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Schaltungsanordnung zur Trennung von Nuta- und Stör-
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signalen Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur
Trennung von Nutz- und Störsignalen bei der Verarbeitung von Vndeosignalen unter
Verwendung einer Schellenwertschaltung.
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In Ortungsgeräten ist es zur Gewinnung einer Zielentscheidung oder
zur Erzielung einer konstanten Falschalarmrate bekannt, die Videospannung mit einem
Schwellenwert zu vergleichen. Der Schwellenwert kann einmalig aus einem Mittelwert
der Störspannungen abgeleitet werden oder einem schwankenden Störspannungspegel
mit einer gewissen Zeitverzögerung nachgeführt werden. Bei einer optimalen Auswertung
der Video signale soll erreicht werden, daß auch Zielvideosignale, die nur wenig
über dem Störsignalpegel liegen, bei einer Darstellung auf einem Bildschirm oder
einer rechnerischen Weiterverarbeitung nicht verloren gehen. Jeder zu hoch angesetzte
Schwellenwert führt daher zu einer Verminderung der Entdeckungswahrscheinlichkeit
des Ortungsgerätes. Ebenso nachteilig kann sich auch eine zu große Zeitverzögerung
eines veränderbaren Schwellenwertes auswirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verminderung der Entdeckungswahrscheinlichkeit
bei der Zielentscheidung in Ortungsgeräten weiter abzubauen. Diese Aufgabe wird
gemäß der Erfindung bei einer Schaltungs-6 Ausfertigungen 3. Ausfertigung
anordnung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß unterscheidungskräftige Merkmale
des Signalverlaufes (Strukturmerkmale) der Videosignale unter Verwendung eines aus
einer Anzahl von Laufzeitgliedern bestehenden Transversalfilters einer Strukturanalyse
unterzogen werden, derart, daß je nach Art der ausgewählten Strukturmerkmale ausschließlich
die für die Analyse geeigneten Abgriffe von mehreren Laufzeitgliedern über je ein
Wichtungsglied zwei Addierschaltungen zugeführt sind und daß die Ausgänge dieser-
Addierschaltungen über je ein weiteres Wichtungsglied an eine weitere Addierschaltung
geführt sind, und daß ferner das Ausgangs signal der letzten Addierschaltung als
adaptiver Schwellenwert in einem Komparator zur Nutz/ Störsignal-Entscheidung mit
einem am Mittenabgriff des Transversalfilters abgenommenen Videosignal verglichen
wird.
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Unter Verwendung dieser Schaltung können einzeln oder im Verbund z.B.
die Steilheit der vorderen und hinteren Impulsflanke, die Impulslänge, die Impulsabstände
und/oder andere unterscheidungskräftige Merkmale der Video signale analysiert und
durch Bildung des Schwellenwertes zur Unterscheidung von Nutz- und Störsignalen
ausgewertet werden.
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Die Schwellenwertbildung unter Anwendung einer Strukturanalyse der
Video signale ermöglicht eine nahezu trägheitslose Adaption des Schwellenwertes.
Sie ist daher den bekannten Schaltungen zur Schwellenwertbildung wegen einer besonders
geringen Einbuße an Entdeckungswahrscheir,lichkeit überlegen. Bereiche, in denen
die Empfindlichkeit der Signaldetektion durch die Strukturanalyse verringert wird,
sind auf die un-
mittelbare Umgebung der Flanken beschränkt. Die
Schaltung weist zudem einen großen Dynamikbereich auf.
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Für die schaltungsmäßige Ausbildung der Schwellenwertanordnung hängt
die Auswahl der Abgriffe des Transversalfilters und die Bemessung der Wichtungen
von der Wahl der auszuwertenden Strukturmerkmale der Videosignale ab.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand
der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur
Bildung eines Schwellenwertes unter Verwendung eines Strukturanalysators, Fig. 2
ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Bildung eines adaptiven Schwellenwertes
durch Auswertung von zwei Strukturmerkmalen eines Videosignales, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel
zur Erläuterung der Wirkungsweise eines Strukturanalysators, Fig. 4 das Ergebnis
einer Strukturanalyse.
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Die Grundschaltung des Strukturanalysators besteht aus einem bekannten
Transversalfilter, mit einem Eingang E und einem Abschlußwiderstand R,. Das Transversalfilter
weist eine Anzahl in Reihenschaltung angeordneter Laufzeitglieder s1 bis Tn (Laufzeitkette)
mit einer Anzahl Anzapfungen auf, die jeweils am Ausgang aller oder einer Auswahl
der Laufzeitglieder vorgesehen sind.
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An jeder der Anzapfungen kann das am Eingang E zugeführte Signal entsprechend
der Lage der jeweiligen Anzapfung innerhalb der Reihenschaltung mit einer
zeitlichen
Verzögerung abgenommen werden, die dem jeweiligen Vielfachen der Laufzeit des einzelnen
Laufzeitgliedes entspricht. Für die Auswertung der abgenommenen verzögerten Signale
können diese durch eine Wichtung individuell beeinflußt werden, bevor in einer Addierschaltung
eine Summenbildung mit solchen Signalen erfolgt, die innerhalb der Gesamtlaufzeitverzögerung
der Laufzeitkette als neue Signale an den Eingang E bzw.
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an die Anzapfung eines entsprechenden Laufzeitgliedes gelangt sind.
Zur angestrebten Strukturanalyse kann es zweckmäßig sein, eine mehrfache Summenbildung
symmetrisch zu einem mittleren Abgriff der Laufzeitkette durchzuführen. Die Ergebnisse
derartiger Summenbildungen können nach einer weiteren Wichtung einem weiteren Addierer
zugeführt werden. Die vor jeder Addition vorgenommene Wichtung kann mit positiven
und/oder negativen Wichtungskoeffizienten durchgeführt werden.
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Um am Ende der Strukturanalyse ein Ausgangs signal zu erhalten, sind
zur Analyse von mehr als zwei Merkmalen des Eingangssignals eine oder mehrere weitere
Summenbildungen erforderlich.
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Vom Ausgangs signal der letzten Addierschaltung wird ein adaptiver
Schwellenwert abgeleitet, der mit dem in der Mitte der Laufzeitkette abgenommenen
Videosignal verglichen wird. Ein dazu verwendeter Spannungskomparator erzeugt ein
digitales Ausgangssignal, wenn die analysierten Strukturmerkmale auf die Anwesenheit
eines Nutzsignals hinweisen. Der Mittenabgriff kann dabei in Abhängigkeit von der
Signallaufzeit im Signalverarbeitungsweg aus der echten Mitte des Transversalfilters
verschoben werden.
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Die Art der durchzuführenden Strukturanalyse wird
durch
die Auswahl der Abgriffe und die Bemessung der Wichtungen bestimmt. Eine Strukturanalyse
zum Zwecke der Nutz-Störsignalunterscheidung erfordert eine Auswertung von wenigstens
zwei Strukturmerkmalen und ist sowohl bei Signalen aus aktiver (Radar) als auch
passiver Ortung (Infrarot-Sensor) anwendbar.
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Ein Blockschaltbild für eine einfache Strukturanalyse mit zwei Strukturmerkmalen
ist in Fig. 2 dargestellt.
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Mit dieser Anordnung kann z.B. die Messung der Flankensteilheit und
der Signallänge der Empfangssignale vorgenommen werden. Als ein weiteres Strukturmerkmal
kann z.B. die Krümmung des Signalverlaufes ausgewertet werden. Fig. 2 ist auf eine
begrenzte Anzahl (sechs) Laufzeitglieder des Transversalfilters beschränkt, wobei
alle Anzapfungen der Filterkette ausgenutzt werden. Sie ist im übrigen weitgehend
mit dem Prinzipschaltbild nach Fig. 1 identisch. Die Laufzeitglieder sind mit bis
t6 bezeichnet. Ihren Anzapfungen sind Gewichte G1 bis G7 zugeordnet. In den Addierschaltungen
51 und2 wird das erste Strukturmerkmal, z.B. die Flankensteilheit des bei E zugeführten
Signals,gemessen. Nach einer zweiten Wichtung der Ausgangssignale der Addierschaltungen
S1 und S2 erfolgt eine zweite Wichtung durch die Anordnungen Ga und Gb, bevor im
Addierer S3 die Messung des zweiten Strukturmerkmals, z.B. der Signanänge durchgeführt
wird. Das Ergebnis beider Messungen liefert nach einer Bewertung im Bewertungsglied
Bg eine adaptive Schwellenspannung, die durch Vergleich mit dem unmittelbar an der
Laufzeitkettenmitte abgenommenen verzögerten Eingangssignal zu einer Nutz-Störsignalunterscheidung
führt.
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Anhand der Fig. 3, die auf das Schaltungsprinzip der
Fig.
2 zurückgeht, soll die Wirkungsweise eines Strukturanalysators für einen konkreten
Fall näher beschrieben werden.
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Vorausgesetzt wird, daß die von einem aktiven oder passiven Sensor
erhaltenen Eingangssignale von bewegten Objekten (Nutzsignale) eine symmetrische
Struktur aufweisen. Solche Nutzsignale sind z.B. glockenförmige Impulse. Störsignale
können eine ähnliche Form der Anstiegsflanke aufweisen, haben aber häufig eine längere
zeitliche Ausdehnung, unregelmäßig geformte Flanken und große Amplituden gegenüber
den zu detektierenden (Nutz-) Signalen. Der Strukturanalysator soll eine sichere
Unterscheidung von Nutz- und Störsignalen ermöglichen, ohne die Entdeckungswahrscheinlichkeit
von bewegten Obnetten unnötig zu beeinträchtigen, d.h. daß-die Empfindlichkeit der
Detektion möglichst wenig verringert wird.-Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden
zwei Strukturmerkmale der Eingangssignale, die Flankensteilheit und die Signallänge
untersucht. Unter den gegebenen Voraussetzungen ist für den Spannungsvergleich im
Spannungskomparator K ein Mittenabgriff Z3 der Laufzeitkette über eine Wichung d
erforderlich, um den sich wenigstens vier weitere Abgriffe 7 Z2, Z4 Z5 der Laufzeitkette
symmetrisch gruppieren. Die Abgriffe sind über Wichungsschaltungen, deren Wichtungsfaktoren
a, b, f und g ebenfalls eine Symmetrie zum Wichungsfaktor d des Mittenabgriffs aufweisen,
mit zwei Addierein 51 und S2 verbunden, die eine erste Summierung durchführen.
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Um zunächst die Flankensteilheit des Eingangssignales zu messen, muß
in bekannter Weise eine Di Differenz-
quotientenbildung durchgeführt
werden, indem die Differenz zweier Amplitudenwerte der Signalspannung zu den Zeiten
t und t1 durch die Differenz der Zeiten (Zeitabstand) dividiert wird. Dazu sind
den beiden Addierern S1 und S2 für die erste Summenbildung sowohl bestimmte Abgriffe
der Laufzeitkette zuzuordnen und die entsprechenden Richtungen so zu bemessen, daß
unterschiedliche Anstiegsflanken unterscheidbare Kriterien liefern. Für die erste
Summenbildung in den Addierern S1 ( E 1) und S2 ( # 2) ergibt sich folgende Zuordnung
der Abgriffe: 2 1 = a + b - c = f + g - e Ohne Berücksichtigung des Einschwingverhaltens
der Laufzeitkette gilt für die Gewichte G vor der ersten Summierung: a + g = d;
b = f; d = 1 b = - c; b > a f = - e; f # g Bei der Berücksichtigung des Einschwingverhaltens
der Laufzeitkette wird empfohlen: b # 1,14 a; f # 1,14 g Eine weitere Wichtung zwischen
der ersten Summenbildung in den Addierern S1 und S2 und der zweiten Summenbildung
im Addierer S3 mit den Koeffizienten h und i führt die ersten Summen #1 und #2 in
die Summe E 3 (adaptive Schwellenspannung) über:
| # 3 = #1 #2 |
| # 1 + # 2 < 0 < 0 |
| # 1 + i # 2 < 0 >0 |
| h # 1 + # 2 >0 >0 |
| h # 1 + # 2 >0 >0 |
Unter den genannten Voraussetzungen kann für ein Ausführungsbeispiel für die Wichtungsfaktoren
folgender Wert angenommen werden: a, g, h und e = 0,5 und für die Wichtungsfaktoren
b, d, d, e und f = 1 Für die Differenzbildung ist es erforderlich, daß die Wichtungen
c und e negative Werte annehmen.
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Für die Weiterverarbeitung der Ausgangssignale der Addierer S1 und
S2 ist es von Bedeutung, ob ihr Wert positiv oder negativ ist. Durch eine entsprechende
Diodenbeschaltung der beiden Ausgänge der Addierer werden positive Summensignale
(E 1 und t 2) nach einer weiteren Wichtung mit h bzw. i an eine weitere Addierstufe
S3 gegeben, während negative Summensignale unverändert aufsummiert werden. Die Bedeutung
dieser zweiten Summenbildung besteht in der Messung der SignätLänge als zweites
Strukturmerkmal. Das Ausgangssignal des Addierers S3 stellt die adaptive Schwellenspannung
dar, die im Spannungskomparator K dem Vergleich mit der ungewichteten Signalspannung
an der mittleren Anzapfung Z3 unterzogen wird. Der Spannungskomparator erzeugt ein
digitales
Ausgangssignal, wenn die gemessenen Strukturmerkmale auf die Anwesenheit eines Nutzsignals
hinweisen.
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Anhand eines von einem punktförmigen Objekt erhaltenen glockenförmigen
Impulses (Nutzsignal), der das Eingangsaignal des Transversalfilters darstellt,
wird in Fig. 4 das Ergebnis der Strukturanalyse, welche die beiden Kriterien Flankensteilheit
und Signallänge umfaßt, dargestellt. Auf der Zeitachse t sind dargestellt das Eingangssignal
SE, das am Abgriff Z3 abgenommene verzögerte Eingangssignal Sv, das dem Spannungskomparator
K zugeführt wird und die adaptive Schwellenspannung AS, die als Ergebnis der Strukturanalyse
ebenfalls am Spannungskomparator anliegt. Die Schnittpunkte A und B der beiden zuletzt
genannten Kurven stellen einen Hinweis auf das Vorliegen eines Nutzsignals dar.
Am Ausgang des Komparators wird dieses Ergebnis durch ein digitales Signal angezeigt.
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Störsignale, die zwar einen dem Nutzsignal ähnlichen Flankenanstieg
aufweisen, aber eine vorgegebene Signallänge überschreiten, können in der gleichen
Weise grafisch dargestellt werden. Dabei darf es zu keinem Schnittpunkt der Kurven,
d.h. zu einem digitalen Ausgangssignal kommen. Entsprechendes gilt für ein Störsignal,
das eine geringere Flankensteilheit, die unter einem vorgegebenen Wert liegt, aufweist.
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Die beschriebene Strukturanalyse weist einen relativ großen Dynamikbereich
auf. Die Adaption der Schwellenspannung erfolgt fast trägheitslos. Hierdurch sind
die Bereiche, in denen durch die Strukturanalyse
die Empfindlichkeit
der Signaldetektion verringert ist, aul die unmittelbare Umgebung der Flanken beschränkt.
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9 Patentansprüche 4 Figuren