SE418018B - Forfarande att i en foljeradar astadkomma stort entydighetsavstand for detekterade mal medelst radarpulser med hog repetitionsfrekvens - Google Patents

Description

7903653-9 10 REDOGÖRELSE FÖR URPFINNINGEN Såsom det i korthet berörts ovan, är radarns PRF, repetitionsfrekven- sen hos de utsända pulserna, avgörande för entydig beräkning av det j mål radarn skall följa, exempelvis vad gäller avstånd, vinkelläge el- ler hastighet. Är målet beläget inom ett visst kort avstånd frân anf tennen kan ett relativt högt värde på radarns PRF väljas utan att risk för flertydighet uppkommer; medan om mâlavstândet är_Lângt; ett tillf räckligt Lågt värde pâ PRF mäste väljas¿ Närmare bestämt gäller att där fPRF 7 tionsfrekvensen för de utsända radarpulserna och c"är ljushastigheten, det s k entydighetsavstândet Ro =_c/Zfêšk, "är pulsrepeti- varför villkoret fPRF 5 c/2Ro måste vara uppfyllt för entydig detek- tering av mâlavstândet.

I en följeradar är det emellertid önskvärt att värdet pâ fPRF kan hål- las pâ ett sä högt värde som möjligt så att målet bättre kan följas. k Ett högt värde innebär att information om mâlläget oftare erhålles än 15 _20 25 30 utsändes. Ä andra sif i fallet att pulser med ett lågt värde pâ fPRF 7 dan medför enligt ovan ett högt PRF-värde ett Litet entydighetsav- stånd, vilket kan medföra att en reflekterad puls ej kan detekteras och att flertydighet om mâlavstândet kan uppstå. Dessa två motstridiga krav utgör det för uppfinningen grundläggande problemet, vilket avses att_lösas medelst det föreslagna förfarandet. En förutsättning är därvid att mâlavstândet från början är känt med en noggrannhet lika., ~ med i 1/2 (ct/2), där tlär lyssningsintervallets längd.

Enligt uppfinningen utsändes radarpulser, vilkas bärfrekvens pâ i oeh för sig känt sätt varierar från puls till puls och enligt ett visst slumpmässigt valt mönster. Antalet utvalda frekvenser M ur totalt N tillgängliga bildar en pulsserie med en viss tidslängd svarande mot ett visst aktuellt målavstând som från början är känt. Härigenom er- hålles ett visst entydighetsavstând större än mâlavstândet öoh defi-_ nierat som tiden mellan tvâ utsända pulser med samma bärfrekvens mul- tiplicerad med faktorn c/2. Pulsserierna utsändes efter varandra med en viss frekvens, den s k frekvensrepetitionsfrekvensen fFRF. Dâ mä- let avlägsnat sig så långt att tiden mellan pulser med samma, 10 15 20 25 7903653-9 bärfrekvens ej är tillräcklig för att få entydig avstândsbestämning, väljes en ny pulsserie med ett större antal bärfrekvenser M 5 N, var- igenom frekvensrepetitionsfrekvensen minskar, och ett större entydig- hetsavstând Cc/2 fFRF) erhålles.

Förfarandet enligt uppfinningen är därvid kännetecknat så som det framgår av patentkravets 1 kännetecknande del.

FIGURBESKRIVNING Uppfihningen skall närmare förklaras med hänvisning till bifogade ritningar, där Figur 1 visar ett diagram över utsönda radarpulser vid olika tidpunk- ter och med olika frekvens enligt det föreslagna förfarandet; figurerna 2-4 visar schematiskt utsända och mottagna radarpulser i enlighet med förfarandet; Figur 5 visar ett blockschema över sändar-mottagardelen hos en följe- radar som utnyttjar förfarandet enligt uppfinningen; Figur 6 visar vid olika mâlpositioner sändar- och mottagarpulserna från resp till sändar-mottagardelen enligt figur 5; FÖREDRAGNA UTFÜRINGSFORMER Figur 1 är ett diagram som visar ett antal M utsända radarpulser, P1, P2, ... PM. Varje puls har en längd T, en bärfrekvens f1, f2, ... fm, vilka inbördes är olika. Periodtiden, dvs tiden mellan tvâ pulser med samma bärfrekvens är betecknad T. Tiden mellan utsändning av tvâ pul- ser med olika frekvens, exempelvis f1 och fa är betecknad t, varvid lyssningsintervallet blir t- 1 4: t.iI figur 1 har pulstiden T över- drivits för bättre âskâdlighet. Lyssningsintervallet utgör det tids- intervall då en frân mâlet reflekterad sändpuls med viss frekvens kan mottagas och korrekt indikeras för uppmätning av exempelvis mâlav- ståndet. den s k frekvensrepetitionsfrekvensen fFRš = 1/T, vilken anger den Vidare gäller att pulsrepetitionsfrekvensen fPRF = 1/t och 7903653-9 10 15 20 25 30 frekvens varmed pulser med samma bärfrekvens tidigast återkommer.

Det är tidigare känt vid pulsradarsystem att variera bärfrekvensen från en utsänd radarpuls till en annan. Radarns PRF är emellertid hos ett sådant system vald så att tillräckligt lyssningsintervall f f I erhålles för att ekot från exempelvis pulsen P1 (frekvensen f1) skall hinna tillbaks från målet till radarmottagaren innan nästa puls P2 (frekvensen fz) utsändes. Pulsrepetitionsfrekvensen fPRF måste därför. anpassas efter det aktuella mâlavstândet. f f ' Enligt föreliggande uppfinning utsändes liksom yid kända system ra- darpulser med inbördes olika frekvens men-med en så hög pulsrepeti- tionsfrekvens fPRF att endast ett visst avsnitt av mâlavständet det' s k avstândsfönstret 5 c/2 fPRF indikeras, vilket hör till ett känt mâlläge, dvs förfarandet är endast tillämpligt vid en följeradar.

'Först göres i radarn en grov uppskattning av mâlavstândet exempelvis,'fl genom någon form av invisning pâ känt sätt. Man erhåller då ett visst värde = Ro. Därefter väljes ett visst värde på frekvensrepetitions- så att c/Z fkRF > Ro ;.. (1) dvs f1 5-T > 33% vil- ket anger att entydighetsavstândet skall vara störF§Fän det uppskatta- de värdet pâ mâlavstândet Ro. Valet av M olika frekvenser, vilka upp- frekvensen fFRF repas periodiskt och med samma ordningsföljd definierar ett antal pulsserier, där varje serie innehåller M olika frekvenser_Qch uppre- pas med frekvensen fFRF. lidsavstândet t mellan tvâ pâ varandra följande pulser med olika frek- vens bestämmer ett visst PRF-värde fPRF, som, med det undantag som '7 skall beröras nedan, skall vara konstant. Det minsta tidsavstândet ' mellan tvâ pulser som har samma frekvens definierar frekvensrepeti-7 tionsfrekvensen fFRF.

Förfarandet enligt uppfinningen avses att utnyttjas i en följeradarf dvs en radar som efter det att ett visst mâl har upptäckts, dvs mäl- avstândet är känt, skall följa mâlet. Radarn skall därvid utsända I pulser med fast pulslängd I och med kontinuerligt variabel PRF. 10 15 20 25 30 7903653-9 Vidare skall i radarn finnas tillgängligt N fasta frekvenser varvid M 5 N där M är antalet utsända frekvenser vid följningen. Som senare skall beskrivas närmare finns en styranordning för beräkning av vissa villkor samt för att ge styrsignaler till sändare och mottagare.

Det antages att radarn fångat in ett visst mål och utfört en grovupp- skattning av målavståndet Ro. En frekvensrepetitionsfrekvens fFRF väl- jes därvid så att villkoret c/2 fFRF > Ro --- (1) är uppfyllt.

Ett visst minsta lyssningsintervall tm mellan två utsända pulser är bestämt och värdet på tm väljas med hänsyn till en viss dödtid såsom frekvensväxlingstid och återhämtningstid för mottagaren. Antalet ut- valda frekvenser M 5 N är bestämt så att Mfm 5 1/fFRF <2> varvid Ro < c mrm/z 5 c/z fm Villkoret (1) säger att för ett visst utvalt värde på fFRF fås ett visst entydighetsavstånd c/2 fFRF (gäller allmänt för pulsradar). För ett visst målavstând gäller alltså att fFRF har sådant värde att det- ta entydighetsavstând uppnås för det uppmätta mâlavstândet Ro. Villko- ret (2) begränsar värdet på antalet utvalda frekvenser M. Ett tredje villkor är att målet skall befinna sig i ett avståndsfönster dvs för nagot hel-tal n skall gälla cíf-"F-F + »f +=> c = alla <3), där e ut- gör ett mått på tidsmarginalen för en ekopuls till dess att ett nytt värde på M skall väljas.

Faktorn 1/MfFRF utgör tiden mellan två på varandra följande radarpul- ser med olika frekvens. Faktorn n anger antalet pulser, som utsändes mellan en viss sändpuls (denna oräknad) och till det att målekot frân sändpulsen mottages. Faktorn n/MfFRF är då tiden för summan av utsän- da och reflekterade pulser, varvid till denna tid skall läggas faktorn (t-ts ) < lyssningsintervallet. Figur 2 visar schematiskt och i för- minskad skala sändning och mottagning av pulser med inbördes olika frekvens inom en pulsserie. övre delen i figur 2 visar sändningsögon- blicket då sändpulsen med frekvensen fí lämnar antennen A och pulsen med frekvensen f4 antages ha nått ett mål m. Nedre delen visar mot- tagning av en ekopuls med frekvensen f? under tidsintervallet T1 - T '7903653-9 10 _15 ,2O, 25 30 35 6 ”mellan två sändpulser. I figur 2 ärgn =¿6, vilket motsvarar antalet: pulser under tiden från det att pulsen med frekvensen f1 utsänts till dess att pulsen med frekvensen f7 skall mottagas.

I figur 3 visas ett tidsdiagram över sänd- och mottagarpulser frân resp till radarns antennsystem. Diagrammet anger läget av sändpulser '_ och mottagna ekopulser vid tiderna to, to + t, to'+ Zt osv, varvid~ tr utgör referenstidpunkt (angiven med streckad linje) och är den tid- punkt dâ sändpuls och mottagarpuls ej fâr sammanfalla för att detek- tering skall vara möjlig i mottagaren. Vid tiden to (figur Sa? är tidslåget för sändpulserna sådant att pulsen med frekvensen f1 just skall sändas efter det att pulserna med frekvenserna.f2, f3 ... fs osv utsänts. Det antages att i samma tidsögonblick (to), mottagarpul- sen med frekvensen f13 närmast skall nå antennen och detekteras i mottagaren innan mottagarpulserna med frekvenserna f12,'f11 osv inkom- mer. Såndpulserna med frekvenserna fí ... fs osv har konstant PRF dvs tidsintervallet t är konstant. För mottagarpulserna med frekvensen f13, ... har antagits att målet avlägsnar sig med konstant hastighet,_ så att om tidsavstândet mellan exempelvis pulsen f13 och f12 är t + At, motsvarande tidsavstând mellan pulserna f12 och f11 blir t>+ 2At osv. Vid detektering_under tidsintervallet t -'Pär mottagaren avstämd till frekvensen f14 som därvid detekteras och ett värde pâ 7 mâlavstândet R1 kan bestämmas eftersom tidpunkten för utsändandet av pulsen f14 år känd¿ Vid tiden to + t (figur 3b) har pulsen f16 just- utsänts och mottagaren har avstämts så att pulsen f13 kan detekteras J under ett nytt tidsintervall t - 1, varvid ett nytt värde R2 pâ mål-' f avståndet erhålles. Vid tiden to + 2t (figur 3c) utsändes pulsen f{5,, men samtidigt-inkommer mottagarpulsen f12, vilket_medför att mottag-' - ning och sändning sker samtidigt. Härvid brytas sändschemat och en ny bestämning av fFRF och M göres med ledning av det aktuella värdet'pâV mâlavstândet och enligt villkoren (1)-{3)..Alternativt kan en ändring av pulsrepetitionsfrekvensen fPRF utföras. Ändringen i fFRF och M i f kommer i praktiken att inträffa med låg frekvens om avståndsfönstret ej är alltför-litet (exempelvis minst 100 m)} eftersom aktuella mâl¿ farter ligger under exempelvis 1000 m/s. Med de exemplifierade vär- dena blir frekvensen för uppdatering av fFRF och M mindre än 10 Hz. 10 15 20 25 30 7903653-9 Detta kan anses innebära en försumbar störning av radarfunktionen om fPRF är större än exempelvis 1 kHz.

Då det uppmätta mälavståndet närmar sig ett värde R = Rk sådant att olikheten (1) ej längre är uppfylld sker ej längre en entydig detek- tering av mottagarpulserna. Figur 4 avser att illustrera detta fall.

I figur 4a har sändpulsen f1 just utsänts och mottagarpulsen f16 sva- rande mot sändpulsen f16 inom samma pulsserie skall inkomma och de- tekteras. Denna detektering blir korrekt, ty mottagarpulsen f16 svarar entydigt mot mâlavstândet, eftersom det antages att samtliga frekven- ser i'en serie av pulser f1, ..., f16 utsänts och reflekterats. I figur 4b, vilken visar läget vid tiden to + t utsåndes ânyo en sänd- puls f1ó i en ny serie av pulser f1, ..., f16 och mottagarpulsen f15 inkommer. Föregående mottagarpuls f16 ger då ett entydigt och korrekt värde på mâlavståndet R. Vid tiden to + 2t visar figur 4c emellertid att sändpulsen_f15 i den nya serien hinner utsändas innan mottagar- pulsen f15 i föregående serie mottagits och gett en detektering av mâlavstândet. Mottagarpulsen f15 ger därför_ett felaktigt värde pâ mâlavståndet som blir för litet. Sändpulsen f15 skall därför slopas och en ny serie med ett större antal frekvenser skall påbörjas exem- pelvis en serie f32, f31, ... Även i detta fall brytes sändschemat och en ny bestämning av fFRF och M utförs enligt ovan.

Figur 5 visar ett blockschema över sändar-mottagardelen hos en följe- radar som utnyttjar förfarandet enligt uppfinningen. Radarns antenn- enhet A kan bestå av exempelvis en fast rundstrâlande antenn, vilken är ansluten till en SM-växlare SM, som utgörs av en cirkulator. Till SM-växlaren är pâ känt sätt anslutet en sändenhet S och en blandare B, vars utgång är ansluten till mellanfrekvensförstärkaren MF. En lokaloscillator LO är ansluten till blandaren B och avger en signal, vars frekvens utgör summan av en vald mellanfrekvens fMF och en hög- frekvens fk. En styrenhet SE är ansluten till sändenheten S och till lokaloscillatorn L0 för att avge vissa bestämda spänningsnivâer V1, V2, ..., vM som styrsignaler. Vidare är en signalbehandlande enhet SB ansluten till styrenheten SE och till utgången av mellanfrekvens- förstärkaren MF för beräkning av mälavstândet R ur du inkommande -7903653-9 v' 10 is 20 25 30 ' s mâlekopulserna. De i figur S visade enheterna motsvarar de i en kon- ventionell icke koherent pulsradar med undantag av styrenheten SE och sändenhetén S jämte lokaloscillatorn LO, vilka båda sistnämnda enheter är utformade på annat sätt men har principiellt samma funktion som i en konventionell pulsradar, se exempelvis Barton, sid 383-384.

Sändenheten S kan bestå av exempelvis en spänningsstyrd oscillator, s k VCO av i och för sig känd typ, vilken erhåller styrsignalerna V1, V2, ... från styrenheten SE. Sändenheten S avger pulsformade sändsigñaler med pulsrepetitionsfrekvensen_fPRF och pulslängden 1, varvid bärfrekvcnsen hos var och en av pulserna inbördes är olika och är bestämd av de inkommande nivåerna V1,-v2, ... VM. Synkronisering och rätt pulslängd åstadkommas på i och för sig känt sätt medelst synkpulser från styrenheten SE. Till SM-växlaren avges således en serie pulser innehållandedeM frekvenserna fn (n ? 1, 2, ..., M), varvid bärfrekvensen ändras från puls till puls enligt ett valt möns- ter såsom beskrivits ovan, jfr figur 2. För synkroniseringen kan sänd- Ä enheten exempelvis innehålla en icke visad grindkrets som styrs av pulser med längden r och pulsrepetitionsfrekvensen fPRF.

Lokaloscillatorn LO utgörs, liksom sändenheten S, av exempelvis en spänningsstyrd oscillator, VCO, vilken till blandaren avger pulsfor-_. made signaler med frekvenser fMF + fk, där fMF är den valda mellan- frekvensen och där k är ett heltal <'n, vilket yíd början av varje pulsserie väljas i styrenheten SE i beroende av antalet M valda frek- venser fn (n =-1, 2, ..., M) och del beräknade mälavständet R.

Figur 6a-óc visar vid olika tidpunkter to, to + t, to + 2t ordnings- talen n och k för de utsända resp de mottagna pulšernas bärfrekvens I (fn resp fk). Vid tiden to utsändes enligt figur oa frekvensen fa (n = 2) och pulsen med frekvensen f8 skall just reflekteras mot målet (streckad Linje). Pulserna med frekvenserna f9e- fí¿ utgör ekopulser _ och pulsen med frekvensen f1¿ skall närmast mottagaà och detekteras.

Lokaloscillatorn LO enligt figur 5 skall således avge en signal med frekvensen fMF + f14 (k = 14). Vid tiden to'+ Iâ utsåndes en pulsg med frekvensen f1 (n = 1) och en ekopuls med frekvensen f13 skall 10 15 20 25 7903653-9 9 mottagas, varför lokaloscillatorfrekvensen skall vara fMF + f13. Vid tiden to + 2t_ (figur óc) påbörjas en ny serie av sändpulser inledd av sändpulsen med bärfrekvensen f16 (M = 16), medan lokaloscillatorn ger en signal fMF + f12 svarande mot sändpulsen med frekvensen f12 från föregående serie. I exemplet enligt figurerna óa-óc antages att mälhastigheten är så låg i förhållande till pulsrepetitionsfrekvensen fPRF att målet ej hinner förflytta sig utanför ett lyssningsintervall 1/fPRF under den tid en serie pulser f1, ..., f1¿ utsändes och mot- tages.

Det frân början beräknade mâlavstândet Ro tillförs styrenheten SE.

Denna beräknar med ledning av detta värde och enligt villkoren (1), (2) och (3) ovan ett värde först på frekvensrepetitionsfrekvensen fFRF och därefter antalet bärfrekvenser M. I styrenheten finns lagrat ett antal tabeller där varje tabell upptar ett antal frekvenser säg M1, ..., Mj 5 N varvid antalet Mj är beroende av ett visst mâlavstând Rj. Efter val av viss tabell innehållande frekvenserna f1, fa, ..., fmj svarande mot mâlavstândet Rj (j = 0 från början) sänder styrenhe- ten SE spänningsnivâerna V1, ..., vMj och nivåerna u1, ..., uMj till sändenheten S resp till lokaloscillatorn LO. Därefter sker beräkning av ändringen AR i mâlavstândet från det ursprungliga värdet Ro. Vid slutet av varje pulsserie konstateras om det nya värdet Rj är sådant att samma pulsserie på nytt kan utsändas varvid beräkningen av ett nytt Rj utförs. Om detta'nya värde är för stort med hänsyn till det valda värdet pâ 1 fFRF utväljes en ny pulsserie ur en tabell, vilken innehåller ett större antal bärfrekvenser f1, ..., fmj än föregående serie.

Det föreslagna förfarandet ger följande fördelar: Hög upplösning kan fâs med kort pulslängd (1), vilket kombinerat med hög PRF ger hög datatakt och hög arbetsfaktor. Detta är en fördel speciellt för halvledarsändare.

Frekvensskiftet i bärfrekvenserna (den s k frekvensagiliteten) ger glitterreduktion vid eldledningsradar och förbättrad störfasthet. 7903653-9 10' Smalbandsstörning från andra objekt än målet år praktiskt taget omöjlig,A eftersom aktuell mottagarfrekvens för dessa objekt är okänd.

Låg pulseffekt är möjlig, eftersom arbetsfaktorn är hög. Vidare fås: ett brett frekvensspektrum pâ grund av frekvensskiftet. Dessa egen- 5 skaper ger en relativt "tyst" radar. Dessutom fâs på grund av frekvens- skiftet liksom vid de inledningsvis kända radarsystemen ej störningar från närbelägna reflexer såsom exempelvis markklqtter.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 3Û evsozesses 11 *P A T E N T K R A V _ Förfarande att i en följeradar åstadkomma ett stort entydighetsavstånd för ett detekterat mål i vilken radarpulser utsändes serievis med en viss hög pulsrepetitionsfrekvens (fPRF), en viss pulslängd ( I ) och ett visst lyssningsintervall (t-T ) mellan två på varandra följande pulser, varvid bärfrekvensen från en puls till nästföljande varieras i en och samma serie, men återkommer i samma ordning från en serie till nästföl- jande så att för en viss serie totalt M frekvenser uppträder, där talet M väljes så att M - tm) 5 1/fFRF och där tm är det minsta värdet på lyssningsintervallet (t-t ) och fFRF är den frekvens med vilken puls- serierna upprepas, k ä n n e t e c k n a t av att a) det detekterade målets avstånd uppmätes på i och för sig känt sätt med en noggrannhet motsvarande minst hälften av ett lyssningsintervall (t-I ), varvid ett visst begynnelsevärde RO erhålles, b) ett visst värde på frekvensrepetitionsfrekvensen fFRF väljes så att villkoret c/2 fFRF > RO uppfylles, c) efter det att en eller flera pulsserier utsänts och motsvarande målekopulser hörande till en viss serie mottagits, en ny mätning av målavstândet utförs, så att ett nytt värde R1 erhålles, varvid om det uppmätta avståndet R1 < Rk där Rk är det högsta värdet för vilket c/2fFRF > Rk gäller, en ny serie med samma antal M frekvenser och i samma ordningsföljd som den föregående utsändes, medan om R1 > Rk, en ny pulsserie med ett större antal M1 > M frekvenser svarande mot ett lägre värde på frekvensen fFRF utsändes, samt att antalet M frekvenser i en pulsserie och värdet på frekvensen fFRF är valda så att för något heltal n gäller att n/MfFRF + I + je = 2Ro/c där e > o är ett mått på tidsmarginalen för en inkommande målekopuls till den närmast utsända radarpulsen och n är det antal pulser som ut- sändes under tiden från en sändpuls till dess att ekot från denna sändpuls mottages.