DE2247064C3

DE2247064C3 - Dauerstrich-Doppler-Radarsystem zur Entfernungsmessung durch Frequenz- und Amplitudenauswertung

Info

Publication number: DE2247064C3
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: 1974-11-21
Also published as: DE2247064A1; JPS5247878B2; AU466193B2; GB1333018A; US3732566A; DE2247064B2; JPS4847788A; AU4672572A

Description

zeitliche Ableitung

derselben darstellt, durch

Die Erfindung betrifft ein Dauerstrich-Doppler-Radarsystem zur Bestimmung der Entfernung zwischen dem System und einem Objekt mit einer auf <lie Schwebung zwischen der abgestrahlten und der reflektierten Welle ansprechenden Einrichtung zum Dividieren eines die Größe der Doppler-Frequenzverschiebung 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 Welle vor der Bildung ihrer zeitlichen Ableitung in einem Linearverstärker verstärkt wird. Dabei erfordert jedoch eine Entfernungsdekade 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 Entfernungsbereich von nur 10:1 entsprechen würde. Bei der Anwendung z. B. in Kraftfahrzeugen ist dieser begrenzte Entfernungsbereich jedoch nur von geringem Wert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Radarsystem der angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem die mit der Verwendung eines Lincarverstärkers auftretenden Nachteile eines geringen Meßhereiches vermieden werden.

das Differenzierglied der Verstärker als logarithmischer Verstärker ausgebildet ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird in 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 erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß ein logarithmischer Verstärker einen außerordentlich großen dynamischen Bereich, der 10 000 000:1 oder noch höher sein kann, aufweist, wodurch ohne Verlust einer Information die Bestimmung der Entfernung auch in einem größeren Entfernungsbereich möglich wird. Weilerhin iäßt sich aus den für die Entfernungsmessung benötigten elektrischen Signalen ohne großen Aufwand auch die Radarquerschnittsfläche des Objektes bestimmen. Schließlich kann durch Jie 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 Gattung näher erläutert werden.

Die als Spannung ausgedrückte Amplitude der Welle, die vor. einem Objekt reflektiert wird, kann am Empfänger durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

\" ΊΖΖ

Hierbei ist y die Amplitude des empfangenen, reflektierten Signals, k die Radarkonstante des Systems. χ die Entfernung zwischen dem Radarsystem und dem Objekt und σ die Radarquerschnittsfiäche 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):

d.v

Unter der Annahme, daß χ eine Funktion der Zeit ist (hierbei wird vorausgesetzt, daß sich das Objekt relativ zu dem Radarsystem bewegt), können die folgenden Gleichungen entwickelt werden, da die Amplitude des empfangenen reflektierten Signals eine Funktion der Entfernung zwischen dem Radarsystem und dem Objekt ist:

df

dx

df

df dx dt '

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

l
d»

dt

Wird diese Gleichung durch die Gleichung (1) geteilt, so ergibt sich:

dy/dt ₌ -2dx/df
ν x

Damit läßt sich die Entfernung χ zwischen dem Radarsystem und dem Objekt ausdrücken durch:

dx _ -2dx/dt

dy/dr d/

dyjdt y

Wegen der Identität

dyd/ _ d(lny)
V ~ ~~dV~

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

Widerstand 14 parallel zu einer Gleichspannungsquelle 16 geschaltet ist. Pie 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 Hornantenne 18 aufgenommen und in der Gunn-Diode 12 mit dem erzeugten Signal gemischt, um am Widerstand 14 ein Wecnselstrorosignal zu erzeugen. Dieses Signal hat eine Schwe-

bungsfrequenz, die gleich der durch die Relativ bewegung 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 Oscillator 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 reflektierte^ Signals ist; seine Frequenz ist gleich der oben beschriebenen Doppler-Differenzfrequenz. Dieses Signal kann ausgedrückt werden als

x = 1

dx al
d(In"vT df'

Durch die Umformung in diesen, einen logarithmischen Term enthaltenden Ausdruck wird die Verwendung eines logarithmischen Verstärkers bei dem erfindungsgemäßen Radarsystem möglich.

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

k²

Daraus ergibt sich, daß die Radarquerschnittsfläche η des Objektes bestimmt werden kann wenn die Amplitude des reflektierten Signals und die Kmfernung /wischen dem Radarsystem und dem Objekt bekannt bzw. berechnet sind.

Wird also die Gleichung (9) umgeformt zu

Ina = -2 in i; + 4 In χ -t- 2 In

y.

so wird durch eine Summierung der auf der rechien Seite dieser Gleichung stehenden, zum Teil gemessenen, zum Teil festliegenden logarithmisch«! Terme die Bestimmung des Logarithmus der Radarqucrschnittsfiächc des Objektes möglich.

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

Diese mathematisch-physikalischen Grundlagen eines erfindungsgemäßen 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 In y cos t»_d t

(11)

wobei 3· die Amplitude des empfangenen reflektierten Signals und „>_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 2245C 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-Wv.ndlers 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 Relativgcschwindigkeit (dx/df) zwischen dem Radarsystem und dem Objekt dar. Der Frequcnz-Spannungs-Wandler 22 kann den Aufbau von beliebigen bekannten Frequcn/.-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.

5s 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 Ί crm In ν ausgedrückt werden, wobei y die Amplitude des empfangenen reflektierten Signals ist.

Der Ausgang des Filters 26 wird an ein Diffcren- zierglicd 28 geführt, dessen Ausgangssignal der zeit lichen Ableitung des Ausgangssignals des Filters 26

entspricht und durch den Ausdruck ^{l n} beschrieben wird. Diese Art des Differenzicrgliedes ist an sich bekannt und wird nicht näher erläutert.

Das Signal (d.x/dr) Pur die Relativgeschwindigkeit am Ausgang des Frequenz-Spannungs-Wandlers 22

und das Ausgangssignal

des Diffcrenzier-

gliedes 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- to jekt. Das Ausgangssignal des Teilers ist eine in einer Richtung verlaufende Spannung, deren Größe die Entfernung χ 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 χ zwischen dem Radarsystem und dem Objekt direkt darstellt. Der Teiler 30 kann den Aufbau eines beliebigen bekannten Teilers aufweisen (er kann 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 logarithmisch^ Verstärker 32 kann denselben Aufbau haben wie der bipolare logarithmisch^ Verstärker 20. Der Ausgang des logartlhmischcn 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 -In/c 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 Ausgangssignal erzeugt, das die Gleichung (10) für den Logarithmus der Radarquerschnittsflächc des Objektes erfüllt. Folglich ist der Ausgang der Addierstufe 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-Doppler-Radarsystern 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 Größe der Doppler-Frequenzverschiebung 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 (—j^-), welches die auf die

Amplitude (y) bezogene zeitliche Ableitung ("jT^f)

derselben dars'ellt, 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 (σ) des Objektes darstellendes Signal erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemilß dadurch gelöst, daß zum unmittelbaren Darstellen des Signals -j"/, welches die auf die Amplitude y bezogene