DE3218246C2

DE3218246C2 -

Info

Publication number: DE3218246C2
Application number: DE3218246A
Authority: DE
Inventors: Michel Boulogne Fr Prenat
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1981-05-15
Filing date: 1982-05-14
Publication date: 1991-06-06
Also published as: GB2191053A; FR2599853A1; GB2191053B; US4746922A; IT8267625A0; FR2599853B1; NL8202013A; IT1191194B; DE3218246A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beseitigen der Entfernungsmehrdeutigkeit in einem Zielverfolgungs-Puls-Doppler-Radargerät, dessen Folgefrequenz hoch und variabel ist, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie auf die Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens und das eine solche Anordnung enthaltende Radargerät.

Bei einem Doppler-Radargerät, das Impulse mit der Folgefrequenz f_R aussendet, ist das Spektrum des ausgesendeten Signals aus einer Trägerfrequenzkomponente und aus Seitenkomponenten zusammengesetzt, die beiderseits der Trägerfrequenz in einem jeweils der Folgefrequenz entsprechenden Abstand von der Trägerfrequenz liegen. Das empfangene Signal hat bezüglich des ausgesendeten Signals eine Verzögerung erfahren, die gleich der Zeitdauer ist, die das ausgesendete Signal zum Durchlaufen der Strecke Radargerät - Ziel - Radargerät benötigt hat, und es hat außerdem eine Frequenzverschiebung aufgrund des Doppler-Effekts erfahren.

Für das Senden und das Empfangen wird die gleiche Antenne benutzt. Während des Sendens ist der Empfänger abgetrennt. Daraus ergibt sich ein Verdeckungseffekt, d. h. der Verlust eines Teils des Signals, das während des Abtrennens des Empfängers empfangen worden ist. Dieser Effekt ist um so störender, je mehr sich der Formfaktor dem Wert 0,5 annähert.

Doppler-Radargeräte, deren Folgefrequenz hoch ist, weisen keine Geschwindigkeitsmehrdeutigkeit, sondern eine Entfernungsmehrdeutigkeit auf, da die Verzögerung des empfangenen Signals bezüglich des ausgesendeten Signals nur mit einem Modulo bekannt ist, das gleich der Folgeperiode ist. Diese Enfernungsmehrdeutigkeit kann durch Ändern der Folgefrequenz in geeigneter Weise beseitigt werden.

Ein herkömmliches Verfahren zur Entfernungsmessung im Zielverfolgungbetrieb besteht darin, eine periodische Frequenzmodulation des vom Radargerät ausgesendeten Signals anzuwenden. Das Spektrum des empfangenen Signals setzt sich dabei aus der Hauptkomponente und zusätzlich dazu aus Seitenkomponenten mit Harmonischen der Modulationsfrequenz zusammen. Die Amplitude dieser Komponenten ergibt ein Maß für die Zielentfernung.

Bei dieser Art der Messung ist die Breite der auf die verschiedenen Signalkomponenten angewendeten Filter konstant. Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis konstant ist, ist die Meßgenauigkeit ebenfalls konstant. Ein schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis macht jedoch eine genaue Messung unmöglich.

Aus der WO 80/02325 ist es bekannt, bei dem Zielverfolgungs-Puls-Doppler-Radargerät mit hoher Folgefrequenz eine Trägerfrequenz zu verwenden, die von einem Impuls zum anderen nach einem bestimmten Muster verändert wird, das aus M verschiedenen Frequenzen besteht. Diese Anzahl M verschiedener Frequenzen wird in Abhängigkeit von der fortwährend gemessenen Zielentfernung bestimmt, solange die Zielentfernung unterhalb eines bestimmten Wertes bleibt. Wenn die Zielentfernung diesen Wert überschreitet, wird auch die Anzahl M von verwendeten Trägerfrequenzen verändert. Auf diese Weise kann zwar der Bereich unzweideutiger Entfernungsmessung erheblich ausgedehnt werden, jedoch muß zu diesem Zweck eine sehr große Anzahl von verschiedenen Sendefrequenzen verwendet werden. Dies erfordert einen hohen Aufwand.

Aus der US-PS 39 35 572 ist ein Zielverfolgungs-Puls-Doppler-Radargerät bekannt, das mit drei verschiedenen Werten der Folgefrequenz betrieben wird. Die Auswahl der jeweils verwendeten Folgefrequenz wird manuell oder automatisch so getroffen, daß für das jeweilige Ziel "blinde" Entfernungen und Geschwindigkeiten vermieden werden. Zur Nachführung der Antenne enthält das Radargerät Regelkreise für Höhenwinkel und Seitenwinkel sowie für Entfernungs- und Geschwindigkeitsfenster. Weitere Regelkreise sind vorgesehen, um Schätzwerte für die Zielentfernung zu gewinnen, indem die Differenzen zwischen vorausgehenden Schätzwerten und den jeweiligen Meßwerten bestimmt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zum Beseitigen der Entfernungsmehrdeutigkeit in einem Zielverfolgungs-Puls-Doppler-Radargerät auf einfache Weise zu erreichen, daß aus allen seit Beginn einer Zielverfolgung gewonnenen mehrdeutigen Entfernungsmeßwerten die eindeutige Zielentfernung mit zunehmender Genauigkeit im Verlaufe der Zielverfolgung abgeschätzt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist im Patentanspruch 2 angegeben; vorteilhafte Weiterbildungen dieser Anordnung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein mit einer solchen Anordnung versehenes Puls-Doppler-Radargerät, das mit hoher variabler Folgefrequenz arbeitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Gewinnung von genauen Schätzwerten für die Zielentfernung auch bei einem sehr kleinen Signal-Rausch-Verhältnis. Durch geeignete Veränderung der Folgefrequenz können ferner die auf den Verdeckungseffekt zurückzuführenden Signalverluste auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Puls-Doppler-Radargeräts mit einer Anordnung zum Messen der mehrdeutigen Entfernung und

Fig. 3 die Regelschleife zum Steuern der Folgefrequenz.

Bei einem Puls-Doppler-Radargerät mit hoher Folgefrequenz gibt es Entfernungsmehrdeutigkeiten. Wenn sich der Formfaktor dem Wert 0,5 nähert, ergibt sich ein Verdeckungseffekt, der das Signal-Rausch-Verhältnis verringert und den Verlust der Zielerfassung herbeiführen kann. Ein bekanntes Verfahren zum Eliminieren des Verdeckungseffekts besteht darin, die Folgefrequenz zu verändern, damit der Verdeckungseffekt nicht eintritt.

Es sind somit folgende Probleme zu lösen:

- Die Folgefrequenz f_R soll so gesteuert werden, daß die Mehrdeutigkeitszahl konstant gehalten wird, damit die Entfernungsmehrdeutigkeit beseitigt und die auf den Verdeckungseffekt zurückzuführenden Verluste auf ein Minimum herabgesetzt werden.
- Die eindeutige Entfernung zwischen dem Radargerät und dem Ziel soll anhand der Messung der mehrdeutigen Entfernung mit sehr großer Genauigkeit abgeschätzt werden.

Die Steuerung der Folgefrequenz wird anhand der gemessenen mehrdeutigen Entfernung und dem Schätzwert der Mehrdeutigkeitszahl durchgeführt.

Es sei daran erinnert, daß die Mehrdeutigkeitszahl eine ganze Zahl ist, deren Produkt mit der maximalen Mehrdeutigkeitsentfernung vermehrt um die gemessene mehrdeutige Entfernung gleich der Entfernung zwischen dem Radargerät und dem Ziel ist.

In der nachfolgenden Beschreibung wird mit Δt die Zeitperiode bezeichnet, die im Radargerät 2 zur Informationserzeugung benötigt wird. Diese Zeitperiode ist allgemein gleich der Zeitdauer der kohärenten Filterung des Signals. Die Daten oder Meßwerte werden am Zeitpunkt T_k=k×Δt mit folgenden Symbolen angegeben:

- ad (k): Maximale Mehrdeutigkeitsentfernung. Dieser Parameter ist an die Folgefrequenz f_R(k) der ausgesendeten Impulse durch die Beziehung

ad(k) = c/2f_R(k) (I)

gebunden.
- da(k): Mehrdeutige Entfernung. da(k) liegt zwischen 0 und ad(k).
- d(k): Die Entfernung des Ziels vom Radargerät.
- y(k): Gemessene mehrdeutige Entfernung.
- σ²(k): Fehlervarianz der normierten mehrdeutigen Entfernung da(k)/ad(k). Dieser Parameter wird als bekannt angenommen oder zumindest geschätzt.
- ε(k): Fehler des Meßwerts y(k) der mehrdeutigen Entfernung da(k). Es gilt also

y(k) = da(k) + ε(k) (II)

Dieser Fehler wird mit Gauß'scher Verteilung angenommen, mit dem Mittelwert Null und mit der Varianz σ²(k)ad²(k).
- n(k): Die Mehrdeutigkeitszahl; dies ist eine ganze Zahl, für die gilt:

d(k) = n(k) ad(k) + da(k) (III)

- (k): Schätzwert der Entfernung d(k) des Ziels vom Radargerät vor dem Erhalt des Meßwerts y(k).
- (k): Schätzwert der Entfernung d(k) nach Erhalt des Meßwerts y(k).
- ñ(k): Schätzwert der Mehrdeutigkeitszahl n(k) vor Erhalt des Meßwerts y(k).
- (k): Schätzwert der Mehrdeutigkeitszahl n(k) nach Erhalt des Meßwerts y(k).
- σ_d(k): Standardabweichung der Entfernung d(k).
- dd(k): Zwischen den Zeitpunkten T_k und T_k+1 durchlaufene Strecke:

d(k+1) = d(k) - dd(k) (IV)

Die Eigenschaften der nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung können von vornherein beurteilt werden, indem der Wert der Standardabweichung σ_d des Fehlers der Entfernung d zwischen dem Radargerät und dem Ziel nach einer Meßzeit T mittels der folgenden Gleichung abgeschätzt wird:

darin sind:

- d₀ die Entfernung zwischen dem Radargerät und dem Ziel am Beginn der Messung,
- f_R₀ der Wert der Folgefrequenz f_R am Beginn der Messung,
- σ die Standardabweichung des Fehlers der normierten mehrdeutigen Entfernung da(k)/ad(k).

Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis konstant und bekannt ist, ist auch die Standardabweichung σ konstant.

Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis nicht bekannt, sondern geschätzt ist, ist der tatsächliche Wert der Standardabweichung σ_d ein wenig größer als der mittels der obigen Formel erhaltene Wert.

Die obige Formel, die es ermöglicht, die Standardabweichung σ_d bezüglich d vorauszuberechnen, ist folgenden Bedingungen unterworfen:

- Die Änderung der Entfernung während der Beobachtungszeit ist klein gegen die Entfernung selbst.
- Die Näherungsgeschwindigkeit ist konstant und gleich V_R.
- Im voraus sind keine Informationen über die Entfernung bekannt.

Diese Bedingungen sind für ein einwandfreies Funktionieren des erfindungsgemäßen Systems zur Beseitigung der Mehrdeutigkeit nicht notwendig; sie werden nur aufgestellt, um im voraus die Standardabweichung σ_d in Erfahrung zu bringen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Beseitigen der Mehrdeutigkeit nach der Erfindung.

Damit diese Anordnung arbeitet, muß das Radargerät im Zielverfolgungsbetrieb arbeiten. In diesem Fall wird das Signal in einem Doppler-Filter aufbereitet, das ziemlich schmalbandig ist, damit das Signal-Rausch-Verhältnis ausreichend ist.

Die Baueinheit 1 ermöglicht eine lineare Filterung der Werte y(k) der gemessenen mehrdeutigen Entfernung, damit daraus der Schätzwert (k) der Entfernung zwischen dem Radargerät und dem Ziel, der Schätzwert (k) der Mehrdeutigkeitszahl sowie der Wert σ_d(k) der Standardabweichung des Fehlers des Entfernungswerts d(k) abgeleitet werden.

Die in dieser Ausführungsform beschriebene Baueinheit 1 ist ein Kalman-Filter. Die lineare Filterung, die von der Baueinheit 1 durchgeführt wird, ist eine lineare Kombination aller Werte y der seit Beginn der Zielverfolgung gemessenen mehrdeutigen Entfernung. Die Schätzwerte (k) der eindeutigen Entfernung und die Schätzwerte (k) der Mehrdeutigkeitszahl werden mit Hilfe von Rekursionsformeln erhalten. Im Unterschied zu einer herkömmlichen linearen Filterung, der eine Übertragungsfunktion zugeordnet werden kann, haben Rekursionsbeziehungen Koeffizienten, die nicht konstant sind. Das Kalman-Filter 1 ist nicht Gegenstand der Erfindung. Die Rekursionsformeln, die zur Gewinnung der Schätzwerte (k) und (k) benutzt werden, sind nicht angegeben, da sie ein bekanntes Ergebnis darstellen. Sie werden lediglich auf den speziellen Fall der nach der Erfindung ausgebildeten Anordnung zur Beseitigung der Mehrdeutigkeit angewendet.

Das Filter 1 muß für seinen Betrieb von seiten des Doppler- Radargerätes gewisse Informationen erhalten, nämlich:

- Die Radialgeschwindigkeit V_R(k) des Ziels bezüglich des Radargeräts. Dies ist auch die Ableitung der Entfernung zwischen dem Radargerät und dem Ziel. Sie ist aus der Doppler- Frequenz des Ziels am Zeitpunkt T_k bekannt. Die Anordnung des Doppler-Filters ergibt den Wert der Geschwindigkeit des Ziels gegenüber dem Radargerät mit einer ausreichend großen Genauigkeit, damit eine sehr gute Kompensation von Änderungen der Entfernung gewährleistet wird, deren Wert bestimmt werden soll; vom Standpunkt des Kalman-Filters 1 aus kann die Entfernung zwischen dem Radargerät und dem Ziel als konstant betrachtet werden.
- Die vom Radargerät für alle am Zeitpunkt T_k notwendigen Messungen verwendete Folgefrequenz f_R(k). Diese Folgefrequenz f_R(k) ist bekannt, und sie wird zumindest während des zwischen T_k und T_k+1 liegenden Zeitintervalls als konstant betrachtet.
- Die Gesamtleistung P(k) des Signals (Nutzsignal thermisches Rauschen) im letzten Verarbeitungsfilter des Radargeräts. Diese Leistung, die einen guten Schätzwert des Signal-Rausch-Verhältnisses darstellt, dient der Gewichtung der gemessenen Werte y(k) der mehrdeutigen Entfernung.
- Der Wert y(k) der am Zeitpunkt T_k gemessenen mehrdeutigen Entfernung.

Diese Werte V_R(k), f_R(k), P(k) und y(k) werden vom Doppler- Radargerät 2 geliefert. Es muß mit einer Einrichtung zum Messen der mehrdeutigen Entfernung und mit einem Rechner ausgestattet sein, der Zugriff zu gewissen Informationen hat und u. a. ermöglicht, die Folgefrequenz f_R der ausgesendeten Impulse zu steuern. Das Kalman-Filter 1 bildet einen Teil des im Radargerät 2 enthaltenen Rechners.

Die Folgefrequenz f_R(k) der vom Radargerät 2 ausgesendeten Impulse kann mit Hilfe eines Regelkreises 3 verändert werden. Dieser Regelkreis 3 führt eine Filterung der Informationswerte y(k) durch, die die vom Radargerät 2 gemessene mehrdeutige Entfernung repräsentieren, damit daraus unter Zuhilfenahme der maximalen Mehrdeutigkeitsentfernung ad(k) und somit der Folgeperiode des Radargeräts 1/f_R(k) am Zeitpunkt T_k der Wert ad(k+1), also die maximale Mehrdeutigkeitsentfernung am Zeitpunkt T_k+Δt und folglich der neue Wert der Folgefrequenz f_R(k+1) abgeleitet werden, mit der der Wert ad(k+1) wie folgt in Beziehung steht:

f_R(+1) = c /2 ad(k+1) (I bis)

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Die Mehrdeutigkeitszahl n(k) sowie die während des Zeitintervalls Δt durchlaufende Strecke werden berücksichtigt. Diese Informationen werden vom Kalman-Filter 1 bzw. vom Radargerät 2 selbst in Form der Radialgeschwindigkeit des Ziels bezüglich des Radargeräts geliefert.

Was das Kalman-Filter 1 anbelangt, kann das Verhalten in Matrixform mittels einer Zustandsgleichung und einer Meßgleichung beschrieben werden.

Die Zustandsgleichungen lauten wie folgt:

d(k+1) = d(k) - dd(k) (IV)

und

n(k+1) = n(k) (X)

Damit die erfindungsgemäße Anordnung richtig arbeitet, wird angenommen, daß die Mehrdeutigkeitszahl konstant bleibt und den Wert n hat. In der Praxis wird vor dem Erreichen zu hoher Werte für die Folgefrequenz f_R(k) die Entfernungsschätzfunktion ausreichend gut geworden sein, damit bei der Rückkehr zu einem kleinen Wert der Folgefrequenz f_R(k) bekannt ist, um wieviele Einheiten sich die Mehrdeutigkeitszahl n(k) geändert hat.

In Matrixform gilt somit:

Die in Matrixform dargestellte Zustandsgleichung wird somit durch die folgende Beziehung (XI) ausgedrückt:

X(k+1) = A X(k) + V(k) (XI)

mit A, der identischen Matrix zweiter Ordnung

Die Meßgleichungen werden von den zwei folgenden Beziehungen gebildet:

y(k) = da(k) + ε(k) (II)

d(k) = n(k) ad(k) + da(k) (III)

Durch Kombinieren der Gleichungen II und III ergibt sich folgende Beziehung:

y(k) = d(k) - n(k) ad(k) + ε(k) (XII bis)

Die in Matrixform ausgedrückte Meßgleichung wird durch die folgende Beziehung (XII) gebildet:

also Y(k) = C(k) × X(k) + ε(k) (XII)

ε(k) ist dabei eine skalare Größe, die den Fehler des Meßwerts y(k) repräsentiert, der durch die skalare Matrix Y(k) dargestellt ist; außerdem gilt: C(k)=[1 - ad(k)]; ε(k) hat als Varianz σ²(k) ad²(k), wobei σ(k) die Standardabweichung des Fehlers der normierten mehrdeutigen Entfernung da(k)/ad(k) ist.

In dem Kalman-Filter ergeben sich die diskreten Lösungen (k) der Gleichungen wie folgt:

(k) = (k) + K(k) [Y(k) - C(k)(k)] (XIII)

mit (k) = A(k -1)(k -1) + V(k -1) (XIII-1)

Bei dieser Lösung (XIII) erhält man:

K(k) = Σ(k)C^T(k)W^-1(k) (XIV-1)

W(k) = Varianz von ε(k) = σ²(k)ad²(k) (XIV-2)

C(k) = [1 -ad(k)] (XIV-3)

Σ(k) = λ(k) - λ(k)C^T(k) [C(k) × λ(k)C^T(k) + W(k)]^-1C(k)λ(k) (XIV-4)
λ(k+1) = A(k)Σ(k)A^T(k)

Das Symbol "T" bezeichnet die Transponierte und das Symbol "-1" bezeichnet die Inverse der jeweils betroffenen Matrix.

Die Gleichung (XIII) hat als Lösungen:

Sie können durch die zwei folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

Am Zeitpunkt Tk hat die geschätzte Entfernung den Wert (k), und die Standardabweichung dieses Meßwerts beträgt σ_d(k)=√

Die Initialisierung des Kalman-Filters 1 kann auf zwei Arten erfolgen:

- Wenn statistische Elemente über die Entfernung an dem Zeitpunkt, an dem die Zielverfolgung beginnt (die Erfassungsentfernung), können von Anfang an die Ausgangswerte festgelegt werden:
(1), (1), λ 11(1) = Varianz von (1).
λ 22(1) = Varianz von (1) und λ 12 = Kovarianz von (1) und von (1).
- wenn von vornherein keine Information über die Entfernung verfügbar ist, müssen die zwei ersten Meßwerte y (0) und y (1) der mehrdeutigen Entfernung an den Zeitpunkten T₀ = 0 und T₁=Δt abgewartet werden.

Die zum Initialisieren des Filters 1 dienenden Formeln werden dabei wie folgt erhalten:

Nach der Gleichung (II) ergibt sich
y (0) = da (0) + ε (0)
y (1) = da (1) + ε (1)

Nach der Gleichung (III) ist die Entfernung d(k) am Zeitpunkt Tk=kΔt gleich
d(k) = n(k) ad(k) + da(k) = n ad(k) + da(k)
da n(k) konstant und gleich n ist.

Somit gilt:

d (0) = nad (0) + y (0) - ε (0) (III-0)
d (1) = nad (1) + y (1) - ε (1) = d (0) - dd (0) (III-1)

was sich aus der Beziehung (IV) ergibt.

Durch Eliminieren von n aus den zwei obigen Gleichungen (III-0) und (III-1) ergibt sich:

dies führt zu

wenn (1) der Schätzwert von d (1) ist, wobei ad (0) und ad (1) bis zu den Zeitpunkten T₀ und T₁=Δt bekannt sind und auch die Folgefrequenz bekannt ist, so daß die Meßwerte der mehrdeutigen Entfernung y (0) und y (1) erhalten werden können. Die zwischen den Zeitpunkten T₀ und T₁ durchlaufene Strecke dd (0) ist aus der Messung der Dopplerfrequenz des empfangenen Signals ebenfalls genau bekannt. Der Fehler von dd (0) wird als vernachlässigbar angenommen.

Der Fehler σ (1) des Schätzwertes der Entfernung am Zeitpunkt T₁ ist gemäß den Beziehungen (V) und (Vbis) gleich:

Dieser Fehler hat den Mittelwert 0. Sein Quadrat ist gleich

Wie bereits erwähnt wurde, wird ε(k) als ein Fehler mit Gauß'scher Verteilung, mit dem Mittelwert 0 und mit der Varianz σ²(k) ad²(k) angenommen. Nachdem der Zähler und der Nenner des zweiten Glieds der obigen Gleichung durch ad²(1) ad²(0) geteilt worden sind, ergibt sich die Varianz von (1) durch die nachfolgende Gleichung (VI), da ε (0) und ε (1) unabhängige Fehler sind

Nach den oben angegebenen Beziehungen (III-0) und (III-1) ist der Mehrdeutigkeitszahl n (1) gleich:

Diese Gleichung ergibt aus dem Meßwert y (1) der mehrdeutigen Entfernung

wenn (1) der Schätzwert von n (1) am Zeitpunkt T₁ ist.

Der Fehler dieses Schätzwerts n (1) ist gleich:

Der Fehler n (1) hat eine Gauß'sche Verteilung und hat den Mittelwert 0, wenn die Tatsache nicht ausgenutzt wird, daß n eine ganze Zahl ist. Sein Quadrat ist:

ε (0) und ε (1) sind unabhängige Fehler und die Varianz von (1) ist durch die anschließend angegebene Beziehung (VIII) gegeben, nachdem der Zähler und der Nenner durch ad²(1) ad²(0) geteilt worden sind.

Nach den Beziehungen (VIbis) und (VIIbis) ist die Kovarianz dieser zwei Schätzwerte (1) und (1) gleich der folgenden Beziehung (IX), indem der Zähler und der Nenner durch ad²(1) ad²(0) geteilt werden:

Die Formeln, die der Initialisierung des Kalman-Filters dienen, wenn keine Informationen über die Entfernung verfügbar sind, sind folglich die Beziehungen V, VII, VI, VIII, IX für die jeweiligen Werte von (1), (1), λ 11(1), λ 22(1), λ 12(1).

In einem Doppler-Radargerät mit hoher Folgefrequenz und kleinem Formfaktor kann die mehrdeutige Entfernung dank der Nummer des Entfernungsfensters in Erfahrung gebracht werden. Wenn sich der Formfaktor jedoch dem Wert 0,5 annähert, kann die mehrdeutige Entfernung beispielsweise durch Messen der Leistung des Signals erhalten werden, das in zwei Entfernungsfenstern empfangen wird, die die gleiche Breite haben, die gleich der Hälfte der Breite des empfangenen und in ihnen begrenzten Impulses ist. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, die eine Ausführungsform eines Puls-Doppler-Radargeräts zeigt, das mit einer Anordnung zum Messen der Entfernungsmehrdeutigkeit ausgestattet ist.

In dem Radargerät, dessen schematisches Schaltbild in Fig. 2 dargestellt ist, sendet der Sender 100 ein Höchstfrequenzsignal mit der Trägerfrequenz f₀ aus.

Dieses Signal wird mit Hilfe eines von einer Steuerschaltung 102 gesteuerten Schalters 1021 in Impulse zerlegt. Die Folgefrequenz ist f_R, und der Formfaktor liegt nahe bei 0,5. Ein Zirkulator 103 lenkt das erzeugte Signal zur Antenne 101, die in Richtung zum festgestellten Ziel strahlt, wobei das Radargerät im Zielverfolgungsbetrieb arbeitet. Das vom Ziel zurückgeschickte Signal mit der Trägerfrequenz f₀+f_d, wobei f_d die Doppler-Frequenz ist, wird von der gleichen Antenne empfangen und durchläuft den Zirkulator 103. Ein Schalter 1022, der von der gleichen Steuerschaltung 102 wie der Schalter 1021, jedoch gegenphasig zu diesem, gesteuert wird, legt das empfangene Signal an den Eingang eines Mischers 104 an, wenn der Schalter 1021 geöffnet ist, also wenn keine Aussendung erfolgt; umgekehrt ist der Schalter 1022 während der Sendedauer offen. Die Öffnungs- und Schließfrequenz der zwei Schalter 1021 und 1022 ist somit gleich der Frequenz f_R mit einem Formfaktor von 0,5.

Ein kohärent mit dem Sender 100 arbeitender Überlagerungsoszillator 105 liefert ein Signal mit der Frequenz f₀+f_d-f_I, wobei f_I eine Zwischenfrequenz ist und f_d die durch einen (nicht dargestellten) Regelkreis erhaltene Dopplerfrequenz am Ausgang des Doppler-Filters des Empfängers ist, da angenommen wird, daß das Radargerät im Zielverfolgungsbetrieb arbeitet. Dieses Signal wird an den zweiten Eingang des Mischers 104 angelegt, der ein Signal mit der Zwischenfrequenz f_I an einen Vorverstärker 106 abgibt.

Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 106 wird dann an den Eingang von zwei Empfängern angelegt, die von gleichen Baueinheiten gebildet sind; sie enthalten hintereinander folgendes:

- Einen Schalter 1071 bzw. einen gegenphasig dazu arbeitenden Schalter 1072, wobei diese beiden Schalter von der Steuerschaltung 107 mit der Folgefrequenz f_R, jedoch mit einem Formfaktor von 0,25, gesteuert werden. Die Schalter 1071 und 1072 ermöglichen das Abtrennen von zwei Fenstern im empfangenen, auf die Zwischenfrequenz umgesetzten Signal. Diese zwei Fenster haben eine Breite, die gleich der Hälfte der Breite der ausgesendeten Impulse ist, und die abfallende Flanke des ersten Fensters und die ansteigende Flanke des zweiten Fensters fallen mit der Mitte des empfangenen Impulses zusammen. Jeder der beiden Empfänger arbeitet somit mit jedem der beiden abgetrennten Meßfenster.
- Ein analoges Sperrfilter 108 bzw. 109, das auf die Zwischenfrequenz zentriert ist und dessen Durchlaßband in der Größenordnung von einigen kHz liegt. Seine sehr steilen Flanken ermöglichen die Unterdrückung starker Störsignale.
- Auf dieses Filter folgt allgemein eine Umsetzung auf eine zweite Zwischenfrequenz f′_I sowie eine Verstärkung mit automatischer Verstärkungsregelung (nicht dargestellt).
- Das Signal mit der Zwischenfrequenz f′_I wird schließlich an den Eingang von zwei Mischern 110 und 111 bzw. 112 und 113 angelegt, wo es mittels der Zwischenfrequenz F′_I in den Mischern 110 und 113 und durch die Zwischenfrequenz F′_I mit einer Phasenverschiebung von π/2 für die Mischer 111 und 112 demoduliert wird.
- Die von den zwei Mischern 110 und 111 bzw. 112 und 113 gelieferten Signale sind um 90° gegeneinander phasenverschobene Komponenten des Videosignals.
- Jede mit Hilfe von Schaltern 114 mit der Frequenz f_E abgetastete Komponente des Videosignals wird dann in einer nicht dargestellten Codierschaltung codiert und an den Eingang einer digitalen Filterbank 115 bzw. 116 angelegt.

Die Meßschaltung 120 bzw. 121, deren Eingang am Ausgang der Filterbank 115 bzw. 116 angeschlossen ist, ermöglicht es, die Nutzsignalleistung P₁(k) bzw. P₂(k) im letzten Filter 115 bzw. 116 des Radargeräts zu erhalten.

Eine von den an den Ausgängen der Schaltungen 120 und 121 erhaltenen Werten P₁(k) und P₂(k) gespeiste Schaltungseinheit 120 berechnet den gemessenen Wert x(k) der mehrdeutigen Entfernung mittels der folgenden Beziehung:

Die Signale am Ausgang des Doppler-Filters der Filterbank 115 und am Ausgang des Doppler-Filters der Filterbank 116, die dem anvisierten Ziel entsprechen, werden dem Eingang einer Schaltungseinheit 119 zugeführt, die die vektorielle Summe der zwei Signale bildet, die dann an den Eingang der Schaltungseinheit 117 angelegt wird und ermöglicht, die zur Regelung des Überlagerungsoszillators 105 benutzte Doppler-Frequenz f_d und folglich auch die Radialgeschwindigkeit VR des Ziels bezüglich des Radargeräts sowie die Gesamtleistung des Nutzsignals zu erhalten; es werden also Informationen erhalten, die vom Kalman-Filter 1 von Fig. 1 angewendet werden.

In Fig. 3 sind die Einzelheiten des Regelkreises für die Folgefrequenz f_R dargestellt, deren Regelung einerseits die Konstanz der Mehrdeutigkeitszahl gewährleistet, damit die Entfernung zwischen dem Radargerät und dem Ziel anhand der mehrdeutigen Entfernungsmeßwerte y(k) abgeschätzt werden können, und andererseits die Minimalisierung der Verdeckungsverluste ermöglicht.

Der Regelkreis für die Frequenz f_R oder genauer gesagt bis auf einen Faktor der maximalen Mehrdeutigkeitsentfernung ad ist gemäß der Darstellung von Fig. 3 ein Regelkreis erster Ordnung.

Nach der oben angegebenen Beziehung (III) gilt:

d(k) = n(k) ad(k) + da(k) (III)

Im stationären Betrieb muß am Zeitpunkt T_k die mehrdeutige Entfernung gleich 0,5 ad(k) sein, damit der Verdeckungseffekt eliminiert wird.

d(k) = [n(k) + 0,5] ad(k)

Am Zeitpunkt T_k+1 gilt:

d(k+1) = d(k) - dd(k) = [n(k+1) + 0,5] ad(k+1)

Wegen

n(k+1) = n(k) = n (X)

gilt somit

Durch Einführen des Verstärkungsfaktors G kann die Stabilität der Schleife in Anwesenheit von Rauschen

für eine Übertragungsfunktion erster Ordnung gewährleistet werden. Es steht hier nur der Schätzwert (k) der Mehrdeutigkeitszahl n zur Verfügung. Durch Annähern der mehrdeutigen Entfernung an 0,5 ad(k) zur Erzielung des stationären Betriebs wird überdies eine Nachführung der Eingangsdatengrößen des Regelkreises in bezug auf 0,5 ad(k) und somit eine Annahme des Werts y(k) - 0,5 ad(k) anstelle von y(k) erreicht.

Damit ergibt sich endgültig der Regelkreis für ad(k), wie er in Fig. 3 dargestellt ist, wo der Eingangsdatenwert y(k) - 0,5 ad(k) ist und der Ausgangsdatenwert ad(k+1) beträgt, wobei dieser Regelkreis die folgende Beziehung (XVbis) erfüllt:

wobei gilt:
ad(k) = c/2f_R(k) und dd(k) = V_R(k) × Δ t.

In Fig. 3 ist die Größe ad(k), die den Ausgangsdatenwert an einem vorherigen Zeitpunkt T_k bildet, durch den Datenwert selbst dargestellt, auf den mittels einer Schaltungseinheit 28 eine Verzögerung angewendet worden ist, der der Übertragungsfunktion z^-1 entspricht.

Die Schaltungseinheit 2 von Fig. 1 liefert an die Schaltungseinheit 3 den gemessenen Wert y(k) der mehrdeutigen Entfernung.

Der Wert der maximalen mehrdeutigen Entfernung ad(k), der der Folgefrequenz f_R(k) am Zeitpunkt T_k entspricht, wird an eine durch 39 teilende Teilerschaltung angelegt, die das Nachführungssignal 0,5 ad(k) für die mehrdeutige Entfernung liefert, also das Signal, das in einer Schaltungseinheit 31 von dem von der Schaltungseinheit 2 gelieferten gemessenen Wert y(k) abgezogen wird. Die Schaltungseinheit 31 liefert am Ausgang das Signal y(k) - 0,5 ad(k), das nach einer Verstärkung um den Verstärkungsfaktor G in der Schaltungseinheit 32 an den Eingang einer Additions/Subtraktions-Schaltung 33 angelegt wird, wovon ihm der Wert dd(k) abgezogen wird, also die vom Ziel bezüglich des Radargeräts während des Zeitintervalls Δt von T_k bis T_k+1 durchlaufene Strecke. Diese Geschwindigkeitsvorwegnahme wird vom Radargerät 2 in Fig. 1 in Form der Radialgeschwindigkeit V_R(k) des Ziels bezüglich des Radargeräts geliefert, wobei diese Geschwindigkeit auch die Entfernungsänderung während der Zeiteinheit ist. Die Schaltungseinheit 34 liefert diesen Kompensationsausdruck dd(k) durch Multiplikation der Radialgeschwindigkeit V_R(k) mit dem Zeitintervall Δt=T_k+1-T_k.

Das Ausgangssignal der Schaltungseinheit 33 ergibt sich somit wie folgt:

G[y(k) - 0,5 ad(k)] - dd(k).

Dieses Signal wird an den Eingang der Schaltungseinheit 35 angelegt, in der es mit dem Verstärkungsfaktor 1/[(k)+0,5] multipliziert wird, der von der Schaltungseinheit 36 aus dem Schätzwert (k) der von der Schaltung 1 von Fig. 1 gelieferten Mehrdeutigkeitszahl gebildet wird.

Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 35 wird dann an den Eingang einer Addierschaltung 37 zusammen mit dem Wert ad(k) der maximalen mehrdeutigen Entfernung am Zeitpunkt T_k angelegt; diese Addierschaltung 37 gibt an ihrem Ausgang den Wert ad(k+1) ab, der dem Wert der maximalen mehrdeutigen Entfernung am Zeitpunkt T_k+1 entspricht, nämlich einem Wert, dessen Kehrwert bis auf einen Faktor c/2 gleich dem neuen Wert der Folgefrequenz f_R am Zeitpunkt T_k+1 ist:

f_R(k+1) + c/[2 ad(k+1)]

c ist dabei die Lichtgeschwindigkeit.

Dieser neue Wert der Folgefrequenz f_R(k+1) wird in der an den Ausgang der Schaltungseinheit 37 angeschlossenen Schaltungseinheit 40 berechnet, und er wird an die Schaltungseinheiten 102 bzw. 107 von Fig. 2 angelegt, die die Schalter 1021 und 1022 bzw. 1071 und 1072 steuern.

Auf diese Weise ist ein mit hoher Folgefrequenz arbeitendes Puls-Doppler-Radargerät geschaffen worden, das mit einer Anordnung zum Beseitigen der Entfernungsmehrdeutigkeit unter Zuhilfenahme einer geeigneten Steuerung der Folgefrequenz ausgestattet ist, die die Konstanz der Mehrdeutigkeitszahl gewährleistet und eine Minimalisierung der Verdeckungsverluste ermöglicht.

In der vorangehenden Beschreibung des Regelkreises ist angenommen worden, daß die Frequenz f_R in einem ziemlich großen Bereich beliebig gewählt werden kann. Wenn nur einige bestimmte Werte gewählt werden können, bedeutet dies nur eine geringfügige Einschränkung der Gesamteigenschaften des Systems, wenn die bestimmten Werte der Folgefrequenz nicht zu weit auseinanderliegen.

Es kann bei der Messung ein Nachteil auftreten, wenn bei einer Abnahme der Entfernung zwischen dem Radargerät und dem Ziel der Wert der Folgefrequenz unendlich zunimmt, da der Regelkreis die Konstanz der Mehrdeutigkeitszahl n gewährleistet. Wie oben jedoch bereits angegeben wurde, ist in der Praxis vor dem Erreichen zu hoher Werte der Folgefrequenz f_R die Entfernungsschätzfunktion 1 von Fig. 1 ausreichend gut geworden, damit bei der Rückkehr zu einem kleineren Wert der Frequenz f_R bekannt ist, um wieviel Einheiten sich die Mehrdeutigkeitszahl n geändert hat. Diese Änderung soll in die Zustandsgleichung eingreifen.

Schließlich sei bemerkt, daß die Tatsache nicht ausgenützt worden ist, daß die Mehrdeutigkeitszahl n eine ganze Zahl ist. Wenn der Fehler des geschätzten Werts von n(k), also λ 22(k), genügend klein ist, damit n sicher bekannt ist, wenn die Ganzzahligkeit von n berücksichtigt wird, reduziert sich der Entfernungsfehler auf den Fehler der mehrdeutigen Entfernung, der seinerseits wegen der von der Zielverfolgungsschleife durchgeführten Filterung klein ist.

Die Erfindung kann beispielsweise zum Lenken von Flugkörpern, zum Berechnen von Zündbereichen, zur Ausstattung eines Näherungszünders, zum Messen der Spannweite eines Ziels, also auf allen Gebieten angewendet werden, wo es notwendig ist, den Abstand eines Ziels genau zu kennen.

Claims

1. Verfahren zum Beseitigen der Entfernungsmehrdeutigkeit in einem Zielverfolgung-Puls-Doppler-Radargerät, dessen Folgefrequenz (f_R(k)) hoch und variabel ist, bei welchem zu den Zeitpunkten T_k=kΔt worin Δt die Informationserzeugungsperiode in dem Radargerät ist, die mehrdeutige Entfernung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Meßzyklus nacheinander:

a) die mehrdeutige Entfernung zum Zeitpunkt T_k gemessen wird;
b) eine Abschätzung der Mehrdeutigkeitszahl, der Entfernung zwischen Radargerät und Ziel und der Standardabweichung σ_d(k) des Fehlers, welcher dieser Entfernungsabschätzung entspricht, vorgenommen wird, indem eine lineare Filterung der aufeinanderfolgend gemessenen Werte der mehrdeutigen Entfernung vorgenommen wird, wobei mit der Abschätzung durch lineare Filterung entweder auf der Grundlage einer vorausgehenden Schätzung der Zielentfernung oder auf der Grundlage der zwei ersten Messungen der mehrdeutigen Entfernung begonnen wird;
c) aus der gemessenen mehrdeutigen Entfernung und der abgeschätzten Mehrdeutigkeitsnummer ein neuer Wert für die Folgefrequenz f_R(k+1) bestimmt wird, für den im darauffolgenden Meßzyklus, der mit dieser neuen Folgefrequenz f_R(k+1) durchgeführt wird, die Mehrdeutigkeitszahl konstant bleibt und die Standardabweichung σ_d(k+1) des Fehlers in der Entfernung zwischen Radargerät und Ziel kleiner als die Standardabweichung σ_d(k) im vorausgehenden Zyklus ist.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 in einem Radargerät, das die Geschwindigkeit des verfolgten Ziels und die Gesamtleistung des Signals am Ende der Signalverarbeitung zu den Zeitpunkten T_k angibt und mit einer Schaltungseinheit zum Messen der mehrdeutigen Entfernung zu den Zeitpunkten T_k = kΔt sowie einer Recheneinheit versehen ist, welche aus der Zielgeschwindigkeit, der Gesamtleistung des Signals und der Folgefrequenz zu den Zeitpunkten T_k durch lineare Filterung der aufeinanderfolgend gemessenen Werte der mehrdeutigen Entfernung, der Mehrdeutigkeitszahl, der Entfernung zwischen Radargerät und Ziel sowie der Standardabweichung des entsprechenden Entfernungsfehlers eine Abschätzung der Mehrdeutigkeitszahl, der Entfernung zwischen dem Radargerät und dem Ziel sowie der Standardabweichung des Fehlers für diese Entfernung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der für einen Meßzyklus zu benutzenden Folgefrequenz ein Regelkreis vorgesehen ist, der die Folgeperiode T_R(k) = 1/f_R(k) bis auf einen Koeffizienten 2/c regelt, worin c die Lichtgeschwindigkeit ist, und der die für den nächsten Meßzyklus zu verwendende neue Folgeperiode aus der durch die Schaltungseinheit gemessenen mehrdeutigen Entfernung, aus der durch die Recheneinheit (1) geschätzten Mehrdeutigkeitszahl und, bis auf den Koeffizienten 2/c, aus der zur Gewinnung dieser Informationen verwendeten Folgeperiode bestimmt und daß der Regelkreis die neue Folgeperiode jeweils in Abhängigkeit von den Änderungen der Entfernung zwischen Radargerät und Ziel so berechnet, daß die Mehrdeutigkeitszahl konstant bleibt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene mehrdeutige Entfernung, die dem Eingang des Regelkreises zugeführt wird, in bezug auf einen Wert cT_R(k)/4, der gleich der Hälfte der maximalen Mehrdeutigkeitsentfernung ist, neu eingestellt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis mit einer Vorwegnahme der Geschwindigkeit arbeitet, die der vom Ziel in bezug auf das Radargerät während des Zeitintervalls Δt durchlaufenen Strecke entspricht.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis, dessen Übertragungsfunktion eine Funktion erster Ordnung ist, hintereinander folgende Baueinheiten enthält:

- eine Additions/Subtraktions-Schaltung (31), in der die Hälfte der maximalen mehrdeutigen Entfernung cT_R(k)/4 von der gemessenen mehrdeutigen Entfernung abgezogen wird,
- einen Verstärker (32) mit dem Verstärkungsfaktor G,
- eine Additions/Subtraktions-Schaltung (33), in der die während des Zeitintervalls Δt durchlaufene und durch eine Schaltungseinheit (34) ermittelte Strecke, die das Produkt aus Δt und der von der Doppler-Filterbank des Radargeräts gelieferten Radialgeschwindigkeit des Ziels bezüglich des Radargeräts gebildet wird, von dem Wert am Ausgang des Verstärkers (32) subtrahiert wird,
- eine Multiplizierschaltung (35), die das Produkt aus dem von der Additions/Subtraktions-Schaltung (33) gelieferten Signal und dem Koeffizienten 1/[(k)+0,5] bildet, der von der Schaltungseinheit (36) aus einem am Zeitpunkt T_k gebildeten Schätzwert (k) der Mehrdeutigkeitszahl berechnet wird,
- eine Addierschaltung (37), die zu dem von der Multiplizierschaltung (35) gelieferten Signal die maximale mehrdeutige Entfernung hinzufügt, die gleich cT_Rk /2 ist und der für den Meßzyklus bei T_k benutzten Folgefrequenz entspricht,
- eine Schaltungseinheit (40), die es ermöglicht, aus der maximalen Mehrdeutigkeitsentfernung cT_R(k+1)/2 am Zeitpunkt T_k+1=T_k+Δt, die am Ausgang der Addierschaltung (37) erhalten wird, die entsprechende Folgefrequenz f_R(k+1)=1/T_R(k+1) zum Zeitpunkt T_k+Δt zu berechnen, die im Radargerät bei einem neuen Meßzyklus zu benutzen ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schätzwert (k) der Mehrdeutigkeitszahl, die Entfernung d(k) des Radargeräts vom Ziel und der entsprechenden Standardabweichung des Entfernungsfehlers zwischen dem Radargerät und dem Ziel von einer im Radargerät enthaltenen Recheneinheit (1) geliefert werden, die die Gleichungen des Kalman-Filters anhand von Informationen des Radargeräts wie der Radialgeschwindigkeit des Ziels bezüglich des Radargeräts, der Signalleistung und der zum Gewinnen der vorgenannten Informationen zum Zeitpunkt T_R=kΔt benutzten Folgefrequenz löst.

7. Puls-Doppler-Radargerät mit hoher variabler Folgefrequenz, das eine Anordnung zum Messen der Entfernungsmehrdeutigkeit und eine Recheneinheit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Folgefrequenz durch eine Anordnung zur Beseitigung der Entfernungsmehrdeutigkeit gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6 bestimmt wird.