DE2848625A1

DE2848625A1 - Anordnung zum gebrauch in einem flugzeug zum detektieren von hindernissen

Info

Publication number: DE2848625A1
Application number: DE19782848625
Authority: DE
Inventors: Roland Allezard
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-11-10
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1979-05-23
Also published as: GB2007933A; JPS5475292A; GB2007933B; FR2408842A1; FR2408842B1; US4208659A

Description

3.11.1978 1 PHF 77

"Anordnung zum Gebraucli in einem Flugzeug zum Detektieren von Hindernissen"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Gebrauch in einem Flugzeug ztim Detektieren von Hindernissen, wobei die genannte Anordnung von dem CW-Rctdartyp ist und mit einem mit einer festen Sendeantenne verbundenen Gene— ra.tor zum Erzeugen eines frequenzmodulier I en HF-Signals, einer ersten festen Empfangsειηtenne, ex'sten Mitteln zum Liefern eines Schwebungssignals zwischen dem ausgestrahlten Signal und dem empfangenen Signal, einer Ausgangsschaltung sowie einer Alarmschaltung vei'sehen ist.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, eine einfache, ztiverlässige und gedrängte Radaranordnung zu verwirklichen, die ortsfest in einem Flugzeug angeordnet ist und zwar zum Detektieren von Hindernissen und die mit ortsfest angeordneten nicht beweglichen Antennen versehen ist und ein Aiarmsignal erzeugt, wenn sich in der Fluglinie des Flugzeuges beispielsweise in einem Abstand von zwei Kilometern ein Hindernis befindet. Eine derartige Anordnung muss jedoch einerseits für parasitäre Hindernisse, wie Hagelschauer oder Wolken unempfindlich sein und andererseits für Hindernisse geringer Abmessungen, wie beispielsweise eine elektrische Leitung, einen Fabriksschlot usw. möglichst empfindlich bleiben.

Nach dex- Erfindung ist diese Anordnung dazu mit eper zwei ten festen Einp fangs an t enn c , zweiten Mitteln zu Erzeugen

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eines zweiten Schwebungssignals zwischen dem von dieser zweiten Empfangsantenne empfangenen Signal und dem ausgestrahlten Signal versehen, welche Antennen sich in einem bestimmten Abstand voneinander befinden und mit je einem Signalverarbeitungskreis verbunden sind, wobei diese Kreise denselben Aufbau haben und über die betreffenden Ausgänge mit der genannten Ausgangsschaltung über einen ersten Multiplizierer verbunden sind und dass die genannte Anordnung Mittel enthält zum Demodulieren des genannten amlitudengenormten Signals mittels eines Signals, dessen Frequenz von dem ausgestrahlten Signal abgeleitet und für den genannten bestimmten Abstand repräsentativ ist, Mitteln zum Regeln des maximalen Wertes der Frequenz des genannten demodulierten Signals und ebenfalls mit einem Frequenzanalysator zum Analysieren der Form der Umhüllenden des Spektrums des Ausgangssignals mindestens eines der genannten Verarbeitungskreise und dessen Ausgang mit einem zweiten Eingang der genannten Ausgangsschaltung verbunden ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichmangen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgcmässen Anordnung,

Flg. 2 Frequenzspektren der Ausgangssignale eines Kreises zur Verarbeitung des empfangenen Signals.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält einen Sendekreis für das hochfrequente Signal und dieser Kreis wird durch die Kaskadenschaltung eines Taktimpulsgenerators 1, eines Sägezahngenerators 2, eines HF-Signalgenerator 3 und einer Sendeantenne h gebildet.

Der Generator 1 strahlt Impulse mit fester Frequenz Fr = —— aus. Diese zum Generator 2 übertragenen Impulse verursachen in diesem Generator ein sägezahnförmiges Signal, dessen "Sägezähne" vorzugsweise asymmetrisch sind. Im weiteren Text wird vorausgesetzt, dass jeder Sägezahn in der Zeit linear abnimmt. Das genannte sägezahnförmige Signal steuert den Generator 3 derart, dass daraus eine Frequenzmodulation entsteht. Das ausgestrahlte frequenzmoduliert©

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Signal hat eine zentrale Frequenz F von etwa k GHz (Zentimeter·· wellen). Die Amplitude der Modulationsfrequenz Δ F beträgt etwa 1,5 MHz, während die Wiederholungsfrequenz der Sägezähne etwa 20 kHz beträgt. Die Sendeantenne h, deren Abmessungen gering sind, ist eine feste schwach richtungsempfindliche Antenne, die zur Vorderseite des Flugzeuges gerichtet ist.

Die Anordnung nach Fig. 1 enthält ebenfalls erste und zweite Verarbeitungskreise für das empfangene Signal,

1D das als Echosignal des ausgestrahlten Signals erhalten wird und von einem Hindernis (oder mehreren Hindernissen), das sich vor dem Flugzeug befindet, herrührt. Jeder Verarbeitungskreis enthält die untenstehend bezeichneten Elemente, die in der untenstehenden Reihenfolge miteinander verbunden

^ sind: eine Empfangsantenne 5> (oder 6), eine Koppelanordnung 7 (oder 8), ein Bandpassfilter 9 (oder 10), eine Diode 11 (oder 12), einen Vorverstärker 13 (oder 1U), eine Frequenzmischstufe 15 (oder i6) und ein Tiefpassfilter 17 (oder 18), dessen Ausgang durch 19 (oder 2θ) bezeichnet ist.

Ein Multiplizierer 21 ist mit den Ausgängen 19 und 20 der beiden Kreise verbunden und liefert einer Ausgangsschaltung 22 ein Ausgangssignal. Ebenso wie die Sendeantenne sind auch die genannten Antennen 5 und 6 auf der Vorderseite des Flugzeugs angeordnet. Mit Hilfe der Koppelanordnuxigen 7» 8 ist es möglich, dem von jeder Empfangsantenne 5» 6 empfangenen Signal das durch das ausgestrahlte Signal gebildete Ortsoszillatorsignal zu überlagern. Der Unterschied in elektrischer Länge der Koppelleitungen, die die Koppelanordnungen 7t 8 mit der Sendeantenne verbinden, beträgt eine Viertelwellenlänge ( ~h/h) der Wellenlänge der ausgestrahlten Welle, so dass die Eingangssignale der Filter 9»10 tun etwa 90° gegenübereinander verschoben sind. Die genannten Filter sind HF-Filter zum Eliminieren etwaiger Störsignale, die beispielsweise durch andere Radaranordnungen verursacht

werden, die Signale ausstrahlen mit Frequenzen, die ausserhalb des Frequenzbandes der Anordnung nach der Erfindung liegen. Die Dioden 11, 12 mischen das empfangene Signal mit

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dem ausgestrahlten Signal und liefern ein Schwebungssignal mit den Frequenzen fb.. (bzw. fbp, wobei fb.. = fb„ ist). Das Frequenzspektrum dieses Signals wird ausschliesslich durch in gleichem Abstand voneinander liegende Spektrallinien mit der Frequenz Fr gebildet. Jede Spektrallinie hat eine Frequenz, die ein Vielfaches der Frequenz Fr vermehrt bzw. verringert um die Dopplerfrequenz ist.

Das genannte Schwebungssignal ist also gleichzeitig einerseits dem Dopplereffekt, zuzuschreiben, der für die

W relative Geschwindigkeit repräsentativ ist und andererseits dem Abs l-andseff ekt, wobei die Rangordnungsnummer jeder Spektral]inie des Spektrums mit einem bestimmten Abstand vor dem Flugzeug kombiniert werden kann, wobei der genannte Abstand um die Rangordnungsnummer der Spektral-

^ linie vergrössert. Das Spektrum jedes Schwebungssignals zeigt eine maximale Energie bei derjenigen Frequenzkomponente, die dem Abstand von dem Hindernis entspricht. Irn allgemeinen tritt dieser maximale Energieinhalt bei zwei oder drei nebeneinander liegenden Spektrallinien des Spektrums auf, was bedeutet, dass das Hindernis einige hundert Meter lang ist. Die Vorverstärker 13, 14 sind identisch und ihre Funktion ist die Pegeländertingen des empfangenen Signals autornatisch auszugleichen, wobei die genannten Änderungen insbesondere durch die Oberfläche des Hinder-

nisses verursacht sind. Wie weiterhin im Text erläutert wird, wird die genannte Pegelregelung mittels einer Regelschleife erhalten, Das Durchlassband der genannten Vorverstärker entspricht dem Bereich der zu überwachenden Abstände. Das genannte Durchlassband erstreckt sich über

beispielsweise 50 kHz und ist um eine Frequenz von etwa

kHz zentriert. In den Frequenzmischstufen 15, 16 werden die zugeführten Sxgnale miteinander multipliziert. Die Filter 17, 18 haben ein festes Durchlassband in der Grössenordnung von einigen kHz und sind zum Unterdrücken der

HF-Komponente des Ausgangssignals der Mischstufen 15, eingerichtet. Der Multiplizierer 21 ist den beiden Kreisen gemeinsam. Die Aufgabe dieses Multiplizierers 21 ist einen Phasenunterschied zwischen den AusgangsSignalen der genannten

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Kreise deutlich zum Ausdruck bringen. Da die beiden Verarbeitungskreise bei hoher Frequenz funktionieren, sei erwähnt, dass die bei verschiedenen Pegeln eingeführten Phasenverschiebungen zwd.schen den beiden Kreisen (Empfangsantonnen, Koppelanordnungen, etwaigen Frequenzmischstufen) allgebraisch addiert und bis zum Ausgang der genannten Kreise aufbewahrt werden, was von grösster Bedeutung ist, wie dies in der nachfolgenden Beschreibung der Wirkungsweise der Anordnung ersichtlich ist.

Ausser dem Kreis zum Ausstrahlen des HF-Signals und den ersten und zweiten Kreisen zum Erzeugen des empfangenen Signals enthält diese Anordnung ebenfalls eine Regelschleife zum Regeln der Amplitude der Schwebungssignale, einen Kreis zum Synthetisieren eines Signals, eine "Dopplereffektfolgeschleife", eine Schaltung zum Analysieren der Vorderflanke des Dopplereffektes und eine Ausgangsschaltung 22, deren Ausgang 23 ein logisches Signal liefert, das nötigenfalls eine nicht dargestellte Alarmschal tung akti\^riert, wobei die genannte Alarmschaltung beispielsweise ein visuelles oder ein auditives Signal erzeugen kann.

Der Ausgang eines der beiden Kreise zur Verarbeitung des empfangenen Signals, beispielsweise der Ausgang 20, ist mit zwei Eingängen eines Multiplizierers 2k verbunden, dessen Ausgang über eine automatische Verstärkungssteuerschaltung mit dem gemeinsamen Verstärkungssteuereingang der Vorverstärker 13 und 1^ verbunden ist; dieses Ganze bildet die Schleife zur Regelung der Amplitude des Schwebungssignals.

Andererseits enthält der Kreis zum Synthetisieren eines Signals den Taktimpulsgenerator 1, der über einen Abstandsfenstersignalgenerator an eine Mischstufe 26 angeschlossen ist Dieser Generator 27 eines bekannten Typs erzeugt ein Signal, dessen Frequenzspektrum auf eine Spektrallinie oder auf mehrere nebeneinander liegende Spektrallinien beschränkt ist, wobei die Frequenzen dieser Linien ganzen Vielfachen der

3$ Frequenz Fr entsprechen. Abhängig von der Art eines möglichen Hindernisses und von der gewünschten Genauigkeit der Anordnung kann das genannte Signal, das den Mischstufen 15» 16 zugeführt wird, durch beispielsweise nur eine Spektrallinie

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gebildet werden.

Die Dopplereffektfolgeschleife wird durch die Kaskadenschaltung des Ausganges eines der Filter 17> 18» beispielsweise Ausgang 20, einer Dopplerfolgeschaltung 28, der Frequenzstufe 26, von der ein zweiter Eingang das Ausgangssignal der Schaltung 27 erhält., eines Durchlassfilters 29, das mit dem Ausgang der Mischstufe 26 verbunden ist und dessen Ausgang unmittelbar mit einem Eingang der Mischstufe 16 verbunden ist und über eine Stabilitätskorrektur-

W schaltung 31 mit einem Eingang der Mischstufe 15. Die genannte Schaltungsanordnung 31 erteilt dem Schwebungssignal eine Phasenverschiebung über einen positiven oder negativen Winkel, abhängig von dem Kreis, auf dem das genannte Schwebungssignal seinen Einfluss ausübt, wobei die Grosse des genannten

^ Winkels für den Stabilitätswinkel des Flugzeuges repräsentativ ist.

Der Ausgang 20 ist ebenfalls mit einer Spektrumanalyseschaltung 33 verbunden. Abhängig von der Form des Spektrums des dieser Schaltung 33 zugeführten Signals liefert diese

" Schaltungsanordnung an einem zweiten Eingang der Schaltungsanordnung 22 ein Signal, das bestimmte Eigenschaften des Frequenzspektrunis von dem Signal kennzeichnet, das am Ausgang 20 auftritt.
WIRKUNGSWEISE DER ANORDNUNG:

*® Die Anordnung hat nun zur Aufgabe, ein Alarmsignal zu liefern, wenn ein praktisch frontales Hindernis in einem vorbestimmten Abstand vor einem in der Luft befindlichen Flugzeug erscheint. Die Anordnung ist imstande, ein Hindernis zu "wählen" in einem geschlossenen vor dem Flugzeug . 3" liegenden Volumen, wobei jedoch die Anordnung "blind" bleibt und nicht beeinflusst wird durch ein beliebiges anderes hindernis in dem Raum ausserhalb des genannten Volumens. Die Empfindlichkeit der Anordnung für ein Hindernis, das sich in dem genannten geschlossenen Volumen befindet, ist von der relativen Geschwindigkeit, mit der sich das Flugzeug in Richtung des Hindernisses bewegt, abhängig. Dies gelangt nämlich zum Avisdruck in der besonderen Form des Spektrums des Schwebungssignals mit der Frequenz fb., oder fb„ am Ausgang

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der Dioden 11 und 12. Das genannte geschlossene Volumen wird durch die Oberflächen zweier Kugelsegmente mit vorbestinimtem Radius und bei denen dieMitte mit dem Flugzeug zusammenfällt, sowie durch eine kegelförmige Oberfläche, deren Achse mit der Flugzeugachse zusammenfällt und dessen Scheitelpunkt mit den Antennen der Anordnung zusammenfällt, begrenzt. Der auf diese Weise definierte Raum ist bereits als "Abstandsfenster" bezeichnet und wird durch den Synthesekreis verwirklicht, der durch die Elemente 1, 27, 26, 29, 30, 16 bzw. 31, 15 gebildet wird. Die wichtigste Aufgabe der genannten Verarbeitungskreise ist das Analysieren der Phasenverschiebung zwischen den von den beiden Antennen 5> 6 empfangenen Wellen. Diese Phasenverschiebung ist nämlich ein Mass für den Winkel zwischen der Richtung Flugzeug-Hindernis und der Flugebene

"* oder der horizontalen Ebene. Die Form des Spektrums des empfangenen Signals wird nun ciuch durch die Richtung Flugzeug-Hindernis und die sich daraus ergebende Dopplerverschiebung, sowie durch die Art des Hindernisses selbst bestimmt. Dieses Spektrum wird nun durch die Schaltungsanordnung 33 analysiert.

Die Aufgabe der Regelschleife zur Regelung der Amplitude des empfangenen Signals und der Dopplerfolgeschleife ist, dass in der Amplitude Normen bzw. in der maximalen Frequenz Normen der Ausgangssignale der Multiplizierer 1 und 2k.

Um die genannte Anordnung Funktionieren zu lassen, wie obenstehend angegeben und um eine stabile Wirkung zu erhalten, die schwer störbar und ausserdem empfindlich ist, ist es notwendig, in bezug auf die Werte oder die Wertbereiche der sich geltend machenden Parameter eine Wahl zu machen.

An erster Stelle ist die ausgestrahlte Welle eine ■Zentimeterwelle, was eine Frequenz F bedeutet in der Grössenprdnung von einigen Gigahertz. Als zentrale Frequenz der HF~Signalgenerators 3 wird beispielsweise die Frequenz F = 4,28 GHz gewählt, d.h. eine Wellenlänge ^ = 7 cm.

Die Wiederholungsfrequenz der Sägezähne mit der Frequenz Fr wird derart gewählt, dass keine einzige Mehrdeutigkeit zwischen den beiden Frequenzen möglich ist: (m+i)Fr (mFr + F max) und(m Fr + Fd max) - m Fr, wobei m eine ganze

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Zahl und Fd max die höchste durch die Anordnung detektierbare Dopplerfrequenz ist. Diese Dopplerfrequenz Fd max muss immer kleiner sein als Fr. Insbesondere muss gelten, dass

Fr > 2 Fd max ist (1).

Der Wert Fd max tritt auf, wenn ein Hindernis sich genau in der Mitte vor dem Flugzeug befindet und das Flug-~ zeug seine maximale Geschwindigkeit hat und das Hindernis stillsteht. Bewegt sich das Hindernis jedoch mit maximaler Geschwindigkeit in Richtung des Flugzeuges, so ist Fd max

^w höher.

Als Daten gelten: die bekannten Leistungsmöglichkeiten des Flugzeuges und die möglichst hohe Fluggeschwindigkeit: so kann aus (i) der Wert von Fr bestimmt werden. Vorausgesetzt beispielsweise Va = 278 Meter/Sekunde, Fd max = ~3^~

= 7936 Hz, so kann für Fr gewählt werden: 20 kHz. Eine weitere Variable ist die Breite des Abstandsfensters, d.h. der Abstand zwischen den beiden bereits definierten Kugelsegmenten. Dieses Abstandsfenster wird durch die Wahl der Anzahl nebeneinander liegender und vom Generator 27 erzeugter Frequenzkomponenten und durch den Wert der Modulationsfrequenz Fi' völlig bestimmt. Es ist nämlich so, dass ein Abstandsfenster für eine FM-Radaranordnung dadurch verwirklicht werden kann, dass das empfangene Signal mit Hilfe eines harmonischen Signals demoduliert wird, dessen Frequenz der Modulationsfrequenz, im vorliegenden Fall also dem Wert Fr entspricht. In der Anordnung nach Fig. 1 wird diese Demodulation in den Mischstufen I5 und 16 mit dem in der Frequenz-. mischstufe 26 in der Frequenz verschobenen Ausgangssignal des Generators 27 durchgeführt. Der Zusammenhang, den es zwischen dem Unterschied in der ausgestrahlten und der empfangenen Frequenz und dem Abstand von dem Hindernis gibt, wird gegeben durch:

worin:

£ die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle ist,

jd ein Abstand zwischen dem Hindernis und dem Flugzeug ist und F^ eine auf den genannten Abstand d bezogene Frequenz ist.

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Venn von einer Demodulation mit Hilfe von drei Spektrallinien ausgegangen wird, werden die Radien r.. und r„ der beiden Kugelsegmente durch die zwei äusseren Spektrallinien bestimmt. Aus (2) folgt dann, dass

^r1 ⁼ * ^{(n + 1) Fr}
und

r.

Tr. c

(n - 1) Fr (4)

2 ~ 2AF
wobei η die Rangordnungsnummer der mittleren Spektrallinie bezeichnet.
Aus den Beziehungen (3) und (k) folgt nun, dass:

^Γ1 " ^r2 ⁼ Tf ^istl (⁵⁾

Venn von einer Demodulation mit Hilfe von zwei Spektrallinien ausgegangen wird, so gilt, dass:

^r1 ~ ^r2 ⁼ Τ

Venn für das Abstandsfenster eine Breite von beispielsweise r.. - r„ = 200 ni gewünscht wird und wenn davon ausgegangen wird, dass die Demodulation des empfangenen Signals mit drei Frequenzkompoiienten stattfindet, folgt aus dem Ausdruck (5)> dass:

Λ F = = 1,5 MHz.

1 2
Der Radius r dieses Abstandsfensters ist weiterhin aus-

schliesslich von der Rangordnungsnummer der zentralen Spektrallinie abhängig. Dieser Radius r kann folglich aus den Formeln (3) tJnd (h) berechnet werden: Tr. c

^{r n Fr}

wobei η unbedingterweise eine ganze Zahl sein muss.

Venn r etwa 2 km betragen muss, wird der Vert n gleich:

_{n =} iAL£ _{= 20}

Der gewünschten Einfachheit und Festigkeit des verwendeten Materials wegen sind die gewählten Antennen fest und wenig richtungsempfindlich. Die feste Anordnung der genannten Antennen lässt die Detektion des Veglängenunterschiedes zwischen der eintreffenden Velle auf der einen Antenne und der eintreffenden Velle auf der anderen Antenne zu. Venn der zwischen der Richtung Flugzeug-Hindernis und der Flugebene gebildete Vinkel dxirch θ bezeichnet wird und wenn deutlichkeitshalber vorausgesetzt wird, dass es nur ein punktförmiges

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Hindernis anbelangt, das sich, in dem Abstandsfenster befindet, entspricht der Weglängenunterschied Az zwischen den beiden eintreffenden Wellen der Foi^nel:

Δζ = χ sin θ (7)

* in der der Wert x, der positiv ist, den Abstand zwischen den übereinander angeordneten Empfangsantennen senkrecht zur Ebene des Flugzeuges bezeichnet. Der genannte Weglängenunterschied entspricht einer Phasenverschiebung 2 ΔΥ⁵ zwischen den von den Empfangsantennen übertragenen Signalen, so dass

2ΑΨ= -^- . ZT . (8).

Es sei bemerkt, dass diese Phasenverschiebung positiv oder negativ sein kann und zwar abhängig von der Tatsache, ob der Winkel $■ selbst positiv (Hindernis oberhalb der Flugebene) oder negativ (Hindernis unterhalb der Flugebene) ist. Eine geeignete Wahl von χ gegenüber 7\ wird zu einer eindeutigen Beziehung zwischen den Winkeln 2 At¹ und θ führen müssen und zwar derart, dass der Wort von θ dabei auf einen

maximalen Wert θ max begrenzt bleibt, der im Absolutwert 26

kleiner ist als -x— und wobei ausserdem vorausgesetzt werden kann, dass ein etwaiges von der Detektionsanordnung detektiertes Hindernis zu einem derartigen Dopplerfrequenzspektrum führt, dass kein Alarmsignal auftreten kann.' Unter Berücksichtigung des Obenstehenden lässt sich sagen, dass }2&^1 = 3L- für θ = Q max. Dies führt entsprechend den

Formeln (7) und (8) zu der nachfolgenden Beziehung:

T* χ sin i 9 max/ „--%.

■5— - p^ .2» , also

χ =

2L_ L

4 ' sin I θ maxi

- -X- ■

Für |·β max j = beispielsweise, wird

χ= —-? , was bei einem Wert von 7\ = 7 cm, wie oben-

stohend als Beispiel vorausgesetzt wurde, dass x = 315 cm ist.
Wie bereits angegeben wurde,'wird bei der Phase 2Af

-ir

noch eine Phasenverschiebung entsprechend —— addiert 3S (Phasenverschiebung zwischen den Koppelanordnungen 7 und 8). An den Ausgängen 19 und 20 der Filter I7 und 18 treten nun Signale der nachstehenden Form auf:

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A sin (2TTFd₁ t + 2Ο.Ψ + ^₂) =
A cos (2TFd₁ t + 2A¹/ ),
und A sin (2TFd₁ t) .

In diesen Ausdrücken bezeichnet A die genormte maximale Amplitude des Signals, während Fd₁ eine praktisch konstante niedrige weiterhin im Text definierte Frequenz entsprechend etwa einigen Kilohertz bezeichnet.

Durch Verschiebung des Ursprungspunktes von Ar werden nun die nachfolgenden Ausdrücke erhalten: A cos(2 TFd₁ t + Δψ ),
und A SiH(SlFd₁ t - ^Δ '~P ).

Das Produkt aus diesen beiden Ausgangssignalen ist:

2 2

~ sin 4TTFd₁ t - ~ sin (2Af), Der mittlere Wert dieser Funktion ist —sin 2 i\f bzw, „_{sin (} 2L ΐ^

2 sin I θ max I '
Für kleine Werte von θ ist dieser Ausdruck etwa gleich

- sin( 7;—: τη ) Θ. Dieser Ausdruck ist abhängig von -Θ,

^x 2sxn j θ maxi

was es ermöglicht einen Unterschied zwischen einem Hindernis oberhalb der Flugebene und einem Hindernis unterhalb der

A² Flugebene zu unterscheiden. Das zweite Glied —- SXn(^TfFd₁ t),

et \

das eine viel höhere Frequenz hat und auftritt, wenn eine

Schwingung auf beiden Seiten der -r sin 2AiP-Kurve auftritt,

wird durch Filterung in der Schaltungsanordnung 22 eliminiert.

Die maximale Amplitude A des Signals wird durch die Schleife 20, 2k, 25 bzw. 13, \k genormt. Dazu ist im ein-, fachsten Fall das Ausgangssignal des Multiplizierers 2k gleich A²sin²(eTT Fd₁ t). Von diesem Signal ist die Amplitude dem Wert A² proportional. In der Schaltungsanordnung wird diese Amplitude zum Erzeugen eines Signals benutzt, dessen Pegel eine linear abnehmende Funktion von A² ist. Dieses letztgenannte Signal stetxert nun auf bekannte Weise die Verstärkung der Vorverstärker 13 und 1H. Die genannte Schaltungsanordnung 25 ist folglich als Diskriminator wirksam. Es ist vorteilhaft, für θ max einen geringen Wert zu wählen,

denn dadurch erhält die Anordnung eine entsprechend grössere Empfindlichkeit zur Bestimmung der Lage des Hindernisses in grösserer oder geringerer Höhe als die Höhe, auf der sich das Flugzeug befindet. Dieses Optimalisierungskriterium ist

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mit dem Optimalisicrungskriteriiim in bezug auf die Schaltungsanordnung 33 gebunden, denn die Form der Umhüllenden des Signalspektrums, die für das empfangene Dopplersignal kennzeichnend ist, das von dem Hindernis herrührt, ist eben— falls von den Winkeln Θ, in denen die jeweiligen Hindernispunkte, die vom Flugzeug aus sichtbar sind und innerhalb des Abstandsfensters gesehen werden, weitgehend abhängig (der Fall eines nicht punktförmigen Hindernisses). Abhängig von der bei der Analyse der genannten Form erhaltenen Genauig-

^ keit ist es möglich, den Wert θ max um einen entsprechenden Betrag zu verringern und zwar durch Beeinflussung des Ab— Standes zwischen den Empfangsantonnen und/oder der Wellenlänge des ausgestrahlten Signals.

Eine Eigenschaft, die durch die Erfindung benutzt wird in bezug auf den Dopplereffekt ist, dass das Dopplersignal ein kontinuierliches und auf der Oberseite begrenztes Frequenz-Spektrum aufweist. In der Anordnung tritt dieser höchste Wert Fd max bei einem kleinsten Winkelwert θ im Abstands— fenster auf. Im Falle eines frontalen Hindernisses ist

Q=O. Es sei bemerkt, dass der durch die Anordnung gewählte Vert Fd max nur der höchste Wort ist, der einem Winkel entspricht, wobei eine Spektrurnkomponente mit einer nicht ver— nachlässigbaren Amplitude entsteht, d.h., dass die genannte Amplitude von den Frequenzmischstufen 15 und 16 detektiort werden kann. Dies führt dazu, dass wenn das genannte Spektrum eine langsam sinkende Vorderflanke hat ein Dopplersignal vorhanden ist, das nicht Null ist, obschon die Amplitude des genannten Signals kleiner ist als ein fester, von der Anordnung festgehaltener Wert von Fd max. Wenn dagegen das Spektrum eine steile Vorderflanke hat, entspricht der Wert von Fd max dem Maximalwert der empfangenen Dopplerfrequenz. Da die Geschwindigkeit Va des Flugzeuges einen beliebigen Wert aufweisen kann und zwar zwischen bestimmten Grenzgeschwindigkeiten bei einer gegebenen Konfiguration Flugzeug-Hindernis und da die Dopplerfrequenzen der genannten Geschwindigkeit Va proportional sind, regelt die erflndungsgemässe Anordnung den Wert Fd max auf einen etwa konstanten Wert Fd. und die Anordnung selektiert bei einem Wert niedriger

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als Fd₁ nur einen gewissen Prozentsatz der Dopplerfrequenzen, wobei das ganze Dopplerfrequenzgebiet in der Frequenz über denselben ausgeriblicklichen Wert \ Fd₁ - Fd max| verschoben wird. Dieses Frequenzgebiet liegt beispielsweise zwischen 0,95 Fd₁ und Fd₁ und wird weiterhin im Text als "Vorderflanke" des Dopplereffekts genannt, wobei diese Flanke steil sein kann (also deutlich begrenzt) oder "weich" abhängig von der Norm der Lage des Hindernisses gegenüber dem Flugzeug. Diese Frequenzregelung erfolgt durch die Schleife 20, 28, 26, 29,

1" 30, 16 bzw. 31 j 15· Der Vorteil dieser Regelung ist, dass die Tiefpassfilter 17> 18 einfach sind. Diese Filter müssen jedoch einander genau entsprechen, damit keine parasitäre relative Phasenverschiebung zwischen die zwei Kreisen zur Behandlung des empfangenen Signals eingeführt wird. Die genannte Identitat der Filter ist möglich durch die Tatsache, dass ihr Durchlassband ein festes Band ist durch die Verwendung der Frequenzre.gelschleif e. Andererseits ist es möglich, Grenzfrequenzen des genannten Durchlassbandes unabhängig von den möglichen Dopplerfrequenzen zti wählen und ebenfalls derart zu wählen,

"· dass die genannten Grenzfrequenzen anderen Anforderungen noch entsprechen. Eine dieser Anforderungen ist, dass die Ausgangsfrequeriz Fd₁ relativ hoch sein muss um auf einfache Weise durch Filterung in der Schaltungsanordnung 22 das Glied •p*~ sin (^lTi'Fd₁ t) eliminieren zu können. Eine andere An-

" förderung ist, dass die zu dem genannten Durchlassband gehörenden Frequenzen nicht gleich der Frequenz einer Harmonischen der Wiederholungsfrequenz der Sägezähne Fr sein dürfen. Ein weiterer Vorteil der genannten Frequenzregelung ist, dass die Fluggeschwindigkeit Va des Flugzeuges zum Funktionieren der Anordnung nicht bekannt zu sein braucht.

Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Detektionsanordnung nach der Erfindung, wobei die Genauigkeit weniger gross sein darf, werden in Fig. 1 die Elemente 28, 2.6 und fortgelassen, wobei dann der Ausgang des Elementes 27 unmittelbar mit dem Zweig 30 verbinden ist und das Frequenzdurchlassband der Filter 17» 18 von Fd max abhängig ist, während in der Schaltungsanordnung 33 die Schaltungsanordnungen zum Analysieren der Energie ebenfalls von der genannten

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Frequenz Fd max abhängig sind.

Die Frequenzschleife nach Fig. 1 arbeitet auf die untenstehend angegebene Weise, wobei deutlichkeitshalber die jeweiligen Frequenzwerte gegeben werden, je nachdem die S Beschreibung fortschreitet.

Es wird vorausgesetzt, dass unter normalen Flugumständen des Flugzeuges und im Falle eines stillstehenden Hindernisses der Bereich der möglichen Dopplorfrequenzen sich zwischen den Frequenzen 1 kHz und 8 IcPIz erstreckt (die Geschwindig-W keit Va ändert sich zwischen 3h,7 m/s und 278 m/s).

Kraft der bereits erwähnten Anforderungen in bezug auf das Durchlassband der Filter 17 und 18 ist das Durchlassband beispielsweise um den Frequenzwert 20 kHz zentriert. Das genannte Durchlassband ist beispielsweise durch den Frequenz-IS wert 29, 33 kHz und 30,77 kHz begrenzt. Die maximale Frequenz des Signals Fd₁ c\n den Ausgängen 19j 20 wird beispielsweise zwischen 30,4 kHz und 30,6 kHz gehalten. Diese Änderung am Eingang der Schaltungsanordnung 28 zeigt sich als Änderung in entgegengesetztem Sinne eines von der Schaltungsanordnung 28 ausgestrahlten Signals mit einfacher Frequenz Fd^. Diese Frequenz Fd₀ ist derart, dass für jeden Wert von Fd₁ zwischen den genannten Frequenzen die nachfolgende Beziehung gilt:

Fd_ + Fd ' = Fd₁.
0 max 1

In der Detektionsanordnung bedeutet eine Änderung von 2δ Fd eine Änderung in entgegengesetztem Sinne von etwa Fd~ und dieser Wert Fd_ ist eine praktisch linear abnehmende Funktion von Fd₁.

Wenn Fd₁ beispielsweise vom Wert 30,4 kHz zu dem Wert 30,6 kHz ändert, was einer Erhöhung von Fd max urn 1 kHz auf 8 kHz entspricht, verringert der Wert Fd„ von 29,4 kHz zu 22,6 kHz. Das Ausgangssignal der Frequenzmischstufe 2.6 enthält das Summensignal und das Differenzsignal der den beiden Ausgängen der genannten Anordnung 26 angebotenen Signale . Da die Anordnung nach der Erfindung nur die vom Generator *' herrührenden Spektrallinien benutzt, die über die Frequenz Fd₀ positiv verschoben sind, ist die ausschliessliclie Funktion des Durchlassfilter 29, die dem genannten Summensignal entsprechenden Spektrallinien durchzulassen. Dazu

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muss Fd hoch genug sein, damit sogar in dem in dieser Hinsicht nachteiligsten Fall, und zwar in dem Fall von drei Spektrallinien am Ausgang des Generators 27 und vom kleinsten Wert von Fd, die zwei Spektrallinien dem Summensignal bzw. dem Differenzsignal entsprechen. Ausserdem ist die Breite des Durchlassbandes des Filters 29 mindestens der Breite des Ausgangsspektrunis des Generators vermehrt um den etwaigen möglichen grösseren Wert von Fd gleich. Entsprechend dem obenstehenden numerischen Beispiel kann das genannte Durchlassband zwischen den Frequenzen ^00 kHz und ^70 kHz liegen und die beiden obenstehend erwähnten Bedingungen sind erfüllt.

Es sei bemerkt, dass das Verschieben der Signale der beiden Verarbeitungskreise über einen Frequenzabstand Fd„ aiich unmittelbar erfolgen kann und zwar dadurch, dass der Atisgarig des Generators 27 unmittelbar mit dem Zweig 30 verbunden wird und der Ausgang der Schaltungsanordnung 28 unmittelbar mit einer Frequenzmischstufe verbunden wird, die zwischen der Frequerizinischstufe 15 bzw. 16 und dem Filter 17 bzw. 18 liegt, wobei dem letztgenannten Filter

seinerseits ein Banddurchlassfiltor folgt, dessen Funktion der des Filters 29 entspricht.

Die Dopplerfrequerizregelschlei f e und insbesondere die Schaltungsanordnung 28 können derart eingestellt werden, dass bei einem Wert unter einem minimalen Schwellenwert

von Fd max, beispielsweise Fd max = 1 kHz, der Wert von Fd„ konstant bleibt und gleich einem maximalen Wert, beispielsweise 29,h kHz. Für diesen Dopplerfrequenzbereich' gibt es von dem Wert Fd max = 0 folglich keine Regelung mehr sondern eine einfache Frequenzverschiebung des empfangenen Signals

und das Signal kann an den Ausgängen I9 und 20 nicht mehr von der Schaltungsanordnung 30 analysiert werden und zwar wegen der zu starken Verschieuung nach niedrigeren Frequenzen des oberen Teils des Frequenzspektrums des Signals an den

Ausgängen 19» 20.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung 33 i"^ur die Spektrunianalyse wird untenstehend an Hand der Fig. 2 näher beschrieben. In dieser Figur 2 zeigt die Kurve C₁ das Spektrum des Ausgangssignals am Ausgang 19 und die Kurve Cp das Spektrum

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des Ausgarigssignals am Ausgang 20, während Fc₁ die untere Grenzfrequenz und Fc„ die obere Grenzfrequenz der Filter 17 und 18 bezeichnen. Fig. 2 zeigt in a. und _b ebenfalls das Durchlassband dreier schmaler Spektrumanalysefilter 41,42, h"}· Der in Fig. 2 dargestellte Fall ist der eines Hindernisses, das parallel zu der Flugebene liegt, wobei dieses Hindernis beispielsweise ein flacher Boden ist bei horizontalem Flug des Fl-ugzeuges; in diesem Fall tritt eine "weiche" Vorder— flanke auf. In dem genannten Fall kann vorausgesetzt werden, dass wenn das Flugzeug auf einer ausreichend geringen Höhe fliegt, das Ausgangssignal des Multiplizierers 21 zu einer positiven Anzeige in der Ausgangsschaltung 22 führt, beispielsweise zu einer Anzeige in Form eines logischen Signals "1", wobei die genannte Anzeige das Vorhandensein eines Hindernisses bedeutet, das sich in einem bestimmten scharfer· Winkel gesehen, in einem vorbestimmten Abstand vor dem Flugzeug befindet. Es kann ebenfalls vorausgesetzt werden, dass die Dopplerfrequenzregelsclil'eife funktioniert, was sich zeigt dux'ch das Vorhandensein der Kurve c„ aus Fig. 2a, wobei der Wert Fd₁, beispielsweise wie im obenstehenden Beispiel, zwischen 30,4 kHz und 30,6 kHz liegt. In diesem Fall muss die Schaltungsanordnung 33» die im wesentlichen eine Wertbestimmungsschaltung für das am ei"s ten Eingang der Schaltungsanordnung 22 empfangene Signal ist, nicht die erste positive Information bewerten, die unmittelbar von den zwei Verarbeitungskreisen für das empfangene Signal herrührt, da das auf diese Weise detektierte Hindernis kein reelles Hindernis ist und das Flugzeug also in geringer Höhe seinen Flug ohne Risiko fortsetzen kann. Dies zeigt sich beispielsweise durch ein logisches Signal "0" am Ausgang der Schaltungsanordnung 33> wobei die Schaltungsanordnung ein nicht dargestelltes UND-Tor enthält, von dem ein erster Ausgang unmittelbar mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung 33 verbunden ist und von dem ein zweiter Eingang

** das von den Schaltungsanordnungen zur Analyse des Ausgangssignals des Multiplizierers 21 herrührende logische Signal erhält, wobei im Falle der Fig. 2a am genannten zweiten Toreingang das logische Signal "1" vorhanden ist.

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In diesem Fall liefert das UND-Tor ein logisches Signal "0" über den Ausgang, der am Ausgang 23 der Schaltungsanordnung 22 entspricht. Im Folgenden bedeuten W1 und W3 die jeweiligen Energien, die von den Filtern kl, kj detektiert werden. Zum Erhalten des obenstehend beschriebenen erwünschten Resultates wird beispielsweise das Verhältnis rrpr durch eine bekannte Vergleichsschaltung verwirklicht, die einen Teil der Schaltungsanordnung 33 bildet, während,

W1
wenn das genannte Verhältnis rrr grosser ist als ein vor-

Wj

bestimmter Schwellenwert, beispielsweise = 0,15, eine zweite Vergleichsschaltung, die auf Basis der Differenzbildung funktioniert und hinter der bereits genannten Vergleichsschaltung in der Schaltungsanordnung 33 liegt, ein logisches Signal "0" am Ausgang ergibt, der am Ausgang der Schaltungsan.ordnung 33 entspricht.

Fig. 2b zeigt den Fall eines praktisch frontalen Hindernisses, was eine steile Vorderflanke im Dopplerspektrum bedeutet: die Kurve c„ ist deutlich auf den Maximalwert Fd₁ begrenzt, was insbesondere bei einem frontalen Hindernis der Fall ist, das sich über oder unter der Flughöhe des F3.ugzeuges befindet, wobei die Anordnung zum Detektieren des genannten Hindernisses dann Dopplerfrequenzen erhält, die einem "Maximum Maximorum" bei geringen Winkelwerten entsprechen, die positiv sowie negativ sein können. In diesem

Fall ist ^¥'

was am Ausgang der genannten zweiten Vergleichsschaltung ein logisches Signal "1" bedeutet, wodurch eine logische "1" am Ausgang 23 der Detektionsanordnung auftritt und dadurch

die Alarmschaltung wirksam wird. Die Verwendung des Filters k2 30

ist fakultativ. Dieses Filter kann dazu benutzt werden, zwischen den Kurven C₁ und c„ besser unterscheiden zu können. Sie können die von den jeweiligen Filtern 41 , k2, 43 detektierten Energien W₁, W„, W als veränderliche Parameter einer

geeignet gewählten Funktion betrachtet werden, die für die 35

Vorderflanke des Dopplerspektrums repräsentativ ist, wobei wie vorhin, der Wert der genannten Funktion mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird,

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Nachstehend werden noch andere in den Figuren nicht dargestellte Ausführungsformen der Anordnung beschrieben.

Ausser der Verwendung von drei Antennen ist es ebenfalls möglich, nur zwei Antennen zu verwenden und zwar durch Verwendung von Zirkulatoren, wobei dann die Sendeantenne durch eine der Empfangsantennen gebildet wird.

Nach einer anderen Ausführungsform ist es möglich, die Multiplizierer 21, Zh durch nicht dargestellte einfache Frequenzmischstufen 51» 5^ zu ersetzen. Wenn V und V„ die '" jeweiligen Signale an den Ausgängen 19 bzw. 20 bezeichnen, enthält das Ausgangssignal der Frequenzmischstufe 51 die Signale (V-V₂) und (^v-|+^v ₂) ^die ^i>ür sin Λ V³ und cos Δ ψ repräsentativ sind und die Ausgleichsschaltung 22 bildet das Verhältnis zwischen den genannten Signalen.

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Lee at .

r s e 11

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1 .J Schaltungsanordnung zum Gebrauch in einem Flugzeug zum Detektieren von Hindernissen, wobei die genannte Anordnung von dem CW-Radar~Typ ist und mit einem mit einer festen Sendeantenne verbundenen Generator zum Erzeugen eines fre— quenzmodulierten HF-Signals, einer festen Empfangsantenne, ersten Mitteln zum Liefern eines Schwebungssignals zwischen dem ausgestrahlten Signal und dom empfangenen Signal, einer Ausgangsschaltung sowie einer Alarms chal tuiig versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ebenfalls eine

'" zweite feste Einpf angsantenne, zweite Mittel zum Erzeugen eines zweiten Schwebungssignals zwischen dem von dieser zweiten Empfangsantenne empfangenen Signal und dem ausgestrahlten Signal enthält, welche Antennen in einem bestimmten Abstand voneinander liegend und mit je einem bestimmten Abstand voneinander liegend und mit je einem Signalverarbeitungskreis verbunden sind, wobei diese Kreise denselben Aufbau haben und üb ei' ihre jeweiligen Ausgänge mit der genannten Ausgangsschaltung über einen ersten Multiplizierer verbunden sind und dass die genannte Anordnung Mittel enthält zum Demodulieren des genannten amplitudengenormten Signals mittels eines Signals, dessen Frequenz von dem ausgestrahlten Signal abgeleitet und für den genannten bestimmten Abstand repräsentativ ist, Mittel zum Regeln des maximalen Wertes der Frequenz des genannten

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deinodulierten Signals und ebenfalls einen Frequenzanalysator zum Analysieren der Form der Umhüllenden des Spektrums des Ausgangssignals mindestens eines der genannten Verarbeitungskreise mit einem zweiten Eingang der genannten Ausgangsschaltung verbunden ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte amplitudengenormte Schwebungssignal durch ein von einem Abstandsfenstersignalgenerator erzeugtes Signal

demoduliert wird. 10

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