DE2756413B2 - Gerät zur Messung des Abstandes und der Näherungsgeschwindigkeit oder der Entfernungsgeschwindigkeit eines beweglichen Zieles - Google Patents

Description

des Vorzeichens dieser Geschwindigkeit weiterhin erwünscht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst Dadurch ist die Modulations-Steigerung der ausgestrahlten Frequenz abstandsabhängig variabel.

Der Erfindung hegt 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 ή, 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 T dagegen inn erfmdungsgemaßen Gerät variabel derart, daß der Zeitverlauf Tr = T'+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 FQr die genaue Messung der Geschwindigkeit wird also eine bestimmte Linie des Schwebesignals h durch ein Signal demoduliert, das eine Frequenz gleich der dieser bestimmten Linie bei Abwesenheit des Doppler-Effektes hat Diese bestimmte Linie liegt vorzugsweise mit ihrer Frequenz in der Nähe der mittleren Frequenz f₀ des Frequenzdisk±iminators des Steuerkreises so, daß sie eine große Amplitude hat

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

F i g. 1 das Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform des Funkhöhemmeßgeräts nach der Erfindung und

F i g. 2 einen Teil des Spektrums des Schwebesignals zwischen dem ausgestrahlten und dem ankommenden Signal.

Der obere Teil der F i g;. 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 Hochfrequenzsignals verbunden ist Diese Mittel bestehen beispielsweise aus einer Duplexer-Mischstufe 3, einer Empfangs-Sende-Richtantenne 4 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 Me3stelle und einem Ziel, das im voraus dadurch gewählt wird, daß ein Steuerkreis mit einem Frequenzdiskriminator 6 mit einer besonders stabilen Mittelfrequenz k 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 Schwebesignal 4 zwischen dem ausgestrahlten und dem ankommenden Signal und liefert an seinen Ausgang ein Fehlersignal entsprechend der Frequenzabweichung zwischen der Frequenz /0 und b5 der Schwebefrequenz /&, welches Fehlersignal das Variieren der Steigung der Sägezähne bewirkt, um die Schwebefrequenz genau gleich f₀ und konstant zu halten. Das Verhältnis läßt sich also auf herkömmliche Weise wie folgt festlegen:

worin F der Frequenzhub eines konstant gehaltenen Sägezahns ist, und edie Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen.

Das Organ 7 ist ein Zeitmeßgerät, das aus dem vom Modulator 2 gelieferten Sägezahnsignal ein Signal ableitet, das der Dauer Tder Sägezähne und somit dem Abstand D entsprechend der Formel (1) proportional ist Sein Ausgang ist mit einem Abstandsindikator 8 verbunden.

Das erfindungsgemäße Gerät nach F i g. 1 hat den Vorteil, daß es die relative Geschwindigkeitsmessung durch Ausnutzung des Doppler-Effekts mit einer Präzision ermöglicht, die größer 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

Zu diesem Zweck ist der Ausgang eines Generators mit fester Frequenz f\ gleich der Frequenz f₀ mit geringen Schwankungen in diesem mit 3 bezeichneten Generator mit dem Eingang eines Frequenzteilers 10 mit dem Verhältnis n verbunden, wobei π 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 f\ln, 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\ln ist welche Periode mit rbezeichnet ist daß folgendes gilt: n/f\ > T.

Zum anderen wird das Schwebesignal /* am Ausgang der Duplexer-Mischstufe 3 abgegriffen und dem Eingang eines Bandfilters 11 zugeleitet Das Diirchlaßband dieses Filters ist auf der Frequenz f\ zentriert und hat eine solche Breite, daß mehrere Linien des Spektrums von /4 durchlaufen werden. Dieses Filter ist zwar entbehrlich. Es gehört jedoch zur bevorzugten 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-Effekts ein Signal ohne jede Niederfrequenz, Tritt dagegen der Doppler-Effekt auf und ist die erwähnte Linie der Größenordnung π des Spektrums von /j, gleichermaßen verschoben wie alle anderen der Doppler-Frequenz & erscheint im Ausgangssignal der Mischstufe 12 in Form einer Demodulation eine niedrige Schwebefrequenz zwischen dieser Linie der Größenordnung n und dem Signal mit der Frequenz f\. Ein hinter der Mischstufe 12 geschaltetes Tiefpaßfilter 12 mit einer Grenzfrequenz unter ^-, welcher Wert die

In

Hälfte der Frequenz des Grundbetriebsi ~ j ist, dient

dpzu, im ankommenden Signal nur die niedrige Doppler-Frequenz fa 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 13 und zum Liefern eines Ausgangssignals proportional der Doppler-Frequenz und somit proportional dem absoluten Wert der Näherungs- bzw. der Entfernungsgeschwindigkeit zwisehen dem Ziel und der Meßstelle.

Es sei bemerkt, daß für die gute Wirkung des Geräts die Anordnung des Teilers 10 sehr 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 z. B. zwei Generatoren mit fester Frequenz f\ bzw. f\ln an der Stelle des Generators 9 und des Frequenzteilers 10 verwenden würde, müssen diese Generatoren sehr stabil sein, weil die geringste Drift in der Frequenz eines dieser beiden Oszillatoren einen Fehler am Ausgang der Mischstufe 12, die größer ist als die Doppler-Frequenz, die man zu messen versucht und äußerst schwach ist, z. B. 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 hohe Stabilität hat Es genügt, wenn seine Stabilität auf kurze Frist, beispielsweise in der Größenordnung von einer Sekunde, dazu ausreicht, das Spektrum des Schwebesignals /j, 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 Fi g, 2 ist also das Ausgangssignal des Filters 11. Die Mittelfrequenz /₀ des Diskriminators 6 ist vorsätzlich etwas abweichend von der festen Frequenz /i dargestellt, die die Frequenz der Linie π 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 Doppler-Effekts ausgezogen und beim Auftreten des Doppler-Effekts mit einem Phasenwinkel gleich der Doppler-Frequenz /j* gestrichelt dargestellt ist (z. B. 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 /0 bestimmt ist, wählt man den Wert für /· so, daß sie "!eich diesem mittleren Wert von k ist In F i g. 2 ist ebenfalls die feste

Frequenz der Basis ( — = — J des Spektrums von /j>

Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts ermöglicht es ein Zusatzkreis (F i g. 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 Phasenvergleichsstufe 20, deren Ausgang mit 21 bezeichnet ist Der Phasenschieber 16 verschiebt die Phase des an seinem Eingang ankommenden Signals um π 12. 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 15 und 20.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Messung des Abstandes und der Näherungsgeschwindigkeit bzw. der Entfernungsgeschwindigkeit eines Zieles, mit einem Generator zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignals, dessen Frequenz von einem Modulator sägezahnförmig linear moduliert wird, Mitteln zum Aussenden und zum Empfangen eines durch ein Ziel reflektierten erwähnten Hochfrequenzsignals und Mittel zur Erzeugung eines Schwebesignals zwischen dem ausgestrahlten und dem reflektierten Signal und einem Frequenzdiskriminator zur Bildung einer mittleren Frequenz Z₀, 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 Schwebesignais konstant und gleich fo bksibt und damit ein Sägezahnsignal mit einer dem Abstand proportionalen variablen Dauer T ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Generator (9) zum Erzeugen eines Signals mit fester Frequenz f, gleich dem Mittelwert von Z₀, Mittel (10) zum Erzeugen eines Signals mit einer Frequenz f\ln, wobei π der Rang der Harmonischen des ausgestrahlten Modulationssignals ist, dessen Frequenz der Frequenz k am nächsten liegt, und das Ausgangssignal dieses Mittels (10) über einen zweiten Eingang den Modulator (2) steuert, um die Dauer zwischen dem Start zweier aufeinanderfolgender Sägezähne konstant und auf einem Wert gleich n/f\ zu halten, und eine erste Mischstufe (12) zum Empfang des Signals mit der festen Frequenz /i an einem ersten Eingang und zum Empfang des Schwebesignals sowie eine am Ausgang der Mischstufe (12) angeschlossene Reihenschaltung eines ersten Tiefpaßfilters (13) mit einer maximalen Grenzfrequenz gleich f\l2n und eines Frequenzmeßgerätes (15) vorgesehen sind, das an seinem Ausgang die Daten des absoluten Werts der Geschwindigkeit liefert

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (10) zur Erzeugung eines Signals mit Frequenz f\ln ein Teiler mit Dividend η ist, der an den weiteren Generator (9) angeschlossen ist

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß darin außerdem ein Bandpaßfilter (U) vorgesehen ist, das das erwähnte Schwebesignal empfängt und mit seinem Ausgang an den zweiten Eingang der ersten Mischstufe (12) angeschlossen ist, und daß das Durchgangsband auf der erwähnten Frequenz i\ zentriert ist

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorzeichen der Geschwindigkeit am Ausgang einer Phasenvergleichsstufe (20) abgegriffen wird, die an einem Eingang das Eingangssignal des Frequenzmeßgeräts (15) und an einem anderen Eingang über ein zweites Tiefpaßfilter (18) gleich dem ersten Tiefpaßfilter (13) und über eine Impuisformschaltung (19) ein Ausgangssignal einer zweiten Mischstufe (17) empfängt, die das Signal des zweiten Eingangs der ersten Mischstufe (12) und an einem anderen Eingang ein Signal aus einem Phasenschieber (16) empfängt, der das empfangene Signal mit der festen Frequenz f, um π/2 verschiebt.

Die Erfindung betrifft ein Gerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Geräte der eingangs erwähnten Art sind bereits - bekannt und dienen zum Durchführen von Abstands-

s messungen, wobei eine Ableitung des Abstandssignals die Durchführung der Geschwindigkeitsmessungen ermöglicht; diese Geräte sind beispielsweise gemäß der Beschreibung in der französischen Patentanmeldung 74 35 433 der Anmelderin Funkhöhenmeßgeräte, die so

ίο 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, insbesonde-

re eines öltankers, 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 einiger Entfernung vom Landeplatz befinden muß, und zwar 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. Aus allen diesen Gründen darf die Sendeantenne keine zu starke Richtcharakteristik 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 ist

Aus der GB-PS 6 71 461 und aus der Ergänzung 6 71 464 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 und wird auf ein bestimmtes, von vornherein bekanntes bewegendes Objekt gerichtet, das

so 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 Geschwindigkeitsunterschiede, 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.

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 vorausbestimmten Zieles, insbesondere für einen Bereich geringer Geschwindigkeiten, die in der Größenordnung von wenigen Zentimetern pro Sekunde liegen, anzugeben. Gegebenenfalls ist die Feststellung