Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit eines Dopplerradarsensors mit einer Mikrowellentrans- ceiverantenne zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit über Grund.

Bei der Radar-Geschwindigkeitsmessung auf Grundlage des Dopplereffektes wird die geschwindigkeitsproportionale Frequenz ^¬ verschiebung der empfangenen Mikrowelle gegenüber der abgestrahlten ausgewertet. Wird schräg zum Untergrund abge- strahlt, geht der Abstrahlwinkel mit in die Berechnung ein. Da immer eine endlich kleine Fläche des Untergrundes be ^¬ strahlt werden muss, tragen verschiedene Winkelanteile zum Gesamtsignal bei. Die Auswertung des entstehenden Frequenzge ^¬ misches ist derart abweichungsbehaftet, dass eine große Band- breite auch zu hohen Messabweichungen führt. Deswegen wird versucht, die bestrahlte Fläche in Bewegungsrichtung mög ^¬ lichst schmal zu halten. Dafür sind bisher kostenintensive Antennen mit einer großen Apertur notwendig. Weiterhin wird für hochgenaue Messungen eine flache Abstrahlung zur Verrin- gerung der winkel- und untergrundabhängigen Abweichungen angestrebt. Hierbei treten bei dem üblichen elliptischen Bestrahlungsflächen auf dem Untergrund zusätzliche Effekte auf, welche die erreichbare Bandbreitenminimierung begrenzen. Trotz teurer Antennentechnik bleibt der genauigkeitssteigern- de Effekt beschränkt. Der in Fahrtrichtung schmale bestrahlte Streifen des Untergrundes führt einerseits zu geringen Korre ^¬ lationslängen innerhalb der Signalanteile einzelner Streukörper und damit wiederum zu Messunsicherheiten, andererseits ist der Bestrahlungsstreifen bei hohen Genauigkeitsansprüchen

bisher nicht größer als die üblichen Strukturen im Fahrweg oder Gleisbett, z. B. Schwelle oder Metallgehäuse. So kommt es infolge hoher Intensitätsschwankungen zu Verfügbarkeitseinschränkungen .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung der Genauigkeit eines Dopplerradarsensors zur Fahr ^¬ zeuggeschwindigkeitsmessung anzugeben .

Die Genauigkeit von Messverfahren auf Grundlage des Geschwin ^¬ digkeitsdopplereffektes wird maßgeblich durch die relative spektrale Bandbreite des entstehenden Frequenzgemisches be ^¬ stimmt. Diese relative Bandbreite entspricht einem geschwin ^¬ digkeitsunabhängigen Bereich zwischen zwei gedachten Iso- dopplerlinien auf dem Untergrund. Aus der Genauigkeitsangabe lassen sich diese Linien ableiten.

Die bestrahlte Untergrundfläche wird erfindungsgemäß aus der Fahrtrichtung heraus gedreht und gezielt an die Isodopplerge- wichtung des bestrahlten Untergrundes angepasst. Dadurch passt eine wesentlich größere Bestrahlungsfläche zwischen zwei genauigkeitsbegrenzenden Isodopplerlinien. So werden mehr Streukörper erfasst und die statistische Zuverlässigkeit steigt. Die Korrelationslänge der Signalanteile eines Streu- körpers beim Durchqueren der Bestrahlungsfläche vergrößert sich, wodurch sich die mögliche Genauigkeit erhöht.

Durch die Verkippung der Antennenhauptstrahlrichtung gegenüber der Fahrtrichtung treten kaum noch spiegelnde Reflexe an metallischen Objekten im Fahrweg bzw. Gleisbett auf, da diese meist senkrecht bzw. parallel zur Fahrtrichtung ausgerichtet sind. Extreme Intensitätsschwankungen des Doppelsignals wer ^¬ den somit vermieden.

Die Erfassungslänge parallel zur Fahrtrichtung, aus der gleichzeitig Signalanteile erfasst werden, ist größer als die Gleisschwellen. Somit verringert sich die daraus folgende ge- nauigkeits- und verfügbarkeitsbeschränkende Intensitätsmodu- lation der Dopplersignale. Einfachere Auswerteverfahren können erfolgreich eingesetzt werden.

Die Apertur, d. h. die Antennenbreite in die weniger bündelnde Abstrahlrichtung kann gegenüber bisherigen Einsatzvarian- ten ohne Einbußen weiter gesenkt werden. Damit verringert sich die notwendige Fläche an teurem Hochfrequenzleiterplat ^¬ tenmaterial, welches die Antennenkosten bestimmt.

Die senkrechte Bauhöhe des Sensors verringert sich stark. So- mit können auch kritische Einbauplätze, z. B. unter dem ICE, durch entsprechende Applikationen abgedeckt werden. Eine ins ^¬ gesamt kompaktere Sensorbauform mit kleinerem Gehäuse wird möglich.

Durch die kleinere Antennenprojektionsfläche in Fahrtrichtung und den sehr spitzen Winkel der Antennefläche gegenüber der anströmenden Luft, insbesondere bei Regen, Schnee und ver ^¬ schmutztem Spritzwasser wird der entsprechende Sensor unempfindlicher gegenüber Verschmutzung und Witterungseinflüssen.

Die sich an die Antenneneigenschaften ergebenden Forderungen aus Einbaubedingungen, Fahrbahnbedingungen, Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsansprüchen, Sensorabmessungen, Verschmutzungsbeständigkeit und Randbedingungen des Frequenzauswerte- Verfahrens werden gemeinsam betrachtet. Anhand eines Iso- dopplerdiagrammes - Isodopenfeldes - können diese Eigenschaf ^¬ ten in Interaktion optimiert werden. Die dadurch realisierte Nutzung sämtlicher Freiheitsgrade der Antennendimensionierung und -ausrichtung führt ohne einschränkende Nebenbedingungen

zu einer Optimal Justierung, nämlich starke Bündelung in Querrichtung, welche sich fast orthogonal von der gebräuchlichen Ausrichtung der Antenne, nämlich starke Bündelung in Fahrtrichtung, unterscheidet.

Dabei können auch kostengünstige Standard-Mikrowellentrans- ceiverantennen verwendet werden.

Die Erfindung ist in den Patentansprüchen näher gekennzeich- net und wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen nä ^¬ her beschrieben. Es zeigen: Figur 1 schematisch den Beitrag eines Streukörpers zum

Dopplerspektrum,

Figur 2 eine typische Isodopplerstruktur und Beleuchtungs- flächen verschieden ausgerichteter Antennen und

Figur 3 eine Isodopplerstruktur zur Veranschaulichung der

Vorgehensweise bei der Optimierung der Antennenaus ^¬ richtung.

Die folgenden Betrachtungen orientieren sich an einer Modellvorstellung. Ausgegangen wird hierbei von Linien auf dem Untergrund, auf denen Streukörper liegen, welche die gleiche Frequenz zum Dopplerspektrum beitragen. Diese Linien werden Isodopplerlinien genannt. Da hier nur relative Eigenschaften, wie die relative Bandbreite des Dopplerfrequenzgemisches be ^¬ trachtet werden, ist die Isodopplerstruktur geschwindigkeits ^¬ invariabel. Zum besseren Verständnis wird im Folgenden von einer gleichförmigen Bewegung ausgegangen.

Das Dopplerspektrum ergibt sich aus den in Amplitude und Fre ^¬ quenz gewichteten Leistungsanteilen aller durch die Antenne angestrahlten Streukörper. Die Frequenz, die der einzelne Streukörper zum Gesamtspektrum liefert, ist dabei von dem Winkel zwischen der Geschwindigkeitskomponente in Fahrtrich-

tung und der Geschwindigkeitskomponente in Richtung des Streukörpers abhängig.

Werden auf dem Untergrund die Streukörper markiert, welche die gleiche Frequenz im Spektrum bewirken, so ergeben sich hyperbelförmige Isodopplerlinien.

Ausgehend davon, dass eine gleichbleibende Frequenz einem gleichbleibenden Winkel α entspricht, ergibt sich die mathe- matische Darstellung der Isodopplerlinien.

Auf der betrachteten x,y- Ebene lässt sich gemäß Figur 2 wei ^¬ terhin die Beleuchtungsfläche der Antenne abbilden. Die Lage der Beleuchtungsfläche in der Isodopplerstruktur erlaubt Ab- Schätzungen zum Dopplerspektrum.

Jede der Isodopplerlinien in Figur 2 stellt eine Frequenz im Spektrum dar. Anhand der räumlichen Lage der Beleuchtungsfläche zu einzelnen Linien kann also abgeschätzt werden, welche Frequenzen im Spektrum den größten Anteil besitzen. Die Abbildung zeigt weiterhin, wie sich verschiedene Konfiguratio ^¬ nen des Sensors auf den Footprint im Diagramm auswirken. Ein Kippen um die Längsachse bewirkt eine Parallelverschiebung des Footprints. Ein Drehen des gesamten Sensors bewirkt ein Verschieben des Footprints entlang einer Kreisbahn. Kombinationen aus beiden Möglichkeiten erlauben nun ein zielgenaues Positionieren des Footprints der Antenne in Bereiche, die ein sehr schmales Dopplerspektrum sicherstellen.

Figur 2 zeigt hierfür ein Beispiel. Das Antennenmodul wird hierzu fast waagerecht an die Sensorfront montiert. Dies ist entgegen der allgemein üblichen Ausrichtung. Jede der Isodopplerlinien in Figur 2 stellt eine Frequenz im Spektrum dar. Anhand der räumlichen Lage der Beleuchtungsfläche zu

einzelnen Linien kann also abgeschätzt werden, welche Frequenzen im Spektrum den größten Anteil besitzen. Vorteil dieser Anpassung ist weiterhin die relativ einfache Realisierbarkeit. Durch Drehen und Kippen des Moduls an der Sensor- front kann der Beleuchtungsfleck der Antenne auf eine beliebige Stelle des Untergrundes positioniert werden. Diese An ^¬ ordnung kann aus den zugrundeliegenden Winkelbeziehungen errechnet und so praktisch realisiert werden.

Nachfolgend wird die Vorgehensweise bei noch zu konstruieren ^¬ der optimaler Antenne unter Bezugnahme auf Figur 3 beschrie ^¬ ben.

Zunächst wird ein idealer Nickwinkel aus den Einbauverhält- nissen und korrespondierend mit dem Frequenzauswerteverfahren festgelegt. Daraus ergeben sich die Basisisodope des Isodo- penfeldes . Entsprechend der Fahrbahngegebenheiten wird eine möglichst lang gestreckte elliptische Fläche zwischen dem sich aus den Genauigkeitsansprüchen ergebenden Isodopenpaar im Diagramm platziert. Anhand der Korrelationslängenansprüche des Auswerteverfahrens wird gegebenenfalls die Ellipse korri ^¬ giert. Die lange Symmetrieachse der Ellipse zur Antennenposi ^¬ tion wird parallel verschoben. Daraus ergibt sich zusammen mit der angestrebten Höhe h (Figur 1) über dem Untergrund der Kippwinkel. Die Schwerpunktentfernung der parallel verschobe ^¬ nen Ellipse zur Antennenposition ergibt zusammen mit der angestrebten Höhe h (Figur 1) über dem Untergrund den Drehwinkel. Mit den Werten von Dreh- und Kippwinkel kann die Be ^¬ strahlungsellipse auf eine zur Antennefläche parallele Fläche im Bestrahlungsellipsenschwerpunkt projiziert werden. So ist mit bekannten Verfahren über die gewünschte Abstrahlcharakte ^¬ ristik die Antenne berechenbar.

Bei vorhandener Antenne müssen Kompromisse hinsichtlich der Einbauverhältnisse, der Ansprüche des Auswerteverfahrens, und der Genauigkeitsansprüche getroffen werden. Gegebenfalls müs ^¬ sen einige der aufgeführten Schritte mehrmals durchlaufen werden und die einzelnen Ansprüche dabei neu gewichtet wer ^¬ den.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend ge ^¬ nannte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Va- rianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen .