DE2218753C3 - Mehrstrahliges Doppler-Radarsystem - Google Patents
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Description
Bei der Signalverarbeitung, beispielsweise in Radar- oder Sonar-Systemen, besteht die erste Aufgabe in der
Regel darin, den Informationsgehalt eines eingehenden, rohen, analogen Signals von unerwünschten Störsignalen,
beispielsweise einem Breitbandempfängerrauschen, zu isolieren, welche manchmal die gewünschte Informa- μ
tion vollständig verdecken können. Werden Informationen tragende Signale, die von mehreren Quellen oder
Kanälen herrühren, gesondert empfangen, dann müssen sie dabei gewöhnlich getrennt verarbeitet werden, um
eine Zuordnung der jeweiligen Information zur falschen t>5
Quelle bzw. zum falschen Kanal zu vermeiden. Obwohl diese getrennte Verarbeitung demnach wünschenswert
ist, ist damit bisher häufig ein umfangreicher Mehrfachaufbau der Verarbeitungsgeräte verbunden, indem
nämlich für jeden Informationskanal ein gesondertes Verarbeitungssystem vorgesehen im.
Insbesondere bei Doppler-Radarsystemen für die Flugzeugbordnavigation werden mehrere Mikrowellenenergiestrahlen
schräg zum Boden gesendet und empfangen, und zwar in einer sich wiederholenden Folge. Die empfangenen Signale können beispielsweise
vier unabhängigen Kanälen zugeordnet sein, welche vier im Zeitmultiplexbetrieb behandelten Strahlen
entsprechen, wobei eine wiederholte Berechnung und Prüfung zur Identifizierung der Doppler-Spektren
erfolgt
Üblicherweise wird eine Frequenznachlaufschleife verwendet, um mehrere entsprechende Empfängeroszillatoren
auf denjenigen diskreten Frequenzen zu halten, welche jeweils die Spitzenleistungsfrequenz im
Spektrum des zugehörigen Kanals repräsentieren. Bisher ist lediglich für den Diskriminator, d.h. das
frequenzvergleichende Bauteil der Schleife ein Zeitmultiplexbetrieb
mittels der Eingangskanäle vorgesehen. Das Diskriminatorfehlersignal wird dazu verwendet,
mehrere gesonderte Integratorverstärker und Oszillatoren zu treiben, welche in die Schleife ein- bzw. aus
derselben entsprechend der Aufeinanderfolge oder Sequenz der Eingangskanäle ausgeschaltet werden.
Selbst während derjenigen Periodendauern, in denen ein einzelner Integratorverstärker und Oszillator keine
neue Information vom entsprechenden Kanal erhält, arbeitet der vom Integrator gehaltene Oszillator mit der
letzten Nachlauffrequenz weiter.
Zwar ist die Verwendung mehrerer Integratorverstärker und Oszillatoren von der Funktion her
befriedigend, doch wirken sich angepaßte Oszillatoren und Gleichstromfunktionsverstärker geeigneter hoher
Güte verteuernd aus.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein mehrstrahliges Doppler-Radarsystem der im Hauptanspruch
angegebenen Gattung zu schaffen, bei welchem die Frequenznachlaufschleife ohne Beeinträchtigung ihres
Nachlaufvermögens so wenige Komponenten aufweist, wie möglich.
Dies ist mit den im Hauptanspruch angegebenen, kennzeichnenden Merkmalen erreicht. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen 2 bis 4 zu entnehmen.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Frequenznachlaufschleife bzw. deren Integratorgerät, jeweils in
Zeitmultiplexschaltung aufgebaut und nach dem Zeitmultiplexverfahren
betrieben, ist auch in anderen, mehrkanaligen Systemen verwendbar. Es wird insbesondere
der Vorteil vermittelt, daß Abmessungen und Kosten einer Frequenznachlaufschleife mit Sequenzeingängen
vermindert bzw. der Aufbau einer solchen Schleife vereinfacht wird* indem lediglich die eigentlichen
Speicherelemente mehrfach vorgesehen sind, während die restlichen, nicht speichernden Komponenten
der Schleife im Zeitmultiplexverfahren betrieben werden.
Erfindungsgemäß ist eine Zeitmultiplex-Frequenznachlaufschleife
mit einem einzigen spannungsgesteuerten Empfängeroszillator zur aufeinanderfolgenden
Wiedergabe der Spitzenleistungsfrequenz des Doppler-Spektrums
jedes Kanals vorgesehen. Der Oszillatorausgang wird mit den Doppler-Signalen in einem
Diskriminator zur Erzeugung eines Gleichstromfehlersignals verglichen, welches einem einzigen Gleichstromfunktionsverstärker
aufgegeben wird, dessen Ausgangs-
spannung die Frequenz des Oszillators steuert Integrationskondensatoren
werden einzeln durch Schaltglieder zwischen den Ein- und Ausgang des Verstärkers
geschaltet, und zwar in synchronisierter Aufeinanderfolge
entsprechend den Doppler-Eingangssignalen. Beim Schalten der Kondensatoren wird ein Abschaltimpuls
aufgegeben, um jede Verbindung zwischen den Kondensatoren zu verhindern. Der Ausgang des
Verstärkers wird wiederholt gemäß der Sequenz eier Doppler-Eingangssignale von einer Spannung zur
nächsten geschaltet Letztere Spannung stellt jeweils also die letzte entsprechende Spannung im vorhergehenden
Eingangssignalzyklus dar.
Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben.
Darin zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Doppler-Radarsystems für Navigationszwecke;
F i g. 2 ein Blockschaltbild des Diskriminators gemäß
Fig.l;
Fig.3 ein Blockschaltbild des Integratorgerätes
gemäß F i g. 1;
F i g. 4 ein Blockschaltbild eines Kondensator-Gatters des Integratorgerätes nach F i g. 3; und
Fig.5 eine graphische Darstellung der zeitlichen
Aufeinanderfolge von Signalen im System gemäß Fig. 1.
In Fig.l ist die besondere Verwendung der Zeitmultiplex-Frequenznachlaufschleife bei einem
Doppler-Radarsystem für die Bordnavigation von Flugzeugen zur Berechnung der Flugzeuggeschwindigkeit
dargestellt Zwar sind auch komplizierte Systeme mit kodierten, impulsförmigen oder frequenzmodulierten
Radarsignalen üblich, jedoch ist zur Erläuterung der Funktionsweise der Nachlaufschleife das grundlegende,
mit kontinuierlichen Wellen arbeitende Doppler-Radarsystem dargestellt
Der Ausgang «ines beispielsweise mit etwa 13 325
Gigahertz arbeitenden Mikrowellenoszillators 10 wird einer Antennenkombination 11 über ein Duplexgerät 12
zugeführt Die Antennenkombination 11 kann aus einer einzigen feststehenden oder lenkbaren Antenne oder
aus mehreren einzelnen Antennen bestehen, welche Energie in mehreren schmalen, schräg auf die
Erdoberfläche gerichteten Strahlen auszustrahlen und zu empfangen vermag bzw. vermögen. Im dargestellten
Fall strahlt die Kombination 11 vier gesonderte Strahlen aus.
In der US-Patentschrift Nr. 31 50 375 ist ein typischer Fall der Bestimmung der Steuerkurs- und Driftgeschwindigkeiten
mittels vier Strahlen geoffenbart, wobei zwei vordere, links und rechts vom Flugzeug-Vorwärtssteuerkurs
nach unten gerichtete und zwei hintere, ähnlich orientierte Strahlen Verwendung finden.
Die der Antennenkombination U vom Oszillator 10 aufgegebene Mikrowellenenergie wird aufeinanderfolgend
auf die Strahlen 1, 2, 3 und 4 verteil;, und zwar mittels eines Strahlwähl-Schalttreibers 14, welcher die
vier Strahlen 1 bis 4 mit etwa 7,5 Hertz kontinuierlich wieder einschaltet, und zwar mit Hilfe eines Folge- und
Taktgerätes 16. Werden die Strahlen geschaltet, dann empfängt die Antennenkombination 11 auch reflektierte
bzw. welche über das Duplexgerät 12 einem Doppier-Verschiebungsdetektor 17 aufgegeben wird,
der die Doppler-Phasenverschiebungsfrequenz Differenzsignale Vergleich mit der Bezugsausgangsleistung
des Oszillators 10 feststellt. Bekanntlich ist die Ausgangsleistung des Detektors 17 gleich Null, wenn
zwischen der Antennenkoinbination 11 und derjenigen
Oberfläche keine Relativgeschwindigkeit gegeben ist von welcher einer der Strahlen 1 bis 4 reflektiert wird.
Flieg* das jeweilige Flugzeug jedoch mit einer bestimmten Geschwindigkeit dann ist im Ausgang des
Detektors 17 eine Doppler-Phasenverschiebungsfrequenz vorhanden, die mit der Geschwindigkeitskompocente
des Flugzeuges in Richtung des Strahls in
ίο Beziehung steht Da im reflektierten Signal gewöhnlich
Rauschen und Grundtrübung enthalten sind, wird die der Flugzeuggeschwindigkeit zuzurechnende Phasenverschiebungsfrequenz
als die Spitzenleistungs- oder Mittenfrequenz im Spektrum der zurückgegebenen Frequenzen identifiziert Der Ausgang des Detektors 17
wird über ein geeignetes Bandfilter 18 und einen Treiberverstärker 19 einer Frequenznachlaufschleife 26
zugeführt welche die Mittenfrequenz des Doppler-Spektrums feststellt
Die Schleife 26 weist drei wesentliche Komponenten auf, nämlich einen spannungsgesteuerten Empfängeroszillator
28, dessen Frequenz von der Ausgangsspannung eines Zeitmultiplex-Integratorgeräts 29 gesteuert ist
welches auf den Ausgang eines Diskriminators 31 anspricht Jedes Doppler-Spektrum wird vom Diskriminator
31 mit der Frequenz des Empfängeroszillators 28 verglichen, die über ein Aufteil- und Phasenverschiebungsgerät
35 zugeht welches den Sinus und Cosinus dem Diskriminator 31 aufgibt, und zwar beispielsweise
mit einem Viertel der vom Oszillator 28 erzeugten Frequenz. Wegen des einem Rauschen ähnlichen
Charakters des Doppler-Echos kann der Gleichstromausgang des Diskriminators 31 dem Oszillator 28 nicht
unmittelbar aufgegeben werden, sondern muß zuerst in das Integratorgerät 29 gehen, um ein glattes, kontinuierliches
Steuersignal und hohe statische Genauigkeit zu gewährleisten.
Die Schleife 26 dient dazu, den Empfängeroszillator 28 auf einer Frequenz zu halten, die der Mittenfrequenz
im Doppler-Spektrum vom Treiberverstärker 19 proportional ist Der Ausgang des Empfängeroszillators 28
ist daher proportional der Geschwindigkeitskomponente in Richtung eines gegebenen Strahles. Die Ausgangsleistung bzw. der Ausgang des Oszillators 28 kann in
einem Geschwindigkeitsrechner 41 verwendet werden, um analoge oder digitale Signale zu erzeugen, die für die
Flugzeugsteuerkurs- und -driftgeschwindigkeiten repräsentativ sind, wobei die den Strahlen 1, 2, 3 und 4
zugeordneten Doppler-Frequenzen addiert und subtrahiert werden. Die mathematischen Beziehungen zwischen
diesen Geschwindigkeiten und den Doppler-Echos der schrägen vorderen und hinteren Strahlen sind
bekannt Desgleichen gehen die Einzelheiten eines zur Durchführung dieser Berechnungen geeigneten Computers
aus der US-Patentschrift Nr. 29 81 944 hervor.
Gemäß F i g. 2 weist der Diskriminator 31 zur Bildung eines abgeglichenen Demodulators ein Paar von Sinus-
und Cosinusmischern 51 bzw. 52 auf, welche den Ausgang des Empfängeroszillators 28 im Quadrat
bo empfangen. Beide Mischer 51 und 52 erhalten vom
Verstärker 19 dieselben aufeinanderfolgenden Doppler-Signale. Die Summe und die Differenz dieser Signale
und der Sinus- sowie Cosinusoszillatorausgang des Gerätes 35 werden von den Mischern 51 und 52 erzeugt.
br> Die Ausgangsleistungen bzw. Ausgänge der Mischer 51
und 52, welche um 90° phasenverschoben sind, werden jeweils durch ein Tiefpaßfilter 53 bzv/. 54 geführt, um die
Differenzsignale auszusondern. Dann geht der Sinusaus-
gang des Filters 53 durch ein Hochpaßfilter 55 und der Cosinusausgang des Filters 54 durch ein Tiefpaßfilter 56,
um die Signale um 90° wieder in Phase miteinander zu verschieben.
Die phasengleichen Differenzsignale werden dann einer Multiplizierschaltung 57 aufgegeben, welche einen
Gleichstromausgang liefert, der der Differenz zwischen dem abgetrennten bzw. dividierten Ausgang des
Empfängeroszillators 28 und der Spitzenleistungsfrequenz des Doppler-Eingangssignals vom Diskriminator
31 proportional ist Der Ausgang der Multiplizierschaltung 57 ist positiv, wenn der Oszillatorausgang des
Gerätes 35 größer als das Doppler-Eingangssignal ist, und ist negativ, wenn der Oszillatorausgang des Gerätes
35 kleiner als das Doppler-Eingangssignal ist (der Sinus eines negativen Winkels ist negativ, während der
Cosinus positiv bleibt
Die Polarität des Fehlersignals ist so, daß der Oszillator 28 in die zur Verminderung des Fehlersignals
richtige Richtung getrieben wird. Zweckmäßigerweise können die Ausgänge der Filter 55 und 56 in der
Multiplizierschaltung 57 einem Summen/Differenz-Verstärker mit Summen- und Differenzausgang aufgegeben
werden, welche Ausgänge gleichgerichtet und voneinander subtrahiert werden, und zwar in einer Diodenbrücke,
um einen Ersatz für eine wirkliche Multiplikation zu vermitteln.
Gemäß F i g. 3 weist das Multiplex-Integratorgerät 29
einen einzigen Gleichstromfunktionsverstärker 61 mit hohem Verstärkungsfaktor auf, welcher das Fehlersignal
vom Diskriminator 31 empfängt. Vier Kondensatoren 63,64,65 und 66, welche dem Strahl 1 bzw. 2 bzw. 3
bzw. 4 (Fig. 1) zugeordnet sind, sind jeweils parallel zum Eingang und Ausgang des Verstärkers 61
geschaltet, so daß das Gerät 29 dem Fortschreiten der Doppler-Mittenfrequenz beim jeweiligen Strahl folgen
kann. Gatter 71,72,73 und 74 sind in den Leitungen der
Kondensatoren 63 bis 66 vorgesehen und bewerkstelligen das erforderliche Schalten.
Das vierkanalige Taktsignal vom Taktgerät 16 (F i g. 1) wird über einen Gattertreiber 76 zugeführt, um
den Folgebetrieb der Gatter 71 bis 74 mit dem Strahlumschaken bei der Antennenkombination 11 zu
synchronisieren. Um ein Zusammenschalten zweier Kondensatoren zu irgenteiner Zeit und somit einen
unerwünschten Ladungsübergang zu verhindern, werden die Gatter 71 bis 74 gleichzeitig abgeschaltet, und
zwar über eine gesonderte Leitung von dem Gerät 16 her über den Gattertreiber 76, welcher die Gatter
während des geschalteten Übergangs von einem Strahl zum nächsten kurz öffnet Die Abschaltimpulse können
vom Gerät 16 als Funktion des vierkanaligen Schaltausgangs erzeugt werden.
Die Gatter 71 bis 74 können jeweils beispielsweise ein UND-Gatter 81 oder dergleichen aufweisen, das ein
Feldeffekttransistorgatter 82 treibt, welches wiederum den Kondensator 63 bzw. 64 bzw. 65 bzw. 66 an- und
abschaltet, wie aus F i g. 4 ersichtlich. Soll beispielsweise
das Gatter 82 geschlossen sein, wenn die Leitung A des vierkanaligen Taktsignals positiv ist dann ist die
Abschaltleitung C normalerweise positiv und wird kurz negativ, um das Gatter während des Schaltens zu öffnen.
Ist im Betrieb der Strahl 1 ausgewählt, dann wird das
gesamte Diskriminatorfehlersignal dem Kondensator 63 aufgegeben. Da es sich bei dem Verstärker 61 um
einen Differentialverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor handelt kann der Stromeingang zum Verstärker
vernachlässigt werden. Sind die Gatter 72, 73 und 74
ίο
vollkommen offen, dann gibt der Spannungsausgang des Verstärkers 61 die Integralion des Gleichstromfehlersignals
vom Diskriminator 31, entsprechend dem Strahl 1, wieder. Signalisiert das Taktgerät 16 das Ende der
Periode vom Strahl 1 und den Anfang der Periode des Strahls 2, dann wird das Gatter 71 geöffnet. Da für den
Kondensator 63 dann keine Entladungsleitung zur Verfügung steht, hält er die Ladung, die er während der
Periode des Strahles 1 akkumuliert oder integriert« hat, und zwar durch Abnahme und Speicherung der
Spannung vom Ausgang des Verstärkers 61, welcher den Oszillator 28 steuert
Nach Ablauf ähnlicher Perioden für die Strahlen 2, 3 und 4 kehrt die Periode für den Empfang von Energie im
Strahl 1 wieder, und es findet eine weitere Ladungsakkumulierung durch den Kondensator 63 statt, wenn ein
Fehlersignal vom Diskriminator 31 noch vorliegt. Naturgemäß liegt während der Periode des Strahls 1
kein Fehlersignal vor, wenn der Empfängeroszillator 28 bereits auf die richtige Frequenz eingestellt worden ist.
Zwei vollständige Zyklen der Strahlen 1 bis 4 sind in F i g. 5 graphisch dargestellt Ein vollständiger Zyklus Γι
dauert beispielsweise 133 Millisekunden (7.5 Hertz), wobei jede Abfragestrahlperiode 7} 33 Millisekunden
lang ist. Die Linien A, B, C und D stellen sowohl das Strahlschalten bei der Antennenkombination 11 als auch
den Steuereingang zu den Gattern 71 bis 74 dar. Die durch die Linie G dargestellten Impulse haben
beispielsweise jeweils eine Dauer T^ von 4 Mikrosekunden,
um die Zwischenimpulsschaltzeit zu überdecken.
Die die Strahlen 1 bis 4 darstellenden Linien zeigen gesteigerte Wechsel der Spitzenleistungsfrequenzen in
den vier Kanälen an, wenn sie einmal alle 133 Millisekunden abgefragt werden. Solche Wechsel
können durch eine verstärkte Beschleunigung in Steuerkurs- und Driftrichtung hervorgerufen sein. Der
Oszillator 28 erzeugt einen durch die Linie LC dargestellten analogen Ausgang zu der Frequenz bei
jeder Strahlperiode. Dieser Ausgang wird während jedes Abschaltimpulses unterbrochen, da keine Kondensatoren
angeschaltet sind.
Die Frequenznachlaufschleife, bei welcher sowohl der Empfängeroszillator als auch der Gleichstromverstärker
mit Zeitmultiplexbetrieb funktionieren, kann niehl nur bei dem erörterten Doppler-Radarsystem für
Navigationszwecke Anwendung finden. Die Erfindung kann vielmehr in jedem Frequenzmeß- oder -nachlaufgerät
mit mehreren aufeinanderfolgend wirksamer Eingängen verwendet werden. Naturgemäß müssen dei
Oszillator 28 und der Verstärker 61 von solcher Quylitäi
sein, daß ein augenblickliches Schalten gewährleistet ist Die Einstellgeschwindigkeit des Verstärkers 61 bzw. die
Geschwindigkeit, mit welcher der Verstärker 61 vor einer Spannung auf eine andere Spannung umschalter
kann, kann einen bedeutsamen Faktor bei der Auswahl einer geeigneten Verstärker/Oszillator-Kombinatior
darstellen.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in dei Verminderung der Kosten, der Größe und des
komplexen Aufbaus der Frequenznachlaufschleife. Bis her haben solche Schleifen für vier Folgesignale viei
Empfängeroszillatoren, vier Gleichstromverstärker unc vier Kondensatoren erfordert Bis auf die Kondensate
ren, welche allein die wirklichen Speicherelemente ir der Schleife darstellen, ist mit der Erfindung dies«
mehrfache Anordnung derselben Bauteile vermieden Durch die Verwendung lediglich eines Gleichstromver
stärkers anstelle von mehreren ist weiterhin ein wenigei
ins Auge fallender Vorteil erzielt, nämlich die Beseitigung von Verstärkervorspannungsfehlern, wenn der
gewünschte Ausgang vom Computer 41 die Frequenzdifferenz zwischen den Spektren in irgend zwei Strahlen
oder Kanälen ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
- Patentansprüche:ί. Mehrstrahliges Doppler-Radarsystem mit einer abstrahlenden und empfangenden Antennenkombination, einem damit verbundenen, Taktsignale zur Erzeugung einer sich wiederholenden Strahlensequenz in der Antennenkombination abgebenden Taktgerät, und einem ein zur Erzeugung einer sich wiederholenden Sequenz von Dopplcr-Signalen entsprechend den einzelnen Strahlen von der Antennenkombination abgestrahltes CW-Signal erzeugenden Senderoszillator, gekennzeichnet durch eine Zeitmultiplex-Frequenznachlaufschleife (26) mit einem einzigen, frequenzvariablen Empfängeroszillator (28), welcher einen die Spitzenleistungsfrequenz in jedem Doppier-Signal angebenden Sequenzausgang (LO) liefert, mit einem die Sequenz von Doppler-Signalen und den Empfängeroszillatorausgang (LO) aufnehmenden, ein eine Frequenzdifferenz zwischen diesen beiden Eingängen angebendes Fehlerausgangssignal liefernden Diskriminator (31), und mit einem Zeitmultiplex-Integratorgerät (29) zur Erzeugung eines Sequenzsteuersignalausgangs für den Empfängeroszillator (28), wobei das Integratorgerät (29) einen einzigen, eingangsseitig an den Ausgang des Diskriminators (31) angeschlossenen Funktionsverstärker (61), mehrere jeweils einem Strahl (1 bzw. 2 bzw. 3 bzw. 4) zugeordnete Kondensatoren (63,64,65,66) und auf die Taktsignale ansprechende Schaltglieder (71, 72, 73, 74) zur Einschaltung des jeweils zugeordneten Kondensators (63 bzw. 64 bzw. 65 bzw. 66) zwischen Ein- und Ausgang des Verstärkers (61) in entsprechender, sich wiederholender Folge aufweist.
- 2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Abschalten aller Kondensatoren (63, 64, 65, 66) vom Verstärker (61) beim Umschalten von einem auf einen anderen Kondensator.
- 3. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere parallele Rückkopplungsleitungen zwischen Ein- und Ausgang des Verstärkers (61), in welchen jeweils einer der Kondensatoren (63,64,65, 66) und ein Gatter (71 bzw. 73 bzw. 74) als Schaltglied vorgesehen sind.
- 4. System nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatter (71, 72, 73, 74) vom zugehörigen Gattertreiber (76) durch ein Abschaltsignal ^gemeinsam in Sperrzustand schaltbar sind.50
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