DE2704265A1

DE2704265A1 - Anordnung zur verarbeitung der von einem kohaerentimpulsradargeraet empfangenen signale

Info

Publication number: DE2704265A1
Application number: DE19772704265
Authority: DE
Inventors: Jacques Sirven
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-02-03
Filing date: 1977-02-02
Publication date: 1977-08-04
Also published as: FR2340554B1; US4110753A; DE2704265C2; GB1548531A; FR2340554A1

Description

Dipl.-Ing Dipl.-Chem. Dlpl.-Ing. O 7 Q L 7 fi 5

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen: T 2146 31.Januar 1977

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussmann

75008 Paris, Frankreich

Anordnung zur Verarbeitung der von einem Kohärentimpulsradargerät empfangenen Signale

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Verarbeitung der von einem Kohärentimpulsradargerät empfangenen Signale.

Es ist bekannt, daß bei Impulsradargeräten die Empfangsperiode im Verlauf jeder Wiederholungsperiode in gleiche Abschnitte unterteilt wird, die Entfernungsfenster genannt werden. Ein im Raum befindliches Ziel veranlaßt ein Echo in einem Entfernungsfenster, und dieses Echo tritt im Verlauf einer Anzahl von Wiederholungsperioden auf, die von der Schwenkgeschwindigkeit der Antenne und vom öffnungswinkel ihres Strahlungsdiagramms abhängt. Wenn die Nutzechos mit Störsignalen vermischt sind, muß eine richtige Filterung der Signale in der das Echo des Ziels enthaltenden Gruppe von Wiederholungsperioden durchgeführt werden.

>chw/Ba

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Die ideale Filterung, die die beste Detektionswahrschein* lichkeit für ein gegebenes Signal/Störverhältnis ergibt, ist die angepaßte lineare Filterung. Diese Filterung erfordert jedoch die Verwendung einer Gruppe von Filtern für jedes Entfernungsfenster, da die empfangenen Signale von unterschiedlichen Dopplergeschwindigkeiten von einem Ziel zu einem anderen beeinflußt sein können, was bei einem Bordradargerät zwangsläufig der Fall ist. Die lineare Filterung ist daher schwer und räumlich umfangreich.

'. < Die Filterung durch eine herkömmliche Nachintegration hat den Vorteil, daß sie keine große Anzahl von Filtern erfordert, und sie ist auch leichter durchzuführen, doch kann mit ihrer Hilfe keine ebensogroße Detektionswahrscheinlichkeit wie mit der linearen Filterung erzielt werden.

In der Praxis erfordert die lineare Fixterung für eine gegebene Detektionswahrscheinlichkeit ein Signal/Störverhältnis, das um 1 bis 1,5 db über dem Signal/ Stör-Verhältnis beim idealen Filter liegt, was insbesondere deshalb gilt, weil die Mittenfrequenz der /--ν Filter geringfügig von der Mittenfrequenz des Echos abweicht; eine Filterung durch Nachintegration erfordert ein noch höheres Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine Signalverarbeitungsanordnung geschaffen werden, die einen geringeren Platzbedarf als eine Anordnung mit linearer Filterung hat und die die Erzielung einer größeren Detektionswahrscheinlichkeit als bei einer Filterung durch Nachintegration ermöglicht. Die mit Hilfe der Erfindung zu

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schaffende Signalverarbeitungsanordnung soll einfacher als eine lineare Filterung zu verwirklichen sein.

Nach der Erfindung wird jedes empfangene Echo mit der Zwischenfrequenz in zwei Amplituden-Phasen-Demodulatoren kohärent demoduliert, die vom gleichen überlagerungsoszilla tor um 90° phasenverschoben gespeist werden. Die Ausgangssignale der Demodulatoren werden dann codiert und in zwei Signale P_n und G_n umgesetzt, die den Absolutwert und das Argument eines Vektors darstellen. Speicher- und Subtraktionseinrichtungen, die die aufeinanderfolgenden Signale θ empfangen, liefern dann die Signale Θ¹ = θ - θ *· Die Signalpaare ( P_n, ^θ'_η) werden dann an Filtereinrichtungen angelegt, damit über eine vorbestimmte Anzahl von Wiederholungsperioden die vektorielle Summe der Vektoren mit dem Absolutwert P_n und dem Argument G_n erhalten wird, wobei die erhaltene Information Θ" die Doppler-Frequenz des festgestellten Ziels ist, während die erhaltene Information ρ" die Echoamplitude des Ziels ist.

Aus dem gleichzeitigen Vorhandensein einer Aisgangsinformation über die Doppler-Geschwindigkeit des Ziels und einer Ausgangsinformation über die Echoamplitude ergeben sich zahlreiche Vorteile.

Die Amplitudeninformation ermöglicht nach dem Vergleich mit einem Schwellenwert die Erzielung einer Zielanwesenheitsanzeige zur Bestätigung der Doppler-Gsschwindigkeit. Bei normierter Amplitudeninformation ermöglicht diese Anwesenheitsanzeige die Erzielung eines konstanten Fehlalarmsignals,

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:

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Fig.1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsanordnung,

Fig.2 und 3Vektordarstellungen der empfangenen Echos an zwei Punkten der Anordnung,

Flg.4 eine mit linearen Filterschaltungen kombinierte Signalverarbeitungsanordnung,

Fig.5 und 6 Beispiele von Filtern und

Fig.7 eine Verbesserung der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsanordnung.

In Fig.1 ist die nach der Erfindung ausgebildete Signalverarbeitungsanordnung dargestellt. Diese Anordnung findet Anwendung an einem Ausgang eines Radarempfanders, der die Empfangssignale mit der Zwischenfrequenz und Synchronisierungssignale der Entfernungsfenster liefert.

Die ZF-Signale werden einem Eingang E zugeführt, der an die Eingänge von zwei Amplituden-Phasen-Demodulatoren und 2 angeschlossen ist, die dazu bestimmt sind, die empfangenen Signale zu demodulieren. Diese Demodulatoren empfangen ein Demodulationsbezugssignal, das vom überlagerungsoszillator des Empfängers geliefert wird. Dieees Bezugssignal, das an die Klemme OL angelegt wird, wird dem Demodulator 1 direkt und dem Demodulator 2 über einen 90°-Phasenschieber 3 zugeführt.

Die Demodulatoren liefern dann zwei um 90° phasenverschobene Signale, die jedes Echo in der komplexen Ebene repräsentieren.

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Diese zwei Signale werden in Koordinatenwerte X und Y eines Vektors verarbeitet, der auch noch durch seinen Betrag ρ und sein Argument θ definiert werden kann. Die · Signalwerte X und Y werden dann an Analog-Digital-Codierungsschaltungen 4 und 5 angelegt und dann einem Koordinatenumsetzer 6 zugeführt, der die Koordinaten X und Ύ in die Koordinaten ρ und θ umsetzt.

Anschließend wird nur der Koordinatenwert θ einer Verarbeitung unterzogen, damit θ'_η =(θ -O_n-1JmOdUIo 2 π erhalten wird, wobei θ und θ -. die Werte der Koordinate θ sind, die für ein gegebenes Entfernungsfenster bei zwei aufeinanderfolgenden Wiederholungsperioden erhalten werden. Der Koordinatenwert θ wird dann einer Ver^- zögerungsschaltung 7 zugeführt und eine Subtraktionsschaltung 8 ist am Eingang und am Ausgang der Verzögerungsschaltung angeschlossen. Diese Subtraktionsschaltung liefert den Koordinatenwert Θ¹.

Die Verzögerungsschaltung 7 besteht aus einem Schieberegister, dessen Stufenzahl gleich der Anzahl der Entfernungsfenster pro Wiederholungsperiode ist. Sie kann auf diese V/eise alle Koordinatenwerte θ dieser Entfernungsfenster enthalten und ihnen auf Grund eines entsprechenden Verschiebungssteuerbefehls, der von den allgemeinen Synchronisierungsschaltungen des Radargeräts geliefert wird, die gleiche Verzögerun;verleihen. Diese Steuerschaltungen sind nicht dargestellt, da sie einerseits die Zeichnung unzweckmässig überladen wurden und andrerseits dem Fachmann vollkommen bekannt sind.

Die Informationen Θ' und ρ werden dann einem umgekehrten Umsetzer 9 zugeführt, der die Koordinatenwerte X¹ und Y¹ liefert. Diese Koordinatenwerte werden in Schaltungen

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Λ'

und 12 gefiltert, integriert oder addiert. Die neuen Koordinatenwerte X" und Y", die daraus entstehen, werden in einem Umsetzer 13 wieder in ihre entsprechenden Koordinatenwerte p" und Θ" umgesetzt.

Der Koordinatenwert p" wird dann in einem Komparator 14 mit einem Schwellenwert Th verglichen. Das Ausgangssignal des Komparators steuert das Schließe! eines Schalters 15, der an einem Ausgang S beim Überschreiten des Schwellenwerts Th die Information Θ" abgibt.

An Hand der Figuren 2 und 3 wird die Arbeitsweise der Signalverarbeitungsanordnung erläutert.

Es sei ein Echo betrachtet, das während mehrerer Wiederholungsperioden (im Beispiel von Fig.7 während sieben Wiederholungsperioden) in einem Entfernungsfenster empfangen wurde. Das Echosignal ist in jeder Wiederholungsperiode durch einen Betrag ρ und ein Argument θ gekennzeichnet. · Das Argument θ ist beliebig ,wenn nur eine einzige Wiederholungsperiode betrachtet wird. Bei Betrachtung einer grossen Anzahl von Wiederholungsperioden ermöglicht jedoch die Information θ die Kenntnis von der Doppler-Geschwindigkeit des Ziels.

Für ein Festziel ist die Information θ bei Fehlen von Störsignalen konstant. In Anwesenheit von Störsignalen ist die Information θ von einer Wiederholungsperiode zur nächsten zwar nicht konstant, doch bleibt sie im Mittel über mehrere Wiederholungsperioden konstant. Bei der Bildung der Differenz ©_{n +1} - θ_β bleibt der Mittelwert dieser Differenzen über mehrere Wiederholungsperioden im wesentlichen gleich Null.

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Bei einem beweglichen Ziel ändert sich die Information θ von einer V/iederholungsperiode zur nächsten um eine Größe Θ¹, die der Doppler-Geschwindigkeit des betrachteten Ziels proportional ist. Der Mittelwert dieser Differenzgröße Θ¹ bleibt über mehrere Folgeperioden konstant, und der Mittelwert Θ" ist der Doppler-Geschwindigkeit des Ziels proportional.

Dabei muß jedoch auch der Absolutbetrag ρ berücksichtigt werden, der ebenfalls durch Störsignale verfälscht ist. Aus diesem Grund erzeugt die Verarbeitungsanordnung die v.^; vektorielle Summe der Vektoren mit dem Betrag ρ und dem Argument θ'_η = θ_η - O_n-1 in den Filtern 11 und 12.

Dieser VerarbeitungsVorgang ist in zweifacher Hinsicht vorteilhaft. Er ermöglicht einerseits, den Mittelwert der _j Argumente Θ¹ bewertet durch die Beträge P_n zu erhalten, aus dem sich eine exakte Information über die Dopper-Geschwindigkeit des Ziels ergibt. Andrerseits ermöglicht, er es, eine Information über die Echoamplitude P" zu erhalten, die im Vergleich mit einem Schwellenwert Th die Anwesenheit oder das Fehlen eines Ziels anzeigt.

χ- In Fig.2 sind die im Verlauf von zwei aufeinanderfolgenden

** Wiederholungsperloden im gleichen Entfernungsfenster empfangenen Echosignale dargestellt. Das erste Echosignal ist durch einen Vektor mit den Koordinaten X und Y dargestellt, die im Koordinatenumsetzer 6 in die Polarkoordinaten P_n und G_n umgesetzt werden. Das nächste Echosignal ist durch einen zweiten Vektor mit den Koordinaten X_{n +1} , Y_n+1 bzw. P_n+1, G_n+1 dargestellt . Die Verzögerungsschaltung 7 und die Subtraktiansschaltung 8 bestimmen also die Differenz ^et _n+-j = ^e ₊₁~ ^θ _η· ^Die vektorielle Summe der Vektoren mit dem Betrag P_n+1 und dem Argument θ ₊₁ wird von den Filtern 11 und 12 nach der

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Umsetzung in die Koordinaten X'_n+1 und Y¹ . gebildet. Diese Filter bestehen aus einfachen Integratoren in digitaler Technik. Am Ausgang des Koordinatenumsetzers 13 werden schließlich die Beträge p" und die Argumente Θ" der in Fig.3 dargestellten vektoriellen Summe erhalten.

Der Schwellenwert Th ist in Fig.3 durch einen Kreisbogen dargestellt. Damit am Ausgang der Anordnung ein Signal erscheint, muß die das betrachtete Echo repräsentierende Vektorsumme den Abschnitt des Kreises verlassen, der vom Kreisbogen Th begrenzt ist.

Der tatsächliche Aufbau der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsanordnung ist für den Fachmann ohne weiteres möglich. Amplituden-Phasen-Demodulatoren sind praktisch in allen Radargeräten vorhanden. Analog-Digital-Codierer /Sind erhältlich und weisen eine große Arbeitsgeschwindigkeit auf. Umsetzerschaltungen zum Umsetzen von Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten und umgekehrt sind dem Fachmann bekannt.- Beispielsweise wird zur Umsetzung der Koordinatenwerte X und Y in die Xoordinatenwerte ρ und θ eine Betragberechnungs schaltung mit der Funktion ρ = γΧ +Υ benutzt, und das Argument θ wird am Ausgang eines Direktzugriff speicher erhalten, der Sinus- oder Cosinuswerte enthält und an dessen Eingang der Wert X/p oder Y/ρ angelegt wird. In gleicher Weise wird auch die umgekehrte Umsetzung mit Hilfe von Rechenschaltungen bewirkt, die die Operationen X= ρ cos θ und Y = ρ sin θ ausführen. Die Filter 11 und 12 sind beispielsweise digitale Filter, die beispielsweise eine mit einem Schieberegister in Serie geschaltete Addierschaltung enthalten. Die Anzahl der Stufen des Registers ist gleich dar Anzahl der Entfernungsfenster, und jede Information über ein bestimmtes Entfernungsfenster durchläuft das Register in einer Zeitdauer, die gleich der Erpfangsperiode ist.

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Der Eingang der Addierschaltung empfängt gleichzeitig Jede neue Information und die Information aus der vorhergehenden Wiederholungsperiode mit wesentlicher Dämpfung vom Ausgang des Registers. Bei Anwendung der Signalverarbeitungsanordnung in einem Uberwachungsradar können die Filter 11 und 12 viel komplizierter sein, damit ihr Ansprechverhalten bei impulsförmigen Signalen möglichst nahe an die Modulation der Antennenstrahlungskeule angepaßt ist.

In Fig.4 ist eine Signalverarbeitungsanordnung dargestellt, die zusammen mit linearen Filterschaltungen arbeitet. Ein lineares Filter 20 ist zwischen die Ausgänge der Codierer und 5 und die Eingänge des Koordinatenumsetzers 6 eingefügt. Dieses Filter vervollständigt die Wirkung der Signalverarbeitungsanordnung.

Ein erstes Ausführungsbeispiel des Filters 20 ist in Fig.5 dargestellt. Dieses Filter besteht aus zwei gleichen Kanälen, die jeweils eine Subtraktionsschaltung 21, 22 aufweisen, die in Serie mit einem als Verzögerungsschaltung wirkenden Schieberegister 23, 24 geschaltet sind. Der Registerausgang ist mit dem subtrahierenden Eingang der Subtraktionsschaltung verbunden, während der Eingar.g des Registers mit dem addierenden Eingang verbunden ist. Die von jedem Register herbeigeführte Verzögerung is: gleich der Wiederholungsperiode des Radargeräts. ?de Anzahl der Stufen der Register ist gleich der Anzhl der Entfernungsfenster jeder Wiederholungsper ode. Die Steuerung der Verschiebung der Register erfolgt ynchron mit der

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Steuerung der Entfernungsfenster im übrigen Radargerät. Die Koordinatenwerte X_n und Y_ß seien die von den Codierern und 5 in einer gegebenen Wiederholungsperiode gelieferten Signale. In der nächsten Wiederholungsperiode liefern die Subtraktionsschaltung 21 und das Schieberegister 23 des Filters 20 die Koordinatenwerte X_n - X _^, während die Subtraktionsschaltung 22 und das Schieberegister 24 die Koordinatenwerte Y_n-Y_n-^ liefern. Dieser Filtertyp ermöglicht die Eliminierung fester Echos, beispielsweise der in einer festen Radaranlage vom Boden stammenden Echos.

Zwischen dem Ausgang des Schieberegisters und dem entsprechenden Eingang der Subtraktionsschaltung kann in jedem Kanal ein Dämpfungsglied eingefügt sein, damit ein bestimmter Verlauf der Filterkurve erhalten wird.

Eine andere Art des Filters 20 ist in Fig.6 dargestellt. Dabei handelt es sich um eine herkömmliche Filtergruppe 25 oder um eine schnelle Schaltung zum Berechnen der Fourier-Transformierten der Eingangssignale. Eei diesem Filtertyp entsprechen die zwei Eingänge X und Y insgesamt 2q Ausgängen, wobei q die Anzahl der enthaltenen nebeneinanderliegenden Filter ist* Die an dem Koordinatenumsetzer 6 angelegten Signale werden an den Ausgängen des Filters 25 mit Hilfe von zwei synchronisierten Umschaltern mit q Schaltpositionen abgenommen, die synchron mit den Vorzugsentfernungsfenstern gesteuert werden. Beispielsweise liefert eine Gruppe von 100 nebeneinander angeordneten Filtern, denen die Eingangssignale mit einer Bandbreite von 20 kHz zugeführt werden, 2 χ 100 Signale mit der Bandbreite von 200 Hz. Die erfindungsgsmäße Signalverarbeitung sanordnung ermöglicht es, die Anzaol der Filter

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durch 10 zu teilen, die zum Übergang von 20 kHz auf 20 Hz (nämlich 1000 Filter) verwendet werden müßte.

In Fig.7 ist eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsanordnung dargestellt, bei der ein konstantes Fehlalarmsignal erhalten werden kann, die von dem Schwellenwert Th bestimmt wird. Diese Weiterbildung besteht darin, daß der Wert des Betrags ρ zwischen dem Ausgang des Koordinatenumsetzers 6 und dem entsprechenden '...·' Eingang de,s Koordinatenumsetzers 9 normiert wird. In dieser Figur 7 sind dabei die vor dem Koordinatenumsetzer und nach dem Koordinatenumsetzer 9 liegenden Schaltungen nicht dargestellt worden, die bereits in Fig.1 angegeben sind.

Die Normierung des Betrags ρ wird dadurch erhalten, daß der Inhalt von zwei nichtaufeinanderfolganden Entfernungsfenstern P₁ und P₂ analysiert wird und daß die Operation p¹ = Log Cp₁ +P₂)P₁ ausgeführt wird.

~ ■ Eine Verzögerungschaltung 30 ergibt eine Verzögerung, die "^v die Dauer von 2 oder 3 Entfernungsfenstern hat; sie ist am p-Ausgang des Koordinatenumsetzers 6 angeschlossen. Der Eingang und der Ausgang dieser Verzc>erungsschaltung sind mit einer Addierschaltung 31 verbürgen. Ein logarithmischer Verstärker 32 empfängt die Ausgangssignale der Addierschaltung 31, und er liefert die Größe Log ( P

Ein weiterer logarithmischer Verstärker 33, der direkt an den Ausgang des Koordinatenumsetzers angeschlossen ist, liefert die Größe Log (P₁). Eine Subtrajitionsschaltung 3

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die mit den Ausgängen der logarithmischen Verstärker verbunden ist, liefert dann den normierten Betrag p¹ zum entsprechenden Eingang des Koordinatenumsetzers Zur Vergegenwärtigung ist der Kanal für die Argumente θ dargestellt, der wie in Fig.1 ein Schieberegister 7 und eine Subtraktionsschaltung 8 in Serie zu dem Register enthält.

Die Erfindung ist auf Radarsysterne und auch auf mit ^ ' Impulsen arbeitende Sonarsysteme anwendbar.

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Le

erseite

Claims

Patentansprüche

1J Anordnung zur Verarbeitung der von einem Kohärent-

impulsradargerät empfangenen Signal, mit zwei Amplituden-Phasen-Demodulatoren, denen ein Demodulationssignal mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 90° zugeführt wird und die die Radarsignale bei der Zwischenfrequenz empfangen und zwei Videosignale abgeben, sowie Einrichtungen zum Codieren dieser Videosignale, gekennzeichnet durch eine erste Umsetzungseinrichtung (6), die codierte Signale X, Y in Signale p_t θ umsetzt, die jeweils die den kartesischen Koordinaten X, Y entsprechenden Polarkoordinaten darstellen, eine Verzögerungseinrichtung (7) und eine Subtraktionseinrichtung (8) für die bei wenigstens zwei Wiederholungsperieden empfangenen Signale 0, die ein Signal Θ¹ abgeben, eine zweite Umsetzungseinrichtung (9)» "lie die Signale P, ©» in die Signale X¹, Y¹ umsetzen, die die entsprechenden kartesischen Koordinaten darstellen, eine Filtereinrichtung (11, 12) für die Signale X', Y^f und eine dritte Umsetzungseinrichtung (13), die die gefilterten Signale X^M, Y" in die Signale ρ", Θ" umsetzen, die die entsprechenden Polarkoordinaten darstellen, wobei das Signal p" die Amplitude der vom Radargerät empfangenen Echos und das Signal Θ" die Doppler-Geschwindigkeit dieser Echos angeben.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schwellenwertdetektor (14), der die Signale _p" aus der dritten Urasetzungseinrichtung empfängt, und eine von dem Schwellenwertdetektor (14) gesteuerte Torschaltung (15), die die Signale Θ" empfängt.

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine lineare Filterschaltung (20) zwischen den Codierungseinrichtungen (4, 5) und der ersten Umsetzungseinrichtung (6).
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Filterschaltung (20) zwei gleiche Kanäle zum gleichen Filtern der codierten Signale X, Y enthält und daß jeder dieser Kanäle eine Subtraktionsschaltung (21, 22) enthält, die die codierten Signale einerseits direkt und andrerseits über eine Verzögerungsschaltung (23 , 24) empfängt.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (20) eine Filtergruppe (25) und Umschaltvorrichtungen (26, 27) zum aufeinanderfolgenden Abgreifen von Ausgangssignalpaaren der Filter enthält.
6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die erste Urcsetzungseinrichtung (6) und die zweite Umsetzungseinrichtung (9) Normi^rungseinrichtungen (30 bis 34) zur Erzielung eines konstanten Fehlalarmsignals am Ausgang der Torschaltung (1S) eingefügt sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Normierungseinrichtungen eine Subtraktionsschaltung (34) enthalten, die den normierten Betrag p¹ abgibt und deren Eingänge an die Ausgänge von zwei logarithmischen Verstärkern (32, 33) angeschlos.an sind, von denen der eine ein Signal P₁ von der ersten -.^setzungseinrichtung (6) empfängt, während der andere aus e.ier Additionsschaltung (31) die Summe aus dem gleichen Signal p^ und einem von der

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Umsetzungseinrichtung (6) nach Durchlaufen einer Verzögerungsschaltung (30) gelieferten Signal p~ empfängt
8. Radarsystem, dadurch gekennzeichnet,daß es eine Signalverarbeitungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.

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