SE504005C2 - Förfarande och anordning vid signalbehandling i ett radarsystem - Google Patents

Description

20 25 30 504 005 .Z man mottager ekon från marken och samtidigt ekon från luftburna farkoster. På grund av i signalbehandling och frekvensgenerering uppkomna distorsionsprodukter kommer markekot att ge upphov till inte bara större och verkliga Detta orsakar i sin tur att mindre men verkliga ekon från ekon utan också ett flertal mindre, falska ekon. luftburna farkoster inte alltid kan upptäckas, eftersom man vanligtvis använder en relativt hög detekteringströskel för att filtrera bort de mindre, falska ekon som uppkommit på grund av distorsion i radarsystemet. Om man ej använder sig av en högre detekteringströskel kan inte operatören eller ytterligare signalbehandling särskilja på mindre, men verkliga ekon, och falska ekon. Detta kan i sin tur leda till att ännu större problem uppstår för operatören.

Det amerikanska patentet US 4709237 beskriver en anordning för att eliminera lågfrekvent termiskt brus som uppkommit i sändarförstärkare och mottagarförstärkare i en radar.

Anordningen löser tyvärr inte problemen med distorsion uppkommen i signalgenererande och signalbehandlande organ där olinjäriteter bland annat skapar övertoner.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Då det ej kan tillåtas att värdefull information förloras genom bortfiltrering, speciellt sådan bortfiltrering som har sin grund i att systemet självt har distorderat och förvrängt signalen, visar föreliggande uppfinning ett förfarande och en anordning som gör det möjligt att undvika detta.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är därför att ange ett förfarande och en anordning som minskar problemen och inverkan av den distorsion som bildas vid minst en av antingen frekvensgenereringen eller signalbehandlingen i ett dopplerradarsystem. 10 15 20 25 30 504 005 .3 Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att ange ett förfarande och en anordning medelst vilket man kan minska kraven på den oönskade olinjäriteten på de komponen- ter som ingår i stora system där kraven på låg distorsion är hårda. Ännu ett ändamål med föreliggande uppfinning är att ange ett förfarande och en anordning medelst vilket man kan sänka detekteringströskeln i ett radarsystem för att på så vis kunna upptäcka mindre men dock verkliga målekon.

Nämnda ändamål uppnås enligt föreliggande uppfinning genom att vid varje sändpuls påföra en, exempelvis slumpmässigt bestämd, ny fasvridning på signalen före den första signalbehandlingen av signalen och därefter vrida signalen tillbaka med samma slumpmässiga fasvridningsbelopp efter den sista signalbehandlingen av signalen. Detta resulterar i att alla distorsionsprodukter och yttre störningar som uppstått i signalens signalbehandlingsvägar kommer att få en slumpmässig kvarvarande fasvridning. Det är en stor fördel att distorsionen och störningarna har en kvarvarande fasvridning, speciellt en slumpmässig sådan då distorsionen och störningarna därigenom kommer att uppträda som brus.

Uppträder distorsionen och störningarna som ett brus kommer de inte att konkurrera med nyttosignaler, det vill säga den värdefulla informationen, på grund av att energiinnehållet för enskilda distorsionsprodukter och störningar fördelas över ett brett frekvensområde. Denna fördel förstärks ytterligare i system som adderar nyttosignaler som till exempel i ett dopplerradarsystem där man då enkelt kan tröskla bort dessa distorsionsprodukter och störningar med en relativt låg detekteringströskel. 10 15 20 25 30 504 005 FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas med hänvisning till bifogade figurer i förklarande och inte på något vis begränsande syfte, där Fig. 1 illustrerar signalbehandlingsvägar i ett radar- system enligt teknikens ståndpunkt Fig. 2 illustrerar ett exempel enligt föreliggande uppfinning tillämpad på signalbehandlingsvägar i ett radarsystem.

FÖREDRAGNA uTFöRmGsFoRr/LER För att underlätta förståelsen av uppfinningens funktion skall inledningsvis ett radarsystem enligt känd teknik beskrivas med hänvisning till figur 1 som visar ett exempel på ett system där föreliggande uppfinning är tillämpbar.

Detta radarsysten\ beskrivs kortfattat för att klargöra grundfunktionen hos ett sådant komplicerat system.

För att ett pulsdopplerradarsystem skall fungera genereras sändpulser. Sändpulserna sänds iväg och reflekteras mot föremål eller objekt tillbaka till radarsystemet. När radarsystemet har tagit emot dessa reflekterade sändpulser, det vill säga ekon, behandlas informationen och slutligen presenteras resultaten, som till exempel kan vara någon eller flera av mätobjektets avstånd, hastighet och posi- tion, i någon form.

Dessa sändpulser genereras, enligt figur 1, med hjälp av ett frekvensgenererande organ 101 som skapar en referens- signal med den grundfrekvens som sändpulserna består av.

Därefter förstärks och moduleras denna signal i det signalbehandlande organet 102 för att skapa sändpulserna.

Om man använder sig av en gemensam antenn för sändning och 10 15 20 25 30 504 005 mottagning, leds sändpulserna därefter till en sänd- /mottagar-omkopplare 103, för att sedan riktas med hjälp av en antenn 104 till önskad sändriktning. Antennen 104 kan givetvis bestå av en elektriskt eller mekaniskt styrbar antenn eller en fast riktad antenn beroende på tillämpning.

När den. utsända sändpulsen har reflekterats mot något objekt kommer den tillbaka och mottages av antenn 104. Via sänd-/mottagar-omkopplaren 103 skickas den vidare till det signalbehandlande organet 105, där exempelvis frekvenskon- vertering (demodulering), filtrering och förstärkning utförs på signalen. På grund av att ytterligare signalbe- handling företrädesvis utförs helt digitalt sker A/D- omvandling i block 120 där uppdelning av signalen i två kvadraturkomponenter I och Q först görs genom att dela signalen i två grenar och därefter blanda signalen i blandare 122 och 123 med två signaler med en relativ fasskillnad på 90°. Fasvridningen på 90° görs med hjälp av det fasvridande organet 121. Sedan A/D-omvandlas de båda kvadratursignalerna I och Q i var sin A/D-omvandlare 124 och 125.

Detektering, tröskling'och eventuellt ytterligare beräk- ningar utförs i det signalbehandlande organet 106 varefter resultatet presenteras på ett visuellt presentationsorgan 107 och/eller överförs till organ 108 för vidare behand- ling.

För att klargöra förfarandet och anordningen enligt föreliggande uppfinning, skall ett exempel på dess tillämp- ning i det följande beskrivas i anslutning till figur 2.

Uppfinningen innefattar ett slumpvärdesgenererande organ 210 som, omedelbart innan en sändpuls skall genereras, genererar nya slumpmässiga fasvridningsvärden om och -on, där n= O, 1, 2, 3, Dessa fasvridningsvärden tillförs 504 005 10 15 20 25 30 ett fasvridande och frekvensgenererande organ 204 som genererar en signal där fasen på den genererade signalen vridits vinkeln -®n i förhållande till systemets referens- signal, också genererad i det frekvensgenererande organet 204 men ej visad.

Signalen, det vill säga den blivande sändpulsen, signalbe- handlas i det signalbehandlande organet 203, vilket exempelvis kan innebära frekvenskonvertering, filtrering och förstärkning, för att slutligen konverteras i blandare 202 med en signal genererad av ett fasvridande och fre- kvensgenererande organ 201. Fasvridningen i det fasvridan- de och frekvensgenererande organet 201 har samma belopp men motsatt tecken som den pålagda fasvridningen i det fasvri- dande och frekvensgenererande organet 204, varvid konverte- ringen i blandare 202 resulterar i en sändsignal A vars nyttodel har ett fasläge som är oberoende av ®n. Med nyttodelen av sändpulsen menas den önskade rena sändpulsen utan distorsionsprodukter.

Sändpulser vars nyttodel har ett fasläge som är oberoende av Qn krävs på grund av att tiden mellan de utsända pulserna i radarsystem med en hög pulsrepetitionsfrekvens (PRF) understiger sändpulsernas gångtid för tänkbara ekon (i radartermer "flera-gånger-runt-ekon"), varför en "oordning" av utsända radarpulser uppstår vid mottagning.

Om sändpulsernas faslägen (nyttodelen) var beroende av mn skulle vid hög PRF det ej vara möjligt att veta vilka ekon som var fasvridna med vilket ®n.

Innan sändsignalen A lämnar radarn som en sändpuls skall den även pulsas, förstärkas och även riktas i önskad riktning med hjälp av en antenn. Mottagningen av den mot mätobjektet reflekterade ekosignalen sker vanligtvis via samma antenn, till exempel enligt figur 1, och signalen 10 15 20 25 30 504 005 förstärks företrädesvis innan den mottagna signalen B frekvenskonverteras i blandare 205.

Den från mätobjektet mottagna ekosignalen B blandas i blandare 205 med signalen genererad i det fasvridande och frekvensgenererande organet 201, varvid den mottagna signalen fasvrides vinkeln ön och frekvenskonverteras.

Signalen signalbehandlas sedan j. det signalbehandlande organet 206, vilket exempelvis kan innebära frekvenskonver- tering, filtrering och/eller förstärkning. Därefter utför man en A/D-omvandling i block 220 där en uppdelning av signalen i två kvadraturkomponenter I och Q görs genom att dela signalen i två grenar och därefter blanda signalen i blandare 222 och 223 med två signaler med en relativ fasskillnad på 90°. Fasvridningen på 90° görs med hjälp av det fasvridande organet 221. De båda kvadratursignalerna I och Q A/D-omvandlas i var sin A/D-omvandlare 224 och 225.

Slutligen fasvrides signalerna med det fasvridande organet 207 med vinkeln -én signalens fasvridning som pålades tidigare i mottagningske- för att återställa den mottagna djan.

Omedelbart innan en ny sändpuls skall genereras alstras nya fasvridningsvärden ®nu_och -®WH_styrt av det slumpvärdes- genererande organet 210 och förloppet upprepas med detta nya fasvridningsvärde.

Vid signalbehandling i blocken 203 och 206, blandning 222, 223, A/D-omvandling 224 och 225 bildas distorsion genom uppkomst av övertoner, intermodulation och läckage från närliggande signaler som på detta vis förvränger nyttosig- nalen. Karaktären hos övertoner och intermodulation gör att fasvridningen hos en överton eller en intermodula- tionsprodukt blir en multipel av fasvridningen av signalen som signalbehandlas. När det gäller läckage av signaler 504 005 10 15 20 25 kommer dessa ej att påverkas av fasvridningen av nyttosig- nalen eftersom dessa läckagesignaler endast adderas till nyttosignalen.

Detta innebär att distorsion genererad i signalbehandlings- organet 203 och av ovan nämnda karaktär, efter blandning i blandaren 202 kommer att innehålla en fasvridning på mn för läckagesignaler och (N-l)*®n för övertoner. Bokstaven N står för ordningen på överton (exempelvis andra och tredje ton).

Det beskrivna förloppet kan förtydligas genom följande enkla exempel. Ett första exempel visar förloppet när man använder sig av en signal som endast består av en ton med frekvensen m. Denna signal kan illustreras genom: e jöt Fasvridningen Qn som skall påföras nyttosignalen kan illustreras genom följande uttryck: o ej" där det är viktigt att notera att ®n inte är tidsvarierande utan ett värde som, vanligtvis, endast ändrar sig från sändpuls till sändpuls. När denna fasvridning har påförts signalen får man ett uttryck som kan representeras som: e j (mbwn) När denna fasvridna signal signalbehandlas i olika typer av signalbehandlingsorgan kommer distorsion som uppkommit i bland annat komponenter att ge upphov till olika frekvens- kombinationer av m vilket kan skrivas som en summa: _ jN(mc-an; ENaNe där N= 0, il, t2, Efter all signalbehandling, men innan den och aN är signalamplituden hos komponent N. 10 15 504 005 ”I färdiga sändpulsen skickas ut ur radarstationen, skall ytterligare en fasvridning, som skrivs: eÜ% påföras signalen. Denna andra fasvridning har samma belopp som den första fasvridningen, men motsatt tecken. Detta ger: _ jmwnnßno) [N aN e n Således erhålles kvarvarande fasvridning förutom då N=1.

Det vill säga alla frekvenskomponenter som är skilda från tonen med frekvensen m (N=l) kommer att ha en fasvridning lika med (N-l)®n.

Det beskrivna förloppet skall nu förtydligas genom ytterli- gare ett enkelt exempel som visar förloppet när man använder sig av en signal som består av två toner med frekvenserna ml respective oz. Denna signal kan illustre- ras genom: e jcolt* e jmzt Signalen skall fasvridas med ®n som kan skrivas som: e3% När denna fasvridning påförts signalen kan denna tecknas: e j (mltubn) § e j (ngt-on) Distorsion i komponenter, vid exempelvis signalbehandling, ger upphov till olika frekvenskombinationer av ml och oz vilket kan skrivas som: _ jmrwluwnpmfwzt-onm) Emm arm: e 504 005 10 15 20 25 /0 där M= 0, il, 12, _.. och N= 0, il, i2, signalamplituden hos komponent M,N. och aM,N är För att återställa nyttosignalens fas efter signalens signalbehandling påföres ytterligare en fasvridning med: efi% som slutligen ger: jmültfMßzfiv IMvN- 1 ) Ön) EM, N aM, N e Således erhålles även nu en kvarvarande fasvridning förutom då M+N=l, det vill säga bland annat för M=l, N=0 och M=0, N=l.

Som framgår av dessa två exempel kommer distorsionsproduk- ter att ha en kvarvarande fasvridning efter den sista fasvridningen. Om då ®n varierar, exempelvis, slumpmässigt från sändpuls till sändpuls, kommer dessa distorsions- produkter att uppträda som brus.

På mottagningssidan kan distorsion av samma karaktär uppstå i signalbehandlingsorganet 206, blandare 222 och 223 och A/D-omvandlare 224 och 225. fasvridning i det fasvridande organet 207 av samma skäl som Distorsionen kommer efter i sändgrenen att innehålla en kvarvarande fasvridning.

Efterföljande signalbehandling i en dopplerradar görs vanligtvis över ett stort antal utsända radarpulser genom att för en given tidpunkt efter varje utsänd radarpuls ("avståndsfålla") mäta den mottagna signalens amplitud och filtrera dessa med hjälp av en uppsättning smala filter (dopplerfilterbank). Parallellt utförs identiska signalbe- handlingar fast för olika tidsfördröjningar för att ge radarn täckning på mål på olika avstånd. Då distorsionen innehåller en kvarvarande fasvridning som ändras från puls till puls på ett slumpartat sätt innebär detta att distor- 10 15 504 085 // sionen kommer att uppträda som brus. I radarsammanhang är detta att föredra eftersom distorsionen kommer att fördelas över hela uppsättningen filter och konkurrerar därför inte i samma grad med ett måleko som koncentreras i ett filter.

Det är inte nödvändigt att fasvridningarna varierar helt slumpmässigt från sändpuls till sändpuls. Exempelvis kan värdena ®n bildas enligt formeln ®n=®o*n2, där ®0 är ett lågt initialvärde för fasvridningen, och n för varje ny sändpuls ökas med värdet ett. Det är exempelvis även tänkbart att utföra fasmoduleringen genom så kallad tabellslagning med hjälp av ett läsminne, ett så kallat PROM, istället för genom den ovan beskrivna metoden.

Uppfinningen är ej begränsad till den ovan beskrivna föredragna utföringsformen utan kan varieras på olika sätt inom ramen för de efterföljande patentkraven.

Claims (18)

10 15 20 25 30 504 005 A1 PATENTKRAV

1. Förfarande för att i ett radarsystem minska inverkan av distorsion uppkommen på signaler i radarsystemets signalge- nererande och signalbehandlande delar, kännetecknat därav, att - en första fasvridning med ett första fasvridningsbelopp påföres en första signal före en första signalbehand- ling varigenom en andra signal bildas; nämnda andra signal signalbehandlas i nämnda första signalbehandling varigenom en tredje signal skapas; nämnda tredje signal fasvrides med en andra fasvridning som har samma belopp som nämnda första fasvridning men motsatt tecken varigenom en fjärde signal bildas; en sändpuls, skapad av nämnda fjärde signal, sänds ut och reflekteras mot mål eller objekt och tas emot av nämnda radarsystem i form av en femte signal; en tredje fasvridning med ett andra fasvridningsbelopp pâföres nämnda femte signal före en andra signalbehand- ling varigenom en sjätte signal bildas; nämnda sjätte signal signalbehandlas i nämnda andra signalbehandling varigenom en sjunde signal skapas; nämnda sjunde signal fasvrides med en fjärde fasvrid- ning som har samma belopp som nämnda tredje fasvridning men motsatt tecken.

2. nämnda första och andra fasvridningsbelopp ändras i tiden. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat därav, att

3. nämnda ändring av fasvridningsbeloppen sker vid varje ny Förfarande enligt patentkrav 2, kännetecknat därav, att radarpuls. 10 15 20 25 504 ÛÛ5 /J

4. Förfarande enligt patentkrav 3, kännetecknat därav, att nämnda första och andra fasvridningsbelopp bestäms av en slumpvärdesgenerator.

5. Förfarande enligt patentkrav 3, kännetecknat därav, att nämnda första och andra fasvridningsbelopp beräknas ur en formel.

6. Förfarande enligt patentkrav 3, kännetecknat därav, att nämnda första och andra fasvridningsbelopp bestäms enligt ett mönster som är fördefinierat i en tabell.

7. Förfarande enligt något av patentkrav 1-6, kännetecknat därav, att nämnda radarsystem är ett dopplerradarsystem.

8. Förfarande enligt patentkrav 7, kännetecknat därav, att nämnda första och andra fasvridningsbelopp är lika.

9. Förfarande enligt patentkrav 8, kännetecknat därav, att nämnda radarsystem har en hög pulsrepetitionsfrekvens (PRF) där tiden mellan de utsända pulserna understiger pulsernas gångtid för tänkbara ekon.

10. Anordning för att i ett radarsystem minska inverkan av förvrängning uppkommen på signaler i radarsystemets delar, där signalgenererande och signalbehandlande radarsystemet innefattar signalgenererings-, förstärk- nings-, modulerings-, demodulerings-, och signalbehand- lingsorgan inrättade att generera sändpulser avsedda att via en antenn sändas mot objekt för att mot dessa objekt reflekteras och via en antenn mottagas, förstärkas, demoduleras och signalbehandlas för att på så vis kunna bestämma minst en av antingen mätobjektets avstånd, hastighet eller position, kännetecknad därav, att nämnda anordning innefattar 10 15 20 25 30 504 005 /9 - ett första organ (204) inrättat att fasvrida en första signal med ett första fasvridningsbelopp och därigenom skapa en andra signal som tillförs ett första sig- nalbehandlingsorgan (203) inrättat att signalbehandla nämnda andra signal varigenom en tredje signal skapas; (202) tredje signal med samma belopp som nämnda första organ ett andra organ inrättat att fasvrida nämnda är inrättat att fasvrida nämnda första signal med men med motsatt tecken och därigenom skapar en fjärde signal, varvid radarsystemet är inrättat att skicka ut en sändpuls skapad av nämnda fjärde signal och radar- systemet är inrättat att skapa en femte signal av den mot mål eller objekt reflekterade och av radarsystemet emottagna sändpulsen; ett tredje organ (205) inrättat att fasvrida nämnda femte signal med ett andra fasvridningsbelopp och därigenom skapa en sjätte signal som tillförs ett andra signalbehandlingsorgan (206, 220) inrättat att signal- behandla nämnda sjätte signal varigenom en sjunde signal skapas; ett fjärde organ (207) inrättat att fasvrida nämnda sjunde signal med samma belopp som nämnda tredje organ är inrättad att fasvrida nämnda femte signal med, men med motsatt tecken.

11. ll. Anordning enligt patentkrav 10, kännetecknad därav, att nämnda första, andra, tredje och fjärde för fasvridning inrättade organs nämnda första och andra fasvridningsbelopp ändras i tiden.

12. Anordning enligt patentkrav 11, kännetecknad därav, att nämnda ändring av fasvridningsbeloppen sker vid varje ny sändpuls.

13. Anordning enligt patentkrav 12, kännetecknad därav, att nämnda anordning dessutom innefattar organ (210) för att 10 15 20 504 005 /5 generera nya slumpvärden som nämnda första och andra fasvridningsbelopp.

14. Anordning enligt patentkrav 12, kännetecknad därav, att nämnda anordning också innefattar organ (210) för att ur formler beräkna nya nämnda första och andra fasvridningsbe- lopp.

15. Anordning enligt patentkrav 12, kännetecknad därav, att nämnda anordning också innefattar organ (210) för att slå upp i en tabell, där denna tabell innehåller ett fördefini- erat mönster, nya nämnda första och andra fasvridningsbe- lopp.

16. Anordning enligt något av patentkrav 10-15, känneteck- nad därav, att nämnda radarsystem är ett dopplerradarsys- 129m .

17. Anordning enligt patentkrav 16, kännetecknad därav, att nämnda första och andra fasvridningsbelopp är lika.

18. Anordning enligt patentkrav 17, kännetecknad därav, att nämnda radarsystem är inrättat att ha en hög pulsrepeti- tionsfrekvens (PRF) där tiden mellan de utsända pulserna understiger pulsernas gångtid för tänkbara ekon.