DE1773287B1 - Vorrichtung zur radioelektrischen entfernungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine nach einem Korre- der Erfindung zur Vermeidung von Zweideutigkeiten lationsverfahren arbeitende Vorrichtung zum Messen von einem anderen Prinzip Gebrauch macht, das aus von Entfernungen zwischen festen oder beweglichen dem Artikel »A skin tracking radar experiment invol-Gegenständen mittels Radiofrequenzen, wobei die ving the courier satellite« von M. Easterling in sehr groß sein können und die Gegenstände für ge- 5 I. R. E. Transactions on Space Electronics and TeIewöhnlich nicht zugänglich sind. Ein solches Ver- metry vom Juni 1962 an sich bekannt ist. Dabei hanfahren ist bekannt und in einer Abhandlung mit dem delt es sich um die Phasenmodulation einer Unter-Titel »New target for radar: sharper vision with trägerwelle durch ein pseudo-aleatorisches Kodieoptics« in der Zeitschrift »Electronics«, Bd. 38, rungssignal. Dieses an sich sehr zufriedenstellende Nummer 26 vom 27. 12. 1965 auf den Seiten 58 io Verfahren bringt jedoch neben einem hohen Schalbis 66, Verfasser Talamini und Farnett, ange- tungsaufwand vor allem auch einen großen Zeitaufgeben. Solche Messungen sind insbesondere dann wand für die Entfernungsmessung mit sich, notwendig, wenn es sich um die Bestimmung eines Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Radarsich bewegenden Raumfahrzeuges oder um die Posi- vorrichtung zur radioelektrischen Entferungsmessung tionsbestimmung eines Flug- oder Raumkörpers 15 zu schaffen, die Entfernungsmessungen in kurzer gegenüber einem Satellit handelt. Zeit vorzunehmen in der Lage ist und deren Schal-

Für solche Messungen können geeignete radio- tungsaufwand dennoch verhältnismäßig gering ist. elektrische Signale Verwendung finden. Ferner ist be- Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art

kannt, daß die Messung in der Praxis Zeiten berück- wird diese Aufgabe gelöst durch die Kombination sichtigen muß, die ein einfaches Vielfaches der Aus- 20 folgender an sich bekannter Einrichtungen: breitungszeit des elektrischen Signals von einem _a) ^ _optischen Korrelationseinrichtung, die aus Gegenstand zum anderen betragt Allgemein ist die _{der Verzögerung eines} Empfangssignals oder

gesuchte Entfernung, d h. der »Meßbereich« sehr _{Echos des} Sendesignals eine grobe Abschätzung

groß, so daß das Empfangssignal sehr schwach ist _{liefert die zum} Synchronisieren eines lokalen

und von den Empfangsvomchtungen deshalb un- *₅ Dekodierungsgenerators ausreicht, geachtet.aller Sorgfalt schwierig zu isolierenist. _{b) einer Einrich}t_Un_{g ZU}m Demodulieren einer

Hierfür ist die einfachste Technik die Verwen- Unterträgerwelle und zur Feinmessung ihrer

dung mehrerer Untertragerwellen und die Messung Phasenlage mittels der von der optischen Korre-

der von einer Welle, ob sinusförmig oder nicht, her- lationseinrichtung gelieferten Signale,

ruhrenden Phasenverschiebung entsprechend ihrer 30

Ausbreitung in der gesuchten Entfernung. Aus tech- In der nachstehenden Beschreibung ist an Hand

nologischen Gründen hat man die Phasenmessungen der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfinbei einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz vor- dung näher erläutert.

genommen, die eine Trägerwelle hoher Frequenz, F i g. 1 a zeigt ein Schema zur Darstellung der

für gewöhnlich in der Größenordnung von sehr 3s Modulation einer sinusförmigen Unterträgerwelle mit hohen Frequenzen, moduliert. Das nach der De- einem pseudo-aleatorischen Kodierungssignal gemäß modulation erhaltene Signal ist nun leicht zu filtern Fig. Ib;

und vom Rauschen zu unterscheiden, insbesondere F i g. 2 a zeigt ein analoges Schema zur Darstellung

dann, wenn man eine kohärente Demodulation der Demodulation des empfangenen Signals zur durchführt. 4° Wiedergewinnung des Modulationssignals gemäß

Hieraus folgt, daß dieses Verfahren nicht zwischen F i g. 2b;

Entfernungen zu unterscheiden gestattet, für die sich F i g. 3 zeigt ein Prinzipschema des erfindungs-

die Fortpflanzungszeiten nur um eine ganze Anzahl gemäßen optischen Verfahrens zur gleichzeitigen Erder Perioden der Unterträgerwelle unterscheiden. Es zeugung mehrerer Signale aus dem empfangenen ist deshalb notwendig deren Frequenz zu verringern, 45 Signal (zeitabhängig) durch verschiedene lokale Siwenn man den Meßbereich vergrößern will. gnale (gleichfalls zeitabhängig) die gegeneinander

Bei dieser der Phasenmessung innewohnenden Be- verschoben sind, um gleichzeitig mehrere Werte der schränkung ist meistens die gewünschte Genauigkeit Korrelationsfunktion zu bilden (die im Sinne der und die für die Unterträgerwelle erforderliche Fre- Funktionstheorie ebenso gut auch »Produkte interner quenz nicht miteinander zu vereinbaren, wenn man 50 Kompositen« sind).

die Entfernungen ohne Zweideutigkeit im gesamten Die Dauer eines Bits des Kodierungssignals ist

Meßbereich feststellen will. Man vermeidet diese gleich einer Periode der Unterträgerwelle. Das Schwierigkeit, wenn man die Trägerwelle mit meh- Schema der F i g. 1 a und 1 b zeigt, wie ein solches reren reinen in geometrischer Progression fortschrei- Signal erhalten wird.

tenden Frequenzen moduliert. Dabei ergibt sich eine 55 In F i g. 1 a stellt die Kurve S eine echte sinuserste Abschätzung durch die Phasenverschiebung der förmige Unterträgerwelle am Eingang des Modula-Unterträgerwelle mit der tiefsten Frequenz. Verfährt tors Mr dar und die Kurve 5m die erhaltene Wellenman nach den folgenden Angaben, so erhält man form aus Ausgang des Demodulators. Die Kurve 1 b eine Messung, die sehr genau und bis zu einer sehr entspricht der Form des Modulationssignals, das beihohen Frequenz möglich ist, die die gewünschte sehr 60 spielsweise von einem Schieberegister in Ringschalhohe Genauigkeit erlaubt. (Deshalb handelt es sich tung erzeugt wird.

um eine Anwendung des sogenannten »Iterations- Beim Signalempfang wird gemäß dem Schema in

verfahren«.) Fig. 2a die umgekehrte Operation ausgeführt. In

Die in Frage kommende Technik ist einfach; un- Fig. 2a stellt die KurveSm das empfangene Signal glücklicherweise ist nach der Demodulation nur ein 65 dar, das auf den Eingang des Demodulators Dr gekleiner Bruchteil der Gesamtenergie des Signals an führt wird, dem ein Trennfilter F nachgeschaltet ist, jeder Unterträgerwelle verfügbar. Dieser Nachteil das am Ausgang einerseits die reine Sinusschwinkann vermieden werden, wenn man entsprechend gung 5 und andererseits das Modulationssignal m ab-

gibt, das in Fig. 2b dargestellt ist und das der pseudo-aleatorischen Kodierung entspricht, das nämlich die Bedingung erfüllt, daß das dem Demodulator Dr zugeführte Modulationssignal m die gleiche Phase hat wie das empfangene Signal Sm.

Die Phasenverschiebung zwischen dem Modulationssignal m in F i g. 1 b (Sendesignal) und dem in Fig. 2b (Empfangssignal) ist gleich einem einfachen Vielfachen (für gewöhnlich doppelt so groß) der Fortpflanzungszeit der einzigen zum Messen der ge- ίο suchten Entfernung verwendeten Unterträgerwelle.

Die insbesondere mittels eines Multivibrators erhaltenen pseudo-aleatorischen Kodierungssignale haben bestimmte Eigenschaften, die für den angestrebten Verwendungszweck wertvoll sind.

Insbesondere ist die Amplitude der gefilterten und demodulierten Sinusschwingung ein Maximum, wenn das lokale Kodierungssignal gleichphasig mit dem Kodierungssignal ist, das beim Senden das Empfangssignal moduliert hat. Sobald aber eine Phasenver- so Schiebung von mehr als einer Periode der Unterträgerwelle auftritt, wird die Amplitude der Sinusschwingung am Ausgang des Filters F (F i g. 2 a) durch η geteilt, wobei η gleich der Periode des Kodierungssignals ist. as

Die Bestimmung der Phasenverschiebung des Kodierungssignals, das das Empfangssignal moduliert, beseitigt die Zweideutigkeit, die von der Frequenz der Sinusschwingung 5 herrührt.

Die Schwierigkeit besteht jedoch in der Wahl der Phasenverschiebung zur Erzeugung eines lokalen Kodierungssignals, das die Demodulation bestimmt, um tatsächlich auch eine echte Frequenz wiederzugewinnen. Das bisher hierzu verwendete Verfahren besteht darin, mehrere aufeinanderfolgende Versuche mit unterschiedlichen Verzögerungen des lokalen Kodierungssignals in bezug auf die Sendekodierung zu machen. Wenn das das Empfangssignal modulierende Signal in Phase mit dem in der Empfangsschaltung gebildeten Signal ist, so liefert der Demodulator eine Sinusschwingung, die durch das Filter F geleitet wird. Eine Unterdrückungseinrichtung gestattet anschließend das Signal und das lokale Kodierungssignal in Phase zu halten, und zwar während der gesamten notwendigen Meßzeit. Dieses Verfahren, das sich aufeinanderfolgender Versuche bedient, kann eine sehr lange Zeit in Anspruch nehmen, bevor man ein verwertbares Ergebnis erhält, wenn die Periode des Kodierungssignals groß ist. Dies ist nicht weiter störend, wenn es sich nur um die Verfolgung eines einzigen Gegenstandes handelt. Ist nämlich die Zeit lang, so ist die Dauer der Sichtbarkeit für gewöhnlich ausreichen groß, um den Gegenstand auf einer ausreichenden Länge seiner Bewegung zu verfolgen.

In anderen Fällen ist jedoch im Gegensatz hierzu die Zeit, die man bis zum Erhalt eines verwendbaren Ergebnisses aufwenden kann, begrenzt. Es scheint, daß man sich hierbei nicht die pseudo-aleatorische Kodierung zunutze macht, trotz der Vorteile, die sie bietet. Eine Einrichtung, die jedoch eine Zeitverkürzung mit sich bringt, würde sehr vorteilhaft sein.

Eine sehr wenig wirtschaftliche Lösung besteht darin, daß man N Demodulatoren parallel zueinander vorsieht, die von den zueinander phasenverschobenen Kodierungssignalen gesteuert werden, so daß man stets einen Demodulator hat, bei dem das Empfangssignal und das lokale Kodierungssignal in Phase sind.

Ist η die Periode des Kodierungssignals, so benötigt man mindestens N = 2 · η Demodulatoren.

Dieser Aufwand für die Empfangsschaltung wird jedoch überflüssig, wenn man folgendes bedenkt: Zum richtigen Einstellen des Generators des lokalen Kodierungssignals genügt eine grobe Abschätzung der Verzögerung des Empfangssignals. Damit sind die N Demodulatoren überflüssig, da jeder eine vollständige Messung gestattet. Hieraus ergibt sich die vorliegende Erfindung.

Diese Grobschätzung der Verzögerung kann in einer eigenen Einrichtung vorgenommen werden. Da ein geeignetes Filter für die außerdem komplexen Signale schwierig zu realisieren ist, verwendet man eine sogenannte Korrelationseinrichtung.

Wenigstens theoretisch besteht das beste Verfahren zur Messung von Ausbreitungszeiten darin, daß man eine »Korrelation« durchführt, d. h. das Produkt des Empfangssignals y (t) und einem Referenzsignal r (β—τ) bildet, das nicht anderes als das um die Zeit τ verzögerte Sendesignal ist. Man erhält damit folgendes Integral:

g(r)= fy(t)r(t-\)dr

für alle möglichen Werte von r, wobei dieser Wert für den gesuchten Wert ein Maximum wird.

Diese Operation kann von einer elektrischen Schaltung mit dem folgenden Impulsverhalten ausgeführt werden:

s(To-t),

wobei To eine Konstante ist. Man verwendet hierzu ein geeignetes Filter. Je höher jedoch der komplexe Anteil des Signals ist, desto schwieriger ist das Filter zu realisieren. Deshalb wird bevorzugt eine sogenannte Korrelationseinrichtung verwendet, die selbsttätig das »Korrelationsfunktion« genannte Produkt bildet.

Die Gleichung benötigt zwei Operationen, nämlich eine Multiplikation und eine Integration. Zur Verwirklichung gibt es mehrere Wege:

a) Es ist möglich ein numerisches Rechengerät zum Bestimmen des vorhergehenden Integrals zu verwenden. Wählt man η Versuchspunkte im Intervall T, so erhält man η Produkte pro Integral. Da die Gleichung für η mögliche Werte von τ durchgeführt werden muß, erhält man n² Elementaroperationen. Für komplexe Signale wird daher diese Anzahl schnell so groß, daß man das gewünschte Ergebnis nicht schnell genug erhalten kann.

b) Es ist auch möglich, eine dem Integrator nachgeschaltete elektrische Multiplikationseinrichtung zu verwenden, um die Korrelationsfunktion zu ermitteln. Wenn man das Ergebnis schnell erhalten will, so kann man N Einrichtungen dieser Art parallel zueinander verwenden, so daß das Ergebnis gleichzeitig für jeden Wert von τ ermittelt wird. Diese Lösung ist jedoch sehr kostspielig.

c) Endlich aber, und darin besteht eines der wesentlichen Ziele der vorliegenden Erfindung, kann man eine optische Einrichtung verwenden, die selbsttätig und gleichzeitig das Korrelationsprodukt zwischen dem Empfangssignal einerseits und den η lokalen Bezugsfunktionen andererseits bildet, die identisch, jedoch zeitlich

gegeneinander phasenverschoben sind. In der F i g. 3 ist eine solche Einrichtung schematisch dargestellt.

Es wird das einfachste Schema betrachtet, wonach nur eine einzige lokale Referenzfunktion mit dem Empfangssignal multipliziert wird. Gemäß Fig.3 wird eine punktförmige oder lineare und transversale Lichtquelle 1 mit dem Empfangssignal s (t) moduliert. Ein optisches System 2 projiziert den Lichtstrahl der Lichtquelle auf eine Schicht 3 von veränderlicher Durchsichtigkeit. Es ist angenommen, daß diese nur in Richtung der Längsachse Unterschiede in der Durchsichtigkeit aufweist. Der durch die Schicht 3 gelangende Bruchteil des Lichtes ist daher I (f). Wenn sich die Schicht bewegt, so erhält man im Punkt 0 eine Veränderung der Lichttransmission I (t).

Bringt man in Punkt 0 ein lichtempfindliches Element 4 an, so empfängt dieses eine dem folgenden Produkt proportionale Lichtintensität:

30

Ist T die Integrationszeit der mit dem lichtempfindlichen Element verbundenen Schaltung, so beträgt die Spannung in dieser Schaltung:

t-T

Diese Gleichung ist gleich dem Wert von g(o), wenn g (τ) die Korrelationsfunktion von s (i) und / (t) ist.

Um den Wert von g für andere Werte von r zu erhalten, genügt es, andere Sekundärlichtquellen und weitere lichtempfindliche Elemente an anderen Stellen der Schicht längs ihrer Bewegungsrichtung vorzusehen. Die Ausgangsspannungen sind dann wie folgt:

mit k = 1,2... η,
wobei

A ^T

Δτ = —
η

mit η gleich der Anzahl der Elemente.

Auf diese Weise werden η Operationen für die »Korrelation« parallel ausgeführt. Das Element, bei dem das Ausgangssignal ein Maximum ist, stellt daher den Wert des gesuchten r dar. Wenn η groß ist, kann man in einfacher Weise die lichtempfindlichen Zellen durch eine geeignete Bildröhre ersetzen. Mit dieser sehr einfachen Einrichtung kann man somit das Problem lösen, wie man durch eine pseudoaleatorische Kodierung die Verzögerung τ abschätzt. Die vorliegende Einrichtung ermöglicht somit eine sehr vorteilhafte Lösung. Tatsächlich gibt es zahlreiche optische Anordnungen, sogenannte »Korrelatoren«, die die Verwirklichung der genannten Operationen gestatten.

Zusammenfassend gestattet somit die vorliegende Erfindung die schnelle Messung der Verzögerung r von aus pseudo-aleatorischen Kodierungssignalen abgeleiteten Signalen, wobei man folgende neue Kombination zweier an sich bekannter Einrichtungen verwendet:

1. Eine optische Korrelationseinrichtung, die für die Verzögerung r des Empfangssignals eine Grobabschätzung liefert, die jedoch ausreicht, um den lokalen Kodierungsgenerator zu synchronisieren.

2. Eine Demodulationseinrichtung für die Unterträgerwelle und die Feinmessung ihrer Phase, welche die von der optischen Korrelationsemrichtung gelieferte Information benützt.

Da die Bestimmung der von der Kodierung herrührenden Phasenverschiebung nicht mehr durch aufeinanderfolgende Versuche erfolgen muß, kann man feststellen, daß die für die Berechnung erforderliche Zeit durch η geteilt ist, wenn η die Periode des Kodierungssignals ist. Hierin besteht der grundsätzliche Vorteil des Meßverfahrens, das vom folgenden Gebrauch macht: Die Phasenmessung einer mit einem pseudo-aleatorischen Kodierungssignal modulierten Unterträgerwelle vollzieht sich in zwei Schritten:

1. Bestimmung der Phase des Kodierungssignals, für die eine grobe Abschätzung der von dem Signal herrührenden Verzögerung τ genügt,

2. Feinmessung der Phase der Unterträgerwelle nach der Demodulation.

Im vorstehenden sind einzig Signale mit einer einzigen Frequenz betrachtet, die durch ein pseudoaleatorisches Kodierungssignal moduliert sind. Man kann nun diese einzige Frequenz durch jedes beliebige periodische Signal von gleicher Grundfrequenz ersetzen. Dieses Signal kann insbesondere ein Signal von einem Taktgenerator sein, der die Rechtecksignale erzeugt. An Stelle eines pseudo-aleatorischen Kodierungssignals kann man auch andere Signale verwenden, deren Autokorrelationsfunktionen ähnliche Eigenschaften aufweisen.

Ferner ist es bei der Verwirklichung des optischen Korrelators nicht notwendig, daß man eine bestimmte Anordnung verwendet. Alle Einrichtungen, die parallel, d. h. gleichzeitig Korrelationsfunktionen bilden, sind geeignet.

Außerdem ist es nicht notwendig, daß bei der Korrelation das Referenzsignal identisch dem Sendesignal ist. Es genügt, wenn diese Signale eine mit passenden Eigenschaften versehene Korrelationsfunktion ergeben. Insbesondere können die Bezugssignale durch Modulation einer Rechteckwelle von einem Taktgenerator erhalten werden, während die Sendesignale von einem Sinuswellengenerator erzeugt werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur radioelektrischen Entfernungsmessung, gekennzeichnet durch die Kombination folgender an sich bekannter Einrichtungen:

a) einer optischen Korrelationseinrichtung, die aus der Verzögerung eines Empfangssignals oder Echos des Sendesignals eine grobe Abschätzung liefert, die zum Synchronisieren eines lokalen Kodierungsgenerators ausreicht,

b) einer Einrichtung zum Demodulieren einer Unterträgerwelle und zur Feinmessung ihrer Phasenlage mittels der von der optischen Korrelationseinrichtung gelieferten Signale.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige mit einer pseudoaleatorischen Kodierung modulierte Unterträgerwelle sehr hoher Frequenz verwendet wird, wobei

das Modulationssignal ein Rechtecksignal ist, bei dem die Dauer eines Bits gleich der Periode der Unterträgerwelle oder einem ganzen Vielfachen dieser Frequenz ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Empfang des reflektierten Signals ein lokales Kodierungssignal verwendet ist, dessen Form dem das Sendesignal modulierenden Signal entspricht, jedoch gegenüber letzterem aufeinanderfolgende Phasenver-Schiebungen aufweist, wobei die phasenverschobenen Signale als lokale Bezugsfunktionen zur Demodulation des Empfangsignals verwendet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dixdurch gekennzeichnet, daß die optische Korrelationseinrichtung aus einer durch das Empfangssignal modulierten Lichtquelle, einem das Bild der Lichtquelle auf eine mit gleichmäßiger Be-

wegung angetriebene Schicht mit veränderlicher Durchsichtigkeit projizierenden optischen Einrichtung und einem lichtempfindlichen Element besteht, wobei die Veränderung der Durchsichtigkeit der Schicht zwischen der Lichtquelle und dem lichtempfindlichen Element die lokale, zum Empfang des reflektierten Signals verwendete Funktion darstellt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einheiten aus Lichtquelle, optischer Einrichtung und lichtempfindlichem Element längs der Bewegungsbahn der Schicht veränderlicher Durchsichtigkeit aufgestellt sind und gegeneinander um Abstände verschoben sind, die den Phasenverschiebungen mehrerer lokaler Funktionen entsprechen, so daß mehrere den Phasenverschiebungen entsprechende Korrelationsfunktionen nacheinander, jedoch nahezu gleichzeitig gebildet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 537/257