DE4105977A1 - Signalverarbeitungsverfahren und signalverarbeitungsanordnung fuer eine pulsradaranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Signalverarbeitungsverfahren und eine Signalverarbeitungsanordnung für eine Pulsradar­ anlage nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6.

Die Anwendung der Halbleitertechnik in Sendern und aktiven Array-Antennen von Pulsradaranlagen führt zur Reduktion der Sende-Spitzenleistung im Vergleich zu Röhrengeräten. Zur Abdeckung der Reichweitenforderungen werden deshalb zeitlich längere Sendeimpulse benötigt, die zur Gewährlei­ stung guter Entfernungsauflösung intrapulsmoduliert sind und empfangsseitig mit entsprechender Filtertechnik zu kurzen Signalen komprimiert werden.

Das Pulsradar verwendet in der Regel die gleiche Antenne für Senden und Empfangen. Dabei kann bei kurzer Sendesi­ gnaldauer die geringfügige Totzone des Echoempfangs in Kauf genommen werden, die dadurch entsteht, daß für die Dauer des Sendesignals der Empfänger blockiert ist.

Mit größerer Sendeimpulsdauer wird dieser Totbereich im Nahechoempfang unzulässig groß.

Aus der EP 01 84 424 A3 ist eine Pulsradaranlage bekannt, die eine Sendeimpulsfolge mit zeitlich unterschiedlich langen Sendeimpulsen benutzt. Bei dieser Sendeimpulsfolge wird zunächst ein kurzer Sendeimpuls (für den Nahbereich) und nach einer kurzen Pulspause (zum Empfang der Echosi­ gnale aus dem Nahbereich) ein langer Sendeimpuls (für den Fernbereich) ausgesandt. An diesen schließt sich eine lange Pulspause an, in der Echosignale aus dem Fernbereich empfangen werden können. Der Nahbereich wird dadurch er­ weitert, daß die den kurzen Sendeimpulsen entsprechenden empfangenen Echosignale so verzögert werden, daß sie in das Zeitintervall fallen, in welchem der lange Sendeimpuls ausgesandt wird und in dem ansonsten der Empfänger ge­ sperrt wird. Außerdem wird die Dauer der kurzen Pulspause fortlaufend geändert, wodurch eine ansonsten mögliche Mehrdeutigkeit der empfangenen Echosignale vermieden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge­ mäßes Signalverarbeitungsverfahren und eine gattungsgemäße Signalverarbeitungsanordnung anzugeben, mit denen es mög­ lich ist, bei vorgegebener Spitzen-Sendeleistung den Er­ fassungsbereich einer Pulsradaranlage durch Verkleinerung der Totzone in Richtung zur Pulsradaranlage zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 6 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Signalauswertung weitgehend in paralleler Weise in ge­ trennten Signalwegen erfolgt. Dadurch können die Totzei­ ten, d. h. die Zeiten, in denen keine Sendesignale ausge­ sandt werden, erheblich verringert werden.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß die empfangenen Echosignale nach einem Abmischvorgang in den Videobereich (OHz bis ungefähr 10 MHz) als ein einziges analoges Gesamtsignal vorliegen. Dieses kann mit einem einzigen analogen Filter bearbeitet werden.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß die Trennung des Gesamtsignales in die benötigten Einzelsignale und deren Weiterverarbeitung in digitaler Weise erfolgt. Dadurch ist eine sehr zuverlässige Signalverarbeitung möglich. Es wird z. B. ein Driften der Signale vermieden.

Ein vierter Vorteil besteht darin, daß für die Sendeim­ pulse für den Fern- und den Nahbereich sehr unterschiedli­ che Frequenzlagen und/oder Modulationsarten gewählt werden können, so daß empfangsseitig eine sehr gute Trennung der Signale möglich ist.

Bei der Erfindung wird unmittelbar nach dem langen, modu­ lierten Sendeimpuls ein kurzer Sendeimpuls mit anderer Mo­ dulation und/oder Frequenzlage ausgesandt. Durch empfangs­ seitige Trennung der Echosignale nach Signalform und Fre­ quenzlage kann durch die Öffnung des Empfängers unmittel­ bar nach Abstrahlung des kurzen Sendeimpulses der Nahbe­ reich durch die Echoauswertung dieses Signaltyps abgedeckt werden, während für den übrigen Entfernungsbereich der Empfangskanal für das energiereichere lange Signal ausge­ wertet wird.

Es ist wichtig, daß zur Vermeidung von Übersprechen und dadurch bedingten Falschanzeigen die beiden Empfangswege eine gute Signaltrennung bezüglich der jeweils anderen Si­ gnalform bewirken und daß die Signale sendeseitig bereits durch die unterschiedliche spektrale Lage und/oder die Art ihrer Modulation oder Codierung Eigenschaften zur Selek­ tion aufweisen.

An bei der Erfindung vorteilhaften Signalmodulationsarten für die Pulsradaranwendung sind der einfache Rechteckim­ puls, die Phasencodierung einer Pulsreihe (Biphasencodie­ rung, Polyphasencodierung) und die Frequenzmodulation (li­ near oder nichtlinear) zu nennen. Die Signale werden in angepaßten (Matched) Filtern erkannt und zu einem kurzen Impuls entsprechend dem Kehrwert der Bandbreite kompri­ miert. Bei diesem Korrelationsprozeß findet gleichzeitig auch eine Dekorrelation (Dämpfung) modulationsfremder Si­ gnale im Zeitbereich statt, die aber nicht ausreicht, um z. B. die Beeinflussung eines 13 Bit Barkervode-Kanals durch ein nichtlinear-frequenzmoduliertes Signal gleicher Frequenzlage zu vermeiden.

Es ist deshalb zweckmäßig, daß zur unterschiedlichen Modu­ lationsart und dadurch grundsätzlich möglichen Signaltren­ nung durch zeitliche Korrelation bzw. Dekorrelation die oben bereits erwähnte sendeseitige Verschiebung der Fre­ quenzlage der Signale hinzukommt, damit eine weitere Se­ lektion über Bandfilter erfolgen kann.

Nun hat eine solche Frequenzlagenverschiebung zur Folge, daß nach eingangsseitigen Bandfiltern für die einzelnen Signale aufwendige Empfangszüge bis zur Signalauswertung vorzusehen sind. Da der Trend aus berechtigten Gründen in Richtung einer allumfassenden digitalen Verarbeitung geht, ist es sinnvoll, eine Frequenzlagenanordnung der Signale so zu wählen, daß sie bis einschließlich einer A/D-Wand­ lung in einem einzigen analogen Empfangszug verarbeitet werden und erst dann mit geschickten digitalen Filtertech­ niken spektral getrennt und anschließend digital pulskom­ primiert werden.

Bei der Weiterbildung der Erfindung wurde eine Zweier- und Dreier-Kombination von Teilsignalen in verschiedener Art ihrer Frequenzlagenanordnung mit Hilfe einer Rechnersimu­ lation untersucht, es wurden die notwendigen Filterpro­ zesse definiert und berechnet sowie das Übersprechen des jeweils kanalfremden Signalanteils gemessen. Im Ergebnis hat sich herausgestellt, daß die Kombination eines kurzen, biphasencodierten Signals mit einem langen, linear-fre­ quenzmodulierten Signal nach digitaler Bandfilterung und Pulskompression mit relativ geringem Aufwand zu Über­ sprechdämpfungen von -80 dB führt, die für den vorgese­ henen Radarbetrieb sehr zufriedenstellend sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 2 ein beispielhaftes (Video-)Eingangssignal für eine Anordnung entsprechend Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild einer (Vi­ deo-)Signalverarbeitungsanordnung für zwei unterschiedli­ che Arten von Sendeimpulsen. Es sind daher lediglich zwei Signalverarbeitungszweige dargestellt. Enthält das Sende­ signal mehrere unterschiedliche Arten von Sendeimpulsen, so muß die Anordnung eine entsprechende Anzahl von Signal­ verarbeitungszweigen, die vorteilhafterweise gleichartig aufgebaut sind, besitzen. Diese Erweiterungsmöglichkeit ist durch Punkte dargestellt. An dem Eingang 1 der Anord­ nung liegt ein analoges (Video-) Gesamtsignal, das den von der Radarantenne empfangenen Echosignalen entspricht und das in die Videofrequenzlage (0 Hz bis 10 MHz) herabge­ mischt wird. In diesem Beispiel besteht die Impulsfolge der ausgesandten Sendeimpulse - in Abhängigkeit von der gewünschten maximalen Reichweite der Radaranlage - aus ei­ nem langen Sendeimpuls (für den Fernbereich) mit einer Pulsdauer aus dem Bereich von 100 µs bis 200 µs und einem unmittelbar (Pulspause ungefähr 1 µs) daran anschließenden kurzen Sendeimpuls (für den Nahbereich) mit einer Puls­ dauer aus dem Bereich von 1 µs bis 10 µs. Der lange Sendeimpuls ist vorzugsweise als sogenannter Chirp-Impuls ausgebildet, das heißt während der Pulsdauer erfolgt eine Frequenzmodulation, vorzugsweise eine mit linear anstei­ gender Frequenz. Der kurze Sendeimpuls ist vorzugsweise ebenfalls intrapulsmoduliert, z. B. entsprechend einem Bi­ phasencode, z. B. dem Barker-Code.

Fig. 2 zeigt in der Videofrequenzlage das zugehörige Spek­ trum (Betragsverlauf X(f)) für die Kombination aus Chirp-Impulsen mit einer ersten Mittenfrequenz f1 und Bar­ ker-Code-Impulsen mit einer zweiten Mittenfrequenz f2. In diesem Beispiel ist f1 kleiner als f2.

Gemäß Fig. 1 wird nun ein solches analoges (Video-) Ge­ samtsignal einem analogen Impuls-Tiefpaßfilter 2 zuge­ führt. In diesem erfolgt eine Unterdrückung von störenden Spiegelfrequenzteilen, die durch den Abmischvorgang (in den Videobereich) entstanden sind. Das derart gefilterte und daher bandbegrenzte analoge Gesamtsignal wird einem Analog/Digital-Wandler 3 zugeführt, an dessen Ausgang ein digitalisiertes Gesamtsignal entsteht. Dieses wird jedem der erwähnten Einzelkanäle (Signalwege), hier beispiels­ weise zwei, zugeführt. In jedem Einzelkanal muß nun zunächst das zu diesem Kanal gehörende Frequenzband aus dem digitalisierten Gesamtsignal herausgefiltert werden. Dieses erfolgt in jedem Kanal vorteilhafterweise mit Hilfe eines digitalen Multiplikators M1, M2 und eines diesem nachgeschalteten digitalen Tiefpaßfilters TP1, TP2. Durch den Multiplikator, der vorzugsweise als komplexer Multi­ plikator ausgebildet ist, erfolgt eine frequenzmäßige Ver­ schiebung des digitalisierten Gesamtsignales derart, daß das zu dem Einzelkanal gehörende Spektrum in Videolage liegt. Mit dem digitalen Tiefpaßfilter erfolgt außer einer Unterdrückung störender Signalanteile auch eine optimale frequenzseitige Trennung der Teilsignale (langer Impuls, kurzer Impuls). Die digitalen Tiefpaßfilter sind daher vorzugsweise als sogenannte Single-Puls-Matched-Filter (an Einzelpulse angepaßte Filter zur Optimierung des Signal- Rausch-Verhältnisses) ausgebildet. Da das (digitale) Aus­ gangssignal des digitalen Tiefpasses TP1 bzw. TP2 wesent­ lich niedrigere Frequenzanteile besitzt als das zugehörige digitale Gesamtsignal, ist es vorteilhaft für die weitere digitale Signalverarbeitung, bereits bei diesem (digita­ len) Ausgangssignal die Abtastfrequenz auf einen an dieses Ausgangssignal angepaßten Wert zu erniedrigen. Diese Er­ niedrigung der Abtastfrequenz wird auch Decimation ge­ nannt. Es ist wichtig, daß dabei keine Information verlo­ ren geht. Diese Decimation erfolgt daher mit Hilfe an die digitalen Tiefpaßsignale angepaßten Interpolationen. Diese werden in Decimationsschaltungen D1, D2 durchgeführt. Die hier entstehenden digitalen Signale werden Pulskompressi­ onsfiltern P1, P2 zugeführt, in denen vorteilhafterweise auch eine Nebenzipfelwichtung erfolgt. An den Ausgängen A1, A2 der Pulskompressionsfilter P1 bzw. P2 entstehen dann in digitaler Form pulsförmige Ausgangssignale, deren Intensität proportional zur Länge der unkomprimierten Si­ gnale ist. Diese Ausgangssignale besitzen vorteilhafter­ weise einen sehr hohen Störspannungsabstand bezüglich den Signalen des Nachbarkanales, z. B. mindestens 80 dB, und können in nicht dargestellten Anordnungen weiterverarbei­ tet werden, z. B. für eine Auswertung auf einem (Ra­ dar-)Bildschirm.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwend­ bar, beispielsweise auf eine Pulsradaranlage, bei der zu­ sätzlich zu den beschriebenen intrapulsmodulierten Sendeimpulsen noch dagegen sehr kurze (unmodulierte) Ein­ zelimpulse ausgesandt werden. In einem solchen Fall ist lediglich ein weiterer Einzelkanal erforderlich. Dieser entspricht im wesentlichen den beschriebenen, jedoch mit dem Unterschied, daß lediglich die digitalen Filter TP, P an die Form der Einzelimpulse angepaßt werden müssen.

Es ist vorteilhaft, die Sendersignalspektren möglichst schmal zu gestalten, um den benötigten Frequenzbereich für die Anordnung der Kanäle gering zu halten und eine Über­ lappung der Spektren zu vermeiden, damit eine gute Selek­ tion möglich bleibt. So kann z. B. die Phasenänderung beim biphasencodierten Signal in linearer Weise über einen ver­ träglichen Zeitbereich erfolgen, anstatt einer abrupten Umtastung. Dadurch entsteht eine erhebliche Reduktion der spektralen Ausdehnung.

Claims (9)

1. Signalverarbeitungsverfahren für eine Pulsradaranlage zumindest bestehend aus

• - einer Sende- und Empfangsantenne,
• - mindestens einem an die Sende- und Empfangsantenne gekoppelten Impulsgenerator zur Erzeugung eines zeit­ lich langen Sendeimpulses für den Fernbereich und ei­ nes dagegen kurzen Sendeimpulses für den Nahbereich und
• - mindestens einer an die Sende- und Empfangsantenne gekoppelten Empfangseinrichtung zur Auswertung der den Sendeimpulsen entsprechenden Echoimpulse und
• - wobei eine Impulsfolge, die aus dem kurzen und dem langen Sendeimpuls zusammengesetzt ist, ausgesandt und ausgewertet wird,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß in der Impulsfolge zunächst ein intrapulsmodu­ lierter zeitlich langer Sendeimpuls ausgesandt wird,
• - daß unmittelbar anschließend an den langen Sendeim­ puls mindestens ein ebenfalls intrapulsmodulierter kurzer Sendeimpuls ausgesandt wird,
• - daß sich der lange und der kurze Sendeimpuls durch eine unterschiedliche Modulationsart und/oder durch eine unterschiedliche Frequenzlage unterscheiden,
• - daß nach dem Senden von mindestens einem kurzen Sendeimpuls auf Empfang umgeschaltet wird und
• - daß die dem langen und dem kurzen Sendeimpuls ent­ sprechenden Echosignale empfangsseitig in unter­ schiedlichen Signalwegen getrennt ausgewertet werden.

2. Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lange Sendeimpuls ein frequezmodu­ liertes Signal mit einer sich monoton ändernden Frequenz enthält und daß für den kurzen Sendeimpuls ein phasenco­ diertes Signal verwendet wird.

3. Signalverarbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der lange Sendeimpuls ein fre­ quenzmoduliertes Signal mit einer linear ansteigenden Fre­ quenz enthält und daß für den kurzen Sendeimpuls ein ent­ sprechend dem Barker-Code phasencodiertes Signal verwendet wird.

4. Signalverarbeitungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem langen fre­ quenzmodulierten Sendeimpuls zusätzlich eine Amplitudenmo­ dulation durchgeführt wird, derart, daß die Amplitude in der zeitlichen Mitte des langen Sendeimpulses einen Maxi­ malwert besitzt.

5. Signalverarbeitungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die empfangenen Echosignale, welche dem langen sowie mindestens einem kurzen Sendeimpuls entspre­ chen, in eine Videofrequenzlage herabgemischt werden,
• - daß in der Videofrequenzlage eine analoge Filterung erfolgt, derart, daß ein bandbegrenztes analoges Ge­ samtsignal entsteht, bei dem eine Matched-Filterung angenähert wird und bei dem durch den Abmischvorgang entstandene Spiegelfrequenzanteile unterdrückt wer­ den,
• - daß das bandbegrenzte analoge Geamtsignal in einem Analog/Digital-Wandler digitalisiert und quantisiert wird,
• - daß das durch die A/D-Wandlung entstandene digita­ lisierte Gesamtsignal in mindestens zwei Ein­ zelkanäle, welche dem langen sowie dem kurzen Sendeimpuls zugeordnet werden, aufgeteilt wird, und
• - daß in jedem der Einzelkanäle eine an die zu detek­ tierenden Sendeimpulsart angepaßte digitale Filterung sowie eine Pulskompression vorgenommen wird.

6. Signalverarbeitungsanordnung zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in jedem Einzelkanal eine digitale Aus­ filterung des zu dem Einzelkanal gehörenden Frequenzbandes aus dem digitalen Gesamtsignal dadurch erfolgt,

• - daß in jedem Einzelkanal ein Multiplikator (M1, M2), in welchem das digitale Gesamtsignal in eine Tief­ paßlage verschiebbar ist, vorhanden ist und
• - daß an dem Ausgang des Multiplikators (M1, M2) ein digitaler Tiefpaß (TP1, TP2), in dem zusätzlich eine Matched-Filterung vornehmbar ist, angeschlossen ist.

7. Signalverarbeitungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Multiplikator (M1, M2) für eine komplexe Multiplikation des digitalen Gesamtsi­ gnales ausgebildet ist.

8. Signalverarbeitungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Einzelka­ nal eine Decimationsschaltung (D1, D2) vorhanden ist, die eine Erniedrigung der Abtastfrequenz des digitalen Aus­ gangssignales des digitalen Tiefpasses (TP1, TP2) ermög­ licht.