DE2212272A1

DE2212272A1 - Impulsdopplerradargeraet

Info

Publication number: DE2212272A1
Application number: DE19722212272
Authority: DE
Inventors: Howard Shirly La Var
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1971-03-17
Filing date: 1972-03-14
Publication date: 1972-09-28
Also published as: JPS5113638B1; ES400831A1; FR2130388A1; FR2130388B1; IT950144B

Description

Patentanwalt * * ' ^A * ' *

7 Stuttgart 30 Kurze Straße 8

S. L. Howard -4

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Impulsdopplerradargerät

Die Erfindung betrifft ein Impulsdopplerradargerät, bei dem die Phasenwinkel der Echosignale pro Entfernungsbereich digitalisiert und mit dem entsprechenden Digitalwert der vorhergehenden Impulsperiode verglichen werden, um die Phasenwink eländerung pro Entfernungsbereich zu bilden.

Radargeräte mit Anzeige der sich bewegenden Ziele, sogenannte MTI-Radargeräte sind bekannt. Ausführliche Beschreibungen finden sich in Kapitel 4 des Buches "Introduction to Radar Systems" von M. I. Skolnik,

10. 3.1972

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Mc Graw Hill, 1962, sowie in dem Buch vom gleichen Autor "Radar-Handbook", Mc Graw Hill, 1970, in Kapitel 19. Im Kapitel 35 des letztgenannten Buches wird die digitale Signalverarbeitung behandelt, die auch bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Im Zusammenhang mit der Erfindung ist auch die US-PS 3 441 930 von Interesse, in der die digitale Codierung der Signalamplituden innerhalb einzelner Entfernungsbereiche beschrieben ist. Die einzelnen Entfernungsbereiche sind Zeitabschnitte, die etwa so lang sind, wie die Länge des Sendeimpulses. Innerhalb einer Impulsperiode des Radargerätes gibt es daher eine große Anzahl von Entfernungsbereichen.

Die digitale Signalverarbeitung bei Dopplerradargeräten hat verschiedene bekannte Vorteile. Darunter fällt die leichte Anpaßbarkeit an Systeme mit veränderlicher Impulsfolgefrequenz. Die nunmehr erhältlichen sehr kleinen digitalen Bauteile und Baugruppen, wie Speicher, Schieberegister, Zähler oder dgl. sind für die Anwendung bei Radargeräten sehr günstig, da sie wenig Platz einnehmen.

MTI-Radargeräte müssen nicht nur mit veränderlicher Impulsfolgefrequenz arbeiten (zur Elimination von Blindgeschwindigkeiten), sondern sie müssen auch Bewegungen des Radargerätes selbst berücksichtigen. Aus dem Stand der Technik sind auch schon Lösungen zur Erkennung von tatsächlichen Zielen bei Vorhandensein von sich bewegenden störenden Reflektoren, z. B. Staniolstreifen, Wetter er sch einungen, bekannt, bei denen Wasser in irgend einer Form vorhanden ist, und Geländeteile, die sich scheinbar bewegen, da sich das Radargerät selbst tatsächlich bewegt. Bei bekannten Radargeräten werden zur Trennung von sich bewegenden störenden Reflektoren und den tatsächlichen Zielen von Hand

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einstellbare Dopplerfilter und andere Mittel eingesetzt. Aus dem Stand der Technik ist zur Lösung dieses Problems kein Radargerät mit automatischer Unterdrückung der Reflexionen von störenden Reflektoren bekanntgeworden. .

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Radargerät anzugeben, bei dem die störenden, sich bewegenden Reflexionen selbsttätig ohne manuellen Eingriff beseitigt werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Unterdrückung von störenden Reflexionen, die von sich bewegenden großflächigen Objekten herrühren, der Mittelwert der Phasenwinkeländerungen in einem wählbaren Teil der Entfernungsbereiche während mindestens einer Impulsperiode gebildet wird, daß dieser Mittelwert mit jedem Einzelwert verglichen wird und daß, falls die Differenz der beiden Werte größer als ein Schwellwert ist, das Signal dieses Entfernungsbereichs als Echtzielecho ausgegeben wird.

Ein wirkliches Ziel ist relativ klein und reflektiert nicht in einem so breiten Bereich wie Berge, hydrometeorologische Erscheinungen wie Regen, Hagol und Schneestürme oder wie abgeworfene Staniolstreifen. Die scheinbare Bewegung von Bergen oder anderen Punkten im Gelände, die wegen der Bewegung' des Radargerätes (bei Flugzeugbord- oder Schiffsradargeräten) vorliegt, ist ein wichtiger Faktor bei den störenden Reflektoren, der alle Entfernungsbereiche erfaßt, jedoch nicht gleichmäßig für alle Schwenkwinkel der Antenne. Abgeworfene Staniolstreifen und Wettereinflüsse sind örtlich auftretende Erscheinungen, die nicht durch Einprogrammierung beseitigt werden können. Die Bewegung des Radargerätes selbst kann jedoch auf diese Weise beseitigt werden.

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Die Erfindung hat den Vorteil, daß die störenden Einflüsse beseitigt werden können, wenn sie getrennt oder gemeinsam auftreten.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Radargerätes und

Fig. 2 das Schieberegister und die Erkennungslogik des Blockschaltbildes nach Fig. 1.

Im Blockschaltbild nach Fig. 1 sind die ersten Teile bekannt. Auf den Signaleingang 10 gelangt das ZF-Signal vom Empfänger, das auf bekannte Weise durch einen hochstabilen Oszillator gewonnen wurde, so daß die Dopplerkomponenten ohne durch Unstabilität der Schaltung verursachte Fehler erkannt werden. Ein Begrenzer 11 sorgt dafür, daß das an seinem Ausgang auftretende Signal immer die gleiche Amplitude hat.

Das Signal am Ausgang 16 des Begrenzers 11 gelangt auf 2 Phasendetektoren 12 und 13. Dies sind übliche Phasendetektorschaltungen, die bei kohärenten Impulsradargeräten verwendet werden. Das Kohärenzsignal wird bei 15 zugeführt. Der nicht gezeigte Kohärenzoszillator speichert die Phase des Sendeimpulses, so daß am Ausgang der Phasendetektor zwei Signalarten auftreten; einmal die sich nicht ändernden Signale, die von Festzielen herrühren und die bipolaren Videosignale, die mit Dopplerfrequenzkomponenten moduliert sind, die von sich bewegenden Zielen herrühren. Die Phasendetektoren 12 und 13 sind vorgesehen, um Sinus- bzw. Cosinus-Ausgangssignale 17 bzw. 18 zu er-

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halten. Mit dem Phasenschieber 14 wird das Signal vom Kohärenzoszillator um 90 phasenverschoben, so daß das Signal im Phasendetektor 13 mit dem um 90 phasenverschobenen Signal verglichen wird, und daher das Cosinus -förmige Aus gangs signal liefert. Das Aus gangs signal des Phasendetektors 12 ist das sinusförmige Aus gangs signal. Der in der Zeichnung mit O bezeichnete Winkel ist der Augenblickswinkel in ZF-Lage, der zwischen dem Kohärenzoszillator und der Empfangs energie festgestellt wird. Es wird daran erinnert, daß das oos O -Signal nur notwendig ist, um Mehrdeutigkeiten bei Mehrfachen von 2 -JT in einem Sinus signal aufzulösen.

Analog/Digital-Wandler 19 und 20 dienen zur Umwandlung der Augenblicksamplitude des Signals in das entsprechende Digital-Signal. Dieses Digital-Signal wird getrennt für die Entfernungsbereiche ausgegeben. Derartige Maßnahmen sind bei allen digitalen Dopplerradarsystemen vorgesehen und auch in der oben erwähnten US-PS 3 441 930 beschrieben.

Wegen der Übersichtlichkeit der Darstellung wurden die Taktsignale, die für die Analog/Digital-Wandler erforderlich sind, weggelassen.

Die digitale Codierung der sinO - und cosO-Signale von den Phasendetektoren 17 und 18 erfolgt im Echtzeitbetrieb. Es ist daher eine höhe Taktgeschwindigkeit erforderlich. Ist ein Entfernungsbereich beispielsweise eine Mikrosekunde lang, dann ist eine Taktfrequenz von 1 MHz erforderlich. Je nach der weiteren Signalverarbeitung kann die Taktgeschwindigkeit noch wesentlich höher sein. Die Impuls wiederholungsfrequenz ist bei derartigen MTI-Dopplerradargeräten ein Mehrfaches oder ein Teil der Taktfrequenz. Die Amplituden der Entfernungsbereiche

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werden als 10-stelliges Binärwort weiterverarbeitet. Für die Analog/ Digital-Wandlung benötigt man beim gegenwärtigen Stand der Technik etwa 200 Nano-Sekunden oder weniger.

Aus dem vorhergehenden ist ersichtlich, daß die digitalisierten sinO und cosO -Werte auf den Leitungen 21 und 22 eine Folge von Binärwörtern bilden. Diese gelangen auf einen Festwertspeicher 23, in dem die arc sinus- und arccosinus-Werte der Phasenwinkel gespeichert sind. Dieser Festwertspeicher gibt daher den dem digitalen Sinus- bzw. Cosinus-Wert entsprechenden Winkel aus. Zum Festwertspeicher 23 gehört noch eine nichtgezeigte Vergleichseinrichtung zur Beseitigung von Mehrdeutigkeiten. Am Ausgang 24 des Festwertspeichers tritt daher ein eindeutiges digitales Phasensignal auf.

Bei jedem digitalen Doppler-MTI-Radargerät werden die digital codierten Aus gangs signale der Phasendetektoren aufeinanderfolgender Impulsperioden miteinander verglichen. Eine Vergleichslogik 27 subtrahiert O von O' oder umgekehrt, wobei die Signale für 0 bzw. O' auf die Leitungen 24 bzw. 26 der Schaltung 27 gelangen. Eine digitale Verzögerungseinrichtung, die das Signal O'liefert, hat eine Verzögerungszeit von einer Impulsperiode. Mit der Ausspeicherung der gespeicherten Signale beginnt man zweckmäßigerweise beim Auftreten des Sendeimpulses. Auf diese Weise kann man einen Vergleich bei veränderlicher Impulsfolgefrequenz vornehmen. Die Verzögerungs« bzw. Speichereinrichtung 25 besteht zweckmäßigerweise aus zwei Speichern, von denen in den einen geschrieben wird, während aus dem anderen gelesen wird. Am Ausgang 28 der Schaltung 27 tritt ein Signal Δ θ auf, das das Differenzsignal ist und das infolgedessen keine Digital-Wörter mehr enthält, die zu Festzielen gehören. Die Amplituden von Festzielen sind

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gleich und liebem sich daher in 27 gegenseitig auf.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß A Q eine Geschwindigkeit ist, d. h. daß sein digitaler Wert ein Maß für die Geschwindigkeit des Zieles ist.

Mit der Erfindung sollen, wie eingangs erwähnt, Störungen von sich bewegenden Reflektoren beseitigt werden. Solche Störungen machen sich im Signal AQ dadurch bemerkbar, daß es in Entfernungsbereichen digital-codierte Signale enthält, in denen sich kein tatsächliches Ziel befindet, sondern nur störende Reflektoren.

Um das Signal-Raiischverhältnis zu erhöhen, und um zu vermeiden, daß sich das Gerät auf Störsignale einregelt, wird das analoge Videosignal von 10 über eine Video-Schwellwertschaltung 46 gegeben, in der sich auch eine Gleichrichterstufe befindet. Die Schaltung 46 entscheidet somit, ob ein Signal Störung oder wirkliches Ziel ist, und eine genügend größe Amplitude hat, die eine Verarbeitung ermöglicht. Überschreitet daher ein Signal den vorgegebenen Schwellwert in der Schaltung 46, dann wird es über die Leitung 48 zu einer Verstärker/Begrenzerschaltung 47 gegeben, die einen Impuls auf die Leitung 49 gibt. Die Amplitude dieser Impulse ist immer gleich und die Impulslänge entspricht etwa der Länge eines Entfemtingsbereiches, d. h. der Länge eines Sendeimpulses. Die Impulse auf der Leitung 49 gelangen auf 2 UND-Schaltungen 29 und 45 und steuern diese leitend. Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird ersichtlich, daß diese Art der UND-Schaltungen die Wirkung von Störsignalen auf die nachfolgenden Stromkreise verringert.

Die UND-Sclialfang 29 ist selbstverständlich eine mehrfach UND-

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Schaltung; sie muß für jedes Bit oder jede Stelle der Δ O-Binärwörter einen Eingang aufweisen. Entsprechend sind auch die Leitungen, die die Binärwörter führen, Leitungsbündel.

Das Differenzsignal Δ θ gelangt durch die UND-Schaltung 29, wenn diese durch das Signal auf der Leitung 49 leitend gesteuert ist, zum Ausgang 30 und von dort in ein Verzögerungsregister 31, das eine Verzögerung von 3 Entfernungsbereichen (oder die halbe Verzögerung wie das Ausgangsschieberegister mit den Stufen 54 - 59, Fig. 2, hat) und eine über die Einstelleinrichtung 63 wählbare Verzögerung hat. Durch das Verzögerungsregister 31 sind die Signale auf der Leitung 32 um eine entsprechende Anzahl, von Entfernungsbereichen gegenüber dem Signal auf der Leitung 30 verzögert. Der Zweck dieses Verzögerungsregisters wird im Zusammenhang mit der Schaltung 51 erläutert. Weshalb gerade die angegebene Verzögerungszeit gewählt wurde, wird im Verlauf der weiteren Beschreibung deutlich.

Das Signal auf der Leitung 32 gelangt über eine UND-Schaltung 33 auf eine Leitung 65 und zwar für jeden Entfernungsbereich, während dem ein Signal auf der Leitung 52 vorhanden ist. Die Leitung 52 ist die Ausgangsleitung eines weiter unten erörterten Schieberegisters 51. Eine ι Abzweigung 35 der Leitung 30 gelangt zu einem addierenden und subtrahierenden Akkumulator 37 und zu einem Störsignalverzögerungsregister 34. Dieses Register 34 ist mit einer Einstelleinrichtung vers ehen, die bei 62 angedeutet ist, und die außerdem einen Teiler 39 steuert. Mit der Einstelleinrichtung 62 wird die Anzahl der Entfernungsbereiche, die das Register 34 aufnehmen kann, eingestellt. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird die Einstellung in digitalen Schritten vorgenommen, d. h. das Register 34 kann eine Kapazität von 2, 4, 8, 16, 32, usw. Entfernungsbereichen oder Bits haben. Der Teiler 39

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teilt das Aus gangs signal des Akkumulators 37, das über eine Leitung 38 auf seinen Eingang gelangt, durch den gleichen Faktor, wodurch sich eine Mittelwertbildung ergibt. Dieser Mittelwert tritt auf einer Ausgangsleitung 40 des Teilers 39 auf.

Die Einstellung des Registers 34 ist die Auswahl des Teils der Impuls Wiederholungsperiode, während dem die Mittelwertbildung der Störsignale erfolgt. Wenn z. B. 32 Entfernungsbereiche für diese Mittelwertbildung ausgewählt sind, dann wird der Teiler 39 gleichzeitig so eingestellt, daß er durch 32 teilt.

Das Register 34 kann auch von Winkelwerten gesteuert werden, wenn die Erfindung bei einem Radargerät mit Strahlschwenkung verwendet wird. Die Mittelwertbildung des Signals wird in diesem Falle in einem vorgegebenen Winkel und einem breiten Entfernungsbereich entsprechend den 32 ausgewählten Entfernungsbereichen erfolgen.

Das Signal 35 gelangt auf einen mit "ADD¹¹ bezeichneten Eingang des Akkumulators 37 und es ist infolgedessen unabhängig, von der in 34 gespeicherten Dauer des Störsignals. Das Subtrahieren jedoch erfolgt über das verzögerte Signal 65 und das Signal bei 66, das aus dem Register 34 gewonnen wird und dem mit ¹¹SUBTR" bezeichneten Eingang des Akkumulators 37 zugeführt wird.

Um die Erzeugung dieses Signals auf der Leitung 36 zu erklären, das vom Stand des Akkumulators 37 abgezogen wird, wird wieder auf das Verzögerungsregister 31 zurückgegriffen. Dort wird eine feste Verzögerung entsprechend 3 Entfernungsbereichen eingeführt, sowie eine veränderliche Verzögerung, die eine Funktion der relativen Entfernungslage eines tat-

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sächlichen Ziels und dem gleichzeitig betrachteten Bereich ist, in dem sich die Störsignale befinden. Die feste Verzögerung von 3 Entfernungsbereichen dient dazu, das tatsächliche Ziel im Schieberegister 51 zu zentrieren, wie weiter unten erläutert wird. Die veränderliche Verzögerung (symbolischer Einstellknopf 63) wird von dem einstellbaren Verzögerungsregister 53 gesteuert und zwar so, daß ein Bruchteil (z. B. die Hälfte) der Einstellung des Registers 31 hinzugefügt wird.

Die UND-Schaltung 33, die die verzögertendigitalen Signale auf der Leitung 32 zum Addierwerk 64 durchläßt, ist während derjenigen Entfernungsbereiche durchlässig gesteuert, in denen ein wirkliches sich bewegendes Ziel festgestellt wurde. Die Steuerung erfolgt über die Leitung 52. Die im Addierwerk 64 addierten Wörter auf den Leitungen 65 und 66 werden vom Inhalt des Akkumulators 37 abgezogen.

Wie oben beschrieben wurde, tritt auf der Leitung 40 ein mit ΔΘ AVG bezeichnetes Signal auf. Dieses Signal kann dann von Entfernungsbereich zu Entfernungsbereich vom Signal Δθ auf der Leitung 28 abgezogen werden.

Die beiden Signale Λ Θ und Λ Θ AVG gelangen zu einer Differenzschaltung 41. Die Schaltung 41 ist eine digitale Subtraktionsschaltung, die die binäre Differenz auf der Leitung 42 abgibt.

Es ist offensichtlich, daß das Signal auf der Leitung 40, das ein gemittelter Wert über das ganze Störband ist, eine kleinere Amplitude hat als die Signale von wirklichen Zielen, die sich bei der Information auf der Leitung 28 befinden. Infolgedessen haben die Codewörter, die den wirklichen Zielen entsprechen, einen größeren Wert am Differenzausgang

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und gelangen über eine digitale Schwellwertschaltung 43, die so eingestellt ist, daß der Wert Δθ AVG ausgeschlossen ist. Hieraus folgt, daß die Schwellwertschaltung 43 die Störsignale mit mittlerem Pegel unterdrückt, aber nicht die Codewörter entsprechend den wirklichen Zielen, die einen größeren Wert haben.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Schwellwertschaltung 43 eine Entscheidungsschaltung ist und aus diesem Grunde ändert sich nach dieser Schwellwertschaltung die Signalform. Bis zur Schaltung 43 waren die Signale vollständige Binärwörter^ Die Signale 44 sind jedoch einfache JA/NEIN-Signale, und zwar für jeden Entfernungsbereich. Die UND-Schaltung 45 ist somit eine einfache UND-Schaltung, die ein Ausgangssignal für jedes tatsächliche Ziel im entsprechenden Entfernungsbereich abgibt. Die Ausgangsleitung ist mit 50 bezeichnet. Wie mittels des Schieberegisters 51 aus den Signalen auf der Leitung 50 ein quantisiertes Ausgangssignal auf der Leitung 52 erzeugt wird, wiidnun in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben.

Die Folge von JA/NEIN-Signalen auf der Leitung 50 gelangt auf ein Schieberegister, das aus den Flipflops 54 - 59 besteht. Das Schieberegister wird während jeder Impulsperiode durch einen nicht gezeichneten Takt kontinuierlich weitergeschaltet und zwar jeweils einmal pro Entfernungsbereich. Nimmt man an, daß wirkliche Ziele immer 2 Entfernungsbereiche voneinander getrennt sind, so sieht man, daß die 6 Flipflops dieses Schieberegisters ein wirkliches Ziel identifizieren können, und zwar indem geprüft wird, ob es in einem oder zwei nebeneinanderliegenden Entfernungsbereichen vorhanden ist und ob es in zwei Entfernungsbereichen auf beiden Seiten davon nicht vorhanden ist. Da ein Signal sich über zwei nebeneinanderliegende Entfernungsbereiche erstrecken kann, wird es von den Analog/Digital- Wandlern 19 und 20 in beiden Bereichen festgestellt,

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obwohl das Signal nicht breiter als ein Entfernungsbereich ist. Gibt man die Signale von 6 Entfernungsbereichen auf das Schieberegister, so werden diese durchgeschoben, bis sich die beiden ersten Stellen in den Flipflops 54 und 55 befinden. Folgen den beiden erstgenannten zwei Entfernungsbereiche, in denen ein wirkliches Signal auftritt, dann wird mindestens einer der Flipflops 56 und 57 auf Q geschaltet. Aufgrund der vorher gemachten logischen Annahme sind die Flipflops 58 und 59 im Q -Zustand. Immer und jedesmal, wenn dieser Zustand vorhanden ist, gelangt das Q -Signal von 56 und 57 oder von einem der beiden über die ODER-Schaltung 60 zu der 5-fach UND-Schaltung 61. Diese UND-Schaltung 61 ist so ausgelegt, daß sie ein Aus gangs signal abgibt, wenn ihre Eingangs signale die angegebene logische Reihenfolge haben. Das Ausgangs signal auf der Leitung 52 tritt in jedem Entfernungsbereich auf, in dem die genannte logische Bedingung erfüllt ist.

Man erkennt nun, daß die 3 Bit-Zentrierverzögerung, die die Schaltung 31 bewirkt, notwendig ist, damit ein Signal von einem echten Ziel in die Mitte des Schieberegisters 51 gelangen kann.

Man kann sagen, daß die erfindungsgemäße Schaltung sich selbsttätig auf die jeweils vorhandene Situation einstellt, d. h. es handelt sich um eine sogenannte adaptive oder lernfähige Schaltung.

Die einzelnen Baugruppen sind aus der Digital-Technik bekannt, sie werden daher nicht näher erläutert.

2 Patentansprüche 2 Bl. Zeichnungen

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Claims

S. L. Howard -4 Patentansprüche

1.) Impuls dopplerradargerät, bei dem die Phasenwinkel

der Echosignale pro Entfernungsbereich digitalisiert und mit dem entsprechenden Digitalwert der vorhergehenden Impulsperiode verglich en werden, um die Phasenwinkeländerung pro Entfernungsbereich zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von störenden Reflexionen, die von sich bewegenden großflächigen Objekten herrühren, der Mittelwert der Phasenwink elände rung en in einem wählbaren Teil der Entfernungs bereiche während mindestens einer Impulsperiode gebildet wird, daß dieser Mittelwert mit jedem Einzelwert verglichen wird, und daß, falls die Differenz der beiden Werte größer als ein Schwellwert ist, das Signal dieses Entfernungsbereichs als Echtzielecho ausgegeben wird .

2. Impuls doppler radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Echos von Echtzielen nicht zur Mittelwertbildung herangezogen werden.

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