DE2025937A1 - Kohärenz Impuls Doppler-Radar - Google Patents
Kohärenz Impuls Doppler-RadarInfo
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Description
Dipl. -Phys. Leo Thul
Patentanwalt
7 Stuttgart 30
Kurze Straße 8
Patentanwalt
7 Stuttgart 30
Kurze Straße 8
H. J. Böse - 15
INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK
Kohärenz-Impuls-Doppler- Radar
Die Erfindung betrifft ein Kohärenz-Impuls-Doppler-Radar mit einem
PhasendiskpLminator, dessen Ausgangssignale abgetastet, codiert
und in einem Speicher festgehalten werden, der die während m aufeinanderfolgenden
Wiederholungsperioden erhaltenen N-stelligen Binärinformationen in m Zeilen aufnimmt und bei dem in jeder Wiederholungsperiode
die m-stellige Binärinformation einer Spalte gelesen und zur Dekodierung einer Doppler-Filtereinheit mit nachfolgenden
Empfängern und Schwellwertschaltungen zugeführt wird.
Ein derartiges Kohärenz-Impuls-Doppler-Radar soll so ausgebildet
werden, daß große Störechos festgestellt und eliminiert werden können.
22. 5. 1970 - 2 -
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Störechos sind bei einem Radarsystem große Bereiche, in denen eine hohe Dichte von Echos festgestellt wird. Diese Echos werden
von großen Zielen als unerwünschte Echos zurückgesandt. Echos von Festzielen können durch die Verwendung eines Kohärenz-Impuls Doppler-Radars
mit einem Unterdrückungsstromkreis für Echos von. Festzielen eliminiert werden. Ein derartiges Radarsystem kann
jedoch Echos von pseudo-festen Zielen, wie die Seebewegungen oder die vom Wind bewegten Bäumen eines Waldes,, nicht eliminieren.
Auch die von Wolken und atmosphärischen Niederschlägen erzeugten " Echos können nicht unterdrückt werden. Diese unerwünschten Echos
haben im allgemeinen eine große Amplitude, so daß sie die Feststellung
von Echos von bewegten Zielen, die diesen Echos überlagert sind, sehr schwer zulassen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kohärenz-Impuls-Doppler-Radar
so auszugestalten, daß unerwünschte Echos festgestellt und eliminiert
werden können, während Echos von bewegten Zielen mit einer davon abweichenden radialen Geschwindigkeit eindeutig empfangen werden
können. Das Kohärenz-Impuls-Doppler-Radar mit einem Phasendiskriminator,
dessen Ausgangssignale abgetastet, codiert und in einem
w Speicher festgehalten werden, der die während m aufeinanderfolgenden
Wiederholungsperioden erhaltenen N-stelligen Binärinformationen in
m Zeilen aufnimmt und bei dem in jeder Wiederholungsperiode die m-stellige Binärinformation einer Spalte gelesen und zur Dekodierung
einer Doppler-Filtereinheit mit nachfolgenden Empfängern und Schwellwertschaltungen
zugeführt wird, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Doppler-Frequenzen zugeordneten
Empfänger und Schwellwertschaltungen zu Gruppen zusammengefaßt sind, daß jeder Gruppe ein Schieberegister mit N-Stufen zugeordnet
ist, dessen Eingangs-Flip-Flop-Schaltung von den Empfängern der
3 -
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H. J. Bosc - 15 -3-
betreffenden Gruppe eingestellt wird und das in jeder WiederholtHigsperiode
um eine Stufe weitergeschaltet wird,, und! daß aus dem. Schaltzustand
einer Anzahl von Stuf en des Schieberegisters die Freigabe oder Sperrung der anstehenden Aazeigesignale für das Radargerät
ableitbar ist.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Blockschaltbild ein Kohärenz-Impuls-Doppler-Radar,
Fig. 2 einen Ausscheidungsstromkreis für ein
Kohärenz-Impuls-Doppler-Radar mit einem
Speicher, in dem die in mehreren Wiederholungsperioden empfangenen Signale gespeichert werden,
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Ausscheidungsstromkreises nach Fig, 2 und
Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel für einen Ausscheidungsstromkreis.
Bevor die Zeichnungen näher erläutert werden, soll kurz das Prinzip
der Feststellung von bewegten Zielen bei der Anwesenheit von Festzielen mit Hilfe des Doppler-Radars beschrieben werden. In einem elektromagnetischen
Empfangs system, das mit Impulsen arbeitet, werden die Phasenänderungen zwischen der ausgesandten und empfangenen Welle
von Periode zu Periode verwendet, die durch die Reflexion an bewegten Zielen verursacht werden. Bei jeder Periode wird die Phase
der ausgesandten Welle gespeichert und mit der Phase der empfangenen Welle verglichen. Diese Phasenverschiebung ist von Periode zu Periode
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ORIGINAL INSPBCTBü
H. J. Bosc -15 - 4 - 7p?rqo
konstant, wenn die empfangene Welle an einem Festziel reflektiert worden ist. Sie ändert sich linear mit der Zeit, wenn die empfangene
Welle an einem bewegten Ziel reflektiert worden ist, das sich mit
einer konstanten Radialgeschwindigkeit bewegt, die nicht gleich Null ist, auf die Antenne bezogen ist. Wenn einem Fhasendiskriminator
das Bezugssignal, das bei jeder Periode die Phase der ausgesandten Welle speichert, und das nach der Reflexion an einem Festziel oder
einem bewegten Ziel empfangene Signal zugeführt wird, dann erhält man bei Signalen, die an Festzielen reflektiert wurden, Impulse mit
konstanter Amplitude. Bei Signalen, die an bewegten Zielen reflektiert wurden, ändert sich die Amplitude sinusförmig mit einer Frequenz f,
2 ν
Doppler-Frequenz genannt, die sich aus der Gleichung f = —-z— ergibt,
wobei ν die Radialgeschwindigkeit und d die Wellenlänge des Radarsystems angeben.
Fig. 1 zeigt im Blockschaltbild ein Kohärenz-Impuls-Doppler-Radar,
das eine Antenne 10 zum Senden und für den Empfang enthält. Der Sender 2 erzeugt Hochfrequenzimpulse, die der Sende-Empfangs-Antenne
10 über einen Hochfrequenzschalter 1 zugeführt werden, der auch als Duplexer bekannt geworden ist. Die auf die ausgesandten
Impulse empfangenen Signale werden über den Schalter 1 einer Misdistufe
3 zugeführt, die die Ausgangs signale des örtlichen Oszillators 4 empfängt. Die Ausgangssignale dieser Mischstufe 3 werden dem Zwischenfrequenzverstärker
6 zugeführt.
Die Aus gangs signale des Oszillators 4 werden außerdem einer zweiten
Mischstufe 5 zugeführt, die während der Aussendung der Radarimpulse die Hochfrequenzsignale des Senders 2 empfängt. Die Zwischenfrequenzimpulse
der Mischstufe 5 werden zu Beginn jeder Radarperiode zur Einschaltung des Oszillators 8 verwendet. Dieser Oszillator gibt dann
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inspected
H. J. Bosc - 15 - 5 - ;
ein Zwischenfrequenzsignal ab, dessen Phase eine feste und vorgegebene
Beziehung zur Phase des ausgesandten Impulses hat. Dieser Oszillator wird bei jeder Wiederholungsperiode eingeschaltet und
vor dem Beginn der folgenden Wiederholungsperiode abgeschaltet. Dieser Oszillator wird auch Kohärenzoszillator genannt. Das Ausgangssignal
dieses Kohärenzoszillators 8 wird dem Phasendiskriminator zugeführt, der auch die Zwisehenfrequenzsignale des Verstärkers 6
empfängt. Die Ausgangssignale des Phasendiskriminators 7 werden einem Auswerkstromkreis 9 zugeführt.
Fig. 2 gibt ein vereinfachtes Diagramm eines derartigen Auswertestromkreises
an, der die Ausgangs signale des Phasendiskriminators empfängt. Die vom Phasendiskriminator 7 abgegebenen Signale werden
durch einen Stromkreis 13 mit einer Frequenz — abgetastet. Jeder Abfragewert entspricht einem Entfernungsmaß, das in vorgegebenem
Abstand zum Radar gelegen ist. Die Dauer r entspricht der Dauer der ausgesandten Impulse, die die Genauigkeit und die Entfernungsauflösung des Radars bestimmt. Dieser Abtaststromkreis erhält von
dem Taktgeber H Signale mit einer Frequenz von — . Die aufeinanderfolgenden
Abtastwerte des Stromkreises 13 werden in einem Kodier er in Codezeichen umgewandelt. Dieser Kodierer 14 liefert für jeden Abtastwert
ein Binärwort mit η Stellen, das die Amplitude des Abtastwertes kennzeichnet. Die verschiedenen Signale für den Betrieb des
Kodierers 14 werden auch vom Taktgeber H geliefert. Ihre Frequenz ist so gewählt, daß die Kodierung in einer Zeit ausgeführt ist, die
kleiner ist als die Dauer r.
Die N Binärworte, die den in einer Wiederholungsperiode mit der
Dauer T empfangenen Signalen entsprechen, werden in einer Zeile des Speichers M eingetragen. Dieser Speicher M kann die binären
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H. J. Bosc - 15 - 6 -
202-937
Signale von m aufeinanderfolgenden Wiederholungsperioden aufnehmen.
Er enthält daher η Ebenen mit je m Zeilen und N Spalten. Dieser Speicher M wird spaltenweise gelesen und zwar in jeder Wiederholungsperiode
eine Spalte. Die Binärworte einer Spalte geben den Verlauf eines Entfernungsmaßes in m aufeinanderfolgenden Wiederholungsperioden
an. Um den Schreib- und Lesevorgang in dieser Weise durchführen zu können, enthält der Speicher M z. B. gleichviele Zeilen und
Spalten. Die Binärworte einer Spalte werden dekodiert und in einem Stromkreis 15 bewertet. Das vom Stromkreis 15 abgegebene analoge
fe Signal wird einer Filtereinheit 16 zugeführt, die den Bereich der festzustellenden
Doppler-Frequenzen umfaßt.
Die Binärworte einer Spalte werden in einer Zeit m. T gespeichert,
wobei T die Dauer der Radar-Wiederholungsperiode ist. Das Auslesen
erfolgt in einer Zeit L, die aenriVfaximum T entspricht. Dies führt zu
einer Zeitkompression, die" einer Frequenzmultiplikation im Verhält-
in . T
nis —*j = k entspricht. Wenn der Bereich der Doppler-Frequenzen
nis —*j = k entspricht. Wenn der Bereich der Doppler-Frequenzen
Ij -■'''.
z. B. zwischen einem unteren Wert Fi und einem oberen Wert
Fl
τ: "-' liegt, dann ergibt sich eine gesamte Bandbreite der Filter-
* 2.. 1 F
einheit 16 von k . Fi bis k . — .
, Jedem Filter Fl bis Fq der Filter einheit 16 ist ein Empfänger D mit
Schwellwertschaltung zugeordnet. Die Empfänger Dl bis Dq bilden eine
Einheit 17. Die Anwesenheit eines Signales auf einer Ausgangsleitung der Empfänger bedeutet, daß ein Echo von einem bewegten Ziel in dem
Entfernungsbereich vorliegt, der der gelesenen Spalte entspricht. Die
Doppler-Frequenz des Echos ist durch die Mittenfrequenz des Filters
•gegeben, das das Signal abgibt. Die Lage des Echos ist durch die ,
Ordnungszahl der gelesenen Spalte gegeben, ; ; .-·..._ / ,
Wenn Echos von bewegten Zielen auf dem Radarschirm angezeigt werden,
98 8"57ZI 438
ORIGINAL IHSPECTEP
H. J. Bosc -15 ■ _ 7 - ■ 20? 5 337
wird normalerweise keine Unterscheidung in der Geschwindigkeit
gemacht. Das dem Radarschirm zugeführte Signal ist die Summe der Signale, die von der Empfängereinheit 17 abgegeben werden.
Nach der Erfindung ist nun ein Schieberegister 18 vorgesehen, das
Flip-Flop-Stufen an den Ausgängen enthält» Ein Stromkreis 19 nimmt die Zustandssignale dieser Flip-Flop-Stufen auf. An den Ausgangsleitungen der Empfänger, die mit den Filtern für niedrige
Frequenzen der Einheit 16 verbunden sind, sind elektronische Torschaltungen P angesc haltet. Es sind z. B. den drei Filtern Fl, F2
und F 3 derartige Tor schaltungen P zugeordnet.
Das Schieberegister 18 enthält so viele Stufen oder Flip-Flop-Schaltungen
wie Entfernungsschritte zu prüfen sind, z. B. N. Der Schaltzustand der Flip-Flop-Schaltungen des Schieberegisters wird durch das Signal auf
der Leitung C bestimmt, die mit den Ausgangsleitungen der Empfänger
Dl bis Dq verb unden ist. Ein Signal oder kein Signal auf der Leitng C
bedeutet die Anwesenheit oder die Abwesenheit eines Echos von einem bewegten Ziel. Die Flip-Flop-Schaltung wird in den Schaltzustand
"1" oder 11O" eingestellt. Bei jeder Wiederholungsperiode, z. B. beim
Aussenden eines Impulses, werden die in den verschiedenen Flip-Flop-—Stufen
gespeicherten Werte um eine Stufe weiter verschoben. Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Stromkreises wird vorausgesetzt,
daß die N Spalten des Speichers M in der Zeit vollständig gelesen werden,
in der der Antennenstrahl die Winkelzone A nach Fig. 3 überstreicht.
Es wird weiter angenommen, daß zwischen den Entfernungsbereichen p-2 bis p+2 ein Echo eines pseudofesten Zieles in dem Winkelbereich A
auftritt. Im Lesezyklus der Winkelzone A tritt in den Entfernungsbereichen 1 bis p-3 und p+3 bis N kein· Echo auf. Nur die Entfernungsbereiche p-2 bis p+2 enthalten Echos. Im folgenden Lesezyklus, der
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OftiGINAL INSPECTED
H. J. Bosc - 15 - 8 -
der Winkelzone B entspricht, verändern sich die Echoverhältnisse.
Die Entfernungsbereiche 1 bis p-3 enthalten keine Echos, während in
den Entfernungsbereichen p-2 bis p+3 Echos auftreten.
Nach dem Lesen der p-ten Zeile im zweiten Lesezyklus ergibt sich
der in Fig. 2 dargestellte Schaltzustand des Registers 18. Die Stellen der Entfernungsbereiche, die ihre Werte in den Flip-Flop-Stufen eingetragen
haben, sind angeschrieben. Die in Klammern geschriebenen Werte sind dem vorgeordneten Lesezyklus und die anderen Werte dem
ablaufenden Lesezyklus zugeordnet.
Daraus ist zu ersehen, daß das Eindringen des Strahles in die Zone des
Echos eines pseudofesten Zieles das Auftreten des Zeichens "l" im
entferntesten Flip-Flop des Schieberegisters bewirkt. Um dieses Echo festzustellen, genügt es, eine bestimmte Anzahl von Zeichen "l" an
den Enden des Schieberegisters festzustellen. Diese Zeichen "l"
können durch Zeichen "θ" voneinander getrennt sein und ungleich über
die Enden des Schieberegisters verteilt sein. Diese Auswertung übernimmt der Stromkreis 19, dem die Zustandssignale der fünf Flip-Flop-Stufen
an den Enden des Schieberegisters 18 zugeführt werden. Dieser Stromkreis führt eine analoge Addition der Signale vom Register aus-Über
eine Vergleichsschaltung wird das Summensignal mit einem Schwellwert verglichen. Der Wert der Schwellwertschaltung hängt
vom minimalen Radialbereich der Zone ab, aus der die Anwesenheit eines größeren Störechos abgeleitet werden kann.
Auf Grund der Pegelschwankungen der von einem pseudofesten Echo empfangenen Signale kann angenommen werden, daß im Schieberegister
18 gleichviele Ziffern "l" und "p" festgehalten sind. Wenn der
minimale Radialbereich des festzulegenden Echos sechs Entfernungsbereiche umfaßt, dann müssen an den beiden Enden des Schieberegisters
00988 5/~U 3 8
H. J. Bosc - 15 - 9 -
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sechs Flip-Flop-Stufen berücksichtigt werden. Das sind dann insgesamt"
s * 12 Flip-Flop-Stufen. Der Schwellwert liegt dann bei drei Einheiten.
Ein Stromkreis 19 kann, wie in Fig. 2 gezeigt ist, auch zwei Vergleichsschaltungen enthalten. Wenn die Anzahl der Zeichen "l" gleich oder
größer als drei ist, dann gibt der Stromkreis 19 ein Signal ab, das die
Torschaltung Pl sperrt. Alle Echos mit der diesem Filter Fl zugeordneten Frequenz werden eliminiert. Dies sind besonders Echos von
pseudofesten Zielen, deren Doppler-Frequenz sehr klein ist.
Wenn die Anzahl der Zeichen "l" gleich oder größer als sechs ist, dann
gibt der Stromkreis 19 zwei Signale ab, die die Torschaltungen Pl, P2 und P3 sperren. Diese Schwellen können bei der Bedienung des Radars
beliebig verändert werden.
Die dem Radarschirm zugeführten Signale treten auf den Ausgangsleitungen
der Empfänger D4 bis Dq und auf den Ausgangsleitungen der Torschaltungen Pl, P2 und P3 auf. Diese Leitungen zur Radaranzeige
sind mit I bezeichnet.
Es wurde gezeigt, daß ein Echo eines pseudofesten Zieles eliminiert
werden kann, vorausgesetzt, daß dessen Doppler-Frequenz im Frequenzbereich der Filter Fl, F2 und F3 liegt. Dies ist normalerweise der
Fall. Ähnlich verhält es sich mit Echos von langsam bewegten Zielen
(Wolken und/oder atmosphärischer Niederschlag), deren Doppler-Frequenz im Frequenzbereich der abgeschalteten Filter liegt. Es ist
klar, daß auch Echos von bewegten Zielen dieser Zone eliminiert werden, wenn ihre Radialgeschwindigkeit eine Doppler-Frequenz ergibt,
die im Frequenzbereich der abgeschalteten Filter liegt. Es werden also nur Echos festgestellt, die eine Doppler-Frequenz verur-
- 10 009885/U38
H. J. Bosc - 15 - 10 -
Sachen, die über der oberen Grenzfrequenz der abgeschalteten Filter
liegt.
Wenn die Wolken und/oder die atmosphärischen Niederschläge hohe
Radialgeschwindigkeit aufweisen, dann können sie mit einem Stromkreis nach Fig. 2 nicht eliminiert werden. Mit einem Stromkreis nach
Fig. 4 können diese Echos unterdrückt werden. Die Stromkreise 15, 16 und 17 der Fig. 4 entsprechen den gleichbezeichneten Stromkreisen
der Fig. 2. Nach der Erfindung werden Gruppen Gl bis Gu von Empfängern mit Schwellwertschaltungen gebildet. Jeder Gruppe wird
ψ ein Stromkreis W zum Empfang und zur Ausscheidung von dichten
Zonen zugeordnet, der die Stromkreise 18 und 19 der Fig. 2 mit einer
elektronischen Torschaltung P umfaßt, die den Ausgang einer Gruppe
bildet. In Fig. 4 sind die den Gruppen Gl und Gu zugeordneten Stromkreise gezeigt.
Die Wirkungsweise des Stromkreises nach Fig. 4 entspricht der des Stromkreises nach Fig. 2. Die unerwünschten Echos mit großem Ausmaß
können unabhängig von ihrer radialen Geschwindigkeit eliminiert werden, während die anderen Echos von bewegten Zielen mit davon abweichenden
Geschwindigkeiten empfangen werden,,
Um den Informationsverlust des Systems auf einem Minimum zu halten,
sollten soviele Gruppen gebildet werden, wie Empfänger und.Schwellwertschaltungen
D vorgesehen sind. Eine derartige Anordnung wäre jedoch sehr aufwendig. Die Anzahl der Empfänger und Schwellwertschaltungen
pro Gruppe hängt daher von dem zu\*©ri.ässigen Informationsverlust
ab. Man kann außerdem die Wahrscheinlichkeit mit in Betracht ' ziehen, ein unerwünschtes Echo großen Ausmaßes mit der entsprechenden
radialen Geschwindigkeit zu haben* So ist es z. B. wahrscheinlicher,
langsam bewegte Wolken vorzufinden. Es ist daher interessanter, kleine Gruppen für niedrige Doppler-Frequenzen und größere Gruppen
009885/1438
- li -
H. J. Bosc - 15 - 11 -
für höhere Doppler-Frequenzen zu bilden. Mit dieser Lösung kann die gleiche Wahrscheinlichkeit des Informationsverlustes in allen Bereichen
der Doppler-Frequenzen erreicht werden.
Es kann auch die Hauptspektrallinie der Wolken und der atmosphärischen
Niederschläge berücksichtigt werden, wenn für eine Anzahl von Stromkreisen, die diesen Spektralbereich umfassen entsprechende Gruppen
gebildet werden.
Bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele nach Fig. 2 und 4 wurde
angenommen, daß sich der Bereich der Doppler-Frequenzen von Fi bis
—— erstreckt. Es ist jedoch möglich, über eines oder mehrere Filter
auch den Bereich von 0 bis Fi abzudecken. Diesem zusätzlichen Filter
oder dieser Gruppe von zusätzlichen Filtern kann ein Empfangs- und Ausscheidungsstromkreis zugeordnet werden, so daß nur Echos von
Festzielen mit großem Ausmaß eliminiert werden, während Echos von anderen Festzielen oder langsam bewegten Zielen erfaßt werden.
Dabei handelt es sich insbesondere um Echos von bewegten Zielen, deren radiale Geschwindigkeit im Moment Null ist.
5 Patentansprüche
2 Bl. Zeichnungen, 4 Fig.
09 8-8SZ-I 4 3
Claims (5)
- H. J. Bosc - 15 - 12 -Patentansprüche( 1. Kohärenz- Impuls -Doppler- Radar mit einem Phasendiskriminator, dessen Aus gangs signale abgetastet, codiert und in einem Speicher festgehalten werden, der die während m aufeinanderfolgendenfc Wiederholungsperioden erhaltenen N-stelligen Binärinformationen inm Zeilen aufnimmt und bei dem in jeder Wiederholungsperiode die m-stellige Binärinformation einer Spalte gelesen und zur Dekodierung einer Doppler-Filtereinheit mit nachfolgenden Empfängern und Schwellwertschaltungen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Doppler-Frequenzen zugeordneten Empfänger und Schwellwertschaltungen zu Gruppen zusammengefaßt sind, daß jeder Gruppe ein Schieberegister mit N-Stufen zugeordnet ist, dessen Eingangs-Flip-Flop-Schaltung von den Empfängern der betreffenden Gruppe eingestellt wird und das in jeder Wiederholungsperiode um eine Stufe weitergeschaltet wird, und daß aus dem Schaltzustand einer Anzahl von Stufen des Schieberegisters die Freigabe oder Sperrung der anstehenden Anzeigesignale für das Radargerät ableitbar ist.
- 2. Kohärenz-Impuls-Doppler-Radar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte Anzahl von Stufen an den beiden Enden des Schieberegisters auf eine Schwellwertschaltung einwirken, die in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Anzahl von Hl"-Signalen der überwachten Schieberegisterstufen bestimmte Ausgänge der Empfängereinheit der Gruppe auf die Radaranzeigevorrichtung durchschalten.- 13 009885/1438H. J. Bosc - 15 - 13- -
- 3. Kohärenz-Impuls-Doppler-Radar nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung mehrere Schwellwerte aufweist und davon abhängig unterschiedliche Empfängeraus gangs leitungen zu der Radaranzeigevorrichtung durchschaltet.
- 4. Kohärenz-Impuls-Doppler-Radar nach Anspruch 2 und 3S dadurch gekennz eichnet, daß die Durchschaltung der Empfänger aus gangsleitungen über elektronische Torschaltungen erfolgt.
- 5. Kohärenz-Impuls-Doppler-Radar nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltungen vorwiegend den Empfängern für niedrige Doppler-Frequenzen zugeordnet sind.009885/U38
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