DE1591145B1 - Doppler-Radargeraet mit frequenzmoduliertem Dauerstrichsender zur Entfernungs-,insbesondere Hoehen- und gegebenenfalls Geschwindigkeitsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Doppler-Radar- Es ist bereits bekannt, diese internen Phasengerät mit einem frequenzmodulierten Dauerstrich- verschiebungen durch eine Phasenverschiebung konsender, mit einem Empfänger, der durch Mischung stanter Größe zu kompensieren. Dadurch wird das der Echo- mit der Sendewelle ein demoduliertes Problem jedoch nur zum Teil gelöst, da die innerSignal mit zwei symmetrisch um ein Vielfaches der 5 halb des Höhenmeßkanals auftretenden akkumu-Modulationsfrequenz liegenden Frequenzspektren lativen Phasenverschiebungen sehr stark von den erzeugt, die von diesem Vielfachen durch die Betriebsbedingungen — insbesondere Temperatur-Doppler-Frequenzverschiebung getrennt sind, mit Schwankungen — abhängen.

einem die beiden Frequenzspektren auswählenden Es ist ferner bereits bekannt (belgische Patent-

Filter, mit einem die Frequenzspektren mit sich io schrift 666 402), einen mit einem Oszillator verselbst mischenden Zwischenmodulator, mit einem sehenen Speicherkreis vorzusehen, bei welchem der weiteren Filter zur Auswahl des Signals mit einer Oszillator auf dieselbe Frequenz wie der Oszillator reinen Einzelfrequenz gleich dem doppelten Viel- des Senders abgestimmt ist, jedoch gegenüber demfachen der Modulationsfrequenz, mit einem die selben eine Phasenverschiebung aufweist, die den Phase des reinen Einzelfrequenzsignals mit der eines 15 internen Phasenverschiebungen des Senders und des gleichfrequenten, vom Sender abgeleiteten Bezugs- Empfängers entspricht. Es hat sich jedoch heraussignals vergleichenden Phasendetektor zur Entfer- gestellt, daß durch diese Maßnahmen die internen nungsmessung, insbesondere zur Höhen- und gege- Phasenverschiebungen nicht restlos beseitigt werden benenfalls Geschwindigkeitsmessung in Flugkörpern, können, da ein getrennter Oszillator vorgesehen wersowie mit einer Eichschaltung mit zeitgesteuerten ao den muß, der gegenüber dem Oszillator des Senders Schaltelementen und Speicherelementen zur Korn- auf genau derselben Frequenz gehalten werden muß, pensation der innerhalb des Empfangsteils auftreten- jedoch gegenüber demselben eine Phasenverschieden Phasenverschiebungen des Empfangssignals. bung aufweisen muß, was zu Schwierigkeiten führt. Bei an Bord von Flugzeugen mitgeführten Doppler- Demzufolge ist es das Ziel der vorliegenden ErRadar-Höhenmessern wird in der Regel ein gebün- 25 findung, ein Radargerät der obengenannten Art zu delter frequenzmodulierter Mikrowellenstrahl verti- schaffen, das die Mängel bisheriger solcher Radarkai gegen den Grund abgestrahlt und der rück- gerate nicht aufweist und das eine praktisch vollgestreute Strahl an Bord des Flugzeuges empfangen. kommene Kompensation der internen Phasen-Das empfangene Signal wird dann zu einem Null- verschiebungen ermöglicht, so daß selbst bei sehr schwebungsfrequenzsignal demoduliert, indem es mit 30 geringen Zielentfernungen sehr genaue Abstandseinem Teil des Sendersignals überlagert wird. Dies messungen möglich sind, führt theoretisch zu einem eine Nullfrequenz aufweisenden Produktträger und zu einer Reihe von
bei Vielfachen der Modulationsfrequenz auftretenden
Seitenbändern. Praktisch besteht jedoch jedes Seiten- 35
band auf Grund der Doppler- und der anderen
Effekte aus zwei ziemlich breiten Spektren, die in
gleichem Abstand oberhalb und unterhalb jedes
Vielfachen der Modulationsfrequenz angeordnet sind,
wobei an den Vielfachlinien selbst ein geringes oder 40
überhaupt kein Signal vorhanden ist. Zur Bestimmung des Bodenabstandes wird dann im allgemeinen
das bei einer Frequenz gleich der Modulationsfrequenz zentrierte Seitenbandpaar erster Ordnung
ausgewählt und durch ein Filter isoliert. Dieses 45
Seitenbandpaar wird dann beispielsweise frequenzverdoppelt, was zu einem Doppelfrequenzseitenband
sowie einem ausgeprägten, genau bei doppelter Modulationsfrequenz auftretenden Einzelfrequenzsignal
führt. Dieses Einzelfrequenzsignal wird dann durch 5°
Filter getrennt und seine Phase mit der Phase eines

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Eichschaltung folgende Elemente aufweist:

vom Sender abgeleiteten Bezugssignals verglichen, wobei die erhaltene Phasendifferenz direkt proportional der Höhe des Flugzeugs oberhalb des Erdbodens ist.

Es hat sich herausgestellt, daß bei Systemen dieser Art das im Höhenmeßkanal verarbeitete Signal auf Grund des Einflusses der verschiedenen Systemkomponenten — insbesondere der eine schmale

a) einen zeitgesteuerten Schalter, über welchen dem Empfänger in abwechselnden Zeitperioden At₁ und At₂ wahlweise das reflektierte Signal oder ein von dem Sender direkt abgeleitetes Signal zugeführt ist,

b) einen Eichgenerator, der zur Simulierung der Frequenzspektren des empfangenen Signals ein Ausgangssignal erzeugt, das während jener Zeitperioden A t₂, bei welchen der Empfänger direkt von dem Sender gespeist ist, dem demodulierten Signal zuaddiert ist,

c) zwei Speicherschaltungen, an welche über einen weiteren zeitgesteuerten Schalter das Ausgangssignal des Phasendetektors abwechselnd den Zeitperioden A t_t und A t₂ zugeführt ist,

d) eine subtrahierende Vergleichsschaltung, die ein Ausgangssignal entsprechend der Differenz der in den beiden Speicherkreisen gespeicherten Phasenwerte abgiebt.

Durch die Verwirklichung der erfindungsgemäßen Maßnahme bei einem Radarhöhenmesser kann daher ein Instrument geschaffen werden, das zu einem verbesserten Verhalten unter extremen Umgebungsbedingungen im Hinblick auf eine Löschung der

Bandbreite aufweisenden Filternetzwerke — mit 60 akkumulativen inneren Phasenverzögerungsfehler zusätzlichen akkumulativen Phasenverschiebungs- fähig ist, die auf Grund der den Höhenmesserkompof ehlern behaftet ist. Bei extremen Systembedingungen nenten eigenen Charakteristiken erzeugt werden. — d. h. insbesondere bei niedrigen Flughöhen — ist Vorzugsweise sind darüber hinaus Einrichtungen es so, daß die innerhalb des Systems erzeugten zum Extrahieren einer Geschwindigkeitsinformation Phasenverschiebungsfehler relativ erheblich größer 65 vom gleichen die Höhenmeßinformation abgebenden als die gemessenen Höhenverzögerungssignale sind, Seitenband vorgesehen, wodurch ein wirtschaftliches so daß das Systemverhalten ernsthaft verschlechtert und brauchbares Höhenmessersystem geschaffen ist. wird, das in der Lage ist, eine vollständige System-

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integration in einem Dopplernavigator sicherzu- Austritt aus dem Mischer 22 geführt wird und daß stellen. sämtliche Seitenbandprodukte außer den /₀- und Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen Zj-Seitenbändern hieraus eliminiert sind. Ausdrücknäher erläutert werden, in denen lieh soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß am F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform 5 Seitenband der ersten Ordnung nichts Außergewöhndes Höhenmessersystems nach der Erfindung ist; liches zu erkennen ist und daß die Höhen- und Ge-F i g. 2 ist ein Einzelheiten zeigendes Blockschalt- schwindigkeitsinformation theoretisch genauso gut bild eines Teiles des Eichkreises nach der Erfindung; von irgendeinem vorgewählten Seitenband höherer Fig. 3A bis 3H und Fig. 4A und 4B sind gra- Ordnung erhältlich sein kann. Wichtig jedoch ist es, fische Darstellungen der Signale am Ausgang der io daß sowohl Geschwindigkeits- wie Höheninformaverschiedenen Komponenten des in F i g. 1 und 2 tion vom gleichen Seitenband extrahiert werden,
gezeigten Höhenmessersystems. Nach Fig. 3B der Zeichnungen besteht das am Nach F i g. 1 speist ein kristallgesteuerter Oszil- Ausgang des Modulators 19 verfügbare FM-Signal latorlO eine Hochfrequenzspannung in einen Fre- aus einer von zwei Seitenbändern erster Ordnung quenzvervielfacher 11 ein, der die Hochfrequenz bis 15 umgebenen Trägerfrequenz, wobei diese letztgenannte in den Mikrowellenbereich vervielfacht und dann Trägerfrequenz nach unten relativ zu der gesendeten diese Spannung bei einer Frequenz co₀ an den Sender- Frequenz, jedoch um einen Betrag verschoben ist, Modulator 12 gibt. Ein zweiter kristallgesteuerter der gleich der Frequenz der Ausgangsspannung des Oszillator 14 erzeugt eine zweite Hochfrequenzspan- Oszillators 14 ist. Wird daher der Ausgang des nung und speist diese in den Frequenzteiler 16 ein. ao Oszillators 19 mit der Frequenz ω_ο—ω_ΖΡ mit dem Die Ausgangsspannung des Teilers 16 besitzt relativ empfangenen Echosignal ω_ϋ in dem Mischer 22 überniedrige Frequenz, co_mod, die dann an den Sender- lagert, so wird das in Fig. 3C dargestellte Signal Modulator 12 zur Frequenzmodulation des Mikro- erzeugt. Betrachtet man letzteres, so zeigt sich, daß wellensignals in bekannter Weise hierin gegeben das empfangene Echosignal zu einer Zwischenwird. Das resultierende FM-Mikrowellensignal wird 25 frequenz ω_ΖΡ hin seitenverschoben wurde, da letztedann durch übliche Hohlleiterrichtkoppler 17,18 an res gleich dem Differenz-Uberlagerungsprodukt zwiein übliches Antennensystem gegeben, durch das ein sehen der Trägerfrequenz des empfangenen Signals dünner Strahl frequenzmodulierter Energie gegen und der Trägerfrequenz der Ausgangsspannung des den Grund gerichtet wird. Gleichzeitig lenkt der Modulators 19 ist. Das heißt:
Richtkoppler 17 einen kleinen Teil der frequenz- 30 _ / _ \ ₌
modulierten Mikrowellenenergie in einen üblichen ^ω° ^^ω° ^{zp) ZF}'
Einseitenbandmodulator 19, dem ebenfalls die Hoch- Die wesentlichen Gründe zur Seitenverschiebung frequenzzwischenspannung mit der Frequenz ω_ΖΡ zu- des Echosignals zur Zwischenfrequenz ω_ΖΡ sind zweigeführt wird, die durch den zweiten kristallgesteuer- fächer Natur. Zunächst wird hierdurch ein Signal ten Oszillator 14 erzeugt wurde. Der Ausgang des 35 mit optimalem Rauschabstand erzeugt, und zweitens Modulators 19 wird dann an einen Empfänger- wird hierdurch die Verwendung relativ einfacher Mischer 22 angelegt, wo er mit dem Echosignal und daher billiger Siebschaltungen für das zu beüberlagert wird, das in den Empfänger-Mischer von schreibende Filterverfahren möglich,
der Antenne über den Mikrowellenschalter 21 ein- Nach Verstärkung im ZF-Verstärker 23 wird das gespeist wurde. 4° Ausgangssignal vom Empfänger-Mischer 22 durch Wie Fig. 3A zeigt, kann das Echosignal im eine Siebschaltung 24 mit Bandsperrcharakteristik Frequenzbereich sichtbar gemacht werden in Form geleitet, wobei die Störkomponente und das der von Einzelfrequenz-Spektrallinien, und zwar bei ersten Ordnung Z₀ oder der Trägerfrequenz ω_ΖΡ zuTrägerfrequenz CO₀ sowie bei jeder Seitenbandsteile geordnete Dopplerspektrum vom Signal abgelöst der nächsten Ordnung (ω₀±co_mod, ω_ο±2 w_mod ... 45 werden. Dies ist in Fig. 3C durch die gestrichelte usw.). Diese nadeiförmigen Spektrallinien stellen Linie N angedeutet. Die resultierende nur eine unerwünschte, beim Sender immer vorhandene Streu- Doppler-Seitenbandinformation der ersten Ordnung oder Störsignale dar. Neben jedem Störimpuls ist sowie zugeordnete Nullgeschwindigkeits-Störkompoeine Signalumhüllende mit einer Spektralfrequenz- nenten enthaltende Schwingung wird dann gleichverteilung zu sehen. Letztere beruht auf der bekann- 5° zeitig in die Mischeinheiten 25 und 26 gegeben, ten Dopplerverschiebung der rückgestreuten Energie Ebenfalls in die Mischeinheiten gegeben wird das sowie auf Störmodulationen, Geräusch u. dgl. So ist örtliche Oszillatorsignal co_ZF vom Oszillator 14. Vor die die Doppler-Verschiebungsfrequenz darstellende dem Erreichen des Mischers 26 jedoch wird das Größe v, wie in F i g. 3 A dargestellt, als der Abstand lokale Schwingsignal des letzteren um + 90° im zwischen jeder Spetrallinie L und der Mittelfrequenz 55 Phasenschieber 27 verschoben. Durch diese Anordder zugeordneten Spektralumhüllenden angegeben. nung sind die Mischereinheiten 25, 26 jeweils in Der Fachmann weiß, daß das Sendersignal und damit »Quadratur« relativ zueinander, d. h., sie unterdas Echosignal tatsächlich viele Seitenbandordnun- scheiden sich in der Phase um 90°.
gen umfaßt, obwohl nur die I₀- und Z^-Seitenbänder Das Ergebnis der Überlagerung des gefilterten dargestellt wurden. Der Grund hierfür ist darin zu 60 Signals nach F i g. 3 C mit ω_ΖΡ besteht darin, daß sehen, daß die Höhen- und Geschwindigkeitsinforma- jeder Mischer 25, 26 ein Signal erzeugt, das äquition vom SeitenbandZ₁ erster Ordnung extrahiert valent einer Faltung des Spektrums nach Fig. 3C wird; eine Darstellung der anderen Seitenband- um seinen Trägerfrequenzpunkt oj_zp und einer Reduprodukte auf I₂, Z₃ .. .I_n würde daher nur die Dar- zierung der Trägerfrequenz auf Null, wie in F i g. 3 D stellung verkomplizieren, ohne daß hiermit zum 65 gezeigt, ist.

Verständnis der Erfindung mehr beigetragen werden Der gerade beschriebene Demodulationsprozeß

könnte. Es soll daher angenommen werden, daß das führt in anderen Worten zu einem theoretisch bei

Echosignal durch ein nicht dargestelltes Filter nach Nullfrequenz überlagerten Trägerprodukt und einem

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Paar bezüglich Modulationsfrequenz zentrierter punkt sozusagen hinüberwandert und auf der ande-Seitenbänder. Dies ist aus Fig. 3D ersichtlich, nach ren Seite, wie in Fig. 4B gestrichelt dargestellt, der das Seitenbandpaar tatsächlich aus zwei ziemlich erscheint. In dem einen Fall mißt der Frequenzbreiten Spektren besteht, die gleichen Abstand ober- sucher a>_mod-\-v, im anderen Fall a>_mod—v. halb und unterhalb des Modulations-Frequenzpunk- 5 Die Fähigkeit, eine Geschwindigkeitsinformation tes besitzen, wobei jedes Spektrum selbstverständlich bezüglich des Einzelseitenbandes vom gleichen die eigenartige Natur des Doppler-Rückkehrsignals Seitenband, das schließlich auch din Höheninformawiedergibt. Das einzige am Modulations-Frequenz- tion gibt, herauszuziehen, lernt man am besten dann punkt selbst vorhandene Signal ist die Nullgeschwin- schätzen, wenn man daran denkt, daß der Radardigkeits-Störspektrallinie L. io Höhenmesser nach der Erfindung zur vollständigen

Nach der Überlagerung in den Mischern 25 bzw. Systemintegration in einem Doppler-Navigator ein-26 kann die im verarbeiteten Signal enthaltene gerichtet sein und so teure überflüssige Teile ver-Doppler-Geschwindigkeits- und Höheninformation meiden kann. Tatsächlich kann der vorliegende in die jeweils eigenen Kanäle getrennt werden. Wie Höhenmesser als das vordere Ende des Navigators in F i g. 1 dargestellt, wird daher das Seitenbandpaar- 15 ausgenutzt werden, da er in einfacher Weise sich Ausgangssignal des Mischers 25 gleichzeitg an eine in den Frequenzsucherkanal einstöpseln läßt. Summierungsschaltung 28 und an eine + 90°- Wie oben erwähnt, werden die um 90° phasen-

Phasenschieberschaltung 38 gegeben. Der Ausgang verschobenen Seitenbandpaare auch einem Summiedes Mischers 26 wird dagegen gleichzeitig an die rungspunkt zugeführt, wo ein einziges zusammen-Summierungsschaltung 28 und eine zweite Summie- ao gesetztes Signal identisch dem in F i g. 3 D erzeugt rungsstelle 61 gegeben. Wenn also die gegeneinander wird, jedoch für eine 90°-Phasenverschiebungsphasenverschobenen Doppelseitenbänder im Addi- komponente, die keinerlei Einfluß auf die Frequenztionskreis 61 summiert sind, nachdem das Seiten- verteilung des Signals besitzt. Dieses zusammenbandpaar vom Mischer 25 eine weitere Phasenver- gesetzte Signal wird dann durch ein Störungsbeseitischiebung im Phasenschieberkreis 38 erlitten hat, 25 gungsfilter 29 geführt, wo die unerwünschte Spektralwird ein Ausgangssignal, bestehend aus einem einzi- linie L entfernt wird und das resultierende, nur die gen Seitenband mit einer Frequenzverteilung gleich oberen und unteren Seitenbandspektren enthaltende der Frequenzverteilung in einem der beiden Seiten- Signal weiter verstärkt wird.

bänder im Eingangssignal, erzeugt. Das Ergebnis Es soll in diesem Zusammenhang darauf hin-

dieses Vorgehens läßt sich zunächst aus Fig. 4A 30 gewiesen werden, daß sowohl das die Störung beablesen, in der eine graphische Wiedergabe im seitigende Filter 29 sowie das /₀-Filter24 von der Frequenzbereich gegeben ist, in der die Frequenz- Bauart mit breitem Durchlaßbereich mit einem zenverteilung jedes Eingangssignals zum zweiten Addi- tralen Sperrbereich sein können, wobei letzterer so tionskreis 61 dargestellt ist. In ähnlicher Weise zeigt schmal gewählt werden kann, wie dies die Anforde-Fig.4B das entsprechende Ausgangssignal nach 35 rangen diktieren.

Summierung. Vergleicht man Fig. 4A mit 4B, so Der Ausgang der Komponente29 wird dann in

erkennt man, daß dann, wenn das Signal nach der eine Frequenzverdopplerschaltung 30 gegeben. Letzersteren in den Frequenzsuchkanal eines üblichen tere, bei der es sich beispielsweise um einen VoIl-Doppler-Navigators eingegeben würde, dieser Such- wellengleichrichter handeln kann, zwischenmoduliert kanal nur in der Lage wäre, die Größe der Doppler- 40 das Seitenbandpaar, was zu einem Ausgangssignal Verschiebungsfrequenz ν herauszufinden, jedoch mit einer Frequenz gleich der doppelten Modulationsnicht deren Sinn bezüglich einer Richtungsänderung. frequenz führt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß der Such- daß die beiden Spektren ein eindeutiges Verhältnis kanal nicht unterscheiden kann zwischen einer zueinander haben, was aus der Verarbeitung in den negativen oder positiven Geschwindigkeit (z. B. 45 vorgenannten Mischeinheiten 25, 26 herrührt. Auf einem Einweisen nach vorwärts oder rückwärts — Grund der Art ihrer Erzeugung ist jedes Spektrum z.B. bei Hubschraubern), wenn diesem ein Doppler- das Spiegelbild des anderen, wie in Fig. 3D dar-Eingang mit Doppelseitenbändern gegenübergestellt gestellt. Was dies wirklich bedeutet, ist, daß im wird, die symmetrisch um eine Bezugsfrequenz co_mod Oberbereich, wenn beim einen Spektrum eine Freunter sämtlichen Geschwindigkeitsbedingungen an- 5° quenz von der Modulationsfrequenz um einen begeordnet sind; dies darum, weil bei Auftreten einer stimmten Betrag getrennt ist, das andere Spektrum Richtungsänderung, beispielsweise von vorwärts auf gleichzeitig eine Frequenz besitzt, die von der Modurückwärts, die Spektren nach Fig. 4A lediglich ihre lationsfrequenz um den gleichen Betrag, jedoch in Lagen relativ zum Bezugsfrequenzpunkt in spiegel- der entgegengesetzten Richtung getrennt ist. Werden bildartiger Weise ändern; das Ergebnis ist, daß der 55 nun diese Spektrensignale zusammen in einem Zwi-Frequenzsuchkanal nicht die Differenz zwischen den schenmodulator oder Verdoppler 30 multipliziert, so Signalen vor und nach dem Wechsel angeben kann. erzeugen sie ein Signal mit einem scharfen Linien-Dagegen verhält sich das Einzelseitenband-Doppler- Spektrum bei einer Frequenz gleich der doppelten Spektrum nach Fig. 4B asymmetrisch relativ zur Modulationsfrequenz zusätzlich zu anderen Vektor-Bezugsfrequenz (ü_mod, und der Frequenzsuchkanal 60 Produkt-Frequenzen. Diese Verhältnisse ergeben kann daher diese Tatsache vorteilhaft zur Ermittlung sich aus F i g. 3 G.

des Geschwindigkeitsvektors ausnutzen; d. h., der Das zwischenmodulierte Signal wird dann in ein

Sucher mißt eine positive Geschwindigkeit, wenn das Filter 31 gegeben, das scharf auf eine Frequenz Einzelseitenband sich auf einer Seite des Bezugs- gleich der doppelten Modulationsfrequenz eingestellt frequenzpunktes, wie durch die ausgezogene Linie 65 ist und das ein so schmales Band besitzt, daß es m Fig. 4B gezeigt, befindet, und in ähnlicher Weise Rauschen und Doppler-Seitenbänder ausschließt, die ermittelt der Sucher eine negative Geschwindigkeit, durch den Zwischenmodulator 30 übertragen oder wenn das Einzelseitenband über den Bezugsfrequenz- verdoppelt werden. Diese Verdopplungs- und Filter-

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vorgänge erzeugen und isolieren so ein Signal mit durchlaßsignal relativ großer Amplitude besteht, einer reinen Einzelfrequenz bei doppelter Modula- Letzteres wird dann in der gleichen Art und Weise tionsfrequenz. Dieses singuläre Frequenzsignal ist im verarbeitet, wie dies bei einem normalen Echosignal wesentliche der einzige Ausgang der Siebschaltung 31. während Δ t_x der Fall sein würde; d. h., das Durch-Dieser wird nun an den Phasendetektor 34 gegeben. 5 laßsignal wird zunächst seitenverschoben, indem Die Phase der Ausgangsspannung des Frequenz- man es mit der Ausgangsspannung des Einseitenteilers 16 wird als Bezugsgröße beim Messen der band-Modulators 19 im Mischer 22 vermischt und Ausgangsspannung des Filters 31 benutzt. Es ist hiernach in Komponenten 23 und 24 jeweils verstärkt jedoch bekannt, daß bei Phasenvergleichen die Be- und filtert. Es wird dann gleichzeitig in die Mischer zugsspannung die gleiche Frequenz wie das ge- ίο 25, 26 eingespeist.

messene Signal aufweisen sollte. Der Ausgang des Der Zweck dieser Mischer während des Zeit-Frequenzteilers 16 wird daher durch den Frequenz- Intervalls Δ t_t war bekanntlich, das seitenverschobene verdoppler 32 in seiner Frequenz verdoppelt und Echosignal einer theoretischen Nullschwebungshiernach durch die Siebschaltung 33 zur Entfernung frequenz zu überlagern und ein Doppler-Seitenbandseiner Grundfrequenzkomponente bei der Modula- 15 paar zu erzeugen, das bezüglich der Modulationstionsfrequenz geführt. Die verbleibende Signal- frequenz zentriert war. Wie jedoch bereits angekomponente besitzt eine Frequenz gleich der doppel- deutet, besitzt das am entsprechenden Punkt im ten Modulationsfrequenz; dieses Signal wird dann Zeitintervall Δ t._z erscheinende Signal keine Dopplerdem Phasendetektor 34 zugeführt. Ein nicht dar- Rückkehrkomponente. Darüber hinaus müssen die gestellter Phasenschieber kann unmittelbar hinter 20 im verarbeiteten Signal verbleibenden Leck- bzw. dem Filter 33 dazu benutzt werden, jede Phasen- Störkomponenten im Störangs-Eliminierungsfilter 29 verschiebung zu kompensieren, die die Bezugsspan- vor dem Verdoppeln des Doppler-Seitenbandpaares nung im Verdoppler 32 und Filter 33 erlitten hat. im Zwischenmodulator 30 beseitigt werden. Es ist Der Phasendetektor 34 gibt ein Signal ab, das in darüber hinaus offensichtlich, daß ein großer Teil der Amplitude dem Differenzwinkel Θ zwischen der as der inneren Phasenverzögerungskomponente in den Phase des am Ausgang des Filters 31 vorhandenen Systemkomponenten erzeugt wird, die zum VerSignals und der Phase der Bezugsspannung ent- arbeiten des Doppler-Seitenbandpaares, wie in spricht. Fig. 3D gezeigt, verantwortlich ist, nämlich das Das am Ausgang des Phasendetektors 34 auf- Schmalband-Störungsbeseitigungsfilter 29, der Vertretende Signal besteht aus zwei Komponenten, 30 doppler 30 und das Schmalbandfilter 31.
nämlich einer Komponente proportional der äußeren Es wäre daher logisch, anzunehmen, daß an dieser Phasenverschiebung auf Grund der Höhe und einer Stelle bestimmte Mittel zum Einführen eines simu-Komponente proportional der inneren Phasen- lierten Doppler-Rückkehrsignals in das System vorverzögerung, die auf der Verarbeitung des empfan- gesehen sein müssen. Diese Forderung wird erfüllt, genen Signals selbst beruht. Das Phasendetektor- 35 indem ein Eichgenerator 37 zwischen der Summie-Ausgangssignal wird dann über einen Schalter in eine rungsschaltung 28 und dem Störbeseitigungsfilter 29 Speicherschleife 40 gegeben, deren Arbeitsweise vorgesehen ist. Dieser Generator 37 umfaßt Mittel weiter unten beschrieben werden wird. zum Empfang des Modulations-Frequenzausgan-Bisher bezogen sich die Erläuterungen im wesent- ges co_mod, der vom Teiler 16 erhalten wurde, und zur liehen auf den Normal-Betrieb des FM-Radar- 40 weiteren Teilung dieses Signals in eine niedrigere Höhenmessers. Nun sollen das Verfahren und die Frequenz gleich der Doppler- Verschiebungsfrequenz v. Mittel zum Eliminieren und Beseitigen der inneren Der Generator umfaßt auch Mittel zur Amplituden-Verzögerungskomponente aus dem Ausgangssignal modulation des Ausgangssignals der Summierungsdes Höhenmeßkanal-Phasendetektors beschrieben schaltung 28 mit diesem Signal. Da das den Mischern werden. 45 25, 26 zugeführte Signal nur die Nullgeschwindig-Es soll angenommen werden, daß das System in keits-Störsignale erster Ordnung, wie in Fig. 3C der oben beschriebenen Weise über ein endliches gezeigt, enthält, umfaßt der Ausgang des Additions-Zeitintervall Δ t_t im Normal-Betrieb betätigt wurde. kreises 28 während des Eichbetriebes eine Einzel-Nun soll angenommen werden, daß das Höhenmeß- frequenz-Spektrallinie bei a>_mod, wie beispielsweise gerät für ein ebenso langes endliches Zeitintervall Δ U 5" in Fig. 3E dargestellt. In kennzeichnender Weise betrieben werden soll, das unmittelbar auf Δ ΐ_χ folgt umfaßt dieses Signal die gleiche Phasenverschie-Um nun die Arbeitsweise vom Normal-Betrieb zu bungskomponente, die im verarbeiteten Echosignal unterscheiden, soll die Arbeitsweise des Systems erzeugt war.

während des Intervalls Δ t_a als Arbeitsweise im Eich- Die Verwendung der beiden Mischer und eines betrieb bezeichnet werden. Gleichzeitig mit der Aus- 55 Phasenschiebers zur Erzeugung von in Phasenlösung des unmittelbar folgenden Zeitintervalls Δ t„ quadratur stehenden Bezugs-Doppel-Seitenbändern wird der Mikrowellenschalter 21 betätigt, wodurch ist wesentlich für das vorbeschriebene Verfahren, die beim Höhenmessersystem verwendete Antenne d. h. die Erzeugung eines Einseitenband-Dopplerkurzgeschlossen wird. Der frequenzmodulierte Mikro- geschwmdigkeitssignals während des Normal-Betriebs wellenträger kann hierbei durch den Duplexerl8 60 des Höhenmessers. Das Doppelmischer-Phasen- und den Schalter 21 direkt in den Mischer 22 durch- verschiebungsverfahren besitzt jedoch eine gleich gelassen werden. Da dieses Signal vom Boden nicht wichtige Funktion während des Eichbetriebes. Es reflektiert wurde, enthält es keine Spektraldoppier- hat sich herausgestellt, daß unter Verwendung eines Rückkehrinformation, und, was noch wichtiger ist, einzigen Mischers ohne Phasenverschiebung das es ist keinerlei äußere Phasenverzögerungskompo- 65 überlagerte Mischerausgangssignal (Fig. 3E) bei nente entsprechend der gemessenen Höhe darin ent- ungeordneten Intervallen verloren wäre. Dies ist halten. Man kann also annehmen, daß das in den darauf zurückzuführen, daß das während des Eich-Mischer 22 eintretende Signal aus einem Sender- betriebes einer Nullschwebungsfrequenz überlagerte

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Signal zwei Stör-Spektrallinien bei w_Zp±<o_mod, wie Verzögerung. In ähnlicher Weise stellt am Ende von

in F i g. 3 C gezeigt, umfaßt. Dies bedeutet, daß das Δ t₂ der Ausgang des Eichspeicherkreises die mit dem

von einem einzigen Mischer stammende, um ω_ΖΡ Eichsignal verbundene Gesamtphasenverzögerung

gefaltete Ausgangssignal tatsächlich aus zwei Korn- dar. Dieses Signal umfaßt jedoch nur eine einzige ponenten mit getrennt beliebig variierenden Phasen 5 Komponente, die gleich der inneren Phasenkompo-

besteht, obwohl dieses Signal im Frequenzbereich nente im Normalspeicherkreis-Ausgangssignal ist. Es

als Einzelfrequenzsignal, wie in Fig. 3E gezeigt, ist daher selbstverständlich, daß dann, wenn die

erscheint. In beliebigen Intervallen wurden die Ausgänge beider Kreise dem Differenzkomparator 36

Phasen der beiden Komponenten elektrisch um 180° über eine Zeitperiode gleich der Dauer der beiden A t einander gegenüberstehen, das Signal würde gelöscht io zugeführt werden, die inneren Phasenkomponenten

werden. Führt man jedoch eine feste 90°-Phasen- einander aufheben und das Ausgangssignal des

differenz in das Signal ein, so kann diese Löschung Komparators nur eine Komponente enthält, die die

vermieden werden, da das Signal nach Fig. 3E Größe der äußeren Verzögerung wiedergibt. Die

dann immer Phasenkomponenten aufweisen würde, letztere, die natürlich proportional der gemessenen die durch die Vektorsumme (sin Θ + cos Θ) dar- 15 Höhe ist, kann dann einem üblichen Höhenanzeiger

gestellt würden, die niemals Null sein könnte. zugeleitet werden; die Augenblickshöhe während

Im Eichbetrieb nun wird der Ausgang des Addi- zweier Δ t kann an Bord des Luftfahrzeuges abge-

tionskreises 28 dem Eichgenerator zugeführt, wo er lesen werden.

durch das Niederfrequenzsignal amplitudenmoduliert An Hand von F i g. 2 soll die Betriebsweise der wird und hierdurch ein Trägerprodukt bei w_moi und 20 Speicherkreise 40, 41 beschrieben werden. Seitenbänder bei co_mod ± ν entstehen. Die Frequenz- Eine geeignete von der Quelle 39 erhaltene Spanverteilung ist in F i g. 3 F gezeigt. Wie ersichtlich, nung wird dazu benutzt, das Relais 43 über einen ist das Eichgenerator-Ausgangssignal (im weiteren als Unterbrecher 42 intermittierend zu erregen. Das Eichsignal bezeichnet) ähnlich dem Ausgangssignal Relais ist, wie dargestellt, mit einem Hebelsystem des Additionskreises 28 an einer entsprechenden 25 verbunden und betätigt einen Schalter 35 periodisch, Stelle im Intervall Δ t_v Es ergibt sich daher, daß das so daß periodisch der Ausgang des Phasendetektors Eichsignal weiterhin die gleiche Innenphasen- 34 zwischen den Leitern 53 und 54 jeweils geschaltet verschiebungs-Fehlerkomponente sammelt, wie sie wird und hierdurch die Intervalle At₁, At₂ jeweils durch das Echosignal akkumuliert wird, wenn das festgelegt werden. Da letztere gleiche Dauer besitzen, letztere durch das Höhenmessersystem während des 30 ist der Unterbrecher so ausgelegt, daß er die Erregung Normal-Betriebes verarbeitet wurde. Während das des Relais 43 steuert mit dem Ergebnis, daß letzteres Eichsignal durch den Verdoppler 30 geführt wird, über eine Zeitdauer erregt wird, die gleich der Zeitwird es darüber hinaus in der gleichen Weise wie dauer ist, während es entregt ist. Durch Verwendung das Echosignal zwischenmoduliert. Das Filter 31 zusätzlicher Relais zusammen mit dem Unterbrecher erzeugt während des Intervalls Δ t₂ also ein Aus- 35 43 werden der Eichgenerator 37 und der Mikrogangssignal mit einer Frequenzverteilung, wie in wellenschalter 21 nach F i g. 1 wirksam synchron mit Fig. 3 H dargestellt; d.h., es umfaßt ein Signal mit der Betätigung des Schalters 35 gesteuert. Dies ist einer einzigen Frequenzkomponente gleich der in F i g. 1 durch die gestrichelte Linie 55 angegeben, doppelten Modulationsfrequenz. Das Signal ist daher Es soll nun angenommen werden, daß das System zu einem Phasenvergleich im Phasendetektor 34 in 40 bei Normalbetrieb arbeitet und daß das Intervall Δ t_t der Lage, wobei die Bezugsphase am Ausgang des durch Erregung des Relais 43 ausgelöst ist. Der Filters 33 zur Verfügung steht. Während des Inter- Ausgang des Phasendetektors 34, der ein Fehlervalls At₂ besitzt also das am Ausgang des Phasen- signal proportional der Summe der inneren und detektors 34 erscheinende Signal eine Amplitude, die äußeren Phasenverzögerungen darstellt, wird durch lediglich für den inneren Phasenverzögerungsfehler 45 den Schalter 35 in den Leiter 53 gegeben. Letzterer steht, der durch die Systemkomponenten an sich koppelt dann das Fehlersignal mit dem Eingangserzeugt wurde. summierkreis des Servorverstärkers 44. Der Verstär-Wird der Schalter 21 betätigt und schließt so die ker zusammen mit einem Servomotor 45, einem Antenne kurz und löst das Eichintervall At₂ aus, so Schleifpotentiometer 46 und einem Mitziehschalter 47 wird auch der den Phasendetektor mit dem Eich- 50 bildet den Normalbetriebsspeicherkreis 40, der offenspeicherkreis 41 verbindende Schalter 35 betätigt und sichtlich nichts anderes darstellt als einen Nachtrennt ihn vom Normalspeicherkreis 40. Das Ergebnis führungsservomechanismus; d. h., die Ausgangswelle ist, daß die durch das System während A t₂ ver- des Servomotors 45 dreht sich entsprechend dem arbeiteten Signale in der erstgenannten Schleife ge- verstärkten Fehlersignal, und das Potentiometer 46 speichert wurden. Bei Beginn jedes Zeitintervalls 55 führt eine ausreichende Spannung zum Verstärker 44 wird nun der Informationszustand jeder Schleife durch den geschlossenen Schalter 47 zurück, bis das ermittelt und die Ergebnisse in den Differenzkompa- Fehlersignal zu Null wird. An dieser Stelle wird die rator 36 gegeben. Wird daher die Antenne bei aus- Servomechanismus-Schleife stabil; die Ausgangswelle reichend großer Geschwindigkeit kurzgeschlossen des Servomotors hat sich um einen Winkel porpor- oder — anders ausgedrückt — ist jedes Zeitintervall 60 tional der Größe und Polarität des Fehlersignals hinsichtlich seiner Dauer kurz genug, dann kann gedreht. Die gleiche Wellendrehung dient auch als angenommen werden, daß die innere, durch das einer der Eingänge zum Differenzkomparator 36. System während zweier aufeinanderfolgender Inter- Nach Ende des Intervalls A t_x und wenn das valle erzeugte Verzögerung konstant bleibt. Am System in Eichbetrieb umschaltet, wird das Relais 43 Ende von A t_x stellt der Ausgang der Normalspeicher- 65 entregt, indem die Phasendetektorspannung auf den schleife die gesamte Phasenverzögerung des emp- Leiter 54 geschaltet wird, indem der Mitziehschalter fangenen Echosignals dar und umfaßt zwei Kompo- 48 geschlossen und der Schalter 47 geöffnet wird. Die nenten, nämlich äußere Verzögerung und innere letztgenannte Maßnahme ist notwendig, um die

Rückkopplungsspannung im Rückkopplungskreis zu halten und hierdurch zu verhindern, daß die Servomotorausgangswelle etwas zurückgedreht wird, während die Phasendetektorfehlerspannung vom Eingangskreis des Servoverstärkers 44 entfernt wird. Der Eichgenerator 37 wird auch eingeschaltet; der Mikrowellenschalter 41 wird eingelegt, um das Antennensystem kurzzuschließen. Das System arbeitet nun auf Eichbetrieb; At₂ ist ausgelöst worden. Die Phasendetektorfehlerspannung geht nun über den Leiter 54 in den Servoverstärker 49. Letzterer bildet zusammen mit dem Servomotor 50, dem Rückkopplungs-Potentiometer 51 und dem Mitziehschalter 48 den Eichspeicherkreis 41 und stellt selbst nichts weiter dar als einen üblichen Nachführungs-Servomechanismus. Die jeweiligen Speicherschleifen 40, 41 arbeiten tatsächlich in identischer Weise, jedoch mit einem wichtigen Unterschied; d. h., die Phasendetektor-Fehlerspannung ist während des Eichbetriebsintervalls A t₂ nur der inneren Phasenverzögerung, die durch da's System selbst erzeugt wurde, proportional. Während des Intervalls Ai₂ dient also die Ausgangswellenverschiebung des Servomotors 50 (die nur der inneren Verzögerungskomponente entspricht) als der andere Eingang des Differenzkomparators 36. In an sich bekannter Weise besitzt der Differenzkomparator zwei Eingänge und einen Ausgang, wobei letzterer die Differenz zwischen den beiden Eingängen darstellt. Die Ausgangswelle des Differenzkomparators 36 am Ende eines Intervalls, das hinsichtlich der Dauer gleich At₁ plus At₂ ist, hat sich dann um einen Betrag, der lediglich proportional der äußeren Phasenverzögerungskomponente ist, gedreht, wobei die inneren Phasenkomponenten durch den Eigenbetrieb des !Comparators 36 gelöscht wurden. Der Ausgang des Differenzkomparators 36 stellt somit die reine Höhenproportionalität ohne Störung durch die inneren Phasenverzögerungen dar, wie sie unvermeidlicherweise während der Systemverarbeitung erzeugt werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Doppler-Radargerät mit einem frequenzmodulierten Dauerstrichsender, mit einem Empfänger, der durch Mischung der Echo- mit der Sendewelle ein demoduliertes Signal mit zwei symmetrisch um ein Vielfaches der Modulationsfrequenz liegenden Frequenzspektren erzeugt, die von diesem Vielfachen durch die Doppier-Frequenzverschiebung getrennt sind, mit einem die beiden Frequenzspektren auswählenden Filter, mit einem die Frequenzspektren mit sich selbst mischenden Zwischenmodulator, mit einem weiteren Filter zur Auswahl des Signals mit einer reinen Einzelfrequenz gleich dem doppelten Vielfachen der Modulationsfrequenz, mit einem die Phase des reinen Einzelfrequenzsignals mit der eines gleichfrequenten, vom Sender abgeleiteten Bezugssignals vergleichenden Phasendetektor zur Entfernungsmessung, insbesondere zur Höhen- und gegebenenfalls Geschwindigkeitsmessung in Flugkörpern, sowie mit einer Eichschaltung mit zeitgesteuerten Schaltelementen und Speicherelementen zur Kompensation der innerhalb des Empfangsteils auftretenden Phasenverschiebungen des Empfangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Eichschaltung (21, 35, 37, 40, 41) folgende Elemente aufweist:

a) einen zeitgesteuerten Schalter (21), über welchen dem Empfänger (22 bis 26) in abwechselnden Zeitperioden (At₁ und At₂) wahlweise das reflektierte Signal oder ein von dem Sender (10 bis 12) direkt abgeleitetes Signal zugeführt ist,

b) einen Eichgenerator (37), der zur Simulierung der Frequenzspektren des empfangenen Signals ein Ausgangssignal erzeugt, das während jener Zeitperioden (A t₂), bei welchen der Empfänger (22 bis 26) direkt von dem Sender (10 bis 12) gespeist ist, dem demodulierten Signal zuaddiert ist,

c) zwei Speicherschaltungen (40,41), an welche über einen weiteren zeitgesteuerten Schalter (35) das Ausgangssignal des Phasendetektors (34) abwechselnd entsprechend den Zeitperioden (A Z₁ und A t₂) zugeführt ist,

d) eine subtrahierende Vergleichsschaltung (36), die ein Ausgangssignal entsprechend der Differenz der in den beiden Speicherkreisen (40, 41) gespeicherten Phasenwerte abgibt.

2. Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (22 bis 26) in an sich bekannter Weise ein Paar von Mischern (25, 26) aufweist, in welchen das mit einer Zwischenfrequenz überlagerte Empfangssignal mit in Phasenquadratur stehenden Bezugs-Zwischenfrequenzsignalen gemischt ist, und daß mit den Ausgängen der Mischer (25, 26) eine das demodulierte Signal abgebende Summierschaltung (28) verbunden ist.

3. Radargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in ebenfalls an sich bekannter Weise der Ausgang des mit dem Bezugs-Zwischenfrequenzsignal mit nacheilender Phase gespeisten Mischers (26) direkt einer weiteren Summierschaltung (61) zugeführt ist, an deren anderen Eingang das über einen 90°-Phasenschieber (38) geführte Ausgangssignal des anderen Mischers (25) gelegt ist, wodurch am Ausgang dieser weiteren Summierschaltung (61) ein der Geschwindigkeit entsprechendes Signal erzeugt ist.

4. Radargerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Frequenzspektren simulierenden Signale des Eichgenerators (37) Seitenbandsignale sind und daß das von dem Empfänger (22 bis 26) demodulierte Signal mit solchen Seitenbandsignalen moduliert ist, deren Frequenz in der Größenordnung der Doppler-Frequenzverschiebung liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COPY