DE69214456T2 - Kohärenter Puls-Doppler-Radar-Höhenmesser für hohe Dopplerraten und grosse Höhen - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf kohärente Puls-Dopplerradar-Höhenmesser und insbesondere auf solche Radar-Höhenmesser mit hoher Dopplerrate und für große Höhen mit der Fahigkeit, leicht zwischen tatsächlichen und mehrdeutigen Echos zu unterscheiden.
Hintergrund der Erfindung
• Puls-Radar-Höhenmesser zeigen wegen der ihnen innewohnenden Fähigkeit der Vorderflankennachführung des Echosignals, eine vorzügliche Höhengenauigkeit. Der Puls- Radar-Höhenmesser sendet einen Impuls hochfrequenter (RF) Energie aus, und das empfangene Echo wird unter Verwendung einer geschlossenen Nachführschleife verfolgt. Anforderungen der Mission an Nicht-Entdeckung und höhere Empfindhchkeit haben zusammen mit technischen Fortschritten in bezug auf Mikrominiaturisierung und Kosten von integrierten Spezialzweck-Schaltkreisen die Möglichkeit, komplexerer kohärenter Puls- Dopplerradar-Geräte ergeben.
• Kohärente Puls-Dopplerradar-Geräte verwenden normalerweise einen Digitalcode, um den Sendeimpuls zweiphasig zu modulieren. Bekannte Systeme brauchten eine relativ lange Codelänge sowie lange Impulswiederholungsintervalle, um die für Fernbereichsradargeräte erforderliche Zurückweisung mehrdeutiger Anzeigen zu erzielen. Die lange Codelänge erfordert jedoch einen Empfänger mit einem schmalbandigen Integrationsfilter, woraus sich eine ungenügende Verarbeitungstähigkeit hoher Dopplerfrequenzen ergibt, welche für das Nachführen der Bodenechos bei hohen Steig- oder Sinkraten bzw. plötzlichen Geländeänderungen unerläßlich ist.
• Bekannte kohärente Puls-Radar-Höhenmesser haben zwar eine hervorragende Deckung, einen hohen Verarbeitungsgewinn sowie eine gute Vorderflanken-Nachführgenauigkeit, leiden aber unter einer ungenügenden Empfindlichkeit bei hohen Steig- und Sinkraten. Dies ergibt einen Höhenmesser, der bei plötzlichlichen Gelängehöheänderungen oder hohen Sink- oder Steigraten das Bodenecho nicht verfolgen kann.
• Außerdem haben bekannte nicht-kohärente Puls-Radar-Höhenmesser eine Einschaltdauer von weniger als 1%. Die vorliegende Erfindung führt zu einer erhöhten Empfindlichkeit bei einer Einschaltdauer von mehr als 30% und zur Abstrahlung einer geringeren Spitzenleistung. Es wird mit einem 50mV-Sender eine 140dB-Schleifenempfindlichkeit erreicht, während man gegenwartig nut einem 5V-Empfänger Empfindlichkeiten von weniger als 140dB erzielt. Diese Möglichkeit, bei stark reduzierter Leistung zu arbeiten, erhöht natürlich die Nichtentdeckbarkeit.
• Das Zeitintervall zwischen den Signalimpulsen eines Radarsystems wird Pulswiederholungsintervall (PRI) genannt. Die Frequenz der Impulse ist die Impulswiederholungsfrequenz (PRF) und ist reziprok zu PRI. Bekannte Systeme, welche ein kurzes Pulswiederholungsintervall PRI benutzen, um hohe Dopplerraten verarbeiten zu können, leiden unter dem Problem mehrdeutiger Entfernungsanzeigen.
• Figur 1 zeigt graphisch das Mehrdeutigkeitsproblem bei Systemen mit kurzem Pulswiederholungsintervall. In der Zeile "Sendeformat" sind drei Sendeimpulse TA, TB und TC dargestellt, welche in einem Radar-Höhenmesser für einen Bereich von 3.050m (10,000 Fuß) verwendet werden können. Ein Impulswiederholungsintervall von 4.575m (15,000 Fuß) wird angewandt, um eine Höhenänderungsgeschwindigkeit von 610m/s (2,000 Fuß pro Sekunde) zu ermöglichen. Fliegt das Flugzeug auf 1.830m Höhe (6,000 Fuß), so erscheint ein Echo RA um 1.830m (6,000 Fuß) verzögert nach jedem Sendeimpuls, und der Höhenmesser wird die richtige Höhe von 1.830m (6,000 Fuß) anzeigen. Wie man ferner aus Figur 1 zeigt, erscheint beim Fliegen in 6.405m (21,000 Fuß) ein um 6.405m (21,000 Fuß) verzögerter Impuls auch 1.830m (6,000 Fuß) nach dem zweiten Sendeimpuls TB. Dies bedeutet, daß eine Höhe von 1.830m (6,000 Fuß) angezeigt wird, obwohl das Flugzeug tatsächlich 6.405m (21,000 Fuß) hoch fliegt. Es ergibt sich somit ein Mehrdeutigkeitsbereich bei 6.405m (21,000 Fuß) und in der gleichen Weise bei 10.980m (36,000 Fuß), was 1.830m (6,000 Fuß) hinter dem dritten Sendeimpuls TC liegt.
• Figur 2 dient der Veranschaulichung des Problems mit dem Mehrdeutigkeitsbereich, das sich bei einem kurzen (13 Bit) Code oder einer kurzen Pulslänge ergibt. Eine ungenügende Zusanmenführung oder Korrelation des Demodulationscodes mit dem biphasen-codierten Bodenecho ergibt einen hier gezeigten Höhenfehler. Dieser Fehler kann für einen 2ms (305 Radarmeter = 1,000 Radarfüß) langen Impuls bis zu etwa 305m (1,000 Fuß) betragen. Eine ordnungsgemäße Zusarnmenführung oder Korrelation des Demodulationscodes mit dem Bodenecho ergibt eine korrekte Höhenangabe. Der Grad, mit dem das Radarempfängerverarbeitungssystems unrichtige Codezusammenführungen oder -Korrelation zurückweist, wird als "Autokorrelations-Zurückweisung" bezeichnet.
• Der Zuruckweisungsgrad hangt unmittelbar von der Anzahl der Bits im Code ab und von der Art des angewendeten Codes. Ein 13-Bit-Barker-Code liefert beispielsweise eine Autokorrelationszurückweisung von etwa 22dB während ein 5-Bit-Barker-Code eine Zurückweisung von etwa 14dB zeigt. Da sich aufgrund von Anderungen der Geländereflexion und im Rollwinkel des Flugzeugs die Stärke des vom Boden reflektierten Signals um bis zu 50dB andern kann, würden solche kurze Codelängen zu einem System führen, welches unfahig ist, mehrdeutige Entfernungen zuruckzuweisen, welche sich aus der Fehlkorrelation des codierten Bodenechos mit dem Empfanger-Demodulationscode ergeben. Folglich muß ein Radar-Höhenmesser für hohe Steig- und Sinkgeschwindigkeiten sowie Gelandehöhenänderungsgeschwindigkeiten notwendigerweise ein kurzes Impulswiederholungsintervall PRI und einen kurzen Code haben, woraus sich eine mehrdeutige Bereichsanzeige ergibt, welche aus den beiden oben erwähnten Effekten resultiert.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es ist folglich Aufgabe der Erfindung, einen kohärenten Puls-Dopplerradar-Höhenmesser für hohe Flughöhen und mit hoher Dopplerrate zu schaffen. Weiterhin soll die Erfindung einen Radar-Höhenmesser liefern, der mehrdeutige Entfernungsanzeigen zurückweist. Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neuartiges Sendeformat mit zugehöriger Verarbeitungsschaltung einzusetzen, welche eine Einschaltdauer von 35% ermöglicht und eine Verarbeitung hoher Dopplerraten sowie die Zurückweisung mehrdeutiger Höhenwerte vorsieht.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen kohärenten Puls-Dopplerradar- Höhenmesser mit einem relativ kurzen Code und einem kurzen Codewiederholungsintervall zu schaffen, der bei hohen Flughöhen einsetzbar ist. Mit der Erfindung soll ferner ein koharenter Puls-Dopplerradar-Höhenmesser offenbart werden, welcher einen neuen Codekorrelationsmechanismus verwendet. Noch ein anderes Ziel der Erfindung liegt darin, die Radarelektronik gleichermaßen für einen Höhennachführmodus als auch für einen Höhenverifizierungsmodus einzusetzen.
• Das System gemäß der Erfindung liefert absolute Höhenwerte durch Aussenden eines gepulsten Hochfrequenzsignals zum Boden, Empfangen des reflektierten Signais und Verfolgen von dessen Vorderflanke. Höhendaten werden durch genaue Messung der Laufzeitverzögerung zwischen dem Sendesignal und dem Echosignal ermittelt. Der kohärente Puis-Radar-Höhenmesser verwendet eine zeitbasierende, Biphasen- Impulscodemodulation des Sendesignals, um eine eindeutige Entfernungsanzeige bis zu Höhen oberhalb 15.250m (50,000 Fuß) zu liefern. Das System hat den Vorteil eines kohärenten Modulationsformats (niedrige Zugriffsbandbreite), einer hohen Einschaltdauer (niedrige Spitzenleistung) sowie eines konventionellen Pulsmodulationsformats (überlegene Höhenauflösung und breites Ausgangssendespektrum).
• Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Radar-Höhenmesser eine Entfernungstorschaltung und eine Codekorrelation vorsieht, bevor das Signal im Hochfrequenzabschnitt des Empfangers detektiert wird. Dies ermöglicht eine Vordetektionsintegration und die damit verbundene Verbesserung des Verarbeitungsgewinns im Vergleich zu einer Nachdetektionsintegration. Ein weiterer innewohnender Vorteil der Anordnung der Entfernungstorschaltung und der Korrelation vor der Detektion liegt darin, daß die Hochfrequenzbandbreite sehr groß sein kann in bezug auf das Frequenzspektrum der schmalen Impulsbreite, wodurch keine Kantenverwischung des Echosignals auftritt, wie man sie allgemein bei Systemen mit Nachdetektions- Torschaltung antrifft.
• Das Radarsystem gemäß der Erfindung umfaßt an einen Sendeformatgenerator angeschlossene Zeitgabe- und Steuermittel, mit deren Hilfe ein erster Impulszug biphasig codierter Impulse mit einem ersten vorgegebenen Impulswiederholungsintervall PRI während einer ersten Verifizierungszeitspanne ausgesandt werden und ein zweiter Impulszug mit einem leicht unterschiedlichen Impulswiederholungsintervall, während eines zweiten Nachführintervalls abgestrahlt wird. Das Entfernungsgatter im Empfangerteil des Höhenmessers wird anfänglich in einem Suchmodus betrieben, wo das Entfernungsgatter auf eine Höhe von 0 Fuß eingestellt ist. Eine das Entfernungsgatter steuernde Nachführschleife bewirkt, daß das Gatter solange verschoben wird, bis es den Durchlauf der Echoenergie durch das Entfernungsgatter feststellt. Zu dieser Zeit wird die durch die Entfernungsgatterposition dargestellte gemessene Flughöhe gespeichert. Ein Modenschalter schaltet im Zeitmultiplex die Empfangerelektronik auf den Nachführmodus des Systems um, wo beginnend an der zuvor gespeicherten gemessenen Flughöhe das Echo verfolgt wird. Das System bleibt während eines vorgegebenen Zeitintervalls, von beispielsweise 8ms, im Verfolgungsmodus, und am Ende dieses Intervalls wird die Nachführendhöhe gespeichert. Der Modenschalter schaltet dann auf die Position für den Verifizierungsmodus zurück, die er für ein Zeitintervall für weitere 8ms beibehält. Die Empfängerelektronik arbeitet fortlaufend an der Feststellung, ob das Entfernungsgatter Radarechoenergie überlappt und wenn während des Verifizierungsmodus keine solche Überlappung auftritt, steht fest, daß das Echo mehrdeutig war. Das Entfernungsgatter wird auf die Nachführendhöhe gesetzt, d.h. die Entfernungsgatterposition, welche am Ende des Verifizierungsmodus-Intervalls gegeben war. Die Steuerung verschiebt dann das Entfernungsgatter weiter und versucht, eine Überlappung mit einem Echo festzustellen. Der Empfanger verliert das Nachführsignal, und das System kehrt in den Suchmodus zurück. Wenn während der 8ms Verifizierungsmodus jedoch eine Überlappung des Entfernungsgatters mit Echoenergie festgestellt worden ist, so wird der Leistungspegel des Senders verstellt, und während der nachfolgenden 8ms Nachführmodus wird das erkannte Echosignal verfolgt, und zwar beginnend an der Nachführendhöhe, die während der vorangehenden Nachführmodusfolge gespeichert worden ist.
• Wenn der Empfanger die Nachführung unterbricht, sieht man, daß eine mehrdeutige Entfernung gegeben war und diese wird effektiv ignoriert.
• Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, insbesondere im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Figur 1 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Problems mehrdeutiger Entfernungsangaben;
• Figur 2 zeigt schematisch den Mehrdeutigkeitsbereich, der sich aus einer falschen Korrelation des codierten Bodenechos mit dem Empfangerdemodulationscode ergibt;
• die Figuren 3A und 3B zeigen das Sendefrequenzspektrum zusammen mit dem Sendeformat des kohärenten Puls-Dopplerradar-Höhenmessers, wenn keine Dopplerverschiebung vorhanden ist bzw. wenn eine Doppierverschiebung vorliegt;
• Figur 4 ist eine graphische Darstellung, welche das Verständnis der Zurückweisungstechnik gemäß der Erfindung für mehrdeutige Entfernungsanzeigen darstellt;
• Figur 5A zeigt als Diagramm die Autokorrelationsfunktion für ein relativ kurzes Codewort;
• Figur 5B ist ein Flußdiagramm des zur Zurückweisung von Nebenkeulen dienenden Algorithmus, um mehrdeutige Entfernungsangaben aufgrund ungenügender Korrelation zu beseitigen;
• Figur 6 ist ein hochgradiges Blockschaltbild eines kohärenten Puls- Dopplerradar-Höhenmessers gemäß der Erfindung.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
• Figur 3A zeigt das dem Sendeformat der Erfindung zugeordnete Sendefrequenzspektrum. Die Gründfrequenz wird durch einen Pfeil 10 angedeutet, während die Frequenzen der zweiten und dritten Harmonischen durch Pfeile 12 und 14 wiedergegeben sind. Die durch die Höhenänderungsspezifikationen des Flugzeuges bestimmten Anforderungen an die Empfängerbandbreite sind durch gestrichelte Linien dargestellt, welche auf die Grundfrequenzanzeige ausgerichtet sind. Das Diagramm nach Figur 3A zeigt ferner das Echosignalfrequenzspektrum, sofern keine Dopplerverschiebung vorhanden ist.
• Eine typische maximal erforderliche Höhenänderungsrate von 610m/s (2,000 Fuß pro Sekunde) wird für moderne Flugzeuge gefordert und läßt eine Dopplerverschiebung des Echospektrums von etwa 17kHz bei der normalen Betriebsfrequenz des Höhenmessers von 4,3GHz entstehen. Da nur die Grundfrequenz 10 für die Korrelation benutzt werden kann, darf die Empfängerbandbreite nur die Grundfrequenz einschließen, während die durch die Pfeile 12 und 14 dargestellten Harmonischen zurückgewiesen werden. Wie durch das dopplerverschobene Echospektrum von Figur 3B dargestellt ist, muß das Filter breit genug sein, damit es die maximal zu erwartenden Dopplerveschiebungen 16 der Grundfrequenz hindurchlaßt, die in diesem Beispiel ±17kHz beträgt. Außerdem muß der Abstand der Harmonischen 18 und 20 so gewählt sein, daß die Doppierverschiebung diese nicht in den Durchlaßbereich des Filters verschiebt, der im gezeigten Beispiel mindestens 34kHz beträgt.
• Da die Pulswiederholungsfrequenz gleich dem Abstand der Harmonischen ist, darf sie in diesem Beispiel nicht kleiner als 34kHz sein. Folglich beträgt das maximal zulässige Pulswiederholungsintervall 1/34kHz oder etwa 30ms, was emer Radarentfernungsverzögerung von etwa 4.575m (15,000 Fuß) entspricht. Die Verwendung eines Pulswiederholungsintervalls von 4.575m (15,000 Fuß) führt jedoch zum Problem der Entfernungsmehrdeutigkeit.
• Wie oben erwähnt, kann sich eine Situation ergeben, wo ein mehrdeutiges Empfangssignal von der Empfangsantenne des Radar-Höhenmessersystems festgestellt wird. In jeder gegebenen Nachführsequenz kann eine Anzahl von Echosignalen durch das Radar ausgewertet werden. Dies gilt, weil das Pulswiederholungsintervall (in Radarfuß gemessen) kleiner ist als die tatsächliche Flughöhe des Flugzeugs, was zur Folge hat, daß sich zu jeder Zeit mehr als ein Bodenechosignal in der Luft, d.h. zwischen Boden und Flugzeug befindet.
• Selbst wenn das Entfernungstor des Empfängers bei einem gultigen Impuls offen ist, kann dieser Impuls tatsächlich dem Originalzeitimpuls nacheilen. Es ist folglich ein Verfahren erforderlich, um diese Zweideutigkeit aufzulösen, d.h. zu bestimmen, ob ein Impuls korrekt ist oder nicht. Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden zwei Impulsstrahlen mit unterschiedlichen Pulswiederholungsintervallen verwendet, und als Ergebnis wird die Nachführentfernungsanzeige als mehrdeutig bestimmt, wenn die beiden Strahlen zu unterschiedlichen Entfernungsanzeigen führen.
• Die Zeichnung nach Figur 4 unterstützt die Veranschaulichung der Technik gemäß der Erfindung zur Zurückweisung mehrdeutiger Entfernungsanzeigen. Zwei Sendeformate, welche als Nachführ- bzw. Verifizierungsformat bezeichnet sind, werden im Zeitmultiplex abgestrahlt. Das Nachführformat hat ein Pulswiederholungsintervall, welches von demjenigen des Verifizierungssendeformats leicht verschieden ist und wird für die Verfolgung des Echosignals benutzt. Das Verifizierungsformat wird zum Suchen des Echosignals sowie zur Stärkemessung des Echosignais und zur Steuerung verwendet. Wie erwähnt, ist es nur erforderlich, daß die beiden Pulswiederholungsintervalle leicht verschieden sind und das Nachführsendeformat PRI entweder erwas kleiner oder etwas größer ist als das Verifizierungs-PRI. Figur 4 zeigt den Fall wenn das Nachführsende-PRI 14,000 Radarfuß lang ist, wahrend das Verifizierungssende-PRI 15,000 Radarfuß beträgt.
• Wenn die sich aus dem Nachführ- und dem Verifizierungsformat ergebenden Entfernungsanzeigen nicht identische Höhenanzeigen ergeben, wird die Entfernung als mehrdeutig erkannt. Dies ist anders als bei bekannten Radarhöhenmessersystemen, welche eine Verfolgungsschleife sowie eine Pegelmeßschleife umfassen, welche parallel arbeiten und zur gleichen Zeit auf das gleiche Echosignal ansprechen. Der Pegelmeßkanal mißt und steuert die Amplitude des Echosignals. Änderungen der Bodenreflexion ergeben Änderungen des Echosignalpegels. Die Verstärkungsregelschleife in dieser Meßanordnung hält das Echosignal für eine genaue Vorderflankenverfolgung auf einer konstanten Amplitude. Normalerweise werden hinter der Signaldetektion getrennte Entfernungsgatter für den Verfolgungskanal und den Pegelmeßkanal verwendet. Im Fall der vorliegenden Erfindung sind jedoch sowohl die Entfernungstorschaltung als auch die Codekorrelation vor der Detektion im Hochfrequenzempfangerabschnitt vorgesehen, wodurch eine Vordetektionsintegration und ein damit verbundener Verarbeitungsgewinn im Vergleich zu einer Nachdetektions-Integration erzielt wird. Die Torschaltung im breitbandigen HF-Bereich beseitigt Störungen der Vorderflanke der Echosignalimpulse und führt somit zu einer verbesserten Höhengenauigkeit. Um das Erfordernis für zwei Verarbeitungskanäle zu beseitigen, wird ein einziger Torschaltung/Korrelator-Kanal im Zeitmultiplex zwischen Verfolgungsfunktion und Verifizierungsfunktion (Pegelmessung) umgeschaltet. Der Zeitmultiplexbetrieb des Empfangsteils des Radargeräts ermöglicht getrennte Sendeimpulswiederholungsintervalle für Verfolgung und Verifizierung, wie dies für die gewünschte Zurückweisung von mehrdeutigen Entfernungen erforderlich ist.
• Figur 5A zeigt die Autokorrelationsfunktion für ein relativ kurzes Codewort 22, und das Signalflußdiagramm von Figur 5B veranschaulicht die Technik der Nebenzipfelzurückweisung durch Autokorrelation, wie dies erforderlich ist, um mehrdeutige Anzeigen aufgrund unrichtiger Zusammenführung (Korrelation) und aufgrund kurzer Codelänge zu beseitigen. Das Echosignal ist biphasen-moduliert und wird, wie in Figur 5B gezeigt, von einem Prozessor (Block 24) empfangen. Im Empfänger befindet sich eine Quelle für den Modulationscode 26. Wenn der Höhenverzögerungscode 26, wie in Figur 5A gezeigt, völlig mit dem Echosignal 22 übereinstimmt, wird die Hauptkeule 28 maximale Energie erzeugen. Wenn der Code in der einen oder anderen Richtung nicht ordnungsgemäß ausgerichtet ist, so entstehen Amplitudenseitenkeulen 30. Das Autokorrelations- Zurückweisungsverhältnis, d.h. das Verhältnis der Hauptkeule 28 zur Nebenkeule 30 ist eine Funktion der Codelänge.
• Bodenverfolgungs-Radar-Höhenmesser müssen bei extremen Signalpegeländerungen arbeiten, die sich aus Reflexionsänderungen von über 40dB sowie Antennengewinnänderungen von über 20dB ergeben, wenn das Flugzeug Roh- oder Längsneigungsbewegungen ausführt. Für eine ordnungsgemaße Entfernungsnachführung und korrekte Höhenanzeige sollten die Seitenkeulen 30 wenigstens 60dB niedriger sein als die Hauptkeule 28, um sicherzustellen, daß das Radar die Hauptkeule und nicht eine Seitenkeule verfolgt. Die in bekannten Systemen für eine Erzeugung von 60dB Seitenkeulen erforderliche Codelänge ist derart, daß das Impulswiederholungsintervall PRI über die Dopplerverarbeitungsgrenzen hinaus vergrößert wird. Das Verfahren gemaß der Erfindung verfolgt die Hauptkeule mit einem Hauptlseiten-Keulenverhältnis von nur 10dB bis 20dB und ermöglicht die Verwendung kurzer Codelängen.
• Gemäß Figur 5B schaltet das Radar nach dem Erkennen des Echos den Code 26 durch die Echoimpulse 22 in vorgegebenen Zeitschritten weiter, wie dies im Block 32 angedeutet ist. Beim Versuch, die Hauptkeulenposition 28 festzustellen, ist der obere Grenzwert 34 etwa 10dB höher als der untere Grenzwert 36. Das Echosignal wird wahrend des Suchechos erkannt. Eine automatische Pegelkontrollschleife stellt die Sendeleistung für einen geeigneten Signalpegel ein (Block 38). Dieser Signalpegel wird dann aufrechterhalten, wenn der Modulationscode 26 durch den Echoimpuls 22 bei der Suche eines oberen Grenzwertes fortgeschaltet wird. Der Verfolgungsschaltkreis wird auf diejenige Flughöhe eingestellt, welche durch den oberen Grenzwert angezeigt wird, der nach der Detektion des oberen Grenzwertes (Blöcke 40 und 42) der Hauptkeule zugeordnet wird. Wird ein Obergrenzwert nicht erkannt, so wird der Verfolgungsschaltkreis auf die Originalhöhe gesetzt, welche durch den originalen unteren Grenzwert der Hauptkeule (Block 44) angezeigt wird, denn es wird korrekterweise angenommen, daß der Code anfänglich ordnungsgemäß zugeordnet war.
• Figur 6 ist ein funktionelles Blockschaltbild eines kohärenten Puls-Dopplerradar-Systems mit den neuen Merkmalen der Erfindung. Der Fachmann wird feststellen, daß das System nach Figur 6 auf verschiedene Weise realisiert werden kann. Es kann durch diskrete digitale Logikschaltungen, einen programmierten Mikroprozessor oder auf analoge Weise realisiert werden. Das System umfaßt eine Sendeantenne 50, die operativ an den Ausgang eines Hochfrequenzsenders 52 angeschlossen ist. Dessen Leistungspegel ist über ein Steuersignal auf der Leitung 54 einstellbar, welches aus dem Pegelschleifen- Verstärker/Integratorschaltkreis 56 kommt. Das Format der Sendeimpulse mit der biphasen Codierung und das Impulswiederholungsintervall wird vom Sendeformatgenerator 58 eingestellt, der seinerseits Steuersignale aus dem Zeitgabe- und Steuermodul 60 erhalt.
• Der Radar-Höhenmesser hat ferner eine Empfangsantenne 62 zum Detektieren der Bodenechosignale, welche über einen Vorverstärker/Filter-Schaltkreis 64 dem Entfernungsgatter 66 zugeleitet werden. Das Öffnen und Schließen des Entfernungsgatters wird durch eine Verfolgungsschleife gesteuert, die durch den gestrichelt gezeichneten Kasten 68 angedeutet ist. Die durch das Entfernungsgatter hindurchlaufende Radarechoenergie gelangt zu einer Korrelatorschaltung 40 und von dort zu einem Abwärtskonverter 72 sowie einem Zwischenfrequenzverstärker/Schmalbandfilter 74, ehe sie der Detektorschaltung 76 zugeleitet wird.
• Entsprechend der Erfindung wird das Detektorausgangssignal einem Modensteuerschalter 78 zugeführt, der nur zum Zweck der Veranschaulichung als mechanischer einpoliger Umschalter mit drei Schaltstellungen wiedergegeben ist. In der Praxis ist der Modensteuerschalter 78 ein elektronischer Schalter oder als Software implementiert. Befindet sich der Schalter in der dargestellten Position, so ist die Verfolgungsschleifenschaltung 68 zwischen den Ausgang des Detektors 76 zum Entfernungsgatter 66 einerseits und den Korrelator 70 andererseits eingeschaltet. Die Verfolgungsschleife umfaßt eine Verfolgungsschleifen-Filter- und -Halteschaltung 80, deren Ausgang einen Verfolgungsbezugssignal-Vergleichsschaltkreis 82 speist. Das Ausgangssignal dieses Schaltkreises gelangt seinerseits zum Schleifenintegrator 84, dessen Ausgangssignal auf der Leitung 86 die unkompensierte Flugzeughöhenspannung darstellt. Diese Spannung wird an einen Spannungs/Zeitverzögerungs-Konverter 88 gelegt, der den Betrag bestimmt, um welche der Sendeimpuls To verzögert wird, ehe er dem Empfangsformatgenerator 90 zugeführt wird. Es ist das Ausgangssignal des Empfangsformatgenerators, welches das Öffhen und Schließen des Entfernungsgatters 66 und die Codierungszuordnung innerhalb des Korrelators 70 steuert.
• Befindet sich der Modenkontrollschalter 78 in der Mittelposition, so arbeitet das System im Verifizierungsmodus, wo insbesondere das Ausgangssignal des Detektors 76 einem Pegelfilter/Halteschaltkreis 92 zugeführt wird. Das Ausgangssignal dieses Schaltkreises 92 wird zusammen mit einem Grenzwertbezugssignal, dem Untergrenzwertdetektor 94 sowie einem Obergrenzwertdetektor 96 zugeführt. Die Ausgangssignale der beiden Detektoren 94 und 96 gelangen zum Nachführ-Logikmodul 98, dessen Ausgangssignal an die Zeitgabe und Steuerschaltung 60 des Systems gelegt wird.
• Befindet sich der Modensteuerschalter 78 in der untersten Schaltposition, so wird das Ausgangssignal des Detektors 76 durch den Rauscherkennungsverstärker- und Halteschaltkreis 102 an den Eingang des Zwischenfrequenzverstärkers/Schmalbandfilters 74 zurückgeführt.
• Nach der Beschreibung der Funktionsblöcke des kohärenten Puls-Dopplerradar-Geräts soll nunmehr die Betriebsweise betrachtet werden, wobei die Aufmerksamkeit auf Figur 7 zu richten ist. Die Zeitgabe- und Steuerschaltung 60 des Systems erzeugt eine Zeitmarke To mit einem vorgegebenen Pulswiederholungsintervall, welche den Sendeformatgenerator 58 veranlaßt, einen biphasen-codierten Sendeimpuis zu erzeugen, der über die Sendeantenne 50 abgestrahlt wird. Der Impuls wird vom Boden reflektiert und nach einer Höhenverzögerungsperiode von der Empfangsantenne 62 aufgenommen. Das Echosignal wird im Vorverstärker 64 verstärkt. Die mit dem Zeichen 68 gekennzeichnete Nachführschleife dient dazu, das Entfernungsgatter 66 an den geeigneten Zeitstellen auf einen Durchlaß des vom Vorverstärker 64 gelieferten Echosignals einzustellen und gibt an derselben Zeitposition den Code 22 nach Figur 5A an den Korrelator 70, wo das biphasenmodulierte Echosignal demoduliert wird. Der Abwärtskonverter 72 setzt in üblicherweise die Hochfrequenzenergie auf eine niedrigere Zwischenftequenz um, welche vom ZF-Verstärker und Schmalbandfilter 74 verarbeitet wird. Die Impulse der demodulierten (CW) Energie werden im Filterteil der Schaltung 74 integriert und dann im Detektor 76 einer Spitzenwertdetektion unterworfen.
• Der Signal- oder Modenschalter 78 gibt in der gezeigten Schalterstellung den detektierten Signalpegel an die adaptive Verfolgungsschleifen-Filter und Halteschaltung 80 weiter, wo sie bandbegrenzt wird, um das erzielbare Signal/Rausch-Verhältnis zu maximieren. Der Bandbegrenzungspegel wird mit der Vorderflanken-Bezugsspannung im Verfolgungsvergleicher 82 verglichen und dabei festgestellt, ob das Gatter und der Code auf eine größere Flughöhe positioniert werden sollte, d.h. weiter in das Echo (Signal kleiner als der Bezugswert) oder in Richtung auf eine niedrigere Amplitude weiter aus dem Echo heraus (Signal größer als der Bezugswert). Das Ausgangssignal des Vergieichers 82 gelangt zum Schleifenintegrator 84, wo die Höhenspannung integriert wird, um die Schleifenzeitantwortkennlinien darzustellen und das Signalrauschverhältnis zu erhöhen. Diese höhenbezogene Spannung ist die nicht-kompensierte Flughöhe des Systems auf der Leitung 86.
• Diese Höhenspannung wird ferner dem Spannungs/Zeitverzögerungskonverter 88 zugeführt, der eine Zeitmarke um einen Höhenverzögerungsschritt von der Referenzmarke To erzeugt. Die so erzeugte Zeitmarke schaltet den Empfangsformatgenerator 90, der den Entfemungsgatterimpuls und den Code erzeugt, welcher das Entfernungsgatter 66 und den Korrelator 70 steuert. Ändert sich die Flughöhe, so ändert sich der durch die Torschaltung kommende Signalpegel, was zu Änderungen der Zeitposition im Verfolgungsentfernungsgatter 66 sowie im Korrelator 70 führt. Durch den Betrieb der als geschlossene Schleife ausgebildeten Verfolgungsschaltung 68 halt das System eine genaue Entfernungskorrelation mit dem Echosignal auftecht.
• Der Modensteuerschalter 78 ermöglicht eine Zeitmultiplexumschaltung der Empfangerprozessorelektronik zwischen einem Verfolgungsmodus, einem Pegelmeßmodus und einem Rauschabtastmodus. Die Dauer der Zeitmultiplexschritte ist niedrig genug angesetzt, um eine vernachlässigbare Unterbrechung der Höhenmesser-Verfolgungsfunktion sicherzustellen und andererseits lang genug, um ausreichende Verfolgungs- und Pegelschleifen-Antwortszeiten zur Verfügung zu steilen. Beispielsweise wird in 8ms eine ordnungsgemäße und zweideutige Höhenanzeige sich nicht um mehr als 2,44m (8 Fuß) ändern. Eine Analyse und Experimente haben gezeigt, daß eine Verfolgungsperiode von etwa 8ms, eine Pegelmeßperiode von etwa 8ms sowie eine Rauschabtastperiode von etwa 1 ms geeignet sind, jedoch können auch andere Zeitvorgaben verwendet werden.
• Am Ende jeder 8ms-Verfolgungsperiode wird der Modenschalter 78 vom Zeitgabe- und Steuerschaltkreis 60 des Systems für die Dauer von 8ms auf den Pegelfilter/Halteschaltkreis 92 umgeschaltet. Gleichzeitig erzeugen der Sendeformatgenerator 58 und der Empfangsformatgenerator 90 das Verzifikationsformat (figur 4) und liefern das längere Pulswiederholungsintervall, welches für die Zurückweisung mehrdeutiger Entfernungen, wie oben erwähnt, benötigt wird. Der Verfolgungsschleifen-Filter- und Halteschaltkreis 80 hält den detektierten Pegel am Verfolgungskanal auf dem Mittelwert des Pegeis, der am Ende der Nachführperiode festgestellt wurde. Der Empfangsformatgenerator 90 positioniert das Entfernungsgatter und den Korrelator aus der Vordertlanke des Echoimpulses hinaus. Der vom Detektor 76 festgestellte Pegel wird durch die Pegelmeß-Filter- und Halteschaltung 92 bandbegrenzt und dem Differenzverstärker und Integrator 56 der Pegeischleife zugeleitet. Diese Schaltung steuert die Sendeleistung, um hierdurch das detektierte Echosignal für eine genaue Vorderflankenverfolgung auf einem optimalen Bezugspegel zu halten. Wenn der detektierte Pegel unter denjenigen absinkt, der zuverlässig verfolgt werden kann, wenn also beispielsweise das Flugzeug eine Rollbewegung ausführt oder eine Detektion einer mehrdeutigen Entfernung vorliegt, so signalisiert der Untergrenzwertdetektor 94 der Verfolgungslogik 98 die Anweisung, den Verfolgungsmodus zu unterbrechen und zum Suchmodus zurückzukehren.
• Am Ende der Verifikationsperiode von 8ms wird der Schalter 78 als nächstes für 1ms an den Rauschkanal angeschlossen und zur gleichen Zeit wird der Sender gesperrt, so daß nur KTB-Empfängerrauschen am ZF-Detektor 76 steht. Der Rauschdetektorverstärker 102 hält die Empfängerverstärkung bei Temperaturänderungen konstant. Der Rauschdetektor/Verstärker 102 stellt die Empfangerverstärkung des ZF-Verstärkers 74 derart ein, daß das festgestellte Rauschen auf der Rauschbezugsspannung gehalten wird, die an der Eingangsleitung 104 steht. Am Ende der lms-Rauschabtastperiode kehrt der Schalter 78 des Systems in den Verfolgungsmodus zurück, während die Empfangerverstärkung auf einem Pegel gehalten wird, wie er während der Rauschabtastperiode gespeichert wurde.
• Während des Suchmodus, wenn sich der Schalter 78 in der Mittelposition befindet, werden die Sende- und Empfangsformate auf das Verifikations-Pulswiederholungsintervall und der Sendeleistungspegel auf ein Maximum eingestellt. Die Zeitgabe- und Steuerschaltung 60 des Systems liefert das rampenförmige Suchsignal an den Amplituden/Zeitverzögerungskonverter 88, wodurch das Entfernungsgatter 66 und der Korrelator 70 fortlaufend in der Zeit verschoben werden (aufwärts in Höhenrichtung) und zwar beginnend von 0 Fuß. Dies stellt die Suckfunktion dar.
• Die Echoimpuls-Korrelatorcodes werden in Höhenrichtung veschoben, bis ein Echosignal vom Untergrenzwertdetektor 94 detektiert wird. Der Pegelschleifenverstärker 56 setzt den Pegel auf den gewünschten Bezugswert, welcher dem Schaltkreis 56 als zweites Eingangssignal zugeführt wird. Die Zeitgabe- und Steuerschaltungs 60 des Systems schaltet dann die Amplitude für den Zeitverzögerungskonverter durch den Echoimpuls fort und überwacht gleichzeitig den Obergrenzwertdetektor 96. Hierdurch führt der Autokorrelationsprozeß zum Detektieren der Hauptkeule, und der Signalverfolger wird auf diese Höhe eingestellt.
• In Zusammenfassung der Betriebsweise unter Bezugnahme auf Figur 4 und in der Annahme einer tatsächlichen Flugzeugflughöhe von 6.405m (21,000 Fuß) sucht der Radar- Höhenmesser gemaß der Erfindung nach Echoimpulsen, solange er sich im Verifizierungsformat befindet und bewegt dabei das Entfernungsgatter 66 nach außen ausgehend vom Wert von 0 Fuß. Bei einem Verifizierungsmode PRI von 4.575m (15,000 Fuß) sind zur gleichen Zeit zwei Sendeimpulse unterwegs: VA und VB. Das Echo RA umfaßt einen um 6.405m (21,000 Fuß) verzögerten Sendeimpuls VA, könnte aber auch von einem um 1.830m (6,000 Fuß) verzögerten Sendeimpuls VB stammen. Folglich liegt eine mehrdeutige Entfernungsangabe vor.
• Es sei angenommen, daß das System falschlicherweise von einem um 1.830m (6,000 Fuß) verzögerten Impuls VB ausgeht. Nach Suche und Auffassung des Echos stellt der Pegelmeßkanal die Sendeleistung des Senders 58 auf die geeignete Echosignalamplitude ein und zwar immer noch im Verifizierungsmodus. Das Radargerät schaltet dann auf das kürzere PRI von 4.270m (14,000 Fuß), wobei allerdings der Modenschalter immer noch auf den Pegelkanal eingeschaltet ist. Das Gerät positioniert das Gatter auf eine Verzögerung von 1. 830m (6,000 Fuß) nach dem Sendeimpuls TB. Wie Figur 4 zeigt, führt jedoch das kürzere Pulswiederholungsintervall zu einem Echo bei 2.135m (7,000 Fuß) nach TB. Die Pegelmeßschaltung 100 erkennt kein Echo bei 1.830m (6,000 Fuß), weil das Echo im Modus mit dem kürzeren Pulswiederholungsintervall bei 2.135m (7,000 Fuß) liegt. Die Verfolgungslogik 98 unterbricht die Verfolgung wegen mehrdeutigem Echo und fährt im Suchmodus nach einem Echo fort, was jenseits 1.830m (6,000 Fuß) liegt. Sobald das Entfernungsgatter 6.405m (21,000 Fuß) erreicht, wird ein Echo um 6.405m (21,000 Fuß) nach dem Sendeimpuls VA erkannt. Nach der Aufnahme stellt der Pegelkanal die Senderleistung auf eine geeignete Echosignalamplitude ein, und das System schaltet erneut auf das kürzere Pulswiederholungsintervall bei 6.405m (21,000 Fuß). Der Pegelschaltkreis erkennt das Echo und bestätigt eine eindeutige oder ordnungsgemäße Flughöhe von 6.405m (21,000 Fuß). Das System schaltet dann in den Verfolgungsmodus, die Verfolgungsschleife läuft dem richtigen Echo bei 6,405m (21,000 Fuß) hinter dem Sendeimpuls TA nach. Somit wird die zweideutige Entfernung von 1.830m (6,000 Fuß) zurückgewiesen, und das richtige Echo aus einer Entfernung von 6.405m (21,000 Fuß) wird weiterverfolgt.

Claims (12)

1. Flugzeug-Dopplerimpulsradarhöhenmesser mit Zurückweisung von Entfernungsmehrdeutigkeiten und mit;

a) einer Einrichtung (52, 50), welche bei ihrer Aktivierung getrennt eine erste (TA, TB) sowie eine zweite (VA, VB) Impulsfolge mit einer ersten bzw. zweiten Impulswiederholungsperiode aussendet;

b) Zeitgabe- und Steuermitteln (60, 68, 78, 88) zum periodischen Zeitmultiplex Aktivieren der Sendeeinrichtung für die ersten und zweiten Impulsfolge;

c) einer Empfangseinrichtung (62 - 66) mit einer Entfernungstorschaltung (66) für den Empfang von Bodenechosignalen (RA, RB) entsprechend den ersten und zweiten Impulsfolgen;

d) einer an die Entfernungstorschaltung (66) angeschlossenen Einrichtung (68) einschließlich der Zeitgeber- und Steuermittel (68, 88) zum ständigen Einstellen der auf die Aussendung der Impulse in der ersten Impulsfolge (TA, TB) folgenden Zeit, zu der die Entfernungstorschaltung aktiviert ist bis die Empfangseinrichtung (62 - 66) ein vom Entfernungstor überlapptes Bodenechosignal empfangt;

e) Mitteln (76, 78), welche auf die Feststellung einer Überlappung eines aus der ersten Impulsfolge stammenden Bodenechos mit dem Entfernungstor ansprechen und die Zeitgabe- und Steuermittel zum Aussenden der zweiten Impulsfolge (VA, VB) aktivieren und ferner feststellen, ob ein von der zweiten Impulsfolge stammendes Bodenecho die dann vorhandene Lage des Entfernungstors überlappt; und

f) einer Einrichtung (78, 68) zum erneuten Aktivieren der an die Entfernungstorschaltung angeschlossenen Einrichtung, sobald die auf die Detektion ansprechenden Mittel (76, 78) das Fehlen einer Überlappung zwischen dem von der zweiten Impulsfolge stammenden Bodenecho und der Lage des Entfernungstors feststellen.

2. Radarhöhenmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an die detektionsabhängigen Mittel (76, 78) angeschlossene Nachtuhrregelschaltung (68), welche das Entfernungstor in bezug auf das von der zweiten Impulsfolge (VA, VB) stammende Bodenecho (RA, RB) derart positioniert, daß die Überlappung aufrechterhalten bleibt, wenn die detektionsabhängigen Mittel das Vorhandensein einer Überlappung zwischen dem von der zweiten Impulsfolge stammenden Bodenecho und der dann gegebenen Position des Entfernungstors feststellen.

3. Radarhöhenmesser nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (78, 102) zum periodischen Sperren der Sendeeinrichtung (52, 50) während zugleich Rauschsignalpegel im Empfänger gemessen werden.

4. Radarhöhenmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnetdurch Mittel (56, 92 - 98) zum Erhöhen des Leistungspegels der Sendeeinrichtung (52, 50), wenn die erste Impulsfolge (TA, TB) abgestrahlt wird, und zum Verringern des Leistungspegels während der Abstrahlung der zweiten Impulsfolge (VA, VB).

5. Radarhöhenmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung (50, 52, 58) eine Vorrichtung (58) zur Codemodulation der ersten (TA, TB) und zweiten (VA, VB) Impulsfolgen aufweist und die Empfangseinrichtung (62 - 66, 70 - 76) Autokorrelationsmittel (70) umfaßt, welche die Codemodulation der Bodenechosignale (RA, RB) mit der Codemodulation der ersten und zweiten Impulsfolgen vergleicht.

6. Radarhöhenmesser nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Autokorrelationsmittel (70) an die Entfernungstorschaltung (66) ankoppelnde Mittel (68), um die Hauptkeule der Bodenechosignale (RA, RB) zu finden.

7. Verfahren zur Flugzeughöhenmessung mit einem Doppler-Radarhöhenmesser und Zurückweisung von Entfernungsmehrdeutigkeiten, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) getrenntes Aussenden einer ersten (TA, TB) und einer zweiten (VA, VB) Impulsfolge mit einer ersten bzw. zweiten Impulswiederholungsperiode;

b) periodisches Aussenden der ersten und zweiten Impulsfolgen im Zeitmultiplexbetrieb;

c) Empfang von Bodenechos (RA, RB) entsprechend der ersten und zweiten Impulsfolge;

d) fortlaufendes Verändern der auf das Aussenden der Impulse der ersten Impulsfolge (TA, TB) folgenden Zeit, in der eine Entfernungstorschaltung aktiviert ist, bis ein Bodenecho (RA) festgestellt wird, welches vom Entfernungstor überlappt ist;

e) beim Feststellen einer Überlappung eines Bodenechos (RA) aus der ersten Impulsfolge (TA) mit dem Entfernungstor, Aussenden der zweiten Impulsfolge (VA) und Ermitteln, ob ein Bodenecho (RA) aus der zweiten Impulsfolge (VA) die dann gegebene Position des Entfernungstors überlappt; und

f) Fortsetzen der fortlaufenden Veränderung des Entfernungstors, falls das Fehlen einer Überlappung des aus der zweiten Impulsfolge (VA, VB) stammenden Bodenechos (RA) mit der dann gegebenen Position des Entfernungstors festgestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnetdurch Repositionieren des Entfernungstors in bezug auf das der zweiten Impulsfolge (VA, VB) entsprechende Bodenecho, um die Überlappung auftechtzuerhalten, wenn die Detektion das Vorhandensein einer Überlappung des Bodenechos aus der zweiten Impulsfolge mit der dann gegebenen Lage des Entfernungstors ergibt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch periodisches Sperren der Abstrahlung der Impulsfolgen während die Rauschsignalpegel in einer an eine Empfangsantenne angeschlossenen Empfangseinrichtung gemessen werden.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Erhöhen des Sendepegels beim Aussenden der ersten Impulsfolge (TA, TB) und Verringern des Leistungspegels während des Aussendens der zweiten Impulsfolge (VA, VB).

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Codemodulation der ersten (TA, TB) und zweiten (VA, VB) Impulsfolgen sowie Vergleichen der Codemodulation der Bodenechosignale (RA, RB) mit der Codemodulation der ersten und zweiten Impulsfolgen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch schrittweises Verschieben des autokorrelierten Echoimpulses (RA) durch das Empfangstor, um die Hauptkeule (28) der Bodenechosignale (RA) zu ermitteln.