DE2056926A1

DE2056926A1 - Impulsradar Entfernungsmeßanordnung

Info

Publication number: DE2056926A1
Application number: DE19702056926
Authority: DE
Inventors: Robert Clarke John Lawton Malvern Worcestershire Allard (Großbritannien) GOIs
Original assignee: MINI OF AVIAT SUPPLY IN HER BR
Current assignee: MINI OF AVIAT SUPPLY IN HER BR
Priority date: 1969-11-19
Filing date: 1970-11-19
Publication date: 1971-06-03
Also published as: FR2073385A1; US3721981A; GB1290915A

Description

Patentanwälte DFpL-In g. R. BEETZ sen. Dlpl-Ing. K. LAMPRECHT

Dr.-Ing, R. Q E £2 T Z Jr.
8 München 22, Steinsdorfetr. 10 29J5-16. J54OP 19. 11.1970

Minister of Aviation Supply in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, LONDON (GroJSbrit.)

Impulsradar-Entfernungsmeßanordnung

Die Erfindung betrifft eine Impulsradar-Entfernungsmeßanordnung.

Während der letzten 15 Jahre sind verschiedene automatische Impuls-Entfernungsmeßanordnungen entwickelt worden, bei denen die Radarentfernung automatisch in binärer digitaler Form angegeben wird. Gewöhnlich wird ein Zähler in Betrieb gesetzt, indem sein Eingang durch einen Präzisionsoszillator im Zeitpunkt des Sendestartimpulses angesteuert wird, wobei die beiden Quellen nicht synchronisiert sind. Der Zählerstand wird in einen Satz von Speichern durch die Radarechosignale ausgewertet. Die gespeicherten Zählerstände stellen dann Meßwerte der Radarentfernungen dar, wobei der Zähler auf maximale Entfernung zurückgesetzt wird, um den nächsten Radarstartimpuls zu erwarten. Die resultierenden Entfernungen werden in eine Datenverarbeitungsanlage eingespeist.

Auf diese Weise gemessene Entfernungen haben eine digitale Genauigkeit von t -j Entfernungsinkrement dea Oszillators. Zur Erhöhung der Genauigkeit hat man versucht, den Oszillator mit dem Sendestartimpuls zu koppeln, und zwar entweder durch Einschalten des Oszillators

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mit diesem Impuls oder durch Erzeugen des Startimpulses mittels Frequenzteilung aus dem kontinuierlich in Betrieb befindlichen Oszillator, um eine digitale Genauigkeit von - 0,5 Entfernungsinkrement zu erzielen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Impulsradar-Entfernungsmeßanordnung anzugeben, die bis auf wesentlich weniger als ein Entfernung sinkre ment des Oszillators digital genau ist.

Die Erfindung ist besonders für einen Eihsatzfall vorgesehen, bei dem die Radarentfernung eines einzelnen, zusammenarbeitenden Ziels in einen Elektronenrechner eingegeben wird. In einem solchen Fall wäre eine Radaranordnung wünschenswert, die Abtastmeßwerte zur Mittelung durch den Elektronenrechner erzeugt. Offensichtlich wäre es dabei vorteilhaft, die Mittelung durch die Radaranordnung vornehmen zu lassen, um den Elektronenrechner zu entlasten. Abgesehen davon besteht jedoch noch das Problem der Bandbreite des Nachrichtenkanals zwischen der Radaranordnung und dem Elektronenrechner. Es sei z«B. angenommen, daß der Elektronenrechner vier 17-Bit-Meßwerte der Radarentfernung/sec abruft. Wenn die Entfernung genau ist, beträgt die erforderliche Bandbreite des Kanals 68 Bit/sec. Wenn jedoch die Entfernungsgenauigkeit um das 16-fache durch Mittelung im Elektronen-

fer in den Elektronenrechner eingegebenen Abtastwerte um das 16 -fache auf 17408 Bit/sec erhöht werden.

Eine Impulsradar-Entfernungsmeßanordnung mit einem Generator zur Erzeugung einer Folge von äquidistantenImpulsen, mit einem Generator zur Erzeugung eines Satzes von ersten Impulsen, die jeweils zeitlich so relativ zu einem Radarsendeimpuls gesteuert sind, daß ein festes Intervall zwischen ihnen und dem Radarsendeimpuls vorhanden ist, und deren zeitliche Lage statistisch unregelmäßig relativ zu der Impulsfolge ist, mit einem Generator zur Erzeugung eines Satzes von zweiten Impulsen, die jeweils gleichzeitig mit einem Radarempfangsimpuls auftreten, so daß definiert werden eine Zwischenimpv"!. ?.; <?r! ede

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erster Art als diejenige Periode, die mit einem ersten Impuls beginnt und mit dem nächstauftretenden zweiten Impuls endet, und eine Zwischenimpulsperiode zweiter Art als diejenige Periode, die mit einem zweiten Impuls "beginnt und mit dem nächst auftretenden ersten Impuls endet, und mit einer Zähleinrichtung, ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die ermöglicht, daß die Impulsfolge in die Zähleinrichtung während der Dauer mehrerer Zwischenimpulsperioden derselben oder verschiedener Art eingespeist werden, und durch eine Einrichtung zur Gewinnung aus der Zähleinrichtung des in dieser registrierten Zählerstands, dividiert durch die Zahl der Zwischenimpulsperioden, während deren Dauer die Impulsfolge in die Zähleinrichtung eingespeist wurde.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Ss zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Impulsradar-Entfernungsmeßanordnung} und

Fig. 2 verschiedene Impulsformen und andere Diagramme zur Erläuterung des Betriebs der Impulsradar-Entfernungsmeßanordnung von Fig.

Gemäß Fig« 1 speist ein Oszillator 1 einen Zähler 3 über ein UiiD-Glied 5· Eine bistabile dchaltung 71 die gesetzt wird über einen Eingang 9> der jedesmal erregt wird, wenn ein Radarimpuls gesendet wird, und die rückgesetzt wird durch einen Eingang 11, der jedesmal erregt wird, wenn ein Radarimpuls empfangen wird, steuert im gesetzten Zustand das UND-Glied 5 auf. Der die höchstwertigen Stellen des Ausgangssignals des Zählers 5 aufweisende Teil wird über Aus-

gabekanäle 15 gelesen, während der Zähler 3 über einen Eingabekanal gelöscht wird.

Eine große Anzahl m von Entfernungsabtastwerten, wobei m- eine ganzzahlige Potenz von 2 ist, wird während einer Periode gesammelt, ' "

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während der die Zielbewegung unbedeutend ist. Der aus dem Zähler 3 ausgelesene feil des Ausgangssignals stellt dar die Gesamtsumme aller Entfernungen, dividiert durch m,so daß dieser Teil eine mittlere Entfernung für die Meßperiode gibt, wobei die erreichte Genauigkeit besser als bei nur einer einzigen digitalen Entfernungs-* messung ist.

Der empfangene Radarimpuls stammt vorzugsweise von einem Radarantwortsender, anstatt ein Radarechoimpuls zu sein, um den Empfang von Störimpulsen zu vermeiden, die die bistabile Schaltung 7 rücksetzen.

Im folgenden soll ein Zahlenbeispiel angegeben werden, um die Erfindung besser verstehen zu können.

Übliche integrierte Schaltungen können zuverlässig bei 37>5 MHz zählen, so daß der Entfemungsoszillator 1 eine Frequenz von 37*5 haben soll. Das ergibt eine grundsätzliche digitale Auflösung R pro Abtastwert von 4 m· Wenn die gemittelte digitale Auflösung 0,25 m sein soll, ist die Zahl m der auszuwertenden Abtastwerte gegeben durchs

d.h. m - 256 - 2⁸.

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•fm 4

Es sei 3etzt angenommen, daß die zu messende maximale Entfernung etwas kürzer als 2048 m ist. (Eine derartige Entfernung kann in einem mehrstufigen Binärzähler mit einer höchstwertigen Stufe gemessen werden, die 1024 m registriert^ Für ^R ■= 4 ^m hat ein Entfernungsabtastwert 9 Bits. Bei ra = 2 bedeutet das, daß zusätzliche 8 Zählerstufen erforderlich sind, um die gemessenen 256 Entfernungen zu speichern. Der Zähler 3 ist daher ein 17-Stufen-Zähler, und seine höchstwertige Stufe speichert 2 χ 4 m.

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Die Teilung durch 2 wird jetzt automatisch vorgenommen, indem

eine neue Lage für das Binärkomma definiert wird, so daß es um 8 Plätze nach rechts verschoben wird. Die 17 aufeinanderfolgenden Stufen des Zählers 3 haben dann die Bedeutung oder den Wert von ansteigenden Potenzen von 2, nämlich von 2" m ■ i/64 a auf 2 m - 1024 m· Ein von den 13 höchstwertigen Stufen des Zählers gelesenes Ausgang3signal ergibt eine mittlere Entfernung «it einer digitalen Peinauflösung von ÄB./-fm « 0,25 m bei einer maximalen Entfernung von 2047 3/4 m, wie gefordert worden war.

Pig. 2 zeigt eine Analyse des Betriebs der Schaltung von Pig.1. Ein Signal 2(a) stellt die Ausgangsimpulse des Oszillators 1 dar, während Signale 2(b) und 2(o) die .Vorderflanke des Sende- und Empfangsradarimpulses bezeichnen. Das nachfolgende Weiterzählen des Zählers 3 in Termen von Entfernungsinkrementen 4r ist in einem Diagramm 2(d) angegeben. Das Weiterzählen beginnt mit einem Impuls A, der unmittelbar auf die Vorderflanke des Senderadarimpulses folgt, und endet mit einem Impuls B, der unmittelbar vor der Vorderflanke des Empfangsradarimpulses auftritt ο

Fig. 2(e) besteht aus zwei Rechtecksignalen, von denen das.erste die ideale Dichtefunktion P₁Cr) aller Radarsendesignale, die den Zähler 3 beim Impuls A starten können, über der Entfernung aufgetragen ist, während der zweite Rechteckimpuls die ideale Dichtefunktion P₉(r) aller Radarempfangssignale ist, die den Zähler 3 beim Impuls B anhalten könnten, und zwar auftragen über die Entfernung, woraus folgt, daß, wenn der Zähler 3 "bei 0 startet, die tatsächliche Entfernung r in folgendem Intervall liegt:

(n-1) 4r< r<(n+i)4r.

Die Wahrscheinlichkeit p,(r), daß die Entfernung einen bestimmten Wert r hat, ist eine Dreiecksfunktion mit der Dreiecksapitze bei nÄr und ist als Punktion von r in Einheiten von Ar in Pig. 2(f) Aufgetragen.

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Fig. 2(g) zeigt eine Reihe von derartigen überlagerten Dreiecksignalen. Für irgendeine tatsächliche Entfernung R zwischen z.B. η Δ r und (n+1) Δ r ergibt sich dann

R - η·Δτ + FG*Ar/(EG + FG).

wobei E, F und G die Schnittpunkte der Abszisse R mit der Wahrscheinlichkeit sfunktion p,(r) von η und η +1 bzw. der r-Achse sind.

Nach einer Serie von m-Messungen hat der Zähler 3 den Wert (n + 1) z»B. q-mal und den Wert η z.B. (m -q)-mal addiert, wobei m die Gesamtzahl der Abtastwerte ist. Die mittlere gemessene Entfernung R ist dann gegeben durch:

E » η·Δΐ + q^ r/m.

großes m
Für erhält man: q/m ~ FG/(EG + FG),

und diese mittlere Entfernung R liegt näher an der tatsächlichen Entfernung als die Werte n>Ar oder (n + i)4r·

Es ist unbedingt notwendig, daß kein Versuch gemacht wird, den Sendestartimpuls mit dem Oszillator zu koppeln, da eine statistisch ψ unregelmäßige Verteilung dieses Startimpulses relativ zur Oszillatorperiode erforderlich ist, um einen gültigen Mittelwert zu gewinnen.

_l/2 Der Standardfehler von diesem Mittelwert beträgt S«m ' , wobei S der Standardfehler irgendeiner einzelnen gemessenen Entfernung ist.

Wenn z.B. bei Verwendung der erfindungsgemäßen Impulsradar-Entfernungsmeßanordnung zum Steuern des Anlegens von Schiffen m 256 und die Zählerperiode 16 nsec (was einer Radarentfernung von 2,4 m entspricht) beträgt, kann der Standardfehler der mittleren Entfernung unter geeigneten Umständen nur 7,5 ein ·. betragen. Diese letzte Zahl hängt vom Verlauf der statistischen Verteilung der tatsächlichen Entfernung entapreohend einer gemessenen digitalen Entfernung ab. Die

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Abweichung dieser Verteilung für einen Idealfall ist oben angegeben.

Die in Fig« 2 gezeigten Verteilungen sind ideal ι jedoch sind infolge endlicher Anstiegszeiten der Signale und einer Hysterese beim

Triggern des Zählers die Verteilungen (g) in ihre benachbarten Entfernungsinkremente verbreitert und mit nichtlinearen Ausläufern bzw. Kragen versehen. Beim abgebildeten Beispiel enthält ein praktischer Abtastwert von Messungen bezüglich eines einzigen ortsfesten Ziels etwas bei n, etwas bei n-1 und etwas bei n+1 Entfernungsinkrementen. Das beeinträchtigt jedoch nicht die Gültigkeit des Mittelungsverfahrens, vorausgesetzt, daß die Verteilungen nicht verzerrt oder schief sind. Wenn die Verteilungen verzerrt oder schief sind, wird ein Entfernungsvorsignal eingeführt. Aber selbst das spielt keine EoILe, da die Radaranordnung als Ganzes anfangs kalibriert werden muß, da sie unvermeidbare Verzögerungen aufweist, die ihrerseits als Entfernungsvorsignale erscheinen, so daß bei der anfänglichen Kalibrierung die Entfernungsvorsignaie infolge Verzerrung oder Schiefheit der Verteilungen kompensiert werden.

Wenn die Mittelung durch eine Spezialzweckvorrichtung auf einem kontinuierlich verfolgten Ziel vorgenommen werden muß, z.B. bei der Steuerung des Anlegens von Schiffen an einem Liegeplatz, verfälscht ein fehlenier · Antwortimpuls den Zählerstand, indem der Zähler 3 in Fig. 1 über den Zeitpunkt hinaus weiterzählt,zu dem er hätte angehalten werden sollen. Eine Möglichkeit zur Vermeidung eines solchen Effekts besteht darin, den Zähler J mit dem Empfangssignal zu starten und ihn mit einem Impuls entsprechend der maximalen Entfernung anzuhalten, der vom entfernungsmessenden Oszillator durch den Senderadarimpuls gewonnen wird. Der Zähler 31 wird auf m mal d er maximalen Entfernung am Ende jedes Satzes von m Entfernungsabtastwerten rückgesetzt, und der Oszillator 1 wird benutzt, um Eins vom gespeicherten Gesamtwert für jede Δ R-Periode zu subtrahieren. ' »

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Claims

— θ -

Patentansprüche

( \J Impulsradar-Entfernungsmeßanordnung mit einem Generator zur Erzeugung einer Folge von tquidistanten Impulsen, mit einem Generator zur Erzeugung eines Satzes von ersten Impulsen, die jeweils zeitlich so relativ zu eine« !»darsendeimpuls gesteuert sind, daß ein festes Intervall zwischen ihnen und dem Radarsendeimpuls vorhanden ist, und deren zeitliche I»age statistisch unregelmäßig relativ zu der Impulsfolge ist, mit einem Generator zur Erzeugung eines Satzes von zweiten Impulsen, die jeweils gleichzeitig mit einem Radareinpfangsimpuls auftreten, so daß definiert werden eine ZwischenimpuJaperiode erster Art als diejenige Periode, die mit einem ersten Impuls beginnt und mit dem nächstauftretenden zweiten Impuls endet, und eine Zwischenimpulsperiode zweiter Art als diejenige Periode, die mit einem zweiten Impuls beginnt-und mit-dem nächstauftretenden ersten Impuls endet, und mit einer Zähleinrichtung, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die ermöglicht, daß die Impulsfolge in die Zähleinrichtung (3) während der Sauer mehrerer Zwischenimpulsperioden derselben oder verschiedener Art eingespeist werden, und durch eine Einrichtung zur Gewinnung aus der Zähleinrichtung des in dieser registrierten Zählerstands, dividiert durch die Zahl der Zwischenimpulsperioden, während deren Sauer die Impulsfolge (vgl. Fig. 2(a)j) in die Zähleinrichtung eingespeist wurde.

2. Iapularadar-EntfernungSBeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolge (Fig.2(a))in die Zähleinrichtung (5) während der Sauer von Zwisohenimpulsperioden der ersten Art eingespeist wird, und daß eine Einrichtung (15) vorgesehen ist, üb die !Zähleinrichtung zu Beginn der mehreren Zwischenimpulsperioden zu löschen.

5. Impuleradar-Entfernungsaeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge-. kennzeichnet, daß die Impulsfolge (Fig. 2(a)) in die Zähleinrichtung (j)

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λ während der Dauer von mehreren Zwischenimpulsperioden der zweiten Art

; eingespeist wird, und daß vorgesehen sind eine Einrichtung, um die

^! Zähleinrichtung auf ihren maximalen Zählerstand zu Beginn der mehreren

: Zwischenimpulsperioden rückzusetzen, und eine Einrichtung zur Steuerung

\ der Zähleinrichtung in solcher Weise, daß jeder ihr zugeführte Impuls

■ von dem in der Zähleinrichtung registrierten Zählerstand subtrahiert.

! 4· Impulsradar-Entfernungsmeßanordnung nach einem der vorhergehenden

\ Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung

^: und eine Einrichtung, die in die Datenverarbeitungsvorrichtung Signale

eingibt, die den in der Zähleinrichtung (3) gespeicherten Zählerstand,

; dividiert durch die Zahl der Zwischenimpulsperioden, während deren

Dauer die Impulsfolge (Fig. 2(a)) in die Zähleinrichtung eingespeist

- wurde, darstellen.

•j . 109823/121? COPY

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