DE2628379A1

DE2628379A1 - Seitensicht-radargeraet

Info

Publication number: DE2628379A1
Application number: DE19762628379
Authority: DE
Inventors: Maurice Chabah
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-06-24
Filing date: 1976-06-24
Publication date: 1977-01-13
Also published as: DE2628379C2; FR2315703A1; FR2315703B1; US4064510A; GB1537157A

Description

	Patentanwälte	Dipl.-lng.	2628379
Dipl.-lng.	Dipl.-Chem.	G. Leiser
E. Prinz	Dr. G. Hauser
	Ernsbergerstrasse 19
	8 München 60

THOMSON - GSE

173, Bd. Haussmann

75008 PARIS / Frankreich

23. Juni 1976

Unser Zeichen: T 2031

Seitensicht-Radargerät

Die Erfindung bezieht sich auf Seitensicht-Radargeräte. Derartige an Bord eines Luftfahrzeugs oder Raumfahrzeugs mitgeführte Radargeräte haben den Zweck, die Oberfläche der Erde oder eines anderen Planeten abzutasten, um eine Radarkarte oder eine Radarphotographie aufgrund der empfangenen Signale aufzustellen.

Radargeräte dieser Art enthalten eine Antenne, die in eine Richtung zeigt, die senkrecht zur Bewegungsrichtung des Trägerfahrzeugs liegt. Jeder Sendeimpuls bestreicht den im Antennenbündel liegenden Geländestreifen. Die Bewegung des Fahrzeugs in Verbindung mit der seitlichen Abtastung durch die Impulse ermöglichte somit, ein Bild des Geländes zu erhalten. Solche Geräte verwenden elektromagnetische Wellen in einem niedrigeren Frequenzbereich als die optischen Abtaster, und sie sind daher nicht den atmosphärischen

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Lei/Gl

Einschränkungen (Wolken, Blendung durch die Sonne) ausgesetzt wie diese.

Die Güte der erhaltenen Bilder hängt einerseits von der Längsauflösung (d.h. in der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs) und andererseits von der Querauflösung (in der Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs) ab.

Die Verwendung solcher Radargeräte, insbesondere an Bord eines Raumfahrzeugs, ergibt Betriebsbedingungen, die sich von denjenigen an Bord eines Flugzeugs sehr beträchtlich unterscheiden. Insbesondere führen die Flugbedingungen eines Raumfahrzeugs zur Anwendung einer hohen Folgefrequenz, wodurch Entfernungsmehrdeutigkeiten entstehen. Zum Schutz gegen solche Mehrdeutigkeiten ist es bekannt, dem Antennenbündel eine starke Richtwirkung zu erteilen, was eine genaue Einstellung und die genaue Kenntnis der Radarentfernung voraussetzt. Wenn die Ausrichtung nicht genügend genau ist oder wenn die Flugbedingungen des Trägerfahrzeuge geändert werden, können die blinden Richtungen des Radargeräts im Innern der von der Antenne angestrahlten Zone liegen, wodurch die Güte des erhaltenen Bildes beeinträchtigt wird.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Radargeräts, das diese Nachteile nicht aufweist.

Insbesondere wird mit der Erfindung ein Seitensicht-Radargerät geschaffen, das an Bord eines Raumfahrzeugs in der Lage ist, eine Radarkarte des Bodens zu liefern, insbesondere eine Karte, die maximale Abmessungen in der Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Fahrzeugs hat, ohne daß mehrdeutige Informationen auftreten.

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Bei dem Seitensicht-Radargerät nach der Erfindung wird die Folgeperiode der Sendeimpulse in Abhängigkeit von den Flugbedingungen des Fahrzeugs automatisch gesteuert.

Nach der Erfindung ist ein Seitensicht-Radargerät mit Sendeeinrichtungen, die mit einer Antenne gekoppelt sind, um elektromagnetische Impulse in einem rings um die Antennenachse geradzahligen Strahlungsdiagramm auszusenden, das dem Höhenwinkel nach eine Richtwirkung hat, und mit Empfangseinrichtungen für die Echosignale, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Messung der Winkellage zwischen der Antennenachse und der Richtung des Hindernisses bzw. der Hindernisse, die den Echos entsprechen, die in der Mitte der Radarfolgep.eriode empfangen werden, und mit Steuereinrichtungen zur Regelung der !Folgefrequenz der Radarimpulse in Abhängigkeit vom Meßergebnis.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß für die Messung der Winkelablage ein zusätzlicher Empfangskanal in der Antenne vorgesehen ist, der ein dem Höhenwinkel nach in Bezug auf die Antennenachse ungeradzahliges Strahlungsdiagramm hat, sowie eine Winkelablage-Detektoreinrichtung, die einerseits an den zusätzlichen Empfangskanal und andererseits an die normalen Empfangseinrichtungen für die Echosignale angeschlossen ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1(a) und (b) die geometrische Ausbildung des Radarsystems,

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Fig. 2 ein Blockschema des Radargeräts,

Fig. 3 die Strahllingsdiagramme der Antenne und

Fig. 4 eine genauere Ausbildung eines Bestandteils der Anordnung von Fig. 2.

Ein Seitensicht-Radargerät ist dazu bestimmt, ein "Bild" des Geländes von einer entfernten Basis aus zu schaffen. Die geometrische Ausbildung eines solchen Radargeräts ist in den Figuren 1(a) und 1(b) gezeigt.

Ein Fahrzeug A führt das Radargerät mit. Die Antenne des-Radargeräts ist in einer senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor V des Fahrzeugs stehenden Richtung zum Boden gerichtet. Es wird angenommen, daß sich das Fahrzeug A in einer Höhe Z befindet. Das Radargerät beobachtet mit Hilfe seiner zum Boden gerichteten Antenne einen Geländestreifen I, wobei die Antennenachse einen Winkel γ mit der Bodenebene bildet. -

Fig. 1(a) zeigt in der Yertikalebene das Antennenbündel mit dem Öffnungswinkel θ , das den Boden über eine Breite „ anstrahlt, was einem Radar-EntfernungsIntervall AR„ g s

entspricht. Die mittlere Entfernung des Radargeräts vom Boden ist R₀.

Fig. 1(b) zeigt in der Horizontalebene den horizontalen Öffnungswinkel Θ. des Antennenbündels und die von dem Antennenbündel in einem gegebenen Zeitpunkt angestrahlte Zone. Wenn sich das Fahrzeug A bewegt, beschreibt diese Zone einen Streifen T der Breite AR , der parallel zum Geschwindigkeitsvektor V des Fahrzeugs liegt.

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Das Arbeitsprinzip der Seitensicht-Radargeräte mit synthetischer Verfeinerung beruht auf der kohärenten Verarbeitung der Empfangssignale während des ÜberStreichens eines Ziels durch das Antennenbündel im Verlauf der Längsbewegung des Trägers. Insbesondere wird die Dopplerfrequenz der Empfangssignale ausgewertet, was eine Begrenzung der Folgefrequenz fr des Radargeräts erfordert. Das Radarsignal wird nämlich mit der Frequenz fr abgetastet, was die folgende Beziehung ergibt:

Darin ist fä_ffl die höchste Dopplerfrequenz.

Diese Frequenz ist mit der Geschwindigkeit V des Fahrzeugs A und mit dem Azimut-Öffnungswinkel Qh des Antennenbündels durch die folgende Beziehung verknüpft:

fd - ^9faY
^iUmax ~ χ

Dabei ist λ die Wellenlänge der vom Radargerät ausgesendeten Strahlung.

Der Winkel Qh ist andererseits mit der Abmessung L der Antenne durch die folgende Beziehung verknüpft:

Darin ist k ein Faktor, der je nach dem Antennentyp etwas größer als 1 ist.

Daraus läßt sich dann ableiten:

ir

fr >

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Im Pall eines Satelliten ist die Höhe Z beträchtlich, groß, und die Geschwindigkeit Y ist hoch (in der Größenordnung von 8000 m/s). Die Folgefrequenz des Radargeräts ist daher hoch, und die vom Boden reflektierten Signale kommen am Radargerät um mehrere Folgeperioden nach der Aussendung an.

Da das Radargerät Echos nur zwischen den SendeZeitpunkten empfangen kann, zeigt Fig. 1(a), daß die am Boden beobachtbare Zone zwischen zwei Kreisen enthalten sein muß, deren Mittelpunkte bei A liegen und deren Radien sich um C/2fr unterscheiden wenn C die Lichtgeschwindigkeit ist.

Infolge des Neigungswinkels γ des Antennenbündels in Bezug auf den Boden ist die Breite dieser Zone durch die folgende Beziehung gegeben:

ARg < ^C

2fr cos Y
Daraus läßt sich ableiten: .

fr <

2ARg cosY - (2)

Es ist zu erkennen, daß die Radar-Folgefrequenz fr einerseits durch die Geschwindigkeit Y des Trägerfahrzeuge und die Antennenabmessung L begrenzt ist (Beziehung 1) und andererseits durch die Breite ARg des zu beobachtenden Geländestreifens und den Neigungswinkels Y des Antennenbündels (Beziehung 2):

2k - < fr ^ ^σ

2ARg cos Y

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Der "breiteste Streifen, der "beobachtet werden kann, ist dann durch die folgende Beziehung gegeben:

^gmax 4k cos γ * γ (3)

Dieser Streifen ist also mit dem Verhältnis L/V verknüpft. Infolge der technologischen Schwierigkeit der Unterbringung einer Antenne großer Abmessungen in einem Satelliten, liegt für einen Satelliten die Länge L der Antenne in der Größenordnung von 5 bis 10 m, und die Geschwindigkeit V beträgt beispielsweise 8000 m/s. Nach der Beziehung (3) kann die Breite ARg des beobachtbaren Streifens zwischen Z'O und 100 km enthalten sein.

In der Praxis ist die Breite des beobachtbaren Streifens kleiner als ARg_max» und zwar einerseits wegen des Vorhandenseins von blinden Zonen, die den Sendezeitpunkten entsprechen, und andererseits infolge der Entfernungs-Mehrdeutigkeiten, die zwischen der Zone ARg und den.benachbarten Zonen erscheinen können.

Zum Sc'hutz gegen diese Mehrdeutigkeiten erteilt man dem Antennenbündel in der Vertikalebene eine Richtwirkung, so daß es nur das nutzbare Intervall ARg erfaßt (Diagramm (Σ) in Pig. 3).

Wenn aber dann die Ausrichtung der Antenne nicht sehr genau erfolgt, oder wenn die Geometrie des Systems (beispielsweise die Höhe des Trägerfahrzeugs) geändert wird, können die Blindrichtungen des Radargeräts in das Innere der von der Antenne angestrahlten Zone fallen, wodurch die Güte des erhaltenen Bildes beeinträchtigt wird.

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Das Radargerät nach der Erfindung ist in der Lage, diese Erscheinung festzustellen und zu korrigieren.

Zu diesem Zweck wird das Prinzip angewendet, das Echo zu identifizieren, das der Mitte der Radarperiode entspricht, und seine Richtung in Bezug auf die Achse des Antennenbündels zu messen. Der auf diese Weise gemessene Winkelabstand ermöglicht die Verkürzung oder Verlängerung der Radarperiode in der Weise, daß die Mitte der korrigierten Radarperiode mit der Richtung der Bündelachse zusammenfällt,

Bekanntlich sind nämlich die mehrdeutigen Entfernungen durch die folgende Beziehung gegeben:

= η -2-

2fr

und das Antennenbündel kann am Boden nur eine Zone erfassen, deren Breite ARg kleiner als der folgende Wert ist:

ARg

^max 2fr cos γ

Das zwischen den Entfernungen Rn und Rn + 1 liegende eindeutige Entfernungsintervall ist in Fig. 1 schematisch durch seine Grenzen Bn und Bn + 1 dargestellt. Die aus der Richtung der Antennenachse stammenden Echos werden dann in der Mitte der Radarperiode empfangen.

Wenn aus irgendeinem Grund (Änderung der Höhe Z, der Entfernung Rg oder des Neigungswinkels γ) eine der Grenzen Bn oder Bn + 1 in das Innere des Intervalls ARg fällt, entspricht die Mitte der Radarperiode nicht mehr den in der Antennenachse liegenden Echos. Durch Erhöhung oder Verringerung der Folgefrequenz fr kann erreicht werden, daß

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die Grenzen Bn und Bn + 1 wieder ihre symmetrische Lage zu beiden Seiten des Intervalls ARg einnehmen.

Zur Bestimmung des Winkelabstands zwischen der Richtung der in der Mitte der Radarperiode liegenden Echos und der Antennenachse enthält die Antenne erfindungsgemäß einen zusätzlichen Empfangskanal, dessen Strahlungsdiagramm dem Höhenwinkel nach ungeradzahlig ist ("Differenzkanal¹').

Pig. 2 zeigt das Prinzipschema des Seitensicht-Radargeräts nach der Erfindung.

Bei diesem Gerät wird eine Antenne 1 mit zwei Kanälen verwendet. Der erste Kanal dient zum Senden und zum Empfangen. Seine Strahlung ist dem Höhenwinkel und dem Seitenwinkel nach geradzahlig und hat in der Vertikalebene eine Richtwirkung, damit nur eine von Mehrdeutigkeiten freie Zone des Geländes angestrahlt wird. Die von diesem Kanal beim Empfang gelieferten Signale werden "Summensignale"Σ genannt. Der zweite Kanal oder "Differenzkanal" hat ein dem Höhenwinkel nach ungeradzahliges Diagramm, wobei der Gewinn in der Antennenachse den Wert Null hat. Die in diesem Kanal empfangenen Signale werden "Differenzsignale"Δ genannt.

Pig. 3 zeigt die St^ahlungsdiagramme der Antenne 1. Der Gewinn G dieser Antenne ist als Punktion des Winkels θ in Bezug auf die Antennenachse dargestellt. Die in vollen Linien gezeichnete Kurve zeigt das Diagramm (Σ) des Summenkanals, und die gestrichelte Kurve zeigt das Diagramm (Δ) des Differenzkanals.

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Ein Sender 3 ist mit den Summenkanal der Antenne 1 über einen Zirkulator 2 gekoppelt. Die empfangenen Summensignale Σ werden über den Zirkulator 2 einem Empfänger 4 zugeführt. Die Signale Δ werden dem Empfänger 4- direkt zugeführt. Der Empfänger enthält die ersten Höchstfrequenz-Verstärker stuf en und die mit dem Sender verbundenen Mischstufen, die anschließend die gleichen Signale Σ und Δ nach Umsetzung auf die Zwischenfrequenz liefern. Die Summensignale werden anschließend den üblichen Verarbeitungsschaltungen 5 zugeführt, welche die synthetische Verfeinerung des Antennenbündels dem Seitenwinkel nach durchführen, damit die gewünschte Längsauflösung erhalten wird. Diese Schaltungen enthalten im allgemeinen einen optischen oder elektronischen Korrelator. Da sich die Erfindung nicht auf diesen Teil des Geräts erstreckt, werden hier die Ein-, zelheiten, die dem Fachmann bekannt sind, nicht näher erläutert.

Die Erfindung beruht in der Verarbeitung der Signale ΣundΔ zur Erzielung einer automatischen Änderung der Radar-Folgefrequenz in der Weise, daß die Antennenachse stets auf die Mitte der eindeutigen Zone gerichtet ist.

Die Signale Σ und Δ werden einer Vereinigungsschaltung 7 zugeführt, welche Signale Σ+ 3Δ und Σ- 3Δ liefert, wobei j der bekannte Operator für eine Phasendrehung um 90° ist. Diese Signale werden in Begrenzern 8 bzw. 9 amplitudenbegrenzt und dann einem Phasendetektor 10 zugeführt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors liefert eine Winkelanzeige für die im Antennenbündel liegenden Echos: Pur jedes Echo ist dieses Signal dem Winkelabstand zwischen der Antennenachse und der Richtung des das Echo erzeugenden Hindernisses proportional, und sein Vorzeichen ist positiv oder negativ, je nachdem, ob das Hindernis oberhalb oder unterhalb der Antennenachse liegt.

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Derartige Schaltungen werden üblicherweise in den Monopuls-Radargeräten verwendet.

Das Ausgangssignal des Detektors 10 wird einer Entfernungs-Torschaltung 11 zugeführt. Diese Torschaltung, die von der Synchronisierschaltung 15 gesteuert wird, blendet in der Mitte der Folgeperiode einen Probewert aus dem Winkelablagesignal aus und überträgt ihn anschließend zu einem Verstärker 12, dem ein Filter 13 nachgeschaltet ist, das mit dem Frequenzsteuereingang eines Oszillators verbunden ist. Der Oszillator arbeitet bei einer Frequenz, die gleich der Folgefrequenz ist. Die von ihm abgegebenen Impulse werden abwechselnd mit Hilfe der Synchronisierschaltung 15 dem Sender 3 und der Torschaltung 11 zugeführt. Die Synchronisierschaltung 15 ist in Fig. 4 genauer dargestellt.

Die Synchronisierschaltung 15 enthält einen Begrenzer-Verstärker 151} der die vom Oszillator 14 gelieferten sinusförmigen Signale in Rechtecksignale umwandelt. Eine erste monostabile Schaltung 152 liefert zum Sender 3 Impulse festgelegter Länge, die durch die negativen Planken des Ausgangssignals des Verstärkers 151 ausgelöst werden. Eine zweite raonostabile Schaltung 154 liefert zu der Torschaltung 11 gleichartige Impulse, die aber infolge einer Inverterschaltung 153 durch die positiven Planken ausgelöst werden.

Die Folgefrequenz des Radargeräts, die gleich der Frequenz des Oszillators 14 ist, wird durch die Schaltungen 7 "bis derart gesteuert, daß das in der Antennenachse liegende Echo in der Mitte der Folgeperiode empfangen wird. Die Summensignale Σ und die Differenzsignale Δ werden den Schaltungen 7 Ms 10 zugeführt, damit eine Winkelanzeige

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erhalten wird. Das videofrequente Ausgangssignal dieser Schaltungen wird in jeder Halbperiode durch die Torschaltung 11 für eine Zeitdauer abgetastet, die gleich der Dauer des Sendeimpulses ist. Das auf diese Weise erhaltene Winkelablagesignal läßt erkennen, ob das der Mitte der Fclgeperiode entsprechende Echo vor oder nach dem in der Achse des Antennenbündels liegenden Echo empfangen worden ist; in diesem Pail muß die Dauer der Polgeperiode dadurch verlängert oder verkürzt werden, daß die Frequenz fr des Oszillators 14 verringert oder vergrößert wird.

Da ferner die Steilheit der Winkelablage anzeige des Geräts. Dslcannt ist, ist die diese Angabe darstellende Spannung as Ausgang des Detektors 10 der Winkelablage ε proportional, und diese Winkelablage ist ihrerseits mit der durchzuführenden Frequenzkorrektur durch die folgende Beziehung verknüpft:

Afr

tgY

fr

Dabei ist γ der Winkel zwischen der Bündelachse und dem beobachteten Boden (Fig. 1). Die Frequenzkorrekturschleife 11-12-13-14-15 enthält ein Filter 13, dessen Zeitkonstante die Beeinflussung der Ansprechzeit des Systems ermöglicht.

Wenn sich beispielsweise die Höhe des beobachteten Geländes ändert, ist es durch die Filterung möglich, das System den mittleren Höhenänderungen des Geländes nachsuregeln, indem die Auswirkungen örtlich begrenzter Änderungen integriert werden.

Das beschriebene System ermöglicht die Erhöhung der Autonomie des Betriebs einer Raumplattform, indem diese

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weniger abhängig von Einstellungen gemacht wird, die vom Boden aus gesteuert werden.

Es ermöglicht ferner größere Toleranzen in der Ausrichtung der Antenne (oder der Plattform), da die Auswirkungen von Fehlausrichtungen automatisch kompensiert werden.

Ferner ermöglicht das System die Änderung der Antennenrichtung, wodurch eine Änderung des Beobachtungswinkeis des Geländes ermöglicht wird.

Schließlich ist es dadurch möglich, einen Beobachtungssatelliten auf eine Umlauf "bahn zu "bringen, deren Höhe nicht genau konstant ist (beispielsweise eine elliptische Umlaufbahn).

Die Erfindung eignet sich für die Plugnavigation und die Raumnavigation.

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Claims

Patentansprüche

Seitensicht-Radargerät mit Sendeeinrichtungen, die mit einer Antenne gekoppelt sind, um elektromagnetische Impulse in einem rings um die Antennenachse geradzahligen Strahlungsdiagramm auszusenden, das dem Höhenwinkel nach eine Richtwirkung hat, und mit Empfangseinrichtungen für die Echosignale, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Messung der Winkelablage zwischen der Antennenachse und der Richtung des Hindernisses bzw. der Hindernisse, die den Echos entsprechen, die in der Mitte der Radarfolgeperiode empfangen v/erden, und mit Steuereinrichtungen zur Regelung der Folgefrequenz der Radarimpulse in Abhängigkeit vom Meßergebnis.
2. Seitensicht-Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung der Winkelablage ein zusätzlicher Empfangskanal (Δ) in der Antenne vorgesehen ist, der ein dem Höhenwinkel nach in Bezug auf die Antennenachse ungeradzahliges Strahlungsdiagramm hat, sowie eine Winkelablage-Detektoreinrichtung, die einerseits an den zusätzlichen Empfangskanal und andererseits an die normalen Empfangseinrichtungen (Σ) für die Echosignale angeschlossen ist.
3. Seitensicht-Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen für die IOlgefrequenz der Radarimpulse einen frequenzsteuerbaren Oszillator (14) enthalten, dessen Frequenz gleich der Eolgefrequenz der Radarimpulse ist, sowie eine Synchronisierschaltung (15)₅ die an den Oszillator (14) angeschlossen ist und Steuerimpulse abwechselnd zu den Sendeeinrichtungen (3) und zu einer Entfernungs-Torschaltung (11)

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schickt, wobei die Entfernungs-Torschaltung während der Dauer eines Steuerimpulses einen Probewert aus dem Ausgangssignal der Winkelablage-Meßeinrichtungen (7-10) ausblendet, und Verstärker- und Filtereinrichtungen (12, 13), die zwischen dem Ausgang der Entfernungs-Torschaltung (11) und dem Frequenzsteuereingang des Oszillators (14) angeschlossen sind.
4. Seitensicht-Radargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelablage-Detektoreinrichtung eine Kombinationsschaltung (7) enthält, welche die von der Antenne (1) gelieferten und zuvor auf eine Zwischenfrequenz (4) umgesetzten Signale (Σ,Δ) in Signale (Σ+ 3Δ, χ- 3Δ) umwandelt, die jeweils einer Begrenzerschaltung (8 bzw. 9) zugeführt werden, und daß an die Ausgänge der Begrenzerschaltungen eine Phasendetektorschaltung (10) angeschlossen ist.
5. Seitensicht-Radargerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierschaltung (15) einen Begrenzerverstärker (151) enthält, der das Ausgangssignal des Oszillators (14) empfängt, sowie eine monostabile Kippschaltung, die an den Ausgang des Verstärkers (151) angeschlossen ist und Steuerimpulse zu den Sendeeinrichtungen (3) liefert, und eine Inverterschaltung (153), die an den Ausgang des Verstärkers (151) angeschlossen ist und der eine zweite monostabile Schaltung (154) nachgeschaltet ist, die Steuerimpulse zu der Entfernungs-Torschaltung (11) liefert.

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Jm Leersei