DE112008002254T5

DE112008002254T5 - Digitales Radar- oder Sonargerät

Info

Publication number: DE112008002254T5
Application number: DE112008002254T
Authority: DE
Inventors: Richard Eastleigh Jales; Andrew Southsea Lawrence; Matthieu Portsmouth Maindrou
Original assignee: Raymarine UK Ltd
Current assignee: Raymarine UK Ltd
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-07-15
Also published as: GB0919217D0; GB2463388A; WO2009027693A3; GB2463387B; US8624776B2; GB2452415A; GB2463391A; GB2463386A; US9024816B2; GB0919213D0; WO2009027693A2; GB0815797D0; GB0717031D0; GB2463390B; JP2015079005A; GB0919214D0; GB0919219D0; AU2008291979A1; JP2010538251A; US20170031004A1

Abstract

Radargerät mit:
einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen;
einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Radarsignale;
einer Antenne zum Aussenden der Radarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen;
einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale;
einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit der Antenne und der Antenne mit dem Verstärker; und
einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass,
das Radargerät ferner einen linearen Empfänger zwischen dem Verstärker und dem Signalprozessor aufweist, wobei der lineare Empfänger einen linearen Demodulator zum Erzeugen einer digitalen Ausgabe aufweist, die die verstärkten Rückkehrsignale zum Verarbeiten durch den Signalprozessor darstellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Radar- oder Sonargerät. Sie befaßt sich im besonderen mit einem solchen Gerät, das eine digitale Verarbeitung der empfangenen Radar- oder Sonarsignale aufweist.
Zusammenfassung des Standes der Technik
Radarscanner werden seit den 1940iger Jahren hergestellt. Die Radarentwicklung teilte sich auf in zwei Verfahren, nichtkohärente Pulsradare und Dopplerradare. Dopplerradare erfuhren beachtliche Weiterentwicklung für militärische Verwendung und Verwendung im Flugwesen. Moderne Dopplerradare machen ausgiebig Gebrauch von digitaler Signalverarbeitung und digitaler Steuerung. Pulsradare dagegen sind weitgehend analog geblieben und verwenden logarithmische Empfänger und analoge Verstärkungsregelungen zur Erzeugung von Basisbandvideo, das zur Verarbeitung zur der Anzeigeeinrichtung geleitet wird. Die Anzeigeeinrichtung wandelt das Basisbandvideo unter Verwendung eines 1-Bit Komparators in digitale Form um. Jede in solchen Anzeigeeinrichtungen stattfindende Signalverarbeitung ist durch das Schwellenwertverfahren limitiert, das in dem Komparator ausgeführt wird. Analoge Verarbeitung und Steuerung war bisher billiger und für die meisten Zwecke ausreichend.
Radarempfänger basierten historisch auf der Down-Konvertierung aus dem S-Band oder X-Band zu einer Zwischenfrequenz ZF (intermediate frequency IF) in der Größenordnung von 60 MHz. Das Signal bei der Zwischenfrequenz (ZF) wird dann einer ZF-Filterung und einer logarithmischen Demodulation zu Basisband-„Video” unterzogen, gefolgt von einer Basisbandfilterung. Der Radarsignalprozessor ist oft in einer Radaranzeigeeinrichtung, eher als im Radarscanner selbst untergebracht. Es gibt nämlich Einschränkungen betreffend Größe, Gewicht und Leistung des Radarscannergehäuses. Der Scanner wird den schlimmsten Umweltbedingungen ausgesetzt, wogegen sich das Gehäuse der Anzeigeeinrichtung oft in einer freundlicheren Umgebung, so wie einem geheizten Cockpit befindet. Wenn mehrere Anzeigeeinrichtungen verwendet werden, wird die Radarinformation typischerweise über ein Netzwerk ausgesendet, die Radarsignalprozessoren in jeder Anzeigeeinrichtung, die nicht direkt mit dem Scanner verbunden ist, sind untätig und redundant.
Analoge ZF-Filter werden für bekannte Monopulsradare verwendet. Die optimale Bandbreite für die ZF-Filter ist (BW) = 1/T, wobei T die Pulsbreite ist.
Die Pulsbreite ist im Hinblick auf Entfernungsauflösung und Durchschnittsleistung optimiert. Kurze Pulse werden für kurze Entfernung verwendet, wo die höchste Entfernungsauflösung gebraucht wird und die Rückkehrsignale am stärksten sind. Lange Pulse werden verwendet, wenn die absolute Entfernungsauflösung verringert werden kann, aber aufgrund der geringeren Leistung des Rückkehrsignals eine höhere Übertragungsleistung gebraucht wird.
Die zurückgekehrte Signalleistung ist: s = k/R^4wobei k konstant und R die Entfernung ist.
Die Entfernungsauflösung der Anzeigeeinrichtung beschränkt die darstellbare Entfernungsauflösung auf ein maximales Entfernungsverhältnis von etwa 1/1024. Somit kann sich bei größeren Entfernungen die absolute Entfernungsauflösung verringern. Es sollte angemerkt werden, dass ein Erhöhen der Entfernungsauflösung Stördaten (clutter) verringert; die überschüssige Anzahl von Entfernungsbins kann in dem Signalprozessor vor der Anzeige zusammengefasst werden. Pulse mit dieser optimalen übertragenen Pulsbreite werden ausgewählt, wenn der Benutzer den instrumentierten Bereich ändert.
Wenn eine große Anzahl verschiedener Pulsbreiten (etwa 8) zur Verfügung steht, wird die Bereitstellung einer abgestimmten analogen Filterung beschwerlich in der Einrichtung und anfällig für Drift. Aus diesem Grund wird normalerweise eine Kompromissuntergruppe von Filterbandbreiten bereitgestellt, und jede davon zur Erfassung von mehreren Pulsbreiten verwendet. Dies führt zu suboptimaler Filterung. Analoge Videofilterung folgt auf die Erfassung zur Entfernung der Störprodukte, die aufgrund der Verwendung eines logarithmischen Detektors entstehen. Der analoge Video-Tiefpassfilter (loss-pass filter) arbeitet im Basisband und benötigt ein großes Verhältnis von Bandbreite zu Grenzfrequenz, und zusätzlich auch eine lineare Phase, so dass die Videofilterung minimal ist.
Das Radarsignal erfordert eine Umwandlung von analoger in digitale Form unter Verwendung eines Analog-Digitalwandlers (ADW) oder häufiger lediglich eines Komparators. Zur Verwendung mit einer Anzeigeeinrichtung mit Rastergrafik, wie etwa eines CRT oder LCD, muss das Signal in digitaler Form vorliegen. Es muss nämlich von Polarkoordinaten (Abstand, Azimuth) in kartesische Koordinaten (x, y) (scan-)konvertiert werden. Vor der Konvertierung ist eine Tiefpassvideofilterung notwendig um Aliasing-Artefakte zu vermeiden. Die Log-Verarbeitung der Amplitude durch einen herkömmlichen Radarempfänger ist ein nichtlinearer Prozess, dessen Ausgabe viele Harmonische umfasst, die entfernt werden müssen, um Aliasing in dem ADW zu vermeiden. Jedoch ist, wie oben beschrieben, die Videofilterung minimal. Eine mangelhafte Entfernung dieser Störprodukte verursacht Aliasing und zerstört Informationen, die bei der späteren Signalverarbeitung verwendet werden könnten, um die Qualität der angezeigten Informationen zu verbessern. Das logarithmische Basisband-Video schließt jede Signalverarbeitung aus, die Gebrauch von linearen Signalen macht, wie z. B. Schnelle Fourier-transformation (Fast Fourier Transforms, FFTs).
Logarithmische Detektorempfänger hatten historisch Vorteile in Radarempfängern aufgrund ihres großen Dynamikbereichs, und haben von Natur aus eine konstante Falschalarmrate (CFAR). Um sicherzustellen, dass diese Vorzüge in einem linearen Empfänger nicht beeinträchtigt werden, muss der Dynamikbereich der Analog- und der Analog-Digital-Umwandlung sehr groß sein. Rauscharme Vorverstärkerkomponenten, hohe Geschwindigkeit, hochauflösende (große Anzahl von Bits) Analog-Digital-Umwandlung, sehr schnelle digitale Filter und vorzugsweise ein gleitkommaverarbeitender digitaler Signalprozessor (DSP) müssen verwendet werden. Diese Bauteile waren teuer und schwierig zu benutzen. Aus diesem Grund wurden lineare Erfassung und Verarbeitung als sowohl unwirtschaftlich als auch unzuverlässig (aufgrund hoher Verlustleistung) bisher nicht in Erwägung gezogen.
Es stehen Zwei-Entfernungs-Scanner (Dual-Range-Scanner) zur Verfügung, die die Anzeige von getrennten Radar-Plan-Positionsindikatoren (PPIs) erlauben, die die herkömmlichen Radar-Anzeigeeinrichtungen sind. Bei solchen Scannern macht der Scanner jedoch mehr als eine volle Umdrehung unter Verwendung jeder Pulsart, wobei der Empfänger zu einem Zeitpunkt für den Empfang einer Pulsart optimiert ist. Die Anzeigen jeder Entfernung haben den Nachteil, dass sie offensichtlich nicht gleichzeitig upgedated werden, wodurch eine Mehrdeutigkeit entsteht. Zeit wird gewährt für die Änderung der Empfänger- und Sendereinstellungen, was zu einer Zeitdauer führt, in der bei keiner Entfernung Pulse gesendet oder empfangen werden. Dies führt zu einem Informationsverlust.
1 der beigefügten Zeichnungen zeigt ein bekanntes Radargerät. Es weist fünf Hauptkomponenten auf, nämlich einen Prozessor 10, einen Senderbereich 20, einen Antennenaufbau 30, einen Empfängerbereich 40 und einen Anzeigebereich 50. Der Prozessor 10 erzeugt Pulsinitiierungssignale, die über einen digitalen Bus 11 dem Senderbereich 20 zugeleitet werden. Der Prozessor erzeugt auch Signale zum Steuern des Empfängerbereichs 40, die dem Empfängerbereich 40 von dem Prozessor 10 über einen zweiten digitalen Signalbus 12 zugeleitet werden.
Die Pulsinitiierungssignale von dem Prozessor 10 werden von einer Pulsdauereinheit 21 in dem Senderbereich 20 empfangen, die die Pulsbreite der zu erzeugenden Pulse bestimmt. Die Pulse werden durch eine Flanke des Pulsinitiierungssignals ausgelöst und ihre Dauer ist damit festgelegt. Die sich ergebende Pulsinformation wird an einen Modulator 22 weitergeleitet, der einen Magnetronsender 23 ansteuert. Dieser Magnetronsender 23 ist normalerweise ein Vakuumgerät, das Hochleistungs-Mikrowellenpulse erzeugt, die die Radarsignale bilden werden. Diese Mikrowellenpulse werden von dem Magnetron 23 über einen Bandpassfilter 27, der Störemissionen von dem Magnetron 23 regelt, einem Zirkulator 25 zugeführt. Dieser Zirkulator wirkt als Schaltgerät und führt die Mikrowellenpulse zu passenden Zeitpunkten einer Antenne 31 zu, von der sie ausgesendet werden. Die Antenne 31 ist dazu eingerichtet, sich zu drehen, und hat eine Drehverbindung 32 und einen Motor 33, der die Antenne in einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit antreibt. Der Motor 33 wird von einem Antrieb 34 angetrieben, der von dem Modulator 22 mit Energie versorgt wird. Die Drehverbindung 32 wirkt als Mikrowellenverbindung zwischen der sich drehenden Antenne und dem Zirkulator 25.
Wenn von der Antenne 31 Rückkehrsignale empfangen werden, werden sie über den Zirkulator 25 einem rauscharmen Frequenzwandler 41 zugeführt, der die Signale in eine geeignete Frequenz umwandelt. Im Allgemeinen wird das Magnetron Pulse im Bereich des X-Bandes erzeugen, die bei 9,4 GHz gesendet werden, und in diesem Fall wird der rauscharme Frequenzwandler 41 die empfangenen X-Bandsignale in eine ZF-Frequenz umwandeln, wie etwa 60 MHz. Man beachte, dass der Zirkulator 25 umschaltet zwischen den Pulsen zur Aussendung von dem Magnetron 23 und den empfangenen Signalen, die von der Antenne 31 empfangen werden und dem rauscharmen Frequenzwandler 41 zugeführt werden. Die Signale von dem rauscharmen Frequenzwandler 41 werden einem PIN-Diodendämpfungsglied 42 zugeführt, das von einem Generator zeitveränderlicher Verstärkung (TVG-Generator) 43 geregelt wird, der von dem Prozessor 10 auf Basis der Signale gesteuert wird, die über den Bus 12 geleitet werden. Dieser TVG-Generator 43 regelt die Verstärkung des Empfängerbereichs 40 so, dass Entfernungsänderungen des von der Antenne 31 empfangenen Signals kompensiert werden. Der TVG-Generator 43 regelt auch einen Verstärker mit veränderlicher Verstärkung 44, der die Ausgabe des PIN-Dämpfungsgliedes 42 empfängt, und regelt die ZF-Verstärkung des empfangenen Signals. Die Ausgabe des Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung 44 wird einem Log-Detektor 45 zugeführt, der eine Ausgabe erzeugt, die der Logarithmus der Einfüllenden mit einem empfangenen Signal ist. Diese Ausgabe wird einem Filter mit wählbarem Band (Videofilter 46) zugeleitet, der die Ausgabe für den Anzeigebereich 50 erzeugt.
Wie in 1 dargestellt ist, weist der Anzeigebereich mehrere Anzeigeanordnungen auf, von denen jede einen Komparator 51, einen Speichenpuffer (Spoke buffer) 52, einen Signalprozessor 53 und eine graphische Anzeige 54 aufweist. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind jedoch alle bis auf eine dieser mehreren Anzeigeanordnungen zumeist überflüssig. Mithin wird in 1 die Ausgabe des Videofilters 46 von einer ersten Anzeigeanordnung 55 empfangen, die einen Komparator 51, einen Speichenpuffer 52, einen Signalprozessor 53 und eine Anzeigeeinheit 54 aufweist. Der Komparator 51 erzeugt eine digitale Ausgabe, die sich ändert, wenn das Eingangssignal eine vorgegebene Spannungsschwelle überschreitet. Der Speichenpuffer 52 empfängt dann die Ausgabe des Komparators 51 und speichert eine digitale Darstellung des empfangenen Signals als Funktion der Zeit. Die in dem Speichenpuffer 52 gespeicherten Digitalsignale werden dann durch den Signalprozessor weiterverarbeitet, um ein Signal für die Anzeigeeinheit 54 zu erzeugen. Diese Signale für die Anzeigeeinheit 54 werden jedoch auch direkt einer Anzeigeeinheit 54 einer zweiten Anzeigeanordnung 56 zugeführt. In dieser Anzeigeanordnung 56 sind der Komparator 51, der Speichenpuffer 52 und der Signalprozessor 53 überflüssig. Es wäre auf ähnliche Weise möglich, weitere Anzeigeanordnungen bereitzustellen, die auf ähnliche Weise operieren.
Bei einem Sonarsystem ist der Aufbau ähnlich, aber die Antenne ist durch einen Sonarwandler ersetzt, der die Sonarsignale aussendet und empfängt. Anders als die Antenne 31 dreht sich der Wandler nicht. Ferner würde es normalerweise erwünscht sein, das Magnetron 23 durch einen Hochleistungs-RF-Pulsgenerator zu ersetzen. Da die Verhältnisgeschwindigkeit von akustischen Wellen in Wasser deutlich geringer ist als die durch Luft propagierender Radiowellen, und die größte Entfernung eines von einem Sonarsystem erfassbaren Objektes normalerweise geringer ist als die von einem Radarsystem erfassbare maximale Entfernung, unterscheiden sich zusätzlich die bei einem Sonarsystem verwendeten Pulswiederholungsintervalle und Pulsbreiten von denen, die bei einem Radarsystem verwendet werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bekannte Radar- und/oder Sonarsysteme zu verbessern, und sie bietet eine Reihe von Gesichtspunkten, die unabhängig voneinander oder in Verbindung bei dem Radar- oder Sonarsystem verwendet werden können. Jeder Gesichtspunkt kann zusätzliche Merkmale für einen Antennen- oder Sonargrundaufbau bereitstellen, der die Hauptmerkmale jedes Radar- oder Sonarsystems aufweist.
So kann bei der vorliegenden Erfindung der Grundaufbau eines Radargeräts aufweisen:
einen Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen;
einen Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Radarsignale;
eine Antenne zum Aussenden der Radarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen;
einen Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale;
ein Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit der Antenne und der Antenne mit dem Verstärker; und
einen Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung.
In ähnlicher Weise kann der Grundaufbau eines Sonargerätes aufweisen:
einen Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen;
einen Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Sonarsignale;
einen Wandler zum Aussenden der Sonarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen;
einen Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale;
ein Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit dem Wandler und des Wandlers mit dem Verstärker; und
einen Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung.
Daraus ist erkennbar, dass der Grundaufbau des Sonargerätes sich von dem Grundaufbau des Radargerätes in dem Austausch der Antenne (normalerweise eine ich drehende Antenne) des Radargerätes durch einen Wandler unterscheidet.
Der erste Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung schlägt vor, dass das von der Antenne oder dem Wandler empfangene Signal des Radar- oder Sonargerätes nach Verstärkung einer linearen Demodulation unterzogen wird. Das erhaltene demodulierte Signal wird dann zur Erzeugung einer Anzeige verwendet oder kann weiter ausgewertet werden.
Somit kann dieser erste Gesichtspunkt ein Radar- oder Sonargerät mit dem oben beschriebenen Grundaufbau bereitstellen und zwischen dem Verstärker und dem Signalprozessor einen linearen Empfänger aufweisen, wobei der lineare Empfänger einen linearen Demodulator zum Erzeugen einer digitalen Aufgabe aufweist, die die verstärkten Rückkehrsignale zum Verarbeiten durch den Signalprozessor darstellt.
Ein linearer Empfänger ist normalerweise ein Empfänger mit linearen Verstärkern und einem linearen Demodulator. Das Ausgangssignal ist linear proportional zu der Amplitude des Eingangssignals. Nichtlineare Empfänger weisen z. B. logarithmische und quadratische Demodulatoren auf. In ähnlicher Weise ist ein linearer Demodulator normalerweise ein Demodulator, der ein Ausgangssignal, entweder in digitaler oder in analoger Form, erzeugt, das linear proportional zu der Amplitude des Eingangssignals ist. Er kann auch ein Signal liefern, das die Phase des Eingangssignals zeigt, wobei die zeitliche Abstimmung auf einen Lokaloszillator bezogen ist.
Der zweite Gesichtspunkt der Erfindung berücksichtigt auch die von der Antenne oder dem Wandler des Radars oder Sonars empfangenen Signale, und schlägt vor, dass diese Signale nach Verstärkung unter Verwendung eines Anti-Aliasing-Filters gefiltert werden und durch einen Unterabtastwandler von analoger in digitale Form umgewandelt werden.
So kann gemäß dem zweiten Gesichtspunkt ein Radar- oder Sonargerät mit dem oben beschriebenen Grundaufbau bereitgestellt werden, mit einem mit dem Verstärker zum Filtern der verstärkten Rückkehrsignale verbundenen Anti-Aliasing-Filter und einem Unterabtast-Analog-Digitalwandler zum Umwandeln der gefilterten Digitalsignale in Digitalsignale, wobei die Digitalsignale dem Signalprozessor zugeführt werden.
Ein Anti-Aliasing-Filter ist ein Instrument, das normalerweise vor einem Analog-Digitalwandler verwendet wird, und das die Beschränkung der Bandbreite eines Signals zur ungefähren Erfüllung des Shannon-Nyquist-Kotelnikov-Abtasttheorems erlaubt. Die Theorie verlangt, dass ein zeitkontinuierliches Basisbandsignal aus seinen Abtastwerten exakt rekonstruiert werden kann, wenn das Signal bandbreitebegrenzt ist und die Abtastfrequenz mehr als doppelt so groß ist wie die Signalbandbreite. Bei Radar- und Sonaranwendungen umfasst das außerhalb des Bandes liegende Signal vor allem weißes, thermisches Rauschen. Um ein zufriedenstellendes Signal-zu-Rauschverhältnis zu erreichen und um eine ausreichende Annäherung an die obigen Kriterien bereitzustellen, sollten die Signale innerhalb des Bandes nicht um mehr als 6 dB abgeschwächt werden und potentiell gespiegelten (aliased) Signale sollten um mehr als 30 dB abgeschwächt werden.
Wie oben erwähnt, können erster und zweiter Gesichtspunkt unabhängig sein. Wenn sie jedoch in Kombination verwendet werden, sind der Anti-Aliasing-Filter und der Analog-Digitalwandler zwischen Verstärker und dem linearen Empfänger.
Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt erzeugt der Analog-Digitalwandler eine digitale Ausgabe, die geeignet für Down-Konvertierung in das Basisband oder für weitere digitale Signalverarbeitung ist. Zum Beispiel kann das digitale Signal vor der Ausgabe an den Signalprozessor einer digitalen Filterung unterzogen werden. Wenn die so gefilterten Pulse mehrere Pulsbreiten haben, kann die Filterung durch adaptive Filter vorgenommen werden.
Vorzugsweise werden die Analog-Digitalwandlung, die Zwischenfrequenz(ZF)-Filterung, und die Down-Konvertierung in das Basisband, wenn sie verwendet werden, innerhalb eines einzigen integrieren Schaltkreises durchgeführt.
Vorzugsweise wird das Signal vor der Ausgabe einer nichtlinearen Dynamikbereichsanpassung unterzogen. Nichtlineare Dynamikbereichsanpassung an eine Anzeigeeinrichtung folgt auf die Signalverarbeitung und geht ihr nicht voraus. Der Dynamikbereich des Radarsignals nach der Signalverarbeitung ist immer noch größer als der dynamische Intensitätsbereich der Anzeigeeinrichtung. Dynamische Bereichskompression wird verwendet, aber folgt auf die Signalverarbeitung. Eine Auswahl an Algorithmen zur Kompression ist dann durchführbar, weil die Kompression in dem Signalprozessor durchgeführt wird. Diese kann logarithmisch, quadratwurzelförmig, oder in besonderen Fällen für keine Kompression linear sein.
Der dritte Gesichtspunkt der Erfindung befasst sich mit dem Signalprozessor. Gemäß diesem dritten Gesichtspunkt in seinem allgemeinsten Fall ist der Signalprozessor ein digitaler Prozessor mit einem in dem digitalen Prozessor betriebenen Netzwerkstack. Dies muss unterschieden werden von einer Anordnung, bei der ein Netzwerkstack in einem separaten Kommunikationsprozessor betrieben wird.
Somit kann gemäß dem dritten Gesichtspunkt der Erfindung ein Radar- oder Sonargerät mit dem oben beschriebenen Grundaufbau bereitgestellt werden, mit einem mit dem Verstärker verbundenen Anti-Aliasing-Filter zum Filtern der verstärkten Rückkehrsignale, und einem Analog-Digitalwandler zum Umwandeln der gefilterten Signale in Digitalsignale, wobei die Digitalsignale dem Signalprozessor zugeführt werden, wobei der Signalprozessor ein digitaler Prozessor mit einem in dem digitalen Prozessor betriebenen Netzwerkstack ist.
Ein Netzwerkstack ist eine Softewareimplementierung eines Netzwerk-Kommunikationsprotokolls.
Auch der vierte Gesichtspunkt der Erfindung befasst sich mit dem Signalprozessor und schlägt vor, dass der Prozessor ein digitaler Prozessor mit einer Netzwerkschnittstellen-Medienzugriffssteuerung und einer Bitübertragungs-Schnittstelle ist. Diese Medienzugriffssteuerung kann direkt oder logisch mit einem digitalen Signalverarbeitungsbus, ggf. über Buspuffer, verbunden sein.
Somit kann gemäß dem vierten Gesichtspunkt der Erfindung ein Radar- oder Sonargerät mit dem oben beschriebenen Grundaufbau bereitgestellt werden, mit einem mit dem Verstärker verbundenen Anti-Aliasing-Filter zum Filtern der verstärkten Rückkehrsignale, und einem Analog-Digitalwandler zum Umwandeln der gefilterten Signale in Digitalsignale, wobei die Digitalsignale dem Signalprozessor zugeführt werden, wobei der Signalprozessor ein digitaler Signalprozessor mit einer Netzwerkschnittstellen-Medienzugriffssteuerung und einer Bitübertragungs-Schichtschnittstelle ist, die mit einem digitalen Signalverarbeitungsbus verbunden sind.
Eine Medienzugriffssteuerung (MAC) ist ein Bauteil wie etwa ein elektronischer integrierter Schaltkreis oder ein funktioneller Block eines Schaltkreises, der Adress- und Zugriffskontrolleinrichtungen bereitstellt, der für verschiedene Netzwerkknoten die Kommunikation innerhalb eines Mehrpunkt-Kommunikationsnetzwerk ermöglicht.
Eine Bitübertragungsschicht-Schnittstelle (PHY) bezieht sich auf einen elektronischen integrierten Schaltkreis oder einen funktionellen Block eines Schaltkreises als Schnittstelle zwischen digitalen Signalen, und eine Modulation in der analogen Ebene eines Kommunikationsnetzwerks.
Wie oben erwähnt, ist die Bereitstellung eines Radar- oder Sonarsystems bekannt, bei dem verschiedene Pulse zur Erzeugung verschiedener Bilder verwendet werden, z. B. Bilder bei verschiedenen Entfernungen. Jedoch berücksichtigten die bekannten Systeme im Allgemeinen die für verschiedene Entfernungen gebrauchten Pulse getrennt voneinander, so dass das eine oder andere der Bilder auf Werten basiert, die bedeutend älter sind als die für die Bildung des anderen Bildes verwendeten Werte. Der fünfte Gesichtspunkt der Erfindung versucht durch Überlagerung der Pulse für verschiedene Entfernungen, die sich in Pulsdauer und/oder Zwischenpuls-Intervall unterscheiden, solche Geräte zu verbessern, indem es eine gleichzeitige Anzeige von Bildern gibt. Insbesondere sind die Pulse so, dass die Werte zur Bildung der Anzeigebilder von Werten innerhalb einer Dauer nicht länger als zwanzigmal des längeren Zwischen-Puls-Zeitraums der verschiedenen Pulse erlangt werden. Alternativ, zumindest für ein Radarsystem, sollten die Werte nicht über einen längeren Zeitraum als die Hälfte der Antennenumdrehungsdauer erlangt werden, verglichen mit den Werten für das andere Bild. Letzteres ist bei einem Sonar nicht einsetzbar, der keine sich drehende Antenne hat.
Somit kann gemäß dem fünften Gesichtspunkt der Erfindung eine Radarsystem mit dem oben beschriebenen Grundaufbau bereitgestellt werden, mit einem Antennenantrieb zum Drehen der Antenne mit einer vorgegebenen Umdrehungsdauer;
wobei der Modulator zur Erzeugung der Folge von Pulssignalen derart eingerichtet ist, dass die Folge Pulse mit einem ersten Pulsmuster und Pulste mit einem zweiten Pulsmuster aufweist, wobei sich die ersten und zweiten Pulsmuster in Pulsdauer und Zwischenpuls-Intervall unterscheiden, und sich erste und zweite Pulsmuster derart überlagern, dass es innerhalb der vorgegebenen Zeitdauer eine Mehrzahl von Pulsen jeder Pulsart gibt, und
wobei der Signalprozessor zur Erzeugung eines ersten Radarbildes von den Pulsen der ersten Pulsart und eines zweiten Radarbildes von den Pulsen der zweiten Pulsart eingerichtet ist, so dass die Pulse, die jedes der ersten und zweiten Bilder bilden, zu jeder Zeit innerhalb eines Zeitraums liegen, der nicht größer ist als die Hälfte der vorgegebenen Umdrehungsdauer.
Auf ähnliche Weise kann gemäß diesem fünften Gesichtspunkt ein Sonarsystem mit dem oben beschriebenen Grundaufbau bereitgestellt werden, wobei der Modulator zur Erzeugung der Folge von Pulsen eingerichtet ist, und dass die Folge Pulse mit einem ersten Pulsmuster und Pulse mit einem zweiten Pulsmuster aufweist, wobei sich die ersten und zweiten Pulsmuster in Pulsdauer und Pulsabstand unterscheiden, und sich und erste und zweite Pulsmuster überlappen und,
wobei der Signalprozessor zum Erzeugen eines ersten Sonarbildes aus den Pulsen der ersten Pulsart und eines zweiten Sonarbildes aus den Pulsen der zweiten Pulsart eingerichtet ist, und dass die Pulse, die die ersten und zweiten Bilder bilden, zu jeder Zeit innerhalb eines Zeitraums liegen, der nicht größer ist als zwanzigmal das Pulsintervall der ersten oder der zweiten Pulsmuster, je nachdem welches länger ist.
Der sechste Gesichtspunkt der Erfindung betrifft den Verstärker, der die von der Antenne oder dem Wandler des Radar- oder Sonargerätes empfangenen Signale verstärkt. Gemäß dem sechsten Gesichtspunkt wird eine Look-up-Tabelle zur digitalen Steuerung des Verstärkers verwendet.
So kann gemäß dem sechsten Gesichtspunkt ein Radar- oder Sonarsystem mit dem oben beschriebenen Grundaufbau bereitgestellt werden, mit einer Steuerung zum Regeln der Verstärkung des Verstärkers, wobei der Verstärker mindestens eine Look-up-Tabelle mit Werten zum Kompensieren von entfernungsabhängigen Änderungen der Rückkehrsignale aufweist.
Normalerweise sind die entfernungsabhängigen Änderungen von Radarsignalen 1/R^4. Diese Entfernungsabhängigkeit kann jedoch von dieser Funktion abweichen, falls es Regen- oder Seegangsecho (sea-clutter) gibt, so dass die erforderliche Änderung oft ein Polynom der Entfernung oder eine Kombination entfernungsabhängiger Potenzgesetze ist. So wird der Inhalt der Look-up-Tabelle, wenn die Verstärkungsregelung des Empfängers nichtlinear ist, dann das Produkt der erforderlichen Funktionen sein.
Wenn der sechste Gesichtspunkt für einen bei verschiedenen Entfernungen betriebenen Radar verwendet wird, gleich ob mit Verwendung des fünften Gesichtspunktes der Erfindung oder in anderer Weise, wird die Verstärkersteuerung die verschiedenen Entfernungen berücksichtigen müssen. Dies kann durch Verwendung von zwei oder mehr Look-up-Tabellen geschehen (wobei die Anzahl von der Anzahl von Entfernungen abhängt). Alternativ können jedoch die verschiedenen Entfernungen innerhalb einer einzigen Look-up-Tabelle untergebracht sein, die verschiedene, zu den verschiedenen Entfernungen gehörende Tabellenbereiche hat. Dann werden die zum Erlangen der Werte zum Steuern des Verstärkers verwendeten Adressen in Abhängigkeit von der Entfernung, bei der der Radar oder Sonar gerade betrieben wird, auf den erforderlichen Tabellenbereich zeigen. Die Verwendung einer einzigen Look-up-Tabelle mit verschiedenen Tabellenbereichen wird normalerweise bevorzugt werden.
Ferner erlaubt die Verwendung von mehreren Look-up-Tabellen oder einer Look-up-Tabelle mit mehreren Tabellenbereichen auch Aktualisierungen (updating). Somit können, wenn Werte in einer Tabelle oder in einem Tabellenbereich gerade verwendet werden, Werte in einer anderen Tabelle oder einem anderen Tabellenbereich ohne Beeinträchtigung des laufenden Betriebs des Gerätes aktualisiert werden.
Wenn der Verstärker mehr als eine Verstärkungsstufe hat, können verschiedene Verstärkungsfunktionen für die Stufen notwendig sein. Auch in diesem Fall ist es möglich, mehrere Look-up-Tabellen zu gebrauchen oder eine Look-up-Tabelle mit verschiedenen Tabellenbereichen für die verschiedenen Verstärkungsstufen zu haben. Wenn verschiedene Look-up-Tabellen zur Verstärkungsregelung verwendet werden, kann das Signal durch Zusammenzählen der Ausgaben von den zwei Tabellenarten unter Verwendung von Sättigungslogik, die die zur Regelung des Verstärkers verwendeten Signale innerhalb des Verstärkungsregelungsbereichs hält, innerhalb des erwünschten Dynamikbereichs gehalten werden. Zum Beispiel kann ein Bereich von 0 bis 255 für eine 8-Bit Verstärkungsregelung verwendet werden.
Alle oben beschriebenen Gesichtspunkte der Erfindung sind für Radar- oder Sonarsysteme einsetzbar. Der siebte Gesichtspunkt der Erfindung befasst sich mit einem Radarsystem und schlägt vor, dass der digitale Signalprozessor des oben beschriebenen Radar-Grundaufbaus eine digitale Ausgabe erzeugt, die mehr als acht Stufen von Radarvideo aufweist. Vorzugsweise wird eine Falschfarbendarstellung der Objekte in Amplitude auf der Radaranzeige angezeigt. Vorzugsweise gibt es mehr als sechzehn Stufen von Radarvideo.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Scanner mit verbesserter Anzeige von Pulsradar- oder Sonarwerten herzustellen. Die Erfindung kann von einer multibit-digitalen Signalverarbeitung mit linearer Umwandlung in das Basisband Gebrauch machen. Wenn digitale Steuerung verwendet wird, ermöglicht dies dem Scanner, Temperatur- und Alterungseffekten, die analoge Schaltungen beeinträchtigen, zu widerstehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 ein Blockdiagramm eines bekannten Radargerätes darstellt und bereits beschrieben wurde;
2 ein Blockdiagramm eines Radargerätes ist, das die vorliegende Erfindung verkörpert;
3 ein Diagramm mit der Beziehung zwischen Verstärkung und Empfindlichkeit eines Verstärkers in Abhängigkeit von der Entfernung ist;
4 ein Diagramm ist, das die Frequenzlinie eines Filters der Ausführungsform von 2 zeigt;
5 ein Blockdiagramm ist, das einen Teil des Gerätes der 2 zeigt;
6 die Down-Konvertierung von Signalen der Ausführungsform der 2 veranschaulicht;
7 die Datenpufferung in der Ausführungsform der 2 veranschaulicht;
8 den Generator veränderlicher Verstärkung der 2 veranschaulicht;
9 die typische Kennlinie des PIN-Diodendämpfungsgliedes der 2 veranschaulicht;
10 Pulsmuster zeigt, die in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
11 ein Blockdiagramm eines bekannten Sonarsystems ist, ähnlich dem aus 1; und
12 ein Blockdiagramm eines Sonargerätes ist, das die vorliegende Erfindung verkörpert, und das dem aus 2 ähnlich ist.
Ausführliche Beschreibung
Nun wird im Detail ein Radargerät beschrieben, das die verschiedenen Gesichtspunkte der Erfindung verkörpert. 2 zeigt den Grundaufbau des Gerätes dieser Ausführungsform. Wie bei der bekannten Anordnung der 1, weist das Gerät fünf Bestandteile auf, nämlich einen Steuerprozessor 100, einen Senderbereich 200, einen Antennenbereich 300, einen Empfängerbereich 400 und einen Anzeigebereich 500. Einige der Teilbestandteile von Senderbereich 200, Antennenbereich 300, und Empfängerbereich 400 entsprechen den Bestandteilen von Senderbereich 20, Antennenbereich 30 und Empfängerbereich 40 der Anordnung der 1 und dieselben Bezugszeichen werden für einander entsprechende Teile verwendet.
Das Gerät aus 2 ist jedoch zum Erzeugen mehrerer Anzeigen bei verschiedenen Radarentfernungen ausgelegt. So erzeugt der Steuerprozessor 100 zwei Arten von Pulswiederholungsfrequenzsignalen, die über separate digitale Busse 101, 102 zu separaten Pulsdauereinheiten 201, 202 gesendet werden. Jede dieser Pulsdauereinheiten 201, 202 bestimmt die Dauer der jeweiligen Pulse auf ähnliche Weise wie die Pulsdauereinheit 21. Jedoch wird die Dauer der von den Pulsdauereinheiten 201, 202 erzeugten Pulse verschieden sein. Die sich ergebenden Signale werden mit einem logischen ODER-Element 203 kombiniert, bevor sie dem Modulator 22 zugeführt werden. Wie später in größerer Genauigkeit beschriebfen wird, werden die Pulse so erzeugt, dass sie sich überlagern, wobei die Art und Weise des Überlagerns durch die erwünschten Entfernungen der anzuzeigenden Bilder bestimmt wird.
Bei der Anordnung der 2 ist der Aufbau des Antennenbereichs 300 ähnlich zu dem Antennenbereich 30 der Anordnung nach 1. Wie in der Anordnung der 1, werden die von der Antenne 31 empfangenen Signale über den Zirkulator, einen rauscharmen Frequenzwandler (low noise converter, LNC) 41, ein PIN-Dämpfungsglied 42 einem Verstärker mit veränderlicher Verstärkung 44 zugeführt. Die Ausgabe des Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung 44 wird jedoch auf andere Weise weiterverarbeitet als in der Anordnung der 1, wie später in größerer Genauigkeit beschrieben wird.
In der Ausführungsform von 2 ist der Generator zeitveränderlicher Verstärkung (time varying gain, TVG) 401 unter Verwendung einer Kombination von Verstärkern mit fester und veränderlicher Verstärkung und eines PIN-Diodendämpfungsgliedes ausgeführt. Auch hier wird der TVG-Generator 401 unter Verwendung von Signalen von dem Steuerprozessor 100 über einen digitalen Bus 12 gesteuert. In dieser Ausführungsform jedoch wird die Ausgabe des TVG-Generators 401 durch entsprechende Digital-Analogwandler 402, 403 zur Regelung des PIN-Dämpfungsgliedes 42 bzw. des Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung 44 umgewandelt.
3 veranschaulicht sodann die Änderung in Verstärkungsempfindlichkeit des Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung 44, die für verschiedene Entfernungen gebraucht wird. Diese werden von dem TVG-Generator 401 geregelt.
Ein Anti-Alias Filter 404 mit fester Frequenz folgt dem Verstärker mit veränderlicher Verstärkung 44, um die Bandbreiten des Eingangssignals zu beschränken auf: Anti-Alias Filterbandbreite = ZF-Frequenz +/– BWmax,wobei BW_max die für den optimalen Empfang der kürzesten Pulse erforderliche Bandbreite und ZF die erwünschte Zwischenfrequenz ist. Der Anti-Aliasing Filter 404 kann wie oben keine unendliche Roll-off-Rate haben. Es ist jedoch möglich, einen Teil des Signals außerhalb dieses Bereiches durchzulassen, incl. Teile von gespiegeltem (aliased) Signal. Dieses Signal wird thermisches (weißes) Rauschen, Interferenz und höhere Harmonische des empfangenen Zielsignals aufweisen. Die sich anschließende digitale Filterung wird einen Großteil des gespielten, gestörten Signals entfernen, wenn sie mit schmalerer Bandbreite (längere Pulse) verwendet wird, wenn das geringste Rauschen und beste Leistung erforderlich sind. Interferenz von anderen Pulsradaren wird aussortiert, sogar wenn sie in die ausgewählte Bandbreite gespielt ist. Eine Korrelationstechnik basierend auf Mehrfachradarpulsen wird verwendet. Das übrige, in die ausgewählte Bandbreite gespielte weiße Rauschen macht lediglich die Rauscheigenschaften geringfügig schlechter gemäß dem Verhältnis der ausgewählten Bandbreite zu dem Rand des Aliasing-Filters.
Der beschriebene Radarempfänger kann einen einzigen integrierten-Schaltkreis-14-Bit-Analog-Digitalwandler mit integriertem Hochgeschwindigkeitsdigitalfilter verwenden. Die kleine Größe dieser Komponente und der hohe Integrationsgrad reduzieren das Rauschen, das in das rauscharme Front-End des Empfängers eingekoppelt wird.
4 veranschaulicht sodann den Frequenzgang des Anti-Alias-Filters 404.
Die Ausgabe des Anti-Alias-Filters 404 wird über einen Analog-Digitalwandler 405 entsprechenden digitalen Filtern 406, 407 für jede Entfernung des Radars zugeführt. Diese digitalen Filter 406, 407 empfangen Synchronisationssignale von dem Steuerprozessor 100 über einen digitalen Bus 403. Die Ausgaben dieser digitalen Filter 406, 407 werden über entsprechende Speichenpuffer (spoke buffers) 408, 409 einem Signalprozessor 410 zugeführt, der eine Netzwerkausgabe über die Netzwerkeinheit 411 für den Anzeigebereich 500 erzeugt.
5 zeigt einen Teil des Gerätes der 2 in größerer Genauigkeit. Wie in 5 gezeigt ist, weist der Signalprozessor 410 einen digitalen Prozessor (DSP) 470, einen statischen Arbeitsspeicher (static random access memory, SRAM) 471, einen Flashspeicher 472, ein serielles EEPROM 473 und einen seriellen Digital-Analogwandler 474 auf.
5 zeigt auch ein benutzerprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) 412, in dem der TVG-Generator 401 und die Puffer 408, 409 enthalten sind. Wenn sie auch vielmehr in 5 als separate Bestandteile dargestellt sind, kann auch der digitale Filter 406 (und der digitale Filter 407) in dem FPGA 412 enthalten sein.
5 zeigt auch, dass die Netzwerkeinheit 410 eine Medienzugriffssteuerung (MAC) mit Host-Anschluss und eine Bitübertragungsschicht-Schnittstelle (PHY) 413 und einen Ethernet-Verbinder aufweist.
5 zeigt auch einen Sequenzer 415, der die zeitliche Abstimmung der verschiedenen Bestandteile steuert.
Das FPGA 412 erzeugt eine Ausgabe auf der Leitung 475, die dem Steuerprozessor zugeführt wird.
Diese Ausführungsform verwendet eine Unterabtast-Herangehensweise, um die Analog-Digitalwandlungsabtastrate zu reduzieren. Um die Unterabtastung zu ermöglichen, wurde die ZF-Frequenz auf 70 MHz erhöht. Ohne die Unterabtastung würde die Analog-Digitalwandlung zur Erfüllung des Nyquist-Kriteriums eine minimale Abtastrate von 2·(70 MHz + (BW/2)) benötigen. Bei einem 75 ns-Puls entspricht dies einer Analog-Digitalwandlungsabtastrate von 2·76.6 = 153.2 MHz. Analog-Digitalumwandlungen mit hoher Auflösung, die bei dieser Abtastrate arbeiten, sind teuer und können Exportbeschränkungen unterliegen. In der Praxis kann der analoge Anti-Alias Filter 404 in der Frequenzdomäne keinen unendlichen Roll-off haben, so dass die Abtastrate etwas höher sein müßte um ein Aliasing des Signals am Rand des Filters zu vermeiden.
Die beschriebene Ausführungsform verwendet eine 57 MHz Abtastrate. Die Unterabtastung bei der Analog-Digital-Umwandlung spiegelt das Signal nach: 13 MHz +/– BW/2. Dieses unterabgetastete Signal wird in einem komplexen Mischer, der auch Teil des digitalen Filters IC ist, zur Erzeugung eines komplexen I, Q-Basisbandsignals gemischt. Das komplexe Basisbandsignal wird dann in dem digitalen Filter zur Erzeugung der benötigten angepassten Bandbreite von 0 Hz +/– BW/2 gefiltert (Das gemischte Signal ist komplex I, Q). Unterabtastung reduziert die Kosten für die Analog-Digitalumwandlung und für die erforderliche Verarbeitung und Speicher.
Wenn eine große Anzahl an Pulsbreiten (etwa 8) benutzt wird, wird die Bereitstellung einer abgestimmten analogen Filterung beschwerlich in der Einrichtung und anfällig für Abdriften. Diese Ausführungsform verwendet vor der Umwandlung in Basisband eine digitale Filterung der Zwischenfrequenz ZF. Eine solche digitale Filterung ist linear und optimal; Digitalisierung und anschließende Filterung von herkömmlichem Basisband-log-Video kann nicht das gleiche Ergebnis erreichen. Bei diesem Aufbau findet die vollständige digitale Signalverarbeitung in der linearen Domäne statt, in der viele Verarbeitungsalgorithmen (z. B. Schnelle Fourier-Transformation (FFT)) verfügbar sind.
Der digitale Filter 406 kann mit verschiedenen Parametern nachgeladen werden, wenn der Benutzer die instrumentierte Entfernung verändert, so dass bei jeder instrumentierten Entfernung immer die optimierte abgestimmte Bandbreite verwendet wird. Somit gibt es keine Einschränkung in der Anzahl von verschiedenen Pulsbreiten, die auf optimale Weise gefiltert werden können. Alternativ können zwei oder mehr Filter gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden und deren Ausgabe kann ensprechend der erforderlichen Entfernung auf einer Puls-zu-Puls-Basis ausgewählt werden. Diese Filter können separat nachgeladen werden, wenn der Verbraucher eine der instrumentierten Entfernungen verändert.
Sodann veranschaulicht 6 die Down-Konvertierung von ZF zu Basisband. Die Ausgabe des digitalen Filters 406 liegt in der Form von komplexen I, Q-Paaren von Abtastwerten vor, die in Betragsform umgewandelt werden und in dem FPGA 412 gepuffert werden. Dieser Puffer ist in größerer Genauigkeit in 7 veranschaulicht, bei dem entsprechende Dual-Port Pulsrepetitionsinvervall-(PRI)Puffer 420, 421, die von entsprechenden Adressgeneratoren 422, 423 gesteuert werden, entsprechende Eingaben über entsprechende Eingabeanschlüsse 424 empfangen und über einen Link-Anschlussausgang 425 ausgeben.
Der TVG-Generator 401 wird nun in größerer Genauigkeit beschrieben werden. Es sollte angemerkt werden, dass der TVG-Generator 401 effektiv eine Mehrzahl von Generatoren für die verschiedenen Entfernungen aufweist, bei denen das Radargerät betrieben wird. 8 veranschaulicht das Teilstück des Aufbaus des TVG-Generators 401 für eine solche Entfernung. Für jede Entfernung, bei der das Radarsystem betrieben werden soll, werden ähnlicher Aufbauten innerhalb des TVG-Generators 401 vorhanden sein.
Der TVG-Generator muss in Echtzeit arbeiten und somit ist die Berechnung der TVG-Funktion gegen Zeit für dieselbe instrumentierte Entfernung bei jedem gesendeten Puls identisch und wird wiederholt. Eine Innovation bei diesem Aufbau ist, dass die TVG-Funktion digital unter Verwendung von Look-up-Tabellen implementiert ist. Die Look-up-Tabelleninhalte machen nur eine Wiederberechnung bei jeder Änderung der instrumentierten Entfernung notwendig. Die Wiederberechnung ist die Kombination der gemessenen Nichtlinearität der Verstärkungsregelungsstufen, die zum Zeitpunkt der Herstellung gemessen wird, und der erforderlichen entfernungs- oder zeitabhängigen Verstärkungsfunktion, incl. Regen- oder Seegangsechokurven (sea-clutter), falls notwendig. Die Endfunktion wird auf die Abtastrate der Ausgabe des digitalen Filters skaliert. Diese Tabellen werden unter Softwaresteuerung nur geladen, wenn die instrumentierte Entfernung geändert wird.
Diese Look-up-Tabellen sind unter 430 und 431 in 8 veranschaulicht. In der Praxis können diese Look-up-Tabellen in einer einzigen Tabelle mit verschiedenen Tabellenbereichen für die zwei in 8 dargestellten Tabellen 430, 431 implementiert sein. Ferner können, wenn es verschiedene TVG-Generatorenanordnungen für die verschiedenen Entfernungen gibt, die Look-up-Tabellen der Anordnungen für die jeweiligen Entfernungen selbst in einer einzigen Look-up-Tabelle zusammengefasst sein, wiederum mit verschiedenen Tabellenbereichen für die verschiedenen Anordnungen.
Das Laden der Look-up-Tabellen bei diesem Aufbau wird durch die Verwendung von Dual-Port SRAMs vereinfacht. Diese haben einen zweiten Adress- und Datenbus, der mit dem Mikroprozessorbus verbunden ist, der das Lesen der Look-up-Tabellen durch die unten beschriebene Hardware nicht beeinträchtigt. Das Laden der Tabellen und, falls notwendig die Fehlerkontrolle, finden über diesen zweiten Daten- und Adressbus auf dieselbe Weise statt, auf die normalerweise auf SRAM von einem Mikroprozessor zugegriffen wird. Für den Rest dieser Erörterung wird das Laden der Tabellen nicht weiter behandelt.
Eine Verstärkungsregelungsstufe ist normalerweise unzureichend, um mit dem Dynamikbereich des Eingangssignals fertig zu werden und Linearität in jeder der analogen Stufen beizubehalten. In dieser Ausführungsform wird ein PIN-Diodendämpfungsglied 42 vor dem Verstärker mit veränderlicher Verstärkung (variable gain amplifier, VGA) 44 verwendet, um die Sättigung des Eingangs des VGA 44 für starke Signale zu verhindern. Diese Verstärkung muss auch mit der Entfernung verändert werden. Somit sollte die Verstärkungsregelungsschaltung sowohl die Verstärkung des PIN-Diodendämpfungsgliedes 42 als auch des VGA während der gesamten Erfassung einer einzelnen Speiche (spoke) modifizieren.
Das PIN-Diodendämpfungsglied 42 ist stark nichtlinear mit einer Steuerspannung, wie in 9 veranschaulicht; Also wendet der Look-up-Tabelleninhalt für die Steuerung der PIN-Diodenverstärkung die inverse Nichtlinearität an, so dass die linear (mit der Entfernung) ansteigende Look-up-Tabellenadresse in die Multiplikation der erforderlichen entfernungsabhängigen Verstärkung (typischerweise Leistungsverstärkung von R^4) und der invers nichtlinearen Funktion des PIN-Diodendämpfungsgliedes transformiert wird.
In 8 synchronisiert das auf Leitung 436 empfangene Signal PRI_PLS die Schaltung mit dem Start des Empfangs. Ein Verzögerungszähler 432 verzögert den Start der entfernungsabhängigen Verstärkungsregelungsschaltung derart, dass die Verzögerung in dem Sender ausgeglichen wird. Die erforderliche Verzögerung wird von dem TVG-Verzögerungsregister 437 geladen. Der Leseadressenzähler 433 zählt dann unter Steuerung des Taktgebers Ts hoch, wie die Zeit voranschreitet, um den dieser Entfernung entsprechenden Inhalt der Look-up-Tabelle abzurufen. In dieser Ausführungsform werden die Werte für beide Digital-Analogwandler 402 mit einem Multiplexer über einen einzelnen 8- Bit RDAC-Bus überlappt, wobei das Multiplexing normalerweise mit einer schnelleren Rate geschieht als die Ausgangsabtastrate der digitalen Filter.
Ein Multiplexer 438 wählt unter Benutzung des über Leitung 439 empfangenen Digital-Analogauswahlsignals die Ausgabe der entsprechenden Look-up-Tabelle 430 oder 431 in Abhängigkeit davon aus, welcher Digital-Analogwandler betrieben werden soll, der mit der PIN-Diode 42 verbundene Digital-Analogwandler 402 oder der mit dem Verstärker mit veränderlicher Verstärkung 44 verbundene Digital-Analogwandler 403.
In einer Multi-Entfernungsanlage sind die Look-up-Tabellen 430 und 431 groß genug, um die erforderlichen Tabellen für jede der Entfernungen aufzunehmen, und die höchstwertigsten Bits der Tabellenleseadresse werden modifiziert zur Bestimmung, auf welche Tabelle für die derzeitig zu erfassende Entfernung zugegriffen werden muss. Die zu erfassende Entfernung wird durch den Steuerprozessor 100 unter Verwendung des digitalen Bus 103 signalisiert.
Der Verzögerungszähler 432 zählt herunter und der Leseadressenzähler 433 zählt herauf mit einer Rate, die in Abhängigkeit von der Ausgaberate des digitalen Filters, eher als der Abtastrate des Analog-Digitalwandlers modifiziert werden kann. Diese Abtastrate ist für den vorzugsweise verwendeten digitalen Filter (AD6654) nicht extern zugänglich; aus diesem Grund wird sie durch Teilung der Taktrate des Analog-Digitalwandlers nachgebildet, um eine Taktrate (Ts) bei dieser Rate zu erzeugen. Ratenteilerschaltungsanordnung 440, Verzögerungsregister 441, Ratenteilerphasen- 422 und Ratenteilerfrequenzregister 443 synchronisieren die Taktrate Ts, so dass sie in Synchronisation mit dem Signal PRI_PLS beginnt und sich mit für diese Entfernung geeigneter Abtastrate und Abtastphase wiederholt. Daher sind der Ratenteiler und die Register für jede Entfernung, die simultan erfasst werden kann, dupliziert (eines von zweien für Zwei-Entfernungssysteme ist in 8 gezeigt).
Die Verwendung der langsameren Rate, Ts, verringert die Anzahl der in der entfernungsabhängigen Tabelle erforderlichen Einträge. Die Anzahl von Einträgen in der Look-up-Tabelle würde typischerweise mindestens so groß sein wie die maximalen Abtastungen in der Ausgabe des digitalen Filters für die zu erfassende Entfernung. In der Praxis ist es möglich, die Anzahl der Einträge zu reduzieren. Die analoge Ausgabe des Verstärkungs-Digital-Analogwandlers 434 wird in einem analogen Filter gefiltert, was für Interpolation sorgt. Alternativ kann die Anpassung der entfernungsabhängigen Verstärkungsfunktion an die erwünschte Funktion eine stufenweise Annäherung sein, vorausgesetzt dass die sich ergebenden Verstärkungsstufen klein sind und vor der endgültigen Anzeige in einem späteren digitalen Prozess herausgefiltert werden können.
Gleichzeitig zu der entfernungsabhängigen Verstärkungsregelung wird unter Benutzung der EXP-Bits als Adresse auf eine andere Look-up-Tabelle (EXP-Look-up Werte) 435 zugegriffen. Diese Bits werden von einer AGC-Schaltung zur Verfügung gestellt, die den Verstärkungsfaktor der analogen Stufen variiert, damit das Signal innerhalb des Dynamikbereichs des Analog-Digitalwandlers bleibt. Drei EXP-Bits sind von dem in dieser Ausführungsform verwendeten Analog-Digitalwandler verfügbar. Folglich sind bei dieser Implementation 8 Einträge in der EXP-Look-up-Tabelle 435 erforderlich. Die EXP-Look-up-Tabelle 435 kann zur Verstärkungsregelung verwendet werden oder die EXP-Tabelle kann vollständig auf Null gesetzt werden um diese Funktion abzustellen. Auf ähnliche Weise kann, wenn die analoge Verstärkungsregelungsschaltung nichtlinear ist, dann die EXP-Look-up-Tabelle 35 die umgekehrte Nichtlinearität enthalten, so dass die tatsächliche Verstärkung mit dem Wert der EXP-Bits linear verläuft. Die Steigung der so linearisierten Funktion kann zur Anpassung an verschiedene Skalierungen verändert werden. Zum Beispiel erwartet der verwendete Analog-Digitalwandler bei jeder Erhöhung des EXP eine Veränderung der Verstärkung um 6 dB.
Der in dieser Implementation verwendete Analog-Digitalwandler stellt EXP-Ausgaben zum Anfordern einer Verstärkungsänderung in den externen analogen Stufen bereit:
Die Verstärkung in dem Verstärkungsbereichsblock (extern) wird durch Relinearisierung unter Verwendung der Exponentenbits EXP [2:0] des Eingangsanschlusses ausgeglichen. Zu diesem Zweck sind die Verstärkungsregelungsbits mit den EXP[2:0]-Bits verbunden, so dass eine Abschwächung von 6,02 dB für jede Erhöhung in der Verstärkungsregelungsausgabe bereitgestellt wird. Nach der Verstärkung in dem externen Verstärkungsbereichsblock und der Abschwächung in dem AD6654 (unter Verwendung der EXP-Bits) ist die Signalverstärkung im wesentlichen unverändert. Die einzige Veränderung ist die Erhöhung im Dynamikbereich des Analog-Digitalwandlers.
Die Ausgaben der ausgewählten Look-up-Tabellen 430 oder 431 und der AGC-Look-up-Tabellen werden mit Sättigungslogik zusammengezählt, die sicherstellt, dass das Ergebnis innerhalb des Bereichs des Analog-Digitalwandlers bleibt und dass kein Overflow oder Underflow entsteht. Der Inhalt eines Diagnoseregisters, RDAC_DEBUG_DATA wird auf diesem Weg hinzugefügt, um eine Überprüfung des TVG-Generators 402 zu ermöglichen.
Alle Look-up-Tabelleninhalte sind zwei sich ergänzende Zahlen, die zusammengezählt werden können, wobei sich das korrekte Ergebnis ergibt, wenn negative Zahlen auftreten. Um den korrekten Zeitzusammenhang von den Digital-Analog-Umwandlungswerten und den Regelungssignalen sicherzustellen, werden die RDAC-Werte in dem Register 434 resynchronisiert, bevor sie den TVG-Generator 401 verlassen.
Das instantane Signal kann sich bei einer bestimmten Entfernung aufgrund von RCS-Änderungen und Fading noch immer ändern. Der gesamte Dynamikbereich der empfangenen Radarsignale ist sehr groß. Er umfasst die folgenden Komponenten:
Entfernung: Die empfangene Signalleistung für einen Punktreflektor folgt dem Gesetz 1/R^4, (Ref. 1) wobei R groß ist. Von der kleinsten Entfernung von etwa 50 m bis zu einer Entfernung von 20 NM ist der Dynamikbereich 115 dB.
Der Radarquerschnitt (RCS) von Objekten von Interesse ändert sich um 50 dB.
Fading und Mehrwegeausbreitung steuert weitere 30 dB an Veränderung bei.
Somit ist der gesamte Dynamikbereich von Interesse die Summe davon: 195 dB.
Glücklicherweise ist die Entfernungsänderung vorhersagbar. Zeitveränderliche Verstärkung (TVG) wird angewendet, um den Effekt der Entfernungsänderung aufzuheben, wobei sie den Grenzen des thermischen Rauschens, Rauschens des Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung und Dynamikbereich unterliegt.
Das instantane Signal kann sich bei einer bestimmten Entfernung aufgrund von Änderungen des Radarquerschnitts (RCS) und Fading ändern. In der Praxis besteht das Erfordernis für 80 dB an instantanem Dynamikbereich. Der theoretische Dynamikbereich eines 14-Bit-ADWs ist 84 dB. Signalverarbeitung, incl. Azimuthintegration, wird verwendet, um Signale unterhalb des niedrigstwertigsten Bits (least significant bit, LSB) zu empfangen, um den Dynamikbereich weiter auszudehnen. Somit ist mit Gesamtentfernungskompensation unter Verwendung von TVG ein angemessener instantaner Dynamikbereich für vollständig lineare Zwischenfrequenzverarbeitung unter Verwendung eines solchen Wandlers vorhanden.
Der Dynamikbereich des Radarsignals nach der Signalverarbeitung ist immer noch größer als der dynamische Intensitätsbereich der Anzeige. Dynamikbereichskompression wird verwendet, aber im Anschluss an die Signalverarbeitung. Eine Auswahl an Algorithmen zur Kompression ist dann durchführbar, weil die Kompression in dem digitalen Signalprozessor (DSP) durchgeführt wird. Diese können logarithmisch, wurzelförmig oder, in speziellen Fällen, linear für keine Kompression sein.
Die Ausgabewerte umfassen 8 Bits (256 Stufen), die in dem Prozessor der Anzeige in Falschfarben konvertiert werden.
Um die Verbindung mehrerer Anzeigen zu ermöglichen, wird Ethernet als Verbindung von dem Scanner mit den Anzeigen verwendet.
Die Ethernet-Medienzugriffssteuerung/Bitübertragungsschicht-Schnittstelle (MAC/PHY) verbindet mit dem Bus des digitalen Signalprozessors, und der Netzwerksoftwarestack läuft auf dem digitalen Signalprozessor selbst, nicht auf einem separaten Kommunikationsprozessor. Dadurch werden zusätzliche Kosten und die Komplexität einer Multiprozessorenarchitektur eingespart.
2 zeigt auch, dass der Anzeigebereich 500 des Radargeräts verschiedene Anzeigen in mehreren Fenstern 501, 502, 503 erzeugt (wobei die Gesamtanzahl n solcher Fenster von der Anzahl an Entfernungen abhängt, bei denen der Radar betrieben wird). Jedes Fenster 501, 502, 503 empfängt von der Netzwerkeinheit 411 ein digitales Signal und zeigt ein einer Radarentfernung entsprechendes Bild an.
Bekannte Mehrfachentfernungsradare überlagern die Objekterfassung von Entfernungen auf einer Umlauf-zu-Umlauf-Basis. Der Radar gemäß dieser Ausführungsform überlagert die Objekterfassung bei verschiedenen instrumentierten Entfernungen und die Anzeige der Werte für diese Entfernungen auf einer Puls-zu-Puls-Basis. Somit ergibt sich eine simultane Anzeige von Radarbildern von mehreren instrumentierten Entfernungen, die praktisch zum gleichen Zeitpunkt erfasst wurde und vollständig zeitstarr (time-locked) ist. Die Bilder werden in Echtzeit upgedated, so dass die Bilder keine Radarwerte anzeigen, die älter sind als ein Bruchteil der Umdrehungsdauer der Antenne.
Das Überlagern von Radarpulsen mit verschiedenen Eigenschaften ist bekannt, aber die Information von den verschiedenen Pulsen wird verwendet, um separate, gleichzeitige Anzeigen für verschiedene instrumentierte Entfernungen zu erzeugen.
Radarpulseigenschaften incl. Pulsbreite und Wiederholungsrate müssen für Entfernungsdiskriminierung oder Signal-Rauschverhältnis in Abhängigkeit von der anzuzeigenden Entfernung optimiert werden. Gleichermaßen können Pulse nicht gesendet werden, bevor die Echos für diese Entfernung empfangen wurden. Die Verarbeitung der empfangenen Signale wird gefiltert, um den Empfang für die Merkmale jedes Pulses zu optimieren. Pulse verschiedener Arten werden bei der Aussendung überlagert und die empfangenen Objektechos werden entlang getrennter Wege geführt. In dem Empfänger ist jeder Weg für die zugehörige Pulsform gesondert optimiert. Mehr als ein Puls jeder Art kann als Teil des Pulsmusters gesendet werden, um die bei kürzeren Entfernungen erforderlichen höheren Repetitionsraten zu erlauben. Das Pulsmuster ist zum Bereitstellen des erforderlichen Verhältnisses der Pulsrepetitionsraten für jede Entfernung derart eingerichtet, dass der Arbeitszyklus des Senders nicht überschritten wird.
Ein geeignetes Pulsmuster ist in 10 dargestellt. In 10 ist die Pulsbreite P1 die Pulsdauer für für die erste Entfernung optimierte Pulse, und T1 ist das Erfassungsintervall für Objekte bei dieser Entfernung. Gleichermaßen ist P2 die Pulsdauer für für die zweite Entfernung optimierte Pulse, wobei T2 das entsprechende Erfassungsintervall ist. In jedem Fall folgt das Erfassungsintervall auf den zugehörigen Puls, aber ist von dem sich unmittelbar anschließenden Puls durch eine veränderliche Interferenzunterdrückungszwischenpulsschwankungsdauer Δ getrennt. Dies de-korreliert Objekte bei jeder Entfernung. Bei einer solchen Anordnung ist das Pulsrepetitionsintervall die Summe von Pulsdauer, Erfassungsintervall und dem maximalen Wert von Δ für jede Entfernung.

10 zeigt, dass sich die Pulse überlagern, und bei dieser Ausführungsform gibt es drei Pulse für die zweite Entfernung zwischen jedem Puls für die erste Entfernung. Andere Zusammenstellungen sind jedoch möglich. Tabelle 1 zeigt aber sodann ein mögliches Pulsmuster, wobei (a, b) die Anzahl von Pulsen jeder Pulsart ist, die von (Spalte a, Reihe b) überlagert werden. Tabelle 1

Mustern	Entfernung (2)	Pulsbreite (sek)	75.0E-9	100.0E-9	150.0E9	250.0E-9	350.0E-9	450.0E-9	600.0E-9	1.0E-6
Entfernung (1)		Nominal-PRI (sek)	333.3E-6	333.3E-6	333.3E-6	333.3E-6	500.0E-6	625.0E-6	769.2E-6	1.2E-3
Pulsbreite (sek)	Nominal-PRI (sek)	Modus	1	2	3	4	5	6	7	8
75.0E-9	333.3E-6	1	1,1	1,1	1,1	1,1	3,2	2,1	7,3	11,3
100.0E-9	333.3E-6	2	0,0	1,1	1,1	1,1	3,2	2,1	7,3	11,3
150.0E-9	333.3E-6	3	0,0	0,0	1,1	1,1	3,2	2,1	7,3	11,3
250.0E-9	333.3E-6	4	0,0	0,0	0,0	1,1	3,2	2,1	7,3	11,3
350.0E-9	500.0E-6	5	0,0	0,0	0,0	0,0	1,1	4,3	3,2	5,2
450.0E-9	625.0E-6	6	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	1,1	7,6	11,6
600.0E-9	769.2E-6	7	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	1,1	8,5
1.0E-6	1.2E-3	8	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	1,1

Diese Muster werden aus dem Verhältnis der PRIs für jede Reihe oder Spalte berechnet.
Im Allgemeinen muss die Pulsrepetitionsrate (PRI) ausreichend sein, dass innerhalb einer geeigneten Zeit genügend Pulse zur gleichzeitigen Erzeugung der entsprechenden Anzeigen erzeugt werden. Im Allgemeinen muss die Pulsrepetition ausreichend sein, dass die Werte in jedem Bild über einen Zeitraum erfasst werden, der nicht größer ist als zwanzigmal der längste Zwischenpulszeitraum, der im Fall von 10 der Zeitraum zwischen jedem Puls P1 für einen Radar ist, diese Dauer muss auch länger sein als die Hälfte der Auflösungsdauer (richtig: Umdrehungsdauer) der Antenne. Somit ist es bei der Ausführungsform der 2 notwendig, dass dies von dem Steuerprozessor 100 bestimmte Pulsrepetitionsfrequenz mit der Geschwindigkeit des Motors 33 in Beziehung steht. Dies kann voreingestellt sein, oder könnte auch auf Messung basieren.
Wenn er bei einem Radar verwendet wird, kann der Magnetronsender 23 durch eine andere Mikrowellenquelle, sowie einen Oszillator, und einen Hochleistungswander feldröhrenverstärker oder Festkörperverstärker mit niedrigerer Leistung ersetzt werden. Sowohl bei Sonar als auch bei Radar ist es normal, falls Sender mit geringerer Leistung verwendet werden, Pulskomprimierung zum Erhöhen der gesendeten Durchschnittsleistung einzusetzen, während die Entfernungsauflösung nicht verringert wird. Der dabei verwendete lineare Empfänger ist für die Verwendung mit Radar und mit Sonar unter Einsatz von Pulskomprimierung geeignet.
Die obige Ausführungsform veranschaulicht ein Radargerät. Ein Sonarsystem, das die vorliegende Erfindung verkörpert, kann ähnlich sein, wobei jedoch die Antenne 31 durch einen Wandler, und das Magnetron durch einen Hochleistungs-RF-Generator ersetzt werden. Ferner würden dann die Pulsintervalle und Pulsbreiten von Tabelle 1 zur Anpassung an die geringere Geschwindigkeit von akustischen Wellen in Wasser im Vergleich zu der von Radiowellen in Luft modifiziert werden.
11 der zugehörigen Zeichnungen zeigt ein bekanntes Sonargerät. Das Sonargerät der 11 ist größtenteils ähnlich zu dem Radargerät der 1, und auf einander entsprechende Bestandteile wird durch dieselben Bezugszeichen hingewiesen. So umfasst das Sonargerät der 11 fünf Grundbestandteile, nämlich einen Prozessor 10, einen Senderbereich 20, einen Antennenaufbau 603, einen Empfängeraufbau 40 und einen Anzeigenaufbau 50. Der Prozessor 10 erzeugt Pulsinitiierungssignale, die über einen digitalen Bus 11 dem Senderbereich 20 zugeführt werden. Der Prozessor erzeugt auch Signale zur Steuerung des Empfängerbereichs 40, die über einen zweiten digitalen Signalbus 12 von dem Prozessor 10 dem Empfängerbereich 40 zugeführt werden. Der Anzeigenaufbau 50 dieses Sonargerätes ist derselbe wie der Anzeigenaufbau 50 des Radargerätes der 1 und wird darum nun nicht im Detail beschrieben.
Die Pulsinitiierungssignale von dem Prozessor 10 werden von einer Pulsdauereinheit 21 in dem Senderbereich 20 empfangen, der die Pulsbreite der zu erzeugenden Pulse bestimmt. Die Pulse werden durch eine Flanke des Pulsinitiierungssignals ausgelöst, und ihre Dauer ist somit festgelegt. Dies entspricht dem Radargerät der 1. Jedoch wird die sich ergebende Pulsinformation einem Hochleistungsverstärker (richtig: -oszillator) 601 zugeführt, der einen Transformator 602 zur Anpassung des Oszillators an den Sonarwandler 603 ansteuert. Dieser Transformator 602 führt die Sonarpulse dem Wandler 603 zu, von dem sie ausgesendet werden. Dieser Sonarwandler 603 ist normalerweise ein piezoelektrisches Gerät, das Hochleistungsakustikpulse in Wasser erzeugt, die die Sonarsignale bilden werden. Wenn durch den Wandler 603 Rückkehrsignale empfangen werden, werden sie über den Transformator 602 einem rauscharmen Verstärker 604 zugeführt, der die Amplitude der Signale auf eine geeignete Stufe erhöht. Ein Bandpassfilter 605 filtert die empfangenen Signale, um unerwünschtes Rauschen zu verringern. Im Allgemeinen wird der Hochleistungsoszillator Pulse im langen und mittleren Wellenbandbereich 50 bis 250 KHz erzeugen und in diesem Fall wird der Bandpassfilter auf die entsprechende Mittenfrequenz eingestellt werden.
Die Signale werden von dem Bandpassfilter 605 einem Dämpfungsglied 606 zugeführt, das gleichermaßen wie das PIN-Dämpfungsglied 42 der 1 durch einen Generator zeitveränderlicher Verstärkung (TVG) 43 geregelt wird, der durch den Prozessor 10 auf Grundlage von über den Bus 12 zugeführten Signalen gesteuert wird. Dieser TVG-Generator 43 regelt die Verstärkung des Empfängerbereichs 40 derart, dass Entfernungsänderungen des von dem Wandler empfangenen Signals kompensiert werden. Der TVG-Generator 43 steuert auch einen Verstärker mit veränderlicher Verstärkung 44, der die Ausgabe des Dämpfungsgliedes 606 empfängt, und regelt die Verstärkung des empfangenen Signals. Die Ausgabe des Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung 44 wird einem Log-Detektor 45 zugeführt, der eine Ausgabe erzeugt, die der Logarithmus der Einhüllenden mit einem empfangenen Signal ist. Diese Ausgabe wird einem Filter mit wählbarem Band (Videofilter 46) zugeführt, der die Ausgabe für den Anzeigebereich 50 erzeugt.
Nun wird ein Sonargerät, das die verschiedenen Gesichtspunkte der Erfindung verkörpert, im Detail beschrieben. 12 zeigt den Grundaufbau des Gerätes dieser Ausführungsform. Der Großteil des Sonargerätes der 12 ist wieder ähnlich zu dem Radargerät der 2, und aufeinander entsprechenden Bauteile wir durch die gleichen Bezugszeichen hingewiesen. Das Sonargerät der 12 weist auch viele der Merkmale des Sonargerätes der 11 auf, und wiederum wird auf einander entsprechende Bauteile durch dieselben Bezugszeichen hingewiesen. So weist das Gerät fünf Bestandteile auf, nämlich einen Steuerprozessor 100, einen Senderbereich 200, einen Wandlerbereich 603, einen Empfängerbereich 400 und einen Anzeigebereich 500. Der Anzeigebereich des Sonargerätes der 11 ist derselbe wie der Anzeigebereich 500 des Radargerätes der 2, und wird nun deshalb nicht im Detail beschrieben.
Anders als das Sonargerät der 11 soll das Gerät der 12 mehrere Anzeigen bei verschiedenen Sonarentfernungen erzeugen. Also erzeugt der Steuerprozessor 100 zwei Arten von Pulsrepetitionsfrequenzsignalen, die über separate digitale Busse 101, 102 zu separaten Pulsdauereinheiten 201, 202 gesendet werden. Jede dieser Pulsdauereinheiten 201, 202 bestimmt die Dauer der jeweiligen Pulse auf ähnliche Weise wie die Pulsdauereinheit 21. Jedoch wird die Dauer der von den Pulsdauereinheiten 201, 202 erzeugten Pulsen verschieden sein. Die sich ergebenden Signale werden über ein logisches ODER-Element 203 kombiniert, bevor sie dem Hochleistungsoszillator 601 zugeführt werden. Die Pulse werden so erzeugt, dass sie sich überlagern, wobei die Art und Weise der Überlagerung bestimmt wird durch die gewünschten Entfernungen der anzuzeigenden Bilder.
In der Anordnung der 12 ist der Aufbau des Wandlerbereichs 603 ähnlich zu dem Wandlerbereich 603 der Anordnung der 11. Wie in der Anordnung der 11 empfängt der Wandler 603 von dem Hochleistungsverstärker 601 über den Transformator 602 Signale. Die von dem Wandler 602 empfangenen Rückkehrsignale werden über den Transformator 602, einen rauscharmen Verstärker (low noise amplifier, LNA) 604, einen Bandpassfilter 605, ein Dämpfungsglied 606 einem Verstärker mit veränderlicher Verstärkung 44 zugeführt. Die Ausgabe dieses Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung 44 wird jedoch auf andere Weise verarbeitet als in der Anordnung der 11, nämlich auf dieselbe Weise wie die Ausgabe des Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung 44 in der Ausführungsform der 2 verarbeitet wird.
In der Ausführungsform der 12 ist der Generator zeitveränderlicher Verstärkung (TVG) 401 unter Verwendung einer Serie von Verstärkern mit fester und mit variabler Verstärkung und einem Dämpfungsglied implementiert. Der TVG-Generator 401 wird wiederum unter Verwendung von Signalen von dem Steuerprozessor 100 über einen digitalen Bus 12 gesteuert. Bei dieser Ausführungsform jedoch wird die Ausgabe des TVG-Generators 401 durch entsprechende Digital-Analogwandler 402, 403 zur Regelung des Dämpfungsgliedes 606 bzw. des Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung 44 umgewandelt.
Wie oben erwähnt, wird die Ausgabe des Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung 44 auf dieselbe Weise verarbeitet wie die Ausgabe des Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung 44 in der Ausführungsform der 2. Die Bestandteile des Empfängerbereichs 40 und des Anzeigebereichs 500, die Signale von dem Verstärker mit veränderlicher Verstärkung 44 weiterverarbeiten, sind in den 2 und 11 dieselben. Daher erfolgt die Verarbeitung der Signale, wie es im Zusammenhang mit den 3 bis 10 beschrieben ist. Normalerweise wird es dann Unterschiede bei dem Anzeigenerzeuger geben, da Radargeräte zur Erzeugung einer kreisförmigen Anzeige neigen, was für Sonareinrichtungen nicht geeignet ist. Wie vorausgehend bereits erwähnt, müssten auch die Pulsintervalle und Pulsbreiten der Tabelle 1 modifizierte werden, um der langsamen Geschwindigkeit von akustischen Wellen verglichen mit Radiowellen in Luft Rechnung zu tragen. Diese Unterschiede beeinflussen jedoch nicht die mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebene Signalverarbeitung.
Zusammenfassung:
Ein Radar- oder Sonarsystem verstärkt das von einer Antenne des Radarsystems oder einem Wandler des Sonarsystems empfangene Signal, das Signal wird verstärkt und dann einer linearen Demodulation durch einen linearen Empfänger unterzogen. Es können ein Anti-Aliasing-Filter und ein Analog-Digitalwandler zwischen dem Verstärker und dem linearen Empfänger vorhanden sein. Das System kann auch einen digitalen Signalprozessor mit einem in dem Prozessor betriebenen Netzwerkstack aufweisen. Dieser Prozessor kann auch eine Netzwerkschnittstellen-Medienzugriffssteuerung aufweisen, wenn die Anlage bei verschiedenen Entfernungen betrieben wird, kann der Modulator Pulse mit zwei Pulsmustern erzeugen, die sich in Pulsdauer und Zwischenpuls-Intervall unterscheiden, diese Pulsmuster werden zur Bildung von zwei Radarbildern eingeführt und verwendet, wobei die zwei Bilder von Daten erlangt werden, die innerhalb einer Dauer von nicht länger als zwanzigmal länger als das längere Zwischenpuls-Intervall erhalten werden, oder für ein Radarsystem länger als die Hälfte der Auflösungsdauer (richtig: Umdrehungsdauer) der Antenne. Eine oder mehrere Look-up-Tabellen können zur Steuerung des Verstärkers benutzt werden. Das Radarsystem kann digitale Ausgaben erzeugen, die mehr als acht Stufen von Radarvideo umfassen.

Claims

Radargerät mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Radarsignale; einer Antenne zum Aussenden der Radarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit der Antenne und der Antenne mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass, das Radargerät ferner einen linearen Empfänger zwischen dem Verstärker und dem Signalprozessor aufweist, wobei der lineare Empfänger einen linearen Demodulator zum Erzeugen einer digitalen Ausgabe aufweist, die die verstärkten Rückkehrsignale zum Verarbeiten durch den Signalprozessor darstellt.
Sonargerät mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Sonarsignale; einem Wandler zum Aussenden der Sonarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit dem Wandler und des Wandlers mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass: das Sonargerät ferner einen linearen Empfänger zwischen dem Verstärker und dem Signalprozessor aufweist, wobei der lineare Empfänger einen linearen Demodulator zum Erzeugen einer digitalen Ausgabe aufweist, die die verstärkten Rückkehrsignale zum Verarbeiten durch den Signalprozessor darstellt.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der lineare Empfänger eine Mehrzahl von linearen Verstärkern und einen linearen Demodulator aufweist.
Radargerät nach Anspruch 1 oder ein Sonargerät nach Anspruch 2 mit einem mit dem Verstärker verbundenen Anti-Aliasing-Filter zum Filtern der verstärkten Rückkehrsignale und einem Unterabtast-Analog-Digitalwandler zum Umwandeln der gefilterten Digitalsignale in Digitalsignale, wobei Digitalsignale dem Signalprozessor zugeführt werden.
Radargerät mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Radarsignale; einer Antenne zum Aussenden der Radarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit der Antenne und der Antenne mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass: das Radargerät ferner einen mit dem Verstärker verbundenen Anti-Aliasing-Filter zum Filtern der verstärkten Rückkehrsignale und einem Unterabtast-Analog-Digitalwandler zum Umwandeln der gefilterten Digitalsignale in Digitalsignale aufweist, und Digitalsignale dem Signalprozessor zugeführt werden.
Sonargerät mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Sonarsignale; einem Wandler zum Aussenden der Sonarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit dem Wandler und des Wandlers mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass: das Sonargerät ferner einen mit dem Verstärker verbundenen Anti-Aliasing-Filter zum Filtern der verstärkten Rückkehrsignale und einen Unterabtast-Analog-Digitalwandler zum Umwandeln der gefilterten Digitalsignale in Digitalsignale aufweist, und Digitalsignale dem Signalprozessor zugeführt werden.
Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der Anti-Aliasing-Filter zum Begrenzen der Bandbreite der verstärkten Rückkehrsignale eingerichtet ist, damit das Shanon-Nyquist-Kotelnikov-Abtasttheorem erfüllt ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 7 mit einem digitalen Filter zum Filtern der Digitalsignale von dem Unterabtast-Analog-Digitalwandler.
Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner eine Anzeigeeinrichtung aufweist, die zum Anzeigen einer Falschfarbendarstellung der Amplitude der Rückkehrsignale von der Ausgabe des Signalprozessors eingerichtet ist.
Radargerät mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Radarsignale; einer Antenne zum Aussenden der Radarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit der Antenne und der Antenne mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass: das Radargerät ferner einen mit dem Verstärker verbundenen Anti-Aliasing-Filter zum Filtern der verstärkten Rückkehrsignale, und einen Analog-Digitalwandler zum Umwandeln der gefilterten Signale in Digitalsignale aufweist, und Digitalsignale dem Signalprozessor zugeführt werden, wobei der Signalprozessor ein Digitalprozessor mit einem Netzwerkstack ist, der in dem Digitalprozessor betrieben wird.
Sonargerät mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Sonarsignale; einem Wandler zum Aussenden der Sonarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit dem Wandler und des Wandlers mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass: das Sonargerät ferner einen mit dem Verstärker verbundenen Anti-Aliasing-Filter zum Filtern der verstärkten Rückkehrsignale, und einen Analog-Digitalwandler zum Umwandeln der gefilterten Signale in Digitalsignale aufweist, und Digitalsignale dem Signalprozessor zugeführt werden, wobei der Signalprozessor ein Digitalprozessor mit einem Netzwerkstack ist, der in dem Digitalprozessor betrieben wird.
Radargerät mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Radarsignale; einer Antenne zum Aussenden der Radarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit der Antenne und der Antenne mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass: das Radargerät einen mit dem Verstärker verbundenen Anti-Aliasing-Filter zum Filtern der verstärkten Rückkehrsignale, und einen Analog-Digitalwandler zum Umwandeln der gefilterten Signale in Digitalsignale aufweist, die dem Signalprozessor zugeführt werden, wobei der Signalprozessor ein digitaler Signalprozessor mit einer Netzwerkschnittstellen-Medienzugriffssteuerung und einer Bitübertragungsschicht-Schnittstelle (physical layer interface) ist, die mit einem digitalen Signalverarbeitungsbus verbunden sind.
Sonargerät mit: einem Modular zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Sonarsignale; einem Wandler zum Aussenden der Sonarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Umschaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit dem Wandler und des Wandlers mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass: das Sonargerät einen mit dem Verstärker verbundenen Anti-Aliasing-Filter zum Filtern der verstärkten Rückkehrsignale und einen Analog-Digitalwandler zum Umwandeln der gefilterten Signale in Digitalsignale aufweist, die dem Signalprozessor zugeführt werden, wobei der Signalprozessor ein digitaler Signalprozessor mit einer Netzwerkschnittstellen- Medienzugriffssteuerung und einer Bitübertragungsschicht-Schnittstelle ist, die mit einem digitalen Signalverarbeitungsbus verbunden sind.
Radarsystem mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Radarsignale; einer Antenne zum Aussenden der Radarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit der Antenne und der Antenne mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass: das Radargerät ferner einen Antennenantrieb zum Drehen der Antenne mit einer vorgegebenen Umdrehungsdauer aufweist; wobei der Modulator zum Erzeugen der Folge von Pulssignalen derart eingerichtet ist, dass die Folge Pulse mit einem ersten Pulsmuster und Pulse mit einem zweiten Pulsmuster aufweist, wobei sich erste und zweite Pulsmuster in Pulsdauer und Zwischenpuls-Intervall unterscheiden, und sich erste und zweite Pulsmuster derart überlagern, dass es innerhalb der vorgegebenen Umdrehungsdauer eine Mehrzahl von Pulsen jeder Pulsart gibt, und wobei der Signalprozessor zum Erzeugen eines ersten Radarbildes von den Pulsen der ersten Pulsart und eines zweiten Radarbildes von den Pulsen der zweiten Pulsart eingerichtet ist, so dass die Pulse, die jedes der zweiten Bilder bilden, zu jeder Zeit innerhalb eines Zeitraums liegen, der nicht länger ist als die Hälfte der vorgegebenen Auflösungsdauer (richtig: Umdrehungsdauer).
Radarsystem mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Radarsignale; einer Antenne zum Aussenden der Radarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Sensors mit der Antenne und der Antenne mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass das Radargerät ferner einen Antennenantrieb zum Drehen der Antenne mit einer vorgegebenen Umdrehungsdauer aufweist; wobei der Modulator zum Erzeugen der Folge von Pulssignalen derart eingerichtet ist, dass die Folge Pulse mit einem ersten Pulsmuster und Pulse mit einem zweiten Pulsmuster aufweist, wobei sich erste und zweite Pulsmuster in Pulsdauer und Zwischenpuls-Intervall unterscheiden, und sich erste und das zweite Pulsmuster derart überlagern, dass es innerhalb der vorgegebenen Umdrehungsdauer eine Mehrzahl von Pulsen jeder Pulsart gibt, und wobei der Signalprozessor zum Erzeugen eines ersten Radarbildes von den Pulsen der ersten Pulsart und eines zweiten Radarbildes von den Pulsen der zweiten Pulsart eingerichtet ist, so dass die Pulse, die jedes der zweiten Bilder bilden, zu jeder Zeit innerhalb eines Zeitraums liegen, der nicht größer ist als zwanzigmal das Pulsintervall der ersten oder der zweiten Pulsmuster, je nachdem welches größer ist.
Sonargerät mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Sonarsignale; einem Wandler zum Aussenden der Sonarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit dem Wandler und des Wandlers mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass: der Modulator zum Erzeugen der Folge von Pulsen derart eingerichtet ist, dass die Folge Pulse mit einem ersten Pulsmuster und Pulse mit einem zweiten Pulsmuster aufweist, wobei sich erste und zweite Pulsmuster in Pulsdauer und Zwischenpuls-Intervall unterscheiden und sich erste und zweite Pulsmuster überlagern, wobei der Signalprozessor zum Erzeugen eines ersten Sonarbildes von den Pulsen der ersten Pulsart und eines zweiten Sonarbildes von den Pulsen der zweiten Pulsart eingerichtet ist, und dass die Pulse, die die ersten und zweiten Bilder bilden, zu jeder Zeit innerhalb eines Zeitraums liegen, der nicht größer ist als zwanzigmal das Pulsintervall der ersten oder der zweiten Pulsmuster, je nachdem welches länger ist.
Radarsystem mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Radarsignale; einer Antenne zum Aussenden der Radarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit der Antenne und der Antenne mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass: das Radarsystem ferner eine Steuerung zum Regeln der Verstärkung des Verstärkers aufweist, wobei die Steuerung mindestens eine Look-up-Tabelle aufweist, die Werte zum Kompensieren von entfernungsabhängiger Änderung der Rückkehrsignale enthält.
Sonarsystem mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Sonarsignale; einem Wandler zum Aussenden der Sonarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit dem Wandler und des Wandlers mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung dadurch gekennzeichnet dass: das Sonarsystem ferner eine Steuerung zum Regeln der Verstärkung des Verstärkers aufweist, wobei die Steuerung mindestens eine Look-up-Tabelle aufweist, die Werte zum Kompensieren von entfernungsabhängiger Änderung der Rückkehrsignale enthält.
Gerät nach Anspruch 17 oder 18, eingerichtet zum Betrieb bei mehreren Entfernungen, wobei es mehrere Look-up-Tabellen gibt und jede Entfernung eine zugehörige Look-up-Tabelle hat.
Gerät nach Anspruch 17 oder 18, eingerichtet zum Betrieb bei mehreren Entfernungen, wobei die mindestens eine Look-up-Tabelle mehrere Bereiche hat und jede Entfernung einen zugehörigen Tabellenbereich hat.
Gerät nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei der Verstärker eine Mehrzahl von Verstärkungsstufen hat, und wobei es eine Mehrzahl von Look-up-Tabellen gibt und jede Tabelle zu einer Verstärkungsstufe gehört.
Gerät nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei der Verstärker eine Mehrzahl von Verstärkungsstufen hat und wobei die mindestens eine Look-up-Tabelle eine Mehrzahl von Tabellenbereichen hat und jeder Tabellenbereich zu einer der Verstärkungsstufen gehört.
Gerät nach Anspruch 21 oder 22, bei dem Ausgaben von der Mehrzahl der Look-up-Tabellen oder der Mehrzahl von Tabellenbereichen zusammengezählt werden, einer Sättigungslogik unterzogen werden und dann zur Ermittlung einer geeigneten Verstärkungsstufe des Verstärkers verwendet werden.
Radargerät mit: einem Modulator zum Erzeugen einer Folge von Pulssignalen; einem Sender zum Umwandeln der Folge von Pulssignalen in Radarsignale; einer Antenne zum Aussenden der Radarsignale und zum Empfangen von Rückkehrsignalen; einem Verstärker zum Verstärken der Rückkehrsignale; einem Schaltgerät zum umschaltbaren Verbinden des Senders mit der Antenne und der Antenne mit dem Verstärker; und einem Signalprozessor zum Verarbeiten der verstärkten Rückkehrsignale für Anzeige und/oder Auswertung, dadurch gekennzeichnet dass: der Signalprozessor ein digitaler Signalprozessor ist, der zum Erzeugen einer digitalen Ausgabe eingerichtet ist, die mehr als acht Stufen von Radarvideo aufweist.
Radargerät nach Anspruch 24 mit Mitteln, die digitale Ausgabe einer nichtlinearen Dynamikbereichanpassung zu unterziehen.