DE2526094A1

DE2526094A1 - Entfernungsmessanordnung

Info

Publication number: DE2526094A1
Application number: DE19752526094
Authority: DE
Inventors: James Benedict Couvillon; William Dorsey Daniels; Ronald Lee Gassner; Robert Allen Maher
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1974-06-12
Filing date: 1975-06-11
Publication date: 1976-01-02
Also published as: JPS5136890A; FR2274934B1; US3969725A; GB1511267A; CA1041639A; FR2274934A1

Description

Dipl.-Ing. Egon Prmz *.λ

*» α· ι J U D- ⁸⁰⁰° München 60, ' '

Dr. Gertrud Hauser ' Ernsbergeritroße 19 Dipl.-Ing. Gottfried Leiser Patentanwälte Telegramme: Labyrinth München

Telefon: 831510

Telex: 5212 226 prhl d Postscheckkonto: München 1170 78-800 Bank: Deutsch· Bank. München 66/05000 Unser Zeichen: T 1795

TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas, Texas, V.St.A.

Entfernungsmeßanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Entfernungsmeßanordnung zur Bestimmung des Abständes zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstelle unter Verwendung eines Abfragegeräts und eines Transponders.

Das Grundprinzip einer elektronischen Entfernungsmeßanordnung ist bekannt. Der Abstand zwischen einem Bord-Abfragegerät und einem Boden-Transponder ist der Laufzeit von Hochfrequenzsignalen vom Sord-AbfragegerLvu zum Boden-Transponder und zurück proportional. Der Betrieb einer einfachen Entfernungsraeßanordnung beginnt, wenn das Bord-Abf^agegcrät gleichzeitig einen Zeitzähler startet und einen HF-Energieimpuls zum Boden-Transponder aussendet. Der Transponder empfängt den HF-Energieimpuls,

Schw/Ba

509881/0825

und nach einer festen internen Verzögerungszeit sendet er einen HF-Energieimpuls zum Abfragegerät zurück. Wenn das Abfragegerät den Rückkehrimpuls feststellt, hält es den Zähler an,in dem dann ein Signal gespeichert ist, das dem gesamten Zeitablauf von der Aussendung des ursprünglichen Impulses bis zum Empfang des Rückkehrimpulses proportional ist.Zur Bestimmung der Entfernung werden die bekannten internen Verzögerungszeiten in den Empfängern des Transponders und des Abfragegeräts von dem Zählersignal subtrahiert.

Wo mehrere gleichzeitig innerhalb der gegenseitigen Signalbereiche arbeitende Bord-Abfragegeräte und Boden-Transponder vorhanden sind, sind sehr komplizierte EntfernungsmeBanordnungen erforderlich. Zur Lösung dieser schwierigen Situation sind bisher mehrere Betriebskanäle eingerichtet worden. Die Kanäle sind durch das Frequenzband und durch den zeitlichen Abstand zwischen Impulspaaren definiert, die anstelle einzelner Impulse ausgesendet werden.

Trotzdem tritt auch beim Grundbetrieb einer Entfernungsmeßanordnung ein Problem auf. Da die gemessenen Zeitintervalle auf Grund der hohen Geschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung sehr kurz sind, ist es wesentlich, daß die Ankunftszeit der HF-Impulse genau gemessen wird. Bei bisherigen Verfahren zur Feststellung der Ankunftszeit muß jeder HF-Impuls erfaßt und zur Bildung eines Videoimpulses, dessen Spitze dann gespeichert wird, logarithmisch verstärkt v/erden. Ein Abschnitt des Impulses wird verzögert, und die Ankunftszeit wird gespeichert, wenn die verzögerte Impulsamplitude einen um 6 dB unterhalb dem gespeicherten Spitzenwert liegenden Wert erreicht. Der Zeitverlust im verzögerten Signal verursacht

509881 /0825

keine Schwierigkeiten, da es sich dabei um einen bekannten festen Wert handelt, der aus der letzlich gespeicherten Verzögerungszeit entfernt wird. Die Erfassung eines neuen Spitzenwerts für jeden empfangenen Impuls führt zu Schwierigkeiten auf Grund des Amplituden-Jitters in den gespeicherten Spitzenwerten. Auch die Erzeugung einer echten logarithmischen Verstärkung insbesondere über einen weiten Dynamikbereich, wie er normalerweise bei Entfernungsmeßanordnungen vorgefunden wird, ist mit Schwierigkeiten verbunden. Dieses Verfahren zur Feststellung der Ankunftszeit erfordert auch die Aussendung von HF-Impulsen mit schneller Anstiegszeit und die Verwendung von Breitbandempfängern, damit die schnelle Anstiegszeit der empfangenen Impulse erhalten bleibt. Zur Erzielung eines angemessenen Betriebsbereichs müssen dann auch Impulse mit hoher Spitzenleistung ausgesendet werden. Die Abfrageimpulse bisher bekannter Systeme haben typischerweise eine Dauer von 0,66 Mikrosekunden bei einer Spitzenleistung von 150 Watt.

Diese Impulsanforderungen verursachten verschiedene Schwierigkeiten. Ein Hauptproblem sind die großen Abmessungen und das hohe Gewicht eines Senders, der energiereiche HF-Impulse erzeugen kann. Gewicht und Volumen sind in jedem Bordsystem kritische Größen;· sie müssen herabgesetzt werden, wenn es möglich ist. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß nur Röhrensender die erforderlichen Impulse mit der hohen Spitzenleistung erzeugen können. Rßhrensender haben von sich aus eine kurze Lebensdauer und eine geringe Zuverlässigkeit, was zu häufigen Ausfällen führt. Es ist in der Praxis nicht immer möglich, einen Hochleistungssender, der eine häufige Wartung erfordert, dicht bei der Antenne anzubringen, so daß bedeutende Energiewerte in den Übertragungs-

509881 /082

leitungen verlorengehen, die die Antenne mit den Sender koppeln. Zusätzlich zu diesen Schwierigkeiten erzeugt die kurze Impulsdauer, die bei Röhrensendern erwünscht ist, ein breites Frequenzspektrum, das im Empfänger zusätzliche Schaltungseinrichtungen erfordert, mit denen die Gültigkeit der wahren Mittenfrequenz, die empfangen wird, festgestellt werden kann.

Mit Hilfe der Erfindung soll demnach eine verbesserte Entfernungsmeßanordnung geschaffen werden. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Entfernungsmeßanordnung soll unter Anwendung des ImpulskompressionsVerfahrens arbeiten. Ferner soll es einen mit hoher Genauigkeit arbeitenden Ankunftszeitdetektor aufweisen. Ferner soll die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Entfernungsmeßanordnung ein Bord-Abfragegerät enthalten, das FM-codierte Signale mit schmalem Frequenzspektrum im wesentlichen ohne Überlappung benachbarter Kanäle aussendet. Auch soll die zu schaffende Entfernungsmeßanordnung einen Kleinleistungs-Abfragesender enthalten, der ausschließlich Festkörperbauelemente enthält.

Kurz gesagt besteht die erfindungsgemäße Entfernungsmeßanordnung aus einem mit frequenzmodulierten Impulsen arbeitenden Chirp-Abfragesender und einem mit einem bewerteten angepaßten Filter ausgestatteten Impulskompressions-Transponderempfänger_e Der Abfragesender erzeugt einen eine Frequenzmodulation aufweisenden Impuls (Chirp-Impuls), der eine niedrige Spitzenleistung und eine große Impulsdauer aufweist. Das Impulskompressionsfilter des Transponderempfängers setzt den empfangenen Chirp-Impuls in einen kurzen Impuls mit erhöhtem Geräuschabstand um« Das Impulskompressionsfilter spricht nur auf Impulskompressionssignale bei der vorgewählten Trägerfrequenz an,

509881 /082B

und es eliminiert somit jede Störung aus benachbarten Frequenzkanälen.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 ein allgemeines Blockschaltbild der Entfernungsmeßanordnung nach der Erfindung,

Fig.2 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Abfrage- und Transpondersender-Signalverläufe,

Fig.3 ein Diagramm des Frequenzspektrums der Transpondersenderimpulse,

Fig.4 ein Diagramm des Frequenzspektrums der Abfragesenderimpulse,

Fig.5 ein Blockschaltbild der Begrenzungs- und Impulskompressionseinheit .27 von Fig.1,

Fig.6 ein genaueres Blockschaltbild der Einheiten 4 und 10 von Fig.1,

Fig.7 ein schematisches Schaltbild der Einheiten 80, 82 und 84 von Fig.6,

Fig.8 ein Schaltbild der Einheit 88 von Fig.6 und

Fig.9 ein Schaltbild von Teilen der Einheiten 27 und 28 von Fig.1, in dem die Zusammenschaltung des Impulskompressionsfilters und der Decoüierervsrzögerungsleitung dargestellt ist.

509881 /0825

In Fig.1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Entfernungsmeßanordnung nach der Erfindung dargestellt. Bei einem Entfernungsmeßvorgang beginnt der Betrieb dieser Anordnung mit einem von einer Synchronisiereinheit 2 erzeugten Signal. Die Synchronisierungssignale haben eine mittlere Folgefrequenz von 40 Hz, doch weisen sie zufällige Synchronisierungsschwankungen (Jitter) um diese Folgefrequenz von 40 Hz auf, so daß Jedes Bord-Abfragegerät, eine eigene Abfragefrequenz hat. Der Ausgang der Synchronisierungseinheit 2 ist an einen Entfernungsverfolger 16 angeschlossen, damit ein Zeitzähler gestartet wird, der mit der Zählung fortfährt, bis ein vom Antwortgeber ausgehender Rückkehrimpuls empfangen wird.

Das Ausgangssignal der Synchronisierungseinheit 2 veranlaßt auch einen Codierer 4, zwei FM-bodierte ZF-Burst-Signale zu erzeugen. Das Ausgangssignal des Codierers wird einem Abfragesender 10 zugeführt, in dem es mit einem HF-Trägersignal gemischt wird; das Ergebnissignal wird auf eine Leistung von etwa 5 Watt verstärkt. Das HF-Ausgangssignal d'ss Abfrage sende rs 10 wird über einen Zirkulator an eine Antenne 20 zur Abstrahlung an einen Transponder angekoppelt, der sich bei der bevorzugten Ausführungsform an einer Bodenstation befindet.

Der Impulsabstand des Codierers 4 und die Frequenz des HF-Trägersignals des Abfragesenders 10 werden von der Bedienungsperson durch Einstellen eines Kanalwählerschalters vorgewählt, der an den Eingang 8 angekoppelt ist. Jeder Transponder arbeitet nur mit einem Impulsabstand und einer HF-Trägerfrequenz, so daß mit Hilfe der Kanalwahl ein bestimmter abzufragender Transponder, ausgewählt werden kann.

509881 /0825

Da die FM-Codierung entweder eine ansteigende oder eine abnehmende Frequenzmodulation sein kann, wobei sich ein Chirp-Signal mit ansteigender Frequenz (Aufwärts-Chirp-Signal) bzw. ein Chirp-Signal mit abnehmender Frequenz (Abwärts-Chirp-Signal) ergibt, können Kanäle auch entsprechend der Richtung der FM-Codierung festgelegt werden. Da Impulspaare ausgesendet v/erden, sind tatsächlich vier AbfrageSignalformate möglich, nämlich Aufwärts/Abwärts, Abwärts/Aufwärts, Aufwärts/Aufwärts, und Abwärts/Abwärts. Die vollen Vorzüge dieser zusätzlichen Kanalfestlegungsmöglichkeit können nur auf Kosten einer gewissen Genauigkeit verwirklicht werden, was auf Grund der bekannten Zeit-Frequenz-Kopplung der Fall ist, die dem Chirp-Signal eigen ist.

Der erste Impuls jedes Impulspaares wird alsMeßimpuls bezeichnet, da seine Vorderflanke als die Zeit der Impulsankunft festgestellt wird. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Richtung der Modulationsfrequenzänderung (Chirp-Richtung) des Meßimpulses bei aufeinanderfolgenden Abfragevorgängen jeweils gewechselt, so daß Frequenzmodulationsfehler die gleiche Amplitude und entgegengesetzte Vorzeichen haben und sich somit im Entfernungsverfolger 16 aufheben. In der bevorzugten Ausführungsform können daher für jede Kombination aus Trägerfrequenz und Impulsabstand zwei Kanäle mit Hilfe der Codierung des Chirp-Signals festgelegt werden, nämlich ein Kanal durch Verwendung der gleichen Chirp-Richtung für beide Impulse und ein Kanal durch Verwendung entgegengesetzter Chirp-Richtungen in jedem Impulspaar.

Das Abfragesignal wird von der Transponderantenne 22 empfangen und über einen Zirkulator 24 an den Transponderempf'änger 26 angekoppelt. Der Empfänger 26 enthält

509881/0825

einen HF-Verstärker, einen überlagerungsoszillator, einen Mischer und einen ZF-Verstärker zur Erzeugung ßines Zwischenfrequenz signals mit einer Frequenz von etwa 61,8 MHz. Das ZF-Signal wird einer Begrenzungs- und Impulskompressionseinheit 27 zugeführt, die Videoausgangsimpulse mit Vorderflanken entsprechend der Ankunftszeit der HF-Abfrageimpulse erzeugt. Die Begrenzungs- und Impulskompressionseinheit 27 enthält einen Begrenzungsverstärker, ein Impulskompressionsfilter, einen Amplitudengleichrichter und einen Pegeldetektor. Der Begrenzungsverstärker verstärkt im wesentlichen alle ZF-Signale, also sowohl Rauschen und empfangene HF-Impulse, auf einen einzigen Amplitudenwert unterhalb des normalen Rauschpegels. Das Impulekompresslonsfilter erhöht die Amplitude der richtig FM-codierten Signale, und es dämpft alle anderen Signale so, daß ein Geräuschabstand von 14 dB an seinem Ausgang entsteht. Die Amplitude des impulskomprimierten ZF-Signals wird mit Hilfe des Gleichrichters festgestellt, der eine Videodarstellung des ZF-Signals liefert. Das Ausgangssignal des Gleichrichters wird einem Pegeldetektor zugeführt, der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn die festgestellten Impulse einen um 9 dB unterhalb des hinsichtlich des Spitzenwerts festgestellten Impulspegels liegenden Pegel erreichen.

Die Videoimpulse aus der Begrenzungs- und Impulskompressionseinheit 27 werden einem Decodierer 28 zugeführt, der nur dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn zwei Impulse mit dem richtigen Impulsabstand empfangen werden· Das Ausgangssignal des Decodierers löst eine systematische Verzögerungseinheit 30 aus, die nach einer festen Zeitverzögerung ihrerseits einen Codierer 32 auslöst. Als Reaktion auf das Auslösesignal erzeugt der Codierer 32 zwei Impulse mit einem vorgewählten Impulsabstand, die

509881/0825

einen Transpondersender 36 veranlassen, zwei HF-Burst-Signale bei einer vorgewählten Frequenz zu erzeugen. Der Codierer wird auch von einem Transponderauslöser 34 in zufälliger Weise ausgelöst, so daß der Transpondersender Ausgangsimpulse mit einer minimalen Folgefreqqenz erzeugt. Diese Zufallsimpulse versorgen Abfragegeräte, die eine Kontaktaufnahme mit diesem Transponder versuchen, mit einem Signal zum richtigen Einstellen der AFC-Schleifen des Empfängers. Die Ausgangsimpulse des Transpondersenders 36 werden vom Zirkulator 24 an die Antenne angekoppelt, damit sie zum Abfragegerät zurückgesendet werden.

Die Antenne 20 des Abfragegeräts empfängt die Signale vom Transponder, und der Zirkulator 18 koppelt diese Signale an den Abfrageempfänger 38 an. Da die vom Transponder ausgesendeten Impulse die üblichen Signale aus schmalen Impulsen mit schneller Anstiegszeit sind, ist auch der Bord-Abfrageempfänger herkömmlich aufgebaut. Der Abfrageempfänger 38 enthält einen Überlagerungsoszillator, einen Mischer, einen ZF-Verstärker mit einer AFC-Schaltung und einen Demodulator. Die empfangenen Signale haben auf Grund der kurzen Impulsdauer und der schneller. Anstiegszeit ein breites Frequenzspektrum; es ist eine Spektrumgsbestätigungsschaltung 40 erforderlich, damit gewährleistet wird, daß die empfangenen Impulse bei der richtigen Frequenz liegen. Das ZF-Signal wird der Spektrumsbestätigungsschaltung zugeführt, die ein Bestätigungsausgangssignal für den EntiCernungsverfolger 16 abgibt, wenn die Frequenz i-ichtig ist. Das demodulierte ZF-Signal wird einem Decodierer 42 zugeführt, der die Ankunftszeit jedes Impulses feststellt, und den Impulsabstand mißt.Wenn der Impulsabstand richtig ist,

509881/0825

erzeugt der Decodierer 42 ein zweites Bestätigungssignal, das ebenfalls dem Entfernungsverfolger 16 zugeführt wird.

Nach Empfang des ersten Impulses des Impulspaars unterbricht der Entfernungsverfolger 16 die Zeitzählung; an diesem Zeitpunkt ist in ihm die Laufzeit der HF-Signale von der Bordstation zur Bodenstation und von der Bodenstation zur Bordstation zuzüglich der systematischen Verzögerungszeit des Transponders und der Abfrageempfängerverzögerung gespeichert. Durch Subtrahieren der festen Verzögerungszeiten vom gespeicherten Zeitwert im Entfernungsverfolger wird ein der Entferung zwischen dem Bord-Abfragegerät und dem Transponder proportionales Ausgangssignal erzeugt. Nach Empfang der beiden Bestätigungsimpulse bringt der Entfernungsverfolger 16 seine Verfolgungsschleife mit der gerade gemessenen Entfernung auf den neuesten Stand. Das Fehlen eines oder beider Bestätigungsimpulse veranlaßt den Entfernungsverfolger 16 den gerade gemessenen Wert außer Acht zu lassen und die Verfolgungsschleife mit einem vorhergesagten Entfernungswert zu aktualisieren. Durch ein sequentielles Erfassen mehrerer Äblesewerte heben die Fehler des Aufwärts-Chirp-Signals die Fehler des Abwärts-Chirp-Signals auf, und es wird auch ein der Änderung des Abstandes oder der Entfernungsänderungsgeschwindigkeit entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.

In Fig.2 sind die bevorzugten Verläufe der vom Abfragegerät und vom Transponder ausgesendeten HF-Impulse sowie ihre relative zeitliche Folge dargestellt. Der Signalverlauf 44 zeigt die linear FM-codierten Impulse des Abfragesenders. In der bevorzugten Ausführungsform haben die Impulse 44 eine Dauer von 10 us, und ihr minimaler Impulsabstand beträgt 12 ns. Die Spitzenleistung der Abfrageimpulse beträgt 5 Watt· .

509881 /0825

- 11 - 252609A

Die Transponderimpulse 46 haben den herkömmlichen Verlauf eines Transpondersignals; sie gleichen bisher üblichen Abfragesignalen. Die Impulse 46 sind Leucht-Signale mit einer Frequenz, deren Dauer 0,66 us beträgt und die eine Spitzenleistung von 2 kW aufweisen,, Der minimale Abstand der Trans · ponderimpulse 46 beträgt 12 us.

In Fig.3 ist das Frequenzspektrum der -in Fig.2 dargestellten Transponderimpulse 46 dargestellt. Der Trägerfrequenzabstand beträgt typischerweise 3 MHz zwischen benachbarten Kanälen der Entfernungsmeßanordnung. Dieses Frequenzspektrum ergibt bei der Mitte der benachbarten Kanäle den Spektrumwert Null, doch können die Nebenkeulen 48 den Transponder veranlassen, auf Abfragesignale eines benachbarten Kanals anzusprechen. Damit solche Ansprechvorgänge verhindert werden, ist die in Fig.1 angegebene Abfragespektrumsbestätigungsschaltung erforderlich, damit die wahre Mittenfrequenz der empfangenen Signale überprüft wird.

Fig.4 zeigt das Frequenzspektrum der in Fig.2 angegebenen Abfrageimpulse 44_O Dieses Spektrum ist sehr kompakt, und es hat im wesentlichen keine Nebenkeulen, die eine fehlerhafte Signalfeststellung bei Nachbarkanälen verursachen könnten, Da hier keine Schwierigkeiten mit Nebenkeulen auftreten, wie sie bei bisher bekannten Systemen vorhanden waren, enthält der hier beschriebene Transponderempfanger keine Spektrumsbestätigungsschaltungen. Das Bandpaß-Irapulskompressionsfilter in der Begrenzungs- und Impulskompressionseinheit 27 von Fig.1 läßt nur Signale mit einer einzigen vorgewählten Trägerfrequenz durch, und es ergibt nur für diejenigen Signale eine Verstärkung, die die richtige FM-Codierung aufweisen.

509881/0825

In Fig.5 ist ein Blockschaltbild der Begrenzungs- und Impulskompressionseinheit 27 von Fig.1 dargestellt. Das ZF-Ausgangssignal des Transponderempfangers 26 von Fig.1 wird dem Eingang 50 eines fest begrenzenden Verstärkers zugeführt. Der Begrenzungsverstärker 52 erzeugt für jeden Eingangssignalpegel ein Ausgangssignal mit einer im wesentlichen konstanten Spannungsamplitude. Das Ausgangssignal des Verstärkers 52 wird dem Impulskompressionsfilter 54 zugeführt. Das bevorzugte Impulskompressionsfilter ist ein Oberflachenwellenbauelement (SWD), das an die FM-Codierung der vom Abfi*agegerät ausgesendeten Impulse angepaßt iste Das Impulskompressionsfilter 54 addiert eine Verstärkung von 12 dB zur Amplitude der Impulse, die bei der richtigen Mittenfrequenz liegen und die richtige FM-Codierung aufweisen. Alle anderen Signale einschließlich des thermischen Rauschens, der Empfangssignale von Nachbarkanälen und entgegengesetzt gerichtete Chirp-Signale werden beimDurchlauf durch das Filter 54 um 2 dB gedämpft. Auf diese Weise wird der Geräuschabstand durch das Filter um 14 dB verbessert« Da das Ausgangssignal des Begrenzungsverstärkers 52 für alle Signale einen konstanten Pegel hat, hat das Ausgangssignal abhängig davon, ob richtig FM-codier-Ue Impulse empfangen werden, oder ob nur Rauschen vorhanden ist, ebenfalls zwei Pegel. Diese Pegel liegen im Abstand von etwa 14 dB voneinander.

Das Ausgangssignal des Filters 54 wird einem Amplitudengleichrichter 56 zugeführt, der eine Videodarstellung des Ausgangssignals des Filters 54 erzeugt. Dieses Videoausgangssignal hat einen im wesentlichen konstanten Grundpegel mit Impulsen konstanter Amplitude entsprechend den empfangenen HF-Abfrageimpulsen.

509881/0825

Wie in bisher "bekannten Anordnungen wird die Ankunftszeit eines empfangenen Impulses an dem Zeitpunkt gespeichert, an dem die Vorderflanke des festgestellten Impulses einen vorbestimmten Pegel überschreitet, der gewöhnlich bei der Hälfte der maximalen Impulsamplitude liegt. Die bisherigen Verfahren zur Feststellung der Ankunftszeit können ohne Einschränkungen bei dem Videoimpulsausgangssignal des Gleichrichters 56 angewendet werden. Der vereinfachte Ankunftszeitdetektor aus einem Spitzendetektor 58, einem Verstärker 60 und einem Komparator 62 von Fig.5 ist jedoch dort vorzuziehen, wo eine geringere Meßgenauigkeit zulässig ist. Da alle zusammengedrängten und festgestellten Impulse im wesentlichen eine konstante Amplitude aufweisen, wird zur Erzeugung eines der Impulsspitzenamplitude entsprechenden Spannungswerts ein integrierender Spitzenwertdetektor verwendet. Der gespeicherte Spitzenwert wird dem Verstärker zugeführt, wo er typischerweise um 9 dB erniedrigt wird. Der erniedrigte Spitzenwert wird einem Eingang eines Komparator s 62 zugeführt. Die Videoimpulse am Ausgang des Gleichrichters 56 werden direkt dem anderen Eingang des Komparators 62 zugeführt. Das Ausgangssignal 64 des Komparators 62 ändert seinen Wert immer dann, wenn ein empfangener Impuls über einen Pegel von 9 dB unterhalb des im Spitzenwertdetektor 58 gespeicherten mittleren Impulsspitzenwert liegt.

Fig.6 zeigt ein genaueres Blockschaltbild des Codierers und des Abfrage senders 10 von Fig.1. Das Triggersignal aus der Synchronisierungseinheit 2 von Fig.1, wird einem Eingang 70 ejner Logikeinheit 72 des Codierers zugeführt. Das Kanalwahl-Eingangssignal wird ebenfalls vom Eingang her an die Logikeinheit angelegt. Als Antwort auf diese zwei Eingangssignale erzeugt die Logikeinheit zwei Impulse mit eint*r Dauer von 0,66 yus

509881/0825

und mit einem Impulsabstand zwischen 12 und 30 us in Schritten zu zwei MikrοSekunden. Dieses Impulspaar wird einem Eingang eines Mischers 76 zugeführt. Ein Überlagerungeoszillator 78 mit einer festen Frequenz von 61,8 MHz speist einen zweiten Eingang des Mischers 76. Das Ausgangssignal des Mischers 76 besteht somit aus zwei Burst-Sinusschwingungssignalen mit einer Dauer von 0,66 vis und einer Frequenz von 61,8 MHz. Das Ausgangssignal des Mischers 76 wird dem Eingang eines Treibers 80 für ein Oberflächenwellenbauelement zugeführt. Der Treiber 80 speist den Eingang des von einem Oberflächenwellenbauelement gebildeten Impulsdieners 82. Der Impulsdohner 82 erzeugt zwei Ausgangssignale, von denen das eine eine linear ansteigende Frequenzcodierung und das andere eine linear abnehmende Frequenzcodierung aufweist. Diese Ausgangssignale werden als das Aufwärts-Chirp-Signal bzw. das Abwärts-Chirp-Signal bezeichnet. Jedes dieser Chirp-Signale hat eine Dauer von 10 vis, und seine Frequenz überstreicht den Bereich von 60,3 MHz bis 63»3 MHz. Diese Bandbreite von 3 MHz entspricht der Bandbreite jedes Entfernungsiagßkanals. Die Aufwärts-Chirp-Signale und die Abwärts-Chirpsignale werden im Verstärker 84 verstärkt und dann an die Eingänge eines einpoligen Umschalters 86 angelegt« Die Stellung des Umschalters 86 wird von einem weiteren Ausgangssignal der Logikeinheit 72 gesteuert. Die Logikeinheit ändert die Stellung des Umschalters so, daß die Aufwärts-Chirp- und Abwärts-Chirp-Signale entsprechend dem gewählten Kanalformat den ZF-Umschalter 86 durchlaufen können. Das Ausgangssignal des Schalters 86 wird einem Begrenzungsverstärker 88 zugeführt. Dieser Begrenzungsverstärker 88 beseitigt eine in den Chirp-Impulsen vorhandene Amplitudenmodulation, und er stellt sicher, daß in der gesamten Dauer von 10yus der Chirp-Impulse eine konstante Amplitude vorliegt. Der Begrenzungsverstärker 88 wird auch von einem weiteren

509881 /0825

Ausgangssignal der Logikeinheit 72 geschaltet. Dieses Schaltsignal begrenzt den Ausgangsimpuls exakt auf eine Dauer von 1O/US, und es verhindert, daß Rauschsignale zwischen Impulsen an den HF-Verstärker 98 gelangen.

Das Ausgangssignal des Begrenzungsverstärkers 88 wird einemEingang eines Mischers 96 zugeführt. Ein Überlagerungsoszillator 94, der mit einer Frequenz von nahezu 5 GHz schwingt, speist einen zweiten Eingang des Mischers 96. Das dem Eingang 8 zugeführte Kanalwählsignal steuert die genaue Frequenz des Überlagerungsoszillators 94, die typischerweise eine von 20 jeweils im Abstand von 3 MHz liegenden Frequenzen ist. Das Ausgangssignal des Mischers 96, das aus zwei Impulsen mit einer Dauer von 10 us und einer Mittenfrequenz von nahezu 5 GHz mit einer linearen Frequenzcodierung von 3 MHz besteht, wird dem Eingang des HF-Leistungsverstärkers 98 zugeführt. Der Verstärker 98 liefert am Ausgang 100 eine HF-Spitzenleistung von etwa 5 Watt, die dem Zirkulator von Fig.1 zugeführt wird.

Fig.7 zeigt ein genaues Schaltbild der Baueinheiten 80, 82 und 84 von Fig.6. Der ZF-Impuls aus dem Mischer 76, dessen Dauer 0,66 ais beträgt, wird dem Eingang 102 eines Treiberyerstärkers für ein Oberflächenwellenbauelement zugeführt. Dieser Verstärker ist ein parallelrückgekoppelter Verstärker in Emitterschaltung, der einen Transistor enthält. Dieser Verstärker bewirkt eine Verstärkung des Eingangssignals und eine Trennung des eigentlichen Eingangs des Oberflachenwellenbauelements vom Ausgang des Mischers. Das Verstärkerausgangssignal speist den Eingang des Oberflachenwellenbauelements, an das auch eine Spule 106 angeschlossen ist. Die Spule 106 wird dazu verwendet, den Eingang des Oberflachenwellenbauelements abzugleichen, der von Haus aus kapazitiv ist.

509881/0825

Das Oberflächenwellenbauelement dehnt die eine Dauer von 0,66 us aufweisenden ZF-Impulse auf linear FM-codierte Impulse mit einer Dauer von 10/us. Dabei werden gleichzeitig Aufwärts-Chirp-Signale und Abwärts-Chirp-Signale erzeugt. Die Ausgangssignale des Oberflächenwellenbauelements werden jeweils zweistufigen, parallelrückgekoppelten, in Emitterschaltung ausgeführten Verstärkern zugeführt, in denen jeweils ein Transistor verwendet wird. Diese Verstärker sorgen sowohl für eine Verstärkung als für eine Trennung der Ausgangssignale des Oberflächenwellenbauelements. Das verstärkte Aufwärts· Chirp-Signal erscheint am Ausgang 110 und das verstärkte Abwärts-Chirp-Signal erscheint am Ausgang 112.

In Fig.8 ist das Schaltbild eines Begrenzungsverstärkers dargestellt, das für den Begrenzungsverstärker 88 von Fig.6 verwendet werden kann. Das Aufwärts-Chirp-Signal oder das Abwärts-Chirp-Signal, das denZF-Umschalter 86 von Fig.6 durchläuft, wird an den Eingang 114 angelegt. Dieser Eingang ist mit einem parallelrückgekoppelten, in Emitterschaltung ausgeführten Verstärker angekoppelt, der aus einem Transistor 116 besteht. Diese erste Verstärkstufe puffert das Eingangssignal, und das Signal vom Kollektor des Transistors 116 wird einer ersten Begrenzungsstufe aus einem Differenztransistorpaar 118 zugeführt. Das Ausgangssignal der ersten Begrenzungsstufe wird an eine zweite Begrenzungsstufe aus dem Differenztransistorpaar 120 angelegt. Das Ausgangssignal dieser zweiten Begrenzungsstufe gelangt zum Eingang eines parallel-rückgekoppelten, in Emitterschaltung ausgeführten Transistorverstärker aus einem Transistor 122. Das Signal am Kollektor des Transistors

509881 /0825

Ir»
I -

wird an den Ausgang 124 angelegt, der mit dem Mischer 96 von Fig.6 verbunden ist. Der Schaltimpuls aus der Logikeinheit 72 von Fig.6 wird an den Eingang 115 angelegt. Vom Eingang 115 gelangt der Schaltimpuls zur Basis des Transistors 117» der die negative Energieversorgung der Transistorpaare 118 und 120 zwischen Impulsaussendungen gegen Masse zieht. Den Verstärker 88 können nur während der Dauer von 10 us Signale durchlaufen, in deren Verlauf ge~ dehnte Impulse an den Ausgängen des Impulsdehners 82 von Fig.6 vorhanden sind. Die Wirkung dieses Schaltvorgangs besteht darin, daß die Vorder- und Hinterflanken der gedehnten Impulse zur einer im wesentlichen sauberen Rechteckhüllkurve geformt werden. Störsignale aus Quellen wie Oberflächenwellenreflexionen innerhalb des Impulsdehners werden auch daran gehindert, den Begrenzungsverstärker und den Abfragesender 10 von Fig.1 zu durchlaufen.

Der in Fig.8 dargestellte Verstärker eignet sich auch für den festen Begrenzer 52 von Fig.5. Da der Begrenzer 52 ein Teil der Transponderempfangerschaltimg ist, muß er über einen großen Bereich von Eingangsamplituden arbeiten, und er muß somit eine höhere Verstärkung aufweisen. Die Differenzstufen des BegrenzungsVerstärkers können nach Bedarf zur Erzielung einer zusätzlichen Verstärkung in Kaskade geschaltet sein, und in der bevorzugten Ausführungsform des Begrenzers 52 werden insgesamt acht Stufen verwendet.

Fig.9 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Abschnitts der bevorzugten Schaltung, die einen Teil der Funktionen der Begrenzungs- und Impulskompressionseinheit 27 und des Decodierers 28 von Fig.1 ausführt. Das begrenzte ZF-Signal aus dem Begrenzer 52 von Fig.5 wird dem Eingang des von einem Oberflächenbauelement gebildeten Impuls-

509881/0825

kmmpressors 129 zugeführt. Der Impulskompressor 129 enthält zwei Ausgänge für zusammengedrängte Impulse. Die Abwärts-Chirpimpulse erscheinen am Ausgang 130, und die Aufwärts-Chirpimpulse erscheinen am Ausgang 132. Die Aufwärts- Chirpimpulse und die Abwärts-Chirpirapulse werden an die Eingänge der Oberflächenwellenverzögerungsleitungen 133 bzw. 131 angelegt. Jede Verzögerungsleitung hat zwei Ausgänge, und das Eingangssignal erscheint an beiden Ausgängen, jedoch mit jeweils unterschiedlicher Zeitverzögerung·» Der Unterschied der Zeitverzögerung zwischen den zwei Ausgangssignalen ist gleich dem Impulsabstand des Kanals, auf dem der Transponder arbeitet, zuzüglich einer Zeit von 1 yus zur Decodierung. Wenn ein im richtigen Abstand voneinander liegendes Impulspaar empfangen wird, erscheint der zweite Impuls des Paars am unverzögerten Ausgang der Verzögerungsleitung um eine Mikrosekunde vor dem Auftreten des ersten Impulses, des Meßimpulses, am verzögerten Ausgang. Die zusätzliche Verzögerung um eine Mikrosekunde stellt sicher, daß die Ankunftszeitfeststellung die Ankunft der Vorderflanke des Meßimpulses mißt. Jedes der Ausgangssignale der vier Oberflächenwellenverzögerungsleitungen wird von einem parallelrückgekoppelten, aus einem Transistor in Emitterschaltung bestehenden Verstärker gepuffert und verstärkt. Die vier verstärkten Ausgangssignale erscheinen an den Ausgängen 134 bis 137. In der bevorzugten Ausführungsform sind die vier Ausgänge 134 bis 137 der eigentliche Ausgang des Impulskompressionsfilters 54 von Fig.5. Jeder Aisgang ist mit einer Schaltung aus einem AM-Gleichrichter einen Spitzenwertdetektor, einem Verstärker und einem Komparator wie den Bauelementen 56, 58, 60 bzw. 62 von Fig.5 gekoppelt. In der bevorzugten Ausführungsform werden dem Decodierer von Fig.1 somit vier Videoimpulse zugeführt. Vorzugsweise enthält der Decodierer 28 keine Verzögerungsleitung oder Zeitmeßelementc. Der Decodierer 28 enthält nur digitale Logikschaltungen. V/enn am unverzögerten Ausgang der Verzögerungsleitung ein Impuls erscheint, erzeugt der

509881/0825

Decodierer einen auf die erwarteteAnkunftszeit eines verzögerten Impulses zentrierten Rahmeniinpuls.Das Auftreten eines verzögerten Meßimpulses innerhalb des Rahmenimpulses zeigt den Empfang eines im richtigen Abstand voneinander liegenden Impulspaars an, \m.ä der Decodierer erzeugt dann einen Bestätigungsimpuls für die Systematikverzögerungsschaltung 30 von Fig.1.

Wenn das AbfrageSignalformat dem in Fig.2 dargestellten Format gleicht, bei dem beide Impulse jedes Paars die gleiche Chirp-Richtung aufweisen, sucht der Decodierer 28 nach einem verzögerten Ausgangsmeßimpuls aus der gleichen Verzögerungsleitung, aus der er einen unverzögerten Ausgangevideoimpuls empfängt. V/enn das andere Signalformat verwendet wird, d.h. das mit Aufwärts-und Abwärts-Chirprichtung, sucht der Decodierer 28 nach einem verzögerten Ausgangsmeßimpuls aus der anderen Verzögerungsleitung, aus der er einen unverzögerten Ausgangsvideoimpuls empfängt.

Die Erfindung ist hier zwar im Zusammenhang mit einem speziellen Ausführungsbeispiel beschrieben worden, doch ist für den Fachmann zu erkennen, daß im Rahmen der Erfindung weitere Abwandlungen möglich sind.

509881 /0825

Claims

- 2Ό -

Patentansprüche

Entfernungsmeßanordnung zum Messen der Entfernung zwischen einem Bord-Abfragegerät und einem am Boden befindlichen Transponder, gekennzeichnet durch

einen Abfragecodierer zur Erzielung eines ausgewählten frequenzmodulierten ZF-Impulses,

einen Abfragesender zum Mischen eines vorgewählten HF-Signals mit dem ZF-Impuls aus dem Abfragecodierer und zum Aussenden des resultierenden HF-Impulses,

einen Transponderempfanger zum Empfangen der vom Abfragegerät ausgesendeten Signale und zur Erzielung eines ZF-Ausgangssignals in Abhängigkeit davon,

ein an den Transponderempfänger angeschlossenes Impulskompressions-Bandfilter zur Erzielung einer Zeitkompression und einer Amplitudenverstärkung von ZF-Signalen, die eine vorbestimmte Mittenfrequenz und Frequenzmodulation aufweisen,

einen an das Impulskompressionsfilter angeschlossenen Transponderdecodierer zum Feststellen der Ankunft der Vorderflanke eines empfangenen Impulses und zur Erzielung eines diese Ankunft anzeigenden Ausgangsimpulses,

einen an den Transponderdecodierer angeschlossenen Transpondersender zum Aussenden eines Impulses aus HFr Signalen mit vorgewählter Frequenz abhängig vom Decodierer-Ausgangssignal,

509881/0825

einen Abfrageempfänger zum Empfangen der vom Transponder ausgesendeten Signale und zur Erzielung eines ZF-Ausgangssignals abhängig davon,

einen an den Abfragesender angeschlossenen Abfragedecoddierer zum Feststellen der Ankunft eines Transponderimpulses, der eine vorgewählte Mittenfrequenz aufweist und zur Erzielung eines diese Ankunft anzeigenden Ausgangssignals und

eine Entfernungsberechnungsanordnung, die an den Abfragecodierer und an den Abfragedecodierer angeschlossen ist und die Zeit zwischen der Signalaussendung durch das Abfragegerät und dem Empfang eines vom Transponder ausgesendeten Signals mißt und ein der Entfernung vom Abfragegerät zum Transponder proportionales Ausgangssignal abgibtβ

2, Entfernungsmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abfragecodierer ein Überlagerungsoszillator, eine monostabile Kippschaltung zur Erzielung einer vorgewählten Videoimpulsdauer, ein an den Überlagerungsoszillator und die monostabile Kippschaltung zur Erzielung eines ZF-Signals mit der vorbestimmten Dauer angeschlossenen Mischer und ein von einem Oberflächenwellenbauelement gebildeter und an den Mischer zur Erzielung eines zeitlich gedehnten, frequenzmodulierten Ausgangsimpulses angeschlossener Impulsdehner enthalten sind_o

3. Entfernungsmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Impulskompressionsfilter von einem Oberflächenwellenbauelement gebildet ist.

509881/0825

4. Entfernungsmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transponderempfanger einen Begrenzungsverstärker zum Begrenzen der Amplitude des ZF-Ausgangssignals auf einen einzigen vorgewählten Wert enthält,

5. Entfernungsmeßanordnung, gekennzeichnet durch

einen mit Frequenzmodulationscodierung arbeitenden Abfragesender zum Aussenden eines HF-Impulssignals mit einer vorgewählten Frequenzmodulationscodierung und

einen bewerteten angepaßten Empfänger in einem Transponder zum Empfangen und ausgewählten Ansprechen auf HF-Signale mit der vorgewählten Frequenzmodulationscodierung.

6. Entfernungsmeßanordnung, bei der ein Bord-HF-Sender ein Signal zum einem Boden-Empfänger aussendet, der einen Boden-Sender abhängig von einem vom Bord-Sender abgegebenen Signal triggert, wobei der Boden-Sender ein Signal zu einem Bord-Empfänger sendet, und ein Entfernungsverfolger die Zeit zwischen dem Aussendungsvorgang des Bord-Senders und dem Empfang des vom Boden-Sender ausgesendeten Signals durch den Bord -Empfänger zur Bestimmung der Entfernung zwischen dem Bord-Sender und Bord-Empfänger und dem Boden-Sender und Boden-Empfänger mißt, gekennzeichnet durch einen Frequenzmodulations-Codierer im Bord-Sender und ein angepaßtes Impulskompresssionsfilter in. Boden-Empfänger.

7. Entfernungsmeßanordnung nach Anspruch 6_t dadurch gekennzeichnet, daß das Impulskompressionsfilter ein Oberflächenwellenbauelement ist.

S. Entfernungsmeßanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzmodulationscodierer ein Oberflächenwellenbauelement zur Impulsdehnung ist.

509881/0825

Verfahren zur Erzeugung von AbfrageSignalen in einer Entfernungsmeßanordnung zum Messen der Entfernung zwischen einem Bord-Abfragegerät und einem Boden-Transponder, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Abfragesender ausgesendete HF-Impulse zeitlich gedehnt und frequenzmoduliert werden und daß die von einem Transponderempfanger empfangenen HF-Impulse zeitlich komprimiert und frequenzdemoduliert werden.

509881/0825