DE3789830T3

DE3789830T3 - Radargerät zur Messung der Entfernung zu einer Oberfläche.

Info

Publication number: DE3789830T3
Application number: DE3789830T
Authority: DE
Inventors: Hugues Societe Civile S Crepin; Serge Societe Civile S Hethuin
Original assignee: Thomson TRT Defense
Current assignee: Thomson TRT Defense
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1987-06-17
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2007-06-18
Also published as: JPS63100388A; EP0251387A1; DE3789830D1; FR2600778A1; DE3789830T2; EP0251387B1; US4766436A; EP0251387B2; FR2600778B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Radarvorrichtung, um die Entfernung "h" von einer Oberfläche zu messen, wobei die Vorrichtung Sendemittel zum Aussenden einer von einem in seiner Frequenz steuerbaren Oszillator erzeugten frequenzmodulierten Welle, Empfangsmittel zum Empfang der von der Fläche reflektierten Welle, einen Mischkreis, um eine Überlagerungswelle zwischen der ausgesandten und der empfangenen Welle zu liefern, und einen Verarbeitungskreis aufweist, der eine Schaltung zur Digitalisierung der Überlagerungswelle, einen Zeit-Frequenz-Transformationsoperator zur Lieferung der Frequenzkomponenten, aus denen die Entfernung "h" abgeleitet wird, und einen Autokorrelationsoperator enthält, um eine Autokorrelation der Überlagerungswelle durchzuführen, ehe sie an die Zeit-Frequenz-Transformationsmittel angelegt wird.
Eine solche Radarvorrichtung wird insbesondere im Bereich der Funknavigation angewandt, wo sie als Funkhöhenmesser verwendet werden kann. Hierzu sei auf das USA-Patent Nº 4 568 938 verwiesen. Das französische Patent 2 552 905 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung, aber diese bekannte Vorrichtung ist nur schlecht an die Höhenmessung angepaßt. Die dort erwähnte Verarbeitung betrifft die Verarbeitung einer Mehrzahl von Zielen, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Die Frequenzkomponenten, die jedem Ziel zugeordnet sind, bilden ein schmales Spektrum, aus dem leicht die Entfernung erhalten werden kann.
Anders liegt der Fall, wenn das Ziel eine ausgedehnte Fläche ist, deren verschiedene Punkte kontinuierlich unterschiedliche Entfernungen von der Vorrichtung besitzen. Das Spektrum ist dann sehr breit.
Obwohl die Höhe mit der niedrigsten Frequenzkomponente verknüpft ist, hat die Anmelderin erkannt, daß sie nicht einfach bestimmt werden kann, da das Rauschen diese Komponente überdeckt oder Störphänomene den Wert dieser Komponente verfälschen. Dies zeigt sich insbesondere, wenn "h" eine kurze Entfernung ist und wenn sich die Radarvorrichtung relativ zu der Oberfläche bewegt. Es wird nachfolgend dargelegt, daß das Spektrum der Überlagerungswelle um eine Funktion sinx/x verbreitert wird, wobei x eine von der Entfernung "h" und der Dauer der Frequenzveränderung des Oszillators abhängige Variable ist. Daraus folgt, daß die niedrigste Frequenzkomponente nicht unbedingt die Entfernung "h" darstellt. Außerdem kann das Spektrum der Überlagerungswelle weiter durch den Dopplereffekt verbreitert werden, falls zwischen der Vorrichtung und der Fläche eine Relativbewegung erfolgt.
Um die Empfindlichkeit gegenüber Rauschen zu verbessern, wird bekanntlich die Autokorrelationstechnik verwendet. Man könnte hierzu weiter das Buch von M.I. Skolknik "Introduction to Radar Systems", McGraw Hill Book Company Inc., New York, USA, Seiten 420 bis 422 zu Rate ziehen.
Die Erfindung schlägt Mittel vor, um die Frequenz der die Höhe angebenden Komponente zu bestimmen.
Hierzu ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Radar-Vorrichtung, wie sie in den Ansprüchen dieser Schrift beschrieben ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Radarvorrichtung.
Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf einiger Signale aus der Vorrichtung gemäß Figur 1.
Figur 3 zeigt den Verlauf des Spektrums der Signale aus Figur 2.
Gemäß Figur 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Messung der Entfernung "h" von einer ebenen Fläche 2 bestimmt. Das gewählte Beispiel gehört in den Rahmen der Funknavigation, bei der die Vorrichtung 1 sich in einem Flugzeug befindet, während die ebene Oberfläche nichts anderes als der Erdboden und die Entfernung "h" somit die Höhe ist.
Die Vorrichtung 1 enthält eine Sendeantenne 5, von der eine Welle E(t) in Richtung auf den Boden ausgesendet wird, und eine Empfangsantenne 7, um die vom Boden 2 reflektierte Welle R(t) aufzufangen. Ein Mischkreis 10 mischt die reflektierte Welle mit einem Teil der ausgesendeten Welle, der mit Hilfe eines in Höhe des Eingangs der Sendeantenne 5 angeschlossenen Kopplers entnommen wird. Die ausgesendete Welle wird mit Hilfe eines Mikrowellenoszillators 14 erarbeitet, der auf einer Frequenz f&sub0; in der Größenordnung von 4 GHz oszilliert. Seine Frequenz wird von einem Sägezahngenerator 16 gesteuert. So ist die ausgesendete Welle eine in einem Frequenzbereich AF frequenzmodulierte Welle gemäß folgender Formel:
Hierbei variiert t innerhalb der Periode T eines Sägezahnimpulses. A ist eine die Amplitude der Welle definierende Konstante.
Die nach Reflexion am Boden (2) empfangene Welle R(t) läßt sich folgendermaßen darstellen:
Hierbei ist B eine den Empfangspegel definierende Konstante und τ die Verzögerung zwischen der Sendewelle und der empfangenen Welle.
Der Mischkreis 10 hat die Aufgabe, am Ausgang ein Signal folgender Form auftreten zu lassen:
Hierbei bedeutet C eine Konstante.
Die Entfernung "h" ergibt sich aus der Frequenz fb des Signals M(t):
fb = τ.Δf/T
Hierbei gilt τ = 2h/c, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Damit gilt:
h = fb.c.T/2ΔF
Der Verarbeitungskreis 20 verarbeitet also das Ausgangssignal des Mischkreises 10 nach einer Verstärkung in einem Verstärker 22. Diese Verarbeitung erfolgt anhand von digitalen Tastproben, die von einem Analog-Digital-Wandler 25 geliefert werden. Eine Zeit-Frequenz-Transformationsoperation, z.B. eine Fourier-Transformation 27, wird zur Bestimmung der Frequenz fb verwendet, um die Entfernung "h" auf einem Anzeigeorgan 30 sichtbar zu machen.
Erfindungsgemäß enthält der Verarbeitungskreis 20 weiter einen Autokorrelationsoperator 31, um eine Autokorrelation der vom Analog-Digital-Wandler 25 digitalisierten Überlagerungswelle vor der Zeit-Frequenz-Transformation im Operator 27 durchzuführen. Außerdem enthält der Kreis 20 Mittel 32 zur Verarbeitung des Spektrums, um ausgehend vom bei der Zeit-Frequenz-Transformation erhaltenen Spektrum die der Entfernung "h" entsprechende Frequenz fb zu bestimmen.
Die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht auf folgenden Überlegungen (um die Darstellung zu vereinfachen, sei die Fläche 2 als ideal reflektierende Fläche angenommen (Spiegelreflexion)):
In Figur 2a ist der Verlauf der Frequenzveränderung des ausgesendeten Welle E(t) in einfachen Strichen und der Verlauf der empfangenen Welle R(t) in Doppelstrichen dargestellt. Diese Frequenzen variieren linear mit der Frequenz während einer Zeit T und mit einer Periode TR. Das Überlagerungssignal M(t) hat also den Verlauf gemäß Figur 2b. Dieses Signal hat somit die Form von aneinandergereihten Sinuswellen. Es läßt sich in ein Rechtecksignal RT(t) (siehe Figur 2c) und eine Sinuswelle Si(t) zerlegen (siehe Figur 2d), wobei die Phasensprünge vernachlässigt wurden.
Figur 3 zeigt den Verlauf der verschiedenen Spektren bezüglich dieser Signale:
Figur 3a zeigt das Spektrum SP[RT(t)] des Rechtecksignals. Da dieses Signal periodisch ist, wird es von diskreten Linien gebildet, die einen Abstand von 1/TR besitzen. Die Amplituden dieser Komponenten haben als Einhüllende die Funktion [sin x/x]².
In Figur 3b ist das Spektrum SB[Si(t)] des Signals Si(t) dargestellt, das aus zwei Komponenten mit den Frequenzen fb und -fb gebildet wird. Nur die Komponente bei fb ist dargestellt.
Schließlich zeigt Figur 3c das Spektrum SP[M(t)] von M(t), das sich durch das Konvolutionsprodukt der beiden vorhergehenden Spektren ergibt:
SP[M(t)] = SP(Si(t)] * SP[RT(t)]
Dies ist das Spektrum des Signals RT(t), das um die Frequenz fb verschoben ist.
Man erkennt also, daß die niedrigsten Frequenzkomponenten nicht sehr genau der Frequenz fb entsprechen.
Wenngleich bisher vom Spektrum des Signals am Ausgang der Mischstufe 10 gesprochen wurde, so gilt die gleiche Überlegung auch für die Autokorrelationsfunktion dieses Signals. Da das Spektrum eines Signals und das Spektrum seiner Autokorrelationsfunktion die gleichen Fequenzlinien besitzen, ermöglicht die Autokorrelationsfunktion, daß die vom Operator 27 durchgeführte Transformation sich auf ein Signal bezieht, das ein besseres Signal/Rauschverhältnis aufweist. Man erhält so eine höhere Genauigkeit.
Die Spektrumverarbeitungsmittel 32 verarbeiten die verschiedenen vom Operator 27 gelieferten Frequenzlinien. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bestimmen die Mittel 27 den Schwerpunkt des Spektrums. So ergibt sich die Frequenz fb für ein Spektrum, dessen Komponenten die Amplitudenwerte cn besitzen (n = k, k+1, .. k+m) durch folgende Formel:
Gemäß einer zweiten Ausführungsform verwenden die Mittel 32 das folgende Verfahren:
- Man bestimmt den Wert i, der den größten Absolutwert von cn-cn-1 ergibt, d.h. ci-ci-1.
- Man bestimmt die Komponente ci oder ci-1 mit der größeren Amplitude und damit die Frequenz fb:
fb = fi oder fi-1, je nachdem, ob gilt ci > ci-1 oder ci-1 > ci.
Gemäß einer dritten Ausführungsform verwenden die Mittel 27 das folgende Verfahren:
- Man bestimmt f²b gemäß folgender Formel:
- Man bestimmt dann fb durch Berechnung der Quadratwurzel der obigen Größe.
Diese weiteren Ausführungsformen sind nicht mit der vierten Ausführungsform inkompatibel, die darin besteht, den Höchstwert der Komponenten cn zu verwenden.
Man bestimmt dann den Wert n oder i derart, daß ci einen Höchstwert annimmt. Daraus ergibt sich fb = fi.
In der Praxis bestehen die Verarbeitungsmittel 32 für das Spektrum vorzugsweise aus einer Mikroprozessoreinheit. Es ist einfach für jeden Fachmann, die oben erwähnten Verfahren zu programmieren, um den Wert von fb zu erhalten.

Claims

1. Radarvorrichtung, um die Entfernung "h" von einer Oberfläche zu messen, mit Sendemitteln (5) zum Aussenden einer von einem in seiner Frequenz steuerbaren Oszillator (14) erzeugten frequenzmodulierten Welle, wobei die ausgesendete Welle E(t) in einem Frequenzbereich AF frequenzmoduliert wird, so daß gilt

mit Empfangsmitteln (7) zum Empfang der von der Oberfläche reflektierten Welle, mit einem Mischkreis (10), um eine Überlagerungswelle zwischen der ausgesendeten und der empfangenen Welle zu liefern, und mit einem Verarbeitungskreis (20), der eine Schaltung (25) zur Digitalisierung der Überlagerungswelle, einen Zeit-Frequenz-Transformationsoperator (27) zur Lieferung der Frequenzkomponenten, aus denen die Entfernung "h" abgeleitet wird, und einen Autokorrelations- Operator (31) aufweist, um eine Autokorrelation der Überlagerungswelle durchzuführen, ehe sie an die Zeit-Frequenz- Transformationsmittel (27) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungskreis weiter Mittel (32) zur Verarbeitung des Spektrums besitzt, um die Frequenz fb, die die Entfernung "h" ergibt, ausgehend von den Werten einer Mehrzahl von Frequenzkomponenten des im Zeit-Frequenz- Transformationsoperator (27) erhaltenen Spektrums zu bestimmen, wobei gilt fb = τ.ΔF/T und τ die Verzögerung zwischen der ausgesendeten und der empfangenen Welle darstellt, und daß diese Verarbeitungsmittel nach mindestens einer der folgenden Weisen vorgehen:

a) Die Mittel zur Verarbeitung des Spektrums bestimmen die die Entfernung "h" liefernde Frequenz fb:

wobei cn die Amplitudenwerte des vom Zeit-Frequenztransformationsoperator gelieferten Spektrums und fn die jeweiligen Frequenzwerte bei diesen Amplituden sind (n ist eine ganze Zahl, die von k bis k+m variiert),

b) Die Mittel zur Verarbeitung des Spektrums verarbeiten die Amplitudenwerte cn für Frequenzen fn gemäß folgendem Verfahren:

man bestimmt den Wert i, der den größten Absolutwert für cn-cn-1 ergibt, d.h. ci-ci-1;

man bestimmt diejenige der Komponenten ci oder ci-1, die die größere Amplitude bestizt, und daraus die Frequenz fb:

fb = fi oder fi-1, je nachdem, ob gilt ci > ci- oder ci-1 > ci (wobei n eine ganze Zahl ist, die von k bis k+m variiert);

c) die Mittel zur Verarbeitung des Spektrums verarbeiten Amplitudenwerte cn für Frequenzen fn gemäß folgendem Verfahren:

man berechnet f²b gemäß folgender Formel:

man bestimmt den Wert "h" für den Wert fb, er sich aus der Quadratwurzel er obigen größe ergibt (n ist eine ganze Zahl, die von k bis k+m variiert),

d) die Mittel zur Verarbeitung des Spektrums verarbeiten Amplitudenwerte cn für Frequenzen fn, um den Wert i zu bestimmen, derart, daß ci die größte Komponente ist, worauf sich dann die Frequenz fb, aus der die Entfernung "h" abgeleitet wird, ergibt: fb = fi (n ist eine ganze Zahl, die von k bis k+m variiert).