DE2213575A1 - FM/CW-Radargerät - Google Patents

Description

Dipl. -Phys. Leo Thul
Patentanwalt
7 Stuttgart 30
Kurze Straße 8

R. H. Johannessen - R. E. Morton 7-1

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

FM/CW-Radargerät

Die Erfindung betrifft ein FM/CW-Radargerät, bei dem die Entfernung des Ziels aus der Differenzfrequenz von Sende- und Empfangs signal ermittelt wird und bei dem die Differenzfrequenz durch Zählung der Nulldurchgänge mittels eines Schmitt-Triggers, eines ersten Differenziergliedes und eines Zählers festgestellt wird.

Ein derartiges Gerät ist bekannt. Das Signal/Rausch-Verhältnis kann bei einem solchen Gerät sehr ungünstig sein und zwar aus den beiden

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folgenden Gründen:

Da der Sender frequenzmoduliert ist, ist es unvermeidbar, daß seine Amplitude frequenzabhängig ist. Dies hängt unter anderem davon ab, wie gut die Anpassung der einzelnen Bauelemente untereinander ist und wie gut der Sender selbst stabilisiert ist. Diese Amplitudenschwankungen können in der Größenordnung des Empfangssignals liegen.

Das Signal/Rausch-Verhältnis am Ausgang des Filters hängt daher von den Filter-ei genschaften ab.

Durch Mehrwegausbreitung wird das Empfangs signal verstärkt oder geschwächt, wodurch sich bei geschwächtem Signal auch ein ungünstiges Signal/Rausch-Verhältnis ergibt.

Treten diese beiden Störungen gleichzeitig auf, dann kann am Ausgang des Filters ein Signal auftreten, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Ein Teil des Signals hat keine Nulldurchgänge mehr, so daß der Schmitt-Trigger nicht mehr arbeitet.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, für den in Fig. 2 gezeigten Störungefall eine ununterbrochene Verarbeitung des Empfangssignals zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen das erste Differenzierglied und den Zähler ein regelbarer astabiler Multivibrator und ein zweites Differenzierglied geschaltet sind, daß die Frequenz des astabilen Multivibrators auf einen wenig unterhalb der Differenzfrequenz liegenden Wert eingeregelt wird, und daß, sofern

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die Differenzfrequenz Nulldurchgänge aufweist, der astabile Multivibrator mit der Differenzfrequenz getriggert wird, und, sofern die Differenzfrequenz keine Nulldurchgänge aufweist, der astabile Multivibrator mit der Frequenz deren Wert wenig unterhalb der Differenz frequenz liegt, betrieben wird.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß bei Störungen die Genauigkeit der Schaltung größer als die der bekannten Schaltung ist; ohne Störungen ist die Genauigkeit der Schaltung ungefähr genau so groß.

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

Fig. 1 das Blockschaltbild eines bekannten FM/CW-Radargerätes,

Fig. 2, 3 und 4

die Signale an verschiedenen Punkten im Blockschaltbild nach Fig. 1,

Fig. 5 das Blockschaltbild eines FM/CW-Radargerätes, gemäß der Erfindung,

Fig. 6 drei verschiedene Impulsfolgen zur Erklärung der Wirkungsweise des FM/CW-Radargerätes nach Fig. 5,

Fig. 7 das Schaltbild eines astabilen Multivibrators und

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Fig. 8 die Frequenz des astabilen Multivibrators nach Fig. 7 als Funktion der Regelspannung Vin.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines bekannten FM/CW-Radargerätes. Ein Sender T erzeugt ein moduliertes Hochfrequenzsignal, dessen Frequenz sich zeitlich linear ändert. Dieses Signal wird von einer nicht gezeigten Antenne abgestrahlt. Ein Teil der abgestrahlten Energie trifft ein Ziel und wird von diesem zurückgestrahlt, und ein Teil dieser Energie wird von der Empfangsantenne aufgenommen. Das empfangene Signal wird in einem Mischer M mit einer vom Senderoszillator abgenommenen Frequenz gemischt. Die beiden Eingangs signale des Mischers haben unterschiedliche Frequenz und die Differenzfrequenz ist proportional der Entfernung zwischen dem Radargerät und dem Ziel- Mit einem Filter F wird die Differenzfrequenz ausgefiltert; das Ausgangssignal des Filters ist von der Differenzfrequenz abhängig. Ein nachgeschalteter Verstärker A und ein Schmitt-Trigger S bilden aus dem sinusförmigen Ausgangssignal des Filters F ein Rechtecksignal (Punkt X, Fig. 1). Die Amplitude des Rechtecksignals ist unabhängig, aber seine Frequenz ist vom Entfernungsbereich abhängig, in dem sich das Ziel befindet. Das Rechtecksignal wird in einer Differenzschaltung D differenziert und die positiven Spitzen werden an eine Integrationsschaltung P gelegt und erzeugen dort ein Gleichspannungssignal, dessen Amplitude proportional zur Anzahl der Spitzen und damit zum Entfernungsbereich ist.

Wie in der Einleitung erwähnt ist, kann infolge von Amplitudenschwankungen des Oszillators, die in der Größenordnung des Empfangs-

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signals liegen, und infolge Mehrwegausbreitung das Aus gangs signal des Filters F stark gestört sein, etwa so, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Man sieht, daß dieses Signal zwei Frequenzkomponenten enthält, eine niederfrequente Komponente, von der hier angenommen wird, daß sie unerwünscht sei, und eine Komponente mit höherer Frequenz, von der angenommen wird, daß sie das Nutzsignal sei.

Während der Zeit, in der das in Fig. 2 dargestellte Signal eines Modulationszyklus ses Nullstellen aufweist, formt der Schmitt-Trigger S Rechtecksignale gleicher Amplitude, während er in der Zeit, in der das Signal keine Nullstellen aufweist, ein Signal mit konstanter Amplitude abgibt (Fig. 3). Deshalb gelangen von dem Ausgang der Differenzierschaltung D weniger Spannungs spitzen zur Integrationsschaltung P (Fig. 4) und dies führt zu einer fehlerhaften Anzeige des Entfernungsbereichs.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild des Radargerätes gemäß der Erfindung. Wie im Blockschaltbild nach der Fig. 1 sind der Sender und der Mischer (in Fig. 5 nicht gezeigt), ein Filter F, ein Verstärker A, ein Schmitt-Trigger S und eine Differenzierschaltung D hintereinander geschaltet. Zusätzlich sind zwischen die Differenzierschaltung D und die Integrationsschaltung P ein astabiler Multivibrator R und eine weitere Differenzierschaltung DF geschaltet.

Der astabile Multivibrator R gibt Rechtecksignale ab, deren Amplitude immer konstant ist und deren Frequenz von der Länge der Pause zwischen den von der ersten Differenzierschaltung D kommenden Impulsen und einer von einer Speichereinrichtung SD gelieferten Gleichstrom-Bezugsspannung abhängt.

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Es wird nun beschrieben, wie das Gerät nach Fig. 5 arbeitet.

Wenn das Störsignal im Vergleich zum Netzsignal klein ist, dann gibt der Schmitt-Trigger S eine Impulsfolge ab, bei der Impulslängen und Impulspausen über mehrere Perioden ungefähr gleich lang sind. Die Differenzierschaltung D bildet aus den Rechteckimpulsen eine Folge von Synchronisierimpulsen mit gleichem Abstand, die den astabilen Multivibrator synchronisieren. Das Ausgangssignal des astabilen Multivibrators gleicht dann dem des Schmitt-Triggers.

Wenn nun der Fall eintritt, daß das Störsignal so groß ist, daß das Ausgangs signal des Filters F keine Nullstellen aufweist, dann gelangen an den Eingang des astabilen Multivibrators keine Synchronisierimpulse mehr. Am Multivibrator liegt jedoch außerdem eine Bezugsspannung an, die bewirkt, daß der astabile Multivibrator Rechteckimpulse abgibt mit einer Frequenz, die wenig kleiner als die der vorher anliegenden Synchronisierimpulse ist, wie weiter unten beschrieben wird. Wenn wieder Synchronisierimpulse vorhanden sind, dann übernehmen diese wieder die Frequenzsteuerung des astabilen Multivibrators.

In Verbindung mit Fig. 6 wird eine Schaltung zur Erzeugung des Bezugssignals beschrieben. In Fig. 6a ist das Rechtecksignal am Ausgang des Schmitt-Triggers S vom Einschalten an dargestellt, fts wird bemerkt, daß die ersten Impulse ungleichmäßig sind. Nach einer bestimmten Zeit, gemessen von der positiven Vorderflanke des Rechtuckimpulses an, wird ein Kon-densator in einer Positiv/Negativ-Meßeinrichtung PlMM (Fig. 5) von Null an aufgeladen (Fig. 6b). Die Aufladung wird durch die negative Rückflanke des Inapulses am Ausgang des Schmitt-Trig.-iers unterbrochen; die !,adurig Vl des Kondensators bleibt erhalten. Nach tier Zeit ti, ge-

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messen von der negativen Rückflanke an, wird ein an anderer Kondensator in einer Negativ/Positiv-Meßeinrichtung NPM (Fig. 5) von Null an geladen (Fig. 6c). Die Aufladung wird beim Auftreten der positiven Vorderflanke des nächsten am Ausgang des Schmitt-Triggers vorhandenen Rechteckimpulses unterbrochen; die Ladung dieses Kondensators beträgt jetzt V2. In diesem Zeitpunkt ta werden die Spannungen der beiden Kondensatoren in einem Vergleicher C (Fig. 5) verglichen. Wenn der Vergleicher feststellt, daß Vl = V2 ist, dann folgt, daß auch Tl = T2 ist. Anschließend werden die beiden Kondensatoren in einer Zeit, die kleiner als ti ist, entladen.

Bei jeder weiteren positiven Vorderflanke der Impulse wiederholt sich dieser Vorgang solange, bis zur Zeit tk der Vergleich zeigt, daß die Ladung V3 des einen Kondensators gleich der Ladung V4 des anderen Kondensators ist. Da die Ladezeiten gleich sind, istäie Impulslänge T3 gleich der Impulspause T4; damit ist der normale Betriebszustand erreicht. Der erste Kondensator wird unmittelbar danach entladen, um beim Auftreten des nächsten Rechteckimpulses wieder ladebereit zu sein. Die Spannung des zweiten Kondensators wird nun mit einer Abtasteinrichtung VE abgetastet. Die Spannung dient zur Einstellung der Bezugsspannungsamplitude in der Speichereinrichtung SD. Wenn in dieser Speichereinrichtung der der Spannung V4 entsprechende Wert der Bezugsspannung nicht gespeichert ist, dann wird die Bezugs spannung auf diesen Wert gebracht.

Der obenbeschriebene Ablauf wiederholt sich bei jedem Auftreten der positiven Vorderflanke eines Rechteckimpulses. Sind die Ladezeiten der beiden Kondensatoren gleich lang, dann liegt keine Störung vor und die Bezugsspannung wird der jeweiligen Frequenz angepaßt. Unterscheiden sich bei einem Rechteckimpuls die Ladezeiten wesentlich, dann wird

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diese Periode unterdrückt und die Bezugs spannung wird nicht angepaßt.

Es wird nun wieder angenommen, daß langer dauernde Störungen vorliegen. In diesem Fall gibt der Schmitt-Trigger S eine Impulsfolge gegemäß Fig. 3 ab. Es stellt sich eine Bezugsspannung ein, die der Frequenz in dem Teil der Fig. 3 entspricht, in dem die Abstände zwischen den Nulldurchgängen gleich sind. Der Multivibrator R schwingt auf einer Frequenz, die etwas unterhalb der Eingangsfrequenz liegt. Infolgedessen wird der Multivibrator während der ungestörten Zeit von den Triggerimpulsen gemäß Fig. 4 in der Frequenz gesteuert. Während der gestörten Zeit schwingt der Multivibrator mit der der vorhandenen Bezugsspannung entsprechenden Frequenz solange, bis die Abstände zwischen den Nulldurchgängen wieder gleich sind und daher wieder Triggerimpulse auftreten. Die Schaltung zur Einstellung der Bezugsspannung stellt gleichzeitig, falls erforderlich, die Bezugsspannung neu ein.

Ein astabiler Multivibrator arbeitet bekanntlich durch Be- und Entladen eines RC-Netzwerks. Ist die Amplitude der Trigger-Impulse klein im Vergleich zu den Änderungen der Spannung im RC-Netzwerk, dann ist die Schaltung auch unempfindlich gegen Störsignale mit hoher Frequenz und zwar deshalb, weil bei zu frühem Eintreffen von Trigger-Impulsenj d. h. wenn der Multivibrator noch nicht darauf vorbereitet ist, diese nicht auf ihn einwirken. Diese Wirkung ist ähnlich wie bei nachlaufenden Bandfiltern.

Verglichen mit der Schaltung nach der Fig. 1 hat die Schaltung nach Fig. 5 den Vorteil, daß Störsignale hoher Frequenz verringert sind,

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ebenso wie Störsignal niederer Frequenz. Sind Störsignale vorhanden, dann ist die Ausgangsgleichspannung wesentlich genauer als die der Schaltung nach Fig. 1, lediglich begrenzt durch die noch vorhandenen analogen Bauelemente. Sind keine Störsignale vorhanden, dann ist die Genauigkeit vergleichsweise der bei digitalen Bauelementen, weil die Ausgangsfrequenz durch die Eingangsfrequenz gesteuert wird. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß dem gleichmäßigen Eingangssignal das Ausgangssignal folgt; wenn aber das Eingangssignal keine Nullstellen aufweist, dann wird die Ausgangsgleichspannung ungefähr auf dem Wert gehalten, der bei regelmäßigem Eingangssignal entsprechend der Frequenz im ungestörten Teil der Modulationsperiode gegeben wäre.

In der Fig. 7 ist das Schaltbild eines astabilen Multivibrators gezeigt, dessen Ausgangssignal ein Rechtecksignal mit konstanter Amplitude ist und dessen Eigenfrequenz durch die Bezugsspannung Vin gesteuert wird. Man sieht, daß die Frequenz des Aus gangs signal gegenüber der Eigenfrequenz geringfügig erhöht werden kann, wenn Trigger-Impulse mit geeigneter Amplitude angelegt werden. Die Eigenfrequenz kann, wie in Fig. 8 gezeigt, durch Anlegen einer Gleichspannung Vin von 0, 75 V bis 5, 0 V/ von 1, 5 KHz bis 10 KHz geändert werden.

3 Patentansprüche
2 Bl. Zeichnungen

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   [l J FM/CW-Radargerät, bei dem die Entfernung des Ziels aus der Differenzfrequenz von Sende- und Empfangssignal ermittelt wird und bei dem die Differenzfrequenz durch Zählung der NuIldurchgänge mittels eines Schmitt-Triggers, eines ersten Differenziergliedes und eines Zählers festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das erste Differenzierglied und den Zähler ein regelbarer astabiler Multivibrator (R) und ein zweites Differenzierglied (DF) geschaltet sind, daß die Frequenz des astabilen Multivibrators auf einen wenig unterhalb der Differenzfrequenz liegenden Wert eingeregelt wird, und daß, sofern die Differenzfrequenz Nulldurchgänge aufweist, der astabile Multivibrator mit der Differenzfrequenz getriggert wird, und, sofern die Differenzfrequenz keine Nulldurchgänge aufweist, der astabile Multivibrator mit der Frequenz, deren Wert wenig unterhalb der Differenzfrequenz liegt, betrieben wird.
2. 2. Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelspannung für den astabilen Multivibrator vom Ausgangssignal des Schmitt-Triggers (S) abgeleitet wird.
3. 3. Radargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers (S) auf eine Negativ/Positiv Meßeinrichtung (NPM) and eine Positiv/Negativ-Meßeinrichtung

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   (PNM) mit nachgeschaltetem Vergleicher (C) und Speicher (SD) gegeben wird, daß dann, wenn der Vergleicher Gleichheit der
   Aus gangs signale der Meßeinrichtungen feststellt, der Spannungswert der Negativ/Positiv-Meßeinrichtung auf den Speicher einwirkt, und daß das gespeicherte Signal die Regelspannung (Vin) für den astabilen Multivibrator ist.

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