DE1591117C1 - Einrichtung zur Durchfuehrung eines Impuls-Radarverfahrens mit Empfang nach der Sampling-Methode - Google Patents

Description

dann zwei niederfrequente Abbildungen des empfangenen HF-Signals, die um 180° gegeneinander phasen-verschoben sind. Zieht man beide niederfrequenten Signale voneinander ab, so entsteht ein Signal mit doppelter Amplitude. Alle niederfrequenten Modulationsspannungen von Störsendern dagegen heben sich vollkommen auf, da sie an den beiden Empfangs-Dioden gleichphasig auftreten. Alle HF-Spannungen, für die der vorgesehene Laufzeitunterschied nicht 1/2 Wellenlänge beträgt, ziehen sich zumindest teilweise voneinander ab.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, auch die Störmöglichkeiten durch phasen- und frequenzmodulierte Störsignale völlig auszuschalten.

Ausgehend von einer Einrichtung zur Durchführung des Impuls-Radarverfahrens nach dem Anspruch 3 des Hauptpatents mit einer durch Tastimpulse eines Impulsgenerators periodisch aufsteuerbaren Empfangsdiode besteht die Zusatzerfindung darin, daß noch eine weitere Empfangsdiode vorgesehen ist, die durch Tastimpulse des Impulsgenerators in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand nach der ersten Empfangsdiode aufgesteuert wird, und daß die Ausgangsspannungen der beiden Empfangsdioden zur Eliminierung von phasen- oder frequenzmodulierten Störsignalen einer Vergleichseinrichtung zugeführt werden.

Der zeitliche Abstand zwischen den Öffnungszeitpunkten für die beiden Empfangsdioden bemißt sich dabei nach der Größenordnung der Impulslängen der Sendeimpulse. Es stellt sich infolgedessen der Effekt ein, daß an den NF-Ausgängen des Empfangssystems zu keinem Zeitpunkt gleichzeitig NF-Signale auftreten, wenn ein echter Zielechoimpuls aufgefangen wird, sondern daß zwischen den beiden niederfrequenten Abbildungen ein definierter zeitlicher Abstand eingeschoben ist. Ein derartiger zeitlicher Abstand ist jedoch dann nicht vorhanden, wenn ein gewobbeltes Störsignal empfangen wird, von dem aufgrund seiner Phasen- und Frequenzänderung ebenfalls niederfrequente Abbilder enthalten werden. In diesem Fall entstehen nämlich die beiden NF-Signale gleichzeitig und ihre Umhüllenden sind gleichphasig, so daß sie sich leicht durch Subtraktion eliminieren lassen.

Es ist somit ohne Schwierigkeiten möglich, den festgestellten Phasenunterschied zwischen zwei NF-Signalen als eindeutige Kennung für echte Zielechoimpulse zu verwerten.

Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt sind.

Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild zu einer Einrichtung, bei der nur ein einziger, aus einer Sendeimpulsfolge ausgewählter Tastimpuls Verwendung findet,

Fig.2 ein Blockschaltbild zu einer Einrichtung, bei der zwei Tastimpulse Verwendung finden und

F i g. 3 ein Impuls-Diagramm zur näheren Erläuterung der Funktionsweisen der Einrichtungen gemäß den F i g. 1 und 2.

Gemäß F i g. 1 wird eine Tunnel- oder Steprecovery-Diode 3 durch einen Treiber-Generator 6 zum Schalten veranlaßt, so daß an ihren Klemmen eine Rechteckspannung auftritt.

Über eine Kapazität 4, die in Reihe mit einem Abschlußwiderstand 5 liegt, wird diese Spannung differenziert, so daß man innerhalb eines Pulsfolgeintervalls ein Sendeimulspaar mit jeweils einer positiven und einer negativen Schaltflanke erhält. Beide Sendeimpulse werden nun mit einem durch die Dauer des Rechteckimpulses bestimmten Laufzeitunterschied von der im vorliegenden Beispiel als Exponential-Bandleitungsantenne ausgebildeten Antenne 9 abgestrahlt. Gleichzeitig wird aber der negative Impuls als Tastimpuls auf folgende Weise genutzt: Zunächst wird durch ihn die Empfangs-Diode 2 geöffnet und über diese der Ladekondensator 7 auf seinen Spitzenwert aufgeladen. Kurze Zeit später trift der Tastimpuls auch bei der Empfangs-Diode 12 ein, so daß auch diese geöffnet und der zugehörige Ladekondensator 13 aufgeladen wird.

Die Anordnung der Empfangs-Dioden 2 und 12 ist so festgelegt, daß sich ein durch ihre definierten örtlichen Lagen bedingter Laufzeitunterschied für das Eintreffen des Tastimpulses ergibt.

Die Empfangsdioden 2 und 12 weisen dabei in bezug auf den Tastimpuls gleiche Polatität auf. Den Ladekondensatoren 7 und 13 sind jeweils Niederfrequenz-Verstärker 8 und 14 nachgeschaltet, von denen jeweils Signalausgänge 10 und 15 zu einem elektronischen Auswertegerät 11 führen.

Das aus F i g. 2 zu ersehende Blockschaltbild unterscheidet sich gegenüber der Schaltung gemäß F i g. 1 nur dadurch, daß nunmehr die Verwendung von zwei Tastimpulsen vorgesehen ist und daß daher die Anordnung der Empfangs-Dioden 2 und 12 variiert ist.

Im impulserzeugenden System mit dem Treiber-Generator 6 und der Sendediodenanordnung 3' wird eine Rechteckspannung mit zwei verschieden langen Rechtecken gebildet, wobei der Block 3' zwei Tunnel- oder Steprecovery-Dioden enthält.

Durch Differenzierung dieser Rechteckimpulse über den Kondensator 4 wird eine Sendeimpulsfolge erzeugt, wobei innerhalb des Pulsfolgeintervalls drei Sendeimpulse entstehen.

Aus F i g. 3a ist diese Sendeimpulsfolge zu entnehmen. Einem ersten positiven Impuls 31 schließen sich ein negativer Impuls 32 sowie ein weiterer positiver Impuls 33 an, wobei der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen 32 und 33 kleiner ist als derjenige zwischen den Impulsen 31 und 32. Während alle drei Impulse 31,32 und 33 über die Antenne 9 abgestrahlt werden, werden nur die beiden Impulse 32 und 33 gleichzeitig als Taktimpulse zum Öffnen der Empfangs-Dioden 2 und 12 ausgenutzt. Der erste positive Sendeimpuls 31 wird nämlich durch einen auf die Empfangs-Diode 12 gegebenen Sperrimpuls unterdrückt, so daß der Impuls 31 nicht auch als Tastimpuls wirken und die Empfangs-Diode vorzeitig aufsteuern kann.

Wie bereits erwähnt, folgen die beiden als Tastimpulse dienenden Impulse 32 und 33 in einem zeitlichen Abstand, beispielsweise im Abstand von einer Nanosekunde, aufeinander. Die Anordnung der beiden Empfangs-Dioden 2 und 12 ist daher so festgelegt, daß sich für die einzelnen Tastimpulse jeweils gleiche Laufzeiten bis zum Eintreffen bei einer Empfangs-Diode ergeben, wobei die Empfangs-Dioden 2 und 12 eine den Tastimpulsen entsprechende gegensinnige Polarität aufweisen. Infolgedessen werden die Empfangs-Dioden 2 und 12 nach Maßgabe des zwischen den Tastimpulsen 32 und 33 bestehenden

zeitlichen Abstandes von z. B. einer Nanosekunde nacheinander aufgesteuert.

Die weitere Funktionsweise ist nun bei beiden durch die Blockschaltungen der F i g. 1 und 2 aufgezeigten Systemen im wesentlichen dieselbe, da in beiden Fällen ein sukzessives Öffnen der Empfangs-Dioden erreicht wird. Ein empfangenes HF-Signal kann daher, wie es das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin vorsieht, auf die Empfangs-Dioden 2 und 12 im Rhythmus ihrer geöffneten Zustände gegeben werden.

Wie dies nun im einzelnen vor sich geht, soll anhand des Impulsdiagramms gemäß F i g. 3 erläutert werden. Hierbei ist eine Schaltungsweise gemäß F i g. 2 zugrunde gelegt.

Zunächst sei noch der Fall behandelt, daß kein HF-Signal von der Antenne 9 empfangen wird. Diese Antenne 9 dient sowohl zum Senden als auch zum Empfang.

Dem Öffnungsrhythmus der Empfangs-Dioden 2 und 12 entsprechend werden die Ladekondensatoren 7 und 13 periodisch aufgeladen, wie es die F i g. 3d und 3e zeigen. Die Ladungen der Kondensatoren fließen jeweils über die Leckwiderstände der Empfangs-Dioden 2 und 12 wieder langsam ab, bis zum Beginn neuer Perioden erneute Aufladungen erfolgen.

An den Ladekondensatoren 7 und 13 entstehen somit zwei Sägezahnspannungen, von denen die eine negativ (F i g. 3d) und die zweite positiv (F i g. 3c) ist.

Der Phasenunterschied zwischen den beiden Sägezahnspannungen ist durch den zeitlichen Abstand zwischen den Tastimpulsen 32 und 33 bestimmt. Die Maximalamplituden der Sägezahnspannungen hängen jeweils von den Amplituden der Tastimpulse 32 und 33 ab.

Bezieht man sich auf die Schaltungsweise nach Fig. 1, so würden sich ebenfalls zwei derartige Sägezahnspannungen ergeben, mit dem einzigen Unterschied, daß beide negativ ausfallen.

Da bisher vorausgesetzt war, daß keine HF-Signale empfangen werden, weil etwa weder eine Zielreflexion noch ein Störsignal vorhanden ist, bleiben die Amplituden der Sägezahnspannungen konstant, und es können daher an den Ladekondensatoren 7 und 13 keine niederfrequenten Signale abgenommen werden.

Geht man nun zu der Annahme über, daß ein Ziel in den Auffaßbereich der Antenne 9 des Annäherungszünders tritt, so entstehen der Reihenfolge der Sendeimpulse entsprechend drei Zielechoimpulse 34,35 und 36 (F i g. 3b), von denen jedoch jeweils nur der erste Zielechoimpuls 34 empfangszeitig von Bedeutung ist. Die weiteren Zielechoimpulse 35 und 36 werden nicht ausgenutzt, da bei ihrem Eintreffen die Empfangs-Dioden 2 und 12 bereits regelemäßig wieder gesperrt sind.

Bis zum Erreichen eines vorgegebenen Abstands »Annäherungszünder — Ziel« sind die Empfangs-Dioden auch für den ersten Zielechoimpuls 34 gesperrt. Dieser vorgegebene Abstand ist im vorliegenden Beispiel dadurch definiert, daß er einer Laufzeit entspricht, die gleich der Zeitdifferenz zwischen dem ersten Sendeimpuls 31 und dem dritten Sendeimpuls 33 ist.

Sobald nun dieser vorgegebene Abstand ereicht ist, treffen der Zielechoimpuls 34 und der Tastimpuls 33, der die Empfangs-Diode 12 öffnet, gleichzeitig an der Empfangs-Diode 12 ein. Infolge der Relativbewegung des Annäherungszünders gegenüber dem Ziel verringert sich nun allmählich die Laufzeit der Sendeimpulse, so daß sich laufend entsprechende kleine Verschiebungen zwischen dem periodisch wiederkehrenden Tastimpuls 33 und dem Zielechoimpuls 34 ergeben. Dies bedeutet, daß der Zielechoimpuls 34 nicht immer auf die gleiche Stelle des Tastimpulses 33 trifft und daß dieser von Periode zu Periode einen anderen Amplitudenwert der empfangenen Zielechoimpulse 34 abtastet (Samplingvorgang).

Die Sägezahnspannung am Ladekondensator 13 erfährt daher durch die Addition ihrer Amplitude mit den jeweiligen Momentan-Amplituden des empfangenen Zielechoimpulses 34 langsame Änderungen ihrer Maximalamplitude, wie aus der Fig.3g hervorgeht. Solche Änderungen sind im vorliegenden Beispiel insgesamt über die Dauer von 5 Perioden zu verzeichnen, solange also, bis derjenige Zeitpunkt erreicht ist, an dem der eintreffende Zielechoimpuls eine wiederum gesperrte Empfangs-Diode 12 vorfindet. Über die folgenden Perioden bleibt dann die Amplitude der Sägezahnspannung gemäß F i g. 3g wieder konstant.

Am Eingang des dem Ladekondensator 13 folgenden NF-Verstärkers 14 entsteht somit ein erstes niederfrequentes Abbild des empfangenen Zielechoimpulses.

Die Erzeugung des zweiten niederfrequenten Abbildes des Zielechoimpulses 34 kann nun erst einige Zeit nach Abschluß des ersten Samplingvorganges erfolgen; denn während des ganzen Zeitraumes, in dem der Zielechoimpuls 34 an der periodisch aufgesteuerten Empfangs-Diode 12 abgetastet wurde, sowie noch während einer weiteren Zeitspanne, wie sich durch Vergleich der Spannungsverläufe gemäß den F i g. 3f und 3g ergibt, war die Empfangs-Diode 2 für den Zielechoimpuls 34 gesperrt und die Amplitude der Sägezahnspannung am Ladekondensator 7 blieb konstant (F i g. 3f).

Der zweite Samplingvorgang wird erst dann eingeleitet, wenn der Zielechoimpuls 34 und der Tastimpuls 32 gleichzeitig an der Empfangs-Diode 2 auftreten, so daß diese also geöffnet ist und den Zielechoimpuls 34 hindurchlassen kann. Die Abtastung des Zielechoimpulses 34 geschieht dann in gleicher Weise wie es weiter oben beim ersten Samplingvorgang geschildert worden ist und man erhält am Eingang des dem Ladekondensator 7 folgenden NF-Verstärkers 8 ein zweites NF-Signal, das die nochmalige Abbildung des empfangenen Zielechoimpulses 34 darstellt (F i g. 3f).

Es soll nun weiterhin der Fall betrachtet werden, daß ein gewobbeltes, im GHz-Bereich liegendes Störsignal vorhanden ist und von der Antenne 9 empfangen wird. Ein solches Störsignal, bei dem Phasen- und Frequenzänderungen einen Samplingvorgang ermöglichen, ist in F i g. 3c dargestellt. Dieses Störsignal ist sowohl dann wirksam, wenn die Empfangs-Diode 2 geöffnet ist, als auch dann, wenn kurze Zeit später die Aufsteuerung der Empfangs-Diode 12 erfolgt ist.

Infolgedessen entstehen an den Ladekondensatoren 7 und 13 gleichzeitig zwei niederfrequente Abbilder des hochfrequenten Störsignals, deren Umhüllenden genau phasengleich sind (Fig.3h und Fig.3i). Durch Subtraktion der beiden NF-Signale

erfolgt daher exakte Auslöschung, so daß der Annäherungszünder durch das Störsignal nicht beeinflußt werden kann. Etwaige Unsymmetrien der beiden NF-Signal-Kanäle würden sich nur durch eine Gleichstromkomponente bei der Subtraktion bemerkbar machen.

Die Ausnutzung des oben beschriebenen Phasenunterschieds zwischen zwei niederfrequenten Signalen, aus dem sich also die Existenz eines echten Zieles herleiten läßt, zur richtigen Auslösung der Zündung und die Eliminierung der von Störsendern herrührenden Signale erfolgt im elektronischen Auswertgerät 11, in welches die NF-Signal-Ausgänge 10 und 15 münden. Ein zum Zündmechanismus führender Signalausgang ist mit 16 bezeichnet.

Es soll noch erwähnt werden, daß bei der Darstellung der Impulsdiagramme in F i g. 3 der Übersichtlichkeit wegen kein linearer Zeitmaßstab gewählt worden ist. In Wirklichkeit sind die Pausen zwischen den einzelnen Pulsfolgeintervallen (gemäß den F i g. 3a und 3b) viel länger als gezeichnet. Durch die Strichelung der Verbindungslinien zwischen den jeweils letzten Impulsen eines vorangehenden und den jeweils ersten Impulsen eines folgenden Intervalls soll auf diese Tatsache optisch hingewiesen werden.

Die zwischen den einzelnen Pulsfolgeintervallen gemäß Fig.3a tatsächlich eingeschobenen Pausen sind so lang bemessen, daß ein evtl. Zielechosignal aus einer so großen Entfernung stammen müßte, daß es mit Sicherheit schon zu schwach ist, um noch empfangen zu werden. Dadurch wird verhindert, daß ein aus größerer Entfernung zurückkommendes Zielechosignal etwa durch einen Tastimpuls einer folgenden Periode abgebildet wird.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Durchführung des Impuls-Radarverfahrens unter Verwendung eines nach der Sampling-Methode arbeitenden Empfangssystems zur Abbildung der empfangenen Hochfrequenzschwingungen in einem niederfrequenten Bereich, bei welchem Verfahren nach Anspruch 1 des Hauptpatents 15 91 107 die bei der Sampling-Technik notwendige Änderung des Phasenunterschiedes zwischen dem Abtastimpuls und dem abzubildenden Impuls durch Ausnutzung der Relativbewegung des Objektes gegenüber der Sende- und Empfangsantenne erzeugt wird, wobei nach Anspruch 3 des Hauptpatentes eine Empfangsdiode vorgesehen ist, die durch die Tastimpulse eines Impulsgenerators periodisch aufgesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß noch eine weitere Empfangsdiode (12) vorgesehen ist, die durch die Tastimpulse des Impulsgenerators (3) in vorgegebenem zeitlichem Abstand nach der ersten Empfangsdiode (2) aufgesteuert wird, und daß die Ausgangsspannungen der beiden Empfangsdioden zur Eliminierung von phasen-oder frequenzmodulierten Störsignalen einer Vergleichseinrichtung (11) zugeführt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung nur eines einzigen Tastimpulses (32) die Anordnung der beiden Empfangsdioden so festgelegt ist, daß sich ein durch ihre definierten örtlichen Lagen bedingter Laufzeit-Unterschied für das Eintreffen des Tastimpulses (32) ergibt, wobei die Empfangsdioden in bezug auf den Tastimpuls (32) gleiche Polarität aufweisen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von 2 Tastimpulsen (32, 33), die in definiertem zeitlichem Abstand aufeinander folgen und unterschiedliche Polatität besitzen, die Anordnung der beiden Empfangsdioden so festgelegt ist, daß sich für die einzelnen Tastimpulse jeweils gleiche Laufzeiten ergeben, wobei die Empfangsdioden eine den Tastimpulsen (32,33) entsprechend gegensinnige Polarität aufweisen.

Das den Gegenstand des Hauptpatents 15 91 107 bildende Impuls-Radar-Verfahren erlaubt es, Entfernungen von wenigen cm mit hoher Genauigkeit zu messen. Das Verfahren beruht auf der Messung der Laufzeit extrem kurzer Sendeimpulse, die durch sehr schnelle und leistungsstarke Gleichstromsprünge oder -impulse mit einem geeigneten Schaltelement, z. B. einer Tunnel-Diode oder einer Steprecovery-Diode, erzeugt und am Fußpunkt einer Breitbandantenne in diese eingekoppelt werden.

Bei Schaltzeiten von weniger als 100 Picosekunden enthalten die dabei auftretenden Schaltflanken Frequenzkomponenten, die bis über das X-Band hinausreichen und leicht mit sehr kleinen Antennen abgestrahlt bzw. empfangen werden können.

Gemäß dem Hauptpatent wird das Verfahren unter Verwendung eines nach der Sampling-Methode arbeitenden Empfangssystem zur Abbildung der empfangenen HF-Schwingungen in einem niederfrequenten Bereich durchgeführt und die bei der Sampling-Technik notwendige Änderung des Phasenunterschieds zwischen dem Abtastimpuls und dem abzubildenden Impuls wird durch Ausnutzung der Relativbewegung des Objekts gegenüber der Sende-

und Empfangsantenne erzeugt.

Eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens kann gemäß dem Anspruch 3 des Hauptpatents eine Empfangsdiode aufweisen, die durch die Tastimpulse eines Impulsgenerators periodisch aufgesteuert wird. Das Verfahren nach dem Hauptpatent weist gegenüber der üblichen Sampling-Technik den Unterschied auf, daß weder dem Sende- noch dem Tastimpuls die von Periode zu Periode erforderliche Phasenmodulation mittels zusätzlicher Maßnahmen aufgeprägt wird, da die zeitliche Verschiebung zwischen den zusammengehörenden Impulsen automatisch durch die Relativbewegung des zu ortenden Objektes (Zieles) gegenüber der Antenne erhalten wird. Infolgedessen tastet der die Empfangs-Diode öffnende Tastimpuls von Periode zu Periode einen anderen Amplitudenwert der zurückkommenden Empfangsimpulse ab, so daß die an dem der Empfangs-Diode nachgeschalteten Ladekondensator entstehende Sägezahnspannung langsame Änderungen ihrer Maximal-Amplitude erfährt, die der zeitlichen Lage der Empfangsimpulse entsprechen.

Am Eingang des nachfolgenden Niederfrequenz-Verstärkers ergibt sich somit ein niederfrequentes, zur weiteren Auswertung geeignetes Abbild des empfangenen Hochfrequenz-Impulses.

Wie im Hauptpatent 15 91 107 bereits ausgeführt wurde, dient ein derartiges Impuls-Radar-Verfahren beispielsweise dazu,, die Zünder von Geschossen bzw. Flugkörpern bei deren Annäherung an vorgegebene Ziele automatisch auszulösen.

Das Verfahren nach dem Hauptpatent bietet dabei bedeutende Vorteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Zünders, insbesondere aufgrund der Tatsache, daß der gewünschte Zielabstand, bei dem die Auslösung des Zünders erfolgen soll, sehr genau eingestellt werden kann, was bei Annäherungs- bzw. Abstandszündern, die etwa nach dem »CW«-Doppler-Radar-Verfahren arbeiten, nicht der Fall ist. Das Verfahren nach dem Hauptpatent gestattet es, bei Sendeimpulslängen von 15 cm in Luft Entfernungen bei einer Genauigkeit von besser als ±5 cm zu messen, wobei die Beschaffenheit der Zieloberfläche oder der Erdoberfläche überhaupt keine Rolle spielt, solange der Zielechoimpuls noch groß genug ist. Darüberhinaus ist es möglich, daß der Zünder geschwindigkeitsselektiv ausgeführt und gegebenenfalls auch für viele Zündabstände und sogar für einen kontinuierlichen Entfernungsbereich empfindlich gemacht werden kann.

Bei dem hier beschriebenen Anwendungsbereich ist außerdem die Ausschaltbarkeit von Störmaßnahmen aller Art, insbesondere die völlige »ECM«-Festigkeit des Abstandzünders unerläßlich.

Da die Empfangs-Diode im Empfangssystem durch eine Vorspannung gesperrt ist und erst durch einen Tastimpuls für den Zielechoimpuls geöffnet wird, ist die Störung des Zündersystems durch einen Dauerstrich-Mikrowellensender praktisch unmöglich.

Amplitudenmodulierte Dauerstrich-Störsignale können — wie im Hauptpatent bereits ausgeführt wurde — dadurch eliminiert werden, daß im Empfangssystem zwei Empfangs-Dioden in einem solchen Abstand voneinander angeordnet werden, daß sich zwischen ihnen ein Laufzeitunterschied entsprechend einer halben Wellenlänge bei der zu empfangenden Frequenz des Nutzsignals ergibt. Man erhält