DE975028C - Verfahren zur Verbesserung der Winkelaufloesung und zur Ausblendung von Stoerungen in Impulsradargeraeten - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung der Winkelaufloesung und zur Ausblendung von Stoerungen in Impulsradargeraeten

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DE975028C
DE975028C DESCH16018A DESC016018A DE975028C DE 975028 C DE975028 C DE 975028C DE SCH16018 A DESCH16018 A DE SCH16018A DE SC016018 A DESC016018 A DE SC016018A DE 975028 C DE975028 C DE 975028C
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pulses
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voltages
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Hans Dr Schellhoss
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Telefunken Patentverwertungs GmbH
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Telefunken Patentverwertungs GmbH
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    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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    • G01S7/28Details of pulse systems
    • G01S7/285Receivers
    • G01S7/292Extracting wanted echo-signals
    • G01S7/2923Extracting wanted echo-signals based on data belonging to a number of consecutive radar periods
    • G01S7/2925Extracting wanted echo-signals based on data belonging to a number of consecutive radar periods by using shape of radiation pattern

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dies soll an Hand der weiteren Abbildungen erläutert werden.
  • 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.
  • Ihre Umhüllende ergibt eine Funktion Fa von ähnlichem Verlauf wie die Kurven A1 und A2 in Abb. 2.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Man erkennt aus Abb. 5 c, daß die dort dargestellten Impulse eine Objektanzeige mit einer im Vergleich zur Antennenbündelung erheblich verbesserten Winkelauflösung liefern.
  • 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.
  • Die daraus resultierende Spannung wird schließlich dem Wehneltzylinder der Braunschen Röhre BR zugeführt und dient zur Beeinflussung der Strahlstromstärke.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Abb. 7a zeigt den Verlauf der in einem solchen Falle empfangenen Echoimpulse, deren Hüllkurve Fa zwei durch eine Einsattelung getrennte Höcker aufweist.
  • 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.
  • Dadurch werden auch Objekte, deren Winkelabstand kleiner als die Öffnungsweite der Hauptkeule des Antennendiagramms ist, noch getrennt angezeigt.
  • 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.
  • Ferner kann der zu verzögernde Impuls in einer Speicherröhre aufgezeichnet und von dort wieder abgenommen werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

  1. PATENTANSPRUCHE: 1. Verfahren zur Verbesserung der Winkelauflösung und zur Ausblendung von Störungen in Impulsradargeräten mit abtastender Maximum charakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzspannungen zwischen jeweils zwei zeitlich auseinanderliegenden, durch Hochfrequenzgleichrichtung 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.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine einstellbare Verstärkung der zur Differenzbildung verwendeten Impulsspannungen.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen einstellbaren Spannungsschwellwert für die Sperrung des Elektronenstrahls der zur Anzeige dienenden Elektronenstrahlröhre (BR).
  4. 4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Differenzspannungsbildung die Spannung eines Echoimpulses und die eines entsprechend verzögerten vorhergehenden Impulses, vorzugsweise des unmittelbar vorhergehenden Impulses, gegeneinandergeschaltet werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangenen Echoimpulse vom Ausgang des Radarempfängers (E) einem direkten Kanal (DK) und einem Verzögerungskanal (VK) mit gleich großer Verstärkung, dessen Verzögerungszeit gleich einer Impulsfolgeperiode oder einem ganzzahligen Vielfachen derselben ist, zugeführt und die gegeneinandergeschalteten Ausgangsspannungen beider Kanäle der Doppelweggleichrichtung unterworfen werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine nochmalige Differenzspannungsbildung zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen eine Sperrspannung erzeugt wird, welche eine Anzeige nur derjenigen Echoimpulse bewirkt, die beim Bestreichen der angestrahlten Objekte mit dem Scheitel der Maximumcharakteristik zustande kommen.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung nichtlinearer Schaltelemente in den von den Impulsen durchlaufenen Einrichtungen zur Erzielung einer von der Stärke der Echoimpulse abhängigen Änderung der Winkelauflösung.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung der Impulse durch Aufzeichnen derselben in einer Speicherröhre und anschließendes Abnehmen von dieser bewirkt wird.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 863 384; USA.-Patentschrift Nr. 2 53I 467.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1247420B (de) * 1962-06-29 1967-08-17 Electronique & Radio Ind Anordnung zur Bestimmung des Maximums eines von einem Impulsradargeraet gelieferten Videoimpulses
WO2004104623A1 (de) * 2003-05-26 2004-12-02 Robert Bosch Gmbh Einparkhilfe mit unterdrückung von boden- oder störechos mit hilfe einer adaptiven anpassung der empfangscharakteristik

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US2531467A (en) * 1946-04-18 1950-11-28 Standard Telephones Cables Ltd Receiver system
DE863384C (de) * 1944-11-22 1953-01-15 Lorenz C Ag Verfahren zur Anzeige von elektrischen Spannungshoeckern mittels Kathodenstrahlroehre

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