DE3107444C2

DE3107444C2 - Hochauflösendes kohärentes Pulsradar

Info

Publication number: DE3107444C2
Application number: DE3107444A
Authority: DE
Inventors: Udo Dipl.-Ing. 7994 Langenargen Knepper
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1981-02-27
Filing date: 1981-02-27
Publication date: 1984-01-12
Also published as: GB2094091B; GB2094091A; DE3107444A1; US4521778A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für ein hochauflösendes kohärentes Pulsradar, das für Entfernungen von einigen 10 m bis herab zu weniger als 1 m einsetzbar sein und dabei eine Genauigkeit im cm-Bereich aufweisen soll, insbesondere zum Einsatz in Industrie-Überwachungsanlagen. Im Sender werden zwei hochstabile Impulsreihen erzeugt, die sich nur geringfügig in ihrer Impulswiederholfrequenz unterscheiden. Beide Reihen werden zu Mikrowellenimpulspaketen umgeformt und die eine Impulsreihe wird zu Sendeimpulsen, die andere zu Abtastimpulsen für ein Zeitdehnungsverfahren verarbeitet. Im Empfangsmischer erfolgt Überlagerung der Echosignale mit den Abtastsignalen, wobei kombiniert eine Zwischenfrequenzbildung und eine Zeitdehnung erfolgt. Auf diese Weise wird bereits im Zwischenfrequenzteil die Signalbandbreite um den Zeitdehnungsfaktor verringert. Das ist dadurch möglich, daß mit kohärenten Phasenlagen gearbeitet wird, das heißt, daß ein beliebiger, aber fester zeitlicher Zusammenhang zwischen der Anstiegsflanke des steuernden Impulses und dem Startzeitpunkt (Anfangsphase) der im Mikrowellenoszillator erzeugten Trägerschwingung besteht. Als Oszillatoren werden Mikrowellenresonatoren eingesetzt, die von extrem kurzen Steuerimpulsen angestoßen werden.

Description

a) beide Baslsbandlmpulsrelhen (1. 3) In Mlkrowellenlmpulsrelhen (2, 4) umgeformt werden, deren trägerfrequente Anfangsphase durch den steuernden Baslsbandlmpuls zeitlich festgelegt Ist derart, ^ daß die beiden Mikrowellen-Impulsrelhen (2, 4) bezüglich Ihrer Trägerfrequenz jeweilig kohärent sind ml! Ihrer zugehörigen Impulswiederholfrequenz.

- ; b) die empfangenen Echosignale (5) In einem Mlk- "J. rowellenmlscher (MiV)) mit den Mlkrowellen- -;-;■ Abtastpulsen (4) multipliziert werden, wobei zeltgedehnte Zwlschenfrequenzslgnale (6) gebildet werden, die selektiv verstärkt und zu Videosignalen (12) demoduliert werden.

2. Impulsradarverfahren nach Anspruch 1, dadurch "gekennzeichnet, daß ein zeltgedehnter Referenzpuls _;(7) zu den Videosignalen (12) zeitlich vor das durch . * Übersprechen von Sende- zu Empfangsantenne !bedingte erste Echosignal der Zwlschenfrequenzsignale (6) Im Videosignal (12) gelegt wird.
' · 3. Impulsradarverfahren nach Anspruch 1, gekenn- fr zeichnet durch Festzielauswertung aus Videosignalen (12) und Referenzpuls (7).

4. Impulsradarverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Bildung eines gesonderten zwlschenfrequenten Referenzsignals (Ji) kohärent zu den empfangsselllgen zeitgedehnten Zwlschenfrequenzslgnalen (6).

5. Impulsradarverfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Dopplerauswertung aus den empfangsseltigen zeitgedehnten Zwischenlrequenzslgnalen (6) und dem zwlschenfrequenten Referenzsignal (Ji).

6. Impulsradarverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch an sich bekannte Umformung der beiden Impulsreihen (1, 3) zu Nadelimpulsen mit sehr steilen Anstlcgsflanken.

7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei In einer sendeseltlgen Taktzentrale (TZ 1) zwei Impulsgeneratoren für Impulsreihen von geringfügig unterschiedlicher Impulswiederholfrequenz (Jps. fpa) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Generatoren Impulsformerstufen (NpI, PmA bzw. Np3, PmS) und Mikrowellenoszillatoren (OsS, Lo9) nachgeschaltet

, sind, wobei der Mlkrowellenoszlllator (OsS) für die erste Impulsreihe (!) mit einer Sendeantenne (S) und der Mlkrowellenoszlllator (Lo9) für die zweite Impulsreihe (3) mit einem empfangene Echosignale (5) zu

ϊ zwischenfrequenten Signalen (6) verarbeitenden Mikrowellenmischer. (MiW) verbunden Ist, daß ferner an die beiden Übertragungswege der Impulsreihen (1, 3) vor den Mikrowellenoszillatoren (OsS, Lo9) eine Koinzidenzschaltung (KpD angeschlossen Ist und daß einerseits der Empfangsteil, bestehend aus MlkrowellenmlscherC/W/lO), Zwlschenfrequenztell (BpM, Rvtt, RvXA) und Demodulatlonsstufe (HiIlS) und andererseits die Koinzidenzschaltung (KpI) an eine Auswer-

20

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60 (einrichtung i%17. Z
angeschlossen sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Mlkrowellenoszlllatoren (OsZ, Lo9) als passive Mikrowellenresonatoren ausgebildet sind, die von den Nadellmpulsen der jeweiligen Pulsmodulatoren (PmA, PmS) jngestoßen werden, oder daß die beiden Mikrowellenoszillatoren (OsS, Lo9) als selbsterregte aktive Oszillatoren ausgebildet sind, die von den Pulsmodulatoren (PmA, PmS) aufgetastet werden derart, daß der Auftastimpuls eine Anfangsschwingung Im Mlkrowellenresonaior anstößt, die durch die Energiezufuhr der aktiven Oszillatorschaltung angefacht wird

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem die Serideimpulse (2) liefernden Mikrowellenresonator (Os5) ein Mlkrowellenbandpaßfllter (Bpb) rachgeschaltet Ist.

10 Schaltungsanordnung nach Anspruch 7. /gekennzeichnet durch der Koinzidenzschaltung (K(H) ffzugeordnete Mittel (Zn\9) zur Verschiebung des Ein-"^Jsatzzeitpunktes des Referenzpulses (7). ί II. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, 'dadurch gekennzeichnet, daß In den Zuleitungsweg der Abtastimpulsreihe (3) zu der den zeitgedehnten Referenzpuls (7) bildenden Koinzidenzschaltung (KpI) ein Verzögerungsglied (Ζι·\9) eingeschaltet Ist.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch zwei Im Übertragungsweg

jdes Referenzpulses (7) parallelliegende Verzögerungs-%lieder (7.χ\Ί, Z«18) mit unterschiedlicher einstellbarer Verzögerungszeit (T₁₁₁₁₁₁. T„„J und mit anschließender, eine logische Verknüpfung des In den beiden Teilwegen (9, 10) übertragenen Referenzpulses durchführender Torschaltung (20).

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden paraüelliegenden Verzögerungsgliedern f/.uli. ΛΊ8) ein gemeinsames einstellbares Verzögerungsglied fZj,'l5) vorgeschaltet ist.

14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch die Verwendung von durch den Referenzpuls (7) triggerbaren monostabilen Kippschallungen als einstellbare Verzögerungsglieder (Za 17, Z«18).

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Funktionsgenerators r/«16) die Verstärkung des Zwischenfrequenzverstärker (KvM) zeitabhängig derart steuert, daß eine entfernungsunabhängige Zielechoamplitude erreicht wird.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Anordnung einer einstellbaren, den Referenzschwellwert eines Komparators (22) bestimmenden Hystereseschaltung (ShU) Im Übertragungsweg der demodulierten Videosignale (12).

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die zeltgedehnlen Zwischenfrequenzslgnale (6) demodulierende Einrichtung (HtIlS) als Phasendiskriminator ausgebildet und mit einem gesonderten phasenstarr von einem Mutteroszillator der Taktzentrale (TZi) gesteuerten ZwI-schenfrequenzgenerator (Ji) verbunden ist.

Die Erfindung betrifft ein Impulsradarverfahren gemäß

dem Oberbegriff des Anspruchs I und die zugehörige Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Praxis tritt hiluflg die Aufgabe auf, sowohl feste als auch bewegliche Ziele In nächster Umgebung einwandfrei feststellen zu können Als Beispiel für vielfältige Anwendungsmöglichkeiten In der Industrie sei auf Walzwerke hingewiesen, bei denen vor Einleitung eines Bearbeitungsvorgangs festgestellt werden muß. ob eine Bramme ihre vorgeschriebene Position eingenommen hat oder nicht, bzw. ob sie sich bewegt. Dabei soll die Entlernung möglichst genau ermittelt werden können. Wollte man sich auf df. Feststellung bewegter Ziele beschränken, so würde der Nachteil auftreten, daß beim Einschalten des Überwachungsgeräts eine bereits In ihrer Position ruhende Bramme nicht ermittelt würde und daß lnlolgedessen unter Imständen ein falscher Schaltbefehl für den Betrieb gegeben werden könnte Es muß also sowohl ein festes als auch ein bewegliches Ziel im vorgegebenen Überwachungsbereich eindeutig erkannt werden. Andere 'Anwendungsmöglichkelten finden sich z. B. bei TüröTI-nern oder Schutzvorrichtungen an gefährlichen Maschinen.

Bislang wurden Im Industriebereich für soJche Aufgaben vielfach optische Überwachungseinrichtungen eingesetzt, die teils als reine Lichtschranken, teils auch als Entfernungsmesser nach dem Laser-Prinzip aufgebaut waren. Der Einsatz derartiger Einrichtungen ist im wesentlichen dann interessant, wenn die bei Lichtstrahlen mögliche hohe Bündelung und ihr geradliniger Verlauf für das Überwachungsverfahren von Bedeutung sind Optische Verfahren sind bereits dann nicht mehr brauchbar, wenn anstelle scharfer Bündelung ein etwas größerer Bereich erfaßt werden muß. Ferner versagen sie rasch dort, wo Staub, Dampf oder sonstiger Schmutz die optischen Einrichtungen beeinlrüchtigl oder wo durch undurchsichtige Hindernisse, wie nichtmetallische Stolfe. z. B. Textillen. Holzwände oder Plastikabschirmungen usw. die Lichtausbreliung behindert wird.

Eine andere Art von Überwachungseinrichtungen basiert anstelle von Lichtwellen auf Ultraschallwellen Diese Einrichtungen sind aber im industriellen Betrieb sehr schwer einzusetzen, da dort meist störender Lärm vorliegt, der auch im Ultraschallbereich wirksam ist. Für den Fall, daß um aus dem Ullraschallstörspeklrum des Industrielärms herauszukommen, der für die Überwachung verwendete Ultraschallberelch bei zu hohen Frequenzen liegt, ergibt sich der Nachteil, clali die erzielbaren Reichweiten viel zu gering werden. Außer Jem ergeben sich Schwierigkeiten in solchen Fällen, bei denen sehr schnelle Vorgänge entdeckt werden sollen. Dies hat seinen Grund in der relativ langsamen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen gegenüber der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen, wie Licht bzw Radar.

Weitere in der Praxis bekannte überwachungseinrichtungen arbeiten nach dem Prinzip der induktiven Näherungsschalter Diese Einrichtungen sind zwar gegenüber Lärm und Schmutz unempfindlich, haben aber eine außerordentlich geringe Reichweite von nicht einmal 1 m und nur eine grobe Richtwirkung ohne nennenswerte Winkelauflösung

Die Pulsradartechnik ist bisher für die verschiedensten Entfernungsberei'.he eingesetzt worden, z. B. für Navigationsaufgaben, wobei es sich um Entfernungen bis zu einigen 100 km mit entsprechend langen Impulsen und Impulslaufzelten his herab zu Entfernungen von etwa 100 m. z. B. für B>)oisradar. handelt. Man hat auch schon die Pulsradariechnlk für Abstandsmessung bei autarken Abstandswarngeräten Im Straßenverkehr bei Automobilen eingesetzt Der Interessante tnifernungsberelch liegt hler etwa zwischen 5 und 100 m Abstand, wobei für die Entfernungsauflösung höchstens Genauigkeiten von 1 m > erforderlich sind Diese Genauigkeit 1st aber für die oben erwähnten industrleaufgaben völlig unzureichend. Dort Ist ein Auflösungsvermögen In cm-Berelch notwendig.

Das aus der Literatur (Nachrlchtentechn Zeltschrift 29.· 1976 Heft 9 Seite 667 bis 672) bekannte autarke

"' Abstandswarngeräi für Kraftfahrzeuge arbel'et als konventionelles bistatlsches Impulsradar. Das Gerüt sendet ca. 30 ns lange Impulse mit einer Trägerfrequenz von über 30 GH/ mit einer Impulsfolgefrequenz von 500 kHz aus. Die einzelnen Impulse der Impulsreihe sind unter-

i'j einander inkohärent. Aus den aufgenommenen Echoimpulsen werden im Empfänger mittels eines Überlagerungsoszillator Zwischenfrequenzslgnalc von 300 MHz gebildet, in aufwendiger Weise mehrlach gefiltert, verstärkt und demodulleri An die Frequenzstabilitäl des

JD bberlagerungsos^lllaiurs müssen iehr hohe Aniorderun-

\: \en gestellt werden. Bei dem im Abstandswarngeräi verwendeten Gun-Oszillator konnte die erforderliche F're-■fluenzstabllität nur durch Einsat? eines Thermostaten für clen Oszillator erreicht werden. Ein solcher Aufwand sollte aber beim eingangs genannten Anwendungsgebiet ^vermieden werden. Die am Ausgang des Zwischenfrequenzlelles erhaltenen Videosignale werden mit Hilfe eines Sampling- oder Abtastverl'ahreiis einer Zeittransformation in einen niederfrequenten Bereich unterworfen.

x Wegen des Zeitdehnungseffektes kann die nachfolgende Auswertung unter Verwendung relativ einfacher elektronischer Mitte! durchgeführt und das Videosignal einer direkten Mikroprozessorverarbeitung zugänglich gemacht werden. Das Prinzip dieses Sampling- oder Abtastverfah-

i- rens bestehl hier darin, daß ein Abtastpulssignal erzeugt wird, dessen Abtastfrequenz geringfügig niedriger ist Xi B. wenige kHz) als die Pulswiederholfrequenz des Radars. Das Verhältnis von Abtastfrequenz zu der so gebildeten Dilferenzfrequenz liefert den Zeiidehnungs-• 40 faktor für eine Zeillranslormalion. Die Abtastdauer von einigen Nano-Sekunden ist ausreichend kurz gewählt, um eine ausreichend formgetreue Abbildung des ursprünglichen Videosignals zu erhalten.
Dieses Impuisradarverfahren ist auch aus der DE-OS 25 44 842 bekannt und bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1 Die Übertragung der Pulsradartechnik vom Großradar auf die beim autonomen AbstandsmelJsyslem vorkommenden Entfernungen stellt besondere Anforderungen an die schnelle Impulstechnik, denn im Hinblick

so auf die Entfernung und Laufzeiten wurde eine entsprechende Verkürzung der Impulsdauer nötig, wobei die Trägerfrequenzen etwa im gleichen GHz-bereich liegen Die bei diesem Radar verwendeten Halbleiiersender gestatten nicht die Erzeugung von Pulsdauern unter 10 Nanc-Sekunden und damit ist eine höhere Entfernungsauflösung. wie sie für den eingangs genannten Zweck benötigt wird, nicht erreichbar.

Die beim Abstandswarngerät geforderte Entfernungsauflösung im Bereich von 1 m erfordert aber bereits hier erhebliche Bandbreiten beim Zwischenfrequenzverstärker, nämlich 150 MHz. Der technische Aufwand Ist zwar erheblich, aber noch realisierbar. Im Gegensatz dazu werden bei den oben im Zusammenhang mit der Industrieüberwachung genannten Entfernungsbereichen noch

t>5 wesentlich höhere Bandbreiten benötigt, nämlich etwa I GHz; bei derartigen Bandbreiten kann eine zwlschenfrequenle Verstärkung und Filierung nach der bekannten Art nicht mehr sinnvoll, und das heißt kostengünstig.

realisiert werden. Das bekannte Abstandswarnsystem kann erst nach der genannten aufwendigen Zwischenfrequenzverstärkung und Gewinnung eines Videosignals ein Samplingverfahren zur Transformation des Videosignals in einen sehr niederfrequenten Frequenzbereich anwenden.

Da für das eingangs genannte Anwendungsgebiet neben der hohen Entfernungsauflösung auch eine gute Winkeiauflösung erforderlich ist, werden Richtantennen benötigt. Richtantennen ausreichend kleiner Abmessungen, wie sie beim vorgesehenen Einsatz erforderlich sind, lassen sich nur realisieren, wenn Ihre relative Bandbreite nicht zu groß ist, z. B. maximal 209s,.

Diese Bedingung legt die untere mögliche Radarfrequenz fest. Zur Aussendung eines Trügerimpulses von 1 Nano-Sekunde Dauer wird eine Bandbreite von etwa I GH? benötigt. Um die Forderung der relativen Bandbreite von max. 2(K bezüglich der Antenne einzuhalten, folgt die Festlegung der Trägerfrequenz auf wenigstens 5 GHz. Bei der Verwendung höherer Trägerfrequenzen können Antennen höherer Richtwirkung bei gleichen Abmessungen oder kleinere Antennen bei gleicher Richtwirkung realisiert werden. Ein Nachteil der Verwendung höherer Frequenzen liegt aber in dem mit der Frequenz stark ansteigenden Preis aller Mikrowellenbaulelle.

Es sind sogenannte Basisbandradars bekannt geworden, die zwar die gewünschte Entfernungsauflösung dank ihres Nano-Sekunden-Impulses aufweisen, aber nicht die gewünschte hohe Winkelauflösung. Da es sich hier nicht um Trägerfrequenzimpulse handelt, sondern um direkte Gleicrrstromlmpulse, resultieren sehr grof3e Bandbreiten von ca. 0,2 bis 1 GHz, die von der Antenne des Gerätes verarbeitet werden müssen. Bei dieser Bandbrei'e läßt sich eine räumlich kleine Antenne mit hoher Winkelauflösung nicht realisieren. Ein Basisbandradar erscheint daher für die eingangs erwähnten Zwecke wenig geeignet.

Hieraus ergibt sich, daß die Forderung nach extrem hoher Emfernungsauflösung bei zugleich hoher Winkelauflösung des Radars nur mit sinnvollem Aufwand erfüllt werden kann, wenn ein Trägerfrequenzlmpuis verwendet wird, der wenigstens einige, z. B. 5 bis 10 Schwingungen enthält.

Die gestellte Radarauigabe könnte grundsätzlich auch nach dem Frequenzmodulationsradarverfahren (FM-CW-Verfahren) gelöst werden. Da für gleiche Entfernungsauflösung wie beim Pulsradar die gleiche Bandbreite für das FM-CW-Radar benötigt wird, sind außerordentlich hohe Frequenzhübe erforderlich. Die technische Lösung des frequenzmodulierten Oszillators erscheint nach dem derzeitigen Stand der Technik aufwendiger als die Trägerfrequen/impulserzeugung beim Pulsradarverfahren. Wegen des vom Prinzip her bedingten gleichzeitigen Sendens und Empfangens ergeben sich außerdem noch höhere Anforderungen an die Entkopplung von Sender und Empfangszweig.

Von diesem breiten Stand der Technik ausgehend zeigt es sich, daß zur Lösung der anstehenden Probleme das Pulsradarsystem am ehesten geeignet erscheint. Seine bisherigen Grenzen sind oben aufgezeigt worden und für den Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, eine wirtschaftliche Lösung für die sendeseltlge Erzeugung und empfangsseltige Verarbeitung extrem kurzer Trägerfrequenzimpulse zu finden, wobei In Verbindung mit einem Abtastverfahren die erforderliche Zeittransformation der extrem schnellen Impulsabläufe möglich wird.

Die an sich bekannte Pulsradartechnik Ist daher so umzuformen bzw. auszubilden, daß sie auch für kleine Ziele im allerengsten Entfernungsbereich zwischen unmittelbar Zielnähe bis zu einigen IO m eine exakte Entfernungs- und Richtungsbestimmung ermöglicht. Dabei sollen auch verhältnismäßig kleine Ziele Im Vergleich zur Entfernung einwandfrei entdeckt werden, z. B. Ziele von etwa Handgröße im 5-m-Berelch.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt liegt dabei darin, Im Hinblick auf Bandbreite und Zwischenfrequenz für den Empfangsteil eine einfachere Lösung zu finden, ohne Nachtelle, wie z. B. verringerte Empfindlichkeit und mangelnde Selektivität, in Kauf nehmen zu müssen.

Es muß außerdem nach anderen Möglichkelten zur Erzeugung von extrem kurzen Trägerimpulsen in der Größenordnung von I Nano-Sekunde gesucht werden, wobei gleichzeitig auch die Probleme der ausreichend gebündelten Abstrahlung und des Empfangs in der Antenne sowie die Probleme des Empfängers zur Verarbeitung derartiger kurzer Impulse gelöst werden müssen. Die in der Breitbandigkeit begründeten Schwierigkeiten bei der Zwischenfrequenzverarbeltung sollen dabei vermieden werden.

Die in der Aufgabe gestellten Forderungen werden erfindungsgemäli durch das Verfahren des Anspruchs 1 und die dazugehörige Schaltungsanordnung erfüllt.

Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung kann aus den Videosignalen und dem Referenzpuls eine Festzielauswertung gewonnen werden und unter Verwendung eines zwlschenfrequenten Referenzsignals ist es möglich, aus den empfangsseltigen Zwischenfrequenzslgnalen eine Dopplerauswertung nach den verschiedensten an sich bekannten Kriterien für die Ermittlung von bev/egten Zielen durchzuführen.

Ein wesentlicher Unterschied und ein beträchtlicher Verteil der Erfindung gegenüber dem bekannten Abstandswarngerät liegt darin, daß die Mikrowellenabtastimpulsreihe direkt zum Empfangsmischer geleitet und dort zusammen mit den Echoimpulsen verarbeitet wird. Auf diese Weise wird bereits Im Empfangsmischer der Vorgang einer Überlagerung zwecks Zwlschenfrequenzbildung und der Vorgang einer Zeitdehnung in einen sehr niederfrequenten Bereich kombiniert. Hler liegt ein wesentlicher Unterschied gegenüber der Zwischenfrequenzblldung bei konventionellen Überlagerungsverfanren. Während dort die absolute Bandbreite eines Signals erhallen bleibt, wird bei der Erfindung auch die absolute Bandbreite um den Zeildehnungsfaktor verringert. Die Signalbandbreite von z. B. I GHz wird so auf 100 kHz verringert. Es kann daher hler schon Im ZwI-schenfrequen7tell mit wesentlich geringerem Aufwand und mit einfacheren Mitteln gearbeitet werden.

Ein weiterer sehr wichtiger Unterschied gegenüber der Impulserzeugung bei konventionellen Radars besteht In dem Merkmal, daß erfindungsgemäß ein beliebiger, aber fester zeitlicher Zusammenhang zwischen der Anstlegsflanke des steuernden Impulses und dem Startzeltpunkt (Anfangsphase) der durch Ihn im Mikrowellen-Oszillator erzeugten Trägerschwingung besteht. Das gilt gleichermaßen für Sende- und Empfangsseite. Nur durch dieses Merkmal ist es möglich, die obengenannte Kombination aus Zwischenfrequenzblldung und Zeltdehnung durchzuführen.

Bei dem die Zeltdehnung bewirkenden Abtaslverfahren entsteht zwar Im Gegensatz zu dem eingangs im Zusammenhang mit Abstandswarngeräten erwähnten, an sich bekannten Abtastverfahren keine exakte formgetreue Abbildung des zelttransformierten Signals, sondern es tritt eine gewisse, aber hler nicht störende Abblldungsverzertung des Signals auf. Diese Verzerrung kann

jedoch bewußt in Kauf genommen werden, well auf-!ese Welse eine weit bessere Signalausbeute ermöglicht wird. Der Signal-zu-Kausch-Abstand wird bei geringem gerätetechnischem Aufwand erheblich verbessert. Die Verbesserung des Signal-zu-Störabstandes Ist für das hler beschriebene Verfahren ersichtlich wichtiger als eine formgetreue Abbildung des Empfangsimpulses.

Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels hervor. Es zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild,

Flg. 2 a und 2 b Signal verlaufe an verschiedenen Siel-' len des Blockschaltbildes und

Flg. 3 Amplitudenspektren von auftretenden Impulsen.

Nachstehend sei der schematische Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung anhand des Blockschaltbildes und der Fig. I unter Hinwels auf die Signalverläufe der Flg. 2 a und 2 b beschrieben. Dabei sei darauf hingewiesen, daß in den Signal verlaufen die Impulsdauer und der Impulsabstand nicht maßstäblich aufgezeichnet sind. Das Gleiche gilt für die Amplitude. Der zeitliche Maßstab bei den Signalverläufen I bis 5 ist überall derselbe. In den Signalverläufen 6 bis 14 ist ein anderer, aber Innerhalb dieser Gruppe gleicher Zeitmaßstab gewählt. Auf diese Welse ist Koinzidenz bzw. Verschiebung zwischen den einzelnen Impulsreihen erkennbar. Wichtig aber ist der Umstand, daß zwischen den Signalverläufen der Gruppe I bis 5 und der Gruppe 6 bis 14 eine Zelldehnung elwa um den Faktor 10 000 vorllegl und somit in den beiden Gruppen ein völlig anderer Zeitmaßstab Verwendung findet.

In einer Takt/entrale 7/1 werden zwei Impulsreihen erzeugt. Die eine Impulsreihe hat beispielsweise die Impulswiederholfrequenz /,„ von z. B. 10 MHz und wird weiter im Sendeimpulsen verarbeitet. Hierzu wird die Impulsreihe in einem Nadelimpulsformer Λ/;2 zu Nadel-Impulsen umgeformt. Dies kann beispielsweise mittels der bekannten Ladungsspeicher-Diode (step-recoverydiode) erfolgen. Um möglichst stelle Anstlegsflanken des Nadelimpulses zu erhallen, können gegebenenfalls mehrere Formerstufen einander nachgeschaltet werden Der Signalverlauf der Nadelimpulse ist In der Flg. 2 a unler »I« dargestellt. Die Periodendauer Ist mil /,„ bezeichnet. Diese Nadelimpulse erregen über den Pulsmodulator /^J//;4 einen SendcpulsoszlMator OsS. Die Eigenfrequenz /, des Oszillators i/S5 lsi im Mlkrowellenberelch gewählt, z. B. mit 5 bis 10 GHz. Die Signale des Oszillators OSS werden über einen Bandpaß l'hb zur Sendeantenne .S gegeben. Diese Signale sind In der Flg. 2a unler »2« wiedergegeben. Die trügerfrequenten Schwingungen sind hier im Signalverlauf dutch Schraffur angedeutet. Die Signale »2« weisen die gleiche Pulsperlodendauer i,_n auf wie die vorhergehenden Signale »I«. Die Impulsdauer lsi /, von z. B. 1 ns.

In entsprechender Welse wird In der Taktzentrale 7Zl eine zweite Impulsreihe mil der Impulswiederholfrequenz /,,„ erzeugt. Diese Impulswiederholfrequenz ist etwas geringer als die Impulswiederholfrequenz der 0. g. ersten Impulsrelhe, z. B. 9,9990 MHz. Auch diese Impulsreihe wird über Nadel Impulsformer Λ//3 und einen Pulsmodulator HiiiH zu den oben erwähnten Nadclimpulsen mil sehr stellen Flanken umgeformt. Die In diesem Zweig verlaufenden Signale sind In der Flg. 2 a unter »3« aufgezeichnet. Dabei Ist die gegenüber der ersten Impulsreihe »I« etwas größere Perlodendauer i_m leicht erkennbar. Die erzeugten Nadelimpufsc regen einen Oszillator Lo9 an, der etwa auf die gleiche Mikrowellenfrequenz abgestimmt Ist wie der Sendeoszillator. Die vom Oszillator Lo9 erzeugten trägerfrequenten Impulse sind In FI g. 2 a unter »4« dargestellt. Auch sie sind durch Ihre Schraffur als trägerfrequent gekennzeichnet. Sie haben wiederum die Perlodendauer I₁₁₁₁ und eine Impulsdauer von /,. Diese trägerfrequenten Signale »4c werden als Abtaslsignale einem Mikrowellenmischer MiU) zugerührt.

Zu den Oszillatoren OS5 und Lo9 In den Verarbeitungszweigen der beiden Impulsreihen Ist noch zu erwähnen, daß In Ihnen durch die zugeführteri Nadelimpulse phasenstarre Trägerimpulse erzeugt werden. Als Oszillatoren können vorzugsweise passive Mikrowellenresonatoren verwendet werden, die von den Nadelimpulsen zu abklingenden Schwingungszügen angeregt werden. Durch einen nachfolgenden Bandpaß z. B. tipb kann der träigerfrequente Impuls des Oszillators in seiner Hüllkurve geformt werden.

Das kennzeichnende Merkmal dieser Pulsoszillatoren, deren Eigenfrequenz/, In der Regel Im Mikrowellenbereich gewählt wird, besteht darin, daß zwischen dem Nadelimpuls und dem Startzeitpunkt des erzeugten Schwlngursspakeles ein fester zeitlicher Zusammenhang besieht.

Diese Kohärenz der Phasenlagen von Impulsfolgefrequenz /,, und erzeugter Oszillatorschwingung /, wirkt sich in der frequenzspeklralen Darstellung der Flg. 3 so aus, daß die Linien des Oszillatorsignals mit den Harmonischen, also den ganzzahlingen Vielfachen der Impulsfolgefrequenz /,, frequenzmäßig übereinstimmen. Im Bereich der mittleren Oszlllalorfrequenz /, bilden diese Harmonischen das Pulsspektrum, dessen Einhüllende durch die Fourier-Transformation des Pulsschwingungszuges (vergl. »2« bzw. »4« in Fig. 2a) des Oszillators bestimmt lsi.

Wie FI g. 3 erkennen läßt, legt die Eigenfrequenz /, des Oszillators nur den Schwerpunkt der Einhüllenden des Pulsspektrunis fest, unabhängig vom Raster der Spektrallinien.

Besteht der Schwlngungszug wie hler nur aus wenigen Schwingungen, so weis! das zugehörige Pulsspektrum sehr viele Linien auf. Infolge dieser großen Bundbreite ergibt sich der gerätetechnische Vorteil, daß an die Konstanz der Eigenfrequenz des Os/illalors nur sehr müßige Anforderungen gestellt werden müssen. Daher braucht der Sendepulsoszlllaior Os5 und der Überlagerungspulsoszillaior l.n'i nur annähernd auf die gleiche Eigenfrequenz /, abgestimmt zu werden.

Wie In I ig I gestrichelt angedeutet lsi, werden die von der Sendeantenne S abgestrahlten Impulse von einem Ziel / reflektiert und nach entfernungsabhiingiger Laul/cit von der hmpfangsanlenne /; aufgenommen. Diese Signale werden über einen Bandpaß HpW dem Mikrowellenmischer ,1//IO zugeführt. Die empfangenen Signale haben die Signalton» »5« In der Flg. 2 a. Ihre Perlodendauer Ist wiederum /,„. Im Signalverlauf »5« sind hier neben den deutlich hervortretenden Antennenleckslgnalcn zwei unterschiedlich große Echosignale von verschiedenen Zielen angenommen.

Für den Im folgenden beschriebenen Mischvorgang hat ein etwaiger Frequenzversatz /Jf, zwischen dem Empfangssignal »5» und dem Überlagerungssignal »4« nur einen geringen Signalverlust zur Folge.

Der Mischer Λ//Ι0 kann realisiert werden durch einen konventionellen Mlkrowellendlodcnmlschcr, am besten in Brücken- oder Doppelbrückcnschaltung zur besseren Entkopplung seiner drei Tore.

Das dem Mischer Λ//1ΙΙ zugeführte Überlagerungsslg-

9 10

nal oder Abtastsignal »4« hat die gleiche Form des puls »7« eine Zelt 7„ vor dem ersten Echosignal der Zwi-Schwlngungspaketes wie das angenommene Zielsignal schenfrequenzslgnale »6« erscheint, welches ungefähr der »5«. Es unterscheidet sich durch seine konstante und Entfernung Null entspricht und durch das Übersprechen größere Amplitude und vor allem durch die geringfügig von Sende- zu Empfangsantenne bedingt ist. Die Nullkleinere Impulswiederholfrequenz./;,,,. 5 Meter-Marke für die Auswertung ist dadurch grob eln-

Der Mischprozeß läßt sich In erster Näherung als MuI- stellbar.

tlpllkation vom Empfangssignal und Überlagerungssignal Der Referenzpuls »7« trigger! ein regelbares Zellglied beschreiben. Die anschließende Filterung mit Hilfe des Ζί,Ίδ, das beispielsweise als monostabile Kippschaltung Zwischenfrequenz-Band-passes tipi! liefert das In einen ausgeführt sein kann. Wie aus Fig. 2 b erkennbar ist, bilgedehnten Zeltbereich transformierte Empfangssignal io det das Ausgangssignal »8« des Zeitgliedes Zj; 15 eine _i:»6« (vergl. Fig. 2 a). Mit den o. g. Zahlenbeispielen Pulsfolge mil der zeltgedehnten Perlodendauer 7,, und ^ergibt sich ein Zeildehnungsfaktor von etwa 10 000 und mit der Impulsbreite 7,., die einstellbar ist. Auf diese eine Abbildungswiederholfrequenz /,/ von 1 kHz. Die Welse können alle gerateintern bedingten Verzögerungen Zeildehnung ist in Fig. 2a beim Signal »6« durch einen ausgeglichen werden und die Null-Meter-Marke des anderen Maßstab dargestellt. Als Perlodendauer beim 15 Radars wird justierbar.

zoitgedehnlen Signal ergibt sich I₁, und z. B. eine Impuls- Die Rückflanke des von dem Zeltglied Zj;15 geliefer-

dauer von I₁ für ein Echosignal. ten Ausgangsimpulses »8« wird benutzt, um die verzö-

Dieses Zwischenfrequenzslgnal »6» ist am einfachsten gerten Zeitglieder Ζ.ι,'17 und Zj; 18 zu triggern, die bel-

charaklerisierl als Kreuzkorrelationsfunktion von Emp- spielsweise beide ebenfalls als monostabile Multivlbrato-

'fangssignal »5« und Überlagerungssignal »4«. Ist der 20 ren realisiert werden können. Das einstellbare Zeltglied

,Empfangsimpuls mil dem Im Lokaloszillator Lt>9 erzeug- Z« 17 liefert wiederum mit einer Periodendauer /,/ eine

(ten Abtast- oder Überlagerungsimpuls »4« formgleich Impulsfolge »9«, wobei die einstellbare Impulsbreite 1 „„„

4<von der Amplitude abgesehen), so bewirkt der Abtast- die untere Grenze des gewünschten Zielentfernungsbe-

■vorgang, daß der Zwlschenfrequenzimpuls die doppelte relchs bestimmt.

«Anzahl Zwischenfrequenzperloden enthält als der Emp- 25 In gleicher Weise erzeugt das einstellbare Zeltglied

langslmpuls Trägerfrequenzperioden enthält. Der zelt- Zj;18 eine Pulsfolge »10«. Hler läßt sich über die einstell-

transformierte Impuls erscheint also relativ zur Pulspe- bare Impulsbreite 7„„„ die obere Grenze des gewünschten

rlode um den Faktor »zwei« gedehnt. Neben dieser Zielentfernungsbereichs festlegen. Die logische Verknüp-

- Abb I Id u ngs verzerrung In der Zeltachse tritt eine quadra- fung der in Flg. 2 b In ihrem Verlauf dargestellten PuIs-

,tische Verzerrung der Hüllkurve auf, wenn der Mischer 30 folgen »9« und »10« In der Schaltung 20 führt zu einer

als Multiplizierer arbeitet; Im Grenzfall des quasilinearen Pulsfolge »11«. Der hler erscheinende »Fenslerimpuls«

'Betriebes verschwindet diese Art der Hüllkurvenverzer- mit der Breite /, markiert den eingestellten Zlelentfer-

rung. nungsberelch. Durch Wahl /„„„ und 7„„„ In den beiden

Die Impulsdauer 1, des Zwischenfrequenzslgnals ver- Zeitgliedern ΑΊ7 und Zj;l8 läßt sich also die zu überwa-

hält sich bei den oben angegebenen Zahlenbeisplelen zur 35 chende Entfernung und auch der Genauigkeitsbereich

Impulsdauer.', des Empfangsslgnals etwa wie 5000 : I bei wahlweise einstellen. In der Praxis ergaben sich mit den

einer mittleren Zwischenfrequenz von /, = I MHz. o. g. Zahlenbeispielen Entfernungen zwischen etwa '/₃ ni

Das Zwischenfrequenzslgnal »6« wird dann in den über 10 m. wobei das Auflösungsvermögen eine Genaugetrennt regelbaren Verstürkern KvIi und RvIA aul Igkelt der «Fensterbreite« von wenigen cm erbrachte,
einen für die Hüllkurvendemodulatlon ausreichenden 40 Das oben genannte Zeitgiied /'.ulS kann u. U wegge-Wert verstärkt. Die Demodulation erfolgt im nachge- lassen werden, wenn auf die Möglichkeit einer justierung schalteten llüllkurvendemodulalor //r/25 und ergibt das der Entfernung verzichtet werden kann. Der Referenz-Videosignal »12«. Die Zusammenhänge von Zwischen- puls »7« wird dann unmittelbar den Zeitgliedern ΖκΙ7 irequcrusigiui! »&« und Videosignal »12« sind wie alle Im und /vJ8 zugeleitet.

zeltgedehnien Bereich ablaufenden Signalvorgänge In der 45 Wie oben bereits erwähnt, wird das Zwischenfrequenz-

FIg. 2 b dargestellt. signal »6« Im Hüllkurvendemodulator //</25 zu einem

Für die weitere Auswertung der zeltgedehnten Echo· unipolaren Videosignal »12« demoduliert Der Zusam-

signale »6« soll ein Schaltbefehl erzeugt werden, wenn menhang zwischen Zwischenfrequenzslgnal »6« und

ein Ziel, dessen Echosignal einen einstellbaren Schwell- Videosignal »12« Ist aus der Fig. 2 b ersichtlich. Das

wert überschreitet. In einem Entfernungsbereich 50 Videosignal »12« wird dann einer Komparatorschaltung

erscheint, dessen untere und ohere Grenze getrennt ein- 22 zugeführt, die von einer Hystereseschaltung ShU eine

stellbar Ist. · Referenzspannung erhält. Übersteigt der Wert des Vldeo-

DIc Pulsiviodulatoren hn4 und /'/1/8 liefern, wie oben signals »12« diese Referenzspannung, so liefert der Kom-

beschrlebcn, Nadcllmpulsfolgen mit den Impulsfolgefre- parator 22 ein Schallsignal zur UND-Schaltung 21. Falls

qucnzen /,„ bzw. /,,„. Ein Bruchteil der Energie der beiden 55 dieses Schaltsignal mit dem vorgewählten Fenslerimpuls

Nadcllmpulsfolgen wird einer Koinzidenzschaltung Κ/Π »II« zusammenfällt, liefert die UND-Schaltung 21 einen

zugeführt, die in ähnlicher Welse wie Im Mischer Λ//Kl Ausgangsimpuls »13«. Dieser startet eine retrlggcrbare

einen zcllgedchnten Rcferenzpuls »7« gem. Flg. 2 b lie- monoslablle Kippschaltung Zj;23, die den gewünschten

fcrt. Dabei liegt der gleiche Zelldehnungsfaklor wie bei Schaltbefehl »14« liefen. Auch diese Signalverläufe sind

den Zwischcnlrcqucnzlmpuisen des Slgnalverluufes »6« 60 In der Flg. 2b dargestellt.

vor. Die Pul.sperlodcndauer entspricht daher der Abbll- Der vom Zeitglied Z.if23 erzeugte Schaltimpuls »14«

dungsfrcqucnzpcrlode /,, des Zwischenfrequenzslgnuls dient zugleich der Steuerung der Referenzspannung in

»6«. der Hystereseschaltung ShU. Der Referenzspannungs-

Der Einsatzzeitpunkt des Rcfcren/.pulses »7« Ist vor- sprung läßt sich In seiner Höhe einstellen und ist in sei-

leilhafterwelse zelllich verschiebbar. Durch ein Verzöge- 65 ner Polarität so gerichtet, daß bei vorhandenem Schalt-

rungsgllcd Zj;l9 In der Zuleitung der Abtustnadelimpuls- Impuls »14« der Schwellwerl des Komparator 22 gesenkt

folge mit der Impulswlederholfrequenz I₁,,, zur Kolnzl- wird. Auf diese Welse wird eine einstellbare Hysterese

denzschaltung KpI wird erreicht, daß der Refercnzlm- Im Schaltvcrhalten geschaffen, die bei stark schwanken-

dem Zielecho ein Flattern des Schaltbefehls verhindert und den Schaltimpuls »14«, solang entsprechende Echosignale vorliegen, zum Dauersignal macht.

Unabhängig von der Einsteilmöglichkeit der Schalthysterese wird die Empindiichkelt des Radars, d. h. die Ansprechschwelle Tür große und kleine Ziele, mit Hilfe der Verstärkungsregelung des Zwischenfrequenzverstärker Rv\4 gewählt. Zur Kompensation der entfernungsabhängigen Zielechostärke wird in den Übertragungsv/eg des zeitgedehnten Zwischenfrequenzslgnals />6« das In der Radartechnik bekannte STC-Prlnzlp (sensltivltytlme-control) eingeführt. Ein Funktionsgenerator Ζ·«16 wird vom Referenzpuls »7« selbst oder von dem etwas verzögerten Puls »8« gesteuert und erzeugt eine sägezahnähnliche Impulsfolge, die ebenfalls eine Perioden- iä dauer von T₁, aufweist. Der sägezahnähnliche Verlauf dieser Spannung Ist zusammen mit der Regelkennlinie des Zwischenfrequenzverstärkers Rvii so gewählt, daß ■ für die zeitgesteuerte Zielentfernungsabtastung die jeweils benötigte Verstärkung automatisch erhalten wird. Um auch eine kohärente Auswertung der Zwischenfrequenzsignale (Dopplerauswertung) durchführen und Bewegtziele erfassen zu können, ist In der Taktzentrale 7Zl ein gesonderter Impulsgeber zur Erzeugung eines zwischenfrequenten Referenzsignals vorgesehen. Die Erzeugung kann auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. kann das Referenzsignal ebenfalls phasenstarr aus dem Mutteroszillator der Taktzentrale TZi abgeleitet werden. Das zwischenfrequente Referenzsignal habe beispielsweise die in Flg. I in der Taktzentrale TZi In gestricheltem Kreis eingezeichnete Zwischenfrequenz //. Auf dem ebenfalls gestrichelt angedeuteten Weg wird dieses zwischenfrequente Referenzsignal als Qauersignal einem Phasendiskrlmlnator zugeführt, der an die Stelle des, Hüilkurvendemodulatprs HdZS «tritt. Der Phasendlskriminator Hefen ein bipolares Videosignal, das nach an sich bekannten Methoden,;dle Vermessung eines bewegten Zieles nach Betrag und Vorzeichen der Radialgeschwindigkeit und/ndsr radialer inkremental Wegstrecke zusätzlich zur Größe eiiic* bs'.vci ·ι 7'e!<v5 möglich macht.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 20, 21. 22. /W23, .SV/24)

1. Impulsradarverfahren für nahe Entfernungsbereiche bis herab unter den Meterbereich mit einem eine Zeltdehnung durchführenden Abtastverfahren, wobei zwei hochstabile Impulsreihen erzeugt werden, von denen die eine zu Sendelmpulsen (2) und die andere, eine etwas geringere Impulswiederholfrequenz aufweisende Impulsreihe, zu Abtastimpulsen (4) verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß