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Ortungsverfahren und Anordnung zur Durchführung des
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Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Ortungsverfahren der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Ortungsverfahren zur Entdeckung eines Ziels sowie zur Bestimmung dessen
Entfernung sind in der Ausführung als kohärente Pulsradarsysteme, welche die Anwesenheit
eines Ziels durch Schwellwert vergleicht, dessen Entfernung durch Messen der Pulslaufzeit
und unter Umständen dessen Geschwindigkeit durch Ermittlung einer Dopplerfrequenzablage
des Echosignals ermitteln, hinreichend bekannt. Zur Erzielung der Kohärenz ist dabei
ein relativ hoher Aufwand erforderlich.
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Für viele Entfernungsmessungen ist es ausreichend, einen Bereich mit
einer Maximalentfernung abzugrenzen und lediglich das Eindringen eines Ziels in
diesen Bereich zu erfassen. Ein Anwendungsf all ist beispielsweise gegeben in der
Munitionselektronik, wo nur das Erreichen einer vorgegebenen Sollentfernung eines
Geschosses bei der Annäherung an ein Ziel festgestellt und zur Pbleitung eines Zündimpulses
ausgewertet werden soll.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ortungsverfahren
und eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben, welches
mit geringem Aufwand die Entdeckung von Zielen, die einen definierten Abstand von
einem Radargerät unterschreiten, ermöglichen.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch das im Patentanspruch
1 angegebene Ortungsverfahren urd die im Patentanspruch 3 angegebene Anordnung zur
Durchführung dieses Verfahrens gegeben. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen
der Erfindung finden sich in den untergeordneten Ansprüchen.
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Bei der Entfernungsessung gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt
sich für Ziele innerhalb des abgegrenzten Entfernungsbereichs ein Signal am Mischerauscang
dadurch, daß sich Puls anfang und Pulsende im Mischer als am Ziel reflektiertes
Echosignal beziehungsweise als ausgekoppelter Teil der Sendeleistung überdecken.
Die Dauer der abgestrahlten Sendeimpulse ist hierzu größer gewählt als die Echolaufzeit
für den durch die Maximalentfernung des abgegrenzten Bereichs definierten Zielabstand.
Für Ziele außerhalb des abgegrenzten Bereichs überdecken sich der reflektierte Pulsanfang
und das ausgekoppelte Pulsende im
Mischer nicht mehr, so daß am
Ausgang des Mischers kein Signal ansteht.
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Da es sich bei den im Mischer überlagerten Signalen um gleichfrequente
Sionale handelt, ist das Mischerausgangssignal eine pulsförmige Gleichspannung,
deren Amplitude und Vorzeichen von der Intensität der ref3ektierten Welle und von
deren Phasenlage bezüglich des ausgekoppelten Sendeimpulsanteils abhängt. Bei Bewegt
zielen oder allgemein bei einer Relativbewegung zwischen Sende/Empfangs-Gerät und
Ziel ändert sich die Phase des Echosignals über der Weglänge. Von Puls zu Puls variiert
daher die Amplitude des Mischerausgangssignals. Aus einer Pulsfolge der Mischerausgangspulse
läßt sich mit an sich bekannter Dopplerverarbeitung eine der Geschwindigkeit proportionale
Dopplerfrequenz ableiten.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter
Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht. Dabei zeigt FIG. 1 die Signalverläufe
der Sende- und Empfangspulse FIG. 2 ein Pulsdopplersignal FIG. 3 den Dopplersignalverlauf
über der Entfernung bzw.
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der Zeit und FIG. 4 das prinzipielle Schema einer erfindungsgemäßen
Anordnung.
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In der FIG. 1 sind jeweils die Signalamplituden über der Zeit aufgetragen.
Ein Modulator 4 gibt ein im gezeigten Fall rechteckförmiges Modulaticnssignal a)
auf einen Mikrosellengenerator 3, welcher daraufhin während der Dauer der Modulationssignale
Mikrowellenenergie zur Abstahlung auf eine Antenne 1 leitet.
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In einer Koppeleinrichtung 2 wird ein Teil der Leistung der Sendeimpulse
b) ausgekoppelt und auf einen Mischer 5 geleitet. Der Hauptanteil der Sendeleistung
wird über die Antenne 1 abgestrahlt. Zu unterscheiden ist nun, ob ein Ziel außerhalb
oder innerhalb des abgegrenzten Bereiches liegt. Für Ziele innerhalb des Bereichs
ergeben sich Empfangsechos c), die zeitlich mit den Sendeimpulsen überlappen. Dementsprechend
ergeben sich am Mischerausgang während der Überdeckungszeit Gleichspannungspulse
d). Die Amplitude der Gleichspannungspulse hängt ab von der Amplitude der Empfangsechos
und deren Phasenlage bezüglich der Sendeimpulse. Die Dauer der Gleichspannungspulse
ist bestimmt durch den Grad der Überdeckung von Sendeimpuls und Empfangsecho. Für
Ziele außerhalb des Bereichs kommen die Empfangsechos e) aufgrund der größeren Echolaufzeit
für die größere Entfernung später in de Mischer zurück. Am Mischerausgang kann jedoch
nur dann ein Signal entstehen, wenn gleichzeitig Überlagerungsleistung zugeführt
wird. Da die Sendeimpulse b) beim Eintreffen der Empfangsechos e) jedoch bereits
beendet sind, ergeben sich am Mischerausgang f> keine Gleichspannungspulse. Das
erfindungsgemäße Radarsystem ist, da der Sender von Puls zu Puls ausgeschaltet wird
und stets mit veränderter Phase neu anschwingt, ein nicht kohärentes Radar für Zielechos
außerhalb des abgegrenzten Entfernungsbereichs. Für Nahbereichsziele dagegen ist
das System kohärent, da die Phase des Empfangsechos stets durch die Phase des Sendesignals
bestimmt ist und die relative Phasenlage nur von der Laufzeit der Impulse zum Ziel
und zurück zur Antenne abhängt.
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Das sich, wie bereits ausgeführt, bei relativer Bewegung des Ziels
die Phase des Echosignals mit der Zeit, d. h.
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von Puls zu Puls ändert und die Amplitude des Mischerausgangs von
dieser Phasenlage abhängig ist, ergibt sich ftr aufeinanderfolgende Gleichspannungspulse
am Mischerausgang der in FIG. 2 skizzierte Verlauf. Die Amplitude der einzelnen
Pulse variiert sowohl im Betrag als auch im Vorzeichen. Die Einhüllende der Pulsfolge
ergibt die Dopplerschwingung, deren Frequenz der Geschwindigkeit proportional ist.
Bei Bewegung des Zieles oder des Senscrs beschreiben die Pulsspitzen als Hüllkurve
damit eine Sinusschwingung. Durch Filterung und Integration ergibt sich eine stetige
Schwingung im Niederfrequenzbereich.
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Die Amplitude des niederfrequenten Dopplersignals nimmt mit abnehmender
Entfernung stark zu, da bei der Annäherung zwischen Sensor und Ziel zum einen die
Entfernung vermindert wird, und damit die mit R -4 abfallende Echczamplitude ansteigt.
Zum anderen wirkt sich aber vor allem die zunehmende Überdeckung zwischen Sendeimpuls
und Empfangsecho aus, da mit zunehmender Überdeckung die Energie im Mischerausgangssignal
zunimmt. FIG. 3 zeigt den Vergleich eines Dopplersignals, wie es bei der Entfernungsmessung
gemäß der vorliegenden Erfindung auftritt, mit einem Dopplersignal bei einem Dauerstrich
(CW)-Radar. Aufgetragen ist die Amplitude des niederfrequerten Dopplersignals über
der Entfernung. Der zeitliche Verlauf der Amplitude bei Annäherung von Ziel und
Sensor ist dementsprechend in Richtung abnehmender Entfernunc zu verfolgen. Bei
dem CW-Dopplersignal I fällt das Signal mit zunehmender Entfernung entsprechend
der R -4 Abhängigkeit der Echoamplitude ab. Bei sehr kleinen Entfernungen im Nahbereich
ist die Amplitude durch den Verstärker begrenzt. Das sich bei der vorliegenden Erfindung
ergebende Dopplersignal II zeigt bei sehr kleinen Abständen gleichfalls das Begrenzungsverhalten,
fällt dann jedoch
wesentlich schneller ab und verschwindet gänzlich,
wenn sich die Sendeimpulse mit den Empfangsechos zeitlich nicht mehr überdecken.
Bei der Annäherung zwischen Sensor und Ziel steigt die Amplitude des tliederfrequenten
Dopplersignals, also mit Beginn der Überdeckung zwischen Sendeimpuls und Empfangsecho
im Mischer schnell an. Dieser schnelle Anstieg kann zur Auslösung eines Signals
nun auf einfache Weise durch Festlegen einer Triggerschwelle S für die Amplitude
des im Verstärker 7 verstärkten Dopplersignals und Detektieren der Schwellenüberschreitung
in einen Auswerteteil 8 ausgenutzt werden.
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Der Amplitudenabfall mit zunehmender Entfernung bei dem Dopplersignal
II ist wesentlich bestimmt durch die Impulsform. Vorteilhafter als die in FIG. 1
dargestellten Rechteckimpulse sind Sendeimpulse, die annähernd dreieckförmig sind.
Ein steiler Anstieg der Amplitude bei der Zielannäherung ist auch in sofern besonders
vorteilhaft, da dadurch eine von den Rückstreueigenschaften des Ziels weniger starke
Abhängigkeit des Zielentdeckungsabstandes gewährleistet ist. Der Zielentdeckungsabstand,
also der Abstand in dem die Amplitude des Dopplersignals die Schwelle übersteigt,
entspricht dem definierten Abstand.
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Die Dauer der Pulse ist demnach je nach Pulsform und Höhe der Schwelle
um so viel größer als die Echolauf zeit für den definierten Abstand zu wählen, daß
die Schwellwertüberschreitung bei etwa diesem Abstand auftritt.
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Da die Dopplersignalanteile im Mischerausgangssignal niederfrequent
sind, wird zu deren Abtrennung gnstigerweise ein einfaches Tiefpaßfilter hinter
dem Mischer angecrdnet. Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden durch Einsatz
eines Bandpaßfilters, wenn die Begegnungsgeschwindigkeit mit dem Ziel bekannt ist.
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Durch Abstimmung des Bandfilters auf die zu erwartende Dopplerfrequenz
kann die Störfestigkeit des Systems erheblich verbessert werden. Zudem ergibt sich
durch Einengung des Niederfrequenzbereichs eine scheinbare Bündelung des Antennendiagramms,
da für seitlich weiter abliegende Ziele die Dopplerfrequenz abnimmt. Es bestehen
somit zwei Kriterien, sicherzustellen, daß außerhalb des Meßbereichs kein Ziel angezeigt
werden kann: Im Mischer müssen zwei Signale zur Überlagerung anstehen und das niederfrequente
Dopplersignal als Hüllkurve der Mischerausgangssignale muß durch das Filter passen.
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Vorteilhafterweise ist zum Senden und Empfangen eine gemeinsame Antenne
vorgesehen. Diese wird über eine Sende-Empfangs-Weiche mit dem Sender einerseits
und dem Mischer andererseits in an sich bekannter Weise verbunden. Gemäß einer günstigen
Ausführungsform ist die Sende-Empfangs Weiche ein Richtkoppler. Eine andere günstige
Ausführungsform sieht einen Zirkulator als Sende-Empfangs-Weiche vor.
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Vorteilhafterweise wird überdie Sende-Empfangs-'eiche auch der auf
den Mischer geleitete Teil der Sendeleistung ausgekippelt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung findet besonders vorteilhaft Verwendung
als Sensor in einem Näherungszünder.