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Verfahren zur Verbesserung der Winkelauflösung und zur Ausblendung
von Störungen in Impulsradargeräten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung
der Winkelauflösung und zur Ausblendung von Störungen in Impulsradargeräten mit
abtastender Maximumcharakteristik. Um brauchbare Anzeigeergebnisse zu liefern, müssen
solche Radargeräte ein gutes Winkelauflösungsvermögen haben. Während die Entfernungsauflösung
innerhalb des jeweils eingestellten Entfernungsbereiches nahezu konstant ist und
den Bedürfnissen angepaßt werden kann, macht es sich bei der Winkelauflösung mit
zunehmender Entfernung störend bemerkbar, daß die Länge des einem gegebenen Winkel
zugeordneten Bogens verhältnisgleich mit der Entfernung wächst. Aus diesem Grunde
und auch wegen der besseren Ausblendung von Störungen ist eine scharfe Antennenbündelung
erwünscht. Die mit einer Richtantenne erzielbare Bündelung nimmt bekanntlich mit
dem Verhältnis der Antennenabmessungen zur Betriebswellenlänge zu. Da aber einerseits
den Antennenabmessungen durch mechanische und andere Forderungen eine obere Grenze
gesetzt ist und andererseits die Betriebswellenlänge nicht beliebig verkürzt werden
kann, weil mit einer Verkürzung der Wellenlänge die Absorption der Wellen stark
zunimmt, ist die praktisch erreichbare Antennenbündelung unbefriedigend.
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Die Erfindung ermöglicht es, bei einer gegebenen Antennenabmessung
und Betriebswellenlänge eine bessereWinkelauflösung und eine wirksamere Störungsausblendung
zu erzielen. Sie besteht darin, daß bei Impulsradargeräten mit abtastender Maximumcharakteristik
die Differenzspannungen zwischen jeweils zwei zeitlich auseinanderliegenden, durch
Hochfrequenz-
gleichrichtung gewonnenen Echoimpulsspannungen gebildet,
durch Doppelweggleichrichtung mit einem gleichbleibenden, vom Vorzeichen der Differenz
unabhängigen Vorzeichen versehen und als Gegenspannungen gegen die gleichgerichteten
Impulsspannungen - insbesondere unter Einstellung des gegenseitigen Amplitudenverhältnisses
- geschaltet werden und daß die resultierende Spannung der Helligkeitssteuerelektrode
der zur Anzeige dienenden Elektronenstrahlröhre zugeführt wird.
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Die für die Winkelauflösung eines solchen Impulsradargerätes mit
einer Braunschen Röhre als Sichtanzeigeeinrichtung maßgeblichen Größen sollen an
Hand der Abb. I bis 4 kurz erläutert werden. Abb. I stellt schematisch das Antennendiagramm
a eines Impulsradargerätes mit einer in Winkelgraden auszudrückenden Halbwertbreite
e; der Hauptkeule dar.
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Die Nebenzipfel des Antennendiagramms können bei den nachfolgenden
Überlegungen außer Betracht gelassen werden. Mit 0 ist ein angestrahltes Objekt
bezeichnet. Abb. 2 ist eine entsprechende Darstellung in einem kartesischen Koordinatensystem.
Längs der Abszissenachse sind Winkel, in der Ordinatenrichtung ist die Stärke der
empfangenen Echosignale aufgetragen. Die Kurve A, bedeutet die Empfangsspannungen
eines schwächeren und die Kurve A2 die eines stärkeren Echos. Die zur Abszissenachse
parallel verlaufende Gerade B bezeichnet die Begrenzungsspannung, bei der die Signale
in üblicher Weise am Ausgang des Radarempfängers abgeschnitten werden. Die verschiedenen
Winkelocl und a2, innerhalb welcher die Kurven A1 bzw. A2 die Begrenzungsspannung
überschreiten und die somit ein Maß für die wirksame Winkelauflösung des Radargerätes
darstellen, lassen erkennen, daß die Winkelauflösung nicht nur von der Antennenbündelung,
sondern auch von der Echostärke abhängt und daß starke Echozeichen erheblich über
die Strahlungsbündelung (pos) hinaus verbreitert werden (a,). Theoretisch könnte
zwar der Winkel a2 durch Herunterregeln der Verstärkung ein wenig - etwa auf die
Halbwertbreite a des Antennendiagramms - verkleinert werden, aber praktisch ist
dies im allgemeinen nicht durchführbar, weil ja häufig gleichzeitig mehrere verschieden
starke Echozeichen empfangen werden und beobachtet werden müssen.
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Abb. 3 stellt den Bildschirm einer Braunschen Röhre dar, auf dem
das Echozeichen 0, von einem weiter entfernten, schwächer reflektierenden Objekt
und 02 von einem näheren, stärker rückstrahlenden Objekt zu sehen sind. Während
die Tangentialausdehnung von 0, etwa der Antennenbündelung entspricht, ist der zu
öl gehörende Zentriwinkel größer. Die Winkelauflösung ist, wie vorhin ausgeführt,
schlechter als die Entfernungsauflösung dr. Abb. 4 verdeutlicht in gleicher Darstellung
wie Abb. 2 den Fall, daß zwei Objekte einander so benachbart sind, daß ihr Winkelabstand
kleiner als die Öffnung der Hauptkeule des Antennendiagramms ist. Infolge der Amplitudenbegrenzung
bei B wird nur ein einziges, sehr breites Echo angezeigt. Durch Herunterregeln der
Verstärkung oder Änderung der B egrenzungsspannung könnte zwar theoretisch eine
Verbesserung der Winkelauflösung erreicht werden, aber im praktischen Betrieb ist
eine individuelle Einstellung dieser Größe für ein einzelnes Echozeichen im' allgemeinen
nicht durchführbar.
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Gemäß der Erfindung wird durch Bildung der Differenz zwischen zwei
Echosignalen eine Sperrspannung erzeugt, welche die Sichtanzeige eines Echos nur
dann freigibt, wenn die zeitlich aufeinanderfolgenden Echosignale annähernd die
gleiche Amplitude aufweisen. Dieses Verfahren wird sowohl auf die sich beim Überstreichen
der angestrahlten Objekte mit dem Antennendiagramm ergebenden Verhältnisse als auch
auf die Anzeige von Störungen angewendet.
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Dies soll an Hand der weiteren Abbildungen erläutert werden.
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In Abb. 5 a sind die beim Schwenken der Antenne von einem angestrahlten
Objekt im Empfänger hervorgerufenen Empfangsspannungen dargestellt, wobei als Abszisse
sowohl die Zeit t als auch der Drehwinkel der Antenne gewählt ist und o; wieder
die Halbwertbreite des Antennendiagramms bedeutet. Da ein Impulsradargerät keine
kontinuierliche Strahlung, sondern periodisch kurze Impulse aussendet und daher
auch empfängt, sind hier als - senkrechte Striche die Echoimpulse in ihrer zeitlichen
Reihenfolge und mit einer ihrer Stärke entsprechenden Länge eingezeichnet.
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Ihre Umhüllende ergibt eine Funktion Fa von ähnlichem Verlauf wie
die Kurven A1 und A2 in Abb. 2.
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In Abb. 5 b sind in einem um den Faktor k größeren Maßstab Impulsgrößen
aufgetragen, die man erhält, wenn man die Differenz zwischen je zwei aufeinanderfolgenden
Impulsen bildet und das Vorzeichen dieser Differenz unberücksichtigt läßt. Die Hüllkurve
Fb dieser Differenzimpulse, die man sich auch durch Differentiation der Funktion
Fa entstanden denken kann, hat daher stets ein positives-Vorzeichen. Die Differenzspannungen
steigen bei Annäherung der Hauptkeule des Antennendiagramms an das Objekt zuerst
steil an und fallen steil auf Null ab, sobald das Maximum des Antennendiagramms-.
auf das Objekt zeigt. Die Funktion Fb verläuft somit spiegelbildlich zum Antennendiagramm.
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Bildet man die Differenz aus den in Abb. 5 a aufgetragenen Empfangsimpulsspannungen
und den der Abb. 5 b zu entnehmenden Differenzimpulsspannungen, so erhält man die
in Abb. 5 c eingezeichneten Impulse, deren Hüllkurve einer Funktion Fc gehorcht.
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Bezeichnet man aufeinanderfolgende Empfangsimpulse (Abb. 5 a) mit
n, und in, so- ist ihr um den Faktor k vergrößerter Differenzbetrag (Abb. 5b) gleich
k (in - i,-,) und die in Abb. 5 c aufgetragene Differenzgröße demnach gleich n -
k - (i,- i,-,) Für die entsprechende Hüllkurve gilt Fc = Fa - Fb.
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Man erkennt aus Abb. 5 c, daß die dort dargestellten Impulse eine
Objektanzeige mit einer im Vergleich zur Antennenbündelung erheblich verbesserten
Winkelauflösung liefern.
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Die in Abb. 5 c dargestellte Funktion Fe läßt sich auf verschiedene
Weise elektronisch erzeugen. Ein Beispiel für eine hierfür geeignete Schaltung ist
in Abb. 6 dargestellt. Die vom Ausgang des Radar empfängers E gelieferten Impulse
verzweigern sich in einen direkten Kanal DK und einen Verzögerungskanal VK, dessen
Verzögerungsmaß gleich der Im-
pulsfolgeperiode oder einem Vielfachen
derselben ist; als Impulsfolgeperiode wird der Kehrwert der Impulsfolgefrequenz
bezeichnet. Das Verstärkungsmaß ist in beiden Kanälen gleich k. An den Widerständen
Rn und Rn 1 treten somit jeweils gleichzeitig Impulse auf, von denen der dem Verzögerungskanal
entstammende Impuls gleich dem im direkten Kanal vorhergehenden Impuls ist. Zwischen
den nicht miteinander verbundenen Enden der Widerstände ergibt sich somit eine Differenzimpulsspannung
von der Größe k (in - in,), die einem z. B. elektronische Ventile V enthaltenden
Doppelweggleichrichter zugeführt wird. An dem in der Diagonale der Gleichrichterbrücke
liegenden Widerstand RD entsteht die vom Vorzeichen der Differenz unabhängige Differenzimpulsspannung
k (in - in,) . Diese wird der dem direkten Kanal über einen Spannungsteiler ST entnommenen
Impulsspannung in entgegengeschaltet.
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Die daraus resultierende Spannung wird schließlich dem Wehneltzylinder
der Braunschen Röhre BR zugeführt und dient zur Beeinflussung der Strahlstromstärke.
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In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß ein bekanntes Verfahren zur
Anzeige von elektrischen Spannungshöckern mittels einer Kathodenstrahlröhre in der
Weise arbeitet, daß eine Spannung, die dem Differentialquotienten der anzuzeigenden
Spannung nach der Zeit proportional ist, abgeleitet und deren Nulldurchgang als
Anzeigekriterium verwertet wird.
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Dieses Verfahren dient zur möglichst genauen Ermittlung des Kulminationspunktes
eines Spannungshöckers, während es beim Gegenstand der Erfindung auf eine Verbesserung
der Winkelauflösung und eine bessere Störungsausblendung bei Impulsradargeräten
ankommt.
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Eine Differenzierung von Echoimpulsen nach der Zeit oder, mit anderen
Worten, die Bildung einer Differenz zwischen zwei zeitlich auseinanderliegenden
Impulsen findet auch bei den der Unterscheidung zwischen festen und beweglichen
Zielen (Festzielausblendung) dienenden Zusatzeinrichtungen zu Impulsradargeräten
statt. Während aber dort gerade die sich ändernden Signale angezeigt werden, erfolgt
beim Gegenstand der Erfindung eine Anzeige vorzugsweise nur derjenigen Echoimpulse,
deren Amplituden keine oder geringe Unterschiede aufweisen. Im übrigen ist auch
die Aufgabenstellung in beiden Fällen völlig verschieden.
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Wenn alle im Empfänger von den Impulsen durchlaufenen Schaltelemente
im jeweiligen Arbeitsbereich lineare Kennlinien haben, d. h. ihre Widerstände von
der Größe der angelegten Spannung unabhängig sind, wirkt sich das vorhin beschriebene
Verfahren zur Verbesserung der Winkelauflösung gleichmäßig sowohl auf starke als
auch auf schwache Echozeichen aus. Es kann aber erwünscht sein, die Winkelauflösung
für schwache Echozeichen gar nicht oder mehr oder weniger als für starke Echozeichen
zu beeinflussen.
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Dies läßt sich mittels an sich bekannter nichtlinearer Schaltelemente
erreichen, deren Widerstand sich mit der angelegten Spannung ändert, so daß Ausgangs-und
Eingangsspannung nicht mehr proportional zueinander verlaufen. Dadurch kann z. B.
das Verhältnis der Funktion Ft (Abb. 5 b) zur Funktion Fa (Abb. 5 a) und damit der
Verstärkungsfaktor k von der Feldstärke der Echozeichen abhängig gemacht werden,
so daß die Winkelauflösung für schwache Signale anders beeinflußt wird als für starke.
Eine Bevorzugung starker Echozeichen bei der Winkelauflösung läßt sich dadurch erzielen,
daß an den Widerstand Rs in Abb. 6 eine Gegenspannung GS angelegt wird, welche bewirkt,
daß sich die negative Spannung gemäß der Funktion Fb (Abb. 5 b) erst nach dem Überschreiten
eines Schwellwertes und daher hauptsächlich bei starken Echozeichen auswirken kann.
Dabei kann entweder die Braunsche Röhre selbst als Gleichrichter zur Unterdrückung
der negativen Spannungsanteile wirken oder der Widerstand Rs als eine vorgespannte
Diode ausgebildet werden.
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Durch Einstellen des Verstärkungsgrades k kann die Schärfe der Winkelauflösung
auf einen den allgemeinen Beobachtungsbedingungen angepaßten und in Sonderfällen
auch für die Erfassung einzelner Objekte besonders günstigen Wert gebracht werden.
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An Hand der Abb. 7a bis 7c soll erläutert werden, daß mit Hilfe des
Gegenstandes der Erfindung eine getrennte Anzeige selbst solcher Echoimpulse erzielt
werden kann, die von Objekten mit so geringem Winkelabstand kommen, daß sie innerhalb
des Öffnungswinkels des Antennendiagramms liegen.
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Abb. 7a zeigt den Verlauf der in einem solchen Falle empfangenen Echoimpulse,
deren Hüllkurve Fa zwei durch eine Einsattelung getrennte Höcker aufweist.
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In Abb. 7b sind die in gleicher Weise wie in Abb. 5 b gebildeten Differenzimpulse
mit der Hüllkurve Fo zu sehen. Die Gegeneinanderschaltung beider Impulsarten ergibt
die in Abb. 7c dargestellten Impulse mit der Hüllkurve Fc Fa = Fb. Um die Einsattelung
in Abb. 7a und damit auch den mittleren Höcker in Abb. 7c zu unterdrücken, kann
man gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens mittels an sich bekannter
Schaltungen eine zweite Differentiation der Hüllkurve Fa vornehmen, d. h. die Differenzen
zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen der Abb. 7b bilden, und dadurch feststellen,
von welchem Vorzeichen her der erste Differentialquotient sich dem Wert Null nähert.
Eine davon abgeleitete Sperrspannung bringt in einer Schaltung nach Abb. 6 im Falle
einer bewegten Antenne die Objekte erst beim Erreichen oder Durchlaufen des Scheitelpunktes
der Hauptkeule des genannten Diagramms zur Anzeige.
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Dadurch werden auch Objekte, deren Winkelabstand kleiner als die Öffnungsweite
der Hauptkeule des Antennendiagramms ist, noch getrennt angezeigt.
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Es kann erwünscht sein, den Verlauf und die Größe des beim Verfahren
nach der Erfindung gebildeten Differentialquotienten zu beeinflussen. Dies kann
dadurch geschehen, daß eine Differenz nicht zwischen einem Impuls und dem ihm unmittelbar
vorangehenden Impuls gebildet wird, sondern zwischen einem Impuls und einem anderen,
um zwei oder mehr Impulsfolgeperioden vorangehenden Impuls, also beispielsweise
durch- Vergleich des Impulses in mit dem Impuls in~,. Zu diesem Zweck wird der Vergleichsimpuls
mittels eines an sich bekannten Laufzeitgliedes um ein ganzzahliges Vielfaches der
Impuls-
folgeperiode verzögert. Der zu verzögernde Impuls kann z.
B. in einen Ultraschallimpuls umgesetzt werden, der eine Flüssigkeitssäule oder
einen Stab geeigneter Länge durchläuft und am Ende wieder in einen elektrischen
Impuls zurückverwandelt wird.
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Ferner kann der zu verzögernde Impuls in einer Speicherröhre aufgezeichnet
und von dort wieder abgenommen werden.
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Es soll nun noch dargelegt werden, auf welche Weise mittels des Verfahrens
nach der Erfindung die Ausblendung von Störungen zustande kommt. In Abb. 8 ist der
zeitliche Verlauf von zwei Impulsen in und iFl aus einer periodischen Impulsfolge
dargestellt.
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Dabei ist angenommen, daß der frühere Impulse,~, um eine Impulsperiode
verzögert worden ist. D bezeichnet die Differenzspannung, welche, wie vorhin beschrieben,
als Sperrspannung für die Anzeigeeinrichtung benutzt wird. Es sei nun der Fall betrachtet,
daß z. B. mit einer Schaltung nach Abb. 6 nur ein einzelner Störimpuls empfangen
wird, der somit keinen Vorgänger im zeitlichen Abstand einer Impulsperiode hat.
Wenn dieser unverzögerte Impuls diejenige Stelle der Schaltung erreicht, an welcher
die Differenzbildung vorgenommen wird, findet er dort keinen verzögerten Vorgängerimpuls
vor; die Differenzspannung D ist dann gleich der Impuls spannung selbst und verriegelt
die Anzeige. Dasselbe gilt für den über den Verzögerungskanal ankommenden Störimpuls,
so daß auch dieser nicht angezeigt wird.
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Wenn eine Störimpulsreihe nicht mit der Impulsfolgefrequenz des Impulsradargerätes
selbst synchronisiert ist, wie dies bei den von einem benachbarten Impulsradargerät
mit anderer Impulsfolgefrequenz eingestrahlten Impulsen der Fall ist, so ruft sie
ohne Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung auf dem Leuchtschirm des Sichtgerätes
eine perlschnurartige Reihe nacheinander sichtbar werdender Leuchtpunkte hervor,
die in Abb. 3 mit S, bis Sn angedeutet sind. Wendet man hingegen das Verfahren nach
der Erfindung an, so kommt gemäß Abb. g der um die Impulsperiode des Impulsradargerätes
[Abstand zwischen Sn-l (verz.) und Sn-l] verzögerte Störimpuls S>1 (verz.) infolge
der Kürze der Impulse im Verhältnis zur Impulsperiode schon bei einem sehr kleinen
Unterschied der Frequenzen beider Impulsfolgen nicht mehr mit dem unverzögerten
Nachfolgeimpuls in zeitlich zur Deckung. Daher bildet sich auch bei den periodischen,
aber nicht synchronen Störimpulsen eine hohe Störspannung aus, welche ihre Anzeige
genauso unterdrückt, wie es für einen einzelnen Störimpuls beschrieben wurde.