DE2164156C3

DE2164156C3 - Pulsradarempfänger mit dem Bewegtzeichenfilter nachgeschaltetem digitalem Tiefpaß variabler Grenzfrequenz

Info

Publication number: DE2164156C3
Application number: DE19712164156
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. 8000 Muenchen Koffler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-12-23
Filing date: 1971-12-23
Publication date: 1975-08-14
Also published as: IT971591B; NL7217575A; FR2164653A1; DE2164156A1; GB1408016A; FR2164653B1; DE2164156B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Pulsradarempfänger mit einem in der Videolaee arbeitenden, einem Bewegtzeicherifilter nachgeschalteten Tiefpaß, der als Digitalfilter variabler Grenzfrequenz ausgebildet ist und von dem die Umhüllende einer unipolaren F.chosignalfolge eines Zieles herausgefiltert wird.

Derartige, auch als »Videointegrator« bezeichnete Tiefpässe sind bekannt und werden dazu verwendet, den Störabstand zu verbessern und die Erfassungsmöglichkeit für Zielechosignale an der Rauschgrenze zu erhöhen. Es ist auch bekannt, diese Tiefpässe als Digitalfilter variabler Grenzfrequenz auszubilden (Skolnik M. 1., Radar Handbook, McGraw-Hill. 1970, S. 35-7 bis 35-9).

Bei einem Tiefpaß besteht ein Zusammenhang zwischen Einschwingzeit und der Grenzfrequenz. Da be bekannten Tiefpässen der eingangs geschilderten An im allgemeinen feste Grenzfrequenzen verwendet wer den, ist damit auch die Einschwingzeit und somit di< Beobachtungszeit eines Zieles festgelegt. Zur Ent scheidung, ob ein echtes Ziel vorhanden ist oder nicht sind aber je nach dem Störabstand der Ziclechosignali unterschiedliche Beobachtungszeiten ausreichend, so fern man von konstanten Falschsignalratcn ausgehl

Weiterhin können bei Radarantennen mit unterschiedlichen Zielbeleuchtungszeiten (z. B. bei sogenannten Phased-Array«-Antennen mit steuerbarer Richtcharakteristik oder bei der Zielverfolfung) unterschiedliche Beobachtungszeiten für jeweils ein Ziel 5 auftreten. Da bei den bekannten Tiefpässen mit einer konstanten Grenzfrequenz gearbeitet wird, ist in all diesen Fällen wegen der unterschiedlichen Beobachtungszeiten keine optimale Signalverarbeitung

""oer Erfindung, welche sich auf einen PulsradaremDfänger der eingangs genannten Art bezieht, liegt die Aufgabe zugrunde, im Bereich des Tiefpasses die Sienalverarbeitung zu verbessern. Erfindungsgemäß wiYd dies dadurch erreicht, daß die GrenzTrequenz des Tiefpasses, ausgehend von einem maximalen Wert durch eine Steuereinrichtung zeitlich während der Beobachtungszeit eines Zieles zunehmend verrineerl wird. Da die optimale Grenzfrequenz fur einen Tiefpaß der Beobachtungszeit umgekehrt propor- 2c tional ist entstehen durch die Veränderung der Grenz· frequenz gemäß der Erfindung Filtereigenschaften, die eerade" für die jeweils vorhandene Beobachtungszeit besonders günstig iind. d.h. Einschwingdauer des Tiefpasses einerseits und für den Einschwingvorgang /ur Verfügung stehende Zeit andererseits sind aufeinander abgestimmt.

Besonders günstige Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Veränderung der Grenzfrequenz so vorgenommen wird, daß für jeden Augenblick innerhalb der Beobachtungszeit gerade die zugehörige optimale Grenzfrequenz des Tiefpasses stetig eingestellt wird. In diesem Fall ist stets genau die richtige Grenzfrequenz für den jeweiligen Zeitpunkt der Beobachtung

^V0[-inc hinsichtlich des Aufwandes für die Steuerung der Grenzfrequenz besonders einfache Lösung besteht dirin daß die Veränderung der Grenzfrequenz so vorgenommen wird, daß zunächst für einen bestimmten Teil der Beobachtungszeit die Grenzfrequenz konstant gehalten wird und erst anschließend die Vei nperung der Grcntfrequenz vorgenommen wird. LXr Aufwand kann auch dadurch klei· gehalten werden daß die Veränderung der Grenzfrequenz so vorkommen wird, daß nach einer anfänglichen Verankerung der Grenzfrequenz diese nur bis zu einem'festen Endwert verändert und dann für die restliche Zeit konstant gehalten wird.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der hrfindunu dann, wenn der Pulsradarempfänger so arbeitet, daß am Ausgang des Tiefpaßfilters eine rolgecntdeckung (»sequential detection«) vorgesehen ist. Uabei wird die Beobachtung der Ausgangssignale des Tiefp₃sses innerhalb einer maximalen Beobachtung*-

t Lr so lange durchgeführt, bis entweder ein unter er Schwellenwert unterschritten (»kein Ziel«) oder ein oberer Schwellenwert überschritten (»echtes Ziel«) wird Durch die in diesem Fall (je nachdem wie oder langsam eine der Schwelen uberschnt-

r . _i__i. .,oi-;;<»i-onHpn Beob-

nach tricenneii cm» ,l.·^..^^, -

des oberen Schwellenwertes verbleibende

vorteilhaft anderweitig ausgenutzt werden, wenn dann der Beobachtungsvorgang abgebrochen wird und die gegenüber der maximal möglichen Beobachtungszeit verbleibende Zeit anderweitig, z. B. nach Umschaltung der Antennencharakteristik, für einen neuen Suchvorgang oder im Zeitmultiplexverfahren für eine weitere Signalverarbeitung (z. B. genaue Messung der Dopplerfrequenz) benutzt wird.

In analoger Weise ist es auch möglich, nach Unterschreiten des unteren Schwellenwertes den Beobachtungsvorgang abzubrechen, weil mit großer Wahrscheinlichkeit kein Ziel vorliegt und die so gewonnene Zeit einer konstanten maximalen Beobachtungszeit einzusparen und anderweitig auszunützen ist.

Die Erfindung sowie Weiterbildungen der Erfindungen sind an Hand von Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Radargerätes mit einem Tiefpaß nach der Erfindung,

F i g. 2 in einem Diagramm den Signalverlauf bei der Folgeentdeckung für verschiedene Ziele in Abhängigkeit von der Zeit,

F i g. 3 den Verlauf der Dämpfung des Tiefpasses in Abhängigkeit von der Frequenz bei verschiedenen Werten der Grenzfrequenz.

Bei dem Blockschaltbild nach Fig. 1 ist eine Antennenanoidnung 1 mit umschaltbarer Richtcharakteristik vorgesehen, wobei zur Vereinfachung der Darstellung nur zwei derartige Richtcharakteristiken gezeichnet und mit 2 und 3 bezeichnet sind. Als Antennen können in diesem Zusammenhang bevorzugt sogenannte »Phased-Array«-Antennen verwendet werden, d. h. aus einer Reihe von Einzelstrahlern bestehende Anordnungen, bei denen durch Phasenvariation eine nicht stetige Strahlschwenkung vorgenommen werden kann. Die Richtcharakteristik ist dann jeweils für eine bestimmte Zielbeleuchtungszeit in einen bestimmten räumliehen Bereich gerichtet, wobei diese Zeit sowohl zeitabhängig als auch richtungsabhängig veränderbar sein kann. Die Steuerung der Richtcharakteristiken und damit auch der /.ielbeleuchtungszeiten der Antenne 1 erfolgt von einer Umschalteinrichtung 4 aus. und zwar meist nach einem vorgegebenen Programm. Bei der Zielverfolgung kann das Programm auch aus der Bewegung des Zieles abgeleitet werden. Der Antenne 1 ist ein Sende-F.mpfangs-Schalter 5 nachgeschaltet, der von einem Taktgeber 6 aus mit der Impulsfolgefrequenz fp gesteuert wird und im Sendefall den Sender 7 an die Antenne 1 anschaltet. Im Empfangsfall gelangen die F.mpfangssignale zu einer Mischstufe 8. deren kohärenter überlagerungsoszillator (»Kohärenzoszillator«) mit 9 bezeichnet ist, und werden in der Vidcolage einem nur Abtastproben verarbeitenden Analog-Digital-Wandler 10 zugeführt. Die Signale gelangen als digitale, die Amplitudenwerte verkörpernde Wortfolgen bestimmter Bitzahl zu einem Bewegtzeichenfilter 11, das eine Addierstufe 11 ti aufweist, der die Echosignale einerseits unverzögert und andererseits durch die Verzögerungseinrichtung 11 h um T = .. -verzögert sowie durch die Invertierungsstufe Hr vorzeichenmäßig umgekehrt zugeführt werden. Dopplerverschobene, also von Bewegtzielen stammende Echosignale werden auf diese Weise, da sie in der Addierstufe il« stets mit unterschiedlicher Phase eintreffen, nicht geschwächt, während die mit stets gleicher Phase eintreffenden Echosignale von Festzielen praktisch ausgelöscht werden. Die so noch vorhandenen Bewegtzeichensignale sowie entsprechende Rauschanteile gelangen unipolar, d. h. zum Beispiel nach

Quadrierung oder nach Betragbildung (Gleichrichtung) zu einem Tiefpaß TP, an dessen Ausgang eine Schwellenschaltung 23 vorgesehen ist, die einen oberen Schwellenwert OS aufweist. Nur Signale von Bewegtzielen gelangen zu einer Auswerte- oder Anzeigeeinrichtung 24.

Wenn von der Folgeentdeckung Gebrauch gemacht wird, ist zusätzlich eine untere Schwelle US vorgesehen, die auch im Diagramm nach F i g. 2 angedeutet ist, wo die Amplituden A in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen sind. Zielechosignale, welche wie die eines Zieles Z 2 innerhalb einer bestimmten maximalen Beobachtungszeit TM die obere Schwelle OS überschreiten, gelangen zu einem Anzeigegerät oder einer Auswerteeinrichtung 24. Dagegen werden Ziele, deren Echosignale die untere Schwelle US unterschreiten (Zl), nicht zur Anzeige oder Auswertung zugelassen. Da durch die Veränderung der Grenzfrequenz die Signalauswertung verbessert ■ ist. kann bei konstanter Falschalarmrate die obere Schwelle von OS* nach OS abgesenkt werden, wodurch die notwendige Zeit, bis ein Ziel eindeutig erkannt ist, von tO—f2* auf iO- ™f 2 verringert werden kann. Wird die obere Schwelle OS beibehalten, verbessert sich durch die Veränderung der Grenzfrequenz des Tiefpasses TP die Falschsignalrate. Bei der unteren Schwelle kann ebenfalls bei konstanter Falschsignalrate durch Veränderung der Grenzfrequenz die untere Schwelle von US* nach US angehoben werden und dadurch das NichtVorhandensein eines echten Zieles bereits in der Zeit ί Ο—ί 1 und nicht erst nach der Zeit f O-—ί 1 * erkannt werden. Damit können in der eingesparten Zeit entweder andere Verarbeitungsmaßnahmen durchgeführt oder z. B. die Antenne 1 schneller auf einen anderen Zielbereich ausgerichtet werden. Da bei jedem Ziclbereich die vorstehend geschilderten Vorteile eintreten, summieren sich z. B. die eingesparten Zeiten, und ein Suchvorgang für einen bestimmten größeren Raurnbereich kann schneller abgeschlossen werden. Die Steuerung der Beobachtungszeit erfolgt von einer Zeitstufe 23 a aus.

Die Information über die jeweiligen Zielbeleuchtungszeiten durch die Antenne 1 und damit über die unterschiedlichen maximalen Beobachtungszeiten TM wird von einem Speicher oder Rechner 25 an die Umschalteinrichtung 4 und von dort aus an die Antenne 1 gegeben und außerdem der Zeitstufe 23 a zugeleitet, welche die Zeit TM festlegt. Bei überschreiten der Schwelle OS oder bei Unterschreiten der Schwelle US durch Zielechosignale wird bei der Folgeentdeckung von der Schwelle 23 eine Information an den Speicher oder Rechner 25 gegeben, der dann den Beobachtungsvorgang beendet und z. B. die Richtcharakteristik der Antenne 1 anders ausrichtet.

Der zweistufige Tiefpaß z. B. für die Umhüllende einer Zielüberstreichung besteht im einzelnen aus einem ersten Teilfilter F1 und einem zweiten Teilfilter F 2, die im vorliegenden Beispiel gleich aufgebaut und hinteremandergeschaltet sind Jedes Filter weisi in an sich bekannter Weise Multiplikationseinrichtungen 12 und 13 bzw. 17 und 18 sowie Addierstufen 14 und 15 bzw. 19 und 20 auf. Darüber hinaus sind Verzögerungseinrichtungen 16 bzw. 21 vorgesehen, in denen eine Verzögerung bfcw. Speicherung um eine Zeit T = \ fa durchgeführt wird. Mit fa ist die Taktfrequenz des Tiefpaßfilters TP bezeichnet. Dabei kann k ■ (o = fp gewählt werden, wobei k eine ganze Zahl und fp die Impulsfolgefrequenz ist. Der Multiplikationseinrichtung 12 ist der Multiplikationsfaktor A1, der Multiplikationseinrichtung 17 der Faktor A2 zugeordnet. Der Multiplikationseinrichtung 13 ist der Faktor D1, der Multiplikationseinrichtung 18 der Faktor Dl zugeordnet. Diese Faktoren sind in einem als; Steuereinrichtung dienenden Speicher oder Rechner 25 festgehalten und werden daraus bei Bedarf entnommen.

ίο Die Verarbeitung der Echosignale muß nach Zielen geordnet vorgenommen werden. Hierzu sind insbesondere Radargeräte mit Entfernungskanälen geeignet. Zur Realisierung eines Tiefpasses TP, wie er im Blockschaltbild in Fig. 1 dargestellt ist, wird nachstehend das als Beispiel dargestellte Digitalfilter mit Hilfe der bilinearen z-Transformalion entworfen. Hierzu sollen folgende Festlegungen gelten:

Die übertragungsfunktion für einen einfachen RC-Tiefpaß mit der Grenzfrequenz fa lautet:

I+R-C-s

Ul₀

Mit der bilincaren r-Transformation erhält man

His) =

.-T

' " \-D-z
ζ"¹ bedeutet Verzögerung um die Abiastperiode T = ^_a, fa ist die Abtastfrequenz und damit auch die

Taktfrequenz des digitalen Tiefpaßfilters TP.
Dabei ist

A = -———

_ "Ό ' T 2

in?!

1 +ag

Der Koeffizient D im Nenner bildet eine Rückführschleife, es handelt sich somit um ein rekursives Filter.

Mit fa = 1 kHz wird für die in F i g. 1 dargestellten Schaltelemente bei

0,055
0,890

K4

/o(Hz)...	44	33	22
Ah Al...	0,191	0,150	0,104
Dl, Dl...	0,617	0,701	0,791
Kurve ...	KI	Kl	K3

Zu Beginn einer Beobachtungszeit, z. B. TM nach F i g. 2, werden die Koeffizienten A' = A 2 sowit Dl = Dl der beiden Filter Fl und F2 so eingestellt daß der dargestellte Tiefpaß eine besonders höh« Grenzfrequenz aufweist. In F i g. 3 ist die Dämpfung d in Abhängigkeit von der Frequenz f/fa füi verschiedene Koeffizienten aufgetragen. Der bei dei

Grenzfrequenz jeweils erreichte Dämpfutigswcrt isi mit do bezeichnet. Das Tiefpaßfilter TP hat zunächsi eine besonders hohe Grenzfrequenz, die etwa be 0,044 f/fa liegt und durch die Kurve K I festgelegi

ist. Nach einiger Zeit ist durch Änderung der Koeffizienten des Tiefpasses TP die Grenzfrequenz in Richtung auf geringere Werte verschoben worden, und die Durchlaßkurve hat den durch die Kurve K 2 angedeuteten Verlauf mit der Grenzfrequenz 0,033 f/fa. Zu einem späteren Zeitpunkt schließlich erreicht die Durchlaßkurve die durch die Kurve K3 angegebene Form, wobei die Grenzfrequenz auf den Wert 0,022 f/fa abgesunken ist. Nach Ablauf der maximalen Beobachtungszeit, z. B. TM nach F i g. 2, folgt die Durchlaßkurve des Tiefpasses TP der Kurve K 4. Dieser geringste Wert der Grenzfrequenz kann durch stetiges Ändern der Koeffizienten A\, Al, D\ und Dl des Tiefpasses TP erzielt werden oder aber dadurch, daß diese Änderung in mehreren Stufen erfolgt. Neben einer Änderung der Koeffizienten A1, /12, Dl und Dl ist zusätzlich oder auch nur allein für sich genommen auch eine Änderung der Abtastfrequenz fa des Tiefpasses TP möglich. An Stelle einer multiplikativen Änderung der Filterkoeffizienten sind auch additive bzw. subtraktive Beeinflussungen möglich.

Die Steuerung der Variation der Koeffizienten bei den Multiplikationseinrichtungen 12, 13, 17 und 18 erfolgt durch den Speicher bzw. Rechner 25. Wenn die Einrichtung 25 als Speicher ausgebildet ist, ist die Arbeitsweise so, daß die Daten für die Steuerung der Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters in einem Speicher enthalten sind und in Abhängigkeit von der zeitlichen Folge der eintreffenden Echoimpulse ausgespeichert werden. Arbeitet die Einrichtung 25 als

ίο Rechner, so wird die Steuerung der Filtereigenschaften so vorgenommen, daß die Daten für die Steuerung der Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters in einem Rechner vorhanden sind und nach einem vorgegebenen Programm in Abhängigkeit von der zeitlichen Folge der eintreffenden Echoimpulse bereitgestellt und zur Verarbeitung ausgegeben werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das dargestellte Filter bei f/fa = 1 zwar wieder eine Nullstelle hätte daß diese jedoch für den hier in Frage kommender Frequenzbereich keine Bedeutung mehr hat, so dat von dem Digitalfilter nur sein Tiefpaßbereich ausge nutzt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

L Pulsradarempfänger mit einem in der Videolage arbeitenden, einem Bewegtzeichenfilter nach- geschalteten Tiefpaß, der als Digitalfilter variabler Grenzfrequenz ausgebildet ist und von dem die Umhüllende einer unipolaren Echosignalfolge eines Zieles herausgefiltert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz (fo) des Tiefpasses [TP), ausgehend von einem maximalen Wert, durch eine Steuereinrichtung (25) zeitlich während der Beobachtungszeit eines Zieles zunehmend verringert wird.
2. Pulsradarempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Grenzfrequenz (jfo) se vorgenommen wird, daß für jeden Augenblick innerhalb der Beobachtungszeit gerade die zugehörige optimale Grenzfrequenz des Tiefpasses stetig eingestellt wird.
3. Pulsradarempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Grenzfrequenz (/o) so vorgenommen wird, daß zunächst für einen bestimmten Teil der Beobachtungszeit die Gren/frequenz konstant gehalten wird und erst anschließend die Verringerung der Grenzfrequenz vorgenommen wird.
4. Pulsradarempfänger nach Anspruch 1 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Grenzfrequenz {fr·) so vorgenommen wird. daß nach einer anfänglichen Verringerung der Grenzfrequenz diiese nur bis zu einem festen Endwert verändert und dann für die restliche Zeit konstant gehalten wird.
5. Pulsradarempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung der Folgeentdeckung eine dem Tiefpaß (TP) nachgeschallete Schwelle (23) einen oberen (OS) und einen unteren Schwellenwert (l/S) aufweist und bei überschreiten des oberen Schwellenwertes (OS) ein Ziel als erkannt, bei Unterschreiten des unteren Schwellenwertes (US) ein Ziel als nicht vorhanden gilt.
6. Pulsradarempfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten des unteren Schwellenwertes (IiS) oder bei überschreiten des oberen Schwellenwertes (OS) durch die Empfangssignale der Beobachtungsvorgang abgebrochen wird.
7. Pulsradarempfänger nach einem der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtung eines Zieles bzw. eines möglichen Zielbereichs nur für eine bestimmte maximale Zeit (TM) durchgeführt wird.
8. Pulsradarempfängei nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von Zeit zu Zeit, gegebenenfalls nach Ablauf der maximalen Zeit (7"M) oder nach vorheriger Überschreitung des oberen Schwellenwertes (OS), eine Änderung der Richtcharakteristik (2, 3) der Antenne (1) vorgenommen wird.
9. Pulsradarempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für die Steuerung der Grenzfrequenz (/0) des Tiefpasses (TP) in einem Speicher (25) enthalten sind und nacheinander in einer bestimmten zeitlichen Folge ausgespeichert werden.
10. Pulsradarempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten für die Steuerung der Grenzfrequenz (fo) des Tiefpasses (TP) in einem Rechner (25) enthalten sind und nach einem vorgegebenen Programm bereitgestellt und zur Verarbeitung ausgegeben werden.
11. Pulsradarempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation der Grenzfrequenz (fo) des Tiefpasses (TP) durch Änderung der Koeffizienten (A, D) des Digitalfilters (Fl, F2) bzw. durch unterschiedliche Multiplikationsfaktoren herbeigeführt ist.
12. Pulsradarempfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der Grenzfrequenz (J₀) des Tiefpasses (TP) eine Änderung der Abtastfrequenz (fa) des Digitalfilters (Fl, F2) vorgenommen ist.
13. Pu'sradarempfänger nach Anspruchs oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (25) für die Änderung der Grenzfrequenz (fo) des Tiefpasses (TP) zugleich die Umschaltung der Richtcharakteristik (2. 3) der Radarantenne (1) vornimmt.
14. Pulsradarempfänger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Einrichtung zur Folgeentdeckung die Steuereinrichtung (25) bei überschreiten des unteren (US) oder des oberen (OS) Schwellenwertes ein Signal erhält, das die Umschaltung der Richtcharakteristik veranlaßt.
15. Pulsradarempfänger nach Anspruch 13 oder 14. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (25) eine mit der Schwelle (23) verbundene Zeitstufe (23 a) steuert, durch welche die maximale Beobachtungszeit (TM) festgelegt ist.