DE69420252T2 - Vorrichtung zum Messen von physikalischen Grössen mit Bezug auf die relative Bewegung zwischen zwei Gegenständen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Technik des Messens physikalischer Größen, die auf eine Relativbewegung zwischen zwei Objekten bezogen sind, unter Verwendung von Radiowellen. Im besonderen betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen einer Geschwindigkeit des einen Objektes in bezug auf das andere Objekt und eines Richtungswinkels desselben.
• Als ein Beispiel aus dem Stand der Technik, mit dem die Messung einer Geschwindigkeit oder eines Richtungswinkels eines Objekts mit Hilfe von Radiowellen durchgeführt wird, ist ein System bekannt, welches mit einem frequenzmodulierten Dauerstrich arbeitet (FM-CW-System).
• Beispielsweise wird unter Verwendung einer Geschwindigkeitsmeßvorrichtung, welche in einem bewegten Objekt, so etwa in einem Fahrzeug, einem Flugobjekt oder dergleichen, vorgesehen ist, die Messung der Geschwindigkeit des bewegten Objekts wie folgt durchgeführt. Zunächst sendet die Vorrichtung ein frequenzmoduliertes Dauerstrich-(FM-CW-)Signal in Form einer Radiowelle von einer Antenne in Richtung Boden und mischt ein vom Boden reflektiertes Signal (d. h. ein Empfangssignal) mit dem Übertragungssignal. Die Vorrichtung extrahiert dann aus dem gemischten Signal ein Signal, welches eine Dopplerfrequenzkomponente enthält, die auf einer Geschwindigkeit relativ zum Boden beruht, und detektiert die Dopplerfrequenzkomponente, um dadurch die Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts zu messen.
• Das obige FM-CW-System wirft jedoch insofern ein Problem auf, als daß, wenn die Reflexionsoberfläche zur Ausbreitung der übertragenen Radiowelle in enger Nachbarschaft zu dem Übertragungspunkt liegt, die Meßvorrichtung einer Beeinflussung durch die Reflexion in der engen Nachbarschaft und/oder einer Beeinflussung durch Interferenz des Übertragungssignals oder ein Interferenz- oder Störsignal in dem Empfangssystem oder -kanal ausgesetzt ist.
• Weiter ist es in dem Fall, daß die Reflexionsoberfläche zur Ausbreitung der ausgesendeten Radiowelle in weiter Entfernung von dem Übertragungspunkt liegt, so, daß eine Beeinflussung durch die Verbreiterung des von der Antenne abgestrahlten Radiowellenstrahls gemittelt wird und somit das Leistungszentrum in dem Frequenzband des Empfangssignals vereinheitlicht bestimmt werden kann. Wenn jedoch die Reflexionsoberfläche zur Ausbreitung in der engen Nachbarschaft liegt, ergibt sich insofern ein Problem, als daß es unmöglich ist, das Leistungszentrum in dem Frequenzband des Empfangssignals vereinheitlicht zu bestimmen, weil die Bedingungen der Reflexionsoberfläche (z. B. des Erdbodens) nicht vernachlässigbar sind.
• Wenn andererseits die Richtung eines Zielobjekts unter Verwendung einer einzigen Antenne gemessen wird, ist es notwendig, die Strahlungscharakteristik der Antenne zu schärfen, um die Genauigkeit der Messung zu verbessern. Zu diesem Zweck müssen Maßnahmen dahingehend ergriffen werden, die Frequenz eines abzustrahlenden Radiowellensignals zu erhöhen oder die Größe der Antenne als solche groß zu machen. Jedoch sind die Maßnahmen nicht immer wirksam, noch weniger dann, wenn das Zielobjekt eng benachbart liegt.
• Um dem zu begegnen, verwendet ein Beispiel nach dem Stand der Technik zwei Antennen, welche Antennencharakteristika mit leicht unterschiedlichen Winkeln aufweisen. Im einzelnen macht sich dieses Beispiel die Tatsache zunutze, daß der Punkt, an dem sich die beiden Antennencharakteristika überschneiden (im folgenden "Überschneidungspunkt" genannt), vereinheitlicht ein Punkt ist und somit die Richtung des Zielobjektes spezifiziert.
• Wegen der schaltungstechnischen Komplexität ist es jedoch nach dem Stand der Technik bislang üblich gewesen, die zwei Antennencharakteristika abwechselnd zu schalten. Dementsprechend wirft der Stand der Technik insofern ein Problem auf, als infolge einer durch das Schalten verursachten Zeitverzögerung ein Fehler in die Genauigkeit der Richtungsmessung eingebracht wird.
• Zur Bestimmung von auf Relativbewegungen bezogenen Größen mit Hilfe von Radar ist aus der US-A-4 115 772 bekannt geworden, das Aussenden und den Rückerhalt eines modulierten Radarsignals zu verwenden, nebst Korrelation der Modulation wie empfangen mit einer gegenüber der ausgesendeten Form verzögerten Version, unter Verwendung einer zufälligen Zweiphasen-Spreizungsmodula tion. Ein weiteres Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung hierfür sind aus der US-A-4 697 186 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer Meßvorrichtung, welche es ermöglicht, physikalische Größen (Relativgeschwindigkeit und Richtungswinkel), die auf eine Relativbewegung zwischen zwei Objekten bezogen sind, präzise zu messen, ohne einer Beeinflussung durch eine Reflexion in der engen Nachbarschaft oder einer Beeinflussung durch Interferenz des Übertragungssignals oder ein Störsignal in einem Empfangskanal der Vorrichtung zu unterliegen.
• Um diese Aufgabe zu erfüllen, ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung in einem der beiden Objekte vorgesehen und umfaßt: einen Oszillator zum Erzeugen eines Trägersignals zur Übertragung; einen Codegenerator zum Erzeugen einer ersten Art und einer zweiten Art codierter Zweiphasen-Zufallssignale für die Modulation, wobei die erste Art und die zweite Art codierter Zweiphasen-Zufallssignale verschiedene Phasen aufweisen; eine Modulationsschaltung zum Bewirken einer direkten Spreizungsmodulation in bezug auf das Übertragungs-Trägersignal unter Verwendung der erzeugten codierten Zweiphasen-Zufallssignale; Antennenmittel, die eine erste und eine zweite Antenne umfassen, welche Antennencharakteristika mit verschiedenen Strahlungswinkeln aufweisen, zum Übertragen der modulierten Übertragungs-Trägersignale als eine Radiowelle zu dem anderen der beiden Objekte und zum Empfangen einer Reflexionswelle von dem anderen der beiden Objekte, wobei die erste und die zweite Antenne jeweils ein Signal übertragen und empfangen, welches durch eine entsprechende der beiden Arten codierter Zweiphasen- Zufallssignale moduliert ist; eine Demodulationsschaltung zum Demodulieren eines Signals, welches der empfangenen Reflexionswelle entspricht, unter Verwendung des Übertragungs-Trägersignals, um dadurch ein Zwischenfrequenzsignal zu erzeugen; eine Korrelationsschaltung zum Durchführen einer Korrelation zwischen dem Zwischenfrequenzsignal, welches durch die Demodulationsschaltung erzeugt wird, und einem Signal, welches den gleichen Code wie den der codierten Zweiphasen-Zufallssignale für die Modulation aufweist und eine Phase aufweist, die, verglichen mit den codierten Zweiphasen-Zufallssignalen für die Modulation, um eine vorbestimmte Zeitspanne verzögert ist; ein Filtermittel zum Extrahieren einer Dopplerfrequenzkomponente, die in einem Signal enthalten ist, welches sich über einen Ausbreitungspfad ausgebreitet hat, der in einem spezifizierten Abstandsbereich existiert, aus einem Ausgangssignal der Korrelationsschaltung; und eine Detektionsschaltung zum geeigneten Verarbeiten eines Signals der extrahierten Dopplerfrequenzkomponente, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionsschaltung nur eine Dopplerfrequenzkomponente extrahiert, die in einer Reflexionswelle aus einem Überlappungsbereich der beiden Antennencharakteristika der ersten und der zweiten Antenne enthalten ist, und, basierend auf der extrahierten Dopplerfrequenzkomponente, physikalische Größen detektiert, die auf die Relativbewegung zwischen den beiden Objekten bezogen sind.
• Weiter umfaßt in der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Meßvorrichtung ferner Verzögerungsmittel, die zwischen dem Codegenerator und der Korrelationsschaltung vorgesehen sind, zum Versehen der durch den Codegenerator erzeugten codierten Zweiphasen-Zufallssignale für die Modulation mit einer Verzögerung um die vorbestimmte Zeitspanne. Die Verzögerung um die vorbestimmte Zeitspanne ist so gewählt, daß sie eine Zeitspanne ist, in der jedes der Radiowellensignale, welche von der ersten und der zweiten Antenne abgestrahlt werden, zu einer Reflexionsoberfläche gelangt, welche in dem spezifizierten Abstandsbereich existiert, und von dort zurückkommt.
• Das Verzögerungsmittel kann ein Schieberegister mit einer Mehrzahl von Abgreifpunkten umfassen, die für jede Bitausgabe vorgesehen sind, oder es kann eine Verzögerungsleitung mit einer Mehrzahl von Ausgangsabgreifpunkten umfassen. In diesem Fall ist die Verzögerung um die vorbestimmte Zeitspanne gemäß einer geeigneten Auswahl aus der Mehrzahl von Ausgangsabgreifpunkten bestimmt.
• Weiter umfaßt in der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Meßvorrichtung ferner Zirkulationsmittel zum Zuführen des modulierten Übertragungs-Trägersignals zu den Antennenmitteln und zum Zuführen des Reflexionswellensignals, welches von den Antennenmitteln empfangen wird, zu der Demodulationsschaltung.
• Ferner umfaßt in der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Filtermittel ein erstes und zweites Bandpaßfilter, die auf Signale ansprechen, welche diesen von der ersten bzw. von der zweiten Antenne über die Korrelationsschaltung zugeführt werden.
• Gemäß der im vorstehenden beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung weist das codierte Zweiphasen-Zufallssignal, welches in der Reflexionswelle von dem anderen der beiden Objekte (z. H. dem Boden) enthalten ist, eine Zeitdifferenz auf, die der Ausbreitungsdistanz entspricht, in der das Radiowellensignal zum Boden oder dergleichen gelangt und von dort zurückkehrt, bezogen auf das in dem Übertragungssignal enthaltene codierte Zweiphasen-Zufallssignal. Demnach zeigt das auf einer Korrelation zwischen den zwei Arten von Codes beruhende Ausgabesignal einen Spitzenwert, wenn die Zeitdifferenz (d. h. die Phasendifferenz) gleich Null ist, und mit zunehmender Phasendifferenz geht das Korrelationsausgabesignal im Pegel entsprechend zurück. Wenn die Phasendifferenz die Zeit überschreitet, die der 1-Uhr-Stellung entspricht, ist im wesentlichen keine Korrelationsausgabe zu erhalten. Das Prinzip betreffend eine Korrelation zwischen codierten Zweiphasen-Zufallssignalen ist z. B. in der Druckschrift mit dem Titel "SPREAD SPECTRUM SYSTEMS" von R. C. Dixon beschrieben.
• Aus dem oben Gesagten wird erkennbar, daß, wenn eine Korrelation zwischen dem in dem Reflexionswellensignal enthaltenen codierten Zweiphasen-Zufallssignal und einem weiteren codierten Zweiphasen-Zufallssignal, welches zuvor um die der Ausbreitungsdistanz entsprechende Zeitspanne verzögert wurde, durchgeführt wird, die Phasendifferenz Null wird und damit die Korrelationsausgabe einen Spitzenwert zeigt. Konkret gesagt: bei Durchführung der Korrelation zwischen dem von der Demodulationsschaltung erzeugten Zwischenfrequenzsignal und einem Signal, welches den gleichen Code aufweist wie den des codierten Zweiphasen-Zufallssignals für die Modulation und eine Phase aufweist, die zuvor um die der Ausbreitungsdistanz entsprechende Zeitspanne verzögert wurde, zeigt eine Korrelationsausgabe, welche von einem Signal erhalten wird, das sich über die vorgegebene Ausbreitungsdistanz ausgebreitet hat, einen Spitzenwert. Bezüglich einer Ausbreitungsdistanz, die von der vorgegebenen Ausbreitungsdistanz verschieden ist, kann jedoch im wesentlichen keine Korrelationsausgabe erhalten werden (siehe Fig. 4).
• Demnach kann die Korrelationsschaltung ein spezifiziertes Signal ausgeben, welches frei ist von Beeinflussungen durch ein Signal, das sich über eine Ausbreitungsdistanz ausgebreitet hat, die von der vorgegebenen Ausbreitungsdistanz verschieden ist (d. h. Beeinflussungen durch eine Reflexion in der engen Nachbarschaft oder durch ein Störsignal). Das spezifizierte Signal wird in ein Filtermittel eingespeist, in dem eine Dopplerfrequenzkomponente aus dem Signal extrahiert wird. Ein Signal von der extrahierten Dopplerfrequenzkomponente wird der Detektionsschaltung zugeführt, die wiederum eine geeignete Verarbeitung bewirkt, um dadurch physikalische Größen (Relativgeschwindigkeit und/oder Richtungswinkel), die auf eine Relativbewegung zwischen den zwei Objekten bezogen sind, zu detektieren.
• Wenn weiter die Antennenmittel zwei Antennen umfassen, welche Antennencharakteristika mit jeweils verschiedenen Strahlungswinkeln aufweisen, so zeigen Ausgangswellenformen, welche durch die Korrelationsschaltung von jeder Antenne erhalten werden, jeweils Spitzenwerte bei verschiedenen Dopplerfrequenzen (siehe Fig. 5, Frequenzen fd1, fd2).
• In diesem Fall weisen Dopplerfrequenzkomponenten, welche in dem Empfangssignal enthalten sind, das sich in dem sich überlappenden Bereich (siehe Fig. 6, schraffierter Bereich OL) der beiden Antennencharakteristika ausgebreitet hat, gleiche Phase und gleichen Pegel auf und korrespondieren damit zu dem Überlappungsbereich (siehe Fig. 5, Frequenz fd) von Ausgabesignalen der jeweiligen Korrelationsschaltungen. Die Dopplerfrequenzkomponenten gelangen über das Filtermittel auf die Detektionsschaltung, welche wiederum eine Dopplerfrequenzkomponente extrahiert, die in einem Signal enthalten ist, welches sich über einen spezifizierten Ausbreitungspfad ausgebreitet hat. Somit ist es auf der Grundlage einer geeigneten Verarbeitung der extrahierten Dopplerfrequenzkomponente möglich, eine Geschwindigkeit des einen Objekts bezüglich des anderen präzise zu messen.
• Weiter ist es durch spektrale Spreizung der Übertragungssignale der beiden Antennen mit jeweils verschiedenen Zweiphasen-Zufallscodes und durch umgekehrtes spektrales Spreizen der Empfangssignale mit dem gleichen Code wie dem in den Übertragungssignalen verwendeten möglich, Signale von jeder Antennencharakteristik zu trennen, und zwar gleichzeitig und ohne irgendeine gegenseitige Interferenz, obgleich die jeweiligen Trägersignale zur Übertragung die gleichen sind. Demnach ist es möglich, den Überschneidungspunkt der beiden Antennencharakteristika leicht und präzise zu spezifizieren. Als Folge davon ist es möglich, einen Richtungswinkel des einen Objekts bezogen auf das andere Objekt präzise zu bestimmen.
• Bemerkenswert ist in diesem Fall, daß, selbst wenn ein Reflexionswellensignal, welches zu einem Radiowellensignal korrespondiert, das von der einen Antenne abgestrahlt wurde, an der anderen Antenne empfangen wird, jede durch den Empfang der anderen Antenne bedingte Beeinflussung eliminiert werden kann. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die jeweiligen, von den beiden Antennen ausgesendeten codierten Zweiphasen-Zufallssignale in der Phase hinreichend voneinander getrennt sind.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
• Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen ausführlich erläutert, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, worin:
• Fig. 1 ein Blockdiagramm, welches die Anordnung der Meßvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
• Fig. 2 ein Blockdiagramm, welches die Anordnung des Detektors in einer Anwendung der Ausführungsform von Fig. 1 zeigt;
• Fig. 3 ein Blockdiagramm, welches die Anordnung des Detektors in einer weiteren Anwendung der Ausführung von Fig. 1 zeigt;
• Fig. 4 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Ausbreitungsdistanz eines von der in Fig. 1 gezeigten Antenne ausgesendeten Radiowellensignals und der Ausgabe der Korrelationsschaltung zeigt;
• Fig. 5 ein Betriebs-Wellenformdiagramm der jeweiligen Ausgangssignale der in Fig. 1 gezeigten Korrelationsschaltungen;
• Fig. 6 ein Diagramm, welches die jeweiligen Antennencharakteristika der in Fig. 1 gezeigten Antennen zeigt;
• Fig. 7a Betriebs-Wellenformdiagramme der Signale in jedem bis 7h Abschnitt der Anordnung von Fig. 1;
• Fig. 8 ein Signalwellenformdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Detektors in einer Anwendung des Ausführungsbeispiels von Fig. 1; und
• Fig. 9a Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise des und 9b Detektors in einer weiteren Anwendung des Ausführungsbeispiels von Fig. 1.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Fig. 1 zeigt die Anordnung der Meßvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• Die dargestellte Vorrichtung ist dazu gedacht, eine Geschwindigkeit des einen Objekts in bezug auf das andere und einen Richtungswinkel desselben zu messen. In einer Anwendung ist die Vorrichtung in einem auf Schienen laufenden Fahrzeug (Zug oder Straßenbahn) vorgesehen und dazu bestimmt, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu messen. In einer weiteren Anwendung ist die Vorrichtung in einem kardanischen System einer Radareinrichtung vorgesehen und dazu bestimmt, einen Richtungswinkel eines sich der Radareinrichtung nähernden Flugobjekts zu messen.
• In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 einen Oszillator zum Erzeugen eines Trägersignals f&sub0; zur Übertragung; die Bezugsziffer 12 bezeichnet einen Richtkoppler zum Verzweigen einer Ausgabe f&sub0; des Oszillators 10 in zwei Signale (d. h. in ein Signal, welches zur Übertragung verwendet wird, und ein Signal, welches zum Demodulieren von Empfangssignalen benutzt wird); die Bezugsziffer 14 steht für einen Verteiler zum Verteilen einer Ausgabe (des zur Übertragung verwendeten Signals) des Richtkopplers 12 auf zwei Kanäle; die Bezugsziffer 16 bezeichnet einen Codegenerator zum Erzeugen von zwei Arten von variabel codierten Zweiphasen-Zufallssignalen (Modulationscodes) MA1 und MB1; und die Bezugsziffern 18 und 20 bezeichnen jeweils einen Modulator, der auf eine Ausgabe (Modulationscode MA1 oder MB1) des Codegenerators 16 und auf das über den Richtkoppler 12 und den Verteiler 14 zugeführte Übertragungs-Trägersignal f&sub0; anspricht. Die Modulatoren 18 und 20 bewirken eine direkte Spreizungsmodulation in bezug auf das Übertragungs-Trägersignal f&sub0;, unter Verwendung der entsprechenden Modulationscodes MA1 und MB1.
• Weiter bezeichnen die Bezugsziffern 22 und 24 jeweils eine Antenne zum Abstrahlen von Radiowellenstrahlung in Richtung Boden oder Luft und zum Empfangen von Reflexionswellen vom Boden oder dergleichen für die abgestrahlte Strahlung; die Bezugsziffern 26 und 28 stehen jeweils für einen Zirkulator zum Zuführen einer Ausgabe des entsprechenden Modulators 18, 20 zu der entsprechenden Antenne 22, 24 und zum Empfangen eines Reflexionswellensignals, welches von der entsprechenden Antenne empfangen wird; die Bezugsziffern 30 und 32 repräsentieren jeweils einen Demodulator zum Mischen einer Ausgabe des entsprechenden Zirkulators 26, 28 mit einer anderen Ausgabe (einem für die Empfangssignaldemodulation verwendeten Signal, d. h. lokalen Signal) des Richtkopplers 12, um dadurch ein Zwischenfrequenzsignal IF1, IF2 zu erzeugen; und die Bezugsziffern 34 und 36 bezeichnen jeweils einen Verstärker zum Verstärken des Ausgangssignals IF1, IF2 des entsprechenden Demodulators 30, 32.
• Weiter stehen die Bezugsziffern 38 und 40 jeweils für eine Verzögerungsschaltung zum Verzögern des entsprechenden, von dem Codegenerator 16 ausgegebenen codierten Zweiphasen-Zufallssignals MA1, MB1 um eine variable Verzögerungsgröße, um dadurch ein verzögertes codiertes Zweiphasen-Zufallssignal MA2, MB2 auszugeben; und die Bezugsziffern 42 und 44 stehen jeweils für eine Korrelationsschaltung zum Durchführen einer Korrelation zwischen der Ausgabe (Zwischenfrequenzsignal) des entsprechen den Verstärkers 34, 36 und dem Ausgangssignal MA2, MB2 der entsprechenden Verzögerungsschaltung 38, 40. Obgleich in Fig. 1 nicht gezeigt, kann jede der Verzögerungsschaltungen 38 und 40 von beispielsweise einem Schieberegister mit mehreren Abgreifpunkten gebildet sein, die für jede Bitausgabe vorgesehen sind, oder von einer Verzögerungsleitung mit mehreren Ausgangsabgreifpunkten. In diesem Fall wird das von jeder der Verzögerungsschaltungen 38, 40 ausgegebene codierte Zweiphasen-Zufallssignal MA2, MB2 so gewählt, daß es den gleichen Code aufweist wie den des zur Modulation verwendeten codierten Zweiphasen-Zufallssignals MA1, MB1 und daß es eine Phase aufweist, die, verglichen mit dem codierten Zweiphasen-Zufallssignal MA1, MB1, um eine vorbestimmte Zeitspanne verzögert ist. Die vorbestimmte Zeitspanne ist so gesetzt, daß sie eine Zeitspanne darstellt, in der das von jeder Antenne 22, 24 abgestrahlte Radiowellensignal zum Boden oder dergleichen gelangt und von dort zurückkommt. Das Setzen der Verzögerungsgröße erfolgt auf der Grundlage einer geeigneten Auswahl aus der Mehrzahl von Ausgangsabgreifpunkten.
• Des weiteren bezeichnen die Bezugsziffern 46 und 48 jeweils ein Bandpaßfilter (Doppler-Filter) zum Extrahieren einer spezifizierten Frequenzkomponente (d. h. einer Doppler-Frequenzkomponente, welche in einem Signal enthalten ist, das sich über einen spezifizierten Ausbreitungspfad ausgebreitet hat, der zu der Verzögerungsgröße jeder Verzögerungsschaltung 38, 40 korrespondiert), aus einem Ausgangssignal der entsprechenden Korrelationsschaltung 42, 44; die Bezugsziffern 50 und 52 repräsentieren jeweils einen Verstärker zum Verstärken eines Ausgangssignals des entsprechenden Bandpaßfilters 46, 48; und die Bezugsziffer 60 steht für einen Detektor zum geeigneten Verarbeiten von Signalen von zwei extrahierten Doppler-Frequenz komponenten, um dadurch die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs und/oder den Richtungswinkel eines Flugobjekts zu detektieren.
• Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung des Detektors 60, der dazu gedacht ist, die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs zu messen. Der dargestellte Detektor ist gebildet von einem in Form einer Schleife aufgebauten Dopplerfrequenz-Aufspürschaltungs-Abschnitt 100 und einem Schleifensteuerschaltungsabschnitt 200. Man beachte, daß der hier verwendete Ausdruck "aufzuspürende Doppler-Frequenz" dem im vorstehenden erwähnten Überschneidungspunkt entspricht.
• Der Dopplerfrequenz-Aufspürschaltungs-Abschnitt 100 umfaßt einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 102; einen Frequenzteiler 104 zur Frequenzteilung einer Ausgabe des VCO 102, um dadurch zwei Arten von frequenzgeteilten Signalen COS und SIN mit um 90º verschiedenen Phasen zu erhalten; symmetrische Modulatoren 106, 108, 110 und 112, jeweils zum Modulieren einer Ausgabe des entsprechenden Verstärkers 50, 52 unter Verwendung des frequenzgeteilten Signals COS oder SIN; Tiefpaßfilter (LPFs) 114, 116, 118 und 120, jeweils zum Durchlassen niederfrequenter Komponenten eines Ausgangssignals des entsprechenden Modulators; Verstärker 122, 124, 126 und 128, jeweils zum Verstärken eines Ausgangssignals des entsprechenden LPF; Quadrierer 130, 132, 134, 136, jeweils zum Multiplizieren einer Ausgabe des entsprechenden Verstärkers mit sich selbst; einen Addierer 138 zum Realisieren einer Addition von jeder Ausgabe der Quadrierer 130 und 132; einen Addierer 140 zum Realisieren einer Addition von jeder Ausgabe der Quadrierer 134 und 136; eine Differenzbildungsschaltung 142 zur Bildung einer Differenz zwischen jeder Ausgabe der Addierer 138 und 140; und einen Integrator 144 zum Integrieren der Summe einer Ausgabe der Differenzbildungsschaltung 142 und einer Ausgabe einer Differenzbil dungsschaltung 206 (siehe weiter unten) und zum Zuführen des integrierten Ausgangssignals zu dem VCO 102.
• Andererseits umfaßt der Schleifensteuerschaltungsabschnitt 200 einen Addierer 202 zum Realisieren einer Addition von jeder Ausgabe der Verstärker 50 und 52; eine Filterschaltung 204 mit einem Hochpaßfilter (HPF) und einem Tiefpaßfilter (LPF), welche in Form eines Schalter-Kondensator-Systems realisiert und mit der Ausgangsfrequenz des VCO 102 synchronisiert ist und auf eine Ausgabe des Addierers 202 und die Ausgabe des VCO 102 anspricht; eine Differenzbildungsschaltung 206 zur Bildung einer Differenz zwischen jeder Ausgabe von dem HPF und dem LPF in der Filterschaltung 204; und einen Addierer 208 zur Bildung der Summe von einer Ausgabe der Differenzbildungsschaltung 206 und der Ausgabe der Differenzbildungsschaltung 142 und zum Zuführen der Summenausgabe zu dem Integrator 144.
• In der Anordnung von Fig. 2 wirkt der Dopplerfrequenz-Aufspürschaltungs-Abschnitt 100 im Ganzen so, daß er eine einzige Dopplerfrequenz aufspürt und spezifiziert, die genau dem Überschneidungspunkt entspricht (siehe Fig. 9b), an dem sich die beiden Antennencharakteristika der Antennen 22, 24 überschneiden. Des weiteren, wenn die Differenz zwischen einer Dopplerfrequenz, die gerade aufgespürt wird, und jeder von den Dopplerfrequenzen, welche durch die Bandpaßfilter 46, 48 extrahiert werden, von einem vorbestimmten Frequenzbereich abweicht, so bewirkt der Schleifensteuerschaltungsabschnitt 200, daß der Dopplerfrequenz-Aufspürschaltungs-Abschnitt 100 so gesteuert wird, daß die aufzuspürende Dopplerfrequenz in den vorbestimmten Frequenzbereich gesetzt wird. Somit kann der VCO 102 in dem Dopplerfrequenz-Aufspürschaltungs-Abschnitt 100 ein Signal der spezifizierten Dopplerfrequenz fd ausgeben, wie in Fig. 8 ge zeigt. Die Frequenz fd entspricht der Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
• Fig. 3 zeigt die Schaltungsanordnung des Detektors 60, der dazu gedacht ist, den Richtungswinkel eines Flugobjekts zu messen.
• Der dargestellte Detektor ist aufgebaut aus Leistungswandlern 302 und 304 zum Bewirken einer Leistungswandlung der entsprechenden Ausgabe der Verstärker 50 bzw. 52, und einer Differenzbildungsschaltung 306 zur Bildung einer Differenz zwischen jeder Ausgabe der Leistungswandler 302 und 304.
• Nach der Anordnung von Fig. 3 wird ein Ausgangssignal der Differenzbildungsschaltung 306, wie in Fig. 9a gezeigt (siehe "Signalpegel"), entsprechend der Größe und Polarität der Differenz zwischen den Ausgaben der Leistungswandler 302 und 304 verändert. Demnach ist es dadurch, daß ein Signalpegelwert von der charakteristischen Kurve gemäß Fig. 9a gewonnen wird, möglich, einen Ablenkungswinkel θ zu spezifizieren, der dem erhaltenen Signalpegelwert entspricht. Der spezifizierte Ablenkungswinkel zeigt die Richtung an, in der ein zu detektierendes Zielobjekt existiert, welches innerhalb des Meßbereichs liegt, wie in Fig. 9b gezeigt. Man beachte, daß in Fig. 9b das Bezugszeichen XP den Überschneidungspunkt der beiden Antennencharakteristika bezeichnet. Demnach gibt die Differenzbildungsschaltung 306 ein Signal aus, welches den Richtungswinkel θ des Zielobjekts (Flugobjekts) anzeigt.
• Im folgenden wird die Funktionsweise der Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform (siehe Fig. 1) erläutert, unter Bezugnahme auf die in den Fig. 7a bis 7h, Fig. 8 und Fig. 9a gezeigten Signalwellenformen.
• In der Anordnung von Fig. 1 bewirken die Modulatoren 18 und 20 eine direkte Spreizungsmodulation in bezug auf das von dem Oszillator 10 über den Richtkoppler 12 und den Verteiler 14 zugeführte Übertragungs-Trägersignal f&sub0; (siehe Fig. 7a), unter Verwendung der von dem Codegenerator 16 zugeführten codierten Zweiphasen-Zufallssignale MA1, MB1 (siehe Fig. 7b). Die jeweiligen modulierten Übertragungssignale (siehe Fig. 7c) werden über die Zirkulatoren 26, 28 den Antennen 22 bzw. 24 zugeführt und dann in einem gespreizten Zustand, wie in Fig. 7d gezeigt, von den Antennen 22, 24 in Richtung Boden oder dergleichen abgestrahlt.
• Die Reflexionswellen vom Boden oder dergleichen für die abgestrahlten Radiowellensignale werden von den Antennen 22, 24 in einem Zustand empfangen, in dem sie Beeinflussungen durch eine Reflexion in der engen Nachbarschaft oder eine Interferenz der Übertragungssignale oder ein Störsignal im Empfangskanal enthalten. Die empfangenen Signale werden über die Zirkulatoren 26, 28 den Demodulatoren 30 bzw. 32 zugeführt. Die Demodulatoren 30, 32 mischen die von den Zirkulatoren 26, 28 zugeführten Empfangssignale mit dem von dem Richtkoppler 12 zugeführten lokalen Signal und erzeugen dadurch die Zwischenfrequenzsignale IF1 bzw. IF2. Im einzelnen werden in dem Fall, daß in den von den Antennen 22 und 24 empfangenen Signalen enthaltene Doppler-Frequenzkomponenten durch fd1 bzw. fd2 repräsentiert sind, die empfangenen Signale durch die Demodulatoren 30, 32 wie in den Fig. 7e bzw. 7f gezeigt demoduliert. Die durch die Demodulatoren 30, 32 demodulierten Signale (d. h. die Zwischenfrequenzsignale IF1, IF2) werden durch die Verstärker 34, 36 verstärkt und dann zu den Korrelationsschaltungen 42 bzw. 44 geleitet.
• Andererseits werden die von dem Codegenerator 16 abgegebenen codierten Zweiphasen-Zufallssignale MA1, MB1 (Modulationscodes) durch die Verzögerungsschaltungen 38 bzw. 40 um die bereits erwähnte vorbestimmte Zeitspanne (d. h. um die Zeit, in der sich das Radiowellensignal über einen spezifizierten Ausbreitungspfad ausgebreitet hat), in der Phase verzögert. Die verzögerten codierten Zweiphasen-Zufallssignale MA2, MB2 werden den Korrelationsschaltungen 42 bzw. 44 zugeführt.
• Die Korrelationsschaltungen 42, 44 realisieren eine Korrelation der von den Demodulatoren 30, 32 über die Verstärker 34, 36 zugeführten Zwischenfrequenzsignale IF1, IF2 mit den von den Verzögerungsschaltungen 38 bzw. 40 zugeführten verzögerten codierten Zweiphasen-Zufallssignalen MA2, MB2 und geben dadurch die in den Reflexionswellen aus dem spezifizierten Abstandsbereich enthaltenen Dopplerfrequenzkomponenten (fd1, fd2) aus. Die die Dopplerfrequenzkomponenten enthaltenden Signale, welche von den Korrelationsschaltungen 42, 44 ausgegeben werden, erscheinen am Ausgang der Bandpaßfilter 46, 48, wie in den Fig. 7g bzw. 7h gezeigt. Die Ausgangssignale der Bandpaßfilter 46, 48 werden durch die Verstärker 50 bzw. 52 verstärkt und dann dem Detektor 60 zugeführt.
• Wo die Anordnung nach Fig. 2 als Detektor 60 verwendet wird, wirken der Dopplerfrequenz-Aufspürschaltungs-Abschnitt 100 und der Schleifensteuer-Schaltungsabschnitt 200 zusammen und extrahieren dadurch aus den beiden extrahierten Dopplerfrequenzkomponenten (fd1, fd2) eine Dopplerfrequenzkomponente fd gleicher Phase und gleichen Signalpegels, wie in Fig. 8 gezeigt. Der Detektor (Schaltungsabschnitte 100, 200) formt die extrahierte Dopplerfrequenzkomponente zu Pulsen und mißt die Pulsperiode, um dadurch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu detektieren. Im einzelnen wird ein die Geschwindigkeit anzeigendes Signal erzeugt.
• Andererseits, wenn die Anordnung von Fig. 3 als Detektor 60 verwendet wird, bewirkt der Detektor Leistungswandlungen in bezug auf die zwei extrahierten Dopplerfrequenzkomponenten fd1 bzw. fd2 und bildet dann die Differenz zwischen den gewandelten Ausgaben, um dadurch den Richtungswinkel eines sich der Radareinrichtung nähernden Flugobjekts zu detektieren. Im einzelnen wird ein den Richtungswinkel anzeigendes Signal erzeugt.
• Wie im vorstehenden erwähnt beruht die Meßvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf dem Prinzip, nur Dopplerfrequenzkomponenten zu extrahieren, die in einem Signal enthalten sind, welches sich über einen spezifizierten Ausbreitungspfad ausgebreitet hat, und die extrahierten Dopplerfrequenzkomponenten geeignet zu verarbeiten. So ist es möglich, die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs präzise zu messen, in dem Fall, daß die Vorrichtung in dem Fahrzeug vorgesehen ist, und den Richtungswinkel eines Flugobjekts präzise zu messen, in dem Fall, daß die Vorrichtung in einer Radareinrichtung vorgesehen ist, ohne dabei irgendeiner Beeinflussung durch eine Reflexion in der engen Nachbarschaft oder durch Interferenz des Übertragungssignals oder ein Störsignal in dem Empfangskanal zu unterliegen.
• Ferner ist es möglich, den Abstand zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer Reflexionsoberfläche, beispielsweise dem Erdboden oder dergleichen, zu setzen, indem ein anfängliches Setzen der Phasendifferenz zwischen den codierten Zweiphasen-Zufallssignalen MA1, MB1, welche von dem Codegenerator 16 den Modulatoren 18, 20 zugeführt werden, und den codierten Zweiphasen-Zufallssignalen MA2, MB2, welche von dem Codegenera tor 16 über die Verzögerungsschaltungen 38, 40 zu den Korrelationsschaltungen 42, 44 geleitet werden, geeignet durchgeführt wird. Das anfängliche Setzen kann, wie bereits beschrieben, auf Basis einer geeigneten Auswahl aus der Mehrzahl von Abgreifpunkten erfolgen, welche in dem Schieberegister oder der Verzögerungsleitung enthalten sind, von denen jede Verzögerungsschaltung 38, 40 gebildet ist.
• In der im vorstehenden erläuterten einen Anwendung des Ausführungsbeispiels ist der Fall beschrieben, daß die Vorrichtung in einem Fahrzeug mit Rädern vorgesehen ist, um dadurch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu messen; jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem bewegten Objekt ohne Räder vorgesehen sein, so etwa in einem Linearmotorwagen oder dergleichen, um dadurch die Geschwindigkeit des bewegten Objekts zu messen. Ferner ist es beim Detektieren der Geschwindigkeit des bewegten Objekts möglich, die Beschleunigung und/oder den zurückgelegten Weg des bewegten Objekts auf der Grundlage der Geschwindigkeitsinformation genau zu bestimmen. Demnach kann die vorliegende Erfindung auch für eine Beschleunigungs- und/oder Entfernungsmeßvorrichtung Anwendung finden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Messen physikalischer Größen, die auf eine Relativbewegung zwischen zwei Objekten bezogen sind, wobei die Vorrichtung in einem der beiden Objekte vorgesehen ist und folgendes umfaßt:

einen Oszillator (10) zum Erzeugen eines Trägersignals (f&sub0;) zur Übertragung;

einen Codegenerator (16) zum Erzeugen einer ersten Art und einer zweiten Art codierter Zweiphasen-Zufallssignale (MA1, MB1) für die Modulation, wobei die erste Art und die zweite Art codierter Zweiphasen-Zufallssignale verschiedene Phasen aufweisen;

eine Modulationsschaltung (18, 20) zum Bewirken einer direkten Spreizungsmodulation in bezug auf das Übertragungs- Trägersignal unter Verwendung der erzeugten codierten Zweiphasen-Zufallssignale;

Antennenmittel (22, 24), die eine erste und eine zweite Antenne umfassen, welche Antennencharakteristika mit verschiedenen Strahlungswinkeln aufweisen, zum Übertragen der modulierten Übertragungs-Trägersignale als eine Radiowelle zu dem anderen der beiden Objekte und zum Empfangen einer Reflexionswelle von dem anderen der beiden Objekte, wobei die erste und die zweite Antenne jeweils ein Signal übertragen und empfangen, welches durch eine entsprechende der beiden Arten codierter Zweiphasen-Zufallssignale moduliert ist;

eine Demodulationsschaltung (30, 32) zum Demodulieren eines Signals, welches der empfangenen Reflexionswelle entspricht, unter Verwendung des Übertragungs-Trägersignals, um dadurch ein Zwischenfrequenzsignal (IF1, IF2) zu erzeugen;

eine Korrelationsschaltung (42, 44) zum Durchführen einer Korrelation zwischen dem Zwischenfrequenzsignal, welches durch die Demodulationsschaltung erzeugt wird, und einem Signal (MA2, MB2), welches den gleichen Code wie den der codierten Zweiphasen-Zufallssignale für die Modulation aufweist und eine Phase aufweist, die, verglichen mit den codierten Zweiphasen-Zufallssignalen für die Modulation, um eine vorbestimmte Zeitspanne verzögert ist;

ein Filtermittel (46, 48) zum Extrahieren einer Dopplerfrequenzkomponente, die in einem Signal enthalten ist, welches sich über einen Ausbreitungspfad ausgebreitet hat, der in einem spezifizierten Abstandsbereich existiert, aus einem Ausgangssignal der Korrelationsschaltung; und

eine Detektionsschaltung zum geeigneten Verarbeiten eines Signals der extrahierten Dopplerfrequenzkomponente,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Detektionsschaltung nur eine Dopplerfrequenzkomponente, die in einer Reflexionswelle aus einem Überlappungsbereich der beiden Antennencharakteristika der ersten und der zweiten Antenne enthalten ist, extrahiert und, basie rend auf der extrahierten Dopplerfrequenzkomponente, physikalische Größen detektiert, die auf die Relativbewegung zwischen den beiden Objekten bezogen sind.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend Verzögerungsmittel (38, 40), die zwischen dem Codegenerator und der Korrelationsschaltung vorgesehen sind, zum Versehen der durch den Codegenerator erzeugten codierten Zweiphasen-Zufallssignale für die Modulation mit einer Verzögerung um die vorbestimmte Zeitspanne, wobei die Verzögerung um die vorbestimmte Zeitspanne so gewählt ist, daß sie eine Zeitspanne ist, in der jedes der Radiowellensignale, welche von der ersten und der zweiten Antenne abgestrahlt werden, zu einer Reflexionsoberfläche gelangt, welche in dem spezifizierten Abstandsbereich existiert, und von dort zurückkommt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Verzögerungsmittel ein Schieberegister mit einer Mehrzahl von Abgreifpunkten umfaßt, die für jede Bitausgabe vorgesehen sind, wobei die Verzögerung um die vorbestimmte Zeitspanne gemäß einer geeigneten Auswahl aus der Mehrzahl von Abgreifpunkten bestimmt ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Verzögerungsmittel eine Verzögerungsleitung mit einer Mehrzahl von Ausgangsabgreifpunkten umfaßt, wobei die Verzögerung um die vorbestimmte Zeitspanne gemäß einer geeigneten Auswahl aus der Mehrzahl von Ausgangsabgreifpunkten bestimmt ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend Zirkulationsmittel (26, 28) zum Zuführen des modulierten Übertragungs-Trägersignals zu den Antennenmitteln und zum Zuführen des Reflexionswellensignals, welches von den Antennenmitteln empfangen wird, zu der Demodulationsschaltung.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Filtermittel ein erstes und ein zweites Bandpaßfilter (46, 48) umfaßt, die auf Signale ansprechen, welche diesen von der ersten bzw. von der zweiten Antenne über die Korrelationsschaltung zugeführt werden.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Vorrichtung in einem sich bewegenden Objekt, wie beispielsweise einem Fahrzeug oder dergleichen, vorgesehen ist und die Detektionsschaltung ein Signal erzeugt, welches eine Geschwindigkeit des sich bewegenden Objekts anzeigt.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Detektionsschaltung folgendes umfaßt:

einen Dopplerfrequenz-Aufspürschaltungs-Abschnitt (100), der auf Signale anspricht, die Dopplerfrequenzen enthalten, welche über das erste und das zweite Bandpaßfilter extrahiert wurden, zum Aufspüren und Spezifizieren einer einzelnen Dopplerfrequenz, die genau einem Überschneidungspunkt entspricht, an welchem sich zwei Antennencharakteristika von der ersten und der zweiten Antenne überschneiden; und

einen Steuerschaltungsabschnitt (200) zum Steuern des Dopplerfrequenz-Aufspürschaltungs-Abschnitts, um eine Dopplerfrequenz, die gerade aufgespürt wird, in einen vorbestimmten Frequenzbereich zu setzen.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Vorrichtung in einem Radargerät vorgesehen ist und die Detektionsschaltung ein Signal erzeugt, welches einen Richtungswinkel eines fliegenden Objektes anzeigt, welches dem Radargerät nahekommt.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Detektionsschaltung ein Paar von Leistungswandlern (302, 304) zum Bewirken einer Leistungswandlung einer entsprechenden Ausgabe des ersten bzw. des zweiten Bandpaßfilters und eine Schaltung (306) zum Bilden einer Differenz zwischen jeder Ausgabe der Leistungswandler umfaßt.