DE1960862A1 - Radar-Simulator - Google Patents

Description

Stuttgart-Feuerbach
Kurse Strasse 8

LABOHATOIRE- CENTRAL DEJTELECOMMÜNICATIONS,

■/■;iii:y-ViiIaoou'olav, r r'-Macrii

Radar - Simulator

Die Erfindung betrifft eine Sohaltungsanordnung zum Simulieren der Videosignale eines kohärenten Impuls-Doppler-Raciargerätes, insbesondere eines solchen mit zwei sich teilweise überlappenden Strahlungskeulen, das allgemein unter dem Namen Monopuls-Radar bekannt ist.

Es sei kurz darauf hingewiesen, daß ein Monopuls-Radargerät gestattet, in einer Koordinate, z.B. im Azimut, Winkeldifierenzen zwischen einem ersten und einem zweiten Ziel zu bestimmen. Das Antennensystem eines solchen Radargerätes besteht beispielsweise aus einem Reflektor, der von zwei Primärstrahlern erregt wird, so daß man zwei Strahlungskeulen erhält, die symmetrisch in Bezug auf die Achse des Reflektors sind und sich teilweise überlappen. Der Radarimpuls wird von beiden PrimärStrahlern gleichzeitig ausgestrahlt, und das vom Antennensystem in den Raum ausgestrahlte Strahlungsdiagramm entspricht dann der Summe der Strahlungsdiagramme der Primärstrahler. Beim Empfang wird dann die Summe und die Differenz der Signale der einzelnen Primärstrahler gebildet. Das Summen- und das Differenzsignal werden in getrennten Empfan^ükanälen weitarverarbeitet (Summen-Kanal S bzw. Differenz-Kanal D). Die Signale des Summenkanals S werden einerseits zur Entfernungsmessung benützt, andererseits

Ktz/Gr

1. Dezember 1969

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> als Referenzsignal zur Bestimmung des Vorzeichens der 'Jinkelabweichung in Bezug auf die Achse des Antennensystems verwendet; die Größe der Winkelabweichung ergibt sich aus den Signalen des Differenzkanals D.

Bei einem Monopuls-Radar kann man auch den Doppler-Effekt ausnützen, um bei Anwesenheit von Festzielen bewegte Ziele zu erkennen. Wenn nämlich die Phase des ausgesendeten Signals in jeder Impulsperiode gespeichert und mit der des empfangenen Signals verglichen wird, so ergibt sich ein konstanter Phasenwinkel zwischen Signalen aus einer Impulsperiode zur nächstfolgenden nach einer Reflexion an Festzielen, während sich ein linear mit der Zeit veränderlicher Phasenwinkel für bewegte Ziele ergibt, die eine von Null verschiedene Radialgeachwindigkeit in Bezug auf das Antennensystem haben. Wenn man also einem Phasendetektor einerseits das Bezugssignal,, das die Phase des ausgesendeten Signals gespeichert enthält, ander«, ^its das an Festzielen oder beweglichen Zielen refxektierte Bmpf<\. ._wasignal zuführt, so erhält man als Ausgangssignal des Phasendetektors bei Festzielen ein Signal konstanter Amplitude und bei beweglichen Zielen ein Signal, dessen Amplitude sinusförmig mit einer Frequenz f, variiert, die allgemein als Dopplerfrequenz bezeichnet wird; diese ist mit der Radialgeschwindigkeit .v und der Wellenlänge λ der ausgesendeten Wellen des Radarsystems durch die Formel f, = 2 ν/λ verknüpft* _y

Im Falle eines Monopuls-Radargerätes können die Signale des Summen- und Differenzkanals so betrachtet werden, als ob sie von einem kohärenten Impuls-Doppler-Radar des klassischen Typs stammen, und sie können auch in der gleichen Weise weiterverarbeitet werden. Insbesondere kann für jeden Kanal ein hinsichtlich des Entfernungsbereiches einstellbares-, Entfernungstor vorgesehen werden, deren Ausgangssignale je einem sogenannten MTI-Filter eingegeben werden; die

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Ausgancssignale des Summen- und des Differenzkanals entsprechen dann nur noch bewegten Zielen, die in dem eingestellten Entfemungsbereich vorhanden sind.

Um die Bedienungsmannschaft an Monopuls-Doppler-Radargeräten auszubilden, werden die Ausgangssignale des Summen- und des Differenzkanals künstlich erzeugt und den Sichtgeräten zugeführt, die mit den normalen Sichtgeräten identisch sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung ZUT. Simulieren der Summen- und Differenzsignale eines Monopuis-Doppler-Radargerätes anzugeben; es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Simulieren der Ausgangssignale des Phasendetektors eines kohärenten Impuls-Doppler-Radargerätes anzugeben.

Die Schaltungsanordnung zum Simulieren der Ausgangssignale eines kohärenten Impuls-Doppler-Radargerätes enthält einen liiederfrequenzgenerator, einen ersten Impulsgenerator zum Erzeugen von schmalen Impulsen der Frequenz F¹, die gleich ist der Frequenz der zu simulierenden, ausgestrahlten Radarirr.pulse und deren Fnase den Azimut des Antennensystems beinhaltet, und eine Schaltungsanordnung zum Quantisieren der lliederfrecuenzsignale mit Hilfe der schmalen Impulse des ersten !."".pulsgenerators, die den Azimut des Antennensystems beinhalten; die Schaltungsanordnung enthält ferner ein Filter, dessen Durchla3charalcteristik der Form des Strahlungsdiasramn-.es des Antennensystems entspricht, und einen Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor, dem die Ausgangssignale des Filters eingegeben werden; sie enthält weiterhin einen zweiten Impulsgenerator zum Erzeugen schmaler Impulse der Frequenz F¹, deren Phase den Azimut des imaginären Echos beinhaltet, und eine zweite Schaltungsanordnung zum Quantisieren der Ausgangssignale des Verstärkers

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mit Hilfe der vom zweiten Impulsgenerator gelieferten Impulse, ferner ein Tiefpaßfilter, dessen Grenzfrequenz bei F ^x/2 liegt; es ist ferner ein dritter Impulsgenerator vorgesehen, der Impulse der Frequenz P' erzeugt, deren Dauer gleich ist der Impulsdauer des zu simulierenden Radargerätes; diese Impulse sind um eine Zeit verzögert, die der Entfernung des imaginären Echos entspricht; es ist weiterhin eine Abtastschaltung für Ausgangssignale des Tiefpaßfilters vorgesehen, die" von den vom dritten Impulsgenerator gelieferten Impulsen gesteuert wird.

Der Simulator für die Ausgangssignale eines kohärenten Konopul's-Doppler-Radargerätes enthält zusätzlich zu den soeben genannten Baugruppen eine Verzögerungsschaltung für die Impulse des zweiten Impulsgenerators, wobei die Zeitverzögerung dem Winkel zwischen den beiden Strahlungskeulen des Antennensystems entspricht; es ist ferner eine von diesen verzögerten Impulsen gesteuerte Quantisierungsschaltung für die Ausgangssignale des oben erwähnten Verstärkers vorgesehen, weiterhin ein Tiefpaßfilter und eine Abtastschaltung, die rr.it den bereits erwähnten identisch sind; es sind schließlich noch vorgesehen eine Summierschaltung, in der die Sumrr.e der Amplituden der von den Abtastschaltungen gelieferten Signale gebildet wird, und eine Differenzschaltung, in der die Differenz der ■ Amplituden der von den Abtastschaltungen gelieferten Signale gebildet wird.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert; die Figuren stellen dar:

Fig. la, Ib und Ic Diagramme von Signalen, die die Arbeitsweise einer Analog-Kultiplikationselnrichtung erläutern;

Fig. 2 die Schaltungsanordnung der Erfindung;

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Fig. 3a und 3b einige Impulse, die bestimmte Azimutwinkel

darstellen;

Fig. 4a bis 4d Diagramme von Signalen zur Erläuterung der

Arbeitsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2.

Wie oben bereits ausgeführt wurde, erhält man am Ausgang eines Phasendetektors eines kohärenten Impuls-Doppler-Radargerätes für bewegliche Ziele Impulse, deren Amplitude sich sinusförmig mit der Dopplerfrequenz f, ändert; jedoch erhält man diese Dopplerfrequenz in reiner Form nur für eine feststehende Antenne, wohingegen im Falle einer rotierenden Antenne jeder Impuls noch durch die Form des Strahlungsdiagrammes der Antenne amplitudenmoduliert ist. Man ersieht so, daß es zur Simulation der Radarsignale notwendig ist, die infolge des Strahlungsdiagrammes der Antenne auftretende Amplitudenmodulation zu reproduzieren.

In einer älteren Anmeldung (P 19 09 469-0) ist eine Schaltungsanordnung beschrieben worden, mittels der die Multiplikation eines Signals der Form f (t) mit einem Signal g(t) von zeitlich begrenzter Dauer mit Anfangs- und Endwert gleich oder annähernd Null durchgeführt werden kann.

Der Multiplikationsprozeß besteht aus folgenden Schritten:

1. Quantisieren des Signals f (t) mittels kurzer Impulse I (Fig. la) der Frequenz F = l/T, die mindestens doppelt so hoch ist wie die höchste Frequenz des Spektrums von f (t);

2. Eingeben der durch das Quantisieren entstandenen Impulse in ein Filter, dessen Impuls-Durchlaßcharakteristik g (k + l)t ist (Fig. Ib); die Dauer der durchgelassenen Impulse ist also kleiner als T;

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J5. Quantlsieren (Pig. Ib) des Ausgangssignals des Filters durch schmale Impulse II der Dauer T (1 + l/k), die also etwas größer ist als die Dauer T beim ersten Quantisieren;

h. Eingeben der durch das zweite Quantisieren entstandenen Impulse in ein Tiefpaßfilter, dessen Grenzfrequenz 1/2 T (1 + l/k) ist.

Das Signal mit der Zeitfunktion h (t) (Fig. Ic) am Ausgang des Tiefpaßfilters ist nicht exakt das Produkt von f (t) g (t); es ist gegeben durch den Ausdruck:

h (t) = f (tJ&pt) - g (t);

da jedoch k groß gegen Eins ist, .so ersieht man, daß f ( ) mit großer Annäherung s^laft f (t) ist.

Sine solche Multiplikationsschaltung kann also zum Simulieren eines von einem kohärenten Impuls-Doppler-Radargerät ausgegebenen Signals verwendet werden. Das Signal f (t) ist nui ein sinusförmiges Signal der Dopplerfrequenz f_d oder

nahe der Dopplerfrequenz f,, wenn man den Paktor k in

^α k + 1

Betracht zieht; das Ausgangssignal des Filters g (t) entspricht dann der Form des Strahlungsdiagrammes der Antenne, jedoch mit einer anderen Zeitfunktion, nämlich im Verhältnis k + 1. .

In Fig. 2 ist die Schaltungsanordnung dargestellt, mit der die Signale eines kohärenten Impuls-Doppler-Radargerätes simuliert werden können; bei dieser Schaltung ist das Prinzip der Analog-Multiplikationsschaltung, die oben kurz beschrieben worden ist, langewendet. Sie enthält einen Niederfrequenzgenerator 1, dessen Frequenz variabel ist, eine Quantisiörungs·

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schal^un- 2 zur Quantisierung der Niederfrequenzsignale rr.it einer Impulsreihe, die den Azimut der Antenne charakterisiert., ein Filter 2, dessen Impuls-Durchlaßcharakteristik die Form des Strahlungsaiagrarr.ir.es hat, und einen Verstärker k mit einstellbarem Verstärkungsfaktor; die Schaltung enthält ferner zwei identische Kanäle, von denen jeder einer Strahlungskeule des Antennen-Strahlungsdiajra.Tu7.es entspricht; jeder Kanal enthält eine Quantisierungs schaltung 5 bzw. 6 zur Quantisierung der Signale mittels einer Irr.pulsreihe, die den Azimut des imaginären Echos charakterisiert, ein Tiefpaßfilter 7 bzw. 8, ein Entfernungstor 9 bzw. 10, dem Impulse eingegeben v/erden, die die Entfernung des imaginären Echos charakterisieren und deren 3auer gleich der der ausgesendeten Radarimpulse des zu simulierenden Radargerätes ist. Die Ausgangssignale der Entfernungstore 9 und 10 werden einer Summierschaltung 11 und einer Differenzschaltung 12 zugeführt, in denen die Summe bzw. die Differenz der Signale gebildet wird. Die Ausgangssignale der Summen- und Differenzschaltungen 11 und 12 sind identisch mit den Ausgangsspannungen der Phasendetektoren des Summen- bzw. Differenzkanals eines !«'oncpuls-Doppler-Radargerätes; diese Signale werden zum Überwachungspult der Bedienungsmannschaft geleitet, das mit dem normalen Pult identisch ist; es enthält in der Hauptsache Schaltungen zur Aufbereitung der Summen- und Differenzsignale und einen Lageplananzeiger (PPI).

Die den Antennenazimut und den Azimut des Echos charakterisierenden Impulsreihen werden von den Impulsgeneratoren 15 bzw. I^ geliefert. Das sind für einen bestimmten Azimut der Antenne bzw. des Echos Impulse mit·einer Wiederholungsfrequenz F¹, die mit der des zu simulierenden Radargerätes identisch' ist; für einen anderen Azimut hat nur deren Phase einen anderen Viert. So zeigt Fig. 3a die Impulsreihe, die den als Anfangspunkt gewählten Azimut charakterisiert,

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und Fig. 5b zeigt die Impulsreihe, die den Azimut charakterisiert, der vom Anfangspunkt l8O° abliegt.

Diese Impulse werden durch Phasenverschiebung eines sinusförmigen Referenzsignales Ref der Frequenz F¹ hergestellt, das von einem Generator 22 geliefert wird, wobei der Phasenwinkel proportional dem zu simulierenden Azimut ist. Da zwei Arbeitsweisen für die Antenne vorgesehen sind, nämlich kontinuierliche Rotation während des "Suchens" oder Bewegung von Hand während der "Verfolgung", wird der Impulsgenerator entweder von einer Steuerschaltung 16 gesteuert, die die kontinuierliche Rotation der Antenne simuliert, oder von einer Steuerschaltung 17 für die Handsteuerung; diese beiden Steuerungsarten werden vom Schüler besorgt. Die von den Sseuerschaltungen ΐβ und 17 gelieferten Signale werden auch den Zeitablenkungsschaltungen des PPI im Bedienungspult zugeleitet, das Referenzsignal Ref des Generators 22 wird auch dem Bedienungspult zugeführt.

Der Phasenwinkel des Signals des Impulsgenerators 14 ist variabel, entweder von Hand mittels einer Steuerschaltung oder automatisch nach einem Programm, das in einem Programmgeber 19 gespeichert ist; diese beiden Steuerungen werden vom Lehrer betätigt.

Um die beiden Strahlungskeulen des Antennen-Strahlungsdiagra.T.sjes zu simulieren, die ja unterschiedliche Richtungen haben, v/erden die vom Impulsgenerator 14 gelieferten Impulse mittels einer "Verzögerungsschaltung 20 um eine der Winkeldifferenz der beiden Strahlungsachsen proportionale Zeit verzögert, bevor sie der Sch ii:ungsanordnung 6 eingegeben werden.

Die Arbeitsweise der Schaltung der Pig. 2 wird unter der Annahme beschrieben, daß die Antenne feststeht, und daß der

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Azimut des Echos sich in einer solchen Richtung verändert, da3 es in die Strahlungskeule der Antenne kommt, die als erste das Echo überstreichen würde, wenn sie sich in einer bestimmten Richtung drehen würde. Wie in Fig. 4a, die ähnlich der in" Fig. la ist, gezeigt ist, wird das vom Niederfrequenzgenerator 1 gelieferte Signal mittels Impulsen der Frequenz F' = l/T', die gleich der Impulsfrequenz des zu simulierenden Radargerätes ist, quantisiert; am Ausgang des Filters 3.» dessen Impuls-Durchlaßcharakteristik G Kk + l)t die Form des Antennen*-Strahlungsdiagrammes G(t) entsprechend einer einzigen Primär-Strahlungsquelle hat, haben die Impulse die in Fig. 4b gezeigte Form. Die Ausgangssignale des Filters 5 werden in den Quantisierungsschaltungen 5 und 6 mittels Impulsreihen 25 bzw. 26 (Fig. 4c und 4d) quantisiert, deren Phase sich ändert, da. angenommen worden ist, daß das Echo seinen Azimut verändert; die Impulsreihe 25 wird direkt vorn Impulsgenerator 14 geliefert, und sie entspricht der ersten Strahlungskeule der Antenne, die bei einer bestimmten Rotationsrichsung über das Ziel hinwegstreicht; die Impulsreihe 2o ist mit der Impulsreihe 25 identisch, jedoch in der Verzögerungsschaltung 20 verzögert, und entspricht so der zweiten Strahlungskeule der Antenne, die über das Ziel hinwegstreicht. Es ist zu bemerken, daß für den gleichen Azimut der Antenne bzw. einer Strahlungskeule die die Strahlungsrichtung der Antenne charakterisierenden Impulse (Impulse I der Fig. 4a) und die den Azimut der Antenne charakterisierenden Impulse (Fig. 4c oder 4d) nicht koinziden sind, vielmehr sind die letzteren um eine Zeit verzögert, die der Ansprechzeit t (Fig. 4b) des Filters 3 (Fig. 2)

gleich ist. Die aus der Quantisierung hervorgehenden Signale werden den Tiefpaßfiltern 7 bzw. 8 zugeführt, deren Grenzfrequenz F'/2 ist; dadurch erhält man die Hüllkurve der Signalquanten.

Die Ausgangssignale der Tiefpaßfilter 7 und 8 werden in den Entfernungstoren 9 bzw. 10 durch die Impulse der Frequenz F¹, 009848/10 4-1

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die von gleicher Dauer sind wie die ausgesendeten Impulse des zu simulierenden Radargerätes, zerhackt. Diese Impulse entsprechen beispielsweise den Triggerimpulsen für die Zeitablenkungsschaltungen des PPI, jedoch verzögert um eine Zeit tjj, die der Entfernung R des Zieles entspricht. Diese Impulse werden von einem Verzögerungsglied 13 geliefert, dem das Referenzsignal Ref eingegeben wird; die Impulse sind um die Zeit t_R verzögert, die entweder von Hand in einer Verzögerungsschaltung 20 oder automatisch in einer Verzögerungsschaltung 21 eingestellt werden kann. Die so entstandenen Signale werden danach der Summler schaltung 11 und der Differenzschaltung i2 eingegeben, in denen die Summe bzw. die Differenz der Amplituden gebildet wird.

Man erkennt, daß die Beschreibung der Arbeitsweise auch dann gültig ist, wenn die Antenne rotiert, denn eine Rotation der Antenne ist gleichbedeutend mit einem Quantisierungssignal;, dessen Impulse eine der Rotationsgeschwindigkeit entsprechendvariierende Phase haben.

Bei der Beschreibung der Arbeitsweise ist die Botationsrichtung der Antenne in Betracht gezogen worden; man ersieht jedoch, daß die Rotationsrichtung in der Praxis überhaupt keine Rolle spielt, wenn die Strahlungskeulen symmetrisch zur Achse der Antenne liegen; denn es wird ja gleichzeitig die Summe und die Differenz der Ausgangssignale der beiden Kanäle gebildet, und nur diese werden dann weiter verwendet.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 gestattet das Simulieren nur eines einzigen Echos; um mehrere Echos zu simulieren^, die unter dem gleichen Azimut liegen* ist eg m^'notweriaig^ das Verzögerungsglied 13 so auszulegen, daS es im Laufe einer Periode T^f mehrere Impulse liefert, ?©si clsnea Jeder einem Echo entspricht, um mehrere ^sJhos zu simulieren, die unter verschiedenem Azimut li-agen, ist ©s nur erforderlich, mehrere Schaltungsanordnungen I¹U 18; 19 ima 20 (Fig_a 2} vorzusehen.

2 Bl. Zeichnungen, 4 Fig.

3 Patentansprüche

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Claims (2)

Patentansprüche Schaltungsanordnung zum Simulieren der Ausgangssignale der Phasenöetektoren des Summen- und Differenzkanals eines Kionopuls-Doppler-Radargerätes, bei dem zwei zur Achse der Radarantenne symmetrisch liegende, teilweise sich überlappende Strahlungskeulen gleichzeitig erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Dopplerfrequenz simulierender Niederfrequenzgenerator (1, Fig. 2) vor- | gesehen ist, dessen Ausgangssignale einer Quantisierungsschaltung (2) zugeführt und in dieser mittels den Azimut der Antenne in ihrer Phase darstellenden Impulsen eines "ersten Impulsgenerators (15, Frequenz F1) quantisiert werden, da3 die Ausgangssignale der Quantisierungsschaltung (2) über ein hinsichtlich seiner Durchlaßcharakteristik dem Strahlungsdiagramm der Radarantenne entsprechendes Filter (3) einem Verstärker (4) eingegeben werden, daß die Ausgansssignale des Verstärkers (4) parallel zwei Quantisierungs schaltungen (5 und 6) eingegeben werden, in denen sie mittels der Impulse eines zweiten Impulsgenerators (14, Frequenz F1), deren Phase (zeltliches Auftreten) dem Azimut des imaginären Echcs entspricht, bzw. mittels der entsprechend dem Winkel- ' abstand der beiden Strahlungskeulen der Radarantenne verzögerten (Verzögerungsschaltung 20) Impulse quantisiert werden, daß die Ausgangssignale der Quantisierungsschaltungen (5 bzw. 6) nach Durchlaufen von Tiefpaßfiltern (7 bzw. 8) mit einer der Hälfte der Impulsfrequenz (F1) entsprechenden Grenzfrequenz Entfernungstoren (9 bzw. 10) zugeführt werden, daß diese Entfemungstore (9 bzw. 10) von entsprechend der zu simulierenden Echoentfernung (R) verzögerten (Verzögerungszeit tR) Impulsen eines dritten Impulsgenerators (22, Frequenz F1) aufgesteuert werden, und daß von den Ausgangssignalen der Entfernungstore (9 bzw. 10) Ktz/Gr

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die Summe (Summierschaltung 11) und die Differenz (Differenzschaltung 12) gebildet werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,.dadurch gekennzeichnet, dai die Breite der Impulse des ersten, zweiten und dritten Impulsgenerators gleich der Breite der Sendeimpulse des zu simulierenden Radargerätes gewählt wird.

j5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, ca2 die Impulse aus einer Sinusspannung eines gemeinsamen Generators (22) abgeleitet werden.

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