DE69022765T2

DE69022765T2 - Ultraschallgerät zur Geschwindigkeitsmessung gegenüber dem Boden mittels des Doppler-Effektes.

Info

Publication number: DE69022765T2
Application number: DE69022765T
Authority: DE
Inventors: Toshiya Kimura; Hiroshi Kobayashi; Masami No Negishi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1990-04-24
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2010-04-25
Also published as: US5097453A; EP0394940B1; JP2511521B2; EP0394940A3; JPH02287183A; DE69022765D1; US5148409A; EP0394940A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallgerät zur Messung der Geschwindigkeit gegenüber dem Boden mittels des Doppler-Effektes, die beispielsweise dazu ausgebildet ist, die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs gegenüber dem Boden zu messen. Speziell bezieht sich die Erfindung auf einen Geschwindigkeitsmesser, der in der Lage ist, die Geschwindigkeit gegenüber dem Boden mit hoher Genauigkeit zu messen.
In letzter Zeit sind verschiedene Ultraschallgeräte zur Geschwindigkeitsmessung gegenüber dem Boden vorgeschlagen und entwickelt worden. Solche Ultraschallgeräte enthalten allgemein eine Ultraschall-Sendeeinrichtung zur Abgabe einer Ultraschallwelle mit einer vorgegebenen Frequenz, eine Ultraschall-Empfangseinrichtung zum Empfang der Ultraschallwelle, nachdem sie an der Fahrbahnoberfläche reflektiert worden ist, und zur Erzeugung eines Ultraschallwellen-Reflexionssignals und eine arithmetische Schaltung zur Ermittlung der Geschwindigkeit gegenüber dem Boden anhand einer Doppler- Verschiebung in der abgegebenen Ultraschallwelle aufgrund des Doppler-Effektes.
Solche Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser sind beschrieben worden in der japanischen Offenlegungsschrift (Tokkai) Showa 60-76678 und in FR-A-2 354 565.
Wie allgemein bekannt ist, ermittelt die vorgenannte arithmetische Schaltung die Geschwindigkeit gegenüber dem Boden anhand der Doppler-Verschiebung gemäß der fölgenden Gleichung:
fd 2f&sub0; v cos θ / C
wobei fd eine Doppler-Frequenz oder Doppler-Verschiebung ist, f&sub0; eine Basisfrequenz oder Ausgangsfrequenz einer von dem Sender abgegebenen Ausgangs-Ultraschallwelle ist, v die Fahrzeuggeschwindigkeit ist, θ der Abstrahlwinkel der Ausgangs-Ultraschallwelle relativ zur Fahrbahnoberfläche 5 ist, wie in Figur 1 gezeigt ist, und C die Schallgeschwindigkeit der Ausgangs-Ultraschallwelle ist. In der obigen Gleichung ist die Doppler-Frequenz fd positiv, wenn die Ausgangs-Ultraschallwelle schräg in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs ausgesandt wird, und sie ist negativ, wenn die Ausgangs-Ultraschallwelle schräg in Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs emittiert wird.
Wie aus der obigen Gleichung hervorgeht, kann die Fahrzeuggeschwindigkeit v bestimmt werden, wenn die Doppler-Frequenz fd ermittelt wird, weil die übrigen Parameter f&sub0;, θ und C bekannt sind. Die Schallgeschwindigkeit C beträgt allgemein etwa 340 m/s (1224 km/h) bei normaler Umgebungstemperatur. Wenn die Parameter f&sub0; und θ jeweils auf vorgegebene konstante Werte festgelegt sind, ist die Doppler-Verschiebung fd proportional zu der Fahrzeuggeschwindigkeit v.
Unter der Annahme, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem Bereich von 0 bis 200 km/h liegt und der Emissionswinkel θ 45º beträgt, so kann die Doppler-Verschiebung fd zwischen 0 (bei der Fahrzeuggeschwindigkeit 0) und etwa 0,23 f&sub0; (bei der maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit von 200 km/h) variieren. Die Frequenz des Ultraschallwellen-Reflexionssignals von der Ultraschall-Empfangseinrichtung (die Empfangsfrequenz) ist durch die Summe der Frequenzen f&sub0; und fd gegeben. Wenn man annimmt, daß die Ausgangsfrequenz f&sub0; der Ausgangs-Ultraschallwelle 120 kHz beträgt, so variiert die Doppler-Verschiebung fd zwischen 0 und einer maximalen Doppler-Versehiebungsfrequenz fdmax von 27,6 kHz (fdmax = annähernd 0,23 f&sub0;), und folglich variiert das vom Ultraschall-Empfänger empfangene Ultraschall- Empfangssignal zwischen 120 kHz und 147,6 kHz (120 kHz + 27,6 kHz).
Bei dem vorgenannten herkömmlichen Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser enthält die Ultraschall-Sendeeinrichtung einen Echo-Schallsender, der üblicherweise aus einem piezoelektrischen Echo-Schallmikrofon besteht, während der Ultraschall-Empfänger einen Echo-Schallempfänger enthält, der ebenfalls aus einem piezoelektrischen Echo-Schallmikrofon besteht. Da bei derartigen Anwendungen die Echo-Schallmikrofone bekanntlich in einer rauhen Umgebung angeordnet sind, etwa unter dem Boden eines Fahrzeugs, ist eine gekapselte Konstruktion erforderlich. Ein solches gekapseltes Echo- Schallmikrofon hat eine spezielle Resonanzfrequenz, die von der Geometrie seines Gehäuses abhängt, und folglich liefert das gekapselte oder Resonanzmikrofon die höchste Schalldruckempfindlichkeit bei seiner Resonanzfrequenz. Figur 3 ist ein Beispiel einer Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Schalldruckempfindlichkeit und der Frequenz der von einem herkömmlichen Resonanzmikrofon mit einer Resonanzfrequenz von 120 kHz empfangenen Ultraschall-Welle illustriert. Wie deutlich aus der Graphik in Figur 3 hervorgeht, zeigt das Mikrofon eine maximale Schalldruckempfindlichkeit von annähernd 110 db bei seiner Resonanzfrequenz. Wenn die empfangene Ultraschallwellenfrequenz jedoch von dem Resonanzpunkt des Mikrofons abweicht, so nimmt die Empfindlichkeit des Mikrofons drastisch ab. Das Resonanzmikrofon hat somit im Hinblick auf eine hohe Empfindlichkeit einen verhältnismäßig engen Frequenzbereich. Alle Resonanzmikrofone zeigen im wesentlichen dieselbe Tendenz hinsichtlich der Schalldruck-Kennlinie wie in Figur 3. Da, wie zuvor beschrieben wurde, die empfangene Frequenz zwischen der Ausgangsfrequenz f&sub0; und der Summe (f&sub0; + fdmax) variiert, ist es wünschenswert, daß der Echo-Schallempfänger eine hohe Empfindlichkeit über einen weiten Frequenzbereich hat, wie zuvor beschrieben wurde. Die empfangene Frequenz (f&sub0; + fdmax) repräsentiert eine maximale Empfangsfrequenz, wenn die maximale Doppler-Verschiebung fdmax positiv ist, während die empfangene Freqenz (f&sub0; + fdmax) eine minimale Empfangsfrequenz repräsentiert, wenn die maximale Doppler-Verschiebung fdmax negativ ist. Da jedoch, wie aus Figur 3 hervorgeht, die Resonanzmikrofone allgemein eine verhältnismäßig enge Frequenzcharakteristik hinsichtlich der hohen Empfindlichkeit aufweisen, kann das Erfordernis einer hohen Empfindlichkeit über einen weiten Frequenzbereich von f&sub0; bis (f&sub0; + fdmax) nicht erfüllt werden. Wenn die Ausgangsfrequenz f&sub0; des Senders auf einen Wert eingestellt wird, der für die Empfindlichkeitscharakteristik eines als Ultraschallempfänger dienenden Resonanzmikrofons geeignet ist, so kann ein ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis des empfangenen Frequenzsignals oder des Doppler-Verschiebungssignals nicht in einem weiten Frequenzbereich erhalten werden, so daß sich eine niedrige Empfindlichkeit ergibt, vielmehr kann dieses Signal/Rausch-Verhältnis nur innerhalb eines bestimmten engen Frequenzbereichs in der Nähe der Resonanzfrequenz des Mikrofons erhalten werden.
Der vorgenannte Nachteil von Resonanzmikrofonen wird nachfolgend anhand der Frequenz/Empfindlichkeits-Kennlinien gemäß Figuren 4 und 5 präzisiert.
Figur 4 ist eine Frequenz/Empfindlichkeits-Kennlinie für ein Resonanzmikrofon mit einer Resonanzfrequenz von annähernd 134 kHz.
In Figur 4 ist die Ausgangsfrequenz f&sub0; auf einen bestimmten Wert eingestellt, so daß die Resonanzfrequenz des Ultraschallempfängers ein Mittelwert von f&sub0; + fdmax/² zwischen der Ausgangsfrequenz f&sub0; und der maximalen oder minimalen Empfangsfrequenz (f&sub0; + fdmax) wird, um eine verhältnismäßig hohe Schalldruckempfindlichkeit über den weitestmöglichen Frequenzbereich zu erreichen. Wenn die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der Emissionswinkel der ausgegebenen Ultraschallwelle 200 km/h bzw. 45º betragen, so kann die Ausgangsfrequenz f&sub0; bei einer bestimmten Frequenz, beispielsweise bei 120 kHz gewählt werden, um die obige Bedingung zu erfüllen. Wenn die Ansgangsfrequenz f&sub0; auf diese Weise auf 120 kHz festgelegt wird, so variiert die Empfangsfrequenz des Ultraschallempfängers in einem Frequenzbereich von 120 kHz (bei der Fahrzeuggeschwindigkeit 0) und 147,6 kHz (bei der maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit von 200 km/h). Das Resonanzmikrofon zeigt deshalb die höchste Empfindlichkeit, annähernd 107 dB (bei einer mittleren Fahrzeuggeschwindigkeit von 100 km/h) bei seiner Resonanzfrequenz, die im wesentlichen auf einen Mittelwert zwischen der Ausgangsfrequenz von 120 kHz und der maximalen Empfangsfrequenz von 147,6 kHz (entsprechend der Summe aus der Ausgangsfrequenz f&sub0; und der maximalen Dopplerverschiebung fdmax) eingestellt ist. Indem ein optimaler Wert für die Ausgangsfrequenz f&sub0; gewählt wird, kann eine höchstmögliche Empfindlichkeit für die zuvor beschriebenen Resonanzmikrofone erreicht werden. Doch selbst wenn die Ausgangsfrequenz f&sub0; auf einen optimalen Wert eingestellt ist, der von der Frequenz/Empfindlichkeits-Kennlinie des Resonanzmikrofons abhängig ist, zeigt das Mikrofon keine ausreichende Frequenzempfindlichkeit (weniger als 90 dB) in Frequenzbereichen entsprechend den Empfangsfrequenzen bei den Fahrzeuggeschwindigkeiten 0 und 200 km/h.
Wie oben dargelegt wurde, kann bei Resonanzmikrofonen eine ausreichende Empfindlichkeit nur bei der Resonanzfrequenz erreicht werden, und folglich ergibt sich kein ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis für die vom Ultraschallempfänger empfangene Ultraschallwelle oder das Doppler-Verschiebungssignal der arithmetischen Schaltung. Dies führt zu einer geringen Genauigkeit bei der Geschwindigkeitsmessung gegenüber dem Boden.
Fig. 5 zeigt einen weiteren Typ eines piezoelektrischen Mikrofons, das als Ultraschallempfänger dient. Dieses Mikrofon hat eine verhältnismäßig flache Frequenz/Empfindlichkeits-Kennlinie. Wie ein Vergleich der Frequenz/Empfindlichkeits-Kennlinien gemäß Figuren 4 und 5 zeigt, ist die absolute Schalldruckempfindlichkeit des Mikrofons nach Fig. 5 in allen Frequenzbereichen deutlich kleiner als diejenige nach Fig. 4. Mit anderen Worten, das in Fig. 5 gezeigte Mikrofon ist so ausgebildet, daß man auf Kosten der absoluten Schalldruckempfindlichkeit an und in der Nähe des Resonanzpunktes eine flache Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik erhält. Deshalb können solche Mikrofone mit flacher Frequenz/Empfindlichkeits-Kennlinie aufgrund der geringen Empfindlichkeit im gesamten Frequenzbereich kein ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis für das empfangene Ultraschallwellensignal liefern.
GB-A-2 191 647 beschreibt ein frequenzvariierendes Doppler-Radar, das zur Vermeidung der Wirkung von Störsendern in militärischen Anwendungen benutzt wird. Dieses bekannte System weist einen Sendeoszillator und einen Empfangsoszillator auf, und es erfolgt eine Doppler-Nachführung durch Überlagerung des von der Antenne empfangenen Signals mit dem Signal des Empfangsoszillators und durch Frequenzregelung entweder des Empfangsoszillators oder des Sendeoszillators, um die Frequenz des überlagerten Signals in der Mitte des Frequenzbands eines schmalbandigen Filters zu halten.
Im Hinblick auf die oben erörterten Nachteile herkömmlicher Über-Grund- Geschwindigkeitsmesser ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschallgerät zur Geschwindigkeitsmessung gegenüber dem Boden mit Hilfe des Doppler-Effektes zu schaffen, das im gesamten Geschwindigkeitsbereichs eines Fahrzeugs eine hohe Meßgenauigkeit aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Ultraschallgerät zur Geschwindigkeitsmessung gegenüber dem Boden mit Hilfe des Doppler-Effektes zu schaffen, das ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis des Dopplerfrequenzsignals liefert, das für die Dopplerverschiebung zwischen einer von einem Ultraschallsender erzeugten Ausgangs-Ultraschallwelle und einer von einem Ultraschall-Empfänger empfangenen reflektierten Ultraschallwelle repräsentativ ist.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mit den in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmalen gelöst.
Optionale Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Frequenz der reflektierten Ultraschallwelle kann in der Nähe der Resonanzfrequenz des Resonanzmikrofons gewählt werden, um ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis des Doppler-Verschiebungssignals sicherzustellen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ultraschall-Geschwindigkeitsmessers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine Grafik zur Illustration der Beziehung zwischen dem Signal/Rausch- Verhältnis eines Dopplerfrequenzsignals und der Ultraschall-Wellenlänge; und
Fig. 3 bis 5 Grafiken zur Illustration von Frequenz/Empfindlichkeits-Kennlinien von drei piezoelektrischen Echo-Schallmikrofonen.
Gemäß Fig. 1 umfaßt ein erfindungsgemäßer Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser einen Oszillator 1 zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer speziellen Frequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs, der den Wert 120 kHz einschließt, einen Echo-Schallsender 2 zum Senden einer Ultraschallwelle mit der speziellen Frequenz und eine Treiberschaltung 3 zum Verstärken des Ausgangssignals des Oszillators und zur Ansteuerung des Echo-Schallsenders 2 mit seinem verstärkten Ausgangssignal. Als Sender 2 wird in üblicher Weise ein piezoelektrisches Echo-Schallmikrofon verwendet verwendet. Der Sender sendet eine Ultraschallwelle 4 mit der zuvor genannten speziellen Frequenz gegen die Fahrbahnoberfläche 5. Der erfindungsgemäße Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser umfaßt außerdem einen Ultraschall-Empfänger mit einem Echo-Schallempfänger 6 zum Empfang einer durch Reflexion der ausgegebenen Ultraschallwelle an der Fahrbahnoberfläche erhaltenen reflektierten Ultraschallwelle und zur Erzeugung eines Ultraschallwellen-Reflexionssignals. Ein Verstärker 7 dient zum Verstärken des Ultraschallwellen-Reflexionssignals. In herkömmlicher Weise besteht der Echo-Schallempfänger 6 aus einem piezoelektrischen Echo-Schallmikrofon. Zusätzlich umfaßt der erfindungsgemäße Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser einen Signalprozessor mit einem Multiplizierer 8 zur Ermittlung der Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators und der Frequenz der reflektierten Ultraschallwelle durch Multiplikation der beiden Frequenzen, ein Tiefpassfilter 9 zum Ausfiltern von unerwünschtem Rauschen aus dem Frequenzdifferenzsignal des Multiplizierers 8, einen Nulldurchgangsvergleicher 10 zur Wellenformung des für die Dopplerverschiebung repräsentativen gefilteren Frequenzdifferenzsignals, derart, daß eine Sinuswelle in eine Rechteckwelle umgewandelt wird, einen Impulszähler 11 zum Zählen von Impulsen in dem Doppler-Verschiebungssignal des Vergleichers 10 und zur Bestimmung einer Dopplerfrequenz und eine arithmetische Schaltung 12, die als Dopplerfrequenz/Grundgeschwindigkeits-Wandler dient. Eine solche arithmetische Schaltung 12 ermittelt die Geschwindigkeit gegenüber dem Boden anhand des Ausgangssignals des Impulszählers, das für die Dopplerfrequenz repräsentativ ist, gemäß der zuvor genannten Gleichung.
(fd 2f&sub0; v cos θ / C)
Der oben beschriebene Aufbau des Ultraschall-Geschwindigkeitsmessers ähnelt demjenigen herkömmlicher Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser, die mit Hilfe des Doppler-Effektes arbeiten.
Der erfindungsgemäße Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser enthält weiterhin eine Frequenz-Steuerschaltung 13 zum Empfang des für die Doppler-Verschiebung fd repräsentativen Ausgangssignals des Impulszählers über die arithemetische Schaltung 12 und zum Variieren der Ausgangsfrequenz f&sub0; des Oszillators derart, daß die Frequenz des Ultraschallwellen-Reflexionssignals (f&sub0; + fd) auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird, beispielsweise auf 130 kHz. Weiterhin ist eine Verstärkungs-Steuerschaltung 14 zur Steuerung der Treiberschaltung 3 vorgesehen, derart, daß das Ausgangssignal des Oszillators mit einem Verstärkungsfaktor verstärkt wird, der anhand der Frequenz/Empfindlichkeits-Kennlinie des Senders 2 bestimmt wird. Da der ein Resonanzmokrofon enthaltende Sender eine Frequenz/Empfindlichkeits-Kennlinie ähnlich derjenigen der Mikrofone in Figuren 3 und 4 hat, muß das verstärkte Signal der Treiberschaltung 3 so variiert werden, daß die Intensität des Ausgangssignals des Ultraschallsenders 2 konstant gehalten wird. Wenn der Verstärkungsfaktor in der Treiberschaltung 3 auf einem konstanten Wert festgelegt ist, sendet der Sender 2 eine Ausgangs-Ultraschallwelle mit einer relativ hohen Amplitude, wenn die Ausgangsfrequenz des Oszillators bei oder in der Nähe der Resonanzfrequenz des Senders 2 liegt, und der Sender sendet eine Ultraschallwelle mit verhältnismäßig niedriger Amplitude, wenn die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators stärker von der Resonanzfrequenz abweicht. Eine solche Fluktuation der Intensität der ausgegebenen Ultraschallwelle führt zu einer Fluktuation der Intensität der reflektierten Ultraschallwelle. Im Ergebnis würde kein ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis des Doppler-Verschiebungssignals erhalten. Um dies zu vermeiden, steuert die Verstärkungs-Steuerschaltung 14 die Treiberschaltung 3 anhand der durch die Frequenz-Steuerschaltung 13 variierten Oszillator-Ausgangsfrequenz derart an, daß der Verstärkungsfaktor erhöht wird, um die Intensität (Amplitude) der vom Sender 2 ausgegebenen Ultraschallwelle zu kompensieren, wenn im niedrigen Frequenz/Empfindlichkeitsbereich des Senders gesendet wird.
Wenn dagegen als Sender 2 ein Mikrofon mit einer flachen Frequenz/Empfindlichkeits-Kennlinie verwendet wird, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, wird dagegen die Verstärkungs-Steuerschaltung 14 nicht benötigt, weil ein solcher Sender auf dem gesamten Bereich der Oszillator-Ausgangsfrequenzen ein Ausgangssignal mit im wesentlichen konstanter Intensität liefert. In diesem Fall kann der Verstärkungsfaktor der Treiberschaltung 3 auf einen für die Empfindlichkeit des Senders 2 geeigneten, konstanten Wert festgelegt werden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, steuert der erfindungsgemäße Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser die Frequenz f&sub0; der ausgegebenen Ultraschallwelle (entsprechend der Oszillator-Ausgangsfrequenz) derart, daß die Summe (f&sub0; + fd) der Ausgangsfrequenz f&sub0; und der Dopplerverschiebung fd, d.h., die Frequenz der reflektierten Ultraschallwelle, auf einem im wesentlichen konstanten Wert von beispielsweise 130 kHz gehalten wird. Dies bedeutet, daß der Empfänger 6 die reflektierten Ultraschallwellen mit einer im wesentlichen konstanten Frequenz von annähernd 130 kHz empfangen kann. Wenn ein Resonanzmikrofon mit einem hohen Gütefaktor Q (einem hohen Resonanzpunkt) als Empfänger 6 verwendet wird, wie in Figuren 3 und 4 gezeigt ist, und die Resonanzfrequenz auf annähernd 130 kHz eingestellt ist, kann der Empfänger konstant ein Ultraschallwellen-Reflexionssignal mit hohem Pegel erzeugen, unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Wenn ein solches Resonanzmikrofon mit hohem Gütefaktor als Empfänger 6 verwendet wird, wirkt das Resonanzmikrofon aufgrund seiner Fequenzselektivität außerdem als ein akustisches Filter zum Ausfiltern unerwünschter Frequenzkomponenten aus der reflektierten Ultraschallwelle. Dies führt zu einem höherem Signal/Rauch-Verhältnis für das Doppler-Verschiebungssignal.
Obgleich, wie zuvor beschrieben wurde, die Ausgangsfrequenz derart variiert wird, daß die Frequenz des Ultraschall-Reflektionssignals auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird, ist es wünschenswert, daß der Ausgangsfrequenzbereich des Oszillators in der Nähe einer speziellen Frequenz von beispielsweise 120 kHz festgelegt ist, um das höchste Signal/Rausch-Verhältnis für das Doppler-Verschiebungssignal zu liefern, wenn der Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser auf üblichen rauhen und glatten Fahrbahnoberflächen verwendet wird. Die spezielle Frequenz von 120 kHz wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung experimentell festgestellt.
Fig. 2 zeigt eine Ultraschall-Kennlinie des erfindungsgemäßen Ultraschall- Geschwindigkeitsmessers in Abhängigkeit von der Wellenlänge der ausgegebenen Ultraschallwelle. Die Testdaten für diese Ultraschall-Kennlinie basieren auf experimentellen Daten, die tatsächlich von den Erfindern beobachtet wurden.
In Fig. 2 ist eine rauhe Oberfläche durch eine gestrichelte Linie und eine glatte Oberfläche durch eine durchgezogene Linie angegeben. Bei der Messung der Ultraschall-Kennlinie des erfindungsgemäßen Ultraschall-Geschwindigkeitsmessers wurde die rauhe Oberfläche dadurch modelliert, daß Vinylchlorid-Rohre mit einem Durchmesser von 6 mm in gleichmäßigen Intervallen auf einer Fahrbahnoberfläche angeordnet wurden, während die glatte Oberfläche gebildet wurde, indem Sand über der Fahrbahnoberfläche verstreut wurde. Die beiden Kennlinien für das Signal/Rausch-Verhältnis in Fig. 2 wurden bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 40 km/h sowohl auf glatter als auch auf rauher Oberfläche gemessen, wie zuvor beschrieben wurde. Außerdem war der Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich 0 bis 200 km/h, und der Emissionswinkel θ der ausgesandten Ultraschallwelle betrug 45º.
Die vorgenannten Oberflächen aus Rohren bzw. aus Sand sind hinsichtlich der Ultraschall-Eigenschaften typischen rauhen und glatten Fahrbahnoberflächen hinreichend ähnlich. Hiervon haben sich die Erfinder der Erfindung vor dem Test überzeugt.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, nimmt das beobachtete Signal/Rausch-Verhältnis des Doppler-Verschiebungssignals zu, wenn die Ausgangsfrequenz f&sub0; auf einen Wert in der Nähe von 120 kHz (entsprechend einer Wellenlänge von 2,8 mm) abnimmt, und sie nimmt ab, wenn die Ausgangsfrequenz f&sub0; kleiner als annähernd 120 kHz wird. Wenn die Ausgangsfrequenz f&sub0; größer als 128 kHz wird (entsprechend einer Wellenlänge von 2,65 mm), wird das Signal/Rausch-Verhältnis extrem niedrig. Wenn die Ausgangsfrequenz f&sub0; kleiner wird als 100 kHz (entsprechend einer Wellenlänge von 3,4 mm), wird das Signal/Rausch-Verhältnis mäßig abgesenkt. Es ist zu bemerken, daß bei den Ultraschallmessungen auf den jeweiligen glatten und rauhen Oberflächen ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis in der Nähe einer Ausgangsfrequenz von 120 kHz erhalten wurde. Wenn man die bei glatter und rauher Oberfläche gewonnenen Testdaten vergleicht, so ist die Ultraschall-Kennlinie des Signal/Rausch-Verhältnisses für die rauhe Oberfläche gegenüber derjenigen für die glatte Oberfläche etwas zu längeren Wellenlängen verschoben, d.h., in Richtung auf niedrigere Ausgangsfrequenzen (nach rechts in Fig. 2). Naturgemäß ist auch der Scheitelpunkt des Signal/Rausch-Verhältnisses für die rauhe Oberfläche etwas in Richtung längerer Wellenlängen gegenüber dem für die glatte Oberfläche versetzt. Tatsächlich wurde bei den Ultraschallmessungen das höchste Signal/Rausch-Verhältnis bei der glatten Oberfläche bei einer Ausgangsfrequenz von 120 kHz (entsprechend einer Wellenlänge von im wesentlichen 2,8 mm) erreicht. Für die rauhe Oberfläche wurde dagegen das höchste Signal/Rausch-Verhältnis bei einer Ausgangsfrequenz gefunden, die etwas niedriger als 120 kHz und höher als 100 kHz war (entsprechend einer Wellenlänge von 3,4 mm). Insgesamt zeigt sich bei den Ultraschallmessungen auf rauhen und glatten Oberflächen im wesentlichen diesselbe Abhängigkeit von Wellenlänge und der Ausgangsfrequenz. Deshalb ist es wünschenswert, daß die Ausgangsfrequenz in einem Frequenzbereich gewählt wird, in dem sich hinsichtlich des Doppler-Verschiebungssignals hohe Signal/Rausch-Verhältnisse ergeben.
Da, wie zuvor beschrieben wurde, in den Ultraschallmessungen nach Fig. 2 der Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich 0 bis 200 km/h betrug und der Emissionswinkel θ 45º war, kann die Dopplerverschiebung fd zwischen 0 und 27,6 kHz variieren. Das heißt, die Bandbreite für die Ausgangsfrequenz beträgt annähernd 28 kHz. Ein optimaler Ausgangsfrequenzbereich wird deshalb vorzugsweise auf einen speziellen Frequenzbereich von 100 kHz (entsprechend einer Wellenlänge von etwa 3,4 mm) bis 128 kHz (entsprechend einer Wellenlänge von etwa 2,65 mm) in Übereinstimmung mit der Signal/Rausch- Kennlinie nach Fig. 2 festgelegt. Wenn der Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser so an dem Fahrzeug installiert ist, daß die Ansgangs-Ultraschallwelle in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs emittiert wird, so variiert die Dopplerfrequenz fd zwischen 0 (bei der Fahrzeuggeschwindigkeit 0) und 28 kHz (bei der Fahrzeuggeschwindigkeit von 200 km/h). Um die empfangene Frequenz (f&sub0; + fd) der Ultraschallwellen auf im wesentlichen 128 kHz zu halten, kann die Ausgangsfrequenz f&sub0; entsprechend den Änderungen der Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen 100 kHz und 128 kHz variiert werden. Wenn andererseits der Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser so an dem Fahrzeug installiert ist, daß die ausgegebene Ultraschallwelle in Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs emittiert wird, so variiert die Dopplerfrequenz fd zwischen 0 (bei der Fahrzeuggeschwindigkeit 0) und -28 kHz (bei der Fahrzeuggeschwindigkeit von 200 km/h). Um die Frequenz (f&sub0; + fd) der empfangenen Ultraschallwelle im wesentlichen auf 100 kHz zu halten, kann die Ausgangsfrequenz f&sub0; ebenfalls entsprechend den Änderungen der Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen 100 kHz und 128 kHz variiert werden.
Wenn, wie oben dargelegt wurde, ein Resonanzmikrofon mit hohem Gütefaktor Q als Ultraschallempfänger verwendet wird und die Ausgangsfrequenz des Ultraschallsenders so variiert wird, daß die Frequenz der vom Empfänger empfangenen Ultraschallwelle auf einem konstanten Wert entsprechend der Resonanzfrequenz gehalten wird, so kann ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis des empfangenen Ultraschallwellensignals, d.h., ein hohes Signal/Rausch- Verhältnis des Doppler-Verschiebungssignals erhalten werden. Wenn außerdem die variable Ausgangsfrequenz anhand experimentell bestimmter Kennlinien für das Signal/Rausch-Verhältnis in einem optimalen Frequenzbereich gewählt wird, der hohe Signal/Rausch-Verhältnisse für das Doppler-Verschiebungssignal liefert, so läßt sich das höchste Signal/Rausch-Verhältnis für das Doppler-Verschiebungssignal erhalten.
Obgleich der vorgenannte Ausgangsfrequenzbereich von 100 bis 128 kHz unter speziellen Testbedingungen bestimmt wurde, bei denen die Fahrzeuggeschwindigkeit im Bereich von 100 bis 200 km/h lag und der Emissionswinkel 45º betrug, kann ein optimaler Ausgangsfrequenzbereich nach der oben beschriebenen Prozedur auch unter beliebigen anderen Testbedingungen bestimmt werden.

Claims

1. Ultraschallgerät zur Geschwindigkeitsmessung gegenüber dem Boden mittels des Doppler-Effektes, mit:

einer Ultraschall-Sendeeinrichtung (2) zur Abgabe einer Ultraschallwelle unter einem vorgegebenen Winkel gegen eine Fahrbahnoberfläche,

einer Ultraschall-Empfangseinrichtung (6) zum Empfang einer reflektierten Ultraschallwelle, die durch Reflexion der abgegebenen Ultraschallwelle an der Fahrbahnoberfläche hervorgerufen wird, und

einer arithmetischen Einrichtung (12) zur Ermittlung der Geschwindigkeit gegenüber dem Boden anhand der Dopplerverschiebung zwischen den Frequenzen der von der Ultraschall-Sendeeinrichtung abgegebenen Ultraschallwelle und der von der Ultraschall-Empfangseinrichtung empfangenen reflektierten Ultraschallwelle,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Einrichtung (13) dazu ausgebildet ist, die Frequenz der abgegebenen Ultraschallwelle in Abhängigkeit von der Änderung der von der arithmetischen Einrichtung ermittelten Geschwindigkeit über dem Boden so zu steuern, daß die Frequenz der reflektierten Ultraschallwelle, die durch die Summe aus der Frequenz der abgegebenen Ultraschallwelle und der Dopplerverschiebung gegeben ist, auf einem konstanten Wert gehalten wird,

die Ultraschall-Empfangseinrichtung (6) einen Ultraschall-Wandler vom Resonanztyp enthält, der einen Resonanzpunkt in der Nähe des konstanten Wertes der Frequenz der reflektierten Ultraschallwelle besitzt,

die Ultraschall-Sendeeinrichtung (2) einen Ultraschall-Wandler enthält, der über einen Frequenzbereich, der durch Subtraktion oder Addition der Dopplerverschiebung zu oder von der Resonanzfrequenz des Ultraschall- Wandlers vom Resonanztyp erhalten wird, eine flache Frequenz-Empfindlichkeits-Kennlinie besitzt, und daß

der Resonanzpunkt des Ultraschall-Wandlers vom Resonanztyp auf die höchste von der Sendeeinrichtung während des Gebrauchs des Geschwindigkeitsmessers gesendete Ultraschallwellen-Frequenz eingestellt ist, wenn die ausgegebene Ultraschallwelle unter dem vorgegebenen Winkel in einer Vorwärtsrichtung emittiert wird, und auf die niedrigste während des Gebrauchs des Geschwindigkeitsmessers gesendete Ultraschallwellen-Frequenz eingestellt ist, wenn die ausgegebene Ultraschallwelle unter dem vorgegebenen Winkel in Rückwärtsrichtung emittiert wird.

2. Ultraschallgerät zur Geschwindigkeitsmessung gegenüber dem Boden mittels des Doppler-Effektes, mit:

dadurch gekennzeichnet, daß

eine durch die Einrichtung (13) zur Steuerung der Abgabefrequenz gesteuerte Einrichtung (14) vorgesehen ist, zur Steuerung der Amplitude der abgegebenen Ultraschallwelle, um eine im wesentlichen konstante Intensität der abgegebenen Ultraschallwelle über dem Abgabe-Frequenzbereich der Ultraschallwelle aufrechtzuerhalten, und

der Resonanzpunkt des Ultraschall-Wandlers vom Resonanztyp auf die höchste von der Sendeeinrichtung während des Gebrauchs des Geschwindigkeitsmessers gesendete Ultraschallwellen-Frequenz eingestellt ist, wenn die abgegebene Ultraschallwelle unter dem vorgegebenen Winkel in einer Vorwärtsrichtung emittiert wird, und auf die niedrigste während des Gebrauchs des Geschwindigkeitsmessers gesendete Ultraschallwellen-Frequenz eingestellt ist, wenn die abgegebene Ultraschallwelle unter dem vorgegebenen Winkel in Rückwärtsrichtung emittiert wird.

3. Ultraschallgerät zur Messung der Geschwindigkeit gegenüber dem Boden nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ultraschall-Sendeeinrichtung einen Oszillator (1) zum Erzeugen eines Ausgangssignals mit einer Frequenz innerhalb wenigstens des Frequenzbereichs der abgegebenen Ultraschallwelle, einen Echo-Schallsender (2) zum Aussenden der abgegebenen Ultraschallwelle entsprechend dem Ausgangssignal des Oszillators und eine Treiberschaltung (3) zur Verstärkung des Ausgangssignals des Oszillators und zum Ansteuern des Echo-Schallsenders mit seinem verstärkten Signal aufweist und die Ultraschall-Empfangseinrichtung einen Echo-Schallempfänger (6) zum Empfang der reflektierten Ultraschallwelle und zum Erzeugen eines Ultraschallwellen- Reflexionssignals aufweist, das dieselbe Frequenz wie die reflektierte Ultraschallwelle besitzt.

4. Ultraschallgerät zur Messung der Geschwindigkeit gegenüber dem Boden nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Ultraschall-Sendeeinrichtung (2) und/oder die Ultraschall-Empfangseinrichtung (6) ein piezoelektrisches Echo-Schallmikrofon aufweist.

5. Ultraschallgerät zur Geschwindigkeitsmessung gegenüber dem Boden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die arithmetische Einrichtung einen Multiplizierer (8) zur Ermittlung der Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des Oszillator-Ausgangssignals und der Frequenz des Ultraschallwellen-Reflexionssignals durch Multiplikation beider Frequenzen, einen Tiefpaßfilter (9) zum Ausfiltern unerwünschten Rauschens aus dem von dem Multiplizierer erzeugten Frequenzdifferenzsignal, einen Null durchgangsvergleicher (10) zur Wellenformung des für eine Dopplerverschiebung repräsentativen gefilterten Frequenzdifferenzsignals, einen Impulszähler (11) zum Zählen von Impulsen in dem Dopplerverschiebungssignal des Vergleichers und zur Ermittlung einer Dopplerfrequenz und eine arithmetische Schaltung (12) aufweist, die als Dopplerfrequenz/Übergrundgeschwindigkeits-Wandler dient.

6. Ultraschallgerät zur Geschwindigkeitsmessung gegenüber dem Boden nach Anspruch 2, bei dem die Amplituden-Steuereinrichtung eine Verstärkungs-Steuerschaltung (14) aufweist, zur Steuerung der Treiberschaltung derart, daß das Oszillator-Ausgangssignal in einem anhand der Frequenz/Empfindlichkeits-Kennlinie des Echo-Schallsenders bestimmten Ausmaß verstärkt wird, wenn die Frequenz des Oszillator-Ausgangssignals durch die Ausgangsfrequenz-Steuereinrichtung verändert wird, um die Intensität der von dem Sender abgegebenen Ultraschallwelle bei Frequenzen im Bereich niedrigerer Empfindlichkeit des Senders zu kompensieren.

7. Ultraschallgerät zur Geschwindigkeitsmessung gegenüber dem Boden nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Frequenz der abgegebenen Ultraschallwelle innerhalb eines Bereichs von 100 kHz bis 128 kHz gehalten wird.