DE4223119A1

DE4223119A1 - Verfahren zur messung der geschwindigkeit bewegter objekte und anordnung zum ausfuehren des verfahrens

Info

Publication number: DE4223119A1
Application number: DE19924223119
Authority: DE
Inventors: Lutz Ing Grad Jacob; Hans-Joerg Dipl Ing Thomas
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1991-11-28
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1993-06-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Ge schwindigkeit bewegter Objekte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Anordnung zum Ausführen des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.

Verfahren bzw. Anordnungen dieser Art finden beispiels weise Anwendung bei der Ermittlung der Eigengeschwindig keit eines Kraftfahrzeuges oder Flugzeuges oder Flugkör pers gegenüber der Erdoberfläche und werden dort wie auch in anderen Anwendungsfällen insbesondere zu steuer- und regelungstechnischen Zwecken eingesetzt.

Aus der DE 38 35 510 A1 ist eine nach dem Dopplerprinzip arbeitende Anordnung zur Ermittlung der von einem Fahrzeug zurückgelegten Wegstrecke bekannt.

Zur berührungslosen Messung der von einem Fahrzeug jeweils zurückgelegten Wegstrecke dient bei dieser bekannten An ordnung eine nach dem Dopplerprinzip arbeitende Anordnung, bestehend aus zwei Mikrowellendopplerradarsensoren nebst Antennen - in Janusanordnung, wobei die erste Antenne einen Richtstrahl in Richtung schräg nach vorn und die zweite Antenne einen Richtstrahl schräg nach hinten auf die Fahrbahn abstrahlt - und einer weiteren Baugruppe, in der mittels einer Phase-Locked-Loop-Schaltung eine Im pulsfolge mit geschwindigkeitsproportionaler Frequenz er zeugt wird. Unter Verwendung der einzelnen Impulse als Wegstreckeninkremente werden diese Impulse in einem Zähler summiert. Der jeweilige Zählerstand wird mittels einer Anzeigeeinheit einer Auswerte- und Steuereinheit als Wegstrecke zur Anzeige gebracht.

Die Auswertung der sich aus der Ausgangsspannungen der Mi krowellendopplerradarsensoren ergebenden Spannung der Differenzfrequenz erfolgt in der Weise, daß diese Spannung über einen Vorverstärker einem Bandpaß zur Unterdrückung tieffrequenter Störsignale zugeführt wird, der über einen Abstimmoszillator so gesteuert wird, daß seine untere Grenzfrequenz der jeweiligen Dopplerfrequenz nachläuft. über einen zweiten Verstärker gelangen die Ausgangssignale des Bandpasses zu einem Komparator, dem die Phase-Locked- Loop-Schaltung nachgeschaltet ist.

Um hohe Genauigkeiten bei der Frequenzmessung zu erzielen, ist es erforderlich, Antennen mit möglichst schmaler Hauptkeule zu verwenden, die technologisch aufwendig und damit teuer sind. Ferner ist die Meßfehlerrate der Anord nung bedingt durch z. B. Spiegeleffekte bei nasser Fahrbahn hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit bewegter Objekte und eine Anordnung zum Ausführen des Verfahrens zu schaffen, bei dem/der die Meßfehlerrate möglichst klein ist und die Si gnalzykluszeiten möglichst kurz ausfallen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in bezug auf das zu schaffende Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und in bezug auf die zu schaffende Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 5 wiedergegeben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (Ansprüche 2 bis 4) und der erfindungsgemäßen Anordnung (Ansprüche 6 bis 12).

Der Lösungsgedanke bezüglich des erfindungsgemäßen Verfah rens besteht darin, daß zwei in einem gegenseitigen Ab stand a angeordnete Mikrowellendopplerradarsensoren mit gleichartigen, in Bewegungsrichtung gesehen hintereinander liegenden Antennen mit gleichgerichteter Abstrahlung die Straßenoberfläche beleuchten und über einer Wegstrecke d ein Dopplerinterferenzmuster aufnehmen. Der in Bewegungsrichtung des Objektes gesehen nachgeordnete Mi krowellendopplerradarsensor empfängt das Muster um die Laufzeit τ verzögert. Durch Ermittlung der Laufzeit τ wird die Geschwindigkeit des Fahrzeuges geschätzt. In einer be vorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Erhöhung der Genauigkeit der geschätzten Ge schwindigkeit durch Interpolation der Stützwerte einer Kreuzkorrelation, welche in einem Korrelator gebildet wird.

Der Lösungsgedanke bezüglich der erfindungsgemäßen Anord nung besteht darin, daß die erste und zweite Antenne der ersten und zweiten Mikrowellendopplerradarsensoren, die nach dem Dopplerprinzip arbeiten, am Objekt hintereinander angeordnet und mit gleicher Blickrichtung ausgerichtet sind.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß preiswerte Antennen mit breiter Richtcharakteristik verwendet werden können. Ein weiterer Vorteil bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Möglich keit der sehr genauen Laufzeitmessung, wodurch die Ge schwindigkeitsschätzung sehr genau wird.

Die Erfindung wird im folgenden exemplarisch anhand der Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer bevorzugten Ausbil dungsform der erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 2 eine vorteilhafte erste Ausbildung der Anordnung nach Fig. 1 mit einer einen Korrelator enthal tenden Auswerte- und Steuereinheit;

Fig. 3 eine vorteilhafte zweite Ausbildung der Anord nung gemäß Fig. 1 mit einer einen Korrelator enthaltenden Auswerte- und Steuereinheit;

Fig. 4 eine vorteilhafte Ausführungsform der Auswerte einheit nach Fig. 2 oder 3.

Im weiteren sei beispielhaft der Fall betrachtet, daß die Erfindung in einem Kraftfahrzeug Anwendung findet.

Fig. 1 zeigt das Prinzip-Schaltbild einer bevorzugten Aus bildungsform der erfindunggemäßen Anordnung.

Diese Anordnung ist in einem Kraftfahrzeug 3 realisiert, welches auf dem Boden 5 fährt. Bei dem Boden 5 handelt es sich beispielsweise um eine Geländeformation oder eine Straße.

Eine erste und zweite Antenne 41 und 42 sind z. B. in Form von Hornstrahlern mit gleicher Blickrichtung und einem ge genseitigen Abstand a am Fahrzeug 3 hintereinander ange ordnet.

Die erste (zweite) Antenne 41 (42) ist auf einem ersten (zweiten) Mikrowellendopplerradarsensor 11 (12) aufge schaltet, welcher jeweils ein CW-Signal erzeugt, welches über die erste (zweite) Antenne 41 (42) abgestrahlt wird, wodurch ein erster (zweiter) Bodenbereich 51 (52) des Bo dens 5 ausgeleuchtet wird. Ferner transformiert das erste (zweite) Mikrowellendopplerradarsensor 11 (12) das jeweils empfangene Empfangssignal in eine in der Nähe der Frequenz Null liegende Dopplerfrequenzlage.

Der erste (zweite) Mikrowellendopplerradarsensor 11 (12) ist auf eine Auswerte- und Steuereinheit 2 aufgeschaltet, welche die empfangenen Signale auswertet und bei Bedarf z. B. in Steuersignale zur Nachsteuerung des Kraftfahrzeu ges 3 und/oder zur Geschwindigkeitsanzeige der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit umwandelt.

Bei schräger Blickrichtung der jeweiligen ersten bzw. zweiten Antennen 41 bzw. 42 unter dem gleichen Winkel α zur Normalen 7 auf der Kraftfahrzeugunterseite erhält man so an den Ausgängen der beiden Mikrowellendopplerradarsen soren bandpaßbegrenzte Zeitsignale, deren Mittenfrequenz von der Eigengeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs abhängt und deren Bandbreite ebenfalls durch die Eigengeschwindig keit sowie durch die Form der Antennencharakteristik be stimmt wird.

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte erste Ausbildung der An ordnung nach Fig. 1.

Die erste (zweite) Antenne 41 (42) ist mit dem ersten (zweiten) Mikrowellendopplerradarsensor 11 (12) nach Fig. 1 verbunden. Dieser erste (zweite) Mikrowellendopplerra darsensor 11 (12) besteht, wie in Fig. 2 dargestellt, aus einer ersten (zweiten) Baugruppe 111 (121), welche auf eine erste (zweite) weitere Baugruppe 112 (122) aufge schaltet ist. Bei der ersten (zweiten) Baugruppe 111 (121) handelt es sich (nicht grafisch dargestellt) jeweils um einen ersten (zweiten) Mikrowellenoszillator, der über ein erstes Tor eines ersten (zweiten) Zirkulators auf die er ste (zweite) Antenne 41 (42) geschaltet ist. Die erste (zweite) Antenne 41 (42) ist mit dem zweiten Tor des er sten (zweiten) Zirkulators verbunden. An einem dritten Tor des ersten (zweiten) Zirkulators ist ein erster (zweiter) Mischer mit seinem einen Mischereingang geschaltet. An ei nem zweiten Mischereingang dieses ersten (zweiten) Mi schers ist der erste (zweite) Mikrowellenoszillator lose angekoppelt. Der Ausgang des ersten (zweiten) Mischers ist auf die erste (zweite) weitere Baugruppe 112 (122) ge schaltet.

Diese erste (zweite) weitere Baugruppe 112 (122) besteht im wesentlichen aus einem ersten (zweiten) Bandpaß und ei nem ihm folgenden Verstärker, der jeweils auf einen ersten (zweiten) taktbaren A/D-Wandler (Analog/Digitalwandler) 211 (212) geschaltet ist.

Der erste (zweite) A/D-Wandler 211 (212) ist mit einem Korrelator 25 verbunden. Der Korrelator 25 ist als Kreuzkorrelator ausgebildet und ist ausgangsseitig auf eine Auswertelogik 26 geschaltet, die ausgangsseitig auf eine Steuerung 27 geschaltet ist. Diese Steuerung 27 kann z. B. Steuersignale und/oder Daten an das Kraftfahrzeug und/oder die Geschwindigkeitsanzeige und/oder an ein ABS- System (auch Antiblockiersystem genannt) übermitteln. Kor relator 25, Auswertelogik 26 und Steuerung 27 sind dabei Bestandteile der Auswerte- und Steuereinheit der Anord nung.

Der Systemtakt wird mittels eines z. B. quarzgesteuerten Taktoszillators 28 generiert, der unter anderem auf den ersten (zweiten) A/D-Wandler 211 (212), die Auswertelogik 26 und den Korrelator 25 geschaltet ist.

Die im Abstand a in Fahrtrichtung hintereinander angeord nete erste (zweite) Antenne 41 (42) beleuchtet den ersten (zweiten) Bodenbereich 51 (52) (nach Fig. 1) des Bodens 5 aus.

Der in Fahrtrichtung gesehen nachgeordnete Mikrowellen dopplerradarsensor empfängt das Muster um die Laufzeit τ verzögert, die im Korrelator 25 ermittelt wird.

Der Kreuzkorrelator 25 kann im Zeitbereich oder im Fre quenzbereich ("schnelle Faltung") arbeiten. Bei der schnellen Faltung werden die empfangenen Zeitsignale der ersten bzw. zweiten Antenne nach ihrer Digitalisierung durch den ersten bzw. zweiten A/D-Wandler 211 und 212 je weils mittels FFT (Fast Fourier Transformation) in den Spektralbereich transformiert und dort konjugiert komplex miteinander multipliziert. Auf diese Weise wird ein Kreuz leistungsdichtespektrum erzeugt. Dieses wird nach Anwen dung geeigneter Fensterfunktionen wieder in den Zeitbe reich über inverse Fouriertransformation (IFFT) zu rücktransformiert. Die gesuchte Laufzeit τ wird durch Mes sung des Maximums der so entstandenen Kreuzkorrelations funktion ermittet.

Nach Ermittlung der Laufzeit τ kann die Geschwindigkeit mit Hilfe folgender Formeln

mit
= Geschwindigkeitsschätzwert der Fahrzeugge schwindigkeit
a = Abstand zwischen der ersten und zweiten Antenne 41 und 42
τ = Laufzeit
T_s = Schrittweite
m·T_s = diskrete Laufzeit
T_s = 1/f_s
f_s = Abtastfrequenz

mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.

Die Genauigkeit der Geschwindigkeitsschätzung hängt einer seits von der Schrittweite T_s, andererseits von der Korre latorlänge ab. Die Korrelatorlänge ist definiert als die Länge der korrelierten zeitlichen Signalausschnitte. Diese ist bei Anwendung der schnellen Faltung definiert als Punktezahl der FFT.

Im Korrelator 25 wird die Laufzeitverschiebung der in den beiden Kanälen entstandenen Signalmuster digital ermittelt (sie entspricht der Adresse des Maximums der Kreuz korrelationsfunktion) und an die Auswertelogik 26 übermit telt; dort wird dann anhand dieser Werte die momentane Ge schwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt.

Durch Anpassung der Abtastrate an die Geschwindigkeit des Fahrzeuges wird eine konstante Meßstrecke auf dem Boden 5 erreicht und damit eine geschwindigkeitsunabhängige Mu sterbildung. Der Rechenaufwand für die Laufzeitermittlung kann so reduziert werden.

Die beiden Mikrowellendopplerradarsensoren 11 und 12 ar beiten vorzugsweise bei verschiedenen Frequenzen. Dieser Frequenzversatz ist zweckmäßig, um wechselseitigen Kreuz empfang zu vermeiden.

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte zweite Ausführungsform der Anordnung gemäß Fig. 1. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 2 dadurch, daß die Abtast- bzw. Taktfrequenz f_s proportional zur geschätzten Geschwindig keit gewählt wird. Die geschätzte Geschwindigkeit steht als Ausgangssignal an einem der Ausgänge der Auswer telogik 26 zur Verfügung. Dieser Ausgang der Auswertelogik 26 ist mit dem Taktoszillator 28 verbunden, welcher durch das Ausgangssignal in seiner Frequenz gesteuert wird. Der Taktoszillator 28 kann somit z. B. als spannungsgesteuerter Oszillator (VCO: Voltage-Controlled-Oscillator) bzw. als numerisch gesteuerter Oszillator (NCO: Numerical-Control led-Oscillator) realisiert werden.

Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des Korre lators 25 mit Auswertelogik 26 nach Fig. 2 bzw. 3. Vor dem einem Eingang des Korrelators 25 ist eine steuerbare Ver zögerungsleitung 252 geschaltet. Diese Verzögerungsleitung 252 wird durch die Auswertelogik 26 über eine Tabelle 261 gesteuert. Die Tabelle 261 enthält geschätzte Geschwindig keitswerte und zugehörige Verzögerungswerte, so daß bei Vorliegen eines bestimmten Geschwindigkeitswertes ein zu gehöriger Verzögerungswert aus der Tabelle 261 an die Ver zögerungsleitung 252 übergeben wird. Der Eingang der Aus wertelogik 26 ist mit dem Ausgang des Korrelators 25 ver bunden. Der Korrelator 25 kann gegenüber dem Korrelator nach Fig. 2 bzw. 3 einen kleineren Suchbereich aufweisen.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs beispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere über tragbar. So kann beispielsweise zum Erhöhen der Genauig keit der Laufzeit τ dem Kreuzkorrelatorausgang ein Inter polator nachgeschaltet werden, der die Dichte der Stütz werte der Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) erhöht und somit eine genauere Feststellung des Maximums ermöglicht, wo durch sich ein genauerer Schätzwert für τ ergibt.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit bewegter Ob jekte über einer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß

- zwei in einem gegenseitigen Abstand a angeordnete Mikro wellendopplerradarsensoren mit gleichartigen, in Bewe gungsrichtung gesehen hintereinander liegenden Antennen mit gleichgerichteter Abstrahlung die Oberfläche be leuchten und über einer Wegstrecke d ein Dopplerinterfe renzmuster aufnehmen;
- der in Bewegungsrichtung des Objekts gesehen nachgeord nete Mikrowellendopplerradarsensor das Muster um die Laufzeit τ verzögert empfängt;
- durch Ermittlung der Laufzeit τ die Geschwindigkeit ge schätzt wird.

2. Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Korrelator (25) die Laufzeitverschiebung der in den beiden Kanälen entstandenen Signalmuster auf digitaler Basis ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Genauigkeit der geschätzten Geschwindigkeit dadurch erhöht wird, daß eine Interpolation zwischen den Stütz werten einer Kreuzkorrelationsfunktion, welche in dem Kor relator (25) gebildet wird, erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß durch Anpassung der Abtastrate an die Geschwindigkeit des Fahrzeuges eine konstante Meß strecke an der Oberfläche (5) erreicht wird und damit eine geschwindigkeitsunabhängige Musterbildung erzielt wird.

5. Anordnung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei Mikrowellendopplerra darsensoren, jeweils bestehend aus einer Hintereinander schaltung aus einer Antenne, einem Mikrowellen-Hochfre quenz(HF)-Teil, einem Bandpaß und einem Verstärker, sowie mit einer den Sensoren nachgeschalteten Auswerte- und Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Antenne (41 und 42) des ersten und zweiten Mi krowellendopplerradarsensors (11 und 12) am Objekt (3) hintereinander angeordnet und mit gleicher Blickrichtung ausgerichtet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellen-HF-Teile jeweils aus einem Mikrowellenos zillator, einem Mischer und einem Zirkulator bestehen.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Mikrowellenoszillator unterschiedli che Frequenzen aufweisen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Steuereinheit (2) einen Korrelator (25) sowie eine Auswertelogik (26) mit seriell verschalteter Steuerung (27) enthält und daß der erste (zweite) Mikrowellendopplerradarsensor (11 (12)) über einen ersten (zweiten) Analog/Digitalwandler (211 (212)) mit dem Korrelator (25) verbunden ist, der seinerseits mit der Auswertelogik (26) verbunden ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Systemtakt durch einen quarzge steuerten Taktoszillator (28) erfolgt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Systemtakt durch einen numerisch gesteuerten oder spannungsgesteuerten Taktoszillator (28) erfolgt und daß als Steuerspannung für den numerisch ge steuerten oder spannungsgesteuerten Taktoszillator (28) der am Ausgang der Auswertelogik (26) anliegende Schätz wert () der Geschwindigkeit dient.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrelator (25) an einem seiner Eingänge eine zusätzliche Verzögerungsleitung (252) auf weist und daß die Verzögerungsleitung (252) über eine Ta belle (261) mit der Auswerteeinheit verbunden ist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Tabelle (261) Geschwindigkeitsschätzwerte und zugehörige Laufzeiten τ tabelliert sind.