DE2953459A1

DE2953459A1 - Radar speedometer

Info

Publication number: DE2953459A1
Application number: DE792953459A
Authority: DE
Inventors: J Fritzlen; J Witler
Original assignee: FRITZLEN M
Current assignee: FRITZLEN M
Priority date: 1978-12-28
Filing date: 1979-12-26
Publication date: 1981-01-15
Also published as: GB2057810A; WO1980001418A1; CA1133100A; GB2057810B; US4231039A

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines sich über eine feststehende Oberfläche bewegenden Fahrzeuges unter Ausnutzung des Dopplerradareffektes und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Geschwindigkeit von einer relativ zu einem Schienenbett sich bewegenden Lokomotive.

Hintergrundtechnik

Bislang wurden Lokomotiven mit mechanischen oder elektromechanischen Geschwindigkeitsmessgeräten ausgerüstet, die im wesentlichen die Radumdrehungen pro Zeiteinheit erfassen und diese Information z.B. in Form von Km pro Stunde wiedergeben. Derartige Geschwindigkeitsmessgeräte bereiten ernste Probleme aufgrund der üngenauigkeit, die sich aus dem im Laufe der Zeit einstellenden Verschleiss der Räder und aus dem Schlupf der Räder, insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten,ergibt, der wiederum den Verschleiss erhöht. Auch sind diese Geschwindigkeitsmessgeräte bei niedrigen Geschwindigkeiten, insbesondere unterhalb 1,6 -km/h, von Natur her ungenau.

Die Notwendigkeit, Geschwindigkeiten, insbesondere niedrige Geschwindigkeiten, genau zu messen, ist infolge der Einführung von Einheitszügen grosser geworden. Der Grund hierfür ist, dass derartige Züge häufig mit Kohle, beispielsweise dadurch beladen werden, dass man die leeren Waggons mit niedrigen Geschwindigkeiten, die wesentlich in Nähe von 1, 6 km/h liegen, unter einem Beladungstrichter vorbeibewegt. Jede wesentliche Geschwindigkeitsabweichung von der vorgegebenen Geschwindigkeit kann dazu führen, dass die Waggons zu gering oder zu stark beladen werden.

Die Anwendung der Dopplerradartechnik, beispielsweise zur Messung der Geschwindigkeit von Automobilen, ist bekannt, doch belaufen sich diese Anweridungsfälle im allgemeinen auf die Bewegung von Fahrzeugen, deren Geschwindigkeit längs

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der Antennenstrahlachse oder Mittellinie gemessen werden soll. Die Anwendung der Dopplerradartechnik zur Messung der Geschwindigkeit einer Lokomotive ist nicht praktisch, da ankommende oder vorbeifahrende Züge auf benachbarten Gleisen in dem Strahl der gesendeten Mikrowellenenergie liegen und damit fehlerhafte Messungen hervorrufen würden. Um zu verhindern, dass sich bewegende Gegenstände in den Strahl der an einer Lokomotive befestigten Radarantenne hineingelangen, wird die Antenne am Unterrahmen der Lokomotive so befestigt, dass sie nach unten auf das Schienenbett unter einem wesentlichen Winkel und vorzugsweise in Bezug auf die Vorderseite der Lokomotive nach hinten weist.

Fällt die Achse des gesendeten RF-Energiestrahles im wesentlichen mit der Bewegungsrichtung des Zieles oder Fahrzeuges zusammen, so wird im wesentlichen eine einzelne Dopplerfrequenz erzeugt oder ist wenigstens die Amplitude der einzelnen Frequenz so vorherrschend, dass sie leicht als einzelne Frequenz, die in einem linear proportionalen Verhältnis zur Geschwindigkeit des Zieles steht, verarbeitet werden kann. Wenn jedoch die Antenne, die die RF-Energie sendet und empfängt, unter einem wesentlichen Winkel zur reflektierenden Fläche angebracht ist, haben die erhaltenen Dopplersignale keine einzelne Frequenz, die im wesentlich vorherrscht, sondern wird ein Spektrum oder eine Verteilung von Signalen mit mehreren Frequenzen und Amplituden erhalten. Der Grund hierfür ist, dass der gesendete Strahl aus elektromagnetischer Energie eine finite Strahlausdehnung hat, so dass der Strahl auf eine wesentliche Fläche des Schienenbettes trifft. Das Spektrum csr so erhaltenen Doppiersignale unterscheidet sich von der idealen Verteilung derartiger Signale zum Teil dadurch, dass die Reflexionseigenschaften des Schienenbettes innerhalb besagter Fläche sich ebenfalls erheblich ändern können, so dass die Amplitude der Signale mit der .Zeit Änderungen erfährt. Das Spektrum weicht ferner von dem idealen Zustand

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wegen der ungewöhnlichen Geometrie der reflektierenden Fläche, bedingt z.B. durch Bahnübergänge, Vorsehen von Leitschienen und Abstandsänderungen zwischen Schienenbett und der an der Lokomotive befestigten Antenne,von den idealen Verhältnissen ab.

Versuche, die Dopplerradartechnik zur Messung der Geschwindigkeit von Lokomotiven einzusetzen, haben sich bislang nicht als erfolgreich hinsichtlich der über die gewünschten Geschwindigkeitsbereiche erforderlichen Messgenauigkeit erwiesen, da die bekannten Methoden zur Verarbeitung der durch verschiedene Arten von Schienenbetten unter sämtlichen Wetter- und Schienenbedingungen erhaltenen Dopplersignale bislang vorsahen,eine einzelne Dopplerfrequenz, d.h. die Mxttellinienfrequenz_/ zu identifizieren und weiter zu verarbeiten. Diese Mittellinienfrequenz entspricht derjenigen, die durch die Reflexion der gesendeten RF-Energie von der Stelle des Schienenbetts erhalten wird, an der die Achse der Antenne oder ihre Mittellinie das Schienenbett schneidet.

Ausführungen zum Stand der Technik

Zum Stand der Technik wird auf die folgenden Druckschriften gemäß Vorschriften 37 CFR 1.97 Cb) verwiesen: US-PSai 3 833 906, (Augustine), 3 895 384 (Fathauer et al), 4 012 736 (Angwin), 4 052 722 (Millard), Re 29 401 (Aker et al).

H.C. Johnson, Speed Sensors for Locomitives, veröffentlicht von den RCA Laboratories, Princeton, New Jersey, 1976.

In der US-Patentschrift 3 833 906 wird ein Dopplerradarsystem beschrieben, das sich zur Messung der Geschwindigkeit von Landfahrzeugen, insbesondere Automobilen, eignet. Zwei Radarantennen sind am Fahrzeug so befestigt, dass eine nach vorne und die andere nach hinten weist. Die Dopplersignale von jeder Antenne werden aufsummiert, um ein Geschwindigkeitssignal zu bekommen, das in Bezug auf Neigungsänderungen des Fahrzeuges kompensiert ist.

Die US-Patentschrift 3 895 384 beschreibt ein Dopplerradarsystem zur Befestigung an einem Traktor, um kumulativ die

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vom Traktor zurückgelegte Wegstrecke als auch die Bewegungsgeschwindigkeit des Traktors zu messen. In dieser Patentschrift werden auch die Probleme erwähnt, die durch eine Vielzahl von Dopplerfrequenzen,bedingt durch die Strahlausdehnung der Antenne, entstehen. Zur Lösung dieser Probleme wird vorgeschlagen, die Doppierfrequenzen vor ihrer nachfolgenden Weiterverarbeitung zu verstärken und zu beschneiden.

Die US-Patentschrift 4 012 736 betrifft ein Radargeschwindigkeitsmessgerät, das beispielsweise bei Zügen eingesetzt werden kann. Hierbei wird die Verwendung eines Detektors zur Erfassung des Arbeitszyklus vorgeschlagen, um Nebenstörungen auszuschalten.

In der US-Patentschrift 4 052 722 wird ein Verkehrsradarsystem beschrieben, dessen Untersystem zur Signalverarbeitung eine phasenstarre Schleifenschaltung enthält, an der die Eingangssignale direkt anliegen. Des weiteren werden die Eingangssignale der phasenstarren Schleifenschaltung auch über einen abstimmbaren Bandpassfilter zugeführt.

Die US-PS Ee 29 401 offenbart ein Dopplerradarsystem zur Messung der Geschwindigkeit von Motorfahrzeugen. Die Signalverarbeitungsschaltungen enthalten eine automatische Verstärkungssteuerschaltung AGC, die weitestgehend die starken Signale abschwächt, und ein Nachlaufbandpassfilter,der schrittweise abstimmbar ist,

In dem besagten Artikel von H.C. Johnson wird ein Radargeschwindigkeitsmessgerät für Lokomotiven beschrieben. Dieses System enthält ein Nachlauftiefpassfilter, dessen Ausgang an einer phasenstarren Schleife anliegt, die ein spektralmassig reines Ausgangssignal erzeugt, welches wiederum zur Schaffung von Signalen dient, um die herkömmlichen Lokomotivgeschwindigkeitsmessgeräte und Aufzeichnungseinrichtungen zu beaufschlagen, in dem Artikel ist weiter eine gute Er-

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läuterung der Umgebung gegeben, in der Radargeschwindigkeitsmessgeräte für Lokomotiven arbeiten.

OffenbarunK der Erfindung

Die Erfindung schafft Verfahren und Vorrichtungen zum Messen der Geschwindigkeit von einem sich über eine feststehende Oberfläche bewegenden Landfahrzeug. Eine Mikrowellenrichtantenne, die einen Strahl mit geringer Ausdehnung abgibt, ist am Fahrzeug befestigt und auf die Oberfläche unter einem wesentlichen Winkel relativ zum Geschwindigkeitsvektor des Fahrzeuges gerichtet. Die von der. Oberfläche reflektierte RF-Energie wird von der Antenne empfangen und mit der ge-r sendeten Energie vermischt, so dass Dopplersignale mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden erhalten werden. Die Verteilung der Amplituden der reflektierten Signale ist eine Funktion der Frequenz, und es entsteht ein Verteilungsmuster, d.h. ein Spektrum. Die DopplersignaijLe werden, durch einen Linearverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor: verstärkt,und die verstärkten Dopplersignale liegen an e^ner automatischen Verstärkungssteuerschaltung sowie! an Nachlaufbandpassfilter an. Die Verstärkungssteuerschaltung und die Nachlaufbandpassfilter normieren weitestgehend das Spektrum der Dopplersignale, indem die maximalen Amplituden der Signale des Spektrums auf eine im wesentlichen konstante Spannung oder Grosse gebracht und die Komponenten des Spektrums ausgeschaltet werden, deren Frequenzen ausserhalb des Durchlassbereiches des Nachlauf filters liegen. Die <^as normierte Spektrum darstellenden Signale liegen an einer phasenstarren Schleife an, die ein Ausgangssignal abgibt. Die Frequenz dieses Ausgangssignales steht in einer im wesentlichen konstanten mathematischen Beziehung zu sowohl der Mittenfrequenz des Filterdurchlassbereiches als auch zur Frequenz derjenigen Signale, die von der Oberfläche im wesentlichen auf der Antennenachse reflektiert werden und als Mittellinienfrequenz bezeichnet wird. Die Mittellinienfrequenz steht wieder in einer im wesentlichen konstanten mathematischer} Beziehung zu der Geschwindigkeit des Fahrzeuges gegenüber der Oberfläche.

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Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung von verbesserten Dopplerradarverfahren und -vorrichtungen zur Messung der Geschwindigkeit eines Landfahrzeuges in Bezug zu der Fläche, auf der sich das Fahrzeug bewegt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Geschwindigkeit einer Lokomotive in Bezug auf das Schienenbett nach dem Dopplerradarprinzip, um genau und zuverlässig die Geschwindigkeit der Lokomotive über deren normalen Geschwindigkeitsbereich zu ermitteln und insbesondere eine genaue Messung bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten vorzunehmen .

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von verbesserten Verfahren und Vorrichtungen zur Verarbeitung einer Spektralverteilung von Doppiersignalen mit unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen zu einem Signal, dessen Frequenz in einer mathematischen Bezeihung zur Mittellinienfrequenz des Spektrums steht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind leicht der folgenden Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele in Zusammenhang mit der Zeichnung zu entnehmen, obschon Abweichungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Inhalt und Umfang des neuen Konzepts der-Offenbarung zu verlassen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm von einem erfindungsgemäss aufgebauten Radargeschwindigkeitsmessgerät,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild von einem Nachlaufbandpassfilter,

Fig. 3 den Verlauf der Amplitude in Abhängigkeit von der Frequenz von typischen Dopplersignalen bei Bewegung des Zielpunktes längs der Achse eines gesendeten Strahles,

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Fig. 4A den Verlauf der Dopplersignale bei. Aufzeichnungen

bis 4F

unter verschiedenen Geschwindigkeiten einer Lokomotive vor der Normierung mittels der erfindur^gsgemäsgen Vorrichtungen und Verfahren,und

Fig. 5 . den Verlauf der Amplituden von Doppler^ignalen eines bestimmten Spektrums mit eingezeigtejti Durchlassbereich eines Nachlauf filters, um di.e Beziehung zwischen Nachlauffilter und Amplitude darzustellen.

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In Fig. 1 ist das Radargeschwindigkeitsmessgerät 10 schematisch gezeigt. Das Geschwindigkeitsmessgerät 10 lässt sich an einer Lokomotive anbringen, die nicht dargestellt ist, wobei die Hornrichtantenne 12 am Unterrahmen der Lokomotive befestigt ist, so dass die Achse 14 des Bündels oder Strahles 16 der abgegebenen elektromagnetischen Mikrowellenenergie auf die Oberfläche des Schienenbettes 18 zwischen den Schienen einer typischen Gleisanlage auftrifft, die nicht gezeigt ist und auf der die Räder der Lokomotive laufen. Der Winkel θ des Strahles gegenüber der Oberfläche 18 liegt bei der bevorzugten Ausführungsform bei im wesentlichen 45°. Die Bewegungsrichtung der Lokomotive in Bezug auf das Schienenbett 18 ist durch Pfeile 20a, 20b angedeutet. Die Antenne 12 liegt vorzugsweise so, dass sie entgegengesetzt zu der Richtung, in der sich die Lokomotive bewegt, weist. Obgleich eine derartige Ausrichtung der Antenne 12 zweckmässig ist, ist sie nicht notwendig. Mit der Antenne 12 ist ein herkömmlicher Generator- und Sender-Empfänger 22 für elektromagnetische Wellen verbunden. Der Sender-Empfänger 22 umfasst vorzugsweise einen in selbsterfassender Betriebsweise eingesetzten Oszillator auf Basis einer Gurm-Diode ,bei dem die Gunn-Diode eine RF-Energie sendet, die reflektierte RF-Energie erfasst.und diese miteinander vermischt. Bei der bevorzugten Ausführungsform erzeugt die Gunn-Diode ein Mikrowellen(CW)-Signal, das auf 10525 MHz abgestimmt ist. Einige der das Strahlenbündel 16 bildenden gesendeten Signale werden von dem Schienenbett 18 reflektiert und fallen in die Antenne 12 ein. Die reflektierten Signale werden in der Gunn-Diode mit den gesendeten Signalen vermischt, um Dopplersignale mit Frequenzen zu erhalten, die gleich dem Frequenzunterschied zwischen den gesendeten und empfangenen Signalen sind. Die Frequenzen der empfangenen Signale ändern sich mit der Geschwindigkeit der Lokomotive und damit der Bewegung der Antenne 12 über dem Schienenbett.

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Für ein Radarmessgerät zur Erfassung der Grundgeschwindigkeit mit einer Antenne 12, die einen schmalen Bündel 16 aus gesendeter Mikrowellenenergie erzeugt, dessen Achse 14 in einer vertikalen Ebene durch den Geschwindigkeitsvektor 20 der Lokomotive liegt und das auf das Schienenbett 18 unter einem Einfallswinkel θ auftrifft, beträgt die Dopplerverschiebung F, = 2V / cos θ X,, worin V die Geschwindigkeit der Lokomotive und λ-die Wellenlänge desgesendeten Signals bedeuten. Im Idealfall beträgt f, bei einer Sendefrequenz von 10525 MHz und θ = 45° etwa 21 Hz pro 1,609 km/h Lokomotivengeschwindigkeit. Dies ist jedoch nur der Fall, wenn der Strahl 14 keine wesentliche Strahlbreite aufweist. Die begrenzte Breite des Strahles 16 mit Λ = 10° bewirkt eine Streuung der Dopplerfrequenz über einen Frequenzbereich, der eine Funktion der Breite <X des Strahles 16 ist, so dass die durch den Sender 22 erzeugten Dopplerfrequenzen eine Verteilung von Frequenzen oder ein Spektrum aufweisen.

Die Dopplersignale vom Sender 22 werden einem herkömmlichen Lineärvorverstärker 24 zugeführt. Aufgabe des Vorverstärkers 24 ist es, die Dopplersignale vom Sender 22 auf einen geeigneten Wert für die nachfolgende Verarbeitung zu verstärken. Ein Schritt bezüglich der Normierung. des Spektrums der Dopplersignale besteht darin, die vom Vorverstärker 24 abgegebenen Signale einer automatischen Verstärkungsteuerungsschaltung 26 (AGC) zuzuführen. Der dynamische Bereich der Schaltung 26 sollte gross sein und vorzugsweise 60 dB betragen, so dass die Schaltung ein schwaches reflektiertes Signal vom Sender 22 und Vorverstärker 24,das;-nahezu gleich dem Grundleitungsrauschen ist, auf das stärkste veranschlagte Signal einstellen kann. Eine geeignete Verstärkungssteuerschaltung für diese Verwendung wird in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Automatic Gain Control has 60 Decibel Range" von N. Hecht in Electronics, März 31, 1977, Seite 107 beschrieben. Die automatische Verstärkungssteuerschaltung 26 erfasst die höchsten Amplituden des empfangenen Signals im Dopplerspektrum und liefert Ausgangssignale, von denen diejenigen Signale, die den oberen Bereich des Spektrums

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bilden, eine im wesentlichen konstante Spannung oder Amplitude unabhängig von den tatsächlichen Amplituden der reflektierten Signale haben, die sich mit der nicht gleichförmigen reflektierenden Eigenschaft des Schienenbettes 18 ändern. Die Amplituden der übrigen Signale des Spektrums werden proportional verstärkt.

Die Ausgangssignale der automatischen Verstärkungssteuerschaltung 26, deren Spektrum bezüglich der Amplitude normiert sind, werden bei der bevorzugten Ausführungsform durch einen herkömmlichen Linearverstärker 28 weiter verstärkt. Der Ausgang des Verstärkers 28 wird Nachlauffiltern 30, 32, 34 und einer unabhängigen phasenstarren Schleife 36 zugeführt.

Fig. 2 ist ein Schaltbild des Nachlauffilters 30. Die Nachlauffilter 32, 34 haben einen ähnlichen Aufbau wie der Filter 30 mit der Ausnahme, dass die Werte für die gewählten passiven Elemente, Kondensatoren und Widerstände, so gewählt sind, dass sich ein unterschiedliches Betriebsverhalten ergibt, d.h. Frequenzbereiche,für die die Nachlauffilter wirkungsmässig ausgelegt sind. Die Nachlauffilter 30, 32, 34 erfassen die hinsichtlich der Amplitude an sie überwiegend angelegten. Signale und rasten bei diesen vorherrschenden Signalen ein und führen einenSuchlauf nach derartigen Signalen über einen Frequenzbereich von beispielsweise 10 bis 1 durch. Wenn die Messung von Lokomotivgeschwindigkeiten im Bereich von 1,12 bis 201 km/h gewünscht wird, wird der Niederfrequenz-Nachlauffilter 30 beispielsweise so ausgelegt, dass er Frequenzen von 14,7 bis 84 Hz entsprechend Geschwindigkeiten im Bereich von 1,1 bis 6,4 km/n sucht. Der Nachlauffilter 32 für den mittleren Frequenzbereich wird so ausgelegt, dass er die Frequenzen sucht, die Geschwindigkeiten im Bereich von 4,0 bis 33,8 km/h entsprechen, während der Hochfrequenz-Nachlauffilter 34 die Frequenzen sucht, die Geschwindigkeiten im Bereich von 27,3 bis 201 km/h entsprechen. Eine Vergrösserung des Frequenzarbextsbereiches von einem Nachlauffilter verringert die Anzahl an Nachlauf-

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filtern, die für einen bestimmten Anwendungsfall benötigt werden. Wie noch zu erläutern ist, werden die Q-Werte für die Nachlauffilter 30, 32,34 so gewählt, dass sie im wesentlichen auf das normierte Spektrum der an die Filter angelegten Dopplersignale abgestimmt sind.

Das Spektrum der vom Verstärker 28 nach der amplitudenmässigen Normierung durch die Schaltung 26 erhaltenen Signale wird ferner an die phasenstarre Schleife (PLL) 36 angelegt. PLL 36 folgt im wesentlichen den Signalen mit maximaler Amplitude, die sich der Dopplerfrequenz aus der von dem Teil des Schienenbettes 18 reflektierten RF-Strahlung nähern , der durch die Strahlenachse 14 oder dem Mittelpunkt der Antenne 12 geschnitten wird, was nachfolgend auch als Mittelpunkt-Dopplerfrequenz bezeichnet wird. Das Ausgangssignal der unabhängigen phasenstarren Schleife 36 ., bei dem es sich um eine Gleichspannnung handelt, die annähernd proportional zur mittellinienbezogenen Dopplerfrequenz ist, wird an eine logische Selektionsschaltung 38 für den Frequenzbereich angelegt. Die Ausgangssignale der Nachlauffilter 30, 32 und 34 werden selektiv einer der beiden Eingangsklemmen von herkömmlichen UND-Gliedern 40, 41, 42 zugeführt. Die anderen Eingangsklemmen stehen mit der logischen Schaltung 38 in Verbindung, die nur eines der UND-Glieder 40, 41, 42 beaufschlagt, wenn die Geschwindigkeit der Lokomotive im gewünschten Betriebsbereich liegt, d.h. gleich oder grosser als 1,1 km/h und nicht wesentlich grosser als die Maximalgeschwindigkeit von 201 km/h bei dem bevorzugten Beispiel ist. Die Ausgangssignale der Glieder 40, 41, 42 liegen an den Eingangsklemmen von einem Inklusiv-ODER-Glied 44 mit drei Eingängen an. Der Ausgang des ODER-Gliedes 44 liegt an einer phasenstarren Hauptschleife 46.an. Diese phasenstarre Hauptschleife 46 erzeugt ein Ausgangssignal mit einer einzelnen Frequenz, die das gewichtete Mittel der ein normiertes Spektrum bildenden Signale darstellt. Diese Frequenz ist im wesentlichen gleich der Mittenfrequenz f des Durchlassbereiches von demjenigen Nachlauffilter, der mit einer

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Eingangsklemme von einem UND-Glied 38 mit zwei Eingängen verbunden ist. Das Glied 48 wird beaufschlagt, sobald die an der PLL-Schaltung 36 anliegenden Dopplerfrequenzsignale gleich oder grosser als die minimale Geschwindigkeit sind, die mit dem Messgerät 10 genau bestimmt werden kann: bei der bevorzugten Ausführungsform 0,96 km/h. Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst jede phasenstarre Schleifenschaltung 36, 46 eine monolithische integrierte Schaltung des Modells CD 4046AF, ein Produkt der RCA Corporation.

Beim Betrieb wird die Antenne 12 so angebracht, dass sie im wesentlichen 45,7 cm über dem üblichen Schotter des Schienenbettes 18 zu liegen kommt und bezüglich der Vorderseite der Lokomotive unter einem solchen Winkel nach hinten weist, dass der Einfallswinkel des von der Antenne 12 gesendeten Mikrowellenstrahles 16 bei der bevorzugten Ausführungsform etwa 45° beträgt. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass der Sender-Empfänger 22 das gleich^ Spektrum erzeugt, wenn die Richtung der Lokomotivbewegung . mit dem Geschwindigkeitsvektor 20 übereinstimmt oder genau entgegengesetzt ist. Wie zuvor erwähnt, beträgt die Frequenz der von der Antenne 12 abgestrahlten oder abgegebenen CW-Signale etwa 10525 MHz.

Bei Verwendung des Dopplerradars zur Messung der Geschwindigkeit von einem Fahrzeug, das sich in beiden Richtungen längs der Achse des RadarStrahles bewegt, ergibt sich im wesentlichen eine einzelne Dopplerfrequenz oder ist wenigstens die Amplitude einer derartigen Frequenz so vorherrschend, d.h. auf einen maximalen Wert, dass die mittelpunktsbezogene Dopplerfrequenz leicht identifiziert und weiterverarbeitet ■werden kann. Fig. 3 ist ein Schrieb bezüglich der Abhängigkeit der Amplitude von der Frequenz eines solchen Systems. Dieser Schrieb könnte durch eine Geschwindigkeitsmossvorrichtung nach der US-Patentschrift 3 118 139 beispielsweise erhalten sein.

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Wenn jedoch die Antenne, die die elektromagnetischen Wellen sendet und empfängt, unter einem beträchtlichen Winkel angebracht wird, wie dies bei der Antenne 12 des Geschwindigkeit smessgerätes 10 der Fall ist, entsteht ein komplexes Spektrum von Dopplerfrequenzen. Fig. 4A-F sind Schriebe für Dopplersignale, die am Ausgang des Sender-Empfängers bei den angegebenen Geschwindigkeiten erhalten werden. In Fig. 4A-F wurden die durchgehenden vertikalen Linien durch die Versuchsanlage erhalten^und diese Linien stellen die errechnete mittelpunktbezogene Dopplerfrequenz für die Geschwindigkeit der Lokomotive dar.

Ein Vergleich der Fig. 4A-F zeigt, dass die Rücksignale unter einem Einfallswinkel im Bereich von θ +_ 1/2o(mit dem darin enthaltenen Mittelpunktswinkel θ hinsichtlich der Amplitude nicht vorherrschen. Die in Fig. 4 wiedergegebene Information dürfte dies bestätigen. Daher muss bei dem erfindungsgemäss unter einem beträchtlichen Winkel liegenden Strahl das erhaltene Frequenzspektrum als ein Gebilde betrachtet und normiert werden, bevor eine weitere Verarbeitung zur Bestimmung der tatsächlichen Geschwindigkeit vorgenommen werden kann. Ausser der mittelpunktsbezogenen Frequenz hat der Rest des Spektrums Frequenzen, die Folge der gesendeten Signale sind, die von Zielpunkten reflektiert werden., welche nicht auf der Mittellinie liegen, so dass die Kosinuskorrekturen für derartige Signale sich voneinander unterscheiden. Die winkelmässige Anordnung der Antenne in Bezug auf die reflektierende Oberfläche ergibt somit ein Spektrum von erzeugten Signalen mit keiner einzelne Frequenz. Wegen der Frequenz- nand Amplitudenunterschiede der reflektierten oder Dopplersignale muss zur genauen Bestimmung von beispielsweise der Geschwindigkeit einer Lokomotive das Spektrum der Dopplersignale normiert werden, wenn der Ausgang des Geschwindigkeitsmessgerätes eine genaue und zuverlässige Anzeige für die Fahrzeuggeschwindigkeit darstellen soll. Die Schriebe nach Fig. 4 zeigen anschaulich den Verlauf der Amplituden- und Frequenz-

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änderungen infolge des Spektrums von Dopplersignalen, die durch den Sender-Empfänger 22 erzeugt werden. Durch Wahl einer geeigneten Hornrichtantenne 12 kann man sicherstellen, dass die auf die reflektierenden Gegenstände nahe der Mittellinie 14 gerichtete und davon reflektierte Mikrowellenenergie statistisch Doppiersignale mit grösserer Amplitude entwickeln als die Signale von weiter wegliegenden Zielpunkten. Das Spektrum der DoppiersignaIe weicht jedoch von den idealen Verhältnissen infolge der relativ grösseren Amplituden der niederfrequenten Komponenten oder Signale ab, die durch Reflexionen unter Winkeln entstehen, welche näher zur vertikalen als der Mittelpunktswinkel θ liegen und Folge der unterschiedlichen Reflexionseigenschaft des Schienenbettes, Rauschstörungen, sich ändernder Geometrie der reflektierenden Gegenstände und dgl. sind. In Fig. 4D ist das Grundlinienrauschen bei niedrigen Frequenzen hinsichtlich der Amplitude annähernd gleich dem Grundlinienrauschen bei höheren Frequenzen rechts von der Mittelpunktsfrequenz. In Fig. 4C übersteigen die Amplituden der niederfrequenten Signale erheblich das Grundlinienrauschen und haben einen Wert von etwa der Hälfte der maximalen Amplitude des Spektrums. Diese Änderungen sind teilweise Folge von den sich ändernden Reflexionseigenschaften des Schienenbettes. Zur leichteren genauen Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit aus dem Spektrum der durch den Sender-Empfänger 22 erhaltenen Dopplersignale . ist es deshalb erforderlich, möglichst viele von derartigen Beeinträchtigungen auszuschalten, um ein normiertes Spektrum oder eine ideale Verteilung der Dopplersignale zu erhalten.

Mit dem hier verwendeten Ausdruck "normiert" ist eine mathematische Mittelung oder genauer eine statistische Mittelung, d.h. eine "Reduzierung auf einen Normwert", gemeint. Gewöhnlich werden die Ursprungswerte von verschiedenen Proben so behandelt, dass die durch die Art der Proben oder der PEObenentnahme bedingten Abweichungen oder Abnormitäten ausgeschaltet werden, so dass die den Proben zuzuordnenden Werte frei von solchen Abweichungen oder Abnormitäten sind . Die

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Abweichungen oder Abnormitäten im Spektrum der durch den Sender-Empfänger 22 erzeugten Dopplersignale fallen in drei Grundkategorieren, d.h. sie betreffen die Amplitude, die niederfrequenten Komponenten und echte Rauschstörungen. Durch Änderungen der Reflexionseigenschaften des Schienenbettes hervorgerufene Amplitudenabweichungen werden im wesentlichen durch die Schaltung 26 ausgeschaltet oder zumindest minimiert. Das Spektrum der von der Schaltung 26 abgegebenen Signale kann als normiert hinsichtlich der Amplitude betrachtet werden. Die durch die niederfrequenten Komponenten im Spektrum der Dopplersignale hervorgerufenen Abweichungen werden durch die Nachlauffilter 30, 32, 34 im wesentlichen ausgeschaltet oder minimiert, da die niederfrequenten Komponenten nicht im Durchlassbereich des Filters liegen. Aus dem

gleichen Grund werden auch die meisten Komponenten der als Störrauschen ausserhalb des Durchlassbereiches der Nachlauffilter 30, 32, 34 klassifizierten Signale ausgeschaltet. Das Spektrum der von den Nachlauffiltern 30, 32, 34 abgegebenen Signale kann daher als normiert hinsichtlich der Frequenz angesehen werden. Somit stellt der Begriff des Normierens, wie er für die vorliegenden Zwecke verwendet wird, die Behandlung eines Spektrums von empfangenen Signalen dar, um im wesentlichen Abnormitäten im empfangenen Spektrum auszuschalten oder zu minimieren und damit ein normiertes Spektrum zu erhalten, das sich, weitgehend den idealen Verhältnissen annähert.

In Fig. 5 ist das Fig. 4B entsprechende Spektrum zusammen mit dem Durchlassbereich 49 des Nachlauffilters bei 50,8 km/h eingetragen. Wird der Q-Wert für den Durchlass des Nachlauffilters so abgestimmt, dass er im wesentlichen dem normierten Spektrum entspricht oder eine idealisierte Verteilung der Dopplersignale vorliegt, so kann man sehen, dass die beiden Faktoren einander im wesentlichen angepasst sind und dass die Mittenfrequenz f des Filters im wesentlichen gleich der Mittellinienfrequenz, wie berechnet,ist. Bei dem vorliegenden Anwendungsfall ist Q im wesentlichen gleich der Banddurchlassbreite des Filters zwischen dessen 3dB-Punkten dividiert durch seine Mittenfrecmenz.

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Nach Fig. 2, die eine schematische Darstellung des Durchlassfilters 30 zum Aufsuchen der niedrigen Frequenzen ist, liegt das hinsichtlich der Amplitude normierte Spektrum der Dopplersignale an der Eingangsklemme 50 an und wird dann dem Filterabschnitt des Nachlauffilters 30 zugeführt, der einen Operationsverstärker 52 enthält. Die Ausgangssignale des Operationsverstärkers 52 liegen an der Ausgangsklemme 54 des Nachlauffilters 30 an und sind kapazitiv mit einer Rückkopplungsschaltung gekoppelt, die einen Operationsverstärker 56 und ein Paar Komparatoren 58, 59 enthält, wo die normierten an der Eingangskiemme 50 anliegenden Eingangssignale mit dem Rückkopplungssignal kombiniert werden, das von einer Phasenverschiebungsschaltung , die den Operationsverstärker 56 enthält, stammt. Die kombinierten Signale werden dann dem Komparator 60 zugeführt. Der Ausgang des Komparators 60 liegt am Gatter eines Feldtransistors FET 62 an, der die Mittenfrequenz f. des Nachlauffilters 52 so modifiziert, dass die Mittenfrequenz f den statistischen Mitten- oder Mittellinienfrequenzen des Spektrums der Signale entspricht, die an der Klemme 50 anliegen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform in Fig. 2 stellen die Komparatoren 58, 59, 60 jeweils ein Viertel von einem MLM 139AL und die Operationsverstärker 52, 56 jeweils eine ■Hälfte von einem MLM 1558AL dar, die beide von der Firma Motorola Inc. erhältlich sind. Wie erwähnt, besitzt das normierte Spektrum der Dopplersignale die Charakteristik von Q, da es hinsichtlich der Frequenz und Bandbreite in gleicher Weise beschrieben werden kann, wie zr.r Definition des Q-Wertes für einen Durchlassfilter. In Fig. 5 beträgt z.B. die Bandbreite des Nachlauffilters 50 Hz bei einer Mittenfrequenz von 200 Hz, was einen Q-Wert von 4 ergibt. Der Q-Wert des empfangenen Spektrums, der hauptsächlich von der Strahlbreite der Richtantenne und der Geometrie der Antenneninstallation abhängt, kann ebenfalls im wesentlichen gleichwertig angesehen werden. Für einen

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ordnungsgemässen Betrieb werden die Schaltungswerte der selbstabstinunenden Bandpass filter 30, 32, 34 so gewählt, dass die Q-Werte annähernd gleich oder angepasst an die Q-Werte des normierten Spektrums der daran anliegenden Dopplersignale sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegen die geeigneten Q-Werte im Bereich von 4 bis 10. Nach Fig. 5 treten nur diejenigen Signale, die das normierte Spektrum darstellen, oder die durch die gestrichelte Linie wiedergegebene idealisierte Verteilung der Dopplersignale an der Filterausgangsklemme auf. Die Signale des empfangenen Spektrums, deren Frequenzen nicht innerhalb der Bandbreite des Filters liegen, werden ausgestossen oder nicht durchgelassen. Die ausgestossenen Signale sind hauptsächlich Rauschanteile oder niederfrequente Komponenten. Das normierte Spektrum wird auf ein Signal mit einer einzelnen Frequenz durch die phasenstarre Hauptschleife 46 reduziert, an der die Ausgänge der Nachlauffilter anliegen.

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Claims

PATENTAM WA LTE

ΙΈΙΤΖΙΜ, MARTHA. B.

Post Office Box B, Vail, Colorado, USA

Radargeschwindigkeitsmeßeinrichtung

A. GRUNECKER

OPL-INO

H. KINKELDEY

W. STOCKMAIR

OR-WO. Ά·« ICALTK*

K. SCHUMANN

DR RCR M»r - θη..Μβ

P. H. JAKOB G. BEZOLD

OR «Λ NAT ·

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MAXIMILIANSTRASSS «3

P 15 386-dg 25. August 1980

PATENTANSPRÜCHE

♦/ Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines
sich über eine feststehende Oberfläche bewegenden Fahr zeuges, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (12, 22) zur Befestigung am Fahrzeug, um einen
schmalen Mikrowellenenergiestrahl auf die Oberfläche unter einem bestimmten Winkel zur Bewegungsrichtung des Fahrzeuges zu senden, die von der Oberfläche reflektierte Mikrowellenenergie zu empfangen und ein Dopplerfrequenz-Ausgangsspektrum zu schaffen, das eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit ist;

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TELEX OS-QO38O

TELEQRAMME MONAPAT

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eine Signalverarbeitungseinrichtung (24 bis 44) , die auf sämtliche Signale des Dopplerfrequenz-Spektrums anspricht und ein normiertes Dopplerspektrum mit einer Anzahl von Signalen unterschiedlicher Amplituden und Frequenzen abgibt; und

eine zweite Einrichtung (46, 48), an der das normierte Dopplerspektrum anliegt, um ein AusgangssignaL zu erzeugen, welches das gewichtete Mittel des normierten Dopplerspektrums darstellt und welches im wesentlichen eine bestimmte Funktion der Geschwindigkeit des Fahrzeuges relativ zur Fläche ist.
2. Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines sich relativ zu einer Oberfläche bewegenden Fahrzeuges, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (12, 22) zur Befestigung am Fahrzeug, um einen schmalen Mxkrowellenenergiestrahl auf die Oberfläche unter einem bestimmten Winkel gegenüber der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges zu senden, die von der Oberfläche reflektierte Mikrowellenenergie zu empfangen und ein Spektrum von nicht weiterverarbeiteten Doppiersignalen zu erzeugen, deren Amplituden-und Frequenzverteilung wesentlich von den idealen Verhältnissen abweicht und die eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit sind;

eine zweite Schaltungseinrichtung (24 bis 44) , an der das Spektrum der unverarbeiteten Doppiersignale von der ersten Einrichtung anliegt und die ein Spektrum von verarbeiteten Dopplersignalen erzeugt, deren Amplituden-und Frequenzverteilungen sich wesentlich den idealen Verhältnissen nähern; und

eine dritte Einrichtung (46, 48), an der das Spektrum der verarbeiteten Dopplersignale von der zweiten Schaltungseinrichtung anliegt und die ein Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz das gewichtete Mittel der Frequenzen der verarbeiteten Dopplersignale ist und das im wesentlichen in einer bestimmten Funktion zur Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zur Oberfläche steht.

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3. Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit von einem sich über eine feststehende Oberfläche bewegenden Fährzeug, dadurch gekennzeichnet , dass man aus einem schmalen Mikrowellenenergiestrahl, der auf die Oberfläche unter einem bestimmten Winkel relativ zur Bewegungsrichtung des Fahrzeuges gesendet und von der Oberfläche reflektiert wird, ein Dopplerfrequenz-Ausgangsspektrum erzeugt, das eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit ist;

sämtliche Signale im Dopplerfrequenz-Spektrum von der ersten Einrichtung verarbeitet, um ein normiertes Dopplerspektrum mit einer Anzahl von Signalen mit unterschiedlichen Amplituden und Frequenzen zu erhalten; und

aus dem normierten Dopplerspektrum ein Ausgangssignal erzeugt, welches das gewichtete Mittel des normierten Dopplerspektrums darstellt und welches in einer bestimmten Funktion zur Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zur Oberfläche steht.
4, Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit eines sich über eine feststehende Oberfläche bewegenden Fahrzeuges, g ekennz ei chnet durch eine Richtantenneneinrichtung (12) zur Befestigung am Fahrzeug, um einen Strahl mit einer Achse aus gesendeten RF-Energiesignalen auf die Oberfläche zu richten, auf der sich das Fahrzeug bewegt, und die von der Oberfläche reflektierten Signale der gesendeten RF-Energie zu empfangen;

eine erste mit der Antenneneinrichtung verbundene Schaltungseinrichtung (22) zur Abgabe der von der Antenne gesendeten RF-Energie und zur Erzeugung von DopplerSignalen, deren Frequenzen gleich der Differenz zwischen den gese ndeten und den reflektierten Signalen ist, wobei die Dopplersignale ein Empfangsspektrum aufweisen, das von einem idealisierten Spektrum der Dopplersignale abweicht;

eine automatische Verstärkungssteuerschaltung AGC (26), an der die Dopplersignale von der ersten Schaltungseinrichtung anliegen und die an ihrem Ausgang ein Spektrum von Dopplersignalen erzeugt, die im wesentlichen kostante

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maximale Amplituden haben;

eine Nachlauf-Band pass- Filtereinrichtung (30-34) , an der der Ausgang der AGC-Schaltung anliegt und die diejenigen Signale durchlässt, die im wesentlichen innerhalb des Banddurchlassbereiches der Nachlauffiltereinrichtung liegen, wobei die Nachlauffiltereinrichtung einen Q-Wert hat, der im wesentlichen dem Q-Wert des idealisierten Spektrums der Dopplersignale entspricht und die Nachlauffiltereinrichtung eine Mittenfrequenz besitzt; und

eine zweite Schaltungseinrichtung (36-4 8), die mit der Nachlauffiltereinrichtung verbunden ist und an der die Signale des Spektrum der Nachlauffilter innerhalb des Banddurchlassbereiches des Filters anliegen, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Frequenz das gewichtete Mittel der Frequenzen der Dopplersignale darstellt und das im wesentlichen der Mittenfrequenz des Banddurchlassbereiches der Nachlauffiltereinrichtung zu jedem bestimmten Zeitpunkt entspricht, wobei diese Frequenz eine Funktio η der Geschwindigkeit über der feststehenden Oberfläche ist.
5. Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit eines sich über eine feststehende Oberfläche bewegenden Fahrzeuges, dadurch gekennzeichnet , dass man von einer am Fahrzeug befestigten Quelle einen schmalen RF-Energiestrahl auf die Oberfläche wirft und aus dem auf das Fahrzeug zurückgeworfenen Strahl Dopplersignale mit einem Spektrum erzeugt;

die Amplitude des Spektrums der Dopplersignale normiert;

die Frequenzverteilung des Spektrums der Dopplersignale normiert, indem aus dem Spektrum der hinsichtlich der Amplituden normierten Dopplersignale im wesentlichen sämtliche Signale des Spektrums ausge.filtert werden, deren Frequenz nicht innerhalb des Banddurchlassbereiches von einem Nachlauffilter liegt, wobei der Banddurchlassbereich einen Q-Wert hat, der im wesentlichen auf das Spektrum der hinsichtlich Amplitude und Frequenz normierten Dopplersignale abgestimmt ist; und

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aus den hinsichtlich Amplitude und Frequenz normierten Signalen des Dopplerspektrums ein Ausgangss.ignal erzeugt, welches das gewichtete Mittel der Frequenzen der Döpplersignale darstellt und welches in einer bestimmten Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zur feststehenden Oberfläche steht.
6. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer sich über ein Schienenbett bewegenden Lokomotive, gekennzeichnet durch

eine Richtantenne (12), die am Unterrahmen der Lokomotive befestigt ist, um einen schmalen Strahl aus gesendeter Mikrowellenenergie auf den Boden zu werfen, wobei der Strahl eine Mittellinie, die die Oberfläche des Schienenbettes im wesentlichen unter einem Winkel θ schneidet, und eine Ausdehnung ^O hat;

einen mit der Richtantenne verbundenen Verstärker (22) zur Erzeugung der Mikrowellenenergie, die von der Antenne gesendet wird, und zur Erzeugung von Dopplersignalen durch Vermischen der gesendeten Signale mit den empfangenen Signalen, die vom Schienenbett innerhalb des Antennenstrahles reflektiert wurden, wobei die Dopplersignale eine Frequenzverteilung haben, die eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Lage der Oberflächenbereiche, von denen die empfangenen Signale reflektiert werden, in Bezug auf die Mittellinie ist, und wobei die Amplituden der Signale von den Reflexionseigenschaften besagter Oberflächenbereiche sowie von der Dopplerfrequenz der Signale abhängen, die von dem Bereich des Schienenbettes reflektiert werden, der von der Mittellinienfrequenz getroffen wird;

eine Verstärkerschaltung (24), die mit dem Sendex^-Empfanger verbunden ist, um die Dopplersignale zu verstärken;

eine automatische Verstärkersteuerschaltung AGC (26) , die mit der Verstärkerschaltung verbunden ist, um die Amplituden der von der Verstärkerschaltung verstärkten Dopplersignale zu ändern, so dass die maximalen Amplituden in der Frequenzverteilung der Dopplersignale am Ausgang der Schaltung im

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wesentlichen konstant sind;

eine Vielzahl von Nachlauffiltern (30-34) mit einem Banddurchrlassbereich;

eine Schaltungseinrichtung (28), die den Ausgang der AGC-Schaltung an die Nachlauffilter anlegt, wobei jeder Nachlauffilter einen Frequenzarbeitsbereich hat und die Frequenzarbeitsbereiche der Filter die Frequenzbereiche überdecken, die den zu messenden Geschwindigkeitsbereich in der Lokomotive entsprechen;

eine phasenstarre Schleife (36); und

eine Schaltungseinrichtung zur Verbindung mit den Signalen der phasenstarren Schleife von dem einen der Vielzahl der Nachlauffilter, dessen Arbeitsbereich die Mittellinienfrequenz für die Geschwindigkeiten der Lokomotive relativ zum Schienenbett zu jedem bestimmten Zeitpunkt enthält; wobei

die phasenstarre Schleife ein Ausgangssignal abgibt, dessen Frequenz in einem bestimmten Verhältnis zur Geschwindigkeit der Lokomotive relativ zum Schienenbett steht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass der Winkel Q im wesentlichen gleich 45° und der Winkel σθ gleich 10° ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass drei Nachlauffilter (3 0-34) mit bestimmten Banddurchlassbereichen vorgesehen sind.
9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass der Schritt zum Normieren des Dopplerfrequenz-Spektrums das Normieren des Spektrums hinsichtlich Amplitude und Frequenz umfasst.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Signalverarbeitungseinrichtung eine automatische Verstärkungssteuerschaltung AGC enthält.

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Die in den Ansprüchen in Klammern eingefügten Bezugszeichen sind nachträglich eingefügt worden und damit nicht Bestandteil der wörtlichen Übersetzung.

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