DE836960C

DE836960C - Verfahren und Anordnung zur Funk-Entfernungsmessung von rueckstrahlenden Gegenstaenden

Info

Publication number: DE836960C
Application number: DEC3068A
Authority: DE
Inventors: Georges Naday; Alfred Perato
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1949-03-12
Filing date: 1950-10-03
Publication date: 1952-04-17
Also published as: FR986560A; US2632161A; GB671146A; CH284472A

Description

Die Erfindung bezieht sieh auf die funkelektrische Entfernungsmessung vim festen und beweglichen Gegenständen unter Ausnutzung des Echos. Im besonderen sieht die Erfindung die sogenannte Auftindung mit Frequenzmodulation vor, die sich in üblicher Weise dadurch kennzeichnet, daß der in fortlaufender Weise arbeitende Sender eine fortschreitende Frequenzmodulation mit einer bestimmten Wiederkehr erfährt, und diese Modulation kann insbesondere

ίο eine lineare Form haben. Die Welle mit der Frequenz /·"„ kehrt, nachdem sie durch das am nächsten gelegene Hindernis ι reflektiert wurde, zu dem Sender in dem Augenblick 1\ zurück, der durch die Entfernung dieses Hindernisses festgelegt ist. In diesem Augenblick geht die Frequenz des Senders durch den Wert F₁. Durch Überlagerung der reflektierten Welle mit der gesendeten Welle erhält man Schwebungen, deren Frequenz

die Entfernung dieses

Gegenstandes kennzeichnet. Dieselbe Welle F₀ erreicht später den weiter entfernten Gegenstand N, und ihr Echo kehrt zu dem Sender in dem Augenblick T_n zurück, wo die Sendefrequenz durch den Wert F_n geht. Die charakteristische Schwebung wird dann F_n-F₀. Alle Hindernisse werden so durch eine besondere charakteristische Frequenz definiert, welche die Wiedergabe ihrer Entfernung ermöglicht.

Um diese Schwebungen in eine selektive, sichtbare Anzeige der Entfernung umzuwandeln, hat man schon vorgeschlagen, parallel eine verhältnismäßig große Anzahl von Resonanzkreisen zu benutzen, von denen jeder auf eine besondere Schwebungsfrequenz abgestimmt und an ein unabhängiges Frequenzmeßgerät, wie einen Frequenzmesser, angeschlossen ist. Diese Lösung, die nicht an die Zeit gebunden ist,

ist verhältnismäßig zu kompliziert und nicht genau genug.

Man hat auch schon vorgeschlagen, z,ur Vereinfachung des Systems die Abtastung in der Zeit vorzunehmen und einen einzigen Resonanzkreis zu verwenden, welchem man die Schwebungen zwischen dem gesendeten Signal und dem Echo zuführt. Man machte die Eigenfrequenz dieses Kreises in Synchronismus mit der Frequenzmodulation des Senders in ίο der Weise veränderlich, daß seine Abstimmung nacheinander alle Schwebungsfrequenzen durchläuft, beginnend mit der Frequenz F₁-F₀ des am nächsten gelegenen Hindernisses. Zugleich und in Synchronismus mit dieser Regelung ließ man das Kathoden-Strahlbündel eines einzigen Empfangsoszillographen nach einer quer liegenden Zeitbasis ablenken, entsprechend dem Maßstab der Entfernungen. Die charakteristischen Schwebungen wurden so nacheinander zu der Röhre übertragen und erzeugten durch Modulation ihres Bündels leuchtende Ablesemarken der Entfernungen.

Die Erfindung hat ein neues Verfahren zur selektiven Entnahme der charakteristischen Schwebungsfrequenzen zum Gegenstand, welches die Ablesung der Entfernungen mittels eines einzigen Oszillographen ermöglicht, aber den Vorteil hat, daß es verhältnismäßig einfach ist und eine sehr große Genauigkeit gewährleistet, weil die Einrichtungen zu seiner Ausführung robust sind und eine genaue Synchronisierung zulassen.

Gemäß der Erfindung veiwendet man, anstatt die Abstimmung des zu dem Empfänger gehörenden Resonanzkreises zu verändern, an dieser Stelle einen Filterkreis mit einer festen, in geeigneter Weise gewählten Abstimmung, man entnimmt das mit der modulierten Frequenz gesendete Signal und moduliert es örtlich in der Frequenz, bevor man es mit dem Echo zur Schwebung bringt. Diese zusätzliche Modulation wird in fortschreitender und in Synchronismus mit der normalen Modulation des Senders wiederkehrender Weise sowie nach einem solchen Gesetz vorgenommen, daß die Schwebungen zwischen dem gesendeten, so modulierten Signal und dem Echo nacheinander in Abhängigkeit von der Zeit durch die Frequenz des fest abgestimmten Filterkreises gehen. Gleichzeitig und in Synchronismus mit der zusätzlichen Selektionsmodulation läßt man das Kathodenstrahlbündel ablenken, welches in dem gegebenen Augenblick durch dasjenige Echo moduliert wird, dessen örtliche, so modulierte Frequenz eine Schwebungsfrequenz gleich derjenigen des Filters ergibt.

Gemäß einer Ausführungsform dieses Verfahrens benutzt man, um diese selektive Frequenzmodulation durchzuführen, einen örtlichen Oszillator mit veränderlicher Frequenz, der mit dem Sender starr synchronisiert und vorzugsweise von der gleichen Achs 3 betätigt wird, welche die Frequenz des Senders verändert. Diese gleiche Achse wird vorzugsweise mitverwendet, um die Zeit basis des Oszillographen zu synchronisieren. !

Nach einer anderen Ausführungsform wird zur 1 Steigerung der Stabilität und der Genauigkeit ein 1 zusätzlicher, quarzstabilisierter Oszillator vorgesehen. \ Das von diesem gelieferte Signal geht, nachdem es sich mit dem Ausgang des Oszillators für die selektive Modulation vermischt hat, durch einen Frequenzvervielfacher und wird dann einem Mischkreis zugeführt, welcher andererseits das Signal des Senders empfängt. Dieser Kreis wird mit einem weiteren, das Echo empfangenden Mischkreis verbunden, an welchen das Filter mit fester Frequenz, gefolgt von einem normalen Empfänger mit Frequenzumsetzung, angeschlossen ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung.

Abb. ι zeigt das Schema eines vollständigen Systems zur Messung von Entfernungen gemäß der Erfindung, welches die Kreise für die selektive Modulation, für die Erzeugung von Schwebungen und für den Empfang sowie zur Erzeugung der Zeitbasis eines synchronisierten Kathodenstrahloszillographen umfaßt;

Abb. 2 zeigt das zugehörige Diagramm zur Erläuterung seiner Wirkungsweise.

In Abb. ι umrahmen die Quadrate die verschiedenen Teile der vollständigen Anlage, deren Verbindungen und Aufgabe im einzelnen in dem Teil der Beschreibung erläutert werden, der sich auf ihre Wirkungsweise bezieht. E bezeichnet den Sender, dessen Einrichtung für die Frequenzänderung symbolisch durch einen veränderlichen Kondensator K₁ dargestellt ist. Der örtliche Oszillator zur Erzeugung der selektiven Modulation ist mit 0 bezeichnet. Seine Frequenz wird durch den Kondensator K₂ geregelt. Diese beiden Organe werden durch die gerneinsame, von dem Motor G angetriebene Achse 14 bewegt. Die gleiche Achse betätigt das Potentiometer P, welches das Sägezahnsignal für die Zeitbasis des Empfangsoszillographen 15 erzeugt. Die Echos der aufgefundenen Gegenstände werden durch den Mischer D empfangen, welcher einerseits mit dem Empfangsgerät mit Frequenzumsetzung 1. .. 7 und andererseits mit der Mischstufe C verbunden ist, und diese ist einerseits mit dem Sender E und andererseits mit einem Frequenzvervielfacher N verbunden. Dieser letztere ist mit einem Mischer L verbunden, an welchen der Oszillator 0 mit veränderlicher Frequenz und der Oszillator S mit quarzstabilisierter F.xqaenz angeschlossen sind. Dieser letztere liefert zugleich die örtlichen Schwingungen für die Frequenzumsetzung an den Empfänger und ist zu diesem Zweck über einen Vervielfacher M mit der Stufe 2 der ersten Frequenzumsetzung und direkt mit der Stufe 4 der zweiten Frequenzumsetzung verbunden.

Die Arbeitsweise des Gerätes ist die folgende: Der Sender mit der ursprünglichen Frequenz F₀ wird in der Frequenz nach einem passenden Gesetz von F₀ bis F_m moduliert. Diese Modulation .wird während des Zeitintervalls T_m vorgenommen. In Abb. 2 wurde der Einfachheit halber ein Gesetz mit linearer Änderung angenommen, welches durch die Gerade EM dargestellt ist.

Ein Gegenstand wird Energie reflektieren, und diese

kehrt zu dem Sender nach einer Zeit ί = - - zurück,

c . '

wobei d der Abstand ist, in welchem dar Gegenstand

liegt, und c die Lichtgeschwindigkeit. Die Frequenz der so reflektierten Energie ist dauernd zwischen F₀ und F_1n veränderlich, es besteht jedoch eine zeitliche Verschiebung, die sich durch eine Frequenzverschiebung zwischen dem Echo und dem gesendeten Signal ausdrückt, welche für jeden Gegenstand konstant ist und die Gegenstände in selektiver Weise kennzeichnet.

Diese Frequenzverschiebung ist für einen Gegenstand in der Entfernung d_l (da ^₁ = )

,-F₀ T_n

■ti

Unter der Annahme, daß die höchste von dem Gerät geforderte Reichweite d_n ist (wobei d_n =t_n -2c), wird die größte Abweichung

Die Frequenzen des empfangenen Echos sind durch die Geraden I und ti dargestellt, welche von der Geraden EM um die charakteristischen Größen A ι und Δ η entfernt sind.

In Synchronismus mit der Modulation des Senders liefert der Oszillator O eine von f_a bis f_m veränderliche Frequenz. Man wählt in passender Weise das Gesetz, nach welchem dieser Oszillator in der Frequenz moduliert wird. Im vorliegenden Fall ist es linear.

Das von dem Oszillator O gelieferte Signal wird mit dem Signal kombiniert, welches von einem Quarzoszillator S mit der stabilisierten Frequenz s geliefert wird. Man erhält so ein Signal mit kombinierter Frequenz, die von der Frequenz /"„-(- s = p bis zu der Frequenz f_m-\- s = r geht.

Dieses Signal geht durch eine Vervielfacherstufe N, und man erhält so eine Frequenz, die von np (im Zeitpunkt o) bis nr (im Zeitpunkt T_m) geht und durch die Gerade X dargestellt wird. Zur bestmöglichen Verwendung des Gerätes ist es angebracht,«/)—nr= Δη zu wählen.

Das aus dem Vervielfacher abgehende Signal wird dann mit einem von dem Sender gelieferten Signal kombiniert. Man erhält so ein in der Frequenz moduliertes Signal, dessen Frequenz von F₀+ np (im Zeitpunkt o) bis zu der Frequenz F_m + nr (im Zeitpunkt T_m) geht. Dieses Signal ist durch die Gerade C wiedergegeben. Dieses letztere Signal dient dann zur Erzeugung der Schwebungen mit den reflektierten Signalen in dem Mischer D.

Beispielsweise sei angenommen: F₀ = 1300 MHz, Fm = 1330 MHz, T_n, = 20000 μ (bei einer Wiederkehrfrequenz von 50 Hz).

Wenn die verlangte Reichweite 30 km (200 /<s) ist, ergibt sich An = 300 kHz.

Man nimmt s ■= 10 MHz und « = 3 und wählt /0 = 3>5 MHz, f_m -— 3,4 MHz, woraus sich ergibt np = 40,5 MHz und nr — 40,2 MHz.

Der Eingangskreis 1 des Empfängers wird auf die feste Frequenz np abgestimmt, so daß eine ausnutzbare Schwebung nur auftritt, wenn der Frequenzabstand zwischen der von einem Gegenstand reflektierten Energie (Kurven I, II) und der durch die oben angegebene Mischung erhaltenen Energie (Kurve C) gleich der Frequenz np ist.

Wie aus der Abbildung ersichtlich, tritt dies einmal und nur einmal durch ein charakteristisches Echo ein, und zwar im Zeitpunkt ο für einen Gegenstand in der Entfernung 0, im Zeitpunkt t₂ für einen Gegenstand in der Entfernung ^₁ und im Zeitpunkt T_m für einen Gegenstand in der Entfernung d„. Diese Zeitpunkte sind genau bestimmt durch die Schnittpunkte der Modulationsgeraden C mit den Geraden I und II. Diese Gerade erhält man, indem man die Gerade C der selektiven Modulation parallel zu sich selbst um den Abstand np verschiebt. Die ausgewählten Echos der aufgefundenen Gegenstände verteilen sich auf der Zeitbasis der Echos zwischen den Punkten 1 und n.

Nach Verstärkung auf der Frequenz np werden die Signale durch einen Mischer 2 geschickt und auf die Frequenz u durch Schwebung mit einem Signal von der Frequenz ms umgesetzt, welches von der mit dem Quarzoszillator S verbundenen Frequenzvervielfacherstufe M geliefert wird.

Auf eine weitere Verstärkung 3 bei der Frequenz u folgt eine Frequenzumsetzung 4 durch Interferenz mit den Signalen der Frequenz s, die von dem Quarz- go oszillator S geliefert werden. Die Stufe 4 liefert die Frequenz u-s in den auf diese Frequenz abgestimmten Verstärker 5, auf welchen eine Gleichrichtung 6 und schließlich eine Niederfrequenzverstärkung 7 folgt.

Die Signale werden dann dem Anzeigegerät 15 zugeführt. Das letztere kann in Form eines Oszillographen mit linearer Horizontalabtastung ausgebildet sein, von welchem nur das Ablenksystem dargestellt wurde. Die Impulse werden in diesem Fall der senkrechten Platte 8 zugeführt.

Die Abtastung wird vorgenommen, indem man der horizontalen Platte 10 eine Sägezahnspannung zuführt, die z. B. von einem Potentiometer P erzeugt wird, dessen Arm 11 von der Achse des Motors G angetrieben wird und auf dem von der Batterie 12 gespeisten Widerstand 13 gleitet. Diese Sägezahnspannung wird in 9 auf den erforderlichen Pegel verstärkt.

Abb. 2 zeigt deutlich den einen Vorteil der Erfindung, welcher es ermöglicht, den Zeitmaßstab beträchtlich zu vergrößern. Während bei einem Radargerät mit Impulsen das Echo eines Gegenstandes in 30 km Entfernung 200 ^s nach der Sendung auftritt, tritt das Echo bei diesem System 20000 fis nach dem Anfangszeitpunkt auf.

Im übrigen ist die Genauigkeit hinsichtlich der Entfernung sehr gut. Sie hängt nur von der Bandbreite der letzten Mittelfrequenzverstärkerstufe ab.

Bei dem betrachteten Beispiel ist die Frequenz dieser letzten Stufe 500 kHz. Mit einem Quarzfilter läßt sich ohne Schwierigkeit eine Bandbreite von 500 Hz herstellen (Überspannung = 1000). Man erhält demnach ein Trennungsvermögen gleich ¹J₁₀₀₀ des Maßstabes, somit eine Genauigkeit der Entfernung von 30 m.

Die Verwendung einer einzigen Achse für den Antrieb aller veränderlichen Organe des Systems ermöglicht es, einen genauen Synchronismus aufrechtzuerhalten und die Meßgenauigkeit noch weiter zu steigern.

Claims

Patentansprüche:

i. Verfahren zur Funk-Entfernungsmessung durch

ίο aus einem Sender und einem Empfänger bestehende Funkmeßgeräte mit Frequenzmodulation, welche die Echoerscheinung ausnutzen und auf der fortschreitenden und wiederkehrenden Änderung der Senderfrequenz beruhen, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzmodulierte Signal des Senders abgegriffen und einerzusätzlichen Frequenzmodulation, der sog. Selektionsmodulation, unterworfen wird und daß man das so modulierte Signal mit dem empfangenen Echosignal zur Schwebung bringt, wobei das Gesetz für die selektive Modulation so gewählt wird, daß zeitlich aufeinanderfolgend Schwebungen einer Frequenz erzeugt werden, die derjenigen eines am Anfang des Empfängers angeordneten Filterkreises mit fester Ab-Stimmung entspricht, und ferner dadurch gekennzeichnet, daß vom Filterausgang ein in Synchronismus mit der Selektionsmodulation ausgelenkter Oszillographenstrahl sichtbar moduliert wird, derart, daß die Lage der impulsartigen Anzeigen auf dem Oszillographenschirm ein Maß für die gesuchte Entfernung ergibt.
2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen frequenzmodulierten Sender, einen frequenzmodulierten Oszillator, Mittel für die synchrone Modulation dieses Senders und dieses Oszillators, eine erste Mischeinrichtung, die mit diesem Sender und diesem Oszillator verbunden ist, eine zweite Mischeinrichtung, die mit dem Ausgang des ersten Mischers und mit der Antenne für den Echoempfang verbunden ist, einen fest abgestimmten Filterkreis, der mit dem Ausgang des zweiten Mischers verbunden ist, einen Empfänger mit Frequenzumsetzung, der mit dem Ausgang dieses Filterkreises verbunden ist, Mittel, die mit dem Ausgang dieses Empfängers verbunden sind und eine lageunterschiedliche Sichtanzeige des empfangenen Echos in Synchronismus mit den Modulationen ergeben.
3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Motor, welcher durch eine gemeinsame Achse die Organe für die Frequenzmodulation des Senders und des Oszillators antreibt.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen, mit fester Frequenz stabilisierten Oszillator, einen zusätzlichen Mischkreis, der mit diesem zusätzlichen Oszillator und dem frequenzmodulierten Oszillator verbunden ist, und einen Frequenzvervielfachungskreis, welcher den Ausgang dieses Mischers mit dem an den Sender angeschlossenen Mischkreis verbindet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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