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Rückstrahlortungsgerät,insbesondere Radargerät
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Die Erfindung geht aus ton einem Rückstrahlortungsgerät wie im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegeben. Ein aerartlges Ruckstrahlortungsgerät ist aus dem Buch
"Introduction to Radar Systems" von M.I.Skolnik, Mc Graw flill Verlag, New York
1980 auf den Seiten 81 bis 92 beschrieben.
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Bei dreieckförmig frequenzmodulierten Dauerstrichsignalen erhält man,
wenn man das von einem Ziel reflektierte Signal mit einem Teil des Sendesignals
mischt, zwei Mischsignale mit unterschiedlichen Differenzfrequenzen. Durch Summen-
und Differenzbildung der beiden Differenzfrequenzen ernalt man Werte, die der Entfernung
des RUckstrahlortungsgerats in Bezug auf das Rückstrahlortungsgerät proportional
sind.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Rückstrahlortungsgerät anzugeben,
bei dem die Entfernung zum Ziel und die Relativgeschwindigkeit des Ziels genau gemessen
werden konnen.
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die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angebenen
Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind aus Unteransprüchen zu entnehmen.
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Das neue Ruckstrahlortungsgerät kann auf einfache Weise realisiert
werden. Die Phasenreyelkreise stellen sich automatisch auf die Frequenz des Signals,
deren Amplitude den größten Wert hat, ein. Dadurch wird verhindert, daß sich parasitäre
Reflexionen (z.B.
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Refiexionen an Silowänden, wenn das Ruckstrahlortungsgerät zur Füllstandsmessung
in Silos verwendet wird) storend bemerkbar machen.
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Die Bandbreiten der Phasenregelschleifen, die Triggerschwelle, die
überschritten werden muß, damit die hasenregelschlelfen einrasten können, die Suchgeschwindigkeit
sowie Ober- und Untergrenze des Suchbereichs werden von einem Mikrorechner gesteuert.
Dadurch ist es ntöglich, mit dem neuen Rückstrahlortungsgerät auf einfache Weise
unterschiedliche Anforderungen zu erfullen.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise naher erläutert.
Es zeigt: Fig.1. ein Blockschaltbild des neuen Rückstrahlortungsgeräts: Fig.2 ein
Frequenz/Zeit-Diagramm zur Erläuterung der Steuerung der im Ruckstrahlortungsgerat
enthaltenen Phasenregelschleifen, und Fig. 3 ein Blockschaltbild der im Rückstrahlortungsgerät
enthaltenen Phasenregeischleifen.
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Fur das Ausführungsbeispiel ist als Rückstrahiortungsgerät ein Radargerät
gewahlt, von dem drereckförmig frequenzmodulierte Dauerstrichsignale abgestrahlt
werden.
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Die in einer Sender 3 erzeugte Tragerschwingung wird von einem Modulator
5 modullert und von einer Antenne 1 abgestrahlt.
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Das von einem Ziel reflektierte Signal wird von einer Antenne 2 aufgenommen
und in einem Mischer 4 mit einem Teil des Sendesignals gemischt und in einem Verstärker
6 verstärkt.
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Das Mischsignal hat die Frequenzen 4#F Fo f1 = r + 2 v und cTm c 4#F
Fo f2 = r - 2 v.
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cTm c Die nur kurzzeitig vorhandenen Frequenzen, die nur während
des Übergangs vom ansteigenden zum abfallenden und vom abfallenden zum ansteigenden
Teil des Modulationssignals vorhanden sind, werden hierbei nicht berücksichtigt,
weil sie mit der Hilfe einer Torsteuerung in den Phasenregelschleifen ausgeblendet
werden (Fig.3). Bei den obigen Gleichungen ist # F Frequenzhub bei der Frequenzmodulation
c Lichtgeschwindigkeit Tm Modulationsperiode Fo Frequenz der Trägerschwingung r
Entfernung zum Ziel v Relativgeschwindigkeit des Ziels bevor die Beschreibung anhand
der Fig.1 fortgesetzt wird, wiid anhand der Fig.2 erläutert, wie die Frequenzen
fl und f2 zustande kommen.
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Die Trägerfrequenz ist fo und das Modulationssignal hat oen durch
die ausgezogen gezeichnete Kurve dargestellten dreieckförmigen Verlauf. Der Frequenzverlauf
des von einem Ziel reflektierten Signals ist ebenfalls dreieckförmig, jedoch gegenüber
dem abgestrahlten Signal um die entfernungsabhängige Zeit t2-tl verschoben. Falls
das Zitl eine @ @ativbewegung v ausführt, ist die Frequenz des vom Ziel reflektierten
Signals außerdem dopplerverschoben.
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Die Zeit t3-tl ist gleich einer Halbperiode des Modulationssignals,
d.h. gleich der Zeit, während der die Modulationstrequenz zu- bzw. abnimmt.
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Die Differenzfrequenz fl hat während der Ubergangszeit t2-t1 keinen
konstanten Wert. Der Wert ist nur während der Zeit t3-t2 konstant (entsprechendes
gilt für die Differenzfrequenz f2 und für andere Modulationsperioden).
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Die Differenzfrequenz kann daher nicht während der yesamten Zeit einer
Halbperiode sondern nur während der Zeit t3-t2 ausgewertet werden.
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Anhand der Fig.l wird das Radargerät weiter beschrieben.
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Die bereits erwähnten Baugruppen werden nicht näher erlautert, da
sie allgemein bekannt sind.
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bei dem neuen Radargerät wird das Ausgangssignal des Verstärkers õ
zwei Phasenregelschleifen 8, 9 zugeführt.
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D1e eine Phasenregelschleife ist nur während den Zeiten, wahrend denen
die Modulationsfrequenz zunimmt, und die andele nul wahrend den Zeiten, während
denen die Modulationstrequenz abilimmt, wirksam geschaltet. Unter wirksam schalten
wird hier verstanden, daß die Phasenregelschleife geschlossen wird. Nicht wirksam
schaL ten kann Ilidtl eine Phasenregelschleife dadurch, daß man ihr kein Eingangssignal
zuführt, oder daß man, wie anhand der Fig.3 noch naher erläutert wird, den Regelvorgang
intern unterbricht (Phasenregelschleifen an sich sind in dem Buch "Theorie und Anwendungen
des Phase-Locked-Loops", AT-Fachverlag GmbH, Stuttgart, insbesondere Seiten 11 bis
13, allgemein beachrleen).
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Die Anwendung von Phasenregelschleifen ist besonders vorteilhaft,
weil sie von den ihnen zugeführten Signalen nur auf die Frequenz denjenigen Signals,
das die größte Amplitude hat, einrasten. Dadurch können Signale, die auf Umwegen
zum Radargerät gelangen, ausgesondert werden.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, daß - die Bandbreite der Phasenregelschleife
steuerbar ist, - aie Suchgeschwindigkeit steuerbar ist, und die Ober- und die Untergrenze
des Suchbereiches einstellbar sind.
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Bei dem neuen Radargerät ist es nämlich dadurch auf uesonders vorteilhafte
Weise möglich, die erwähnten Größen so zu steuern, daß sie optimal den Anforderungen
an Jas Radargerät angepaßt sind.
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Die teuerung erfolgt durch einen Mikrorechner 12, der Befehle mit
den gewünschten Parameters erhält.
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Durch die Verwendung von Phasenregelschleifen ist es nicht notwendig,
die Differenzfrequenzen mittels Filterbänken zur durch Korrelationsverfahren zu
ermitteln.
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L L dem neuen Radargerät ist es jedoch wichtig, daß die Phasenregelschleifen
stets eine ganze Zahl von vollständigen Signalperioden der Differenzfrequenzsignale
verarbeiten, weil das Regelverhalten der Schleife sonst instabil ist.
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Deshalb ist eine Steuerung der Phasenregeischleifen vorgesehen, die
anhand der Fig.3 nähcr erläutert wird.
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Die Frequenzen der Ausgangssignale der Phasenregelschleifen werden
iii Zahlern iu und 11 ermittelt und dem Mikrorechner 12 zugefuhrt.
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Im Mikrorechner werden dann auf bekannte Weise durch Summen- und Differenzbildung
aus den Differenzfrequenzen fl und f2 die Entfernung r und die Relativgeschwindigkeit
v ermittelt.
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Es ist jedoch auch moglich, die Ausgangssignale der Phasenregelschleifen
einer Summierschaltung und einer Differenzbildungsschaltung zuzuführen. Die Ausgangssignale
sind gemäß dem Additionstheorem cos (α#ß) = cosαcosß # sinαsinß
, d.h. man erhält direkt die gewünschten Summen- und Differenzsignale und Draucht
nur noch, z.ß. mittels Zähler, die Frequenz der Ausgangssignale der Summierschaltung
und der Ditferenzbildungsschaltung ermitteln.
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Nachfolgend wird anhand der Fig.3 die Steuerung einer Phasenregelschleife
näher erläutert. Bei einer bekannten Phasenregelschleife wird das Eingangssignal,
auf dessen Frequenz die Phasenregelschleife einrasten soll, einem Phasenvergleicher
31 zugeführt Dessen Ausgangssignal gelangt zu einem Schleifentilter 34, aem ein
spannungsgesteuerter Oszillator VCO 35 nachgeschaltet ist. Das Ausgangssignal des
VCO ist das Ausgangssignal der Phasenregelschleife. Ein Teil des Ausgangssignals
des VCO wird ausgekoppelt und dem Phasenvergleicher 31 zugeführt. Diese Baugruppen
sind die für eine Phasenregelschleife unbedingt notwendigen Teile.
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AuL ihre Funktionen wird nicht näher eingegangen, da sie in dem zitierten
Buch über Phasenreg-lschleiten beschrieben sind.
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Um ist Phasenregelschleife wirksam oder nicht wirksam LL schalten,
ist eine Steuereinrichtung vorgesehen.
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Bei dein neuen Radargerät besteht die Steuereinrichtung in besonders
vorteilhafter Weise aus einem Schalter 33 und einer Steuereinrichtung 32. Der Schalter
33 ist in vorteilhafter Weise zwischen den Phasenvergleicher 31 und uas Schleifenfilter
34 eingefugt. Je nach Schalterstellung wird das Ausgangssignal des Phasenvergleichers
zum Schleifenfilter weitergeschaltet oder nicht weitergeschaltet.
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Die Zeiten,während denen das Ausgangsslgnal des Phasenvergleichers
weitergeleitet wird, d.h. während denen er wirksam geschaltet ist, sind wie folgt
bestimmt (es wird jeweils nur eine Periode betrachtet): ihre maximale Länge ist
gleich einer Halbperiode zur Modulationssignals minus der Zeit, u die das empfangene
gegenüber dem abgestrahlten Signal bei der maximalen Betriebs reichweite des Radargeräts
verschoben ist b) das Ausgangssignal des Phasenvergleichers wird bei uCr ersten
Phasenregelschleife nur während der Zeit, wahrend der die Modulationsfrequenz abnehmend
ist, und bei der zweiten Phasenregelschleite nur wahrend der cit, wahrend der die
Modulationsirequenz zunehmend ist, weitergeleitet, die die Zeit, wahrend der die
Phasenregelschleifen wirksam geschaltet sind, ist gleich einem ganzzahligen Vielfachen
der Periode der Frequenz, auf die die jeweilige Phasenregelschleife eingerastet
ist.
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In diese Bedingungen zu erfüllen, rauß man folgende Großen kennen:
die Frequenz der Differenzfrequen
e) die zeitliche Laye der Halbperiouen
des Modulationssignals, t) die maximale Betriebsreichweite und aie ihr entsprechende
Zeitverschiebung, g) die Phasenlage des Signals mit wer Differenzfrequenz innerticilb
der Zeit gemäß a).
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Hierzu wird wie folgt vorgegangen: Ermittlung von d): Ein Teil des
Ausgangssignals der Phasenregelschleife wira der steuereinrichtung @2 zugeführt,
in der die Frequenz dieses Sigtiais ermittelt wird.
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rmittlung von e) und f): im Rechner 12, Fig.l ist die Periodenlänge
des Modulations-Signals und die Phasenlage des Modulationssignals bekannt (uer Rechner
steuert den Modulator 5). Diese Information wird vom Rechner zur Steuereinrichtung
geleitet. Die maximale Zeitverschiebung ist in der Steuereinrichtung 32 bekannt
Ermittlung von g) : Die Steuereinrichtung ermittelt den ersten Nulldurchgang des
Signals mit der Differenzfrequenz innerhalb einer Halbperiode und berechnet unter
Kenntnis von d), e) und t), wieviele volle Perioden des Signals rnit der Differenzfrequenz
noch in die Zeit gemäß a) passen. Die Phasenregelschleife wird dann von der Steuereinrichtung
zwischen dei Zeit des ersten Nulldurchgangs und der zuletzt ermittelten Zeit wirksarn
geschaltet. Die Umschaltungen erfolgen nur in Nulldurchgangen des Ausgangssignals
der Schleife.