NO166056B - Radar-anordning. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en radar-anordning for å bestemme avstanden til et bevegelig mål, hvilken radar-anordning er av den type som angis i den innledende del av patentkrav 1.

En anvendelse av en slik anordning er til utløsning

av nærhetsbrannrør ved liten avstand fra deres mål.

Det er allerede kjent forskjellige typer anordninger

av denne art. En første type består av pulsradar-anordninger hvor avstandsmålingen foretas ut fra den tid som bølgen tar for å nå målet og å vende tilbake. For korte distanser er denne anordning ikke hensiktsmessig fordi de tider som skal måles, er for korte.

En annen utførelse består av anordninger av typen radiohøydemåler hvor den utsendte bølge er en lineært frekvens-modulert bølge, idet frekvensforskyvningen av de signaler som sendes resp. mottas, gir indikasjonen på avstanden. Disse kjente anordninger er ikke beregnet for den her påtenkte anvendelse,

dvs. for bruk som utløsningsinnretning. I virkeligheten bør et nærhetsbrannrør utløses når det er tilstrekkelig nær målet. Anordninger ifølge den førstnevnte utførelse er således ikke eg-net for denne anvendelse idet de avstander som skal måles, er for korte. Når det gjelder anordninger av den annen utførelse, ansees disse å være for kostbare i denne anvendelse.

Foreliggende oppfinnelse går derfor ut på å foreslå

en anordning av den innledningsvis angitte art, mer spesielt innrettet til å utløse nærhetsbrannrør og som ikke er beheftet med de mangler og ulemper som kjente anordninger har.

I dette øyemed består de nye og særegne trekk ved en radioelektrisk anordning for måling av avstanden til et bevegelig mål, i det som fremgår av den karakteriserende del av patentkrav

1. Senderen er en oscillator for kontinuerlige eller udempede bølger, og det er anordnet en blandekrets for å levere svevnings-eller støtfrekvensen mellom den utsendte bølge og den reflekterte bølge, en logaritmisk forsterker hvis inngang er forbundet med utgangen av blandekretsen og en målekrets for inkrementet av ekstrem- eller maksimalverdiene av utgangssignalene fra den logaritmiske forsterker for på dennes utgang å avgi en avstands-indikasjon eller angivelse. Det er meget gunstig å dra nytte av Doppler-effekten som bevirker en modulasjon av utgangssignalet fra blandekretsen. Anvendelse av en logaritmisk forsterker gjør det mulig å etablere en relasjon som knytter differansen i maksimalverdien av den modulerte bølge på dennes utgang, til avstandsverdien, idet de øvrige parametre så som antenne-vinding, utsendt effekt, refleksjonskoeffisient for målet, ikke inngår i denne relasjon.

På denne måte blir den fordel oppnådd at den utførte måling ikke blir forstyrret av feil som f.eks. skyldes målets refleksjonskoeffisient eller variasjoner i anordningens kompo-nentparanietre .

Den følgende beskrivelse som ikke skal ansees be-grensende, tjener til nærmere forklaring av hvordan oppfinnelsen kar. realiseres i praksis.

Figur 1 viser en radioelektrisk anordning for måling av distansen til et mål,

f.inur 2 viser responskurven for en logaritmisk forsterker som

anvendes i anordningen,

figur 3 viser forløpet av utgangssignalet fra den logaritmiske forsterker og forskjellige signaler som er tilstede i den inkrementmålekrets som er vist mer detaljert på figur 4.

Figur 5 viser en måleanordning for målavstand i henhold til oppfinnelsen og mer spesielt beregnet for utløsning av et nærhetsbrannrør,

figur 6 viser i detalj en inkrementmålekrets for anordningen på figur 5.

Den anordning som er vist på figur 1, omfatter en sende-antenne 1 beregnet til i rommet å utsende en bølge levert fra en sender 2. Denne bølge rettes mot et mål 3 som gir refleksjon av bølgen.. Dette mål 3, som er beliggende i en avstand d fra måleanordningen nærmer seg denne med en hastighet V slik som antydet med en pil på figur 1. Den reflekterte bølge blir så oppfanget av en mottagerantenne 4. Avstandsangivelsen leveres på en utgangsklemme 5.

I henhold til denne oppfinnelse er det et spesielt trekk ved måleanordningen for avstanden til et bevegelig mål 3, at senderen 2 er en oscillator for rent kontinuerlige bølger og at det er anordnet en blandekrets 6 hvis ene inngang er forbundet med utgangen av mottagerantennen 4 og hvis annen inngang er forbundet med utgangen fra senderen 2 gjennom en koblings-enhet 7. Videre er det anordnet en logaritmisk forsterker 8 som er forbundet med utgangen av blandekretsen 6, en inkrementmålekrets 9 for utgangssignaler fra den logaritmiske forsterker for på klemmen 5 å avgi en indikasjon eller angivelse av distansen d.

En slik anordning er spesielt velegnet i tilfelle av at målet er jordoverflaten.

Det skal her først minnes om radar-ligningen med hensyn til jordoverflaten:

hvor: Pr er den mottatte effekt ved mottager-antennen,

Pe er den effekt som utsendes av senderantannen, er den utsendte bølgelengde,

Gr er antennevindingen i mottagerantennen,

Ge er antennevindingen i senderantennen,

R 2er refleksjonskoeffisienten pa jordoverflaten

med hensyn til effekt,

d er høyden over jordoverflaten.

Da den videre behandling skal foretas med hensyn på spenning, omformes ligning (1) til ligning (2):

hvor: i disse to relasjoner er k en konstant

I denne formel (2) representerer ivr] absolutt-verdien av en mottatt spenning Vr som har en frekvens forskjel-lig fra frekvensen av det utsendte signal, idet størrelsen av differansen er A f^, hvilken størrelse A f^ skyldes Doppler-effekten. Det er kjent at: slik at det på utgangen av blandekretsen opptrer en bølge V"M som kan skrives:

hvor k<1> og 0 er konstanter hvis verdier avhenger av blandekretsen 6 og hvor t er den variable tid.

Man interesserer seg her bare for ekstrem- eller maksimalverdiene av VM,, slik at det er lett å bestemme absolutt-verdien av V . I det foreliggende tilfelle tas maksimalverdien av størrelsen V...

M

Responskurven for forsterkeren 8 er vist på figur

2, hvor denne kurve er oppdelt i tre partier Pl, P2 og P3. Partiet Pl og partiet Pl' som er vist streket, representerer en logaritmisk respons, mens partiene P2 og P3 er på det nærmeste rette linjesegmenter. Ved en høy inngangsspenning vg kan responsen av forsterkeren 8 skrives som:

hvor vs er spenningen på utgangen av denne forsterker og hvor vQ og vL er konstanter avhengige av komponentene i forsterkeren 8.

Når man bare er interessert i maksimalverdiene av VM, skal partiet Pl av responskurven tas i betraktning, og til disse verdier VM vil det på utgangen av forsterkeren 8 opptre tilsvarende spenninger VgM:

Det skal nå undersøkes hvordan disse verdier V sM,, fremkommer. Disse verdier VgM opptrer i takt med svevnings- eller støt-er 1 frekvensen, dvs. de^adskilt med et tidsintervall lik j-f— , men under dette tidsintervall har målet nærmet seg med en distanse Ad slik at: idet enhver variasjon av &d medfører en variasjon Lv^ slik at: hvilken relasjon blir oppnådd ved derivasjon av formelen (6) hvorav

Det vil bemerkes at i denne formel inngår ikke de forskjellige faktorer så som: r som er målets refleksjonskoeffisient V e som ang3ir den utsendte effekt

Gr, Ge som er antennevindingene.

Kjennskap til verdien av X og kjennskap til verdien av VQ gjør det alene mulig å bestemme d ut fra variasjonene i minimumsverdiene av utgangsspenningen fra forsterkeren 8.

Den logaritmiske forsterker 8 som er vist på figur

1, er bygget opp rundt en operasjonsforsterker 12 hvis pluss-inngang er forbundet med jord eller masse, mens den annen inngang eller minus-inngangen er forbundet for det første med anoden på en diode 13 og for det annet med en motstand 14 hvis annen ende er forbundet med utgangen av blandekretsen 6.

En slik forsterkerkrets avgir en utgangsspenning vg for en

gitt inngangsspenning bestemt av:

hvor 1 ser den inverse metningsstrøm for dioden 13

k„ er Boltzmann's konstant

o

T er absolutt temperatur

q er elektronets ladning.

Denne relasjon (9) er bare gyldig for partiene

Pl og P2 på responskurven (figur 2). Når spenningen vg blir for meget negativ, vil utgangsspenningen fra forsterkeren 8

nå metningsspenningen vsat-

Inkrementmålekretsen 9 som er vist mer i detalj på figur 4, består av en diode 20 hvis katode er forbundet med inngangen til denne krets 9 og hvis anode er forbundet med en første klemme på en kondensator 21 hvis annen klemme er forbundet med jord. Denne kondensator 21 kan utlades ved hjelp av en spenningsstyrt bryter 22 som er koblet parallelt med kondensatoren. Denne kondensator har til formål å magasinere den minste spenning i hver negativ halvperiode av spenningen vg som er vist som funksjon av tiden på første linje i figur 3. I dette øyemed må kondensatoren utlades før denne negative verdi opptrer, idet utladningstidspunktene ti, t2, t3 (se figur 3) er definert ved de tidspunkter da spenningen vg passerer fra en positiv verdi til en negativ verdi, dvs. ved begynnelsen av hver negativ halvperiode. For å bestemme disse tidspunkter brukes det på den ene side en komparator 23 og på den annen side en derivasjonkrets 24 idet komparatoren 23 på sin utgang avgir et logisk signal A som antar verdien "1" hvis spenningen vg er positiv og verdien "0" hvis den er negativ. Derivasjonskretsen 2 4 leverer et signal B som antar verdien "1" for å indikere at spenningen vgavtar. Når det opptrer et "l"-signal på utgangen av en OG-port 23 hvis ene inngang er forbundet med utgangen av derivasjonskretsen 24, og hvis annen inngang er forbundet med utgangen av komparatoren 23 gjennom en inverteringskrets 26, tilsvarer dette ett av tidspunktene ti, t2, t3. En derivasjonskrets 27 leverer på sin utgang et signal D som opptrer i form av en positiv puls med kort varighet, og det er denne puls som bevirker lukning av bryteren 22.

Den spenning som er lagret i kondensatoren 21, blir så overført vekselvis til en av kondensatorene 28 og 29 i tids-punktet t4, t5, t6 (figur 3) svarende til avslutningen av de negative halvperioder. De første klemmer på disse kondensatorer er forbundet med jord mens den annen klemme på kondensatoren 28 er forbundet med den første klemme på kondensatoren 21 gjennom en spenningsstyrt bryter 30 og en spenningsforsterker 31 som har en spenningsforsterkning f.eks. lik 1. Den annen klemme på

kondensatoren 29 er forbundet med utgangen av forsterkeren 3 gjennom en spenningsstyrt bryter 32. For å bestemme tidspunktene t4, t5, t6 brukes det i tillegg til komparatoren 23 en derivasjonskrets 3 3 som leverer et logisk signal C. Verdien "1" av dette logiske signal betegner at spenningen vg øker. Når det opptrer logiske signaler "1" på utgangen av en OG-port 34 hvis innganger er forbundet henholdsvis med utgangen av komparator- eller sam-

menligningskretsen 23 og med derivasjonskretsen 33, tilsvarer dette slutten av de negative haJ.vperioder av spenningen v s.

Hver gang det opptrer logiske signaler "1", bevirkes det om-stilling av en vippekrets 35 av typen T slik at det veksel-

vis på utgangene Q og Q fra denne vippekrets opptrer en over-gang av logisk signal fra "0" til "1". Disse overganger i positiv retning bevirker positive pulssignaler E og F som leveres henholdsvis av en derivasjonskrets 36 og en derivasjonskrets 37 hvis innganger er forbundet med utgangene Q og Q fra vippekretsen 35. Disse positive pulser bestemmer tidspunktene for lukning av bryterne 30 og 32. En differensialforsterker 38 hvis innganger er forbundet med de andre klemmer på kondensatorene 28 og 29, leverer således på sin utgang en indikasjon av verdien av Avg. Som følge av oppladningen av kondensatorene 28 og 29 i tur og orden og for en gitt Avg som fremkommer ved hver negativ halvperiode av signalet v , ville det fremkomme en indikasjon hvis fortegn likeledes skiftet ved hver halvperiode, slik at det er anordnet en kommutatorinnretning for å sørge for at den spenning som er tilstede på klemmen 5, representerer verdien Avg både med hensyn til størrelse og fortegn. Denne kommutator-innretning består av to spenningsstyrte brytere 3 9 og 4 0 som på den ene side er forbundet med utgangen av differensialforsterkeren 38 og hvis styreinnganger er forbundet henholdsvis med utgangen Q og utgangen Q på vippekretsen 35.

Den annen side av bryteren 39 er forbundet med klemmen 5 gjennom en forsterker 41 med forsterkning lik "-1", mens den annen side av bryteren 40 er koblet direkte til klemmen 5. På klemmen 5

får man således en spenning hvis absoluttverdi tilsvarer verdien av distansen d og hvis fortegn angir om målet nærmer seg eller fjerner seg fra måleanordningen.

Når måleanordningen ifølge oppfinnelsen anvendes som utløsningsinnretning for nærhetsbrannrør, kan utførelsen forenkles. På figur 5 er det vist et blokkskjerna for en anordning beregnet til utløsning av et nærhetsbrannrør. I dette skjema er de elementer og komponenter som tilsvarer elementer og komponenter på de foregående figurer, betegnet med samme henvisnings-tall. Henvisningstallet 50 viser en oscillator/blande-krets som på sin utgang direkte avgir blandingen av den bølge som den ut-sender og den som den mottar. Det er bare nødvendig med en enkelt antenne 51 for å sende og å motta. Inkrementmålekretsen tor de minimumsverdier av spenningene som opptrer på utgangen av forsterkeren 8, kan forenkles betydelig på grunn av at målet alltid nærmer seg i forhold til måleanordningen. Denne inkrementmålekrets som på figur 5 er betegnet 9' er vist i detalj på figur 6 sammen med en terskelverdikomparator 52 som for en viss verdi av Avg og følgelig derfra for en viss avstand d, leverer en utløs-ningsspenning på sin utgangsklemme 53.

Efterhvert som avstanden d avtar, vil spenningene vg bli mer og mer negative. To kondensatorer 60 og 61 blir i tur og orden oppladet til den minste spenning i hver halvperiode av spenningen v . I dette øyemed er de første klemmer på disse kondensatorer forbundet med inngangen på målekretsen 9' gjennom dioder 62, 63 og spenningsstyrte brytere 64, 65. For vekselvis eller i tur og orden å åpne og lukke bryterne 64 og 65 anvendes en komparator 6 6 som ved hver begynnelse av den negative halvperiode av signalet vg på sin utgang avgir et logisk signal som går fra den logiske verdi "1" til den logiske verdi "0". Disse overganger i negativ retning bevirker tilstandsendring i en vippekrets 67 av type T. Det er signalene på utgangene Q og Q fra denne vippekrets som styrer bryterne 64 og 65. En differensialforsterker 68 avgir på sin utgang en spenning hvis absoluttverdi angir avstanden til målet. Komparatoren 52 leverer utløsningssignalet til klemmen 53 fra det tidspunkt av da verdiene Avs overskrider en viss terskel som representerer den avstand ved hvilken brannrøret bør eksplodere. Denne komparator dannes av to operasjonsforsterkere 69 og 70 hvor minus-inngangen på forsterkeren 69 og pluss-inngangen på forsterkeren 70 er forbundet med utgangen av differensialforsterkeren 68. Pluss-inngangen på forsterkeren 69 er forbundet med en positiv spenningskilde 71 som leverer en referansespenning hvis verdi avhenger av den ønskede terskel, mens minus-inngangen på forsterkeren er forbundet med en negativ spenningskilde 72 hvis verdi også avhenger av den ønskede terskel. Utgangene av disse

forsterkere 69 og 70 er forbundet med de respektive katoder på dioder 73 og 74. Anodene på disse dioder er forbundet med ut-gangsklemmen 53. En motstand 75 er også koblet mellom klemmen 53 og jord. Med ^ ref betegnes potensialdifferansen på klemmene for kildene 71 og 72. Hvis Av„ er slik at: -v f < Av s < + v c

^ s ref s ref vil spenningene på utgangene av forsterkerne 69 og 70 være posi-tive slik at diodene 73 og 74 er blokkert, og spenningen på klem-

men 53 er lik null. Hvis Avg > vre£ er spenningen på utgangen av forsterkeren 69 negativ og dioden 73 blir ledende, hvilket betyr at spenningen på klemmen 53 blir negativ. Den samme situa-sjon gjenfinnes hvis ~Avg < -vref men ^ dette tilfelle er det dioden 74 som blir ledende på grunn av at den spenning som leveres av forsterkeren 70 blir negativ.

Claims (3)

1. Radar-anordning for bestemmelse av avstanden til et bevegelig mål (3), ved benyttelse av Doppler-effekten, med minst en sende- og en mottakerantenne (1, 4), med en sender (2) som leverer et kontinuerlig (CV) signal og med en blandekrets (6) som en del av sendersignalet og det mottatte signal etter refleksjon mot målet (3), overlagres (9), og etter hvilken en logaritmisk forsterker (8) er innkoplet, karakterisert ved at en inkrementmålekrets (9) følger etter den logaritmiske forsterker (8), hvilken inkrementmålekrets (9) bestemmer forskjellen Avs mellom etter hverandre følgende ekstremverdier med samme fortegn for utgangssignalet fra den logaritmiske forsterkeren (8) , og avgir et signal som er proporsjonalt med avstanden d, i henhold til formelen hvor v0 er en apparatkonstant for den logaritmiske forsterker (8) og X er sendersignalets bølgelengde.

2. Radar-anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at inkrementmålekretsen (9) består av : en første kondensator (21) som er forbundet via en diode (20) med utgangen fra den logaritmiske forsterker (8) og er periodisk oppladbar til de på hverandre følgende ekstremverdier og utladbar over en styrt bryter (22), en andre kondensator (28) som kan koples til den første kondensator (21) via en andre styrt bryter (30) for å overta den lagrede ekstremverdi fra den nevnte første kondensator (21) , en tredje kondensator (29) som kan koples til den første kondensator (21) via en tredje styrt bryter (32) og overtar den neste lagrede ekstremverdi fra den nevnte første kondensator (21) , og en differensialforsterker (38) hvis innganger er forbundet henholdsvis med den annen og den tredje kondensator (28 , 29) .

3. Radar-anordning ifolge krav 1, karakterisert ved at inkrementmålekretsen (9') består av en første omhylningsdetektor (60, 62) og en andre omhylningsdetektor (61, 63), hvor omhylningsdetektorene (60, 62; 61, 63) kan koples vekselvis via en kommuterings-innretning (64 - 67) til utgangen fra den logaritmiske forsterker (8) forut for opptreden av en ekstremverdi, og at en differensialforsterker (68) følger etter omhylningsdetektorene (60, 62; 61, 63), hvilken differensialforsterker (68) er forbundet med en terskelverdikomparator (52) hvis utgang (53) leverer et tennings-signal.