DE1110448B - Doppler-Radarsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Doppler-Radarsystem, bei dem der Radarstrahl kreisförmig geführt wird.

Bei Doppler-Radarsystemen sind bisher verschiedene Arten der Abtastung mit Erfolg verwendet worden. Es ist meistens eine Anzahl, zwei, drei oder gar vier, richtungsmäßig festgelegte Radarstrahlen, die gleichzeitig oder zeitlich aufeinanderfolgend ausgesendet werden, Die Systeme mit drei oder vier Strahlen werden als Janussystem bezeichnet, bei dem die mittels eines ersten Strahles erlangte Dopplerfrequenz mit der mittels eines zweiten, um 180° gegenüber dem ersten versetzten Strahles verglichen wird. Diese Janustechnik vereinfacht den Aufbau der Antennen hinsichtlich ihrer Stabilität beträchtlich, und es können bei einem kohärenten Janussystem sowohl Vertikal· als auch Horizontalgeschwindigkeitskomponenten gemessen werden. Es sind aber genaue Meßwerte sowohl für das Rollen und Schlingern als auch für die vertikale Geschwindigkeit erforderlich, um aus der Dopplerfrequenz die horizontale Geschwindigkeitskomponente bestimmen zu können. Normalerweise liegt die Dopplerfrequenz als Frequenzzuwachs oder als zwei getrennte Frequenzwerte vor (digitale Natur). Die Doppler-Perioden brauchen nur gezählt zu werden, um die zurückgelegte Strecke zu erhalten, ohne jemals die Dopplerfrequenz als Frequenz oder als Drehung einer Achse bestimmt zu haben. Die jetzt im Gebrauch befindlichen Doppler-Radaranlagen erfordern umfangreiche Geräte zur Frequenznachführung mit anschließenden Computern, um .die Geschwindigkeit, den Abtriftwinkel und die zurückgelegte Entfernung zu bestimmen. Keines der bekannten Systeme benutzt die digitale Natur der Dopplerfrequenz, um daraus Informationen abzuleiten.

Aufgabe der Erfindung ist ein Doppler-Radarsystem für Flugzeuge mit einem billigen Antennensystem und einfachen Bauteilen der elektronischen Apparatur unter Ausnutzung der digitalen Natur der Dopplerfrequenz zur Bestimmung der eigenen Horizontal- und Vertikalgeschwindigkeit, der Abtrift, sowie der zurückgelegten Entfernung, Dazu wird die Bewegung des Flugzeuges und sein Standort in bezug auf die rückstrahlende Erdoberfläche festgestellt. Der Radarstrahl wird erfindungsgemäß mittels einer kreisförmig und mit gleichmäßiger Geschwindigkeit bewegten Richtstrahlantenne, deren Achse mit der Rotationsachse einen gewissen Winkel bildet, ausgesendet. Aus den empfangenen Signalen, die die Dopplerfrequenz, also auch Informationen über die Bewegungskomponenten und den Standort enthalten, Doppler-Radarsystem

Anmelder:

International Standard Electric Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str, 42

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. April 1959

Malcolm Cuthbert Vosburgh, Montclair, N. J.,

und Joseph Murgio, Clifton, N. J. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

wird in bekannter Weise eine Zwischenfrequenz gebildet. Die empfangene Dopplerfrequenz ist eine Sinuswelle, die frequenzmäßig zu beiden Seiten der Frequenz des ausgesendeten Signales liegt.

Es ist weiterhin ein Frequenznachführungsgerät vorgesehen, dem die Zwischenfrequenzsignale zugeführt werden. Es enthält Mittel, um aus der Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Dopplersignal und einem mit der Antennenrotation verknüpften Signal den Abtriftwinkel zu ermitteln. Es enthält weiterhin Mittel zur Bestimmung der Amplitude des Dopplersignals, um daraus die Geschwindigkeit des Flugzeuges zu errechnen.

Das System enthält des weiteren Mittel zur Synthese von Zwischenfrequenzsignalen, die die Dopplerfrequenz einschließen und die mit den abgeleiteten Zwischenfrequenzsignalen frequenz- und phasengleich sind. Die durch Synthese gewonnenen Zwischenfrequenzsignale werden dann in Impulse umgewandelt, und aus diesen Impulssignalen wird dann die Information über die zurückgelegte Entfernung abgeleitet.

Die Erfindung wird an Hand von Figuren noch näher erläutert,

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Flugzeuges, das die kreisförmige Führung des Radarstrahles benutzt; in

Fig. 2 ist die Projektion des Radarstrahles auf die Erdoberfläche dargestellt;

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Fig. 3 ist eine sinusförmige Wellenform eines empfangenen Dopplersignals, das zu beiden Seiten der Sendefrequenz liegt, wenn keine Abtrift vorhanden ist; in

Fig. 4 ist die Verschiebung eines Dopplersignals bei Vorhandensein einer Abtrift gezeichnet;

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm der Frequenznachführungseinrichtung, wie sie bei dem Doppler-Radar mit der kreisförmigen Führung des Radarstrahles benutzt wird;

Fig. 6 ist ein Blockschema der Schaltungsanordnung zur Bestimmung der zurückgelegten Entfernung im Anschluß an die Frequenznachführungseinrichtung, und

Fig. 7 ist ein Diagramm der Abtastsektoren, in die die einzelnen Impulssignale einzuordnen sind.

Wenn ein stark gebündelter Radarstrahl in einem bestimmten Winkel zur Vertikalen mit konstanter Geschwindigkeit geführt wird, beschreibt er auf der Erdoberfläche einen Kreis. Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein Flugzeug 1 gezeigt, das einen Radarstrahl! gemäß einem kreisförmigen Abtastdiagramm 3 aussendet. Die angestrahlte Fläche ist ein Kreisring 4, dessen Breite durch die des Radarstrahles bestimmt ist. Die (nicht gezeichnete) Bord-Radarantenne ist von bekanntem Bau und kann z. B. aus einem Parabolreflektor 5 bestehen, wie es in Fig. 2 angedeutet ist. Die Achse der Antenne 5 ist um einen Winkel α gegenüber der Achse 6 geneigt. Sie wird um die Achse 6 gedreht und erzeugt die abgetastete Zone 3.

Die empfangene Dopplerfrequenz ist eine Sinuswelle (7, Fig. 3), die frequenzmäßig zu beiden Seiten der ausgesendeten Frequenz liegt. Sie hat einen Amplitudenspitzenwert, der gegenüber dem von einer unter dem gleichen Winkel geneigten, aber feststehenden, in Richtung des Geschwindigkeitsvektors weisenden Antenne doppelt so groß ist. Die Dopplerfrequenz ist also ein Maß für die Größe der Horizontalgeschwindigkeit. Die Phase der Sinuswelle 7, Fig. 3, differiert gegenüber der Phase eines aus der Antennenrotation abgeleiteten Meßwertes um den Abtriftwinkel. Da diese Phasendifferenz alle Werte von 0 bis 360° annehmen kann, ist das System hinsichtlich der Bestimmung der Abtrift keinen Beschränkungen unterworfen und daher besonders für Hubschrauber geeignet. Die Frequenzänderung bzw. die Änderung der Dopplerfrequenz hat ihr Maximum, wenn die Antenne bei 0 oder bei 180° steht und hat ihr Minimum bei 90 und 270° der Antennenstellung. Daher erhält man bei 0 und 180° die größte Doppleramplitude. Wenn aber eine Abtrift besteht, ist das Signal, so wie in Fig. 4 gezeichnet, verschoben, und die größte Amplitude der Dopplerfrequenz tritt nicht bei 0°, sondern um den Betrag des Abtriftwinkels verschoben auf. Wenn der Signal-Geräusch-Abstand hoch ist, d. h. daß keine Lücken oder Ausfälle im reflektierten Signal verzeichnet werden, könnte man die Dopplerperioden einfach direkt zählen, ohne eine Frequenznachführung vorzunehmen. Ebenso könnte man daraus direkt die horizontal und vertikal zurückgelegten Entfernungen berechnen. Man kann jedoch beim Radar nicht mit einer derartigen Kontinuität rechnen, und es ist deshalb erforderlich, im Falle eines gestörten Empfanges die Sinuswelle der Dopplerfrequenz künstlich zu erzeugen bzw. eine Frequenznachführung vorzunehmen. Diese Nachführung erstreckt sich auf die Erzeugung einer synthetischen Frequenz, die der Mitte des Dopplerspektrums folgt, indem auf Grund eines Speichervorganges die genaue Frequenz im voraus bestimmt wird, selbst wenn im Empfang Fadings oder sogar vollkommene Ausfälle vorkommen. Es ist bereits eine Anzahl von Nachführeinrichtungen bekannt, mit denen man die Mitte eines sich langsam ändernden Dopplerspektrums aussuchen und dann die Frequenz nacherzeugen kann. Es ist jedoch eine Nachführeinrichtung für ein sich sinusförmig mit einem Periodenverhältnis von 1:10 änderndes Dopplerspektrum; das durch Null geht, wie es hier der Fall ist, noch nicht entwickelt worden.

In Fig. 5 ist einBlockschaltbild einer solchen Nachführeinrichtung gezeichnet. Es müssen zwei Aufgaben erfüllt werden. Erstens muß zur Ermittlung der Abtrift der Phasenwinkel der Sinusspannung 7 (Fig. 3) in bezug auf die Antennenrotation festgestellt werden. Zweitens muß die Größe der Änderung der Dopplerfrequenz, von der man weiß, daß sie sinusförmig verläuft und daß ihre Frequenz gleich der Frequenz der Antennenrotation ist, bestimmt werden. Die beiden Sinuswellen müssen vor der Amplitudenbestimmung in Phasenkoinzidenz gebracht werden. Das Sendesignal gelangt von einem Sender 8 über einen Duplexer 9 zur Antenne 5.

Das reflektierte Signal wird von der Antenne 5 aufgenommen und gelangt über den Duplexer9 zu einem für Doppler-Radars gebräuchlichen, bekannten Empfänger 10, wo es frequenzmäßig umgesetzt wird. Diese umgesetzte Spannung wird in einem Zwischenfrequenzverstärker 11 verstärkt. Seine Ausgangsspannung ist eine mit der sinusförmigen Dopplerfrequenz modulierte Zwischenfrequenzspannung, die der Frequenznachführeinrichtung 12 bzw. einem Diskriminator 13 zugeführt wird; seine Ausgangsspannung gelangt dann in einen mechanischen Zerhacker 14, in welchem eine Phasenumkehr im Takte der Antennenrotationsfrequenz bewirkt wird. Die Zerhackerausgangsspannung wird einem elektromechanischen Integrator 15 bekannter Bauart zugeführt. Jede Phasendifferenz zwischen der Sinusspannung 7 (Fig. 3) und der Phase der aus der Antennendrehung (Welle 6) abgeleiteten Meßwerte wird in eine Fehlerspannung umgewandelt, die eine mit der einen Antriebswelle eines Differentials 17 gekuppelte Welle 16 antreibt. Die Welle für die Antennenrotation (6) ist mit der zweiten Eingangswelle des Differentials 17 gekuppelt. Ein Unterschied der Eingangswerte des Differentials 17 bewirkt eine Drehung der Ausgangswelle 18 des Differentials. Diese ist mit der Welle 19 des Zerhackers 14 über einen Antrieb 20 gekuppelt, wodurch die Stellung der Welle 18 so lange korrigiert wird, bis mit dem Zwischenfrequenzsignal Phasengleichheit eingestellt ist. Das heißt also, die die Antennenrotation bewirkende Welle ist derart differentiell gekuppelt, daß ihr Ausgangswert immer in Phasensynchronismus mit der Sinusspannung am Ausgang des Diskriminators 13 ist. Die Welle 16 ist mittels einer weiteren Welle 22 mit einem Anzeigegerät 21 gekuppelt, so daß schließlich das Anzeigegerät 21 den Abtriftwinkel anzeigt.

Nun ist noch die Amplitude nachzustellen. Die in Phase gebrachte Welle 18 ist zu diesem Zwecke mit einem Sinuspotentiometer 21a oder mit einem anderen Sinuswellengenerator gekuppelt, dessen Ausgangsspannung mittels eines die Amplitude verändernden Potentiometers 22 a einem Oszillator 23 zugeführt wird. Seine Frequenz liegt zu beiden Seiten der Zwischenfrequenz und wird in linearer Weise

mittels des Potentiometers 22 α variiert. Die Ausgangsspannung des Sinuspotentiometers 21a ist der Winkelstellung »der Antenne proportional und in Phase mit der Zwischenfrequenz. Wird diese Wechselspannung dem Oszillator 23 zugeführt, wird der Oszillator in seiner Frequenz verändert und auf die Sinusfrequenz 7 (Fig. 3; Dopplerfrequenz) abgestimmt. Das ist das zwischenfrequente Eingangssignal der Frequenznachführeinrichtung 12. Der Oszillator 23 wird also auf eine Frequenz, die zu beiden Seiten der Zwischenfrequenz liegt, eingeregelt, und seine Frequenz wird linear mittels des Potentiometers 22a variiert. Seine Ausgangsspannung wird einer Mischstufe 24 eingegeben, der auch die Ausgangsspannung des Zwischenfrequenzverstärkers 11 zugeführt wird. Die Ausgangsspannung der Mischstufe 24 wird einem Frequenzdiskriminator 25 eingekoppelt, dessen Ausgangsspannung eine konstante Spannung ist, die eine etwa bestehende Differenz zwischen der Zwischenfrequenz (Verstärker 11) und der Frequenz des Oszillators 23 anzeigt. Die Diskriminator-Ausgangsspannung wird einem Integrator 26 eingegeben, der eine Gleichspannung am Ausgang zeigt, die etwa bestehende Frequenzdifferenzen zwischen Oszillator (22) und Zwischenfrequenz (11) anzeigt. Diese Gleichspannung wird mittels eines Summierungsnetzwerkes 27 zu der Ausgangswechselspannung des Potentiometers 22 a addiert. Die Summenspannung wird dem Oszillator 23 zugeführt und korrigiert seine Frequenz derart, daß sie frequenz- und phasenmäßig in Synchronismus mit der Zwischenfrequenz des Verstärkers 11 ist. Die Ausgangsspannung des Frequenzdiskriminators 25 wird mittels eines weiteren mechanischen Zerhackers 28 mit der Frequenz der Antennenrotation phasenmäßig umgeschaltet. Das geschieht mittels einer Welle 29, die mit dem Antrieb 20 gekuppelt ist. Die Ausgangsspannung dieses Zerhackers wird dann einem elektromechanischen Integrator 3Oj der in gleicher Weise arbeitet wie der Integrator 15, eingegeben, der eine Fehlerspannung erzeugt, wenn die Sinusspannung am Ausgang des Frequenzdiskriminators mit der Antennenrotation nicht synchron verläuft. Die Fehlerspannung bewirkt eine Drehung der Ausgangswelle 31 des Integrators 30 und bewegt dadurch auch den Schleifer 32 α des Potentiometers 22 a, wodurch wiederum die Amplitude der Sinusspannung des Potentiometers 21a verändert wird. Auf diese Weise wird mittels der Welle 31 des Integrators 30 die Größe der dem Oszillator 23 eingegebenen Sinusspannung stetig verändert. Die Größe der dem Oszillator 23 mittels des Potentiometers 22 a eingegebenen Sinusspannung ist also der Dopplerfrequenz des sinusförmigen Dopplersignales proportional. Wenn diese Proportionalität erreicht ist, hört die Drehung der Welle 31 auf. Mit dieser ist auch eine Welle 32 gekuppelt, die einen Geschwindigkeitsmesser 33 betätigt, der die Geschwindigkeit über Grund des Flugzeuges 1 anzeigt. Der Ausgang des Integrators 26 ist auch mit einem Meßinstrument 34 verbunden, das die vertikale Geschwindigkeitskomponente des Flugzeuges mißt. Wenn ein Flugzeug geradeaus fliegt, ist die Vertikalkomponente vernachlässigbar klein, sie ist aber bei Hubschraubern beträchtlich und ihre Anzeige daher wichtig. Bei Vorhandensein einer vertikalen Geschwindigkeitskomponente ist die empfangene Dopplerfrequenz zwar noch eine Sinusspannung, sie liegt aber nicht mehr symmetrisch zu beiden Seiten der Zwischenfrequenz. Der Pegel für die »Nullfrequenz« ist um den Betrag der Wechselspannung am Ausgang des Integrators 26, der ja ein Maß für die Vertikalgeschwindigkeit ist, nach oben verschoben. Das setzt natürlich voraus, daß im Oszillator 23 keine Frequenzverschiebung auftritt, denn dann würde die Ausgangswechselspannung des Integrators in seiner Gesamtheit das Maß für die Vertikalgeschwindigkeit sein. Aber selbst wenn eine Frequenzverwerfung im

ίο Oszillator 23 auftritt, würde der Anzeigefehler für die Vertikalgeschwindigkeit prozentual klein sein, weil vermöge der oben beschriebenen Art der Erzeugung einer Fehlerspannung für die Bestimmung der Vertikalgeschwindigkeit eine Korrektur vorgenommen wird.

Wenn der Oszillator hinsichtlich Frequenz und

Phase mit der Zwischenfrequenz synchronisiert ist,

■ stellt seine Ausgangsspannung ein durch Synthese gewonnenes Ersatzsignal für das Zwischenfrequenzsignal dar und kann daher der Auswertung für den Standort des Flugzeuges zugänglich gemacht werden. Wenn also ein Signal ausfällt, wird der Oszillator 23 vermöge der Stellung der Welle 31 weiterhin das gleiche Signal erzeugen, das er beim Zeitpunkt des Ausfalles gerade erzeugte. Die Ausgangsspannung, die ja eine Sinusspannung der Zwischenfrequenz mit aufmodulierter Dopplerfrequenz ist, wird mittels eines Umwandlers 35 in eine Impulsreihe verwandelt, die die gleiche Impulswiederholungsfrequenz hat wie die Oszillatorfrequenz.

Gemäß Fig. 6 wird diese Impulsreihe in eine Mischstufe 36 eingegeben, der auch eine Impulsspannung der Zwischenfrequenz, die der aus der Oszillatorausgangsspannung abgeleiteten Impulsreihe äquivalent ist, zugeführt wird. In der Mischstufe 36 wird die Zwischenfrequenz von der Ausgangsspannung der Nachstimmeinrichtung 12 subtrahiert, wodurch die Dopplerfrequenz, die die Veränderung der Lage des Flugzeuges versinnbildlicht, als Impulssignal erzeugt wird.

Liegt die Dopplerfrequenz als Sinusspannung vor, ist ihre Frequenz proportional der Geschwindigkeit. Jede Periode der Dopplerfrequenz ist also ein Maß für den während der Zeit einer Periode zurückgelegten Weg.

Jeder aus einer Periode der Sinusspannung abgeleitete Impuls ist also ebenfalls eine Angabe für den in der bestimmten Zeit zurückgelegten Weg.
Es ist nun noch notwendig, die Information aufzulösen und in die richtigen Sektoren zu verteilen. Um den nach Norden zurückgelegten Weg zu erhalten, braucht man nur die Ausgangsspannung der Nachführungseinrichtung nach Entfernen der Zwischenfrequenz mit positivem Vorzeichen über ein Tor einem Zählwerk einzugeben, während der Radarstrahl den um die Nordrichtung herum gelegenen 90°-Sektor abtastet (Fig. 7), und mit negativem Vorzeichen, wenn der um die Südrichtung gelegene 90°- Sektor abgetastet wird. Ein weiteres Zählwerk, in der gleichen Weise gespeist, ergibt für die West-Ost- bzw. Ost-West-Richtung den zurückgelegten Weg. Die Schaltungsanordnung zur Feststellung der zurückgelegten Entfernungen in den einzelnen Richtungen ist in Fig. 6 dargestellt. Wie schon angedeutet, wird die Zwischenfrequenz von der Ausgangsspannung der Nachführungseinrichtung subtrahiert. Die Differenz wird dann zwei Torröhren 37 bzw. 38 zugeführt. Diese Torröhren sind während der Abtastung der

entsprechenden Sektoren geöffnet, um die Doppler-Impulssignale hindurchzulassen und den vorwärts und rückwärts zählenden Zählwerken 39 bzw. 40 zuzuleiten. Die Ausgangswerte der Zählwerke 39 und werden einem Computer 41 bekannter Bauart eingegeben, mit Hilfe dessen der zurückgelegte Weg berechnet werden kann.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Doppler-Radarsystem für Flugzeuge zur Bestimmung der eigenen Horizontal- und Vertikalgeschwindigkeit, der Abtrift sowie des zurückgelegten Weges aus der durch den Dopplereffekt hervorgerufenen Frequenzverschiebung der ausgesendeten gegenüber den von der Erdoberfläche reflektierten, wiederempfangenen Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Radarstrahl bei gleichförmiger Drehgeschwindigkeit des Antennen- ao systems derart geführt wird, daß die auf der Erdoberfläche abgetastete Zone kreisringförmig ist.

2. Doppler-Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Dopplerfrequenz nach einer Frequenzumsetzung enthaltende Zwischenfrequenz (11) in einer Frequenznachführungseinrichtung (12) derart nachgebildet wird, daß die Bestimmung der Horizontal- und Vertikalgeschwindigkeit des Flugzeuges sowie des zurückgelegten Weges auch bei Störungen des Empfanges der reflektierten Wellen erfolgen kann.

3. Doppler-Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Abtrift des Flugzeuges mittels eines Phasenvergleiches der in einem Frequenzdiskriminator (13) ermittelten Dopplerfrequenz mit einer aus der Antennenrotation abgeleiteten Bezugsspannung erfolgt.

4. Doppler-Radarsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenznachführungseinrichtung (12) einen Oszillator (23) enthält, dessen Mittenfrequenz die Zwischenfrequenz ist, daß der Oszillator nach Maßgabe einer synchron mit der Antennendrehung sich ändernden Wechselspannung (210), deren Amplitude (22 a, 32 a) durch die Horizontalgeschwindigkeit des Flugzeuges bestimmt ist, und weiterhin nach Maßgabe einer aus der Dopplerfrequenz abgeleiteten Gleichspannung (26) frequenzmoduliert wird.

5. Doppler-Radarsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fortführung der Bestimmung der Horizontal- und Vertikalgeschwindigkeit bei Ausfall des Empfanges die frequenzmodulierte Oszillatorspannung über eine Mischstufe (24) in den Kanal für die Geschwindigkeitsmessung (25, 28, 3O₁ 31, 32, 33) rückgeführt wird.

6. Doppler-Radarsystem nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in eine Impulsreihe umgewandelte frequenzmodulierte Oszillatorspannung zusammen mit einer nicht frequenzmodulierten Impulsreihe mit der Wiederholungsfrequenz der Zwischenfrequenz einer Mischstufe (36) eingegeben wird, deren Ausgangsspannung (Dopplerfrequenz) über zwei Torschaltungen (37, 38), die nach Maßgabe der Antennenrotation abwechselnd geöffnet sind, je ein reversibles Zählwerk (39, 40) steuert, und daß aus den Ausgangswerten der Zählwerke in bekannter Weise der zurückgelegte Weg errechnet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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