DE2756413A1

DE2756413A1 - Geraet zur messung des abstandes und der naeherungsgeschwindigkeit oder der entfernungsgeschwindigkeit eines beweglichen zieles

Info

Publication number: DE2756413A1
Application number: DE19772756413
Authority: DE
Inventors: Raymond Strauch
Original assignee: Telecommunications Radioelectriques et Telephoniques SA TRT
Current assignee: Telecommunications Radioelectriques et Telephoniques SA TRT
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-12-17
Publication date: 1978-11-16
Also published as: FR2376421B1; FR2376421A1; ZA776970B; DE2756413B2; IT1089448B; JPS5384791A; CA1101969A; DE2756413C3; GB1593429A; JPS6010271B2; US4205314A

Description

I.R.T.

PHF.76.611.

- JT- DEEN/WJM/GK

if 21.10.1977.

"Gerät zur Messung des Abstandes und der

Näherungsgeschwindigkeit oder der Entfernungsgeschwindigkeit eines beweglichen Zieles".

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung des Abstandes und der Näherungsgeschwindigkeit bzw. der Entfernungsgeschwindigkeit eines Zieles, welches Gerät einen Generator zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignals, dessen Frequenz von einem Modulator linear moduliert wird und damit ein Sägezahnsignal mit einer dem Abstand proportionalen variablen Dauer T ergibt, Mittel zum Aussenden und zum Empfangen des durch ein Ziel reflektierten erwähnten Hochfrequenzsignals und Mittel zur Erzeugung eines Schwebesignal zwischen dem ausgestrahlten und dem reflektierten Signal und in einem Steuerkreis einen Frequenzdiskriminator zur Bildung einer mittleren Frequenz f enthält, der das Schwebesignal empfängt und ein Fehlersignal liefert, das.einem ersten Eingang des erwähnten

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Modulators zugeführt wird, um die Steigung der Sägezähne so zu ändern, dass die Frequenz des Schwebesignals konstant und gleich f bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeit zum gleichzeitigen Messen des Abstandes und der relativen Näherungsgeschwindigkeit oder der Entfernungsgeschwindigkeit eines in bezug auf die Messstelle verausbestimmten Zieles, insbesondere für einen Bereich geringer Geschwindigkeiten, die in der Grössen-Ordnung von wenigen Zentimeter pro Sekunde liegen, anzugeben. Gegebenenfalls ist die Feststellung des Vorzeichens dieser Geschwindigkeit weiterhin erwünscht.

Geräte der eingangs erwähnten Art sind bereits bekannt und dienen zum Durchführen von Abstandsmessungen, wobei eine Ableitung des Abstandssignals die Durchführung der Geschwindigkeitsmessungen ermöglicht; diese Geräte sind beispieleweise gemäss der Beschreibung in der französischen Patentanmeldung fk 35 ^33 der Anmelderin Funkhöhenmessgeräte, die so ausgelegt sind, dass das Geschwindigkeitssignal auf einfache Weise durch eine Ableitung in bezug auf die Dauer des Abstandssignals, das sie liefern. Ein spezieller Anwendungsbereich der Erfindung liegt in der Führung der Landebewegung eines grossen Schiffes, insbesondere eines OeItankers, eines Vorgangs, der mit niedrigen Geschwindigkeiten erfolgt. Ein Schiff ist ein kompliziertes Ziel, das den Wechsel der Gezeiten erfährt, und andererseits gibt es das Gerät, das auf festem Boden an einer Stelle steht, die sich in

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einiger Entfernung vom Landeplatz befinden muss, u.zw. in einer Entfernung von fünfzig bis hundert Meter aus Sicherheitsgründen, und weiter zur Ermöglichung des Betriebs bei jedem Stand der Gezeiten, bei denen ein Unterschied bis zu acht Meter auftreten kann. Ä.us allen diesen Gründen darf die Sendeantenne keine zu starke Richtcharacteristik haben, so dass das ganze Schiff mit seinen Oberbauten das Ziel bildet. Das Ergebnis dieser Einschränkungen wirkt sich auf die Abstandsmessung in unbestimmten Schwankungen in der Grössenordnung von zwei Prozent aus, die zwar für die Abstandsbestimmung zulässig sind, aber die Verwendung dieses Signals für eine Geschwindigkeitsmessung durch einfaches Ableiten nahezu ausschliesst, Diese, äusserst niedrige Geschwindigkeit wäre also tatsächlich vom Geräusch schwer zu unterscheiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,

« diesen Nachteil dadurch zu beseitigen, dass das erwähnte Gerät an die Messung der relativen Geschwindigkeit unter Ausnutzung des Doppler-Effektes anzupassen.

Aus der GBxPS 671 46 1 und aus der Ergänzung 671 464 dieser Patentschrift ist bekannt, den Doppier-Effekt für die Messung der Geschwindigkeit eines beweglichen Zieles zu verwenden. Obgleich die in diesen Patentschriften beschriebene Anlage eine Radaranlage ist, die auf das Orten möglicher bewegenden Objekte gerichtet ist und deren Zielbereich panoramisch ist, ist der Zielbereich des erfindungsgemässen Geräts sektoriell

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und wird auf ein bestimmtes, von vornherein bekanntes bewegenden Objekt gerichtet, das deswegen Ziel genannt wird. Andererseits handelt es sich in dieser britischen Patentschrift um die Detektion bewegender Objekte, deren Geschwindigkeiten in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich liegen, ohne dass hier Einzelheiten über die Geschwindigkeitsunderschiede, die zwischen den erwähnten bewegenden Objekten bestehen können, gegeben werden. Ausserdem erzeugt diese Radaranlage eine Sendefrequenz mit Sägezahnform und fester Modulationssteigung und arbeitet also auf einem Prinzip, das von dem des erfindungsgemässen Geräts abweicht. Denn im erfindungsgemässen Gerät ist die Modulationssteigung der ausgestrahlten Frequenz abstandsabhängig veriabel. Das Gerät gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses Gerät einen weiteren Generator enthält zum Erzeugen eines Signals mit fester Frequenz f.. gleich dem Mittelwert von f., Mittel zum Erzeugen eines Signals mit einer Frequenz f1 ι enthält, wobei η der Rang der Harmonischen des ausgestrahlten Modulationssignals ist, dessen Frequenz sich nächst zu f befindet, wobei das Ausgangssignal dieses Mittels über einen zweiten Eingang den erwähnten Modulator steuert, um die Dauer zwischen dem Start zweier aufeinanderfolgender Sägezähne konstant und auf einem Wert gleich n/f.. zu halten, eine erste Mischstufe zum Empfang des Signals mit der erwähnten festen Frequenz f.. an einem ersten Eingang und zum Empfang des erwähnten Schwebesignals sowie in Kaskade am Ausgang der erwähnten Mischstufe,

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ein erstes Tiefpassfilter mit einer maximalen Abscheid frequenz gleich f ../2η und ein Frequenzmessgerät vorgesehen sind, das an seinen Ausgang die Daten des absolu ten Werts der Geschwindigkeit liefert. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, unter Beibehaltung der Steuerung der Modulationssteigung der ausgestrahlten Frequenz für die Präzisionsmessung des Abstandes die Dauer zwischen dem Start zweier aufeinanderfolgender Sägezähne auf einem festen Wert zu halten, wodurch eine Periodizität Tr in der Dauer des ausgestrahlten Signals definiert ist und infolgedessen die Frequenz der Spektrallinien des Schwebesignals f. zwischen dem ausgestrahlten und dem ankommenden Signal auf einem festen Wert gehalten wird. Also während im herkömmlichen Funkhöhenmessgerät der Zeitverlauf T' zwischen dem Ende eines Sägezahns und dem Start des folgenden konstant ist, ist dieser Zeitverlauf T¹ dagegen im erfindungsgemässen Gerät variabel derart, dass der Zeitverlauf Tr = T¹ +T konstant ist, wobei T der variable Zeitverlauf des Sägezahns ist, der auf bekannte lineare Weise und unverändert mit dem zu messenden Abstand im Zusammenhang steht. Für die genaue Messung der Geschwindigkeit wird also eine bestimmte Linie des Schwebesignals f. durch ein Signal demoduliert, das eine Frequenz gleich'der dieser bestimmten Linie bei Abwesenheit des Doppler-Effekts hat. Diese bestimmte Linie liegt vorzugsweise mit ihrer Frequenz in der Nahe der Mittleren Frequenz f des Frequenzdiskriminators des Steuerkreises so,

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dass sie eine grosse Amplitude hat.

Die Erfindung wird beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform des Funkhöhenmessgeräts nach der Erfindung , und

Fig. 2 einen Teil des Spektrums des Schwebesignals zwischen dem ausgestrahlten und dem ankommenden Signal.

Der obere Teil der Fig. 1 entspricht dem Prinzipschema des herkömmlichen Funkhöhenmessgeräts mit einem Generator 1 zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignals, der mit seinem Eingang mit dem Ausgang eines Modulators 2 und mit seinem Ausgang mit dem Eingang der Mittel für die Verarbeitung des von ihm gelieferten Hochfrequenzsxgnals verbunden ist. Diese Mittel bestehen beispielsweise aus einer Duplexer-Mischstufe 3» einer Erapfangs-Sende-Richtantenne k und ggf. einem Frequenzvervielfacher 5 zwischen dem Generator und der Duplexer* Mischstufe 3. Der Modulator 2 liefert eine Sägezahnspannung mit einer variablen Dauer T proportional dem Abstand D zwischen der Messteile und einem Ziel, das im voraus dadurch gewählt wird, dass ein Steuerkreis mit einem Frequenzdiskriminator 6 mit einer besonders stabilen Mittelfrequenz f den Ausgang der Duplexer-Mischstufe 3 mit einem ersten Eingang des Modulators 2 verbindet, wodurch die Steigung der Sägezähne variiert werden kann. Dieser Diskriminator 6 empfängt das Schwebe-

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signal f. zwischen dem ausgestrahlten und dem ankommenden Signal und liefert an seinen Ausgang ein Fehlersignal entsprechend der Frequenzabweichung zwischen der Frequenz f und der Schwebefrequenz f, , welches Fehlersignal das Variieren der Steigung der Sägezahn} bewirkt, um die Schwebefrequenz genau gleich f und konstant zu halten. Das Verhältnis lässt sich also auf herkömmliche Weise wie folgt festlegen:

f . c
(1) D = -|—jr- T, worin

F der Frequenzhub eines konstant gehaltenen Sägezahns ist, und c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen.

Das Organ 7 ist ein Zeitmessgerät, das aus dem vom Modulator 2 gelieferten Sägezahnsignal ein Signal ableitet, das der Dauer T der Sägezähne und somit dem Abstand D entsprechend der Formel (i) proportional ist. Sein Ausgang ist mit einem Abstandsindikator 8 verbunden.

Das erfindungsgemässe Gerät nach Fig. 1 hat den Vorteil dass es die relative Geschwindigkeitsmessung durch Ausnutzung des Doppler-Eifekts mit einer Präzision ermöglicht, die grosser ist als die auf bekannte Weise durch Ableitung aus der Dauer des Abstandssignals am Ausgang des Organs 7 erhaltene Präzision, welche höhere Präzision wünschenswert und insbesondere für niedrige Geschwindigkeiten erforderlich ist.

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Zu diesem Zweck ist der Ausgang eines Generators mit fester Frequenz f.. gleich der Frequenz f mit geringen Schwankungen in diesem mit 9 bezeichneten Generator mit dem Eingang eines Frequenzteilers 10 mit dem Verhältnis η verbunden, wobei η eine gerade Zahl mit bereits erwähntem Wert ist, und wobei der Ausgang dieses Teilers 10 selbst mit einem zweiten Eingang des Modulators 2 verbunden ist. Es ist die Aufgabe des Signals mit fester Frequenz f₁/n an diesem zweiten Eingang die Dauer Tr zwischen dem Start zweier aufeinanderfolgender Sägezähne konstant zu halten, wobei diese Dauer derart genau gleich der der Periode n/f.. des Signals mit der Frequenz f../n ist, welche Periode mit T bezeichnet ist, dass folgendes gilt: n/f ..^ T.

Zum anderen wird das Schwebesignal f, am Ausgang der Duplexer-Mischstufe 3 abgegriffen und dem Eingang eines Bandfilters 11 zugeleitet. Das Durchlassband dieses Filters ist auf der Frequenz f.. zentriert und hat eine solche Breite, dass mehrere Linien des Spektrums von f. durchlaufen werden. Dieses Filter ist für die

gute Wirkung des Geräts nicht unentbehrlich. Es beantwortet jedoch an die bevorzugte Ausführungsform, da es die Wahl des Nutzteiles des Schwebesignals ermöglicht, d.h. des dem anvisierten Hauptziel entsprechenden Teiles. Der Ausgang des Filters 11 ist mit dem Eingang der Mischstufe 12 verbunden, deren anderer Eingang an den Ausgang des Generators 9 angeschlossen ist. Der Ausgang der Mischstufe 12 liefert bei Abwesenheit des Doppler-

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Effekts ein Signal ohne jede Niederfrequenz. Tritt dagegen der DoRpler-Effekt auf und ist die erwähnte Linie der Grössenordnung η des Spektrums von f, gleichermassen verschoben wie alle anderen der Doppler-Frequenz f., erscheint im Ausgangssignal der Mischstufe 12 in Form einer Demodulation eine niedrige Schwebefrequenz zwischen dieser Linie der Grössenordnung η und dem Signal mit der Frequenz f . Ein hinter der Mischstufe 12 geschaltetes Tiefpassfilter 12 mit einer Grenzfrequenz unter

f 1

-r— 1 welcher Wert die Hälfte der Frequenz des Grundbetriebs ( ) ist, dient dazu, im ankommenden Signal nur die niedrige Doppler-Frequenz f. zu wählen. In Kaskade und hinter dem Filter 13 sind eine Impulsformschaltung 14 und ein Frequenzmessgerät 15 geschaltet. Letzteres dient zum Messen der niedrigen Frequenz des Ausgangssignals der Mischstufe 12 über das Filter I3 und eum Liefern eines Ausgangssignals proportional der Doppler-Frequenz und somit proportional dem absoluten Wert der Näherungs- bzw. der Entfernungsgeschwindigkeit zwischen dem Ziel und der Messteile.

Es sei bemerkt, dass für die gute Wirkung des Geräts die Anordnung des Teilers 10 &ehr gewünscht ist, weil eine vom Generator 9 verursachte Frequenzdrift über den Teiler 10 dem Eingang des Modulators 2 proportional'zurückgeführt wird. Dadurch ist es möglich, den Einfluss einer Drifterscheinung auf* einen und den anderen Eingang der Mischstufe 12 zu beseitigen. Wenn man dagegen zum Beispiel zwei Generatoren mit fester Frequenz f.. bzw.

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f../η an der Stelle des Generators 9 ^unt* des Frequenzteilers 10 verwenden würde , müssen diese Generators sehr stabiel sein,, weil die geringste Drift in der Frequenz eines dieser beiden Oszillatoren einen Fehler am Ausgang der Mischstufe 12, die grosser ist als die Doppler-Frequenz, die man zu messen versucht und ausserst schwach ist, zum Beispiel gleich 3 Hz bei einer Geschwindigkeit von 10 cm/s.

Die Anwendung des Generators und eines Frequenzteilers hat den Vorteil dass es nicht notwendig ist, dass der Generator 9 eine sehr höbe Stabilität hat. Es genügt, wenn seine Stabilität auf kurze Frist, beispielsweise in der Grössenordnung von einer Sekunde, dazu ausreicht, das Spektrum des Schwebesignals f. immer an ein Linienspektrum anzupassen.

In Fig. 2 bezeichnet S den vom Hauptobjekt hervorgerufenen Teil des Spektrums in Form mehrerer Linien und ihrer Umhüllenden. 22 bezeichnet schematisch die Abschwächungskurve-des möglicherweise angeordneten Filters 11 in Fig. 1. Das Signal in Fig. 2 ist also das Ausgangssignal des Filters 11. Die Mittelfrequenz f des Diskriminators 6 ist vorsätzlich etwas abweichend von der festen Frequenz f.. dargestellt, die die Frequenz der Linie η des Spektrums ist, was einer geringen Drift des Diskriminators und/oder des Generators 9 entspricht (Zeitdrift, Temperaturdrift z.B.). Es ist klar, dass eine derartige Drift des Diskriminators 6 keineswegs die Genauigkeit der Messung, die man beabsichtigt, beeinflusst. Faktisch bleibt die Amplitude der Linie der Grössenordnung n, welche Linie bei Abwesenheit des Dopp-

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ler-Effekts gezogen und beim Auftreten des Doppler-Effekts mit einem Phasenwinkel gleich der Doppler-Frequenz f gestrichelt dargestellt ist (zum Beispiel bei einer Näherung), immer in der Nähe der Amplitude des Maximums der Umhüllenden und es ist wünschenswert, aber nicht direkt notwendig, dass sie in allen Fällen die Linie mit der grössten Amplitude ist. Für die Verwirklichung des Geräts, wobei ein mittlerer Wert von f bestimmt ist, wählt man den Wert für f.. so, dass sie gleich diesem inj-ttleren Wert von f ist. In Fig. 2 ist ebenfalls die

1 1 feste Frequenz der Basis (^- = —) des Spektrums von f..

Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Geräts ermöglicht es ein Zusatzkreis (Fig. 1) die an sich bekannte Ermittlung des Vorzeichens der Geschwindigkeit. Dieser Kreis enthält in Kaskadenschaltung und ausgehend vom Ausgang des Generators 9 einen Phasenschieber 16, eine Frequenzmischstufe 17, ein Tiefpassfilter 18 gleich dem Filter 13. eine Impulsformschaltung 19 und eine Phäsenvergleichsstufe 20, deren Ausgang mit 21 bezeichnet ist. Der Phasenschieber 16 verschiebt die Phase des an seinem Eingang ankommenden Signals umT^/2. Die Mischstufe 17 empfängt an einem zweiten Eingang das Ausgangssignal der Schaltung 11 und die Phasenvergleichsstufe 20 bestimmt, welches der beiden Ausgangssignale der Schaltungen 14 und 19 voreilt und leitet daraus an ihrem Ausgang 21 das Vorzeichen der Geschwindigkeit ab. Ein Geschwindigkeitsindikator mit algebraischer Wertangabe (nicht dargestellt) empfängt die Ausgangssignale der Organe I5 und 20.

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Claims

Λ J Gerät zur Messung des Abstandes und der Näherungsgeschwindigkeit bzw. der Entfernungsgeschwindigkeit eines Zieles, welches Gerät einen Generator zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignals, dessen Frequenz von einem Modulator linear moduliert wird und damit ein Sägezahnsignal mit einer dem Abstand proportionalen variablen Dauer T ergibt, Mittel zum Aussenden und zum Empfangen eines durch ein Ziel reflektierten erwähnten Hochfrequenzsignals und Mittel zur Erzeugung eines Schwebesignals und aus dem ausgestrahlten und dem reflektierten Signal in einem Steuerkreis einen Frequenzdiskriminator zur Bildung einer mittleren Frequenz f enthält, der das Schwebesignal empfängt und ein Fehlersignal liefert, das einem Eingang des erwähnten Modulators zugeführt wird, um die Steigung der Sägezähne so zu ändern, dass die Frequenz des Schwebesignals konstant und gleich f bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Gerät einen weiteren Generator enthält zum Erzeugen eines Signals mit fester Frequenz f. gleich dem Mittelwert von f , Mittel zum Erzeugen eines Signals mit einer Frequenz f1 / enthält, wobei η der Rang der Harmonischen des ausgestrahlten Modulationssignals ist, dessen Frequenz sich nächst zu f befindet, wobei das Ausgangssignal dieses' Mittels über einen zweiten Eingang den erwähnten Modulator steuert, um die Dauer zwischen dem Start zweier aufeinanderfolgender Sägezähne konstant und auf einem Wert gleich n/f.. zu halten, eine erste Mischstufe

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OWQiNAL INSPECTE

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zum Empfang des Signals mit der erwähnten festen Frequenz f₁ an einem ersten Eingang und zum Empfang des erwähnten Schwebesignals sowie in Kaskade am Ausgang der erwähnten Mischstufe, ein erstes Tiefpassfilter mit einer maximalen Abschneidfrequenz gleich f-/2n und ein Frequenzmessgerät vorgesehen sind, das an seinen Ausgang die Daten des absoluten Werts der Geschwindigkeit liefert.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung eines Signals mit Frequenz f1 / einen Teiler mit Dividend η ist, der auf dem weiteren Generator angeschlossen ist. 3· Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass darin ausserdem ein Bandpassfilter vorgesehen ist, das das erwähnte Schwebesignal empfängt und mit seinem Ausgang an den erwähnten zweiten Eingang der erwähnten ersten Mischstufe angeschlossen ist, und dass das Durchgangsband auf der erwähnten Frequenz f.. zentriert ist.

h. Gerät nach einem der Ansprüche 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, dass das Vorzeichen der Geschwindigkeit am Ausgang einer Phasenvergleichsstufe abgegriffen wird, die an einem Eingang das Eingangssignal des erwähnten Frequenzmessgeräts und an einem anderen Eingang über ein zweites Tiefpassfilter gleich dem ersten Tiefpassfilter und über eine Impulsformschaltung ein Ausgangssignal einer zweiten Mischstufe

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empfängt, die das Signal des zweiten Eingangs der erwähnten ersten Mischstufe und an einem anderen Eingang ein Signal aus einem Phasenschieber empfängt, der das erwähnte Signal um 71^/2. zur festen Frequenz f.. verschiebt, die er empfängt.

8098 K P/059?