DE2061989A1 - Puls Koharenzdopplerradarsystem - Google Patents

Description

Patentanwalt

Dipl.-Phys. Leo Thul

Stuttgart

M. G. M. Castets 2-8-1

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Puls -Kohärenzdopplerradarsystem

Die Erfindung betrifft ein Puls-Kohärenzdopplerradarsystem, bei dem die Steuerimpulse der Bereichstorschaltungen eine Dauer aufweisen, die dem ganzzahligen Vielfachen η der Dauer b der Radarimpulse entspricht.

Bei einem Puls-Kohärenzdopplerradarsystem wird mit Vorteil die Phasenänderung zwischen der ausgesandten und empfangenen Welle von aufeinander folgenden Wiederholungsperioden ausgenützt, wobei die empfangenen Wellen an beweglichen Zielen reflektiert worden sind. Bei jeder Wiederholungsperiode wird daher die Phase der ausgesandten Welle gespeichert und mit der Phase der empfangenen Welle verglichen. Diese Phasenabweichung ist von Wiederholungs-

10.12.70

vo/fA - 2 -

109028/1136

M. G. M. Castets 2-8-1 - 2 -

periode zu Wiederholungsperiode konstant , wenn die empfangene Welle an einem Festziel reflektiert wird, und ändert sich linear mit der Zeit, wenn die empfangene Welle an einem beweglichen Ziel reflektiert wird, das sich mit einer konstanten Geschwindigkeit gegenüber der Antenne bewegt. Wenn einem Phasendiskriminator einmal in jeder Wiederholungsperiode ein Bezugssignal zugeführt wird, das die Phase der ausgesandten Welle festhält, und zum anderen das empfangene Signal nach der Reflektion an einem festen oder beweglichen Ziel, dann erhält man bei der Reflexion an einem Festziel ein Aus gangs signal mit konstanter Amplitun^ und bei der Reflexion an einem beweglichen Ziel ein Ausgange signal, dessen Amplitude sich sinusförmig mit einer Frequen.·■■·. fd ändert. Diese Frequenz wird mit Dopplerfrequenz bezeichnet und ist im Bezug auf die Radialgeschwindigkeit ν und die Wellenlänge /^ der ausgesandten Welle durch die folgende Gleichung gegeben:

Das Ausgangssignal des Phasendiskriminators wird gleichzeitig einer Reihe von Bereichstorschaltungen und Filtern zugeführt. Die Öffnungszeit der Bereichstor schaltungen wird durch aufeinander folgende Impulse von Torschaltung zu Torschaltung festgelegt. Bestimmte Impulse aller Wiederholungsperioden steuern dieselbe Torschaltung. Daher entsprechen die von einer Bereichstorschaltung abgegebenen Signale den Signalen, die von einer Zone

kommen, die einen bestimmten Abstand zur Radaranlage hat. Die Empfindlichkeit und die Bereichsauflösung erreichen ein Maximum, wenn die Öffnungszeit der Bereichstorschaltung gleich der Dauer der Radarimpulse ist.

109826/1136

M. G. M. Castets 2-8-1 - 3 -

Um eine ausgedehnte Zone abzutasten, sind eine Reihe von Bereichstorschaltungen erfaderlich. Die Anzahl ist umso größer je kleiner die Öffnungszeit ist. Um die Anzahl der Bereichstorschaltungen zu beschränken, wird die Öffnungszeit vergrößert, so daß sie ein Mehrfaches der Dauer der Radarimpulse annimmt. Diese Vergrößerung der Öffnungszeit der Bereichstorschaltungen bringt bei bestimmten Bereichswählern einen Verlust von Echosignalen mit sich. Bei anderen Bereichswählern nimmt das Signal-Geräusch-Verhältnis ab.

Um diesen Verlust von Echosignalen zu vermeiden, ist schon vorgeschlagen worden, die Impulse des Phasendiskriminators über einen Tiefpaß zu leiten und dadurch zu verbreitern. Dies hat jedoch den Nachteil, daß bei einem hohen Eehopegel mehrere Bereichstarschaltungen ansprechen, obwohl das Echo nur einem einzigen Bereich zugeordnet ist. Außerdem tritt ein Empfindlichkeitsverlust ein, wenn das Maximum des verbreiterten Echoimpulses nicht mit einem Abtastimpuls zusammentrifft.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem Puls-Kohärenzdopplerradarsystem die Öffnungszeit für die Bereichstorschaltungen zu vergrößern, ohne die vorstehenden Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Aus gangs signale des Phasendiskriminators einmal direkt und über mehrere Verzögerungsleitungen um ganzzahlige Vielfache der Dauer der Radarimpulse verzögert einer Summierschaltung zuführbar sind und daß die so summierten und verbreiterten Signale über ein Tiefpaß-Filter an die Bereichstorschaltungen weiterleitbar sind.

109826/1136

M. G. M. Castets /--3-1 - 4 -

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines BereichswählerK,

Fig. Sa, 2b und ;;c Diagramme, die verdeutlichen, wie ein Echo, das über ein Tiefpaß-Filter

verbreitert wurde, mehrere Bereichssprünge umfaßt,

Fig. 3 ein Diagramm des Empfindlichkeitsverlustes

für den Fall, daß der Abtastimpuls des Wählers nicht mit dem Maximum des Echos zusammen

fällt,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,

Fig. 5 die Übertragungsfunktion des Stromkreises mit Verzögerungsleitungen nach Fig. 4,

Fig. 6 die Lage der Bandbreite des Tiefpaß-Filters,

Fig. 7 ein anderes Ausführungsbeispiel der Verzögerungs-1 eitungen und

Fig. 8 ein drittes Ausführungsbeispiel der Verzögerungsleitungen.

10 9 8 2 6/1136

M. G, M, Castets VS-l -S'-

Die Impulse des Phasendiskriminators eines Puls-Kohärenzdopplerrädarsystems werden gleichzeitig einer Anzahl von Bereichswählern zugeführt. Jeder Bereichs wähl er ist der Verarbeitung des Signals zugeordnet, das von einem Entf ernungs -ptinkt stammt, der in einem bestimmten Abstand zum Radar gelegen ist. Fig. 1 zeigt das Prinzip schaltbild eines derartigen Bereichswählers. Dieser Bereichswähler enthält eine elektronische Torschaltung I, Bereichstorschaltung genannt, die einmal das Aus-gangssignal A des Phasendiskriminators und zum anderen vom IQ Stromkreis;? Impulse mit einer Dauer ρ und einer Periode T empfängt, Diese Periode T entspricht der Wiederho-4.ungsperiode des Radarsystems. Der Bereichstorschaltung 1 ist ein Stromkreis 2 nachgeschaltet, der im wesentlichen aus einem Konden- ■ sator besteht, der in einer sehr kurzen Zeit auf die Spannung des Signals geladen wird, das von der Bereichstorschaltung abgegeben wird. Dieser Kondensator behält seine Ladung vom Impuls zu Impuls bei. Die Ladespannung des Kondensators entspricht der Amplitude des Signals am Ende des Abtastimpulses. Das Au s gangs signal des Stromkreises 2 wird dem Filter 3 zugeführt. Dieses Doppler-Filter läßt nur die Frequenzkomponenten durch, die zwischen ein-igen zehn Hertz und F/2 liegen. Dabei ist F - —■ die Impulswiederholungsfrequenz der Radarimpulse. Ein derartiges Doppler-Filter unterdrückt die Komponenten von Festzielen. Das gefilterte Signal wird dem Erfassungsstromkreis 4 und dann dem Tiefpaß-Filter 5 zugeführt. Das vom Tiefpaß-Filter 5 abgegebene Signal gelanfjtzu einer Analog-Torschaltung 6, der auch die Abtastimpulse der Bereichstorschaltung 1 zugeführt werden.

Wenn die Öffnungszeit ρ der Bereichstorschaltung größer ist als

109826/1136

ilir- Dauer b der Radarimpulse, dann treten die bei offem-.r BerL-iehstorschaltung empfangenen Impulse nur in einem feil der Öffnungszeit auf. Dies führt zu einem vollständigen Signalverlust, wenn die Anstiegsflanke des Abtasümpulsea nicht mit dem empfangenen Impuls zusammenfällt.

Dieser Verlust von Echoimpulsen tritt nicht auf, wenn der Stromkreis . mich Fig. 1 einen Kondensator enthält, der den Strom während des Abtastimpulses integriert und seine Ladung bis zum folgenden Impuls beibehält. Dabei wird jedoch das Signal Geräusch-Verhältnis verschlechtert. Die Geräuschslgnale werden über die Dauer ρ integriert, während das Nutzsignal nur über die Dauer b integriert wird.

Um diesen Informationsverlust zu vermeiden, werden alle empfangenen Impulse verbreitert, so daß sie alle die Breite der Bereichstorschaltung umfassen. Diese Verbreiterung wird z. B. so durchgeführt, daß die Weite des vergrößerten Impulses bei 3 db gleich der Weite der Torschaltung ist. Fig. 2a zeigt einen verbreiterten Impuls mit einer Gauss "sehen Verteilung, der über ein Tiefpaß-Filter erhalten wird. Die Fig. 2b und 2c zeigen zwei besondere Lagen für Entfernungs Sprünge im Bezug auf die maximale Lage des Impulses. Der Vergleich der Figuren ^a und 2b zeigt, daß bei einem Arbeitsbereich des Radarsystems von 50 db fünf Bereichstorschaltungen ein Signal abgegeben, das größer ist als die Erfassungsschwelle. Bei der Lage der Entfernungs Sprünge nach Fig. 2c liefern vier Torschaltungen ein Signal, das größer ist als die Erfassungsschwelle.

Das Diagramm nach Fig. 3 zeigt einen anderen Nachteil, der

BADORIGtNAL

10 9 8 2 6/1136

M. G. M. Castets 2-8-1 - 7 - ο η r -ι η ο

ι. υ υ ι y ο

durch cup Verbreiterung der Impulse über ein Tiefpaß-Filter bedingt ist. Wenn die Anstiegsflanke des Abtastimpulses nicht mit dem Maximum des Impulses zusammenfällt, dann tritt ein Empfindlichkeitsverlust von 3 db auf.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, werden die vom Phasendiskriminator abgegebenen Impulse über die Verzögerungsleitungen verbreitert. Wenn die Dauer ρ der Bereichstorschaltung gleich 4 b ist, dann ergibt sich ein Stromkreis nach Fig. 4. Dieser Stromkreis enthält dr.ei Verzögerungsleitungen 9, -10 und 11, deren Laufzeit jeweils b beträgt. Die Summier schaltung 12 führt die A\isgangssignale der Verzögerungsleitungen und des Phasendiskriminators 8 zusammen. Das Aus gangs signal der Summierschaltung 12 wird dem Tiefpaß-Filter 13 zugeführt.

Es ist leicht einzusehen, daß die Anordnung von Verzögerungs-15· leitungen und der Summierschaltung die Überlagerung des empfangenen Impulses mit drei anderen, identischen Impulsen darstellt, die jeweils um eine Zeit b verschoben sind. Am Ausgang der Summierschaltung 12 tritt daher ein einziger Inapuls mit der Dauer 4b auf. Die Übertragungsfunktion H ( f ) eines derartigen Stromkreises ist durch die Gleichung

-1 | "I

sin 4 . JT. fb sin Jf . fb

gegeben und in Fig. 5 dargestellt. Diese Übertragungsfunktion ist periodisch und reicht ins Unendliche, wenn die Bandbreite der Verzögerungsleitungen unendlich ist. Da nur Interesse an den niedrigen Frequenzen besteht, ist es erforderlich, ein Tiefpaß-

10 9826/ 1136

Filter einzusetzen. Die Grenzfrequenz dieses Tiefpaß-Filters wird so gewählt, daß von dem Signal die maximale Energie empfangen wird. Die Umhüllung S ( f ) des Spektrums des Ausgangssignals am Stromkreis 1Γ- hat eine Beziehung von

_f ) = ₂ . JL* 4 . JT . f b

2 . Jt . f

wenn der Phasendiskriminator 8 Impulse mit einer Dauer von 4 b abgibt. Die Energieverteilung des Signals in Abhängigkeit +) von den Frequenzlinien — gebildet, die durch die Kurve C S ( f )J eingehüllt sind. Diese Figur zeigt dann den Punkt _ , der als Grenzfrequenz des Tiefpaß-Filters bezeichnet wird, "2b

Es ist klar, daß bei einer Weite ρ der Bereichstorschaltung., die η-mal der Weite b der Radarimpulse entspricht, ( η - 1) Verzögerungsleitungen benötigt werden.

In Fig. 4 sind einzelne Verzögerungsleitungen eingesetzt. Es ist jedoch möglich, dieselbe Wirkung auch über eine einzige Verzögerungsleitung mit entsprechenden Abgriffen zu erreichen.

Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für den Stromkreis nach der Erfindung. Der Stromkreis enthält drei (oder η - 1) Verzögerungsleitungen 14, 15 und 16, die parallel geschaltet sind und Laufzeiten von b, 2b und 3b bis jjn - 1) . bj aufweisen.

Die Verzögerungsleitungen bewirken eine Dämpfung der über-

+ ) von der Frequenz ist in Mg.,6 aufgezeigt.Das Spektrum wird

10 9 8 2 6/1136

tragenen Signale. Diese Dämpfung ist umso größer je größpr die Laufzeit der Verzögerungsleitung ist. Daraus resultiert, daß das Aus gangs signal der Summierschaltung 12 oder 17 keine konstante Amplitude hat» Um ein konstantes Ausgangs signal zu erhalten, wird jedem Ausgang einer Verzögerungsleitung ein Verstärker nachgeschaltet, dessen Verstärkung so eingestellt wird, daß die Amplitude dem direkt übertragenen Impuls entspricht ,

Fig. 8 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem η = 4 1st. Der Stromkreis enthält zwei Verzögerungsleitungen 18 und 19, die mit Reflexionen arbeiten und Laufzeiten von -~ und b haben. Der der Eingangsk—Lemme zugeführte Impuls gelangt über vier Wege zum Ausgang, so daß vier benachbarte Impulse abgegeben werden. Die Stromkreise 20 und 21 sind Trennstufen, die die Übertragung der Impulse nur in der Richtung zum Ausgang zulassen.

Es muß noch erwähnt werden, daß derartige Trennstufen auch bei den Anordnungen nach Fig. 4 und 7 benötigt werden, wenn die Verzögerungsleitungen nicht gut angepaßt sind. Die Trennstufen sind dann am Eingang und Ausgang aller Verzögerungsleitungen vorzusehen.

Diese Anordnung nach Fig. 8 kann auf eine Anzahl η erweitert werden, wobei η ein ganzzahliger Faktor von 2 ist und η = 2 ist· -Es werden dann m Verzögerungsleitungen benötigt, die . mit Reflexionen arbeiten und Laufzeiten von-s-, b...(2 _#bJ haben. Bei der Anordnung nach Fig. 8 kann der Übertragungs-

-10 -

109826/1136

verlust der Verzögerungsleitungen nicht wie bei den Anordnungen nach Fig. 4 und 7 ausgeglichen werden.

Die ICrfindung kann bei allen Puls-Radarsystemen angewendet werden, insbesondere bei Puls-Kohärenzdopplerradarsystemen, bei denen die Impulse sich wiedei'holen oder nicht gleichen Abstand aufweisen.

7 Patentansprüche

3 Bl. Zeichnungen, 8 Fig.

109 826/ 1~1 36

Claims (1)

1. M. G. M. Castets 2 - 8 - ϊ - 11 - ο η r ι η ο η

   L U D I Ό O Ό

   Patentaη s ρ rüche

   Puls-Kohärenzdopplerradarsystem, bei dem die Stetierimpulse der Bereichstorschaltungen eine Dauer aufweisen, die dem ganzzahligen Vielfachen η der Dauer b der Radarimpulse entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Au s gangs signale des Phasendiskriminators (8) einmal direkt und über mehrere Verzögerungsleitungen (9, 10, 11 bzw. 14, 15, 16 bzw. 18, 19) um ganzzahlige Vielfache (b 2b ...'{,η - 1) . bj der Dauer der Radarimpulse verzögert einer Summier schaltung (12 bzw» 17) zuführbar sind und daß die so summierten und verbreiterten Signale über ein Tiefpaß-FiIter (13) an die Bereichstorschaltungen (1) weiterleitbar sind.

   2, Puls-Kohärenzdopplerradarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ( η - 1) Verzögerungsleitungen (9, 10,

   H) mit gleicher Laufzeit (b) in Reihe geschaltet zwischen dem Ausgang des Phasendiskriminators (8) und einem Eingang einer Summierschaltung (12) eingeschleift sind und daß der Ausgang des Phasendiskriminators (8) und die Ausgange der übrigen Verzögerungsleitungen (9, 10) mit je einem weiteren Eingang der Summierschaltung (12) verbunden sind (Fig. 4).

   3. Puls-Kohärenzdopplerradarsystem nach An spruch 2, dadurch

   - 12 -

   10 9 8 2 6/1 1 36

   gekennzeichnet, daß eine einzige Verzögerungsleitung mit (n - 1) Abgriffen eingeschleift ist.

   4. Puls-Kohärenzdopplerradarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Phasendiskriminators (8) direkt und über (n - 1) parallelgeschaltete Verzögerungsleitungen (14, 15, 16) mit der Summier schaltung (17) verbunden ist und daß die Laufzeiten der Verzögerungsleitungen mit b, 2b bis (n - 1), b gewählt sind, wobei b die Dauer der Radarimpulse angibt (Fig. 7).

   5. Puls-Kohärenzdopplerradarsystem nach Anspruch 1, dadurch g ek enn ζ ei chn et, daß m Verzögerungsleitungen (18, 19) mit Reflexion am freien Ende über Trennstufen (2.0, 21) in Reihe geschaltet sind, wobei η ein ganzzahliges Vielfaches von 2 ist und die Laufzeiten der Verzögerungsleitungen (¹⁸> 19) mit- , b ...2m- 1. b festgelegt sind.

   6. Puls-Kohärenzdopplerradarsystem nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Ausgang aller Verzögerungsleitungen (9, 10, 11 bzw. 14, 15, 16) ein Verstärker nachgeschaltet ist, der die Dämpfung der vorgeordneten Verzögerungsleitung ausgleicht.

   7. Puls-Kohärenzdopplerradarsystem nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang und der Ausgang aller Verzögerungsleitungen (9, 10, 11 bzw. 14, 15, 16) jeweils über eine eigene Trennstufe geführt sind und daß diese Trennstufen nur in Richtung vom Phasendiskriminator

   (8) zur Summierechaltung(12) durchlässig eind₀

   109826/1136