DE2706875A1 - Impulsradargeraet - Google Patents

Description

Dipl.-Phys.Leo Thul Kurze Straße 8

7 Stuttgart 30 3

P.Barton-16

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK IMPULSRADARGERAT

Die Erfindung betrifft ein Impulsradargerät mit einem Sender, einem Empfänger mit mehreren Entfernungstorschaltungen und einer Antenne mit mehreren Antennenelementen.

Ein derartiges Impulsradargerät ist aus dem Buch "Radar Handbook" von M.I.Skolnik, McGraw-Hill-Verlag, New York, 1970, Kapitel 21, bekannt.

Solche Radargeräte eignen sich als Zielverfolgungsradargeräte. Viele Zielverfolgungsradargeräte arbeiten nach dem Monopul»betrieb. Das Prinzip wird nachfolgend erläutert. Hierbei wird angenommen, daß die Radarantenne eine paraboloidförmige Scheibe enthält und daß nur Elevationsmessungen berücksichtigt werden sollen. Das Ziel wird von einem einzigen Sendestrahl entlang der

Paraboloidachse angestrahlt. Empfangsseitig wird das

Signal von zwei hornförmigen Antennenelementen, die in der Brennebene beidseitig der Achse angeordnet sind, aufgenommen. Wenn die beiden Hörner gleichstarke Signale

Sm/Scho
15.2.1977

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empfangen ist die Antenne direkt auf das Ziel ausgerichtet. Dies kann man z.B. dadurch erreichen, daß man die Differenz Δ und die Summe E dieser beiden Signale bildet und dann ein Signal Δ/Σ bildet. Dieses Signal gibt den Winkelfehler an und ist im idealen Fall von der absoluten Amplitude unabhängig. Mit Hilfe dieses Pehlersignals kann der mechanische Richtungswinkel der Antenne über eine Schleife so eingestellt werden, daß das Differenzsignal null wird.

Mit dieser Methode kann man fUr Ziele, die eine ausreichende Höhe über dem Horizont haben, eine große Genauigkeit erreichen.

Bei bekannten Monopulszielverfolgungsradargeräten haben sich jedoch Probleme ergeben, wenn tief fliegende Ziele mit hoher Genauigkeit und ohne Instabilitäten verfolgt werden sollen.

Bei solch niedrigen Winkeln interferiert das Spiegelbild des Ziels, das durch Bodenreflexionen verursacht wird, mit den direkten Zielecho, was bei Elevationswinkeln von unterhalb einer Strahlbreite (z.B. 1 Grad) zu einer schnellen Verschlechterung der Ergebnisse führt. Unterhalb eines Elevationswinkels von einer halben Strahlbreite erhält man leine zuverlässige Daten mehr.

Bei der Zielverfolgung entsteht eine Instabilität, weil der Richtungswinkel zwischen dem Wert für das Ziel und dem Wert für das Bild des Ziels schwanken kann.

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Als weitere Schwierigkeit kommt hinzu, daß die kleinsten Winkel meistens bei den größten Entfernungen auftreten, wobei es auf das Signal/Rausch-Verhältnis besonders ankommt. Bei den bekannten Techniken zur Verbesserung der Winkelauflösung kommt es hierauf meistens besonders an. Weiterhin kann durch die Keulen des Strahlungsdiagrammea in Elevatlonsrichtung (ebenfalls verursacht durch die Bodenreflexionen) die zum Ziel gelangende Leistung stark reduziert werden; in manchen Fällen kann die Anstrahlung des Ziels nahezu auf null zurückgehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung,die Mefigenauigkeit zu erhöhen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die erfindungsgemäfie Lösung erhält man insbesondere bei niedrigen fclevationswinkeln eine Verbesserung der Leistungsbilanz. Man erzielt eine gute Winkelauflösung und eine hohe Genauigkeit.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig.1 ein Blockschaltbild eines Teiles des Zielverfolgungsradargeräts ;

Fig.2 und 3 Signale, wie sie an verschiedenen Stellen vorhanden sind.

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In der Fig.1 ist eine Parabolantenne 1 dargestellt, die für den Betrieb bei einen festen Winkel (niedrigster Bedeckungsbereich; O bis 1 Strahlbreiten Elevationswinkel) vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil» das der Strahl nach oben gerichtet sein kann (Elevationswinkel von i.B. 0,7 Strahlbreiten), wodurch die untere Grenze seines Strahlungsdiagramms bei einem Elevationswinkel von null Grad liegt. Dadurch wird die maximale Tiefe der Mulleinzflge des Strahlungsdiagramm, selbst mit 100 % Bodenreflexion, wesentlich redusiert.

Obwohl das gesamte System in swei Modi arbeiten kann - eine feste Strahlausrichtung bei niedrigen Elevationswinkeln und eine bewegliche Strahlausrichtung Ober den Rest des Bedeckungsbereichs - befaBt sich diese Be-Schreibung nur mit der ersten Betriebsart.

Entlang einer kleinen Länge der Brennebene 2 des Paraboloids sind in die Antenne sechs Hörner 3a-f eingebaut, wobei ihre Mittelpunkte Abstände von 0,5 Strahlbreiten haben und so angeordnet sind, dafi sie Winkeln von 1/4, 3/4, ... , 11/4 Strahlbreiten entsprechen; das oberste Horn 3a hat zur Paraboloidachae den kleinsten Abstand.

Die Impulsabstrahlung erfolgt Ober das oberste Horn oder über die Hörner, die mit einem geeigneten Impulsgenerator (nicht dargestellt) verbunden sind.

Zur Verarbeitung der empfangenen Signale ist jedes Horn mit einem HF-Mischer 4 verbunden. Den sechs Mischern wird von einem gemeinsamen Mischossi Ilator 5 ein Mischsignal zugeführt, das so gewählt ist, das die Mischerausgangssignale eine Frequenz von ungefähr 100 MHz haben.

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Die sechs ersten ZF-Signale werden von einzelnen Verstärkern 6 so verstärkt, daß sie ohne eine wesentliche Verschlechterung der Systemrauschzahl Über einzelne Entfernungstore 7, die von einer Entfernungsinformationssteuerschaltung 8 simultan gesteuert werden, entsprechenden Eingangsabgriffen einer akustischen Oberflächenwellenverzögerungsleitung 9 zugeführt werden können.

Die Eingänge der Verzögerungsleitung haben einen genau definierten Abstand (z.B. 1 tisec), der ungefähr gleich einer Radarimpulslänge ist. Wesentlich wichtiger ist jedoch, daß der Abstand einem ganzzahligen Vielfachen der HF-Schwingungslängen ist, weil dies notwendig ist, um die gesamte Phasenlänge zwischen den Eingängen innerhalb von 10 Grad konstant zu halten.

Das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung 9 entspricht

den Abtastwerten eines Teils der Brennebene 2; die Signale enthalten das gesamte Echosignal und wurden in der Brennebene gleichzeitig gebildet. Die relativen Amplituden und Phasen der sechs Signalbeiträge sind auf dem ZF-"Träger" enthalten und das Signalspektrum ist eine Darstellung der Signalverteilung über die Apertur.

Ein Signal dieser Art, bei dem die Zeitdifferenz zu einer Referenzstartzeit ein MaB für den Winkel ist, ist in der Tat kohärent und man erhält für niedrige Elevationswinkel bessere Leistungen, wenn man das seitliche Abtastsignal Zeit- und Frequenz-"Torschaltungen" zuführt bevor die endgültige Messung ausgeführt wird.

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Im betrachteten Fall wurden auf die Brennebenesignale "Zeittore angewendet", weil die Lage des obersten Horns (bestimmt wegen der Inversion in dem reflektierenden Paraboloid die untere Grenze der Abtastung) die Ausdehnung der Winkelbedeckung bestimmt.

Die Anwendung der "Zeittore" auf die Abtastwerte des Winkelbereiches wie oben beschrieben darf nicht mit der Funktion der Entfernungstore verwechselt werden. Letztere dienen dazu, die gewünschten Zielechos zeitlich vom Rauschen und von Clutterstörungen (und möglicherweise von anderen Zielen) zu trennen.

Die gewünschten Zielechos und ihre durch bei niedrigen Winkeln vorhandenen Bodenreflexionen erzeugten Bilder sind zeitlich nahezu koinzident und die unerwünschte Komponente kann deshalb durch Entfernungstore nicht unterdrückt werden. Bei einem Elevationswinkel des Ziels von beispielsweise 0,25 Grad und bei einer Höhe des PhasenZentrums der Radarapertur von 10 FuB beträgt die zeitliche Verzögerung der Bodenreflexion 0,1 ns.

Die Wirkung der Zeittorschaltungen (entspricht direkt einer Sektorbegrenzung) läßt sich leicht anhand zweier empfangener Signale, die zusammen das empfangene Gesamtsignal bilden, erklären. Das eine Signal ist das gewünschte Signal, dessen Hauptkeule innerhalb des von den Hörnern bedeckten Brennebenensektors, d.h. innerhalb des Zeittores, liegt und das andere Signal ist ein vom Boden reflektiertes Signal/ dessen Hauptkeule unterhalb des gewünschten Winkelbedeckungsbereichs liegt.

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In der Flg.2 1st die zeltmodullerte Welle des gewünschten Signals dargestellt, dessen Spektrum gleichmäßig Über die Bandbreite, die durch den Abstand der Abgriffe der Verzögerungsleitung bestimmt ist, verteilt ist. Dieses Spektrum wird durch die Sektor/Zeit-Torschaltung nicht wesentlich beeinflußt.

Bei dem in Fig.3 dargestellten unerwünschten Signal hingegen wird die Zeittorschaltung insofern wirksam, als sie einen Einfluß auf das am Rand der Bandbreite konzentrierte Spektrum ausübt; das Signal wird teilweise gesperrt.

Somit reduziert ein Filter, das die Randbereiche der Bandbreite dämpft oder sperrt während es den mittleren Bereich durchläßt, das gesamte Signalspektrum des gewünschten Signals nur unwesentlich, wohingegen die Beiträge der übrigen Nebenkeulen des unerwünschten Signals zum gesamten Signalspektrum stark gedämpft werden.

Diese "Frequenztorschaltung", der das von einem Verstärker 10 verstärkte Ausgangssignal der Verzögerungsleitung zugeführt wird, ist ein akustisches Oberflächenwellenfilter 11 (transversal) mit einem Gesamtdurchlaßbereich von ungefähr 0,6/T Hz, wobei T der Zeitabstand zwischen den Eingängen (Abgriffen) der Verzögerungsleitung ist.

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Die Wellenform des Filterausgangssignals 1st für das erwünschte Signal der des Filtereingangssignals ähnlich. Die Hauptkeule ist entsprechend der Beschränkung der Informationsbandbreite etwas breiter und durch die Filtercharakteristik wird eine starke Verzögerung verursacht, die jedoch ausgeglichen werden kann.

Das Filterausgangesignal wird in einem Verstärker 12 verstärkt, in einem Mischer 13, der mit einem Mischoszillator 14 verbunden ist, auf eine zweite ZF (ca. 10 MHz) heruntergemischt und in einem ZF-Glied (mit Zeitsteuerung) nochmals verstärkt. Das Signal wird in einem Gleichrichter 16 gleichgerichtet und die zeitliche Lage der Spitze des Signals wird - unter Berücksichtigung des Entfernungstores, das an den Eingängen der Verzögerungsleitung wirksam geschaltet ist - in einer Schwellwert- und Zeitschaltung 17 ausgewertet .

Bei der Signalauswertung ist auch eine Festzielunterdrückung (MTI) möglich. Die hierzu notwendigen Schaltungen können in die zweite ZF-Kette eingefügt werden.

Die Verzögerungsleitung und die dazugehörige! Schaltungen können auch durch mehrere Null-ZP-Empfänger, die für die Signale von jedem Horn Cosinus-(I) und Sinus-(Q)-Werte erzeugen, und bei denen die Abtastung der Brennebene durch Anwendung einer analogen Multiplextechnik auf diese I- und Q-Signale (ein Paar von jedem Empfänger) erzeugt wird, ersetzt werden. Eine derartige Anordnung ist in der Anmeldung P 26 30 291.0 vorgeschlagen.

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Weil bei der empfangsseitigen Auswertung die genaue Zielpositon aus dem eigenen scheinbaren Abtasten des Raumes bestimmt werden kann, ist es nicht notwendig, die Ausrichtung des Sendestrahls mit dem unter einem niedrigen Winkel vorhandenen Ziel zu koppeln. Deshalb kann der Sendestrahl so positioniert werden, daß im schlechtesten Fall durch eine Keule bei einem Elevationswinkel von 0,2 Strahlbreiten ein Verlust von nur 7 dB vorhanden ist.

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Leerseite

Claims (8)

1. P.Barton-16

   Patentansprüche

   Impulsradargerät mit einem Sender, einem Empfänger mit *- mehreren Entfernungstorschaltungen und einer Antenne mit mehreren Antennenelementen, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Einrichtung (3) vorgesehen ist, die in einem vorbestimmten Bereich der Antennenapertur (2) die Signalverteilung des Empfangssignals abtastet, daß eine weitere Einrichtung (4 bis 9) vorgesehen ist, die aus diesen Abtastwerten ein kohärentes Signal erzeugt, daß dieser weiteren Einrichtung ein Filter (11) nachgeschaltet ist, das die Randbereiche des Signalspektrums dämpft und daß das Filterausgangssignal in einer Auswerteeinrichtung (17) ausgewertet wird.
2. 2. impulsradargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung mehrere Antennenelemente (3) enthält, die in der Brennebene (2) eines paraboloidförmigen Reflektors (1) und auf einer Seite der Parabolachse angeordnet sind.
3. 3. Impulsradargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Einrichtung aus Mischern (4), die jeweils einem Antennenelement (3) zugeordnet sind, einem allen Mischern (4) gemeinsamen Mischoszillator (S) und einer Verzögerungseinrichtung (9), wobei für jedes Mischerausgangssignal ein Eingang vorgesehen ist, besteht.

   709835/0757 ORIGINAL

   -Vf-P.Barton-16 ■
4. 4. Impulsradargerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Mischer (4) und die Verzögerungseinrichtung (9y die Entfernungstore (7) geschaltet sind, die von einer Entfernungsinfonnationsschaltung (8) gesteuert werden.
5. 5. Impulsradargerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung zwischen benachbarten Eingängen der Verzögerungseinrichtung (9) so gewählt ist, daß sie gleich der Zeit einer Schwingung des Mischerausgangssignals oder einen ganzzahligen Vielfachen hiervon ist.
6. 6. Impulsradargerät nach Anspruch 1, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung (9) aus einer (akustischen) Oberflächenwellenverzögerungsleitung besteht.
7. 7. Impulsradargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (11) ein (akustisches) Oberflächenwellenfilter ist.
8. 8. Impulsradargerät nach Anspruch 1 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Filter (11) und die Auewerteeinrichtung (17) ein weiterer Mischer (13), dem ein Mischoszillator (14) zugeordnet ist, und ein Gleichrichter (16) geschaltet sind,und daß der Auswerteeinrichtung (17) ein Signal von der Entfernungsbereichlnfonnationsschaltung (8) zugeführt wird.

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