DE1766422A1 - Verfahren zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhaeltnisses eines Radarempfaengers fuer meteorologische Zwecke - Google Patents

Description

Dipl.-Ing.Heinz Glaessen

Patentanwalt
Stuttgart-Feuerbaeh
Kurze Str.8

ISE/Reg.3899
R.Juillerat-11

INTERNATIOITAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION,NEW YORK

"Verfahren zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses eines Radarempfängers für meteorologische Zwecke" ^

Die Priorität der Anmeldung Nr.PV 107 741 vom 25oMai 1967 in Frankrefeh wird in Anspruch genommene

Die Erfindung "betrifft eine Empfangseinrichtung für Radarsignale und solchen Signalen ähnliche, in statistischer Verteilung auftretende Zufallsimpulse· Diese sind auch jene nicht-kohärenten Signale, die von Reflexionen der Radarimpulse an festen oder "beweglichen Zielen herrühren, wie sie beispielsweise bei meteorologischen Radargeräten vorkommen.

Der wesentliche Unterschied zwischen den Signalen, die von einem für strategische Zwecke verwendeten Radargerät empfan- | gen werden und solchen, die für meteorologische Zwecke Verweüdung finden, liegt begründet in der wechselhaften Natur der Echos, die von Meteoriten oder von Niederschlagsgebieten herrühren. Diese wechselhafte Natur solcher Echos hat ihren Grund in einer willkürlichen Amplituden- und Phasenmodulation der ausgesendeten Wellen, wodurch die empfangenen Signale als Rauschen angesehen werden können im Gegensatz zu Signalen, die von strategischen Twreixthrai reflektiert werden, die weitgehendst als kohärent zu betrachten sind.

20.Mai 1968

Ktz/Ro -··.-

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Die Empfindlichkeit eines Radargerätes ist bestimmt durch den kleinsten Pegel des Nutzsignales, das im Bauschen noch aufgefunden werden kann. Eine verbesserte Empfindlichkeit bei gegebener Leistung ermöglicht eine Erhöhung der Yahrnehmungsfähigkeit eines Radarempfängers·

Aufgabe der Erfindung ist eine Empfindlichkeitserhöhung einer Radaranlage durch Verbesserung des Signal/Rauachverhältnisses des Empfängers.

Die Erfindung bezieht sich also auf ein Verfahren zur Verbessβrung des Signal/RauschYerhältnisses eines Radarempfängers für meteorologische Zwecke zur Zusammenarbeit mit einem Radar-Impulssender«,

Erfindungsgemäß ist die Wie derho lungs frequenz des Radar-Impulssenders so niedrig gewählt, daß während der halben Zeit einer Impulsperiode Echos aus der Atmosphäre nicht zu erwarten sind; empfangeseitig wird dementsprechend die Impulsperiode in zwei Hälften unterteilt, in denen Echos plus Rauschen bzw. nur Rauschen empfangen wird; ferner wird jede Hälfte der Impulsperiode an einander entsprechenden Stellen mittels in den Hälften synchron verschiebbarer Torimpulse abgetastet, wodurch Signalproben entnommen werden; schließlich wird mit der das Nutzsignal enthaltenden Signalprobe und mit der nur Rauschen enthaltenden Signalprobe in an sich bekannter Weise eine Signalkorrelation vorgenommen.

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Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert, von denen

Fig.1 das 'Videosignal einer Radarperiode und die Beziehung zwischen diesem Signal und den verwendeten Torimpulsen zeigt;

Figο2 zeigt als Blockschaltbild einen Teil eines Radargerätes zur Erläuterung der Signalaufbereitung.

Bei Radaranlagen, die zur Auffindung von Niederschlagsgebieten dienen, ist die Reichweite auf die Dicke der Atmosphäre be-

schränkt, weil Echos aus größerer Höhe als 20km nicht zu er- f| warten sind. So kann bei solchen Anlagen die Wiederholungsfrequenz derart gewählt werden, daß sie einer Entfernung entspricht, die das Verbleiben einer Totzeit gestattet, während der kein Echosignal empfangen werden kann. Diese Totzeit wird dazu ausgenutzt, um eine Information über das auch während des Auftretens des Nutzsignales vorhandene Rauschen zu erhalten. Diese Information über das Rauschen wird zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses verwendet. Mit anderen Worten, es wird für jede Radarperiode der Bruchteil der Periode, während der ein Nutzsignal nicht empfangen werden kann, dazu benutzt, ein Signal des Rauschens zu erhalten, das auch während des Nutzsignales vorhanden ist«, -

Das Zufallssignal, das bei einem Radargerät der oben beschriebenen Art empfangen wird, kann durch einen oder mehrere Entfernungs-Auswahltore innerhalb derer in den aufeinanderfolgenden Abtastungen Sj^gnale auftreten. Der Mittelwert dieser Signale wird im allgemeinen als weiter auszuwertende Information benutzt. Der gesamte Entfernungsbereich des Radarsystems kann also analysiert werden, indem eine genügende Anzahl von Auswahltoren vorgesehen und/oder diese werden entsprechend verschoben. Jedes Auswahltor ist einem Empfangskanal zugeordnet. Der Zweck der Erfindung ist, die Kanaleigenschaft während jeder Radarperiode zu verbessern, indem zwei verschiedene Teile des

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Eingangssignales ausgewertet werden, und zwar dadurch, daß zwei Auswahltore pro Empfangskanal vorgesehen sind. Das erste Tor empfängt ein Signal, das die Nutzinformation enthält, während das zweite in dem Teil der Impulsperiode liegt, in dem keine Nutzinformation enthalten ist. Das zusammengesetzte Signal enthält ein Spektrum von Frequenzen, aus dem die liutzinformation mittels eines Filters oder eines Korrelationsprozesses in bekannter Weise gewonnen werden kann.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das empfangene Signal mittels eines Tores analysiert, das eine gegenüber der Radarwiederholungsfrequenz die doppelte Wiederholungsfrequenz hat; dieses Tor kann über eine Zeit beweglich sein, die nicht größer als die Hälfte der Periodendauer ist. Wie bekannt, kann zur Aufbereitung des Nutzsignales aus dem Rauschen ein auf der Radarwiederholungsfrequenz arbeitender Synchrondetektor mit nachgeschaltetem Integrator verwendet werden.

In Fig.1 bedeuten E₁ und E₂ zwei aufeinanderfolgende, vom Radargerät ausgesendete Impulse, S.. und S« bedeuten die vom Empfänger während zweier aufeinanderfolgender Perioden aufgenommenen Signale. Zur Vereinfachung ist angenommen, daß das die Information enthaltende Signal nur während der ersten Hälfte der Zeit T auftritt, die zwischen den Impulsen E- und Ep liegt. Wenn der Punkt in der Mitte des Zeitintervalles T mit M. bezeichnet wird, dann liegt das die ganze Information enthaltende Signal in dem Zeitraum E..M..O Diese Annahme ist jedoch keineswegs restriktiv infolge der Wiederholungsfrequenz des Radarsystems, die bei Meßinstrumenten benutzt wird. Während des Zeitintervalles M₁Ep wird nur Rauschen empfangen. Das kombinierte Signal wird mittels zweier Tore analysiert; diese sind mit F₁ und F₂ bezeichnet und liegen im Zeitintervall E₁Eg so verteilt, daß F₁ immer im Zeitintervall E₁M₁ und F₂ im Zeitintervall M₁E₂ zu liegen kommt; das Zeitintervall F₁F₂ ist gleich T/2.

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Wenn ein einziger Empfangskanal benutzt wird, kann der Teil des die Information enthaltenden Signales durch Verschiebung des Tores F₁ innerhalb des Zeitintervalles E₁M₁ bestimmt werden. Das Tor Fp wird entsprechend zwischen M₁ und E₂ verschoben, weil ja das Zeitintervall zwischen F₁ und F₂ einen festen Wert hat.Das während der Dauer des Tores F₁ empfangene Videosignal ist das dem Rauschen überlagerte Nutzsignal; das während der Dauer des Tores F₂ empfangene Signal besteht nur aus Rauschen. Die in den Toren F₁ und F₂ enthaltenen Signale enthalten je eine aus f Impulsen bestehende Impulsreihe, deren Einzelimpulse jeweils um eine halbe Periode verschoben sind; die erste Impuls- ™ reihe enthält das dem Rauschen überlagerte Nutzsignal, die zweite enthält nur Rauschen. Die Information kann durch Synchrongleichrichtung mit nachfolgender Integration gewonnen werden»

Fig.2 zeigt als Blockdiagramm die Zusammenschaltung der einzelnen Bausteine eines Einkanal-Radarempfangers· Eine Empfangsantenne 1 ist an den Eingang der Vorstufen 2 angeschlossen; auf diese folgen, wie üblich, die Zwischenfrequenzstufen 3* An den Zwischenfrequenzverstärker 3 ist eine Detektorstufe 4 angeschlossen, die ein Videosignal ausgibt, wie es in Fig.1 bei S₁ und S₂ dargestellt worden ist. Ein Bezugsoszillator 10 J liefert f Steuerimpulse für den Radarsenderj diese dienen auch dazu, um über einen Frequenzverdoppler 11 einen Torimpulsgenerator 12 zu triggern, der 2f Impulse ausgibt, die den Toren P₁ und F₂ der Fig.1 entsprechen. Diese Impulse bewirken ein Leitendwerden einer Torschaltung 13» die ein Signal ausgibt, das einem Verstärker 14 eingegeben wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 14 wird einem Synchrondetektor 15 zugeführt, der als Bezugssignal symmetrische Rechteckimpulse der Frequenz f aus einem Impulsgenerator 17 eingegeben erhält, der mit der Frequenz des Oszillators 10 synchronisiert ist. Das gleichgerichtete Signal wird dann einer Integrationsschaltung 16 zugeführt. Um das Blockschaltbild der Fig.2 einfacher zu gestalten, sind die Funktionsblöcke, die eine

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der Tore F₁ und F₂ innerhalb der Zeit T/2 gestatten^ in Fig.2 weggelassen. Die dafür benötigten Schaltungen sind bekannt und gehören nicht zur Erfindung.

Es kann gezeigt werden, daß der Minimalwert eines Signales, das von einem Empfänger des beschriebenen Typs (Fig.2) ausge drückt werden kann durch die Formel:

aufgenommen wird,

β .r

Darin bedeuten:

T = Umgebungstemperatur, F= Rauschfaktor dee Empfängers,

B = äquivalente Rausch-Bandbreite des

Empfängers (für gewöhnlich die des Zwis chenfrequenzverstärkers) t = Temperatur eines schwarzen Körpers (von der Antenne aus gesehen)

k = BoItzmann'sehe Konstante X = Integrations-Zeitkonstante

Diese Formel hat die gleiche Form wie diejenige für die kleinste mittels eines Radiometers (Dickie Radiometer) noch wahrnehmbare Temperaturänderung.

Das oben Gesagte erhellt aus der Tatsache, daß das empfangene Signal an das Rauschen, das durch die Bandbreite B des Verstärkers ausgefiltert worden ist, angeglichen werden kann. Daraus kann gefolgert werden, daß das minimale noch wahrnehmbare Signal/Raus chverhältnis - betrachtet am Eingang des Systems-gleich ist 2/\fB,V.

Die verbesserte Empfindlichkeit ist bei dem hier in Rede stehenden Radargerät durch den Maximalwert von ⁰C begrenzt, der abhängig ist von der Heßzeit, oder von der Geschwindigkeit, mit der sich das Ziel bewegt, und vom Maximalwert von B, der

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wiederum abhängig ist vom ausgesendeten Signalspektrum; das empfangene Aift^tlem Rauschen nur vergleichbar bei einer Bandbreite, die von der des Signalspektrums nur sehr wenig verschieden ist.

Es ist klar, daß, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, die relative Lage der Tore F.. und Fg ^{von der} *ⁿ Fig.1 gezeigten abweichen kann.

Wenn der nützliche Teil der Impulsperiode den Wert T/2 überschreitet, ist es notwendig, das Tor F« zum Ende von E₂ zu verschieben. Unter diesen Bedingungen ist es vorteilhaft, ein festes Tor F₂ zu benutzen. Dieses kann man direkt ableiten von den Signalen des Bezugsoszillators, die dem Torimpulsgenerator über einen Phasenschieber bestimmter, fester Phasenverschiebung zugeführt werden.

3 Patentansprüche

1 Bl.Zeichng-. 2 Fig.

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Claims (1)

1. -8- ' 1 766Λ22

   Patentansprüciie

   Verfahren zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses eines Radarempfängers für meteorologische Zwecke zur Zusammenarbeit mit einem Radar-Impulssender, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulswiederholungsfrequenz des Radar-Impulssenders so niedrig gewählt ist, daß während der halben Zeit (T/2) einer Impulsperiode (E₁-E₂)EChOS aus der Atmosphäre nicht zu erwarten sind, daß empfangsseitig dementsprechend die Impulsperiode in zwei Hälften (E₁IL bzw.H₂E₂) unterteilt wird, in denen Echos plus Rauschen bzw. nur Rauschen empfangen wird, daß ferner jede Hälfte der Impulsperiode an einander entsprechenden Stellen mittels in den Hälften synchron verschiebbaren Torimpulsen (F₁,F₂) abgetastet wird, wodurch Signalproben entnommen werden, und daß mit der das !Tut ζ signal enthaltenden Signalprdbe und mit der nur Rauschen enthaltenden Signalprobe in an sich bekannter Weise eine Signalkorrelation vorgenommen wird.

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in bekannter Weise aufbereiteten Videosignale zur Entnahme der Signalproben einer von Impulsen eines Torimpulsgenerators (12, Fig.2) gesteuerten Torschaltung (13) eingegeben, verstärkt (14) und zusammen mit den Impulsen eines Impulsgenerators .(17) einer Synchrongleichrichtung (15) unterzogen werden, und daß die Ausgangssignale des Synciirongleichrichters (15) zur Bildung des korrelierten Ausgangssignales integriert (16) werden.

   Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Aussendung der Radarimpulse steuernde Oszillator (10) auch den Impulsgenerator (17) zur Erzeugung der zur Synchrongleichrichtung (15) benötigten Impulse und nach einer Frequenzverdopplung (11) den Torimpulsgenerator (12) zur Bildung der Signalproben steuert.

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