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Einrichtung zur perspektivischen Darstellung eines Geländeaus-
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schnitts auf einem Radar-Bildschirm Die Erfindung bezieht sich suf
eine Einrichtung zur perspektivischen Darstellung eines Geländeausschnitts auf einem
-Radar-Bildschirm unter Verwendung einer stçenkbar ausgebildeten, bündelnden Antenne,
die kurze oder komprimierte Sendeimpulse absendet und reflektierte Signale empfangt.
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Vielfach besteht das Bedürfnis, mit den Mitteln der Radartechnik Geländeausschnitte
wetterunabhängig oder bei Nacht sichtbar zu machen (Landeanflug, Aufklärung, Binnenschiffahrt,
Hafenübersicht). Eine übliche landkartenähnliche Darstellung ist in diesen Fällen
mit Radargeräten hoher Entfernungsauflösung und mit Radarantennen mit hoher azimutaler
Bündelung möglich.
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Eine vielfach geamnschte perspektivische Darstellung des Geländes
nach Art einer Fotografie scheitert meistens daran, daß man hierzu aufwendige, flächenhaft
große Antennen benötigt, die in zwei Ebenen intesiv bündeln (Bleistiftstrahl), und
daß man zum Abtasten des Geländeabschnitts mit einem derart dünnen Strahl relativ
viel Zeit benötigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung für eine perspektivische
Gelände darstellung unter Verwendung von Ptadarmitteln zu schaffen, wobei man mit
einfach aufgebauten Antennen auskommt und eine rasche Geländeabtas-tung ermöglicht
wird.
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Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Sinlichtung der eingangs genannten
Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in an sich bekannter eise die
Antenne als nur im Azimut scharf bündelnde,
im wesentlichen auf
den Erdboden gerichtete Antenne ausgebildet ist, die durch Schwenkung im Azimut
den zu überschauenden Geländeausschnitt azimutal zeitlich nacheinander abtastet,
daß eine Horizofltal-Ablenkeinrichtung vorgesehen ist, durch welche auf dem Bildschirm
der Bildpunkt dem augenblicklichen Azimutwinkel innerhalb des Antennen-Schwenkbereichs
proportional gesteuert wird, daß eine Bildpvmkt-Vertikal-Ablenkeinrichtung vorgesehen
ist, durch welche bei Aussendung eines jeden Sendeimpulses der Bildpunkt vom unteren
Bildschirmrand senkrecht nach oben gestartet wird und hinsichtlich seiner vertikalen
Geschwindigkeit so gesteuert wird, daß diese proportional zum Produkt aus der gerade
empfangenen reflektierten Leistung und der reziproken zugehörigen Entfernung des
Reflexionspunktes ist, und daß eine Einrichtung zur Regelung der Verstärkung des
reflektierten Signals in Abhängigkeit von der Entfernung des jeweiligen Reflexionspunktes
vorgesehen ist, so daß die Intensität des verstärkten reflektierten Signals und
damit die Bildpunkthelligkeit unabhängig von der Entfernung des jeweiligen Reflexionspunktes
ist.
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Es wird somit eine nur in azimutaler Richtung bündelnde Antenne benutzt,
deren Strahlung im wesentlichen auf den Erdboden gerichtet ist. Man kommt dabei
mit einer einfachen, horizontal liegenden Balkenantenne aus. Das Echo eines sehr
kurzen oder komprimierten Sendeimpulses, welches aus der Tiefe des bestrahlten Geländes
zurückkehrend, sehr gestreckt ist, wird in seiner Zeitfunktion dahingehend ausgewertet,
daß die in der Zeitfunktion versteckte Information über den Geländeschnitt in der
betreffenden Azimutrichtung zur Steuerung des Bildpunktes auf dem Bildschirmgerät
benutzt wird, um eine perspektivische Darstellung des Geländes zu erreichen. Der
Bildpunkt des Bildschirmgerätes wird also nicht , wie bisher üblich, mit konstanter
Ablenkgeschwindigkeit über den Bildschirm geführt, sondern der Betrag der vertikalen
Ablenkgeschwindigkeit wird laufend vom Echosignal gesteuert.
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Für das Funktionieren der Einrichtung nach der Erfindung müssen zwei
Voraussetzungen erfüllt sein. Zum einen muß für den Echo vorgang das de Lambert'sche
Gesetz gültig sein, d.h. der reflektierte Strahlungsfluß einer größeren, gleichförmig
aus einer Richtung bestrahlten rauhen Fläche muß sich aus den Einzel-Ritckc strahlleistungen
vieler kleiner Echopunkte zusammensetzen. Er ist dadurch unabhängig vom Winkel,
unter dem der den Echofluß messende Beobachter diese Fläche beobachtet. Aus diesem
Grunde erscheint z.B. der Mond in der Mitte und am Rande gleich hell, obwohl die
Flächen in der Mitte und am Rande jeweils sehr verschiedene Winkel zum Beobachter
einnehmen. Abgesehen von spiegelglatten See oberflächen und Straßenoberflächen ist
die Oberflächenrauhigkeit eines üblichen Geländes für den Radarbereich so beschaffen,
daß das de Lambert'sche Gesetzt Gültigkeit hat. Zum anderen muß der Radarempfänger
eine exakte zeit(entfernungs)abhängige Verstärkungsregelung besitzen, so daß gleiche
Echo-Leistungen unabhängig von der Entfernung zum Radargerät, in der sie entstehen,
gleich starke Videosignale erzeugen.
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Unter diesen Voraussetzungen soll im folgenden unter Beiziehung der
Fig. 1 ein zeitlich sehr kurz andauernder elektromagnetischer Wellenzug, der eine
Radarantenne verläßt, verfolgt werden.
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In Fig. 1 ist eine Geländeabsohnitt gezeichnet, in dessen Schnittebene
(Zeichenebene) im wesentlichen die Energie des Wellenzuges verläuft, der von der
Radarantenne in dieser Ebene - also azimutal - stark gebündelt ist. Ein Sendeimpuls
SJ läuft in x-Richtung von links nach rechts. Die Sendeantenne sei so weit entfernt,
daß man die Wellenfront als geradlinig ansehen kann. In der Elevation sei die Energie
gleichmäßig im Bereich y = o bis y = h verteilt.
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Die Zeitdauer des Sendeimpulses SJ sei so kurz, daß der während dieser
Zeit von der Welle zurückgelegte Weg sehr klein (io - 20 m) gegenüber der gesamten
Ausdehnung des Gelände schnitts ist (Stoßwelle).
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Die Stoßwelle SJ berührt an der Stelle A zum erstenmal den Erdboden
EB und erzeugt dort ein rücklaufendes Echo, eine Zeit später an der Stelle B, dann
an der Stelle C usw. Durch den Laufzeiteffekt ist das zur Radarantenne zurücklaufende
Echo insgesamt zeitlich langgestreckt und während des Einlaufens in die Antenne
zu verschiedenen Zeiten verschieden strark. Je nach der Größe des Anstellwinkels
y (Punkt D) des Gelände schnitts ist das an dieser Stelle reflektierte Wellenpaket
RW nämlich mehr oder weniger intensiv. Dies ist eine Folge der Laufzeiteffekte und
hat mit den statischen Reflexionsgesetzen, die nach dem de Lamberttschen Gesetz
als winkelunabhängig anzusehen sind, nichts zu tun.
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Es soll nun gezeigt werden, daß die zu jedem Zeitpunkt gerade entstehende
Echoenergie proportional zu derjenigen Geschwindigkeit ist, mit derer auf die y-Achse
projizierte Auftreffpunkt der Stoßwelle SJ auf das Gelände auf der y-Achse nach
oben läuft.
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Die insgesamt in der Zeichenebene im Bereich y = o bis y = h laufende
Sendeenergie sei E. Es wird eine Linienenergie Eo (Energie pro Längeneinheit) in
der Weise definiert, daß
Im folgenden wird die Stoßwelle betrachtet, die zur Zeit t an der Stelle D auf das
Gelände treffe. Während der Zeitdauer des Sendeimpulses A t hat die Stoßwelle, die
sich mit der Lichtgeschwindigkeit c fortpflanzt, die Strecke Ax = c a t zurückgelegt.
Das Gelände habe zunächst überall den gleichen Reflexionsfaktor M mit dem ein Bruchteil
der Sendeenergie in der Richtung der negativen x-Achse in der Zeichenebene zur Radarantenne
zurückgeworfen wird.
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In dieser Zeit A t wird der Energieanteil Er = # # Eo dy reflektiert,
wobei #y # dy = tan #.
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#x dx ist dabei der Anstiegswinkel des Geländes, das zur Zeit t von
der Stoßwelle SJ getroffen wird. Es ist Er = # # Eo # #x # tan # = # # Eo # c #
#t # tan # .
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Die pro Impulsdauer t t reflektierte Energie t ist
Die Geschwindigkeit #y, mit der sich der Auftreffpunkt der Stoßwelle auf dem Gelände
in y-Richtung bewegt, ist offensichtlich nach Fig. 1 # y = c # tan # , so daß sich
ergibt:
Die pro Sendeimpulslänge reflektierte Energie (die Echoimpulsleistung) ist proportional
der Geschwindigkeit, mit der der AuStreffpunkt der Stoßwelle auf das Gelände in
y-Richtung wandert.
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Bei der Einrichtung zur perspektivischen Darstellung nach der Erfindung
tastet die im Azimut scharf bündelnde Antenne durch mechanische Drehung oder elektronische
Schwenkung das Gelände azimutal zeitlich nacheinander ab. Auf dem Bildschirm entspricht
einem jeden Azimutwinkel ein proportional zugeordneter Punkt auf der horizontalen
Achse. Die vertikale Ablenkung des Bildpunkts auf
dem Bildschirm
geschieht in der Weise, daß beim Start eines jeden Sendeimpulses auch der Bildpunkt
am unteren Ende des Bildschirms zur Ablenkung senkrecht nach oben gestartet wird,
wobei seine jeweilige Ablenkgeschwindigkeit proportional dem Produkt aus der gerade
empfangenen Echoleistung und der reziproken zugehörigen Entfernung gewählt wird.
Der Einfluß der reziproken Entfernung bewirkt, daß absolut gleich hohe Erhebungen
in größerer Entfernung entsprechend kleiner dargestellt werden. Hört der Echoenergiefluß
auf (Punkt E), so wird der Bildpunktvorlauf gestoppt, bis wieder Echoenergie (vom
Punkt F) empfangen wird. Hört der Echofluß endgültig auf (Punkt G), so wird auch
die Bildpunktablenkung abgebrochen. Bei einem erneut gestarteten Sendeimpuls beginnt
der Bildpunkt wieder vom unteren Rand des Bildschirms mit einem neuen Ablenkvorgang
in derselben Weise. Nach einer Serie dieser Vorgänge schwenkt die Antenne in die
benachbarte Azimutrichtung und das Spiel beginnt von neuen.
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Die mit dieser Einrichtung erzielte Darstellung liefert einen perspektivischen
Eindruck mit der richtigen Geländekontur, so, als ob der Beobachter das Gelände
- etwa in der y-Achse stehend - in Richtung der x-Achse betrachtet. Auch das zweite
wesentliche Faktum der perspektivischen Darstellung, das scheinbare Sichverschmälern
eines Parallelstreifens, der sich vom Beobachter aus in der Ebene nach vorn erstreckt,
ist durch das Darstellen der verschiedenen azimutalen Sektoren auf dem Bildschirm
durch parallel liegende senkrechte Streifen gegeben.
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Das in Fig. 1 gewählte Modell entspricht insofern nicht ganz der Wirklichkeit,
als die Phasenfronten der Sende- und Schwellen als gerade Linien angenommen werden.
In Wirklichkeit führen die Kugelwellen dertStrahlung zurder bekannten ~14 Abhängigkeit
der Echo energie von der Entfernung r.
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Da jedoch als Voraussetzung für die echo geregelte Darstellung
nach
der Erfindung eine exakte zeitabhängige Regelung der Verstärkung vorgesehen ist,
bei der gleichartige Echoleistungen entfernungsunabhängig verarbeitet werden, liefert
der an sich unrichtige Tatbestand von Fig. 1 eine weitgehend richtige Darstellung
der Vorgänge.
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Es wurde bisher angenommen, daß der RefS xionsfaktor des Geländes
überall gleich sei. Das ist in der Praxis nicht der Fall. Insbesondere Häuser, Brücken,
Masten und Fahrzeuge bilden Zentren besonders intensiver Reflexion. Jedoch ist bei
Häusern und Gebäuden aller Art mit höheren, senkrechten Wänden die Darstellung weitgehend
richtig, weil der Bildpunkt in diesen Fällen abrupt in die Höhe springt, und zwar
bei hohen Gebäuden (starkes Echo) entsprechendhöher als bei niedrigen Gebäuden.
Metallische Gegenstände, insbesondere Fahrzeuge, werden dagegen als "überhöhte Stif-t
dargestellt. Dies ist zwar nicht naturgetreu, jedoch in vielen Anwendungsfällen
sehr erwünscht.
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Die perspektivische Darstellung, für die im Prinzip Informationen
in drei Dimensionen nötig sind, obwohl das Radargerät zunächst nur zwei Dimensionen
(Azimut, Entfernung) ausw&tet, gelingt bei der Erfindung dadurch, daß die azimutal
gebündelte fächerförmige Welle an einem Punkt auf dem Erdboden auftrifft und daß
sich dieser Punkt kontinuierlich auf dem Gelände wegbewegt und dabei Höheninformationen
liefert.
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Diskrekte, vom Boden gelöste Refelxionspunkte, z.B. Flugzeuge, können
daher nicht richtig eingeordnet werden. Sie werden so wiedergegeben, als befanden
sie sich jeweils auf ihrem Projektionspunkt auf dem Gelände, wenn man sie senktrecht
von oben auf das Gelände projiziert.
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Durch die bekannten Schaltungen, die den Bildschirm nur für bestimmte
wählbare Entfernungen helltasten, bekommt man eine perspektivische Darstellung von
Linien gleichen Abstands zum Radargerät; weiterhin
ist es möglich,
die Entfernung zu Zielen im Gelände zu messen, indem man die hellgetastete Entfernungslinie
so lange verschiebt, bis das gewünschte Ziel "ins Licht kommt und man die zugehörigen
Entfernungen abliest.
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Im folgenden wird anhand von Fig. 2 der Auswertungsteil zur Steuerung
der Blmschirm-Ablenkeinheit und seine Beziehung zum Radargerät als Prinzipschaltung
zusammenfassend erklärt.
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Die wesentlichen Einheiten des Radargerätes sind ein Antenne 1, ein
Sende-Empfangsschalter 2, ein Radarsender 3, ein Radarempfänger 4 und eine Bildröhre
5. Die Antenne 1 wird von einer Baugruppe 6 periodisch im Azimut über einen bestimmten
Winkelbereich, z.B. 30°, geschwenkt. Die Schwenkung des Richtstrahls in azimutaler
Richtung kann mit Hilfe bekannter Verfahren auch elektronisch erfolgen. Proportional
zum jeweiligen Azimutwinkel wird der Bildpunkt der Bildröhre 5, gesteuert von der
Baugruppe 6 und als Folge einer entsprechenden Ablenkgröße 7, horizontal bewegt.
Eine Schaltung 8 erzeugt diese Ablenkgröße 7 in bekannter Weise.
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Zum Empfänger 4 gehört ein Regelsverstärker 9, der dafür sorgt, daß
die Intensität des Echosignals an seinem Ausgang nahezu unabhängig ist von der räumlichen
Entfernung, in der das Echo entsteht, und ein Pulskompressions-Netzwerk 10 für den
Fall, daß däs Radargerät mit Pulskompression arbeitet.
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Das fertig aufbereitete Videosignal steuert zum einen über eine entsprechende
Elektrode 11 der Bildröhre 5 die Leuchtintensität des Bildpunktes und zum anderen
einen Regelverstärker 12, der an seinem Ausgang durch eine entfernungsproportionale
Regelung eine Spannung liefert, die dem Quotienten aus Echosignalleistung und Entfernung
proportional ist.
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Diese Spannung steuert einen Integrator 13, der das Zeitintegral
über
seine Eingangsspannung bildet und mit dieser Größe 14 die Vertikalablenkung 14 der
Bildröhre 5 bewirkt. Der jeweilige Startpunkt der vertikalen Aufwärtsbewegung des
Bildpunktes wird vom Radarsender 3 durch ein angepaßtes Startsignal 15 synchronisiert.
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Für eine stereoskopische Betrachtung mUssen zwei perspektivische Teilbilder
dargestellt werden, die der Aufnahme von jeweils zwei verschiedenen, horizontal
um einen bestimmten Betrag verschobenen Radarantennenorten entsprechen. Da über
die Impulslaufzeit grundsätzlich auch die Entfernungsinformation vorliegt, kann
dies bei der Einrichtung nach der Erfindung in der Weise geschehen, daß der horizontalen
Ablenkbewegung, welche im wesentlichen der Artennenschwenkung proportional ist,
eine kleinere Komponente überlagert wird, die proportional zu 4 g ist, wobei r die
Jeweilige Entfernung zum Entstehungsort des Echos ist. Die verschiedenen Vorzeichen
gelten jeweils für die beiden Teilbilder. Diese können entweder zeitlich nacheinander
auf denselben Bildschirm oder gleichzeitig nebeneinander auf denselben Schirm bzw.
auf zwei getrennte Bildschirme geschrieben werden.
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Bei einer zeitlich nacheinander erfolgenden Darstellung der Teilbilder
werden in zweckmäßiger Weise Einrichtungen hinzugezogen, welche die Zuordnung der
beiden dem rechten bzw. linken Auge zuzuleitenden Bilder durch abwechselndes synchrones
Abblenden des rechten bzw. linken Auges im richtigen Sinne gewährleisten. Bei gleichzeitiger
Darstellung nebeneinander auf der gleichen oder zwei getrennten Bildröhren werden
die Bilder über eine autosuggestive Einstellung der Augen direkt oder mit Hilfe
von bekannten Brillen mit Keilgiäsern betrachtet, wobei die Trennung der optischen
Kanäle entweder durch Polarisationsfilter am Bildschirm oder aber auch durch farblich
verschiedenartige Darstellung der Teilbilder und Brillen mit verschiedener Farbcharakterstik
bewerkstelligt wird.
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2 Patenansprüche 2 Figuren
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