DE2735923A1

DE2735923A1 - Vorrichtung zur messung der groessten annaeherung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden objekten

Info

Publication number: DE2735923A1
Application number: DE19772735923
Authority: DE
Inventors: Louise Ireland Ruffe; Thomas George Thorne
Original assignee: Microwave and Electronic Systems Ltd
Current assignee: Microwave and Electronic Systems Ltd
Priority date: 1977-08-10
Filing date: 1977-08-10
Publication date: 1979-02-22
Also published as: DE2735923C2; FR2399034A1; FR2399034B1; SE431253B; SE7612429L

Description

Microwave and Electronic Systems Limited

Vorrichtung zur Messung der größten Annäherung zwischen zwei sich relativ zu einander bewegenden Objekten

Die Erfindung betrifft eine Radaranlage zur Messung der kleinsten Annäherungsentfernung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Objekten. Die Erfindung ist dabei speziell auf die Waffenerprobung anwendbar, wo es wünschenswert ist, die Entfernung zu messen, um welche ein Lenkgeschoß ο. dgl. Waffe ein Ziel verfehlt, gegen welches das Geschoß abgefeuert worden ist.

Beim Abschuß eines Lenkgeschosses gegen ein sich normalerweise bewegendes Ziel, etwa im Fall einer Boäen-Luft-Lenkwaffe, hat es sich als wünschenswert erwiesen, der das Geschoß startenden Person eine Anzeige des Abstands zu liefern, um welchen das Geschoß das Ziel verfehlt, sofern ein solcher Fehlschuß auftritt.

Es ist schwierig und aufwendig, sowohl Lenkgeschoß als auch Ziel vom Boden aus genau zu verfolgen, um die Entfernung größter Annäherung zwischen beiden zu messen. Dabei ist es vorteilhaft, die Meßdaten vom Ziel zu gewinnen, doch weil dieses verbrauchbar sein, d. h. beim Schuß zerstört werden kann, sollte die im Ziel vorge-

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sehene Meßvorrichtung kostensparend sein.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, im Ziel eine Vorrichtung vorzusehen, die einen sich mit ändernder Entfernung ändernden Parameter aufzeichnet oder speichert, diesen Parameter zum Boden zurückmeldet und die Parameterdaten zur Angabe der Fehlschußentfernung am Boden verarbeitet.

Der gewählte Parameter als solcher ist kein unmittelbares Maß für die Entfernung. Das Ziel trägt ein Doppier-Radargerät, und der aufgezeichnete Parameter ist die Doppler-Verschiebungsfrequenz, die wiederum eine Funktion der Größe der Entfernungsänderung zwischen Geschoß und Ziel und somit der Annäherungsgeschwindigkeit zwischen den beiden Objekten ist. Wie noch näher erläutert werden wird, ist eine Kurve der Änderung der Doppler-Verschiebungsfrequenz bei der Vorbeibewegung des Geschosses am Ziel eindeutig auf die Fehlschußentfernung, d. h. auf die Entfernung größter Annäherung bezogen. An diesem Punkt fällt die Doppler-Verschiebung augenblicklich auf Null ab.

Obgleich die Erfindung im Hinblick auf das Problem der Messung der Fehlschußentfernung eines gegen ein Ziel abgefeuerten Lenkgeschosses entwickelt worden ist, ist der Grundgedanke der Erfindung offensichtlich im

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weiteren Sinne allgemein auf die Messung der kleinsten Annäherungsentfernung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Objekten anwendbar. Es ist dabei nicht notwendig, daß sich beide Objekte Bewegen oder daß die Bewegung in drei Dimensionen stattfindet, wie dies auf die speziell betrachtete Boden-Luft-Situation zutrifft. Beispielsweise ist die Erfindung auch auf die Messung der größten Annäherung zwischen zwei Objekten am Boden anwendbar, nämlich auf ein zweidimensionales Geschehnis.

Wenn sich beide Objekte bewegen, ist es zweckmäßig, das eine Objekt als Bezugsrahmen heranzuziehen und lediglich die Bewegung des anderen Objekts relativ zu ihm zu betrachten. Dieser Möglichkeit ist die folgende Beschreibung zugrundegelegt, wobei das "Ziel"-Objekt als Bezugsrahmen benutzt wird.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der kleinsten Annäherungsentfernung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Objekten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die in den beiliegenden Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

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- γ-

Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der dreidimensionalen Geometrie beim Vorbeiflug eines Lenkgeschosses an einem Ziel,

Fig. 2 eine graphische Darstellung typischer Kennlinien der zeitabhängigen Änderung der Doppler-Verschiebung bei Fehlschußentfernungen M und verschiedenen Lenkgeschoß-Geschwindigkeiten V,

Fig. 3 eine graphische Darstellung normalisierter Versionen dieser Kennlinien,

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines vom Ziel getragenen Doppler-Radargeräts,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform eines vom Ziel getragenen Doppler-Radargeräts,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Bodenempfangsanlage zur Verwendung beim Doppler-Radargerät gemäß Fig. 5 und

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Fig. 7 ein detaillierteres Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Signalverarbeitungseinheit gemäß Fig. 6.

In Fig. 1 sind ein Ziel(flugkörper) und seine Bewegungsrichtung durch einen Pfeil T angegeben. Ein Lenkgeschoß W wird gegen das Ziel abgefeuert. Das Geschoß verfolgt den Kurs H, doch ist seine Bahn relativ zum Ziel durch die dick ausgezogene Linie Tr angedeutet. Wie eingangs erwähnt, wird das Ziel als Bezugsrahmen benutzt.

Mithin wird das Ziel als stillstehend bzw. ortsfest betrachtet, und eine Vektorkorrektur wird auf die Geschoßgeschwindigkeit gegenüber Grund bezogen, um die Bahn des Geschosses relativ zum Ziel zu ermitteln. Wie durch die Bezugskoordinaten x, y und ζ angegeben, handelt es sich bei Fig. 1 um eine dreidimensionale Darstellung. Zur Ableitung der nachstehend angegebenen mathematischen Gleichungen braucht jedoch nur ein zweidimensionaler Fall in der die Geschoß-Flugbahn Tr und das Ziel T enthaltenden Ebene betrachtet zu werden.

Auf jedem Punkt längs der Bahn ist die augenblickliche Entfernung des Ziels gleich R. Das Lenkgeschoß besitzt die Geschwindigkeit V auf der Bahn Tr. Die Näherungsgeschwindigkeit (Vr) des Geschosses und des Ziels ist längs der Linie R gegen das Ziel gerichtet. Am Punkt P

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der größten Annäherung besitzt die Entfernung einen kleinsten Wert M, wobei die Linie PT senkrecht zur Bahn Tr liegt. An diesem Punkt reduziert sich damit die Geschwindigkeitskomponente Vr des Geschosses gegen das Ziel zu Null. Eine Betrachtung der Darstellung zeigt, daß sich bei der Bewegung des Geschosses längs der Bahn Tr die Geschwindigkeitskomponente Vr in Zielrichtung mit zunehmendem Abstand (Vt) vom Punkt größter Annäherung in Richtung des Wertes V vergrößert. Wenn zeitabhängige Kurven der Änderung von Vr oder eines davon abhängenden Parameters gezogen werden, während sich das Geschoß längs der Bahn Tr bewegt, zeigt sich, daß die Kurve - wie später noch näher aufgezeigt werden wird eine von der Fehlschußentfernung M abhängige Form besitzt.

Es sei angenommen, daß das Ziel T ein Doppler-Radargerät trägt, das Echos vom Lenkgeschoß W empfängt. In an sich bekannter Weise verschiebt sich die Frequenz des Echos relativ zum ausgestrahlten Signal um eine Doppler-Verschiebungsfrequenz f, gemäß der Gleichung

^fd ^{= 2} ΊΓ · ^fo ^{= 2 Vr//>}

in welcher f_Q und Λ die Radar-Sendefrequenz bzw. -wellen länge bedeuten und c der Lichtgeschwindigkeit im freien (leeren) Raum entspricht, f, ist damit ein Maß von Vr,

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und diese Größe reduziert sich am Punkt P größter Annäherung augenblicklich zu Null. Durch Aufzeichnung oder Abgriff der Frequenz f, bei der Bewegung des Geschosses auf der Bahn Tr kann der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem das Geschoß den Punkt P erreicht. Die tatsächliche Fehlschußentfernung M an diesem Punkt kann dann anhand der Form der Kurve von f, in Abhängigkeit von der Zeit t ermittelt werden. Jede Geschwindigkeit V besitzt für verschiedene Fehlschußentfernungen M einen eindeutigen oder speziellen Satz von Kurven von f, in Abhängigkeit von t. Da die Geschoßgeschwindigkeit relativ zum Ziel auf der Bahn Tr nicht unmittelbar bekannt ist, muß zur Ermittlung der Fehlschußentfernung die Geschwindigkeitsabhängigkeit des Kurvenbzw. Kennliniensatzes beseitigt werden, d. h. einem Normalisiervorgang unterworfen werden. Dies geschieht auf die nachstehend auch anhand der Fig. 2 und 3 beschriebenen Weise.

Zunächst kann aufgezeigt werden, daß die augenblickliche Doppler-Frequenz f, gemäß Gleichung (1) auf der Grundlage der Geometrie nach Fig. 1 durch die Gleichung

f_d = 2 V/X . [1 + (M/Vt)²] ^ΥΖ (2)

ausgedrückt werden kann, wobei die Zeit t vom Punkt P größter Annäherung gemessen wird. Der erste Teil dieser

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Gleichung, d. h. 2V//, , bedeutet die größte Doppler-Verschiebung, die bei der Geschwindigkeit V erreicht werden kann; dies bedeutet einen Wert, den f, in einer vergleichsweise großen E::t;ernung vom Zielobjekt erreicht, wobei R^V. t^> M gilt, so daß Vr—> V. Als praktische Anleitung kann gesagt werden, daß eine ausreichende Genauigkeit erreicht wird, wenn f, bei R >·3Μ als den größten Wert f besitzend angesehen wird.

Die beiden ausgezogenen Kurven 21 und 22 gemäß Fig. 2 zeigen die Änderung der Frequenz f, mit der Zeit t entsprechend Gleichung (2) für Fehlschußentfernungen M = 1 m bzw. M = 5 m und für eine Geschoßgeschwindigkeit V von 400 m/s. Die tatsächlich angegebenen Werte der Frequenz f, entsprechen den bei einer Arbeitsfrequenz von 1,-5 GHz (A = 200 mm) erzielten. Es ist zu beachten, daß sich bei abnehmender Fehlschußentfernung die Steilheit der Kurve erhöht, d. h. einen plötzlicheren Übergang auf f, = 0 bei t = 0 ergibt. Die beiden gestrichelt eingezeichneten Kurven 23 und 24 sind für Fehlschußentfernungen von 1 m bzw. 5 m, jedoch bei halber Geschoßgeschwindigkeit, d. h. V= 200 m/s, berechnet. Diese Kurven sind flacher (niedrigere Werte von f ), und der zeitliche übergang ist aufgrund der niedrigeren Geschwindigkeit weniger abrupt.

Unter Anwendung der Gleichung (2) können die Kurven

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gemäß Fig. 2 einer Normalisierung unterworfen und dann auf die in Fig. 3 dargestellte Weise wiedergegeben werden, in welcher die Ordinate nunmehr das Verhältnis f,/f_m angibt und auf der Abszisse eine normalisierte Zeitveränderliche t . f aufgetragen ist. Die Kurven 21 und 22 werden daher gemäß Fig. 3 zu einer einzigen Kurve 31, und ebenso werden die Kurven 31 und 32 zu einer einzigen Kurve 32, wodurch belegt wird, daß mit dem in Fig. 3 graphisch veranschaulichten Normalisierverfahren für eine vorgegebene Fehlschußentfernung M eine eindeutige, geschwindigkeitsunabhängige Kurve erhalten wird.

Eine andere Möglichkeit der Anerkennung der physikalischen r.ec^.tf-rt'' gurg des Normalisierverfahrens geht aus Fig. 1 hervor. Bei Außerachtlassung der Doppler-Verschiebungsfrequenz ist ersichtlich, daß jedesmal dann eine Doppler-Periode auftritt, wenn sich die Entfernung R zwischen Lenkgeschoß und Zielobjekt um eine halbe Wellenlänge, \ /2, ändert. R ist dabei einfach auf die Strecke oder Entfernung d längs der Bahn vom Punkt der größten Annäherung P gemäß Gleichung

2 J ") R^z - JT + cT (4)

bezogen. Bei einer Folge von Werten für R, bei denen eine Änderung von η^/2 erfolgt, d. h. eine ganze Zahl η von Doppler-Perioden vom Punkt P, ist daher ein ent-

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sprechender Satz von Werten für d vorhanden, die eindeutig auf die Größen R bei vorgegebener Größe von M bezogen sind. Doppler-Perioden treten somit in Entfernungsinkrementen auf der Bahn Tr auf, die von der Lenkgeschoß-Geschwindigkeit V unabhängig sind.

Insbesondere bestimmen sich die Entfernungen oder Strecken R , bei denen Doi
sind, durch die Gleichung

Strecken R , bei denen Doppler-Perioden abgeschlossen

R_n = M + η Λ /2 (5)

worin η die Zahl der Doppler-Perioden ab dem Fehlschußpunkt bedeutet. Anhand von Gleichung (4) bestimmen sich die entsprechenden Abstände d auf der (Flug-)Bahn Tr durch die Gleichung

d_n = [(M + η /2)'Γ- Π J¹- (6)

Die Periode t der η-ten Doppler-Periode bestimmt sich daher durch

- ^dn-

Die Zeitspannen der aufeinanderfolgenden Doppler-Perioden sind selbstverständlich aus dem Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal ableitbar. An späterer Stelle ist anhand von Fig. 7 eine Signalverarbeitungs-

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- yr ■

einheit beschrieben, welche die aufeinanderfolgenden

Größen t mißt und mit Hilfe eines Rechners nicht nur η

den Wert bzw. die Größe von M entsprechend der zeitabhängigen Änderung von t liefert, sondern auch die Geschwindigkeit V ableitet.

Es ist auch zu beachten, daß die Differenzierung beider Seiten von Gleichung (4) gegenüber der Zeit folgendes liefert:

H = Vr = d (M² + d²) ~^VZ . d (d) ^dt -H-

durch Einsetzen von d(d)/dt = V, d = Vt und Vr = f,/2 erhält man unmittelbar wiederum Gleichung (2).

Um auf das zur Bildung (der Kurven) von Fig. 3 angewandte Normalisierverfahren zurückzukommen: Der einzige am Boden benötigte Parameter ist die augenblickliche Größe von f_d, wobei f ein spezieller Wert von f, ist. Im Zielobjekt brauchen keine anderen Messungen oder etwaigen Berechnungen durchgeführt zu werden. Das Zielobjekt braucht lediglich ein Doppler-Radargerät zur Ableitung von f, und eine Einrichtung zur Rückmeldung

der Größe f, zu einer Bodenstation aufzuweisen. Tat-α

sächlich ist bei allen beschriebenen Maßnahmen lediglich die Rückmeldung von f, zur Bodenstation erforderlich.

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Für diesen Zweck geeignete Ausfuhrungsformen der Doppier-Radarvorrichtung sind in Blockschaltbildform in den Fig. 4 und 5 dargestellt.

Fig. 4 zeigt ein Trägerwellen-Doppler-Radargerät. Ein Sender 41 speist eine Antenne 42, die in den Umgebungsraum ausstrahlt. Eine Empfangsantenne 43 nimmt die einer Doppler-Verschiebung unterworfenen Echos von in der Nähe befindlichen Objekten, z. B. dem Lenkgeschoß W (Fig. 1), ab und liefert sie zu einem Mischer 44, der außerdem über einen Koppler 45 mit einem kleinen Anteil der Senderenergie beschickt wird. Ein Niederfrequenz-Bandpaßverstärker 46 zieht die Doppler-Frequenzkomponente f, aus. Insoweit ist die Anordnung von herkömmlicher Bauart. Normalerweise würde die Doppler-Frequenzkomponente unmittelbar einem Signalverarbeitungsgerät eingegeben werden, um die erforderliche Geschoßinformation zu extrahieren. Im vorliegenden Fall wird diese Komponente auf besonders zweckmäßige Weise zur Bodenstation zurückgemeldet, indem das Doppler-Verschiebungssignal f, zum Sender zurückgeführt wird, um letzteren einer Winkelmodulation zu unterwerfen. Bei der dargestellten Vorrichtung sei hierfür eine Frequenzmodulation vorausgesetzt.

Zu diesem Zweck kann der Sender einen Oszillator 47 aufweisen, der eine Leistung von bis zu einigen 10 mW bei einer Frequenz f im Mikrowellenbereich von z. B.

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1,5 GHz zu liefern vermag und bei dem eine Frequenzmodulation leicht möglich ist. Das Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal wird einem Modulator 48 eingegeben, der den Oszillator 47 moduliert. Diese Überlagerung der Senderfrequenz mit dem Doppler-Signal beeinflußt die vom Verstärker 46 abgenommene Doppler-Frequenz f, nicht wesentlich.

Wenn beispielsweise bei einer Vorrichtung der Art gemäß Fig. 4 f_Q 1,5 GHz beträgt und die höchste relative Geschoßgeschwindigkeit bei 1200 m/s liegt, so beträgt die größte Doppler-Verschiebung f 12 kHz. Eine Verbesserung des Signal/Rauschen-Verhältnisses an der Bodenstation wird dadurch erreicht, daß ein hoher Modulationsindex m der Frequenzmodulation des Oszillators 47 durch das Ausgangssignal des Verstärkers 46 angewandt wird, doch ist dieser Index gegen die zu beachtenden Bandbreitenbegrenzungen abzuwägen. Ein Wert von m = 3 ist zweckmäßig.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 4 ist zwar einfach und kostensparend aufgebaut, doch möglicherweise auch mit zwei Nachteilen behaftet. Da nämlich erstens die der Doppler-Verschiebung unterworfenen Echos bei f + f, nur wenig von der Sender-Ausgangsfrequenz f verschieden sind, erscheint Rauschen auf dem Sendersignal als niederfrequentes Signal vom Mischer 44, das innerhalb des Durchlaßbereichs des Verstärkers 46 liegt. Zum zweiten

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können starke Echo-Rücksignale von den offensichtlich sehr dicht an den Antennen befindlichen, schwingenden Teilen empfangen werden, wodurch Doppler-Verschiebungssignale erzeugt werden können, so daß Nebenresonanzen auftreten können.

Diese Nachteile können durch die Vorrichtung gemäß Fig. 5 gemildert werden, bei der es sich um eine Frequenzmodulation-Trägerwellenvorrichtung (FMCW) handelt. Bei dieser Ausführungsform ist ein Sender 51 ein Mikrowellenoszillator, der durch einen spannungsgesteuerten Oszillator 52 mit einer Nennfrequenz f. ständig frequenzmoduliert wird. Der Sender 51 speist eine kombinierte Sende/-Empfangsantenne 53 über einen Zirkulator 54, welcher die Antenne auch an einen ersten Mischer ankoppelt, um diesem die empfangenen Doppler-Verschiebungsechos zuzuleiten. Eine Kopplungsspule 56 liefert einen Anteil des Senderausgangssignals zum Mischer. (Diese Anordnung mit einer Antenne nebst eines Zirkulators kann auch bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 angewandt werden.)

Im Gegensatz zur Vorrichtung gemäß Fig. 4 ist jedoch dem Mischer 55 ein Bandpaßverstärker 57 nachgeschaltet, der auf die Frequenz f. des Oszillators 52 mittig eingestellt (centered) ist. Wie für FM-Trägerwellenradar-

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geräte bekannt, enthält der Mischerausgang nicht nur eine direkte Niederfrequenzkomponente auf der Doppler-Verschiebungsfrequenz f,, vielmehr werden auch Doppler-Verschiebungsseitenbänder auf Frequenzen ρ . f. (mit ρ = eine ganze Zahl), d. h. Seitenbänder ρ . f + f,, erhalten. Die Amplitude der einer vorgegebenen Frequenz ρ . f. zugeordneten Seitenbänder ist proportional zu J (X), wobei X eine Funktion, die von der Entfernung und der Modulationsfrequenz f. abhängt, und J eine Besseifunktion erster Art und Ordnung ρ bedeuten. Die einem beliebigen Wert von ρ zugeordneten Doppler-Signale können am Ausgang des Mischers 55 abgenommen werden. Bei der dargestellten Vorrichtung wird das Signal ρ = 1 abgenommen. Diese Technik ist an sich bekannt; eine nähere diesbezügliche Erläuterung findet sich bei Skolnik:

"Introduction to Radar Systems", S. 100 - 103.

Der Verstärker 57 ist damit bei f. mittig eingestellt, so daß er zwei Doppler-Verschiebungsseitenbänder mit einer Amplitude entsprechend J₁ (X) extrahiert bzw. abnimmt. Die Verwendung der Komponente J. bietet verschiedene Vorteile. Erstens: wenn f. ausreichend hoch gewählt wird, fällt niederfrequentes Rauschen auf dem Sendersignal nicht in den Durchlaßbereich des Verstärkers 57. Dies trifft für Komponenten höherer Ordnung sogar in verstärktem Maß zu. Zweitens: ebenso wie Kom-

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ponenten höherer (Größen-)Ordnung fällt der Wert von J₁ theoretisch im Nullbereich auf Null ab. Auf diese Weise werden Resonanzen von dicht an der Antenne befindlichen Teilen des Zielobjekts weitgehend verringert. Hierdurch werden die beiden Nachteile der Vorrichtung gemäß Fig. 4 gemildert bzw. vermieden. Im Vergleich zur Auswahl von Komponenten höherer Ordnung steigt die Amplitude der Komponente J 1 bei kurzen Entfernungen steiler an, so daß sie für den speziellen, erfindungsgemäßen Anwendungszweck der Messung der Fehlschußentfernung eines Lenkgeschosses günstig ist.

Zur Rückgewinnung der Doppler-Verschiebungsfrequenz f, wird das Ausgangssignal des Verstärkers 57 bei f. + fj an einen zweiten Mischer angelegt, dem auch ein Teil des Signals vom Spannungsgesteuerten Oszillator 52 mit der Frequenz f eingespeist wird. Die resultierende Ausgangskomponente des Mischers 58 mit der Frequenz f, wird durch ein niederfrequentes Bandpaßfilter 59 abgenommen, das einen Verstärker 60 speist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 60 wird über eine Torschaltung 61 zum Oszillator 52 als Modula tionssignal für diesen zurückgeführt. Die Torschaltung 61 wird durch eine an den Ausgang des Verstärkers 60 angeschlossene Schwellenwertschaltung 62 gesteuert, welche die Torschaltung 61 nur dann öffnet oder durch-

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schaltet, wenn vom Verstärker 60 ein ausreichend großes Signal geliefert wird. Wenn somit das Signal-Rauschen-Verhältnis zu niedrig ist, wird keine Information f, zur Bodenstelle übermittelt.

Der erhaltene Wert von f, ist derselbe wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1, weshalb das Filter 59 eine hohe Abschaltfrequenz von z. B. 12 kHz bei einer Höchstgeschwindigkeit von 1200 m/s besitzen sollte. Die untere Abschaltfrequenz ist zur Beseitigung von Trübung gewählt; sie beträgt typischerweise etwa 1 kHz. Die Betriebsfrequenz f des spannungsgesteuerten Oszillators beträgt zweckmäßig 500 kHz, wobei die Steuerung durch eine Diode mit variabler Kapazität erfolgt. Das Doppler-Verschiebungssignal im Bereich von 1-12 kHz ist so gewählt, daß eine maximale Abweichung der Oszillatorfrequenz f. von z. B. 40 - 50 kHz, d. h. ein Modulationsindex m im Bereich von 3-4, gewährleistet wird. Der Modulationsindex zwischen dem Oszillator 52 und dem Sender 51 beträgt zweckmäßig 1.

Bei beiden Ausführungsformen der bisher beschriebenen Doppler-Radar- und Fernmeßvorrichtung ist die Orientierung des Lenkgeschosses gegenüber dem Zielobjekt offensichtlich unbekannt. Aus diesem Grund sollte die Antenne ein möglichst allseitig gerichtetes Ausstrahlungsschema besitzen. Eine solche Antenne besitzt daher notwendiger-

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weise einen Gewinn von nicht mehr als 1. Die Echosignalstärke ist eine Funktion der vierten Potenz der Entfernung R und des Radarquerschnitts des Lankgeschosses. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß eine Entfernung von bis zu 50 m bei einem Geschoß mit einem Radarquer-

schnitt von 0,1 m mit einer Senderleistung von z. B. 50 mW erreichbar ist.

Die Bodenstation umfaßt einen Empfänger zur Aufnahme des Fernmeßsignals (telemetry) und zur Wiedergewinnung des Doppler-Verschiebungsfrequenzsignals f, sowie eine Signalverarbeitungseinheit zur Ableitung der Fehlschußentfernung aus der Änderung der Doppler-Verschiebungsfrequenz in Abhängigkeit von der Zeit.

Fig. 6 veranschaulicht eine solche Anlage in Blockschaltbildform, wobei der Empfänger 70 eine geeignete Kostruktion für die Demodulation der verschlüsselten FM-Trägerwellenfernmeßsignale von der Vorrichtung gemäß Fig. 5 und zur Lieferung der demodulierten Doppler-Verschiebungssignale f, zu einer in Verbindung mit Fig. 7 noch näher zu erläuternden Signalverarbeitungseinheit 90 besitzt.

Im Empfänger werden die Signale von einer Antenne 71 empfangen, die Richteigenschaften besitzen kann und einen Gewinn zur Gewährleistung eines besseren Signal-Rauschen-Verhältnisses über die Ziel-Bodenstrecke bietet.

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- Vi -

Die Antenne speist einen Hochfrequenz-Verstärker 72 mit einer so großen Bandbreite, daß er nicht nur das Spektrum des verschlüsselten FM-Trägerwellensignals zu behandeln vermag, sondern auch eine Frequenzverschiebung im Sender berücksichtigt. Das Signal vom Verstärker 72 wird einem Mischer 73 eingegeben, der mit dem Ausgangssignal eines Empfangs- bzw.Überlagerungsoszillators 74 gespeist wird, um ein Zwischenfrequenzsignal mit einer zweckmäßigen Frequenz von z. B. 30 MHz zu liefern, das einen Zwischenfrequenz-Verstärker 75 und einen Begrenzer 76 durchläuft, welche denselben Bandbreitenanforderungen genügen müssen wie die Hochfrequenzstufe. Das begrenzte Signal wird dann an einen auf der Zwischenfrequenz arbeitenden ersten FM/AM-Wandler oder -Diskriminator 77 angelegt, um das Doppler-modulierte Signal f. von 500 kHz beim speziellen Ausführungsbeispiel wiederzugewinnen.

Das Doppler-modulierte Signal f. durchläuft ein Bandpaßfilter 78 mit der Frequenz f. sowie einen Verstärker 79 und gelangt über einen Begrenzer 80 in einen zweiten FM/AM-Wandler oder -Diskriminator 81. Vom Wandler 81, der auf der Frequenz f arbeitet, wird die Doppler-Verschiebungsfrequenz f, geliefert. Das Signal f, wird durch ein Doppler-Filter 82 gefiltert, das beim speziellen Anwendungsfall einen Durchlaßbereich von z. B.

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1-11 kHz besitzt. Das Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal f, ist nunmehr für die anschließende Verarbeitung in einer Signalverarbeitungseinheit 90 zur Gewinnung der Fehlschußentfernungs-Information verfügbar.

Bei beiden FM/AM-Wandlern 77 und 81 kann Nutzen aus den Eigenarten der Frequenzmodulation zur Verbesserung des Signal-Rauschen-Verhältnisses um einen Faktor entsprechend

3m (m + 1) gezogen werden, worin m den erwähnten, geeigneten Modulationsindex bedeutet und dem Verhältnis der maximalen Abweichung zur Modulationsfrequenz entspricht. Wenn, wie im Fall des FM-Trägerwellenradargeräts gemäß Fig. 5 zwei Uberlagerungsfrequenzmodulationen festgestellt oder gemessen werden, variiert die Ver-

2 2
besserung entsprechend 9 m..m₂ (m.. + 1) (m +1), worin sich m.. auf die Modulation der Senderfrequenz f durch die Frequenz f des spannungsgesteuerten Oszillators und m„ auf die Modulation von f. durch die Doppler-Verschiebungsfrequenz f, bezieht. Im Fall der speziellen, beispielhaft angegebenen Daten betragen m₁ = 1 und m„ = 3. Der Gewinn im Signal-Rauschen-Verhältnis beträgt etwa 28 dB.

Ersichtlicherweise ist eine Wiedergewinnung des Doppler-Verschiebungssignals vom einfacheren Doppler-modulierten Trägerwellenradargerät gemäß Fig. 4 ohne weiteres mit einer Vereinfachung des Empfängers gemäß Fig. 6 unter Weglassung der Stufen 78 bis 81 möglich. Dem ersten FM/AM-Wandler 77 sind dabei das Doppler-Filter

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82 und ein Verstärker unmittelbar nachgeschaltet.

Die Verarbeitung der Doppler-Frequenzsignale zur Ableitung der Fehlschußentfernung kann auf verschiedenartige Weise erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, die Signale so zu verarbeiten, daß sie in Form der normalisierten Kurven gemäß Fig. 3 dargestellt werden, welche durch den Operator auf die die Standard-Fehlschußstrecken darstellenden Kurven abgestimmt werden, um die beste Abschätzung der Fehlschußentfernung zu erhalten.

Zur schnelleren und genaueren Anzeige der Fehlschußentfernung können an den Eingangsdaten Berechnungen mittels eines elektronischen Rechners durchgeführt werden. Derartige Berechnungen können auf verschiedene Weise erfolgen, doch wird derzeit bevorzugt ein Verfahren angewandt, bei dem Berechnungen zur Bestimmung des Fehlschußabstands unter günstigster Anpassung der Eingangsdaten an eine bekannte Kurve oder Kennlinie durchgeführt werden. Dieses Kurvenanpaß- oder -entsprechungsverfahren ist im folgenden anhand von Fig. 7 beschrieben.

Die erwähnte Gleichung (2) kann wie folgt umgeschrieben Werden:

4 V⁴ 1 - M²

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- JA -

2 2

Die Beziehung zwischen 1/t und 1/f_d ist geradlinig

4 2 2
mit einem Gradienten 4V /M /( und einem Schnittpunkt

2 2
bei V /M . Die Daten vom Bodenempfänger ergeben f, als Funktion der Zeit (t); M kann dabei auf der Basis der geraden Kurve der Form gemäß Gleichung (2a) berechnet werden, welche den Eingangsdaten am besten entspricht. In Gleichung (2a) ist jedoch t die Zeit ab dem Punkt größter Annäherung (P gemäß Fig. 1). Folglich muß in der Praxis zunächst eine Schätzung von t am Punkt P vorgenommen werden, um einen Zeitursprung für die Berechnung zu liefern, und die optimale gerade Linie wird anhand der verfügbaren Werte von t und f, bestimmt. Zusätzlich wird eine Fehlerfunktion bestimmt, um eine Abschätzung darüber zu ermöglichen, wie gut die erzielbare Anpassung oder Entsprechung der geraden Linie ist. Sodann wird ein korrigierter Wert von t zur Durchführung einer weiteren Fehlerabschätzung benutzt, und das Verfahren wird wiederholt, um den Wert t zu bestimmen, welcher die kleinste Größe der Fehlerfunktion besitzt. Nach der Festlegung von t wird dieser Wert zur Berechnung der Fehlschußentfernung und erforderlichenfalls der Geschwindigkeit V herangezogen.

Die erwähnten Berechnungen werden mit Hilfe eines elektronischen Rechners durchgeführt. Die Aufstellung der nötigen Programme ist dem Fachmann auf dem Rechnergebiet ohne weiteres möglich und braucht daher an dieser

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Stelle nicht näher behandelt zu werden. Fig. 7 veranschaulicht in Blockschaltbildform die Art der Handhabung und Speicherung der Daten, um dem Rechner die Durchführung der nötigen Berechnungen mit diesen Daten zu ermöglichen. Die Signalverarbeitungseinheit 90 empfängt das Doppler-Signal f, vom Bodenempfänger, und dieses Signal wird einem Frequenzdiskriminator 91 sowie einem Periodenkodierer 92 zugeführt, der auf den Nulldurchgang der Zyklen oder Perioden des Doppler-Verschiebungssignals f, anspricht und mit Hilfe eines Taktgebers 93 die Dauer der aufeinanderfolgenden Doppler-Perioden in Digitalform verschlüsselt. Diese in Digitalform gebrachten, aufeinanderfolgenden Doppler-Perioden werden über eine Zwischenflächeneinheit 94 in eine Datenspeichervorrichtung 95 eingegeben.

Der Frequenzdiskriminator 91 liefert eine Ausgangsspannung entsprechend den Kurven gemäß Fig. 2 mit einem Spannungsminimum zu dem Zeitpunkt, an welchem f, am Punkt P der größten Annäherung auf Null abfällt. Eine Detektoreinheit 96 greift diese Spannung ab, stellt den Mindestwert fest und liefert mit Hilfe der Taktimpulse eine erste Abschätzung von t an einen Rechner 97. Letzterer besitzt über die Zwischenflächeneinheit 94 einen Zugriff zu den in der Speichervorrichtung 95 enthaltenen Doppler-Periodendauerdaten, und anhand dieser Information führt der Rechner die beschriebenen Berechnungen zur besten Anpassung durch, durch welche

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die günstigste Anpassung oder Entsprechung der Eingangsdaten bezüglich der geradlinigen Kurve abgeleitet und die Fehlschußentfernung M erhalten wird. Der endgültige, berechnete Wert der Fehlschußentfernung M wird dann an einem geeigneten Anzeigegerät 98 wiedergegeben.

Um den Rechner 97 mit den zutreffendsten Daten bezüglich der Doppler-Perioden zu versorgen und die erforderliche Speicherkapazität der Vorrichtung 95 zu verringern, erfüllt die Detektoreinheit 96 auch die zusätzliche Aufgabe der Steuerung oder Regelung der von den in Digitalform gebrachten, in der Speichervorrichtung 95 gespeicherten Perioden umfaßten Gesamtperiode, um dadurch die für die Berechnung von M günstigsten Perioden auszuwählen. Diese Periode wird auf t mittig

eingestellt. Unter der Steuerung des Rechners werden die Periodendauerdaten ständig durch die Speichervorrichtung 95 verschoben, bis die Detektoreinheit 96 das Minimum der Ausgangsspannung des Frequenzdiskriminators 91 feststellt. Der Rechner läßt daraufhin über den Minimumpunkt (t ) hinaus nur noch die Speicherung weiterer Daten entsprechend der halben Speicherkapazität der Speichervorrichtung 95 zu. Eine weitere Dateneingabe wird verhindert, so daß die Speichervorrichtung 95 Daten speichert, die gleich große Zeitspannen zu beiden Seiten des Punktes t umfassen und welche

die günstigsten oder zutreffendsten Daten für die

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durchzuführenden Berechnungen darstellen.

Das Kurvenanpassungsverfahren bietet zwei bestimmte Vorteile: Zum ersten ist es nicht erforderlich, einen ununterbrochenen Datensatz zur Verfügung zu haben, solange die Lücke bemerkt wird, so daß die Zeitinformation korrekt ist. Lücken in den Daten werden vernachlässigt, und eine bestmögliche Anpassung wird anhand der brauchbaren Information vorgenommen. Der zweite Vorteil besteht darin, daß mit der Kurvenanpassung ein Mittelwert aus allen vorhandenen Daten bestimmt wird, weshalb dieses Vorgehen für lokale Verzerrungen aufgrund von Querschnittseffekten usw. nicht besonders anfällig ist.

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Claims

Patentansprüche

j Vorrichtung (System) zur Messung der größten Annäherung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Objekten, gekennzeichnet durch ein von einem ersten Objekt getragenes Doppler-Radargerät zur Lieferung eines Signals, das aus den Echos eines zweiten, sich relativ zum ersten Objekt bewegenden Objekts abgeleitete Doppler-Verschiebungsfrequenzdaten trägt, und durch eine auf die dem Signal überlagerten Doppler-Verschiebungsdaten ansprechende Signalverarbeitungsvorrichtung, um aus diesen Daten die Größe der Entfernung der größten bzw. engsten Annäherung zwischen erstem und zweitem Objekt abzuleiten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppler-Radargerät eine Einrichtung zum Modulieren der Doppler-Verschiebungsfrequenzdaten auf einem vom Radargerät emittierten Träger aufweist und daß eine Empfängeranlage zum Empfangen des modulierten Trägers und zur Gewinnung eines Doppler-Verschiebungsfrequenzsignals daraus für die Eingabe in die Signalverarbeitungsvorrichtung vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppler-Radargerät eine Einrichtung zur

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Winkelmodulation des Hochfrequenz-Trägerausgangs dieses Geräts aufweist, daß die Moduliereinrichtung auf ein von den empfangenen Signalen abgeleitetes Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal anspricht, um den Trägerausgang in Übereinstimmung damit zu modulieren, und daß eine Empfangsanlage zum Empfangen des winkelmodulierten Trägers vom Doppler-Radargerät mit einer Einrichtung zur Wiedergewinnung des Doppler-Verschiebungsfrequenzsignals zur oder für die Signalverarbeitungsvorrichtung vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppler-Radargerät vom Frequenzmodulation-Trägerwellentyp ist und einen Hochfrequenzoszillator zur Bestimmung der Nenn-Trägerfrequenz des Geräts und einen spannungsgesteuerten Oszillator für die Frequenzmodulation des Hochfrequenzoszillators aufweist, und daß die Moduliereinrichtung das Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal zum Modulieren des spannungsgesteuerten Oszillators verwendet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger das Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal aus einer Seitenbandkomponente des empfangenen Trägers wiedergewinnt bzw. abgreift, die von der Nenn-Trägerfrequenz um eine Frequenz ρ . f. versetzt ist, wobei ρ eine ganze Zahl (außer Null, und

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vorzugsweise "1") und f, die Nennfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators bedeuten.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsvorrichtung eine Einrichtung zur Lieferung von die Dauer der aufeinanderfolgenden Doppler-Perioden angebenden Datensignalen, eine Einrichtung zur Speicherung der Datensignale und einen Rechner aufweist, der anhand der gespeicherten Datensignale die Größe der Entfernung größter Annäherung zu berechnen vermag.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner eine Kurve oder Kennlinie gemäß Gleichung (2a) abzuleiten oder einzustellen vermag, welche den gespeicherten Doppler-Periodendaten angepaßt ist, und die Größe der Entfernung (M) größter Annäherung aus der so abgeleiteten Kurve berechnet.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsvorrichtung eine Einrichtung aufweist, die aus den Doppler-Verschiebungsdaten ein die geschätzte Zeit der kleinsten Doppler-Verschiebung darstellendes Signal ableitet und das Schätzzeitsignal dem Rechner zur Verwendung bei der Ableitung der Anpaßkurve eingibt.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenspeichereinrichtung die die Dauer der aufeinanderfolgenden Doppler-Perioden darstellenden Signale durchzuschalten vermag, daß die das Schätzzeitsignal ableitende Einrichtung zum Zeitpunkt der kleinsten Doppler-Verschiebung der Datenspeichereinrichtung ein Signal liefert und daß die Datenspeichereinrichtung auf das zuletzt genannte Signal hin anschließend Daten bezüglich weiterer Doppler-Perioden aufnimmt, welche die Hälfte des verfügbaren Datenspeicherraums einnehmen, so daß sich die schließlich gespeicherten Daten auf eine praktisch in der Mitte der Zeit der kleinsten Doppler-Verschiebung liegende Periode beziehen.
10. Vorrichtung zur Gewinnung eines Werts bzw. einer Größe für die Entfernung größter Annäherung zwischen zwei Objekten aus einem die Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Objekten wiedergebenden Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal, gekennzeichnet durch einen auf das Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal ansprechenden Frequenzdiskriminator zur Lieferung eines Signals zum Zeitpunkt der kleinsten Doppler-Verschiebung, durch eine auf das Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal ansprechende Einrichtung zur Lieferung von die jeweilige Dauer der aufeinanderfolgenden Doppler-Perioden angebenden Digitalsignalen, durch eine Datenspeichervorrichtung

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zur Speicherung der Digitalsignale, welche in Abhängigkeit von der Erzeugung des der kleinsten Verschiebung entsprechenden Signals anschließend Digitalsignale aufnimmt, die nur die halbe Speicherkapazität der Datenspeichereinrichtung belegen, und damit Daten bezüglich der Doppler-Perioden speichert, welche sich über eine in der Mitte der Zeitspanne der Erzeugung des Signals für kleinste Verschiebung liegende Periode erstrecken, durch eine auf das Signal für kleinste Verschiebung ansprechende Einrichtung zur Lieferung eines Signals zur Angabe des Zeitpunkts, zu welchem dieses Signal auftritt, und durch einen an die Datenspeichervorrichtung angeschlossenen, auf das Signal für kleinste Verschiebung ansprechenden (elektronischen) Rechner, der anhand der gespeicherten Doppler-Daten die Entfernung größter Annäherung berechnet und der einen Kurvenanpaßvorgang durchzfuhren vermag, um eine den gespeicherten Daten angepaßte bzw. damit übereinstimmende Kurve gemäß Gleichung (2a) zu erarbeiten.
11. Doppler-Radargerät, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb das herausgegriffene Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal zur Winkelmodulation des Trägerausgangs des Radargeräts herangezogen wird.
12. Radargerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es vom Frequenzmodulation-Trägerwellentyp ist und

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einen die Nenn-Träger(wellen)frequenz bestimmenden Hochfrequenzoszillator sowie einen spannungsgesteuerten Oszillator zur Frequenzmodulation des Hochfrequenzoszillators aufweist und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, durch welche das Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal zum Modulieren des spannungsgesteuerten Oszillators an diesen anlegbar ist.
13. Vorrichtung zur Messung der Entfernung größter Annäherung eines sich relativ zu einem anderen Objekt bewegenden Objekts, gekennzeichnet durch ein vom einen Objekt getragenes Doppler-Radargerät nach Anspruch 11 oder 12 zur Lieferung eines Trägerausgangs, der einer Winkelmodulation durch das Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal unterworfen worden ist, welches aus den von einem anderen, sich relativ zum erstgenannten Objekt bewegenden Objekt empfangenen Echos abgeleitet wird, durch einen Empfänger zum Empfangen des Trägersignals vom Doppler-Radargerät und zur Wiedergewinnung bzw. zum Herausgreifen des Doppler-Verschiebungsfrequenzsignals aus diesem Trägersignal und durch eine auf das wiedergewonnene Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal ansprechende Einrichtung, um aus diesem Signal die Entfernung größter bzw. engster Annäherung des zweiten Objekts an das erstgenannte Objekt abzuleiten.

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