden.

Claims (10)

1. Anordnung zur Messung der horizontalen und/oder vertikalen Geschwindigkeitskomponente eines relativ zu einem zweiten Objekt bewegten ersten Objektes, mit jeweils aus Sender, Empfänger und Sende/Empfangs-Antenne bestehenden Dopplerradarsensoren, welche auf der dem zweiten Objekt zugewandten Seite des ersten Objektes angebracht sind und welche mittels der Antennen ein auf das zweite Objekt gerichtetes und durch eine kollinear zur vertikalen Geschwindigkeitskomponente verlaufende Symmetrieachse charakterisiertes Strahlungsfeld mit zwei Hauptkeulen erzeugen, deren Hauptstrahlrichtungen in der durch die beiden Geschwindigkeitskomponenten aufgespannten Ebene liegen, wobei die Hauptstrahlrichtung der ersten Keule um den Winkel R in Bewegungsrichtung von der Symmetrieachse abweicht und die Hauptstrahlrichtung der zweiten Keule entsprechend um den Winkel -R gegen die Bewegungsrichtung mit R<90°, dadurch gekennzeichnet, daß die Dopplerradarsensoren durch einen aus einem Sender, einem Empfänger und einer Sende/Empfangsantenne bestehenden Dopplerradarsensor (1) ersetzt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende/Empfangsantenne als flächenhafte Gruppenantenne ausgebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppenantenne eine planare Wanderwellenantenne ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanderwellenantenne aus einer Mehrzahl von metallischen Mikrostreifenleitungsstrahlern auf einem dielektrischen Substrat, vorzugsweise aus RT/Duroid 5870, besteht.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der beiden Keulen (2 a, 2 b) maximal 10 bis 20°, vorzugsweise etwa 15°, beträgt und daß die Sendefrequenz f _S des Dopplerradarsensors (1) im Bereich von etwa 20 bis 30 GHz liegt und vorzugsweise etwa 24 GHz beträgt.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (10) des Dopplerradarsensors (1) das an dem zweiten Objekt (5) reflektierte und aus einem unteren Seitenband (US) und einem oberen Seitenband (OS) bestehende Dopplersignalgemisch (DS) empfängt und die beiden Signalanteile (US, OS) voneinander trennt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das empfangene Dopplersignalgemisch (DS) durch Mischung mit zwei um 90° gegeneinander phasenverschobenen Lokaloszillatorsignalen (LO, LO′) in ein aus In-Phase-Anteil (I) und Quadratur-Anteil (Q) bestehendes Quadratursignal umgewandelt ist und
• - daß diese beiden Anteile (I, Q) einem 90°-Hybrid (16) zugeführt sind, an dessen einem Ausgang das untere Seitenband (US) und an dessen anderem Ausgang das obere Seitenband (OS) erscheint oder
• - daß diese beiden Anteile (I, Q) jeweils einem Analog-Digital-Wandler (17, 18) zugeführt sind und die digitalisierten Signale der beiden Wandler (17, 18) als Real(Re)- bzw. Imaginär(Im)-Teil des Zeitsignals einem Fourierprozessor (19) zugeführt sind zwecks Bestimmung des Frequenzspektrums (FS) dieses Zeitsignals.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fourierprozessor (19) mit dem Algorithmus der Schnellen Fouriertransformation (FFT) arbeitet.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger als monolithisch integrierter Baustein auf GaAs-Basis realisiert ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung in an Fahrzeugen oder Flugzeugen angebrachten Geschwindigkeitsmeßsystemen.