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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Radargerät zur Messung des Abstands "h" eines Ziels, wobei das
Gerät Sendemittel zum Aussenden einer frequenzmodulierten
Welle in Richtung auf das Ziel, Empfangsmittel mit einer
Mischstufe, um die Welle nach Reflexion am Ziel zu empfangen
und eine Überlagerungswelle zwischen der ausgesendeten und der
empfangenen Welle zu liefern, schnelle digitale
Verarbeitungsmittel zur Zeit-Frequenz-Transformation der
Überlagerungswelle, Ausgangsmittel, um die Angabe über den Abstand "h" zu
liefern, und Steuermittel mit einem Mikroprozessor enthält,
die die Befehle eines in einem Festwertspeicher enthaltenen
Programms ausführen, wobei eine erste Verbindung zwischen den
Steuermitteln und den Ausgangsmitteln, eine zweite Verbindung
zwischen den Steuermitteln und den Empfangsmitteln, eine
dritte Verbindung zwischen den Steuermitteln und den schnellen
digitalen Verarbeitungsmitteln und eine vierte Verbindung
zwischen den Steuermitteln und den Sendemitteln vorgesehen
sind und diese Verbindungen vorzugsweise in beiden Richtungen
wirksam sind.
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Die von der Erfindung insbesondere in Betracht
gezogene Anwendung betrifft die Bestimmung der Höhe eines Flugzeugs,
wobei das Radargerät sich an Bord dieses Flugzeugs befindet,
während das Ziel vom Boden gebildet wird.
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Seit einiger Zeit versucht man, für diese
Abstandsbestimmung digitale Verarbeitungskreise einzusetzen (siehe
beispielsweise das US-Patent 4 568 938).
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Ein Gerät der oben angegebenen Art wird weiter in dem
US-Patent 4 268 828 beschrieben. Dieses bekannte Gerät
verwendet Steuermittel, die aus einem programmierbaren
Mikroprozessor bestehen, welcher auf die Empfangsmittel so einwirkt,
daß die Messungen zur Bestimmung des Wertes "h" bei geeigneten
Niveaus erfolgen können und daß daraus brauchbare
Informationen an die Ausgangsmittel geliefert werden können.
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Mit diesem Gerät ist aber der Nachteil verbunden, daß
die schnellen digitalen Verarbeitungsmittel, insbesondere wenn
sie einen gewissen Grad von Komplexität erreichen, besonders
fehleranfällig sind.
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Um eine Information über den Wert "h" trotz des
Ausfalls der schnellen Verarbeitungsmittel zu liefern, ist ein
Gerät der einleitend genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß
die schnellen digitalen Verarbeitungsmittel ein
Zeit-Frequenz-Transformationsorgan enthalten, das die Ausgangssignale
einer Korrelationseinrichtung der Überlagerungssignale
verarbeitet, und daß das im Festwertspeicher gespeicherte
Programm Befehle enthält, um eine
Zeit-Frequenz-Transformationsoperation durchzuführen, um bei einem Ausfall der schnellen
digitalen Verarbeitungsmittel Hilfe zu leisten.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der
nachfolgenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Radargerät.
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Fig. 2 zeigt im einzelnen die schnellen
Verarbeitungsmittel, die mit den Steuermitteln sowie der
Anzeigeeinheit verbunden sind.
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Fig. 3 zeigt die Steuerung des Pegels der
Sendemittel.
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Fig. 4 zeigt die Frequenzsteuerung der Sendemittel.
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Fig. 5 zeigt die Steuerung des Verstärkungsgrads der
Empfangsmittel.
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Das Bezugszeichen 1 in Fig. 1 bezeichnet das
erfindungsgemäße Gerät. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet das Ziel,
das sich in einem Abstand "h" vom Gerät befindet. In dem
beschriebenen Beispiel, das sich auf die vorgesehene Anwendung
in der Radionavigation bezieht, ist das Ziel 2 der Erdboden,
während das Radargerät 1 sich an Bord eines nicht
dargestellten Flugkörpers befindet.
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Um diesen Abstand "h" zu messen, verwendet man eine
Welle E(t), die ausgehend von einer Trägerfrequenz f&sub0; (z. B. 4
GHz) in einem Frequenzbereich AF linear frequenzmoduliert ist,
so daß sich ergibt
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1) E(t) = A cos[2π(f&sub0; + πF/T)t]
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Hierbei ist t die Variable innerhalb der Zeitdauer T, in der
der Sägezahn abläuft. A ist eine Konstante, die die Amplitude
der Welle definiert.
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Diese Welle wird von einer Sendeantenne 5 in den Raum
ausgestrahlt, die an den Ausgang eines Sendeverstärkers 7
angeschlossen ist. Dieser Verstärker 7 verstärkt das von einem
Oszillator 9 gelieferte Signal, dessen Frequenz
spannungsgesteuert ist. Ein Sägezahn-Signalgenerator 11 liefert die
Steuerspannung für diesen Oszillator 9. Die Welle E(t) wird vom
Ziel 2 reflektiert, so daß die Empfangswelle folgende Form
hat:
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2) R(t) = B cos[2π(f&sub0; + πF(t-τ)t/T]
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Hierbei ist B eine Konstante, die den Empfangspegel definiert
und T die Verzögerung zwischen der Sendewelle und der
reflektierten Welle.
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Um diese Welle R(t) empfangen zu können, besitzt das
Radargerät 1 eine Empfangsantenne 15 und einen Hochfrequenz-
Empfangsverstärker 17.
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Eine Mischstufe 20 mischt die vom Verstärker 17
verstärkte empfangene Welle mit der Sendewelle, die mit Hilfe
eines Richtkopplers 22 zwischen dem Oszillator 9 und dem
Sendeverstärker 7 abgezweigt wird. Diese Mischstufe 20 liefert
eine Welle M(t) folgender Form:
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3) M(t) = C cos [2π(ΔF/T)τt]
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Hierbei bedeutet C eine Konstante.
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Aus der Überlagerungsfrequenz fb des Signals M(t) wird
der Abstand "h" abgeleitet, nämlich:
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fb = τ(ΔF/T), mit τ = 2h/c
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(c ist die Lichtgeschwindigkeit).
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Daraus folgt
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4) h = [fb·c/(2ΔF)]T
Das Signal M(t) wird vorzugsweise in digitaler Form
verarbeitet. Hierzu ist ein Analog-Digital-Wandler 25
vorgesehen, um dieses Signal M(t), das vorher in einem
Überlagerungsverstärker 27 verstärkt wurde, in ein digitales Signal
umzuwandeln.
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Der Analog-Digital-Wandler 25 liefert digitale
Tastproben an eine schnelle digitale Verarbeitungseinheit 30, die
zur Ermittlung von Frequenzspektren eingerichtet ist. Diese
Spektren werden dann von einer Steuereinheit 35 so
verarbeitet, daß der Benutzer den Wert des Abstands "h" auf einem
Anzeigeorgan 55 geliefert erhält.
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Das Radargerät besitzt eine Steuereinheit 50, um
insbesondere dem Verwender den Wert "h" über eine Anzeigeeinheit
55 zu liefern und um insbesondere den Sägezahn-Signalgenerator
11 sowie die schnelle digitale Verarbeitungseinheit zu
steuern. Außerdem steuert die Steuereinheit den Pegel der
Sendewelle, indem sie auf eine im Sendeverstärker 7 vorgesehene
Dämpfungssteuerung einwirkt. Um die Steuerung dieser Elemente
durch die Steuereinheit anzudeuten, wurde in den Figuren ein
Drahtbündel FSCX dargestellt, das sie mit der Steuereinheit 50
verbindet. Natürlich müssen in der Praxis die verschiedenen
Verbindungen zwischen den Elementen und der Steuereinheit
nicht alle auf demselben Weg verlaufen und bieten daher nicht
notwendigerweise den physischen Aspekt eines Drahtbündels.
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In Fig. 2 wurden im einzelnen die Steuereinheit 50,
die schnelle digitale Verarbeitungseinheit 30 und die
Anzeigeeinheit 55 dargestellt.
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Die Steuereinheit besitzt im Kern eine
Mikroprozessoreinheit 100 mit dem eigentlichen Mikroprozessor pPG (z. B. vom
Typ MOTOROLA 6809), einem Arbeitsspeicher RAM und einem
Festwertspeicher ROM, in dem das vom Benutzer gewünschte Programm
eingespeichert ist, wie dies an sich bekannt ist. Diese
Einheit verkehrt mit ihrem Umfeld über eine Leitung BSDG, um
Daten zu übertragen, und eine Leitung BADG, um Adressenkodes
zu übertragen.
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Die Einheit 50 enthält einen Dekodierer für
Adressenkodes,
der die über die Leitung BADG übertragenen Kodes
dekodiert. Dieser Dekodierer liefert verschiedene Signale CZF,
CAFF, RG, WG, CDS, CTM, CATT, die an verschiedene Elemente des
Radargeräts gemäß der Erfindung über das Bündel FSCX
übertragen werden. Die Einheit SO enthält weiter einen
programmierbaren Schnittstellenkreis 115 (beispielsweise vom Typ MOTOROLA
6820), dessen Anschlüsse mit Drähten des Bündels FSCX
verbunden sind.
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Die digitale Verarbeitungseinheit besteht ebenfalls
aus einer Mikroprozessoreinheit 200 mit einem sehr schnell
arbeitenden eigentlichen Mikroprozessor (zum Beispiel vom Typ
Texas Instruments TMS 320), einem Festwertspeicher ROM und
einem Arbeitsspeicher RAM. Diese Einheit ist so programmiert,
daß sie die rasche Fouriertransformation durchführen kann (zu
diesem Thema wird auf den Aufsatz von SURENDER HAGAR et al "uC
builds FFT band spectrum analyzer" in dem Heft "Signal
Processing with the TMS 320" verwiesen, das von Texas Instruments
herausgegeben wurde). Die Fouriertransformation wird auf die
Ausgangssignale einer Autokorrelationsvorrichtung 203
angewandt, wie sie in der französischen Patentanmeldung 85 12 337
vom 13. August 1985 im Namen der Anmelderin beschrieben wurde.
Die Ausgangssignale dieser Vorrichtung werden von einer
Datenübertragungsleitung BSDF übertragen, die an die Einheit 200
angeschlossen ist. Der Eingang der Vorrichtung für die zu
korrelierenden Signale ist an den Ausgang des Digital-Analog-
Wandlers 25 über ein Register 207 angeschlossen. Ein zweites
bidirektionales Register 210 verbindet diesen Eingang mit der
Leitung BSDF. So ist es möglich, den korrekten Betrieb der
Vorrichtung 203 zu testen. Hierzu wird das Register 207
blokkiert und man kann vorgegebene Daten aus der Einheit 200 in
die Vorrichtung einspeisen. Daraufhin wird es möglich zu
überprüfen, ob die Daten korrekt korreliert wurden. Es ist auch
ein Adressendekodierer 215 vorgesehen, der an die Leitung BADF
angeschlossen ist, die von der Einheit 200 kommende
Adressenkodes überträgt. Dieser Dekodierer 215 liefert insbesondere
Signale WF und RF. Die Einheit 30 ist an das Bündel FSCX über
zwei Speicher 218 und 220 vom FIFO-Typ (Typ LS 222)
angeschlossen. Der Eingang des Speichers 218 ist über ein
bidirektionales Register 222 an die Leitung BSDF und sein Ausgang ist
an die Leitung BSDG über das Bündel FSCX angeschlossen. Der
Eingang des Speichers 220 ist an die Leitung BSDG ebenfalls
über das Bündel FSCX angeschlossen, während sein Ausgang an
die Leitung BSDF über das Register 222 angeschlossen ist. Die
Signale WF und RF erlauben das Einschreiben in den Speicher
210 und das Auslesen aus dem Speicher 220 von den Daten
betreffend die Einheit 200. Die Signale WF und RF, die über das
Bündel FSCX verlaufen, ermöglichen das Einschreiben in den
Speicher 220 und das Lesen aus dem Speicher 218, wobei die
letzten zu schreibenden und zu lesenden Daten die Einheit 100
betreffen. Das Signal CZF, das über die Leitung BSCC verläuft,
kann zur Initialisierung oder erneuten Initialisierung der
Einheit 200 verwendet werden.
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Die Anzeigeeinheit 55 kann das von der Einheit 100
über die Leitung BSDG und das Bündel FSCX gelieferte Ergebnis
anzeigen. Das Signal CAFF, das der Einheit 55 zugeordnet ist,
legt die Bestimmung der über die Leitung BSDG übertragenen
Daten fest.
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In Fig. 3 ist eine Möglichkeit dargestellt, wie der
Sendepegel gesteuert werden könnte, indem man auf den
Sendeverstärker 7 einwirkt. Dieser Verstärker wird von einem
Verstärker mit konstantem Verstärkungsgrad 300 gefolgt von einem
Dämpfungsglied mit umschaltbaren PIN-Dioden 302 gebildet. Die
Umschaltung dieser Dioden wird durch einen Transkodierkreis
305 bestimmt, der den in einem Register 310 enthaltenen Kode
in einen Schaltkode umwandelt. Die Eingänge dieses Registers
310 sind an die Leitung BSDG über das Bündel FSCX
angeschlossen. Um die über diese Leitungen übertragenen Daten im
Register 310 speichern zu können, muß das im Bündel FSCX
übertragene Signal CATT aktiv sein.
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Fig. 4 zeigt, wie der Sägezahn-Signalgenerator von
der Steuereinheit SO gesteuert wird. Der Generator enthält im
Kern einen Kreis 350, wie er im europäischen Patent 0 113 975
beschrieben ist. Die Dauer der Sägezähne wird durch einen in
einem Register 360 enthaltenen Kode bestimmt. Die Eingänge
dieses Registers 310 werden mit der Leitung BSDG über das
Bündel FSCX in Verbindung gebracht, wenn das ebenfalls in
diesem Bündel übertragene Signal CDS aktiv ist. Ein
Zeitgeberkreis 370 ist dem Kreis 350 zugefügt. Dieser Zeitgeberkreis
370 (beispielsweise vom Typ MOTOROLA 6840) bestimmt die
tatsächliche Zeit des Sägezahns, und diese Zeit wird der
Steuereinheit über die Leitung BSDG im Bündel FSCX mitgeteilt. Diese
Mitteilung erfolgt nur, wenn das Signal CTM, das im Bündel
FSCX verläuft, aktiv ist.
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Fig. 5 zeigt, wie man den Verstärkungsgrad des
Empfangsverstärkers 27 verändern kann. Dieser Verstärker wird aus
zwei Verstärkern 400 und 402 mit festem Verstärkungsgrad
gebildet, die in Kaskade geschaltet sind und zwischen die ein
Dämpfungsglied 405 eingefügt ist. Dieses Dämpfungsglied ist in
der Praxis ein logarithmischer Digital-Analog-Wandler
(beispielsweise vom Typ AD 7118). Er liefert ein Ausgangssignal,
das sowohl vom Eingangskode als auch vom Eingangssignal
abhängt. Der Eingangskode kommt aus dem Kreis 115 und wird über
das Bündel FSCX übertragen.
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Die Struktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ermöglicht es, durch Programmierung unterschiedlichste Wünsche des
Benutzers zu erfüllen. Beispielsweise
- kann man durch Einwirken auf den Generator 11 die Dauer T
verändern (und-sie dann mit dem Kreis 370 für genauere
Berechnungen messen), so daß die Überlagerungsfrequenz fb (siehe
Formel (4)) in einem Bereich bleibt, der für die Verarbeitung
in der schnellen digitalen Verarbeitungseinheit 30 passend
ist;
- kann man durch Einwirken mittels des Dämpfungsglieds 302
(Fig. 3) auf den Sendepegel einen möglichst niedrigen
Sendepegel erhalten, der noch mit einer brauchbaren Messung des
Abstands "h" vereinbar ist, so daß Nachbargeräte möglichst
wenig gestört werden;
- wird durch Einwirken auf den Verstärkungsgrad des
Verstärkers 27 die Amplitude der von der Einheit 30 zu verarbeitenden
Signale auf einen optimalen Wert eingestellt;
- kann die Steuereinheit 50 einen Test der
Verarbeitungseinheit 30 auslösen und Maßnahmen in Hinblick auf Störungen
dieser Einheit ergreifen.