DE3908771C2

DE3908771C2 - Verfahren zur Messung der Entfernung bewegter Objekte mittels eines Dopplermeßradars sowie Dopplermeßradar zum Ausführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE3908771C2
Application number: DE19893908771
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Koerner
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-03-17
Filing date: 1989-03-17
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2009-03-18
Also published as: DE3908771A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Entfernung bewegter Objekte mittels eines Doppler meßradars gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Dopplermeßradar zum Ausführen des Verfahrens.

Aus der DE 31 27 060 A1 ist ein Dopplermeßradar bekannt, das ein rechteckmoduliertes Signal aussendet und aus dem empfangenen Dopplersignal die Entfernung bestimmt. Aus der US-PS 4,218,977 ist ein weiteres Dopplermeßradar bekannt, mit dem aus dem empfangenen Dopplersignal über die Auswer tung dessen Einhüllender ein Entfernungssignal gewonnen wird.

Es wurde bereits ein Dopplermeßradar vorgeschlagen, das wie Fig. 1 zeigt, aus einem Sendeoszillator 1 besteht, der über einen Koppler 9 mit einer Sende/Empfangsantenne 7 verbunden ist. Das von dem Sendeoszillator 1 erzeugte Sen designal der Frequenz f_s wird über die Antenne 7 abge strahlt und an einem sich mit der Geschwindigkeit bei spielhaft auf das Dopplermeßradar zubewegenden Objekt reflektiert. Gemäß dem Dopplereffekt weist das reflek tierte Sendesignal eine Frequenz auf, die um die Doppler frequenz f_D erhöht oder vermindert ist, je nachdem ob sich das Objekt auf das Dopplermeßradar zubewegt oder sich von diesem entfernt. Die Größe der Dopplerfrequenz f_D hängt dabei von der Geschwindigkeitskomponente des Objekts in Richtung des Dopplermeßradars ab. Im Dopplermeßradar wird das reflektierte Sendesignal von der Antenne 7 empfangen und über den Koppler 9 zusammen mit einem kleinen Teil des Sendesignals einem Mischer 6 zugeführt, in dem durch Mi schung von Sende- und Empfangssignal ein Meßsignal bei der Dopplerfrequenz f_D gewonnen wird, das in einem nachge schalteten Verstärker 8 verstärkt wird und anschließend einer (nicht gezeigten) Signalverarbeitung zugeführt wird.

Das Dopplerspektrum erstreckt sich, wie in Fig. 2 darge stellt, entsprechend den u. U. auch gleichzeitig vorkommen den Geschwindigkeiten = 0 bis = _max. von der Frequenz f_D = 0 bis f_D = f_Dmax. Befindet sich nur ein die Sendesi gnale reflektierendes Objekt im von Radar beleuchteten Raum, so entsteht nur eine Dopplerlinie f_D mit der Ampli tude A.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zum einen ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Entfernung bewegter Objekte ermittelt werden kann, und zum andern ein Dopplermeßradar anzugeben, mit dem ein sol ches Verfahren durchgeführt werden kann und das möglichst einfach im Aufbau ist.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist in bezug auf das zu schaffende Verfahren durch die Merkmale des Patent anspruchs 1 und in bezug auf das zu schaffende Doppler meßradar durch die Merkmale des Patentanspruchs 6 wieder gegeben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (Ansprüche 2 bis 5) sowie des erfindungsgemäßen Doppler meßradars (Anspruch 7).

Im folgenden wir die Erfindung anhand der Fig. näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild des eingangs diskutierten, bereits vorgeschlagenen Dopplermeßradars,

Fig. 2 das bereits diskutierte Beispiel eines durch das Dopplermeßradar gemäß Fig. 1 gewonnenen Dopplerspektrums,

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dopplermeßradars zum Ausfüh ren des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 einen beispielhaften Zeitverlauf des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren modulierten Sende signals des Dopplermeßradars gemäß Fig. 3,

Fig. 5-6 beispielhafte Zeitverläufe von Sende-, Emp fangs- und Meßsignal, die gemäß dem erfindungs gemäßen Verfahrens während eines Meßintervalls bei entferntem Objekt (Fig. 5) und bei der Ent fernung 0 Meter in dem erfindungsgemäßen Dopp lermeßradar gemäß Fig. 3 erzeugt werden.

Das erfindungsgemäße Dopplermeßradar in Fig. 3 besteht aus einem Sendeoszillator 1, der über einen Schalter 2 und einen Koppler 9 mit einer Sende/Empfangsantenne 7 verbun den ist.

Das vom Sendeoszillator 1 erzeugte Sendesignal der Fre quenz f_s wird (durch eine nicht dargestellte Vorrichtung) rückwirkungsfrei durch den Schalter 2 rechteckförmig modu liert, über die Antenne 7 abgestrahlt sowie an einem sich mit der Geschwindigkeit vom Dopplermaßradar entfernenden Objekt reflektiert. Vom Dopplermeßradar wird das reflek tierte und in seiner Frequenz um die Dopplerfrequenz f_D verschobene Sendesignal von der Antenne 7 empfangen und über den Koppler 9 zusammen mit einem kleinen Teil des Sendesignals einem Mischer 6 zugeführt, in dem durch Mi schung ein Meßsignal bei der Dopplerfrequenz f_D ("Doppler signal") gewonnen wird, das anschließend in einer (nicht gezeigten) Signalverarbeitung weiterverarbeitet wird.

Der Steuereingang des Schalters 2 ist über ein Summations glied (5) mit einem ersten und einem zweiten Steueroszil lator 3 und 4 verbunden, die gemäß einem vorgegebenen Steueralgorithmus die Schalter 2 öffnen und schließen, wo durch die rechteckförmige Modulation des Sendesignals be wirkt wird.

Gemäß diesem Steueralgorithmus wird, wie in Fig. 4 bei spielhaft gezeigt, zur Aussendung des Sendesignals der Schalter 2 während eines Referenzintervalls 1 geschlossen, dessen Dauer T_B mindestens gleich oder größer dem Inversen der für das Meß- bzw. Dopplersignal vorgewählten Auswerte bandbreite f_B ist (T_B ≧ f_B⁻¹. Diese wird von der erfor derlichen Meßgenauigkeit der Geschwindigkeit des Objek tes bestimmt und durch den Steueroszillator 3 fest einge stellt. Bei Millimeterwellen-Dopplermeßradargeräten bei spielsweise liegt sie typisch bei etwa f_B = 100 Hz. Wäh rend dieser Zeit T_B wird gleichzeitig die Meßsignallei stung innerhalb der Auswertebandbreite f_B gemessen und zu einem Referenzwert A₀ aufintegriert. Dieser Referenzwert A₀ wird anschließend abgespeichert.

Nach Ablauf der Zeit T_B wird in einem ersten Maßintervall (Intervall 2) der zweite Steueroszillator 4 auf den Schal ter 2 durchgeschaltet, der nun das Sendesignal der Fre quenz f_s im Takt des zweiten Steueroszillators 4 rechteck förmig, d. h. zu 100% moduliert. Dies geschieht erfindungsgemäß ebenfalls für genau die gleiche Zeit T_B. Die Taktfrequenz f_A wird in diesem ersten Meßintervall, abhängig von der gewünschten maximalen Meßreichweite R_max, beispielsweise zunächst so eingestellt (Fig. 5), daß bei dieser maximalen Meßreichweite R_max noch eine Überlappung des gesendeten Signals mit dem reflektierten Signal (dem Empfangssignal) erfolgt. Das ergibt eine theoretische ein deutige Grenzreichweite R_T1, die größer als R_max ist, und bei der Sende- und Empfangssignal gerade nicht mehr überlappen. Ist dagegen das Objekt 0 Meter vom Doppler maßradar entfernt, überlappt das Empfangssignal zu 100% mit dem Sendesignal (Fig. 6). Während des ersten Meßinter valls (Intervall 2) wird ebenfalls die Meßsignalleistung innerhalb der Auswertebandbreite f_B gemessen und zu einem ersten Meßwert A₁ (Dopplersignal in Fig. 5 und 6) aufinte griert.

Dieser Wert A₁ ist, wie die Fig. 5 und 6 zeigen, von der Entfernung des Objektes abhängig. Im beispielhaften Fall gilt für diesen Wert:

wobei R die Entfernung des Objektes von dem Dopplermeßra dar ist und n die Anzahl der Zyklen der Taktfrequenz f_A innerhalb des ersten Meßintervalls T_B.

Sofern sich zwischen Referenzintervall (Intervall 1) und Meßintervall (Intervall 2) die Reflexionseigenschaften des Objektes und die Signalverstärkung nicht ändern, kann die Entfernung R des Objektes aufgrund des im Referenzinter vall gemessenen Referenzwert A₀ wie folgt ermittelt wer den:

R = n . R_T1 . (1 - 2 A₁/A₀) (2)

Diese Gleichung ist vieldeutig. Dies kann insbesondere im Bereich der maximalen Meßreichweite R_max störend wirken. Deshalb wird in einer vorteilhaften Weiterbildung des er findungsgemäßen Verfahren im Anschluß an das erste Meßin tervall (Intervall 2) innerhalb eines zweiten Meßinter valls der Dauer T_B das Sendesignal mit einer zweiten Takt frequenz f_A' moduliert, die niedriger ist als die in dem ersten Meßintervall verwendete Taktfrequenz f_A. Entspre chend ergibt sich für dieses zweite Meßintervall eine theoretische eindeutige Grenzreichweite R_T2, bei der Sende- und Empfangssignal nicht mehr überlappen und die größer als R_T1 ist. Auch in diesem zweiten Meßintervall wird die Meßsignalleistung gemessen und zu einem zweiten Wert A₂ aufintegriert. Für die Entfernung R des Objekts ergibt sich dann der Zusammenhang:

R = m . R_T2 . (1 - 2A₂/A₀) (3)

wobei m die Anzahl der Zyklen der zweiten Taktfrequenz f_A' innerhalb des zweiten Meßintervalls T_B ist.

Gegebenenfalls können im Anschluß an dieses zweite Meßin tervall weitere Meßintervalle angehängt werden, in denen das Sendesignal mit unterschiedlichen Taktfrequenzen moduliert wird, die ebenfalls kleiner als f_A sind. Ent sprechend ergibt sich auch für diese Meßintervalle Bestim mungsgleichung für R, die von der Struktur her mit den Gleichungen (1) bzw. (2) übereinstimmen.

Mit diesem Satz von Bestimmungsgleichungen ist nunmehr eine eindeutigere Bestimmung von R und damit eine bessere Auflösung bei der Entfernungsbestimmung insbesondere im Bereich der maximalen Meßreichweite max möglich.

Befinden sich im gemessenen Geschwindigkeitsbereich meh rere Objekte mit unterschiedlichen Entfernungen und mit unterschiedlichen Radar-Reflexionsquerschnitten, wird nur ein Objektschwerpunkt gemessen, der im allgemeinen falsche Objektentfernungen angibt.

Um diese Situation zu erkennen, wird in einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Anschluß an das Meßintervall ein oder mehrere Zwischenintervalle der Dauer T_B angefügt, bei dem die Taktfrequenz f_A so einge stellt wird, daß die zugehörige maximale eindeutige Grenz reichweite, bei der Sende- und Empfangssignal gerade nicht mehr überlappen, der gemessenen Entfernung R entspricht. Ist tatsächlich nur ein Objekt vorhanden, wird der über T_B aufintegrierte Wert A der Meßsignalleistung Null. Wird ein über eine einzustellende Schwelle hinausgehende Amplitude gemessen, sind dagegen mehrere Objekte im gleichen Ge schwindigkeitsbereich vorhanden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in Doppler meßradar-Systemen eingesetzt, die im Mikrowellen-, insbe sondere im Millimeterwellenbereich arbeiten.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Entfernung bewegter Objekte mittels eines Dopplermeßradars, bei welchem Verfahren ein Sendesignal der Frequenz f_s ausgesendet wird und das an dem bewegten Objekt reflektierte und in seiner Frequenz um die Dopplerfrequenz f_D erhöhte oder verminderte Sendesi gnal als Empfangssignal empfangen wird und durch Mischung von Sende- und Empfangssignal ein Meßsignal bei der Dopp lerfrequenz f_D gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet

- daß das Sendesignal rechteckförmig moduliert wird, wobei die Modulationsfrequenz nach einem vorgegebenen Steuer algorithmus eingestellt wird,
- daß gemäß diesem Steueralgorithmus während eines Refe renzintervalls, dessen Dauer T_B mindestens gleich oder größer dem Inversen der für das Meßsignal vorgewählten Auswertebandbreite f_B ist, zum einen das Sendesignal ausgesendet wird und zum anderen die Meßsignalleistung gemessen und zu einem Referenzwert A₀ aufintegriert wird und dieser Referenzwert A₀ abgespeichert wird,
- daß gemäß diesem Steueralgorithmus während eines an schließenden ersten Meßintervalls der Dauer T_B zum einen das Sendesignal mit einer ersten Taktfrequenz f_A modu liert wird, wobei die erste Taktfrequenz f_A gemäß der gewünschten maximalen Meßreichweite R_max so gewählt ist, daß bei einer ersten Grenzreichweite R_T1 < R_max Sende- und Empfangssignal gerade nicht mehr zeitlich überlap pen, und zum anderen die Meßsignalleistung gemessen und über die n Zyklen der ersten Taktfrequenz f_A innerhalb des ersten Meßintervalls zu einem ersten Meßwert A₁ auf integriert wird,
- daß anschließend die Entfernung R des Objekts gemäß R = n . R_T1(1 - 2A₁/A₀) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß dem Steueralgorithmus während eines anschließenden zweiten Meßintervalls der Dauer T_B zum einen das Sendesi gnal mit einer zweiten Taktfrequenz f_A' < f_A moduliert wird und zum anderen die Meßsignalleistung gemessen und über die m Zyklen der zweiten Taktfrequenz f_A' innerhalb des zweiten Meßintervalls zu einem zweiten Meßwert A₂ aufinte griert wird und daß anschließend mit der aus der zweiten Taktfrequenz f_A' sich ergebenden zweiten Grenzreichwerten R_T2 < R_T1 die Entfernung R des Objekts gemäß R = m . R_T2 (1 - 2A₂/A₀) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß dem Steueralgorithmus sich weitere Meßintervalle der Dauer T_B anschließen und daß die dort verwendeten Taktfre quenzen sich von den in den jeweils vorangegangenen Meßin tervallen verwendeten Taktfrequenzen unterscheiden und im mer kleiner als die erste Taktfrequenz f_A sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß dem Steueralgorithmus nach Ab lauf eines der Meßintervalle sich ein oder mehrere Zwischenintervalle der Dauer T_B anschließen und daß in diesem Zwischenintervallen die in dem Meßintervall verwen dete Taktfrequenz so gewählt wird, daß die resultierende Grenzreichweite mit der Entfernung R des Objekts überein stimmt, zumindest jedoch annähernd übereinstimmt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f_s) des Sendesignals im Mikrowellenbereich, vorzugsweise im Millimeterwellenbe reich liegt.

6. Dopplermeßradar zum Ausführen des Verfahrens nach ei nem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein das Sendesignal (f_s) erzeugender Sendeoszillator (1) über einen das Sendesignal (f_s) rechteckförmig mo dulierenden Schalter (2) und einen Koppler (9) mit einer Sende/Empfangsantenne (7) verbunden ist,
- daß über den Koppler (9) ein kleiner Teil des Sendesi gnals (f_s) ausgekoppelt ist und zusammen mit dem von der Sende/Empfangsantenne (7) empfangenen Empfangssignal (f_s - f_D oder f_s + f_D) einem Mischer (6) zugeführt ist;
- daß der Steuereingang des Schalters (2) über ein Summa tionsglied (5) mit einem ersten und einem zweiten Steu eroszillator (3, 4) verbunden ist;
- daß der erste Steueroszillator (3) gemäß dem Steueralgo rithmus den Schalter (2) während der Referenzintervalle schließt und daß der zweite Steueroszillator (4) gemäß dem Steueralgorithmus in dem (den) zwischen den Refe renzintervallen liegenden Meßintervall(en und Zwischen intervallen) den Schalter im Takt der (jeweiligen in dem Meß- oder Zwischenintervall verwendeten) Taktfrequenz (f_A) öffnet und schließt.

7. Dopplermeßradar nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Frequenz (f_s) des Sendesignals im Mikrowel lenbereich, vorzugsweise im Millimeterwellenbereich liegt.