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Die Erfindung betrifft Radars, genauer den Schutz von Radars
gegen Regenechos, d. h. gegen Störechos, die von einer
Einfachreflexion nach Art von Reflexionen an einer ebenen oder
sphärischen Oberfläche stammen.
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Bekannt ist, zur Verringerung dieser Störechos Radars zu
verwenden, bei denen der Sendebetrieb und der Empfangsbetrieb in
zirkularer Polarisation mit derselben Polarisationsrichtung
für den Sendebetrieb und den Empfangsbetrieb erfolgt; im
Vergleich zu einem mit linearer Polarisation arbeitenden Radar
wird eine Dämpfung des Pegels der Störechos von 15 bis 20 dB
erreicht. Diese Dämpfung ist nicht immer ausreichend, d. h.
eine verstärkte Unterdrückung der Regenechos ist notwendig;
dies ist insbesondere der Fall bei Flugzeugradars, die für
eine Führung des Flugzeugs bei sehr niedriger Höhe sorgen.
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Darüber hinaus ist bekannt, daß bei einem Radarsendebetrieb
in rechtszirkularer (oder linkszirkularer) Polarisation und,
gemäß einer ersten Maßnahme, mit derselben Polarisation im
Empfangsbetrieb ein aus den Vielfachreflexionen (Echo vom
Boden oder vom Luftfahrzeug) hervorgegangenes Nutzecho eine
schwache Dämpfung erfährt und ein Störecho (Regenecho) um 15
bis 20 dB durch den Polarisator gedämpft wird; wenn dagegen,
gemäß eine zweite Maßnahme, wobei sonst alle Bedingungen
gleich sind, die Polarisation im Empfangsbetrieb invertiert
ist, erfährt das Nutzecho eine schwache Dämpfung in der
Größenordnung von einem Dezibel im Vergleich zu der ersten
Maßnahme, und das Störecho erfährt keine Dämpfung von 15 bis 20
dB mehr. Dies hat gemäß der europäischen Patentanmeldung
0 162 258, der eine deutsche Basisanmeldung zugrunde liegt,
ermöglicht, die Regenechos zu erkennen und diese dann zu
unterdrücken mittels einer Sende-Empfangs-Antenne in z. B.
rechtszirkularer Polarisation und zweier
Hilfsempfangsantennen, wobei die eine rechtszirkular polarisiert und die andere
linkszirkular polarisiert ist; der Vergleich der empfangenen
Pegel ermöglicht es, Regenechos zu erkennen. Es handelt sich
um eine kostspielige Vorrichtung, da man zwei Hilfsantennen
benötigt; bestenfalls könnten die Kosten gesenkt werden,
indem eine Beschränkung auf die Verwendung nur einer
Hilfsantenne erfolgt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Radar bereitzustellen, das
effizient gegen Regenechos geschützt ist, hierfür aber nicht
den Einsatz von Hilfsantennen notwendig macht.
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Diese Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, daß ein
Sendebetrieb und ein Empfangsbetrieb über dieselbe Antenne bei
zirkularer Polarisation erfolgt und ein zwischen
Empfangsbetrieb und Sendebetrieb umschaltbarer Polarisator verwendet
wird.
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Gemäß der Erfindung ist ein Radar, das mit Kreispolarisation
arbeitet und die Erkennung von Regenechos ermöglicht, dadurch
gekennzeichnet, daß es umfaßt: Eine einzige Antenne; einen
Polarisator, dem Schaltmittel zugeordnet sind, um von einer
Folgeperiode zur nächsten den Sinn der Kreispolarisation beim
Sendebetrieb oder Empfang zu invertieren, damit Blöcke
bestimmt werden, die aus zwei aufeinanderfolgenden
Folgeperioden stammen, die im Sendebetrieb gleiche und im
Empfangsbetrieb entgegengesetzte Polarisationsrichtung haben; einen
Demultiplexer zum Demultiplexieren der Videosignale, die zu
der einen und zu der anderen Folgeperiode eines Blocks
gehören; Komparatormittel zum Vergleichen der Summen-Videosignale
der zwei Folgeperioden eines Blocks; und einen Schalter, der
durch die Komparatormittel gesteuert wird, um unter den
Videosignalen für eine der zwei Folgeperioden eines Blocks
diejenigen zu unterdrücken, welche die Komparatormittel als
solche bezeichnen, die zu den Regenechos gehören.
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Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beschreibung und
den darauf bezogenen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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- Fig. 1 und 2 Zeitdiagramme von Radarausführungsformen
gemäß der Erfindung,
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- Fig. 3 das Aufbauschema eines Radars, das in bezug auf
seinen Steuerungsablauf entweder dem Diagramm nach Fig. 1
oder dem nach Fig. 2 entspricht.
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Das Radar, das beschrieben wird und dessen Sendebetrieb in
zirkularer Polarisation mit konstanter Drehrichtung (rechts
oder links) erfolgt, arbeitet im Empfangsbetrieb in
zirkularer Polarisation, jedoch mit invertierter Drehrichtung
(rechts oder links) für jede Folgeperiode; dies ermöglicht
es, durch Vergleich der Signale von zwei aufeinanderfolgenden
Folgeperioden die Regenechos zu erkennen: Für ein gegebenes
Entfernungsquantum soll das Echo als ein Nutzecho angesehen
werden, wenn es denselben Pegel bis auf in der Größenordnung
von einem Dezibel beibehält, und als ein Regenecho, wenn der
sich ergebende Pegelabstand 10 Dezibel erreicht und darüber
hinausgeht. Diese Arbeitsweise läßt sich mittels eines
umschaltbaren Polarisators (Verwendung von Diodenschaltern)
erreichen.
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Im beschriebenen Beispiel erfolgt der Sendebetrieb des Radars
bei feststehender rechtszirkularer Polarisation mit einer
Änderung der gesendeten Frequenz alle zwei Folgeperioden.
Fig. 1 zeigt ein Zeitdiagramm für eine erste Arbeitsweise des
Radars. In dieser Figur zeigt eine Kurve A die
Agilitätssteuerung der gesendeten Frequenz mit Folgeperioden der Dauer
T und einer Sendefrequenz Fi, Fj, Fk ..., die sich alle zwei
Folgeperioden ändert; zwei aufeinanderfolgende Folgeperioden
mit derselben Sendefrequenz bilden einen sogenannten
Folgeperiodenblock.
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Der Radarempfangsbetrieb erfolgt in zirkularen
Polarisationen, deren Drehrichtung von einer zur nächsten Folgeperiode
invertiert ist; das Umschalten des Polarisators findet, wie
die Kurve P in Fig. 1 zeigt, die die Stellungen des
Polarisators (Polarisation beim Empfangsbetrieb identisch (I) mit
oder verschieden (D) von der des Sendebetriebs) darstellt,
abwechselnd vor und nach dem Sendeimpuls statt, so daß immer
dieselbe Polarisationsrichtung beim Sendebetrieb beibehalten
wird. Die Sendeimpulse, oder genauer, die kurzen Sendesignale
werden durch die Kurve Ra in Fig. 1 dargestellt. Die
Umschaltzeit ta vor dem gesendeten Impuls bewirkt eine
Verringerung des maximalen Wertes der Entfernungen, die sich mit
dem Radar überwachen lassen; dieser Nachteil ist aber von
geringerer Bedeutung, wenn die Folgeperiode ausreichend lang
ist. Die Umschaltzeit tp (mit tp = ta) nach dem gesendeten
Impuls bewirkt eine Blindzone, die den nächsten Entfernungen
entspricht; es ist daher günstig, wenn die Umschaltzeit des
Polarisators so kurz wie möglich ist; ein Wert für die
Umschaltzeit in der Größenordnung von einer Mikrosekunde, wie
im Beispiel beschrieben, ist ziemlich einfach zu erreichen
und bewirkt, daß die Blindzone kein Problem bei den meisten
Anwendungsfällen eines Radars darstellt.
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Bei dem hier betrachteten Radar haben, egal welches die
Polarisationsrichtung beim Sendebetrieb und beim
Empfangsbetrieb ist, die Nutzechos, d. h. die aus Vielfachreflexionen
hervorgehenden Echos, äquivalente Pegel am Eingang des
Empfängers; diese Echos sind durch die Kurve Es in Fig. 1
dargestellt. Im Gegensatz dazu haben die Regenechos (Störechos),
die aus Einfachreflexionen stammen, ziemlich unterschiedliche
Pegel, je nachdem ob die Polarisationsrichtungen im
Sendebetrieb und im Empfangsbetrieb gleich (Zustand I der Kurve P)
oder verschieden (Zustand D) sind; diese Regenechos werden
durch die Kurve Ep in Fig. 1 dargestellt. Die Kurve Ep zeigt
deutlich, daß z. B. in einem Block aus zwei Folgeperioden,
bei denen die Sendefrequenz Fi ist, bei zwei auf dasselbe
Regenecho bezogenen Impulsen p1 und p2 derjenige Impuls p2,
der zu der Folgeperiode gehört, in der die
Polarisationsrichtungen im Sendebetrieb und Empfangsbetrieb verschieden sind,
deutlich höher ist als derjenige Impuls, der zu identischen
Polarisationsrichtungen gehört.
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So ermöglicht der Vergleich der Pegel, die für zwei
aufeinanderfolgende Folgeperioden empfangen werden, für jedes
Entfernungsquantum zwischen Nutzechos (Kurve Es) und Regenechos
(Kurve Ep) zu unterscheiden. Es ist anzumerken, daß im
dargestellten Beispiel der Vergleich für Blocks von zwei
aufeinanderfolgenden dieselbe Sendefrequenz benutzenden
Folgeperioden stattfindet; wenn es auch nicht notwendig ist, daß dies
so durchgeführt wird, ermöglicht die Verwendung derselben
Frequenz zum Erzeugen dieser zu vergleichenden Echos:
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- das Durchführen eines Vergleichs bei denselben
Bedingungen im Sendebetrieb,
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- das Vermindern der Anzahl benötigter agiler Frequenzen in
Verhältnis 2.
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In einem Block aus zwei Folgeperioden sind die während der
ersten Folgeperiode empfangenen Signale für die Filterung und
Verarbeitung für die gesamten Videosignale (Summenpfad und
Differenzpfade und ) nutzbar, wohingegen die während der
zweiten Folgeperiode empfangenen Signale nur zum Erzeugen von
Summen-Videosignalen zum Vergleichen mit denen der
vorhergehenden Folgeperiode dienen, um die während der ersten
Folgeperiode empfangenen Regenechos (Impuls p1 gemäß der Kurve Ep
aus Fig. 1) zu erkennen und zu unterdrücken. In Fig. 1 sind
die verarbeiteten Signale St dargestellt: Summensignal S1 und
Differenzsignal Δ1 für die erste Folgeperiode und
Summensignal S2 für die zweite Folgeperiode.
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Es ist anzumerken, daß wenn der Entfernungsbereich, der von
dem Radar berücksichtigt wird, relativ gering ist, z. B. in
der Größenordnung von 5 bis 10 Meilen (zwischen 9 und 18 km)
die Verwendung von hohen Folgeperiodenfrequenzen in der
Größenordnung von 5 bis 15 kHz möglich ist. Indessen sind zwei
Punkte bei der Festlegung der Folgeperiodenfrequenz zu
berücksichtigen:
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- der Entfernungsbereich, in dem eine Signalverarbeitung zur
Unterdrückung der Regenechos ausgeführt werden soll,
entspricht nur einem Bruchteil des gesamten
Entfernungsbereichs des Radars; so ist es z. B. im allgemeinen
ausreichend, wenn diese Verarbeitung nur für die ersten Meilen
des Entfernungsbereichs ausgeführt wird; für den Fall des
dargestellten Ausführungsbeispiels, das ein Flugzeugradar
betrifft, das insbesondere dafür eingesetzt wird, um für
die Sicherheit in der Steuerung bei sehr niedriger Höhe zu
sorgen, ist diese Entfernung in der Größenordnung von 5
nautischen Meilen. Jenseits dieser Entfernung ist die für
die Regenechos durch die zirkulare Polarisation
herbeigeführte Dämpfung für die große Mehrheit der Anwendungen
ausreichend, um zu erreichen, daß diese Echos nicht stören,
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- da die Sendefrequenz für die beiden Folgeperioden desselben
Blocks dieselbe ist, besteht die Gefahr, daß Echos der
zweiten Abtastung empfangen werden, d. h., daß während der
zweiten Folgeperiode Echos empfangen werden, die von einer
Ausstrahlung der ersten Folgeperiode stammen, gehört, und
damit die Gefahr, daß Signale fälschlich berücksichtigt
werden.
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Aufgrund der beiden vorstehenden Anmerkungen ist die
Möglichkeit ergriffen worden, das in Fig. 1 dargestellte Radar zu
verbessern; diese Verbesserung hat zu dem durch das
Zeitdiagramm gemäß der Fig. 2 veranschaulichten Radar geführt.
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Die Verbesserung besteht darin, daß die beiden Folgeperioden
eines Blocks aus zwei Folgeperioden verschiedene Zeitdauern
annehmen: Die Dauer T1 der ersten Folgeperiode für
die Berechnung und Verarbeitung der Ablagewerte
(Kreiswinkel-Ablage und Höhenwinkel-Ablage ) wird auf Kosten der
Dauer T2 der zweiten Folgeperiode vergrößert, die auf den
absolut notwendigen Bereich reduziert wird.
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Fig. 2 zeigt zwei Kurven Rb und A, die die Sendeimpulse des
Radars bzw. die Steuerung A der Agilität der gesendeten
Frequenz wiedergeben. Die Blöcke aus zwei Folgeperioden mit
derselben Sendefrequenz enthalten die erste Folgeperiode der
Dauer T1 = 437,5 us und eine zweite Folgeperiode mit der
Dauer T2 = 62,5 us, die kürzer ist als die erste Dauer T1, was
insgesamt 500 us für einen Block ergibt. Die Dauer T1 ist
unterteilt in zwei Abschnitte: Einen Zeitabschnitt Tu = 125
us, der den Radarnutzbereich bildet und einem
Überwachungsgebiet entspricht, das bis zu 10 nautischen Meilen, ca. 18 km,
reicht, gefolgt von einem Zeitabschnitt Tn = 312,5 us, der
einen neutralen Abschnitt bildet; der Zeitabschnitt der Dauer
Tn ist dafür bestimmt, eine verstärkte Dämpfung der Echos zu
erreichen, die von einer Aussendung für die erste
Folgeperiode des Blocks stammen und während der zweiten Folgeperiode
(Echos der zweiten Abtastung) empfangen werden. Was diese
zweite Folgeperiode betrifft, entspricht mit Bezug auf die
erste der beiden vorstehenden Anmerkungen ihre Dauer T2 von
62,5 us einem Entfernungsbereich von 5 Meilen; gegenüber dem
in Fig. 1 dargestellten Fall wird eine zusätzliche Dämpfung
in der Größenordnung von 8 Dezibel für die Echos der zweiten
Abtastung erreicht.
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In Fig. 2 sind die verarbeiteten Signale dargestellt:
Summensignale S1 und Differenzsignale Δ1 für den Zeitabschnitt Tu
und Summensignale S2 für die zweite Folgeperiode.
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Fig. 3 zeigt das Aufbauschema des Radars, das bei der
Erörterung der Fig. 1 und 2 betrachtet wurde; eine Funktionsweise
nach Fig. 1 oder nach Fig. 2 kennzeichnet sich durch die
Dauer der Folgeperioden und damit der Signale, läßt aber in Fig.
3 keine Unterschiede erkennen.
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In diesem Aufbauschema ist die der gängigen Technik
entsprechende Vorrichtung zur exakten Synchronisation nicht
dargestellt, um die Zeichnung übersichtlicher zu gestalten und die
Beschreibung zu vereinfachen.
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Fig. 3 zeigt einen Sender 1 eines Radars, der über einen
Duplexer 8 mit einer Antenne 2 verbunden ist. Ein Mischer 9
empfängt die Summensignale des Duplexers 8 und die
Differenzsignale der Antenne; er überträgt sie nach dem Mischen mit
der von einem Steueroszillator 4 gelieferten Frequenz Fo zu
einem Zwischenfrequenz-Empfänger 10. Die Ausgangsstufe des
Empfängers 10 liefert die Signale und in Videofrequenz
durch eine Demodulation mittels einer vom Oszillator 4
gelieferten Frequenz Fd.
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Der Steueroszillator 4 liefert, außer den Frequenzen Fo und
Fd, ein Signal F bei einer Frequenz von 20 MHz. Das Signal F
wird an einen Signalgenerator 5 übergeben, der eine
Zählschaltung für die Perioden des Signals F, gefolgt von einer
Decodierungsschaltung, aufweist zur Bestimmung:
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- der Funktionsdauer des Senders (Signal R, entspricht den
Kurven Ra, Rb in Fig. 1 und 2),
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- der Zeitpunkte, an welchen die Frequenz Fe des Senders
verändert werden soll (Frequenzagilitätssignal,
dargestellt durch die Kurve A in Fig. 1 und 2 und festgelegt
durch das Abgeben einer Frequenz Fe durch den Oszillator
4, die stochastisch variiert: Werte Fi, Fj, Fk ... in Fig.
1, Werte Fi, Fj ... in Fig. 2),
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- der Zeitpunkte, an welchen eine Steuerschaltung 6 das
Umschalten eines elektronischen Schalters 7 zwischen zwei
Stellungen steuert, um die Polarisationsrichtung der aus
der Antenne 2 und einem mit der Antenne verbundenen
Polarisator 3 bestehenden Einheit zu ändern; dieses Umschalten
wird abwechselnd vor und nach einem Sendeimpuls
durchgeführt, wie bei der Beschreibung der Kurve P in Fig. 1
ausgeführt wurde; es ist anzumerken, daß diese
Umschaltzeitpunkte für den Fall der Blöcke aus zwei Folgeperioden mit
unterschiedlicher Dauer, in derselben Weise (vor und nach
den Sendeimpulsen) festgelegt sind;
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- und der Umschaltzeitpunkte für einen Demultiplexer 12, der
die Summensignale und Differenzsignale vom Empfänger
10 über einen Analog-Digital-Konverter 11 empfängt; der
Eingang des Demultiplexers 11 für die Summensignale ist
nach dem Anfangsimpuls der ersten Folgeperiode eines
Blocks bis zum Beginn des nachfolgenden Sendeimpulses
(anhand Fig. 1 beschriebener Fall, in dem alle Folgeperioden
gleich sind) oder bis zum Ende des Nutzbereiches mit der
Dauer Tu (Fig. 2; Fall, in dem die Folgeperioden
unterschiedliche Dauern aufweisen) mit seinem ersten Ausgang A1
verbunden; der Eingang des Demultiplexers 12 für die
Summensignale ist nach dem Anfangsimpuls der zweiten
Folgeperiode eines Blocks bis zur ersten Folgeperiode des
nachfolgenden Blocks mit seinem zweiten Ausgang A2 verbunden,
was nach Fig. 1 dem Abschnitt D der Kurve P entspricht,
der zwischen zwei schraffierten Bereichen liegt und
während dem die Polarisation im Empfangsbetrieb verschieden
ist von der Polarisation im Sendebetrieb.
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Der Demultiplexer 12 weist einen dritten Ausgang A3 auf, der
nach dem Anfangsimpuls der ersten Folgeperiode eines Blocks
bis zum Beginn des nachfolgenden Sendeimpulses (anhand von
Fig. 1 beschriebener Fall, in dem die Folgeperioden alle
gleich sind) oder bis zum Ende des Nutzbereichs (Fig. 2;
Fall, in dem die Folgeperioden unterschiedliche Dauern
aufweisen) mit seinen Differenz- und Summensignaleingängen
verbunden ist.
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Die Ausgänge A1 und A2 des Demultiplexers 12 sind mit einer
Rechenschaltung 14 verbunden, die die Beträge und
für die Summensignale und während der ersten und der
zweiten Folgeperiode berechnet. Die Beträge und ,
die auf dieselben Entfernungsquanten der beiden Folgeperioden
desselben Blocks bezogen sind, werden durch eine Einheit, die
aus einer Verzögerungsschaltung 15, die verzögert, und
einen Amplitudenkomparator 16 besteht, der das direkt von der
Rechenschaltung 14 gelieferte Signal mit dem von der
Verzögerungsschaltung 14 gelieferte Signal mit dem von der
Verzögerungsschaltung gelieferten Signal vergleicht,
miteinander verglichen.
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Eine Verzögerungsschaltung 13 besitzt einen Eingang, der mit
dem Ausgang A3 des Demultiplexers 12 zum Empfang der zur
ersten Folgeperiode eines Blocks gehörenden Signale und
verbunden ist. Die Verzögerung durch die Schaltung 13 ist
gleich der Verzögerung durch die Schaltung 15 plus der
Verzögerung, die durch die Rechenschaltung 14 erzeugt wird.
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Ein elektronischer Schalter 17, der durch den Komparator 16
gesteuert wird, empfängt an seiner ersten Klemme die Signale
und , die von der Verzögerungsschaltung 13 stammen, und
weist eine zweite Klemme auf, die mit Masse verbunden ist.
Wenn das Ergebnis des vom Komparator 16 durchgeführten
Vergleichs > ist, läßt der Komparator die Übertragung
der Signale , zu; im umgekehrten Falle, der der
Erkennung eines Störechos entspricht, schaltet der Schalter 17
den Ausgang der Verzögerungsschaltung 13 nicht durch. Auf
diese Weise empfängt eine Verarbeitungsschaltung 18, die über
eine gemeinsame Klemme mit dem Schalter 17 verbunden ist, nur
solche Signale und , die vom Komparator 16 als
Nutzechos erkannt wurden.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten
Ausführungsbeispiele beschränkt, es ist z. B. auch möglich, daß
insbesondere beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und bei der Messung,
in der die Quanten für die nächsten Entfernungen nicht
genutzt werden, die erste Folgeperiode eines Blocks mit einer
im Sendebetrieb und Empfangsbetrieb verschiedenen
Kreis-Polarisationsrichtung und die zweite mit derselben Richtung
ausgeführt werden kann, weil die durch die Regenechos erzeugten
Störechos unterdrückt sind.
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Ebenso kann in einem Block aus zwei Folgeperioden die erste
Folgeperiode zur Korrektur der zweiten Folgeperiode benutzt
werden und die zweite zum Berechnen und Verarbeiten der
Ablagewerte. In diesem Fall darf das Umschalten des Unterbrechers
7 nicht mehr vor dem zur ersten Folgeperiode eines Blocks
gehörenden Sendeimpuls und nach dem auf die zweite
Folgeperiode bezogenen Impuls ausgeführt werden, sondern nach dem
Impuls der ersten Folgeperiode und vor dem Impuls der zweiten
Folgeperiode.
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Es ist zugleich möglich, bei Folgeperioden mit identischen
Dauern die zu jeder der Folgeperioden gehörenden Signale zu
den Verarbeitungsschaltungen zu übertragen, indem die
Störechos weiterhin mittels eines Vergleichs zwischen den
Summenpfad-Beträgen der Entfernungsquanten von zwei Folgeperioden
desselben Blocks unterdrückt werden; dies ermöglicht, in der
Verarbeitungsschaltung die zu den beiden Folgeperioden
gehörenden Nutzsignale zu verwenden.