DE1213494B

DE1213494B - Radarverfahren zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung mittels linear traegerfrequenzmodulierter Sendeimpulse, die empfangsseitig komprimiert werden, sowie Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1213494B
Application number: DEC26712A
Authority: DE
Inventors: Jean Villepelet
Original assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Current assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Priority date: 1961-04-11
Filing date: 1962-04-10
Publication date: 1966-03-31
Also published as: NL277024A; NL135899C; US3222674A; GB1000520A; FR1405204A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIs

Deutsche Kl.: 21 a4 - 48/63

Nummer: 1213 494

Aktenzeichen: C 26712IX d/21 a4

Anmeldetag: 10. April 1962

Auslegetag: 31. März 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung mittels linear trägerfrequenzmodulierter Radarimpulse, die empfangsseitig durch eine Verzögerungsanordnung mit frequenzabhängiger Laufzeit komprimiert werden, bei dem der durch den Dopplereffekt in der Verzögerungsanordnung entstehende Entfernungsmeßfehler bei der Entfernungsmessung kompensiert und zur Geschwindigkeitsmessung ausgenutzt wird, sowie auf eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Durch Ausnutzung des Dopplereffekts ist es bekanntlich möglich, einerseits die von festen Zielen stammenden Echosignale zu beseitigen und andererseits eine genaue Information über die Radialgeschwindigkeit bewegter Ziele zu gewinnen. Diese Geschwindigkeit ist dem vom Dopplereffekt hervorgerufenen Unterschied zwischen der Trägerfrequenz der vom festgestellten Ziel zurückgeschickten Echosignale und der Trägerfrequenz der ausgesendeten Impulse proportional. Nach einem bekannten Verfahren wird dieser Frequenzabstand mit Hilfe eines Frequenzdiskriminatörs gemessen, der einen Teil einer Regelschleife bildet, welche die Frequenz eines nachlaufgesteuerten Oszillators automatisch gleich dem zuvor definierten Frequenzabstand hält.

Diese Frequenz ist verhältnismäßig niedrig, was zur Folge hat, daß die Einstellung eines mit einer solchen Anordnung ausgestatteten Empfängers besonders diffizil ist. Die Schwierigkeit dieses Vorgangs wird dann noch größer, wenn Ziele eingefangen werden sollen, die sich in sehr großer Entfernung mit sehr großer Geschwindigkeit (beispielsweise 4 km/sec) bewegen, weil der Empfänger dann mehrere Regelschleifen der zuvor erörterten Art enthalten muß.

Andererseits ist es durch die Aussendung langer, linear frequenzmodulierter Impulse und empfangsseitige Kompression dieser Impulse in einer Verzögerungsleitung mit frequenzabhängiger Laufzeit möglich, mit großen Impulsenergien und entsprechend verbessertem Rauschabstand zu arbeiten und dennoch eine große Auflösung zu erreichen. Bei dieser Maßnahme ergibt der Dopplereffekt eine Verfälschung der Entfernungsmessung, weil er den Zeitpunkt des Auftretens des komprimierten Impulses verschiebt.

Es sind aber Maßnahmen zur Kompensation dieses Entfernungsmeßfehlers bekannt.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, bei dem die vom Dopplereffekt hervorgerufene Verschiebung des Zeitpunkts des Auftretens des komprimierten Impulses auf sehr einfache Weise sowohl zur Feststellung der wahren Entfernung als Radarverfahren zur Entfernungs- und
Geschwindigkeitsmessung mittels linear
trägerfrequenzmodulierter Sendeimpulse,
die empfangsseitig komprimiert werden, sowie
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Anmelder:

Compagnie Frangaise Thomson-Houston, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser

und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,

München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:
Jean Villepelet, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 11. April 1961 (858 354)

auch zur Messung der Radialgeschwindigkeit ausgenutzt wird.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Trägerfrequenzen der aufeinanderfolgenden Sendeimpulse abwechselnd in ansteigendem und abfallendem Sinne moduliert werden, daß die Echos der einen Art von Sendeimpulsen mit einer um den mittleren Wert der Zwischenfrequenz oberhalb der mittleren Sendefrequenz liegenden und die Echos der anderen Art mit einer entsprechend darunterliegenden Überlagerungsschwingung herabgemischt werden und dieselbe Verzögerungsanordnung zur Kompression beider Arten von zwischenfrequenten Impulsen verwendet wird und daß der Mittelwert zwischen den ■ Auftrittszeitpunkten der einen und der anderen Art von komprimierten Echoimpulsen innerhalb ihrer zugehörigen Pulsfolgeperioden als Maß für die wahre Entfernung und der zeitliche Abstand zwischen diesen Auftrittszeitpunkten als Maß für die Radialgeschwindigkeit des Ziels festgestellt wird.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ergeben die Wirkung, daß die in zwei aufeinanderfolgenden Sendeimpulsperioden empfangsseitig erhaltenen Zwischenfrequenzimpulse gleichsinnig frequenzmodu-

liert und mit gegensinnigen Dopplereffekten behaftet sind, so daß also die Frequenzen des in einer Sendeimpulsperiode empfangenen Zwischenfrequenzimpul-

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ses gegenüber einem von einem festen Ziel gleicher Entfernung stammenden Zwischenfrequenzimpuls um den gleichen Betrag erniedrigt sind, um den die Frequenzen des in der vorangehenden bzw. der folgenden Sendeimpulsperiode empfangenen Zwischenfrequenzimpulses erhöht sind. Dementsprechend tritt der von einem bewegten Ziel stammende komprimierte Impuls am Ausgang der Verzögerungsanordnung in einer Sendeimpulsperiode früher auf als ein Impuls, der von einem festen Ziel gleicher Entfernung stammen würde, und in der folgenden Sendeimpulsperiode tritt der von dem gleichen bewegten Ziel erhaltene komprimierte Impuls um die gleiche Zeit später auf. Der der wahren Entfernung entsprechende Zeitpunkt liegt also in der Mitte zwischen diesen beiden Zeitpunkten, und der Abstand der beiden Zeitpunkte ist ein Maß für die Radialgeschwindigkeit des bewegten Ziels. Diese beiden Größen lassen sich mit sehr einfachen Mitteln feststellen.

Eine bevorzugte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung mit einem Sender und einem Empfänger besteht darin, daß der Sender zwei Schaltungskanäle enthält, die in aufeinanderfolgenden Sendeimpulsperioden abwechselnd an die Antenne angeschaltet werden, daß jeder der Kanäle zwei Frequenzumsetzer enthält, von denen jeweils der erste die gleiche Niederfrequenzschwingung mit zeitlich linear ansteigender Frequenz der einen bzw. der anderen von zwei Zwischenfrequenzschwingungen überlagert, deren Frequenzen um den doppelten Wert der Mittelfrequenz der Niederfrequenzschwingung voneinander verschieden sind, und von denen der zweite in dem Schaltungskanal mit der größeren Zwischenfrequenz die entstehende Differenzfrequenz und in dem Schaltungskanal mit der kleineren Zwischenfrequenz die entstehende Summenfrequenz mit jeweils der gleichen Hochfrequenz zur Bildung der Sendeimpulse überlagert.

Vorzugsweise werden bei einer solchen Anordnung der Mischstufe des Empfängers in aufeinanderfolgenden Sendeimpulsperioden abwechselnd die Hochfrequenz des Senders und eine um die Summe der beiden Zwischenfrequenzen davon verschiedene Hochfrequenz als Überlagerungsfrequenzen zugeführt.

Für die einzelnen Merkmale des. Anspruchs 1 wird kein Elementenschutz begehrt. · .

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, geeigneten Radargeräts und

Fig. 2 ein zeitliches Diagramm der mit dem Radargerät von Fig. 1 ausgesendeten und empfangenen Impulse zur Erläuterung der Wirkungsweise.

Das Radargerät 1 von Fig. 1 enthält einen, Sender 2 und einen Empfänger 3, die über eine Sende-Empfangs-Weiche 5 mit der Antenne 4 verbunden sind. " - , -

Der Sender erzeugt während jeder Betriebsperiode einen Impuls, dessen Trägerfrequenz sich in linearer. Weise ändert. Das Änderungsgesetz für diese Frequenzänderung ist aber für zwei aufeinanderfolgende Impulse nicht identisch. Die Augenblicksfrequenzen der im Verlauf von zwei aufeinanderfolgenden Tmpulsen ausgesendeten Wellen haben einander entr gegengesetzte Zeitproportionalitätskoeffizienten'. Während in einer Betriebsperiode die Sendefrequenz den Wert F₀'+Vt hat, beträgt dieser Wert in der folgenden Periode F_n"-Vt, wobei V die Frequenzänderungsgeschwindigkeit und t die Zeit, jeweils bezogen auf den Impulsbeginn, dargestellt und wobei F₀' und F₀" so bemessen sind, daß der Mittelwert der Trägerfrequenz konstant ist.

Der Sender enthält einen Generator 6, der zwei Hochfrequenzspannungen mit den folgenden Frequenzen erzeugt:

/o +

Vt_n

+ K)undf₀ -

Vt_n

wobei t_o die Dauer jedes Sendeimpulses und K eine Konstante ist. Diese Spannungen werden den Mischstufen 7 bzw. 8 zugeführt. Außerdem empfangen diese Mischstufen die von einem Steueroszillator 17 erzeugte Niederfrequenzspannung mit der Frequenz K+ Vt.

Während die von der Mischstufe 7 abgegebene Spannung die Frequenz

hat, gibt die Mischstufe 8 eine Spannung mit der Frequenz

Λ-■!£+«■

ab. Diese beiden Spannungen werden jeweils einem Bandfilter 9 bzw. 10 zugeführt, das auf die Mittelfrequenz /₀ abgestimmt ist.

Die am Ausgang der Filter 9 und 10 erscheinenden Spannungen werden jeweils in einer Mischstufe 11 bzw. 12 einer Frequenzumsetzung unterworfen. Dem zweiten Eingang jeder dieser Mischstufen wird eine Spannung mit der sehr hohen Frequenz F₀-Z₀ zugeführt, welche von der Hilfsrnischstüfe 13 erzeugt wird. In dieser Schaltung wird' die Spannung mit der Frequenz f₀, die gleichfalls von dem Generator 6 erzeugt wird, mit der vom Oszillator 14 erzeugten Spannung der Frequenz F₀ gemischt, und die Schal-

tung gibt zwei Spannungen mit den Frequenzen F₀—f_n und F₀+/₀ ab.· Die Spannung mit der zuletzt genannten Frequenz wird im Empfänger 3 verwendet, wie später noch erläutert wird.

Die Mischstufen 11 und 12 erzeugen Spannungen nut den folgenden Frequenzen:

F₀ + -^-Fi und F₀-

+ Vt.

Diese Spannungen werden einer Additions-Verstärkerschaltung 15 zugeführt, die mit der Sende-Empfangs-Weiche 5 verbunden ist. Nachfolgend wird dieSchaltungsgruppe 7-9-11 des Senders alsKanal^ und die Schältungsgruppe 8-10-12 als. Kanal B b&-

zeichnet. . .

Der (nicht dargestellte) Hauptoszillator der Funkortungsaniage 1 löst in jeder Sendeperiode über den Eingang OP den Betrieb des Steueroszillators 17 aus. Dieser Oszillator enthält eine Hilfsschaltung, welche die erzeugte Spannung mit der Frequenz K+ Vt abwechselnd zu den, Mischstufen 7 und 8 leitet. Dies hat zur Folge, daß die beiden im Sender enthaltenen Kanäle A. und B im Verlauf von zwei aufeinander-

folgenden Sendeperioden abwechselnd in Tätigkeit treten.

Der Sender 2 der Anlage 1 erzeugt abwechselnd impulsmodulierte Wellen, deren Trägerfrequenzen sich wie folgt ändern:

= F₀-

Das eingefangetie Ziel reflektiert diese Wellen, und die TrägerfrequenzenF₁ _D und F₂ ρ der von der Antenne 4 empfangenen Echoimpulse sind mit dem Dopplereffekt behaftet:

^ F₁ +JF₁,

Es ist zu bemerken, daß in den Ausdrücken (1) und (2) das Glied F₀ überwiegt und daß sich deshalb -^jF₁ nur wenig von AF., unterscheidet. Man kann also schreiben:

A F₁ m AF^ = AFq.

Die von der Antenne empfangenen Impulse werden durch die Sende-Empfangs-Weiche 5 der Mischstufe 16 des Empfängers 3 zugeführt. Diese Schaltung 16 empfängt also abwechselnd (je nachdem, ob die Betriebsperiode der Anlage geradzahlig oder ungeradzahlig ist) Impulse, deren Trägerfrequenz den Wert F_1D bzw. F₂ _D hat. Diese Impulse werden in dieser Schaltung mit einer Spannung der Frequenz (F₀+/„) bzw. (F_o—/_O) gemischt. Diese Spannungen kommen aus der Hilfsmischstufe 13 des Senders. Die abwechselnd erzeugten Spannungen haben die folgenden Zwischenfrequenzen:

/₀ - F₁₀ = /₀ - B

Vt- AF₀,

und
Uo ^

Vt

Vt (F₀- /_o) - /„ - Zh + Vt +

Die von der Mischstufe 16 erzeugten Spannüngsimpulse werden über einen Verstärker 18 zu der Verzögerungsleitung 27 übertragen.

Bei der Anwendung des bekannten Verfahrens der Kompression der empfangenen Impulse verwendet man eine Leitung 27, welche die ihr zugeführten Signale mit einer in Abhängigkeit von der Signalfrequenz veränderlichen Geschwindigkeit überträgt. Das Gesetz τ = r_o+<xf für die Änderung der Laufzeit in Abhängigkeit von der Frequenz / wird in herkömmlicher Weise nach dem Modulationsgesetz der Trägerwelle der übertragenen Signale so festgelegt, daß die maximale Kompressionswirkung erhalten wird. Wenn der Koeffizient für die Zunahme der Frequenz / in Abhängigkeit von der Zeit den Wert V hat, also / = /₀' + Vt, so muß bekanntlich der Koeffizient χ für die Zunahme der Verzögerung τ in Abhängigkeit von der Frequenz den Wert a = -y haben.

Die von der in Fig. 1 dargestellten Anlage während mehrerer Betriebsperioden ausgesendeten und empfangenen Impulse sind in den Diagrammen a und b von F i g. 2 mit dem gleichen Zeitmaßstab dargestellt. Das Diagramm α entspricht dem Fall eines festen Hindernisses, während das Diagramm b für den Fall eines beweglichen Zieles gilt. Die Sendeimpulse sind in ihrer wirklichen Form dargestellt, während die Echoimpulse zur Vereinfachung schematisch durch eine Linie dargestellt sind, die der Mitte der wirklichen Impulse entspricht.

Wenn die Antenne 4 Echoimpulse empfängt, die von einem feststehenden Hindernis reflektiert sind,

ίο haben die am Ausgang der Verzögerungsleitung 27 erscheinenden Impulse E_F (Diagramm a) identische Lagen in bezug auf den Beginn jeder Betriebsperiode der Anlage. Dies bedeutet also, daß das Zeitinter' vail At, das zwischen dem Beginn jeder dieser Perioden und der Rückkehr eines Echoimpulses verstreicht, unabhängig von der Form des Sendeimpulses und somit unabhängig von dem den Impuls abgebenden Kanal ist. Das Zeitintervall At zwischen dem Anfangszeitpunkt der Betriebsperiode und dem Anfangszeitpunkt des Echoimpulses ist ein Maß für die Entfernung d zwischen der Antenne und dem feststehenden Hindernis.

Wenn die Antenne 4 Impulse empfängt, die von einem beweglichen Ziel reflektiert werden, erscheinen am Ausgang der Verzögerungsleitung 27 in aufein*· anderfolgenden Betriebsperioden der Anlage abwechselnd Impulse I_MA und I_MB (Diagramm b). Die Lagen dieser Echoimpulse schwanken von einer Betriebsperiode zur folgenden auf Grund der Form der Sendeimpulse, des Dopplereffektes und der Eigenschaften der Verzögerungsleitung 27. Wenn sich das aufgefangene bewegliche Ziel in der Entfernung d befindet, eilen die Impulse gegenüber den Echoimpulsen E_P um gleiche Intervalle vor bzw. nach, je nachdem, ob die Impulse einem vom Kanal A oder einem vom Kanal B abgegebenen Sendeimpuls entsprechen. Die Lagen der Impulse I_MA und I_MB geben ein Maß für die scheinbaren Entfernungen d_x bzw. d_% zwischen der Antenne und dem Ziel je nach

dem im Betrieb befindlichen Sendekanal an. Der Mittelwert dieser Entfernungen ist gleich der wirklichen Entfernung zwischen der Antenne und dem Ziel. Der Unterschied dieser Entfernungen, welcher der vom Dopplereffekt hervorgerufenen Differenz zwischen den Frequenzen der Sendeimpulse und den Frequenzen der Echoimpulse proportional ist, ist der Geschwindigkeit des Ziels proportional.

Jeder über die Leitung 27 übertragene Impuls wird einer Schaltungsgruppe 19 (Fig. 1) zugeführt, die zur Bestimmung der Entfernung und der Geschwindigkeit des aufgefangenen Zieles dient. Der Impuls wird einer Torschaltung 20 zugeführt, die durch eine Steueranordnung automatisch entsperrt wird, wenn dieser Impuls einem vom Kanal A des Senders abgegebenen und von dem verfolgten Ziel reflektierten Impuls entspricht. Ferner wird jeder dieser Impulse einer Torschaltung 21 zugeführt, die in gleicher Weise für die vom Kanal B abgegebenen Impulse arbeitet. Jeder am Ausgang der Torschaltung 20 erscheinende Impuls wird einer Anordnung 22 zugeführt, welche die scheinbare Entfernung d₁ zwischen der Antenne und dem Ziel auf Grund der scheinbaren Laufzeit mißt, die sich auf Grund der vom Sendekanal A abgegebenen und vom Ziel reflektierten Impulse ergibt. Es sei daran erinnnert, daß die scheinbare Entfernung d_± sich infolge des Dopplereffektes und den Eigenschaften der Leitung 27 von der wirklichen Entfernung unterscheidet. Jeder am

Ausgang der Torschaltung 21 erscheinende Impuls wird einer Anordnung 23 zugeführt,- welche die scheinbare Entfernung d₂ zwischen Antenne und dem Ziel mißt, welche sich auf Grund der Laufzeit der vom Kanal5 abgegebenen und vom Ziel reflektierten Impulse ergibt. Es ist offensichtlich, daß sich die Entfernung d₂ von der wirklichen Entfernung zwischen der Antenne und dem Ziel aus den zuvor bereits für die scheinbare Entfernung d_± angegebenen Gründen unterscheidet. Die Meßsignale für die Entfernungen U₁ und d₂, welche von den Schaltungen 22 und 23 erzeugt werden, werden den Eingängen einer Additionsstufe 24 und den Eingängen einer Subtraktionsstufe 25 zugeführt. Die Additionsstufe 24 erzeugt ein Signal, das dem Mittelwert

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der scheinbaren Entfernungen zwischen der Antenne und dem Ziel proportional ist; diese Größe ist der wirklichen Entfernung zwischen der Antenne und dem Ziel proportional. Die Subtraktionsstufe 25 erzeugt ein Signal, das der Geschwindigkeit des Ziels proportional ist.

Schließlich werden die von der Leitung 27 abgegebenen Impulse auch einer Anordnung 26 zugeführt, welche den Höhenwinkel und den Seitenwinkel des Ziels ermittelt,

Claims

Patentansprüche:

1. Radarverfahren zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung mittels linear trägerfrequenzmodulierter Sendeimpulse, die empfangsseitig durch eine Verzögerungsanordnung mit frequenzabhängiger Laufzeit komprimiert werden, bei dem der durch den Dopplereffekt in der Verzögerungsanordnung entstehende Entfernungsmeßfehler bei der Entfernungsmessung kompen- siert und zur Geschwindigkeitsmessung ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenzen (F₁, F₂) der aufeinanderfolgenden Sendeimpulse (A, B) abwechselnd in ansteigendem und abfallendem Sinne moduliert werden, daß die Echos (F_{1 D}) der einen Art von Sendeimpulsen mit einer um den mittleren Wert (Z₀) der Zwischenfrequenz oberhalb der mittleren Sendefrequenz (F₀) liegenden und die Echos (F₂ _D) der anderen Art mit einer entsprechend darunterliegenden Überlagerungsschwingung herabgemischt werden und dieselbe Verzögerungsanordnung zur Kompression beider Arten von zwischenfrequenten Impulsen verwendet wird und daß der Mittelwert (At) zwischen den Auftrittszeitpunkten der einen und der anderen Art von komprimierten Echoimpulsen (Ι^_Α, Ι_Μβ) innerhalb ihrer zugehörigen Pulsfolgeperioden als Maß für die wahre Entfernung und der zeitliche Abstand zwischen diesen Auftrittszeitpunkten als Maß für die Radialgeschwindigkeit des Ziels festgestellt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Sender und einem Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (2) zwei Schaltungskanäle (7, 9, 11; 8, 10, 12) enthält, die in aufeinanderfolgenden Sendeimpulsperioden abwechselnd an die Antenne (4) angeschaltet werden, daß jeder der Kanäle zwei Frequenzumsetzer enthält, von denen jeweils der erste die Frequenzsumme bzw. die Frequenzdifferenz aus einer und derselben linear frequenzmodulierten Niederfrequenz (K+ Vt) und jeweils einer von zwei festen, aber derart ver-. schiedenen Zwischenfrequenzen, daß die Mittelfrequenzen (/„) der Frequenzsumme und -differenz gleich groß sind, bildet und von denen jeweils der zweite die Zwischenfrequenz mit einer und derselben Hochfrequenz (F₀- /_fl) umsetzt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischstufe (16) des Empfängers (3) in aufeinanderfolgenden Sendeimpulsperioden abwechselnd die Hochfrequenz (F_o—/₀) des Senders und eine um die Summe der beiden Zwischenfrequenzen davon verschiedene Hochfrequenz (F₀+Z₀). als Überlagerungsfrequenzen zugeführt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfänger an den Ausgang der Verzögerungsanordnung (27) zwei Meßschaltungen (22, 23) zur Messung der Lauf-

* zeiten der von den Sendeimpulsen des ersten bzw. des zweiten Schaltungskanals des Senders stammenden Echoimpulse angeschlossen sind und daß an die Ausgänge der beiden Meßschaltungen (22, 23) eine Additionsschaltung (24) zur Ermittlung der Summe (2 Δ t) der beiden gemessenen Laufzeiten und eine Subtraktionsschaltung (25) zur Ermittlung der Differenz der beiden gemessenen Laufzeiten angeschlossen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
The Bell System Technical Journal, 39 (1960), (Juli), S. 745 bis 808, 809 bis 820.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen