NL8301568A

NL8301568A - Impulsradarapparaat.

Info

Publication number: NL8301568A
Application number: NL8301568A
Authority: NL
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1983-05-04
Filing date: 1983-05-04
Publication date: 1984-12-03
Also published as: DE3473652D1; AU2713884A; EP0124173A1; US4670755A; CA1216049A; EP0124173B1; AU557179B2

Description

* ;

Impulsradarapparaat

De uitvinding heeft betrekking op een impulsradarapparaat, voorzien van een coherent werkzame zend- en ontvang-inrichting met een zender en een zendantenne voor het uitzenden 5 van radarimpulsen van zowel relatief korte alswel relatief lange duur, en een ontvangantennesysteem en daaraan gekoppeld een eerste ontvangkanaal voor het ontvangen en verwerken van echosignalen van relatief korte duur en een tweede ontvangkanaal voor het ontvangen en verwerken van echosignalen van impulsen van relatief lange duur.

10 Een dergelijk impulsradarapparaat is in velerlei uit voeringsvormen bekend. Bij al deze uitvoeringsvormen kunnen met behulp van de impulsen van relatief korte duur azimuth en afstand van zich nabij bevindende doelen worden bepaald en met behulp van de impulsen van relatief lange duur azimuth en afstand van meer 15 verwijderde doelen. De uitvinding beoogt een impulsradarapparaat, als in de aanhef omschreven, te verschaffen, waarbij, met behulp van de impulsen van relatief korte duur niet alleen azimuth en afstand van doelen kunnen worden bepaald, doch tevens informatie kan worden verkregen over de elevatie waaronder deze doelen zich 20 bevinden.

Overeenkomstig de uitvinding omvat daartoe het ontvangantennesysteem van dit impulsradarapparaat N in verticale richting boven elkaar geplaatste ontvangantennes, is het eerste ontvangkanaal voorzien van N ontvangketens, waarvan elk is verbonden met 25 een corresponderende ontvangantenne en elk het desbetreffende echosignaal verwerkt tot in twee orthogonale componenten fasegevoelig gedetecteerde en gedigitaliseerde videosignalen i^, qr, met r = 0, 1,2, ..., N-l, alsmede van een bundelvormende schakeling, welke uit deze signalen de orthogonale componenten 1^, van het 30 door de N ontvangketens te samen, volgens een met een specifiek elevatieinterval corresponderend ontvangstbundelpatroon k, bepaalde videosignaal afleidt, waarbij k = 0, 1,2, ...,N-1, en deze over het desbetreffende uitgangskanaal k van de bundelvormende schakeling afgeeft, is het tweede ontvangkanaal voorzien van N ontvangers, 35 waarvan elk is verbonden met een corresponderende ontvangantenne, alsmede van een op deze ontvangers aangesloten bundelvormende 8301568 V · * - 2 - schakeling, welke uit de van de N ontvangers afkomstige signalen een volgens een bepaald ontvangstbundelpatroon bepaald echosignaal afleidt en van een signaalverwerkingsketen voor het verwerken van laatstgenoemd echosignaal tot in twee orthogonale componenten fase-5 gevoelig gedetecteerde en gedigitaliseerde videosignalen I, Q, terwijl voorts een videoverwerkingseenheid aanwezig is, ter verdere verwerking van de hieraan toegevoerde signalen 1^, en I, Q.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande figuur, welke een voorkeursuitvoering in blok-10 schema van het impulsradarapparaat overeenkomstig de uitvinding laat zien.

Het afgebeelde impulsradarapparaat omvat een coherent werkzame zend- en ontvanginrichting, welke is opgebouwd uit een zender 1 en een zendantenne 2 voor het uitzenden van radarimpulsen 15 van zowel relatief korte alswel relatief lange duur, een ontvang-antennesysteem 3 en daaraan gekoppeld een eerste ontvangkanaal 4 voor het ontvangen en verwerken van echosignalen van impulsen van relatief korte duur en een tweede ontvangkanaal 5 voor het ontvangen en verwerken van echosignalen van impulsen van relatief 20 lange duur. Zoals uit de figuur blijkt en hierna zal worden uiteengezet bezitten de ontvangkanalen 4- en 5 in de voorkeursuitvoering een gemeenschappelijk kanaaldeel. Het ontvangantennesysteem 3 omvat N in verticale richting boven elkaar geplaatste ontvang-antennes Ag, , ..., A^. Het eerste ontvangkanaal omvat N ont-25 vangketens Bg, , ..., B^ waarvan elk is verbonden met een corresponderende ontvangantenne en elk het desbetreffende echosignaal verwerkt tot in twee orthogonale componenten fasegevoelig gedetecteerde en gedigitaliseerde videosignalen ir en qf met r = 0, 1, ...,N-1. Wordt de zendimpuls van relatief korte duur 2it j f Qt 30 voorgesteld door F(t).e , met fg de zendfrequentie en F(t) de omhullende van de zendimpuls, dan kan het door de antenne Ar ontvangen echosignaal worden voorgesteld door 2π}Γ(ί +fd)t + ,p + f G(t).e L 0 d o o J (1) 8301568 ψ - Ζ - 3 - waarin G(t) de omhullende van het echosignaal, f^ de doppler-frequentie, d de onderlinge afstand van de ontvangantennes, α de in een verticaal vlak gelegen hoek waaronder het van het doel afkomstige golffront 6 op de ontvangantennes valt, c de lichtsnel-• 5 heid en φ een van de doelsafstand afhankelijke fasehoek.

Met csX.fQ en d = èX, kan het in de ontvangketen Br naar de midden-frequentie getransformeerde en vervolgens coherent fasegevoelig gedetecteerde echosignaal worden voorgesteld door 2ir j(f .t + £r cosa) G(t).e d ; (2) 10 van dit signaal zijn ip en qr de orthogonale componenten.

Ter verkrijging van een dergelijk signaal is elk der ontvangketens opgebouwd uit een hoogfrequentversterker 7, een mengelement 8 met behulp waarvan de frequentie van de echosignalen naar de middenfrequentwaarde fIF + fd = fo + fd “ fL0 wordt getransfor-15 meerd, een middenfrequentversterker 9 en een fasegevoelige detector 10 met behulp waarvan de verkregen middenfrequentsignalen coherent fasegevoelig worden gedetecteerd en gedigitaliseerd tot in de orthogonale componenten ir en qf. De fasegevoelige detectie vindt plaats met een, bij elke zendimpuls met de zendfrequentie in fase 20 opgelijnd en naar de middenfrequentie f^Q getransformeerd detectiesignaal. Een andere methode om de genoemde componenten ir en qr te verkrijgen is beschreven in de Ned. octrooiaanvrage 8204935; hierbij worden de middenfrequentsignalen coherent fasegevoelig gedetecteerd met een frequentie, die over een waarde f t.o.v. de 25 middenfrequentie is verschoven, waarna de dan verkregen signalen worden gedigitaliseerd met een frequentie van ongeveer 4fc·

De gedigitaliseerde signalen worden vervolgens telkenmale gedurende een bepaalde tijd beurtelings toegevoerd aan een eerste en een tweede accumulator; de uitgangssignalen van deze accumulatoren stellen 30 na deze tijd de orthogonaal gedetecteerde componenten ip en qr voor.

Om het bereik van de zendimpulsen van relatief korte duur te kunnen vergroten, worden deze impulsen in de zender 1 frequentie-gemoduleerd en omvat elk der ontvangketens Br een impulscompressiefilter 11, afgestemd op de specifieke modulatie van de zendimpulsen van relatief 35 korte duur. In principe kan het impulscompressiefilter zowel voor # 8301568 - 4 -

T

alswel achter de middenfrequentversterker worden geplaatst; in de praktijk zal dit afhankelijk zijn van de toegepaste STC-regelingen.

De waarden i en q worden toegevoerd aan een bundelvormende r r schakeling 12. In deze schakeling kunnen zij worden vermenigvuldigd 5 met een weegfactor Wr. Hiertoe is voor elke waarde van r een vermenigvuldiger 13 aanwezig. De weegfactoren vormen een in verticale richting verlopende weegfunctie, welke kan worden aangebracht om een zijlusonderdrukking in elevatie te bewerkstelligen. De bundelvormende schakeling 12 omvat voorts een DFT-eenheid 14, welke, in het 10 bijzonder, als N =2m met m een positief geheel getal, als een FFT-eenheid kan worden uitgevoerd. Deze DFT-eenheid 14 en daarmede de bundelvormende schakeling 12 levert over het uitgangskanaal k, met k = 0, 1, ...,N-1, de orthogonale componenten 1^ en van het door de N ontvangers te samen bepaalde videosignaal, hetwelk even-15 redig is met 2ïïj f .t ïïj r(cosa -4r) G(t).e d . W e N (3) r=0 r

Wordt gebruik gemaakt van een symmetrisch t.o.v. de antennehoofd-richting verlopende weegfunctie, waarbij Wr = WN ^ r voor r = 0, 1,2, ..., iN-1, dan kan deze uitdrukking worden herleid tot K|_l 2k 2ir j f. t -=γ· π j (cosa - ) 20 G(t).e a . A(a,k).e c w (4) waarin A(a,k) een door de stralingsinvalhoek a, het rangnummer k van het desbetreffende uitgangskanaal van de bundelvormende schakeling en de toegepaste weegfunctie bepaalde reëele grootheid voorstelt. Over elk uitgangskanaal k worden aldus componenten 1^ en 25 van een videosignaal afgegeven dat door de N ontvangers te samen, volgens een specifiek ontvangstbundelpatroon k, is afgeleid uit de componenten ir en qr van de gedetecteerde en gedigitaliseerde videosignalen. Elk ontvangstbundelpatroon correspondeert hierbij met een specifiek elevatieinterval. De hoofdrichtingen van de onder-30 scheiden ontvangstbundelpatronen worden bepaald door de relatie 2k cosa--^-=0. De componenten 1^, worden via een multiplex- en bufferschakeling 15 toegevoerd aan een videoverwerkingseenheid 16.

8301568 * ί ' - 5 -

Het tweede ontvangkanaal 5 omvat N ontvangers, waarvan elk is verbonden met een corresponderende ontvangantenne. In de afgebeelde uitvoeringsvorm is elk van deze ontvangers opgebouwd uit de, een deel van een corresponderende ontvangketen van het eerste 5 ontvangkanaal k uitmakende hoogfrequéntversterker 7 en mengelement 8,

Het tweede ontvangkanaal omvat voorts een bundelvormende schakeling 17, welke uit de van de N ontvangers afkomstige signalen een volgens een bepaald ontvangstbundelpatroon bepaald echosignaal afleidt.

In de hier weergegeven uitvoeringsvorm is deze bundelvormende 10 schakeling 17 werkzaam op middenfrequentbasis (frequentie fjp)·

De ingangssignalen van de bundelvormende schakeling 17 kunnen worden voorgesteld door 2ir j Rf Tc + f.) t + φ + ir cosa] G(t).e L IF d J (5)

Het uitgangssignaal van de bundelvormende schakeling is dan aan te 15 geven door de uitdrukking: 2TrjRfTp + f .)(t-T )+y) + ircosal Σ GCt-T )e L IF d Γ J (ê) r=0 r waarin τΓ de vertragingstijd is, waaraan het van de ontvanger r afkomstige middenfrequentsignaal in de bundelvormende schakeling wordt onderworpen. Is het echosignaal voldoende lang, dan kan ver-20 ondersteld worden dat G(t - τΓ) = G(t) voor r = 0, 1, ..., N-1, en geldt verder dat τΓ = Γ.Δτ, dan kan het uitgangssignaal van de bundelvormende schakeling worden voorgesteld door G(t).e2,'iC<fIr + fd)t + *I. Σ eJ*r<°°sa-q) r=0 ' · * waarin q = 2fjp.Ax en .Δτ «£ q. Om grote vertragingstijden te kunnen 25 vermijden, kunnen vertragingsbijdragen van e^nir worden vervangen door irnr-faseverschuivingsnetwerken. Het tweede ontvangkanaal 5 omvat voorts een signaalverwerkingsketen 18, opgebouwd uit een midden-frequentversterker 19 en een fasegevoelige detector 20 met behulp waarvan het uitgangssignaal van de bundelvormende schakeling 17 in 30 twee orthogonale componenten I, Q coherent fasegevoelig wordt gedetecteerd en gedigitaliseerd. Het fasegevoelig gedetecteerde videosignaal 8301568

V

- 6 - kan nu worden voorgesteld door C(t).e2"fdtJ e}”r<c°sa-q> r=0 . (8)

De hoofdrichting van dit signaal wordt bepaald door de vergelijking cosa-qsO en is dus afhankelijk van de keuze van Δτ, dus van de 5 dimensionering van de bundelvormende schakeling 17. Aangezien het ontvangkanaal 5 dient voor de verwerking van echosignalen van impulsen van relatief lange duur en fungeert als lange-afstandskanaal, is het voldoende - dit in tegenstelling bij de bundelvormende schakeling 12 in het ontvangkanaal 4- - dat echosignalen in één laag 10 in elevatie georienteerd ontvangstbundelpatroon worden vastgesteld. Het zijlusniveau van de bundelvormende schakeling 4· is dan ook minder van belang dan dat van de bundelvormende schakeling 12.

Een weegfunctie met de daaraan verbonden minder goede signaal-ruis verhouding kan dan ook achterwege worden gelaten. Om het bereik van 15 de zendimpulsen van relatief lange duur verder te kunnen vergroten, worden deze impulsen in de zender 1 frequentie-gemoduleerd en omvat het tweede ontvangkanaal 5 een impulscompressiefilter 21, afgestemd op de specifieke modulatie van de zendimpulsen van relatief lange duur. Ook hier geldt weer dat het compressiefilter zowel voor alswel 20 achter de middenfrequentversterker 19 kan worden geplaatst.

In een voorkeursuitvoeringsvorm bezitten de impulsen van relatief korte en relatief lange duur dezelfde dragerfrequentie of indien zij frequentie-gemoduleerd zijn dezelfde centerfrequentie.

Dit brengt echter met zich mede dat de echosignalen van beide soorten 25 impulsen niet op frequentiebasis, maar op tijdbasis moeten worden gescheiden. De meest eenvoudige manier om dit te realiseren is door telkenmaal een bepaalde azimuthsector aan te wijzen waarbinnen impulsen van relatief lange duur worden uitgezonden en waarbuiten impulsen van relatief korte duur worden uitgezonden. Een andere 30 mogelijkheid is dat telkenmale een antenneomwenteling, waarbinnen impulsen van relatief lange duur worden uitgezonden, gevolgd wordt door een of meer antenneomwentelingen waarbinnen slechts impulsen van relatief korte duur worden uitgezonden.

8301568 - 7 -

Het impulsradarapparaat is verder nog voorzien van een, deel van het ontvangantennesysteem 3 uitmakende omniantenne 22, en een hierop aangesloten ontvanger, opgebouwd uit een hoogfrequent-versterker 23 en een mengelement 24. De omniantenne met daarop aan-5 gesloten ontvanger en de hierna nog te benoemen verdere signaal-verwerkingsketen dienen voor het verkrijgen van een zijlusonder-drukking in azimuth voor de ontvangstbundelpatronen van het eerste ontvangkanaal 4. Laatstgenoemde signaalverwerkingsketen is daartoe zo veel mogelijk identiek aan de in elke ontvangketen Br van het 10 eerste ontvangkanaal 4 aanwezige signaalverwerkingsmiddelen. Vandaar dat de van het mengelement 24 afkomstige middenfrequentsignalen naar een middenfrequentversterker en een fasegevoelige detector worden geleid, welke identiek zijn aan de middenfrequentversterker 9 en de fasegevoelige detector 10 in elk der ontvangketens van het eerste 15 ontvangkanaal 4. In het geval de frequentie of de centerfrequentie van beide typen impulsen gelijk is, kan voor het omniantenne-ont-vangkanaal gebruik worden gemaakt van de middenfrequentversterker 19 en de fasegevoelige detector 20, terwijl dan, in het geval de impulsen van relatief korte duur frequentiegemoduleerd zijn, een im-20 pulscompressiefilter 25, identiek aan de compressiefliters 11 in de ontvangketens Bp van het eerste ontvangkanaal 4, in het omniantenne-ontvangkanaal moet worden opgenomen. Doordat dan echter het omni-antenne-ontvangkanaal en het tweede ontvangkanaal 5 gedeeltelijk gelijk zijn, dienen schakelmiddelen 26 aanwezig te zijn, welke door 25 een operator in de, in de figuur aangegeven stand moet worden gezet indien impulsen van relatief lange duur worden uitgezonden en in de andere stand indien impulsen van relatief korte duur worden uitgezonden.

De signalen I, Q van de fasegevoelige detector 20 worden 30 evenals de signalen 1^, toegevoerd aan de videoverwerkingseenheid 16. Hierin worden uit deze orthogonale componenten de log-modulus-waarden bepaald, wordt de hiervoor genoemde zijlusonderdrukking gerealiseerd, wordt desgewenst een dopplerprocessing toegepast, worden plots van de verkregen videosignalen gevormd, enz. Deze 35 verdere bewerkingen zijn voor de onderhavige uitvinding echter niet van belang.

8301568

Claims

1. Impulsradarapparaat, voorzien van een coherent werkzame zend- en ontvanginrichting met een zender en een zendantenne voor het uitzenden van radarimpulsen van zowel relatief korte alswel 5 relatief lange duur, en een ontvangantennesysteem en daaraan gekoppeld een eerste ontvangkanaal voor het ontvangen en verwerken van echosignalen van impulsen van relatief korte duur en een tweede ontvangkanaal voor het ontvangen en verwerken van echosignalen van impulsen van relatief lange duur, met het kenmerk, dat het ontvang-10 antennesysteem N in verticale richting boven elkaar geplaatste ontvangantennes omvat, het eerste ontvangkanaal is voorzien van N ontvangketens, waarvan elk is verbonden met een corresponderende ontvangantenne en elk het desbetreffende echosignaal verwerkt tot in twee orthogonale componenten fasegevoelig gedetecteerde en 15 gedigitaliseerde videosignalen ir, qf, met r = 0, 1,2, ...,N-1, alsmede van een bundelvormende schakeling, welke uit deze signalen de orthogonale componenten 1^, van het door de N ontvangketens te samen, volgens een met een specifiek elevatieinterval corresponderend ontvangstbundelpatroon k, bepaalde videosignaal afleidt, 20 waarbij k = 0, 1, 2, ,.., N-1, en deze over het desbetreffende uitgangs-kanaal k van de bundelvormende schakeling afgeeft, het tweede ontvangkanaal is voorzien van N ontvangers, waarvan elk is verbonden met een corresponderende ontvangantenne, alsmede van een op deze ontvangers aangesloten bundelvormende schakeling, welke uit de van 25 de N ontvangers afkomstige signalen een volgens een bepaald ontvangstbundelpatroon bepaald echosignaal afleidt en van een signaalverwer-kingsketen voor het verwerken van laatstgenoemd echosignaal tot in twee orthogonale componenten fasegevoelig gedetecteerde en gedigitaliseerde videosignalen I, Q, terwijl voorts een videoverwerkings-30 eenheid aanwezig is, ter verdere verwerking van de hieraan toegevoerde signalen 1^, en I, Q.

2. Impulsradarapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de tot het tweede ontvangkanaal behorende ontvangers tevens deel uitmaken van de tot het eerste ontvangkanaal behorende ontvang-35 ketens. 8301568 - 9 -

3. Impulsradarapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de tot het tweede ontvangkanaal behorende bundelvormende schakeling werkzaam is op middenfrequentbasis.

4-. Impulsradarapparaat volgens conclusie 3, met het kenmerk, 5 dat de zendimpulsen van relatief lange duur frequentiegemoduleerd zijn en het tweede ontvangkanaal een op de bundelvormende schakeling aangesloten impulscompressiefliter omvat.

5. Impulsradarapparaat volgens conclusie 1 of 4, met het kenmerk, dat de zendimpulsen van relatief korte duur frequentie- 10 gemoduleerd zijn en elk der tot het eerste ontvangkanaal behorende ontvangketens een impulscompressiefilter omvat.

6. Impulsradarapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de impulsen van relatief lange duur slechts worden uitgezonden in geselecteerde azimuthsectoren.

7. Impulsradarapparaat volgens conclusie 1, 4 of 5, met het kenmerk, dat de centerfrequentie van de impulsen van relatief lange duur en die van de impulsen van relatief korte duur gelijk zijn.

8. Impulsradarapparaat volgens conclusie 6 en 7, met het kenmerk, dat het ontvangantennesysteem is voorzien van een omni- 20 antenne en een Jiierop aangesloten ontvanger, alsmede schakel- middelen met behulp waarvan buiten de geselecteerde azimuthsectoren het uitgangssignaal van laatstgenoemde ontvanger aan de signaal-verwerkingsketen wordt toegevoerd, terwijl het van de tot het tweede ontvangkanaal behorende bundelvormende schakeling afkomstige 25 signaal hieraan binnen de geselecteerde azimuthsectoren wordt toegevoerd.

9, Impulsradarapparaat volgens conclusie 5 en 8, met het kenmerk, dat tussen de op de omniantenne aangesloten ontvanger en de schakelmiddelen een impulscompressiefilter voor de impulsen van 30 relatief korte duur aanwezig is. 83Ö1568