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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Radarsysteme, und insbesondere
ein Verarbeitungsverfahren und eine Wellenform, die einen bistatischen
unsynchronisierten kohärenten
Betrieb von unsynchronisierten Sendern und Empfängern von bistatischen Radarsystemen
bereitstellt.
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Die
Anmelderin der vorliegenden Erfindung stellt Radarsysteme her, die
zur Zielerfassung und Zielverfolgung und Ähnlichem eingesetzt werden.
Ein Raketenführungssystem
mit verbesserter Illuminator-Streuunterdrückung ist bspw. in
US 4,216,472 A offenbart.
Die Anmelderin der vorliegenden Erfindung unternimmt kontinuierliche
Anstrengungen, um die Leistung zu verbessern und die Anwendungsbereiche
für diese
Radarsysteme zu erweitern. Bisher bestand ein Ziel der Entwicklungsanstrengungen
darin, die Komplexität
und die Kosten der Radarsysteme zu reduzieren.
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Um
dies zu erreichen, hat die Anmelderin der vorliegenden Erfindung
bistatische unsynchronisierte Radarsysteme entwickelt, die eine
Benutzung von Atomuhren oder Synchronisationsimpulsen nicht erfordern,
um einen Sender mit einem Emp fänger
zu synchronisieren. Die Beseitigung von Synchronisationskomponenten
reduziert die Kosten und die Komplexität der Radarsysteme.
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Eine
Erfindung, die im US-Patent Nr. 5,736,956 offenbart ist, das am
7. April 1998 mit dem Titel „Unlocked
W-band Receiver with Coherent Features" erteilt wurde und der Anmelderin der
vorliegenden Erfindung gehört,
offenbart einen kohärenten Radarempfänger, der
eine Impuls-zu-Impuls-Kohärenz
aufweist, indem ein unsynchronisierter spannungsgesteuerter Oszillator
verwendet wird. Die Wellenform und das Verarbeitungsverfahren der
vorliegenden Erfindung ist angelegt, um mit diesem Empfänger zusammenzuarbeiten,
um ein bistatisches kohärentes
unsynchronisiertes Radarsystem bereitzustellen.
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Entsprechend
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wellenform
und ein Verarbeitungsverfahren bereitzustellen, das einen kostengünstigen
kohärenten
und frequenzflinken bistatischen Betrieb von unsynchronisierten
Radarsendern und -empfängern
ermöglicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Um
die zuvor genannten und andere Aufgaben zu erreichen, stellt die
vorliegende Erfindung (wie in den Ansprüchen definiert) ein bistatisches
kohärentes
unsynchronisiertes Radarsystem und Verarbeitungsverfahren bereit,
das eine erweiterte Wellenform benutzt, die einen bistatischen unsynchronisierten
kohärenten
Betrieb eines unsynchronisierten Radarsenders und Empfängers ermöglicht.
Die Wellenform implementiert eine Zwischenimpuls-Fein-Entfernungsauflösung, eine
Impuls-zu-Impuls-Kohärenz
und eine Burst-zu-Burst-Frequenz-Agilität, um eine verbesserte Zielerfassung und
einen robusten Betrieb in elektronischen Abwehrumgebungen bereitzustellen.
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Die
Verwendung der Wellenform und des Verarbeitungsverfahrens ermöglicht einen
kostengünstigen
kohärenten
und frequenzagilen bistatischen Betrieb, in dem unsynchronisierte
Radarsender und -empfänger
verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Impuls-zu-Impuls-Wellenform-Vielseitigkeit,
eine hohe Radarempfindlichkeit, einschließlich verbesserter Erfassung von
Zielen mit geringem Radarquerschnitt, und einen wirksamen Betrieb
gegen Störsender.
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Die
Wellenform und das Verarbeitungsverfahren können vorteilhaft mit aktuell
entwickelten luftgestützten
Radarsystemen verwendet werden, wie bspw. jene, die von der Anmelderin
der vorliegenden Erfindung gefertigt werden. Diese Wellenform und das
Verarbeitungsverfahren erlauben die Implementierung von kostengünstigen
luftgestützten
bistatischen Empfängern
für verbesserte
Zielerfassung und Zielverfolgung in Waffensystemen hoher Präzision.
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Das
System, in dem die Wellenform und das Verarbeitungsverfahren im
Flug getestet wurde, und die Testergebnisse zeigten, dass ein unsynchronisierter
kohärenter
bistatischer Betrieb erreicht wurde. Zusätzlich ermöglicht die vorliegende Erfindung
in Verbindung mit der Erfindung, die im US-Patent Nr. 5,736,956,
erteilt am 7. April 1998 mit dem Titel „Unlocked W-band Receiver
with Coherent Features" und
angemeldet von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung offenbart
ist, die Implementierung sehr einfacher und kostengünstiger
bistatischer Empfänger,
die verwendet werden können,
um bistatische Systeme zu ersetzen, die verriegelt und/oder synchronisiert
sind, indem Atomuhren, Synchronisationsimpulse oder andere Mittel
verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich einfacher mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen
gleiche strukturelle Elemente kennzeichnen, und in denen:
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1 eine
Betriebsumgebung für
ein bistatisches kohärentes
unsynchronisiertes bzw. unverriegeltes Radarsystem entsprechend
den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt;
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1a eine
beispielhafte Wellenform entsprechend den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung und deren zugehörigen
Parameter zeigt;
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2 die
Sende- und Empfangs-HF-Sequenzen zeigt, indem die beispielhafte
Wellenform von 1 benutzt wird;
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3 beispielhafte
Flugtestdaten darstellt, die Zwischenimpuls-Biphasenimpuls-Komprimierung zeigt;
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4 beispielhafte
Flugtestdaten darstellt, die Impuls-zu-Impuls-Signalkohärenz zeigen;
und
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5 ein
Blockdiagramm ist, das ein beispielhaftes Verarbeitungsverfahren
entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Bezug
nehmend auf die gezeichneten Figuren zeigt 1 eine Betriebsumgebung
für ein
bistatisches kohärentes
unsynchronisiertes bzw. unverriegeltes Radarsystem 10 entsprechend
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das bistatische kohärente unsynchronisierte Radarsystem 10 umfasst
einen Sender 11 und einen Empfänger 12. Der Sender 11 sendet
eine Wellenform 20 entsprechend den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung (2), die eine kontinuierliche
Sequenz von Impulsen an unterschiedlichen Frequenzsätzen umfasst. Der
Sender 11 sendet ein Summen- und Differenzmuster in die
allgemeine Richtung eines Ziels 13. Energie, die von dem
Ziel 13 reflektiert wird, wird von dem Empfänger 12 empfangen
und verarbeitet, um die Richtung und die Entfernung des Ziels 13 zu
bestimmen. Die Wellenform 20 wird gesendet und verarbeitet,
um das Ziel 13 zu erfassen.
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Es
ist wichtig zu verstehen, dass das Signal auf dem direkten Pfad
von dem Sender 11 zu dem Empfänger 12 nicht benötigt wird.
Der Empfänger
arbeitet, um das Musterzentrum in der gesendeten Wellenform zu finden,
die von dem Ziel 13 reflektiert wird. Das Musterzentrum
in dem empfangenen Ziel zeigt die Mitte der Reflexion an, die von
dem Empfänger 12 erfasst
wird. Der Empfänger
enthält
darüber hinaus
keinen Überlagerungsoszillator
oder Atomuhr, die den Empfänger
mit dem Sender verriegeln würden.
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1a zeigt
eine typische Wellenform 20 entsprechend den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung zusammen mit beispielhaften Parametern,
die einen bistatischen unverriegelten kohärenten Betrieb des unverriegelten
bzw. unsynchronisierten Radarsenders 11 und Empfängers 12 des
bistatischen Radarsystems 10 ermöglichen. Die nachfolgende Diskussion
beschreibt eine typische beispielhafte Wellenform 20, die
einen unverriegelten kohärenten
bistatischen Betrieb des unverriegelten Radarsenders 11 und
Empfängers 12 ermöglicht.
Die Merkmale und die charakteristischen Parameter dieser beispielhaften
Wellenform 20 sind wie folgt.
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Die
beispielhafte Wellenform 20 besitzt eine Frequenzagilität bei 20
msec Intervallen über
eine einstellbare Bandbreite von etwa 500 MHz. Die beispielhafte
Wellenform 20 besitzt neun Frequenzschritte, die um zumindest
50 MHz getrennt sind, und eine zusätzliche Frequenz im Empfänger 12,
die verwendet werden kann, um die Strahlung von einem anderen Radarsender 11 zu
empfangen. Bei einem Flugtest, der ausgeführt wurde unter Verwendung
einer Ausführungsform
des bistatischen kohärent
unverriegelten Radarsystems 10, wurden 9 gesendete Funkfrequenzen
alle 20 msec abgestuft und ein Rücksignal
auf die Erfassungsfrequenz trat alle 80 msec auf. Eine Sendesequenz
wie bspw.: AA ZZ AA ... wird verwendet, wobei A und Z Radarimpulse
bezeichnen, die mit unterschiedlichen Antennenmustern gesendet wurden.
Es versteht sich jedoch, dass andere Impulssequenzen ebenfalls gesendet
werden können,
falls gewünscht.
Die beispielhafte Wellenform 20 nutzt eine Zwi schenimpuls-Phasenkodierung,
um eine feine Entfernungsauflösung
(bspw. 5 Meter) bei einer Impulsbreite von 433 nsec und einer Impulskomprimierung
von 13:1 bereitzustellen.
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Der
bistatische unverriegelte Empfänger 12 muss
zunächst
ein Signal (Ziel 13) erfassen und dann das Signal (Ziel 13)
verfolgen. Der Empfänger 12 kennt
das Impulswiederholungsintervall und die Frequenzen, die vom Sender 11 gesendet
werden und die Erfassungsfrequenz, die vom Sender 11 nochmals
genutzt wird, um die Erfassung zu verbessern. Eine Echtzeiterfassung
umfasst die Erfassung des Ziels 13 oder der Reflexion und
die Synchronisation des unverriegelten Empfängers 12 mit dem Sender 11.
Die nachfolgenden Erfassungsfunktionen werden von dem Empfänger 12 ausgeführt.
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Um
eine Winkel- und -entfernungserfassung in Echtzeit zu erreichen,
wird ein Strahl in die geschätzte
Entfernung eines Beleuchtungsstrahls gesetzt, der von dem Ziel 13 reflektiert
wird. Eine Minirasterabtastung oder eine konische Abtastung wird verwendet,
um den Ort des maximalen (Mustermitte)Signal zu finden. Somit schaut
der Empfänger 12 (tastet
ab) hinsichtlich des Winkels in eine Richtung zu der empfangenen
Energie. Der Empfänger 12 bleibt
auf einer vorgewählten
(Erfassungs)Frequenz, die von Sender 11 häufiger besucht
wird. Der Empfänger 12 bildet
Entfernungsbins, die die Energie fortwährend akkumulieren.
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Das
Ziel 13 (Hauptkeulenreflexion) wird von dem Signal des
direkten Pfads von dem Sender 11 unterschieden. Das Signal
des direkten Pfads besitzt eine kürzere Entfernung verglichen
mit dem Musterzentrum der Hauptkeulenreflexion. Das Zentrum bzw.
die Mitte des Reflexionssignals über
der Strahlposition wird bestimmt. Eine Suchvorrichtung erkennt das
charakteristische Frequenzmuster. Eine Impulswiederholungsintervall(PRI)-Driftabschätzung basiert
auf der Erfassungsfunkfrequenz. PRI-Drift wird geschätzt, indem
ein Reflexionssignal-Entfernungsverfolger verwendet wird. Die Phase
des gesendeten HF-Agilitätszyklusses
kann ebenfalls bestimmt werden. Der HF-Zyklus des Empfängers 12 (neun
Frequenzen über
etwa 500 MHz) und die Zielbestätigung für jeden
HF-Schritt wird ausgeführt.
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2 zeigt
die Sende- und Empfangs-HF-Sequenzen. Der Sender 11 hat
die gleiche Sequenz wie der Empfänger 12 außer während Referenzzeitschlitzen.
Dies gibt dem Empfänger 12 zusätzliche
Zeit in der Erfassungsphase auf der vorbestimmten Frequenz. Somit
erfasst die Suchvorrichtung das Ziel 13 bezüglich der
Entfernung und des Winkels. Sobald das Ziel 13 bezüglich Entfernung und
Winkel erfasst ist, startet der Empfänger 12 das Frequenzspringen
mit der empfangenen Sequenz von Signalen und wird auf die Signale
verriegelt, die von dem Sender 11 gesendet werden.
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Nach
der Erfassungsphase (d.h. der Zielverfolgung) kann der Empfänger 12 die
Strahlung einer unterschiedlichen Frequenz eines unterschiedlichen Senders 11 und
der Zeitperiode verarbeiten, die für die Erfassungsfrequenz belegt
wurde. Der Empfänger 12 synchronisiert
sich selbst mit dem Sender 11 auf 0,1 msec (wie im Flugtest
demonstriert).
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Während jedes
20-Millisekunden-HF-Rahmens fügt
der Sender 11 einen Abstand zwischen Impulsen (bspw. alle
4,8 msec oder 384 Impulsen) ein, um zu gewährleisten, dass die „A"-Impulse und die „Z"-Impulse in der Sequenz
nach der erfolgreichen Erfassung und der Zielverfolgung erkannt
werden.
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Die
Verarbeitung umfasst Zwischenimpuls(13:1)-Entfernungskomprimierungs- und kohärente Impuls-zu-Impuls-Verarbeitung.
Die Impuls-zu-Impuls-Verarbeitung wird über 0,4 msec Arrays ausgeführt und
umfasst: eine Fast-Fourier-Transformation(FFT
1)-Verarbeitung von Impulsen AA00AA00...AA00, eine Fast-Fourier-Transformation(FFT
2)-Verarbeitung der Impulse 00ZZ00ZZ ... 00ZZ, eine Erkennung und
Verfolgung des Ziels 13 und das Subtrahieren der Phase
der Signale von den beiden FFTs, um die Z-Phase relativ zu der A-Phase zu
erhalten. Diese Technik gewinnt die richtige relative Phase wieder,
selbst wenn es einen unbekannten Offset zwischen Empfangs- und Sendeoszillatoren gibt.
Somit werden FFTs über
die A-Impulse und die Z-Impulse ausgeführt, und der Reflexions-FFT-Filter wird
benutzt, um diese Winkelmessung zu dem Musterzentrum zu bestimmen,
das die Richtung des Ziels 13 anzeigt. Diese Musterzentrumsverarbeitung
ist allgemein bekannt und kann bspw. die in US-Patent Nr. 5,736,956,
erteilt am 7. April 1998 mit dem Titel „Unlocked W-band Receiver
with Coherent Features" offenbarte
sein.
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2 zeigt
beispielhafte Frequenzsequenzen mit einem 25%igen Tastverhältnis beim
zweiten Sender 11 während
der Zielsignalverfolgung. In 2 hat der
Sender 11 die gleiche Sequenz wie der Empfänger 12 außer, dass
während
der Referenzzeitschlitze der Sender 11 auf der Empfängererfassungsfrequenz
ist. Dies reduziert die Erfassungszeit für den Empfänger 12, während eine
vorbestimmte Sequenz für
den Sender 11 beibehalten wird. Ein 50 μsec Abstand alle 5 msec gewährleistet
die Synchronisation des Empfängers 12 mit
den A- und Z-Impulsen, die unterschiedliche Antennenmuster beim
Senden verwenden.
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3 und 4 zeigen
eine nachgewiesene erfolgreiche Sende-/Empfangssynchronisation ohne
Verriegelung, die im Flugtest erreicht wurde und die Intraimpuls
bzw. Interimpuls-Stabilität,
die von dem Radarsystem 10 erreicht wird, indem die beispielhafte
Wellenform 20 im bistatischen Betrieb verwendet wird.
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3 zeigt
beispielhafte Flugtestdaten, die Intra- bzw. Zwischenimpuls-Biphasen-Impulskomprimierung
zeigen. Ergebnisse des Flugtests zeigen eine erfolgreiche Impulskomprimierung
(30 MHz Bandbreite, fünf
Meter Entfernungsauflösung).
Die Datenverarbeitung hat ergeben, dass der Empfänger 12 die Spitzenrücksignalentfernungsbins
(die Entfernung des Ziels 13) genau erfasst und verfolgt.
Der Spitzenentfernungsbin bleibt gleich während der gesamten konischen
Abtastung, die vom Empfänger 12 ausgeführt wird.
Die Modulation, die von der konischen Abtastung auferlegt wird,
kann im Signal gesehen werden. Testergebnisse zeigen eine vernachlässigbaren
PRI-Drift zwischen dem unverriegelten Sender 11 und dem
Empfänger 12 während einer
vollständigen
konischen Abtastung.
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4 zeigt
beispielhafte Flugtestdaten, die Impuls-zu-Impuls-Signalkohärenz darstellen.
Die Ergebnisse der Flugtestdaten zeigen eine ausgezeichnete spektrale
Stabilität
zwischen dem Sender 11 und dem unverriegelten Empfänger 12.
Eine 32-Punkt-FFT der AA00 AA00 ...-Sequenz zeigt das Signal in
dem 30. FFT-Filter und, wie erwartet, die Mehrdeutigkeiten bei +/–PRF/4.
Datenverarbeitungsergebnisse verifizieren, dass die Eigenschaften
des erfassten Beleuchtungsmustersignals während der konischen Abtastung
stabil sind. Die konische Abtastmodulation über den Strahlpositionen erscheinen auf
der Signalantwort. Die Verfolgungsleistung zeigt, dass eine Kohärenz über zumindest
32 integrierte Impulse aufgebaut wird. Das Signal bleibt innerhalb eines
Doppler-Filters. Der DC-Offset zeigt den relativen Offset des unverriegelten
Empfängers 12 gegenüber dem
Sender 11 an.
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5 ist
ein Blockdiagramm, das ein beispielhaftes Verarbeitungsverfahren 30 entsprechend der
vorliegenden Erfindung zur Erfassung eines Ziels 13 zeigt,
indem ein unverriegelter Sender 11 und Empfänger 12 eines
bistatischen Radarsystems 10 verwendet werden. Das Verarbeitungsverfahren 30 umfasst
die folgenden Schritte.
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Eine
kontinuierliche Sequenz von Impulsen, die impulskomprimiert sein
kann, wird bei vorbestimmten Frequenzsätzen übertragen (31). Eine
Frequenz (eine Erfassungsfrequenz) wird gesendet (erneut besucht;
engl. revisited), häufiger
als die anderen Frequenzen, um eine verbesserte Erfassung bereitzustellen.
Energie, die vom Sender 11 gesendet wird und auch von einem
Ziel 13 reflektiert wird, wird empfangen 32. Die
Energie des direkten Pfads von dem Sender 11 wird nicht
benötigt
und wird unterdrückt 33 (d.h.
davon unterschieden). Die empfangene reflektierte Energie wird verarbeitet,
um Energie an der Erfassungsfrequenz über eine Vielzahl von Entfernungsbins
und während
vorbestimmter Impuls-Wiederholungsintervalle erfasst 34.
Um dies zu erreichen, kann die Verarbeitung das Abtasten eines Empfangsstrahls
in der Umgebung des Ziels 13 umfassen. Falls die erfasste
Energie über
einem bestimmten Schwellenwert ist, zeigt dies ein Gebiet von Interesse
(oder Entfernungsbins von Interesse) an und ein Entfernungsmuster
wird erzeugt 35.
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Sobald
ausreichend Energie in den Entfernungsbins gesammelt ist, wird die
Mitte bestimmt 36, die den relativen Winkel des Ziels 13 anzeigt.
Das Energiemuster innerhalb des interessierenden Gebiets wird verarbeitet,
um alle Frequenzen in dem Muster zu identifizieren 37.
Somit wird das Frequenzmuster bestimmt. Sobald das Muster bestimmt
ist, springt dann der Empfänger 12 bezüglich der
Frequenz mit dem Sender 11. Die Energie wird kohärent verarbeitet 39,
indem Fourier-Transformationen
(FFTs) eingesetzt werden, um das Musterzentrum in dem Muster zu
erkennen 39. Das Musterzentrum zeigt die Richtung des Ziels 13 an.
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Somit
wurde eine Wellenform und ein Verarbeitungsverfahren offenbart,
das einen kostengünstigen
und frequenzagilen bistatischen Betrieb von unverriegelten Radarsendern
und Empfängern
ermöglicht.
Es versteht sich, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsformen
rein beispielhafter Natur sind und für viele spezifische Ausführungsformen
stehen, die Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung
repräsentieren.
Viele und andere Anordnungen ergeben sich leicht für den Fachmann,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.