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Impuls-Dopplerfrequenz-Radarverfahren Die Erfindung bezweckt die Schaffung
eines verbesseren Impuls - Dopplerfrequenz - Radarverfahrens. Bei diesem Verfahren
ist die Beschränkung der Anzeige auf die Rückstrahlungen bewegter Objekte eines
bestimmten Geschwindigkeitsbereiches an sich bereits bekannt. Diese Beschränkung
wird bei bekannten Ausführungen dadurch erreicht, daß die auszuwerteade Dopplerfrequenzverschiebung
durch Dopplerfrequenzfilter, die den betreffenden Geschwindigkeitsbereich eingrenzen,
ausgesiebt wird. Es ist auch bekannt, dabei eine Abtastung des gesamten Entfernungsmeßbereiches
durch laufend verschobene Auftastimpulse anzuwenden. Bei einer anderen bekannten
Ausführungsform eines Dopplerfrequenz-Radarsystems ohne Dopplerfrequenzfilter sind
mehrere parallele Kanäle vorgesehen, die nacheinander aufgetastet werden. Bei
jeder
dieser Arten der Entfernungsauswahl ergibt sich der Nachteil, daß auf Grund der
Einschwingungszeit der Dopplerfrequenzfilter die Trennung der Zielzeichen erschwert
wird. Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Mangel zu überwinden.
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Das Impuls - Dopplerfrequenz - Radarverfahren nach der Erfindung
besteht darin, daß bei Aufteilung des gesamten Entfernungsmeßhereiches in eine die
Anregungszeit der Dopplerfrequenzfilter ausreichend vergrößernde Zahl von Unterhereichen
im Empfangskanalzweig jedes Unterbereiches ein gleichartiges Dopplerfrequenzfilter
verwendet wird, daß ferner durch Auftastimpulse, deren Dauer ungefähr der halben
Sendeimpulsdauer entspricht, gleichzeitig alle Unterbereiche mit einer Periodendauer
abgetastet werden, die der Zielerfassungsdauer der Antenne bei ihrer Raumüherstreichung
gleicht,
daß die Unterbereiche nacheinander durch einen einzigen Vorimpuls, dessen Dauer
der des Sendeimpulses entspricht, im Rhythmus der Impulsfolgefrequenz abgetastet
werden, und daß nur bei Zusammenwirken von Vor- und Auftastimpuls ein Öffnen des
Empfangskanalzweiges des betreffenden Unterbereiches bewirkt wird. Durch diese Art
der Entfernungshereichsabtastung wird die Verweilzeit der Auftastimpulse auf den
in den Unterbereichen auftretenden Zielzeichen vergrößert, so daß der Einfluß der
Filtereinschwingzeit vermindert wird.
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Eine Möglichkeit der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß die Dopplerfrequenzfilter in an sich bekannter Weise in Niederfrequenzlage
nach der Demodulation der Dopplerfrequenzmodulation angewendet und in jedem Empfangskanalzweig
so ausgelegt werden, daß sie nach unten die um die Frequenz Null gelegenen Frequenzen
der Festziele sowie der mit Windgeschwindigkeit behafteten Störziele und nach oben
die über der Impulsfolgefrequenz auftretenden Frequenzen dämpfen.
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Eine weitere Möglichkeit, bei der von der an sich bekannten Anordnung
der Filter in höherer Frequenzlage Gebrauch gemacht werden kann, besteht darin,
daß die Dopplerfrequenzfilter vor der Demodulation der Dopplerfrequenzmodulation
angewendet und so ausgelegt werden, daß beide Dopplerfrequenzbänder durchgelassen
werden und der um die Mitte liegende Bereich der Festziele sowie der Ziele mit geringer
Radialgeschwindigkeit gedämpft wird.
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Die Impulsdauer und/oder die auszusiebende Frequenz werden vorteilhaft
so gewählt, daß die für das Einschwingen der Filter erforderlichen Schwingungszüge
in einem Impuls erreicht werden.
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Zur weiteren Vergrößerung der Anregungszeit der Dopplerfrequenzfilter
unter Verminderung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Antennensystems können in an
sich bekannter Weise mehrere sternförmig strahlende - Antennen zum Aussenden und
Empfangen der hochfrequenten Impulse verwendet werden. Eine zweckmäßige Möglichkeit
der Auswertung besteht darin, daß die durch die Dopplerfrequenzfilter durchgehenden
Signale nur zur vorspannungsmäßigen Entriegelung des Anzeigeverstärkers oder des
Anzeigerohres benutzt werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hand der Zeichnung näher
erläutert, und zwar zeigt Fig. I ein Diagramm der Dopplerfrequenzlage auf einer
horizontalen Frequenzachse, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer beispielsweisen Anordnung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Dopplerfrequenzfiltern in
Niederfrequenzlage, Fig. 3 eine Darstellung der Auftastimpulse und des Vorimpulses
über einer horizontalen Zeitachse, und Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Anordnung
mit Dopplerfrequenzfiltern, die beide Dopplerfrequenzbänder durchlassen und den
um die Mitte liegenden Bereich dämpfen.
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In Fig. I bezeichnen vqi und Q. Dopplerfrequenzverschiebefrequenzen
im Dopplerfrequenzhand oberhalb der Mittenfrequenz da in der auszusiebenden Frequenzlage
und 93, 64> 65 Dopplerverschiebefrequenzen im unteren Dopplerfrequenzband. Der
um die Mitte liegende Bereich von 92 bis 93 der Festziele sowie der Ziele geringer
Radialgeschwindigkeit, z. B. der mit Windgeschwindigkeit behafteten Störziele, wird
durch die Filter gedämpft.
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Nach oben werden zweckmäßig die über der Impulsfolgefrequenz auftretenden
Frequenzen gedämpft.
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Die Anordnung nach Fig. 2 besteht aus einem Radarempfänger R, einem
nachfolgenden ImpulsdemodulatorJD, einem in Niederfrequenzlage angeordneten Dopplerfrequenzfilter
NF, einer Videoverstärkerendstufe E und einem 5 ichtanzeigerohr S.
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Ferner ist eine Auftastschaltung Ta vorgesehen, die zur Aufteilung
des gesamten Entfernungsmeßbereiches in Unterbereiche T1, T2, T3, .... . benutzt
wird. Jedem dieser Unterbereiche ist ein gleichartiges Dopplerfrequenzfilter wie
das Filter NR zugeordnet. In einem zugehörigen Impulsgenerator GD werden Auftastimpulse
D1, D2, D3, .... . erzeugt, deren Dauer ungefähr der halben Sendeimpulsdauer entspricht.
Mit diesen Auftastimpulsen werden gleichzeitig alle Unterbereiche abgetastet. Ein
weiterer Impulsgenerator CA erzeugt einen einzigen Vorimpuls A, dessen Dauer der
des Sendeimpulses entspricht. Dieser Vorimpuls A tastet die Unterbereiche nacheinander
im Rhythmus der Impulsfolgefrequenz ab.
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Fig. 3 zeigt die zeitliche Lage der Auftastimpulse Dl, D2, D3, D....
und des Vorimpulses A.
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Die Auftastzeiten der Unterbereiche gehen von t0 bis tt, t3 bis t2,
t2 bis t3, tg bis t4, usw. Beim Zusammenwirken eines Auftastimpulses D und des Vorimpulses
A wird der betreffende Unterbereich geöffnet, wie dies in Fig. 3 bei D2 im Unterbereich
von t1 bis t2 angedeutet ist.
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Die Wirkungsweise des Verfahrens ist folgende: In Fig. 2 ist beispielsweise
ein Radargerät mit 3 cm Wellenlänge bzw. einer Trägerfrequenz von I0000 MHz benutzt.
Die Dopplerfrequenz für den Geschwindigkeitsbereich von 5 bis 50 km/Std. liegt bei
der gewählten Wellenlänge dann im Frequenzband von etwa 100 bis I500 Hz. Die Impulsbreite
des Gerätes beträgt beispielsweise 2 psec. Die Antenne dreht sich z. B. einmal in
der Sekunde um 3600 und besitzt z. B. eine horizontale Bündelung von IO. Die Impulsfolgefrequenz
beträgt z. B.
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7,5 kHz, so daß sich ein maximaler Reichweitenbereich des Gerätes
von 20 km ergibt. Die Schaltung des Radargerätes ist so ausgeführt, daß die für
die Auswertung der Dopplerverschiebung erforderliche Phasenkohärenz sichergestellt
ist.
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Durch einen an den Ausgang des Radarempfängers angeschalteten zusätzlichen
Demodulator wird bei allen auftretenden Zielzeichen die Dopplerfrequenz in Niederfrequenzlage
gewonnen; Das an den Demodulator angeschaltete Niederfrequenzfilter NR läßt nur
den begrenzten Frequenzbereich von z. B. 100 Hz bis I500 Hz durch. Der Ausgang
des
Filters ist an die Videoendstufen E angeschlossen, die ihrerseits wieder den Wehneltzylinder
des Braunschen Sichtanzeigerohres S steuern. Durch die durch das Filter NR durchgelassenen
Dopplerverschiebefrequenzen wird der Wehneltzylinder des auf Intensitätsschrift
geschalteten Sichtanzeigerohres S bei Auftreten eines interessierenden Zieles so
weit ins Positive gesteuert, daß auf dem Leuchtschirm des Rohres ein Leuchtfleck
an dem koordinatenmäßig richtigen Ort erscheint.
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Um alle im Reichweitebereich des Gerätes befindlichen Ziele zu erfassen,
wäre die Auftastlücke D automatisch und kontinuierlich über den gesamten Entfernungsbereich
zu verschieben. Hierdurch würde erreicht, daß der gesamte Entfernungsbereich auf
interessierende Ziele untersucht oder abgetastet wird. Ist die Impulsbreite des
Radargerätes 2 Fsec, ist es zweckmäßig, der Auftastlücke eine Breite von etwa I
Fsec entsprechend 150 m Laufweg der Welle zu geben. In diesem Falle wird das interessierende
Ziel auf 150 m genau festgelegt. Sind genauere Ortsangaben erforderlich, wird die
Breite der Auftastlücke D sowie zweckmäßig auch die Impulsbreite des Sendeimpulses
verringert. Wenn gefordert ist, daß die Auftastlücke D den vorgesehenen Entfernungsbereich
von 20 km in einer Sekunde überstreicht, so ergibt sich der Nachteil, daß die Verweilzeit
der Auftastlücke D auf einem Zielzeichen sehr kurz ist.
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Sie beträgt bei den oben angegebenen Gerätedaten nur I5 msec. Während
dieser kurzen Zeit können die vorgesehenen Filter bei den tiefen Frequenzen kaum
ausreichend einschwingen und voll wirksam werden. Dieser Nachteil ist bei der Erfindung
vermieden, da der Entfernungsbereich in mehrere, z. B. vier, Unterbereiche unterteilt
ist und entsprechend der Zahl der Unterbereiche z. B. vier Auftastlücken Dt bis
D4 erzeugt werden, die jeweils phasenmäßig den ihnen zugewiesenen Bereich, z. B.
von o bis 5 bzw. 5 bis 10 km usw. gleichzeitig untersuchen. Bei der gleichen Gesamtdurchlaufzeit
von z. B. einer Sekunde ist dadurch erreicht, daß die Verweilzeit jeder Auftastlücke
D auf einem zu untersuchenden Zielzeichen um den Faktor der Unterbereiche erhöht
ist. Den Filtern steht infolgedessen eine längere Einschwingzeit zur Verfügung.
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Im angegebenen Fall ergibt sich eine Verweilzeit jeder Auftastlücke
D auf einem Zielzeichen von Go msec, die ausreichend ist, die Filter im vorgesehenen
Frequenzbereich einschwingen zu lassen.
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Jeder Unterentfernungsbereich beträgt beim vorliegenden Beispiel bei
20 km Gesamtbereich 5 km.
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Um eine Vieldeutigkeit bei Vorhandensein mehrerer Auftastlücken D
zu vermeiden, wird ein Vorimpuls in Form einer weiteren Auftastlücke A, die etwas
breiter als die erstgenannten Auftastlücken D gewählt wird, angewendet. Dieser Vorimpuls
überstreicht fortlaufend mit der Impulsfolgefrequenz des Radargerätes von z. B.
7,5 kHz den gesamten Entfernungsbereich in der Zeit von t0 bis t4 (Fig. 3). Hierdurch
wird z. B. die Vorspannung einer Steuerröhre des Unterbereiches T2 der Auftastlücke
D2 so weit entriegelt, daß in der Zeit t1 bis t2 nur die Auftastlücke D2 an der
Endstufe E und damit am SichtanzeigerohrS & wirksam wird.
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Hierdurch ist die Eindeutigkeit in der Entfernungszuordnung sichergestellt.
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Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß eine Mindestverweilzeit
erforderlich ist, die mit etwa 60 msec angenommen ist. Sie ist somit wesentlich
größer als die Impulsbreite von 2 llsec und dehnt sich zeitlich über mehrere Impulsfolgen
aus. Dementsprechend ist auch die Umdrehungsgeschwindigkeit der Antenne begrenzt.
Bei IO horizontaler Antennendiagrammbreite und einer Umdrehung pro Minute beträgt
die Verweilzeit des Diagramms I66 msec. Bei der gewählten Wellenlänge von 3 cm im
Radargerät und Filterbreiten von 100 bis 1500 Hz ist diese Zeit zwar ausreichend.
Sollen jedoch noch tiefere Filterfrequenzen z. B. bei längeren Wellen des Radargerätes
(z. B. 10 oder 20 cm) erfaßt werden, ist es zweckmäßig, mehrere an sich bekannte
Antennensysteme, z. B. zwei, drei oder mehr, zu verwenden, die sternförmig auf einen
Kreis verteilt sind und gemeinsam rotieren, wobei jeweils nur eine Antenne strahlt.
Hierbei werden die Antennen automatisch und kontinuierlich im Takt der Impulsfolgefrequenz
durch einen Hochfrequenzumschalter umgeschaltet, derart, daß z. B. der erste Impuls
von der ersten Antenne abgestrahlt wird, der zweite Impuls von der zweiten Antenne
usw. Die bei nur einer Antenne benutzte Impulsfolgefrequenz wird dabei mit der Zahl
der verwendeten Antennen multipliziert, damit die erforderlichen Verweilzeiten und
Filterbreiten erreicht werden. Mit der Umschaltung der Antenne pro Impuls wird gleichzeitig
auch eine Umschaltung der Ablenkung des Anzeigerohres vorgenommen, damit die winkelmäßige
Zuordnung des Ablenkstrahles im Braunschen Rohr sichergestellt ist.
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Die Störfestigkeit gegen unerwünschte Zielzeichen wird durch die
Filterdämpfung bestimmt, die erreicht werden kann. Es kann zweckmäßig sein, bestimmte
Frequenzbereiche im Filter durch entsprechende Ausblendung des Filters besonders
zu dämpfen. Durch diese Filterlücken können Störziele, die z. B. die Radialkomponente
der Windgeschwindigkeit zum Radargerät besitzen, soweit gedämpft werden, daß sie
sich nicht mehr auswirken.
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Die Verwendbarkeit des Verfahrens wird durch die verwendete Radarträgerwelle
und die Impulsfolgefrequenz auf eine maximale Geschwindigkeit, die noch fehlerfrei
festgestellt bzw. gemessen werden kann, begrenzt. Treten höhere Frequenzen, d. b.
höhere Fluggeschwindigkeiten, auf, können sich gewisse Schwierigkeiten bei der Demodulation
ergeben. Für höhere Frequenzen, d. h. höhere Geschwindigkeiten, ist das an Hand
von Fig. 4 erläuterte Verfahren zweckmäßiger.
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In Fig. 4 ist die Unterbereichsauftastschaltung Ta mit dem Auftastimpulsgenerator
GD und dem Vorimpulsgenerator CA ebenfalls vorgesehen, jedoch zur Vereinfachung
weggelassen. Ferner wird auch hier die Dopplerverschiebung zur Steuerung des Wehneltzylinders
des Sichtanzeigerohres benutzt. Um die Wirkung unerwünschter
Ziele,
wie Festzeichen, mit Windgeschwindigkeit behafteter Störziele und Störsender, zu
beseitigen, wird jedoch in dieser Ausführungsform ein Filter ZF in höherer Frequenzlage
vor der Demodulation zwischen dem Ausgang des Radarempfängers R und der Videoendstufe
E vor dem Sichtanzeigerohr 5 eingeschaltet. Das Filter ZF dämpft die um die Mitte
gelegenen Frequenzen von §2 bis 3 (Fig. I) so stark, daß der geforderte Störabstand
sichergestellt ist. Die erforderliche Flankensteilheit der Filter an den Kanten
kann durch Quarz oder Differentialfilter erreicht werden. Bei einem Radargerät mit
etwa 3 cm Wellenlänge wird beispielsweise für Geschwindigkeiten von 150 bis I500
km/Std. eine Filterbreite von 3 bis 30 kHz benutzt. Damit während eines Sendeimpulses
aus reichend Zeit zum Einschwingen der Filter gegeben ist, wird eine möglichst große
Impulsbreite von z. B. 6 Fsec vorgesehen und die auszusiebende Frequenz möglichst
hoch, z. B. 1 bis I,5 MHz, gewählt, damit die für das Einschwingen der Filter erforderlichen
Schwingungszüge in einem Impuls erreicht werden.
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Um einen möglichst großen. Geschwindigkeitsbereich zu erfassen, kann
es zweckmäßig sein, die Anordnungen nach Fig. 2 und 4 für verschiedene Geschwindigkeitsbereiche
auszulegen, so daß sie sich ergänzen. Dabei kann bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung
eine größere Wellenlänge benutzt werden.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren
auch zur Aufklärung gegen bewegte Ziele benutzt werden kann, die sich auf dem Erdboden
bewegen, da es vorhandene Zeichen von Festzielen so dämpft, daß sie nicht zur Anzeige
kommen.