DE3841267C2 - Dopplerradarsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dopplerradarsensor gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Dopplerradarsensor ist beispielsweise im "Radar Handbook" von M. I. Skolnik, erschienen bei McGraw-Hill (New York, 1970) auf den Seiten 11-6, 28-16 und 28-17 beschrieben.

Dopplerradarsensoren dieser Art werden beispielsweise in Verkehrsüberwachungs- und/oder -steuerungssystemen einge­ setzt, insbesondere in Systemen zur Überwachung und/oder Steuerung des Straßenverkehrs. Aber auch der Schiffahrts- oder Luftverkehr läßt sich mit solchen Sensoren unter bestimmten Bedingungen überwachen.

Problematisch hierbei ist, daß für eine fehlerfreie, zu­ mindest aber fehlerarme Überwachung des Verkehrs der Sensor möglichst nur die von den zu über wachenden Fahrzeugen herstammenden Dopplerechos registrieren bzw. weiterver­ arbeiten soll und Phantomsignale, die beispielsweise von Regentropfen verursacht werden, unterdrücken bzw. nicht weiterverarbeiten soll. Die bekannten Sensoren verwenden hierzu orthogonal zueinander zirkulare Polarisationen für Sende- und Empfangssignal. Zur Erzeugung des zirkular polarisierten Sendesignals aus dem linear polarisierten Oszillatorsignal wird bei diesen Sensoren ein Polari­ sationswandler zur Umwandlung von Zirkularpolarisation in Linearpolarisation benötigt.

Zur Trennung von Sende- und Empfangssingal ist bei diesen Sensoren außerdem eine Sende-Empfangsweiche (i. a. ein Zirkulator) erforderlich.

Eine mögliche Ausführungsform des vorbekannten Sensors ist in Fig. 1 gezeigt.

Der Sensor besteht aus einem Hochfrequenz-Oszillator 1, der über einen Koppler 2 zum einen mit einer Sende/Empfangs­ weiche 4 und zum anderen mit dem LO-Eingang eines Mischers 5 verbunden ist. Das vierte (freie) Tor des Kopplers 2 ist mit einem reflexionsarmen Abschluß 3 versehen. Die Sende/Empfangsweiche 4 widerum ist zum einen mit einem der beiden Rechteckhohlleitertore T1, T2 eines Turnstilkopplers 7 und zum anderen mit dem Signaleingang des Mischers 5 verbunden. Der Turnstilkoppler 7 ist zum einen mit seinem anderen Rechteckhohlleitertor T2 mit einem reflexionsarmen Abschluß 8 und zum anderen mit seinen dritten Tor T3 mit einer Sende/Empfangsantenne 8 für zirkulare Polarisation verbunden. Am Ausgang des Mischers 5 liegt das Zwischenfrequenzsignal ZF an. Die Verbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen sind (mit Ausnahme des ZF-Ausgangs des Mischers 5) mit Hohlleitern realisiert, wobei in der Figur Rechteckhohlleiter mit einem Rechteck und kreiszylindrische Hohlleiter mit einem Kreis gekenn­ zeichnet sind.

Die Funktionsweise ist wie folgt:

Die Oszillatorleistung gelangt zum größten Teil zur Sende- Empfangsweiche 4 und von dort zum Tor T1 Turnstil -Koppler 7. Der Turnstil-Koppler 7 wandelt die linear polarisierte Hohlleiterwelle um in eine zirkular polarisierte Welle an Tor T3. Diese zirkular polarisierte Welle wird von der Antenne 6 abgestrahlt. Ein kleiner Teil der Oszillator­ leistung wird im Koppler 2 abgespaltet und dem Mischer 5 als LO-Leistung zugeführt. Trifft der ausgesendete Strahl auf ein Ziel, das rotationssymmetrisch bezüglich der Strahlachse ist, dann wird bei der Reflexion die Dreh­ richtung der zirkularen Polarisation umgedreht. Empfängt die Antenne 6 ein solches Doppler-Echo, dann wandelt der Turnstilkoppler 7 die zirkular polarisierte Welle in eine linear polarisierte Welle an Tor T2 um. Von Tor T2 gelangt die Welle zum reflexionsarmen Abschluß 8, wo sie absorbiert wird.

Trifft der ausgesendete Strahl auf ein Ziel, das nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Strahlachse ist, dann entstehen bei der Reflexion zwei zirkular polarisierte Komponenten: eine mit der gleichen Drehrichtung wie das ausgesendete Signal und eine mit der entgegengesetzten Dreh­ richtung wie das ausgesendete Signal. Empfängt die Antenne 6 ein solches Doppler-Echo, dann wird die Komponente mit entge­ gengesetzter Drehrichtung in bezug auf das Sendesignal vom Turn­ stil-Koppler in eine linear polarisierte Welle am Tor T2 umge­ wandelt und vom reflexionsarmen Abschluß 8 absorbiert. Die Kom­ ponente mit gleicher Drehrichtung in bezug auf das Sendesignal wird vom Turnstil-Koppler 7 in eine linear polarisierte Welle an Tor T1 umgewandelt und von der Sende-Empfangsweiche 4 zum Signaleingang des Mischers 5 geleitet. Zusammen mit dem LO-Si­ gnal entsteht ein ZF-Singal im Mischer 5.

Da Regentropfen in erster Näherung rotationssymmetrisch sind, wird ihr Doppler-Echo überwiegend vom reflexionsarmen Abschluß 8 absorbiert und erzeugt daher nur sehr wenig ZF-Signalleistung im Mischer 5. Andere Ziele wie Fahrzeuge oder Flugzeuge sind i. a. nicht rotationssymmetrisch, deshalb gelangt ein weitaus größerer Teil ihres Doppler-Echos zum Mischer 5 und erzeugt dort ein weitaus größeres ZF-Signal.

Aus der US 4,035,797 ist ein Radarsystem bekannt, bei welchem ein linear polarisiertes Sendesignal abgestrahlt und die Echos in zwei orthogonalen Polarisationsanordnungen aufgenommen wer­ den. Aus dem Verlauf der Intensitätsverhältnisses mit vari­ ierender Zielentfernung wird eine Aussage über die Art des Ziels abgeleitet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Dopplerradar­ sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine zumin­ dest vergleichbar gute Diskriminierung zwischen den Doppler­ echos der zu überwachenden Objekte einerseits und den uner­ wünschten Phantomsignalen andererseits ermöglicht, aber weniger aufwendig ist.

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

Die Erfindung besteht darin, das der Sensor von vornherein ein linear polarisiertes Sendesignal aussendet, dessen Polarisationsebene in einem rechtwinkligen Koordinaten­ system, dessen X-Achse mit der Hauptstrahlrichtung des Sensors übereinstimmt und dessen Y-Achse senkrecht zur X-Achse und parallel zur Bewegungsebene der Objekte ausge­ richtet ist und dessen Z-Achse senkrecht auf diesen beiden Achsen steht, um einen Winkel +α oder -α (also im Uhr­ zeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn) gegenüber der Z-Achse gedreht ist mit 0 < α < π/2, wobei die Hauptstrahl­ richtung des Sensors und damit auch die X-Achse bekanntlich in der Polarisationsebene liegen. Da ins diesem Fall das Dopplerecho eine orthogonal zur Polarisation des Sende­ signals linear polarisierte Komponente enthält, entfallen bei dem erfindungsgemäßen Dopplerradarsensor der Polarisationswandler (Turnstil-Koppler) und die nicht reziproke Sende-Empfangsweiche (Zirkulator). Eines be­ sonders hohes Diskriminierungsvermögen wird erreicht, wenn der Winkel α im Bereich von etwa 40°-50° liegt und vorzugs­ weise etwa 45° beträgt.

Wird ein solcher Sensor so angeordnet, daß seine Haupt­ strahlrichtung in der Bewegungsebene der bewegten Objekte liegt (dies ist z. B. dann der Fall, wenn der Sensor zur Straßenverkehrsüberwachung am Straßenrand angebracht ist), so ist er so auszurichten, daß seine Hauptstrahlrichtung unter einem Winkel β quer zur Bewegungsrichtung der zu überwachenden Objekte verläuft mit 0 < β < π.

Wird ein solcher Sensor dagegen oberhalb oder unterhalb der Bewegungsebene der Objekte im Abstand d angebracht (dies ist z. B. dann der Fall, wenn der Sensor zur Straßen­ verkehrsüberwachung an einer Signalbrücke oberhalb der zu überwachenden Fahrspur angebracht ist), dann ist er so auszurichten, daß seine Hauptstrahlrichtung auf einen Punkt in der Bewegungsebene gerichtet ist, den die zu über­ wachenden Objekte passieren, und die dabei mit der Flächen­ normalen der Bewegungsebene einen Winkel γ einschließt mit 0 < γ ≦ π/2.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 2 näher erläutert, die eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dopplerradarsensors zeigt.

Der Sensor besteht aus einem Oszillator 1, der über einen Koppler 2 zum einen mit dem Tor T1 einer Polarisations­ weiche 4 und zum anderen mit dem LO-Eingang eines Mischers 5 verbunden ist. Das vierte (freie) Tor des Kopplers 2 ist mit einem reflexionsarmen Abschluß 3 abgeschlossen. Die Polarisationsweiche 4 ist zum einen über Tor T2 mit einer Sende/Empfangsantenne für lineare Polarisation und zum anderen über Tor T3 mit dem Signaleingang des Mischers 5 verbunden. Am Ausgang des Mischers 5 erscheint das Zwischenfrequenzsignal ZF. Die Verbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen sind (mit Ausnahme des ZF-Ausgangs des Mischers 5) mit Hohlleitern (z. B., wie in der Figur mit kleinen Rechtecken angedeutet wird, mit Rechteckhohlleitern)realisiert, wobei der Hohl­ leiter zwischen Polarisationsweiche 4 und Antenne 6 zwei orthogonale Hohlleiterwellen führen muß und deshalb vor­ teilhaft einen quadratischen oder kreisrunden Quer­ schnitt aufweist. Die Polarisationsebene der an Tor T3 der Polarisationsweiche 4 erscheinenden Signale ist orthogonal zu der Polarisationsebene der Signale von Tor T1, was in der Figur symbolhaft mit einem Pfeil, der für den Vektor des elektrischen Feldes des Empfangssignals _E steht, und einem Symbol "⊙", das für den senkrecht zur Papierebene ausgerichteten Vektor des elektrischen Feldes des Sendesignals _S steht, angedeutet ist.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Sensors ist wie folgt:

Die Oszillatorleistung wird von der Polarisationsweiche 4 zur Antenne 6 geleitet und dort, wie oben bereits disku­ tiert, mit einer erfindungsgemäß um den Winkel α gedrehten Polarisationsebene abgestrahlt, wobei α im Bereich zwi­ schen 0 und π/2, vorteilhafterweise zwischen ca. 40° und ca. 50° liegt und vorzugsweise etwa 45° beträgt.

Trifft der linear polarisierte Strahl auf ein bezüglich der Strahlachse rotationssymmetrisches Ziel, dann wird die Polarisationsebene nicht gedreht. Wird ein solches Echo von der Antenne 6 empfangen, dann wird es von der Polarisa­ tionsweiche 4 zum Oszillator 1 geleitet, dort teilweise absorbiert, teilweise reflektiert und wieder abgestrahlt.

Trifft der linear polarisierte Strahl auf nicht rotations­ symmetrische Ziele, dann entstehen bei der Reflexion zwei Komponenten: eine mit der gleichen Polarisationsebene wie das ausgesendete Signal und eine mit einer um 90° gedrehten Polarisationsebene. Die Komponente mit der gleichen Pola­ risationsebene wird, wie oben, vom Mischer 5 ferngehalten, die Komponente mit der um 90° gedrehten Polarisations­ ebene wird von der Polarisationsweiche 4 zum Mischer 5 geleitet und erzeugt, zusammen mit dem LO-Signal, das ZF-Signal. Da Regentropfen in erster Näherung rotations­ symmetrisch sind, wird ihr Echo überwiegend vom Mischer 5 ferngehalten und erzeugt nur eine sehr geringe ZF-Signal­ leistung im Mischer 5. Andere Ziele wie Fahrzeuge oder Flugzeuge sind nicht rotationssymmetrisch, deshalb gelangt ein Teil ihres Dopplerechos zum Mischer 5 und erzeugt dort ein ZF-Signal.

Die depolarisierende Wirkung eines Fahrzeugs ist dann besonders groß, wenn der oben beschriebene Winkel α, um den die Polarisationsebene des Sendesignals erfindungsgemäß gedreht ist, etwa +45° oder etwa -45° beträgt.

Dies kann damit erklärt werden, daß die empfangenen Echos überwiegend von den Kanten der Fahrzeuge stammen (ebene Flächen spiegeln die Energie fast immer in eine Richtung, aus der die Antenne nicht empfängt). Die Kanten von Fahr­ zeugen verlaufen aber überwiegend horizontal und vertikal zur Bewegungsebene der Fahrzeuge. Ist der Sendestrahl, wie beschrieben, linear polarisiert, dann trifft er überwiegend mit einer Polarisationsrichtung auf die Fahrzeugkanten, die um ≈45° gegenüber der Fahrzeugkante gedreht ist. Der Strahl wird in eine Komponente parallel zur Kante und eine Komponente senkrecht zur Kante aufgespaltet. Die Komponente senkrecht zur Kante wird diffus reflektiert und wird kaum empfangen. Die Komponente parallel zur Kante reflektiert einen Teil der Energie zur Antenne 6 zurück. Diese Komponente des Dopplerechos kann zerlegt werden in zwei orthogonale Komponenten: eine in Richtung der Empfangspolarisation und eine senkrecht zur Empfangspolarisation. Die erste dieser beiden Komponenten wird dem Mischer 5 zugeleitet.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Polarisationswandler und die sonst erforderliche nicht-reziproke Sende/Empfangsweiche entfallen und die Trennung von Sende- und Empfangssignal in einer einfachen Polarisationsweiche direkt über die unterschiedliche Polarisation der beiden Signale erfolgt.

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

So ist es z. B. denkbar, Sensoren zur Straßenverkehrsüber­ wachung am Straßenrand in einem Abstand d oberhalb der Straße anzubringen und sie mit ihrer Hauptstrahlrichtung jeweils so auszurichten, daß ihre Hauptstrahlrichtung schräg von der Seite auf einen Punkt der zu überwachenden Fahrspur, den die zu überwachenden Fahr zeuge passieren, gerichtet ist, so daß zum einen die Projektion dieser Hauptstrahlrichtung in die Bewegungsebene der Fahrzeuge mit einem Winkel β quer zur Bewegungsrichtung der Fahrzeuge verläuft mit 0 < β < π und zum anderen die Hauptstrahlrichtung selbst mit der Flächenormalen der Bewegungsebene einen Winkel γ einschließt mit 0 < γ < π/2.

Weiterhin ist es möglich, die Sensoren um drei zueinander orthogonale Achsen drehbar an einer Halterung zu befesti­ gen, um die Ausrichtung der Hauptstrahlrichtung an die örtlichen Gegebenheiten optimal anpassen zu können.

Claims (5)

1. Dopplerradarsensor zur Erfassung von Dopplerechos von Objekten, die sich im Wirkungsbereich des Sensors im wesentlichen in einer Ebene bewegen, welcher Sensor ein polarisiertes Signal aussendet und dabei mit seiner Haupt­ strahlrichtung auf einen Punkt in der Bewegungsebene der Objekte ausgerichtet ist, den zumindest eines oder einige der bewegten Objekte passiert(en) und dabei einen Teil des Signals als Dopplerecho in den Sensor zurück­ reflektiert(en), welcher Sensor nur die Komponente des zurückreflektierten Dopplerechos weiterverarbeitet, deren Polarisation orthogonal zur Polarisation des ausgesendeten Signals ist, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß das ausgesendete Signal linear polarisiert ist, und daß die Polarisations­ ebene des ausgesendeten Signals in einem rechtwinkligen Koordinatensystem mit einer mit der Hauptstrahlrichtung des Sensors übereinstimmenden X-Achse und einer senkrecht zur X-Achse und parallel zur Bewegungsebene der Objekte ausge­ richteten Y-Achse und einer senkrecht auf diesen beiden Achsen stehenden Z-Achse um einen Winkel +α oder -α gegen­ über der Z-Achse gedreht ist mit 0 < α < π/2;
• 2. daß ein geringer Teil des linear polarisierten Sende­ signals über ein Koppelelement (2) ausgekoppelt ist und als linear polarisiertes Mischeroszillatorsignal (LO) einem Mischer (5) zugeführt ist;
• 3. daß der Hauptteil des Sendesignals über eine Polari­ sationsweiche (4) einer Sende/Empfangsantenne (6) zugeführt ist und von dort in Richtung der Bewegungsebene abgestrahlt ist;
• 4. daß das von der Sende/Empfangsantenne (6) empfangene Dopplerecho der Polarisationsweiche (4) zugeführt ist und nur die orthogonal zur Polarisation des Sendesignals linear polarisierte Komponente des Dopplerechos über die Polari­ sationsweiche (4) an den Mischer (5) weitergeleitet ist und dort ein Zwischenfrequenzsignal (ZF) erzeugt ist.

2. Dopplerradarsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Winkel α im Bereich von etwa 40° bis 50° liegt und vorzugsweise etwa 45° beträgt.

3. Dopplerradarsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstrahlrichtung des Sensors in der Bewegungsebene unter einem Winkel β quer zur Bewegungsrichtung der Objekte verläuft mit 0 < β < π.

4. Dopplerradarsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor oberhalb oder unter­ halb der Bewegungsebene im Abstand d angeordnet ist und die Hauptstrahlrichtung des Sensors mit der Flächennormalen der Bewegungsebene einen Winkel γ einschließt mit 0 < γ ≦ π/2.

5. Dopplerradarsensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in Verkehrs­ überwachungs- und/oder -steuerungssystemen für den Verkehr zu Land, Wasser oder Luft, insbesondere für den Straßen­ verkehr.