DE978004C - Impuls-Dopplerfrequenz-Radarverfahren - Google Patents

Description

menden Impulsen in einer Koinzidenzschaltung zusammengeführt werden, in der bei Koinzidenz beider Impulsarten Feinmeßimpulse gebildet werden, die bei der angewendeten hohen Impulsfolgefrequenz eine eindeutige Anzeige ermöglichen.

Das Prinzip der Erfindung besteht also darin, daß die sehr genauen, aber zu einer falschen oder mehrdeutigen Anzeige führenden Entfernungsmeßimpulse durch eine zweite Entfernungsinformation, die nicht genau zu sein braucht, aber eindeutig sein muß, ausgewählt werden. Als Folge ergeben sich Entfernungsmeßimpulse hoher Genauigkeit, die immer richtige und eindeutige Messungen ermöglichen. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß die Impulsfolgefrequenz wesentlich erhöht werden kann, ohne an Meßgenauigkeit und Eindeutigkeit zu verlieren. Aus der hohen Impulsfolgefrequenz ergibt sich der Vorteil, daß die erste Blindgeschwindigkeit sehr hoch ist und die weiteren Blindgeschwindigkeiten oberhalb der interessierenden Flugzeuggeschwindigkeiten fallen.

Die Entfernungsmessung durch periodische Frequenzänderung eines impulsmodulierten Senders und Auswertung der Frequenzverschiebung der Empfangsfrequenz gegenüber der Sendefrequenz ist an sich bekannt. Es ist auch bereits bekannt, die Entfernung sowohl aus der Impulslaufzeit als auch aus der Frequenzverschiebung zu bestimmen. Dies geschieht hier in der Weise, daß die Impulslaufzeit zur Grobmessung und die Frequenzverschiebung zur Feinmessung dient. Dieses Verfahren ist aber nicht geeignet, ein Arbeiten mit erhöhter Impulsfolgefrequenz zu ermöglichen und die Mängel der mit Windgeschwindigkeiten behafteten Anzeige zu vermeiden. Das bekannte Verfahren ist ferner nicht dazu geeignet, Festzeichen zu unterdrücken und bewegte Ziele anzuzeigen, wenn beide sich in gleicher Entfernung befinden.

Das Verfahren nach der Erfindung ist im Gegensatz hierzu in der Lage, auch trotz gleichzeitigen Vorhandenseins von festen und bewegten Zielen die letzteren richtig anzuzeigen und die ersteren zu unterdrücken. Die physikalische Grundlage hierfür ist die Tatsache, daß die Modulation, die die eindeutige Entfernungserkennung bewirkt, so gewählt ist, daß

a) außer den üblichen Linien des Impulsspektrums auch Frequenzen auftreten, die durch die Modulation bedingt sind und dann durch Filter unterdrückt werden können, wenn sie von Festzeichen reflektiert werden,

b) andererseits bei bewegten Zielen genügender Geschwindigkeit alle Linien, die von der Modulation herrühren, von den Festziel-Sperrfiltern durchgelassen werden, so daß eine diesen Filtern nachgeschaltete Auswertung der Modulation zwangsläufig nur die Entfernungsangabe des bewegten Zieles liefert. Demgegenüber würden die bekannten Verfahren versagen, sobald zwischen festem und bewegtem

Ziel eine Entfernung von χ = η · — · c · -jläge (/,· = Impulsfolgefrequenz; n = 0, 1, 2, 3; c = Lichtgeschwindigkeit). Bei ihnen würde die Entfernungsangabe des festen Zieles mit der Angabe »bewegt« aus einer ganz anderen Entfernung verknüpft.

Die Erfindung ist an Hand von Zeichnungen näher erläutert, in denen

Fig. 1 ein Schaltungsbeispiel eines zur Durchführung der Erfindung geeigneten Radargerätes,

F i g. 2 den zeitlichen und Frequenzverlauf an verschiedenen Stellen der Schaltung und

ίο Fig. 3 den Impulsverlauf am Ausgang der Schaltung zeigt.

Das Gerät besitzt einen Sender S und einen Empfänger E, die zur Erzielung einer guten Entkopplung zweckmäßig auf getrennte rotierende Radarantennen arbeiten. Aus einem quarzstabilisierten Oszillator O wird durch Frequenzvervielfachung in der Vervielfacherstufe V₁ eine hohe Trägerfrequenz im Zentimeter- oder Mikrowellenbereich erzeugt, die in der Modulationsstufe Mo mit bestimmtem Frequenzhub von beispielsweise + 10 kHz durch eine Wobbelfrequenz f_m von beispielsweise 60 Hz in der Frequenz moduliert wird. Die Wobbeifrequenz wird einer Wobbelstufe W entnommen, deren Frequenz über eine Teilerstufe T₁ ebenfalls vom stabilen Oszillator O abgeleitet sein kann. Aus dem Oszillator O wird über eine weitere Teilerstufe T₂ in der Impulsstufe / die Impulsfrequenz erzeugt, durch die die frequenzmodulierte Trägerschwingung in der Taststufe T_a impulsweise getastet und über den Sender S ausgesendet wird. Auf der Empfängerseite folgt auf die Empfängerstufe E eine Mischstufe M₁, in der eine Überlagerung mit einer Frequenz erfolgt, die sich um die Empfängerzwischenfrequenz im Zwischenfrequenzteil ZF von der frequenzmodulierten Trägerfrequenz des Senders unterscheidet. Diese Frequenz wird beispielsweise durch Mischung einer über eine Teiler- oder Vervielfacherstufe V₂ aus dem Oszillator O entnommenen Frequenz mit der hinter der Modulationsstufe abgenommenen frequenzmodulierten Senderträgerfrequenz in der Mischstufe M₂ gebildet.

Kurve α in F i g. 2 zeigt die impulsmodulierte Hochfrequenzträgerspannung U über der Zeit t. Kurve b in F i g. 2 zeigt die Frequenz / des frequenzmodulierten Sendersignals über der Zeit t an der Stelle b am Ausgang des Frequenzmodulators Mo in F i g. 1. Kurve C₁ zeigt das Empfangssignal vor der Demodulation an der Stelle c, welches nach Reflexion an einem festen Ziel vom Empfänger wieder aufgenommen wird und um eine von der Zielentfernung abhängige Zeit gegenüber dem Sendersignal verschoben ist. Kurve C₂ zeigt die entsprechende verschobene Kurve eines bewegten Zieles. Die Kurven d₁ und d₂ zeigen den zeitlichen Verlauf an der Stelle d des Empfängers nach dem Heruntermischen. Der hier kleinere Hub ist von der Zielentfernung abhängig, desgleichen die Phase. Bei einem Festziel hat das Mischprodukt den in Kurve d_t gezeigten Verlauf. Kurve d₂ zeigt das Mischprodukt für ein bewegtes Ziel, wobei eine Verschiebung um die Dopplerfrequenz f_D stattfindet. Die dargestellten Kurven zeigen, daß entweder der Hub oder die Phase der demodulierten Empfangsfrequenz als Maß für die Entfernung benutzt werden kann.

Bewegte und feste Ziele können in an sich bekannter Weise durch Filter unterschieden werden. Hierfür eignen sich Kammfilter oder unter bestimmten Voraussetzungen einfache Filter, wie dies eben-

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falls an sich bekannt ist. In der Schaltung ist als ihn heraushebt. Dies ergibt am Ausgang der Koinzi-Beispiel angenommen, daß die demodulierte Emp- denzschaltungen eindeutige, genaue Entfernungsmeßfangsfrequenz vom Zwischenfrequenzteil des Emp- impulse, die der Braunschen Röhre R im Radarsichtfängers zunächst einem Kammfilter KF zur Vor- gerät zur Helltastung des Strahles zugeführt werden, selektion zugeführt wird, welches die nicht mit der 5 Der Elektronenstrahl des Sichtgeräterohres wird von Dopplerfrequenz behafteten Frequenzen der festen einem Ablenkgenerator L mittels einer Ablenkspule Ziele stark dämpft, wobei es den Impulscharakter Sp radial abgelenkt, wobei die Spule synchron mit der Zeichen nicht beeinträchtigt. Hieran schließen der Radarantenne rotiert und das Ablenkgerät von sich mehrere, beim vorliegenden Beispiel fünf Ent- der Impulsfrequenzstufe / über einen Frequenzfernungsmeßkreise an, die durch elektronische Tor- io teiler H gesteuert wird.

schalter To₁ ... To₅ nacheinander kurzzeitig ein- Fig. 3 zeigt die bei diesem Verfahren entstehengeschaltet, d. h. mit sogenannten Auftastimpulsen den Impulsformen. Zeile I zeigt die kurzen genauen, aufgetastet werden. Zur Steuerung der Torschalter aber viel zu häufigen Meßimpulse, wie sie bei Vorwird beispielsweise eine elektronische Taktschaltung handensein eines bewegten Zieles hinter dem ent- TS benutzt, die von der Impulsstufe/ mit der Im- 15 sprechenden Schalter S₁... S₅ auftreten. Zeile II pulsfrequenz des Gerätes gesteuert wird und fort- zeigt einen Grobentfernungsmeßimpuls, der aus der laufend nacheinander genaue Auftastimpulse an die Hubmessung bzw. Phasenmessung in der Impuls-Torschalter To₁ ... To₅ legt, so daß jeweils der formschaltung E₁. ..E₅ gebildet wird. Zeile III zeigt nächste Schalter sich schließt, wenn sich der vorher- den Impulsverlauf am Ausgang der Koinzidenzschalgehende Schalter geöffnet hat. Sobald ein Impuls in 20 tung K₁ ... K₅. Wie ersichtlich, ist aus der mehrder genau bestimmten Zeit empfangen wird, in dem deutigen genauen Impulsreihe in I zusammen mit einer der Torschalter geschlossen hat, so erhält er dem eindeutigen, aber weniger genauen Entfernungs-Zugang zu dem betreffenden Entfernungsmeßzweig, impuls in II ein sehr genauer eindeutiger Meßimpuls und er gelangt an ein einfaches Dopplerfrequenz- herausgehoben worden. Zeile IV zeigt den Kippfilter F₁ ... F₅, welches die Festziele aussperrt. Eine 25 Spannungsverlauf am Radarsichtgeräterohr R.
Filtercharakteristik Ch (Spannung U über der Fre- Das Verfahren nach der Erfindung gestattet bei quenz / in ZF-Lage) und die Lage eines Festzieles X Wahl einer hohen Trägerfrequenz von beispielsweise und eines bewegten Zieles Y mit ihren durch die 10 000 MHz die Anwendung von Impulsfolge-Frequenzmodulation bedingten Spektrallinien auf frequenzen des Radargerätes in der Größenordnung -beiden Seiten zeigt Fig. 2e. Die von bewegten Zielen 30 von 25 kHz. Der Frequenzhub der periodischen Freeintreffenden Signale werden durch das Filter durch- quenzmodulation kann etwa 10 kHz bei einer gelassen und geben am Ausgang desselben eine Wobbeifrequenz von etwa 60 Hz betragen. Bei diekontinuierliche Frequenz, die durch Phasenmessung sem Beispiel ergeben sich Dopplerfrequenzverschie- oder Hubmessung ausgewertet werden kann. Die bungen von etwa 3 bis 20 kHz bei einer Geschwin-Frequenz wird im FM-Demodulator D₁ ...D₅ de- 35 digkeit des Zieles von etwa 160 bis llOOkm/Std. moduliert und einem Phasenmesser P₁... P₅ züge- Die erste Blindgeschwindigkeit liegt in diesem Beiführt, welcher ein von der Zielentfernung abhän- spiel bei etwa 1350 km/Std.

giges Signal liefert. Hieraus wird in einer Impuls- Zur Erzeugung der Grobimpulse aus der Phasenformschaltung E₁ E₅ ein Entfernungsimpuls er- oder Hubmessung kann beispielsweise der Spanzeugt, der durch seine zeitliche Lage die Zielentfer- 40 nungsvergleich mit einer Sägezahnspannung benutzt nung mehr oder weniger grob angibt. Bei Anwen- werden, wobei in der zeitlichen Lage, in der die dung der Phasenmessung wird der Phasenunterschied Sägezahnspannung mit der am Hub- oder Phasengegenüber der senderseitigen Wobbeifrequenz (60 Hz) messerausgang stehenden Spannung übereinstimmt, von der Wobbeistufe W gemessen, die an die Pha- ein Impuls erzeugt wird. Die Kippspannung vom senmesser P₁...P₅ herangeführt wird. Bei Anwen- 45 AblenkgerätL wird, wie gezeigt, zu diesem Zweck dung der Hubmessung tritt ein Hubmesser an die an die Impulsformschaltungen E₁.. .E₅ heran-■ Stelle jedes Demodulators D₁...D₅ und Phasen- geführt. Da die Messung nur grob ist, muß man messers P₁... P₅. dafür sorgen, daß der Impuls genügend breit ist, so In einem zweiten Kreis der einzelnen Entfernungs- daß er auch dann noch mit dem zugehörenden Taktmeßzweige wird die am Ausgang der Filter F₁... F₅ 50 impuls nach Fig. 3-1 Koinzidenz machen kann, entstehende Spannung mit einem Gleichrichter G₁ wenn die Grobmessung an einem der beiden Ränder ... G₅ gleichgerichtet. Das gleichgerichtete Signal des Toleranzbereiches liegt. Der Grobimpuls darf wird über einen Torschalter S₁... S₅, der durch be- andererseits nicht über zwei Feinimpulse hinwegstimmte und genau festgelegte Taktimpulse, Vorzugs- gehen. Auch kann für die Impulserzeugung im Anweise die Auftastimpulse, von der Taktschaltung TS 55 Schluß an den Hub- oder Phasenmesser eine Schalgesteuert werden kann, kurzzeitig durchgelassen, so tung benutzt werden, die bei Nulldurchgang einer daß kurze Meßimpulse bestimmter Lage bei Vor- Wechselspannung den Impuls auslöst. Eine derartige handensein von Echos entstehen. Bei hoher Impuls- Schaltung ist beispielsweise unter der Bezeichnung folgefrequenz des Radargerätes treten solche ge- Multiarschaltung bekannt.

nauen Meßimpulse häufig und an mehreren Stellen 60 Es besteht auch die Möglichkeit, daß die Taktauf, so daß die Anzeige nicht eindeutig ist. Um die impulse bzw. Auftastimpulse aus der Taktschaltung Eindeutigkeit bei der Auswertung dieser Meßimpulse TS unmittelbar an einen Zweig der Koinzidenzschalherzustellen, werden die Impulse mit den weniger tungen K₁ ... K₅ herangeführt werden. In diesem genauen, aber eindeutigen Meßimpulsen aus der Fall entfallen die Gleichrichter G₁.. .G₅ und die Impulsformschaltung E₁.. .E₅ in einer Koinzidenz- 65 zweiten Torschalter S₁ ... S₅. Man kann hinter den schaltung K₁ ... K₅ zusammengeführt, die nur dann schmalbandigen Filtern mit eigenen frei wählbaren ein Signal liefert, wenn ein Grobentfernungsmeß- Taktfrequenzen arbeiten. Nur muß diese neue Taktimpuls mit einem Auftastimpuls zusammentrifft und frequenz mit der Kippfrequenz bzw. Ablenkfrequenz

des Sichtgerätes verkoppelt sein. Die Ablenkfrequenz wird durch starre Teilung aus der ursprünglichen Taktfrequenz abgeleitet. Die gezeichneten Kanäle werden mehrmals abgefragt während eines einzigen Ablenkvorganges des Sichtgeräterohres.

Man kann zur Unterdrückung der Festziele entweder ein einzelnes Kammfilter KF anwenden oder mehrere einfache Filter F₁ ... F₅ in den einzelnen

Zweigen wählen. Natürlich wird die beste Unterdrückung von festen Zielen erreicht, wenn man sowohl das Kammfilter als auch die einfachen Filter benutzt. Insbesondere bringt ein vorgeschaltetes Kammfilter den Vorteil, daß die Schalter Jo₁... To₅ nicht mehr einerseits die hohen Amplituden der Festzeichen und andererseits die geringen Amplituden der bewegten Ziele schalten müssen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (7)

1 2 Beim Impuls - Dopplerfrequenz - Radarverfahren Patentansprüche: wird zur Unterscheidung von festen und bewegten Zielen die an bewegten Objekten auftretende Dopp-

1. Impuls-Dopplerfrequenz-Radarverfahren, lerfrequenzverschiebung benutzt. Zur Trennung sind bei dem durch Dopplerfrequenzfilter Festzeichen 5 Kammfilter und einfache Filter bekannt. Da bei einunterdrückt und nur bewegte Ziele angezeigt wer- fachen Filtern der Impulscharakter und damit die den, unter Verwendung mehrerer Entfernungs- Entfernungsinformation verlorengehen, ist es bemeßzweige, die zur Impulslaufzeitmessung durch kannt, in diesem Falle zur Impulslaufzeitmessung ge-Torschaltung zeitlich nacheinander mit Auftast- trennte Entfernungsmeßzweige zu benutzten, die impulsen aufgetastet werden, dadurch ge-io durch Torschalter zeitlich nacheinander mit Auftastkennzeichnet, daß mit einer erhöhten Im- impulsen aufgetastet werden. In die einzelnen Meßpulsfolgefrequenz gearbeitet wird, bei der Blind- zweige können dabei gleiche einfache Dopplerfregeschwindigkeiten nicht in den Meßbereich fal- quenzfilter eingeschaltet werden,
len, dafür aber mehrdeutige Entfernungsanzeigen Beim Dopplerfrequenzverfahren ergeben sich

entstehen, und daß bei periodischer Frequenz- 15 Schwierigkeiten durch die sogenannten Blindgemodulation der Trägerwelle des Senders aus der schwindigkeiten, die auftreten, wenn die Doppier-Frequenzverschiebung der Empfangsfrequenz ge- frequenz gleich oder ein Vielfaches der Impulsfolgegenüber der Sendefrequenz durch Auswertung von frequenz des Radargerätes ist. Damit die Messung Frequenzhub oder Phase Grobentfernungsmeß- hierdurch nicht beeinträchtigt wird, ist es erforderimpulse erzeugt werden, die mit den Meßimpul- 20 lieh, die Daten des Gerätes so zu wählen, daß die sen (Echoimpulsen) oder mit damit zeitlich über- erste Blindgeschwindigkeit an der oberen Grenze des einstimmenden Impulsen in einer Koinzidenz- Meßbereiches, nach Möglichkeit oberhalb der maxischaltung zusammengeführt werden, in der bei malen Radialgeschwindigkeit der zu messenden Ob-Koinzidenz beider Impulsarten Feinmeßimpulse jekte auftritt. Die Blindgeschwindigkeit kann durch gebildet werden, die bei der angewendeten hohen 25 Vergrößerung der Trägerwellenlänge oder der Im-Impulsfolgefrequenz eine eindeutige Anzeige pulsfolgefrequenz erhöht werden. Da sich bei Erermöglichen, höhung der Wellenlänge zu große Antennengebilde

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- und andere damit verbundene Nachteile ergeben, ist kennzeichnet, daß die Ablenkfrequenz des es vorteilhafter, bei fest vorgegebener, möglichst Radarsichtgerätes durch Teilung aus der Im- 30 kurzer Trägerwellenlänge eine Erhöhung der Impulsfolgefrequenz abgeleitet wird, um den An- pulsfolgefrequenz vorzunehmen. Die Impulsfolgezeigebereich über die aus der Impulsfolgefre- frequenz kann aber bei Geräten größerer Senderleiquenz erreichbare Reichweite zu verlängern. stung und Reichweite nicht ohne weiteres erhöht wer-

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch den, da sonst nach jedem Sendeimpuls noch Echos gekennzeichnet, daß die Grobimpulse durch 35 von den vorhergehenden Impulsen zurückkommen. Spannungsvergleich¹ der Ausgangsgleichspan- Diese haben eine falsche Entfernungsanzeige zur nung eines Hubmessers bzw. Phasenmessers mit Folge, wenn wie üblich die Ablenkfrequenz des Rader sägezahnförmigen Ablenkspannung des Ra- darsichtgeräterohres gleich der Impulsfolgefrequenz darsichtgerätes gebildet werden. gewählt ist. Es besteht zwar die Möglichkeit, die Ab-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 40 lenkfrequenz des Anzeigerohres durch Teilung aus bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Impulsfolgefrequenz abzuleiten. Durch eine Entfernungsmeßzweig das auftretende Empfangs- solche Teilung kann der Anzeigebereich über die signal in einem zweiten Kreis (G₁... G₅) gleich- aus der Impulsfolgefrequenz errechenbare Reichgerichtet und über einen Torschalter (S₁...S₅), weite verlängert werden. Es ergibt sich dabei jedoch der von den Auftastimpulsen gesteuert wird, der 45 der Nachteil, daß eine Mehrfachanzeige auftritt. Eine Koinzidenzschaltung (X₁... K₅) als Feinimpuls mit Rücksicht auf die erste Blindgeschwindigkeit zugeführt wird. ° stark erhöhte Impulsfolgefrequenz führt also zu einer

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 falschen oder einer mehrdeutigen Anzeige und damit bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Koinzi- zu unsicheren Meßergebnissen.

denzschaltung die Auftastimpulse von einer Takt- 50 Die Erfindung geht aus von einem Impuls-Doppschaltung direkt als Feinimpulse zugeführt lerfrequenz-Radarverfahren, bei dem durch Doppwerden, lerfrequenzfilter Festzeichen unterdrückt und nur

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bewegte Ziele angezeigt werden, unter Verwendung bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Impuls- mehrerer Entfernungsmeßzweige, die zur Impulslauffolgefrequenz des Radargerätes, die Auftast- 55 zeitmessung durch Torschalter zeitlich nacheinander impulse bzw. die Feinmeßimpulse an der Ko- mit Auftastimpulsen aufgetastet werden. Gemäß der inzidenzschaltung (K₁... K₅) und die Ablenkfre- Erfindung werden bei einem solchen Verfahren die quenz des Radarsichtgerätes durch Teilung oder angeführten Mangel dadurch vermieden, daß mit Vervielfachung aus einem einzigen stabilen einer erhöhten Impulsfolgefrequenz gearbeitet wird, Oszillator (O) abgeleitet werden. 60 bei der Blindgeschwindigkeiten nicht in den Meß-

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bereich fallen, dafür aber mehrdeutige Entfernungsbis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wobbel- anzeigen entstehen, und daß bei periodischer Frefrequenz der Frequenzmodulation wesentlich nie- quenzmodulation der Trägerwelle des Senders aus driger gewählt ist als die Impulsfolgefrequenz. der Frequenzverschiebung der Empfangsfrequenz ge-

65 genüber der Sendefrequenz durch Auswertung von

Frequenzhub oder Phase Grobentfernungsmeßim-

pulse erzeugt werden, die mit den Meßimpulsen

(Echoimpulsen) oder mit damit zeitlich übereinstim-