DE2735923C2

DE2735923C2 -

Info

Publication number: DE2735923C2
Application number: DE19772735923
Authority: DE
Inventors: Thomas George Swanage Dorset Gb Thorne; Louise Ireland Forgandenny Perth Schottland Gb Ruffe
Original assignee: MICROWAVE AND ELECTRONIC SYSTEMS Ltd NEWBRIDGE MIDLOTHIAN GB
Current assignee: MICROWAVE AND ELECTRONIC SYSTEMS Ltd NEWBRIDGE MIDLOTHIAN GB
Priority date: 1977-08-10
Filing date: 1977-08-10
Publication date: 1989-07-27
Also published as: FR2399034B1; DE2735923A1; FR2399034A1; SE431253B; SE7612429L

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Messung des Minimalabstandes M von zwei sich relativ zueinander bewegenden Objekten, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung ist dabei speziell auf die Waffenerprobung anwendbar, bei der die Entfernung gemessen werden soll, um welche ein Lenkgeschoß o. dgl. ein Ziel verfehlt.

Bei der Waffenerprobung ist es schwierig und aufwendig, sowohl Lenkgeschoß als auch Ziel vom Boden aus genau zu verfolgen, um den Minimalabstand zwischen den beiden Objekten zu messen. Dabei ist es vorteilhaft, die Meßdaten vom Ziel aus zu gewinnen. Da jedoch das Ziel gelegentlich zerstört wird, sollte die Vorrichtung relativ preisgünstig herzustellen 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. Dieser Grundgedanke wird bei einer bekannten Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 eingesetzt, die in der US-PS 33 44 422 beschrieben ist.

Bei dieser bekannten Einrichtung wird mit einer gemessenen Doppler-Verschiebefrequenz gearbeitet. Die gemessenen Frequenzen werden telemetrisch auf eine Bodenstation übertragen. Dabei ist es erforderlich, möglichst ununterbrochene Datensätze zur Verfügung zu haben. Da jedoch im Bereich des Minimalabstandes M eine Unstetigkeit der Dopplerfrequenz in Abhängigkeit von der Entfernung auftritt, kann die Messung nur sehr ungenau ausgeführt werden.

Gegenüber dem Stand der Technik stellt sich demnach die Aufgabe, eine Einrichtung der genannten Art zu schaffen, welche eine verbesserte Zuverlässigkeit und eine hohe Genauigkeit auch bei lückenhaft gewonnenen Doppler-Verschiebungsfrequenzen in Abhängigkeit von der Entfernung verbindet und deren von dem einen der Objekte getragene Einrichtungsteil möglichst einfach und kostengünstig sein soll.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung, deren Auswerteeinheit folgende Elemente aufweist:

- Mittel zur Erzeugung von Datenwerten der empfangenen Dopplerfrequenzen f _d (t) als Funktion der Zeit t aus der Messung der zeitlichen Länge t _n aufeinanderfolgender Dopplerperioden nach der Gleichung f _d = 1/t _n,
- einen Datenspeicher zur Speicherung der Datenwerte und
- einen Rechner zur Berechnung einer Geraden Y = m · x + b,welche in optimaler Weise an die gespeicherten, in der Form y = 1/t ² und x = 1/f ²_d einander zugeordneten Datenwerte angepaßt ist und aus den hierdurch festgelegten Werten für die Steigung m und den y-Achsenabschnitt b über die Beziehungenm = 4 · V ⁴/(M ² · λ²) und b = -V ²/M ²den Minimalabstand M der beiden Objekte berechnet, wobei bedeuten:t = Zeit bis zum bzw. nach Auftreten des Minimalabstandes M
V = Geschwindigkeit des einen Objektes im Bezugssystem des anderen Objektes
λ = Wellenlänge des vom Radargerätes ausgesendeten Radarsignals.

Die weiterhin aufgeführten Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes des Anspruches 1 an, weil beim Anmeldungsgegenstand auch besonders kleine Dopplerfrequenzen, die zwangsläufig stark durch Rauschen gestört sind, erfaßt werden müssen. Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Seitenbandtechniken wird das Signal-/Rauschverhältnis und damit auch die Genauigkeit der Bestimmung des Minimalabstandes verbessert.

Obgleich die Erfindung im Hinblick auf Messungen der Fehlschußentfernung eines gegen ein Ziel abgefeuerten Lenkgeschosses entwickelt worden ist, ist der Grundgedanke der Erfindung auch auf die Messung der Minimalentfernung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Objekten anwendbar. Es ist dabei nicht notwendig, daß sich die beiden Objekte bewegen oder daß die Bewegung in drei Dimensionen stattfindet. Beispielsweise ist die Entfernung auch auf die Messung der Minimalentfernung zwischen zwei Objekten am Boden anwendbar, d. h. auf ein zweidimensionales Geschehnis.

Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

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-Verschiebefrequenz bei Fehlschußentfernungen M und verschiedenen Lenkgeschoß-Geschwindigkeiten V,

Fig. 3 eine normierte Darstellung der Kennlinien gemäß Fig. 2,

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

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

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Empfangseinrichtung am Boden zur Verwendung beim Doppler-Radargerät gemäß Fig. 5 und

Fig. 7 ein detailliertes Blockschaltbild einer Auswerteeinheit gemäß Fig. 6.

In Fig. 1 sind ein Zielflugkörper T und seine Bewegungseinrichtung entsprechend Pfeilrichtung angegeben. Ein Lenkgeschoß W wird gegen das Ziel T abgefeuert. Das Geschoß liegt in Richtung H, doch ist seine Bahn relativ zum Ziel durch die dick ausgezogene Linie Tr bezeichnet.

Das Ziel sei als stillstehend bzw. ortsfest betrachtet, und eine Vektorbetrachtung wird auf die Geschoßgeschwindigkeit gegenüber Grund bezogen, um die Bahn des Geschosses relativ zum Ziel zu ermitteln. Bei Fig. 1 ist eine dreidimensionale Darstellung mit den Bezugskoordinaten x, y und z gewählt. Zur Ableitung der nachstehend angegebenen mathematischen Gleichung braucht jedoch nur ein zweidimensionaler Fall, bei dem die Geschoßflugbahn Tr und das Ziel T in einer Ebene liegen, betrachtet zu werden.

Auf jedem Punkt längs der Bahn Tr ist die augenblickliche Entfernung des Ziels vom Lenkgeschoß, das die Geschwindigkeit V besitzt, gleich R. Die Relativgeschwindigkeit Vr des Geschosses zum Ziel ist längs der Linie R gegen das Ziel gerichtet. Am Punkt P ist der Minimalabstand M erreicht, wobei die Linie P-T senkrecht zur Bahn Tr liegt. An diesem Punkt reduziert sich damit die Relativgeschwindigkeit Vr des Geschosses gegen das Ziel zu Null. Bei Entfernung des Geschosses längs der Bahn Tr vergrößert sich die Geschwindigkeitskomponente Vr in Zielrichtung mit zunehmenden Abstand vom Punkt P.

Es sei angenommen, daß das Ziel T ein Doppler-Radargerät trägt, das Echos vom Lenkgeschoß W empfängt. Es ändern sich die Frequenzen des Echos relativ zum ausgestrahlten Signal um eine Doppler-Verschiebungsfrequenz f _d gemäß der Gleichung (1):

wobei bedeuten:

f _o: Radar-Sendefrequenz
λ: Radar-Wellenlänge
c: Lichtgeschwindigkeit im freien Raum.

f _d ist damit ein Maß von Vr, und diese Größe reduziert sich am Punkt P größter Annäherung zu Null. Durch Aufzeichnung oder Abgriff der Frequenz f _d bei der Bewegung des Geschosses auf der Bahn Tr kann der Zeitpunkt bestimmt werden, an dem das Geschoß den Punkt P erreicht. Die tatsächliche Minimalentfernung M an diesem Punkt kann dann anhand der Form der Kurve von f _d in Abhängigkeit von der Zeit t ermittelt werden.

Jede Geschwindigkeit V besitzt für verschiedene Minimalabstände M einen eindeutigen oder speziellen Satz von Kurven von f _d 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 Kurvensatzes beseitigt werden, d. h. normalisiert werden. Dies geschieht auf die nachstehend anhand der Fig. 2 und 3 beschriebene Weise.

Die augenblickliche Doppler-Frequenz f _d gemäß Gleichung (1) kann auf der Grundlage der Geometrie nach Fig. 1 durch die Gleichung (2) ausgedrückt werden:

wobei die Zeit t vom Punkt P größter Annäherung gemessen wird. Der erste Teil dieser Gleichung, d. h. 2V/ λ, bedeutet die größte Doppler-Verschiebung, die bei der Geschwindigkeit V erreicht werden kann. Diesen Wert erreicht f _d in einer großen Entfernung vom Zielobjekt, wobei R ≈ V · t <M gilt, so daß Vr-<V. Näherungsweise wird zugrundegelegt, daß eine ausreichende Genauigkeit dann erreicht wird, wenn R <3M ist und in diesem Fall wird angenommen f _d=f _m.

Die beiden ausgezogenen Kurven 21 und 22 gemäß Fig. 2 zeigen die Änderungen der Frequenz f _d mit der Zeit t entsprechend Gleichung (2) für Minimalabstände M = 1 m bzw. M = 5 und für eine Geschoßgeschwindigkeit V von 400 m/s. Die angegebenen Werte der Frequenz f _d sind bei einer Arbeitsfrequenz von 1,5 GHz (λ = 200 mm) erzielt worden. Es ist zu beachten, daß sich bei abnehmendem Minimalabstand die Steilheit der Kurve erhöht, d. h. einen plötzlicheren Übergang auf f _d = 0 bei t = 0 ergibt. Die beiden gestrichelt eingezeichneten Kurven 23 und 24 sind für Minimalabstände von 1 m bzw. 5 m, jedoch bei halber Gschoßgeschwindigkeit, d. h. V = 200 m/s, berechnet. Die Kurven sind flacher (niedrigere Werte von f _m), und der zeitliche Übergang ist aufgrund der niedrigeren Geschwindigkeit weniger abrupt.

Unter Anwendung der Gleichung (2) können die Kurven gemäß Fig. 2 einer Normierung unterworfen und dann auf die in Fig. 3 dargestellte Weise wiedergegeben werden, in welcher die Ordinate nunmehr das Verhältnis f _d/f _m angibt und auf der Abszisse eine normierte Zeitveränderliche t · f _m aufgetragen ist. Die Kurven 21 und 23 werden daher gemäß Fig. 3 zu einer einzigen Kurve 31, während die Kurven 22 und 24 zu einer einzigen Kurve 32 werden. Mit dem in Fig. 3 graphisch veranschaulichten Normierungsverfahren wird für eine vorgegebene Minimalentfernung M jedoch eine eindeutige, geschwindigkeitsunabhängige Kurve erhalten.

Eine andere Betrachtungsweise des Normierungsverfahrens 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, λ/2, ändert. R ist dabei einfach auf die Strecke oder Entfernung d längs der Bahn vom Punkt der größten Annäherung P gemäß Gleichung (4) bezogen:

R² = M ² + d ² (4)

Bei einer Folge von Werten für R, bei denen eine Änderung von n · λ/2 erfolgt, d. h. eine ganze Zahl n von Doppler-Perioden vom Punkt P, ist daher ein entsprechender 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 bestimmten sich die Entfernungen oder Strecken R _n, bei denen Doppler-Perioden abgeschlossen sind, durch die Gleichung (5):

R _n = M + n · λ/2 (5)

worin n die Zahl der Doppler-Perioden ab minimalem Entfernungspunkt P bedeutet. Anhand von Gleichung (4) bestimmen sich die entsprechenden Abstände d _n auf der (Flug-)Bahn Tr durch die Gleichung

d _n = (M + n · λ/2)² - M ²]^1/2 (6)

Die Periode t _n der n-ten Doppler-Periode bestimmt sich daher durch

t _n = (d _n-d _n-1)/V (7)

Die Zeitspannen der aufeinanderfolgenden Doppler-Perioden sind aus dem Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal ableitbar. An späterer Stelle ist anhand von Fig. 7 eine Signalverarbeitungseinheit beschrieben, welche die aufeinanderfolgenden Größen t _n mißt und mit Hilfe eines Rechners nicht nur den Wert bzw. die Größe von M entsprechend der zeitabhängigen Änderung von t _n liefert, sondern auch die Geschwindigkeit V ableitet.

Es ist auch zu beachten, daß die Differentiation beider Seiten von Gleichungen (4) nach der Zeit folgendes liefert:

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

Um auf das zur Bildung der Kurven von Fig. 3 angewandte Normierungsverfahren zurückzukommen: Der einzige am Boden benötigte Parameter ist die augenblickliche Größe von f _d, wobei f _m ein spezieller Wert von f _d ist. Im Zielobjekt brauchen keine anderen Messungen oder etwaigen Berechnungen durchgeführt zu werden. Das Zielobjekt braucht lediglich ein Doppler-Radargerät zur Ableitung von f _d und eine Einrichtung zur Rückmeldung der Größe f _d zu einer Bodenstation aufzuweisen. Für diesen Zweck geeignete Ausführungsformen der Doppler-Radarvorrichtung sind in Blockschaltbildform in den Fig. 4 und 5 dargestellt.

Fig. 4 zeigt ein Dauerstrich-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 _d 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 _d 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 _o im Mikrowellenbereich von z. B. 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 modulieret. Diese Überlagerung der Senderfrequenz mit dem Doppler-Signal beeinflußt die vom Verstärker 46 abgenommene Doppler-Frequenz f _d nicht wesentlich.

Wenn beispielsweise bei einer Vorrichtung der Art gemäß Fig. 4 f _o=1,5 GHz beträgt und die höchste relative Geschoßgeschwindigkeit bei 1200 m/s liegt so. So beträgt die größte Doppler-Verschiebung f _m 12 kHz. Eine Verbesserung des Signal/Rausch-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 _o = f _d nur wenig von der Sender-Ausgangsfrequenz f _o verschieden sind, erscheint Rauschen auf dem Sendersignal als niederfrequentes Signal vom Mischer 44, das innerhalb des Durchlaßbereichs des Verstärkers 46 liegt. Zum zweiten 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 Frequenzmodulations-Dauerstrich-Radar (FMCW) handelt. Bei dieser Ausführungsform ist ein Sender 51 ein Mikrowellenoszillator, der durch einen spannungsgesteuerten Oszillator 52 mit einer Nennfrequenz f _t ständig frequenzmoduliert wird. Der Sender 51 speist eine kombinierte Sende/-Empfangsantenne 53 über einen Zirkulator 54, welcher die Antenne auch an einen ersten Mischer 55 ankoppelt, um diesem die empfangenen Doppler-Verschiebungsechos zuzuleiten. Eine Kopplungsspule 56 liefert einen Anteil des Senderausgangssignals zum Mischer. (Diese Anordnung mit einer einzigen Antenne und 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 _t des Oszillators 52 mittig eingestellt (centered) ist. Wie für FM-Trägerwellenradargeräte bekannt, enthält der Mischerausgang nicht nur eine direkte Niederfrequenzkomponente auf der Doppler-Verschiebungsfrequenz f _d, vielmehr werden auch Doppler-Verschiebungsseitenbänder aus Frequenzen p · f _t (mit p = eine ganze Zahl), d. h. Seitenbänder p · f _t ±f _d, erhalten. Die Amplitude der einer vorgegebenen Frequenz p · f _t zugeordneten Seitenbänder ist proportional zu J _p (X), wobei X eine Funktion, die von der Entfernung und der Modulationsfrequenz f _t abhängt, und J _p eine Besselfunktion erster Art und Ordnung p bedeuten. Die einem beliebigen Wert von p zugeordneten Doppler-Signale können am Ausgang des Mischers 55 abgenommen werden. Bei der dargestellten Vorrichtung wird das Signal p = 1 abgenommen. Diese Technik ist an sich bekannt; eine nähere diesbezügliche Erläuterung findet sich im Buch von Skolnik: "Introduction to Radar Systems", S. 100-103.

Der Verstärker 57 ist damit bei f _t mittig eingestellt, so daß er zwei Doppler-Verschiebungsseitenbänder mit einer Amplitude entsprechend J₁ (X) extrahiert bzw. abnimmt. Die Verwendung der Komponente J₁ bietet verschiedene Vorteile: Erstens: Wenn f _t ausreichend hoch gewählt wird, fällt niederfrequentes Rauschen auf dem Sendersignal nicht in den Durchlaßbereich des Verstärkers 57. Dies trifft für Komponenten höherer Ordnung sogar im verstärktem Maß zu. Zweitens: Ebenso wie Komponenten 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 J₁ 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 _d wird das Ausgangssignal des Verstärkers 57 bei f _t ±f _d an einen zweiten Mischer angelegt, dem auch ein Teil des Signals vom spannungsgesteuerten Oszillator 52 mit der Frequenz f _t eingespeist wird. Die resultierende Ausgangskomponente des Mischers 58 mit der Frequenz f _d 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 Modulationssignal 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 durchschaltet, wenn vom Verstärker 60 ein ausreichend großes Signal geliefert wird. Wenn somit das Signal-Rauschen-Verhältnis zu niedrig ist, wird keine Information f _d zur Bodenstelle übermittelt.

Der erhaltene Wert von f _d 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 _t 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 _t 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 notwendigerweise einen Gewinn von nicht mehr als 1. Die Echosignalstärke ist eine Funktion der vierten Potenz der Entfernung R und des Radarquerschnitts des Lenkgeschosses. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß eine Entfernung von bis zu 50 m bei einem Geschoß mit einem Radarquerschnitt von 0,1 m² mit einer Senderleistung von z. B. 50 mW erreichbar ist.

Die Bodenstation umfaßt einen Empfänger zur Aufnahme des Fernmeßsignals und zur Wiedergewinnung des Doppler-Verschiebungsfrequenzsignals f _d 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 Konstruktion für die Demodulation der verschlüsselten FM-Trägerwellenfernmeßsignale von der Vorrichtung gemäß Fig. 5 und zur Lieferung der demodulierten Doppler-Verschiebungssignale f _d 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.

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 einem 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 _t von 500 kHz beim speziellen Ausführungsbeispiel wiederzugewinnen.

Das Doppler-modulierte Signal f _t durchläuft ein Bandpaßfilter 78 mit der Frequenz f _t 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 _t arbeitet, wird die Doppler-Verschiebungsfrequenz f _d geliefert. Das Signal f _d wird durch ein Doppler-Filter 82 gefiltert, das beim speziellen Anwendungsfall einen Durchlaßbereich von z. B. 1-11 kHz besitzt. Das Doppler-Verschiebungsfrequenzsignal f _d 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 3 m² (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 Überlagerungsfrequenzmodulationen festgestellt oder gemessen werden, variiert die Verbesserung entsprechend 9 m²₁m²₂(m₁+1)(m _x+1), worin sich m₁ auf die Modulation der Senderfrequenz f _o durch die Frequenz f _t des spannungsgesteuerten Oszillators und m₂ auf die Modulation von f _t durch die Doppler-Verschiebungsfrequenz f _d bezieht. Im Fall der speziellen, beispielhaft angegebenen Daten betragen m₁=1 und m₂=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 82 und ein Verstärker unmittelbar nachgeschaltet.

Die Verarbeitung der Doppler-Frequenzsignale zur Ableitung der Minimalentfernung M kann so erfolgen, daß die Signale in Form der normierten Kurven gemäß Fig. 3 dargestellt werden, welche durch den Operator auf die die Standard-Minimalentfernungen darstellenden Kurven abgestimmt werden, um die beste Abschätzung der Fehlschußentfernung zu erhalten.

Zur schnelleren und genaueren Anzeige der Fehlschußentfernung wird ein elektronischer Rechner und Datenspeicher eingesetzt, der unter günstigster Anpassung der Eingangsdaten an eine bekannte Kurve oder Kennlinie die Entfernung ermittelt. Dieses Kurvenanpaß- oder -entsprechungsverfahren ist im folgenden anhand von Fig. 7 beschrieben.

Die erwähnte Gleichung (2) kann wie folgt umgeschrieben werden (2a):

das heißt in eine neue Form Y=mX+b gebracht werden, wobei Y=1/t ², X=1/f _d ², m=4 V ⁴/M ²λ², b = -V ²/M ² ist.

Die Beziehung zwischen Y und X ergibt eine Gerade mit einem Gradienten m = (4 V ⁴)/(M ² · λ²). X ist gleich Null bei Y = -V ²/M ².

Aus den hierdurch festgelegten Werten für die Steigerung M und dem Y-Achsenabschnitt b kann der Minimalabstand M in einfacher Weise berechnet werden.

Die Daten vom Bodenempfänger ergeben f _d als Funktion der Zeit t; M kann dabei auf der Basis der Geraden der Form gemäß Gleichung (2a) berechnet werden, welche den Eingangsdaten am besten entspricht. In Gleichung (2a) ist jedoch die Zeit t ab dem Punkt größter Annäherung gewählt. Folglich muß in der Praxis zunächst eine Schätzung von t _o 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 _d 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 _o zur Durchführung einer weiteren Fehlerabschätzung benutzt, und das Verfahren wird wiederholt, um den Wert t _o zu bestimmen, welcher die kleinste Größe der Fehlerfunktion besitzt. Nach der Festlegung von t _o wird dieser Wert zur Berechnung der Fehlschußentfernung und erforderlichenfalls der Geschwindigkeit V herangezogen.

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. Von der Empfangseinrichtung kommt das Doppler-Signal f _d und wird einem Frequenzdiskriminator 91 sowie einem Periodenlängskodierer 92 zugeführt, der auf den Nulldurchgang der Zyklen oder Perioden des Doppler-Verschiebungssignals f _d 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 Schnittstelle 94 in einen Datenspeicher 95 eingegeben.

Der Frequenzdiskriminator 91 liefert eine Ausgangsspannung entsprechend den Kurven gemäß Fig. 2 mit einem Spannungsminimum zu dem Zeitpunkt, an welchem f _d 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 _o an einen Rechner 97. Letzterer besitzt über die Schnittstelle 94 einen Zugriff zu den in dem Datenspeicher 95 enthaltenen Doppler-Periodendauerdaten, und anhand dieser Information führt der Rechner die beschriebenen Berechnungen zur besten Anpassung durch, durch welche 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 _o 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 _o) 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 _o umfassen und welche die günstigsten oder zutreffendsten Daten für die durchzuführenden Berechnungen darstellen.

Das Kurvenanpassungsverfahren bietet zwei wesentliche 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 auf Grund von Querschnittseffekten usw. nicht besonders anfällig ist.

Claims

1. Einrichtung zur Messung des Minimalabstandes M von zwei sich relativ zueinander bewegenden Objekten,

- mit einem vom ersten Objekt getragenen Doppler-Radargerät, welches Dopplerfrequenzen f _d aus empfangenen Reflexionen des Radarsignals am zweiten relativ zum ersten Objekt bewegten Objekt als Funktion der Zeit t in Form von elektrischen Spannungswerten oder -Impulsen gewinnt und welches Mittel zur Übertragung der gewonnenen Dopplerfrequenzen f _d (t) an eine entfernte Empfangseinrichtung aufweist,
- mit einer Empfangseinrichtung zum Empfangen der übertragenen Dopplerfrequenzen f _d (t) und
- mit einer Empfangseinrichtung zugeordneten Auswerteeinheit zur Ableitung des Minimalabstandes M der beiden Objekte aus den empfangenen Dopplerfrequenzen f _d (t),

dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit folgende Elemente aufweist:

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines frequenzmodulierten Dauerstrich-Radargerätes als Doppler-Radargerät mit einem eine Frequenzmodulation auf das Radarsignal aufprägenden Oszillator mit der Oszillatorfrequenz f _t, wobei Seitenband-Komponenten erzeugt werden, das Radargerät Mittel (55, 57, 58, 59) zur Gewinnung der Dopplerfrequenzen f _d (t) aus einer Seitenband-Komponente enthält.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (55, 57, 58, 59) zur Gewinnung der Dopplerverschiebung einen Mischer (55) und einen Bandpaßverstärker (57) umfassen zur Rückgewinnung der Seitenband-Komponente des empfangenen Signals und einen weiteren Mischer (58) sowie ein Bandpaßfilter (59) zur Wiedergewinnung des Doppler-Frequenzsignals f _d (t) aus einer Seitenbandkomponente aufweisen.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Wiedergewinnung des Doppler-Frequenzsignals dieses zur Steuerung des Oszillators (52) auf diesen aufschaltbar ist.