DE4122108A1 - Pulsdopplerradar - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Pulsdopplerradar gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Radar wird zur Erfassung von sich bewegenden Zielen wie z. B. Flugzeugen eingesetzt und erlaubt, deren Positionen und Geschwindigkeiten innerhalb eines bestimmten Entfernungsbereiches zu bestimmen. Reflexionen von ruhenden Zielen werden dabei in der Regel ausgeblendet. Ein einfaches Blockschaltbild eines solchen Radars ist im "Radar Handbook" von M. I. SKOLNIK, erschienen 1970 bei McGraw-Hill Book Company, auf Seite 17-5 wiedergegeben.

Die Ausblendung der von ruhenden Zielen reflektierten Radarsignale wird dadurch erreicht, daß nur solche Signale ausgewertet werden, die eine Dopplerverschiebung erfahren haben, deren Phasenlage sich mithin von der des jeweils zuvor empfangenen Signals unterscheidet.

Die Positionen der Ziele werden durch Messung der Signallaufzeiten - diese liefert die radialen Entfernungen - und eine gleichzeitige Erfassung der jeweiligen Antennenausrichtung ermittelt.

Die Erfassung eines bewegten Zieles versagt aber bei einem solchen Radar, wenn die Radialgeschwindigkeit des Zieles gerade so hoch ist, daß dieses in der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Radarpulsen eine Strecke zurücklegt, die genau der halben Wellenlänge des Radarsignals oder einem Vielfachen dieser Wellenlänge entspricht, da dann die Phasenverschiebung zwischen aufeinanderfolgenden, von diesem Ziel zurückgestrahlten Signalen 360° oder ein Mehrfaches von 360° beträgt und die Phase damit, wie bei ruhenden Zielen, unverschoben erscheint. Diese Geschwindigkeiten, für die das Radar "blind" ist, heißen Blindgeschwindigkeiten. Ihr Betrag ist proportional zur Wellenlänge der Radar-Trägerfrequenz und zur Pulswiederholfrequenz.

Dopplerverschiebungen, die in ihrer Frequenz größer als die halbe Pulswiederholfrequenz sind, führen überdies zu Mehrdeutigkeiten bei der Geschwindigkeitsauswertung, wenn, wie üblich, bei der Verarbeitung des Radarsignals eine Abtastung im Takt der Pulswiederholfrequenz erfolgt.

Um alle Ziele zu erfassen, wird man bemüht sein, Trägerfrequenz und Pulswiederholfrequenz so zu wählen, daß die niedrigste Blindgeschwindigkeit bereits höher liegt als die Obergrenze des Geschwindigkeitsbereichs, in dem Ziele erfaßt werden sollen. Man wird demnach bei vorgegebener Radar-Trägerfrequenz die Pulswiederholfrequenz möglichst hoch wählen.

Dies läßt sich jedoch nicht beliebig weit treiben, da eine zu hohe Pulswiederholfrequenz den Entfernungsbereich, in dem das Radar eindeutige Meßergebnisse liefert, einschränkt. Eine eindeutige Entfernungsmessung setzt nämlich eine eindeutige Zuordnung eines empfangenen, reflektierten Signals zu einem zuvor ausgesendeten Radarpuls voraus. Diese ist nicht mehr gegeben, wenn vor Empfang des reflektierten Signals bereits der nächste Radarpuls gesendet wurde.

Der Bereich, in dem eine eindeutige Entfernungsmessung möglich ist, endet damit in einer Entfernung von der Radarantenne, die der Hälfte des Weges entspricht, die das Radarsignal in der Zeit zwischen zwei Radarpulsen zurücklegt.

Eine Veränderung der Pulswiederholfrequenz darf, sofern man nicht eine Faltung des Entfernungsmeßbereichs und damit Mehrdeutigkeiten der Meßwerte inkaufnehmen will, somit nur innerhalb eines Bereiches erfolgen, dessen Grenzen einerseits durch die Höchstgeschwindigkeit der Ziele, die sicher erkannt werden sollen, andererseits durch die räumliche Ausdehnung des Bereichs, in dem eindeutige Entfernungsmessungen möglich sein sollen, vorgegeben sind.

Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde ein Radar entwickelt, dessen Pulsfrequenz variabel ist, so daß sich der Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen ständig ändert. Ein solches Radar ist in dem oben angegebenen Radar Handbook, auf Seite 17-38, Abs. 17.10 beschrieben. Infolge ständigen Verschiebens der Blindgeschwindigkeiten werden hier auch Ziele erkannt, deren Geschwindigkeiten sonst mit einer Blindgeschwindigkeit zusammenfallen könnten. Ein gelegentliches Zusammenfallen einer Zielgeschwindigkeit mit einer Blindgeschwindigkeit tritt hier immer nur für die Dauer eines Pulsintervalls auf und beeinträchtigt damit das Erkennen des jeweiligen Zieles nicht wesentlich. Da mit einem solchen Radar auch Geschwindigkeitsbereiche oberhalb der niedrigsten Blindgeschwindigkeit, häufig bis zur vierten Blindgeschwindigkeit, lückenlos erfaßt werden können, kann die niedrigste Blindgeschwindigkeit niedrig liegen, d. h. die Pulswiederholfrequenz kann im Interesse eines großen Entfernungsbereichs, niedrig gewählt werden.

Radargeräte mit definiert verändertem Pulsabstand erfordern jedoch einen hohen Schaltungsaufwand und sind aufgrund ihrer komplizierten Technik empfindlich und störungsanfällig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Pulsdopplerradar anzugeben, das ohne den Pulsabstand zu verändern, bei niedriger Pulsfolgefrequenz, sich mit hoher Radialgeschwindigkeit bewegende Ziele erfassen und deren Entfernungen und Geschwindigkeiten eindeutig messen kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Infolge der simultanen Abstrahlung zweier unterschiedlicher, jedoch noch von einer gemeinsamen Antenne abstrahlbarer Trägerfrequenzen werden von jedem bewegten Ziel Rückstrahlsignale empfangen, die unterschiedliche Dopplerfrequenzen aufweisen. Wird dann anstelle der einzelnen Dopplerfrequenzen deren Differenz ausgewertet, so treten Mehrdeutigkeiten erst bei Geschwindigkeiten auf, die im gleichen Verhältnis höher liegen, wie die Differenz der beiden Dopplerfrequenzen zu einer einzelnen Dopplerfrequenz niedriger liegt. Diese Geschwindigkeiten werden von den zu erfassenden Zielen nicht erreicht. Die Pulswiederholfrequenz kann somit niedrig gewählt werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Geschwindigkeit eines zu erfassenden Ziels mit einer Blindgeschwindigkeit zusammenfällt.

Ausgestaltungen des Pulsdopplerradars nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So betrifft Anspruch 2 eine Lösung mit zwei getrennten, jedoch kohärent betriebenen Lokaloszillatoren, welche unterschiedliche Trägerfrequenzen erzeugen. Im Empfangsteil müssen dann zwei getrennte Empfangskanäle zur Gewinnung der den beiden Trägerfrequenzen zugeordneten Dopplerfrequenzen und deren Differenz vorgesehen werden.

Eine weitgehend einkanalige und damit mit weniger Schaltungsaufwand verbundene Auswertung der Empfangssignale erlaubt die in Patentanspruch 3 beschriebene Ausgestaltung, bei der nur ein Lokaloszillator verwendet und die beiden Trägerfrequenzen durch Zumischen zweier unterschiedlicher Zwischenfrequenzen hergestellt werden.

Die Ansprüche 4, 5 und 6 betreffen alternativ Möglichkeiten zur Pulsmodulation der Trägerfrequenzen.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel des Pulsdopplerradars nach der Erfindung anhand eines Blockschaltbildes ausführlich beschrieben und seine Funktion erklärt werden.

Fig. 1 zeigt ein kohärentes Pulsdopplerradar, bei dem ein gepulstes, hochfrequentes Sendesignal von einer Antenne 4 abgestrahlt wird, um bewegte Ziele innerhalb eines Entfernungsbereiches anhand von ihnen reflektierter Rückstrahlsignale zu erkennen und ihre Entfernungen und Radialgeschwindigkeiten zu messen. Die Grenze, bis zu der eine eindeutige Entfernungsmessung möglich ist, wird dabei durch den zeitlichen Abstand der aufeinander folgenden Radarpulse bestimmt.

Die Antenne 4 wird von einem gepulsten Sendeverstärker 2 über einen Zirkulator 3 gespeist. Die Hochfrequenz (Trägerfrequenz) für das Sendesignal wird in einer Trägerfrequenzerzeugungsschaltung 1 aufbereitet und dem gepulsten Sendeverstärker zugeführt. Die über die Antenne 4 empfangenen Rückstrahlsignale werden über den Zirkulator ausgekoppelt und in einem Empfangsteil 6 einem eingangsseitigen Empfangsmischer 7 zugeführt. Die Pulswiederholfrequenz wird in einer Pulssteuerschaltung 5 durch Teilung der Frequenz eines in der Trägerfrequenzerzeugungsschaltung angeordneten Referenzoszillators 10 gewonnen und dem gepulsten Sendeverstärker als Steuersignal zugeführt.

Die Trägerfrequenzerzeugungsschaltung 1 enthält, im Gegensatz zu herkömmlichen kohärenten Pulsdopplerradars, zwei Trägerfrequenzquellen, in diesem Falle einen ersten Einseitenbandmischer 15 und einen zweiten Einseitenbandmischer 16. Diese Einseitenbandmischer unterscheiden sich in ihrer Ausgangsfrequenz, jedoch nicht so stark, daß eine simultane Abstrahlung beider Frequenzen über Senderverstärker 2, Zirkulator 3 und Antenne 4 infolge Fehlanpassung dieser Bauelemente Probleme bereiten würde. Die Einseitenbandmischer erzeugen ihre Ausgangsfrequenzen jeweils durch Mischen einer in einem Lokaloszillator 11 erzeugten Hochfrequenz mit einer Zwischenfrequenz, die für den ersten Einseitenbandmischer in einem diesem vorgeschalteten ersten Zwischenfrequenzoszillator 13 und für den zweiten Einseitenbandmischer in einem diesem vorgeschalteten zweiten Zwischenfrequenzoszillator 14 erzeugt wird. Von beiden Einseitenbandmischern wird dann entweder das obere oder das untere Seitenband über eine Addierschaltung 17 auf den Sendeverstärker 2 ausgegeben.

Da die Auswertung der Rückstrahlsignale hinsichtlich der Geschwindigkeiten der erfaßten Ziele einen Phasenvergleich erfordert, müssen die sendeseitigen Trägerfrequenzen und alle empfangsseitig benötigten Vergleichsfrequenzen streng phasenkohärent sein.

Um dies sicherzustellen, werden sowohl der Lokaloszillator 11 als auch die beiden Zwischenfrequenzoszillatoren 13 und 14 aus der Ausgangsfrequenz des Referenzoszillators 10 gebildet. Hierzu werden Frequenzaufbereitungsstufen 18, 19 und 20 eingesetzt, die im wesentlichen Frequenzteiler oder Frequenzvervielfacher enthalten. Da als Vergleichsfrequenz für den Empfangsmischer 7 die Ausgangsfrequenz des Lokaloszillators und als Vergleichsfrequenz für einen zur Dopplerfrequenzabtrennung notwendigen Phasendetektor 8 die Ausgangsfrequenz des Referenzoszillators dient, ist die Phasenkohärenz auch auf der Empfangsseite gewährleistet.

Eine hinsichtlich des Schaltungsaufwandes besonders günstige Ausgestaltung ergibt sich, wenn, wie dem in der Fig. dargestellten Blockschaltbild zugrundegelegt, die beiden Trägerfrequenzen so gewählt werden, daß ihre Differenz der Frequenz des Referenzoszillators entspricht und außerdem beide Trägerfrequenzen höher oder beide niedriger sind als die Ausgangsfrequenz F_L des Lokaloszillators 11. Erreicht wird dies z. B. durch die folgende Frequenzaufteilung:

Der Referenzoszillator liefert eine stabilisierte Referenzfrequenz F. Die Frequenzaufbereitungsstufe 19 multipliziert diese Frequenz F mit einem Faktor, um eine Steuerfrequenz für den Lokaloszillator 11 zu gewinnen. Der Ausgang des Lokaloszillators wird über einen Leistungsteiler 27 beiden Einseitenbandmischern 15 und 16 und außerdem dem Empfangsmischer 7 zugeführt.

Die Frequenzaufbereitungsstufe 18 teilt die Referenzfrequenz F zur Steuerung des Zwischenfrequenzoszillators 13 z. B. durch den Faktor 3, so daß der Zwischenfrequenzoszillator 13 mit der Frequenz F/3 schwingt und der erste Seitenbandmischer 15, z. B. bei Aufwärtsmischen, die Trägerfrequenz F_L+F/3 an die Addierschaltung 17 liefert. Die Frequenzaufbereitungsstufe 20 multipliziert die Referenzfrequenz mit dem Faktor 4/3. Dies kann z. B. auch durch Addition der Referenzfrequenz F und der Frequenz F/3 des Zwischenfrequenzoszillators 13 geschehen. Der Zwischenfrequenzoszillator 14 schwingt dann mit der Frequenz 4/3 F und der nachgeschaltete zweite Einseitenbandmischer gilbt die Trägerfrequenz F_L+4/3 F auf die Addierschaltung 17 aus. Die addierten Frequenzen der Einseitenbandmischer werden im Sendeverstärker verstärkt und mit einer niedrigen Pulswiederholfrequenz gepulst auf die Antenne ausgegeben.

Da der Empfangsmischer 7 empfangene Rückstrahlsignale mit der Frequenz des Lokaloszillators mischt, entstehen am Ausgang des Empfangsmischers, durch Dopplerverschiebung geringfügig geändert, die beiden dem Ausgangssignal des Lokaloszillators zugemischten Zwischenfrequenzen F/3 und 4/3 F.

Beide Zwischenfrequenzen können nun, erst gemeinsam und dann getrennt, verstärkt und ausgefiltert werden. Dies geschieht in einem Vorverstärker 21, dem für die einzelnen Frequenzen Bandpaßfilter 22, 23, und weitere Verstärker und Begrenzer 24, 25 nachgeschaltet sind. In einem Zwischenfrequenzmischer 26 wird anschließend das Differenzsignal der beiden Zwischenfrequenzen erzeugt. Da die Differenz zwischen den Zwischenfrequenzen genau gleich der Referenzfrequenz F gewählt wurde, kann nun im nachgeschalteten Phasendetektor 8 direkt der Phasenvergleich zwischen der Referenzfrequenz des Referenzoszillators 10 und der aus den Empfangssignalen ermittelten Differenz der Zwischenfrequenz erfolgen. Dieser führt zur Abtrennung der auf Dopplerverschiebung zurückgehenden Frequenzanteile. Der Dopplerauswerteeinrichtung 9 wird schließlich die Differenz der den beiden Trägerfrequenzen zugeordneten Dopplerfrequenzen zur Geschwindigkeits- und Entfernungsauswertung zugeführt. Diese Differenz ist der Radialgeschwindigkeit des jeweiligen Zieles proportional.

Da hier nicht direkt Dopplerfrequenzen sondern deren Differenzen ausgewertet werden, treten in dem üblicherweise zu beobachtenden Entfernungs- und Geschwindigkeitsbereich auch bei niedrigen Pulswiederholfrequenzen noch keine Geschwindigkeiten auf, für die das Radar "blind" ist oder die zu Mehrdeutigkeiten in der Auswertung führen.

Das Pulsdopplerradar nach der Erfindung verhält sich vielmehr wie ein Radar, das mit einer Frequenz arbeitet, die der Differenz der beiden Trägerfrequenzen entspricht.

Claims (6)

1. Kohärentes Pulsdopplerradar mit einer Trägerfrequenzerzeugungsschaltung (1), einem Sendeverstärker (2) einer über einen Zirkulator (3) gespeisten Sende- und Empfangs-Antenne (4) einer Pulssteuerschaltung (5) und einem Empfangsteil (6) mit einem Empfangsmischer (7), einem mit der Trägerfrequenz synchronisierten Phasendetektor (8) und einer nachgeschalteten Doppler-Auswerteeinrichtung (9) zum Empfang und zur Auswertung von aus dem Zirkulator ausgekoppelten Rückstrahlsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenzerzeugungsschaltung (1) Quellen (15, 16) für zwei voneinander verschiedene Trägerfrequenzen aufweist und beide Trägerfrequenzen auf den Sendeverstärker (2) ausgibt und daß im Empfangsteil (6) die Differenz zwischen den für die einzelnen Trägerfrequenzen ermittelten Dopplerfrequenzen ausgewertet wird.

2. Kohärentes Pulsdopplerradar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenzerzeugungsschaltung einen Referenzoszillator (10) und zwei von diesem gesteuerte Lokaloszillatoren aufweist, deren Ausgangssignale dem Sendeverstärker (2) zugeführt werden.

3. Kohärentes Pulsdopplerradar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenzerzeugungsschaltung (1) einen Referenzoszillator (10), einen von diesem gesteuerten Lokaloszillator (11), zwei vom Referenzoszillator gesteuerte Zwischenfrequenzoszillatoren (13, 14) und zwei Einseitenbandmischer (15, 16) aufweist, daß die Zwischenfrequenzen der Zwischenfrequenzoszillatoren so gewählt sind, daß ihre Differenzfrequenz der Frequenz des Referenzoszillators entspricht und daß die Einseitenbandmischer je eine der Zwischenfrequenzen mit dem Ausgangssignal des Lokaloszillators mischen und beide das obere oder beide das untere Seitenband als Trägerfrequenz auf den Sendeverstärker ausgeben.

4. Kohärentes Pulsdopplerradar nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein gepulster Sendeverstärker verwendet wird.

5. Kohärentes Pulsdopplerradar nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Pulsen des Sendesignals Schalter in den Ausgangsleitungen der Einseitenbandmischer oder in den Ausgängen der Zwischenfrequenzoszillatoren (13, 14) vorgesehen sind, die von der Pulssteuerschaltung synchron angesteuert werden.

6. Kohärentes Pulsdopplerradar nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Pulsen des Sendesignals ein Schalter in der Ausgangsleitung des Lokaloszillators (11) vorgesehen ist, der von der Pulssteuerschaltung (5) angesteuert wird.