DE4006566A1 - Entfernungsmeßsysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Dauerstrich-Entfernungsmeßsystem wie z. B. ein Luftfahrzeug-Radar-Höhenmeßsystem.

Derartige Systeme umfassen üblicherweise Mittel zur Mikro­ wellen-Ausstrahlung, der irgendeine Art von Codierung hin­ zugefügt worden ist, eine Antenne zur Ausrichtung der Ener­ gie auf das Ziel, eine Antenne zum Empfang der rückgeführten Energie, und, im Anschluß an eine Verstärkung, Mittel zur Bestimmung des Betrags der Verzögerung, die bei dem Signal aufgetreten ist, und damit der Entfernung des Ziels. Das Codieren der Ausstrahlung ist in der Vergangenheit durch eine Puls- oder Frequenzmodulation erfolgt, während in der letzten Zeit eine Phasenmodulation ausgehend von einem Pseu­ do-Zufallscode verwendet worden ist. Diese Form der Modula­ tion besitzt die Eigenschaft, ein dem Rauschen ähnliches Sendespektrum zu erzeugen, welches schwer zu detektieren ist und damit dort Anwendung findet, wo Geheimhaltung bzw. eine entsprechende Verschlüsselung von Bedeutung ist. Die Geheim­ haltung kann erhöht werden, indem die Sendeleistung so re­ duziert wird, daß das Rückkehrsignal gerade ausreichend für eine Entfernungsmessung ist.

In derartigen phasenmodulierten Systemen wird das empfan­ gene Signal mit einer verzögerten Version des ausgesandten Codes korreliert, wobei die Verzögerung nach und nach in Stufen erhöht wird, und Abtastwerte des Ausgangssignals des Korrelators erfaßt und in einem Array bzw. in einem Daten­ bereich gespeichert werden. Aus diesen gespeicherten Daten kann die Verzögerung, und damit die Entfernung, bei der das empfangene Rücksignal auftritt, aufgefunden werden.

Ein allgemeines Problem bei derartigen Entfernungsmeßsyste­ men ist, daß oft ein relativ hoher Pegel eines unerwünsch­ ten Signals vorliegt, das direkt von der Sende- zu der Emp­ fangsantenne quergekoppelt ist, oder das von die Antenne um­ gebenden Strukturen reflektiert wird. Typischerweise liegt dieses unerwünschte Signal 60 dB unterhalb der Sende-Aus­ gangsleistung, während das gewünschte Signal von einem ent­ fernten Objekt oder vom Boden bei einer Höhenmesser-Anwen­ dung 120 dB unterhalb liegt. Pulsmodulierte Systeme können dies bis zu einem gewissen Ausmaß dadurch überwinden, daß der Empfänger für eine Periode, während der der Sender ge­ pulst wird, ausgeblendet wird. Dies führt jedoch zu einer verminderten Leistung bei kurzen Entfernungen. Das System gemäß einem Beispiel der Erfindung verringert dieses Problem wesentlich.

Erfindungsgemäß umfaßt ein Dauerstrich-Entfernungsmessungs­ system einen Modulator zur Modulation eines Hochfrequenz (r.f.)-Trägersignals in Übereinstimmung mit einem Pseudo-Zu­ fallscode, eine Sendeantenne zur Ausstrahlung des Signals zum Ziel, eine Empfangsantenne sowie einen Empfänger zum Er­ fassen des vom Ziel reflektierten Signals, einen Korrelator für eine Korrelation des erfaßten Signals mit dem gesendeten Code mit einer ausgewählten Phasenverschiebung oder Verzöge­ rung entsprechend dem momentanen, untersuchten Bereichs- bzw. Entfernungstor, wodurch die Entfernung des Ziels vom System bestimmt werden kann, und Filtermittel, um vom Aus­ gangssignal des Korrelators jene Entfernungstor-Amplituden auszufiltern, die mit der Frequenz kleiner als ein vorgegebe­ ner Wert variieren.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein direkt vom Sender kommendes Signal bezüglich der Phase und Amplitu­ de im wesentlichen konstant sein wird, während ein solches von einem entfernten, sich bewegenden Objekt oder dem Boden im Falle einer Höhenmesser-Anwendung sich infolge der rela­ tiven Bewegung ändern wird, die im Falle einer Mikrowellen­ sendung lediglich in der Größenordnung von einigen wenigen Millimetern sein muß.

Vorzugsweise unterscheidet das erfindungsgemäße System zwi­ schen stationären und sich bewegenden Rücksignalen, indem am Ausgang des Korrelators Doppelkanäle (in Phase und um 90° phasenverschoben) verwendet werden. Jeder Kanal hat einen Ausgang für jede der Verzögerungsstufen des Korrelators. Für ein gegebenes Bereichs- bzw. Entfernungstor, und damit Ver­ zögerung, werden die Ausgänge von I und Q mit Ergebnissen verglichen, die vom laufenden Mittelwert verschiedener vor­ hergehender Ablesungen des besonderen Entfernungstors er­ halten wurden. Der letzte Abtastwert wird von den I- und Q-Mittelwerten subtrahiert. Für ein stetiges Signal ist das Ergebnis Null, und damit wird ein Filtern von stetigen Si­ gnalen von z. B. einer Querkopplung erreicht.

In einem Direktfolge-Streuspektrum-Entfernungsmeßsystem können Korrelations-Seitenbänder bei jedem Bereichs- bzw. Entfernungstor auftreten, und zwar infolge des Sender-zu-Empfänger-Durchbruchs, oder der gewünschten Signale. Die Amplitude der Seitenbänder ist eine Funktion von unter an­ derem der Amplitude des Durchbruchs oder des gewünschten Signals. Mit einem Durchbruch, der soviel wie 60 dB größer ist als das gewünschte Signal, können die Seitenbänder infol­ ge des Durchbruchs das gewünschte Signal überschreiten. Die Seitenbänder des Durchbruchs werden jedoch ebenfalls im Hin­ blick auf die Phase und Amplitude im wesentlichen konstant sein, so daß das erfindungsgemäße System sowohl gegenüber diesen als auch dem hauptsächlichen stationären Rücksignal unterscheidet.

Um wirksam zu sein, muß der Durchbruch für jedes Entfer­ nungstor konstant sein und darf nicht mittels der Sende­ leistungssteuerung zu einer Änderung veranlaßt werden. Da jedes Entfernungstor unabhängig behandelt wird, kann dies dadurch erreicht werden, daß die Leistung nur als Funktion des Entfernungstores variiert wird. Ein derartiges Leistungs­ steuerungssystem überwindet die Probleme, die im Zusammen­ hang mit der Antwortzeit in einem System auftreten, welches von der Abtastung der Pegel von Rücksignalen ausgeht und weniger kompliziert ist, als dies bei Verwendung von loga­ rithmischen Verstärkern der Fall ist.

Wird das Verfahren digital ausgeführt, so ist es möglich, Mittel mit einzubeziehen, durch die nicht nur sich bewegende Signale ausgewählt werden können, sondern auch stationäre Signale erfaßt werden können, wenn diese einen gegebenen Pegel überschreiten. Um dies zu erreichen, wäre ein weiterer Verarbeitungsschritt bei den empfangenen Signalen nach einer Umwandlung in eine digitale Form auszuführen. Diese Signale würden direkt einem zweiten Array bzw. Datenbereich ohne Subtraktion vom laufenden Mittelwert zugeführt werden. Die­ ses zweite Datenfeld wird dann die Pegel der Rücksignale für jede der Code-Verzögerungen enthalten, unabhängig davon, ob diese sich bewegen oder nicht. Der Pegel des Rücksignals für einen Durchbruch für jede Verzögerung würde in Abwesenheit der wahren Signale gemessen werden, wobei dies einen Schwell­ wert bilden würde. Echte bzw. unverfälschte Signale von fest­ stehenden Zielen könnten erfaßt werden, wenn sie diesen Schwellwert überschreiten. Eine solche Anordnung würde es z. B. ermöglichen, große stationäre Signale vom Boden im Fal­ le eines Höhenmessers zu erfassen, während ein Flugzeug am Boden stationiert war. Die Fähigkeit, die Entfernung großer Signale zu erfassen und zu messen tritt in Ergänzung zur Fä­ higkeit hinzu, sich bewegende Ziele bei Anwesenheit eines Durchbruchs zu messen.

Der erfindungsgemäß benutzte Pseudo-Zufallscode ist vorzugs­ weise ein Maximallängencode, eine Folge von Zahlen, erzeugt mittels eines Schieberegisters mit bestimmten auf dieses be­ zogenen Rückkopplungen. Für das System der vorliegenden Er­ findung wird eine Codelänge von 2047 Stellen bevorzugt.

Im folgenden wird auf die Zeichnung Bezug genommen: in dieser zeigt:

Fig. 1 ein vereinfachtes Diagramm eines Dauer­ strich-Entfernungsmeßsystems der allgemeinen Art, auf welches sich Aspekte der vorlie­ genden Erfindung beziehen,

Fig. 2 eine Darstellung der im Array bzw. Daten­ feld des in Fig. 1 gezeigten Apparats,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung des Empfangs- und Verarbeitungsteils eines Systems gemäß einem Aspekt bzw. Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der mit dem in Fig. 3 gezeigten System erhaltenen Antwort, und

Fig. 5 eine Darstellung einer wahlweisen Variante des in Fig. 3 gezeigten Systems.

Ein Dauerstrich-Entfernungsmeßsystem, welches eine Phasen­ modulation mit einem Pseudo-Zufalls (pn, pseudo random)-Code verwendet, ist in Fig. 1 dargestellt. Die Sendeseite umfaßt einen Hochfrequenz (r.f.)-Trägerwellengenerator 1, der einen Phasenmodulator 2 speist, der in Übereinstimmung mit einem pn-Code von einem Codespeicher 3 gesteuert wird. Das modu­ lierte Signal wird von einem Verstärker 4 verstärkt und einer Sendeantenne 5 zugeführt. Der Empfangsabschnitt umfaßt eine Empfangsantenne 6, einen Empfangsverstärker 7 und einen Korrelator 8, der mit demselben pn-Code über eine variable Verzögerung 9 versorgt wird, die es gestattet, den Code in der Phase um eine Stelle bzw. Ziffer, entsprechend einer bestimmten Entfernung, sequentiell zu verschieben. Ein Code kann damit derart betrachtet werden, als ob in eine Reihe von "Bereichs- bzw. Entfernungstore" (range gates) entspre­ chend den getrennten Stellen des Codes unterteilt ist und einen Entfernungsschritt repräsentiert, der gleich der ma­ ximalen Entfernung geteilt durch die Anzahl von Stellen im Code, z. B. 2047, ist. Im allgemeinen kann der Code signifi­ kant in Stufen von einer Stelle bzw. Ziffer des Codes oder in Bruchteilen einer solchen Stelle phasenverschoben oder verzögert werden. Jeder durchschrittene Verzögerungswert re­ präsentiert einen gegebenen Entfernungscode, und das Aus­ gangssignal des Korrelators eines jeden Schrittes ist eine Funktion des Rücksignals von diesem gegebenen Längenband oder Entfernungstor. Die maximale Entfernung hängt unter anderem ab von der Länge der Codesequenz. Die Ergebnisse der Korrelation werden einem Amplitudendetektor 10 zugeführt und in einem Array 11 bzw. Feld gespeichert. Die gespeicherten Daten stellen sich wie in Fig. 2 gezeigt dar und zeigen die Verzögerung, bei der die empfangene Signalrückantwort auf­ tritt (+).

Gemäß Fig. 3 wird die Verzögerung des pn-Codes zum Korrela­ tor zyklisch in Stufen über alle zu prüfenden Entfernungs­ tore weitergeschaltet. Für jede Verzögerung wird der Ausgang des Korrelators in zwei Kanäle aufgespalten und bei 30A bzw. 30B mit einer Sinus- und einer Cosinus-Wellenform gemischt, um die Komponente (I) in Phase und die um 90° phasenver­ schobene Komponente (Q) der von den Zielen bei der geprüften Entfernung empfangenen Energie zu erhalten. Analog/Digital- Wandler 31A bzw. 31B wandeln die I- und Q-Kanäle von Ana­ log- in Digital-Pegel, wobei von dieser Stelle an jegliche Verarbeitung in digitaler Form erfolgt. Der Pegel des momen­ tan abgetasteten Empfangssignals einer bestimmten Verzöge­ rung wird bei 32A bzw. 32B durch n geteilt und einem laufen­ den Mittelwert vorangegangener Abtastwerte der gleichen Ver­ zögerung multipliziert mit n/(n+1) hinzuaddiert. Die Additi­ on wird mittels Addierern 33A bzw. 33B und das Multiplizie­ ren bzw. Fakturieren in Stufen 34A bzw. 34B durchgeführt, und der laufende Mittelwert wird bei 35A bzw. 35B gespei­ chert. Der laufende Mittelwert repräsentiert die Komponenten für den unbeweglichen Zustand eines Rücksignals von einer ge­ gebenen Entfernung. Der letzte Abtastwert des Rücksignals wird bei 36A bzw. 36B von den Mittelwerten (I und Q) subtra­ hiert. Für ein stetiges Signal von einer Querkopplung oder Rücksignalen von einer benachbarten Struktur wird die Aus­ löschung bei 36A bzw. 36B vollständig sein und kein Ausgangs­ signal wird an das Array weitergegeben werden. Ändert sich das empfangene Signal jedoch von Abtastwert zu Abtastwert, wie es bei Signalen von einem sich bewegenden Ziel der Fall sein wird, so wird eine Auslöschung nicht erreicht und Aus­ gangssignale gelangen zum Array 11a bzw. 11b. Auf diese Weise erfolgt eine Verarbeitung in Form eines Hochpaßfilters mit einem Frequenzgang vorgegeben durch den Wert von n. Der Effekt der Abtastung besteht darin, Kerben bzw. Lücken bei der Abtastfrequenz sowie deren Harmonischen zu plazieren. Der Gesamtfrequenzgang für eine solche Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt, wo für dieses Beispiel n = 7 ist und die Ab­ tastfrequenz 20 Hz beträgt. Es ist zu sehen, daß "Gleich­ strom" ("DC")-Signale und Signale aufwärts bis zu 0,1 Hz eine beträchtliche Dämpfung erfahren. Nachdem ein vollstän­ diger Zyklus von Proben bzw. Abtastwerten genommen wurde, enthält das Array Information über die Pegel von bewegten Signalen für jede der abgefragten Entfernungen bzw. jeden der abgefragten Bereiche, während stetige bzw. stationäre unerwünschte Signale vom Durchbruch zurückgewiesen werden.

Eine abgewandelte Form des in Fig. 3 dargestellten Systems ist in Fig. 5 gezeigt. Die empfangenen Signale werden einem weiteren Satz von Verarbeitungsschritten ausgesetzt, nachdem sie in eine digitale Form umgewandelt wurden. Die Signale werden direkt zweiten Arrays 50a bzw. 50b ohne Subtraktion vom laufenden Mittelwert zugeführt. Das zweite Array 50a oder 50b enthält dann die Pegel der Rücksignale für jede der Codeverzögerungen, unabhängig davon, ob sie sich bewegen oder nicht. Der Pegel der Rückantwort vom Durchbruch für jede Verzögerung würde bei Abwesenheit von wahren Signalen gemessen werden, und dies würde einen Schwellwert bilden.

Claims (6)

1. Dauerstrich-Entfernungsmeßsystem mit einem Modulator zur Modulation eines Hochfrequenz (r.f.)-Trägersignals ent­ sprechend einem Pseudo-Zufallscode, einer Sendeantenne zur Ausstrahlung des Signals in Richtung auf ein Ziel, einer Empfangsantenne und einem Empfänger zum Erfassen des vom Ziel reflektierten Signals, einem Korrelator zum Korrelieren des erfaßten Signals mit dem gesendeten Code mit einer ausgewählten Phasenverschiebung entsprechend dem momentanen, überprüften Bereichs- bzw. Entfernungs­ tor, wodurch die Entfernung des Ziels vom System bestimm­ bar ist, und mit Filtermitteln, um vom Ausgang des Korre­ lators jene Entfernungstor-Amplituden auszufiltern, die mit einer Frequenz geringer als ein vorgegebener Wert variieren.

2. System nach Anspruch 1, bei dem der Ausgang vom Korrela­ tor Doppelkanäle für Signale in Phase und um 90° phasen­ verschobene Signale aufweist.

3. System nach Anspruch 2, mit einem Analog/Digital-Wandler für jeden Kanal.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Filtermit­ tel Mittel zur Bereitstellung eines momentanen Mittel­ werts des oder eines jeden Ausgangs sowie Mittel umfas­ sen, um den momentanen Ausgangswert vom momentanen Mit­ telwert zu subtrahieren.

5. System nach Anspruch 3, bei dem eine weitere Verarbei­ tungsstufe für den Empfang digitaler Signale vom Ana­ log/Digital-Wandler vorgesehen ist, wobei die weitere Verarbeitungsstufe ein Speicherfeld bzw. Speicher-Array für jeden Kanal umfaßt, welches zum Speichern der Rück­ signale für jede Codeverzögerung bei Abwesenheit der Signale und damit zur Errichtung einer Schwelle ausge­ legt ist, sowie mit Mitteln zum anschließenden Ver­ gleich der empfangenen Signale mit dem Schwellwert zum Erfassen von den Schwellwert überschreitenden Signalen.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Mit­ teln zum Variieren der Leistung des abgestrahlten Signals in Abhängigkeit vom überprüften Entfernungstor.