DE1158134B

DE1158134B - Radarsystem

Info

Publication number: DE1158134B
Application number: DEA33644A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erich Goldbohm
Original assignee: Algemene Nl Radio Unie N V AG
Current assignee: Algemene Nl Radio Unie N V AG
Priority date: 1959-01-05
Filing date: 1959-12-31
Publication date: 1963-11-28
Also published as: US3197774A; CH377889A; GB935078A; FR1244163A; SE304536B; NL113415C; BE585943A; NL234821A

Description

Anmelder:

Algemene Nederlandse Radio Unie N. V.

Aktiengesellschaft,
Amsterdam (Niederlande)

Vertreter: Dipl.-Ing. H.Marsch, Patentanwalt, Schwelm (Westf.), Westfalendamm 10

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 5. Januar 1959 (Nr. 234 821)

Dipl.-Ing. Erich Goldbohm, Noordwijk

(Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung betrifft ein Radarsystem zur Richtungsauflösung reflektierender Objekte mit einem

sende- und/oder empfangsseitig verwendeten, aus mehreren annähernd auf einer geraden Linie angeordneten Strahlern bestehenden Antennensystem, das 5 für verschiedene, gleichzeitig benutzte Frequenzen verschiedene Hauptstrahlrichtungen aufweist und in der Ebene dieser verschiedenen Hauptstrahlrichtungen feststehend ausgebildet ist, wobei Mittel vorgesehen sind, die aus der Frequenz der Empfangsschwingungen io auf die Richtung der reflektierenden Objekte ansprechen.

Zur Beobachtung von Zielen in großer Entfernung ist an erster Stelle eine große wirksame Spitzensendeleistung und eine sehr niedrige Rauschzahl des Emp- 15 fängers erforderlich. Des weiteren ist es erwünscht, einen möglichst kontinuierlichen Informationsfluß zu bekommen.

Eine drastische Verbesserung der zur Zeit üblichen Rauschzahlen ist nicht zu erwarten. Obwohl die Sende- 20 leistung theoretisch unbeschränkt vergrößert werden

kann, verursacht das immer größere praktische

Schwierigkeiten. Schon dadurch ist die Reichweite y

eines Radarsystems beschränkt.

Weiter soll die Impulswiederholungsfrequenz bei 25 Bündel schweift durch den Sektor, so daß kein Gebiet Impuls-Radarsystemen für größere Entfernungen innerhalb des Sektors ständig vom Bündel bestrichen selbstverständlich niedrig sein. wird. Bei dieser Ausführungsform ist also offen-

Betrachtet man z. B. ein System, das Ziele in einer sichtlich eine ständige Überwachung in allen Rich-Entfernung bis zu 1000 km zu ermitteln imstande sein tungen nicht möglich. Das bekannte System ist nicht soll, so soll die Impulsperiode mindestens 6,7 msec 30 in der Lage, auch nur ein kleineres Gebiet innerhalb betragen. Nimmt man weiter an, daß die Bündelbreite des Sektors ständig zu überwachen, da das Bündel des ausgestrahlten Bündels 0,5° beträgt und daß zum laufend hin und her pendelt.

Auffinden des Zieles je Abtastung mindestens acht Bei einem anderen bekannten Radarsystem sind

Echoimpulse aufgenommen werden müssen, so folgt Bündel verschiedener Frequenzen vorgesehen, die daraus, daß die maximal zulässige Abtastgeschwindig- 35 den gesamten Sektor bedecken. Es können jedoch nur keit des Bündels 1,6 Umdrehungen pro Minute be- so viel Richtungen unterschieden werden, wie Freträgt. Ein Ziel, das sich am Rande des vorausgesetzten quenzen vorhanden sind. Die Anzahl der unter-Entfernungsbereiches tangential mit einer Geschwin- scheidbaren Richtungen entspricht also der Anzahl digkeit von z. B. 12000 km pro Stunde bewegt, hat der verschiedenen, an die Antenne angeschlossenen also in der Zeit, in der das Bündel eine volle Um- 40 Sender. Will man mit einer derartigen Ausführungsdrehung vollbringt, eine Strecke, die mit fünfzehn form einen breiten Sektor laufend überwachen und Bündelbreiten übereinstimmt, zurückgelegt. doch eine gute Richtungsauflösung erhalten, so ist es

Problematisch wird dabei, wie die Drehung des erforderlich, sehr viele Sender zu verwenden, wodurch Bündels vorzunehmen ist. Da bei einer Wellenlänge das System selbstverständlich sehr kostspielig wird, von 2 m eine Antenne mit einer Bündelbreite von 45 Hinzu kommt, daß die Frequenzen der einzelnen 0,5° bereits eine Länge von 260 m bekommt, ist eine Sender genau stabilisiert sein müssen, damit die mechanische Drehung der Antenne nicht möglich, geringen Richtungsunterschiede zwischen den Signalen und es kommt nur eine in der Ebene der Hauptstrahl- der verschiedenen einzelnen Sendet nicht durch richtungen feststehende Antenne in Frage. Frequenzverwerfungen beeinträchtigt oder vertuscht

Es ist bereits ein Radarsystem vorgeschlagen worden, 50 werden.

bei dem ein schmales Bündel benutzt wird, das durch Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch

Frequenzänderung einen breiten Sektor abtastet. Das vermieden, daß der Antenne ein Rauschspektrum

309 750/288

3 4

zugeführt wird. Zwar hat die Tatsache, daß ein Weise ist die Hauptstrahlrichtung des Systems eine kontinuierliches Signal ausgesandt wird, zur Folge, Funktion der Frequenz des zugeführten Signals, daß die mittlere Leistung hoch sein muß, dagegen sind Weil ein Rauschspektrum und deshalb auch ein aber die maximalen Spannungen niedriger als bei »quasi weißes« Rauschspektrum, dessen Spektrum impulsmodulierten Systemen. S auf eine gewisse Bandbreite beschränkt ist, Kompo-Grundsätzlich ist es möglich, das erfindungsgemäße nenten aller Frequenzen zwischen zwei Grenzwerten Antennensystem nur sendeseitig zu verwenden, wobei enthält, wird die Rauschenergie über einen Sektor ausempfangsseitig eine nicht oder schwach gerichtete gestrahlt, der viel breiter sein kann als die Bündel-Antenne benutzt wird; es kann aber auch nur emp- breite des Systems bei einer einzigen Frequenz, fangsseitig verwendet werden, wobei sendeseitig eine i₀ Dabei werden die höchsten Frequenzen des Rauschnicht oder nur schwach gerichtete Antenne benutzt spektrums am einen Rand des Sektors ausgestrahlt und wird; schließlich kann das erfindungsgemäße An- die niedrigsten Frequenzen des Spektrums am anderen tennensystem aber auch sendeseitig und empfangsseitig Rand des Sektors.

benutzt werden. Die letztere Lösung ist zu bevorzugen, Ein derartiges Antennensystem ist in Fig. 1 sym-

weil sich damit eine viel größere Richtungsauflösung 15 bolisch dargestellt. Die individuellen Strahler sind mit

erreichen läßt als mit den beiden ersten Lösungen. 1 angegeben und werden über eine Leitung 2 gespeist,

Wenn ein einziges Antennensystem für die Sendung welche mit einer Impedanz 3 abgeschlossen ist. Von

und für den Empfang verwendet werden soll, ohne auf den in Fig. 1 schematisch dargestellten Strahlern 1

Impulsmodulation zur Trennung der Sendesignale und der Leitung 2 sind viele Ausbildungen denkbar,

von den Empfangssignalen zurückzugreifen, werden 20 Unabhängig davon wird das System der Strahler 1

Sender und Empfänger über nicht reziproke Kopp- eine dispergierende Wirkung aufweisen, d. h., die

lungen an die Antenne angeschlossen. Derartige nicht Hauptstrahlrichtung wird bei geeigneter Ausbildung

reziproke Kopplungen, d. h. Kopplungen, die für für alle Frequenzen aus dem zugeführten Rauschen

die Energie in der einen Richtung eine große Über- verschieden sein. Ein Ausbildungsbeispiel eines solchen

tragungsdämpfung und für die Energie in der anderen 25 Systems ist in Fig. 2 dargestellt.

Richtung eine kleine Übertragungsdämpfung auf- Dabei ist die Leitung 2 aus Fig. 1 als Hohlleiter 4

weisen, stehen in der Mikrowellentechnik in ver- ausgeführt, der am einen Ende mit einem Widerstands-

schiedenen Ausbildungen zur Verfügung. Durch sie keil 5 abgeschlossen ist. In der Wand des Hohlleiters 4

wird die Sendeenergie fast ausschließlich der Antenne sind Schlitze 6 angeordnet, die als Strahler wirken,

zugeleitet, die Empfangsenergie fast ausschließlich dem 30 Bei dieser Ausführung ist die dispergierende Wirkung

Empfänger. nicht nur von der Aufstellung der Strahler 6, sondern

In der Zeichnung sind einige mögliche Ausführungs- auch vom Hohlleiter 4 selbst bedingt, beispiele eines Radarsystems gemäß der Erfindung Ein solcher Schlitzrohrstrahler, der für eine Bündeldargestellt, breite von 0,5° bei einer Frequenz von 9300 MHz Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer für ₃₅ entworfen ist, wird z. B. eine Bündelschwenkung von ein^ System nach der Erfindung geeigneten Antenne; —9,2 bzw. +6,9° in bezug auf die Normale aufweisen, Fig. 2 stellt eine erste Abwandlung einer Antenne wenn die Frequenz auf 8400 MHz gesenkt bzw. auf gemäß Fig. 1 dar; 10200 MHZ erhöht wird.

Fig. 3 stellt eine zweite Abwandlung einer Antenne Der Sektor, der von einem solchen System erfaßt

gemäß Fig. 1 dar; 40 wird, falls ein Rauschspektrum von 8400 bis 10200 MHz

Fig. 4 stellt ein schematisches Strahlungsdiagramm zugeführt wird, ist daher etwa 16° breit, was also einer

einer Antenne nach einer Fig. 1 bis 3 dar; Bündelschwenkung von zweiunddreißig Bündelbreiten

Fig. 4 stellt ein schematisches Strahlungsdiagramm entspricht. Diese Sektorbreite entspricht demnach

einer Antenne nach einer der Fig. 1 bis 3 dar; einem Frequenzhub von±10%. wobei die Antenne

Fig. 5 ist ein ebenfalls schematisches Diagramm des 45 selber mechanisch nicht beeinflußt zu werden braucht.

Frequenzspektrums, das von einem Ziel, das sich in Eine gleiche Bündelschwenkung bei kleinerem

einer gewissen Richtung zur Antenne befindet, auf- Frequenzhub kann bekanntlich hervorgerufen werden,

gefangen bzw. reflektiert wird. indem man bei konstantem geometrischem Abstand

Zwecks Bestimmung der Richtung, in der sich ein zwischen den Strahlern die elektrische Weglänge

Ziel befindet, kann das vom Sender erregte Rausch- 50 zwischen diesen vergrößert. Das kann dadurch ver-

spektrum einem nichtresonierenden Antennensystem wirklicht werden, daß man die Schlitze in einem

zugeführt werden, z. B. einem sogenannten Quer- mäanderförmig gefalteten Hohlleiter anordnet, wie es

strahler. Derartige Systeme können einen ausge- in Fig. 3 dargestellt ist.

prägten Richteffekt aufweisen, so daß eine Bündel- Ein Antennensystem gemäß einer der Fig. 1 bis 3

breite von z. B. 0,5°, wie oben erwähnt, in einfacher 55 strahlt jede Frequenz in einer anderen Richtung aus.

Weise erzielt werden kann. Die Maße eines solchen Das Strahlungsdiagramm einer beliebigen Frequenz

Systems sind bei gegebener Bündelbreite der Frequenz innerhalb des Rauschbandes ist in Fig. 4 dargestellt,

des zugeführten Signals umgekehrt proportional und Aus diesem glockenförmigen Diagramm geht hervor,

können dadurch, falls die Frequenz verhältnismäßig daß die gewählte Frequenz am stärksten in der Rich-

niedrig gewählt wird, ziemlich groß sein, was eine 60 tung <9₀ ausgestrahlt wird. Es gibt aber innerhalb des

Richtungsänderung des ausgestrahlten Bündels mittels Rauschbandes eine unendliche Anzahl verschiedener

mechanischer Drehung des Antennensystems in vielen Frequenzkomponenten, die je in einer anderen Rich-

Fällen undurchführbar machen würde. Falls aber dem tung ausgestrahlt werden.

Antennensystem ein Rauschspektrum zugeführt wird, Ein Ziel, das sich in einer gewissen Richtung zum kann auch mit ortsfester Antenne ein breites Gebiet 65 Antennensystem befindet (z. B. Θ_ο aus Fig. 4), wird also erfaßt werden, was im folgenden weiter erklärt wird. ein Frequenzspektrum, wie dargestellt in Fig. 5, Bei passender Wahl der gegenseitigen Abstände der empfangen. Dieses Spektrum, das große Verwandtindividuellen Strahler und deren Speisung in passender schaft mit Fig. 4 aufweist, zeigt, daß die Frequenz /₀

Claims

5 6

(hier die gleiche, für die Fig. 4 gilt) am stärksten ein breiter Sektor überwacht werden, aber das hat

vertreten ist. den Nachteil, daß die Information diskontinuierlich

Falls das Ziel sich aber in einer anderen Richtung zur Verfügung steht, wie oben schon erwähnt wurde,

zum Antennensystem befindet, wird eine andere Fre- Das System gemäß der Erfindung sollte also mit

quenz am stärksten vertreten sein. Dieses Spektrum 5 einem anderen System verglichen werden, mit dem

wird vom Ziel reflektiert und kann am Standort des man den ganzen Sektor kontinuierlich zu überwachen

Sende-Antennensystems mit einem zweiten Antennen- imstande ist.

system empfangen werden, welches im allgemeinen Dafür würden z. B. zweiunddreißig Reflektor-

dem ersten Antennensystem ähnlich sein wird oder antennen mit einer Bündelbreite von je 0,5° in Be-

sogar bei entsprechenden Entkopplungseinrichtungen io tracht kommen. Falls man voraussetzt, daß beide

zwischen Sender und Empfänger dasselbe Antennen- Systeme gleich große Maße haben, würde jede Re-

system sein kann. Das reflektierte Spektrum wird also flektorantenne etwa V₃₂ Teil der Öffnung des Systems

beim Empfang zum zweiten Mal der filternden Wir- nach der Erfindung haben. Nennt man die effektive

kung gemäß Fig. 5 des Antennensystems unterzogen. Antennenfläche der Antenne gemäß der Erfindung

Eine Berechnung zeigt, daß beim gegebenen Zahlen- 15 A₁ und die effektive Antennenfläche von jeder der

beispiel die Halbwertbreite 2 Af des empfangenen Reflektorantennen A₂, so gilt A₁ = 32 · A₂.

Frequenzspektrums 27 MHz beträgt. Die Leistung, die für jede Richtung am Antennen-

Wird dagegen für die mittlere Wellenlänge A = 2 m eingang zur Verfügung steht, wird in beiden Fällen

statt λ = 3,2 cm gewählt, so beträgt die Halbwert- gleichgestellt.

breite des aus einer gewissen Richtung empfangenen 20 Gemäß der Radargleichung gilt dann:
Rauschspektrums lediglich 0,5 MHz.

Durch Spektrumanalyse der empfangenen Echos * T~P ·~~τ~ΓΑ* 1 / P · τ · A ²

kann die Richtung, aus der diese stammen, ermittelt -Ki = \ —. und R₂= /-, ~^Ύ% >

werden. |/ 4 · π · A₁ ·/- ]/ 4·π·Λ₂·/

Mittels verstimmbarer Filter kann der ganze Sektor 25 _ai_{so wenn} ^₁ = S₂, gilt R₁ = 5,6 R₂, was bedeutet,

auf Ziele abgesucht werden, während es auch möglich daß bei gleichem Rauschpegel der Empfänger der

ist, diese Filter mittels Servosysteme zu bedienen, beiden Systeme das System nach der Erfindung eine

wodurch ein einmal aufgefundenes Ziel automatisch 5,6mal so große Reichweite hat.

in seiner Richtung verfolgt werden kann. ' ]yß_t dem beschriebenen System ist es nicht nur

Das richtungsauflösende Vermögen des Systems 30 möglich, in jedem gewünschten Zeitpunkt Auskunft

ist in erster Annäherung gleich der Bündelbreite der üb_er die Position eines Zieles zu bekommen, sondern

Antenne, wobei jedoch auch die Charakteristik der _auch die Geschwindigkeiten dessen in radialer und

verwendeten Filter wichtig ist. tangential·* Richtung stehen unmittelbar zur Ver-

Für die Entfernungsmessung stützt das System sich fügung, weil die Geschwindigkeiten, mit denen das

auf die Tatsache, daß der Charakter des erregten 35 Filter bzw. die Verzögerungsleitung mittels ihrer

Rauschspektrums für den Zeitpunkt der Erregung Servosysteme verstellt werden, dafür maßgebend sind,

spezifisch ist, d. h., es gibt keine Korrelation zwischen Auch könnte im Referenzkanal ein breitbandiger,

den in verschiedenen Zeitpunkten erregten Rauschen, frequenzunabhängiger Phasenschieber eingegliedert

vorausgesetzt, daß der Unterschied zwischen diesen werden. Falls die Phasenmodulationsgeschwindigkeit

Zeitpunkten so groß ist, daß keine falsche Korrelation 40 dieses Phasenschiebers derart eingestellt ist, daß

durch physische Beschränkungen auftritt. optimale Korrelation eintritt, kann aus der Beziehung

Aus dem ausgestrahlten Spektrum wird mittels „.v. , _,._ ,~ · <. j· -7-1 eines Filters ein gleicher Teil abgeschieden, wie er i^= 2/-, in der f die Dopplerfrequenz ist, dxe Zielaus der Richtung, in dem ein Ziel entdeckt worden ist, geschwindigkeit berechnet werden. Die Radialgeempfangen wird. Dieser Teil des Spektrums wird 45 schwindigkeit könnte von der Tangentialgeschmdigkeit mittels einer einstellbaren Verzögerungsleitung (die unterschieden werden durch Zwischenschaltung eines selbstverständlich eine ausreichende Bandbreite auf- breitbandigen bzw. schmalbandigen Filters,
weisen muß) verzögert und in einer Korrelator- Betreffs der Empfindlichkeit des Systems nach der schaltung mit dem Echo verglichen. Erfindung für absichtliche Störung wird das Folgende

Die Verzögerungsleitung wird derart eingestellt, daß 50 bemerkt:

optimale Korrelation auftritt, in welchem Fall die Falls der Gegner die richtige Frequenz kennt, die

Laufzeit über den Weg Antenne—Ziel—Antenne der in seiner Richtung ausgestrahlt wird, kann er diese

eingestellten Verzögerungszeit gleich ist, welch letztere Frequenz als Störsignal aussenden. Das würde das

ablesbar ist und aus welcher die Zielentfernung also System nach der Erfindung tatsächlich stören, aber

in einfacher Weise berechnet werden kann. Das auf 55 nur in dieser einen Richtung. Breitbandige Störung

diese Weise erhältliche abstandsauflösende Vermögen ist weniger wirksam, weil davon nur der Teil empfangen

-.., 2 ,,., , j . , j. ,, wird, der bei dem in der Richtung des Störsenders aus-

_1St ungefähr -^- Mikrosekunde. Auch die Ver- _gestr'_{a1llten Spe}ktrum paßt, so daß ein großer Teil der

zögerungsleitung kann mit einem Servosystem auto- Störenergie verschwendet wird.

matisch bedient werden, so daß einem Ziel auch be- 60 Das Auffangen der Signale des Radarsystems und

treffs der Entfernung automatisch gefolgt werden kann. das Wiederausstrahlen derselben (z.B. mittels einer

Eine günstige Eigenart des beschriebenen Systems ist, Wanderwellenröhre) hat keine Wirkung, weil die

daß die Antenne zwar über einen breiten Sektor wirk- Korrelation erhalten bleibt und der Störsender daher

sam ist, wodurch das Überwachungsgebiet groß ist, je- sehr leicht zu orten ist.

dochder hohe Verstärkungsfaktor, der mitQuerstrahlern 65

erhältlich ist, über den ganzen Sektor wirksam ist. PATENTANSPRÜCHE:

Zwar kann auch mit einer mechanisch bewegten 1. Radarsystem zur Richtungsauflösung reAntenne mit geringer Bündelbreite, also hohem Gewinn, flektierender Objekte mit einem sende- und/oder

empfangsseitig verwendeten, aus mehreren annähernd auf einer geraden Linie angeordneten Strahlern bestehenden Antennensystem, das für verschiedene, gleichzeitig benutzte Frequenzen verschiedene Hauptstrahlrichtungen aufweist und in der Ebene dieser verschiedenen Hauptstrahlrichtungen feststehend ausgebildet ist, wobei Mittel vorgesehen sind, die aus der Frequenz der Empfangsschwingungen auf die Richtung der reflektierenden Objekte ansprechen, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß der Antenne ein Rauschspektrum zugeführt wird.
2. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfangskanal des Radarsystems ein oder mehrere Empfangsfilter vorgesehen sind, deren Frequenzcharakteristik dem Frequenzspektrum entspricht, das das Empfangsantennensystem bei Empfang von Schwingungen abgibt, die durch ein Objekt reflektiert werden, das sich in einer vorgegebenen Richtung zum Antennensystem befindet.
3. Radar sy stern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere der Empfangsfilter verstimmbar sind.
4. Radarsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Richtungsverfolgung die verstimmbaren Empfangsfilter von je einem Servosystem, das auf die Größe des vom Empfangsfilter durchgelassenen Signals anspricht, auf maximalen Empfang eingestellt werden.
5. Radarsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstimmungsgeschwindigkeit der Empfangsfilter als Maß für die Winkelgeschwindigkeit des reflektierenden Objektes dient.
6. Radarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Entfernungsmessung ein Teil des Sender-Ausgangssignals über ein zusätzliches Filter in Kaskade mit einer einstellbaren Verzögerungsvorrichtung dem ersten Eingang einer Korrelationsschaltung zugeführt wird, während dem zweiten Eingang dieser Korrelationsschaltung das Ausgangssignal eines der Empfangsfilter zugeleitet wird, wobei die Durchlaßcharakteristik des zusätzlichen Filters derart bemessen ist, daß das vom zusätzlichen Filter durchgelassene Frequenzspektrum dem vom Empfangsfilter durchgelassenen Frequenzspektrum entspricht, und daß die Einstellung der Verzögerungsvorrichtung bei optimaler Korrelation als Maß für die Entfernung des reflektierenden Objektes dient.
7. Radarsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entfernungsverfolgung die Verzögerungsvorrichtung von einem Servosystem, das auf das Maß der Korrelation in der Korrelationsschaltung anspricht, auf optimale Korrelation eingestellt wird.
8. Radarsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellgeschwindigkeit der Verzögerungsvorrichtung als Maß für die Radialgeschwindigkeit des reflektierenden Objektes dient.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschriften Nr. 220 877, 258343; USA.-Patentschrift Nr. 2 810 905.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©309 750/288 11.63