DE3319767B3

DE3319767B3 - Verfahren zur Abstandsbestimmung eines Objektes

Info

Publication number: DE3319767B3
Application number: DE3319767A
Authority: DE
Inventors: Leo Fischer
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-06-08
Filing date: 1983-06-01
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2003-06-02

Abstract

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auf verschiedenen Gebieten der Technik vorgegebene Abstände bei der gegenseitigen Annäherung zweier Objekte bestimmen, beispielsweise lässt sich das Erreichen der vorgegebenen Sprengpunkthöhe eines gegen Bodenziele verschossenen Artilleriegeschosses bestimmen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen des Zeitpunktes, in welchem ein mobiles Objekt einen vorgegebenen Abstand zu einem durch eine Rückstrahlmessung angemessenen Objekt erreicht hat, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie auf eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 2.
Das angemessene Objekt kann ortsfest oder auch selbst ein mobiles Objekt sein. Die Art des Objekts ist fast beliebig wählbar; beispielsweise kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kraftfahrzeug ein ihm vorausfahrendes Fahrzeug laufend anmessen und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Sicherheitsabstandes für den Fahrer ein Warnsignal auslösen oder eine Zwangsbremsung automatisch einleiten. Die Rückstrahlmessung kann hierbei mittels elektromagnetischer Wellen nach dem Radarverfahren erfolgen, jedoch sind grundsätzlich auch Meßverfahren der Ultraschall- oder Lasertechnik anwendbar. Auch bei Anlegemanövern größerer Schiffe am Hafenkai ist beispielsweise das Verfahren nach der Erfindung benutzbar, um Beschädigungen der Kaieinrichtungen durch das anlegende Schiff möglichst zu vermeiden, indem bei Unterschreiten bestimmter Kaiabstände entsprechende Maßnahmen automatisch getroffen werden.
Besondere Bedeutung findet das erfindungsgemäße Verfahren in der Munitionselektronik, wobei unter Munition vorzugsweise Artilleriegeschosse beliebiger Kaliber oder auch Flugkörper, wie Raketen, verstanden sind. Beispielsweise läßt sich hierbei der Zündzeitpunkt eines gegen Bodenziele verschossenen Geschosses genau und auf preiswerte Art bestimmen, welches in einer vorgegebenen Höhe über Grund detonieren soll.
Es ist bereits für derartige Abstandszünder ein Verfahren vorgeschlagen worden, welches unter Verwendung eines CW/FM-Radarzünders mit sinusförmiger Frequenzmodulation arbeitet (CW = Dauerstrichsignal; FM = Frequenzmodulation). Es hat sich jedoch die Forderung ergeben, diesen bereits vorgeschlagenen Zünder hinsichtlich seines wirtschaftlichen Aufwandes zu verbessern.
Aus US 31 49 330 und US 31 16 483 ist ein frequenzmoduliertes Dopplerradarsystem bekannt, bei dem die Sendeschwingungen mit einem Modulationssignal moduliert und die Empfangsschwingungen mit den momentanen Sendeschwingungen zum Erzeugen von Videosignalen gemischt werden. Bei diesem Verfahren ist dem Videokanal ein Dopplerkanal nachgeschaltet, dem eine Harmonische des Modullationssignals zugeführt ist. Das Sendesignal wird hierbei sinusförmig moduliert. Aus US 31 49 330 sind ferner Abwandlungen dieses Verfahrens entnehmbar, bei denen zwei unterschiedlichen Videokanälen (z. B. der 3. und 5. Oberwelle des Videosignals) jeweils ein Dopplerkanal nachgeschaltet ist, denen unterschiedliche Harmonische des Modulationssignals zugeführt sind.
Aus US 29 31 030 ist ein weiteres frequenzmoduliertes Dopplerradarsystem bekannt, bei dem das Videosignal in zwei getrennten Kanälen jeweils einen Bandpaß-Filter/Verstärker durchläuft, deren Mittenfrequenz auf unterschiedliche Harmonische des Modulationssignals eingestellt sind. Die Amplituden der Filterausgangssignale werden anschließend in einen Gleichspannungsverstärker gegeben. Dabei dient das eine Signal als Verstärkereingangssignal und das andere als Signal zur Steuerung der Verstärkung. Das Verstärkerausgangsignal ist proportional zum Verhältnis der Ausgangspegel der beiden Bandpaß-Filter/Verstärker. Die Druckschrift enthält ferner einen Hinweis auf die lineare Frequenzmodulation.
Ein ähnliches Radarsystem ist ferner aus US 42 17 827 bekannt.
Schließlich ist aus US 42 36 157 ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, das dem erfindungsgemäßen Verfahren am nächsten liegt. Nach der dortigen 2 werden die Ausgangssignale eines HF-Oszillators mittels eines FM-Oszillators in ihrer spektralen Reinheit künstlich verschlechtert. Diese (frequenzmäßig verbreiterten) Linien werden anschließend über einen Pseudo-Rausch-Code-Generator in ihrer Phase moduliert und ausgesendet. Die reflektierten Signale werden empfangen und in einem Mischer mit den (nicht in ihrer Phase modulierten) Sendesignalen gemischt. Dem Mischer ist ein Videokanal nachgeschaltet, dem ausgangsseitig zwei Dopplerkanäle parallel geschaltet sind.
In den beiden Kanälen befindet sich jeweils ein Korrelator, in denen das Videosignal jeweils mit einem Referenzsignal korreliert wird. Die beiden Referenzsignale sind von dem phasenmodulierten Pseudo-Rausch-Code abgeleitet und sind gegenüber diesem unterschiedlich lang verzögert. Die Ausgangssignale der beiden Korrelatoren werden anschließend dopplergefiltert und gleichgerichtet. Die gleichgerichteten und mit unterschiedlicher Polarität versehenen Signale werden dann summiert und aus dem Summensignal der Zündzeitpunkt abgeleitet.
Das Verfahren in US 42 32 315 arbeitet (ebenso wie das Verfahren der US 42 36 157 ) mit zwei Dopplerkanälen; hier wird in den Dopplerkanälen das Videosignal mit Referenzsignalen gemischt, die die gleiche Frequenz aufweisen und lediglich unterschiedlich lang verzögert worden sind. Bei diesem Verfahren wird außerdem ein für HF-Sende- und -Empfangsteil gemeinsamer Referenzoszillator (”Local Oscillator”) eingesetzt, mit dem die Sende- und Empfangssignale gemischt werden. Eine direkte Mischung der Empfangssignale mit den modulierten Sendesignalen gibt es nicht.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend genannten Art und in Weiterbildung der Erfindung eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, welches die Abstandsbestimmung nach der Rückstrahlmethode unter Anwendung der Frequenzmodulation und unter Verwendung einer gemeinsamen Sende/Empfangsantenne ermöglicht und im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen gattungsgemäßen Verfahren eine noch genauere Bestimmung des Zeitpunkts ermöglicht, in dem das mobile Objekt den vorgegebenen Abstand zu einem durch Rückstrahlmessung angemessenen Objekt erreicht hat.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe in bezug auf das zu schaffende Verfahren ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und in bezug auf die zu schaffende Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 2 wiedergegeben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung.
Im folgenden wird die Erfindung – ohne ihre Anwendung hierauf zu beschränken – am Beispiel von Radar-Zündern der Munitionselektronik beschrieben und sind die anhand der Abbildungen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung gelegentlich mit GAZ (Grund-Annäherungs-Zünder) bezeichnet. Beim erfindungsgemäßen Zünder erfolgt die Bestimmung des Auslösepunkts aus der kontinuierlichen Messung der Laufzeit, die das ausgestrahlte Sendesignal benötigt, um nach Reflexion am Ziel (Erdboden) wieder zum Zünder zu gelangen. Durch Rückmischung des Empfangssignals mit der periodisch modulierten Sendefrequenz wird im HF-Teil ein Signal erzeugt, dessen Frequenz der momentanen Zünderhöhe direkt proportional ist. Durch ein spezielles zweikanaliges Auswerteverfahren wird aus dem Frequenzverlauf dieses Mischsignales nach Zielerfassung sowohl ein Zündfreigabesignal als auch das Auslösesignal abgeleitet.
Das Auslösesignal wird in einer konstanten Höhe über Grund abgegeben. Bei fallwinkelunabhängiger Zerlegung wird die Zündung direkt eingeleitet; bei fallwinkelabhängiger Zerlegung wird eine gezielte Zündverzugszeit nachgeschaltet.
Da die Intensität des Mischsignales von den Reflexionseigenschaften des Erdbodens abhängt und daher erheblichen Schwankungen unterworfen ist, wird diese für die Auswertung nicht herangezogen.
Das Konzept des Annäherungssensors geht von einer linearen Modulation der Sendefrequenz aus. Verwendet wird eine dreieckförmige Modulation; prinzipiell ist jedoch auch die Sägezahnform einsetzbar. Zur Erläuterung der Funktion des HF-Teiles sind die wichtigsten Diagramme in Bild 1 dargestellt.
Bild 1a zeigt den zeitlichen Verlauf der Sendefrequenz F_S innerhalb einer Modulationsperiode T_R = 1/f_R. Zusätzlich ist die um die Signallaufzeit T_L verzögerte Empfangsfrequenz F_E eingezeichnet. Die infolge der Zielannäherung auftretende Dopplerverschiebung von F_E ist ebenfalls skiziiert. Durch die Rückmischung des Empfangssignalen mit der Sendefrequenz ergibt sich das auszuwertende Mischsignal (hier als Videosignal u_v bezeichnet).
Der Verlauf eines idealen Videosignals u_v sowie dessen Momentanfrequenz f_v(t) = F_E(t) – F_S(t) ist in Bild 1b aufgetragen. Innerhalb einer Modulationsperiode bildet das Videosignal zwei Signalintervalle konstanter, bei Annäherung jedoch unterschiedlicher Frequenzen. An den Intervallgrenzen ist jeweils ein Übergangsbereich der Breite T_L vorhanden, in dem der Frequenzübergang stattfindet.
Unter der Voraussetzung T_L << T_R können die beiden Videosignalintervalle durch folgende Beziehungen beschrieben werden:
Durch Differentiation der Phasenausdrücke ergeben sich die Momentanfrequenzen der Videosignale. Mit T_L = 2·h/c bzw. T_L' = –2v_S/c wird
Der erste Summand stellt die Dopplerfrequenz f_D dar; sie ist der Sinkgeschwindigkeit v_S proportional. Der zweite Summand enthält die Höheninformation.
Die auftretende Spannung U_V des Videosignales ergibt sich aus der allgemeinen Radarformel für Flächenziele sowie den gerätespezifischen Parametern des HF-Teiles. Durch die Formel
ist der Spannungsverlauf bei der Zielannäherung ausreichend beschrieben, wobei die Konstante K_S alle Systemparameter enthält.
Maßgebend für die Auswahl des Konzeptes der Signalauswertung war, daß dem Videosignal u_v ein durch die Modulation bedingtes Störsignal u_vst überlagert ist. Eine direkte Frequenzmessung wird dadurch erheblich erschwert bzw. aufwendig.
Die Entstehung dieses Störsignales geht aus Bild 2a hervor. Durch die Fehlanpassung der Antenne wird ein Teil der Sendeenergie reflektiert und der Sende-Empfangsstufe zurückgeführt. Der komplexe Reflexionsfaktor r →_A am Antennenfußpunkt hängt in Betrag und Phase von der momentanen Sendefrequenz F_S ab und bewirkt dadurch eine Amplituden- und Phasenmodulation des reflektierten Signales. Durch die Rückmischung in der SE-Stufe entsteht ein periodisches Störsignal der Folgefrequenz f_R. Die Amplitude des Störsignales liegt um Größenordnungen über dem Nutzsignal.
Bild 2b zeigt eine Spektraldarstellung der Videosignale. Die Spektrallinien des periodischen Störsignales liegen exakt an den Stellen k·f_R und haben zu höheren Frequenzen hin abnehmende Amplituden. Die Spektrallinien des Nutzsignales sind symmetrisch um die Stellen k·f_R, d. h. um die Störlinien gruppiert; der Abstand entspricht der Dopplerfrequenz f_D. Die Amplitudenverteilung ist ähnlich einer sin x/x-Funktion, wobei das Hauptmaximum der fiktiven Höhenfrequenz f_h entspricht.
Nach Fourier errechnet sich aus (1) die Spektraldarstellung des Nutzsignales zu:
Die Gleichung (4) sagt aus, daß die Spektrallinien bei den Frequenzen k·f_R ± f_D liegen und die Effektivwerte U_v·A_K/2 haben. Aus (2) ergibt sich die Frequenzlage des Maximalwertes der Hüllkurve (A_K = 1) zu
Die relative Verteilung der Amplituden der Spektralliniengruppen hängt – neben Systemparameter – nur von der momentanen Zünderhöhe h ab.
Das Auswerteprinzip des GAZ-Annäherungssensors basiert darauf, daß aus dem gesamten Videospektrum geeignete Spektrallinien ausgefiltert werden und deren Intensitätsverlauf während der Zielannäherung miteinander verglichen werden. Aus diesem Signalvergleich wird sowohl ein Kriterium für die Zündfreigabe, als auch das Auslösesignal abgeleitet.
Bei GAZ werden die Spektrallinien bei k_A = 2 und k_B = 4 für die Auswertung herangezogen. Bei Zündern mit größerer Auslösehöhe ist die Verwendung höherer Harmonischen, z. B. K_A = 8 und K_B = 10, vorteilhaft. Der GAZ besitzt also eine zweikanalige Signalaufbereitung (Dopplerkanal A und B).
Zunächst wird das Videospektrum im Videokanal auf den notwendigen Bereich beschnitten und anschließend verstärkt. Die Selektion der ausgewählten Spektrallinien erfolgt – z. B. im Dopplerkanal A – nach folgendem Verfahren:

– Das aufbereitete Videosignal wird mit der Frequenz K_A·f_R gemischt. Da die beiden Spektrallinien nahe K_A·f_R gefaltet werden, muß das Mischsignal MA in einer bestimmten Phasenlage zugeführt werden. Das hohe Störsignal erfordert einen großen Aussteuerbereich des Mischers.
– Bei der Mischung entstehen folgende Signalkomponenten: a) ein Dopplersignal aus den Linien K_A·f_R ± f_D; b) eine Gleichspannung aus der Störlinie k_A·f_R sowie c) höherfrequente Mischprodukte aus den übrigen Nutz- und Störsignallinien.
– Unter der Voraussetzung f_D << f_R kann die Dopplersignalkomponente ausgefiltert werden. Nach Verstärkung steht das Dopplersignal U_DA – und ebenso U_DB – für die Auswertung zur Verfügung.

Die Abhängigkeit der beiden aufbereiteten Dopplersignale U_DA bzw. U_DB von der Zünderhöhe h läßt sich durch nachstehenden Ausdruck darstellen:
U_Do ist ein Bezugswert für die Dopplersignale; er entspricht dem Dopplersignalpegel, der in der Höhe h_o im Kanal A (k = 2) auftritt. Die Bezugshöhe h_o ist die Zünderhöhe, bei der der Maximalwert von A₂ = 1 liegt.
Der Bezugspegel U_Do kann für die individuelle Zielannäherung als Konstante betrachtet werden. Er hängt neben den Geräteparametern nur vom Fallwinkel α des Geschosses (Antennendiagramm) sowie dem Reflexionsfaktor ζ des Zielgeländes ab.
Der relative Pegelverlauf bei der Zielannäherung wird durch die Funktion F_K(h) beschrieben
In Bild 3 sind die Amplitudenfunktionen F₂ und F₄ für den Frequenzhub 2·ΔF = 17 MHz über der Höhe h aufgetragen.
Man erkennt, daß

– für h > 28 m die Funktionen gleiche Charakteristik haben und sich in ihren Werten kaum unterscheiden;
– unterhalb h = 28 m F₄ wesentlich stärker als F₂ ansteigt und damit ein gravierender Signalabstand der beiden Dopplersignale entsteht;
– bei ca. 17 m F₄ seinen Maximalwert erreicht hat und anschließend wieder abfällt, während F₂ nun sehr steil ansteigt und seinem Maximalwert zustrebt und
– bei ca. 14 m ein definierter Schnittpunkt der beiden Kurven auftritt.

Die beiden Dopplersignale U_DA und U_DB werden gleichgerichtet, d. h. in äquivalente Gleichspannungen U_GA bzw. U_GB umgeformt. Durch Vergleich dieser Spannungen, die F₂ und F₄ proportional sind, erfolgt die Aufbereitung der Schaltsignale für Zündfreigabe und Zündauslösung:

– Die Freigabeschaltung spricht an, wenn die Bedingung α·U_GB > U_GA (mit α = 0,4 bzw. –8 dB) über eine vorgegebene Integrationszeit T_I1 erfüllt ist. Aus Bild 3 ist ersichtlich, daß die Bedingung nur im Bereich 22 m > h > 16 m erreicht wird und damit ein eindeutiges Freigabekriterium darstellt. Nach Unterschreiten des geforderten Pegelabstandes sowie nach Ablauf einer weiteren Integrationszeit T_I2 geht die Schaltung in die Ausgangsstellung zurück; das Freigabetor FT wird damit wieder abgeschaltet.
– Der Zünddetektor spricht an, wenn die Pegelbedingung β·U_GA > U_GB (mit β = 0,71 bzw. –3 dB) auftritt. Das Ausgangssignal PZ (Primärzündung) wird jedoch nur dann wirksam, wenn gleichzeitig das Freigabetor FT ansteht, d. h. die Zerlegung kann nur bei h < 16 m erfolgen.

Bild 4a zeigt die Anordnung der beschriebenen Funktionsbaugruppen mit Ergänzung der benötigten Frequenzaufbereitung und des Modulators. Das Freigabesignal FT und das Zündsignal PZ werden der Zündlogik zugeführt und dort weiterverarbeitet.
Bild 5 zeigt das Schaltbild einer besonders vorteilhaften Sende/Empfangsstufe, die im HF-Teil der Schaltung nach Bild 4 benutzbar ist. Diese Stufe stelle eine selbstschwingende Mischstufe des Gigahertzbereichs dar mit einem Transistor Ts, dessem Kollektor eine Versorgungsgleichspannung UC mit überlagertem – vorzugsweise dreieckförmigen – Modulationssignal über einen Leitungskreis LK zugeführt wird und an dessen Emitter einerseits über ein Transformationsglied TG und ggf. einen Trennkondensator C die Sende/Empfangsantenne und andererseits über eine Drossel Dr der Arbeitswiderstand R angeschlossen sind, an dem die Videosignale u_v abgreifbar sind. Die weiterhin dargestellten Schaltungsteile in Bild 5 dienen lediglich der Vorspannungserzeugung für die Basis des Transistors Ts aus einer Gleichspannungsquelle UG.
4. Schaltungsausführung
Bild 6 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild der Elektronik des Annäherungszünders GAZ.
a) HF-Teil
Der HF-Teil arbeitet im unteren GHz-Bereich; er besteht aus der Antenne ANT und der Sende-Empfangs-Stufe SES.
Die Antenne ist als symmetrischer Dipol mit abgewinkelten, an den Enden kapazitiv belasteten Dipolstrahlern ausgeführt. Sie besitzt ein breites, nach vorn gerichtetes Strahlungsdiagramm, das im interessierenden Bereich rotationssymmetrisch ist. Die Antenne ist vom Geschoßkörper entkoppelt; die Funktion des Sensors ist daher vom Geschoßtyp unabhängig. Die Einspeisung erfolgt über ein Symmetrierglied.
Für die SE-Stufe wird eine selbstschwingende Mischstufe eingesetzt. Die realisierte Ein-Transistor-Stufe übernimmt

– die Erzeugung der Sendeleistung P_S,
– die Modulation der Sendefrequenz sowie
– die Rückmischung des Empfangssignales.

Das Modulationssignal UM wird dem Collektor des Sendetransistors zugeführt, d. h. die Modulation der Sendefrequenz entsteht durch Variation der Collektor-Kapazitäten.
b) Frequenzaufbereitung und Modulator
Die Modulationsfrequenz f_R (= 100 kHz) – sowie die für die zweite Rückmischung in den Dopplerkanälen benötigten Harmonischen 2·f_R und 4·f_R – werden digital aufbereitet.
Der Taktgenerator MTG erzeugt das Taktsignal MT (8·F_R) und steuert damit den binären Frequenzteiler MFT. Dessen Ausgänge liefern:

– Q1: das Mischsignal MB (4·f_R)
– Q2: das Mischsignal MA (2·f_R)
– Q3 die Modulationsfrequenz MF (f_R)

Im Modulator wird zunächst (in MSA) aus dem Rechtecksignal MF das dreieckförmige Modulationssignal MS aufbereitet und anschließend im Modulationsverstärker MSV verstärkt und der Kollektorgleichspannung des Sendetransistors überlagert.
Die Amplitude des Modulationssignales MS wird beim Endabgleich des GAZ exakt eingestellt, da der Frequenzhub die Zündhöhe festlegt. Durch das Steuersignal FM (Freigabe Modulation) kann für Telemetriezwecke die Modulation abgeschaltet werden (FM = 0). Dies erfolgt

– bei Umschaltung auf AZoV bzw. AZmV,
– bei vorzeitiger Zündfreigabe (FT im Bereich PT vorhanden) und
– bei Abgabe des elektrischen Zündsignales.

c) Videokanal
Der Videokanal umfaßt das Eingangsbandfilter EBF sowie den Vorverstärker VVS.
Das Eingangsbandfilter ist als zweikreisiger LC-Bandpaß ausgeführt. Es erfüllt folgende Aufgaben:

– Begrenzung des Frequenzbandes des Videosignales,
– Anpassung des Eingangswiderstandes des Vorverstärkers an die SE-Stufe,
– Anpassung der Phasen der Spektrallinien des Videosignales an die Mischsignale MA und MB,
– Unterdrückung niederfrequenter Störsignale (z. B. durch Mikrofonie, Regen, Wolken).

Der breitbandige Vorverstärker erhöht den Pegel des beschnittenen Videospektrums.
d) Dopplerkanäle
Die beiden Dopplerkanäle sind weitgehend identisch aufgebaut; die notwendige Selektion und Verstärkung wurde auf die diversen Baugruppen verteilt:

– Die Dopplermischer DMA bzw. DMB bestehen aus je einem digital gesteuerten CMOS-Analogschalter (Transmission-Gate) mit nachgeschaltetem RC-Tiefpaß sowie einer Impedanzwandlerstufe.
– Die Dopplerfilter DFA bzw. DFB sind als aktive Tiefpässe 2. Grades ausgeführt. Deren Ausgänge (Testpunkte TP1 und TP2) dienen der Funktionsüberprüfung der Empfängerschaltung.
– Für die Dopplergleichrichter DGA bzw. DGB wurden – wegen der hohen Linearität über einen großen Dynamikbereich – aktive Gleichrichter eingesetzt. Sie unterscheiden sich lediglich durch das Teilerverhältnis (α bzw. β) der Spannungsteiler an den Ausgängen.

e) Freigabeschaltung
In der Freigabeschaltung wird zunächst die Bewertung der Signale GA und GB durchgeführt; anschließend erfolgt die Überprüfung des zeitlichen Ablaufes.
Der Freigabedetektor FDT gibt das logische Signal FI ab, wenn die Pegelbedingung α·U_GB > U_GA erfüllt ist. Wegen der zu erwartenden Signalinterferenzen wird FI mit Störungen behaftet sein; im Freigabeintegrator FIT wird deshalb eine Filterung, d. h. eine zeitliche Bewertung, nach folgendem Prinzip durchgeführt:
Das Ausgangssignal des FIT (Meßpunkt TP3) wandert bei FI = 1 mit einer vorgegebenen Steilheit aus der Ruhelage in Richtung der Ansprechschwelle des Freigabetor-Schwellwertschalters FTS; bei FI = O wird es dagegen in der Ruhelage gehalten bzw. zurückgeführt. Die Zündfreigabe FT wird daher nur dann erfolgen, wenn FT = 1 über eine bestimmte Dauer überwiegend ansteht.
f) Zünddetektor
Der Zünddetektor ZDT gibt das Zündsignal PZ an die Zündlogik ab, wenn die Pegelbedingungen β·U_GA > U_GB erfüllt ist.
g) Weitere Schaltungseinzelheiten zu Bild 6
Die Zündung bei dem Ausführungsbeispiel nach Bild 6 wird dann, und nur dann ausgelöst, wenn die Ausgangssignale der Stufen ZDT und FTS, nämlich die Signale PZ und FT gleichzeitig der Zündlogik zugeführt werden, wo sie beispielsweise über eine UND-Schaltung zusammengefaßt werden, welche den eigentlichen Zündschalter steuert.
Die Baugruppen ASS und BAS weisen, ohne daß sie erfindungswesentlich sind, auf zusätzliche Funktionsarten des blockschaltbildmäßig dargestellten Zünders hin, nämlich auf seine zusätzlichen Funktionsarten ”Aufschlagzündung” (ASS) und ”manuelle Einstellbarkeit der Aufschlagzündung”, wählbar zwischen ”ohne Verzögerung” (SO) und ”mit Verzögerung” (SM).
Die Baugruppen BAT und SPR betreffen lediglich konventionelle Stromversorungseinheiten der gezeigten Schaltung, die hier keiner näheren Erwähnung bedürfen.
h) Zündlogik
Bild 7 dient der näheren Erläuterung der Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels der Zündlogik in Bild 6; speziell sind hier Ablaufdiagramme in Abhängigkeit von der Zeit t(sek) gezeigt. Im jeweiligen Koordinatenursprung befinde sich der Abschußzeitpunkt des Zünders, der im Beispielsfall mit einer beim Abschuß aktivierbaren Batterie ausgerüstet ist, deren Aktivierung im Abschußzeitpunkt initiiert wird. Ab dem Zeitpunkt To entsprechend dem Abszissenwert 0 gibt die Batterie eine vorgegebene Mindestversorgungsspannung ab und schaltet damit den Zünder und damit auch die Zündlogik ein.
Zum Zeitpunkt To wird gemäß der Zeile 2 der Abbildung, unabhängig von der voreingestellten Zündart, die Zündart ”Aufschlagzündung ohne Verzögerung” AZoV freigegeben. In der vierten Zeile der Abbildung ist angedeutet, daß in dem Zeitintervall von To bis zum Ablauf von im Beispielsfall t = 3,2 sek keine ”Annäherungszündung” ANNZ und auch keine ”Aufschlagzündung mit Verzögerung” AZmV freigegeben wird, auch wenn sie voreingestellt sind.
Die dritte Zeile der Abbildung läßt das Prüfzeitintervall (zwischen t = 1,28 und t = 2,56 sek) innerhalb der Flugbahn-Sicherheitszeit erkennen, welche zwischen dem Abschußzeitpunkt und t = 3,2 sek liegt. In diesem Prüfzeitintervall wird der Annäherungssensor überprüft, beispielsweise daraufhin, ob er ein Zündsignal abgibt; sofern hierbei die Möglichkeit einer zu frühzeitigen Zündung erkannt wird, d. h. einer im Prüfzeitintervall erfolgenden Zündung (im Beispielsfall zwischen t = 1,28 und t = 2,56 sek), wird der Sensor gesperrt, so daß dann nur, je nach Einstellung, eine ”Aufschlagzündung ohne Verzögerung” AZoV oder eine ”Aufschlagzündung mit Verzögerung” AZmV erfolgen kann, wenn der Freigabezeitpunkt (t = 3,2 sek) erreicht ist. Das Prüfzeitintervall erstreckt sich zweckmäßigerweise, wie im gezeigten Beispielsfall, nicht über das gesamte Flugbahn-Sicherheitszeitintervall, sondern hält anfangs- und endseitig gewisse Sicherheitsabstände davon ein, um Schwierigkeiten im zeitlichen Grenzbereich zu vermeiden.
Sehr zweckmäßig ist es, für die Bestimmung der Flugbahn-Sicherheitszeit des Prüfzeitintervalls und der Zündverzögerungszeit einen gemeinsamen Zählerbaustein vorzusehen, da dann mit gleichen Zeitmeßgenauigkeiten gearbeitet werden kann.
h1) Schaltungsausführung der Zündlogik
Aufgabe der GAZ-Zündlogik ist die Ableitung des Zündsignales zur Ansteuerung des Zündkreies – und damit der Initiierung der Zündkette – aus den Ausgangssignalen des Annäherungs- und des Aufschlagsensors entsprechend der voreingestellten Betriebsart ANNZ, AZoV oder AZmV.
Darüberhinaus besitzt die realisierte Schaltung folgende vorteilhafte Merkmale:

– Die eingestellte Betriebsart wird erst nach Ablauf einer Flugbahnsicherheitszeit (3,2 sec.) freigegeben. Unabhänig von der Zündereinstellung ist nach dem Abschuß – d. h. nach Aktivierung der Batterie bzw. nach Ablauf der Vorrohrsicherheitszeit – zunächst die Zündart AZoV wirksam; der Zünder ist dadurch immer für den Beschuß von Nahbereichszielen vorbereitet.
– Innerhalb der Flugbahnsicherheitszeit wird während eines Prüfzeitintervalls das Freigabesignal des Annäherungssensors überprüft; sofern hierbei eine vorzeitige Zündfreigabe – also ein Fehlverhalten – festgestellt wird, wird der Sensor gesperrt.
– Die Stromversorgung wird während der gesamten Flugdauer überprüft und bei Feststellung einer Störung der Zunder gesperrt; nach anschließendem Fortfall der Störung wird der Funktionsablauf gemäß den vorstehenden Merkmalen wiederholt.
– Für die Bestimmung der Flugbahnsicherheitszeit, des Prüfintervalls und der Zündverzugszeit ist ein gemeinsamer Zählerbaustein vorgesehen; durch Abgleich der Frequenz des zugehörigen Taktgenerators ist eine einfache und exakte Einstellung der Zeitkonstanten möglich.
– Die Stromversorgung der Zündlogik und die Einstellung der Betriebsort wird über geeignete Speicherelemente gepuffert; die AZmv-Funktion ist dadurch gewährleistet, auch wenn nach dem Aufschlag der Betriebsartenschalter und die Batterie funktionsunfähig geworden sind.

Die Schaltung der Zündlogik ist den Erfordernissen einer wirtschaftlichen Serienfertigung in der bei GAZ eingesetzten Keramik-Siebdruck-Technologie angepaßt. Neben den im Siebdruck-Verfahren aufgebrachten Widerständen und Leiterstrukturen benötigt der Zündlogik-Baustein – ohne Zündkreis – lediglich 13 handelsübliche Bauelemente, die eingesetzt und kontaktiert werden müssen.
In Bild 8 ist der Stromlaufplan der Zündlogik abgebildet. Die überwiegend digital arbeitende Schaltung enthält fünf monolithische CMOS-Bausteine (IS1 bis IS5); verwendet wurden folgende Typen der Firma RCA:
IS1: CD 4023
IS2: CD 4071
IS3: CD 4011
IS4: CD 4053
IS5: CD 4060.
Die Funktionsweise und die technischen Daten sind den entsprechenden Firmen-Datenblättern zu entnehmen:

– IS1, IS2 und IS3 sind – wie Bild 8 zeigt – logische NAND- bzw. OR-Gatter.
– IS4 ist ein ”Triple 2-Channel Multiplexer”; er enthält drei elektronische Umschalter mit je einem Steuereingang für die Umschaltung. sowie einem gemeinsam wirkenden INHIBIT-Eingang.
– IS5 ist ein 14-stufiger Zähler mit RESET-Eingang; zwei dem Takteingang vorgeschaltete Inverter können durch äußere Beschaltung als Taktgenerator ausgebildet werden.

Die Anschlüsse A1 bis A8 sind wie folgt belegt:
A1, A2: Zünd- bzw. Freigabesignal des Annäherungssensors
A3, A4: Verbindungen zum Betriebsartenschalter; bei Umschaltung auf AZoV und AZmV wird A3 bzw. A4 an Masse gelegt.
A5: Stromversorgung (+14 V, stabilisiert)
A6: Ausgang für Eigentelemetrie
A6: Signal für Hubumschaltung des Sendesignales (Eigentelemetrie)
A7: Aufschlagsensor; A7 wird durch mechanischen Kontakt oder Transistor an Masse geschaltet.
A8: Batterie (+–Pol).
Die OR-Gatter IS2/1, IS2/2 und IS2/4 bilden mit den Widerständen R3, R4 und R14 Speicherelemente, die den Vorteil bieten, daß der Signaleingang im Interesse hoher Störsicherheit sehr niederohmig dimensioniert werden kann, nach der Einstellung jedoch keinen Strom mehr benötigt. Durch vorübergehendes Anlegen eines RESET-Signales an die nicht rückgekoppelten Eingänge werden die Speicher in ihre Ausgangsposition ”1” gebracht. Die alternative Lage ”0” tritt auf, nachdem der RESET aufgehoben und der rückgekoppelte Eingang kurzzeitig – z. B. durch einen mechanischen Kontakt des Betriebsartenschalters – gegen Masse geschaltet worden ist.
h2) Funktionsbeschreibung der Zündlogik
Der Zünder wird beim Abschuß durch die Aktivierung der Batterie in Betrieb gesetzt. Die Stromversorgung der Zündlogik erfolgt durch eine stabilisierte Batteriespannung von 14 V, die über Anschluß A5 und die Speicheranordnung C1/Gr3 der Schaltung zugeführt wird. Um eine fehlerhafte Zündung während des Einschaltvorganges auszuschließen, bleibt die Zündlogik zunächst durch Anlegen eines RESET-Signales auf Leitung 2 (über R10) gesperrt (elektrische Vorrohrsicherheit).
Die an Anschluß A8 anliegende Batteriespannung wird zur Ladung des Zündspeichers C3 (über R19, Gr5 und A9) herangezogen. Die Schwellwertschaltung, die von dem Transistor Ts1 und den Widerständen R8 bis R12 gebildet wird, überprüft den Ladezustand des Speichers C3; Ts1 schaltet durch, wenn die Spannung an C3 – und damit auf Leitung 1 – einen vorgegebenen Wert überschreitet und bewirkt damit die Freigabe der Logik-Schaltung.
In Bild 9 sind die Spannungsdiagramme an den Punkten A5, A8 und A9 skizziert; zum Zeitpunkt To überschreitet die Kurve A9 die eingezeichnete Schwelle und hebt über Leitung 2 die elektrische Vorrohrsicherheit auf.
Das RESET-Signal bewirkt, daß der Zähler IS5 und alle durch IS2 gebildeten Speicher in ihrer Ausgangsposition fixiert werden. Über IS3/4 und Leitung 4 wird außerdem der INNIBIT Eingang von IS4 beaufschlagt und damit deren Kontaktverbindungen unwirksam gemacht. In diesem Zustand ist keine Zündung möglich.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Zeitpunktes, in welchem ein mobiles Objekt einen vorgegebenen Abstand zu einem durch eine Rückstrahlmessung angemessenen Objekt erreicht hat, insbesondere zum Bestimmen des Zündzeitpunktes eines Radar-Abstandszünders, der in vorgegebener Höhe über Grund detonieren soll, unter Anwendung einer Modulationsmethode, bei der die Sendeschwingungen mit einem Modulationssignal moduliert werden und die Empfangsschwingungen mit den momentanen Sendeschwingungen zum Erzeugen von Videosignalen gemischt werden, bei welchem Verfahren in zwei Kanälen diese Videosignale mit je einem aus dem Modulationssignal abgeleiteten Referenzsignal gemischt werden, die hierdurch ermischten Schwingungen in jedem Kanal über ein Dopplerfilter fest vorgegebener Bandbreite auf einen Gleichrichter gegeben werden und die Pegel der gleichgerichteten Signale in einer Auswerteschaltung zur Bestimmung des Zeitpunkts weiterverarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, – daß die Frequenz der Sendeschwingungen in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen linear moduliert wird; – daß die Videosignale mit je einer für jeden Kanal unterschiedlich vorgegebenen Harmonischen des Modulationssignals als Referenzsignal gemischt werden; – daß die gleichgerichteten Signale in der Auswerteschaltung zunächst miteinander daraufhin verglichen werden, ob ihr Pegelverhältnis einen vorgegebenen Mindestwert über eine vorgegebene Zeitdauer überschreitet und daß – sofern bei diesem Vergleich festgestellt wird, daß das gleichgerichtete Signal, welches aus dem Kanal stammt, dem die höhere Harmonische als Mischfrequenz zugeführt ist, um den vorgegebenen Mindestwert des Pegelverhältnisses höher als das andere gleichgerichtete Signal ist – der zu bestimmende Zeitpunkt aus der Feststellung hergeleitet wird, wann anschließend die beiden gleichgerichteten Signale gleiche Höhen erreichen; – daß umso höhere Harmonische des Modulationssignals vorgegeben werden, je größer der vorgegebene Abstand zwischen den Objekten ist.
Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Hochfrequenzteil mit Modulator als Sende/Empfangsstufe, mit einem ausgangsseitig nachgeschalteten Videokanal, mit zwei am Ausgang des Videokanals parallel geschalteten Dopplerkanälen, die jeweils einen Mischer, ein Filter und einen Gleichrichter aufweisen und deren Ausgänge mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung des Zeitpunkts verbunden sind, sowie mit einer Signalerzeugungseinheit, die mit dem Modulator und mit den Mischern der beiden Dopplerkanäle verbunden ist und die das Modulationssignal sowie die daraus abgeleiteten Referenzsignale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungseinheit (Frequenzaufbereitung) als Referenzsignale zwei unterschiedliche Harmonische (K_A·f_R, K_B·f_R) des Modulationssignals (f_R) erzeugt und daß die niederfrequentere Harmonische (K_A·f_R) auf den Mischer des einen Dopplerkanals (A) und die höherfrequentere Harmonische (K_B·f_R) auf den Mischer des anderen Dopplerkanals (B) gegeben ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung eine Freigabeschaltung, einen Zünddetektor und eine Zündlogikschaltung aufweist, daß die Freigabeschaltung und der Zünddetektor ausgangsseitig jeweils mit der Zündlogikschaltung und eingangsseitig jeweils mit den Ausgängen der beiden Dopplerkanäle (A, B) verbunden sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sende/Empfangsstufe eine selbstschwingende Mischstufe des Gigahertzbereichs vorgesehen ist mit einem Transistor (Ts), dessen Kollektor eine Versorgungsgleichspannung (UC) mit überlagertem Modulationssignal über einen Leitungskreis (LK) zugeführt wird und an dessen Emitter einerseits über ein Transformationsglied (TG) die Sende/Empfangsantenne und andererseits über eine Drossel (Dr) der Arbeitswiderstand (R) angeschlossen sind, an dem die Videosignale (Uv) abgreifbar sind.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Transformationsglied (TG) antennenseitig ein Trennkondensator (C) nachgeschaltet ist.