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Impulsradargerät zur entstörten Signalgabe für das Vorhandensein bewegter
Ziele
Um möglichst frühzeitig die Annäherung von Flugzeugen, Raketen u. dgl. zu erkennen,
muß man ein Radargerät möglichst großer Reichweite verwenden. Man ist daher bestrebt,
die Reichweiten ständig zu vergrößern. Hierzu kann man entweder die Senderleistung
erhöhen oder aber das Verhältnis von Signal- zu Geräuschleistung verbessern.
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Der Erhöhung der Senderleistung sind Grenzen gesetzt; man muß beachten,
daß einer Verdoppelung der Reichweite eine Versechzehnfachung der Senderleistung
entspricht. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, das Signal-zu-Geräusch-Verhältnis
zu verbessern.
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Es ist bereits bei einem Impulsradargerät bekannt, den Empfänger
durch eine einstellbare Torschaltung innerhalb jeder Impuisfolgeperiode nur für
eine in der Größenordnung der Impulsdauer liegende Zeit zu öffnen und aus dem im
Empfängerausgang vorhandenen Frequenzspektrum nur eine - allenfalls mit Dopplerfrequenzen
modulierte -Harmonische der Impulsfolgefrequenz zur entstörten Signalgabe zu benutzen.
Hieran soll sich eine Weiterbehandlung der Signale durch integrierende Speicherung
anschließen. Auch wird die Möglichkeit vorgesehen, die Oszillatorfrequenz des Empfängerzwischenfrequenzteils
ständig von Hand oder automatisch nachzuregeln, um die Dopplerverschiebung zu berücksichtigen
und eine schmale Empfangsbreite zu erlangen.
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Hiervon unterscheidet sich die Behandlung der Signale nach der Erfindung
dadurch, daß die das gesteuerte Tor passierende Empfangsspannung über ein Bandfilter
geleitet ist, das auf die auszuwählende Harmonische der Impulsfolgefrequenz abgestimmt
ist und dessen Durchlaßbreite etwa gleich der Impulsfolgefrequenz ist, daß in einer
an-
schließenden schmalen Bandsperre die betreffende Harmonische
der Impulsfolgefrequenz und etwaige nahe bei ihr liegende Frequenzen unterdrückt
werden, daß das durchgelassene Frequenzspektrum über einen quadratischen Gleichrichter
geht und durch einen anschließenden schmalen Bandpaß eine Schwingung, die die doppelte
Frequenz der betref fenden Harmonischen der Impulsfolgefrequenz aufweist, ausgesiebt
und zur Signalgabe für das Vorhandensein bewegter Ziele, insbesondere zur Ergänzung
einer Schirmbildanzeige durch eine Warnsignalgabe, benutzt ist.
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Der technische Fortschritt ergibt sich dabei daraus, daß die bewegten
Ziele auf Grund einer aussiebbaren und damit entstörten festen Frequenz nachweisbar
sind, wogegen beim Bekannten entweder eine variable Dopplerfrequenz ausgesiebt oder
ein immer noch störungsbehaftetes Frequenzband überwacht werden muß.
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Durch die Erfindung ergibt sich die Möglichkeit, den Durchgang eines
Ziels durch eine schmale Warnzone unter ganz wesentlicher Verbesserung des Signal-zu-Geräusch-Verhältnisses
zu bestimmen. Die mindestens gleich der Impulsdauer gewählte Öffnungszeit des Empfängers
und die zeitliche Lage dieser Offnungszeit innerhalb der Impulsperiode bestimmen
- wie beim Bekannten -Breite und Lage der Warnzone. Der normale Schirmbildempfang
hat zwar den Vorzug, daß alle innerhalb der Reichweite befindlichen Ziele sofort
und zugleich entdeckt werden, während im vorliegenden Fall nur Ziele innerhalb einer
schmalen Warnzone ausgemacht werden können, jedoch ergibt sich durch die Geräuschminderung
die Möglichkeit, diese Warnzone in eine Entfernung zu legen, in der beim üblichen
Schirmbildempfang die Signale im Geräusch untergehen. Es besteht weiterhin die Li\löglichkeit,
mehrere solcher Warnzonen hintereinander anzuordnen oder aber die Warnzone mit dem
Ziel mitwandern zu lassen, was auch automatisch erfolgen kann. Im allgemeinen wird
man bei einer Radaranlage für größte Entfernungen eine normale Darstellung der Ziele
verwenden, z. B. auf dem Schirm einer Bildröhre, soweit es die Geräusche zulassen,
wird aber um diesen normalen Bereich eine oder mehrere Warnzonen in noch größeren
Entfernungen herumlegen, die einen Alarm auslösen, sobald ein Ziel die Warnzone
durchfliegt. Die Anlage nach der Erfindung ist daher auch eine sehr vorteilhafte
Ergänzung vorhandener Schirmbildempfangsanlagen.
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Die Erfindung wird an Hand der Fig. I bis 5 näher erläutert. In Fig.
I ist ein Ausführunsgbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, während an
Hand der Fig. 2 bis 5 die Wirkungsweise der Anlage und die Verbesserung des Signal-zu-Geräusch-Verhältnisses
erläutert werden.
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In Fig. I ist mit S die Sendeeinrichtung und mit E die Empfangseinrichtung
bezeichnet, die die von der Sendeeinrichtung ausgesandten und von dem Ziel reflektierten
Trägerimpulse während dsrOffnungszeit des Empfängers empfängt. Es ist zweckmäßig,
daß alle Frequenzen des die trägerfrequenten Impulse aussendenden Funksenders und
des die reflektierten Impulse aufnehmenden Empfängers, also Impulsfolgefrequenz,
Impulsträgerfrequenz, Zwischenfrequenzen usw., Harmonische oder Subharmonische einer
sehr stabilen Grundfrequenz sind. Die Impulsfolgefrequenz to (Kreisfrequenz 2 =
2 pIto) wird durch einen sehr stabilen Schwingungserzeuger I geliefert. Diese Schwingung
wird durch den Impulserzeuger 2 in kurze Videoimpulse umgewandelt. Der Sender 3
sendet die Trägerimpulse aus. Die Trägerkreisfrequenz lt wird durch einen Frequenzvervielfacher
4 aus der Frequenz des Hauptgenerators I erzeugt und ist eine hohe Harmonische der
Impulsfolge-Kreisfrequenz wo.
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Im Überlagerungsempfänger 5 wird die Trägerfrequenz ii den empfangenen
Trägerimpulsen zugesetzt. Nach der Gleichrichtung erhält man am Ausgang des Empfängers
5 Videoimpulse, gemischt mit Geräusch. Dieser Empfangsausgang kann, wie angedeutet,
in üblicher Weise für den Schirmbildempfang ausgenutzt werden. Im Empfänger ist
ein gesteuertes Tor 6 vorgesehen das in regelmäßigen Zeitabständen z0 = ¼ jeweils
für eine kurze Zeit z1 geöffnet wird. Der steuernde Impuls, der das Tor öffnet,
kommt vom Hauptgenerator I, dessen Frequenz zunächst durch einen vorzugsweise einstellbaren
Phasenschieber 7 geht und dann von dem Impulserzeuger 8 in Videoimpulse von der
Dauer zl verwandelt wird. Der Phasenschieber 7 regelt die Lage des steuernden Impulses
innerhalb der Periode z, und damit die Lage der Warnzone; die Öffnungsdauer z, des
Tores 6 bestimmt die Breite der Warnzone.
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Wenn ein Ziel die Warnzone kreuzt, so erhält man hinter dem Tor eine
Folge von Videoimpulsen, solange das Ziel sidl in der Warnzone befindet. Die Anzahl
der empfangenen Impulse ist dabei sehr groß. Die Amplituden dieser Videoimpulse
schwanken wegen des Dopplereffektes mit der Verschiebungsfrequenz. Zugleich mit
den Signalimpulsen wird eine Folge von Geräuschimpulsen mit der Dauert, (Öffnungszeit
des Tores) aufgenommen.
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Da, wie bereits ausgeführt, die Anzahl der empfangenen Signalimpulse
in allen praktischen Fällen sehr groß ist, so besteht das Frequenzspektrum einer
solchen Impulsfolge in großer Annäherung aus stationären Komponenten (Linienspektrum).
wie es in der Fig. 2 gezeigt ist. Die Kreisfrequenzen dieser Komponenten sind rw,
r r; r bedeutet darin eine positive ganze Zahl und 1! die Frequenzverschiebung des
Dopplereffektes.
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Während das Signalspektrum angenähert aus diskreten Linien besteht,
mit weiten leeren Zwischenräumen zwischen den Nachbarkomponenten, bedeckt das Geräuschspektrum
nach Fig. 3 den Frequenzbereich mit gleichförmiger Dichte. Wegen des periodischen
Schaltens besteht das Geräuschspektrum aus Gruppen a und b, bei denen die Geräuschkomponenten
innerhalb jeder Gruppe zufällig sind, während zwischen den verschiedenen Gruppen
bestimmte Amplitud.e- und -Phasenbvziehungen .be-
stehen. Der Schalter
vermindert die Geräuschleistung im Verhältnis der Öffnungszeit des Tores r1 zur
Impulsperiode rO. Das Signal zeichnet sich also durch die diskreten Frequenzen (Fig.
2) gegen das kontinuierliche Frequenzspektrum (Fig. 3) des Geräusches ab.
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Im Anschluß an das Tor 6 wird ein Bandpaß g angeschaltet, der auf
eine der Harmonischen rw0 abgestimmt ist und einen Durchlaßbereich von hat, also
beispielsweise von w o)O bis 3 ogO reicht, dies in Fig. 4 dargestellt ist. Das Durchlaßband
von der Breite 0 enthält immer ein Paar Signalfrequenzen wo f- i' und außerdem Geräuschkomponenten,
die sich gleichförmig über den Durchlaßbereich verteilen. Diese Geräuschkomponenten
bilden ein oberes und ein unteres Seitenband zur mittleren Frequenz oo.
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Ruhende und langsam bewegte Ziele erzeugen im Durchlaßbereich des
Bandfilters 9 Signalfrequenzen, die bei o zu bzw. sehr nahe an w, liegen. Diese
Signale werden durch eine schmale Bandsperre Io unterdrückt, so daß nur Signale
von bewegten Zielen empfangen werden.
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Das aus den beiden Frequenzen wo-v und c,sO t v bestehende Signal
geht dann durch einen quadratischen Gleichrichter I3. Neben anderen Frequenzen erhält
man am Ausgang des Gleichrichters die Summenfrequenz (0 - t) e (690 + v) - 2 OJO
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Diese Frequenz ist unabhängig von der Dopplerfrequenz und damit auch
unabhängig von der Zielgeschwindigkeit. Wenn man diese Frequenz 2030 durch einen
engen Bandpaß 14 ausgesiebt, so erhält man ein Signal nach Fig. 5 während der Zeit,
die das Ziel zum Durchlaufen der Warnzone braucht.
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In den Formelzeichen entlang der Abszisse bedeuten c die Lichtgeschwindigkeit
und v die maximale Radialgeschwindigkeit des Zieles.
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Das im Durchlaßbereich des Bandpasses g enthaltene Geräusch erzeugt
nach der quadratischen Gleichrichtung ebenfalls Frequenzen bei und in der Umgebung
von 2 690. Zur Verminderung dieses Geräusches kann gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung in folgender Weise vorgegangen werden.
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Die stationäre Geräuschkomponente wird durch das periodische Schließen
und Öffnen des Tores 6 verursache. Sie fällt auf die Frequenz 2 oo. Man kann sie
deshalb durch eine andere, vom Hauptgenerator gelieferte Schwingung mit der Frequenz
2 wo und derselben Amplitude und Phase aufheben. Diese Kompensation gilt aber immer
nur für ganz bestimmte Geräuschverhältnisse; bei Änderung dieser Verhältnisse muß
eine Nachregelung erfolgen.
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Günstiger ist es daher, in Weiterbildung der Erfindung, zwischen
dem Bandfilter g mit dem Durchlaßbereich von etwa (90 und dem quadratischen Gleichrichter
13 eine Weichenschaltung anzuordnen, bestehend aus der Parallelschaltung eines Hochpasses
II und eines Tiefpasses 12 oder von Bandpässen, deren benachbarte Grenzfrequenzen
etwa in der Mitte des Durchlaßbereiches des Bandfilters liegen, und zur Zerstörung
der Phasenbeziehungen zwischen den Geräuschfrequenzen in Reihe mit einem Paß der
Weichenschaltung ein phasendrehendes Glied 15 anzuordnen, dessen Phasenverschiebung
eine lineare Funktion der Frequenz ist und, an der Grenzfrequenz des betreffenden
Passes beginnend, bis zur Eckfrequenz des Bandfilters etwa 2 z beträgt. Das bedeutet
eine konstante zeitliche Verschiebung des einen Bandes, die mit an sich bekannten
Mitteln erreicht werden kann. Das Geräusch nimmt dann wieder einen rein statistischen
Charakter an. Da sich die stationäre Geräuschkomponente aus f0 einzelnen Komponenten
zusammensetzt, die je durch ein Paar Geräuschfrequenzen erzeugt werden, kann man
bei einer derartigen Phasenverschiebung erreichen, daß sich die einzelnen Komponenten
gegenseitig aufheben.
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Wenn alle Teilkomponenten die gleiche Amplitude haben, wäre die Aufhebung
vollkommen. Da dies aber nur im Mittel zutrifft, kommt doch noch eine resultierende
Geräuschamplitude zustande, die aber wesentlich geringer ist. Die stationäre Geräuschkomponente
wird hierbei in eine zufällige Linie des gewöhnlichen Geräuschspektrums verwandelt.
Die Signalamplitude selbst wird hierbei nicht verkleinert, da nur eine belanglose
Phasenverschiebullg hervorgerufen wird.