DE2256564C3

DE2256564C3 - Doppler-Radargerät mit steuerbaren Zwischenfrequenzkanälen zur zunehmend genaueren Dopplerfrequenzbestimmung

Info

Publication number: DE2256564C3
Application number: DE19722256564
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. 8000 Muenchen Koffler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-11-17
Filing date: 1972-11-17
Publication date: 1975-07-03
Also published as: FR2207284B1; DE2256564A1; DE2256564B2; SE398165B; NL7315600A; GB1455832A; NL158617B; FR2207284A1

Description

tragungskanal noch ein ausreichend großes Zwi- Zeichenunterdrückung vorgesehen ist, das nur Si·

schenfrequenzsignal am Ausgang des jeweiligen gnale eines bestimmten, durch den zu erfassender

Tiefpasses liefert. Geschwindigkeitsbereich bzw. die Impulsfolgefrequenj

2. Doppler-Radargerät nach Anspruch 1, da- festgelegten Dopplerfrequenzbereichs durchläßt, unt durch gekennzeichnet, daß die Uberlagerungs- 35 bei dem mittels eines Diskriminator eine genauere frequenzen in jedem Ubertragur.gskanal von einem Bestimmung der Dopplerfrequenz eines bestimmter digitalen Oszillator (01, 01) erzeugt sind, dessen Bewegtzieles dadurch vorgenommen wird, daß zwe frequenzbestimmende Koeffizienten durch das Teildurchlaßbereiche vorgesehen sind, die zunächsi Steuersignal verändert werden (F i g. 4). zusammen etwa den interessierenden Durchlaßbereicr

3. Doppler-Radargerät nach Anspruch 1, da- 40 des Doppierfilters überdecken, und bei Erfassung eine; durch gekennzeichnet, daß als digitaler Oszillator Bewegtzieles die Teildurchlaßbereiche so lange mittel; eine Speicheranordnung verwendet ist, in der für einer nachgeschalteten Diskriminatorschaltung zu eine Reihe verschiedener Überlagerungsfrequenzen nehmend verkleinert werden, bis die Bestimmung dei die Abtastfolgen gespeichert sind und auf ein ent- Dopplerfrequenz mit einer vorgegebenen Genauigkei Sprechendes Steuersignal hin die jeweils gewünschte 45 durchgeführt werden kann. Dabei wird bei im Ver Abtastfolge periodisch wiederholt wird. hältnis zur benötigten Zeit für die Bestimmung dei

4. Doppler-Radargerät nach einem der vorher- Dopplerfrequenz des Digitalfilters zu geringer Ziel gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beleuchtungszeit eine Wiederholungseinrichtung ir Γη der Auswerte- und Steuerschaltung (AS) ein Tätigkeit gesetzt, in welcher die vorher empfangener Programm enthalten ist, das in Abhängigkeit von 50 Echosignale eines Bewegtziels gespeichert sind unc entsprechend gestuften Amplitudenverteilungen in wobei die Wiederholung so lange durchgeführt wird den beiden Ubertragungskanälen (UKl, UKl) die bis die gewünschte Genauigkeit bei der Frequenz verschiedenen frequenzbestimmenden Koeffizienten bestimmung erreicht ist.

der Oszillatoren (01, OT) und der Tiefpaßfilter Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu

(TPl, TPl) enthält, und die jeweiligen Koeffizien- 55 gründe, schnell und zuverlässig und ohne großer ten, die zu einem Amplitudenwert gehören, bei Aufwand eine zunehmend genauere Bestimmung dei Auftreten dieses Amplitudenwertes zu den digitalen Dopplerfrequenz durchzuführen.
Oszillatoren (Öl, 02) bzw. den digitalen Tiefpaß- Gemäß der Erfindung, welche sich auf ein Doppler

filtern (TPl, TPl) übertragen werden. Radargerät der eingangs genannten Art bezieht, wire

60 dies dadurch erreicht, daß bei in digitale Form umge wandelten Bewegtzielechosignalen die Mischer unc

die Tiefpässe digital arbeiten und durch die Steuer

signale der Auswerte- und Steuerschaltung die Ver ringerung der Grenzfrequenz der Tiefpaßfilter und di<

Die Erfindung bezieht sich auf ein Doppler-Radar- «5 Veränderung der Uberlagerungsfrequenzen der digi gerät, insbesondere Puls-Doppler-Radargerät, mit talen Mischer so vorgenommen wird, daß die Differen; einer Einrichtung zur Geschwindigkeitsbestimmung der jeweils erzeugten Zwischenfrequenzen fortlaufenc eines Bewegtzieles durch zunehmend genauere Be- abnimmt und gegen Null geht und die Verringerunj

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der Grenzfrequenz der Tiefpässe zumindest in einem die Durchlaßkurve für den Übertragungskanal UKI Übertragungskanal noch ein ausreichend großes bezeichnet, und zwar in Abhängigkeit von der Fre-Zwischenfrequenzsignal am Ausgang des jeweiligen quenz vor den Mischern Ml und Ml. Dabei ist davor Tiefpasses liefert. ausgegangen, daß die Uberlagerungsfrequenz des Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Zeich- 5 Oszillators Ol den Wert f_Ol und die des Oszillators nungen näher erläutert. Es zeigt O2 den Wert fo% hat. Für jeden Ubertragungskanal F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines k-rnäß der ergibt sich somit zu Beginn der Messung eine DurchErfindung aufgebauten Radargeräts, laßbandbreite B, wobei diese Durchlaßbandbreite se F i g. 2 die Durchlaßkurve in Abhängigkeit von gewählt ist, daß sie im Schnittpunkt beider Kurver der Frequenz, io beginnt oder endet. Aus dem Zusammenwirken dei F i g. 3 die Schaltung eines digitalen Mischers, Grenzfrequenzen der Tiefpässe einerseits und der ver-F i g. 4 die Schaltung eines digitalen Oszillators, schiedenen Uberlagerungsfrequenzen Jo₁ und f₀-F i g. 5 die Schaltung eines digitalen Tiefpaßfilters, andererseits ergibt sich für die beiden Übertragungs-F i g. 6 die Dämpfungskurve eines Tiefpaßfilters kanäle insgesamt praktisch das Verhalten von Band· nach F i g. 5. 15 passen, deren Durchlaßbereiche dem Wert von B entin F i g. 1 ist die Antenne eines Radargerätes mit sprechen.

RA bezeichnet. Sie kann bevorzugt als Rundsuch- Für die weitere Erläuterung soll auf ein Zahlenantenne oder sektorförmige Abtastantenne ausgebildet beispiel Bezug genommen werden, wobei folgende sein. Das Radargerät weist in bekannter Weise einen Annahmen getroffen sind:
Sendeteil 57" und einen Empfangsteil ET auf. Das 30 , _ 15 j.pj_z
Radargerät ist bevorzugt als Puls-Doppler-Radargerät f _ ,, ^₂'
ausgelegt, so daß im Sendeteil eine entsprechende ^² _ ₄ ^₂'
Takteinrichtung zur Erzeugung und Steuerung der _{ _ ig 2 kHz
Pulse vorgesehen ist. An den Empfangsteil ET, welcher ^JD ' '

neben der Mischstufe auch ein Dopplerfilter enthält, as wobei /d die Frequenz der Dopplerschwingung eines ist ein Analog-Digital-Wandler W angeschlossen. Die georteten Bewegtzieles ist. Nimmt man an, daß die Übertragung der Signale erfolgt von hier aus auf zwei Grenzfrequenz der Tiefpaßfilter 7Tl und TPl zu Ubertragungskanälen UKl und UKl. Diese Über- Beginn des Meßvorganges gleich Jg_x = /gi = 2 kHz tragungskanäle sind in ihrem vorderen Teil gleich auf- gewählt ist, so wird praktisch nur am Ausgang des gebaut und enthalten jeweils einen digitalen Mischer 30 Ubertragungskanals UKl ein Signal auftreten (Zwi- Ml bzw. Ml, ein Tiefpaßfilter TPl bzw. TPl und schenfrequenz Zz₁ = /d-/oi = 16,2—15 = 1,2 kHz), eine Einrichtung zur Betragbildung Bl und Bl, z. B. während am Ausgang des Ubertragungskanals UK2 durch Quadrieren. Den digitalen Mischern Ml bzw. wegen der zu hohen Zwischenfrequenz von fz_s Ml ist jeweils ein Oszillator Ol bzw. 02 zugeordnet. = /d—/o2 = 16,2 — 11 = 5,2 kHz nur ein sehr kleines Das Ausgingssignal des Ubertragungskanals UKl 35 Ausgangssignal 52 auftritt. Aus dem Vergleich dei wird einer Umkehrstufe IVl zugeführt und so zu- absoluten Größen der Ausgangssignale 51 und 52 sammen mit dem Signal aus dem Ubertragungskanal aus den Übertragungskanälen UKl und UKl läßt UKl einer Vergleichsstufe AD zugeführt. Diese Ver- sich für die gewählten Oszillatorfrequenzen Z01 und gleichsstufe schaltet unter Berücksichtigung von Be- /ο_ζ und die gewählte Grenzfrequenz Zc₁ = Zg₂ betrag und Vorzeichen die beiden Ausgangssignale der 40 reits eine Information gewinnen, welche es ermöglicht beiden Ubertragungskanäle UKl und UKl gegenein- sowohl die Oszillatorfrequenzen f_Ox und fo_t als auch ander. Am Ausgang dieser Vergleichsstufe liegt somit die Grenzfrequenzen Zgi und fa so zu verändern, da£ ein Signal vor, das nach Größe und Vorzeichen die bereits mit dem nächsten Schritt der gesuchte Fre-Abweichuni; der gemessenen Frequenz gegenüber einer quenzwert Zb sehr viel genauer bestimmt werden kann durch die Wahl der Kennwerte der Überlagerungs- 45 Wird auf Grund der erhaltenen Werte 51 und 52 frequenzen und der Grenzfrequenzen der Tiefpaßfilter im Ubertragungskanal UKl die neue Oszillatorfrefestgelegten Diskriminatorfrequenz wiedergibt. Dieses quenz des Oszillators Ol mit Z01' = 17 kHz und die Ergebnis wird einer Auswerte- und Steuerschaltung des Oszillators 02 zu fo₂> = 14 kHz gewählt, se AS zugeführt, die außerdem aus jedem der Über- ergeben sich folgende Zwischenfrequenzen:
tragungskanäle UKl und UKl die Signalamplitude 50 r _t ₌ η 8 kHz
jedes dieser Kanäle erhält. Die Auswerte- und Steuer- /¹^ _ 22 ^j-fz'
schaltung AS ist im vorliegenden Beispiel als digitale '

Schaltungsanordnung angenommen ebenso wie die Gleichzeitig kann, da die neuen Zwischenfrequenzer

nachfolgende Frequenzanzeigescha'.tung AF, die den Zzi' und fz₂' wesentlich niedriger liegen als die ur·

Meßwert nach Abschluß des Meßvorganges anzeigt 55 sprünglichen Werte, eine Veränderung der Grenz

oder auswertet. Von der Auswerte- und Steuerschal- frequenzen der Tiefpässe TPl und TPl, z. B. auf der

tung AS werden erste Steuersignale zu den Oszilla- Wert /c = 1,5 kHz, gewählt werden. Dadurch ergib

toren Ol und 02 übertragen, welche eine Veränderung sich eine neue Bandbreite B' = 3 kHz. Dies biete

der Oszillatorfrequenz und damit der Überlagerungs- nicht nur die Möglichkeit, die Diskriminatorkurv«

frequenz bewirken. Weitere Steuersignale gelangen zu 60 nach Zeile b von F i g. 2 wesentlich steiler zu gestaltei den Tiefpaßfiltern TPl und TPl, wobei die Verände- und damit genauer zu messen, sondern auch der rung der Grenzfrequenzen der Tiefpaßfilter so vorge- Vorteil, mit einer wesentlich geringeren Bandbreit« nommen wird, daß die Grenzfrequenz in Richtung auf und damit bei gleichem Signalanteil mit geringeren-

kleinere Frequenzwerte verschoben wird. Rauschanteil zu messen.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung 65 In Zeile c von F i g. 2 ist /o₂" = 15 kHz und fo_X'

nach F i g. 1 wird nachfolgend auf F i g. 2 Bezug ge- = 17,4 kHz gewählt. Die Durchlaßbandbreite B' nommen. Dort ist in Zeile α mit DKl die Durchlaß- kann auf z. B. 2,4 kHz verringert werden, was Tiefpaß kurve für den Ubertragungskanal UKl und mit DKl Grenzfrequenzen von /c = 1,2 kHz bedeutet. Die

Diskriminatorkurven DKi und DKl liegen symmetrisch zur Linie fo, d. h., Si und 52 sind gleich groß. Damit ist eine exakte Bestimmung der Zielgeschwindigkeit in kurzer Zeit und auch bei schwachen Echosignalen möglich. Die Geschwindigkeit (Schritte), mit denen /o und /g bzw. B jeweils verändert werden, kann z. B. mittels eines Simulationsprogramms für jedes Radargerät ermittelt werden. Dann lassen sich die Schrittstufen in der Auswerte- und Steuerschaltung AS in Form eines Programms speichern und können im Einzelfall für die Steuerung der einzelnen Größen herangezogen werden.

In der F i g. 3 sind Einzelheiten eines der Mischer — z. B. von Ml — dargestellt. In einer Speicher- und Wiederholungseinrichtung Ma wird eine Abtastprobe aus einem Bewegtzielechoimpuls festgehalten und einer Multiplizierstufe Mb zugeführt, die ihrerseits einen Abtastwert von dem digitalen Oszillator 01 erhält.

Die Abtastwerte der Oszillatorfrequenz des Oszilla- so tors Ol können entweder durch Abtastproben aus analogen Sinusschwingungen erhalten werden oder durch eine digitale Schaltung, die von Haus aus Abtastproben aus einer Schwingung einer bestimmten Frequenz liefert. Ein Beispiel hierfür ist in F i g. 4 dar- »5 gestellt. Diese Schaltung enthält einen Geber 30, zwei Verzögerungseinrichtungen 31 und 32 mit jeweils ausgangsseitig angeschlossenen Multiplikationsstufen 33 und 34. Diese sind zu einer Additionsstufe 35 geführt, deren Ausgang mit dem Ausgang des Gebers 30 verbunden ist. Von dort aus wird der Eingang einer weiteren Additionsstufe 36 angesteuert, deren zweiter Eingang vom Ausgang der Multiplikationsstufe 34 gespeist wird. Am Ausgang liegt ein Signal der Form

COS —

vor. Für χ gilt

fp

wobei /o die Oszillatorfrequenz und /„ = — ist. Es

ergeben sich also am Ausgang Abtastproben einer Frequenz. Der Faktor der Multiplikationsstufe 34 ist konstant und beträgt —1, der Faktor der Multiplikationsstufe 33 ist L — 2 · cos a. Bei einer Frequenzänderung von fo muß somit von AS ein neuer Wert von L eingestellt werden. Zum Start wird vom Geber der Wert EW — 0,5 eingegeben; die Ausgabe der Abtastproben erfolgt dann automatisch mit der Zeitfolge T.

Es ist auch möglich, als digitalen Oszillator eine Speicheranordnung zu verwenden, in der für eine Reihe verschiedener Überlagerungsfrequenzen die Abtastfolgen gespeichert sind und auf ein entsprechendes Steuersignal hin die jeweils gewünschte Abtastfolge periodisch wiederholt wird.

Der digitale zweistufige Tiefpaß TP besteht nach F i g. 5 im einzelnen aus einem ersten Teilfilter FI und einem zweiten Teilfilter Fl, die im vorliegenden Beispiel gleich aufgebaut und hintereinander geschaltet sind. Die Eingangsklemme ist mit 10, die Ausgangsklemme mit 11 bezeichnet. Jedes Filter weist 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 bzw. Speicherung um eine Zeit j = V/p (fp = Impulsfolgefrequenz des Radargerätes durchgeführt wird. Der Mulliplikationseinrichtung V. ist der Multiplikationsfaktor A₁, der Multiplikation einrichtung 17 der FaktorA₁ zugeordnet; der Multi plikationseinrichtung 13 ist der Faktor D₁, der Multi plikationseinrichtung 18 der Faktor D₂ zugeordnet Diese Faktoren sind zweckmäßig vorprogrammiert ir der Auswerte- und Steuerschaltung AS enthalten. Sk werden daraus bei Bedarf entnommen und zu der Multiplikationseinrichtungen 12,13,17,18 übertragen

Die Verarbeitung der Echosignale wird nach Zieler geordnet vorgenommen werden. Hierzu sind insbesondere Radargeräte mit Entfernungskanälen geeignet

Zur Realisierung eines Tiefpasses TP, wie er im Blockschaltbild in F i g. 5 dargestellt ist, wird nachstehend das als Beispiel dargestellte Digitalfilter mil Hilfe der bilinearen z-Transformation entworfen. Hierzu sollen folgende Festlegungen gelten.

Die Übertragungsfunktion für einen einfachen RC-Tiefpaß mit der Grenzfrequenz/₀ lautet:

H(s) = -

1+RCs

a = 1; ω₀ = 2π·/₀ =

ω₀

RC

Mit der bilinearen z-Transformation erhält man

1 +z-¹

H(s) =

Z-¹) = A

I-

³⁵ ζ ' bedeutet Verzögerung um die Abtastperiode T = j-; f_v ist die Abtastfrequenz und damit auch die

Taktfrequenz des digitalen Tiefpaßfilters TP. Dabei ist

1 + ag 1 + ag

g = tg

= tgC*/₀//p).

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

Mit f_p = 1 kHz wird für die in F i g. 5 dargestellten Schaltelemente bei

/o(Hz)
Αχ, A_x .
D₁, D₁ .
Kurve .

44	33	22
0,191	0,150	0,104
0,617	0,701	0,791
ATl	Kl	K3

11

0,055 0,890

K4

Zu Beginn eimer Beobachtung werden die Koeffizienten A₁ = A_x sowie D₁ = D_x der beiden Filter Fl und F2 so eingestellt, daß der dargestellte Tiefpaß eine besonders hohe Grenzfrequenz aufweist. In F i g. 6 ist die Dämpfung d in Abhängigkeit von der Frequenz///, für verschiedene Koeffizienten aufgetragen. Der bei der Grenzfrequenz jeweils erreichte Dämpfungswert ist mit </₀ bezeichnet. Das Tiefpaßfilter TP hat zunächst eine besonders hohe Grenzfrequenz, die etwa bei 0.044 flf~ lipot nn^ Wnir-fc η·ί>

Kurve K\ festi;ele;:t ist. Nach einiger Zeit wird durch Äntlcriinv. de; Koeffizienten des Tiefpasses 77' die Gren/freqtien.' in Richtung auf geringere Werte vcrsehohen, und die Durchlaßkurve hat den durch die Kurve Ä2 angedeuteten Verlauf mit der Grenzfrequenz 0,033 f:f_v. Zu einem spateren Zeitpunkt schließlich erreicht die Durchlaßkurve die durch die Kurve A'3 angegebene Form, wobei die Grenzfrequenz auf den Wert 0.022 ///,, abgesunken ist. Nach Ablauf der maximalen Beobachtungszeit folgt die Durchlaßkurve des Tiefpasses TP der Kurve λ'4. Dieser geringste Wert der Grenzfrequenz kann durch stetiges Ändern der Koeffizienten A₁. A₂, D₁ und I)₂ des Tiefpasses 77' erzielt werden oder aber dadurch, daß diese Änderung in mehreren Stufen erfolgt.

Die Steuerung der Variation der Koeffizienten bei den Mulliplikationseinrichtungen 12, 13, 17 und 18 erfolgt ebenso wie die des Faktors L bei F i g. 4 durch die Auswerte- und Steuerschaltung AS. Wenn diese 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 zeitliehen Folge der eintreffenden Echoimpulse ausgespeichert werden. Arbeitet diese Schaltung AS als Rechner, so wird die Steuerung der Filtereigenschaften so vorgenommen, daß die Daten für die Steuerung der Grenzfrequenz

ίο des Tiefpaßfilters in einem Rechnerprogramm vorhanden sind und bei Bedarf berechnet und zur Verarbeitung ausgegeben werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß das dargestellte Filter bei fjfp = 1 zwar wieder eine Nullstelle hätte, daß diese jedoch für den hier in Frage kommenden Frequenzbereich keine Bedeutung mehr hat, so daß von dem Digitalfilter nur sein Tiefpaßbereich ausgenutzt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Stimmung der Dopplerfrequenz mittels eines Diskri Patentansprüche· minators und unter Verwendung zweier Übertragungskanäle, von denen jeder einen Mischer und einen ver

1. Doppier-Radargerät, insbesondere Puls- änderbaren Tiefpaß mit jeweils gleichen Grenz Doppler-Radargeräi, mit einer Einrichtung zur 5 frequenzen aufweist und die Ausgange der bäder Geschwindigkeitsbestimmung eines Bewegtzieles Ubertragungskanäle über eine Vergleichsstufe einei durch zunehmend genauere Bestimmung der Auswerte-und Steuerschaltung zugeführt sind, welch. Dopplerfrequenz mittels eines Diskriminator* durch Vergleich der Signalamplituden in den beider und unter Verwendung zweier Übertragungskanäle, Ubertragungskanälen Steuersignale fur die Anderunj von denen jeder einen Mischer und einen veränder- i° der Überlagerungsfrequenz der Mischer erzeugt,
baren Tiefpaß mit jeweils gleichen Grenzf.equenzen Eine derartige Anordnung ist aus der deutscher aufweist und die Ausgänge der beiden Übertra- Auslegeschrift 1238 511 bekannt Diese Schaltungs gungskanäle über eine Vergleichsstufe einer Aus- anordnung dient zur Bestimmung der Mittenfrequen; werte- und Steuerschaltung zugeführt sind, welche eines durch den Dopplereffekt verschobenen Spek durch Vergleich der Signalamplituden in den beiden 15 trums. Als Tiefpaßfilter ist dabei eine Schaltung vor Übertragungskanälen Steuersignale für die Ände- gesehen, welche durch Zu- oder Abschalten vor rung der Überlagerungsfrequenz der Mischer er- Kapazitäten nur in einer einzigen Stufe verander zeugt, dadurch gekennzeichnet, daß werden kann. Das Umschaltkriterium wird hierbe bei in digitale Form umgewandelten Bewegtziel- direkt aus einem der beiden Ubertragungskanäle geechosignalen die Mischer (Λ/1, Λ/2) und die Tief- »0 wonnen. Für die Erzeugung der Überlagerungspässe (77Ί, TPl) digital arbeiten und durch die frequenz ist nur ein einziger Oszillator vorgesehen Steuersignale der Auswerte- und Steuerschaltung wobei in den beiden Übertragungskanälen mit unter· (AS) die Verringerung der Grenzfrequenz der schiedlichen Phasenverschiebungen gearbeitet wird Tiefpaßfilter (TPl, TPl) und die Veränderung der Mit nur einer Überlagerungsfrequenz und nur in einei Uberlagerungsfrequenzen (Zo₁, /o₂) der digitalen »5 Stufe veränderbaren Tiefpaßfiltern ist der erzielbarc Mischer (Ml, Ml) so vorgenommen wird, daß Rauschabsiand und die Geschwindigkeit der Fredie Differenz der jeweils erzeugten Zwischen- quenzbestimrnung nicht sehr hoch.

frequenzen fortlaufend abnimmt und gegen Null Im deutschen Patent 2 204 095 ist ein Puls-Dopp-

geht und die Verringerung der Grenzfrequenz der ler-Radargerät vorgeschlagen worden, bei dem emp-

Tiefpässe (TPl, TPl) zumindest in einem Über- 30 fangsseitig mindestens ein Dopplerfilter zur Fest-