DE2710841A1

DE2710841A1 - Frequenzmodulator fuer abstandsmessungen mit hoher genauigkeit

Info

Publication number: DE2710841A1
Application number: DE19772710841
Authority: DE
Inventors: Michel Riffiod; Raymond Strauch
Original assignee: Telecommunications Radioelectriques et Telephoniques SA TRT
Current assignee: Telecommunications Radioelectriques et Telephoniques SA TRT
Priority date: 1976-03-12
Filing date: 1977-03-12
Publication date: 1977-09-15
Also published as: FR2344031A1; FR2344031B1; GB1535675A; US4107679A; JPS52129458A

Description

₇?

jong/wijn/ms -/- 8-3-1977

Dr. BERlRKHT SCHOLZ

Γα I Uli I a in.» It

"Frequenzmodulator für Abstandsmessungen mit hoher Genauigkeit"

^T3ie Erfindung bezieht sich auf eine Abstandsmessanordnung insbesondere für Höhenmessungen mit einem Generator, der durch einen Modulator zum Liefern eines linear frequenzmodulierten Signals gesteuert wird, mit Mitteln zum übertragen einer Welle entsprechend dem Signal des genannten Generators in Richtung eines Zieles, mit Mitteln zum Empfangen der vom Ziel reflektierten Welle, mit Mitteln zur Bildung eines Schwebungssignals zwischen den Signalen, die den ausgestrahlten und empfangenen Wellen entsprechen, mit Mitteln zur Bildung eines Fehlersignals, das der Frequenzänderung zwischen der Frequenz des Schwebungssignals und einer festen Frequenz entspricht.

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In bekannten Anordnungen dieser Art, wie der Funkhöhenmesser, der in der französischen Patentschrift Nr. 1.557·67Ο beschrieben worden ist, wird das Fehlersignal in einer Regelschleife zur unmittelbaren Regelung der Steilheit des Modulationssignals verwendet, das zum Unterdrücken der obengenannten Frequenzänderung vom Modulator geliefert wird. Veil die Schleife stabilisiert ist, ist die Periode des Modulationssignals der von der ausgestrahlten Velle zurückgelegten Strecke zum Gegenstand und zurück proportional und wird als Mass für den Abstand zwischen der Anordnung und dem Ziel benutzt.

Mit den Anordnungen der obengenannten Art werden Abstandsmessungen mit einer Genauigkeit in der Grössenordnung von 3$ durchgeführt. Für eine Vielzahl von ~* Anwendungsbereichen, beispielsweise zur Messung von grossen Höhen von Flugzeugen oder für viele industrielle Abstandsmessungen, wird beabsichtigt, diese Genauigkeit um einen Faktor von etwa 10 zu verbessern.

Wie in der obengenannten Patentanmeldung und

ebenfalls in der französischen Patentschrift lh 35 *»33 beschrieben wurde, welche letztere Patentanmeldung auf den Namen der Anmelderin am 22. Oktober 197** eingereicht wurde, wird eine höhere Genauigkeit dadurch erhalten, dass die Anordnung zu regelmässigen Zeitpunkten mittels einer Verzögerungsleitung kalibriert wird, die periodisch für den zu messenden Abstand eingesetzt wird. Aber ausser

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der Tatsache, dass diese Prozedur Kommutatorschaltungen sowie Speicherschaltungen zum Speichern der Mess- und Eichwerte während der Messung bzw. Eichung erfordert, reicht es dennoch nicht aus, die gewünschte Genauigkeit in der Grössenordnung von 0,3$ zu erhalten.

Eine Untersuchung des Problems und eingehende Versuche haben gezeigt, dass ein wichtiges Parameter für die Genauigkeit die Linearität der Frequenzmodulation ist. Erstens kann die Proportionalität zwischen der Modulationsperiode und dem Abstand nur auf genaue Weise überprüft werden, wenn die Modulation der Frequenz des ausgestrahlten Signals ganz genau einem linearen Gesetz folgt. Ausserdem -ist, wenn das Ziel eine diffuse Oberfläche hat (wie beispielsweise die Erde bei Höhenmessungen) die Konzentration des Impulsspektrums in einem schmalen Band eine Funktion der Linearität der Modulation und diese Konzentration ist zum Erhalten einer hohen Präzision notwendig.

Aus diesem Grunde ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Abstandsmessanordnung vom Frequenzmodulationstyp zu schaffen, die eine höhere Genauigkeit aufweist und ebenfalls durch einfache Mittel die Linearität der Frequenzmodulation und eine automatische Eichung ohne Schaltung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Anordnung Mittel enthält zur Bildung

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eines kontinuierlichen zweiten Schwebungssignals zwischen zwei Signalen, die von dem genannten Generator abgeleitet werden, und wobei derselben durch eine Verzögerungsleitung, Verzögert wird, weiter einen Phasendetektor, der dieses zweite Schwobungssignal und das Signal eines geregelten Frequenzoszillators empfängt, wobei das Ausgangssignal des Phasendetektors die Steilheit des Modulationssignals, das vom Modulator geliefert wird, regelt, während das obengenannte Fehlersignal die Frequenz des Signals des genannten Oszillators regelt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung einer bekannten Abstandsmessanordnung vom Frequenzmodulationstyp,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Abstandsmessanordnung nach der Erfindung,
Fig. k eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 5 ein Schaltbild einer Abwandlung der Anordnung nach der Erfindung.

Um die Unterschiede und die Vorteile der

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Abstandsmessanordnung nach der Erfindung im Vergleich zu bekannten Anordnungen dieser Art vom Frequenzmodulationstyp hervorzuheben,_r zeigt Fig. 1 ein Schaltbild einer derartigen bekannten Anordnung, wie diese beispielsweise aus dem obengenannten Patent und der obengenannten Patentanmeldung bekannt sind.

Diese Anordnung enthält einen geregelten

Frequenzgenerator 1, der unter der Regelung eines Modulators 2, der ein Sägezahnsignal erzeugt, ein Signal liefert, dessen Frequenz linear moduliert ist. Die Frequenz f(t) des Generators 1 wird durch m im Frequenzvervielfacher 3 multipliziert, der eine Frequenz F(t) liefert, die der Sendeantenne k zugeführt wird. Die von der Antenne ausgestrahlte Welle h wird durch das in der Zeichnung nicht dargestellte Ziel reflektiert und von der Empfangsantenne 5 aufgefangen.

Die Frequenzänderungen zwischen den ausgestrahlten und empfangenen Wellen als Funktion der Zeit haben die Form eines Sägezahnes, der in Fig. 2 durch die Kurven A bzw« 6 dargestellt sind. Diese Kurven haben dieselbe Form wie das vom Modulator 2 gelieferte Modulationssignal.

Die Modulationsdauer wird durch T bezeichnet. Die Kurven

2D A und B sind gegenüber einander über eine Periode T. =7—

verschoben, die der Fortpflanzungszeit der Welle von der Antenne k über das Ziel zur Antenne 5 entspricht, wobei

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D der mittlere Abstand von den Antennen zu dem Ziel und C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle ist.

Die Mischschaltung 6 bildet ein Schwebesignal f. zwischen einem Bruchteil des von der Kopplungsschaltung 7 ausgestrahlten Signals und dem empfangenen Signal und dieses Schwebesignal f. erscheint als Frequenzverschiebung zwischen den Vorderflanken der Kurven A und B in Fig. 2.

Eine nähere Betrachtung dieser Darstellung ergibt, dass, wenn während Jjeder Modulationsperiode die Frequenzänderungen, die durch die Kurven A und B dargestellt werden, einwandfrei linear sind, geschrieben werden kann: ·

(1) _4F = fb
T X

. Das Schwebesignal f. wird dem Frequenzdiskriminator 8 zugeführt, dessen feste zentrale Frequenz f ist und der ein Signal E liefert, das für die Frequenzänderungen f. - f representativ ist. Dieses Signal wird mittels des Integrators 9 der Regelklemme 0 des Modulators 2 zur Änderung der Neigung des Modulationssignals in einen Sägezahn zugeführt. Auf diese Weise wird eine Regelschleife gebildet, deren Fehlersignal durch das Ausgangs- eignal E des Diskriminator 8 gebildet wird und, da diese Schleife stabilisiert ist, wird der Signalfehler unterdrückt und man erhält:

f. - f
b ο

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Die obenstehende Formel (i) wird:

(2)

^τ ψ

Daraus abgeleitet: Die letzte Beziehung zeigt, dass bei bekannter

FrequenzabweichungA F die Modulationsperiode T dem Abstand D proportional ist, so dass der Abstandsmesswert D durch ein Periodenmessgerät 11 geliefert werden kann, das die Periode T des Modulationssignals misst.

10- Vie bereits erwähnt, ist es zur Verbesserung

der Genauigkeit der Anordnung bekannt, periodisch eine geeichte Verzögerungsleistung statt der Strecke 2D zwischen den Antennen k und 5 über das Ziel zu verwenden, vobei die Anzeige des Periodenmessers auf einen

Wert gebracht wird, der der bekannten Verzögerung f ,

die von der Verzögerungsleitung geliefert wird, entspricht, Auf diese Weise werden etwaige Abweichungen, die durch die Frequenzabweichung A,F verursacht werden, vermieden, aber die Genauigkeit der Anordnung kann dennoch durch die Modulationsverzerrungen, die einer Nicht-linearität der Frequenzmodulation entsprechen, beeinflusst werden.

Die erfindungsgemässe Anordnung, deren Schaltbild in Fig. 3 dargestellt ist, ermöglicht es, gleichzeitig eine nahezu einwandfreie Linearität der

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AO

Modulation und die Unabhängigkeit des Wertes der Messung T gegenüber der Frequenzabweichung t±F zu erhalten.

Die Anordnung enthält ausser den Elementen, die bereits in Fig. 1 beschrieben wurden und mit denselben Bezugszeichen angegeben sind, eine Mischstufe 12, die ein ständiges zweites Schwebefrequenzsignal v(t) zwischen zwei Signalen bildet, von denen das eine das Signal am Ausgang der Mischstufe 13 und das andere das letzte fiber die Periode t durch die Verzögerungsleitung 14 verschobene Signal ist. Einem Eingang der Mischstufe wird ein Signal zugeführt, das vom Frequenzsignal f(t) am Aasgang des Generators 1 Mittels einer Frequenzteilung durch einen Faktor k abgeleitet ist, den der Frequenzteiler 15 liefert. Ein Signal mit fester Frequenz, das vom Quarzoszillator 16 geliefert wird, wird dem anderen Eingang der Mischstufe 13 zugeführt.c

Das zweite von der Mischstufe 12 gelieferte Schwebesignal wird einem Eingang des Phasendetektors 17 zugeführt. Dem anderen Eingang dieses Phasendetektors wird ein Frequenzsignal f zugeführt, das vom geregelten Frequenzoszillator 18 geliefert wird, der nachstehend als VCO 18 bezeichnet wird. Das Ausgangssignal e dieses Detektors 27 wird mittels der integrierenden Schaltung 9 der Regelklemme 10 des Modulators 2 zur Regelung der

Flankensteilheit des Modulationssignals zugeführt. Zum Schluss wird das Fehlersignal E, das vom Diskriminator

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geliefert wird, der Regelklemme 19 des VCO 18 zugeführt und zwar zur Regelung der Frequenz f darin. Ein Periodenmesser 20 misst die Periode, die der Frequenz f zur Beschaffung der Abstandsanzeige entspricht.

In dem Schaltbild nach Fig. 3» das obenstehend

beschrieben wurde, ist es möglich, aus funktionellem Gesichtspunkt die Regelschleife P zu erkennen, die zur Abstandsmessung benutzt wird und deren Aufgabe es ebenso wie in bekannten Anordnungen ist, die Frequenzabweichung zwischen dem Schwebesignal f, am Ausgang der Mischstufe 6 und der Zentralfrequenz f des Frequenzdiskriminators zu unterdrücken} aber es sei bemerkt, dass das Fehlersignal E am Ausgang des Diskriminators 8 nicht auf dieselbe Art und Weise wie bei den bekannten Anordnungen verwendet wird und mittels Elemente einer anderen Regelschleife Q funktioniert, deren Aufgabe es ist, die Flankensteilheit des Sfigezahnmodulationssignalts, das vom Modulator 2 geliefert wird, während- der ganzen Dauer eines Zyklus dieses Signals konstantzuhalten.

Die Wirkungsweise dieser Regelschleife Q wird

untenstehend beschrieben. Die Mischstufe 13 wandelt die Frequenz lf(t), die vom Frequenzteiler 15 geliefert wird, in eine viel schwächere Frequenz

r*(t) = — f(t) - f₁ um, wobei f₁ die feste Frequenz des Quarzoszillators 16 ist. Die Frequenzänderungen f'(t), die unmittelbar einem Eingang der Mischstufe 12 zugeführt

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/α

werden, sind im Diagramm nach Fig. h mittels der Kurve a¹ dargestellt. Diese Kurve a' folgt nicht genau der idealen Kurve A¹, die erhalten werden würde, wenn die Modulation einwandfrei wäre, mit anderen Worten wenn die Steilheit der Modulation des Generators 1 während eines Zyklus der Modulation T konstant wäre. Änderungen der Frequenz f'(t), die dem anderen Eingang der Mischstufe 12 mittels der Verzögerungsleitung 14 zugeführt werden, werden durch die Kurve b¹ dargestellt, die aus einer Verschiebung der Kurve a¹ über eine Dauer entsprechend der Verzögerung "t" , die durch die Verzögerungsleitung herbeigeführt wird, erhalten wird. Die Schwebefrequenz v(t) am Ausgang der Mischstufe 12 entspricht der Frequenzverschiebung der Neigungen der Kurven a¹ und b* und es dürfte einleuchten, dass die Neigung

der Kurve a¹ dem Wert zu jedem Augenblick t

ο entspricht. Unter Berücksichtigung der untenstehenden Beziehung zwischen f'(t) und f(t) lässt-sich herleiten, dass

(U) v(t) .¹Sf- t£Ül

Diese Formel (h) zeigt, dass die Schwebefrequenz v(t) am Ausgang der Mischstufe 12 zu jedem Augenblick

t der Neigung der Frequenzmodulation f(t), die

vom Generator 1 geliefert wird, proportional ist. Der jBiasendetektor 27 vergleicht die Phase

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(t)" des Frequenzsignals v(t), das von der Mischstufe geliefert wird, mit der Phase * des Frequenzsignals f , das von dem VCO 18 geliefert wird. Aus dem untenstehenden dürfte es einleuchten, dass die Phase Φ eine konstante Bezugsphase während einer Modulationsperiode T ist.

Durch Zuführung des Ausgangssignals e des Phasendetektors 17 zur Regelklemme 10 des Modulators 2 zur Regelung der Steilheit des Modulationssignals, wird die Regelschleife Q wieder geschlossen. Es dürfte dem Fachmann einleuchten,

10- dass die Klemme Q es ermöglicht, dass die Phase <f (t) auf der Bezugsphase Φ verriegelt wird und zum Schluss die Schwebefrequenz v(t) unter die'Regelung der Frequenz t des VCO 18 zu bringen.

Dadurch kann die obenstehende Formel (h) wie

folgt geschrieben werden:

r k dt Diese Formel (5) zeigt, dass, insofern die

Frequenz f während einer Modulationsperiode To konstant

d f(t)

ist, die Neigung ' der Frequenzmodulation f(t) während der Periode T konstant ist. Auf diese Weise ist eine der Aufgaben zur Verbesserung der Genauigkeit erfüllt worden, und zwar das Linearisieren der Frequenz modulation. Es dürfte einleuchten, dass es unter diesen Umständen möglich ist, in der Formel (5) die augenblickliehe Neigung der Modulation , die während der

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Af Periode T konstant ist, durch die Beziehung —— zu ersetzen, wobei ^ f die Frequenzabweichung des Signals f(t) ist.Dadurch wird die folgende Formel erhalten:

^fr - k dt
Die Regelschleife P der Abstandsmessanordnung wird wieder geschlossen, während das Ausgangssignal E des Frequenzdiskriminators 8 der Regelklemme 19 des VCO 18 und zwar zur Regelung der Frequenz f zugeführt wird.

Die Schwankungen in dem zu messenden Abstand,beispielsweise die Schwankungen in der Höhe eines Flugzeuges sind im allgemeinen langsam und es kann am Ausgang des Frequenzdiskriminators 8 immer ein geeignetes Tiefpässfilter vorgesehen werden, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, so dass sich unter dem Einfluss des Ausgangssignals E des Frequenzdiskriminators f das Ausgangssignal des VCO 18 nicht wesentlich Ändert während einer Modulationsperiöde T. Die Regelschleife Q funktioniert dann wie obenstehend angegeben und die Formel (6) kann angewandt werden. Diese Formel zeigt, dass die langsame Änderung der Frequenz f » die in der Abstandsschleife P erzeugt wird,

A-f
wieder die Neigung und letzten Endes die Neigung

Af

—=,der Modulation der Frequenz des übertragenen Signals ändert. Ebenso wie in den bekannten Anordnungen funktioniert die Abstandsschleife P derart, dass die die Schwebefrequenz

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(ζ

f. und die feste zentrale Frequenz f des Frequenzdiskriminators 8 gleich macht. Wenn diese Situation erreicht ist, gilt die Formel (2).

Unter Berücksichtigung der Beziehungen

L= Tj-und Af = mj\ f, wobei m der Multiplikationsfaktor ist, der vom Frequenzvervielfacher 3 erzeugt wird, und durch Kombinieren der Beziehungen (2) und (6) lässt

sich auf einfache Weise darlegen, dass: (7) — = T = ' ^{2km 1} 1 \ « 10

_{Γ c} . . _f

Γ OO

Das Messen der Periode T , die der Frequenz f

r r

entspricht, die vom Periodenmesser 20 herbeigeführt wird, bedeutet folglich eine Abstandsmessung D. Der Proportionalitätskoeffizient hängt nur von den festen Grossen (k,m) oder Normen ( t , f ) ab. Hierdurch ist also eine automatische Eichung der Anordnung verwirklicht

Vas die Erzeugung der Normaldauer "^ durch die Verzögerungsleitung 14 anbelangt, ist es vorteilhaft und zwar aus insbesondere wirtschaftlichen Gründen, eine Verzögerungsleitung zu verwenden, die in Farbfernsehempfängern üblich ist und eine Verzögerung T = 6^yus für eine Arbeitsfrequenz k,2 MHz liefert. Venn beispielsweise die ζentrde Frequenz des Generators *tOO MHz beträgt, kann diese Arbeitsfrequenz mit Hilfe eines Teilungsfaktors h in der Teilerstufe 15 und mit einer festen Frequenz von 95t8 MHz im Quartzoszillator 16 erhalten werden.

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Al

Venn der zu messende Abstand D wesentlich

abweicht, kann bei der Regelung der Frequenz f des VCO ein Problem entstehen, weil sie in entgegengesetztes Richtung in demselben Ausmass variieren muss. Venn beispielsweise die Formel (7)in dem Fall angewandt wird, wo der Abstand D zwischen 2000 Meter und 20.000 Meter schwankt, und wenn die Konstanten wie folgt sind/

k = 4, m = 11,f = 6k,us, f =100 kHz wird gefunden, dass f rwisehen 21,8 kHz und 2,18 kHz schwanken muss. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass einige Änderungen in der Regelschleife Q durchgeführt

werden müssen, wie im Schaltbild nach Fig. 5 dargestellt ist, dass Elemente aus Fig. 3 enthält, die mit demselben Bezugszeichen angegeben worden sind. Tm Schaltbild nach Fig. 5 wird der Mischschaltung 12 statt zweier Signale mit derselben Frequenz f'(t) von denen das eine um \ verzögert und das andere nicht verzögert ist, einerseits das Frequenzsignal f'(t), das um t verzögert ist, und andererseits ein nicht verzögertes Frequenz signal f'(t) zugeführt, das entsprechend derselben Neigung der Frequenz f'(t) moduliert, aber in Richtung der höheren Frequenzen einer festen Frequenz H: f*'(t) = f'(t) + H verschoben ist. Diese Frequenz f'(t) wird mittels der Mischstufe 21 erhalten, die einerseits die Ausgangsfrequenz der Teilerstufe 15 und andererseits die feste Frequenz erhält, die vom Quarzoszillator 22 geliefert wird.

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Es lässt sich darlegen, dass die Schwebefrequenz v(t) am Ausgang der Mischstufe 12 konsequent auf die Neigung

des Modulations signal s bezogen ist und zwar mittels der nachfolgenden Beziehung (8), die die obengenannte Beziehung (3) ersetzt/

(8) ,<*)..♦ ^f i-fÜl

Da die Rtgelschleife zur einwandfreien Wirkung die Frequenz f des VCO 18 und die Schwebefrequenz v(t) aneinander angleichen muss, dürfte es einleuchten, dass sich die in Fig. 5 angegebene Änderung letzten Endes den Effekt in der kompletten Abstandsmessanordnung derart ■ auswirkt, dass die Frequenz f in Richtung der höheren Frequenzen der festen Frequenz H verschiebt, für welche höheren Frequenzen die Messschleife P stabilisiert ist.

Venn beispielsweise H = 200 kHz, schwankt die Frequenz f im obengenannten Beispiel von 221,8 kHz bis 202,18 kHz.

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Claims

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PATENTANS PRUCHE;

(i.\ Abstandsmessanordnung insbesondere für Höhenines sungen, mit einem Generator, der von einem Modulator geregelt wird und zwar zum Liefern ei>nes Signals, dessen Frequenz linear moduliert ist, mit Mitteln zum Ausstrahlen einer Welle zu einem Ziel, die dem Signal des genannten Generators entspricht, mit Mitteln zum Empfangen der vom Ziel reflektierten Welle, mit Mitteln zur Bildung eines Schwebeeignais zwischen den Signalen, die den übertragenen und empfangenen Wellen entsprechen, mit Mitteln

10- zur Bildung eines Fehlersignals, das der Frequenzänderung zwischen der Frequenz des Schwebesignals und einer festen Frequenz entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass diese Anordnung Mittel enthält zur Bildung eines permanenten zweiten Schwebesignals zwischen zwei. Signalen, die aus dem genannten Generator erhalten werden und von denen

eines durch eine Verzögerungsleitung verzögert wird,! veiter einen Phasendetektor, der dieses zweite Schwebesignal und das Signal eines geregelten Frequenzoszillators erhält, wobei das Ausgangssignal des Phasen- detektors die Neigung des Modulationssignals regelt, das vom Modulator geliefert wird, während das obengenannte Fehlersignal die Frequenz des Signals des genannten Oszillators regelt. 2. Abstandsmessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schwebesignal mittels einer

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Mischstufe erhalten wird, der zwei Signale des Generators zugeführt werden, so dass dieselbe Modulationsneigung und dieselbe Frequenz angeboten werden, wobei eines dieser Signale weiter durch die Verzögerungsleitung geht.

3· Abstandsmessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schwebesignal mittels einer Mischstufe erhalten wird, der zwei Signale vom Generator zugeführt werden, so dass die dieselbe Modulationsneigung und Frequenzen aufweisen, die vonein ander abweichen und zwar um einen festen Wert, während eines dieser Signale ebenfalls durch die Verzögerung»- leitung geht.

k. Abstandsmessanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungs leitung von dem Typ ist, wie dieser in Fernsehempfängern verwendet wird.

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