DE1591337C3

DE1591337C3 - Nahbereich-Sektor-Radarsystem mit Frequenzmodulation und Schwebungsbildung sowie Richtungs- und Entfernungsdarstellung

Info

Publication number: DE1591337C3
Application number: DE1591337A
Authority: DE
Inventors: Keith Lewis Reigate Surrey Fuller (Grossbritannien)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1966-10-26
Filing date: 1967-10-24
Publication date: 1979-01-18
Also published as: US3500403A; GB1105758A; DE1591337B2; DE1591337A1; SE356822B

Description

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Die Erfindung betrifft ein Nahbereich-Sektor-Radarsystem mit einem an einer Antenne mit frequenzabhängiger Strahlrichtung angeschlossenen Sender und Empfänger, dessen Sender kontinuierlich ein unter der Steuerung eines ersten Sägezahngenerators periodisch linear frequenzmoduliertes Signal der Antenne zuführt und dessen Empfänger Mittel zur Bildung der Differenzfrequenz zwischem dem Sendesignal und dem Echosignal und ein daran angeschlossenes, unter der Steuerung eines zweiten Sägezahngenerators periodisch zeitlich linear über einen bestimmten Frequenzbereich abstimmbares Filter enthält, und mit einer Elektronenstrahlröhre zur Richtungs- und Entfernungsdarstellung, deren Strahlintensität durch das vom ^h5 abstimmbaren Filter stammende Signal moduliert wird und deren Strahl in einer Richtung entsprechend der Stärke des Signals des zweiten Sägezahngenerators und in einer zu dieser Richtung senkrechten Richtung entsprechend der Stärke des Signals eines weiteren Sägezahngenerators abgelenkt wird.

Solche Systeme werden z. B. auf einem Fahrzeug, das sich in dichtem Nebel schnell bewegen muß, verwendet, wie z. B. auf Flugplätzen, auf Lotsenwagen oder Feuerwehrwagen u. dgl.

Ein solches Radarsystem ist u. a. aus der britischen Patentschrift 5 81 169 bekannt. In diesem bekannten System erfolgt die Abtastung jedoch derart, daß zur Abtastung eines Sektors eine mechanisch rotierende Antenne verwendet wird, wobei zur Antennenlage proportionale Signale zur Sektorabbildung auf einer Elektronenstrahlröhre dienen.

Es sind auch Radarsysteme bekannt, die Antennen mit frequenzabhängiger Richtkennlinie verwenden; z. B. wird bei dem Radarsystem nach der deutschen Patentschrift 11 58 134 einem linearen Antennen-»Array« ein Rauschspektrum zugeführt und durch eine Art Frequenzanalyse die Richtung der reflektierten Strahlung ermittelt. Mit einem zusätzlichen Aufwand kann dabei auch noch die Objektentfernung bestimmt werden. Die Verwendung eines Rauschspektrums ist wegen des unvermeidlichen Systemeigenrauschens im allgemeinen unzweckmäßig und liefert, abgesehen vom Aufwand, nicht sehr genaue Ergebnisse.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Radarsystem zur Abtastung des Zielraums in radialer und azimutaler Richtung und zur Wiedergabe der Ziele nach Azimut und Entfernung mit geringem technischem Aufwand anzugeben, bei dem die Nachteile der bekannten Systeme vermieden sind und keine genaue Winkelübertragung von der Antennenanlage auf die Wiedergabevorrichtung erforderlich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Radarsystem der eingangs genannten Art dadurch, daß der weitere Sägezahngenerator der erste Sägezahngenerator ist und die Periodendauer des zweiten Sägezahngenerators erheblich länger ist als die des ersten Sägezahngenerators, derart, daß das Ausgangssignal des zweiten Sägezahngenerators der langsamen Abtastung des durch den ersten Sägezahngenerator azimutal schnell abgetasteten Zielraumes in radialer Richtung entspricht.

Im Gegensatz zu dem aus der GB-PS 5 79 813 bekannten Radarsystem ist der zweite schnelle Sägezahngenerator mit dem Sägezahngenerator des Senders identisch, womit die Wirkungen des schnellen und langsamen Sägezahngenerators gegenüber dem bekannten Radarsystem vertauscht werden.

Dadurch entsteht eine Abtastung des Zielraums, welche besonders für die eingangs erwähnten Radarsysteme in Fahrzeugen geeignet ist, die sich im zweidimensionalen Bereich bewegen und wobei der Fahrer eine Übersicht über den Sektorbereich in der Fahrtrichtung haben soll, wie es bei der Ansteuerung auf Flugplätzen benötigt wird.

Es können somit einfache Antennen mit einer linear frequenzabhängigen Richtkennlinie und mit einem engen Bündel benutzt werden, z. B. ein Wellenleiter mit einem wellenförmigen Längsschlitz oder ein Wellenleiter mit mehreren Querschlitzen in einem gegenseitigen Abstand von etwa einer halben Wellenlänge im Wellenleiter für eine Frequenz in der Mitte des betreffenden Bandes oder zwei oder mehr Reusenstrahler mit Speisung durch gegenseitig verschiedene frequenzabhängige Elemente usw.

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert

Die F i g. 1 bis 5 veranschaulichen das Prinzip der

Abtastmethode.

In F i g. 1 ist der Frequenzverlauf des Sendesignals gegen die Zeit aufgetragen; dies wird durch die volle Linie angedeutet.

Nach der Figur hat diese Kennlinie einen linear in der Frequenz zunehmenden Teil und einen linear in der Frequenz abnehmenden Teil, wodurch eine Signalfrequenz zeitlich dreieckiger Form mit einer Periodendauer U erhalten wird.

Im Prinzip kann man die Signalfrequenz kontinuier- ι ο Hch zunehmen lassen, aber in der Praxis ist man auf periodische Signale sägezahnförmiger Gestalt beschränkt Durch die volle Linie in F i g. 1 deutet man weiter den Winkel θ als Funktion der Zeit an; θ bezeichnet den Winkel, unter dem die Hochfrequenzenergie in einem bestimmten Augenblick von der Antenne in bezug auf die Nullrichtung ausgesandt wird.

Aus dieser Figur zeigt sich weiter die erforderliche lineare Richtungsabhängigkeit der Antenne als Funktion der Frequenz.

Von einem Ziel in einem Abstand d\ von der Sendeantenne wird nach einer Zeitspanne 2d\lc, wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet, nach dem Aussenden eines Signals ein Echosignal im Empfänger empfangen. Dieses Echosignal wird in F i g. 1 durch die gepunktete Linie angedeutet. Für ein Ziel in einem Abstand cfe beträgt die Echozeit Idilc, die in F i g. 1 durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist.

Indem die Echosignale mit den momentanen Sendefrequenzen gemischt werden, entstehen Schwebungsfrequenzen, die für die Abstände der die Echos hervorrufenden Ziele maßgebend sind. Für die Ziele d\ und ck betragen sie F_B 1 bzw. F₈ 2 (siehe F i g. 1).

Diese Schwebungsfrequenzen lassen sich durch Anwendung einer Reihe von Bandpaßfiltern trennen, die gegenseitig verschobene Durchlaßfrequenzen haben. Es ist jedoch zu bevorzugen, einen Hilfsoszillator nach den Fig.2 und 3 anzuwenden. Das vom Hilfsoszillator gelieferte Signal ist in F i g. 2 als Signalfrequenz gegen die Zeit aufgetragen. Auch hier ist als Beispiel ein dreieckiges, frequenzmoduliertes Signal, jedoch mit einer Periodendauer von t_r benutzt.

Fig.3 zeigt, daß die Signale mit den bestimmten Schwebungsfrequenzen mit dem Signal des Hilfsoszillators gemischt werden. Die volle Linie der F i g. 3 zeigt das frequenzmodulierte Signal F10 des Hilfsoszillators. Dieses Signal wird in der Frequenz mit den Frequenzen Fb 1 und Fb 2 der Schwebungssignale verringert. Die Frequenz Ft, die vom Filter durchgelassen wird, wird durch die strichpunktierte Linie angedeutet

Aus Fig.3 zeigt sich, daß die Signale von in verschiedenen Abständen von dem Sender-Empfänger liegenden Zielen zeitlich nacheinander als Funktion dieser Abstände durch das feste Filter durchgelassen werden, wodurch eine einfache Abstandsmessung erzielt wird. Die absolute Größe des Frequenzhubs des Hilfsoszillators wird durch den maximalen Abstand bestimmt, für den das Radarsystem entworfen ist und durch die Frequenzänderung des Sendesignals pro Zeiteinheit Zum Unterscheiden sehr nahe hintereinanderliegender Ziele muß die Frequenzänderung pro Zeiteinheit der Sendefrequenz möglichst groß sein, während die zeitliche Frequenzänderung des Hilfsoszillators gering sein muß, damit das Filter eine ausreichende Einschwingungszeit hat

Für schnelle zeitliche Frequenzänderungen des Sendesignals muß der absolute Frequenzhub des Sendesignals sehr groß sein. Dieser absolute Frequenzhub ist jedoch von der absoluten Winkeländerung des Antennenrichtbündels als Funktion der Frequenz abhängig. Da jedoch die Hochfrequenzenergie sich mit der Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt, steht nur eine sehr kurze Zeit nach der Aussendung zur Abstandsaustastung zur Verfügung. Damit dennoch hinreichend langsam ausgetastet werden kann, wird das Sendemuster wiederholt, so daß die Periode t_r des Signals des Hilfsoszillators erheblich größer ist als die Periodendauer fades Sendesignals.

F i g. 4 zeigt die Frequenzen des Sendesignals in Form der vollen Linie, die außerdem den Winkel der Aussendung andeutet, und die des Echosignals, das momentan vom Empfänger empfangen werden kann, in Form einer gepunkteten Linie gegen die Zeit. Da die Echozeit dem Abstand zwischen dem reflektierenden Ziel und dem Sender-Empfänger entspricht, ergibt sich aus Fig.4, daß der Abstand, für den der Empfänger empfindlich ist, linear zunimmt. Für ein Ziel in einem Abstand d\ mit der Schwebungsfrequenz Fb 1 ist der Empfänger zum Zeitpunkt t\ selektiv sowie für einen Ziel in einem Abstand di zum Zeitpunkt h. Die Linearität bei zunehmendem Abstand wird zum Zeitpunkt t_p während einer Zeitspanne f</unterbrochen. Da jedoch die absolute Frequenzänderung des Hilfsoszillators im Vergleich zu der des Sendesignals sehr gering ist, decken sich beide Linien praktisch nahezu vollkommen, wodurch die Zeitspannen i<* sehr kurz werden. Dies bedeutet außerdem, daß die Echorichtung nicht bedeutend von der momentanen Aussendungsrichtung verschieden ist, so daß der Ordinatenunterschied in Fig.4 für den Abstand eines Ziels vom Sender-Empfänger maßgebend ist, während die Ordinate an sich den Winkel andeutet, den das Ziel in der abgetasteten Ebene mit einer bestimmten Nullinie macht.

Die Raumabtastmethode nach der Erfindung ist in Fig.5 veranschaulicht. Einfachheitshalber ist das Verhältnis tjt, gleich 4 gewählt statt des Wertes des wirklichen Verhältnisses, der gleich 50 oder größer ist.

Bei einer Frequenzänderung des Sendesignals zwischen den Zeitpunkten fo und V2fi (siehe Fig. 1) ändert sich der Winkel, unter dem die Hochfrequenzenergie ausgesandt wird, von einem äußersten Wert bis zum anderen äußersten Wert (siehe Fig.5), während der Empfänger für Ziele mit einem zunehmenden Abstand nach F i g. 4 empfindlich ist, so daß lediglich Ziele auf der Linie 1 nach F i g. 5 festgestellt werden können. Sinkt die Sendefrequenz vom Maximalwert bis zum Minimalwert herab während der Zeit '/2*1 bis t\, so dreht sich das Richtbündel der Antenne zurück zum Anfangswert, worauf die auf der Linie 2 liegenden Ziele abgetastet werden, da die Frequenz des Hilfsoszillators noch stets zunimmt

Während der Zeitspanne U — fe werden die auf den Linien 3 und 4 liegenden Ziele abgetastet. Von dem Zeitpunkt (2 bis zum Zeitpunkt U nimmt die Frequenz des Hilfsoszillators linear ab, so daß die erwähnten Linien in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen werden usw. Die Periodendauer des Hilfsoszillatorsignals ist in der Praxis gleich dem 50fachen der Periodendauer des Sendesignals oder größer, wodurch ein Signalabtastraster erhalten wird. Außerdem wird bei nicht ganzzahliger Wahl des Verhältnisses tJU eine Zwischenzeilenabtastung bewerkstelligt. Die Zeitspanne td, während der unrichtige Information erhalten wird, ist äußerst kurz und deckt sich mit den äußersten Winkelwerten des abzutastenden Sektors, so daß diese leicht unterdrückt

werden können.

Fig.6 zeigt in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform der Erfindung.

Die vom Oszillator TO erhaltene Sendenergie wird durch den Zirkulator / der Antenne E mit frequenzabhängiger Richtkennlinie zugeführt. Der Oszillator TO kann einen Wanderwellenleiter enthalten, dessen Frequenz sich z. B. von 9,6 auf 12,4 GHz durch Änderung der der Röhre zugeführten Spannung ändern läßt Die Stromversorgung des Oszillators TO erfolgt durch das Speisegerät PU, dessen Ausgangsspannung durch die Spannung des Winkelabtastgenerators ASG gesteuert wird, der z. B. eine Sägezahnspannung mit einer Periodendauer von 400 μ5βο liefert, über die Stufe SH. Der Zirkulator /muß einen großen Bandbereich mit minimaler Durchlaßdämpfung (geringer als 1 dB) und einer hohen Sperrdämpfung von mindestens 2OdB haben. Statt des Zirkulators / könnte gegebenenfalls eine Differentialschaltung verwendet werden, z. B. eine Differentialschaltung (»hybrid«) mit einem durch einen Widerstand ununterbrochen angepaßten Arm. Die durch den Zirkulator leckende Energie wird gemeinsam mit der vom Ziel reflektierten Energie dem quadratischen Detektor D\ zugeführt. Dieser Detektor ist als Mischstufe wirksam, wodurch die erwünschten Schwebungssignale erhalten werden.

Die so erhaltenen Signale werden einem Bandpaßfilter F zugeführt. Außerhalb seines Durchlaßbereichs reflektiert dieses Filter alle Energie, z. B. das Niederfrequenz-Flackerrauschen des Detektors und das Rauschen unerwünschter Ausgangssignale, während das Filter für die im Durchlaßbereich liegenden Frequenzen derart entworfen ist, daß es für niedrige Frequenzen erheblich größere Verluste aufweist als für die höheren Frequenzen in diesem Bereich. Dies dient dazu, das Amplitudenverhältnis von Zielen in verschiedenen Abständen zu glätten, da die Niederfrequenzsignale von Zielen in einem kurzen Abstand von dem Sender-Empfänger stammen, so daß sie bedeutend stärker sind als die Hochfrequenzsignale, da der Energieverlust zum Quadrat des Abstandes proportional ist. Das Filter ist derart entworfen, daß das Spektrum des Durchlaßbereichs sich von 0,135 bis 4,5 MHz erstreckt. Darauf wird das Signal über einen Verstärker A\, der für den erwähnten Frequenzbereich eine hinreichende Verstärkung liefern soll, der Gegentakt-Mischstufe BM zugeführt, der außerdem ein Signal vom Hilfsoszillator LO zugeführt wird. Die Mischstufe ßMwird durch einen Ringmodulator gebildet, wegen seiner guten Breitbandeigenschaften und der Unterdrückung des Signals des Verstärkers A\ und des Signals des Hilfsoszillators. Der Hilfsoszillator liefert ein linear frequenzmoduliertes Signal zwischen 10,835 und 15,2 MHz und wird von dem Abstandsgenerator RSG gesteuert, der ein linear amplitudenmoduliertes Signal dreieckiger Form mit einer Periodendauer von 40 msec liefert.

Das so erhaltene Mischsignal wird dem Filter A₂ zugeführt, das außerdem das im Durchlaßbereich des Filters liegende Signal von 10,7 MHz±50 kHz verstärkt Da der Hilfsoszillator unter anderem auch die Frequenz von 3,57 MHz erzeugt und deren dritte Harmonische 10,7 MHz beträgt muß die Mischstufe BM derart aufgebaut sein, daß diese dritte Harmonische auf einen vernachlässigbaren Pegel herabgemindert wird. Die vom Verstärker A\ stammende Information wird im Detektor D₂ detektiert und im NF-Verstärker A₃ verstärkt, um die Helligkeit der Elektronenstrahlröhre Z mittels Kathodenstrommodulation zu regeln.

Zum Erzielen der vorstehend beschriebenen Sektorabtastung werden somit zwei Generatoren benutzt. Zur flackerfreien Wiedergabe des Bildes auf dem Schirm einer Elektronenstrahlröhre ohne Benutzung langer Nachleuchtzeit und zum Erzielen eines feinen Abtastrasters zum Unterscheiden von Zielen ist das Verhältnis zwischen der Periodendauer des Abstandsgenerators RSC und der Periodendauer des Winkelabtastgenerators ASG gleich 50 :1 gewählt

ίο Fig.7 zeigt die betreffenden Spannungen in Form sägezahnmodulierter Spannungen Vrsc bzw. VÄsc- Der Übersicht halber ist das Verhältnis zwischen den Perioden der Generatorsignale gleich 6 :1 gewählt. Diese Signale werden direkt den Vertikal- bzw. Horizontalablenksystemen der Elektronenstrahlröhre gemäß dem Schaltbild in Fig.6 zugeführt Der abgetastete Sektor ist in Form eines Rechtecks in F i g. 8 dargestellt Als Beispiel ist ein Weg durch seine Konturen W dargestellt Der Weg biegt oben auf dem Schirm nach links ab. Aus der Figur ist ersichtlich, daß der Weg eine solche Perspektive hat, daß naheliegende Ziele bestimmter Größe größer wiedergegeben werden als gleich große Ziele in einem größeren Abstand. Dies kann für Kraftwagenfahrer im Nebel günstig sein.

Dieser Effekt kann noch dadurch verstärkt werden, daß die Spannungen der in F i g. 9 dargestellten Form dem Ablenksystem der Elektronenstrahlröhre zugeführt werden. Zu diesem Zweck wird die Ausführungsform nach Fig.6 in die der Fig. 10 geändert wo nur die

Änderung dargestellt ist In bezug auf die Vertikalablenkung gibt es keinen Unterschied von F i g. 6, aber der Horizontalablenkkreis enthält eine Modulatorstufe M\. Diesem Modulator werden die Signale nach F i g. 7 zugeführt. Die Amplitude des von dem Winkelabtastgenerator ASG stammenden Horizontalablenksignals wird dann um das von dem Abstandsgenerator RSG stammende Signal verringert wodurch gemäß F i g. 9 bei zunehmendem Abstand eine geringere Horizontalablenkung entsteht, was in F i g. 11 dargestellt ist Dieses Bild hat somit eine noch stärkere Perspektive als das Bild nach F i g. 8, wodurch nahestehende Ziele stärker auffallen.

Zur naturgetreuen Abbildung des abgetasteten Sektors muß die Modulation des Modulators M\ (Fig. 10) derart geändert werden, daß bei zunehmendem Abstand die Horizontalablenkung nicht abnimmt, sondern zunimmt. Zu diesem Zweck muß die Amplitude des Signals des Winkelabtastgenerators um die Amplitude des negativen Signals des Abstandsgenerators erhöht werden. Die resultierenden Signale sind in Fig. 12 für dreieckig modulierte Signale dargestellt, wobei einfachheitshaiber das Verhältnis zwischen den Periodendauern gleich 6 :1 gewählt ist Das erhaltene Bild ist in F i g. 13 dargestellt Dieses Bild läßt sich noch in das Bild der Fig. 14 umwandeln, indem die in Fig. 15c dargestellte Amplitudenform für die Vertikalablenkeinheit der Elektronenstrahlröhre gewählt wird. Zu diesem Zweck wird die Anordnung nach Fig. 10 in die der F i g. 16 abgeändert

W) Das vom Modulator M\ in F i g. 16 stammende Signal in Form der Spannung Vnach Fig. 12 wird der Stufe UC zugeführt Das Signal wird dort zunächst in eine Wechselspannung nach Fig. 15a umgewandelt die Unter- und Obergrenzen von - V_n, und + V_n, Volt hat Dieses Signal wird darauf doppelphasig gleichgerichtet wodurch die Signalfrequenz verdoppelt wird. Dies ist in Fig. 15b dargestellt, wo die drei gestrichelten Stellen das ursprüngliche Signal andeuten. Nach Gleichrichtung

betragen die Maximalwerte O und - V_n, Volt. Das Signal wird darauf zum Signal V_y nach Fig. 12 addiert, wodurch die Signalform der Fig. 15c erhalten wird. Eine Untersuchung dieser Spannungsform zeigt, daß in den Augenblicken i* wenn der Strahl durch die Horizontalablenkung in der Mitte des Schirmes steht,

die Spannung in der Vertikalrichtung höher ist als in dem vorhergehenden und dem nächstfolgenden Augenblick, in denen die Horizontalablenkung ihre äußersten Werte erreicht. Dies ist also gerade die Form, welche notwendig ist, um ein Sektorbild mit runder Oberseite nach F i g. 14 zu erzielen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

809 522/11

Claims

Patentansprüche:

1. Nahbereich-Sektor-Radarsystem mit einem an einer Antenne mit frequenzabhängiger Strahlrichtung angeschlossenen Sender und Empfänger, dessen Sender kontinuierlich ein unter der Steuerung eines ersten Sägezahngenerators periodisch linear frequenzmoduliertes Signal der Antenne zuführt und dessen Empfänger Mittel zur Bildung der Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal und dem Echosignal und ein daran angeschlossenes, unter der Steuerung eines zweiten Sägezahngenerators periodisch zeitlich linear über einen bestimmten Frequenzbereich abstimmbares Filter enthält, und '5 mit einer Elektronenstrahlröhre zur Richtungs- und Entfernungsdarstellung, deren Strahlintensität durch das vom abstimmbaren Filter stammende Signal moduliert wird und deren Strahl in einer Richtung entsprechend der Stärke des Signals des zweiten Sägezahngenerators und in einer zu dieser Richtung senkrechten Richtung entsprechend der Stärke des Signals eines weiteren Sägezahngenerators abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Sägezahngenerator der erste Sägezahngenerator (ASG) ist und die Periodendauer des zweiten Sägezahngenerators (RSG) erheblich langer ist als die des ersten Sägezahngenerators, derart, daß das Ausgangssignal des zweiten Sägezahngenerators (RSG) der langsamen Abtastung des durch ^o den ersten Sägezahngenerator (ASG) azimutal schnell abgetasteten Zielraumes in radialer Richtung entspricht.

2. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Ablenkung des ^ Elektronenstrahls in der zur einen Richtung senkrechten Richtung dienende Signal des ersten Sägezahngenerators (ASG) mit dem Signal des zweiten Sägezahngenerators (RSG) moduliert ist (M I)(F ig. 9).

3. Radarsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem der Ablenkung des Elektronenstrahls in der einen Richtung dienenden Signal des zweiten Sägezahngenerators (RSG) die doppelphasig gleichgerichtete (UC) Wechselstromkomponente des Signals des ersten Sägezahngenerators (ASG) addiert ist (M 2) (F i g. 15c).