DE2541292A1

DE2541292A1 - Verfahren und vorrichtung zur korrelierung von signalen bei dopplerradaranlagen zur entfernungsmessung

Info

Publication number: DE2541292A1
Application number: DE19752541292
Authority: DE
Inventors: Jacques Fournier
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1974-09-27
Filing date: 1975-09-16
Publication date: 1976-04-08
Also published as: FR2286390A1; US4044356A; GB1510136A; FR2286390B1; DE2541292C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Korrelierung von Signalen bei Dopplerradaranlagen zur Entfernungsmessung .

In der PR-PS 1 572 593 ist ein Dopplerradar zur Entfernungsmessung beschrieben, bei dem ein statistisches Signal ausgestrahlt wird, das dann in einer Korrelationsschaltung korreliert und
ausgewertet wird, um jedes ausgestrahlte Signal und jedes
empfangene Signal, das nach Reflexion an dem Ziel erhalten wird, derart vergleichen zu können, daß die Entfernung des Zieles abgeleitet werden kann. In der genannten Patentschrift wird auf den Eingang der Korrelationsschaltung das empfangene Signal und das ausgesandte Signal gegeben, wobei das letztere vorher künstlich um eine gewisse Zeitspanne verzögert wird, die von dem gegebenen

-2-

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-2- .- 2 B 4 1 2

Abstandsbereich des zu entdeckenden Zieles abhängt.

Die in dieser Korrelationsschaltung erfolgende Korrelation der beiden Signale ist ein dem Fachmann bekannter Vorgang und besteht aus einer Multiplikation der Signale miteinander und einer nachfolgenden Filterung oder Integration des Ergebnisses; d.h. die Korrelationsscnaltuna ist eine Serienschaltung eines Multiplikators und eines Filters. Die durch die Verwendung statistischer Signale hervorgerufene offensichtliche Komplizierung erlaubt in der Tat das mittlere Signal-Rauschverhältnis der empfangenen Nachricht zu verbessern, was bei Störgeräuschen von Vorteil ist.

Die Erfindung macht von einem Prinzip Gebrauch, das dem in der oben genannten Patentschrift offenbarten Prinzip insoweit verwandt ist, als eine Korrelationsschaltung vorgesehen ist, welche das abgestrahlte Radarsignal· und das empfangene Radarsignal miteinander korreliert, und ebenfalls eine konstante zeitliche Verzögerung vorgenommen wird, die von dem gegebenen Abstandsbereich des zu ortenden Zieles abhängt, wobei diese zeitliche Verzögerung in eine Korrelation eingebracht wird. Die vorliegende Erfindung stellt jedoch eine Verbesserung gegenüber dem in der oben genannten Patentschrift beschriebenen Dopplerradar dar, da die technische Realisierung vereinfacht werden kann.

Hierzu schafft die Erfindung einerseits ein Verfahren zur Korrelation von Signalen bei einem Dopplereffektradar, bei dem eine Aufeinanderfolge numerischer Impulse gebildet wird, bei

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dem durch diese Folge das vom Radar ausgesandte Signal gesteuert wird, und bei dem jeder Impuls dieser Folge in einer ersten Korrelation mit einem abgeleiteten und verzögerten Impuls korreliert wird, um über eine zweite Korrelation zwischen dem ausgesandten Radarsignal und dem infolge Reflexion am Ziel empfangenen Radarsignal das umschalten des letzteren auf verschiedene Kanäle steuern zu kennen, um so die Information über den gesuchten Ort ableiten zu können. Dabei wird die Verzögerung des abgeleiteten Impulses gemäß dem Abstandsbereich gewählt, der vom Radar überstrichen werden soll.

Andererseits wird durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Korrelierung von Signalen bei einem Dopplerradar geschaffen, die aufweist: Einen Oszillator, der Radarsignale auf zwei verschiedene Frequenzen ausstrahlen kann;eine Schaltung zur Herstellung einer Aufeinanderfolge numerischer Impulse; eine erste Multiplikationsschaltung; eine Steuerschaltung zum Ansteuern des Oszillators durch die Schaltung zur Herstellung numerischer Impulse, derart, daß gemäß einem jeden der Impulse der Folge ein Radarsignal der einen oder der anderen Frequenz ausgesandt wird, und zum Steuern der ersten Multiplikationsschaltung durch diesen Impuls sowie durch einen abgeleiteten Impuls, der um eine konstante Zeitspanne verzögert ist, die gemäß dem vom Radar zu überstreichenden Abstandsbereich gewählt ist; eine zweite Multiplikationsschaltung und Verbindungseinrichtungen, durch welche dieser das ausgesandte Radarsignal und das infolge Reflexion am Ziel empfangene Doppler verschobene Radarsignal zugeführt werden; und eine von

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den beiden Multiplikationsschaltungen beaufschlagte Umschalteinrichtung, durch welche die empfangenen Signale auf das eine oder das andere von zwei Filter gegeben wird, welche den Multiplikationsschaltungen derart zugeordnet sind, daß die Doppelkorrelation durchgeführt wird und letztlich die der gesuchten Ortung zugeordnete Information bereitgestellt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß zu dem angestrebten Zweck als Folge numerischer Impulse Impulse Verwendung finden, die in zyklischer Aufeinanderfolge wiederholt werden; d.h. es findet eine Folge digitaler Werte oder binärer Einheiten (Bits) mit den Vierten 0 und 1 Verwendung, welche das Arbeiten des Radars steuern, um den Ort des gewünschten Zieles gut und präzise feststellen zu können; dabei wird diese Bitfolge vorzugsweise in einem an sich bekannten Umlaufschieberegister erzeugt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Autokorrelationsfunktion einer Bitfolge maximaler Länge, die von einem Umlaufschieberegister erzeugt wird;

Fig. 2 eine analoge graphische Darstellung der Autokorrelationsfunktion eines Hochfrequenzsignales mit zwei Frequenzwerten, das durch eine Bitfolge gleichen Typs in Zweiphasenumtastung moduliert ist;

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Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 und 5 eine graphische Darstellung der Signale, die an

den beiden Ausgängendes Umschalters bereitgestellt werden; und

Fig. 6 die sich ergebende Korrelationsfunktion.

Hat man ein Umlaufschieberegister, das aus η bistabilen Kippschaltungen aufgebaut ist, so erhält man durch dieses eine Aufeinanderfolge von 2 -1 Bits, die sich beliebig oft wiederholt, falls das Umlaufschieberegister nicht angehalten wird. Eine derartige Bitfolge, die auch Bitfolge maximaler Länge genannt wird, findet als Folge pseudostatistischer numerischer Impulse Verwendung. Da die Anzahl der die Bitfolge darstellenden Bits eine ungerade Zahl darstellt, ist die Anzahl der "O"-Zustände um eine Einheit kleiner als die Anzahl der "1"-Zustände. In Fig.1 ist die Autokorrelationsfunktion einer Folge maximaler Länge
dargestellt. Auf der Abszisse ist die bei der Korrelation verwendete Verzögerungszeit "Z"aufgetragen, während als Ordinate
die am Ausgang der Korrelationsschaltung erhaltene Spannung
aufgetragen ist. Die hier erhaltene Autokorrelationsfunktion
hat die Form eines gleichschenkligen Dreieckes, dessen Grundseite die Länge 2t hat, wobei t die Länge eines Bits darstellt, Dieses Dreieck ist zu beiden Seiten durch ein praktisch horizontales Plateau verlängert, dessen Höhe gleich der in einem

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— D ~

Bit enthaltenen Energie ist; d.h. bezogen auf die maximale Ausgangsspannung U der Korrelationsschaltung ist die Höhe des

Plateaus U /(2ⁿ-1).
max

Müßte man die Korrelation eines hochfrequenten Signales einer einzigen Nennfrequenz F, das durch eine Bitfolge der oben beschriebenen Art binär phasenmoduliert ist und Phasensprünge von 0 und TT aufweist, berechnen, so erhielte man eine analoge Autokorrelationsfunktion. Prägt man jedoch einer Trägerwelle Frequenzverschiebungen derart auf, daß die Bits der oben beschriebenen Bitfolge gemäß ihrem "0"- oder "!"-Zustand Frequenzen mit zwei unterschiedlichen diskreten Werten F₀ bzw. F₁ erzeugen, so nimmt die Autokorrelationsfunktion die in Fig. 2 dargestellte Form an. Die Länge der Grundseite des Dreieckes ist die gleiche wie im vorhergehend beschriebenen Fall, die Höhe des Plateaus strebt jedoch jetzt gegen U /2.

max

Diese schwache Dynamik (d.h. die Änderung von ü /2 zu U )

·* ^ max' max

läßt in der Praxis eine Verwendung eines derartigen Systems für Radarzwecke nicht zu. Infolgedessen werden in der vorliegenden Erfindung Maßnahmen vorgeschlagen, um die Dynamik des Systems zu verbessern und zugleich die Vorteile beizubehalten, die ansonsten durch die binäre Frequenzmodulation erhalten werden.

In Fig. 3 ist ein schematisches Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Ein Oszillator 1 kann dadurch frequenzmoduliert werden (wobei er zwischen zwei Zuständen gleitet), daß z.B. ein Varactor mit einer Spannung beauf-

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schlagt wird. Diese Spannung ist eine Aufeinanderfolge impulsfürmiqer Signale, die von einem Umlaufschieberegister 2 bereitgestellt werden. Das Umlaufschieberegister 2 wird von einem Taktgeber 3 gesteuert und liefert eine Bitfolge maximaler Länge, die der Anzahl der das Umlaufschieberegister bildenden bistabilen Kippschaltungen entspricht. Damit liefert der Oszillator 1 für Zustände "O" der Bitfolge eine Frequenz F_Q und für Zustände "1" der Bitfolge eine Frequenz F₁. Die Differenz Fq-F-i wird ausreichend groß gewählt, so daß beim Empfang die Schwebung mit der Differenz dieser beiden Frequenzen leicht von der auf den Dopplereffekt zurückzuführenden Frequenzänderung Δ F getrennt werden kann.

Das Signal der Frequenz F oder F- wird somit von der Radaranlage bei E ausgestrahlt; es wird vom Ziel reflektiert und bei R wieder in der Radaranlage empfangen. Der von dem ausgesandten und reflektierten Signal durchlaufene Weg kann auf der Zeichnung dadurch äquivalent nachgebildet werden, daß eine Phasendrehschaltung 5 vorgesehen wird, die die der Bewegung des Zieles entsprechende Dopplerverschiebung ^F bewerkstelligt, und eine nachgeschaltete zweite Phasendrehschaltung 6 vorgesehen wird, die eine der Länge des durchlaufenen Weges entsprechende Phasendrehung vornimmt. Das ausgesandte Signal und das empfangene Signal werden jeweils auf einen der Eingänge eines Mischers 4 gegeben, der in Praxis eine Multiplikationsschaltung ist.

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Andererseits wird die den Oszillator 1 modulierende Bitfolge mit der um eine Zeit τ verzögerten gleichen Bitfolge in einer Multiplizierschaltung 7 multipliziert. Da man mit binären Einheiten arbeitet, kann die Hultiplizierschaltung durch eine Addierschaltung gebildet sein, die die Summe der Eingangssignale modulo 2 berechnet. Die Verzögerungszeit V ist die Verzögerungszeit, für die die Korrelation durchgeführt werden soll. Die am Ausgang der Multiplizierschaltung 7 erhaltene Bitfolge wird zur Steuerung eines steuerbaren Umschalters 8 verwendet. Der letztere kann z.B. Umschaltdioden aufweisen und das Umschalten kann so erfolgen, daß die Bits "0" der von der Multiplizierschaltung 7 abgegebenen Bitfolge die vom Ausgang des Mischers 4 her anstehenden Signale auf einen Kanal I leiten und die Bits "1" diese Signale auf einen Kanal II leiten.

Die beiden Kanäle I und II weisen jeweils ein Filter 9, 10 auf, das die Integration der Dopplersignale vornimmt und zugleich die der Schwebung F_n-F₁ entsprechenden Signale entfernt. Die von den Filtern 9, 10 abgegebenen Signale werden dann z.B.durch Dioden 11, 12 gleichgerichtet und auf einen Differenzrechenkreis 13 gegeben, der auf einer Ausgangsleitung die Differenz dieser Signale bereitstellt. Das Signal auf der Ausgangsleitung 14 wird dann zur Auswertung des Abstandes und des Ortes des Zieles durch Schaltkreise ausgewertet, die nicht zur vorliegenden Erfindung gehören.

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In Pig. 4 sind die Signale des Kanales I und in Fig. 5 die des Kanales II dargestellt. Fig. 6 zeigt die sich insgesamt ergebende Korrelationsfunktion. In den Figuren 4 bis 6 sind die Amplitudenwerte auf die Anzahl η der bistabilen Kippschaltungen des Umlaufschieberegisters normiert. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß einer der Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß der Punkt, an dem die Korrelationsfunktion die horizontale Achse schneidet, von der Spannung U, folglich also von der Amplitude des empfangenen Signales unabhängig ist.

Ein zweiter Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der, daß die Hyperfrequenzkreise gegenüber einer herkömmlichen Vorrichtung, bei der eine binäre Phasenmodulation mit Phasensprüngen O und ^vorgenommen wird, erheblich vereinfacht sind.

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Claims

p_Pt3nt

Dipl. Ing. H. Hauck

Dir,',. Phy3. W. Schmitz

Dipl. ing. E. Graalfs

Dipl. Ing· W. Wehnelt

Dipl. Phys. W. Carstens

8 München 2

Mozartstr. 23

Societe National d¹Etude et de
Construction de Moteurs d¹Aviation

150, Blvd. Haussmann München, 12.September 1975

75008 Paris, Frankreich Anwaltsakte M-3640

Patentansprüche

M.,Verfahren zur Korrelierung von Signalen bei Dopplerradaranlagen, bei dem eine zyklische Folge pseudostatistischer Impulse, die von einem Umlaufschieberegister bereitgestellt werden, die Radaranlage steuern und die Entfernungsmessung dadurch erfolgt, daß das empfangene Signal mit einer verzögerten Nachbildung des ausgesandten Signales verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Radaranlage in ein und derselben Station einen Sendeteil und einen Empfängerteil aufweist und daß im Empfängerteil das hochfrequente Radarsignal, das nach durch die zyklische Folge von Impulsen durch Frequenzgleiten bewirkter Modulation ausgestrahlt wird, zugleich auch in einer ersten Korrelation Verwendung findet, in der jeder Impuls der Folge mit einem hiervon abgeleiteten Impuls, der um eine Zeitspanne verzögert ist, die gemäß dem

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vom Radar zu überstreichenden Entfernungsbereich gewählt ist, korreliert wird, daß das durch diese Korrelation erhaltene Signal direkt auf ein elektrisches Verbindungsmittel zum

Empfängerteil gegeben wird, um dann durch eine zweite Korrekation zwischen dem ausgesandten Radarsignal und dem nach Reflexion am Ziel empfangenen Radarsignal die Verteilung des letzteren auf mehrere Kanäle zu steuern, um die gesuchte Abstandsinformation zu erzeugen.
2. Vorrichtung zur Korrelierung von Signalen bei Dopplerradaranlagen zur Verwendung bei dem Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine zyklische Folge pseudostatistischer Impulse, die durch ein Umlaufschfeberegister erzeugt wird, die Radaranlage steuert und die Entfernungsmessung durch Vergleich des empfangenen Signales mit einer verzögerten Nachbildung des ausgesandten Signales bewerkstelligt wird, gekennzeichnet durch einen Oszillator(1>,der Radarsignale auf zwei unterschiedlichen Frequenzen aussenden kann; durch eine Schaltung (2,3), welche eine Aufeinanderfolge numerischer Impulse bereitstellt; durch eine erste Multiplikationsschaltung (7); durch eine Steuereinrichtung, über die der Oszillator (1) von der Schaltung (2) zur Erzeugung der Impulsfolge derart gesteuert wird, daß gemäß jedem der Impulse der Folge ein Radarsignal der einen oder der anderen Frequenz ausgestrahlt wird, und durch die die Multxplizxerschaltung mit diesem Impuls und einem abgeleiteten Impuls, der um eine konstante Zeit verzögert ist, die gemäß dem vom Radar zu überstreichenden Entfernungsbereich gewählt ist, angesteuert wird; durch eine zweite Multi-

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I ύ

plikationsschaltung (4) und Mittel, durch welche dieser das ausgesandte Radarsignal und das nach Reflexion am Ziel erhaltene Doppler verschobene Radarsignal zugeführt wird; und durch eine von den beiden Multiplizierschaltungen (4,7) gesteuerte Umschalteinrichtung (8) durch welche die empfangenen Signale auf ein erstes oder ein zweites von zwei Filtern (9,10) gegeben werden, die den Multiplizierschaltungen (7,8) zugeordnet sind, derart daß eine zweifache Korrelation durchgeführt wird und letztlich die gesuchte Information über den Ort des Zieles erhalten wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (8), z.B. eine Anordnung von Umschaltdioden, mit den empfangenen Signalen beaufschlagt wird, welche zuvor durch die zweite Multiplizierschaltung (4) hindurchgelaufen sind, und daß die Umschalteinrichtung (8) von den Impulssignalen gesteuert wird, die durch die erste Multiplizierschaltung (7) hindurchgelaufen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Filter (9,10) die Integration der dopplerverschobenen Signale durchführen und gleichzeitig Schwebungen ausräumen, die durch Überlagerung der beiden Frequenzen des Oszillators (1) entstehen.

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