DE2500724B2

DE2500724B2 - Doppler-Radar-Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung

Info

Publication number: DE2500724B2
Application number: DE2500724A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Makimoto; Junichi Yamamoto; Sadahiko Yamashita; Yoshiharu Yano
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-01-18
Filing date: 1975-01-10
Publication date: 1978-06-22
Also published as: DE2500724A1; FR2258638B1; US4016568A; GB1482816A; DE2500724C3; JPS50104891A; CA1032255A; FR2258638A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Doppler-Radar-Vprrichtung zur Geschwindigkeitsmessung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Tatsache, daß die Relativbewegung eines Zieles und einer Radaranlage durch Aussenden eines Strahles elektromagnetischer Strahlung vorbestimmter Frequenz, gewöhnlich im Mikrowellenbereich, in Richtung des Zieles und durch Messen der Frequenzabweichungen eines Echos von der vorbestimmten Frequenz bestimmt werden kann, ist in der Technik bekannt. Die Doppler-Frequenzverschiebung ist ein extremer Bruchteil der ausgesandten Frequenz, der eine Funktion des Winkels zwischen der Fortpflanzungsrichtung des Strahles und der Bewegungsrichtung des Zieles ist. Wenn der Strahl bei Fortpflanzung in Richtung des Zieles divergiert, ändert sich dieser Winkel mit der Zeit, weil sich das Ziel vorwärtsbewegt. Die Signalstärke des empfangenen Echos, die an den wahrnehmbaren Interferenz- oder Randbereichen des divergierenden Strahles entsteht, ist viel schwächer als in dem Zwischenteil des Strahles, so daß die Doppler-Frequenzverschiebung infolge des möglichen Interferenzgeräusches sehr stark schwankt, das auftritt, wenn das Ziel in die Grenzbereiche eintritt und diese verläßt. Die Verwendung einer Antenne mit größerem Durchmesser kann einen schmalen Strahl großer Intensität zur Vermeidung einer solchen Schwierigkeit nur mit entsprechend erhöhten Kosten herstellen. Außerdem ist es schwierig, den sich ändernden Winkel zur Messung der Doppler-Verschiebung zu kompensieren, so daß ein Fehler in die Messung eingeführt wird, falls keine geeignete Anordnung getroffen wird.

Aus der DT-AS 11 56 890 ist ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung mit Hilfe der Doppler-Frequenz bekanntgeworden. Dort erfolgt eine Messung der Doppler-Frequenz abhängig vom Amplitudenwert des Schwingungszuges der Doppler-Frequenz. Hierdurch soll einerseits die Trägheit eines Anzeigeinstrumentes reduziert werden und andererseits auch bei einem schnellen Durchlaufen des Meßobjektes durch den Strahlwinkel eine beständige Meßanzeige geliefert werden, die erst bei einer nachfolgenden Messung gelöscht wird.

Aus der DT-AS 12 34 075 ist ein Doppler-Radargerät bekanntgeworden, bei dem ein Teil des empfangenden Echosignals dadurch ausgewählt wird, daß die Doppler-Schwingungen fortlaufend gezählt werden und daß ein Meßsignal zwischen einer ersten und einer zweiten Zählung aufgenommen wird. Da zwischen der ersten und der zweiten Zählung eine feste Zahl von Doppler-Schwingungen vorliegt und das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Doppler-Schwingungen eine Funktion der Geschwindigkeit des Objekts darstellt, gibt der Inhalt eines dritten Zählers eine Messung der gesamten Länge des Intervalls zwischen erstem und zweitem Zähler wieder. Demzufolge bewirkt das Zählgerät eine Messung der Zeit, die für den Durchlauf einer vorbestimmten Meßstrecke benötigt wird. Insbesondere soll eine Messung innerhalb von

jo zwei Meßstrecken erfolgen.

Bei den erwähnten Vorrichtungen bzw. Verfahren haftet ebenfalls der oben geschilderte Nachteil an, daß die Meßfehler, die durch ein Divergieren des Meßstrahles verursacht werden, nicht beseitigt werden können.

J5 Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Doppler-Radar-Vorrichtung zum Messen der Doppler-Frequenz eines Echos mit hohem Genauigkeitsgrad unter Verwendung einer Antenne mit kleinem Durchmesser zur Beibehaltung des Vorteils der Wirtschaftlichkeit zu schaffen, wobei die Vorrichtung zum Auswählen eines gewünschten Teiles des Echos dient, der als Ergebnis davon auftritt, daß das Ziel einen Zwischenteil des ausgesandten Strahles durchquert, um zu ermöglichen, daß die Messung an dem ausgewählten Teil des Echos erfolgt, und bei der die Periodenzahl der Doppler-Frequenz gezählt wird, um den Zwischenteil des Echos zur Bestimmung der relativen Geschwindigkeit des Zieles und der Radaranlage zu verwenden.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung gemäß Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Mit dieser Vorrichtung erfolgt die Messung eines Echos infolge Relativbewegung eines Zieles und eines Echoempfangspunktes, wobei ein Strahl elektromagnetischer Strahlung vorbestimmter Frequenz zu dem Ziel gesandt wird, die Frequenz des Echos und die vorbestimmte Frequenz zur Feststellung der Doppler-Frequenz kombiniert und die festgestellte Doppler- Frequenz in einen Wert umgesetzt wird, der die relative Geschwindigkeit des Zieles und des Empfangspunktes angibt, und wobei die Periodenzahl der festgestellten Doppler-Frequenz beim Empfang des Echos gezählt wird und die Messung der Doppler-Frequenz beim Zählen einer vorbestimmten Periodenzahl die Bestimmung der relativen Geschwindigkeit ermöglicht. Dabei kann eine übliche parabolische Antenne mit kleiner öffnung verwendet werden, um Wirtschaftlichkeit bei

25 OO 724

der Aussendung des divergierenden Strahles zu erzielen. Die Frequenz des Echos und die vorbestimmte Frequenz werden kombiniert bzw. gemischt.

Da der Winkel zwischen der Fortpflanzungsrichtung und der Bewegungsrichtung für den begrenzten Teil des Echos, der in einem schmaleren Bereich des Strahles auftritt, in einem geringeren Grade variiert als zwischen den kleinsten und größten Winkeln, die in den wahrnehmbaren Randbereichen des Strahles entstehen, und die Verzögerung bei irgendeinem Strahlwinkel voreingestellt werden kann, wird die Messung der Doppler-Verschiebung mit einem höheren Genauigkeitsgrad ermöglicht als nach bekannten Methoden durch Kalibrieren des erhaltenen Ergebnisses mit dem voreingestellten Winkel möglich ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung des Prinzips der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 3 ein Blockschaltbild einer abgeänderten Ausführungsform der Anordnung nach F i g. 2 und

F i g. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der verschiedenen Signalwellenformen, die in der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 auftreten.

In F i g. 1 ist das Prinzip der Erfindung schematisch dargestellt. Es wird angenommen, daß sich ein Objekt oder Ziel 1 in Richtung des Pfeiles 3 längs einer geraden Bahn 2 bewegt. Eine Radarantenne 4 wird relativ zu dem Ziel angeordnet und sendet einen Strahl elektromagnetischer Strahlung einer vorbestimmten Frequenz, die gewöhnlich in dem Mikrowellenbereich liegt, mit einem Divergenzwinkel φ aus, wobei die Mittelachse des Strahles die Bahn 2 an dem Punkt 6 unter einem Winkel Θ schneidet. Wenn das Ziel 1 in den Erfassungsbere'ch der elektromagnetischen Strahlung 5 eintritt, reflektiert das Ziel 1 die Strahlung als ein Echo zu der Antenne 4, welche die Doppler-Frequenzverschiebung in dem Zielecho erfaßt, die der Radialkomponente der Zielgeschwindigkeit proportional ist. Die Doppler-Frequenzverschiebung Af ist ein extrem kleiner Bruchteil der ausgesandten Frequenz f. Sie wird durch die folgende Gleichung gegeben, wobei V die relative Geschwindigkeit, C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung und A der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des Zieles 1 und der Fortpflanzungsrichtung sind:

2 Vf

cos A.

Da der ausgesandte Strahl einen Divergenzwinkel φ hat, liegt der Winkel A im Bereich von Θ — φ/2 bis Θ + φ/2. So ist ersichtlich, daß sich die Doppler-Frequenzverschiebung mit der Zeit ändert, wenn das Ziel 1 den Strahl 5 zwischen den Maximal- und tvlinimalwerten durchquert, die durch die folgenden Gleichungen gegeben werden:

•I/«« = -^-cos

' J min

2Vf

COs(fi> + γ

Daher wird ein Fehler in die festgestellte Geschwindigkeit eingeführt, da es schwierig ist, die variierenden Winkel zwischen der Richtung der Relativbewegung und der Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung zu kompensieren.
Crfindungsgemäß wird der Divergenzwinkel des Strahles durch eine elektronische Schaltung äquivalent dadurch reduziert, daß die Messung der Doppler-Frequenzverschiebung auf einen Teil des Echos beschränkt wird, der innerhalb eines begrenzten Divergenzwinkels auftritt. Unter der Annahme, daß das Ziel 1 im Strahl 5

ίο die Strecke L\ (F i g.¹) durchquert hat, ist die Zeit, die er zum Durchlaufen dieser Strecke benötigt, UIV, und die Periodenzahl fA/|)der festgestellten Doppler-Frequenzverschiebung, wenn das Ziel 1 die Strecke L\ zurücklegt, wird durch die folgende Gleichung gegeben:

2 Vf

cos ti =

cos θ,

In gleicher Weise wird die Periodenzahl (Ni) der Doppler-Frequenzverschiebung, wenn das Ziel die Strecke L^ = U + AL) zurücklegt, durch die folgende Gleichung gegeben:

ff, =

2(L₁ + -IL)/
C

cos θ.

Daher wird die Periodenzahl (AN), die auftritt, wenn das Ziel einen Streckenbruch teil AL zurücklegt, gegeben durch:

„I N = Λ'₂ - N₁ =

2.IL/

cos Θ.

)■; Daher ist ersichtlich, daß die Periodenzahl von der Geschwindigkeit des sich bewegenden Zieles unabhängig ist und daß ein gewünschter Teil des Echos durch Zählen der Periodenzahl der festgestellten Doppler-Verschiebung ausgewählt werden kann, wobei die Doppler-Verschiebungsmessung beim Zählen von N\ beginnt und beim Zählen von Λ/2 aufhört. Daher ist die Messung der Doppler-Frequenzverschiebung auf einen gewählten schmalen Echo-Bereich beschränkt, um dadurch den möglichen Fehler auf einem Minimum zu halten.

In F i g. 2 ist eine Empfangsstation 10 einer Doppler-Radaranlage gemäß der Erfindung dargestellt, die allgemein aufweist eine herkömmliche Doppler-Verschiebungs-Erfassungsschaltung 11, die zum Empfangen des Eingangsechosignals über eine Empfangsantenne 4 eingerichtet ist, eine Schmitt-Triggerschpltung 13, eine Doppler-Verschiebungs-Meßschaltung 14, welche die Doppler-Frequenzverschiebung infolge Relativbewegung des Zieles und der Antenne 4 mißt, einen ersten j Zähler 15, einen zweiten Zähler 16, eine Rückstellschaltung 17 und ein Sichtgerät 118. Ein Echo wird so lange erzeugt, wie das Ziel 1 den Strahl 5 längs der Bahn 2 durchquert und von der Antenne 4 aufgenommen und an einen Richtleiter 12 angelegt wird, der viel größeren Verlust in einer Signalrichtung als in der entgegengesetzten Richtung veranlaßt. Eine Mischstufe 19 kombiniei: das empfangene Echo-Signal mit dem Signal eines Überlagerungsoszillators 21, um eine Schwebungsfrequenz zu erzeugen, welche die Frequenzdifferenz

b5 zwischen den beiden Signalen ist und von dem Verstärker 20 verstärkt wird. Bekanntlich ist die Schwebungsfrequenz für die Doppler-Frequenzverschiebung kennzeichnend und liegt gewöhnlich in dem

viel tieferen Bereich als die Frequenz des empfangenen Signals (Fig.4a). Die Schmitt-Triggerschaltung 13 ist mit dem Ausgangsstromkreis der Mischstufe 19 verbunden, um das Eingangssignal in eine Impulsreihe (Fig.4b) umzuwandeln. Der Zähler 15 ist an den Ausgangsstromkreis der Schmitt-Triggerschaltung 13 angeschlossen, um die Zahl der von der Schmitt-Triggerschaltung 13 abgeleiteten Impulse zu zählen, so daß ein Ausgang erzeugt wird, wenn eine vorbestimmte Impulszahl N\, wie oben erwähnt, gezählt wird (Fig.4g). Der Zähler 16 ist auch mit dem Ausgangsstromkreis der Schmitt-Triggerschaltung 13 verbunden, um die Impulse zu zählen, so daß ein Ausgang erzeugt wird, wenn eine vorbestimmte Impulszahl N2 gezählt wird (Fig.4h). Der Ausgang des Zählers 16 wird von einem Inverter 22 umgekehrt und mit dem Ausgang des Zählers 15 in der UND-Schaltung 23 kombiniert, die ein Betätigungssignal (Fig.4j) erzeugt, das an die Meßschaltung 14 angelegt wird. Die Meßschaltung 14 weist einen Frequenz-Spannungs-Wandler 24 auf, der die Momentanfrequenzen des festgestellten Doppler-Signals demoduliert und in ein Spannungssignal umwandelt, dessen Amplitude proportional zu der Momentanfrequenz (Fig.4k) variiert. Da der Vorderflankenteil des Echos, der zuerst ankommt, und der Hinterflankenteil des Echos, der zuletzt an der Empfangsantenne ankommt, in der Signalstärke viel schwächer als der Zwischenteil des Echos sind, würde das Signal am Anfan·* und Ende des Empfangs durch Störgeräusche beträchtlich beeinflußt werden und hinsichtlich der Frequenz stark schwanken, wie erwähnt wurde. Das Spannungssignal wird dann an eine Torschaltung 25 angelegt, an die auch der von der UND-Schaltung 23 abgeleitete Betätigungsimpuls gegeben wird, um das Spannungssignal, das in dem Zwischenteil des Gesamtechos liegt, zu einer Spitzendetektor- und Halteschaltung 26 durchzulassen, die den Maximalwert des mit einem Sichtgerät 18 wiederzugebenden Spannungssignals gleichrichtet. Das Signal wird so lange aufrechterhalten, bis es durch einen Rückstellimpuis gelöscht wird, was zur Erleichterung der Ablesung der wiedergegebenen Daten später beschrieben wird. Eine Winkelgleichschaltung 27 ist mit dem Ausgangskreis der Schaltung 26 verbunden, um das Ausgangssignal auf die Geschwindigkeit des zu messenden Objekts längs :>einer Bewegungsrichtung zu normieren. Da die Periodenzahl der Doppler-Frequenzverschiebung oder die Zahl der von der Schmitt-Triggerschaltung 13 abgeleiteten Impulse von der Geschwindigkeit des sich bewegenden Zieles 1 unabhängig ist, wird der angenäherte Winkel des gleichgerichteten Spitzensignals durch Zählen einer vorbestimmten Impulszahl bestimmt, und das an dem Ausgang der Schaltung 26 erhaltene Signal wird mit dem Winkel des festgestellten Signals kalibrieri, um einen hohen Genauigkeitsgrad zu erhalten.

Die Rückstellschaltung 17 umfaßt eine integrierende Schaltung 28, welche die Gleichstromkomponente (Fig.4c) der von der Schmitt-Triggerschaltung 1; abgeleiteten Impulse feststellt, eine zweite Schmitt Triggerschaltung 29, die einen einzigen Rechteckimpuli (Fig.4d) ansprechend auf den Ausgangspegel de; Integrators 28 erzeugt, eine Differenzierschaltung 30 die den Rechteckimpuls differenziert, so daß eir scharfer positiver Impuls bei der ansteigenden Flanke des angelegten Impulses und ein scharfer negativer Impuls bei der abfallenden Flanke des Impulses erzeug! wird (F i g. 4e), und einen monostabilen Multivibrator 31 der einen Rückstellimpuls ansprechend auf den negativ gerichteten Impuls herstellt. Der Rückstellimpuls wird zum Rückstellen der Zähler 15 und 16 und die

\^r, Spitzendetektor- und Halteschaltung 26 für nachfolgendes Ablesen verwendet.

Obgleich der Spitzendetektor 26 durch eine Mittelwertschaltung oder einen Minimalpegeldetektor ersetzt werden kann, wird die Verwendung des Spitzendetektors bevorzugt, weil die Doppler-Frequenzverschiebung ein extrem kleiner Bruchteil der ausgesandten Frequenz ist, wie oben beschrieben wurde.

Die Doppler-Verschiebungs-Meßschaltung 14 kann so abgeändert werden, wie in F i g. 3 gezeigt ist. Dort

:-) umfaßt diese Schaltung eine UND-Schaltung 32, die an die Schmitt-Triggerschaltung 13 angeschlossen ist, um deren Ausgang zu einer Impulsintervallfeststellungsschaltung 33 durchzulassen, welche die Periodendauer jeder Schwingung der festgestellten Doppler-Verschiebung in eine digitale Größe umwandelt, die dann an eine Minimalwertfeststellungs- und -halteschaltung 34 angelegt wird, die den Minimalwert der digitalen Größe feststellt. Die Schaltung 34 kann als Vergleichsschaltung, die den Minimalwert im Vergleich mit einem Bezugswert feststellt, und mit einer Speichervorrichtung ausgebildet sein, die den festgestellten Wert speichert. Da der festgestellte Wert der Geschwindigkeit des sich bewegenden Zieles umgekehrt proportional ist, ist ein Umsetzer 35 vorgesehen, der den festgestellten Minimalwert in einen Maximalwert zwecks Anzeige der Relativgeschwindigkeit umwandelt. In gleicher Weise wird der von der UND-Schaltung 18 abgeleitete Betätigungsimpuls an die UND-Schaltung 32 angelegt, so daß das Signal aus der

4> Schmitt-Triggerschaltung 13 hindurchgelassen und somit die Messung der Doppler-Verschiebung während eines Teiles des Echos zugelassen wird, der als Ergebnis auftritt, wenn das Ziel 1 einen begrenzten Teil des Strahles 5 durchquert, wodurch Teile des Echos

ν, weggeschnitten werden, die bei oder nahe dem Beginn und dem Ende des Echoempfangs auftreten, wenn das Ziel in den erfaßbaren Bereich des Strahles 5 eintritt und diesen verläßt.

Die Speichereinheit der Schaltung 34 wird durch den

5> Rückstellimpuls von der Rückstellschaltung 17 zur nachfolgenden Ablesung der Daten gelöscht.

Jicrzn 3 IJIiitl Zcichnunm-'ii

Claims

Patentansprüche:

1. Doppler-Radar-Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung mit einem Detektor für die Doppier-Frequenz und mit einer Meßschaltung für diese Frequenz, wobei der Zeitpunkt für den Beginn der Messung vom Doppler-Signal abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zählung der Anzahl der Perioden der Doppler-Frequenzsignale zwei Zähler (15, 16) vorgesehen sind, wobei der erste Zähler (15) nach Zählung einer ersten vorbestimmten Impulszahl (TVi) und der zweite Zähler (16) nach Zählung einer zweiten vorbestimmten Impulszahl (N2) ein Ausgangssignal abgibt, und daß in dem Zeitintervall zwischen Erreichen der ersten Impulszahl (N^) und der zweiten Impalszahl (N}) eine mit Zählern (15,16) verbundene Torschaltung (23) ein Ausgangssignal erzeugt, welches als Steuersignal für die Meßschaltung dient, so daß während der Dauer dieses Steuersignals das über einen Frequenz-Spannungswandler (24) an die Meßschaltung (14) angelegte Doppler-Frequenzsignal in der Meßschaltung gemessen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung aus einem UND-Glied (23) besteht, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des ersten Zählers (15) und dessen zweiter Eingang über einen Inverter (22) mit dem Ausgang des zweiten Zählers verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschaltung (14) zur Eichung des Einfallswinkels (Θ) eine Eichschaltung (27) nachgeschaltet ist.