NL9200837A

NL9200837A - Radarapparaat.

Info

Publication number: NL9200837A
Application number: NL9200837A
Authority: NL
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1993-12-01
Also published as: US5329284A; DE69314535D1; CA2095498A1; JPH0634753A; AU653290B2; AU3831393A; DE69314535T2; EP0570059B1; JP3219221B2; EP0570059A1

Description

Radarapparaat

De uitvinding heeft betrekking op een radarapparaat omvattende zendermiddelen voorzien van een zendgenerator voor het genereren van een met een frequentiezwaaisnelheid gemoduleerde zendpuls en een met dezelfde frequentiezwaaisnelheid gemoduleerd referentiesignaal; ontvangermiddelen voorzien van een mengtrap voor het genereren van een heterodyne signaal uit de gereflecteerde zendpuls en het referentiesignaal, een dispersief vertragingselement voor het frequentleafhankelijk vertragen van het heterodyne signaal; en een van een weegfunctie voorziene Fourier transformatie-eenheid voor het transformeren van het vertraagde heterodyne signaal.

Een radarapparaat van deze soort is bekend uit het octrooischrift US-A 4,912,472. Het betreft daar een radarapparaat dat lineair frequentiegemoduleerde pulsen uitzendt met een duty cycle van 50%, waarbij ontvangen echopulsen worden verwerkt op een wijze zoals gebruikelijk bij een FMCW radar door ze in ontvangermiddelen te mengen met een referentiesignaal en het verkregen heterodyne signaal te digitaliseren, te wegen en Fourier te transformeren. Een niet gelijktijdig arriveren van ontvangen echopulsen ten gevolge van looptijdverschillen wordt opgelost door in de ontvangermiddelen een dispersief vertragingselement op te nemen. Doordat zowel de looptijd van een echopuls als ook de frequentie van het heterodyne signaal, lineair afhangen van de afstand tussen het radarapparaat en het doel dat de echopuls veroorzaakt, kan een dispersief vertragingselement met een geschikt gekozen dispersiviteit inderdaad de looptijdverschillen compenseren.

Een nadeel van de signaalverwerking in het bekende radarapparaat is dat enige vervorming van het heterodyne signaal, waar ook ontstaan, na Fourieranalyse aanleiding kan geven tot het ontstaan van valse doelen.

Het radarapparaat volgens de uitvinding tracht dit bezwaar op te heffen en heeft als kenmerk, dat is voorzien in correctiemiddelen voor het corrigeren van vervorming van het heterodyne signaal.

Genoemde vervorming blijkt in hoofdzaak te ontstaan bij het doorlopen van het dispersief vertragingselement door het heterodyne signaal. De vervorming is echter geheel voorspelbaar en hangt uitsluitend af van de pulslengte, de dispersiviteit van het dispersief vertragingselement en van een tapering, aangebracht bij de zendpuls.

Een eerste gunstige uitvoeringsvorm van het radarapparaat volgens de uitvinding heeft daarom als kenmerk, dat de correctiemiddelen omvatten een deling van de weegfunctie door een eerste functie die de vervorming van het heterodyne signaal in het dispersief vertragingselement beschrijft.

Een tweede, zeer gunstige uitvoeringsvorm van het radarapparaat volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat de correctiemiddelen omvatten een deling van de weegfunctie door een tweede functie die de vervorming van de zendpuls in de zendermiddelen en van het heterodyne signaal in het dispersief vertragingselement beschrijft. De inventieve gedachte hierbij is dat, waar het eenmaal noodzakelijk is te voorzien in correctiemiddelen, tevens de vervorming van de zendpuls in rekening kan worden gebracht. Omdat deze laatste vervorming kan worden beïnvloed door tijdafhankelijke parameters, bijvoorbeeld de temperatuur van de zendermiddelen, is een verder kenmerk van deze uitvoeringsvorm dat is voorzien in middelen voor het analyseren van een in de zendermiddelen en het dispersief vertragingselement vervormd signaal voor het verkrijgen van de tweede functie.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de volgende figuren, waarin

Fig. 1 een blokschema van een radarapparaat volgens de uitvinding weergeeft;

Fig. 2 een mogelijke zendpuls en een mogelijk referentiesignaal in een radarapparaat volgens de uitvinding weergeeft;

Fig. 3 een mogelijke frequentiezwaaikeuze van het radarapparaat weergeeft.

In een pulsradarapparaat wordt de afstand van een doel bepaald in het tijddomein, als een vertraging tussen een uitgezonden puls en een ontvangen echopuls. In een lineair FMCW radarapparaat wordt die afstand bepaald in het frequentiedomein, als een frequentieverschil tussen een uitgezonden signaal en een ontvangen echosignaal. Door dit heterodyne signaal Fourier te transformeren wordt een radar-signaal verkregen dat feitelijk overeenstemt roet het radarsignaal van een pulsradarapparaat en dat geschikt is voor het aansturen van een voor pulsradar ontworpen radardisplay of een trackcomputer.

Fig. 1 is een blokschema van een radarapparaat volgens de uitvinding, dat kenmerken vertoont van een FMCW radarapparaat en van een pulsradarapparaat. Een zendgenerator 1 genereert een zendpuls die wordt toegevoerd aan antennemiddelen 2. De zendpuls heeft een tijdsduur Tp en een lineaire frequentiemodulatie met een bandbreedte B. Zendgenerator 1 genereert tevens een referentiesignaal met een lineaire frequentiemodulatie waarvan de frequentiezwaaisnelheid overeenstemt met die van de zendpuls, welk referentiesignaal wordt toegevoerd aan een eerste ingang van mengtrap 3. Echosignalen worden ontvangen door antennemiddelen 2 en toegevoerd aan een tweede ingang van mengtrap 3. Het referentiesignaal heeft een tijdsduur T' met T ' = kT, k > 1 en een bandbreedte B' = kB. Zendpuls en referentiesignaal worden periodiek gegenereerd en starten steeds gelijktijdig. Heterodyne signalen aan de uitgang van mengtrap 3 zullen eveneens kenmerken vertonen van zowel een pulsradarapparaat als van een FMCW radarapparaat.

Zo zal een heterodyne echosignaal door de tij dvertraging de afstand tot het doel bevatten, maar ook de frequentie van het echosignaal zal deze informatie bevatten. Als de zendpuls en het referentie-signaal in wezen identiek zijn en het referentiesignaal alleen langer duurt, zijn zowel de tijdvertraging als ook de frequentie evenredig met de afstand.

Volgens de in de inleiding genoemde stand der techniek is het voordelig de heterodyne signalen door een dispersief vertragings-element 4 te leiden, waarvan de dispersiviteit dusdanig is gekozen dat de tijdvertragïngen voor verschillende echosignalen worden gecorrigeerd. Alle echosignalen verlaten dan gelijktijdig het dispersief vertragingselement 4 en worden toegevoerd aan een van een weegfunctie voorziene Fourier transformatie-eenheid 5. Op die wijze wordt een processing, zoals te doen gebruikelijk bij een FMCW radarapparaat, toegepast bij een pulsradarapparaat. Het aldus verkregen radarsignaal blijkt echter minder geschikt voor het aansturen van een radardisplay of een trackcomputer doordat het is verstoord door tijdzijlussen, die op het radarscherm valse echo's doen ontstaan. De voornaamste oorzaak hiervoor is gelegen in een vervorming van het heterodyne signaal in dispersief vertragingselement 4.

Stel het ingangssignaal van het dispersief vertragingselement is een signaal f(t) met een hoekfrequentie ω* en een pulslengte T^; dan

(1) waarin

(2)

Hierin geeft

(3) de tapering en geldt

(4)

Het spectrum van deze puls is

(5)

A

(6) (7)

Het ingangssignaal kan nu worden geschreven als

<8)

Voor het dispersieve vertragingselement 4 nemen we aan dat een harmonisch ingangssignaal met een hoekfrequentie ω een vertraging van Ηαω zal ondervinden, waarbij a de dispersiviteit van disper-sief vertragingselement 4 representeert.

Een ingangssignaal

geeft dus een uitgangssignaal ejw(t_iSQW)

Ons ingangssignaal f(t) resulteert dan in een uitgangssignaal

(9) waarin

(10)

Wat we zien als we (1) en (9) vergelijken is i) een faseverschuiving van

ii) de pulsvorm p^ verandert in q^.

iii) een vertraging van αω*.

Het eerste effect is van geen belang. Het derde effect is het effect dat we beoogden. Het tweede effect introduceert een rimpel die de pulscompressie nadeling beïnvloedt.

Een simpele berekening laat zien dat:

CU) waarin F de Fresnelintegraal is

(12)

De rimpel is dus een zogenaamde Fresnelrimpel.

Uit (11) volgt dat de rimpel alleen afhangt van de pulslengte, de dispersiviteit van dispersief vertragingselement 4 en eventueel een gekozen tapering van de zendpuls. Het is dan ook mogelijk een radarsignaal te verkrijgen geschikt voor de aansturing van een radarscherm of een trackcomputer door een correctie aan te brengen voor deze rimpel. Een voor de hand liggend moment om dit te doen is tijdens de weging van de echosignalen voordat ze aan Fourier transformatie-eenheid 5 worden toegevoerd. Men kan daartoe de weegfunctie delen door q^(t).

In een eerste gunstige uitvoeringsvorm van een radarapparaat volgens de uitvinding wordt een zendpuls uitgezonden met een frequentiezwaai van 1 Mc/s in 100 psec, De startfrequentie van het referentiesignaal wordt 16 Mc/s lager gekozen dan de startfrequentie van de zendpuls, de frequentiezwaai is 7 Mc/s in 700 psec. Eén en ander is ter illustratie aangegeven in Fig. 2.

Doelen op zeer geringe afstand zullen dan heterodyne signalen van 16 Mc/s produceren, op 15 km afstand 15 Mc/s, op 30 km afstand 14 Mc/s, enz. Een dispersief vertragingselement 4 kan worden gerealiseerd in op zich bekende imcon technologie, met de parameters: bandbreedte 5 Mc/s dispersiviteit 500 psec center frequentie 12,5 Mc/s weging geen.

Worden de hierboven genoemde heterodyne signalen aan dit dispersief vertragingselement 4 toegevoerd, dan zullen echo's van doelen tussen 15 taa en 90 km gelijktijdig aan de uitgang van het dispersief vertragingselement 4 verschijnen, in een tijdvenster van 100 /isec. Met een in de Fourier transformatie-eenheid 5 opgenomen quadratuur-detector, voorzien van een 12,5 Mc/s referentiesignaal, wordt dan een quadratuurvideo geproduceerd en vervolgens met twee A/D converters bemeten met een klokfrequentie van 5 Mc/s, De 500 20 verkregen complexe samples worden vervolgens gewogen met een cos2 weging, welke is voorzien van een inverse Fresnel rimpel, berekend met formule (11) onder toepassing van de bovenbeschreven parameters. Vervolgens wordt met een 512 punts FFT Fourier getransformeerd, resulterend in 512 rangequants.

Het radarapparaat kan worden voorzien van een STC, zoals gebruikelijk bij een pulsradarapparaat. Zo'n STC zal dan onvermijdelijk pulsvervorming en dus tijdzijlussen veroorzaken. Gunstiger is het, zoals gebruikelijk bij een FMCW radarapparaat, de STC in het frequentiedomein te realiseren. Men kan hiertoe de frequentie-karakteristiek van een versterker, bijvoorbeeld aangebracht tussen mengtrap 3 en het dispersief vertragingselement 4 zodanig kiezen dat een verzwakking voor nabije, dus hoogfrequente doelen wordt verkregen. Ook kan men het dispersief vertragingselement 4 voorzien van een weging die de STC in het frequentiedomein realiseert.

Een tweede gunstige uitvoeringsvorm van het radarapparaat is weergegeven in fig. 3 en beoogt een toepassing van de uitvinding waarbij ook vervorming van de zendpuls wordt gecorrigeerd. De zendpuls zal doorgaans droop en ripple vertonen en zal bovendien vaak een tapering bezitten die afhangt van de mate van verzadiging van een zendereindtrap in zendgenerator 1.

Het radarapparaat is hiertoe uitgerust met een schakelaar SI die tijdens operationeel gebruik antennemiddelen 2 met mengtrap 3 verbindt, maar die tijdens een systeemcalibratie een calibratiepuls, afkomstig van zendgenerator 1 aan mengtrap 3 toevoert. De calibratiepuls is afgeleid van de zendpuls en is zodanig verzwakt dat een overbelasting van mengtrap 3 niet optreedt. De startfrequentie van de zendpuls wordt tijdens een systeemcalibratie bovendien zodanig verlaagd, dat het hiervan afgeleide heterodyne signaal binnen het doorlaatgebied van dispersief vertragingselement 4 komt te liggen. De calibratiepuls genereert op deze wijze een kunstdoel. In deze uitvoeringsvorm is de Fourier transformatie-eenheid voorzien van een digitale signaalprocessor, die bovendien de weging verzorgt; een uitvoeringsvorm die welbekend is in het vakgebied. Bijzonder is echter, dat tijdens de systeemcalibratie een calïbratieprogramma door de digitale signaalprocessor wordt uitgevoerd, welk calïbratieprogramma de vervorming van het van de calibratiepuls afkomstige heterodyne signaal bepaalt en een weegfunctie genereert die deze vervorming opheft. Dit kan, want de vervorming komt enerzijds voort uit de zendgenerator en is dus voor alle doelen gelijk, anderzijds uit het dispersief vertragingselement 4 en is dus, overeenkomstig formule (11), ook voor alle doelen gelijk. Door op deze wijze periodiek een systeemcalibratie uit te voeren wordt een radarapparaat verkregen met gunstige tijdzijlussen, geschikt voor het aansturen van een radardisplay of een trackcomputer.

Voor toepassingen waarbij het radarapparaat dopplertolerant dient te zijn, is het van belang de Fresnelrimpel klein te maken, omdat een van een bewegend doel afkomstig heterodyne signaal enigszins in tijd verschoven het dispersief vertragingselement verlaat, zodat Fresnelrimpel en inverse Fresnelrimpel niet precies overeenstemmen. Het aanbrengen van een tapering bij de zendpuls is dan het aangewezen middel, zoals blijkt uit formule (11).

Claims

1. Radarapparaat omvattende zendermiddelen voorzien van een zendgenerator voor het genereren van een met een frequentiezwaai-snelheid gemoduleerde zendpuls en een met dezelfde frequentie-zwaaisnelheid gemoduleerd referentiesignaal; ontvangermiddelen voorzien van een mengtrap voor het genereren van een heterodyne signaal uit de gereflecteerde zendpuls en het referentiesignaal, een dispersief vertragingselement voor het frequentieafhankelijk vertragen van het heterodyne signaal; en een van een weegfunctie voorziene Fourier transformatie-eenheid voor het transformeren van het vertraagde heterodyne signaal, met het kenmerk, dat is voorzien in correctiemiddelen voor het corrigeren van vervorming van het heterodyne signaal.

2. Radarapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de correctiemiddelen een modificatie van de weegfunctie omvatten.

3. Radarapparaat volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de correctiemiddelen omvatten een deling van de weegfunctie door een eerste functie die de vervorming van het heterodyne signaal in het dispersief vertragingselement beschrijft.

4. Radarapparaat volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de correctiemiddelen omvatten een deling van de weegfunctie door een tweede functie die de vervorming van de zendpuls in de zendermiddelen en van het heterodyne signaal in het dispersief vertragingselement beschrijft.

5. Radarapparaat volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat is voorzien in middelen voor het analyseren van een in de zendermiddelen en het dispersief vertragingselement vervormd signaal voor het verkrijgen van de tweede functie.

6. Radarapparaat volgens conclusie 5, waarbij de Fourier transformatie-eenheid van een digitale signaalprocessor is voorzien, met het kenmerk, dat de middelen voor het analyseren van een vervormd signaal worden gevormd door de digitale signaalprocessor.

7. Radarapparaat volgens conclusie 5 of 6, met het kenmerk, dat de zendermiddelen zijn voorzien van middelen voor het genereren van een calibratiepuls en de ontvangermiddelen van een ingangsorgaan voor de injectie van de calibratiepuls.

8. Radarapparaat volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de frequentie van de calibratiepuls zodanig is gekozen dat de frequentie van een van de calibratiepuls verkregen heterodyne signaal binnen een doorlaatgebied van het dispersief vertragings-element ligt.

9. Radarapparaat volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de middelen voor het analyseren van een vervormd signaal gelijktijdig met de calibratiepuls geactiveerd worden.

10. Radarapparaat volgens één der conclusies 1 t/m 9, met het kenmerk, dat de ontvangermiddelen zijn voorzien van een STC, gerealiseerd in het frequentiedomein.

11. Radarapparaat volgens één der conclusies 1 t/m 10, met het kenmerk, dat de zendpuls is voorzien van een tapering.