DE19701145C1 - Laser pulse radar method for determining the distance and radial speed of targets - Google Patents

Laser pulse radar method for determining the distance and radial speed of targets

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DE19701145C1 DE1997101145 DE19701145A DE19701145C1 DE 19701145 C1 DE19701145 C1 DE 19701145C1 DE 1997101145 DE1997101145 DE 1997101145 DE 19701145 A DE19701145 A DE 19701145A DE 19701145 C1 DE19701145 C1 DE 19701145C1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Pulsradarverfahren zur Bestimmung von Entfernung und radialer Geschwindigkeit von Zielen mit empfangsseitiger Doppler-Auswertung jeweils in Entfernungsintervallen unter Verwendung einer frequenz­ analysierenden Einrichtung, welche pro Entfernungsintervall aus einigen als abgetastete Amplituden/Zeit-Wertpaare vor­ liegenden Laserradar-Dopplersignalen mittels des Impulspaar-Auto­ kovarianzalgorithmus eine mittlere Dopplerfrequenz f herleitet, die durch die Richtung der Vektorsumme von mehre­ ren konjugiert komplexen Multiplikationen von jeweils zwei aufeinander folgenden Abtastwerten in der komplexen Zahlen­ ebene gebildet wird, wobei die Richtungsbestimmung durch Ar­ gumentenbildung mittels arctan2-Funktion erfolgt, welche de­ finitionsgemäß beim Übergang von π auf -π eine Sprungstelle aufweist.The invention relates to a laser pulse radar method for determining distance and radial speed of targets with Doppler evaluation at the receiving end in each case at distance intervals using a frequency analyzing device, which per distance interval out of some as sampled amplitude / time value pairs lying laser radar Doppler signals by means of the pulse pair car covariance algorithm a mean Doppler frequency f derives from the direction of the vector sum of several ren conjugates complex multiplications of two consecutive samples in the complex numbers plane is formed, the direction determination by Ar arctan2 function, which de by definition, a jump point when changing from π to -π having.

Werden Laserpulsradar-Dopplersignale, die als abgetastete Amplituden/Zeit-Wertpaare vorliegen, entfernungsabhängig frequenzanalysiert, so werden einige, typischerweise 10 bis 20, Abtastwerte pro Entfernungsintervall auf ihre mittlere Dopplerfrequenz untersucht. Diese Frequenz entsteht aufgrund der Dopplerverschiebung in der Richtung des Laserstrahls, welche die radiale Bewegung von Zielen, insbesondere von Streuzielen wie beispielsweise kleinen Staubpartikeln, pro Entfernungsintervall repräsentiert.Are laser pulse radar Doppler signals that are sampled There are amplitude / time value pairs, depending on the distance  frequency analysis, so some, typically 10 to 20, samples per distance interval to their mean Doppler frequency examined. This frequency arises due to the Doppler shift in the direction of the laser beam, which the radial movement of targets, especially of Scattering targets such as small dust particles, per Distance interval represents.

Schwierigkeiten bei der Dopplerfrequenzbestimmung entstehen aufgrund einer hohen Rauschleistung wegen der großen Band­ breite bei der Messung. Sollen z. B. Dopplerverschiebungen im Bereich ± 26 m/s erfaßt werden, so muß die Gesamtbandbreite (im weiteren Breitband BW genannt) ca. 10 MHz betragen. (Im allgemeinen gilt: BW = 4Vmax/λ, wobei mit λ die Wellenlänge der Laserstrahlung und mit Vmax die maximal zu messende Ge­ schwindigkeit bezeichnet sind.) Das eigentliche Nutzsignal P hat aber nur eine spektrale Breite (im weiteren Schmalband BN genannt) von ca. 1 MHz.Difficulties in Doppler frequency determination arise due to a high noise power due to the large bandwidth in the measurement. Should z. B. Doppler shifts in the range ± 26 m / s are detected, the total bandwidth (hereinafter referred to as broadband B W ) must be approximately 10 MHz. (In general: B W = 4V max / λ, where λ denotes the wavelength of the laser radiation and V max the maximum speed to be measured.) The actual useful signal P, however, has only a spectral width (in the further narrow band B N 1 MHz.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Dopplerfrequenzbestimmung ergibt sich aufgrund kleiner Empfangssignalleistungen wegen der geringen Rückstreuintensitäten kleiner Ziele (beispielsweise kleinster Staubpartikel) und aufgrund einer angestrebten großen Meßentfernung von beispielsweise einigen Kilometern. Wird, wie üblich, eine hohe Entfernungsauflösung angestrebt, so ergeben sich aufgrund dieser Forderung in den vielen sehr kleinen Entfernungsintervallen jeweils nur we­ nige Abtastwerte, was ebenfalls zu größeren Schwierigkeiten bei der Dopplerfrequenzbestimmung führen kann.Another difficulty in determining Doppler frequency arises because of small received signal powers the low backscatter intensities of small targets (for example the smallest dust particle) and due to a desired long measuring distance of, for example, some Kilometers. Will, as usual, a high range resolution strived for, this result in the many very small distance intervals only we few samples, which also creates greater difficulties can result in the Doppler frequency determination.

Ein zusätzliches Problem bei der Dopplerfrequenzbestimmung entsteht dadurch, daß eine Mittelwertbildung von mehreren Einzelsignalen erst nach einer vorhergehenden Frequenzab­ schätzung möglich ist, also eine sogenannte inkohärente Mit­ telung vorgenommen werden muß, da beim Laser-Pulsradar keine Phasenanpassung zwischen den einzelnen Laserschüssen möglich ist. Der Fehler, der durch diese vorher erforderliche Fre­ quenzabschätzung entsteht, wird somit nur weiter aufaddiert. Eine Verbesserung der Frequenzabschätzung ist somit nur bei einer Akkumulation von "guten" Frequenzen zu erwarten.An additional problem in Doppler frequency determination arises from the fact that averaging of several Individual signals only after a previous frequency estimate is possible, i.e. a so-called incoherent co telung must be made, since the laser pulse radar none Phase adjustment possible between the individual laser shots is. The error caused by this previously required Fre  quota estimation arises, is therefore only added up. An improvement in the frequency estimate is therefore only with an accumulation of "good" frequencies can be expected.

Beispielsweise ist aus DE 32 36 101 A1 bekannt, bei einem Pulsradargerät in den Entfernungsintervallen mit Hilfe einer phasensensitiven Einrichtung, welche die aufgrund der radia­ len Zielbewegung entstehende vektorielle Phasenverschiebung zwischen zwei sich folgenden Echoimpulsen (Impulspaar) er­ mittelt, die Radialgeschwindigkeit eines Zieles zu bestimmen. Dabei lassen sich zur Gewinnung der mittleren Doppler­ frequenz, aus der sich die Information über die Radialge­ schwindigkeit des im jeweiligen Entfernungsintervall erfaßten Zieles unmittelbar ergibt, Filterbänke oder besser eine FFT(Fast Fourier Transformation)-Auswertung verwenden. Diese bekannte Methode hat jedoch beim Laser-Pulsradar einen rela­ tiv schlechten Wirkungsgrad.For example, it is known from DE 32 36 101 A1, in one Pulse radar device in the distance intervals with the help of a phase-sensitive device, which due to the radia len target movement resulting vectorial phase shift between two subsequent echo pulses (pulse pair) means to determine the radial speed of a target. It can be used to obtain the middle Doppler frequency from which the information about the radial ge speed of the detected in the respective distance interval Target immediately yields filter banks or better one Use FFT (Fast Fourier Transformation) evaluation. These However, known method has a rela in laser pulse radar tiv poor efficiency.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur Bestimmung der mittleren Dopplerfrequenz im jeweiligen Entfernungsintervall ist der sogenannte Impulspaar (pulse pair)-Autokovarianzalgorithmus, der einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als die traditio­ nelle Fourier-Transformation aufweist. Dabei wird die mittle­ re Dopplerfrequenz f durch die Richtung des komplexen Vek­ tors der Autokorrelationsfunktion in der komplexen Zahlen­ ebene gemäß
Another known method for determining the average Doppler frequency in the respective distance interval is the so-called pulse pair (pulse pair) auto-covariance algorithm, which has a much higher efficiency than the traditional Fourier transform. The mean Doppler frequency f is determined by the direction of the complex vector according to the autocorrelation function in the complex number plane

geliefert, wobei fs die Ab­ tastfrequenz, xi+1 einen komplexen Meßwert und x*1 den vorher­ gehenden Meßwert eines Impulspaares in konjugiert komplexer Form darstellen. Das Spektrum des Meßsignals ist ebenfalls komplex und erstreckt sich von -fs/2 bis +fs/2. Die mittlere Dopplerfrequenz entspricht somit einem Winkel zwischen 0 und π für positive Frequenzen bzw. einem Winkel zwischen 0 und -π für negative Frequenzen. (Siehe Jour. Appl. Meteor., 22, S. 1776 bis 1787).delivered, where f s the sampling frequency, x i + 1 a complex measured value and x * 1 the previous measured value of a pair of pulses in conjugate complex form. The spectrum of the measurement signal is also complex and extends from -f s / 2 to + f s / 2. The mean Doppler frequency thus corresponds to an angle between 0 and π for positive frequencies or an angle between 0 and -π for negative frequencies. (See Jour. Appl. Meteor., 22, pp. 1776 to 1787).

Die gesuchte mittlere Dopplerfrequenz wird somit durch die Richtung der Vektorsumme von mehreren konjugiert komplexen Multiplikationen von aufeinanderfolgenden Abtastwerten ge­ bildet. Die Richtungsbestimmung erfolgt durch Argumentenbil­ dung mittels der "arctan2"-Funktion, welche definitionsgemäß eine Sprungstelle bei π auf -π aufweist. Diese Unstetigkeits­ stelle führt bei einem niedrigen, also schlechten Si­ gnal/Rausch-Verhältnis und/oder hohen Frequenzen zu weit ge­ streuten Frequenzabschätzungen.The mean Doppler frequency sought is thus determined by the Direction of the vector sum of several conjugated complexes  Multiplications of successive samples ge forms. The direction is determined by arguments by means of the "arctan2" function, which by definition has a jump point at π to -π. This discontinuity position leads to a low, i.e. poor Si signal / noise ratio and / or high frequencies too far scattered frequency estimates.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auf dem vor­ stehend erläuterten Impulspaar-Autokovarianzalgorithmus be­ ruhende Methode zur Bestimmung der mittleren Dopplerfrequenz beim Laser-Pulsradar so auszubauen, daß sich zum einen eine exakte Filterung bzw. Eingrenzung der Bandbreite im Fre­ quenzraum und zum anderen eine Beseitigung der Unstetig­ keitsstelle der "arctan2"-Funktion ergibt.The invention is based on the object on the standing pulse pair autocovariance algorithm be quiescent method for determining the mean Doppler frequency to expand the laser pulse radar so that on the one hand exact filtering or limitation of bandwidth in fre quenzraum and secondly an elimination of the discontinuous arity of the "arctan2" function.

Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Laser-Pulsradarverfah­ ren der eingangs genannten Art bezieht, ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Summenbildung der Autokorrelations­ funktion auf einen bestimmbaren Winkelbereich, d. h. Sektor der komplexen Zahlenebene, eingeschränkt wird, daß dieser durch eine Schätzfrequenz f0 und eine Schwankungsbreite Δf gegebene Winkelbereich vor einer Fallunterscheidung, d. h. Einschränkung, in die 0°-Richtung verschoben wird, daß die Einschränkung, d. h. die Unterscheidung dahingehend, ob der einzelne Vektor im vorgegebenen Bereich liegt oder nicht, über den Absolutbetrag der Richtung stattfindet, und daß die Summenbildung ausschließlich über solche Vektoren vorgenom­ men wird, die im eingeschränkten Bereich liegen.According to the invention, which relates to a Laser-Pulsradarverfah ren of the type mentioned, this object is achieved in that the sum of the autocorrelation function is limited to a definable angular range, ie sector of the complex number plane, that this by an estimation frequency f 0 and a fluctuation range Δf given angular range is shifted in the 0 ° direction before a case distinction, ie restriction, that the restriction, ie the distinction as to whether the individual vector lies in the specified range or not, takes place over the absolute amount of the direction, and that the sum formation is carried out exclusively over those vectors which are in the restricted range.

Die gemäß der Erfindung bewerkstelligte Einschränkung des Auswertebereichs liefert eine Bandbreitenbegrenzung des Si­ gnals und somit eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhält­ nisses. Da nach der Erfindung ausschließlich solche Vektoren zur Summe beitragen sollen, die im eingeschränkten Sektor liegen, ergibt sich eine wesentlich schnellere und exaktere Filterung als dies mit herkömmlichen digitalen Filtern und über die Fourier-Transformation bisher möglich ist.The limitation of the The evaluation range provides a bandwidth limitation of the Si gnals and thus an improvement of the signal / noise ratio nisses. Since according to the invention only such vectors to contribute to the sum of those in the restricted sector lie, there is a much faster and more accurate  Filtering than this with conventional digital filters and has so far been possible via the Fourier transformation.

Die gemäß der Erfindung durchgeführte Drehung des Sektors in die 0°-Ebene und die Untersuchung auf Absolutbeträge der Winkel verhindert die abrupte Sprungstelle von 180° auf -180°. Vektoren, die bedingt durch Rauschen und Verbreite­ rung des Spektrums "überschwingen" könnten, werden nach der Erfindung eliminiert, so daß diese Unstetigkeitsstelle beho­ ben wird.The rotation of the sector in accordance with the invention in the 0 ° plane and the examination for absolute amounts of the Angle prevents the abrupt jump from 180 ° -180 °. Vectors caused by noise and spread tion of the spectrum could be "overshoot" after the Invention eliminated so that this discontinuity beho will.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß von mehreren Einzelsignalen oder von längeren Interval­ len innerhalb eines einzelnen Signals über eine weitere Sum­ menbildung der Vektoren eine Mittelwertbildung vorgenommen wird, die einer kohärenten Mittelwertbildung entspricht. Die Mittelwertsbildung innerhalb der Frequenzbestimmung über eine erweiterte Vektorsumme liefert eine mit der Signal­ stärke gewichtete Verbesserung der Frequenzabschätzung. Die Phasenanpassung zwischen Einzelsignalen entfällt wegen der komplex konjugierten Multiplikation und der anschließenden Addition der Vektoren in der komplexen Frequenzebene. Diese Vorgehensweise nach der Erfindung entspricht somit erstmals bei der Doppler-Laserradartechnik einer kohärenten Mittel­ wertsbildung.An advantageous development of the invention consists in that of several individual signals or of longer intervals len within a single signal via another sum averaging of the vectors which corresponds to a coherent averaging. The Averaging within the frequency determination over an extended vector sum supplies one with the signal stronger weighted improvement in frequency estimation. The Phase adjustment between individual signals is omitted because of the complex conjugate multiplication and the subsequent Addition of the vectors in the complex frequency plane. These The procedure according to the invention thus corresponds for the first time a coherent means in Doppler laser radar technology value creation.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeichnung im einzelnen erläutert.The invention is described below with reference to the attached Drawing explained in detail.

Die Figur zeigt die gemäß der Erfindung erfolgende Herlei­ tung der mittleren Dopplerfrequenz in einer komplexen Fre­ quenzebene (Abszisse = Realteil, Ordinate = Imaginärteil) Zur Bestimmung der mittleren Dopplerfrequenz f im jeweiligen Entfernungsintervall wird der Impulspaar-Autokovarianzalgo­ rithmus angewandt. The figure shows the herlei according to the invention average Doppler frequency in a complex frequency quenz plane (abscissa = real part, ordinate = imaginary part) To determine the average Doppler frequency f in each Distance interval becomes the pulse pair autocovariance algorithm rhythm applied.  

Dabei wird die mittlere Dopplerfrequenz f durch die Richtung des komplexen Vektors der Autokorrelationsfunktion
The mean Doppler frequency f is determined by the direction of the complex vector of the autocorrelation function

geliefert. Die Abtastfrequenz ist hierbei fs und xi ist der komplexe Meßwert. Das Spektrum des Meßsignals ist ebenfalls komplex und reicht von -fs/2 bis +fs/2. Die mittlere Frequenz f entspricht somit einem Winkel zwischen 0 bis π für positive Frequenzen und zwischen 0 bis -π für negative Frequenzen.delivered. The sampling frequency is f s and x i is the complex measured value. The spectrum of the measurement signal is also complex and ranges from -f s / 2 to + f s / 2. The mean frequency f thus corresponds to an angle between 0 to π for positive frequencies and between 0 to -π for negative frequencies.

Die gesuchte mittlere Dopplerfrequenz f wird somit durch die Richtung der Vektorsumme von mehreren konjugiert komplexen Multiplikationen von aufeinanderfolgenden Abtastwerten ge­ bildet. Die Richtungsbestimmung erfolgt durch Argumentenbil­ dung mittels arctan2-Funktion, die definitionsgemäß eine Sprungstelle bei +180° auf -180° aufweist.The mean Doppler frequency f sought is thus determined by the Direction of the vector sum of several conjugated complexes Multiplications of successive samples ge forms. The direction is determined by arguments using arctan2 function, which by definition is a Jump point at + 180 ° to -180 °.

Gemäß der Erfindung wird die Summenbildung der Autokorrela­ tionsfunktion auf einen bestimmbaren Winkelbereich, d. h. ei­ nen Sektor der komplexen Ebene, eingeschränkt. Dieser Sektor ist in der Zeichnung grau dargestellt. Dieser Winkelbereich (der dem grau eingezeichneten Sektor entspricht) ist durch eine Schätzfrequenz f0 und eine Schwankungsbreite Δf gege­ ben. Vor der vorzunehmenden Fallentscheidung, d. h. vor der Einschränkung, wird der Winkelbereich in die 0°-Richtung ge­ dreht.According to the invention, the summation of the autocorrelation function is restricted to a determinable angular range, ie a sector of the complex plane. This sector is shown in gray in the drawing. This angular range (which corresponds to the sector shown in gray) is given by an estimation frequency f 0 and a fluctuation range Δf. Before the case decision to be made, ie before the restriction, the angular range is rotated in the 0 ° direction.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung findet nun die Einschrän­ kung, d. h. die Unterscheidung, ob der einzelne Vektor im vorgegebenen Bereich liegt, über den Absolutbetrag der Rich­ tung statt. Die Summenbildung findet dann nur über solche Vektoren statt, die im eingeschränkten Bereich liegen. Es ist von Bedeutung, daß die Drehung des grau dargestellten Sektors in die 0°-Richtung und die Untersuchung auf Absolut­ beträge der Winkel die abrupte Sprungstelle von π auf -π ver­ hindern. According to a feature of the invention, the restriction now kung, d. H. the distinction whether the individual vector in the given range is above the absolute amount of the rich tung instead. The sum formation then takes place only through such Instead of vectors that are in the restricted range. It is significant that the rotation of the gray Sector in the 0 ° direction and the examination for absolute the angle would be the abrupt jump point from π to -π ver prevent.  

Durch Rauschen und Verbreiterung des Spektrums bedingte, in den schraffiert eingezeichneten Bereich der Figur über­ schwingende Vektoren werden eliminiert. Die störende Unste­ tigkeitsstelle wird somit vermieden und spielt bei der Er­ mittlung der mittleren Dopplerfrequenz gemäß der Erfindung keine Rolle mehr.Due to noise and broadening of the spectrum, in the hatched area of the figure above vibrating vectors are eliminated. The annoying thing job is thus avoided and plays with the Er averaging the mean Doppler frequency according to the invention no longer matter.

Im folgenden wird eine zweckmäßige Realisierungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Ermittlung der mittleren Dopplerfre­ quenz und damit der Radialbewegung der Ziele erläutert, die im Beispiel in der Atmosphäre befindliche Staubpartikel sind.The following is an expedient implementation option the determination of the mean Doppler frequency according to the invention sequence and thus the radial movement of the targets explained in the example, dust particles in the atmosphere are.

Zuerst wird die Schätzfrequenz f0 in denjenigen Entfernungs­ intervallen bestimmt, in denen das Signal/Rausch-Verhältnis hoch ist, beispielsweise in Bodennähe oder durch ein Wolken­ echo. Die Schwankungsbreite Δf kann hier wegen des hohen Si­ gnal/Rausch-Verhältnisses die volle Bandbreite BW annehmen. Die Schätzfrequenz f0 kann bei Satellitenmessungen auch durch eine Wettervorhersage bzw. ein Atmosphärenmodell gege­ ben werden.First, the estimation frequency f 0 is determined in those distance intervals in which the signal-to-noise ratio is high, for example near the ground or through a cloud echo. The fluctuation range Δf can assume the full bandwidth BW because of the high signal-to-noise ratio. In satellite measurements, the estimation frequency f 0 can also be given by a weather forecast or an atmosphere model.

Die Schätzfrequenz f0 wird dann auf Bereiche mit einem ge­ ringeren Signal/Rausch-Verhältnis übertragen, wobei die Schwankungsbreite Δf bei der ersten Berechnung des Höhenpro­ fils zuerst noch relativ groß (z. B. halbe Gesamtbandbreite BW = BW/2) gewählt wird, bei wiederholten Berechnungen aber immer weiter reduziert wird. Die Schätzfrequenz kann nach der Bandbreitenreduzierung durch die Schwankungsbreite Δf nun auf weitere Entfernungsintervalle mit noch geringerem Signal/Rausch-Verhältnis übertragen werden.The estimation frequency f 0 is then transferred to areas with a lower signal-to-noise ratio, the fluctuation range .DELTA.f initially being relatively large in the first calculation of the height profile (e.g. half total bandwidth B W = B W / 2) is reduced, however, with repeated calculations. After the bandwidth has been reduced by means of the fluctuation width Δf, the estimation frequency can now be transferred to further distance intervals with an even lower signal / noise ratio.

Der anfangs große Wert der Schwankungsbreite Δf garantiert, daß der Algorithmus den Änderungen der Atmosphäre (Windscherungen) folgen kann. Die untere Grenze der Schwan­ kungsbreite Δf ist sowohl durch das jeweilige Laserradarsy­ stem (Stabilität der Laserfrequenz fLAS) als auch durch die Eigenschaften der Atmosphäre (Turbulenz) gegeben und sollte daher mindestens doppelt so groß sein wie die spektrale Breite der Laserstrahlung.The initially large value of the fluctuation range Δf guarantees that the algorithm can follow the changes in the atmosphere (wind shear). The lower limit of the fluctuation width Δf is given both by the respective laser radar system (stability of the laser frequency f LAS ) and by the properties of the atmosphere (turbulence) and should therefore be at least twice as large as the spectral width of the laser radiation.

Bei der kohärenten Mittelwertsbildung durch Erweiterung der Vektorsumme auf benachbarte Messungen, d. h. bei mehreren La­ serschüssen, müssen unter Umständen die Laserfrequenz-Schwan­ kungen ϕLAS (in radiant) vor der Bildung der Vektor­ summe durch komplexes Mischen beseitigt werden. Dieser Vor­ gang wird durch eine komplexe Multiplikation des Zeitsignals wesentlich einfacher als bei der herkömmlich eingesetzten Fourieranalyse durch beispielsweise Hilbert-Transformation realisiert.In the case of coherent averaging by expanding the vector sum to neighboring measurements, ie in the case of several laser shots, the laser frequency fluctuations ϕ LAS (in radians) may have to be eliminated by complex mixing before the vector sum is formed. This process is realized much more simply by a complex multiplication of the time signal than in the conventional Fourier analysis, for example by Hilbert transformation.

Zur Erlangung eines korrigierten neuen Zeitsignals xneu wird somit in vorteilhafter Weise eine komplexe Multiplikation des ursprünglichen Zeitsignals x (= xreal, ximag) ausgeführt wird und zwar von der Form
In order to obtain a corrected new time signal x new , complex multiplication of the original time signal x (= x real , x imag ) is thus advantageously carried out, namely by the form

Im folgenden sind die wesentlichen Schritte der Erfindung und deren Weiterbildungen noch einmal zusammengefaßt:
Die exklusive Berücksichtigung nur von solchen Amplitu­ den/Zeit-Abtastwertepaaren bei der Bildung der Vektorsumme der Autokorrelationsfunktion, die innerhalb der Schwankungs­ breite Δf um die Schätzfrequenz f0 gemäß abs(arctan2(x*ixi+1)-f0-fLAS) < Δf liegen, stellt eine exakte Filterung bzw. Bandbreitenbegrenzung dar.The essential steps of the invention and their developments are summarized again below:
The exclusive consideration of only such amplitude / time-sample pairs when forming the vector sum of the autocorrelation function, which within the fluctuation range Δf around the estimation frequency f 0 according to abs (arctan2 (x * i x i + 1 ) -f 0 -f LAS ) <Δf is an exact filtering or bandwidth limitation.

Die Untersuchung auf Absolutbeträge abs beseitigt zusätzlich die +180°/-180°-Unstetigkeitsstelle bei der Argumentenbil­ dung mit Hilfe der arctan2-Funktion.The examination for absolute amounts abs also eliminates the + 180 ° / -180 ° discontinuity in the argument argument using the arctan2 function.

Schwankungen der Laserfrequenz fLAS werden bei der Fallunterscheidung durch Subtraktion, bei der Bildung der Vektorsumme durch komplexe Multiplikation im Zeitbereich be­ rücksichtigt.Fluctuations in the laser frequency f LAS are taken into account in the case differentiation by subtraction, in the formation of the vector sum by complex multiplication in the time domain.

Die Erweiterung der Vektorsumme auf benachbarte Messungen, d. h. bei mehreren Laserschüssen, entspricht der Bildung eines kohärenten Mittelwerts.The extension of the vector sum to neighboring measurements, d. H. with several laser shots, corresponds to the formation of a coherent mean.

Claims (11)

1. Laser-Pulsradarverfahren zur Bestimmung von Entfernung und radialer Geschwindigkeit von Zielen mit empfangsseitiger Doppler-Auswertung jeweils in Entfernungsintervallen unter Verwendung einer frequenzanalysierenden Einrichtung, welche pro Entfernungsintervall aus einigen als abgetastete Ampli­ tuden/Zeit-Wertpaare vorliegenden Laserradar-Dopplersignalen mittels des Impulspaar-Autokovarianzalgorithmus eine mitt­ lere Dopplerfrequenz f herleitet, die durch die Richtung der Vektorsumme von mehreren konjugiert komplexen Multiplikatio­ nen von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten in der komplexen Zahlenebene gebildet wird, wobei die Rich­ tungsbestimmung durch Argumentenbildung mittels arctan2-Funk­ tion erfolgt, welche definitionsgemäß beim Übergang von π auf -π eine Sprungstelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Summenbildung der Autokorrelationsfunktion auf einen bestimmbaren Winkelbereich, d. h. Sektor der komplexen Zahlenebene, eingeschränkt wird, daß dieser durch eine Schätzfrequenz f0 und eine Schwankungsbreite Δf gegebene Winkelbereich vor einer Fallunterscheidung, d. h. Einschrän­ kung, in die 0°-Richtung verschoben wird, daß die Einschrän­ kung, d. h. die Unterscheidung dahingehend, ob der einzelne Vektor im vorgegebenen Bereich liegt oder nicht, über den Absolutbetrag der Richtung stattfindet, und daß die Summen­ bildung ausschließlich über solche Vektoren vorgenommen wird, die im eingeschränkten Bereich liegen.1. Laser pulse radar method for determining the distance and radial speed of targets with reception-side Doppler evaluation in each case at distance intervals using a frequency analyzing device, which per distance interval from a few sampled amplitude / time value pairs present laser radar Doppler signals by means of the pulse pair autocovariance algorithm derives a mean Doppler frequency f, which is formed by the direction of the vector sum of several conjugate complex multiplications of two consecutive samples in the complex number plane, the direction being determined by arguments using arctan2 function, which by definition takes place at the transition from π has a jump point to -π, characterized in that the sum formation of the autocorrelation function is restricted to a definable angular range, ie sector of the complex number plane, that this is determined by a Sc Etching frequency f 0 and a fluctuation range Δf given angular range before a case distinction, ie restriction, is shifted in the 0 ° direction, that the restriction, ie the distinction as to whether the individual vector lies in the specified range or not, is based on the absolute amount the direction takes place, and that the sum formation is carried out exclusively over those vectors that are in the restricted range. 2. Laser-Pulsradarverfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß von mehreren Einzelsignalen oder von län­ geren Intervallen innerhalb eines einzelnen Signals über eine weitere Summenbildung der Vektoren eine Mittelwertbil­ dung vorgenommen wird, die einer kohärenten Mittelwertbil­ dung entspricht.2. Laser pulse radar method according to claim 1, characterized ge indicates that of several individual signals or of län  intervals within a single signal a further summation of the vectors averages a coherent mean value calculation dung corresponds. 3. Laser-Pulsradarverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzfrequenz f0 in denjenigen Ent­ fernungsintervallen bestimmt wird, in welchen das Si­ gnal/Rausch-Verhältnis hoch ist, wobei die Schwankungsbreite Δf wegen des hohen Signal/Rausch-Verhältnisses die volle Ge­ samtbandbreite annehmen kann.3. Laser pulse radar method according to claim 1 or 2, characterized in that the estimation frequency f 0 is determined in those distance intervals in which the signal-to-noise ratio is high, the fluctuation range Δf due to the high signal-to-noise ratio can assume the full total bandwidth. 4. Laser-Pulsradarverfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schätzfrequenz f0 auf Bereiche mit ge­ ringerem Signal/Rausch-Verhältnis übernommen wird, wobei die Schwankungsbreite Δf zunächst bei der ersten Berechnung noch relativ groß, z. B. in der Größenordnung der halben Gesamt­ bandbreite, gewählt wird, bei wiederholten Berechnungen aber immer weiter reduziert wird.4. Laser pulse radar method according to claim 3, characterized in that the estimation frequency f 0 is taken over to areas with a lower signal-to-noise ratio, the fluctuation range .DELTA.f initially relatively large in the first calculation, z. B. in the order of half the total bandwidth, is selected, but is repeatedly reduced in repeated calculations. 5. Laser-Pulsradarverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schätzfrequenz f0 nach der Bandbrei­ tenverminderung durch die Schwankungsbreite Δf auf weitere Entfernungsintervalle mit noch geringerem Signal/Rausch-Ver­ hältnis übertragen wird.5. Laser pulse radar method according to claim 3 or 4, characterized in that the estimation frequency f 0 after the Bandbrei ten diminution is transmitted by the fluctuation width Δf to further distance intervals with an even lower signal / noise ratio. 6. Laser-Pulsradarverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Grenze der Schwankungsbreite mindestens doppelt so groß ist wie die spektrale Breite der Laserstrahlung.6. Laser pulse radar method according to one of the preceding Claims, characterized in that the lower limit of the Fluctuation range is at least twice as large as that spectral width of the laser radiation. 7. Laser-Pulsradarverfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei der kohärenten Mittelwertbildung durch Erweiterung der Vektorsumme auf benachbarte Messungen, d. h. bei mehreren Laserschüssen, die gegebenenfalls auftretenden Schwankungen der Laserfrequenz (ϕLAS in radiant) vor der Bil­ dung der Vektorsumme durch komplexes Mischen beseitigt wer­ den.7. Laser pulse radar method according to claim 2, characterized in that in the coherent averaging by expanding the vector sum to adjacent measurements, ie with several laser shots, the fluctuations in the laser frequency (ϕ LAS in radiant) that may occur before the formation of the vector sum complex mixing eliminated. 8. Laser-Pulsradarverfahren nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Erlangung eines korrigierten neuen Zeitsignals xneu eine komplexe Multiplikation des ursprüng­ lichen Zeitsignals x (= xreal, ximag) ausgeführt wird und zwar von der Form
8. Laser pulse radar method according to claim 7, characterized in that in order to obtain a corrected new time signal x new complex multiplication of the original time signal x (= x real , x imag ) is carried out by the shape
9. Laser-Pulsradarverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schwankungen der La­ serfrequenz bei der Fallunterscheidung durch eine Subtrak­ tion berücksichtigt werden.9. Laser pulse radar method according to one of the preceding Claims, characterized in that fluctuations in La frequency when differentiating the case using a subtrak tion are taken into account. 10. Laser-Pulsradarverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Messung des Abstandes und der Bewegung von Streuzielen.10. Laser pulse radar method according to one of the preceding Claims, characterized by the use for measurement the distance and movement of scattering targets. 11. Laser-Pulsradarverfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zu messenden Streuziele kleine Staub­ partikel in der Atmosphäre sind.11. Laser pulse radar method according to claim 10, characterized ge indicates that the scattering targets to be measured are small dust there are particles in the atmosphere.
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