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Verfahren zur Beseitigung von Festzielanzeigen in einem Radar-Impuls
-Panoramabild Für die praktische Anwendung der Radartechnik ist unter anderem die
Möglichkeit der Unterscheidung zwischen festen bzw. langsam bewegten und schneller
bewegten Zielen von ganz besonderer Bedeutung. Dies gilt z. B. für die Aufgaben
der Luftfahrt, bei denen die Radarechos von sogenannten Festzielen in der Sichtanzeige
zugunsten von Flugzeugechos unterdrückt werden müssen. Hierzu bedient man sich des
Dopplereffektes. Bekanntlich weicht die Empfangsfrequenz der zurückltehrenden Echozeichen
von der abgehenden Sendefrequenz der Radarimpulse ab, wenn sich der Abstand zwischen
dem reflektierenden Objekt und dem Radargerät ändert. Da mit einer Frequenzänderung
eine Phasenänderung verbunden ist, kann eine Unterscheidung zwischen festen und
bewegten Zielen erfolgen,-wenn ausschließlich Echozeichen mit von Impuls zu Impuls
sich ändernder Phase zur Anzeige gebracht werden, dagegen alle Echozeichen konstanter
oder langsam wandernder Phase unterdrückt werden. Dieser Phasenvergleich findet
gewöhnlich zwischen aufeinanderfolgenden Echoimpulsen statt, die nach Verzögerung
des vorangehenden Echos durch eine Verzögerungsleitung in einer Kompensationsstufe
gegeneinandergeschaltet werden, so daß nur Echozeichen ungleicher Phasenlage übrigbleiben.
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Nun können aber zwei aufeinanderfolgende Echozeichen auch trotz Objektbewegung
gleiche Phase aufweisen, nämlich z. B. dann, wenn sich der Abstand des Objektes
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Radarimpulsen gerade um eine halbe Wellenlänge
der Radarsendefrequenz geändert hat. Aus der halben Wellenlänge wird durch Hin-
und Rücklauf der Welle eine ganze Wellenlänge, so daß die aufeinanderfolgenden Echozeichen
gleiche Phasenlagen aufweisen. Das Objekt wird dann trotz seiner Bewegung in Richtung
auf das Radargerät von diesem nicht wahrgenommen.
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Diese radiale Objektgeschwindigkeit nennt man seine erste Blindgeschwindigkeit.
Wie leicht einzusehen ist, sind die ganzen Vielfachen der ersten Blindgeschwindigkeit
ebenfalls Blindgeschwindigkeiten. Sie alle sind äußerst unerwünscht, da sie eine
große Gefahrenquelle für die Radarortung bilden.
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Die Erfindung verlegt diese Blindgeschwindigkeiten in unschädliche
Bereiche, wobei sich der technische Aufwand von dem des bisherigen, mit Blindgeschwindigkeiten
behafteten Verfahrens zur Zielbewegungsanzeige vorteilhaft abhebt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beseitigung von Festzielanzeigen
- in einem Radar-Impuls-Panoramabild durch Auswertung der Phasenlage der von den
Zielen reflektierten Schwingungen ist dadurch gekennzeichnet, daß die impulsgetastete
Meßfrequenz mit einer zwischen ihr und dem reziproken Wert der Impulsdauer liegenden,
eine eindeutige Betrachtung
etwaig er Zielbewegungen ermöglichenden Frequenz moduliert
wird und daß die Phasenlage dieser im reflektierten Impuls enthaltenen Modulationsfrequenz
als Anzeigekriterium benutzt wird. Die Erfindung werde nun im einzelnen erläutert,
wobei zunächst die quantitativen Zusammenhänge und die bekannten, bisher unwirksamen
Vorschläge für eine Minderung des Einflusses der Blindgeschwindigkeiten dargestellt
werden.
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Wenn Ja die Dopplerfrequenz, t die Zeit, T die Impuisfolgeperiode
und Jt T die Impulsfolgefrequenz T bezeichnet, so lauten zwei aufeinanderfolgende
Impulse y1 und y2 bei y0 als Maximalwert: y, =y0 cos 2Ja t t Y2=Yo cos 2Ja (t+T)
Bei Gegeneinanderschaltung ergibt sich für die Amplitude des Differenzimpulses:
Y=2y0 sin (afd T) Daher ist: Y=O für T TJa-=n, mit n=l, 2, 3 usw.
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Da Ja = 2v/AW ist, wobei v die Obj ektradialgeschwindigkeit und Ä
die Radarwellenlänge bedeutet, ergibt sich die n-te Blindgeschwindigkeit zu: n nfi
= = 2T 2 In Fig. 1 ist das bekannte Diagramm für Blindgeschwindigkeiten aufgetragen.
Die Ordinate D liefert die Amplitude der zu bildenden Differenzspannungen
mit
dem Wert 1 im Maximum. Als Abszisse ist die Radialkomponente der Obj ektgeschwindigkeit
vR aufgetragen, d. h. es wird eine Bewegung auf der Verbindungslinie zwischen Objekt
und Radargerät angenommen. Beginnend mit dem Dopplereffekt Null bei ruhendem Objekt
(v0) steigt der Wert von D mit der Obj ektgeschwindigkeit schnell an auf den maximalen
Wert von 1 und wird bei der ersten Blindgeschwindigkeit v, wieder zu Null. Dies
wiederholt sich periodisch für r'2, 2' . . VS. Vn Die Verhältnisse mögen an einem
Zahlenbeispiel näher untersucht werden. Ein Radargerät arbeite auf der Wellenlänge
i= 11 ein mit einer Impulsfolgefrequenz fi = 1000 Hz. Diese Werte ergeben oben eingesetzt
eine erste Blindgeschwindfgkeit V1 = 55 m/sec. Bewegt sich nun ein Flugzeug mit
Schallbeschwindigkeit (i Mach) oder mit etwa 330 m/sec auf der Verbindungslinie
zum Radargerät, so befindet es sich gerade auf der sechsten Blindgeschwindigkeit
V6 und wird somit nicht angezeigt. Variiert es seine Geschwindigkeit von 0 bis 1
Mach, so durchläuft es insgesamt sechs Blindgeschwindigkeiten. Das heißt, es wird
häufig und unter Umständen längere Zeit hindurch unsichtbar bleiben, und zwar auch
dann, wenn seine Geschwindigkeit einer der Blindgeschwindigkeiten nahekommt.
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In Fig. 2 wird der andere Fall der konstanten Flugzeuggeschwindigkeit
(v = 1 Mach) betrachtet, wobei nur der Kurs variiert wird. R weist in die Richtung
zum Radargerät. Auf diesem Kurs K6 bzw. 1C6' bleibt, wie oben ausgeführt, wegen
VR = v6 das Flugzeug unsichtbar. Auf der Geraden 0-K6 sind nun alle Blindgeschwindigkeiten
v0 bis v6 als Vektoren aufgetragen.
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Durch ihre Projektionen auf den Kreisumfang des Kreises 1 Mach ergeben
sich offenbar insgesamt zweimal zwölf Blindkurse Ko bis K11 bzw. Ko bis K11,.
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Für diese vierundzwanzig Kurse ist stets die Radialkomponente der
konstanten l-Mach-Geschwindigkeit gerade gleich einer der Blindgeschwindigkeiten
v0 bis s6. Die Fig. 2 drückt damit in sehr anschaulicher Weise die mit den Blindgeschwindigkeiten
verbundenen großen Gefahrenmomente aus.
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In einem zweiten Beispiel werde ein Radargerät mit den Daten =3cm
und ti=500Hz angenommen.
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Hier beträgt die erste Blindgeschwindigkeit nur Vi = 15 m/sec. Das
bedeutet, daß z. B. mit Windgeschwindigkeit bewegte Objekte in unerwünschter Weise
optimal angezeigt werden. Eine Windgeschwindigkeit von 7,5 m/sec würde Echozeichen
von z. B.
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Wolken mit der größten Amplitude D = 1 liefern, während die eigentlich
interessierenden Flugobjekte nur gelegentlich und dann höchstens in derselben Stärke
wahrgenommen werden können. Damit würde aber der Zweck der Zielbewegungsanzeige
offenbar gerade in sein Gegenteil verkehrt werden.
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Es ist schon versucht worden, die Blindgeschwindigkeiten z. B. durch
Verwendung einer veränderbaren Impulsfolgefrequenz zu vermeiden. Die Kurven der
Fig. 1 würden sich auf diese Weise horizontal verschieben lassen und ein in einer
Nullstelle befindliches Objekt käme wieder zum Vorschein, allerdings vor aussichtlich
auch nur vorübergehend. In der Praxis ist dieses Verfahren aber kaum zu realisieren,
da eine Änderung der Impulsfolgefrequenz eine äußerst unerwünschte Änderung der
komplizierten Kompensationsstufe und der Justierung der Verzögerungsleitung bedingt.
Auch würden bei einer - Verschiebung der Kurven von Fig. 1 unter Umständen andere
sichtbare Objekte in eine der Nullstellen geraten und damit verlorengehen. Die Änderung
der Radarwellenlänge würde
ebenfalls nur eine Kurvenverschiebung bewirken. Es kann
sich dabei nur um geringfügige Verschiebungen handeln, da aus vielen Gründen Radargeräte
verhältnismäßig schmalbandig sind und nur geringe Frequenzänderungen vertragen.
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Aus Aus der oben abgeleiteten Beziehung vn= 2 geht hervor, daß die
Blindgeschwindigkeit bei schnellen Flugzeugen offenbar nur beseitigt werden kann,
wenn um um eine Größenordnung vergrößert werden könnte, wenn also z. B. statt einer
Wellenlänge von 10 cm eine solche von 1 m oder mehr benutzt würde. Radargeräte für
diese Wellenlängen sind zwar hergestellt worden, wurden aber wieder aufgegeben,
als es möglich wurde, kürzere Wellen zu erzeugen, da diese allein die notwendige
Antennenbündelung und Winkelauflösung erlauben. Eine Wellenlänge von z. B. 1 m würde
daher entweder zu nicht mehr zu beherrschenden Antennenabmessungen oder zu einer
sehr schlechten Winkelauflösung führen. Die Erfindung gestattet nun die Beibehaltung
der kurzen Radarwellenlängen und damit der Winkelschärfe und erreicht die Beseitigung
der Blindgeschwindigkeiten, indem sie die impulsgetastete Radarsendefrequenz mit
einer Frequenz, die zwischen der Radarsendefrequenz und dem reziproken Wert der
Impuls dauer liegt, moduliert. Die Phasenmessung der zurückkehrenden Echos kann
nun auf die Modulationsfrequenz angewendet werden. Die sich auf diese Weise ergebenden
Phasenwerte sind identisch mit denjenigen, die sich ergeben würden, wenn das Radargerät
auf der Modulationsfrequenz selbst gesendet hätte. Die hier sich ergebenden Beziehungen
seien an einem Zahlenbeispiel näher erläutert. Die Sendefrequenz eines Radargerätes
betrage 1010 Hz (R = 3 cm), die Impulsdauer 1 ijsec (104 sec) und die Modulationsfrequenz
108Hz m).
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In Fig. 3 a bezeichnet t die Zeitachse, die Ordinate zeigt die Amplitude
eines Radarimpulses (Rechteckimpuls) von 1 Fsec Dauer. Dieser Impuls wiederholt
sich im Rhythmus der Impulsfolgefrequenz. In den Rechteckimpuls sind schematisch
einige Modulationsschwingungen eingezeichnet. In Wirklichkeit sind es im gewählten
Zahlenbeispiel 100 Modulationsperioden (MP). Dies ergibt sich aus dem Quotienten:
= 100 MP .
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106 Die Modulationsfrequenz wurde hier also hundertmal größer gewählt
als der reziproke Wert der Impulsdauer, so daß mehr als eine ausreichende Zahl von
Modulationsschwingungszügen zur Bildung des Impulses zur Verfügung steht. Fig. 3b
zeigt den zeitlichen Ablauf der Modulationsschwingungen. In die erste Periode wurden
einige Schwingungen der Radarsendefrequenz eingezeichnet. Das Zahlenbeispiel ergibt
hier t° = 100 HP .
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108 Somit stehen für jede Modulationsschwingung 100 Hochfrequenzperioden
(HP) zur Verfügung. Das Zahlenbeispiel ist willkürlich gewählt und erlaubt die Variation
nach allen Richtungen. Insbesondere kann die Modulationsfrequenz unter Verwendung
der oben abgeleiteten mathematischen Beziehungen zwischen den Obj ektgeschwindigkeiten
und der entstehenden Differenzspannung so gewählt werden, daß die Unterscheidung
zwischen interessierenden und nicht interessierenden Objekten zu einem Maximum wird,
ohne daß dabei Blindgeschwindigkeiten auftreten.
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In Fig. 4 ist schematisch eines der bisher verwendeten und mit Blindgeschwindigkeiten
verbundenen Verfahren zur Zielbewegungs-Anzeige dargestellt. Die im Impulsgenerator
IG erzeugten Impulse tasten über den Impulsmodulator IM den Radarsender RS, dessen
Energie über den elektronischen Sende-Empfangs-Antennen-Umschalter AS an die Antenne
A gelangt. Die von A empfangenen Radarechos werden über AS der Misdstufe MS2 und
von dort dem Radarempfänger RE zugeführt. Der Hilfsoszillator HO speist außer 1152
auch die Mischstufe MSl, die einen kleinen Teil der Sendeenergie von RS abgezweigt
erhält. Durch Mischung ergibt sich Frequenz und Phase des kohärenten Oszillators
KO, der nach Beendigung jedes Sendeimpulses als Phasennormal mit konstanter Phase
bis zum nächsten Sendeimpuls weiterschwingt. Diese Bezugsphase wird ebenfalls RE
zugeführt zwecks Vergleich mit der Phasenlage der Echoimpulse. Die Verwendung des
ziemlich aufwendigen kohärenten Oszillators ist unerläßlich, da bei jedem neu erregten
Sendeimpuls die sich ergebende Hochfrequenzphase unbestimmt ist. Der kohärente Oszillator
entfällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, da die Kohärenzbedingung von der Modulationsfrequenz
übernommen wird. Das Verfahren ist in Fig. 5 dargestellt. Impulserzeugung und Impulsmodulation
sind wie in Fig. 4 angenommen. Die hochfrequente Modulation des Radarsenders wird
bei HM mit der in der Erfindung vorgesehenen und im Modulationsgenerator MG erzeugten
Modulationsfrequenz vorgenommen. Diese Modulation kann bekanntlich an den verschiedensten
Stellen und Stufen eines Senders erfolgen. Die modulierte Sendeenergie gelangt über
den Antennenumschalter AS an die Antenne A. Die empfangenen Radarechos werden über
AS an die Demoduiationsstufe DM gegeben, an deren Ausgang die durch die Laufzeit
der Echos und die Objektbewegung in ihrer Phase bzw. Frequenz beeinflußte Modulationsfrequenz
wieder auftritt. Diese Spannungen sind mit denen des Modulationsgenerators MG zwangsweise
kohärent, während die Unbestimmtheit der Phase der Radarsendefrequenz ohne Einfluß
bleibt. Der Hilfsoszillator HO speist die beiden Mischstufen (Frequenzumsetzer)
MS 1 und MS 2. MS 1 liefert die Bezugsphase und MS2 die Eingangsspannungen für den
Radarempfänger RE. Der Ausgang von RE führt in bekannter Weise wie in Fig. 4 zur
Kompensationsstufe KS, in der mittels einer Verzögerungsleitung je zwei aufeinanderfolgende
Echoimpulse gegeneinandergeschaltet werden. Hier entsteht der Differenzwert D, der
auf dem Schirm (PPI) die Anzeige bewirkt. Das Schema der Fig. 5 kann auf die verschiedenste
Weise abgewandelt werden, insbesondere in der Art und Reihenfolge der Frequenztransponierungen.
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Sowohl die Modulation als auch die Demodulation können bei diesem
Verfahren auf verschiedene Weise
erfolgen, z. B. durch Amplitudenmodulation oder
durch Frequenzmodulation.
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Ferner besteht die Möglichkeit der Anpassung der Anzeige bzw. des
ganzen Verfahrens an Objekte mit stark unterschiedlichen Bewegungsarten. Es seien
hier nur genannt Hubschrauber im Gegensatz zu Düsenflugzeugen. Die Anzeige kann
weiter verbessert werden durch Verwendung mehrerer Modulationsfrequenzen, und zwar
entweder in zeitlicher Reihenfolge oder gleichzeitig, wobei jede Modulationsfrequenz
einer speziellen Gruppe von Objekten angepaßt wird. Auf diese Weise wird es auch
möglich, z. B. bei der Flugsicherung die einzelnen Obj ektgruppen zu sortieren und
bestimmten Sichtanzeigen zuzuordnen und somit z. B. Hubschrauber und Düsenmaschinen
getrennt anzuzeigen und zu beraten. Endlich ist es auch möglich, außer einer oder
mehreren Modulationsfrequenzen auch noch zusätzlich die Ausnutzung der Radarsendefrequenz
für eine Zielbewegungsanzeige in der bisher ausgeübten Art und Weise vorzusehen,
wobei durch die Modul ations frequenzen die Nullstellen der Radarsendefrequenzphasen
überdeckt werden.
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PATENTANSPR8CHE: 1. Verfahren zur Beseitigung von Festzielanzeigen
in einem Radar-Impuls-Panoramabild durch Auswertung der Phasenlage der von den Zielen
reflektierten Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsgetastete Meßfrequenz
mit einer zwischen ihr und dem reziproken Wert der Impulsdauer liegenden, eine eindeutige
Betrachtung etwaiger Zielbewegungen ermöglichenden Frequenz moduliert wird und daß
die Phasenlage dieser im reflektierten Impuls enthaltenen Modulationsfrequenz als
Anzeigekriterium benutzt wird.