DE2126917A1

DE2126917A1 - Kohärenzpuls-Dopplerhöhenmesser

Info

Publication number: DE2126917A1
Application number: DE19712126917
Authority: DE
Inventors: Donovan Chester Pasadena Calif. Davis (V.StA.). H04h 1-00
Original assignee: Hoffman Electronics Corp
Current assignee: Hoffman Electronics Corp
Priority date: 1971-02-03
Filing date: 1971-05-29
Publication date: 1972-08-24
Also published as: US3739379A; FR2124208A1; FR2124208B1; GB1330917A

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

der Hoffman Electronics Corporation, Hoffman Electronics Park

El Monte, Calif. /USA

betreffend:
"Kohärenzpuls-Dopplerhöhenmesser"

Die Erfindung betrifft einen Kohärenzpuls-Dopplerhöhenmesser.

Es gibt bei den gegenwärtig benutzten Radarhöhenmessersystemen zwei Grundtypen, 'nämlich Frequenzmodulations-Trägerwellensystem und ein Pulssystem. Das Frequenzmodulations-Trägerwellensystem überträgt ein SigraL, dessen Frequenz in Sägezahnart bezüglich der Zeit sich ändert, und das übertragende Signal ist kontinuierlich. Ein solches System erfordert getrennte Sende- und Empfangsantennen, und die Antennen müssen so auf dem Flugzeug angeordnet sein, daß die Empfangsantenne nicht direkt Signale von der Sendeantenne erhält. Demgemäß ist einer der Nachteile dieses Frequenzmodulations-Trägerwellensystems vor allem das Erfordernis von zwei Antennen und zweitens die sorgfältige Plazierung dieser Antennen auf dem Flugzeug. Es ist auch möglich, daß das Frequenzmodulations-Trägerwellensystem einen Höhenfehler einführt, der herrührt von der Tatsache, daß das System auf BodenVeränderungen empfindlich reagiert. Eine Änderung im Boden ergibt ein Band von delta f Frequenzen, auf die der Empfänger anspricht und die zu einer Anzeige der mittleren Höhe des Terrains über dem angestrahlten Bodenbereich führt anstatt zur Anzeige der

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obersten Oberfläche des Bodens» Dies trifft besonders dann zu, wenn das Plugzeug über einem bewaldeten Gebiet oder sehr trockenem Schnee fliegt. In beiden Fällen wird etwas von dem übertragenen' Signal von der obersten Oberseite des Terrains reflektiert, einiges jedoch wird durchdringen bis zum Boden. Die resultierende angezeigte Höhe ist ein Mittelwert zwischen der Höhe des Bodens und der Oberseite des Schnees oder der Baumspiteen.

Eine weitere Schwierigkeit beim fm/tw-System besteht darin, daß es Boppelreflexionsfehler bei niedrigen Höhen unterworfen sein kann. Wenn das Flugzeug über einer relativ glatten Oberfläche, wie Wasser oder einer Landebahn, fliegt, und zwar unter einer Höhe von etwa 20 m, können sich die Bereiche der Anstrahlung für die beiden Antennen oder mindestens jene Anstrahlbereiche, in denen die Antennenverstärkung hoch bleibt, nicht überlappen, und ein starkes Signal kann vom Boden auf die Flugzeugzelle und von dort zurück zum Boden und wieder zurück zur Empfangsantenne reflektiert werden längs eines Übertragungspfades, der etwa die zweifache Länge hat wie der tatsächlichen Höhe über Grund entspricht.

Beim Pulssystem sendet der Sender Impulse mit fester Frequenz und relativ hoher Leistung aus. Da die mittlere Leistung die Empfindlichkeit des Systems bestimmt, ist es beim Pulssystem erforderlich, entweder Pulse großer Dauer oder großer Amplitude zu verwenden, d.h. etwa in dem Bereich von 100 Watt oder mehr. Wenn man langdauernde Impulse anstatt Pulse großer Amplitude verwendet, kehren die reflektierten Impulse bei geringer Höhe zum Flugzeug zurück, bevor der Sendeimpuls endet. Es ist erforderlich, daß das System vom Flugzeug bis zum Boden auch dann mißt, wenn das Flugzeug gelandet ist und unter Berücksichtigung der Installation und der Kabelverzögerung plus der Höhe über Grund bildet dies eine Mindesthöhe von etwa 3 m in Ausdrücken der Verzögerungszeit, für die eine Korrektur vorgenommen werden muß, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit etwa 30 cm pro Nano-Sekunde beträgt. Wenn mit dem

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Höhenmesser eine Maximalhöhe von 1666 m bestimmt werden muß, beträgt die Hin- und Rücklauf-übertragungszeit etwa 20 Mikrosekunden bei fester Pulsfolgefrequenz. Was konventionelle Impulssysteme deshalb benutzen, ist eine hohe Sendeleistung gewöhnlich in der Größenordnung von 100 Watt, so daß die Impulse schmal gemacht werden können, doch sind immer noch zwei Antennen erforderlich mit den gleichen Problemen der Isolation, wie sie bei dem Frequenzmodulations-Trägerwellensystem gegeben sind«, Infolge dieser beiden Antennen ist auch hier das Doppelreflexionsproblem vorhanden.

Infolge der hohen eingesetzten Leistung haben Impulssysteme die Tendenz, einen falschen Verriegelungsfehler zu ergeben infolge Reflexionen an Gegenständen, die am Plugzeug angebaut sind, wie Pahrwerke, Landeklappen oder Außentanks. Eines der Probleme, die bei Pulssystemen auftauchen, besteht darin, daß nach der Anordnung der Antennen an der Plugzeugzelle derart, daß falsche Verriegelungsreflexionsprobleme eliminiert werden, die Antenne zusätzliche Reflexionen erhalten kann, wenn zusätzliche Bomben oder Plugkörper an das Flugzeug angehangen werden oder nachdem es mit Zusatztriebwerden ausgerüstet worden ist, so daß es schweUrig ist, die Genauigkeit aufrechteuerhalten. Der Empfänger im Impulssystem muß eine große Bandbreite haben, um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten, und dies bedeutet, daß das Rauschen zu mehr als einem Problem wird insbesondere bei größeren Höhen. Es wird jedoch nicht bestritten, daß das Pulssystem eine gute Höhenablesung liefert, nämlich die Höhenmessung über dem nächstgelegenen Bodenpuntik ^un ⁿicht die mittlere Höhenablesung wie beim Frequenzmodulationsträgerwellensystem_e

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Höhenmesser mit einem Sender und einem Empfänger für reflektierte Senderimpulse

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zu schaffen, bei dem die Notwendigkeit für zwei Antennen entfällt. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Sender für die Aussendung einer Folge von Impulsen ausgelegt ist, daß der Empfänger Filter aufweist für die Erfassung ausschließlich solcher Signale, die von relativ zu dem Sender bewegten Oberflächen reflektiert worden sind, daß eine einzige sowohl mit dem Sender als auch mit dem Empfänger gekoppelte Antenne vorgesehen ist und daß Zähleinrichtungen vorgesehen sind, die auf den Sender ansprechen bei Empfang der reflektierten Signale durch den Empfänger zwecks Lieferung eines für den Abstand zwischen der Antenne und der reflektierenden Fläche repräsentativen Signals.

Die Sendeleistung ist niedrig. Um jedoch die Empfindlichkeit aufrechtzuerhalten, ist die mittlere Leistung hoch, indem die Pulsfolgefrequenz geändert wird und die Impulse häufiger ausgesandt werden. Die Pulsdauer der übertragenen Impulse wird verändert und schmaler gemacht, wenn sich das Flugzeug dem Boden nähert. Ein inverses Tastverhältnis von T : t = 20 wird aufrechterhalten, wobei T die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen und t die Pulsdauer bedeuten. Es ist dabei festzuhalten, daß bei dem alten Impulssystem keine Änderung der Interpulsperiode erfolgt. Bei dem erfindungsgemäßen System ist die mittlere Leistung gleich 0,00 der Spitzenleistung, während beim bekannten Impulssystem die k mittlere Leistung gleich 0,001 der Spitzenleistung ist. Wenn man " demgemäß die 100 Watt, die beim Impulssystem die Spitzenleistung ausmachen,vergleicht, so kann beim erfindungsgemäßen System die Leistung 1/50 dieses Wertes oder bloße 2 Watt betragen. Andere Faktoren■gestatten eine weitere Herabsetzung der Spitzenleistung bis auf nur 50 Milliwatt.

Wenn die Horizontalgeschwindigkeit, d.h. die relative Horizontalgeschwindigkeit zwischen dem Flugzeug und dem Boden, zunimmt, so sieht der Empfänger ein Bodenrücklaufsignal mit einer nach unten verschobenen Frequenz. Der Betrag der

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FrequenzverSchiebung in dem System ist 28,3 Hz pro Meter pro Sekunde, was einer Geschwindigkeit von 200 Metern pro Sekunde eine DopplerfrequenzverSchiebung von 5,16 kHz verleiht.

Der Effekt der Falschverriegelung wird eliminiert, da Fahrwerk, Landeklappen und Außentanks keinen Einfluß auf das Signal haben können, weil sie stationär sind und sich daher keine DopplerverSchiebung ergibt. Das System verwendet eine Vordetektionsfilterung oder ein sehr schmalbandiges Bandpass-Filter vor dem Detektor, wodurch nochmals die Empfindlichkeit des Systems um etwa 10 db vergrößert wird. Dies gestattet eine Verringerung der Sendeleistung von 2 Watt auf 50 Milliwatt.

Bei der Sendefrequenz wird die Dopplerverschiebung infolge einer Änderung der Horizontalgeschwindigkeit proportional der Dauer der empfangenen Impulse sein. Wenn eine Änderung der Vertikalgeschwindigkeit erfolgt, wird die Lage der Impulse von der Sendefrequenz nach rechts oder links verschoben werden.

Die Pulsfolgefrequenz (PRF) des Systems wird bestimmt, wenn das Bereichsgatter mit dem empfangenen Impuls verrigelt wird, und diese Pulsfolgefrequenz liefert eine Höhenablesung durch digitales Auszählen der Frequenz oder aber einen analogen Ausgang. Der Bereichsgatterpuls wird zeitlich so festgelegt, daß er halbwegs in der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen auf tritt,weön die Sendeimpulse im Suchmodus sind für die Erzeugung einer Frequenz zum Empfang eines Rücklaufsignals bei oder unteriaLb 1666 m.

Pulse veränderbarer Dauer werden dem Sender zugeführt, indem zunächst ein konstantfrequenzer Hochfrequenzoszillator vorgesehen ist, dessen Ausgang auf einen Festkörperschalter gegeben wird, der gesteuert wird durch einen Modulationsimpuls und eine hohe Dämpfung von etwa minus 80 db aufweist. Auf diese Weise kann die Pulsfolgefrequenz über einen Bereich von 500 : 1 geändert

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werden, was Frequenzen von 50 Hz bis 25 MhZ ermöglicht. Bei der niedrigen Sendefrequenz bis herunter zu 100 Hz besteht ein Problem sehr starken Rauschens wegen der charakteristischen Rauschproblerne des Schalters, so daß die Lösung darin besteht, nach der zweiten. Verschiebung oder dem ersten Seitenband zu suchen. Demgemäß ist ein erstes i-f-Pilter mit einem ziemlich breiten Durchlaßband vorgesehen, das die erste Dopplerverschiebung eliminiert und den Rest des Empfängers mit der Verschiebung beaufschlagt, die bei etwa 50 kHz erfolgt. Das erste i-f-Durchlaßband ist 40 kHz bis 25 MHz. Der Ausgang des ersten i-f-Pilters gelangt an einen zweiten Mischer, der die Pulsfolgefrequenz als Lokaloszillator benutzt. Der zweite i-f-Filter ist sehmalbandig zwischen 100 Hz und 20 kHz, so daß der Ausgang gerade das erste Seitenband umfaßt.

Das System verwendet Anstiegsflankenverriegelung. Der empfangene Impuls erreicht 90$ seines Maximums in den ersten 0,1 t, während er sein Maximum bei 1,0 t erreicht. Das Bereichsgatter arbeitet so, daß es den empfangenen Impuls nur so lange durchläßt, bis dieser 90% oder 0,1 t erreicht hat und t = 0,1 mal der Höhe ist, so daß dadurch, daß man dem Bereichsgatter gestattet, gerade so viel von dem empfangenen Impuls durchzulassen, ein · einprozentiger Fehler in die Höhe eingeführt wird.

Neben dem Vorteil, daß nur eine einzige Antenne vorhanden ist, ergibt sich der daraus resultierende Vorteil, daß aufgrund der empfangenen Dopplerverschiebungsbodenrücklaufsignale Rücklauf-Signale von festen Gegenständen relativ zum Flugzeug keinen Einfluß haben·

Der Höhenmesser gnäeäß der Erfindung kann mit sehr niedriger Spitzensendeleistung betrieben werden, so daß man alle Komponenten aus Gründen größerer Zuverlässigkeit und längerer Lebensdauer in Festkörperbauart ausführen kann.

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Gemäß der Erfindung wird eine präzise Verriegelung auf die Anstiegsflanken des Rücklaufimpulses vorgesehen, so daß sich ein sehr geringer Höhenfehler ergibt. Dieser Fehler wird sogar noch gesenkt, wenn die Höhe weniger als 166 m über Grund beträgt.

Diese Vorteile werden erreicht bei einem System, bei dem die Pulsdauer und die Pulsfolgefrequenz variiert werden, um die Ganauigkeit und Empfindlichkeit des Systems bis zu Bereichen aufrechtzuerhalten, die nur 3 m betragen, während immer noch nur eine Antenne erforderlich ist.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild den Höhenmesser gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 zeigt Wellenformen zur Darstellung der relativen Zeitlage zwischen Sende- und Empfangsimpuls.

Ein Hochfrequenzoszillator liefert ein kontinuierliches Ausgangssignal mit einer festgelegten Frequenz von 4,3 GHz und einem Leistungspegel von etwa 100 Milliwatt. Der verwendete Oszillator kann ein konventioneller Transistoroszillator sein, und die HauptbemessungsVorschriften für diesen Oszillator bestehen darin, daß er bei der genannten Betriebsfrequenz die geforderte Leistung abgibt, daß er mindestens eine gute Kurzzeitfrequenzstabilität aufweist und daß das Rauschspektrum genügend niedrig bei den Frequenzen ist, auf die der Höhenmesserempfänger abgestimmt ist. Es wird vorausgesetzt, daß bei dieser Hochfrequenzquelle entweder ein Grundfrequenztransistoroszillator für 4,3 GHz oder ein subharmonischer Oszillator verwendet wird, der mit einem Varactorvervielfachfcer gekoppelt ist mit einem MuItlplikationsfaktor von entweder zwei oder drei, wobei jede Möglichkeit etwa deu gleichen Gesamtwirkungsgrad liefert bei dem geforderten Leistungspegel,

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Der Ausgang des Hochfrequenzoszillators 10 gelangt zu einem Sendeschalter 12, der das Hochfrequenzsignal mit einem · Impuls gattert, der von einem spannungsgesteuerten Oszillator 14 ~ geliefert wird. Auf diese Weise wird der Ausgang des Sendeschalters gesteuert durch den Sendegatterimpuls, um so eine Veränderung des SEnder ausgangsimpulses sowohl bezüglich der Pulsdauer als auch der Pulsfolgefrequenz (PRF) hervorzurufen. Man erkennt, daß diese Art der Veränderung ein wichtiger Paktor beim Betrieb des Höhenmessers ist insofern, als die Veränderung der Pulsdauer es ermöglicht, den Höhenmesser wirksam und genau mit einem einzigen

^ Antennensystem bis herunter zu sehr geringen Höhen zu betreiben. Das System verwendet ein festes Verhältnis von Pulsdauer zu Pulspause (Tastverhältnis). Abhängig von der Höhe <äes Plugzeuges über dem Boden wird die übertragene Pulsdauer zwischen 5 Nanosekunden bei einer Minimalhöhe von 3 m einschließlich Installation und Kabelverzögerung wie auch Höhe der Höhenmesserantenne über dem Boden bei gelandetem Plugzeug bis zu einer Pulsdauer von einer Mikrosekunde bei maximaler Meßhöhe von 1666 m geändert» Unterhalb 8 m Höhe wird die Pulsdauer konstant gehalten und das Tastverhältnis etwas vergrößert. Der Sendeschalter 12 ist demgemäß so ausgelegt, daß er eine Änderung der Pulsdauer von 500 : 1 ermöglicht, und er muß einerseits Pulse von nur fünf Nanosekuriden ■ Dauer erzeugen können wie auch andererseits Pulse mit einer Dauer

\ von einer Mikrosekunde, und schließlich ist es erforderlich, daß er eine Anstiegs- und Abfallzeit von zwei Nanosekunden nicht übersteigt. Der Durchlaßverlust in der Durchlaßstellung sollte gering sein, und die Isolation in der Sperrstellung sollte mindestens 70 db betragen. Es hat sich gezeigt, daß zwei schnelle PIN-Dioden verwendet werden können, die als Sendeschalter 12 die genannten Gründforderungen erfüllen. Der Ausgang des Sendeschalters 12 gelangt über einen Verzweigungs-Duplexer an ein Bandpass-Filter mit einem Durchlaßband von 4,2 bis 4,4 GHz. Die Aufgabe dieses

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Filters 16 besteht einfach darin, die Signalabstrahlung außerhalb des für Radarhöhenmesser zugelassenen Bandes zu verhindern. Der Ausgang dieses Filters 16 ist natürlich mit der Antenne 18 verbunden.

Da der Sendeschalter 12, der den Ausgang des Oszillators 10 gattert, im wesentlichen ein Schalter vom Reflexionstyp ist, ist es erforderlich, daß der Oszillator von dem Schalter isoliert wird, um Zieherscheinungen des Oszillators durch die Änderungen in der Belastung VSWR durch den Schalter während des Übergangs von der Sperr- zur Durchlaßstellung zu verhindern. Demgemäß ist ein Isolator 20 zwischen den Oszillator 10 und den Schalter 12 geschaltet. Durch gleichzeitige Einstellung der Leitungslänge zwischen dem Oszillator und dem Schalter kann die Belastungsänderung vom Oszillator aus gesehen so gemacht werden, daß sie einen vernachlässigbaren Effekt auf den Betrieb des Oszillators ausübt. Der Isolator 20 kann ein konventioneller Drei-Anschluß-Zirkulator sein, wobei der dritte Anschluß an eine Scheinlast 21 angeschlossen ist.

Das Bodnerücklaufsignal wird von derselben Antenne 18 erfaßt,durch das Filter 16 gegeben und auf einen anderen Verzweigungs-Duplexer 28 gegeben und; gelangt so auf den Bereichsgatterschalter 22, Der Bereichsgatterschalter 22 1st ähnlich dem Sendeschalter 12 Insofern, als ein PIN-Diodensehalter eingesetzt wird. Der Bereichsgatterschalter wird erregt durch ein Bereichsgattersignal, das auf der Leitung 24 erscheint und von dem spannungsgesteuerten Oszillator 14 stammt. Der Bereichsgatterimpuls hat seine Abfallflanke halbwegs zwischen der Anstiegsflanke der Sendeimpulse. Das Tastverhältnis der Sendeimpulse beträgt 1 : 20, während das Tastverhältnis der Bereichsgatterimpulse 1 : 4 beträgt. Unter dieser Bedingung ist der Empfänger auf seinen Maximumhöhenbereich geschaltet. Wenn kein Bodenrücklaufimpuls von dem Empfänger erfaßt wird mit einer Signalhöhe ob erhalt/einer voreingestellten Schwelle, wird der spannungsgesteuerte Oszillator

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abgetastet unter Veränderung der Pulsfolgefrequenz und der Pulsdauer des Sendesignals derart, daß die Impulspause zwischen den Sendeimpulsen und den Bereichsgatterimpulsen gesenkt wird und das System von der Maximalhöhe in Richtung Minimalhöhe ermittelt. Wie näher unten erläutert, fährt das System fort, von der Maximalhöhe zur Minimalhöhe zu suchen, wieder in den alten "Zustand zurückzukehren und wieder erneut zu suchen, bis ein Bodenrücklaufsignal erfaßt wird. Wenn ein Bodenrücklaufsignal erscheint mit einer Amplitude oberhalb der Erfassungsstelle, ψ wird das System verriegelt, und der Suchgenerator wird stillgelegt sowie eine Spurschleife betätigt zur Steuerung des spannungsgesteuerten Oszillators solange wie das empfangene Signal eine genügende Höhe besitzt« Im Spurmodus des Betriebes wird die Pulsfolgefrequenz so gesteuert, daß das Bereichsgatter so eingestellt wird, daß gerade die Anstiegsflanke des Bodenrücklaufsignals zum Empfänger gelangt, so daß der Empfängerausgang gleich der Spurschwelle ist.

Wie oben erwähnt, ist der Bereichsgatterschalter 22 ein PIN-Diodensehalter, und der Ausgang dieses Schalters wird einem balancierten Mischer 26 über einen Isolator 28 zugeführt, der k ähnlich aufgebaut ist wie der Isolator 20 und aus einem Drei-Anschluß-Zirkulator mit dem dritten Anschluß angeschlossen an eine Scheinlast 29 besteht. Ein Signal wird erhalten durch einen Richtungskoppler 30 von dem Sendersignalausgang vom Oszillator und wird dem balancierten Mischer zugeführt als lokaler Oszillator, so daß dies ein homodynes oder Null-i-f-Frequenzsystem ergibt.

Der Ausgang des Mischers 26 wird einem ersten i-f-Verstärker zugeführt mit einem Durchlaßband von 40 kHz bis 25 MHz. Durch Pestsetzen der unten Grenzfrequena des Durchlaßbandes auf kO kHz überträgt der Empfänger das erste Seitenband des übertragenen

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Impulses anstatt die Trägerfrequenz, wie es Üblicherwelse bei konventionellen homodynen Empfängern geschieht. Das Durchlaßband des ersten i-f-Verstärkers gestattet die Übertragung von höheren Signalspektrumkomponenten, doch werden diese von dem schmalbandigen zweiten i-f-Verstärker gesperrt. Das erste Seitenband des Signals liegt bei etwa 50 kHz, und auf diese Weise sorgt die Wahl des unteren Endes des Durchlaßbandes zu 40 kHz für den erwarteten Bereich der Dopplerfrequenzverschiebung. Die Verwendung dieses Bandpasses bewirkt ein gutes Rauschverhalten des Empfängers, doch ist immer noch das 1/f-Mischerrauschen zu berücksichtigen. Um die Empfindlichkeit weiter zu steigern bzw. den Rauschpegel zu senken, wird Rauschbereichgatterung angewandt. Zu diesem Zweck wird ein Signal von dem spannungsgesteuerten Oszillator 14 über die Leitung 33 abgeleitet und als Gattersignal verwendet, um so im wesentlichen den ersten i-f-Verstärker 32 auszuschalten mit Ausnahme der Zeitperioden, in deiiⁿes bekannt ist, daß ein Bodenrücklaufsignal durchläuft. Dies wird dadurch bewirkt, daß das Rauschbereichgattersignal mit einem festen Verhältnis zum Bereichsgattersignal auf der Leitung 24 erscheint, so daß ein Gatterimpuls auf Leitung 33 eine Dauer besitzt, die die letzten 20$ des Bereichsgatterimpulses überlappt. Auf diese Weise wird Rauschen, das durch den Empfänger kommt, im wesentlichen gesperrt mit Ausnahme einer Zeitperiode etwas vor und während des Durchlaufs eines Bodenrücklaufsignals. Der Rauschbereichsgatterimpuls ist wirksam von einer Maximalhöhe von 1666 m bis herunter zu 166 m, an welchem Punkt die Pulsfolg'efrequenz auf einen Wert zugenommen hat, bei dem der Sendeimpuls sehr schmal ist und es schwierig ist, die Rauschbereichsgatterimpulse genau auf 2635 der Bereichsgatterimpulse einzustellen. In jedem Fall ist bei so geringen Höhen das Bodenrücklaufsignal ^genügend stark und von so kurzer Dauer, daß das Rauschen keine Schwierigkeiten mehr bietet. Wenn demgemäß die Pulsfolgefrequenz einen höheren Wert erreicht und damit anzeigt, daß etwa 166 m Höhe erreicht sind, werden dfe Rauschbereichsgatterimpuls

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gesperrt, und das Gatter bleibt im ersten i-f-Verstärker 32 offen.

Der Ausgang des ersten i-f-Verstärkers 32 wird einem zweiten Mischer 34 zugeführt₀ Als Likaloszillator verwendet der zweite Mischer die Pulsfolgefrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 14, womit das erste Seitenband des Bodenrücklaufsignals gewandelt' wird in Null-i-f-Frequenz. Der Ausgang des zweiten Mischers wird dem zweiten i-f-Verstärker 36 zugeführt, der ein schmales Durchlaßband besitzt. Dieser zweite i-f-Verstärker 36

W weist ein Durchlaßband auf, das den Bereich der Dopplerfrequenzen überdeckt, die herrühren können von Null bis zu maximalen horizontalen und vertikalen Geschwindigkeiten. Da das System die Dopplermodulation über erste Pulsfolgefrequenzleitung des übertragenen Signalspektrums abtastet, muß es ein erstes i-f-Durchlaßband besitzen, das jene Frequenzen umfaßt, die zwischen der niedrigsten Pulsfolgefrequenz von 50 kHz und der höchöben Pulsfolgefrequenz von 25 MHz liegen. Die höchste Pulsfolgefrequenz liegt bei einer Minimalhöhe von etwa 3 ta. unter Berücksichtigung von Installationsyerzögerungen und dergleichen, und die niedrigste Pulsfolgefrequenz liegt bei einer Maximalhöhe von 1666 m. Viele Pulsfolgefrequenzleitungen fallen in das erste i-f-Durchlaßband ' von 40 kHz bis 25 MHz. Das zweite i-f-Durchlaßband erstreckt sich tatsächlich von 100 Hz bis 20 kHz· beldseits der Pulsfolgefrequenzleitung, und auf diese Weise werden wirksam alle anderen Pulsfolgefrequenzleltungen ausgefiltert, so daß nur das gewünschte Ansprechen auf plus oder minus 100 Hz bis plus oder minus 20 kHz schließlich vom Empfänger erfaßt wird.

Einer der hervorstechendsten Vorzüge des erfindungsgemäßen Höhenmessers liegt in seiner Fähigkeit, nicht von Reflexionen beeinflußt zu werden, die von Bauteilen des Flugzeugs herrühren, wie Landeklappen, Fahrwerk oder außen angebrachten Tanks.

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Das Bodenrücklaufsignal enthält sowohl eine Dopplerfrequenzspreizung als auch eine Dopplerfrequenzverschiebung infolge der horizontalen bzw. vertikalen Flugzeugbewegungskomponenten. Rücklaufsignale von Plugzeugbauteilen enthalten keine Dopplerkomponenten, und infolgedessen werden sie von dem erfindungsgemäßen Höhenmesser gesperrt, die sonst fehlerhafte Höhenmessungen bei geringen Höhen liefern könnten. Dies wird dadurch bewirkt, daß das Durchlaßband des zweiten i-f-Verstärkers 36 bei einem Minimum von 100 Hz liegt. Diese untere Grenzfrequenz des Durchlaßbandes würde erst dann Bodenrücklaufsignale sperren, wenn das Flugzeug eine vertikale und horizontale Geschwlndigkeitskbmponente von weniger als 1 m pro Sekunde hätte. Die Pulsfolgefrequenzlinie des empfangenen Signals wird frequenzverschoben durch den Betrag der Dopplerverschiebung, die von der vertikalen Geschwindigkeit des Flugzeuges herrührt, und das Signal weist eine gespreizte Dauer auf infolge der horizontalen Komponente der Geschwindigkeit mit dem Ergebnis, daß das empfangene Signal niemals bei der gleichen Frequenz liegt wie die Pulsfolgefrequenzlinie noch eine Dauer besitzt, die eng genug ist, daß sie von dem zweiten irf-Verstärker bloskiert wird, wenn nicht beide Geschwindigkeitskomponenten weniger als 1 m pro Sekunde betragen. Die obere Grenzfrequenz des zweiten tf-Verstärkers von 20 kHz ist so festgelegt worden, daß die maximal mögliche Dopplerverschiebung infolge einer Vertikalrate von plus oder minus 666mpro Sekunde erfaßt wird, was zu einer Dopplerverschiebung von 17,2 kHz führen würde oder einer Spektrumsbreite infolge einer horizontalen Geschwindigkeit von 2000 Knoten, was eine Spektrumsbreite von plus oder minus 12,2 kHz ergäbe.

Der zweite i-f-Verstärker 36 umfaßt ferner ein automatisches Rauschpegelungssystem zur Aufrechterhaltung des Empfängerrauschens bei einem konstanten Pegel unabhängig von der Alterung der Komponenten, der Temperatur oder anderen Faktoren. Dies wird dadurch bewirkt, daß die Meßeropulse alle 1,0 Sekunden für eine Dauer von 100 Millisekunden unterbrochen werden und daß während

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dieser Zeit der Rauschpegel erfaßt wird. Der Rauschspannungspegel wird dann verglichen mit einem Bezugswert und die Verstärkung des zweiten i-f-Verstärkers so einreguliert, daß die Rauschpegelspannung dem Bezugspegel entspricht. Ein anderes Verfahren der automatischen Rauschauspegelung benutzt ein 5-kHz-Durchlaßband oberhalb des erwarteten Bereichs von Dopplerfrequenzen. Durch Bandpassfilterung des Ausgangs vom zweiten i-f-Verstärker 36 kann ein Verstärkungssteuersignal abgeleitet werden zur Herstellung einer rückgekoppelten Gleichspannung für die Steuerung der Ver-Stärkung des zweiten i-f-Verstärkers.

Der Ausgang des zweiten. i-f-Verstärkers wird hinsichtlich seiner Hüüilkurve durch einen Detektor 38 abgetastet, und dessen Ausgang wird zunächst einem Erfassungsfilter und Sphwellenwähler zugeführt. Ein Nacherfassungstiefpassfilter wird auf 65O Hz eingestellt. Der Ausgang.dieses Filters ist eine Kombination son Signal und Rauschen, und dieses Signal wird subtrahiert von einem anderen Signal, das nur das Rauschen umfaßt derart, daß sich ein Spannungspegel als Bezugsspannung für den oben beschriebenen automatischen Rauschäuspegelungsschaltkreis ergibt. Das verbleibende Signal, das auf der Leitung 41 erscheint, gelangt zum Erfassungsfilter und Schwellenwähler 40. Das Signal wird einem Tiefpasserfassungsfilter von 40 Hz Bandbreite zugeführt. Der Ausgang dieses Filters wird dann verglichen mit der Erfassungsschwellenspannung durch einen Differenzverstärker. Mit entsprechenden logischen Schaltkreisen steuert der Ausgang des Differenzverstärkers den Festkörperschalter Im Suchmodus ist der Schalter 42 an Masse gelegt, so daß,der spannung gesteuerte Oszillator von einer Maximalhöhe bis zu einer Minimalhöhe sucht, wie oben erläutert, indem allmählich die Pulsfolgefrequenz vergrößert wird, bis zu dem Zeitpunkt, daß ein Bodenrücklaufsignal durch den Empfänger gelangt und den Minimumschwellenpegel übersteigt, mit dem der Schalter 42 betätigt wird.

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Bei Betätigung des Schalters 42 ist die Spurschleife aufgebaut, und das System arbeitet jetzt im Spurmodus. Dabei wird die Wirkung des Suchgenerators umgangen, so daß die Pulsfolgefrequenz nicht mehr von Maximum-bis Minimumhöhe sucht. Andererseits wird die Pulsfolgefrequenz gesteuert durch die Spurschleife, solange ein Signal durch den Empfänger gelangt mit einem Pegel oberhalb dem Schwellenwert. Nach Übernahme durch die Spurschleife übt sie weiterhin die Kontrolle über die Pulsfolgefrequenz aus, so daß höchstens nur die ersten lOSS der Anstiegsflanke des Bödenrücklauf impulses durch das Bereichsgatter gelangen. Auf diese Weise wird der Höhenanzeigefehler bei etwa ISi des tatsächlichen Wertes bei maximaler Höhe gehalten. Unterhalb l666 m ist der Spannungspegel des Bodenrückläufimpulses viel größer und, wie oben erwähnt wurde, wird das Rauschbereichsgatter entregt, und infolge des höheren Spannungspegels des Bodenrücklaufsignals kann die Erfassung dieses Impulses mit einem geringeren Prozentsatz des Gesamtimpulses in dem Bereich erfolgen, wobei immer noch ein genügend hoher Spannungspegel erhalten wird, um den erforderlichen Schwellenwert zu übersteigen mit dem Ergebnis, daß der Fehler unterhalb 166 m Höhe liegt.

Wenn die Spurschleife auf diese Weise die Pulsfolgefrequenz steuert unter Verfolg des Bodenrücklaufimpulses, wird die Pulsfolgefrequenz zur Anzeige der Höhe verwendt. Die Pulsfolgefrequenz wird entweder einem Digitalwandler 50 oder einem analogen Wandler 52 zugeführt. Der Digitalwandler liefert dann digitale Höheninformationen an einen allgemeinen Zwecken dienenden Rechner, während der Analogwandler analoge Höheninformationen liefert, die verwendet werden . können, um einen Höhenanzeiger im Cockpit zu beaufschlagen und auch, um Komparatoren zu speisen, die in einem Höhenwarnsystem Verwendung finden.

• Patentansprüche :

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Claims

Patentansprüche

Kohärenz^-Doppl erhöhenmess er mit einem Sender und einem Empfänger für reflektierte Senderimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender für die Aussendung einer Folge von Impulsen ausgelegt ist, daß der Empfänger Filter aufweist für die Erfassung ausschließlich solcher Signale, die von relativ zu dem Sender bewegten Oberflächen reflektiert worden sind, daß eine einzige sowohl mit dem Sender als auch mit dem Empfänger gekoppelte Antenne vorgesehen ist und daß Zähleinrichtungen vorgesehen sind, die auf den Sender ansprechen bei Empfang der reflektierten Signale durch den Empfänger zwecks Lieferung eines für den Abstand zwischen der Antenne und der reflektierenden Fläche repräsentativen Signals.
2) Kohärenz-Dopplerhöhenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger Gattereinrichtungen für den Durchlaß des empfangenen Signals aufweist und Spursucheinrichtungen zur Beeinflussung der Öffnungszeit der Gattereinrichtungen derart, daß nur die Anstiegsflanke des reflektierten Signals durchgelassen wird.
3) Kohärenz-Dopplerhöhenmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender einen spannungsgesteuerten Oszillator umfaßt zur Änderung der Pulsfolgefrequenz und Pulsdauer der ausgesandten Impulsfolge, daß mit dem Oszillator Bereichsgatter gekoppelt sind für den Durchlaß der reflektierten Signale derart, daß nur solche Impulse durchgelassen werden, die innerhalb einer für einen vorgewählten maximalen Bereich repräsentativen Zeitperiode liegen, daß mit dem Oszillator und dem Empfänger Sucheinrichtungen gekoppelt sind für die Steuerung des Gatters derart, daß nur die Anstiegsflanke dieser Impulse durchgelassen wird, und daß die Zähleinrichtung mit dem Oszillator gekoppelt ist zur Anzeige von dessen Pulsfolgefrequenz.

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4) Kohärenz-Dopplerhöhenmesser nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Sender einen Hochfrequenzoszillator umfaßt, mit dessen Ausgang ein Schalter gekoppelt ist, der betätigbar ist von dem spannungsgesteuerten Oszillator derart, daß die ausgesandten Impulse eine veränderbare Pulsfolgefrequenz und Pulsdauer aufweisen.
5) Kohärenz-Dopplerhöhenmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hochfrequenzoszillator und den Schalter ein Isolator geschaltet ist.
6) Kohärenz-Dopplerhöhenmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger mit dem spannungsgesteuerten Oszillator gekoppelte Abtasteinrichtungen aufweist zur Veränderung der Pulsfolgefrequenz und Pulsdauer desselben.
7) Kohärenz-Dopplerhöhenmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger einen mit den Abtasteinrichtungen und der Sucheinrichtung gekoppelten Detektor aufweist, der auf die von dem Empfänger durchgelassenen reflektierten Impulse anspricht zur Entregung der Abtasteinrichtung und Erregung der Sucheinrichtung derart, daß die Sucheinrichtung mit dem spannungsgesteuerten Oszillator gekoppelt wird zur Steuerung von dessen Pulsfolgefrequenz.
8) Kohärenz-Dopplerhöhenmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,daß der Empfänger aufweist;

,einen ersten Mischer, dessen Lokaloszillatorfrequenz die des Hochfrequenzoszillators 1st,

einen ersten i-f-Verstärker, der an den ersten Mischer angekoppelt ist und ein Durchlaßband aufweist, das mindestens das erste Seltenband des Hochfrequenzoszillators überdeckt und Signale mit dessen Frequenz ausschließt,

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einen zweiten mit dem ersten i-f-Verstärker gekoppelten Mischer, dessen Lokalossiilatorfrequenz gleich der Pulsfolgefrequenz ist,

einen zweiten i-f-Verstärker, der an den zweiten Mischer angekoppelt ist und ein Durchlaßband aufweist, dessen untere Grenzfrequenz größer als Null ist und dessen obere Grenzfrequenz etwas grlßer ist als die maximal erwartete Dopplerfrequenzverschiebung, und

einen an den Ausgang des zweiten i-f-Verstärkers angekoppelten Detektor.
9) Kohärenz-Dopplerhöhenmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rauschgatter an den ersten i-f-Verstärker und den spannungsgesteuerten Oszillator angekoppelt ist, das derart betätigbar ist, daß Impulse durch den Verstärker nur während eines Zeitabschnitts durchgelassen werden, in dem das Bereichs gatter der* Durchlaß reflektierter Impulse gestattet.

209835/0600

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