DE3222254C1 - Radar-System - Google Patents

Abstract

Das Radar-System besitzt einen HF-Oszillator (4), welcher einen HF-Impuls (C) mit einer voreingestellten Impulslänge erzeugt, welche durch eine Zeitsteuerschaltung (2) bestimmt wird. Der Impuls wird über eine Antenne ausgesendet. Ein Teil (C') des gesendeten Impulses ist über einen Koppler (6) zu einem Mischer (5) geführt, welcher daneben noch den entsprechenden Radar-Rückkehr-Impuls (D) empfängt. Der Mischer (5) erzeugt einen Video-Impuls (E), dessen Impulslänge gleich dem Intervall des gemeinsamen Auftretens des Anteils (C') und des Rückkehr-Impulses (D) ist. Der Video-Impuls wird in einem Kanal (CH2) des Radar-Systems mit einem bipolaren Video-Signal (F) gemischt, welches einen Polaritäts-Wechsel vollführt, der innerhalb des Zeitintervalls des Anteils (C') des gesendeten Impulses auftritt, welches aber keinen Polaritäts-Wechsel hat, der mit den Vorder- oder Hinterflanken jenes Impulses zusammenfällt. Das resultierende Signal (G) wird dann von einem Doppler-Filter (11) und einer Integrations-Schaltung (13) zu einer Verhältnis-Schaltung (14) durchgelassen. Der Video-Impuls (E) wird auch längs eines anderen Kanals (CH1) des Systems wieder über ein Doppler-Filter (10) und eine Integrations-Schaltung (13) zu der Verhältnis-Schaltung (14) geführt. Diese erzeugt ein Ausgangssignal, bezogen auf die Zielentfernung (Fig. 3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Radar-System gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Zum besseren Verständnis wird der Hintergrund der Er­ findung zunächst anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines früher vorgeschlagenen Radar- Systems, und Fig. 2 stellt zur Erläuterung der Arbeitsweise des Radar-Systems gemäß Fig. 1 idealisierte Diagramme von Wellenfor­ men dar.

Das früher schon vorgeschlagene Radar-System, von dem die Ausführungsform in Fig. 1 gezeigt ist, ist im einzelnen in der DE-OS 31 27 058 beschrieben. Bei diesem System werden HF- Impulse C der Impulslänge 2R/c ausgesendet, wobei c die Licht­ geschwindigkeit ist, und wobei R das gewünschte Entfernungs- Intervall darstellt, in welchem ein Ziel erfaßt werden soll. Die Impulse besitzen ein Tastverhältnis von beispielsweise 1 : 4. Ein Teil der Energie C' jedes gesendeten Impulses wird über einen Koppler 6 und ohne wesentliche Verzögerung zu einem Mischer 5 geführt, welcher außerdem die entsprechenden Empfangs-Impulse D empfängt. Das Ausgangssignal des Mischers 5 ist somit ein Video- Impuls E, dessen Länge gleich der Länge des gemeinsamen Inter­ valls des Auftretens des gesendeten und am Mischer 5 empfangenen Impulses ist.

Der Video-Impuls E wird über einen Video-Verstärker 8 zu zwei Kanälen CH1 und CH2 geführt. In dem ersten Kanal CH1 wird der Video-Impuls E in einem ersten Video-Mischer 9' in eine Beziehung mit einem ersten bipolaren Video-Signal der Frequenz f 1/2 gebracht, wobei das Video-Signal ein Rechteck- Impuls ist, welcher die gleiche Impulslänge und Impuls­ dauer wie der ausgesendete Impuls C besitzt. In dem zweiten Kanal CH2 wird der Video-Impuls E in einem zweiten Video- Mischer 9 mit einem Zyklus zweiter bipolarer Video-Signale f1 in Beziehung gebracht, wobei dieses Video-Signal eben­ falls ein Rechteck-Impuls ist, welcher eine Zyklus-Periode besitzt, die gleich der halben Impulslänge des gesendeten Signals ist.

In jedem Kanal wird die Basisband-Komponente von jedem Video-Mischer durch Filtern in einem Doppler-Filter 10 oder 11 entfernt und danach erfaßt und integriert (12 bzw. 13), und es wird dann das Verhältnis der gefilterten Ausgangs- Amplituden durch eine Schaltung 14 als ein Maß für die Ent­ fernung zu einem Ziel gewonnen.

In Fig. 2 ist zu erkennen, daß bei einer Null- Entfernung die Vorder- und Hinterflanken des ersten Video- Signals f1/2 ideal mit den entsprechenden Flanken des Video- Impulses E(0) übereinstimmen, und daß das Ausgangssignal S1(0) des ersten Mischers 9' ein Impuls ist, welcher die gleiche Länge wie der erste Video-Impuls E(0) besitzt. Wenn die Entfernung anwächst, z. B. auf eine "Halb-Entfernung", fallen die Vorderflanken nicht zusammen, aber das Ausgangs- Signal S1(1/2) hat noch die gleiche Länge wie der Video- Impuls E(1/2).

Bei der Null-Entfernung fallen die Vorder- und Hinterflanken des Zyklusses des zweiten Video-Signals f1 mit den entsprechenden Flanken des Video-Impulses E(0) zusam­ men, während das zweite Video-Signal f1 im Zentrum des Video- Impulses einen Wechsel T der Polarität vollführt. Wenn die Entfernung anwächst, z. B. auf eine "Halb-Entfernung", fällt die Vorderflanke des Video-Impulses E(1/2) nicht mehr mit der entsprechenden Flanke des zweiten Video-Signals f1 zusam­ men. Außerdem findet der Wechsel der Polarität des zweiten Video-Signals f1 nicht mehr in der Mitte des Video-Impulses E(1/2) statt. Jedoch fallen die Hinterflanken des Video- Impulses und des zweiten Video-Signals im Idealfall noch zu­ sammen.

Um eine gewünschte Entfernungsregel bzw. ein ge­ wünschtes "Entfernungsgesetz" - d. h. die Veränderung der Entfernung als Maß des Verhältnisses der Ausgangssignale des ersten und zweiten Mischers - zu erhalten, ist es bei der vorgeschlagenen Lösung wichtig, sicherzustellen, daß die Flanken der Impulse und der Polaritätswechsel zu den geeig­ neten Zeiten auftreten. Fehler im Zeitablauf führen zu Feh­ lern des genannten Entfernungsgesetzes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Radar-System zu schaffen, bei welchem die Probleme, welche mit den relativen Zeitsteuerungen der Impulsflanken zusam­ menhängen, verringert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung zum besseren Ver­ ständnis anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild des voran­ stehend schon beschriebenen Radar- Systems,

Fig. 2 Wellenformen zur Erläuterung der Wirkungsweise des Radar-Systems ge­ mäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Radar- Systems gemäß der Erfindung,

Fig. 4 die zeichnerische Darstellung meh­ rerer Kurven unter Zugrundelegung idealisierter Entfernungsgesetze bei dem Radar-System gemäß Fig. 3,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Zeit­ steuerschaltung (bzw. Taktsteue­ rungsschaltung) aus Fig. 1,

Fig. 6 ein Diagramm idealisierter Wellen­ formen zur Erläuterung der Ar­ beitsweise des Radar-Systems gemäß Fig. 3,

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Modifika­ tion des Radar-Systems gemäß Fig. 1, und

Fig. 8A und B Diagramme von Wellenformen zur Erläu­ terung des Effektes der Zeitsteue­ rung und ihre Kompensation bei der Arbeitsweise des Radar-Systems ge­ mäß Fig. 7.

In den Fig. 3 und 6 erzeugt ein Taktgeber 1 einer Zeitsteuerschaltung 2 Taktimpulse der Frequenz f1/2 mit der Periode λ. Von diesen Taktimpulsen wird über eine logi­ sche Schaltung 2' ein Impulszug mit dem Tastverhältnis 1 : 4 der Impulse abgeleitet, welche die Länge λ/2 besitzen. Die­ se Impulse gelangen zu einer Oszillator-Treiberschaltung 3, welche Impulse B der Länge λ/2 und mit dem Tastverhältnis 1 : 4 erzeugt, die, geeignet sind, einen HF-Oszillator 4 anzu­ treiben, welcher entsprechende HF-Impulse C zum Aussenden über eine Antenne TX erzeugt. Die Länge jedes Taktimpulses C ist so gewählt, daß tp gleich 2 R/c ist, wobei R den Entfer­ nungsbereich zum Erfassen eines Zieles darstellt, und wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Der zugehörige Rückkehr-Impuls D von einem Ziel wird von der Empfangsantenne RX empfangen und zu einem HF- Mischer 5 geführt. Der HF-Mischer 5 empfängt auch einen Teil der Energie des ausgesendeten Impulses über einen HF- Koppler 6, und zwar in Form eines HF-Lokaloszillator- Impulses C', welcher durch eine Verzögerungsschaltung 7 verzögert ist, und welcher relativ zu dem Impuls C eine kleinere Amplitude besitzt.

Wenn die Entfernung zu dem Ziel Null ist, fal­ len die Impulse C' und D am Mischer 5 zeitlich zusammen, wie in Fig. 6 bei C', D(0) zu erkennen ist. (Obwohl die Verzögerungsschaltung 7 in Figur zwischen dem Koppler 6 und dem Mischer 5 gezeigt ist, ist die unwesentliche Ver­ zögerung nur vorgesehen, um die Verzögerung für das An­ tennenkabel von dem Punkt P zu dem Punkt Q zu kompensieren). Bei einer Null-Entfernung ist das Ausgangssignal des Mischers 5 daher ein Video-Impuls H, der zu einem Video- Verstärker 8 geführt wird, um einen Video-Impuls E zu er­ zeugen.

Die Länge des Video-Impulses E ist gleich dem gemeinsamen Intervall des Auftretens der Impulse C' und D am Mischer, wie bei E(0) in Fig. 6 für die Null-Entfernung gezeigt ist. Bei einer Halb-Entfernung R ist der Impuls D relativ zum Impuls C' um die halbe Länge des Impulses C' verzögert, wie in Fig. 6 bei D(1/2) dargestellt ist. Der Video-Impuls ergibt sich dann, wie bei E(1/2) in Fig. 6 dargestellt.

Der Video-Impuls E wird zu zwei parallelen Kanä­ len CH1 und CH2 geführt. Der Kanal CH2 umfaßt einen Video- Mischer 9, welcher den Video-Impuls E und ein bipolares Video-Signal F empfängt. In diesem Beispiel umfaßt der Video- Mischer 9 einen Phasentspaltungs-Verstärker 91 und einen Dioden­ schalter 92. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat das Video-Signal F einen Polaritätswechsel T (vergl. Fig. 6 bei F), der zeitlich so liegt, daß er sich in der Mitte des HF-Lokaloszillator-Impulses C' befindet, aber kei­ nen Polaritätswechsel besitzt, der im wesentlichen mit den Vorder- und Hinterflanken des Impulses C' zusammenfällt, wobei der entgegengesetzte Polaritätswechsel T¹ in der Mitte zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen C' auftritt.

Das Ausgangssignal G des Video-Mischers 9 ist so­ mit der Video-Impuls E, von welchem Teile positiv und nega­ tiv in Abhängigkeit von dem Zeitablauf des Polaritätswechsels T des Signals F relativ zu dem Video-Impuls E gewichtet wer­ den. Wie bei G(0) in Fig. 6 für eine Null-Entfernung darge­ stellt, besitzt das Ausgangssignal G gleiche negative und po­ sitive Anteile, da der Polaritätswechsel T in der Mitte des Video-Impulses E liegt. Wenn die Entfernung größer wird, nimmt der negative Anteil ab, bis bei einer Halb-Entfernung das Ausgangssignal G nur noch einen positiven Anteil besitzt, da der Video-Impuls E nur einen Impuls umfaßt, der - wie bei E(1/2) und G(1/2) in Fig. 6 dargestellt - nach dem Pola­ ritätswechsel T auftritt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Er­ findung ist in dem Kanal CH1 kein Mischer vorgesehen (vergl. das eingangs erläuterte Radar-System), wodurch Fehler als Folge eines nicht exakten zeitlichen Ablaufs der Impulsflan­ ken vermieden werden.

Beide Kanäle CH1 und CH2 besitzen ein Doppler- Filter (mit Verstärker) 10 oder 11, sowie eine Erkennungs- und Integrationsschaltung 12 oder 13, die aus praktischen Gründen vorgesehen sind. In der Praxis beinhaltet das Aus­ gangssignal des HF-Mischers 5 eine sogenannte "Spillover- Komponente" als Folge der direkten Übertragung eines Signals von TX (Sendeantenne) zu RX (Empfangsantenne). Ein realer Ziel-Rückkehr-Impuls D und der gewünschte Video-Impuls E einer Länge, die gleich dem gemeinsamen Intervall des Auf­ tretens des realen Ziel-Rückkehr-Impulses D und des Lokal- Oszillatorimpulses C' ist, kann von der "Spillover-Kompo­ nente" durch die Doppler-Modulation des Ziel-Rückkehr- Impulses abgetrennt werden. In Praxis würden somit die Wel­ lenformen D, H, E und G in Fig. 6 Doppler-moduliert sein.

Die Doppler-Filter 10, 11 lassen die Doppler- Komponenten durch, welche in den Schaltungen 12 und 13 er­ faßt und integriert werden, um ein Gleichstromsignal zu er­ halten. Am Ausgang des Kanals CH1 ergibt sich somit ein Signal, welches die ungewichtete Amplitude des gesamten Video-Impulses E darstellt, während am Ausgang des Kanals CH2 ein Signal auftritt, welches die Amplitude des gesamten Video-Impulses E gewichtet in Übereinstimmung mit seinem zeitlichen Ablauf relativ zu dem bipolaren Video-Signal F darstellt. Die beiden Signale werden zu einer Schaltung 14 geführt, welche den Logarithmus des Verhältnisses der bei­ den Signale bildet.

Fig. 4 zeigt die Einstellung bzw. die Änderung der Ausgangsspannungen der Kanäle CH1 und CH2 und der Schal­ tung 14 mit der Entfernung. Es ist zu erkennen, daß die Ausgangsspannungen der Kanäle CH1 und CH2 gleichzeitig zu Null werden. Dies ist in der Praxis unerwünscht, so daß der Kanal CH2 eine Schaltung 15 umfaßt, welche sicherstellt, daß ihr Ausgangssignal bei einer Beinahe-Maximum-Entfernung nicht unter einen vorbestimmten Wert fällt, um eine Unbe­ stimmtheit des Ausgangssignals der Schaltung 14 bei der Beinahe-Maximum-Entfernung zu verhindern.

Die Schaltungen zur Erzeugung der Signale A, B und F sind im einzelnen in Fig. 5 dargestellt. Das Signal A wird über einen Frequenzteiler 17, welcher durch zwei teilt, von dem Taktgeber 1 gewonnen. Das Signal B wird von A und von dem Taktgeber 1 über eine UND-Schaltung 18 abgeleitet, während das Signal F durch Verzögerung des Signals A um λ/2 unter Verwendung einer Verzögerungsleitung 16 gewonnen wird.

In Fig. 7 ist das Blockschaltbild einer Modifi­ kation des Radar-Systems der Fig. 1 und 3 dargestellt. Dabei sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 versehen. Zusätzlich zu diesen gleichen Tei­ len, die nicht weiter beschrieben werden, umfaßt das in Fig. 7 dargestellte Radar-System HF-Filter 19 und HF-Isola­ toren bzw. HF-Richtungsleitungen 20 (englisch: RF isolator). Außerdem fehlt bei dem System gemäß Fig. 7 die Verzögerungs­ schaltung 7 zwischen dem Koppler 6 und dem Mischer 5, da die Antennenkabel-Verzögerungen - wie noch deutlich werden wird - inhärent kompensiert sind. Fig. 7 zeigt auch ein Beispiel der Schaltung 14 zur Bildung des logarithmischen Verhältnisses, welche logarithmische Verstärker 141, 142 und eine Subtraktions-Schaltung 143 umfaßt.

Die Signale in dem Radar-System gemäß Fig. 7 sind empfänglich für Verzögerungen in den Video-Schaltungen und für Verzögerungen in den Mikrowellen-Schaltungen.

Die Zeitsteuerschaltung 2 umfaßt in diesem Aus­ führungsbeispiel einen Impuls-Wiederholungs-Frequenzgene­ rator 201, welcher das Signal A erzeugt (Fig. 5A oder Fig. 2) und einen Impuls-Generator 202, welcher auf die Vorderflanke des Signals A reagiert, um das Signal B zu erzeugen (Fig. 5A oder Fig. 2), um die Impulslänge tp der ausgesendeten Hoch- frequenz zu definieren, und welches zu dem HF-Oszillator 4 geführt ist. Die totale Verzögerung der Video-Schaltung von dem Ausgang des Generators 201 zu dem Ausgang des Oszilla­ tors 4 beträgt tv₁.

Der HF-Impuls des Oszillators 4 wird über den Koppler 6, die HF-Einweg-Leitung 20 und das Filter 19 zur Antenne TX geführt und ist einer Verzögerung tm₁ unterwor­ fen, zu welcher der Koppler 6 nichts beiträgt. Der gesende­ te Impuls ist dann einer Verzögerung t(R) unterworfen, wel­ che von der Entfernung zwischen der Antenne TX und der Empfangsantenne RX zu einem Ziel abhängt.

Der von der Antenne RX empfangene Impuls ist dann einer Mikrowellen-Verzögerung tm₂ durch das Filter 19 und die HF-Einweg-Leitung 20 zum Eingang des HF-Mischers 5 un­ terworfen.

Das Video-Ausgangssignal des Mischers 5 erfährt dann bis zu den Kanälen CH1 und CH2 eine Verzögerung tv₂ durch den Video-Verstärker 8.

Das bipolare Video-Signal A, welches von der Zeit­ steuerschaltung 2 erzeugt wird, unterliegt einer Verzögerung tv₃ in der Video-Verzögerungsleitung 16.

Jedwelche andere Verzögerungen sind in den Verzöge­ rungen tm₁, tm₂, tv₁, tv₂ und tv₃ enthalten.

Die Wirkungen dieser Verzögerungen sind in Fig. 8A übertrieben dargestellt. Der gesendete HF-Impuls C besitzt die Länge tp, ist aber um tv₁ relativ zur Vorderflanke des Signals A verzögert, während es im Idealfall nicht verzögert sein sollte.

Bei "Null-Entfernung", d. h., wenn die Entfer­ nungs-Verzögerung t(R) = t(0) ist, sollte der empfangene HF-Impuls zeitlich mit dem HF-Impuls am Ausgang des Oszilla­ tors 4 zusammenfallen. Tatsächlich ist er jedoch relativ da­ zu um tm₁ + tm₂ + t(0) verzögert, wie bei D gezeigt ist.

Das entsprechende Video-Signal E am Ausgang des Mischers ist außerdem um tv₂ relativ zur Vorderflanke des HF-Impulses D verzögert, anstatt in idealer Weise keiner Verzögerung unterworfen zu sein.

Wenn dementsprechend das bipolare Video-Signal, welches durch die Verzögerungsleitung 16 zur Erzeugung des Signals F verzögert ist, um die Hälfte des Impuls-Intervalls des ideal unverzögerten HF-Impulses C verzögert wurde, wür­ de das Ausgangssignal des Video-Mischers 9 im Kanal CH2 wie bei G für die Null-Entfernung dargestellt sein. G in Fig. 8A gibt deutlich etwas anderes als die Null-Entfernung an, wie man bei einem Vergleich mit G(0) in Fig. 2 sehen kann.

Um eine Kompensation für die Verzögerungen zu er­ reichen, werden folgende Maßnahmen getroffen:

• 1. die HF-Impulslänge ist auf (tp + tx) verlängert, wobei
  tx = tm₁ + tm₂ ist;
• 2. die durch die Verzögerungsleitung 16 definierte Video-Verzögerung beträgt
  tv₃ = (tm₁ + tm₂) + (tv₁ + tv₂) + (tp)/2.

Fig. 8B zeigt das Ergebnis dieser Modifikation und verdeutlicht, daß das Signal G konsequent die Entfernung für das Beispiel der Null-Entfernung korrekt repräsentiert. Na­ türlich repräsentiert das Signal G die Entfernung auch bei allen anderen bedeutsamen Werten in korrekter Weise.

Claims (4)

1. Radar-Gerät mit einer Impuls-Zeitsteuerschaltung, die mit einem Sender zur Aussendung eines Hochfrequenz-Impulses mit einer vorgegebenen Impulslänge gekoppelt ist, mit einem Empfänger zum Empfangen des entsprechenden Rückkehr-Impulses, mit einer ersten Mischschaltung, die auf den Rückkehr-Impuls und einen wei­ teren Hochfrequenz-Impuls anspricht, welcher eine Impulslänge besitzt, die im wesentlichen gleich ist mit der Impulslänge des gesendeten Impulses, und welcher relativ dazu in einem vorbe­ stimmten zeitlichen Ablauf steht, um einen Video-Impuls zu erzeu­ gen, dessen Länge gleich dem Intervall des gemeinsamen Auftretens des weiteren Impulses und des Rückkehr-Impulses ist, und mit einem ersten und zweiten Kanal zum Empfang des Video-Impulses, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (CH2) eine zweite Mischschaltung (9) zum Empfang des Video-Impulses von der ersten Mischschaltung (5) und zum Empfang eines bipolaren Video-Signals von Verzögerungsmitteln (16) enthält, die die zweite Mischschal­ tung (9) mit der Impuls-Zeitsteuerschaltung (2) koppeln, wobei das bipolare Video-Signal wenigstens einen Wechsel von einer Polarität zur anderen oder umgekehrt durchführt, der innerhalb des Zeitintervalls des weiteren Impulses auftritt aber im wesent­ lichen nicht mit den Vorder- und Hinterflanken des weiteren Im­ pulses zusammenfällt, daß der zweite Kanal (CH2) ein Ausgangs­ signal erzeugt, das die Amplitude der Gesamtheit des Video-Impul­ ses gewichtet in Übereinstimmung mit dem bipolaren Signal reprä­ sentiert, und daß eine Verhältnisbildungs-Schaltung (14) zur Bil­ dung eines Signals vorgesehen ist, das das Verhältnis des Aus­ gangssignals und eines weiteren Signals von dem ersten Kanal (CH1) repräsentiert, das die ungewichtete Amplitude des Video- Impulses darstellt und vom Video-Impuls ohne Verwendung eines weiteren Signals abgeleitet ist.

2. Radar-Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsmittel (16) aus einer Verzögerungsleitung bestehen.

3. Radar-Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Mischschaltung (9) eine Phasenspaltungs- Verstärker-Schaltung (91) zum Empfang des Video-Impulses enthält, und daß ein Diodenschalter (92) elektrisch in Reihe mit der Ver­ stärker-Schaltung (91) verbunden ist, um das bipolare Video- Signal zu empfangen.

4. Radar-Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kopplungsmittel (6) zwischen der ersten Mischschaltung (5) und der Sendeschaltung vorgesehen sind, um den weiteren Hochfrequenz-Impuls zu erzeugen.