DE1048964B - Impulsradareinrichtung zur Ortung und zur selbsttaetigen Verfolgung bewegter Ziele - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Impulsradareinrichtung, die zur Ortung und zur selbsttätigen Verfolgung von in einem bestimmten Relativgeschwindigkeitsbereich sich bewegenden Zielen zu verwenden ist.

Es ist bekannt, bei derartigen Einrichtungen die Impulsverzögerung als Maß für die Entfernung und die Frequenzalllage des Echos (Dopplereffekt) als Größe auszuwerten, die der Geschwindigkeit des Zieles proportional ist. Hierbei ist aber eine selbsttätige Erfassung des gewünschten Zieles und die Ausschaltung unerwünschter Echos nicht ohne weiteres möglich.

Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß es möglich ist, die Frequenz der von einem selbsterregten Oszillator ausgesandten Impulse mit Hilfe eines Signals von benachbarter Frequenz zu synchronisieren, selbst wenn dieses Signal eine sehr schwache Amplitude hat. Die Synchronisierung tritt in dem Augenblick ein, in welchem die Selbsterregungsbedingung des Schwingers erfüllt ist. Im allgemeinen ist der Oszillator nach weniger als fünfzig Schwingungsperioden mit der Phase des synchronisierenden Signals in Tritt gefallen.

Erfindungsgemäß werden neben den Ortungsimpulsen, die das Echo hervorrufen, schwache Hilfs- impulse ausgesandt, die im Lauf der Zeit das Intervall zwischen den Ortungsimpulsen abtasten. Das Echo der Ortungsimpulse ist an sich so schwach, daß es die Empfängermischstufe nicht beeinflußt. Wenn jedoch Koinzidenz zwischen einem Hilfsimpuls und dem Echo auftritt, wird der Hilfsimpuls mit der Frequenz des Echosignals der Dopplerfrequenz synchronisiert. Dies wirkt so, als ob das Echo kräftig verstärkt würde. Der in der Frequenz veränderte Hilfsimpuls wird mit der unveränderten Senderfrequenz überlagert und liefert eine Schwebung, deren Frequenz proportional zu der Geschwindigkeit ist. Aus dem zeitlichen Integral dieser Meßgröße läßt sich der durchlaufene Weg bzw. die Kenntnis der Anfangsentfernung die jeweilige Entfernung des verfolgten Zieles vom Meßort entnehmen. Gleichzeitig wird durch die integrierte Spannung bewirkt, daß der Hilfsimpuls auf dem Wert stehenbleibt, welcher der Lage des Echos entspricht. Demgemäß ist die erfindungsgemäße Impulsradareinrichtung zur Ortung und zur selbsttätigen Verfolgung der in einem bestimmten Relativgeschwindigkeitsbereich sich bewegenden Ziele unter Verwendung des Dopplereffekts gekennzeichnet durch einen an eine Sende- und Empfangsantenne angeschlossenen selbsterregten Hochfrequenzsender, zwei Modulatoren, von denen der erste den Sender so steuert, daß er kurze, kräftige, periodisch wiederkehrende Ortungsimpulse erzeugt, während der zweite Modulator den Sender so steuert, daß er längere, Impulsradareinrichtung zur Ortung
und zur selbsttätigen Verfolgung
bewegter Ziele

Anmelder:
Compagnie Generale de Telegraphie
sans Fil, Paris

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz, Patentanwalt,
München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 18. September 1954

Henri Gutton, Paris,
ist als Erfinder genannt worden

schwächere Hilfsimpulse gleicher Periode erzeugt, ferner gekennzeichnet durch Mittel zur gegenseitigen Steuerung der Modulatoren und zur Veränderung des Abstandes zwischen den beiden Arten von Modulationsimpulsen nach einer IinearenFunktion der Zeit, einen Leitoszillator sehr geringer Leistung zur Festlegung der Trägerfrequenz, Mittel zur Synchronisierung der Trägerfrequenz der Impulse der ersten Art mit der Frequenz des Leitoszillators, eine Umschalteinrichtung zwischen Sender und Leitoszillator, die die synchronisierende Wirkung des Leitoszillators außerhalb der Sendezeit der Impulse der ersten Art sperrt, eine Mischstufe, deren erster Eingang einen kleinen Bruchteil der vom Sender abgestrahlten Energie und deren zweiter Eingang einen Bruchteil der vom Leitoszillator abgegebenen Energie erhält, während an ihrem Ausgang die von der Schwebung zwischen der Frequenz der Impulse der zweiten Art, wenn diese durch den von einem bewegten Gegenstand reflektierten Echoimpuls mit der infolge des Dopplereffektes veränderten Trägerfrequenz synchronisiert sind, und der Frequenz des Leitoszillators herrührende Spannung auftritt, einen an den Ausgang der Mischstufe angeschlossenen selektiven Niederfrequenzverstärker, dessen Durchlaßband nach der höchsten zu messenden Dopplerfrequenz dimensioniert ist, eine die Dopplerschwingungen zählende Integriervorrichtung, die von der Ausgangsspannung des Verstärkers beaufschlagt wird und deren Ausgang mit dem zweiten Modulator verbunden ist, derart, daß der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Im-

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pulsen der beiden Impulsarten so nachgeregelt wird, daß das einmal erfaßte, bewegte Ziel dauernd verfolgt wird, daß jedoch dieser Abstand von neuem nach einem linearen Gesetz mit der Zeit periodisch veränderlich wird, wenn kein bewegtes Ziel erfaßt wird, und einen Anzeiger für die Zielentfernung, der am Ausgang der Integriervorrichtung angeschlossen ist.

Durch Anwendung zweier derartiger Einrichtungen, deren Antennen gewisse Abstände voneinander haben, wobei einige Teile gemeinsam sein können, lassen sich in bekannter Weise Azimut und Höhe des bewegten Zieles zusätzlich aus der Phasenverschiebung bestimmen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat unter anderem folgende Vorteile:

a) Sie ist verhältnismäßig einfach, da der gleiche Schwinger abwechselnd zur Sendung und zum Empfang benutzt wird. Hierdurch werden die bei den bekannten Radaranlagen erforderlichen Sende-Empfangs-Schalter überflüssig. Außerdem wird der Empfänger selbst vereinfacht, weil das Echo bedeutend verstärkt wird, da es durch den synchronisierten Impuls ersetzt wird.

b) Die falschen Echos werden unterdrückt.

c) Da die Einrichtung nur im Zeitpunkt des Beginns des Hilfsimpulses für Einflüsse von außen empfindlich ist, wird die Verfolgung mit einem sehr schmalen Zeitausschnitt vorgenommen. Hierdurch wird die Störanfälligkeit verringert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung an Hand der Zeichnung. Hierin zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung, die auf die Verfolgung hinsichtlich der Entfernung beschränkt ist, wobei die Form der Ausgangsspannungen der verschiedenen Stufen an den entsprechenden Punkten eingezeichnet ist,

Fig. 2 die beiden ausgesandten Impulsgruppen in schematischer Weise,

Fig. 3 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Bestimmung des Azimuts oder des Höhenwinkels.

Da alle beschriebenen Schaltelemente dem Fachmann an sich bekannt sind, sind sie nur durch Rechtecke dargestellt und nicht im einzelnen beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren die gleichen Elemente.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der selbsterregte Sender 3 durch zwei sich gegenseitig steuernde Modulatoren 1 und 2 impulsmoduliert. Er sendet also zwei Arten von Hochfreqüenzimpulsen aus. Die erste Art, die aus kräftigen Impulsen besteht und mit Hilfe des Modulators 1 erzeugt wird, ist hinsichtlich der Ausstrahlung allein zu' betrachten. Sie besteht aus Impulsen mit der Länge r, der Wiederkehrfrequenz F und somit' der

Periode T =-~. Die zweite Impulsart wird mit Hilfe

des "Modulators 2 erzeugt.' Sie besteht aus außerordentlich'schwachen Impulsen von der Länge T₁.

Wie schon erwähnt, sind nach Fig. 2 dielmpulse 2 a der zweiten Art zwischen die Impulse 1 a der ersten Art eingeschaltet. In Fig. 2 ist in Abszissenrichtung die Zeiti und in Ordinatenrichtung die Amplitude V aufgetragen. Der Modulator 2 enthält eine an sich bekannte Schaltung, welche die Einführung einer linear veränderlichen Verzögerung zwischen den Impulsenla und 2 a gestattet, d.h. bewirkt, daß der Impuls der zweiten Art das Intervall zwischen zwei Impulsen der ersten Art abtastet. DasTntervall Θ zwischen

einem Impuls 2a und einem Impuls la ändert sich also gleichmäßig zwischen T und Null, wenn kein Echo empfangen wird, und springt hierauf auf T zurück.

Man kann hierzu eine Schaltung verwenden, die ähnlich dem sogenannten Phantastron aufgebaut ist.

Der Sender 3 wird von einem Leitoszillator 4 sehr geringer Leistung synchronisiert. Zwischen den Oszillatoren 4 und 3 ist ein Schalter 5 vorgesehen. Er arbeitet mit der Frequenz des Modulators 1, derart, daß die Synchronisierung des Oszillators 4 nur während der Impulse der ersten Art stattfindet. Die Impulse der zweiten Art sind also nicht durch den Leitoszillator 4 synchronisiert. Der Sender 3 liegt an einer Sende- und Empfangsantenne 6.

Eine Kristallmischstufe 7 ist mit ihrem einen Eingang an den Sender 3 und mit ihrem anderen Eingang an den Oszillator 4 schwach angekoppelt. Der Ausgang der Mischstufe 7 ist mit einem Verstärker 8 verbunden, dessen Durchlaßband aus den später aufgeführten Gründen zwischen zwei Frequenzen liegt, nämlich den Schwebungsfrequenzen zwischen der Frequenz des Leitoszillators 4 und den Grenzfrequenzen, welche für bestimmte Grenzgeschwindigkeiten des bewegten Körpers 20 in dem von ihm zurückgeworfenen Echo nach Empfang der betreffenden Signale im Sender 3 auftreten können. Der Ausgang des Verstärkers 8 ist an eine Integriervorrichtung 10 angeschlossen, die eine der Abstandsänderung zwischen der Antenne 6 und dem bewegten Ziel proportionale Spannung liefert. Diese Spannung wird verwendet, um den Modulator 2, wie beschrieben, zu steuern.

Die beschriebene Einrichtung arbeitet folgendermaßen :

1. Von der Antenne 6 wird kein Echo mit Dopplereffekt aufgenommen. Die Signalela (Fig. 2) werden gleichmäßig ausgesandt und, wie erwähnt, allein ausgestrahlt. Diese Signale werden in der Mischstufe 7 mit denjenigen gemischt, die vom Leitoszillator 4 abgegeben werden. Da die die Impulse 1 a bildenden Signale mit den von diesem Oszillator abgegebenen Signalen synchronisiert sind, erhält man am Ausgang der Mischstufe 7 eine Schwebung mit der Frequenz Null, also eine Gleichspannung, die den Verstärker 8 nicht durchqueren kann. Die Schwebung der Impulse 2 a mit den vom Oszillator 4 herrührenden Signalen führt nur zu verstärktem Rauschen.

2. Die von der Antenne 6 ausgestrahlten Signale treffen ein Ziel 20, das sich ihr nähert, und es werden von diesem bewegten Ziel Echos zurückgeworfen. Der Impuls la, der beispielsweise eine Trägerfrequenz von 1 000 000 kHz aufweist, wird von der Antenne ausgestrahlt. Er trifft den bewegten Körper. Wie erwähnt, hat es unter dem Einfluß des Dopplereffekts den Anschein, als ob das Ziel ein Echosignal 1 e aussenden würde, das beispielsweise eine Trägerfrequenz von

1 000 001 kHz aufweist und Sekunden nach der Sendung des Signals la empfangen wird, wobeid die Entfernung in km zwischen der Antenne 6 und dem Ziel ist.

In einem Zeitpunkt β nach jedem Impuls 1 a wird ein Impuls 2a ausgesandt, wobei die Zeit Θ gleichmäßig zwischen T und Null schwankt. Da T proportional zur Reichweite des Radargerätes ist, kann man sagen, daß der Impuls 2 a bei der Abtastung des Zeitintervalls T den Raum zwischen'der größten zu messenden Entfernung d und der Entfernung d = 0 abtastet.

Das Signal 1 e tastet ebenfalls einen Teil des Intervalls T ab, wobei dieser Teil in dem Maße.abnimmt,

Claims (1)

in welchem das Ziel sich nähert. Macht man die Abtastgeschwindigkeit für das Signal 2 a genügend rascher als für das Signal le, d. h., wählt man diese Geschwindigkeit größer als die des Zieles, so trifft offenbar in einem gegebenen Zeitpunkt das Signal 2a bei seiner Abtastung der Periode T auf das Signal 1 e. Dies geht alles so vor sich, als ob im Raum der fensterartige Ausschnitt 2 a das Ziel erfassen würde. Die Mischung der nun von Ie synchronisierten Schwingungen 2 a mit der Schwingung des Oszillators 4 in der Mischstufe 7 liefert einen Strom, dessen Frequenz im betrachteten Beispiel 1 kHz ist. Diese Frequenz ist die Dopplerfrequenz, die proportional zur Geschwindigkeit des Zieles ist. Man erhält so am Ausgang der Mischstufe eine sinusförmige Spannung von Dopplerfrequenz, die im abgestimmten Verstärker 8 verstärkt wird. Diese Spannung dient einerseits bei Kenntnis der Anfangsentfernung als Maß für die Entfernung d zwischen dem bewegten Ziel 20 und der Antenne 6 und andererseits zur Be-Stimmung von Azimut und Höhe des Zieles, was noch im einzelnen an Hand der Fig. 3 beschrieben wird. Um die Entfernung d zu bestimmen, zählt man die vom Dopplereffekt herrührenden Schwebungen, die von der Mischstufe 7 geliefert und vom Verstärker 8 a5 verstärkt werden, mit Hilfe einer Integriervorrichtung 10. Diese liefert eine zur Entfernungsänderung proportionale Spannung, die mit Hilfe eines in Entfernungseinheiten geeichten Instrumentes 11 gemessen wird. Andererseits wird die Ausgangsspannung der Integriervorrichtung verwendet, um den Modulator 2 in der angegebenen Weise zu steuern, derart, daß der Wert Θ eine Funktion des Abstandes d zwischen der Antenne 6 und dem Ziel wird und in kontinuierlicher Weise ein Maß für diesen Abstand liefert. Offenbar ist die beschriebene Vorrichtung nur dann zur Anzeige der Entfernung zwischen dem bewegten Ziel und der Antenne 6 brauchbar, wenn das die Echos zurückwerfende Ziel sich in der Strahlungskeule der Antenne 6 befindet. Bekanntlich sind die Winkelkoordinaten eines als punktförmig betrachteten Gegenstandes bezüglich eines Bezugsdreibeins, z. B. Azimut oder Höhe, durch einen Winkel -ψ gegeben, der sich auf den Ursprung des Bezugsdreibeins bezieht. Dieser Winkel ist bekanntlich durch die folgende Beziehung mit der Phasendifferenz φ eines von dem Gegenstand ausgesandten und in zwei um die Strecke D voneinander entfernten Punkten empfangenen Signals verknüpft: g0 Hierbei ist λ die Wellenlänge der Trägerschwingung- Die Messung des Phasenunterschiedes φ geschieht nach bekanntem Verfahren. Man weiß andererseits, daß der Phasenunterschied zwischen den vom Dopplereffekt herrührenden Schwebungen, die an den beiden Empfängern empfangen werden, mit demjenigen, der zwischen den Höchstfrequenzschwingungen vorhanden ist, übereinstimmt. Um die Richtung eines Echos zu bestimmen, d. h. die Verfolgung eines Zieles in Azimut- oder Höhenrichtung zu ermöglichen, kann man zwei Einrich- 6g tungen der in Fig. 1 dargestellten Art in einer Entfernung D voneinander anordnen. Das Blockschaltbild dieser Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Die beiden Einrichtungen können gewisse Elemente gemeinsam haben, z. B. die Modulatoren 1 und 2 sowie den Leitoszillator 4. Die niederfrequente Sinusspannung, die am Ausgang des einen Verstärkers 8 auftritt, bewirkt die Verfolgung in der Entfernung, wie oben beschrieben. Andererseits wird die Phasendifferenz zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Verstärker 8 von einem Phasenmesser 12 gemessen, der in bekannter Weise eine Spannung liefert, welche zur Aufrechterhaltung der gewünschten Azimutrichtung verwendet wird. Zwei weitere entsprechende Einrichtungen liefern den Höhenwinkel des bewegten Zieles, wodurch dann die drei Koordinaten, nämlich Entfernung, Azimut und Höhe, bestimmt sind. Als Beispiel seien einige Zahlenwerte genannt, die zum besseren Verständnis der Erfindung dienen: r 0,2 · 10-6 Sekunden T1 2 · ΙΟ-8 Sekunden T IO-SSekunden(F = IOSHz) Leistung des Leitoszillators 4 IO-SWatt Scheitelleistung der ImpulseT1 1 Watt Frequenz der Trägerschwingungen f 500 MHz (2=0,60m) Die Frequenz der Steuerspannung am Ausgang der Stufe 8 (herrührend von der Frequenzänderung infolge des Dopplereffekts) ist: Vr Hierbei ist c die Lichtgeschwindigkeit und Vr die Radialgeschwindigkeit des bewegten Zieles (wobei der betrachtete Radius die Gerade zwischen dem Gegenstand und der Radareinrichtung ist), so daß mit den obigen Zahlenwerten gilt: fd = 3,4 · Vr (m/Sek.) Für Vr = 100 m/Sek., d. h. 360 km/h Wirdfd = 340 Hz. Wenn man annimmt, daß die niedrigste Durchlaßfrequenz des Selektivverstärkers 8 ft = 100 Hz ist, werden damit alle bewegten Gegenstände ausgeschaltet, deren Radialgeschwindigkeit kleiner als etwa 105 km/h ist. Patentansprüche:

1. Impulsradareinrichtung zur Ortung und zur selbsttätigen Verfolgung der in einem bestimmten Relativgeschwindigkeitsbereich sich bewegenden Ziele unter Verwendung des Dopplereffekts, gekennzeichnet durch einen an eine Sende- und Empfangsantenne (6) angeschlossenen selbsterregten Hochfrequenzsender (3), zwei Modulatoren (I_j 2), von denen der erste (1) den Sender so steuert, daß er kurze, kräftige, periodisch wiederkehrende Ortungsimpulse erzeugt, während der zweite Modulator (2) den Sender so steuert, daß er längere, schwächere Hilfsimpulse gleicher Periode erzeugt, ferner gekennzeichnet durch Mittel zur gegenseitigen Steuerung der Modulatoren und zur Veränderung des Abstandes zwischen den beiden Arten von Modulationsimpulsen nach einer linearen Funktion der Zeit, einen Leitoszillator (4) sehr geringer Leistung zur Festlegung der Trägerfrequenz, Mittel zur Synchronisierung der Trägerfrequenz der Impulse der ersten Art mit der Frequenz des Leitoszillators, eine Schalteinrichtung (5) zwischen Sender und Leitoszillator, die die synchronisierende Wirkung