DE2501201C2 - Schaltungsanordnung zur Unterdrückung jener Anteile in einem Radarempfangssignal, die auf dem Radarbildschirm Störflecken (Clutter) verursachen - Google Patents

Description

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Signal beaufschlagt, das dem analog anfallenden Eingangssignal der Radareinrichtung entspricht Das Ausgangssignal des Subtrahierers 5, das zugleich das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung zur Unterdrükkung von Störfleckensignalen ist, beaufschlagt den addierenden Eingang eines Addierers 6, dessen Ausgangssignal eine Verzögerungsleitung 7 speist Das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung 7 wird einem weiteren addierenden Ei.igang des Addierers 6 zugeführt, außerdem dem subtrahierenden Eingang des Subtrahierers 5.

Die Schaltung gemäß Fig.3 liefert ebenso wie die Schaltung gemäß F i g. ί ein analoges Ausgangssignal mit unterdrückten Störfleckensignalanteilen, so daß ein nachfolgender Analog/Digitalwandler einen verringerten dynamischen Bereich haben kann. Ebenso wie bei der ohne Rückführung arbeitenden Schaltung gemäß F i g. 1 muß jedoch auch die mit Rückführung arbeitende Schaltung gemäß F i g. 3 in analoger Form mit den dabei automatisch sich ergebenden unerwünschten Eigenschaften analoger Ausgestaltungen ausgeführt werden.

Die Systeme nach F i g. 1 bzw. 3 lassen sicn auch in digitaler Form aufbauen, siehe z. B. die bereits erwähnte US-PS 34 04 399, jedoch wird dann notwendigerweise die Vorschaltung eines Analog/Digitalwandlers erforderlich, der dann wiederum einen unerwünscht großen dynamischen Bereich haben muß.

Es sei ergänzt daß digitale MTI-Radarfilter in der Druckschrift IEEE Transactions on Audio and Elektroacoustics, AU-16, Nr. 3, Sept 1968, Seiten 422-432, ausführlich beschrieben werden. Eine Diskussion der verschiedenen Signalverarbeitungsarten und eine Darstellung der dabei verwendeten Bezeichnungen findet sich in der Druckschrift IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics, AU-20, Nr. 5, Dez. 1972, auf den Seiten 322-336.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Vorteile der Digitalisierung (größere Stabilität und größere Flexibilität gegenüber analogen Ausführungsformen) aufweist ohne daß Analog/Digitalwandler mit unerwünscht großem dynamischen Bereich erforderlich werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Schaltungsanordnung gemäß der eingangs genannten Art gekennzeichnet durch einen Subtrahierer (10), der ein Ausgangssignal erzeugt, welches sich durch Subtraktion des an seinem zweiten Eingang anliegenden Signals von den an seinem ersten Eingang anliegenden Signal ergibt, durch einen von dem Ausgangssignal des Subtrahierers (10) gespeisten Analog/Digitalwandler (12), ein von dem digitalen Ausgangssignal des Analog/Digitalwandlers gespeistes Filter, das eine zeitliche Verzögerung bewirkt, sowie durch einen wn dem Ausgangssignal des Filters gespeisten Digital/Analogwandler, dessen Ausgangssignal dem zweiten Eingang des Subtrahierers zugeführt ist.

Durch diese Maßnahme bekommt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen hybriden (aus analogen und digitalen Anteilen bestehenden) Aufbau, bei dem die vorteilhaften Eigenschaften der analogen wie auch der digitalen Lösungen in optimaler Weise miteinander verbunden werden, wodurch sich deutliche Verbesserungen gegenüber Anordnungen gemäß dem Stand der Technik ergeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer bekannten einfach verzögernden, mit Mitkopplung arbeitenden Schaltung zur Unterdrückung von Störfleckensignalen;

F i g. 2 einen Verlauf des Betrages der Obertragungsfunktion e^;ner Unterdrückerschaltung mit einfacher Verzögerung;

Fig.3 ein Blockschaltbild einer einfach verzögernden, mit Gegenkopplung arbeitenden Unterdrückerschaltung; und

ίο Fig.4 ein Blockschaltbild einer hybriden analogen und digitalen, einfach verzögernden Unterdrückerschaltung nach der Erfindung.

Wie bei der Untersuchung des Standes der Technik dargelegt sind bisher Störfleckensignal-Unterdrückerschaltungen entwickelt worden, die sowohl nach dem Prinzip ohne Rückführung gemäß der F i g. 1 als auch nach dem Prinzip mit Rückführung gemäß der F i g. 3 arbeiten. Die Ausführung solcher Schaltungen erfolgte bisher ausschließlich in analoger oder aber ausschließlieh in digitaler Form, wobei sich die .· .rerwäiinten inhärenten Nachteile ergaben. Es trägt äen^roch zum Verständnis bei, diese bekannten Lösungen etwas eingehender in Betracht zu ziehen, um die Äquivalenz der damit erzielten Störfleckensignal-Unterdrückungsfunktionen zuerkennen.

In diesem Zusammenhang wird auf den Verlauf des Betrages der Übertragungsfunktion gemäß der F i g. 2 Bezug genommen, die den Betrag der Übertragungsfunktion der einfach verzögernden Umerdrückerschaltung der F i g. 1 wiedergibt Allgemein arbeiten solche Unterdrückerschaltungen so, daß das Eingangsspektrum gewicbtet wird, um so den dynamischen Bereich eines nachfolgenden A/D-Wandlers zu verringern. Dabei wird das Spektrum der Störfleckensignale des Hauptstrahls in den Nullpunkten der Unterdrücker-Gewichtung zentriert, üblicherweise durch einen Frequenznachlaufkreis.

Die Verzögerungsleitung, etwa die Verzögerungsleitung 2 der Fig. 1, bewirkt eine Verzögerung um die Zeitdauer T, die zugleich die Zeitdauer einer vollen Periooe des Eingangssignals ist Das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung stellt somit ein zeitverzögertes Abbild des Eingangssignals dar. Eine analoge Verzögerungsleitung erzeugt unter diesen Umständen ein Ausgangssignal, das den dargestellten Spektralverlauf mit einer Amplitudenhöhe 2, bezogen auf eine Amplitudenhöhe 1 des Eingangssignals, und. sich mit der Spektralfrequenz MT wiederholende Perioden hat, wobei sein Verlauf allgemein dem Verlauf von aufeinanderfolgenden, sich wiederholenden positiven Halbwellen einer Sinuskurve entspricht.

Das gegengekoppelte System nach Fig.3 hat eine Über^ar-gsfunktion die derjenigen des Systems nach F i g. 1 identisch ist, so daß es dementsprechend die gleiehe Frequenzkeniiihiie wie in Fig.2 dargestellt hat. Zum Nachweis der Identität der Übergangsfunktionen der beiden Schaltungen kann die Beziehung für die Systeme wie folgt geschrieben werden:
Für die Schaltung nach F i g. 1 lautet die Beziehung

so zwischen dem Ausgang jfn77und dem Eingang x(nT):

y(nT) = χ (ηΤ)-χ (nT-T)

wobei

nT = /7-tes Intervall T

y(nT) = Ausgangssignal für
T

das n-te Inter-

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χ(ηΤ) = Eingangssignal für das /7-te Intervall

T x(nT—T) — Eingangssignal für das dem Intervall

nTum die Zeit Γ voreilende Intervall.

Für die mit Gegenkopplung arbeitende Schaltung nach F i g. 3 lautet die Beziehung zwischen dem in gleicher Weise bezeichneten Ausgang y(nT) und Eingang x(nT):

10

y(nT) = x(nT)-u(nT-T),

(2)

wobei

u(nT—T) = Ausgangssignal der Verzögerungs- is leitung 7.

ferner kann, wenn u(nT) = Ausgang des Summierers 3, für die Beziehung geschrieben werden:

20

u(nT) = y (nT) + u (nT-T).

(3)

Setzt man Beziehung (2) in Beziehung (3) ein, so erhält man:

u (nT) = χ (nT) — u (nT- T) + u (nT— T), (4) was sich zurückführen läßt auf:

25

u(nT)

x(nT).

(5)

Legt man zugrunde, daß Beziehung (5) für jede gleiche Zeitdauer Tgültig ist, so kann das Zeitintervall (nT) dem Intervall (nT— ^gleichgesetzt werden, so daß man die Beziehung erhält:

t / — Λ fit i */.

(6)

Setzt man Beziehung (6) in Beziehung (2) ein, dann erhält man:

y(nT) = χ (nT) - χ (nT-T).

(7)

Die Beziehung (7) und (1) sind identisch. In funktioneller Hinsicht liefert demnach die Schaltung nach Fig.3 die gleichen Ergebnisse wie die Schaltung nach F i g. 1.

Wie bemerkt, führt die in F i g. 2 dargestellte Frequenzkennlinie (Betragsverlauf der Übertragungsfunktion) der einfach verzögernden Unterdrückerschaltung nach Fig.! bzw. 3 zur Zentrierung des Spektrums der Störfleckensignale des Hauptstrahl-Echosignals in den Nullpunkten der Unterdrücker-Frequenzkennlinie, so daß die Störfleckensignale ausgelöscht bzw. unterdrückt werden und der dynamische Bereich des analogen Eingangssignais der Schaltung verringert wird, das durch einen nachfolgenden A/D-Wandler verarbeitet werden muß, indem entsprechende digitale Signale für die weitere Verarbeitung erzeugt werden. Genauer gesagt, der A/D-Wandler müßte nicht den gesamten dynamischen Bereich des Eingangssignals x(nT) umwandeln, sondern statt dessen nur die Differenz zwischen x(nT) und dessen zeitverzögerter Funktion x(nT—T), wie das mit den Beziehungen (1) und (7) zum Ausdruck kommt

Nach der Erfindung wird ein hybrides analoges und digitales System geschaffen, das eine digitale Ausführung des kritischen Filterelements der Unterdrückerschaltung ermöglicht, während die Unterdrückung der Stcrfleckensignale im analogen Eingangssignal in optimaler Weise in analoger Form erfolgen kann, so daß die Verwendung eines A/D-Wandlers mit verringertem dynamischem Bereich ermöglicht wird.

Speziell wird, wie mit F i g. 4 gezeigt, das analoge Eingangssignal einem positiven Eingang eines analogen Subtrahierers 10 zugeführt, dessen Ausgangssignal einen A/D-Wandler 12 mit Kennlinien relativ verringerten dynamischen Bereichs beaufschlagt. Der Ausgang des A/D-Wandlers 12 liefert das Ausgangssignal der Unterdrückerschaltung und liegt außerdem an einem Filter 14.

Der Filter 14 ist ein digitales Element und kann in unterschiedlicher Form ausgeführt sein, wie das weiter unten untersucht wird. Zur beispielsweisen Veranschaulichung ist ein Filter 14 mit einem digitalen Summierer 16 und einer digitalen Verzögerungsleitung 18 gezeigt. Additionseingängen des Summierers 16 werden das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers 12 und das Äusgangssignai der Verzögerungsleitung ίο zugeführt. Das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung 18 speist außerdem einen Digital/Analog-Wandler (D/A-Wandler) 20, so daß dieser ein analoges Signal an den einen Subtraktionseingang des Subtrahierers 10 abgibt. Die vorstehenden Beziehungen (2) bis (7) beschreiben im Zeitbereich die Funktion des hybriden Systems nach der Erfindung, wie es in F i g. 4 dargestellt ist.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der A/D-Wa.idler 12 im Rückführungskreis des Systems nach Fig.4 liegt, so daß die Verwendung eines voll digitalisierten Filters 14 ermöglicht wird. Darüber hinaus erfolgt die Unterdrückung der Störfleckensignale als analoge Funktion im Subtrahierer 10, und zwar vor der Eingabe in den A/D-Wandler 12, so daß ein A/D-Wandler mit verringertem dynamischem Bereich eingesetzt werden kann.

Die Frequenz-Kennlinie eines digitalen Filters wie des Filters 14 ist als Funktion der Abtastfrequenz periodisch. Für das dargestellte einfach verzögernde Filter weist die Filterkennlinie wiederum den Verlauf und die Periodizität der in F i g. 2 dargestellten Kurve auf.

Die Schaltungen nach F i g. 4 erlaubt anstelle des Filters 14 auch ohne weiteres den Einsatz anderer Filterausführungen mit abweichendem Filterkennlinienverlauf. Z. B. können mehrere Verzögerungsleitungen und mehrere Summierer anstelle der dargestellten einfachen Verzögerungsleitung bzw. des dargestellten einfachen Summierers verwendet werden.

Eine allgemeine Beziehung für die Kennlinien des Filters 14 kann wie folgt erhalten werden: Mit h (nT) = Kennlinie des Filters 14 und Verwendung der in Verbindung mit Beziehung (1) angenommenen Definition kann die Beziehung für die Schaltung nach F i g. 4 wie folgt geschrieben werden:

y(nT) = x(nT)-y(nT)* h (nT),

Wird eine Z-Transformation durchgeführt, wobei ζ die Variable der Z-Transformation ist, ergibt sich

X(z)

[X+H(zJi

Mit W(z) = Übergangsfunktion des Systems gilt:

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Daher ist

Somit lassen sich die Kennlinien des Filters 14 ohne weiteres in den Begriffen der gewünschten Übergangskennlinien der Unterdrückerschaltung ausdrücken. Entsprechend bestimmt naturgemäß eine gegebene Filterkennlinie die Übergangskennlinie der Unterdrückerschaltung.

Die Wandler 12 und 20 bewirken in dem Zweig zwisehen dem Ausgang des Summierers 10 und dessen Subtraktionseingang eine geringfügige Verzögerung gegenüber der Phasenlage des dem Additionseingang des Summiergiieds lö zugeführten analogen Eingangssignals. Allgemein sind die durch die Wandler bewirkten Zeitverzögerungen im Verhältnis zu der Periodizität aufeinanderfolgender Radarechoimpulse bzw. den Abständen dazwischen klein. Die Kompensation für die Wandlerverzögerungen ist somit minimal; gewünschtenfalls kann sie in das Filter 14 eingebaut werden. Da die Verzögerungen der Wandler festgelegt sind, kann die Verzögerungskompensation durch eine feststehende Größe δ in der Beziehung (12) repräsentiert werden, so daß sich für die Filterkennlinien ergibt:

ύ

W(z)

Eine weitere Beeinflussung der wellenförmigen Ansprechkennlinie der Unterdrückerschaltung nach F i g. 4 kann durch Einführung einer Verstärkung in dem Rückführungszweig erreicht werden. Dies kann durch in den Rückführungskreis eingeschaltete gesonderte Bauelemente oder durch Einarbeitung einer Verstärkungssteuerung in den D/A-Wandler 20 erfolgen.

Die Störflcckensignal-Unterdrückerschaltung nach der Erfindung weist somit eine optimale hybride analoge und digitale Ausführung zur Erzielung einer Störfleckensignal-Unterdrückung in einem Radarsystem auf. Hinsichtlich der Ausgestaltung des Filters wird eine beträchtliche Flexibilität erzielt, insbesondere im Hinblick darauf, daß das System eine rein digitale Ausgestaltung des Filterelements gestattet. Dennoch bewirkt das System eine Unterdrückung der Störfleckensignale im analogen Eingangssignal, so daß eine Verringerung des dynamischen Bereichs des A/D-Wandlers mit der sich daraus ergebenden Verringerung bezüglich Aufwand und Kosten sowie eine verbesserte Zuverlässigkeit und Genauigkeit ermöglicht werden. Es wurde zwar eine spezielle Ausführungsform eines einfach aufgebauten, einfachverzögernden Filters gezeigt, jedoch wurden die allgemeinen Kennlinien des Filters hinsichtlich der gewünschten Systemübertragungsfunktion definiert, woraus sich für den Fachmann ergibt, daß Filter abweichenden Aufbaus verwendet werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

25 Ol 201 1 2 Addierer und die weitere Verzögerungsleitung als Patentansprüche: digitale Verzögerungsleitung ausgebildet sind

1. Schaltungsanordnung zur Unterdrückung jener

Anteile in einem Radarempfangssignal, die auf dem s

Radarbildschirm Störflecken (Clutter) verursachen

und bei der aus dem Radarempfangssignal ein Aus- Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur gangssignal erzeugt wird, welches dem Differenzsi- Unterdrückung jener Anteile in einem Radarempfangsgnal aus dem Eingangssignal und dem zeitlich verzö- signal, die auf dem Radarbildschirm Störfleckdn (Clutgerten Eingangssignal entspricht, wobei die Signal- io ter) verursachen und bei der aus dem Radarempfangssiverarbeitung digital erfolgt, gekennzeichnet gnal ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches dem Difdurch einen Subtrahierer(10), der ein Ausgangssi- ferenzsignal aus dem Eingangssignal und dem zeitlich gnal erzeugt, welches sich durch Subtraktion des an verzögerten Eingangssignal entspricht, wobei die Siseinem zweiten Eingang anliegenden Signals von gnalverarbeitung digital erfolgt

dem am ersten Eingang anliegenden Signal ergibt, 15 Clutterunterdrückungssysteme haben sich im Laufe

einen von dem Ausgangssignal des Subtrahierers der Jahre von völlig analogen Ausführungsformen zu

(10) gespeisten Analog/Digital-Wandler (12), ein von weitgehend digitalen Ausführungsfformen entwickelt

dem digitalen Ausgangssignal des Analog/Digital- Ein notwendiges und fast immer eine Beschränkung mit

Wandlers gespeistes Filter (14), das eine zeitliche sich bringendes Element bei einem derartigen digitalen

Verzögen&sg bewirkt, sowie durch einen von dem 20 Clutterunterdrückungssystem ist ein Analog/Digital-

Ausgangssigna! des Filters gespeisten Digital/Ana- wandler, der ein codierendes Koppelwerk (Interface)

log-Wandler (20), dessen Ausgangssignal dem zwei- zwischen dem von den Radarechosignalen gespeisten

ten Eingang des Subtrahierers zugeführt ist analogen Schaltungsaufbau und dem nachfolgenden di-

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- gital arbeitenden Schaltungsaufbau bildet Zur Vereindurch gekennzeichnet, daß das Filter (14) ein digita- 25 fachung der Umwandlung, insbesondere zur Verringeles Filter ist rung des erforderlichen dynamischen Bereiches der

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü- Analog/Digitalwander sind Verfahren zur Unterdrükche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter kung von Störfleckensignalen (Cluttersignalen) im eine der Periode des ein periodisches Echosignal ei- Hauptstrahlecho entwickelt worden, wobei derartige nes Pulsradar darstellenden Radarempfangssignals 30 Cluttersignale durch feststehende Radarziele entstehen, entsprechende Zeitverzögerung hat Beispielsweise wird bei Radarsystemen mit Festziel-

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü- unterdrückung (MTI — moving target indication) ein ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der Ana- Kammfilter für die Beseitigung der Hauptstrahlstörfleklog/Digitalwandler eine Einrichtung zur Abtastung kenechosignale verwendet Die praktische Ausführung des analogen Eingangssignals ..lit einer vorgegebe- 35 derartiger Kammfilter erfolgt gemäß bisherigem Stand nen Abtastfrequenz ist und dadurch eine feststehen- der Technik entweder ausschließlich in analoger oder de Zeitverzögerung (T) einbringt, und daß das Filter aber ausschließlich in digitaler Bauweise. Analoge Löeine der Periode der Abtastfrequenz und damit die- sungen nach dem Stand der Technik leiden jedoch unter »er Zeitverzögerung (T) entsprechende kompensie- Instabilitäten der Umgebung sowie an mangelnder FIerende Zeitverzögerung hat 40 xibilität, während digitale Lösungen nach dem Stand der

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü- Technik, wenngleich bei ihnen die Mängel der analogen ehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital/ Lösungen vermieden werden, immer noch einen uner-Analogwandler (20) eine einstellbare Verstärkungs- wünscht großen dynamischen Bereich für den Analog/ steuerungseinrichtung aufweist. Digitalwandler erfordern.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü- 45 Dies gilt beispielsweise auch für die US-PS 34 04 399, ehe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter- die eine Schaltungsanordnung gemäß der eingangs geeigenschaften durch eine Funktion W (z) entspre- nannten Art zum Inhalt hat. Zur näheren Erläuterung chend der an sich bekannten Verfahren sei auf F i g. 1 verwiesen, weiche in Form eines Blockschaltbildes eine ohne

u/ ) _ 1 — W(z) 50 Rückführung arbeitende Schaltung zur Unterdrückung

\^z) - W(z) von Störfleckensignalen zeigt. Hierbei wird ein analoges (d. h. noch nicht digitalisiertes) Eingangssignal, das

definiert sind. das Radarempfangssignal umfaßt, über parallele Zweige

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü- unmittelbar dem addierenden Eingang eines Subtrahieehe 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter 55 rers 1 und über eine Verzögerungsleitung dem subtra-(14) einen von dem digitalen Ausgang des Analog/ hierenden Eingang dieses Substrahierers 1 zugeführt, Digitalwandlers (12) gespeisten Addierer (16) sowie von dessen Ausgang das immer noch analoge Signal mit eine von dem Ausgang des Addierers gespeiste Ver- den unterdrückten Störfleckensignalen abgenommen zögerungsleitung (18) aufweist und daß der Ausgang werden kann. Es kann somit der Anordnung ein Analog/ der Verzögerungsleitung an einem weiteren Addi- 60 Digitalwandler mit verringertem dynamischen Bereich tionseingang des Addierers liegt und der Addierer nachgeschaltet werden. Jedoch muß die Schaltung zur das digitale Ausgangssignal des Analog/Digital- Unterdrückung der Störfleckensignale gemäß F i g. 1 in wandlers unter Erzeugung des Ausgangssignals der analoger Form mit den weiter oben erwähnten eingege-Verzögerungsleitung (18) zu dem seinem weiteren benen unerwünschten Eigenschaften aufgebaut werden. Additionseingang zugeführten Ausgangssignal der 65 Eine mit Rückführung arbeitende Schaltung zur UnVerzögerungsleitung addiert, terdrückung von Störfleckensignalen ist in Fig.3 in

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, da- Blockschaltbildform wiedergegeben. Hierbei wird ein durch gekennzeichnet, daß der Addierer als digitaler addierender Eingang eines Subtrahierers 5 mit einem