DE2247064B2

DE2247064B2 - Dauerstrich-Doppler-Radarsystem zur Entfernungsmessung durch Frequenz- und Amplitudenauswertung

Info

Publication number: DE2247064B2
Application number: DE2247064A
Authority: DE
Inventors: Norman William Troy Mich. Schubring (V.St.A.)
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1971-10-12
Filing date: 1972-09-26
Publication date: 1974-04-25
Also published as: AU4672572A; DE2247064C3; AU466193B2; US3732566A; GB1333018A; DE2247064A1; JPS5247878B2; JPS4847788A

Description

zeitliche Ableitung

derselben darstellt durch

/ J ν
Amplitude (y) bezogene zeitliche Ableitung [ ^j

derselben darstellt, durch das Differenzierglied (28) der Verstärker (20) als logarithmischer Verstärker ausgebildet ist.

2. Dauerstrich-Doppler-Radarsystem nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß in einer Summiereinrichtung (34) aus dem in einem zweiten logarithmischen Verstärker (32) gebildeten Logarithmus der Entfernung (x) zwischen dem System und dem Objekt, dem Logarithmus der Amplitude (y) sowie dem negativen Logarithmus einer Radarkonstante (k) des Systems ein den Logarithmus der Radarquerschnittsfläche (n) ^:es Objektes darstellendes Signal erzeugt wird.

Die Hrfindung betrifft ein Dauerstrich-Doppler-Radarsystem zur Bestimmung der Entfernung zwischen dem System und einem Objekt mit einer auf die Schwebung zwischen der abgestrahlten und der reflektierten Welle ansprechenden Einrichtung zum Dividieren eines die Große der Doppler-Frequen/-verschiebung wiedergebenden Signals durch ein durch Verstärkung und Differenzierung gewonnenes Signal. welches die auf die Amplitude der reflektierten Welle bezogene zeitliche Ableitung dieser Amplitude darstellt.

Aus der USA.-Patentschrift 3 264 643 ist ein Radarsystem der angegebenen Gattung bekannt, bei dem die Amplitude der reflektierten Welk· vor der Bildung ihrer zeitlichen Ableitung in einem Linearverstarker verstärkt wird. Dabei erfordert jedoch eine hntfernungsdekade die Verarbeitung zweier Amplitudendekaden durch den Eingangsverstärker, so daß der Entfernungsbereich eines solchen Radarsystems auf Grund des beschränkten Bereichs des Linearverstärkers begrenzt ist. Als Beispiel sei ein Verstärker, der einen Bereich von 100:1 aufweist, was einem Entfernungsbcrcich von nur 10:1 entsprechen würde. Bei der Anwendung /.. B. in Kraftfahrzeugen ist dieser begrenzte rntfernungsbercieh jedoch nur von geringem Wert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde. ein Radarsystciii der angegebenen Gattung /u schaffen, bei dem die mit der Verwendung eines Linearverstärkers auftretenden Nachteile eines geringen Meßbereiches vermieden werden

das Differenzierglied der Verstärker als logarith-•nischer Verstärker ausgebildet ist
Nach einer weiteren Ausführungsform wird in

ίο einer Summiereinrichtung aus dem in einem zweiten logarithmischen Verstärker gebildeten Logarithmus der Entfernung zwischen dem System und dem Objekt, dem Logarithmus der Amplitude y sowie dem negativen Logarithmus einer Radarkonstante des Systems ein den Logarithmus der Radarquerschnittsfläche des Objektes darstellendes Signal erzeugt.

Die mit der Erfindung erziehen Vorteile liegen insbesondere darin, daß ein logarithmischer Verstärker einen außerordentlich großen dynamischen

ίο Bereich, der 10 000000:1 oder noch höher sein kann, aufweist, wodurch ohne Verlust einer Information die Bestimmung der Entfernung auch in einem größeren Entfernungsbereich möglich wird. Weiterhin läßt sich aus den Tür die Entfernungsmessung benötigten elektrischen Signalen ohne großen Aufwand auch die Radarquerschnittsfläche des Objektes bestimmen. Schließlich kann durch die Verwendung eines weiteren logarithmischen Verstärkers die Radarquerschnittsfläche des Objektes ebenfalls über einen weiten Bereich angezeigt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der mathematischen Grundlagen sowie eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung, die ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Radarsystems darstellt, näher erläutert.

Zunächst sollen die mathematisch-physikalischen Grundgleichungen eines Radarsystems der angegebenen Galtung näher erläutert werden.

Die als Spannung ausgedrückte Amplitude de:

Welle, die von einem Objekt reflektiert wird, kann am Empfänger durch die folgende Gleichung au·.-nedrückt werden:

ν -

Hierbei ist y die Amplitude des empfangenen, reflektierten Signals, k die Radarkonstante des Systems. ν die Entfernung zwischen dem Radarsystem und dem Objekt und α die Radarquerschnittsfläche des Objektes. Für ein gegebenes Objekt ist π eine Konstante, so daß die Amplitude des empfangenen reflektierten Signals und die Entfernung zwischen dem Radarsystem und dem Objekt die beiden einzigen Variablen sind. Dann ergibt sich aus Gleichung (1):

dy
dv

Inter der Annahme, daß χ eine Funktion der Zeit ist (hierbei wird vorausgesetzt, daß sich das Objeki relativ zu dem Radarsystem bewegt), können die folgenden Gleichungen entwickelt werden, da die Amplitude des empfangenen reflektierten Signals eine Funktion der Entfernung /■wischen dem Radarsysiem h_S und dem Objeki ist:

ix»

d.x

al

dy dj·

dr ~ dx

dx_
dr '

(4)

Durch Kombination der Gleichungen (2) und (4) erhält man:

'^x ir- ⁽⁵⁾

Wird diese Gleichung durch die Gleichung (I) geteilt. so ergibt sich:

dy/dr _ -2dx/dr
ν χ

(6)

Damit läßt sich die Entfernung χ zwischen dem '⁵ Radarsystem und dem Objekt ausdrucken durch:

χ = - 2

dx

2dx/dr

dy/di dr dv'dr

(7)

Wegen der Identität

dy/dt _ d(lny)
y dt

läßt sich aus Gleichung (7) die Entfernung χ zwischen <cm Radarsystem und dem Objekt durch folgende Gleichung darstellen:

(8)

d (In y), di"

Durch die Umformung in diesen, einen logarithmischen Term enthallenden Ausdruck wird "die Ver-Wendung eines logarithmischen Verstärkers bei dem erfindungsgemäßen Radarsystem möglich.

Die Gleichung (1) kann man in folgender Weise umformen:

40

(9)

Daraus ergibt sich, daß die Radarquerschnittsfläche α des Objektes bestimmt werden kann, wenn die Amplitude des reflektierten Signals und die Entfernung zwischen dem Radarsystem und dem Objekt bekannt bzw. berechnet sind.

Wird also die Gleichung (9) umgeformt zu

In <r = - 2 In k + 4 In χ + 2 In y, (10)

so wird durch eine Summierung der auf der rechten Seite dieser Gleichung stehenden, zum Teil gemessenen, zum Teil festliegenden logarithmischen Terme die Bestimmung des Logarithmus der Radarquerschnittsfläche des Objektes möglich.

Auch hier kann wieder ein logarithmischer Verstärker für die gemessene Entfernung χ eingesetzt werden. to

Diese mathematisch-physikalischen Grundlage:¹ eines crfindungsgemäßen Radarsystems werden bei einem nun zu erläuternden Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform verwendet.

In der Zeichnung ist ein Oszillator 10 für ungedämpfte Schwingungen dargestellt, welcher im eigenen Abtastmodus geschaltet ist. Der Oszillator weist eine Gunn-Diode 12 auf. die in Reihe mit einem Widerstand 14 parallel zu einer Gleichspannungsquelle 16 geschaltet ist. Die Gunn-Diode 12 erzeugt ein Dauerstrichsignal von konstanter Amplitude, welches von einer Hornantenne 18 zu dem Objekt abgestrahlt wird. Das von dem Objekt reflektierte Signal wird von der Homantenne 18 aufgenommen und in der Gunn-Diode 12 mit dem erzeugten Signal gemischi. um am Widerstand 14 ein Wechselstromsignal zu erzeugen. Dieses Signal hat eine Schwebungsfrequenz, die gleich der durch die Relativbewegung zwischen dem Oszillator 10 und dem Objekt erzeugten Doppler-Frequenzverschiebung ist; die Amplitude y des Signals stellt eine umgekehrte Funktion der Entfernung χ zwischen dem Oszillator 10 und dem Objekt dar. Die Amplitude y dieses Signals ist eine direkte Darstellung der Größe der reflektierten empfangenen Welle.

Dieses Signal wird zu einem bipolaren logarithmischen Verstärker 20 geführt, der auf die Hüllkurve des gemischten Signals anspricht und an seinem Ausgang ein Wechselstromsignal liefert, dessen Amplitude gleich dem Logarithmus der Amplitude y des empfangenen reflektierten Signals ist; seine Frequenz ist gleich der oben beschriebenen Doppier-Differenzfrequenz. Dieses Signal kann ausgedrückt were⁴en als

In y cos cij t (11)

wobei y die Amplitude des empfangenen reflektierten Signals und t«_d die Doppler-Frequenzverschiebung ist

Der bipolare logarithmische Verstärker 20 kann dem Aufbau eines beliebigen bekannten logarithmischen Verstärkers haben (er kann beispielsweise ein bipolarer logarithmischer Verstärker sein, wie er unter der Bezeichnung 2245 C hergestellt wird).

Der Ausgang des bipolaren logarithmischen Verstärkers ist an einen Frequenz-Spannungs-Wandler 22 sowie an einen Gleichrichter 24 geführt. Das Ausgangssignal des Frequenz-Spannungs-Wandlers 22 ist eine in einer Richtung verlaufende Spannung einer Größe, die der Frequenz ihres Eingangssignals direkt proportional ist. Da diese Frequenz gleich der Dopplerfrequenzverschiebung ist, stellt der Ausgang des Frequenz-Spannungs-Wandlers 22 die Relativgeschwindigkeit (dx/di) /wischen dem Radarsystem und dem Objekt dar. Der Frequenz-Spannungs-Wandler 22 kann den Aufbau von beliebigen bekannten Frequenz-Spannungs-Wandlern aufweisen (beispielsweise dem Modell 3382 entsprechen).

Das Ausgangssignal des bipolaren logarithmischen Verstärkers 20 wird durch den Gleichrichter 24 gleichgerichtet, dessen Ausgangssignal einem Filter 26 zugeführt wird. Das Filter 26 ist von bekanntem Typ, der eine in einer Richtung verlaufende Spannung erzeugen kann, deren Größe der Größe des Ausgangssignals von dem bipolaren logarithmischen Verstärker 20 direkt proportional ist. Der Ausgang des Filters kann durch den Term In ι ausgedrückt werden, wobei ν die Amplitude des i-mpfangenen reflektierten Signals ist.

Der Ausgang des Filters 26 wird an ein Differenzierglied 28 geführt, dessen Ausgangssignal der zeitlichen Ableitung des Ausgangssiunals des Filters 26 entspricht und durch den Ausdruck ^l J¹¹ beschrieben wird. Diese Art des Differenziergliedes ist an sich bekannt und wird nicht näher erläutert.

Das Signal (dx/dt) für die Relativgeschwindigkeit am Ausgang des Frequenz-Spannungs-Waridlcrs 22 und das Ausgangssignal ---?■- des Differenziergliedes 28 werden an einen Teiler 30 geführt, welcher die Relativgeschwindigkeit durch die zeitliche Ableitung des Logarithmus der Amplitude y der reflektierten Welle teilt. Der Quotient dieser Division bildet die Lösung der Gleichung (8) für die Entfernung χ zwischen dem Radarsystem und dem Ob- ι ο jekt. Das Ausgangssignal des Teilers ist eine in einer Richtung verlaufende Spannung, deren Größe die Entfernung .v zwischen dem Radarsystem und dem Objekt darstellt.

Die in der Gleichung (8) auftretende Konstante kann in einer Eingangs- oder Ausgangsstufe des Differenziergliedes oder des Teilers berücksichtigt werden, um am Ausgang des Teilers 30 eine Spannung zu liefern, deren Größe die Entfernung ν zwischen dem Radarsystem und dem Objekt direkt darstellt. Der Teiler 30 kann den Aufbau eines beliebigen bekannten Teilers aufweisen (er ka;:n beispielsweise ein in der Teilerkonfiguration geschalteter Verviclfacher-Teiler Modell 426 sein).

Der Ausgang des Teilers 30 wird an einen Eingang eines logarithmischen Verstärkers 32 geführt, welcher ein den Ausdruck In χ erfüllendes Ausgangssignal liefert.

Der logariihmische Verstärker 32 kann denselben Aufbau haben wie der bipolare logarithmische Verstärker 20. Der Ausgang des logarithmischen Verstärkers 32 ist an einen Eingang einer Addierstufe 34 geführt, die außerdem ein Eingangssignal von dem Ausgang des Filters 26 empfängt. Die Addierstufe hat einen dritten Eingang, welcher durch eine Konstante gebildet wird, die -InA^- gemäß der Gleichung (10) darstellt und in einer beliebigen bekannten Art erzeugt werden kann. Durch Verwendung von Dekadenwiderständen in der Addierstufe 34, welche die dargestellten Verhältnisse aufweisen, wird ein Ausgann^icnal erzeugt, das die Gleichung (!0) Für den Logarithmus der Radarquerschnittsfläch«. cLs Objektes erfüllt. Folglich ist der Ausgang der Addierst uit 34 eine in einer Richtung verlaufende Spannung einer Größe, die dem Logarithmus der Querschnittsfläche des Objektes direkt proportional ist. Die Addierstufe 34 kann den Aufbau eines beliebigen bekannten Addierwerkes haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dauerstrich-Doppier-Radarsystem zur Bestimmung der Entfernung zwischen dem System und einem Objekt mit einer auf die Schwebung zwischen der abgestrahlten und der reflektierten Weile ansprechenden Einrichtung zum Dividieren eines die Größe der Doppler-Fiequenzverschiebung wiedergebenden Signals durch ein durch Verstärkung und Differenzierung gewonnenes Signal, welches die auf die Amplitude der reflektierten Welle bezogene zeitliche Ableitung dieser Amplitude darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß zum unmittelbaren Darstellen des Signals (~h~'~)· ^we'^cnes die auf die Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum unmittelbaren Darsteilen des Signals -^=, welches die auf die Amplitude y bezogene