DE4006566C2 - Entfernungsmeßsysteme - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Dauerstrich-Entfernungsmeßsystem mit einem
Modulator zur Modulation eines Hochfrequenz (r.f.)-Trägersignals entspre
chend 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 Korre
lator zum Korrelieren des erfaßten Signals mit dem gesendeten Code mit
einer ausgewählten Phasenverschiebung entsprechend dem momentanen,
zu überprüfenden Bereichs- bzw. Entfernungstor, wodurch die Entfernung
des Ziels vom System bestimmbar ist, und mit Filtermitteln, um von dem
wenigstens einen Ausgang des Korrelators jene Entfernungstor-Amplitu
den auszufiltern, die mit einer Frequenz geringer als ein vorgegebener
Wert variieren.
Ein derartiges Dauerstrich-Entfernungsmeßsystem ist beispielsweise aus
der US 4 042 925 bekannt.
Derartige Systeme umfassen üblicherweise Mittel zur Mikrowellen-Aus
strahlung, der irgendeine Art von Codierung hinzugefügt worden ist, eine
Antenne zur Ausrichtung der Energie auf das Ziel, eine Antenne zum
Empfang der rückgeführten Energie, und, im Anschluß an eine Verstär
kung, 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 Fre
quenzmodulation erfolgt, während in der letzten Zeit eine Phasenmodula
tion ausgehend von einem Pseudo-Zufallscode verwendet worden ist. Die
se Form der Modulation 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 Geheimhaltung kann erhöht wer
den, indem die Sendeleistung so reduziert wird, daß das Rücksignal gera
de ausreichend für eine Entfernungsmessung ist.
In derartigen phasenmodulierten System wird das empfangene 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
Datenbereich 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 Entfernungsmeßsystemen ist, daß
oft ein relativ hoher Pegel eines unerwünschten Signals vorliegt, das direkt
von der Sende- zu der Empfangsantenne quergekoppelt ist, oder das von
die Antenne umgebenden Strukturen reflektiert wird. Typischerweise liegt
dieses unerwünschte Signal 60 dB unterhalb der Sende-Ausgangs
leistung, während das gewünschte Signal von einem entfernten Objekt
oder vom Boden bei einer Höhenmesser-Anwendung 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 gepulst wird, ausgeblendet wird. Dies führt jedoch zu einer
verminderten Leistung bei kurzen Entfernungen.
In der EP 0 020 197 A1 ist ein Doppelradarsystem beschrieben, bei dem
zur Unterdrückung von durch stationäre oder sich langsam bewegende
Ziele verursachten Echos Signale, die unterschiedlichen Wiederholungen
einer Antennenabtastung entsprechen, in vier Speicherebenen eingegeben
werden. Einer Korrelationsschaltung wird über deren zwei Eingänge einer
seits der Inhalt einer ersten Speicherebene entsprechend der letzten An
tennenabtastung und andererseits der Inhalt einer zweiter Speicherebene
zugeführt, der der vorangehenden Abtastung entspricht. Zuvor wurde die
Adresse der zweiten Speicherebene entsprechend einer jeweiligen Verlage
rung des mit der Echo-Unterdrückungseinrichtung ausgestatteten Fahr
zeugs modifiziert. Die Korrelationsschaltung gibt schließlich nur dann Si
gnale aus der ersten Speicherebene aus, wenn in der zweiten Spei
cherebene keine entsprechenden Signale enthalten sind.
Ziel der Erfindung ist es, ein Dauerstrich-Entfernungsmeßsystem der ein
gangs genannten Art zu schaffen, das insbesondere im, Hinblick auf eine
möglichst zuverlässige Unterscheidung zwischen stationären und beweg
ten Objekten weiter optimiert ist.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Filtermit
tel Mittel zur Bereitstellung eines laufenden Mittelwerts von vorhergehen
den Werten des jeweiligen Korrelatorausgangs sowie Mittel umfassen, um
den momentanen Ausgangswert vom laufenden Mittelwert zu subtrahie
ren.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß ein direkt vom Sender
kommendes Signal bezüglich der Phase und Amplitude im wesentlichen
konstant sein wird, während ein solches von einem entfernten, sich bewe
genden 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-Spreizspektrum-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 Hochfreguenz (r.f.)-Trägerwellengenerator 1, der einen
Phasenmodulator 2 speist, der in Übereinstimmung mit einem
pn-Code von einem Codespeicher 3 gesteuert wird. Das modulierte
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 und 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 (5)
1. Dauerstrich-Entfernungsmeßsystem mit einem Modulator zur Mo
dulation eines Hochfrequenz (r.f.)-Trägersignals entsprechend einem
Pseudo-Zufallscode, einer Sendeantenne zur Ausstrahlung des Si
gnals 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, zu überprüfenden Bereichs- bzw. Entfernungs
tor, wodurch die Entfernung des Ziels vom System bestimmbar ist,
und mit Filtermitteln, um von dem wenigstens einen Ausgang des
Korrelators jene Entfernungstor-Amplituden auszufiltern, die mit
einer Frequenz geringer als ein vorgegebener Wert variieren,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Filtermittel Mittel zur Bereitstellung eines laufenden Mittel
werts von vorhergehenden Werten des jeweiligen Korrelatorausgangs
sowie Mittel umfassen, um den momentanen Ausgangswert vom
laufenden Mittelwert zu subtrahieren.
2. System nach Anspruch 1, bei dem der Ausgang vom Korrelator
Doppelkanäle für Signale in Phase und um 90° phasenverschobene
Signale aufweist.
3. System nach Anspruch 2, mit einem Analog/Digital-Wandler für je
den Kanal.
4. System nach Anspruch 3, bei dem eine weitere Verarbeitungsstufe
für den Empfang digitaler Signale vom Analog/ Digital-Wandler vor
gesehen ist, wobei die weitere Verarbeitungsstufe ein Speicherfeld
bzw. Speicher-Array für jeden Kanal umfaßt, welches zum Spei
chern der Rücksignale für jede Codeverzögerung bei Abwesenheit
der Signale und damit zur Errichtung einer Schwelle ausgelegt ist,
sowie mit Mitteln zum anschließenden Vergleich der empfangenen
Signale mit dem Schwellwert zum Erfassen von den Schwellwert
überschreitenden Signalen.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Mitteln
zum Variieren der Leistung des abgestrahlten Signals in Abhängig
keit vom überprüften Entfernungstor.
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