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Schaltungsanordnung zur Störsignalunterdrückung in Puls-
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dopplerradaremPfällgern Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Unterdrückung von unerwunschten durch Dauerstörer hervorgerufenen Empfangssignalen
(Störsignale) bei Puls-Dopplerradarempfängern mit MTI-Filter und mit einem zwischen
dem MTI-Filter und einer Anzeige- oder Auswerteeinrichtung angeordnetem Nachintegratiqnsfilter
und einer nachfolgenden Schwelleneinrichtung.
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Bei der Auswertung von Radarechosignalen ist es erforderlich, die
Zahl der Falschmeldungen unabhängig von der Art der Beeinflussung des Empfängers
auf einen vorgegebenen Wert konstant zu halten. Zur Unterdrückung von externen Störsignalen,
die durch Dauer-Storsender verursacht werden, ist es bekannt, sog.
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CFAR-Schaltungen (Constant false alarm rate) zu verwenden (M.I. Skolnik,
Introduktion to Radar Systems, McGraw Hill, 1962, Seite 566). Um die Falschsignal-
rate
konstant zu halten, wird hier eine automatische Verstärkungsregelung durchgeführt
oder am Ausgang des Empfängers eine Begrenzereinrichtung verwendet. Die Wirkungsweise
der bekannten Schaltung besteht im Prinzip darin, die Empfindlichkeit der Radarempfänger
herabzusetzen. Damit werden auch immer erwünschte Nutzsignale von Flugzielen geschächt.
Sind die Störsender stark genug, dann erfolgt durch diese bekannten Störunterdrückungsschaltungen
praktisch die Abschaltung des Radarempfängers.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art die Falschsignalrate unabhängig von der Größe des Dauerstörsignals
konstant zu halten, ohne dabei Flugechosignale zu unterdrücken.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß von den
aus Nutz- und Störsignalen bestehenden Empfangssignalen des Empfängers unter Verwendung
von Schaltmitteln zur Unterscheidung der entsprechenden Impulsformen nur die Störsignale
unabhängig von ihrem Pegel auf einen solchen Wert geregelt werden, daß sich eine
konstante Falschsignalrate ergibt.
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Ausgehend von der Annahme, daß ein Flugechosignal wesentlich kürzer
als das Störsignal eines Störsenders ist, erfolgt die Unterscheidung der Impulsformen
von Flugechosignal und Störsignal durch die Bemessung der Zeitkonstanten eines Regelkreises
mit integrierendem Verhalten, der zwischen dem Ausgang des MTI-Filters und der der
Anzeige bzw. Auswerteeinrichtung vorgeschalteten Schwelleneinrihtung derart eingefügt
ist, daß dessen Stellglied im Signalweg (Videoleitung) liegt.
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Die erfindungsgemäße Schaltung hat den wesentlichen
Vorteil,
daß der Wert des Signal/Rauschverhäiltnisses durch kontinuierliches Regeln konstant
gehalten wird.
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Gemaß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind Maßnahmen
vorgesehen, welche die von der Amplitude der Empfangssignale abhängige von einem
Integrator des Regeikreises vorgegebene Zeitkonstante konstant halten.
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Durch eine solche Bemessung der Zeitkonstanten des Regelrreises wird
erreicht, daß Störsignale durch das als Verstärker arbeitende Stellglied des Regelkreises
so stark gedämpft werden, daß sie nicht mehr zur Anzeige gelangen. Dabei bleiben
Nutzsignale wegen ihrer kurzen Zeitdauer unbeeinflußt und gelangen praktisch unverändert
zur Anzeige.
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Da durch mehrere unmittelbar aufeinanderfolgende Flugob3ekte Nutzsignale
größerer Dauer auftreten können, die sich der Impulsform der Störsignale nähern,
dann konnte die insbesondere bei großen Amplituden einsetzende Regelung auch Nutzsignale
schwächen. Dieser Einfluß wird durch einen am Eingang des Vergleichers der Regelschaltung
angeordneten Amplitudenbegrenzer auf ein vernachlässigbares Maß verringert. Ein
Einfluß auf die Regelung durch Flugobjektsignaie großer Amplitude die in großen
zeitlichen Abständen voneinander auftreten, ist wegen ihrer geringen Signaldauer
praktisch nicht vorhanden. Die Konstanthaltung der Zeitkonstanten erweist sich als
besonders zweckmäßig, da die Regelzeit eines integrierten Regelkreises umgekehrt
proportional zur Signalamplitude ist, d.h. daß die Regelsteilheit der Störamplitude
direkt proportional ist. Es wird somit verhindert, daß Flugobjektsignale die noch
über einem Störsignal liegen, unnötig bedämpft werden. Bei einem in Analogtechnik
ausgebildeten Regelkreis würde die Zeitkonstante durch Einschalten eines Dämpfungs-
gliedes
an den Eingang des Integrators erreicht werden.
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Ist der Regelkreis in Digitaltechnik ausgeführt, dann besteht der
Integrator aus einem Speicher, dem eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, die in
Abhängigkeit vom Speicherinhalt die Zeitkonstante konstant hält.
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Um auch bei schlagartig ausetzendem Störsignal schwache Flugobjektsignale
sofort wieder entdecken zu können, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung vorgeschlagen, den Regelkreis so auszubilden, daß bei unveränderter
Einschwingzeit des Regelkreises durch eine Verkürzung der Erholzeit die Regelzeiten
abgekürzt werden. Dazu werden zwischen dem Ausgang einer Vergleichsschaltung des
Regelkreises ein Verstärker mit nachfolgendem Begrenzer vorgesehen. Um bei schlagartig
einsetzendem Störsignal die Falschsignalrate nicht zu erhöhen, wird zwischen dem
Ausgang des Regelkreises und dem Nachintegrationsfilter bzw. der Schwelleneinrichtung
in der Videoleitung ein Begrenzer für die zur Auswertung gelangenden Empfangssignale
eingeschaltet.
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Die Erfindung sowie Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der
Fig. 1 bis 3 näher erläutert.
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In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Radargerätes mit einer Störunterdrückungsschaltung
nach der Erfindung im Prinzip angegeben.
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Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Störunterdrückungsschaltung.
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Fig. 3 zeigt die Störunterdrückungsschaltung nach Fig. 2 in Digitaltechnik.
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In Fig. 1 ist die Antenne eines Pulsradargerätes mit 1 bezeichnet.
Über einen Taktgeber 2 wird ein Sender-Empfangsschalter 3 gesteuert, der einerseits
mit dem Radarsender 4 und andererseits mit einer Demodulatoreinrichtung 5 verbunden
ist. Der uberlagerungsoszillator der Demodulatoreinrichtung 5 ist mit 6 bezeichnet.
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Die demodulierten Empfangssignale gelangen nachfolgend an ein MTI-Filter
(moving target indication filter) mit mehreren Entfernungskanälen. Das MTI-Filter
unterdrückt Echosignale, die von Festzeichen kommen, während Bewegzeichen-Echosignale
praktisch ungedämpft übertragen werden. Es kann zweckmäßig sein die Signalverarbeitung
in digitaler Form vorzunehmen, d.h. nach der Mischstufe 5 einen hier gestrichelt
dargestellten Analog-Digital-Wandler 8 einzuschalten, einzelne Abtastproben aus
dem erhaltenen Signal zu entnehmen, die dann in digitaler Form weiter verarbeitet
werden.
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Die verbleibenden auf Bewegtziele zurückgehenden Echosignale sowie
die Störsignale werden über eine Videoleitung VL der Störunterdrückungsschaltung
zugeführt.
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Es schließen sich ein Nachintegrationsfilter NI sowie eine Schwelleneinrichtung
S an. Der Ausgang der Schwelleneinrichtung S ist mit einer Auswerte- oder Anzeigeeinrichtung
A verbunden.
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Die Störungsunterdrückungsschaltung besteht im Prinzip aus einem Regelkreis
mit integrierendem Verhalten, dessen Schaltungsteile ein Stellglied R, das im Signalweg
angeordnet ist, einen Vergleicher V, dem zur Ermittlung der Regelabweichung das
Ausgangssignal y(t) und der Sollwert W zugeführt werden und einen Integrator I,
der die Zeitkonstante des Regelkreises bestimmt, umfassen. Die im Vergleicher gebildete
Regelabweichung y(t) - W steuert das Stellglied R. Das
Signal x(t)
am Eingang des Regelkreises wird somit durch das als Verstärker arbeitende Regelglied
R mit einem Verstärkungsfaktor f 1 auf den konstanten Ausgangswert y(t) geregelt.
Dieser Ausgangswert wird zur Optimierung des Signal-Rauschverhältnisses der Flugobjektsignale
über ein als Tiefpaß ausgebildetes Nachinterationsfilter NI geführt, dessen Ausgangssignal
z(t) mit einem vorgegebenen Wert der Schwelleneinrichtung S verglichen wird. Die
Zahl der Falschmeldungen ist durch den Abstand des Schwellenwertes zum Pegel z(t)
gegeben. Die Schwelleneinrichtung S kann als Spannungsvergleichsschaltung realisiert
werden, die in bekannter Weise die Amplitude der Signalspannung z(t) mit der einer
vorgegebenen Spannung (Schwellenwert) vergleicht.
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Der Schaltungsaufbau und die Wirkungsweise der vor der Störunterdrückungsschaltung
liegenden Eingangsstufen des Radarempfängers können als bekannt vorausgesetzt werden.
Die Wirkungsweise des Regelkreises als Störunterdrückungsschaltung ist durch die
Bemessung der Zeitkonstanten des Regelkreises (Integrator) gegeben. Die Zeitkonstante
des Integrators wird so gewählt, daß die sich während einer Empfangsperiode nur
langsam ändernde Störleistung geregelt wird. Kurz dauernde Flugechosignale dürfen
nicht beeinflußt werden. Eine Eigenschaft dieses Regelkreises mit integrierendem
Verhalten ist die, daß die Regelsteilheit umso größer ist, je größer die Störamplitude
ist, d.h. daß die vom Stellglied R bewirkte Signaldämpfung eine Funktion der Regelabweichung
ist.
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Eine mit plötzlich einsetzendem Amplitudenanstieg einsetzende Störung
kann durch den Regelkreis allein nicht schnell genug geschwächt werden. Durch die
Verwendung eines dem Regelkreis vor- oder nachgeschalteten9 aus einem Tiefpaß bestehenden
Nachintegrationsfilter MI werden diese Störungen jedoch völlig unterdrückt
Um
jedoch alle in der Praxis vorkommenden Störungsfälle erfassen zu können, ist es
erforderlich, die Störunterdrückungsschaltung, insbesondere den Regelkreis durch
weitere Schaltungsiaßnahmen zu verbessern.
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Es werden im folgenden mehrere praxisnahe Fälle unterschieden.
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1. Folgen bei Abwesenheit eines Störsignals mehrere Flugobjekte unmittelbar
aufeinander, die der Radarempfänger nicht mehr als Signale von Einzelflugobjekten
auswerten kann, so werden die später auftretenden Flugobjektsignale durch die einsetzende
Regelung immer mehr geschwächt. Die Dämpfung dieser Signale durch das Stellglied
R ist umso stärker, je größer die Signalamplituden sind. Gemäß einer verhältnismäßig
einfachen Weiterbildung des Regelkreises nach Fig. 1 kann dieser Einfluß durch einen
Amplitudenbegrenzer B1, der am Eingang des Vergleichers V eingeschaltet wird, auf
ein vernachlässigbares Maß reduziert werden Der Einfluß der Amplitude von Flugobjektsignalen
auf die Regelung ist nur sehr gering, wenn die Flugobjektsignale in großem zeitlichen
Abstand voneinander folgen.
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2. Folgen mehrere Flugobjektsignale unmittelbar aufeinander bei gleichzeitig
vorhandenem Störsignal, dann kann in Gegenwart großer Störsignale die Regelsteilheit
in unerwünschter Weise ansteigen. Dieser Vorgang kann durch Steuerung der Zeitkonstanten
in Abhängigkeit von der Störamplitude weitgehend vermieden werden. Ist der Regelkreis
in Analogtechnik ausgeführt, dann erfolgt die Steuerung der Zeitkonstanten durch
ein dem Integrator vorgeschaltetes variables Dämpfungsglied. Die Steuergröße wird
dem Eingangssignal entnommen. Bei der Realisierung des Regelkreises in Digitaltechnik
wird die Häufigkeit der Ubernahme der Regelabweichung
in den als
Speicher ausgebildeten Integrator des Regelkreises vom Speicherinhalt gesteuert.
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3. Setzt ein Störsignal schlagartig aus, dann sind weitere Maßnahmen
erforderlich, um ein Flugobjekt sofort wieder entdecken zu können. Dazu ist es erfordelich,
daß die Erholzeit des Regelkreises nach Wegfall des Störsignales möglichst stark
abgekürzt wird.
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In Fig. 2 ist eine Schaltung dargestellt, die nur die Störunterdrückungsschaltung
mit dem Nachintegrationsfilter und der Schwelleneinrichtung wiedergibt. Die Schaltung
nach Fig. 2 enthält darüber hinaus weitere Maßnahmen, die für den Fall erforderlich
sind, daß ein schlagartig einsetzendes Störsignal auftritt, das der Regelkreis aufgrund
seiner Trägheit nicht schnell genug regeln kann.
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Im Regelkreis nach Fig. 2 wird das Signal y(t) über einen Verstärker
F und einen Begrenzer B1 an den Vergleicher V geführt. Entsprechend dem Verstärkungsfaktor
des Verstärkers F wird auch der Sollwert W erhöht. Die Einschwingzeit des Regelkreises
darf dadurch nicht verändert werden. Sie ist durch den Abstand Begrenzerwert zu
Sollwert T* gegeben. Dieser Abstand wird deshalb wie für den Fall ohne zusätzlichen
Verstärker F gewählt. Die auf diese Weise erzielbare kurze Erholzeit des Regelkreises
hat im Störfall außerdem den Vorteil, daß bei mehreren Flugobjektsignalen die später
auftretenden Flugobjektsignale nicht geschwächt werden, weil sich in der flugobjektfreien
Zeit der Regelkreis wieder auf die Störamplitude einstellt.
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Dieser Vorteil stellt sich auch bei mehreren Flugobjektsignalen mit
kleinem zeitlichen Abstand voneinander ein.
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Durch einen weiteren in der Videoleittuig VL vor dem Nachintegrationsfilter
NI liegenden Begrenzer B2 werden schlagartig einsetzende Störsignale begrenzt, die
wegen der großen Zeitkonstante des Regelkreises nicht ausgeregelt wurden. Die begrenzten
Störsignale überschreiten die Schwelle der Schwelleneinrichtung S nicht mehr.
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In dieser Schaltungsanordnung (Fig. 2) wie auch in der Schaltung nach
Fig. 1 ist der Regelkreis im Signalweg vor dem Nachintegrationsfilter NI angeordnet.
Es ist grundsätzlich möglich, den Regelkreis auch zwischen dem Nachintegrationsfilter
NI und der Schwelleneinrichtung S einzuschalten. Eine solche Anordnung bietet den
Vorteil, daß der Regelkreis für die radiale Dauer eines Flugobjektsignals abgeschaltet
werden kann. Die Flugobjektamplituden haben dann keinen Einfluß auf die Regelcharakteristik.
Die Steuerung eines entsprechenden Schalters zur Abschaltung des Regelkreises kann
durch das Schwellenausgangssignal erfolgen.
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Aus verschiedenen Gründen kann es vorteilhaft sein, die Störungsunterdrückungsschaltung
in Digitaltechnik zu realisieren. Ein in dieser Technik ausgebildeter Regelkreis
ist in Fig. 3 dargestellt. Die Wirkungsweise ist in Bezug auf die angestrebte Störungsunterdrückung
unverändert im Vergleich zu einer entsprechenden Schaltung in Analogtechnik. Einzelne
Schaltungseinheiten des Regelkreises erhalten eine der Digitaltechnik angepaßte
Ausbildung. Es können auch hier allgemein bekannte Schaltungseinheiten für den Aufbau
des Regelkreises verwendet werden.
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In Fig. 3 sind das Stellglied R' und der Verstärker F' als Multiplizierer
ausgebildet. Der Vergleicher V'
besteht aus einem Subtrahierer
und der Integrator I' aus einem Speicher (storage), dessen Funktion auch als die
eines Zählers (counter) beschrieben werden kann.
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Die Faktoren, mit denen das als Multiplizierer ausgebildete Stellglied
R' arbeitet, betragen v(t)<1. Beim Verstärker F' sind die Faktoren des Multiplizierers
> 1.
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Der als Subtrahierer arbeitende Vergleicher V' arbeitet nach der Funktion
u(t) -W*, in der u(t) das im Begrenzer B1 begrenzte geregelte Ausgangssignal darstellt.
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Der Zählerstand des als Zähler ausgebildeten Speichers I' wird durch
die Regelabweichung u(t) -W* geändert. Die Einlesehäufigkeit des Zählers kann durch
einen über nahmetakt (storage clock) gesteuert werden.
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9 Patentansprüche 3 Figuren