DE2137206C3 - Frequenzumtast-Radarsystem zur Dopplerphasendifferenz-Abstandsmessung, Dopplerfrequenz-Geschwindigkeitsmessung und Annäherung/AbstandsvergröBerung-Unterscheidung - Google Patents

Description

4. Radarsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (10, 17) ein spannungsabhängig frequenzänderndes Element (43) aufweist und die Modulationseinrichtung (18) eine entsprechende SpannungsweUenform zum Modulieren des Elementes (43) erzeugt, um das Aussenden der vier Frequenzen (Fi, Fi, ß, Fa) zu bewirken.

5. Radarsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (43) ein Varaktor (Kapazitätsdiode) ist und der Sender (10) eine Gunn-Diode (11) enthält

6. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß eine Einrichtung (42) zum Erzeugen eines Selbsttestsignals vorgesehen ist und das Selbsttestsignal an die Dopplerkanäle (27,29; 28, 31) derart angekoppelt ist, daß die richtige Funktionsweise des Systems periodisch getestet wird.

7. Radarsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß das Testsignal über den Sender (i7; 10) an die Dopplerkanäle (27, 29; 28, 31) gekoppelt ist

8. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß eine Schwellenschaltung (39) vorgesehen ist die eine Eingangsgröße von einer (24) der Torschaltungen (24, 26) empfängt und so ausgelegt ist daß sie eine Anzeige über das Vorhandensein eines Ortungsobjektes liefert, wenn die betreffende Torschaltung eine Eingangsgröße liefert die oberhalb des ausgewählten Wertes liegt und eine Anzeige über das Fehlen eines Ortungsobjektes liefert wenn die betreffende Torschaltung eine Eingangsgröße liefert die unterhalb des voreingestellten Wertes liegf.

Die Erfindung betrifft ein Dauerstrich-Doppler- Radarsystem zum Herleiten einer Information über eine Entfernung (Abstand), Entfernungsänderung (Geschwindigkeit) und Annäherung/Abstandsvergrößerung relativ zu einem Ortungsobjekt bestehend aus einem Sender mit einer Modulationseinrichtung zur Frequenzumtastung, so daß der Reihe nach mehrere diskrete Frequenzen gesendet werden, und aus einem Empfänger mit einer Mischstufe zum Mischen der gesendeten und der empfangenen Signale, um zwei Dopplersignale zu erzeugen, und mit getrennten Torsteuereinrichtungen, die den beiden Dopplerkanälen zugeordnet sind, wobei die Torsteuereinrichtungen auf die Modulationseinrichtung derart ansprechen, daß die Dopplerkanäle aufeinanderfolgend entsprechend dem aufeinanderfolgenden Aussenden der diskreten Frequenzen ein- bzw. ausgeschaltet werden, ferner mit einer Doppler-Phasenvergleichseinrichtung, die die Dopplersignale empfängt und eine die Entfernung zwischen dem System und dem Ortungsobjekt wiedergebende Ausgangsgröße erzeugt einer Anzeigeeinrichtung für die Entfernungsänderung, welche eines der Dopplersignale empfängt und eine die relative Geschwindigkeit zwischen dem System und dem Ortungsobjekt wiedergebende Ausgangsgröße erzeugt, und einer Einrichtung zur Bestimmung einer

fainäherung/Abstandsvergrößerung, welche die Dopplersignale empfängt und eine Ausgangsgröße erzeugt, die kennzeichnend für die Abstandsverkleinerung (Annäherung) bzw. -vergrößerung zwischen Ortungsobjekt und System ist

Ein derartiges nach dem Dopplerprinzip arbeitendes Radargerät ist Gegenstand eines älteren Vorschlags. Dieses Radargerät enthält eine Diode, die einen Betriebsbereich aufweist, in dem sie in elektrischem Sinn schwingt Die von der Diode erzeugte elektromagnetische Energie wird zu dem Ortungsobjekt hin abgestrahlt, und die vom Ortungsobjekt reflektierte elektromagnetische Energie wird zumindest teilweise der Diode zugeführt und wird in der Diode mit einem Teil der ausgesendeten elektromagnetischen Energie gemischt Es ist weiter eine auswertende Einrichtung vorhanden, um die Änderung in dem Differenzsignal zu erfassen und ein Signal zu erzeugen, welches die Entfernung zum Ortungsobjekt hin wiedergibt Auch ist eine Modulationsschaltung vorhanden, um die Schwingfrequenz der genannten Diode von einer ersten Frequenz zu einer zweiten Frequenz hin in einer periodischen Folge zu verschieben. Auf Grund dieser periodischen Verschiebung der Frequenz erhält man im Endergebnis zwei Differenzsignale, die in einem ersten und in einem zweiten getasteten Verstärker verarbeitet werden (deutsche Patentanmeldung P 21 26 470.0 und P 21 43 406.0-35).

Bei einera aus der britischen Patentschrift 8 94 345 bekannten Radarsystem gelangen Einrichtungen, wie beispielsweise ein Sender, ein Empfänger, eine Frequenzmodulationseinrichtung, eine Mischstufe, Dopplerkanäle und Doppler-Phasenvergleichseinrichtungen und ebenso eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige der Entfernungsänderung zur Anwendung. Das Gerät enthält auch einen Oszillator, der kontinuierlich eine Ausgangswelle mit einer bestimmten Frequenz erzeugt, und enthält auch eine elektromagnetische Einrichtung, um ein sich drehendes Magnetfeld zu erzeugen. Bei diesem bekannten Radargerät ist auch eine Einrichtung vorhanden, um einen Teil der Oszillatorausgangsgröße unmoduliert einer Richtungsantenne zuzuführen und einen anderen Teil durch den Modulator zur Richtungsantenne zu führen oder zu einer anderen Richtungsantenne zu führen, so daß im Endeffekt zwti Signale mit unterschiedlichen Frequenzen ausgesendet werden, wobei die Frequenzdifferenz von der Geschwindigkeit der Drehung des Magnetfeldes abhängt Die Empfangseinrichtung empfängt die von einem Ortungsobjekt reflektierten Signale entsprechend den zwei Frequenzen, und es ist eine Einrichtung vorgesehen, um die Entfernung des Ortungsobjektes zum Radargerät hin zu bestimmen, wobei für diese Bestimmung die Phase von zwei Dopplersignalen verglichen wird, die durch Mischen der vom Ortungsobjekt reflektierten Signale mit den gesendeten Signalen erhalten werden.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1213 493 ist schließlich ein Gerät bekannt, dem die Aufgabe zukommt, zu verhindern, daß Objekte, die sich bewegen, mit anderen Objekten, die sich in Ruhe befinden oder sich bewegen und eine solche Lage einnehmen, daß sie für die erstgenannten bewegten Objekte als Hindernis wirken, Kollisionen erfahren. Um dies zu erreichen, wird die Auswahl von Entfernungsbereichen vorgenommen, so daß Reflexionen, die von Hindernissen außerhalb eines bestimmten Bereiches stammen, von dem Gerät nicht verarbeitet werden. Es handelt sich dabei um ein mit Frequenzselektion arbeitendes Verfahren.

Bei diesem bekannten Gerät wird eine Doppler-Radar-Anordnung zur Anwendung gebracht, nach der zwei phasenverschobene Komponenten des örtlichen Signals mit dem reflektierten Signal gemischt werden,

so daß zwei Ausgangssignale entstehen, die voneinander verschiedene Phasenverschiebungen aufweisen, je nachdem, ob sich das Hindernis nähen oder entfernt Dabei werden die Amplituden der beiden Signale abhängig davon, ob sich das Hindernis nähert oder

ίο entfernt, addiert oder subtrahiert Dadurch entsteht ein Signal, dessen Amplitude wesentlich höher ist, wenn sich das Hindernis nähert als wenn es sich entfernt

Das Gerät enthält als wesentliches Merkmal eine Steuereinrichtung, die eine Steuerspannung mit sich periodisch wiederholendem Verlauf mit treppenförmigen Anstieg und senkrechtem Abfall erzeugt, wobei die Abmessungen der Treppenform dadurch gegeben sind, daß die drei Forderungen erfüllt sein müssen, daß

1. die Länge jeder Treppenstufe entsprechend der ίο oberen Grenze des Entfernungsbereiches,

2. die Stufenhöhe entsprechend dem doppelten Betrag der maximal zu erwartenden Dopplerverschiebung und

3. die Mindestzahl der Stufen entsprechend der maximalen Entfernung, aus welcher Echos von

Hindernissen aufgenommen werden,
bemessen sind, und daß die verwendeten Filter so ausgebildet sind, daß sie Differenzfrequenzschwingungen sperren, deren Frequenz höher als die halbe Stufenhöhe ist Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Differenzfrequenzschwingungen, durch die die Entfernungsbereiche festgelegt werden, nach oben hin durch die Filter begrenzt werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, das Radarsystem der eingangs definierten Art hinsichtlich der Diskriminierung zwischen den reflektierten unterschiedlichen Dopplersignalen zu verbessern.

Ausgehend von dem Dauerstrich-Doppler-Radarsystern der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sendesignale der Reihe nach aus vier diskreten Frequenzen bestehen, wobei zwei dieser Frequenzen zusammenwirken und eines der Dopplersignale formen und die anderen zwei Frequenzen zusammenwirken und das andere der Dopplersignale formen, und daß die Umtastfrequenz — wie an sich bekannt — und die Torsteuerfrequenz derart gewählt sind, daß die Amplituden der zusammengesetzten Signale graduell bei einer bestimmten gewünschten Entfernung zu Null werden (Entfernufcgsbegrenzung).

Das Radarsystem nach der vorliegenden Erfindung kann in erster Linie in einem sich anpassenden Geschwindigkeitssteuersystem Verwendung finden, um einen konstanten und sicheren Abstand, beispielsweise zwischen den in gleicher Richtung fahi«nden Fahrzeugen, aufrechtzuerhalten.

Um ab einer bestimmten Entfernung eine Zweideutigkeit des Meßergebnisses zu vermeiden, besteht zwar die Möglichkeit, durch Rechteckwellenmodulation des Senders einen Entfernungsabbruch durch richtige Einstellung der Differenz zwischen den zwei gesendeten Frequenzen zu erreichen. Diese Möglichkeit ist jedoch mit Nachteilen behaftet, da Fehler in der Phasenmessung dabei kritischer werden und eine größere ₆, Auswirkung auf die Entfernungsmessung haben.

Um den Entfernungsbereich, bis zu welchem eine eindeutige Messung vorgenommen werden kann, genau festzulegen bzw. den Entfernungsabbruch genau vorzu-

sehen, werden erfindungsgemäß vier Signale entsprechend vier unterschiedlicher Frequenzen ausgesendet.

Die zwei Doppler-Kanäle empfangen daher zwei Dopplersignale, welche ein zusammengesetztes Dopplersignal formen.

Der Leistungsausgang bei dem Radarsystem nach der vorliegenden Erfindung ist nicht so bemessen, daß eine Messung von Entfernungen über etwa 91 m möglich ist. Es liefert jedoch eine genaue Information innerhalb eines Entfernungsbereiches von 15 m. Das Radargerät nach der vorliegenden Erfindung ist daher sehr vorteilhaft als Zusatz bei bereits bestehenden Impulsradarsystemen zu verwenden.

Das Radarsystem nach der vorliegenden Erfindung läßt sich vorteilhaft in einem sich anpassenden Geschwindigkeitsste lersystem, jedoch auch als Entfernungsmeßsystem eines Flugzeugs einsetzen.

Die relative Geschwindigkeit wird von der Frequenz der Dopplerverschiebung zwischen den gesendeten und den reflektierten Signalen bestimmt. Die Entfernung ist proportional zum Phasenwinkel zwischen den zusammengesetzten Dopplersignalen, die jedem von zwei Dopplerkanälen zugeordnet sind. Eine Entfernungsbestimmung kann durch die Verwendung einer komplexen Modulation des ausgesendeten Signals vorgenommen werden. Das zusammengesetzte Dopplersignal für jeden Kanal kann als Vektorsumme zweier Signalkomponenten betrachtet werden. Die zwei zusammengesetzten Dopplersignale definieren zusammen den Phasenwinkel, der die Entfernung zwischen dem Ortungsobjekt und der Sendeantenne angibt Obwohl somit eine Phasenbeziehung zwischen den Dopplersignalen für alle Entfernungen beibehalten wird, verschwindet der zusammengesetzte Vektor bei einer ausgewählten Entfernung. Hierdurch wird der erwähnte Bereichs- oder Entfernungsabbruch erreicht, der aurch die maximale von dem Radargerät erfaßbare Entfernung definiert ist Obwohl der zusammengesetzte Vektor jenseits der maximalen Entfernung wieder erscheint so ist er doch stark durch den Faktor der Entfernung gedämpft und liegt somit unterhalb des Schwellenwertes des Radarsystems.

Die Betriebsfrequenz des Radarsystems, bei der Verwendung in einem sich anpassenden Geschwindigkeitssteuersystem, beträgt beispielsweise 16 GHz.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Systems, auf das die Erfindung angewendet wird,

F i g. 2 einen schematisierten Schaltplan eines Gunn-Dioden-Dopplerradarsystems, welches den Modulationsgenerator und Torschaltungen enthält, die in Verbindung mit dem System nach der Erfindung nützlich sind,

F i g. 3 eine aus zwei Frequenzen zusammengesetzte Wellenform, wie sie von den bereits vorgeschlagenen Systemen ausgesendet wird,

Fig.3a Und 3b individuelle Dopplersignale, die das zusammengesetzte Signal gemäß Fi g. 3 ausmachen,

Fig.4 eine erfindungsgemäße Vierfrequenzausführung des ausgesendeten Signals, die dazu verwendet wird, um den Entfernungsabbruch zu verwirklichen,

F i g. 5 eine Reihe von vektoriellen Beziehungen zwischen den gesendeten Frequenzen, die für die Beschreibung des Merkmals des Entfernungsabbruches bei dem System nach der Erfindung nützlich sind,

Fig.6a und 6b einzelne Wellenformen, die dazu verwendet werden können, um die zusammengesetzte modulierende Frequenz zu formen, so daß die Sendung der Frequenzen, die in Fig.4 gezeigt sind, dadurch erzielt wird, und

F i g. 7 ein komplexes Modulationssignal, welches aus der Addition der Wellenformen gemäß F i g. 6a und 6b

ίο resultiert.

Das in F i g. 1 veranschaulichte bevorzugte Ausführungsbeispiel enthält eine Sende-Empfangs-Antenne 12, die über einen Dreitor-Zirkulator 14 an den Sender 17 gekoppelt ist, und weiter ein Abstimmglied (»Tuner«) 13 in Form einer Kapazitätsschraube. Der Zirkulator 14 dient dazu, den Sender und den Empfänger gegeneinander zu isolieren. Eine zusätzliche Isolation wird durch den Tuner 13 vorgesehen, welcher einen kleinen Betrag der ausgesendeten Energie in der richtigen Phasenlage reflektiert, um den Sendeverlust zu beseitigen.

Das empfangene Signal wird über den Zirkulator 14 an die abgeglichene Mischstufe 21 gekoppelt. Ein Teil der ausgesendeten Ausgangsgröße wird über den Richtungskoppler 16 in die Mischstufe 21 injiziert. Die Ausgangsgröße der Mischstufe enthält daher die Dopplersignale, welche die Differenz zwischen der gesendeten und der empfangenen Frequenz darstellen. Da die Sendefrequenz zwischen mehreren Frequenzen hin und her geschaltet wird, ist die Dopplerinformation in abwechselnden kurzen Energiestößen enthalten, die mit der Sendeschaltfolge erscheinen. Bei den bereits vorgeschlagenen Systemen handelt es sich um zwei Frequenzen, bei der Erfindung um vier.

Das Schalten der Senderfrequenz zwischen den Frequenzen wird von dem Modulator 18 vorgenommen. Der Modulator 18 dient auch dazu, den Torgenerator 19 zu aktivieren, der auch dazu verwendet wird, die Torschaltungen 24 und 26 synchron mit der Senderschaltung bzw. dem Schalten des Senders anzusteuern, so daß das empfangene Signal in richtiger Weise getrennten Kanälen zugeführt wird, die für die zwei bestimmten Dopplerfrequenzen vorgesehen sind.

Die Ausgangsgröße aus der abgeglichenen Mischstufe 21 wird in einem linearen Vorverstärker 22 mit geringem Geräuschanteil verstärkt wobei dieser Vorverstärker einen Bandpaß aufweist dessen Bandbreite wenigstens 5mal so groß wie die Sende-Schaltfolge ist Ein Hochpaß ist zum Erhalten der Dopplerinformation erforderlich, die in der Wechselhalbwelle odei Halbzyklus des Sender-Schaltens enthalten ist

Die Fig.3, 3a und 3b dienen zum besserer Verständnis der empfangenen Signale. Die zusammengesetzte Wellenform, die in Fi g. 3 veranschaulicht ist besteht bei den bereits vorgeschlagenen Systemen aus einer ersten gesendeten Frequenz R und einer zweiter gesendeten Frequenz Fl Die Dopplerinformation relativ zu den Frequenzen Fi und Fi, wird durch die Einhüllenden der Wellenformen vorgesehen. Demzufolge ist die Dopplerfrequenz FA, die der gesendeter Frequenz Fi zugeordnet ist, durch die Flanke dei Einhüllenden der Wellenform definiert In ähnliche! Weise ist die zweite Dopplerfrequenz Feh, die dei anderen gesendeten Frequenz Fi zugeordnet ist, durcr die Hinterflanke der Einhüllenden der Wellenform ir

G₅ Fig.3definiert.

Die Wellenform in F i g. 3, die die Ausgangsgröße de: Vorverstärkers 22 darstellt, wird über einen Emitterfol ger 23 den Torschaltungen (Gatter) 24 und 26 zugeführt

Die zusammengesetzte Wellenform in Fig.3 wird beiden Toren 24 und 26 zugeführt. Da jedoch der Torgenerator 19 die Gatter 24 und 26 synchron mit dem Sender-Schalten betätigt, werden die Wellenformen gemäß Fig.3a und 3b individuell in die zwei 5 Empfangskanäle geleitet Demzufolge wird das Dopplersignal Fd\ dem einen Kanal zugeführt, während das Dopplersignal Fdi dem anderen Kanal zugeführt wird.

Der dem Gatter 24 zugeordnete Dopplerkanal enthält ein aktives Tiefpaßfilter 27 und einen Begrenzer- 1 ο verstärker 29. Das Tiefpaßfilter 27 wird dazu verwendet, die Verarbeitung der Dopplersignale auf diejenigen zu beschränken, die innerhalb des Bandes liegen, welches den Geschwindigkeiten der Abstandsvergrößerung bzw. der Annäherung entspricht, die bei der Distanzsteuerung vorkommen. Demnach bietet das System eine starke Abweisung für Dopplersignale von festen Gegenständen, wie Brücken, Straßenschildern, Bäumen usw.

In ähnlicher Weise enthält der dem Gatter 26 zugeordnete Dopplerkanal ein aktives Tiefpaßfilter 28 und einen Begrenzerverstärker 3t. Diese Komponenten arbeiten in der gleichen Weise wie diejenigen, die dem Gatter 24 zugeordnet sind.

Beispielsweise kann das Dopplerband etwa 1000 Hz breit sein, welche Frequenzen bei einer Radarfrequenz von 16 GHz relative Geschwindigkeiten von 0 bis etwa 10 m/s darstellen. Es sei hervorgehoben, daß diese Werte nicht die optimalen Werte sein müssen. Ein breiterer Bandpaß würde einen Betrieb über einen größeren Bereich relativer Geschwindigkeiten ermöglichen, jedoch mit dem Kompromiß einer bestimmten Aufgabe an Abweisung gegenüber festen Ortungsobjekten.

Eine andere Maßnahme gegen eine feste Ortungsobjekt-Abweisung besteht in einer Schmalband-»Geschwindigkeitstor«-Steuerung. Diese Technik kann eingesetzt werden, wenn die Durchlaßbandbreite in einem Ausmaß verbreitert wird, bei dem die Vorteile einer festen Ortungsobjekt-Abweisung verlorengehen.

Die Begrenzerverstärkerschaltungen 29 und 31, die in den zwei Dopplerkanälen enthalten sind, verstärken die Ausgangsgrößen aus den Dopplerfiltern auf einen Wert, bei dem eine Amplituden-Unempfindlichkeits-Phasenmessung vorgenommen werden kann. Die Ausgangsgrößen aus beiden Dopplerkanälen werden daher einem Phasendetektor 34 zugeführt, welcher den Phasenwinkel zwischen den Dopplerfrequenzen Fd\ und Fcfc, die jeweils in den Fig.3a und 3b gezeigt sind, mißt Die Ausgangsgröße aus dem Phasendetektor 34 ist eine Gleichspannung, die proportional zur Phasenverschiebung zwischen den zwei Dopplersignalen ist und daher kennzeichnend für die Entfernung zwischen dem Ortungsobjekt und der Senderanteime ist Die direkte Proportionalität der Ausgangsgröße des Phasendetektors 34 zur Entfernung bleibt Ober eine Ortungsobjekt-Entfernung bestehen, die durch einen Phasenwinkel von 0 bis 180° gekennzeichnet ist Jenseits 180° fällt die Ausgangsgröße des Phasendetektors ab und wird zweideutig.

Die maximale Entfernung oder die Entfernung, jenseits welcher der Phasenwinkel zweideutig wird, ist eine Funktion der zwei gesendeten Frequenzen Fi and Fl Dies kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Hierin ist

\Φ =

4.7 J? IF

c = Lichtgeschwindigkeit,

R = Entfernung,

AF - R - Fi,

ΔΦ = Phasenwinkel.

Die Gleichung 1 zeigt, daß eine Zunahme in der Entfernung, bei welcher die Zweideutigkeit auftritt, einfach durch Verminderung des Wertes AF erreicht werden kann. Es besteht auch die Möglichkeit, eine Verminderung der Entfernung, bei welcher die Zweideutigkeit auftritt, zu verwirklichen, indem man den WertdFerhöht

Ungeachtet der gewünschten kritischen Entfernung, können einige Signale in der zweideutigen Entfernung von großen Ortungsobjekten angenommen werden, die in einem günstigen Fall vorhanden sein können. Diese Schwierigkeit kann weitestgehend beseitigt werden, indem man eine Schwelle vorsieht, oberhalb welcher Ortungsobjekte angenommen werden und unterhalb welcher empfangene Signale abgewiesen werden.

Die Beschreibung bezog sich bisher auf die Ausführungsform gemäß F i g. 1, bei der ein Ricntungskoppler 16, eine abgeglichene Mischstufe 21 und ein Zirkulator 14 zur Anwendung gelangen. Ein Radarsystem, welches diese Elemente verwendet, entspricht vollkommen dem gewünschten Systemtyp. Wirtschaftliche Betrachtungen machen jedoch eine soweit wie möglich reichende Vereinfachung erforderlich. Ein derartiges wirtschaftliches System ist in F i g. 2 gezeigt.

Gemäß Fig.2 besteht ein Sender 10 aus einer Gunn-Diode 11. Die Gunn-Diode 11 dient sowohl als Senderoszillator, um die ausgesendeten Frequenzen Ft und Fi zu erzeugen, als auch als Frequenzkonverter oder Mischstufe, um die zwei Dopplerfrequenzen Fd\ und Fdi abzuleiten. Um die Aussendung zweier diskreter Frequenzen zu erreichen, ist es erforderlich, die Gunn-Diode 11 abzustimmen. Dies wird mit Hilfe eines Varaktors 43 erreicht, welcher im Resonanzhohlraum 44 des Gunn-Diodensenders angeordnet ist. Wie dies gut bekannt ist, stellt ein Varaktor ein kapazitives Element dar, welches seine Impedanz in Abhängigkeit einer sich ändernden Spannung, die diesem Element zugeführt wird, ändert Demzufolge wird die Impedanz, die von der Gunn-Diode 11 »gesehen wird«, in Einklang mit der Änderung der Impedanz des Varaktors 43 geändert Diese Impedanzänderung ergibt letztlich die Sendung der zwei diskreten Frequenzen Fi und Fl

Die erforderlichen Impedanzänderungen der Varaktordiode 43 können durch Verwendung eines Modulationsgenerators 18 erreicht werden. Durch die Verwendung eines Rechteckwellengenerators ändert sich die gesendete Frequenz zwischen den Frequenzen Fi und Fl, und zwar nut der Frequenz des Rechteckwellengenerators. Die Änderungsfolge der Modulation wird se ausgewählt, daß sie höher liegt als die höchste vorkommende interessierende DopplerfreqUenz.

Die erforderliche Modulation kann ebenso dadurcr erreicht werden, daß man den Modulationsgenerator Ii an die Gunn-Diode 11 koppelt und die Gunn-Diode au! diese Weise spannungsmäßig abstimmt Dies ist eine annehmbare Methode; es besteht dabei jedoch die Möglichkeit, daß eine unerwünschte Amplitudenmodu lation auftreten kann.

Die Energie für die Schwingungen der Gunn-Diode 11 wird von einer Spannungsquelle 47 geliefert die ar die Diode 11 Ober einen Widerstand 46 angeschlossei

609 653 168

ist. Die reflektierte Energie wird von der Antenne 12 aufgefangen und wird mit der gesendeten Energie vermittels der Gunn-Diode 11 gemischt, so daß die Dopplersignale über der Gunn-Diode 11 anstehen. Diese Signale werden an die Gatter 24 und 26 s gekoppelt, um sie zu trennen und in die zwei Dopplerkanäle in einer Weise einzuspeisen, wie dies ähnlich bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 der Fall war. Demzufolge ist der Modulationsgenerator 18 auch an die Gatter 24 und 26 gekoppelt, so daß die Gatter 24 ι ο und 26 synchron geschaltet werden.

Wie bereits an früherer Stelle erwähnt wurde, kann der gewünschte Betrieb durch Rechteckwellenmodulation der Gunn-Diode 11 oder des Senders 17, der in Fig. 1 gezeigt ist, erreicht werden. Dies ist bei den bereits vorgeschlagenen Systemen der Fall. In diesen Fällen kann der Entfernungsabbruch durch richtige Einstellung der Differenz zwischen den zwei gesendeten Frequenzen vorgesehen werden, um die Entfernung zu erhöhen, bei welcher die Zweideutigkeit auftritt Obwohl dies eine Möglichkeit darstellt, so ist sie doch mit Nachteilen behaftet, da Fehler in der Phasenmessung kritischer werden und eine größere Auswirkung auf die Entfernungsmessung haben.

Die erfindungsgemäße Methode, den Entfernungsabbruch vorzusehen, besteht daher in einer derartigen Frequenzverschiebung des gesendeten Signals, daß ein zusammengesetztes Signal für jeden der zwei Dopplerkanäle abgeleitet werden kann. Insgesamt werden daher vier Sendefrequenzen verwendet Ein Modulationsschema, welches leicht ausgeführt werden kann und welches in diesem Sinn arbeitet soll anschließend unter Hinweis auf die Wellenform gemäß F i g. 4 beschrieben werden. Ein effektiver Entfernungsabbruch wird erreicht indem man vier Frequenzen Fi, F2, Fi und Fa in derselben Reihenfolge, wie sie in Fig.4 veranschaulicht ist, sendet. Die vier gesendeten Frequenzen sind so ausgewählt, daß folgendes gilt:

F₂ = F₁+ IF,

40

+ IF,

F -

IF
2

IF

Die Zeitsteuerung des Sendens der vier Frequenzen ist in Fig.4 veranschaulicht Die zwei Frequenzen Fi und Fi werden zu einem Zeitpunkt gesendet, wenn der Dopplerkanal FA geöffnet ist bzw. tormäßig offen gesteuert wurde, während die zwei Frequenzen Fi und F* gesendet werden, wenn der Dopplerkanal Fck _5S aufgetastet ist

Demzufolge empfangen die zwei Dopplerkanäle zwei Dopplersignale, welche ein zusammengesetztes Dopplersignal formen. Eines der zusammengesetzten Signale besteht aus den Dopplersignalen Fdi und F<h, und das _te andere zusammengesetzte Signal besteht aus den zwei Dopplersignalen FA und FA. Die den zwei Kanälen zugeführten Dopplersignale stellen somit die vektorielle Summe der zwei Dopplersignale für jeden Kanal dar. Dies ist in Fig.5 veranschaulicht in der die vektorielle Summe für verschiedene typische Entfernungen gezeigt ist

Fig. 5a zeigt zwei Dopplersignale Fdn und Fda, die

bei einer beispielsweisen Entfernung von 50 m empfan gen werden würden. Die zwei Dopplerfrequenzen Fu und Fei bilden, miteinander verbunden, das resultieren de zusammengesetzte Dopplersignal Fdn. In ähnliche Weise ergeben die zwei Dopplersignale Fda und FcA da: zusammengesetzte Dopplersignal Fdfi.

Fig.5b zeigt eine ähnliche Situation für eim Entfernung von 100 m. Es sei jedoch hervorgehoben daß das resultierende Dopplersignal Fdn kleiner in dei Amplitude ist als die resultierende Dopplerfrequens Fdn für 50 m Entfernung.

Die Verminderung in dem resultierenden Vektor ist ir Fig.5c gezeigt, die eine Entfernung von 150 rc wiedergibt, wobei FcAi noch kleiner ist als in F ι g. 5b. Ir Fig.5b, die eine Entfernung von 200m wiedergibt wurden die resultierenden Dopplersignale auf Null reduziert, wie dies zu erwarten ist, da die zwei iignalkomponentenum 180° phasenverschoben sind

Obwohl die Amplitude der zwei resultierenden Dopplersignale FcAi und Fda auf Null reduziert wurde, und zwar bei einer maximalen Entfernung von 200 m, die zur Veranschaulichung beispielsweise gewählt wurde, bleibt dennoch eine Phasenbeziehung zwischen den Vektorkomponenten bestehen. Demnach beträgt die Phasenbeziehung zwischen Fdn und FcAa in F i g. 5a gleich 90 . Dies ist dieselbe wie die Phasenbeziehung zwischen den zwei Vektorkomponenten Fdi und Fa und den zwei Vektorkomponenten Feh und FcA. Die Beschreibung unter Hinweis auf die F i g. 5b, 5c und 5d zeigt, daß die Phasenbeziehung zwischen den Dopplerrrequenzen, die aus den abwechselnd gesendeten Frequenzen resultieren, für alle Entfernungen gilt

Uie Reduzierung der resultierenden Dopplervektoren auf Null bei einer gegebenen Entfernung sieht einen angemessenen Entfernungsabfall oder -abbrach für das Kadarsystem vor. Es sei jedoch hervorgehoben, daß jenseits der maximalen ausgewählten Entfernung die resultierenden Vektoren erneut mit der richtigen Phasenbeziehung in Ei-cheinung treten.

Signale, die von Ortungsobjekten reflektiert werden,

aie jenseits der maximalen Entfernung gelegen sind,

aV^°^ *" ^unterh*lb der Schwelle des Systems,

„n e ί^eü ^{das System} gegenüber diesen Signalen unempfindlich ist

Um die vier diskreten Frequenzen Fi, F₂, F₃ und F< zu ™V'₍ ^es erforderuch, den Sender in Einklang mit aerweuenfonn, die aus diesen Frequenzen resultiert zu moduheren. Dies ist in Fig 7 gezeigt in der beispielsweise eine komplexe Wellenform gezeigt ist pLTA ^rfoii^erliche Modulation gewährleistet In £ig. 7 stellen die vier Werte 1,2,3 und 4 jeweils die vier Frequenzen Λ, fi, fi und F< dar. Demzufolge muß der Modulationsgenerator 18 gemäß F i g. 2 diesen Typ der ^weuenform erzeugen können.

tn™ ι ^OM ^toedene Verfahren zum Erzeugen der komplexen Wellenform gemäß Fig.4 zur Verfugung steöen, so sei hervorgehoben, daß die zwei einfachen ^™"^en· *e in Fig.6a und 6b gezeigt sind, advert werden können, so daß die in Fig. 7 gezeigte letit T?^{<fabei resuit}»ert Der Modulationsgenerator S VH? *"* ^einfacfae Generatoren enthalten, die FiTT¹J^ ^wei einfachen Wellenformen gemäß WeW erzeugen können. Es sei erwähnt, daß die

Wellenform gemäß Fi g. 6b durch Frequenzteilung der in_Fig.6a erhalten werden kann, so daß Fig.6b genau die Hälfte der

Es sei auch erwähnt, daß die Antastung der Gatter 24 und 26 derart vorgenommen wird, daß eine Antastung zwischen jeder der vier gesendeten Frequenzen auftritt. Demzufolge ist ein Gatter offen, wenn die Frequenzen Fi und Fi erzeugt werden, und das andere Gatter ist offen, wenn die Frequenzen Fi und Fa gesendet werden. Da die erforderliche Ansteuerung oder Auftastung der Gatter 24 und 26 es erforderlich macht, die Gatter zwischen jeder der vier Frequenzen zu schalten, so kann die Wellenform gemäß Fig.6a als Torsteuersignal verwendet werden.

Es sei nun erneut auf die zwei Dopplerkanäle, die dem Sender der Ausführungsform gemäß F i g. 1 zugeordnet sind, eingegangen. Es läßt sich erkennen, wie an früherer Stelh bereits erwähnt wurde, daß die Ausgangsgrößen aus den zwei Kanälen dem Phasendetektor 34 eingespeist werden, wobei die Ausgangsgröße desselben ein Tiefpaßfilter 32 erregt, welches Hochfrequenzkomponenten abweist, so daß die Ausgangsgröße des Tiefpaßfilters 32 eine Gleichspannung ist, die kennzeichnend für die Entfernung zwischen einem Ortungsobjekt und der Sendeantenne 12 ist. Es ist verständlich, daß die Dopplerkanäle gemäß F i g. 1 auch bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 vorhanden sind.

Die Ausgangsgröße aus einem der Dopplerkanäle wird ebenso einem Frequenzkonverter 36 eingespeist, dessen Ausgangsgröße ein Tiefpaßfilter 33 erregt, so daß die Ausgangsgröße des Tiefpaßfilters 33 eine Gleichspannung ist, die für die Entfernungsänderung zwischen dem Ortungsobjekt und der Sendeantenne 12 kennzeichnend ist

Eine die Annäherung bzw. Zurückweichung erfassende Schaltung 37 empfängt ebenso die Ausgangsgröße aus beiden Dopplerkanälen. Die Ausgangsgröße aus dieser Schaltung ist kennzeichnend für eine Annäherung oder Zurückweichung (Entfernungsvergrößerung) zwischen Ortungsobjekt und Antenne 12, so daß demzufolge diese Spannung eine Gleichspannung ist deren Polarität die Richtung der relativen Geschwindigkeit zwischen den zwei Fahrzeugen wiedergibt Es sei hervorgehoben, daß die Ausgangsgröße aus dem Phasendetektor 34 ebenso dazu verwendet werden kann, diese Anzeige zu liefern.

Nach dem Durchgang durch das aktive Filter 27 wird die Ausgangsgröße des Gatters 24 einem Frequenzdiskriminator 41 eingespeist und zwar über einen Verstärker 38 und einen Schwellendetektor 39. Die Ausgangsgröße aus dem Frequenzdiskriminator 41 wird dazu verwendet, eine Anzeige zu liefern, ob ein Ortungsobjekt vorhanden ist oder nicht vorhanden ist und zwar im Einklang mit dem Schwellenwert, der in dem Detektor 39 eingestellt ist und vorgegeben wird. Demzufolge liegen Ortungsobjekte, die jenseits der maximalen gewählten Entfernung gelegen sind, unterhalb dieser Schwelle, und es wird eine Anzeige über das Fehlen eines Ortungsobjektes gegeben. Es besteht auch die Möglichkeit, daß, wenn ein Ortungsobjekt innerhalb der maximalen gewählten Entfernung gelegen ist, eine Anzeige über das Vorhandensein eines Ortungsobjektes gegeben wird.

Ein das Vorhandensein des Ortungsobjektes kennzeichnendes Signal ist erforderlich, und zwar auf Grund von Fehlern in der Messung der Entfernung und Entfernungsänderung für schwache Signale. Schwache Signale treten bei großen Entfernungen auf, und zwar auf Grund der 1/R⁴-Dämpfung. Schwundsignale treten ebenso bei einer kurzen Entfernung auf, und zwar auf Grund einer Vielfach- oder Vielwegreflexion, die die Phasenlage des direkten Signals beeinflußt

Die Radarsysteme testen sich periodisch selbst, und zwar mit Hilfe eines niederfrequenten Signals, welches dem Sender zugeführt wird. Dieses Signal führt zu einer gewissen Amplituden- und Frequenzmodulation, die am Ausgang der Mischstufe erscheint und zwar in Form eines einzelnen Dopplertones in der Modulationsfrequenz. Das Selbsttestsignal wird mit Hilfe des Selbsttestoszillators 42, wie er in F i g. 1 gezeigt ist, zugeführt Das Selbsttestsignal wird durch beide Dopplerkanäle durch Torsteuerung indurchgeschickt und erscheint am Abtasterausgang in Form eines das Vorhandensein eines Ortungsobjektes wiedergebenden Signals. Die Entfernung ist Null, da keine Phasenverschiebung zwischen den Dopplersignalen vorhanden ist und die Entfernungsänderung entspricht der Modula tionsfrequenz. Beispielsweise kann das System für eine Dauer bis zu 1,5 Sekunden alle 34 Sekunden selbs getestet werden. In bevorzugter Weise würde das System sich jedoch nur während Perioden selbst testen während welchen keine Ortungsobjekte vorhander sind, d. h, es würde kein Selbsttest durchgeführt werder bis 34 Sekunden nach der Anzeige des Nichtvorhanden seins eines Ortungsobjektes. Wenn eine kritisch« Komponente, wie beispielsweise die Gunn-Diode odei der Vorverstärker ausfallen sollte, so würde wahrem des Selbsttestvorganges die Bedingung entsprechenc dem Fehlen eines Ortungsobjektes eine Anzeige eine; Fehlers im Fahrzeug ergeben, und das System würd« automatisch von den Fahrzeugsteuerelementen abge trennt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   τ 1. Dauerstrich-Doppler-Radarsystem zum Herleiten einer Information über eine Entfernung (Abstand), Entfernungsänderung (Geschwindigkeit) und Annäherung/Abstandsvergrößerung relativ zu einem Ortungsobjekt, bestehend aus einem Sender mit einer Modulationseinrichtung zur Frequenzumtastung, so daß der Reihe nach mehrere diskrete Frequenzen gesendet werden, und aus einem Empfänger mit einer Mischstufe zum Mischen der gesendeten und der empfangenen Signale, um zwei Dopplersignale zu erzeugen, und mit getrennten Torsteuereinrichtungen, die den beiden Dqpplerkanälen zugeordnet sind, wobei die Torsteuereinrichtungen auf die Modulationseinrichtung derart ansprechen, daß die Dopplerkanäle aufeinanderfolgend entsprechend dem aufeinanderfolgenden Aussenden der diskreten Frequenzen ein- bzw. ausgeschaltet werden, ferner mit einer Doppler-Phasenvergleichseinrichtung, die die Dopplersignale empfängt und eine die Entfernung zwischen dem System und dem Ortungsobjekt wiedergebende Ausgangsgröße erzeugt, einer Anzeigeeinrichtung für die Entfernungsänderung, welche eines der Dopplersignale empfängt und eine die relative Geschwindigkeit zwischen dem System und dem Ortungsobjekt wiedergebende Ausgangsgröße erzeugt, und einer Einrichtung zur Bestimmung einer Annäherung/Ab-Standsvergrößerung, welche die Dopplersignale empfängt und eine Ausgangsgröße erzeugt, die kennzeichnend für die Abstandsverkleinerung (Annäherung) bzw. -vergrößerung zwischen Ortungsobjekt und System ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-Signale der Reihe nach aus vier diskreten Frequenzen (Fi, Fi, Fi, Fa) bestehen, wobei zwei (Fi, Fi) dieser Frequenzen zusammenwirken und eines (Fdn) der Dopplersignale (FcAi, Fda) formen und die anderen zwei Frequenzen (Fi, Fi) zusammenwirken und das andere (Fdii) der Dopplersignale formen, und daß die Umtastfrequenz — wie an sich bekannt — und die Torsteuerfrequenz derart gewählt sind, daß die Amplituden der zusammengesetzten Signale {Feh, Fdn) graduell bei einer bestimmten gewünschten Entfernung zu Null werden (Entfernungsbegrenzung).
2. 2. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsteuereinrichtungen (19, 24, 26) die zeitlich erste (Fi) und zweite (Fi) der Frequenzen (Fi, F2, F3, F*) abwechselnd jeweils dem ersten (27, 29) bzw. dem zweiten (28, 31) Dopplerkanal und die zeitlich dritte (F3) und vierte (F*) der Frequenzen abwechselnd jeweils wieder dem ersten (27, 29) bzw. dem zweiten (28, 31) der Dopplerkanäle zuleiten, so daß die erste (Fi) und die dritte (F3) Frequenz aufeinanderfolgend dem ersten Kanal (27, 29) und die zweite (Fz) und vierte Frequenz (F*) aufeinanderfolgend dem zweiten Kanal (28, 31) zugeführt sind und die erste (Fi) und die dritte (F3) Frequenz zusammenwirken, um das erste zusammengesetzte Dopplersignal (FcAi) zu erzeugen, und die zweite (F2) und die vierte Frequenz (Fi) zusammenwirken, um das zweite zusammengesetzte Dopplersignal (Fdn) zu erzeugen.
3. 3. Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch eekennzeichnet, daß die vier Frequenzen (Fi, F2, Fi, F*) folgende Beziehung aufweisen:
   β _ R - F* - B = AF> 0,
   Fx - R = Fi - F* = AFIl.