CH634927A5 - Schaltungsanordnung zur verschiebung des clutterspektrums im empfaenger eines pulsdopplerradars. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Verschiebung des Clutter-Spektrums im Empfänger eines Pulsdopplerradars mit einem festen Clutter-Filter, in welcher mittels einer Messschaltung zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase störender niederfrequenter Clutter-Signale in aufeinander folgenden Radarperioden ein Steuersignal für die Verschiebung des Clutter-Spektrums gewonnen wird.

Es ist bekannt, dass die Clutter-Spektren zeitlichen Verschiebungen linterliegen, beispielsweise durch eine langsame

Bewegung des das Radargerät tragenden Fahrzeuges oder durch unterschiedliche Bedingungen in den jeweiligen Richtungen einer Antennenabtastung. Derartige Verschiebungen des Clutter-Spektrums bedingen, wenn keine Gegenmassnahmen ge-5 troffen werden, eine Vergrösserung störender Empfangssignale im Durchlassbereich der Bewegtzeichenfilter («Clutter-Filter»). Aus diesem Grund sind Verfahren entwickelt worden, welche es gestatten, eine adaptive Verschiebung des Zeitvarianten Clutter-Spektrums gegenüber dem Sperrbereich eines Clutter-Filters «(durchzuführen. Beispiele sind in den Aufsätzen von Voles in Proc. IEEE, Vol. 122, No. 7, July 1975, Seiten 689-692 und IEEE Trans. AES, Nov. 1973, Seiten 950-953 beschrieben.

Eine derartig adaptive Verschiebung des zeitvarianten Clutter-Spektrums hat den Vorteil, dass kein mittlerer Fehler bei i5 der Bestimmung der zur Verschiebung erforderlichen Phasendifferenz zwischen zwei empfangenen Clutter-Echos und keine Abhängigkeit der Varianz des Fehlers von der mittleren Clut-ter-Frequenz auftritt.

Der Nachteil dieser bekannten Regelungsverfahren besteht 20 vor allem in dem Auftreten von «Einschwingvorgängen», welche dann zu erwarten sind, wenn z.B. ein Abtastvorgang beginnt oder wenn eine nichtstetige Abtastung des Raumes durch die Radarantenne erfolgt (sogenannter «step-scan-Betrieb»). Eine derartige nichtstetige Raumabtastung ist vor allem dann gege-25 ben, wenn phasengesteuerte Radarantennen verwendet werden. Die jeweils ersten Impulse können für die Auswertung nicht mehr herangezogen werden und gehen verloren.

Auch das in der Literaturstelle IEEE Eascon Conference Record, Washington D.C., Sept. 1973, Seiten 170-176 be-30 schriebene adaptive Regelungsverfahren für den Betrieb mit einer stetigen Rundsuchantenne weist diesen Nachteil auf, weil dort der «Einschwingvorgang», d.h. die Zeit bis zum Erreichen der vollen Empfindlichkeit, bis zu 10 Radarperioden umfassen kann, wobei die zugehörigen Impulse (Echosignale) für die 35 Auswertung verloren gehen.

Aus IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems AES-9, Heft 2, März 1973, ist es bekannt, zur Clutter-Unterdrückung ein adaptives Filter zu verwenden. Dabei werden die Parameter, welche die Filtercharakteristik verändern, in 40 Abhängigkeit von dem Clutter-Spektrum so verändert, dass diese unerwünschten Signale unterdrückt werden. Da hierzu eine Quadrierung der Clutter-Signale erforderlich ist und dies eine bestimmte Zeit in Anspruch nimmt, sind im Signalübertragungsweg Verzögerungseinrichtungen vorgesehen, die diese 45 Zeitverzögerung ausgleichen. Der Einsatz adaptiver Filter ist mit vertretbarem Aufwand nur dann möglich, wenn diese Filter einfach aufgebaut sind, weil dann nur wenige Parameter geändert werden müssen. Eine Verschiebung des Clutter-Spektrums ist gegenüber einem adaptiven Filter deshalb vorteilhaft, weil 50 keine Änderung von Filterparametern notwendig wird und deshalb auch hochwertige und damit entsprechend kompliziert aufgebaute Bewegtzeichenfilter Verwendung finden können.

Der Erfindung, welche sich auf eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art bezieht, liegt die Aufgabe zugrun-55 de, die Verschiebung des zeitvarianten Clutter-Spektrums in den Sperrbereich der Clutter-Filter so vorzunehmen, dass Echosignale für die Auswertung nicht mehr verloren gehen und trotzdem eine möglichst genaue Erfassung der mittleren Clutter-Phasenänderung durchführbar ist. Gemäss der Erfindung wird 60 dies dadurch erreicht, dass die Messschaltung zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase parallel zu einer über mehrere Radarperioden reichenden Verzögerungseinrichtung liegt, dass vor der Messschaltung zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase ein einstellbarer Phasenschieber 65 und nach dieser Schaltung ein Akkumulator für die Aufaddierung der Phasenänderung vorgesehen ist, dass über eine Rückführschleife ein fortlaufender Abgleich des einstellbaren Phasenschiebers erfolgt und dass zwischen der Messschaltung zur

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Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase und dem Akkumulator ein Schalter vorgesehen ist, der jweils am Ende einer Radarperiode zur Übertragung des Messwertes geschlossen wird.

Durch die erfindungsgemässe Anordnung wird das Steuersignal für die Schaltung zur Verschiebung des Clutter-Spektrums gewonnen, ohne dass ein Verlust an Echosignalen im Rahmen eines langdauernden «EinschwingVorganges» auftritt, bei dem über die Rückführschleife und den einstellbaren Phasenschieber eine zunehmend genauer werdende Information über die Clut-ter-Phasenänderung gewonnen wird.

Die erwünschten Echosignale von echten Zielen gehen gemäss einer Weiterbildung der Erfindung besonders dann nicht in den Regelvorgang mit ein, wenn für die Verschiebung des Clutter-Spektrums Signale aus einem grossen Entfernungsbereich benutzt werden, wo der Einfluss der Clutter-Signale gegenüber echten Bewegtzielechosignalen überwiegt. Dagegen erfolgt die anschliessende Trennung von Cluttersignalen einerseits und echtem Zielechosignal andererseits bei der Auswertung in demgegenüber sehr schmalen Entfernungstoren (Entfernungskanälen), wo der durch die echten Echosignale hervorgerufene Einfluss prozentual sehr viel grösser ist.

Die Schaltung nach der Erfindung kann in der Hochfrequenz- oder in der Videolage des Radarempfängers eingesetzt werden. Der Einsatz in der Videolage hat neben dem geringeren Aufwand auch den besonderen Vorteil, dass die erfindungsgemässe Schaltung leicht auch noch nachträglich z.B. als Baugruppe in ein bestehendes Radargerät eingefügt werden kann. Weiterhin lässt sich dann die Schaltung in besonders einfacher Weise digital aufbauen.

Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen entnehmbar.

Die Erfindung sowie deren Weiterbildungen werden an Hand einer Zeichnung näher erläutert. Bei dem im Blockschaltbild dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Echosignal eines vorzugsweise kohärenten Puls-Doppler-Radarempfängers in der Videolage einem Eingang EIN zugeführt. Für das vorliegende Beispiel ist angenommen, dass, wie es zweckmässig ist, die Signalverarbeitung in digitaler Form vorgenommen wird, d.h. die Radarechosignale liegen an der Eingangsklemme EIN bereits in digitaler Form vor und alle nachfolgenden Bausteine sind digital ausgelegt. Wo die Videosignale in komplexer Form, d.h. sowohl in einem Sinus- als auch in einem Cosinuskanal (zwecks Phasenquadratur) übertragen werden, sind die entsprechenden Übertragungswege durch Doppellinien gekennzeichnet. Das komplexe Videosignal gelangt zunächst zu einer Verzögerungseinrichtung VE, die im vorliegenden Beispiel aus drei Verzögerungsgliedern VE1, VE2 und VE3 besteht. Jedes dieser Verzögerungsglieder bewirkt eine Verzögerung der Empfangssignale um die Dauer T einer Radarperiode. Die Gesamtverzögerung beträgt somit im vorliegenden Beispiel 3T. Am Ausgang der Verzögerungseinrichtung VE ist als Schaltung zur Verschiebung des Clutter-Spektrums hier ein Phasenschieber PSl (bevorzugt als komplexer digitaler Multiplizierer ausgebildet, der die Funktion e-ja • e~'b realisiert) vorgesehen, dem an der Ausgangsklemme AUS die weitere, hier nicht dargestellte Auswerteschaltung nachfolgt, welche ein Bewegtzeichenfilter (Clutter-filter) zur Unterdrückung nicht interessierender Festzeichensignale und niederfrequenter Dopplerfrequenzbereiche und zum Durchlass nur interessierender (höherfrequenter) Dopplerfrequenzen nachgeschaltet ist. Diese Clutterfilter haben Polstellen bei Vielfachen der Impulswiederholfrequenz und sind fest eingestellt, d.h. sie werden üblicherweise während des Betriebes nicht nachgestimmt.

Da die jeweilige Clutterfrequenz sich zeitabhängig in nicht vorhersehbarer Weise ändert, z.B. bei der Abtastung eines neuen Gebietes und insbesondere bei nichtstetiger Abtastung des

Raumes durch eine Radarantenne, muss für den Phasenschieber PSl ein Steuersignal erzeugt werden, welches fortlaufend die Änderungen des Clutterfrequenzspektrums so ausregelt, dass möglichst wenig Energie von Cluttersignalen in den Durchlass-sbereich der Clutterfilter fällt. Hierzu ist eine eigene Regelschleife vorgesehen, welche vor der Verzögerungseinrichtung VE abgezweigt ist und eine weitere Schaltung PS2 zur Verschiebung des Clutterspektrums (hier ebenfalls in Form eines Phasenschiebers - bevorzugt als komplexer digitaler Multiplizierer ausgebildet), eine Schaltung zur Bestimmung der mittleren Clutterpha-senänderung MCA, einen Schalter SAI, einen Akkumulator AKU, einen weiteren Schalter SA2 und einen Speicher TPA für den endgültigen Wert der Verschiebung des Clutterspektrums (hier als Speicher für die Phasenänderung bezeichnet), enthält. 15 Dieser Speicher TPA liefert das Steuersignal für den Phasenschieber PSl und damit für die Verschiebung des Clutterfrequenzspektrums in die gewünschte Lage. Vom Ausgang des Akkumulators AKU ist eine Rückführschleife RFS zu dem Phasenschieber PS2 vorgesehen. Diese Rückführschleife ist vor dem 20 Schalter SA2 angeschlossen.

Zu Beginn eines Abtastvorganges kommen für das vorliegende Ausführungsbeispiel für die Zeit der ersten drei Radarperioden noch keine Empfangssignale am Phasenschieber PSl an, weil die Verzögerungszeit der Verzögerungseinrichtung VE ins-25 gesamt 3T beträgt. In dieser Zeit muss die Bestimmung des Wertes der mittleren Clutterfrequenz in ausreichend genauem Mass durchgeführt sein. Der Phasenschieber PS2 am Eingang der Regelschleife hat bei der ersten Radarperiode eines Abtastvorganges zunächst eine Stellung, die einem Mittelwert ent-30 spricht. In der Messschaltung MCA wird von Radarperiode zu Radarperiode die mittlere Clutterphasenänderung bestimmt. Hierzu sind zweckmässig mehrere sehr grob gestufte Entfernungsbereiche vorgesehen, in denen die Phasenänderung des Clütters von Radarperiode zu Radarperiode fortlaufend be-35 stimmt wird. Je grösser dieser Messwert ist, um so grösser muss auch die Phasenverschiebung und damit die Verschiebung des Clutterspektrums bei PSl sein. Die Breite der Entfernungsbereiche bei der Schaltung MCA muss so gross gewählt werden, dass ein bezüglich des Clutters homogener Bereich ausgemessen 40 wird. Keinesfalls dürfen diese Entfernungsbereiche (z.B. fünf) so schmal gemacht werden wie die echten, zur Bewegtzielerfassung dienenden Entfernungskanäle (z.B. hundert) in der Auswerteschaltung des Radargerätes, weil sonst die Gefahr besteht, dass ein echtes Bewegtziel als «Clutter» aufgefasst wird. 45 Die jeweiligen Clutterphasenänderungen werden für jeden Entfernungsbereich oder zumindest einen Teil der Entfernungsbereiche von Periode zu Periode bestimmt. Anschliessend wird ein Mittelwert gebildet.

Durch Schliessen des Schalters SAI am Ende der Radarpe-50 riode wird der gemessene Wert für die mittlere Clutterphasenänderung von der Schaltung MCA an den Akkumulator AKU weitergegeben, wo dieser Wert gespeichert wird. Die so gewonnene Phaseninformation in den Akkumulator AKU wird zweckmässig über die Rückführschleife RFS als Einstellung für den 55 Phasenschieber PS2 benutzt. Damit erfährt dieser Phasenschieber PS2 eine Korrektur und zu Beginn der nächsten (zweiten) Radarperiode T2 ist in dem Phasenschieber PS2 bereits ein erster Korrekturwert eingestellt. Damit ist die in der Messschaltung MCA ermittelte mittlere Clutterphasenänderung in der 60 Zeit der zweiten Radarperiode T2 bereits wesentlich geringer als beim ersten Messvorgang innerhalb der ersten Radarperiode Tl. Der verbleibende, am Ende von T2 vorhandene Messwert für die mittlere Clutterphasenänderung wird durch Schliessen des Schalters SAI an den Akkumulator AKU weitergegeben 65 und korrigiert dort den aus der ersten Messperiode bereits vorhandenen Messwert der Phasenänderung. Dieser zweite korrigierte Messwert aus dem Akkumulator AKU wird zu Beginn der dritten Abtastperiode T3 dem Phasenschieber PS2 zugelei-

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tet, so dass die Messung innerhalb der dritten Radarperiode T3 nen (und damit Akkumulationen) die tatsächliche Phasendiffe-

in der Messschaltung MCA einen noch geringeren Fehler als bei renz hinreichend genau bestimmt wird.

der Messung innerhalb der zweiten Radarperiode ergeben muss. Allgemein ausgedrückt muss, wenn die Gewinnung der Pha-

Am Ende der dritten Radarperiode T3 wird der Schalter SAI seninformation für das Steuersignal des Phasenschiebers PS 1

wiederum geschlossen und auch der Messwert aus der dritten 5 innerhalb von n Radarperioden hinreichend genau durchgeführt

Periode ebenfalls an den Akkumulator AKU weitergegeben. werden kann, der Schalter SAI in dieser Zeit n-mal (am Ende

Die Rückführschleife RFS bringt den Vorteil, dass der Messvor- der jeweiligen Radarperioden) geschlossen werden. Entspre-

gang genauer wird. Der Gesamtwert der Phasenänderung ent- chend ist die Verzögerungseinrichtung VE so auszulegen, dass steht iterativ durch Aufaddieren der drei Messwerte im Akkku- eine Gesamtverzögerung vor dem Phasenschieber PSl und n * T

mulator AKU. Die Adaptation durch die fortlaufende Rekur- io auftritt. Der Schalter SA2 wird zweckmässig erst nach n Perio-

sion über die Rückführschleife RFS erfolgt im Echtzeitbetrieb den geschlossen, und dann die Einstellung von PSl durchge-

für alle jeweiligen Strahlstellungen. führt.

Am Ende der dritten Radarperiode, (oder allgemein ausge- Im fortlaufenden Betrieb bleibt die Regelschaltung ebendrückt: bei einem ausreichend genauen Messwert der Phasenän- falls in Aktion, wobei allerdings die Clutterphase der jeweils derung im Akkumulator AKU) wird der Schalter SA2 geschlos- is letzten drei (allgemein letzten n) Empfangsperioden aus der sen, und mit dem Beginn der vierten Radarperiode T4 liegt in m-ten Strahlstellung einer nichtstetigen Abtastung der Antenne der Speicherschaltung TPA der richtige bzw. ausreichend ge- mittels des zuletzt in TPA abgespeicherten Phasenwertes durch naue Wert für die Grösse des Steuersignals für den Phasenschie- die Schaltung PSl kompensiert wird. Gleichzeitig, d.h. während ber PS2. Mit Beginn der vierten Radarperiode T4 tritt am Aus- der n ersten Perioden der (m+ l)-ten Strahlstellung erfolgt die gang des Verzögerungsgliedes VE3 ein erstes Echosignal auf, 2» Bestimmung der erforderlichen neuen Phasenwerte, die nach n welches durch den Phasenschieber PSl aufgrund der innerhalb Perioden an die Speicherschaltung TPA übergeben werden, so der vorangegangenen drei Radarperioden gewonnenen Infor- dass der Phasenschieber PS 1 für die neuen Empfangsimpulse mation über die jweilige Clutterfrequenz so beeinflusst wird, der (m + l)-ten Strahlstellung bereits richtig eingestellt wird, dass am Ausgang AUS die störende Phasenverschiebung und während alle (auch die letzten n) Empfangsimpulse der m-ten damit die störende Verschiebung des Clutterspektrums weitest- 25 Strahlstellung ebenfalls mit einer zutreffenden Phasenverschie-gehend beseitigt werden kann. Die nachfolgenden, fest einge- bung in PSl beaufschlagt worden sind, also keine Echosignale stellten Clutterfilter können somit die von z.B. Wolkenclutter für die Auswertung verloren gehen. Dies ist besonders wichtig oder durch Düppel («CHAFF») oder durch Eigenbewegungen bei fortlaufender nichtstetiger Abtastung des Raumes, weil hier verursachten Cluttersignale durch die in PS 1 erfolgte Verschie- am Anfang und/oder Ende eines Abtastvorganges durch «Ein-bung des Clutterspektrums ausfiltern, weil diese Störsignale in 30 schwingvorgänge» verlorene Zeiten für die Signalauswertung die Sperrbereiche fallen. sich aufaddieren und den Gesamt-Abtastvorgang entsprechend verlängern.

Der in MCA zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen Die Schaltungsanordnimg nach der Erfindung wird zweck-

zwei aufeinanderfolgenden Cluttersignalen (eines Entfernungs- mässig als fester Baustein (angedeutet durch gestrichelte Li-

bereiches) herangezogene Algorithmus muss eine derartige 35 nien) ausgebildet und kann gegebenenfalls auch nachträglich, in

Phasenkennlinie erzeugen, dass mit möglichst wenig Rekursio- den Radarempfänger eingeschaltet werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

634 927 PATENTANSPRÜCHE

1. Schaltungsanordnung zur Verschiebung des Clutter-Spektrums im Empfänger eines Pulsdopplerradars mit einem festen Clutter-Filter, in welcher mittels einer Messschaltung zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase störender niederfrequenter Clutter-Signale in aufeinander folgenden Radarperioden ein Steuersignal für die Verschiebung des Clut-ter-Spektrums gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (MCA) zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase parallel zu einer über mehrere Radarperioden reichenden Verzögerungseinrichtung (VE) liegt, dass vor der Messschaltung (MCA) zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase ein einstellbarer Phasenschieber (PS2) und nach dieser Schaltung ein Akkumulator (AKU) für die Aufaddierung der Phasenänderung vorgesehen ist, dass über eine Rückführschleife (RFS) ein fortlaufender Abgleich des einstellbaren Phasenschiebers (PS2) erfolgt und dass zwischen der Messschaltung (MCA) zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase und dem Akkumulator (AKU) ein Schalter (SAI) vorgesehen ist, der jeweils am Ende einer Radarperiode zur Übertragung des Messwertes geschlossen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (MCA) im Videoteil des Radarempfängers eingeschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (MCA) für die Verarbeitung digitaler Eingangssignale, insbesondere komplexer Signale, ausgelegt ist.

4. Schaltungsanordnimg nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung (MCA) zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase mehrere im Vergleich zu den Entfernungskanälen für die Bewegtzielerfassung breite Entfernungsbereiche aufweist, wobei die Phasenbeziehung durch Vergleich der Empfangssignale aus aufeinanderfolgenden Empfangsperioden in jeweils den gleichen Entfernungsbereichen bestimmt und aus diesen Einzelwerten ein Mittelwert gebildet wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal innerhalb von n Radarperioden T gewonnen wird und die Verzögerungszeit der Verzögerungseinrichtung (VE) zu n • T gewählt ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal für die Schaltung (PS1) zur Verschiebung des Clutterspektrums in einem Speicher (TPA) festgehalten ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Speichers (TPA)

über einen Schalter (SA2) erfolgt, der während der ersten n Radarperioden einer Strahlstellung der Antenne geöffnet bleibt und erst dann zur Übernahme des Messsignalwertes geschlossen wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die letzten n Radarperioden einer Strahlstellung das im Speicher (TPA) enthaltene Steuersignal unverändert beibehalten wird.