DE3000876A1

DE3000876A1 - Radar-transponder

Info

Publication number: DE3000876A1
Application number: DE19803000876
Authority: DE
Inventors: Peter Dean Kennedy
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1979-01-12
Filing date: 1980-01-11
Publication date: 1980-07-24
Also published as: US4218680A; FR2446565A1; FR2446565B3; GB2046059B; GB2046059A; JPS5596474A

Description

3 L) U Ο 3 7 Dipl.-Phys. O.E. Weber J o-s «lonehon ?i

Patentanwalt Hofbrunnstraße 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber münchen

M 1244

MOTOROLA INC.

1JO? East Algonquin Road

Schaumburg, 111. 60^96

USA

Radar-Transponder

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Die Erfindung betrifft einen kohärenten Signaltransponder, wie er in Verbindung mit einem Impuls-Doppler-Radar zu verwenden ist, welches für eine Spektralanalyse der empfangenen Signale ausgerüstet ist. Rundsicht-Radargeräte und ähnliche Geräte können mit einer Einrichtung ausgestattet werden, welche eine detaillierte Analyse der Spektren der Dopplerfrequenz-Komponenten in dem empfangenen Signal ermöglicht. Diese Möglichkeit ist beispielsweise zur Trennung der Echos beweglicher Objekte wie Fahrzeuge und Flugzeuge von den Echos fest angeordneter Gegenstände und zur Auswertung der Geschwindigkeiten solcher beweglicher Objekte nützlich. Diese Fähigkeit der Radarsignalanalyse ist sehr flexibel und vielseitig ausnutzbar, wenn die Einrichtung die Plöglichkeit vorsieht, gleichzeitig eine Kessung von vielen Unterteilungen des Dopplerfrequenzspektrums durchzuführen. Eine solche Kessung kann durchgeführt werden, indem das Videosignal von dem Radar durch eine Bank von Bandpaßfiltern hindurchgeführt wird, welche Kittenfrequenzen haben, die jeweils über den Dopplerfrequenzbereich getrennt sind. Es kann auch eine schnelle Furie-Transformation und eine entsprechende Analyse des Videosignals des Radarsignals durchgeführt werden. Es entstehen beim Betrieb einer solchen Einrichtung eine größere Anzahl von AusgangsSignalen, von denen jedes die Signalstärke in einem bestimmten Abschnitt des Dopplerfrequenzbereiches anzeigt. Wenn das Radar nur festes Gelände beobachtet oder, beispielsweise eine auf diesem Gelände angeordnete Vegetation, zeigen nur die Klemmen für die niedrigste Frequenz des Signalanalysators nennenswerte Ausgangssignale. Wenn ein bewegtes Objekt wie ein Flugzeug oder ein am Boden bewegtes Fahrzeug von dem Radar beobachtet wird, erscheint an der Klemme des Signalanalysators, welche der durch die Geschwindigkeit dieses bewegten Objektes erzeugten Dopplerfrequenz entspricht, ein für dieses bewegte Ziel repräsentatives Signal.

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Bei vielen Formen von Überwachungsradar- oder Rundsichtradar-Einrichtungen werden Transponder verwendet, um entweder feste Stellen auf den Boden zu bezeichnen oder bewegte Ziele mit bestimmter Bedeutung zu identifizieren« Es ist zweckmäßig, die Signale solcher Transponder zu kodieren, um eine eindeutige Identifikation vorzunehmen oder um eine Information von dem Transponder zu dem Radargerät zu übertragen. Bei einfachen Impulsradar-Einrichtungen wird eine solche Kodierung dadurch herbeigeführt, daß eine Reihe von Impulsen mit bestimmten Abständen in einer zeitlichen Folge übertragen v/erden.

Aus der US-PS 3 331 O7O ist eine Radareinrichtung bekannt, welche dazu dient, ein Signal von einem MTI-Radar zu empfangen und aufeinanderfolgende Impulse zu dem MTI-Radar zurückzureflektieren, wobei jeder der reflektierten, aufeinanderfolgenden Impulse in der Phase zeitlich um einen vorgegebenen Betrag verschoben ist, um ein bewegtes Ziel zu simulieren. Eine ähnliche Einrichtung ist aus der US-PS 3 716 856 bekannt. Bei den beiden bekannten Einrichtungen führt der Transponder oder eine auf Entfernung angeordnete Einrichtung eine vorgegebene einfache Phasenverschiebung in das Antwortsignal ein, um ein einzelnes Signal zu simulieren, welches eine vorgegebene Dopplerfrequenzverschiebung aufweist. Bei der Radareinrichtung würde dieses Signal als ein bewegtes Ziel erscheinen und könnte nicht von einem in diesem Bereich sich tatsächlich bewegenden Ziel unterschieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Radar-Transponder der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, um bei einer Abfrage eine eindeutige Aussage im Hinblick auf

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bewegte Ziele auch dann zu erreichen, wenn eine unübersichtliche Situation herrscht.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß der Erfindung wird eine eindeutige Transponder-Identifikation insbesondere dadurch erreicht, daß der Transponder eine Schaltung aufweist, welche dazu geeignet ist, bei dem kohärenten Antwortsignal eine vorgegebene, kodierte, komplexe Phasen- und/oder Amplitudenverschiebung zu erzeugen. Wenn das kohärente Antwortsignal des Transponders von dem Abfrageradar analysiert wird, sieht es so aus, als ob es aus verschiedenen Komponenten besteht, die bestimmte Doppler-Frequenzen und relative Amplituden enthalten. Die scheinbaren Doppler-Frequenzen und ihre relativen Amplituden bilden die Basis für die eindeutige Identifikation des Transpondersxgnals.

Gemäß der Erfindung ist somit der wesentliche Vorteil erreichbar, daß auch bei unübersichtiichen Situationen stets eine eindeutige Aussage über bewegte Ziele ermöglicht wird.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 ein Phasor-Diagramm, welches zwei Signale bei verschiedenen Frequenzen darstellt,

Fig. 2 A und 2 B jeweils ein Phasor-Diagramm für zwei Signale bei verschiedenen Frequenzen und an verschiedenen Zeitpunkten,

Fig. 3 ein Blockschema eines kohärenten Transponders gemäß der Erfindung,

Fig. 4- ein Blockschema einer alternativen Komponente für den Transponder nach der Figur 3 und

Fig. 5 ein Schaltschema eines Teils der in der Figur 4 veranschaulichten Anordnung.

Bevor die Erfindung im einzelnen beschrieben wird, wird nachfolgend die Erzeugung von modulierten Signalen, die von einem kohärenten Impuls-Doppler-Radar als eine Kombination von scheinbaren Doppler-Signalen interpretiert werden, kurz erläutert.

Die Figur 1 veranschaulicht ein Phasor-Diagramm eines Trägersignals E bei der Frequenz f , und es wird ein zweites Träger-

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signal E-, bei einer etwas unterschiedlichen Frequenz f + f^ dargestellt. Nach der herkömmlichen Konstruktion solcher Diagramme ist der Phasor E stationär, wenn die betrachteten Signale auf eine Bezugsfrequenz bezogen werden, welche f entspricht, und zwar bei einem beliebigen Winkel, der die Phasenverschiebung in bezug auf das Bezugssignal angibt. Der

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Phasor E, rotiert gemäs der Darstellung, da sein Phasenwinkel sich in bezug auf das Bezugssignal kontinuierlich verändert. Der Phasor E-, führt eine Umdrehung in demjenigen Zeitintervall aus, welches der Periode f-, der Frequenzverschiebung entspricht. Ein solches Signal tritt in einem kohärenten Radar auf, wenn die Reflexion von einem sich stetig bewegenden Ziel beobachtet wird. Bei einem gepulsten Radar ist der rotierende Phasor an diskreten Punkten in der Zeit /,u beobachten, welche dem Auftreten der Kadarinpulse entsprechen.

Wenn zwei sich bewegende Ziele mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gleichzeitig durch das kohärente Radar beobachtet werden, tritt die in der Figur 2 dargestellte Situation auf. Die empfangenen Signale E,. bei der Frequenz f,,. + f und Ejp bei der Frequenz f,~ + f,, sind vorhanden. Die Figur 2 A zeigt die relativen Positionen der Phesoren Ε-,. + Ε-,ρ in einem bestimmten Zeitpunkt, und das gesamte Signal E, ist als die Summe der zwei Phasoren dargestellt. Die Figur 2 B zeigt die Phasoren zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise zu der Zeit des nächsten Radarimpulses. In diesem Beispiel ist f -,ρ größer als f-,,,, so daß der Phasor Ε-,ρ weiter vorrückt als der Phasor E-,^ , und zwar in dem Zeitintervall zwischen den Figuren 2 A und 2 B. Es sind auch beide Frequenzen f ·,. und f-j2 höher als die Bezugsfrequenz, so daß die Signale cit der Zeit in Phase fortschreiten. Das 3-eserntsignal im zweiten Zeitpunkt (siehe Figur 2 B) ist wiederum durch die Summe der zwei Komponenten dargestellt. Ein Radar, welches für eine Spektralanalyse der Doppler-Signale ausgerüstet ist, würde das gleichzeitige Auftreten von E^_x, und Ε-,ρ durch Signale anzeigen, welche an den zwei entsprechenden Ausgangsklemmen auftreten. Es ist ersichtlich, daß auch eine beliebige andere

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Anzahl von gleichzeitigen Signalkomponenten in ähnlicher Weise dargestellt und analysiert werden könnten.

Die Figur 5 zeigt ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Transponders. Eine Antenne 10 ist über einen Zirkulator 11 mit einem Vorwahlfilter 12 verbunden, welches auf eine gewünschte Radarfrequenz abgestimmt ist= Der Ausgang des Filters 12 ist mit einem Mischer IS verbunden, an den auch ein Überlagerungsoszillator 16 angeschlossen ist. Der Mischer 15 wandelt die Radarsignale von dem Filter ^Λ2 in eine eeeignete Zwischenfrequenz um, die typischerweise bei 60 Megahert. biegen kann. Der Ausgang des Mischers 15 ist über einen Verstärker 18 mit einer Verzögerungsleitung 1/ und mit einem Detektor 20 verbunden. Der Ausgang der Verzögerungsleitung 17 ist über einen Verstärker 21 mit einem Modulator 22 verbunden. Der Ausgang des Detektors 20 ist mit einer Dekodier- und Übertragungslogik 25 verbunden, die einen Ausgang aufweist, der mit einem Xodegenerator 27 verbunden ist, und die einen weiteren Ausgang hat, der mit einem Leistungsverstärker oder Sender 28 verbunden ist. Der Kodegenerator 27 steuert; den Modulator 22. Der Ausgang des Modulators 22 ist mit einem zweiten Mischer $0 verbunden, der auch ruit überlagerungsoszillator 16 verbunden ist und das Ausgangssignal des Modulators 22 in ein Radarsignal entsprechender Frequenz rüctcwandelt und dieses dem Leistungsverstärker 28 zuführt. Der Ausgang des Leistungsverstärkers 26 ist über den Zirkulator 11 mit der Antenne 10 verbunden.

Im Betrieb der in der Figur 3 dargestellten Einrichtung empfängt die Antenne 10 Signale von einem abfragenden kohärenten Impuls-Doppler-Radar, und diese Signale gehen durch den Zirkulator 11 und das Filter 12 zu dem Mischer 15« Der Mischer 15 wandelt die Radarfrequenzsignale in Zwischenfrequenzsignale

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um, und diese Signale werden zunächst verstärkt und dann der Verzögerungsleitung 17 und dem Detektor 20 zugeführt. Die Verzögerungsleitung 17 verzögert die Signale um ein Zeitintervall, welches etwas langer ist als die Radarimpulsbreite, um eine Interferenz mit dem Signalempfang zu vermeiden, wenn das modifizierte Signal rückübertragen wird. Das verzögerte Signal geht dann durch den Modulator 22 hindurch, welcher die Phase und/oder die Amplitude des Sign:.is in Abhängigkeit von den Signalen verändert, die von den Kodegenerator 27 geliefert werden. Das Ausgangssignal des Modulators 22 wird durch den Mischer 30 in das Radarfrequenzsignal rückgewandelt und als kohärentes Signal rückübertragen. Die Verstärker 16, 21 und 28 dienen dazu, geeignete Signalpegel in der gesamten Anlage aufrecht zu erhalten, so daß mehr oder weniger an sich bekannte Verstärker verwendet werden können. Das durch die Antenne 10 abgestrahlte Signal wird anschließend wieder empfangen und durch das Abfrageradar analysiert.

Jeder Impuls, der durch die Antenne 10 empfangen und durch den Transponder verarbeitet wird, wird von dem Detektor ermittelt, so daß die entsprechenden Signale der Dekodier- und Ubertragungslogik 25 zugeführt werden, um den Kodegenerator 27 und den Leistungsverstärker 23 zu steuern. In dieser Ausführungsform ist der Kodegenerator 27 eine Speichereinrichtung, in welcher die Folge der Modulatoreinstellurion gespeichert v;ird, die erforderlich sind, um den gewünschten Kode den rückübertragenen Signalen zu überlagern. Jede Modulatoreinstellung wird der Heine nach von der Speichereinrichtung des Kodegenerators 27 durch die Dekodier- und tJbertragungslogikschaltung 25 abgerufen, so daß sie dem Modulator 22 zugeführt werden kann.

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Aus der Figur 2 A und 2 B ist ersichtlich, daß sowohl die Amplitude oder Größe als auch die Phase des Gesamtsignals E. von einem Zeitpunkt zu einem anderen Zeitpunkt (und auch von einem Impuls zum nächsten Impuls) einer Änderung unterworfen sind. Diese Veränderungen sind natürlich vollständig durch die Frequenzen, Amplituden und relativen Phasen (bei einem willkürlichem Anfangspunkt) der Komponenten festgelegt. Folglich erfordert ein Signal, welches zu analysieren ist und aus zwei oder mehreren Komponenten besteht, Veränderungen eines ursprünglichen Bezugscignal?, die vorab in Form der benötigten Veränderungen des Gesamt; signals berechnet und in der Speichereinrichtung des Kodegenerators 27 gespeichert werden können. In alternativer Weise könnte das Steuersignal für den Modulator 22 dadurch erzeugt werden, daß getrennte Oszillatoren bei den gewünschten simolierten Dopplerfrequenzen betrieben werden (beispielsweise f,,, und f -p in den Figuren 2 A und 2 B) und indem ihre Ausgangssignale das Gesamtsignal erzeugen. Andere Methoden mit vergleichbaren Ergebnissen liegen ebenfalls im Rahmen der Erfindung.

In der Figur 4- ist ein Modulator zur Steuerung der Phase und der Amplitude eines Eingangssignals dargestellt. Das Signal, welches gesteuert werden soll, welches bei dieser Ausfuhrungsform das Ausgangssignal des Verstärkers 21 ist, wird einer Quadratur-Kybrid-Schaltung J5 zugeführt, welche das Signal in eine gleichphasige Komponente und eine Komponente mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad aufspaltet. Die gleichphasige Komponente, die von der Hybridschaltung 35 geliefert wird, wird einem abgeglichenen oder kompensierten Modulator 36 zugeführt, und die um 90 Grad phasenverschobene Komponente wird einem abgeglichenen oder kompen-

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sierten Modulator 37 zugeführt. Die Modulatoren 36 und 37 haben jeweils einen Steuereingang, welcher Signale von dem Kodegenerator 27 empfängt und getrennt die in Phase befindliche Komponente und die um 90 Grad phasenverschobene Komponente justiert oder einstellt. Diese justierten oder eingestellten Komponenten werden dann einer gleichphasigen Hybridschaltung 40 zugeführt, welche die Komponenten wieder kombiniert, um an dem Ausgang das gewünschte modulierte Signal zu erzeugen, v:elches in cieeer Ausführungsform den Mischer 30 zugeführt v:ird. Da zwischen der in Phase befindlichen Komponente und der um 90 Grad in der Phase verschobenen Komponente diese Phasendifferenz zwischen 90 Grad besteht, kann eine gewünschte Kombination einer Phasen- und Amplituden-Einstellung des Signals dadurch erreicht werden, daß eine entsprechende Kombination der Steuersignale an die Modulatoren 36 und 37 geliefert wird.

Die Figur 5 enthält ein Schaltschema eines abgeglichenen ader kompensierten Doppelmischers, von denen zwei als Modulatoren 36 und 37 verwendet werden können. In dem Mischer der Figur 5 ist eine Brückenschaltung mit vier Dioden 4;>, 46, 47 und 48 vorhanden, wobei die Dioden jeweils derart geschaltet sind, daß die Anode einer Diode mit der Kathode einer benachbarten Diode verbunden ist. Zwei zueinander gegenüberliegende Ecken der Brückenschaltung sind mit entgegengesetzten Seiten einer Sekundärwicklung eines Eingangstransformators 50 verbunden, dessen Primärwicklung zwischen einer Eingangsklemme und der Masse angeordnet ist. Die beiden übrigen einander gegenüber angeordneten Ecken der Brücken schaltung sind mit entgegengesetzten Seiten einer Primärwicklung eines Ausgangstransformators 51 verbunden, dessen Sekundärwicklung zwischen einer Ausgangsklemme und der Masse angeordnet ist. Die Sekundärwicklung des Eingangsübertragers

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50 hat einen geerdeten oder mit der Masse verbundenen Mittelabgriff, und die Primärwicklung des Ausgangsübertragers S1 hat einen Mittelabgriff, welcher derart geschaltet ist, daß er das Steuersignal von dem Kodegenerator 27 aufnimmt. Bei dieser Mischerschaltung verändert das Steuersignal die Widerstände der vier Dioden A-5 bis 4-8, so daß ein veränderbarer Anteil des Eingangssignals zu der Ausgangsklemme übertragen wird. Das Ausgangssignal erfährt auch eine Phasenverschiebung von 180 Grad, wem sich das Steuersignal von plus auf mi nur ändert. Somit int eine vollständige Steuerung der Signale möglich, welche den Modulatoren ^o und ;7 zugeführt werden, indem eine derartige Schaltung verwendet wird. Während ein spezieller Modulator 22 dargestellt ist und ein spezieller abgeglichener oder kompensierter Modulator (56 und 37) veranschaulicht ist, ist zu bemerken, daß viele andere Arten von Modulatoren im Rahmen der Erfindung verwendet werden könnten, um zu vergleichbaren Ergebnissen zu kommen.

Gemäß der Erfindung wird ein besonders fortschrittlicher kohärenter Signaltransponder geschaffen, bei welchem ein Komplexsignal dazu verwendet wird, das Signal zu modulieren oder zu kodieren, bevor es als Rückkehrsignal zu dem Abfrageradar rückübertragen wird. Diese Kodierung umfaßt eine komplexe Phasenverschiebung und/oder eine komplexe Amplitudenverschiebung. Während die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes mit einer komplexen Phasenverschiebung und einer komplexen Amplitudenverschiebung arbeitet, um ein aus mehreren Komponenten bestehendes Signal zu erzeugen, ist zu bemerken, daß eine brauchbare Approximation des theoretisch perfekten Ergebnisses dadurch erreicht werden k.nnn, daß nur eine der zwei Modulationsarten verwendet wird, d.h. entweder eine Phasen- oder eine Amplitudenverschiebung„ Durch eine Kodierung des rückübertragenen Signals des Transponders

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mit einer komplexen Phasen- und/oder Amplitudenverschiebung erscheint das Rückkehrsignal, wenn es durch das abfragende Doppler-Radar analysiert wird, als ein Ziel, welches sich gleichzeitig mit zwei oder mehreren Geschwindigkeiten bewegt. Da sich ein reelles Ziel nur mit einer einzigen Geschwindigkeit bewegen kann, wird ein in dieser Weise kodierter Transponder bei einem tatsächlichen Ziel nicht verwirrt. Während ein Rückkehrsignal· mit nur ζ v/ei aufmodulier ten Komponenten beschrieben wurde, ist zn bemerken, daß auch eine beliebige Anzahl von Komponenten verwendet werden könnte (nur durch den Analysator des Abfrage-Radars begrenzt) und daß die Anzahl der Identifikationskodes praktisch unbegrenzt ist.

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Claims

Patentansprüche

1.. Kodierter kohärenter Transponder mit einem Empfänger und einem Sender zum Empfang eines Abfragesignals und zur übertragung eines kohärenten Antwortsignals mit einer vorgegebenen kodierten Information, dadurch gekennz e i chne t, daß eine Einrichtung (22, 27, 25) vorgesehen ist, welche dazu dient, eine vorgegebene kodierte komplexe Phasenverschiebung bei dem kohärenten Sückkehrsignal einzuführen, so daß dadurch eine Anzahl von Dopplerfrequenzkomponenten gleichzeitig repräsentiert werden.

2. Transponder nach Anspruch Ί,dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (27) vorgesehen ist, welche dazu dient, eine vorgegebene Amplitudenverschiebung in dem kohärenten Rückkehrsignal zu erzeugen.

3. Transponder nach Anspruch 2, dadurcn gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebungseinrichtung eine Schaltung (35) aufweist, welche dazu dient, das Abfragesignal in ein in Phase befindliches und in ein um 90 Grad phasenverschobenes Signal zu teilen, daß ein erstes und ©in zweites Dämpfungsglied (36, 37) angeschlossen sind, um auf die beiden gegeneinander um 90 Grad in der Phase verschobenen Komponenten einzuwirken, und zwar in Reaktion auf ein Kodesignal, und daß eine Schaltung (40) vorgesehen ist, welche dazu dient, die Komponenten zu einem resultierenden, phasenverschobenen kodierten Signal wieder zu vereinigen,

4. Transponder nach Anspruch 3_S dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Dämpfungsglied jeweils einen Doppel-Abgleich-Dioden-Mischer (45 bis 48, 50, 51) enthalten.

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5. Verfahren zur Kodierung des Rückkehr signals "bei einem kohärenten Transponder mit einem Empfänger und einem Sender, wobei ein Abfragesignal empfangen und ein kohärentes Antwortsignal ausgesandt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abfragesignal empfangen wird, daS das empfangene Signal in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Kode in der Phase moduliert wird, daß eine vorgegebene komplexe Phasenverschiebung bei dem Signal vorgenommen wird, um eine Mehrzahl von gleichzeitigen vorgegebenen Antwortsignalen darzustellen, und daß das modulierte Signal übertragen wird.

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