DE2909817A1 - Radargeraet zur bestimmung der entfernung zu einem beweglichen ziel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Radargerät der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art.

Derartige Radargeräte werden im Zusammenhang mit Nahabstandszündern benötigt.

Es sind verschiedene Geräte dieser Art bekannt: bei einer ersten Sorte von Radargeräten werden Radarimpulse ausgesendet, deren Laufzeit zum Ziel hin und von diesem zurück ein Maß für die Entfernung ist. Für kleine Entfernungen sind diese Geräte nicht geeignet, da die zu messenden Zeiten sehr kurz sind.

Bei einer zweiten Art von Geräten weist die ausgesendete Welle eine lineare Frequenzmodulation auf und die Frequenzverschiebung zwischen den ausgesendeten und empfangenen Signalen gibt ein Maß für die Entfernung. Solche Geräte werden u. a. auch für die Höhenmessung eingesetzt.

Die bekannten Radargeräte eignen sich kaum für die Anwendung im Zusammenhang mit Abstandszündern. Bei Abstandszündern muß nämlich die Zündung ziemlich nahe beim Ziel ausgelöst werden. Die Geräte der ersten Art sind dafür nicht geeignet, da die zu messenden Entfernungen zu kurz sind. Die Geräte der zweiten Art sind für dieses Anwendungsfeld zu teuer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Radargerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das insbesondere für Abstandszünder geeignet ist, und das sich durch geringe Herstellungskosten auszeichnet.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der Schaltung gemäß der Erfindung wird vom Dopplereffekt Gebrauch gemacht, der eine Modulation des Ausgangssignals des Mischers hervorruft. Der logarithmische Verstärker stellt eine Relation zwischen der Differenz der Extremwerte der modulierten Welle und dem Entfernungswert her. Bei dieser Relation spielen die Gewinnfaktoren der Antennen, die ausgesendete Leistung und der Reflexionskoeffizient des Zieles keine Rolle.

Auf diese Weise wird der Vorteil erzielt, daß die durchgeführte Messung nicht durch fehlerhafte Annahmen oder Messungen des Reflexionskoeffizienten des Zieles beeinträchtigt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Entfernungsmeßgerätes gemäß der Erfindung;

Fig. 2 die Ansprechkurve des logarithmischen Verstärkers;

Fig. 3 den Verlauf des Ausgangssignales des logarithmischen Verstärkers und verschiedene Signale der Inkrementmeßschaltung, die im Detail in Fig. 4 dargestellt ist;

Fig. 5 eine besonders für einen Abstandszünder geeignete Entfernungsmeßschaltung nach der Erfingung;

Fig. 6 ein Detail einer Inkrementmeßschaltung.

Die Schaltung nach Fig. 1 enthält eine Sendeantenne 1, die gespeist durch einen Sender 2 eine Welle aussendet. Diese Welle wird auf ein Ziel 3 gerichtet und von diesem reflektiert. Das Ziel 3 befindet sich in einer Entfernung d zu dem Entfernungsmeßgerät und nähert sich diesem mit einer Geschwindigkeit V, wie dies durch den Pfeil in Fig. 1 angedeutet ist. Die reflektierte Welle wird von einer Empfangsantenne 4 aufgenommen. Eine Entfernungsangabe erscheint an einem Ausgang 5.

Gemäß der Erfindung weist das Entfernungsmeßgerät einen Sender 2 auf, der aus einem freischwingenden Oszillator zur Erzeugung von kontinuierlichen Wellen besteht. Ferner ist entsprechend der Erfindung ein Mischer 6 vorgesehen, dessen Eingang mit dem Ausgang der Empfangsantenne 4 verbunden ist und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Senders 2 über einen Koppler 7 in Verbindung steht. Ein logarithmischer Verstärker 8 ist an den Ausgang des Mischers 6 angeschlossen. Des weiteren ist eine Inkrementmeßschaltung 9 vorgesehen, durch die die Anstiegsraten der Ausgangssignale des logarithmischen Verstärkers ermittelt werden und die an ihrem Ausgang 5 ein Entfernungssignal liefert.

Ein solches Meßgerät eignet sich insbesonders für den Fall, daß das Ziel der Erdboden ist.

Zunächst soll an die Radargleichung für Bodenreflexion erinnert werden:

Dabei ist:
Pr die von der Empfangsantenne aufgenommene Leistung,
Pe die durch die Sendeantenne ausgesendete Leistung,
λ die Wellenlänge der ausgesendeten Welle,
Gr der Gewinnfaktor der Empfangsantenne,
Ge der Gewinnfaktor der Sendeantenne,
R ² der Leistungsreflexionskoeffizient für die Reflexion am Erdboden und
d die Höhe über dem Erdboden.

Da in der Regel Spannungssignale verarbeitet werden, wird aus Gleich. (1):

wobei gilt:
|Vr | = k √Pr
|Ve | = k √Pe
G = √Gr·Ge

Dabei ist k eine Konstante.

In Gleichung (2) stellt |Vr | den Betrag der empfangenen Spannung Vr dar. Dieses Signal besitzt eine Frequenz, die sich um Δ f _d von der Frequenz des ausgesendeten Signales unterscheidet. Dieser Frequenzunterschied ist auf den Dopplereffekt zurückzuführen. Es gilt:

Am Ausgang des Mischers wird ein Signal V _M erhalten:

und dabei sind k′ und Φ Konstanten, deren Werte vom Mischer 6 abhängen. t ist die Zeit.

Es sind nur die Extremwerte von V _M von Bedeutung, so daß leicht der Betrag von V _r bestimmt werden kann. Für diesen Fall wird der Maximalwert der Größe V _M genommen.

Die Ansprechkurve für den Verstärker 8 ist in Fig. 2 dargestellt. Diese besteht aus drei Teilen P 1, P 2 und P 3. Der Teil P 1 und der gestrichelt eingezeichnete Teil P 1′ bilden eine logarithmische Antwortkurve, während die Teile P 2 und P 3 praktisch Geraden sind. Für eine große Eingangsspannung v _e kann für das Antwortsignal des Verstärkers 8 geschrieben werden:

wobei v _s die Ausgangspannung des Verstärkers und v _o sowie v _L Gerätekonstanten des Verstärkers 8 sind.

Da nur die Maximalwerte von V _M von Interesse sind, muß nur der Teil P 1 der Ansprechkurve betrachtet werden. Den Werten von V _M entsprechen am Ausgang des Verstärkers 8 die Spannungen V _sM :

Im folgenden wird nun untersucht, wie sich die Werte V _sM entwickeln. Diese Werte V _sM erscheinen im Rhythmus der Schwebungsfrequenz, d. h. sie sind durch ein Zeitintervall 1/Δ f _d getrennt. Während dieses Zeitintervalls hat sich jedoch das Ziel um eine Entfernung Δ d genähert. Es gilt:

wobei jede Änderung von Δ d zu einer Änderung Δ v _s führt, wobei gilt:

Diese Beziehung wird durch Ableiten der Gleichung (6) erhalten, wobei gilt:

Es soll unterstrichen werden, daß in diese Gleichung verschiedene Größen nicht eingehen. Die Gleichung ist beispielsweise unabhängig von
r, dem Zielreflexionskoeffizienten,
V _e der ausgesendeten Leistung und
Gr, Ge, den Antennengewinnfaktoren.

Allein die Kenntnis der Wellenlänge λ und die Kenntnis von v _o ermöglichen die Bestimmung von d ausgehend von den Änderungen der Minimalwerte der Ausgangsspannung des Verstärkers 8.

Der logarithmische Verstärker 8, wie er in Fig. 1 enthalten ist, umfaßt einen Operationsverstärker 12. Der nichtinvertierende Eingang (+) dieses Verstärkers ist auf Masse gelegt, während der invertierende Eingang (-) einerseits mit der Anode einer Diode 13 und andererseits mit einem Anschluß eines Widerstandes 14 verbunden ist. Der zweite Anschluß des Widerstandes 14 steht mit dem Ausgang des Mischers 6 in Verbindung. Ein solcher Verstärker liefert bei gegebener Eingangsspannung eine Ausgangsspannung v _s , für die gilt:

Dabei ist:
I _s der Sättigungsstrom der Diode 13 in Sperrichtung,
k _B die Boltzmann-Konstante,
T die absolute Temperatur und
q die Elementarladung.

Die Gleichung (9) gilt nur für die Teile P 1 und P 2 der Ansprechkurve (Fig. 2). Wenn die Spannung v _e stark negative Werte annimmt, erreicht die Ausgangsspannung des Verstärkers 8 die Sättigungsspannung v _sat .

Die Inkrementmeßschaltung 9, die im Detail in Fig. 4 dargestellt ist, enthält eine Diode 20, deren Kathode den Eingang der Schaltung 9 darstellt und deren Anode mit einem Anschluß eines Kondensators 21 verbunden ist. Der zweite Anschluß des Kondensators liegt auf Masse. Der Kondensator 21 kann durch einen spannungsgesteuerten Unterbrecher 22, der parallel zu den Anschlüssen des Kondensators liegt, entladen werden. Durch diesen Kondensator wird die Minimalspannung jeder negativen Halbwelle der Spannung v _s gespeichert. Die Spannung v _s ist in Abhängigkeit von der Zeit im obersten Schaubild der Fig. 3 dargestellt. Vor Auftreten dieses negativen Spannungssignals muß der Kondensator folglich entladen werden. Die Zeitpunkte t 1, t 2, t 3 (Fig. 3) der Entladung sind dadurch festgelegt, daß die Spannung v _s von einem positiven auf einen negativen Wert übergeht, d. h. sie liegen zu Beginn der negativen Halbwelle. Zur Bestimmung dieser Zeitpunkte wird einerseits ein Vergleicher 23 und andererseits ein Differenzierglied 24 verwendet. Der Vergleicher 23 liefert an seinem Ausgang ein logisches Signal A, das den Wert "1" annimmt, wenn die Spannung v _s positiv ist und den Wert "0" annimmt, wenn die Spannung negativ ist. Das Differenzierglied 24 liefert ein Signal B, das den Wert "1" annimmt, wenn die Spannung v _s abfällt. An dem Ausgang eines UND-Gliedes 25, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Differenziergliedes 24 und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Vergleichers 23 über eine Inverterschaltung 26 verbunden ist, erscheint zu den Zeitpunkten t 1, t 2 und t 3 ein Signal "1". Ein weiteres Differenzierglied 27 liefert an seinem Ausgang ein Signal D, das die Form eines positiven kurzen Impulses aufweist. Durch diesen Impuls wird der Unterbrecher 22 geschlossen.

Die in dem Kondensator 21 gespeicherte Ladung wird danach abwechselnd an einen der Kondensatoren 28 und 29 zu den Zeitpunkten t 4, t 5 und t 6 (siehe Fig. 3) übertragen, die den jeweiligen Endpunkten der negativen Halbwelle entsprechen. Die jeweiligen ersten Anschlüsse dieser Kondensatoren liegen auf Masse. Der zweite Anschluß des Kondensators 28 ist mit dem ersten Anschluß des Kondensators 21 über einen spannungsgesteuerten Unterbrecher 30 und einen Spannungsverstärker 21 verbunden, der beispielsweise einen Verstärkungsfaktor 1 aufweist. Der zweite Anschluß des Kondensators 29 steht mit dem Ausgang des Verstärkers 31 über einen spannungsgesteuerten Unterbrecher 32 in Verbindung. Zur Bestimmung der Zeitpunkte t 4, t 5, t 6 wird neben dem Vergleicher 23 ein Differenzierglied 33 verwendet, das ein logisches Signal C liefert. Wenn dieses Signal den Wert "1" annimmt, deutet dies an, daß die Spannung v _s ansteigt. Am Ausgang eines UND-Gliedes 34, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Vergleichers 23 und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Differenziergliedes 33 verbunden ist, erscheint am Ende der negativen Halbwelle der Spannung v _s das logische Signal "1". Das Auftreten des Signales "1" führt jedesmal zum Umkippen einer Kippschaltung 35 (T-Flip-Flop), so daß alternierend an de Ausgängen Q und dieser Kippschaltung ein Signalübergang von "0" nach "1" stattfindet. Diese Übergänge in positiver Richtung rufen positive Signalimpulse E und F hervor, die durch Differenzierglieder 36 und 37 geliefert werden, deren Eingänge mit den Ausgängen Q und der Kippschaltung 35 verbunden sind. Diese positiven Impulse bestimmen die Zeitpunkte für das Schließen der Unterbrecher 30 und 32. Ein Differenzverstärker 38, dessen Eingänge mit den jeweiligen zweiten Anschlüssen der Kondensatoren 28 und 29 verbunden sind, liefert an seinem Ausgang einen Wert für das Inkrement Δ v _s . Infolge der wiederholten Aufladung der Kondensatoren 28 und 29 hätte man für ein konstantes Δ v _s , das sich bei jeder negativen Halbwelle des Signales v _s , wiederholen würde, eine Anzeige, deren Vorzeichen zu jeder Periode wechseln würde. Aus diesem Grunde sind Umschalter vorgesehen, mit denen erreicht wird, daß die an der Klemme 5 gewonnene Spannung sowohl hinsichtlich ihres Betrages als auch ihres Vorzeichens ein Maß für den Wert Δ v _s darstellt. Zu diesem Zweck sind zwei spannungsgesteuerte Unterbrecher 39 und 40 vorgesehen, deren jeweiliger erster Anschluß mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 38 und deren Steueranschlüsse jeweils mit den Ausgängen Q und der Kippschaltung 35 verbunden sind. Der zweite Anschluß des Unterbrechers 39 ist mit dem Anschluß 5 über einen Verstärker 41 verbunden, dessen Verstärkungsfaktor -1 ist. Der zweite Anschluß des Unterbrechers 40 ist direkt mit dem Anschluß 5 verbunden. An der Anschlußklemme 5 wird eine Spannung gewonnen, deren Betrag ein Maß für die Entfernung d ist und deren Vorzeichen anzeigt, ob sich das Ziel nähert oder entfernt.

Wenn die Entfernungsmeßschaltung gemäß der Erfindung als Abstandszünder verwendet wird, können einige Vereinfachungen vorgesehen werden. In Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer Entfernungsmeßschaltung dargestellt, die für einen Abstandszünder geeignet ist. In diesem Schaltbild sind die mit den vorstehend erläuterten Figuren gemeinsam Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Mit 50 ist ein Oszillator-Mischer bezeichnet, der an seinem Ausgang das Schwebungssignal aus ausgesandter und empfangener Welle liefert. Für Senden und Empfangen ist nur eine einzige Antenne 51 vorgesehen. Infolge der Tatsache, daß bei einem Abstandszünder stets nur das Annähern zwischen Ziel und Meßvorrichtung von Bedeutung ist, kann die Inkrementmeßschaltung für die Minimalspannungswerte, die am Ausgang des Verstärkers 8 auftreten, wesentlich vereinfacht werden. Die Inkrementmeßschaltung ist in Fig. 5 mit 9′ bezeichnet. Sie ist im Detail in Fig. 6 dargestellt. Fig. 6 enthält des weiteren eine Schwellwertvergleichsstellung 52, die für einen gewissen Wert von Δ v _s′ und folglich für eine bestimmte Entfernung d eine Zündspannung an der Ausgangsklemme 53 liefert.

Mit abnehmender Entfernung d nehmen die Spannungswerte v _s immer stärker negative Werte an. Zwei Kondensatoren 60 und 61 werden abwechslungsweise auf die Minimalspannung jeder Perdiode der Spannung v _s aufgeladen. Hierzu sind die jeweiligen ersten Anschlüsse dieser Kondensatoren mit dem Eingang der Inkrementmeßschaltung 9′ über Dioden 62 und 63 sowie spannungsgesteuerte Unterbrecher 64 und 65 verbunden. Um die Unterbrecher 64 und 65 abwechslungsweise zu öffnen und zu schließen, wird ein Vergleicher 66 verwendet, der zu Beginn jeder negativen Halbwelle des Signals v _s an seinem Ausgang ein logisches Signal liefert, das von dem logischen Wert "1" auf den logischen Wert "0" übergeht. Durch diese Übergänge nach unten wird der Zustand einer Kippschaltung 67 (T-Flip- Flop) geändert. Das bedeutet, daß sich die Ausgangssignale an den Ausgängen Q und dieser Kippschaltung, die die Unterbrecher 64 und 65 steuern, ändern. Ein Differenzverstärker 68 liefert an seinem Ausgang eine Spannung, deren Absolutwert die Entfernung zum Ziel anzeigt. Sobald die Werte für Δ v _s eine gewisse Schwelle überschreiten, liefert der Vergleicher 52 ein Zündsignal an der Klemme 53. Der Schwellwert entspricht der Entfernung, in der der Abstandszünder auslösen soll. Der Vergleicher besteht aus zwei Operationsverstärkern 69 und 70. Der invertierende Eingang (-) des Verstärkers 69 und der nichtinvertierende Eingang (+) des Verstärkers 70 sind mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 68 verbunden. Der invertierende Eingang (+) des Verstärkers 69 ist mit einer positiven Spannungsquelle 71 verbunden, die eine Referenzspannung liefert, deren Wert von der gewünschten Schwelle abhängt. Der invertierende Eingang (-) des Verstärkers ist mit einer negativen Spannungsquelle 72 verbunden, deren Wert ebenfalls der gewünschten Schwelle entspricht. Die Ausgänge der Verstärker 69 und 70 sind jeweils mit den Kathoden der Dioden 73 und 74 verbunden. Die Anoden dieser Dioden stehen mit der Ausgangsklemme 53 in Verbindung. Ein Widerstand 75 ist zwischen die Ausgangsklemme 53 und die Masse geschaltet. Die Potentialdifferenz an den Klemmen der Spannungsquellen 71 und 72 wird v _ref genannt. Falls für Δ v _s gilt:

-v _ref ≦ωτ Δ v _s ≦ωτ +v _ref

sind die Spannungen an den Verstärkern 69 und 70 positiv, so daß die Dioden 73 und 74 gesperrt sind. Die Spannung an der Klemme 53 ist Null. Wenn gilt:

Δ v _s ≦λτ v _ref

ist die Ausgangsspannung des Verstärkers 69 negativ und die Diode 73 wird leitend, wodurch das Potential an der Klemme 53 negativ wird. Die gleiche Situation erhält man für

-Δ v _s ≦ωτ -v _ref

jedoch in diesem Fall ist die Diode 74 leitend, da die von dem Verstärker 70 gelieferte Spannung negativ ist.

Claims (4)

1. Radargerät zur Bestimmung der Entfernung zu einem beweglichen Ziel mit mindestens einer Antenne zum Aussenden der von einem Sender gelieferten Welle in Richtung auf das Ziel und zum Empfangen der von dem Ziel reflektierten Welle, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender ein eine kontinuierliche Welle erzeugender Oszillator (2, 50) ist, daß ein Mischer (6) zum Überlagern der gesendeten mit der reflektierten Welle vorgesehen ist, daß ein Eingang eines logarithmischen Verstärkers (8) mit dem Ausgang des Mischers (6) verbunden ist und daß eine Inkrementmeßschaltung (9) für die Extremwerte der Ausgangssignale des logarithmischen Verstärkers (8) vorgesehen ist, die die Entfernungsangabe liefert.

2. Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkrementmeßschaltung (9) folgendes umfaßt: einen ersten Kondensator (21), der mit einer ersten Schaltungsgruppe zusammenwirkt, so daß er fortlaufend auf die Extremspannungswerte der Ausgangssignale des logarithmischen Verstärkers (8) aufgeladen wird, einen zweiten und einen dritten Kondensator (28, 29), die mit einer zweiten Schaltungsgruppe zusammenwirken, so daß die Ladung des ersten Kondensators (21) abwechslungsweise an den zweiten und dritten Kondensator (28, 29) übertragen wird, und einen Differenzverstärker (38), dessen Eingänge jeweils mit den Anschlüssen des zweiten und des dritten Kondensators (28, 29) verbunden sind.

3. Radargerät nach Anspruch 1 für ein sich näherndes Ziel, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkrementmeßschaltung (9′) aus einem ersten und einem zweiten Hüllkurvendetektor besteht, die mit einem Umschalter zusammenwirken und durch diesen abwechslungsweise jeweils vor dem Auftreten eines Extremwertes mit dem Ausgang des logarithmischen Verstärkers (8) verbunden werden.

4. Radargerät nach Anspruch 3 für einen Abstandszünder, dadurch gekennzeichnet, daß es eine mit der Inkrementmeßschaltung (9′) verbundene Schwellwertschaltung (52) aufweist, die an ihrem Ausgang (53) ein Zündsignal liefert.