DE2322122B2 - Dauerstrich-radargeraet mit zweifrequenz-dopplerphasen-entfernungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dauerstrich-Radargerät zur Entfernungsmessung mit einem Sender,

ίο der Signale zweier Frequenzen aussendet, und mit einem Empfänger, der den beiden Sendefrequenzen jeweils zugehörige Dopplersignale liefert, deren gegenseitiger Phasenunterschied von der Entfernung abhängt.

»5 Ein Dauerstrich-Radargerat der vorstehend bezeichneten Art ist bereits bekannt (DT-OS 2137 206). Bei diesem bekannten Radargerät wird als Maß für die Entfernung der Phasenunterschied zwischen den beiden Dopplersignalen gemessen. Bei diesem be-

kannten Radargerät treten jedoch Schwierigkeiten auf, wenn mehr als ein mögliches Ziel vorhanden ist oder wenn die Position eines hinsichtlich seiner Entfernung zu bestimmenden, sich fortbewegenden Zieles nicht bekannt ist.

Im Zusammenhang mit einem Dauerstrich-Radargerät der eingangs genannten Art ist auch schon vorgeschlagen worden (DT-PS 2225 180), den vorgesehenen Sender derart zu betreiben, daß ein Signal mit einer dritten Frequenz ausgesendet wird, wobei der

vorgesehene Empfänger ein aus diesem Signal gewonnenes Dopplersignal liefert. Hierdurch gelingt es jedoch noch nicht ohne weiteres, die vorstehend im Zusammenhang mit dem bekannten Dauerstrich-Radargerät betrachteten Nachteile zu überwinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie ein Dauerstrich-Radargerät der eingangs genannten Art auszubilden ist, um eine Entfernungsbestimmung auch in den Fällen vornehmen zu können, daß mehr als ein mögliches Ziel vorhanden ist bzw. da3 die Position eines sich fortbewegenden Zieles, dessen Entfernung zu bestimmen ist, nicht bekannt ist.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einem Dauerstrich-Radargerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß ein Multiplikator für die beiden Dopplersignale und eine Frequenzsteuereinrichtung, die auf ein Produktsignal von dem Multiplikator her anspricht und die die Frequenzdifferenz zwischen den Sendefrequenzen derart

steuert, daß eine 90°-Phasenverschiebung zwischen den beiden Dopplersignalen aufrechterhalten bleibt, vorgesehen sind, wobei als Maß für die Entfernung eine Größe dient, die dem Reziprokwert der Frequenzdifferenz zwischen den Sendefrequenzen entspricht.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß mit relativ geringem schaltungstechnischen Aufwand eine Entfernungsbestimmung in den Fällen vorgenommen werden kann, in denen mehr als ein mögliches Ziel vorhanden ist bzw. in denen die Position eines sich fortbewegenden Zieles, bezüglich dessen eine Entfernungsbestimmung vorzunehmen ist, nicht bekannt ist. Eine .zweckmäßige Ausgestaltung des vorstehend angegebenen Dauerstrich-Radargerätes, bei dem die Frequenzsteuereinrichtung einen Funktionsgenerator enthält, der so ausgelegt ist, daß er eine Signalfolge abgibt, die wiederholt zwischen zwei Pegeln umschaltet, wobei die Signalfolge auch einen die Dopplersi-

male auf zwei Kanäle verteilenden Schalter steuert, festeht darin, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die den Unterschied der Pegel in Übereinstimmung mit tem Produktsignal steuern. Hierdurch ergibt sich der Vorteil eines besonders geringen schaltungstechniichen Aufwands hinsichtlich der Feldsteuerung.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung enthalten die den Unterschied der genannten pegel steuernden Einrichtungen einen Integrator. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ;in beionders wirksamer Ausgleich von kurzzeitig auftretenden Pjgelschwankungen.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung enthält der Sender einen durch-Itimmbaren Oszillator, der für eine Frequenzsteuefung durch den Funktionsgenerator entsprechend ausgelegt ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer besonders einfachen Möglichkeit der Änderung der Sendefrequenz.

Von Vorteil bei einem Dauerstrich Radargerät gemäß der Erfindung mit je einem Tiefpaßfilter für die beiden Dopplersignale ist es, wenn der an die Ausgänge der beiden Filter angeschlossene Multiplikator ein Vierquadrantenmultiplikator ist. Hierdurch ist auf besonders einfache Weise sichergestellt, daß der Multiplikator unter Berücksichtigung der Vorzeichen der ihm jeweils zugeführten Signale ein entsprechendes Produktsignal liefert.

Von Vorteil bei einem Dauerstrich-Radargerät gemäß der Erfindung, bei dem der Sender derart betreibbar ist, daß auch ein Signal mit einer dritten Frequenz ausgesendet wird, wobei der Empfänger auch ein aus diesem Signal gewonnenes Dopplersignal liefert, ist es, wenn gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung die Steuereinrichtung die Frequenzdifferenz zwischen der dritten Frequenz und einer der beiden Frequenzen auf einem Bruchteil der Freqaenzdifferenz zwischen den beiden Frequenzen halt, und wenn ein weiterer Multiplikator vorgesehen ist, der aus den Dopplersignalen, die aus der dritten Frequenz und der genannten einen Frequenz gewonnen sind, ein Signal ableitet, welches gemäß seiner Polarität kennzeichnend isl für das Vorhandensein bzw. Fehlen einer unzweideutigen 90°- Verschiebung zwischen den zuerst genannten beiden Dopplersignalen. Hierdurch ist es auf besonders einfache Weise möglich, gegebenenfalls vorhandene Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung auszuschließen.

Von Vorteil bei der zuletzt betrachteten zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist es, wenn gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ein Integrator, ein Detektor und ein Addierer vorgesehen sind, durch welche das Produktsignal in dem Fall vergrößerl wird, daß die 90°-Verschiebung mehrdeutig ist. Hierdurch ist es auf besonders einfache Weise möglich, eine in der erwähnten 90°-Verschiebung vorhandene Mehrdeutigkeit zu beseitigen.

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein gemäß der Erfindung aufgebautes Radargerät.

Fig. 2 zeigt eine modifizierte Ausführiiii;;sk,nn des in Fig. 1 dargestellten Radargerätes.

In Fig! 1 ist ein Sender dargestellt, der einen Hochfrequenz-Oszillator (HF-Oszillator) 1 enthält, welcher so geschaltet ist, daß er eine Antenne 2 speist. Die Osziliatorfrequenz ist einstellbar; sie hängt zu je

dem Zeitpunkt von der Größe eines Ausgangssignals von einem spannungsgesteuerten Rechteckwellenoszillator 3 ab. Damit ändert sich die Frequenz des Oszillators 1 zwischen zwei Frequenzwerten, deren Differenz proportional ist der Amplitude der von dem Oszillator 3 gelieferten Rechteckwelle. Die Frequenz des Oszillators 3 möge ^O kHz betragen, und die durch den Oszillator 1 erzeugten Frequenzen mögen oberhalb von 10 GHz liegen. Die Änderung in der übertragenen Frequenz (Sendefrequenz) möge in der Größenordnung von 40 MHz liegen.

Ein Empfänger ist durch eine Antenne 4, einen Mischer 5, einen Schalter 6 und durch Tiefpaßfilter 7 und 8 gebildet. Von der Antenne 4 aufgenommene Signale werden einem Eingang des Mischers S zugeführt, in welchem sie mit dem gleichzeitig zugeführten Frequenzsignal des Senders gemischt werden. Dieses Frequenzsignal wird zweckmäßigerweise von einem Ausgang des HF-Oszillators 1 erhalten. Das Ausgangssignal des Mischers 5 wird dem Schalter 6 zugeführt, der mit der Frequenz des Rechteckwellenoszillators 3 umgeschaltet wird, so daß das Ausgangssignal des Mischers abwechselnd jeweils einem der beiden Tiefpaßfilter 7 und 8 zugeführt wird.

Der Schalter 6 wird von dem Rechteckweilenoszillator 3 her über ein steuerbares Verzögerungsglied 3ü betätigt. Dieses Verzögerungsglied 3a wird durch ein Signal gesteuert, welches die Meßentfernung kennzeichnet, um nämlich Fehler für den Fall zu vermeiden, daß die betreffende Entfernung ein bedeutender Teil einer Wellenlänge bei der Frequenz des Rechteckwellenoszillators wird.

Der Schalter 6 und die Filter 7 und 8 stellen eine Einrichtung zur Erlangung zweier Dopplersignale entsprechend der Schwebungsfrequenz zwischen einer der Sendefrequenzen und dem entsprechenden Echosignal von dem Ziel dar.

Auf Grund der Differenz zwischen den Sendefrequenzen unterscheiden sich die Dopplersignale in der Phase Die relative Phase ist ein Maß für die Zeitspanne, die zwischen der Aussendung des Signals von dem Sender und dem Empfang des Echosignals vergangen ist. Die betreffende relative Phase gibt die Entfernung unzweideutig bis zu einer Phasendifferenz von 2π an. Bei diesem Wert werden das Phasenmaß und damit die Entfernung mehrdeutig.

Die erhaltenen Dopplersignale werden miteinander multipliziert. Zu diesem Zweck werden die betreffenden Signale den betreffenden Eingängen eines Vierquadrantenmultiplikators 9 zugeführt. Das Ausgangssignal dieses Multiplikators 9 wird dabei Null sein, wenn die Phasendifferenz V₂ beträgt. Ein bedeutender Teil der Erfindung besteht in der Regelung der Differenz zwischen den Sendefrequenzen mittels des Ausgangssignals des genannten Multiplikators, und zwar in der Weise, daß dieses Ausgangssignal auf NuI! herabgesetzt wird und daß demgemäß die Phasendifferenz zwischen den erhaltenen Dopplersignalen bei ⁷¹ '₂ gehalten wird.

Das Ausgangssignal des Multiplikators 9 wird einem Integrator 10 zugeführt, der aus einem Operationsverstärker mit einer ohmschen Eingangsimpedanz und einer kapazitiven Rückkopplung besteht. Das Ausgangssignal des Integrators wird einem Steuereingang des Rechteckwellenoszillators 3 zugeführt. Dieser Oszillator ist in an siel, bekannter Weise so ausgelegt, daß die Amplitude der von ihm abgegebenen Rechteckwellc proportional ist der Glcichspan-

<r

nung, die am Ausgang des Integrators 10 auftritt.

Mit Hilfe dieser Anordnung erfolgt auf jede Änderung des Ausgangssignals des Multiplikators 9 von Null weg eine Gegenwirkung. Wenn das Ausgangssignal des Multiplikators 9 bzw. des Verstärkers in einer einer Zunahme der Phasendifferenz zwischen den Dopplersignalen und damit einer effektiven Verkleinerung in der Frequenzdifferenz der Sendesignale entsprechenden Richtung ansteigt, treten somit ein kompensierender Anstieg in der Amplitude des Rechteckwellenausgangssignals des Oszillators 3 und ein Anstieg in der Frequenzauslenkung des Oszillators 1 auf, und zwar derart, daß dies zu einer Herabsetzung des Ausgangssignals des Multiplikators 9 führt.

Es kann ohne weiteres gezeigt werden, daß in dem Fall, daß die Phasendifferenz zwischen den Dopplersignalen gleich a, die Entfernung zu dem Ziel gleich R und die effektive Wellenlänge eines Signals mit einer der Differenz zwischen den Sendesignalen entsprechenden Frequenz gleich X_d ist, die Beziehung a = V₂ erfüllt ist, wenn R = (AJ/8 ist. Die Entfernung R wird umgekehrt proportional der Differenz zwischen den Sendefrequenzen, dem Ausgangssignal des Integrators und der Amplitude des Rechteckwellenausgangssignals des Oszillators 3 sein. Auf irgendwelche dieser miteinander verbundenen Variablen ansprechende Einrichtungen können für die Anzeige der Entfernung vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsform liefert eine Umkehrschaltung 11 ein direktes Signal, welches umgekehrt proportional der Amplitude des Rechteckwellengenerators ist. Dieses Signal wird einem Entfernungsmesser 12 und dem steuerbaren Verzögerungsglied 3a zugeführt.

Fig. 2 zeigt eine Modifizierung des in Fig. 1 dargestellten Radargeräts. Die modifizierte Anordnung umfaßt die meisten bereits beschriebenen Merkmale; die in Fig. 1 und 2 gemeinsamen Merkmale bzw. Einrichtungen sind in beiden Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Bei der modifizierten Anordnung gernäß Fig. 3 ist der Oszillator 3 gemäß Fig. 1 durch einen Funktionsgenerator 13 ersetzt, der eine wiederholt auftretende Signalfolge A mit einer zweifachen Stufe erzeugt. Die Augenblicksamplitude dieser Signalfolgc A bestimmt die Frequenz des HF-Oszillators 1. Die vollständige Amplitude α dieser Signalfolge wird wie zuvor durch den Integrator 10 festgelegt. Die Signalfolge weist eine Anfangsstufe auf, die eine Größe β besitzt, die einen festen Teil, in diesem Fall ein Drittel, der Gesamtamplitude α ausmacht. Dieser Teil wird durch eine Spannungssteuereinrichtung 14 gesteuert, welche einen Spannungsteiler enthalten kann, der das Ausgangssignal des Integrators 10 aufnimmt.

Demgemäß sind drei mögliche Sendefrequenzen vorhanden, und demgemäß wird ein in drei Stellungeu einstellbarer Schalter 15 in einer festen zeitlichen Beziehung zu dem Umschalten der Frequenz des Oszillators 1 betätigt, und zwar derart, daß die von den drei Sendefrequenzen gewonnenen Schwebungsfrequenzen jeweils einem von drei Tiefpaßfiltern zugeführt werden. Die Ausgangssignale der Tiefpaßfilter 7 und 8 werden aus den Frequenzen gewonnen, die der Basislinie und der oberen Stufe der Signalfolge A entsprechen; die betreffenden Ausgangssignale werden

mit Hilfe des Multiplikators 9 multipliziert, wie dies bereits beschrieben worden ist. Die durch den Integrator 10 vervollständigte Regelschleife hält eine 90°-Phasenverschiebung bei den Ausgangssignalen der Filter 7 und 8 aufrecht, wie dies oben bereits be schrieben worden ist.

Das Ausgangssignat des dritten Tiefpaßfilters 16 stellt das Dopplersignal dar, welches aus der Sendefrequenz gewonnen worden ist, die dem mittleren Absatz (mittlere Stufe) ii« der Signalfolge A entspricht.

Die Ausgangssignale der Tiefpaßfilter 8 und 16 werden mittels eines Multiplikators 17 multipliziert, der einen Integrator 18 speist. Am Ausgang des Integrators 18 ist ein Detektor 19 angeschlossen. Dieser Detektor stellt fest ob das Ausgangssignal des Integra- tors entweder Null oder negativ ist, woraufhin der betreffende Detektor die Betätigung eines Fehleranzeigers 20 bewirkt.

Der Zweck der modifizierten Ausführungsform besteht darin, eine mögliche Mehrdeutigkeit zu beseiti- gen, wenn die ermittelte Entfernung eine plötzliche Änderung erfährt. Dies kann auftreten, wenn das Radargerät als Höhenmesser verwendet wird, und wenn ein das betreffende Radargerät mit sich führendes Flugzeug über eine Klippe fliegt.

Die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen der Filter 7 und 8 sollte "I₁ groß sein. Ist dies der Fall, so wird das Ausgangssignal des Integrators 18 positiv sein, was einer Phasendifferenz von ^π/₆ entspricht, nämlich ein Drittel von "I₁. Wird die betref- fende Phasendifferenz jedoch vorübergehend {An —1)*/₂, und zwar mit n = 1, 2 oder 3, so wird das Ausgangssignal des Multiplikators 17 Null sein. Dieser Zustand wird durch den Detektor ermittelt. Um den Fehler in dem Hauptregelkreis zu korrigieren, wird der Detektor auf die Ermittlung eines Null-Signals oder eines negativen Signals ein positives Signal an einen Addierer 21 abgeben, um das Ausgangssignal des Multiplikators 9 zu vergrößern und um die Hauptregelschleife in den richtigen Betrieb zu führen.

Die modifizierte Anordnung kann die Mehrdeutigkeit beseitigen, und zwar bis zum Dreizehnfachen der richtigen Entfernung.

Ein weiteres mögliches Verfahren besteht darin, die Differenz zwischen der Grundlinie bzw. Basislinie und der Zwischenstufe der Signalfolge A wiederholt, z. B. in 5-Sekunden-Intervallen, von Null aus bis zu einem Maximum eines bestimmten Anteiles, z. B. eines Drittels, der Gesamthöhe der Signal^folge zu ändern, um einen wiederholten Durchlauf der entsprechenden Frequenzdifferenz am Ausgang des Oszillators 1 zu erzeugen. Der Rest des Systems würde in der zuvor beschriebenen Weise arbeiten.

Eine Entfermingsanzeige kann von der Ausführungsform gemäß Fig. 2 in derselben Weise erhalten werden, wie dies zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben worden ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Dauerstrich-Radargerät zur Entfernungsmessung mit einem Sender, der Signale zweier Frequenzen aussendet, und mit einem Empfänger, der den beiden Sendefrequenzen jeweils zugehörige Dopplersignale liefert, deren gegenseitiger Phasenunterschied von der Entfernung abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multiplikator (9) für die beiden Dopplersignale und eine Frequenzste jereinrichtung (10,3 bzw. 13), die auf ein Produktsignal von dem Multiplikator (9) her anspricht und die die Frequenzdifferenz zwischen ■Jten Sendefrequenzen derart steuert, daß eine 9u°-Phasenverschiebung zwischen den beiden Doppleisignalen aufrechterhalten bleibt, vorgesehen sind, wobei als Maß für die Entfernung eine Größe dient, die dem Reziprokwert der Frequenzdifferenz zwischen den Sendefrequenzen entspricht.

2. Dauerstrich-Radargerät nach Anspruch 1, bei dem die Frequenzsteuereinrichtung einen Funktionsgenerator enthält, der so ausgelegt ist, daß er eine Signalfolge abgibt, die wiederholt zwischen zwei Pegeln umschaltet, wobei die Signalfolge auch einen die Dopplersignale auf zwei Kanäle verteilenden Schalter steuert, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (10) vorgesehen sind, die den Unterschied der Pegel in Übereinstimmung mit dem Produktsignal steuern.

3. Dauerstrich-Radargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Unterschied der genannten Pegel steuernden Einrichtungen einen Integrator (10) enthalten.

4. Dauerstrich-Radargerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender einen durchstimmbaren Oszillator (1) enthält, der für eine Frequenzsteuerung durch den Funktionsgenerator (3) entsprechend ausgelegt ist.

5. Dauerstrich-Radargerät nach Anspruch 2 mit je einem Tiefpaßfilter für die beiden Dopplersignale, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Ausgänge der beiden Filter (7, 8) angeschlossene Multiplikator (9) ein Vierquadratenmultiplikator ist.

6. Dauerstrich-Radargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sender derart betreibbar ist, daß auch ein Signal mit einer dritten Frequenz ausgesendet wird, wobei der Empfänger auch ein aus diesem Signal gewonnenes Dopplersignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (13, 14) die Frequenzdifferenz zwischen der dritten Frequenz und einer der beiden Frequenzen auf einem Bruchteil der Frequenzdifferenz zwischen den beiden Frequenzen hält, und daß ein weiterer Multiplikator (17) vorgesehen ist, der aus den Dopplersignalen, die aus der dritten Frequenz und der genannten einen Frequenz gewonnen sind, ein Signal ableitet, welches gemäß seiner Polarität kennzeichnend ist für das Vorhandensein bzw. Fehlen einer unzweideutigen 90°-Verschiebung zwischen den zuerst genannten beiden Dopplersignalen.

7. Dauerstrich-Radargerät nach Anspruch ό, dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrator (18), einen Detektor (19) und ein Addierer (Zl) vorgesehen sind, durch welche das Produktsignal in dem Fall vergrößert wird, daß die 90° -Verschiebung mehrdeutig ist.