DE3030515A1 - Radargeraet zum erkennen und zum orten von fahrzeugen - Google Patents

Radargeraet zum erkennen und zum orten von fahrzeugen

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DE3030515A1
DE3030515A1 DE19803030515 DE3030515A DE3030515A1 DE 3030515 A1 DE3030515 A1 DE 3030515A1 DE 19803030515 DE19803030515 DE 19803030515 DE 3030515 A DE3030515 A DE 3030515A DE 3030515 A1 DE3030515 A1 DE 3030515A1
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radar device
difference
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sum
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DE19803030515
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Henri Jean Paris Bosc
Pierre Jean-Marie Fontenay-le-Fleury Goyard
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International Standard Electric Corp
Original Assignee
International Standard Electric Corp
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/415Identification of targets based on measurements of movement associated with the target

Description

H.J. Bosc 27-7
Radargerät zum Erkennen und zum Orten von Fahrzeugen
Die Erfindung betrifft ein Radargerät zum Erkennen und zum Orten von Fahrzeugen, insbesondere von Hubschraubern. Die Hubschrauber sollen auch dann erkannt werden, wenn sie durch eine Tarnfolie getarnt sind.
Bei vielen Radareinsätzen,ζ.B. bei der Überwachung, ist es schwierig, spezielle Ziele zu entdecken und zu orten. Bei Hubschraubern wird dies oft dadurch erschwert, daß sie schweben und leicht in Deckung gehen können. Getarnte Ziele können oft nur von Radargeräten, die langwellige Signale abstrahlen, erkannt werden. Die Verwendung von langwelligen Signalen ermöglicht jedoch nur eine schlechte Winkelauflösung. Die Genauigkeit der Winkelmessung kann verbessert werden durch bekannte Techniken wie z.B. Monopulstechnik oder gleichzeitige Erzeugung mehrerer Strahlungskeulen. Jedoch auch diese Techniken ermöglichen keine Verbesserung der Auflösung in Bezug auf eng benachbarte Ziele. Um mit Monopulsradargeräten genaue Zielvermessungen durchführen zu können, darf in einer Auflösungszelle nur ein Ziel vorhanden sein. Die Auflösungszelle kann hinsichtlich der Entfernung dadurch verkleinert werden, daß man die Impulskompressionstechnik anwendet. Die Zielpositionsmessung kann verbessert werden, indem man alle unerwünschten Echos beseitigt; im Falle der Hubschrauberortung heißt dies alle Echos, die nicht von Hubschraubern verursacht werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Radargerät zum Erkennen und zum Orten von Hubschraubern anzugeben.
Mit dem neuen Radargerät ist dies auch dann möglich, wenn die Hubschrauber getarnt sind.
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Die Identifizierung der Hubschrauber erfolgt dadurch, daß man bestimmte Eigenschaften des empfangenen Echosignals auswertet. Das von einem schwebenden Hubschrauber erzeugte Echosignal ist vor allem durch eine starke und periodische Amplitudenmodulation, die ein breites Linienspektrum erzeugt, gekennzeichnet. Die Frequenz dieser Amplitudenmodulation ist für alle Hubschrauber größer als 15 Hz. Sie wird durch die Rotorblätter verursacht und wird bei dem neuen Radargerät als Kriterium zur Erkennung von Hubschraubern verwendet.
Bei dem neuen Radargerät sind Mittel vorgesehen, mittels derer Echos, deren Modulationsgrad unterhalb eines bestimmten Schwellwerts liegt, eliminiert werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind Mittel vorgesehen, mittels derer Echos, deren Spektralbreiten unterhalb eines bestimmten Schwellwerts liegen, eliminiert werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:
Fig.1 ein Blockschaltbild des neuen Radargerätes, Fig.2 ein Ausführungsbeispiel für einen Überwachungsselektor, Fig.3 Diagramme zur Erläuterung der Funktion des Überwachungsselektors nach Fig.2,
Fig.4, 5 und 6 weitere Ausführungsbeispiele der Überwachungs- und/oder Meßselektoren.
In der Fig.1 ist das Blockschaltbild eines Radargeräts zum Erkennen und zum Orten von Hubschraubern dargestellt. Es handelt sich um ein Monopuls-Radargerät, von dem niederfrequente Signale abgestrahlt werden und bei dem eine Impulskompression mit Phasenkodierung angewandt wird.
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Der Empfänger v/ird alternierend in den Summen- und Differenzkanälen betrieben und ist mit Antennen.1 und 2 über einen Koppler 3 und einen Schalter 5 verbunden. Das abzustrahlende Signal wird in einem Frequenzsynthesizer 12 erzeugt und in einem Modulator 11 amplituden- und phasenmoduliert. Dem Modulator 11 werden in einem Taktgenerator 13 erzeugte Impulse zugeführt. Das abzustrahlende Signal wird in einem Verstärker 4 verstärkt und über den Koppler 3 den Antennen 1 und 2 zugeführt. Der Empfänger enthält einen EIF-Verstärker 6, einen Mischer 7, dem außerdem ein von dem Synthesizer 12 erzeugtes Mischsignal· zugeführt wird, einen Korrelator 8, der ebenfalls zusätzlich mit dem Synthesizer verbunden ist, einen ZF-Verstärker 9 und einen kohärenten Detektor 10, dem vom Synthesizer 12 zwei zueinander in Phasenquadratur stehene Signale zugeführt werden. An Ausgängen 101 und 102 des kohärenten Detektors erhält man alternativ die sin- und cos-Komponenten des Summen (E)- und Differenz (Δ)-Kanals.
Wie bereits erwähnt, können zur Unterscheidung von Hubschrauberechos von anderen Echos zwei Kriterien verwendet werden. Diese Kriterien sind die Breite des Doppler-Spektrums (Spektralbreite) und das Vorhandensein einer starken und periodischen Amplitudenmodulation. Abhängig davon, welches dieser Kriterien gewählt wird, unterscheiden sich auch die Ausführungsbeispiele. Es können auch in einem Radargerät beide Kriterien ausgewertet werden. Erkannte Ziele können dadurch lokalisiert werden, daß man ermittelt, wenn das Differenzkanalsignal null passiert oder dadurch, daß man den tatsächlichen Azimut berechnet während der Zeit, während der der Strahl über das Ziel streicht.
Bei einem Ausführungsbeispiel werden die sin- und cos-Komponenten des Ausgangssignals des kohärenten Detektors 10 alternierend einer Reihe von Überwachungsselektoren (ein Selektor pro vorgegebenem Entfernungsbereich) und einem Meßselektor 18 zugeführt.
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Das Blockschaltbild der Fig.2 ist ein Beispiel für einen
Überwachungsselektor, bei dem zum Erkennen von Hubschrauborechos nur die Spektralbreite des Echosignals ausgewertet
wird. Der Selektor enthält Torschaltungen 170 und 175, die mit den Ausgängen 101 und 102 des kohärenten Detektors 10 verbunden sind. Sie werden von Taktsignalen HA und HB gesteuert und lassen die sin-Komponente des Differenz (A)-Kanals (Torschaltung 170) und die cos-Komponente des Summen (X")-Kanals (Torschaltung 175) passieren. Für den Summenkanal sowie für den Differenzkanal wird nur eine sin- oder cos-Komponente
verwendet. Die Ausgangssignale der Torschaltungen 170 und
175 werden zu Doppler-Filtern 171 und 176 geleitet, deren
Sperrbereich so gewählt ist, daß unerwünschte Echos eliminiert werden. Bei einer Sendefrequenz von 160 MIIz ermöglicht eine untere Grenzfrequenz der Dopplerfilter von 30 Hz die Elimination von Echos von Zielen, die in Bezug auf das Radargerät eine
Radialgeschwindigkeit von weniger als 100 km/h haben. Die
obere Grenzfrequenz ist so gewählt, daß der größte Teil des Spektrums eines von einem Hubschrauber reflektierten Signals durchgelassen wird. Sie liegt in der Größenordnung von 100 bis 200 Hz. Den Doppler-Filtern 171 und 176 sind Detektoren 172 und 177 nachgeschaltet, deren Ausgangssignale zu Tiefpaßfiltern 173 und 178 geleitet werden. Den Tiefpaßfiltern sind Schwellwertschaltungen 174 und 179 nachgeschaltet. In der Schwellwertschaltung 179 des Σ (cos)-Kanals wird das Ausgangssignal des Filters 178 mit einem fest vorgegebenen Schwellwert (B in Fig.3) verglichen. Der der anderen Schwellwertschaltung im
A(sin)-Kanal zugeführte Schwellwert (A in Fig.3) ist eine
Funktion des Signals imY -Kanal und wird vom Ausgangssignal der Schwellwertschaltung 179 gesteuert. In der Fig.3 ist dargestellt, wie man in der Strahlmitte eine Auswertung vornehmen kann. Die Ausgangssignale der Schwellwertschaltungen werden
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einer logischen Schaltung 180 zugeführt, die an eine nicht dargestellte Anzeigeeinrichtung ein Signal abgibt, wenn das Signal im Δ-Kanal unter dem Schwellwert (Kurve A, Fig.3) und das Signal im Σ-Kanal oberhalb des Schwellwerts (Kurve B, Fig.3) liegt.
Das Ausgangssignal der Schwellwertschaltung 179 gibt an, ob ein Echo vorhanden ist. Es kann zu der Anzeigeeinrichtung geleitet werden.
Aus den Ausgangesignalen des kohärenten Detektors kann man auch kontinuierlich den Winkel zwischen der Richtung zum Ziel und der Strahlachse während der Rotation der Antenne berechnen,
Nachfolgend wird beschrieben, wie man den Winkel zwischen der Richtung zum Ziel und der Antennenanordnung, die aus zwei gleichen im Abstand d angeordneten Antennen, die jeweils ein Strahlungsdiagramm f (B) erzeugen, berechnet. Während der Signalabstrahlung werden beide Antennen gleichphasig angeregt und das entstehende Feld kann für die Richtung θ in einer Entfernung C-γin komplexer Schreibweise wie folgt dargestellt werden:
f(6)
ω t -TT) + -S-
Dies kann auch geschrieben werden als
2f (6)fcos ω it - j) + j sin ω (t - yVUos |·
Hierbei ist
to Kreisfrequenz des abgestrahlten Signals,
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— von der elektromagnetischen Welle im Raum zurückgelegter Weg,,
ψ Phasenverschie.bung zwischen den beiden Antennen. Diese Phasenverschiebung ist gleich 2π -r- sin θ ι
λ Wellenlänge des.abgestrahlten Signals.
Die von den beiden Antennen empfangenen Echosignale können beschrieben werden durch:
|eij 2 .
Nach Demodulation mit dem Referenzsignal "to"fc " und mit toV erhält man: ' "-' · ..-■-. ν . ■,
iJ; -J sin '%os | e-j f .
Das: S^ummens^gfM Zx und das piff ernzsignal Δ werden entsprechend
Δ = 4jf(9)[cos ψ - j sin --jjjcos ·=· sin y .
Den Winkel Gj! erh'äit man; r4urdh" die Bildung* des Quotienten von Differenzsignal zu Summensignal:
In der Fig »,4 iSftTdas Blockschaltbild einer Einrichtung zur Berechnung ^die"d.es Wlnitels" darg^Bte-QlltitDias s.in-Signal des Δ -Kanals und das cos-Signal des X" -Kanals werden jeweils zu einem Doppler-Filter geleitet. Die Ausgangssignale der Doppler-Filter, s3.%\.-^i}<^r^,.^>\i .^ei.ijer. S.chaltung 181," die de'n "'x
ORIGINAL INSPECTED
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Δ
Quotienten J vom Signal·im Δ -Kanal durch Signal im i -Kanal berechnet. In einer Schaltung 182 wird aus dem Quotienten -^ der Winkel Θ berechnet, und in einer Schaltung 183 wird aus diesem Winkel 6 und der augenblicklichen Antennenrichtung der Winkel zum Ziel berechnet. Zur Beseitigung von Rauschen ist im Z -Kanal eine Schwellwertschaltung 184 vorgesehen.
Mit einer Schaltung gemäß der Fig.4 ist jedoch möglich, daß Echosignale von Zielen mit hohen Geschwindigkeiten passieren, die von den Doppler-Filtern .nicht eliminiert werden. Um die Falschalärm-Rate zu verringern, wird die Amplitudenmodulation ausgewertet. In den. Fig1.5 und 6 ist dargestellt, wie dies für einen überwachungsselektor und einen Meßselektor durchgeführt wird. ' -.-.-:-■■ ·
Bei dem in der"Fig.5 dargestellten,überwachungsselektor erhält man'die sin- un&d:ie~\eQ.s-KomponenJten. des^^und des X Kanals an den Ausgängen von Torscha.ltungen 200, 201 , 202 und 203, die , wie bei'xter Flfr. 4, durch T,akts.ignale HA und HB gesteuert werdenV Ddeseii TorschaltjUxigen sind., jeweils Doppler-Fxlter 204', 205, '206 iind r2rO-7*,n:aGhcgesohaltet. In Schaltungen 208 und: 209 werden·' die^erhäiXiinfi-Sjzahlen^-der, Suiranen- bzw. Dif rereniz'kartäl^Si'gr£a-ls'jgebtldet:e die.da-nn Filtern 210 und 21t zu^eführt:'-weffd5©n. .'Diese. ..las.%envnur Echosignale mit einer Amplit'ud;enmodul;äft!i"dri ^ dereiT Erequen2j. oberhalb von einem be-' stimmten Wert:, (ca. 10 Ηζ·ΐ>. liegt, durchT< Denr.Filtern 210 und 211 si'n'd OcHwellwerfeschalbungen:, d.4e,Tm|.t denen der„Fig.2 identisch sind, nachgeschaltet. Die Schwellwertschaltung 213 im X -Kanal weist einen festen Schwellwert auf. Mit ihrem Ausgangssignal ^wi-rd 3e% 'Schwellwert r-äer,Schwellwertschaltung 212 des Diffexenz-kanals ,ge^steuer^t,,.Es wird. ermittelt;>r:;wann das Signal im^-Kanal oberhalb eines bestimmten, fest vorge-
i"t3 O'CKT-3-/
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gebenen Schwellwerts und das Signal im A. -Kanal unterhalb
eines variablen Schwellwerts liegt. Wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, gibt eine Torschaltung 214 ein Signal ab.
Wie bei der Einrichtung nach Fig.2 liefert die Schaltung 213 ein Signal "Echo vorhanden", das verwendet werden kann, wenn das Signal/Rausch-Verhältnis keine Winkelmessung ermöglicht.
Aus der Verhältniszahl der Signale des Summen- und Differenzkanals, die in der Einrichtung nach Fig.5 gebildet wird, ist es nicht möglich, das Vorzeichen der Winkelabweichung zwischen der Richtung zum Ziel und der Antennenachse zu bestimmen. Es ist deshalb ein Meßselektor vorgesehen, bei dem eine Auswertung der Spektralbreite und der Amplitudenmodulation erfolgt und bei dem außer dem Betrag auch das Vorzeichen der Winkelabweichung ermittelt wird. Ein Ausführungsbeispiel ist in der Fig.6 dargestellt. Torschaltungen 300, 301, 302 und 303 ermöglichen den Durchgang der sin- und cos-Komponenten der
Signale im Δ -und im"2T -Kanal. Ihre Steuerung erfolgt durch
Taktsignale HA' und HB'. Die Taktsignale HA' und HB1 bestimmen die Entfernung der überprüften Auflösungszelle und ihre
Steuerung (Fig.1, 19) mittels der Ausgangsinformation von den Überwachungsselektoren 17 kann manuell oder automatisch erfolgen. Die Ausgangssignale der Torschaltungen 300 bis 303 werden in Doppler-Filtern 304, 305, 306 und 307 gefiltert. Schaltungen 308 bis 313 dienen zur Berechnung der Amplituden
und J Σ—j Δ j mit
Σ+jA = Ecos - Asia + j(Zsin + Acos),
und
Σ-jA = Zcos + Asin + j(£sin - Acos).
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Die Schaltungen 308 und 309 berechnen die Summen (X cos Λ sin) und (Zsint Δ cos) und die Schaltung 312 berechnet den Ausdruck \~Σ + k&\ . Auf ähnliche Weise bilden die Schaltungen 310 und 311 die Summen CS~cost-A sin) und (2Tsin -Δ cos) und die Schaltung 313 berechnet den Ausdruck | ΣΓ—j Δ j Den Schaltungen 312 und 313 ist jeweils ein Hochpaßfilter 314, 315 nachgeschaltet. Die Schaltungen 316, 317 und 318 dienen zur Bestimmung des Quotienten von Differenzsignal/\ zu Summensignal ^T aus den Ausdrücken |£+jA| und | ΣΓ—j Δ j.
Die Signale^ und A können geschrieben
Σ = 4f (Θ) cos y[cos ψ - j sin i{>Jcos ■■-Δ * kt (Θ) cos ^[-sin ψ - j cos i£»]sin j .
mit K = 4f2(0) cos I :
Σ+jA = Σ^β - Asia + j (Zsin + Acos)
= k(cos -|· - sin yHcos ψ - j sin ψ
und Σ-j Δ = Zcos + Asin + j(Zsin - Acos)
= Kicos j + sin yVcos ψ - j sin ψ|
Mit
Q =
Σ-j Δ - Σ+jA
Σ-ΐΔ + Σ+j Δ
• φ
Sln 9 A
erhält man Q = £ = tg — .
φ 2
cos X
und da φ = 2ττ γ sin θ, ist,
kann man hieraus den Winkel & bestimmen.
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II.J. Dose 27-7
Die Schaltung 316 berechnet den Wert des Zählers, d.h. des Ausdrucks j Σ—j Δ [ - |E+jA|, die Schaltung 317 berechnet den Wert des Nenners, d.h. des Ausdrucks | Σ—j Δ | + |Z+jA|; die Schaltung 318 berechnet den Wert des Quotienten Q. Der Wert der Winkelabweichung kann addiert werden zur Antennenrichtung, die durch den Antennensteuermechanismus gegeben ist. Dadurch erhält man den tatsächlichen Zielwinkel.
Ks wurde bereits erwähnt, daß das Echosignal, das von einem Hubschrauber verursacht wird, durch eine starke und periodisehe Amplitudenmodulation gekennzeichnet ist. Da außerdem die Frequenz des Modulationssignals für einen bestimmten Hubschraubertyp eine konstante ist, ist es möglich, durch Messung der Frequenz der Amplitudenmodulation, z.B. mit einer Regelschleife, den Hubschraubertyp zu erkennen. Diese Messung kann im Meßselektor durchgeführt werden.
Die Signalverarbeitung und Auswertung kann auch in digitaler Technik erfolgen.
9 Ansprüche
Zeichnungen
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Claims (9)

Patentanwalt Dipl.-Phys. Leo Thul Kurze Str. 8 7000 Stuttgart 30 H.J. Bosc-P.J-M. Goyard 27-7 INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK Patentansprüche
1. Radargerät zum Erkennen und zum Orten von Fahrzeugen, insbesondere von Hubschraubern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (Fig.4) vorgesehen ist, die nur solche Echosignale zur weiteren Verarbeitung freigibt, die einen oberhalb eines bestimmten Schwellwerts liegenden Modulationsgrad haben.
2. Radargerät zum Erkennen und zum Orten von Fahrzeugen, insbesondere von Hubschraubern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (Fig.2) vorgesehen ist, die nur solche Echosignale zur weiteren Verarbeitung freigibt, deren Spektralbreiten einen bestimmten Wert überschreiten.
3. Radargerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Monopuls-Radargerät mit Phasenkodierung ist, daß mehrere Uberwachungsselektoren (17), die jeweils einem bestimmten Entfernungsbereich zugeordnet sind, vorgesehen sind, daß diese Uberwachungsselektoren ein Ausgangssignal abgeben, wenn die Spektralbreite ihres Eingangssignals einen bestimmten Wert überschreitet, daß jedem Entfernungsbereich ein Meßselektor (18) zugeordnet ist, der für einen bestimmten Entfernungsbereich den Winkel zwischen der Antennenachse und
Sm/Ka
6.8.1980
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der Zielrichtung angibt und zwar nur dann, wenn das Echosignal vom Ziel eine Spektralbreite oder Amplitudenmodulationsgrad aufweist, die/der einen bestimmten Wert überschreitet.
4. Radargerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Uberwachungsselektoren (17) dann ein Signal abgeben, wenn einerseits das Signal im Summenkanal· (£) oberhalb eines ersten Schwellwerts und andererseits das Signal im Differenzkanal (Δ) unterhalb eines zweiten Schwellwerts liegt.
5. Radargerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Uberwachungsselektoren (17) in jedem Summen- und Differenzkanal· mindestens ein Doppler-Fiiter (171,176), einen Detektor (172,177), ein Tiefpaßfiiter (173,178) und eine SchWe^Wertscha^ung (174,179) entha^en.
6· Radargerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die überwachungsseiektoren (17) eine Schaitung (181) zur Berechnung des Quotienten von Differenzsignal· (Λ) zu Summensignal· enthäl·^
7. Radargerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsseiektoren (17) Doppl·er-Fil·ter entha^en und zwar jeweiis für die gieichphasigen und die in Phasenquadratur befindiichen Komponenten der Signaie in den Summen (ΣΓ) ~ und Differenz (Äi-Kanäien und daß sie einen Rechner, ein Hochpaßfiiter und eine SchWe^Wertscha^ung für jeden der Summen (D- und Differenz (Δ)-Kanäie entha^en.
8. Radargerät nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßseiektoren fol·gende Einrichtungen enthalten:
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für die gleichphasigen und die in Phasenquadratur befind lichen Komponenten der Signale in den Summen (X)- und Differenz (A.) -Kanälen Doppler-Filter (304 bis 307),
eine erste Schaltung (312) zur Berechnung des Ausdrucks Xf^Al aus den Ausgangssignalen der Doppler-Filter,
eine zweite Schaltung (313) zur Berechnung des Ausdrucks Σ-^ΔΙ aus den Ausgangssignalen der Doppler-Filter,
Hochpaßfilter (314,315) an den Ausgängen der ersten und zweiten Schaltungen, und
- eine Schaltung (318) zur Berechnung des Ausdrucks
9. Radargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Einrichtung zur Messung der Frequenz der Amplitudenmodulation vorgesehen ist.
Σ-jA - Σ+jA Σ-jA + Σ+jA
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