DE2454786A1

DE2454786A1 - Hochfrequenzpeilanlage

Info

Publication number: DE2454786A1
Application number: DE19742454786
Authority: DE
Inventors: Paul Barton; Peter Kenneth Blair; Charles William Earp; Frances Giles Overbury; Carl Peter Sandbank
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1973-11-27
Filing date: 1974-11-19
Publication date: 1975-07-17
Also published as: IT1025982B; GB1434638A; AU7490274A; US3924236A

Description

Dipl*~Phys«Leö Thul
Patentanwalt
7 Stuttgart 30
Kurze Straße 8

C.W.Earp 152-48-17-7-1

INiPERNAiIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEVJ YORK

Hochfrequenzpeilanlage.

Die Erfindung betrifft eine Hochfreqüenzpeilanlaqe zur Bestimmung des Einfallswinkels von von einem Fahrzeug reflektierten öder abgestrahlten Impulsen, bei der diese Impulse von mehreren Einzelstrahlern aufgenommen werden.

Eine derartige Hochfreqüenzpeilanlage ist in der DT-PS 977 793 beschrieben. Bei dieser Hochfrequenzpeilanlage werden die von den Einzelstrahlern empfangenen Impulse einander Überlagert μηα aus der Phasendifferenz zwischen dem Signal, das durch die überlagerung entstanden ist und einem Bezugssignal die Einfallsrichtung der Impulse ermittelt.

Sm/Scho
12.11.1974

509829/0542

mm*} —

C.W.Earp 152-48-17-7-1

Aufgabe der Erfindung;

Es ist Aufgabe der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung eine andere Art der Richtungsauswertung der von den Einzelstrahlern empfangenen Signale anzugeben.

Lösung;

Die Lösung erfolgt mit den in den Ansprüchen angegebenen Mitteln.

Vorteile;

Außer der Richtung kann auch die Entfernung zum Ziel gemessen werden.. Mit den in den Unteransprüchen angegebenen Weiterbildungen kann der Raumwinkel, unter dem die Signale einfallen, ermittelt werden. Die Peilanlage kann beispielsweise bei überv/achungsradarsysteme, bei Sekundärradarsystemen und bei Navigationssystemen verwendet werden.

Die Erfindung wird anhand der Figuren beispielsweise näher erläutert. Es zeigen;

Fig.1 ein überwachungsradarsystern mit der erfindungsgemäßen Einrichtung (mit einer Empfangsantennenzeile) ;

Fig.2 in der Einrichtung nach Fig.1 an verschiedenen Stellen vorhandene Wellenformen;

509829/0542

■_3-■■"■- 245A786

C.W.Earp 152-48-17-7-1

Fig.3 zwei zueinander senkrechte Empfäagsantennenzeilen; Fig.4 drei zueinander orthogonale Antennenzeilen;

Fig.5 Empfangsantenne mit rechtwinklig und flächig angeordneten Einzelstrahlern.

Zunächst wird ein gepulstes Überwachungsradarsystem beschrieben, mit dem Entfernung und Azimut meßbar sind. (A) in Figur 1 ist eine Sendeantenne. Von der Antenne (A) wird eine Frequenz fc abgestrahlt, die gepulst ist. Die Impulsdauer ist T (Fig.2a) und die Impulswiederholungsrate ist fr. Impulsdauer und Impulswiederholungsrate sind bestimmt durch die normalen Anforderungen an Entfernungsauflösung und an maximale Reichweite eines Radarsystems.

Jeder abgestrahlte Sendeimpuls breitet sich im gesamten Überdeckungsbereich aus. . „

Es wird ein Ziel in diesem Bereich betrachtet. Am Ziel erfolgt eine Reflexion. Das reflektierte Signal wird von einer horizontalen linearen Antennenzeile (D) _f die aus η Einzelstrahlern besteht, empfangen (Der Elevationsbedeckungsbereich kann auf einfache Weise begrenzt werden).

509829/0542

C.W, Earp 152-48-17-7-1

Das Ausgangssignal eines jeden Einzelstrahlers (Fig.2b) wird in Mischern (C) mit einer in der Schaltung (D) erzeugten Frequenz (fc-fo) gemischt. Das untere Seitenband/ das bei dieser Mischung entsteht, mit der Frequenz fc -■■ (fc-fo) = fo_f Fig.2c, gelangt auf einen Eingang einer Verzögerungsleitung (E). Die Frequenz (fc-fo) ist allen Mischern (C) gemeinsam. Die aufeinanderfolgenden Mischerausgangssignale gelangen zu aufeinanderfolgenden Eingängen der Verzögerungsleitung, wobei die Verzögerungszeit zwischen ofen einzelnen Anschlüssen T Sekunden beträgt (gleich der Zeitdauer eines abgestrahlten Impulses)... Das Ausgangs signal der Verzögerungsleitung bei der Verarbeitung von an dem Ziel reflektierten Signalen ist deshalb ein gepulstes Signal mit der Dauer nT, Fig.2d, wobei η gleich der Zahl der Einzelstrahler der Antennenzeile ist. Die Frequenz fo wird so gewählt, daß sie ein ganzzahliges Vielfaches des Kehrwertes =r der Impulsdauer T ist,

N
d.h. fo = —. Das heißt in jeder "T-Sekunden-Periode" der Verzögerungsleitung ist eine ganze Zahl von Perioden von fo vorhanden.

Der erhaltene HF-Phasenunterschied zwischen benachbarten Einzelstrahlern ist bestimmt durch den Weglängenunterschied. Beträgt der Abstand der Einzelstrahler d Wellenlängen und ist der Winkel zwischen der Verbindungsgeraden Ziel-Antennenzeile und der Normalen auf die Antennenzeile

509829/0542

C.W.Earp 152-48-17-7-1

gleich θ, dann beträgt der HF-Phasenunterschied zwischen aufeinanderfolgenden Einzelstrahlern (2ird.sin9) Radianten. Dieser Phasenwechsel wird auf das Schwebungssignal mit der Frequenz fο übertragen, sodaß das Ausgangssignal der Verzögerungsleitung aus η Paketen mit der Frequenz fo (die Länge eines Pakets ist T) besteht, wobei der Phasenunterschied zwischen aufeinanderfolaenden Paketen 2ird.sin6 ist (Fig.2e). Dies verursacht eine erkennbare Frequenzverschiebung des vom Ziel empfangenen Schwebunqssiqnals. Dabei hat das Frequenzspektrum des gepulsten Signals am Ausgang der Verzögerungsleitung mit der Länge nT bei der Frequenz f = fö + · Hz, Fig.2f, ein Maximum.

Das Ausgangssignal der Verzögerungsleituna aelanqt auf . eine Filterbank, die aus r schmalbandigen Bandfiltern besteht (F) . Jedes Bandfilter ist einer, anderen Schwebungsfrequenz zugeordnet.

Die Mittenfrequenzen derFilter 1, 2, 3 usw. sind f1 -. fo 4 _T

f2 β fo +

_fp ₊§

50 9 82 9/0642

C.W.Earp 152-48-17-7-1

Somit ist für ein Ziel, für das der Winkel zwischen der Geraden Ziel-Antennenzeile und der Normalen auf die Antennenzeile gleich Gj ist das Ausgangssignal des jten Filters am größten. Wenn die Frequenz des Filterausgangssignals an die Frequenz des Signals angepaßt ist, äann ist die Spitzenleistung (Fig.2g) am Filterausgang effektiv eine kohärente Summe der entlang der gesamten Basis der Antenne empfangenen Energie.

Die Entfernung zum Ziel ist bestimmt durch die Zeit zwischen der Abstrahlung des HF-Impulses und der Zeit, zu der das Filterausgangssignal vorhanden ist.

Wie oben beschrieben, ist das Signal von den Einzelstrahlern zeitlich oder frequenzmäßig "gekennzeichnet". Eine Identifikation der einzelnen Beiträge eines jeden Einzelstrahlers kann erreicht werden durch Aufspaltung des Signals in eine Folge von kodierten Impulsen. Als nächstes erfolgt ein Vergleich zwischen einem überwachungsradarsystem mit Strahlschwenkung und dem oben beschriebenen System.

Die maximale Energiedichte des empfangenen Signals, das durch Reflexion an einem Ziel erzeugt wird, ist zum Gewinn der Sendeantenne proportional. Bei einem Strahlschwenksystem ist im Empfänger die maximale Energiedichte des durch Reflexion erzeugten Signals in jedem Teil des Sektors G mal so groß wie einer isotropen Abstrahlung;

509829/0542

C.W.Earp 152-48-17-7-1

die Zeit, während der Impulse aus diesem Sektor empfangen werden, beträgt jedoch nur einen Bruchteil der Zeit (=;?) . Im Falle der isotropen Abstrahlung sind die vom Ziel reflektierten Impulse im Empfänger die ganze Zeit vorhanden, jedoch liegt die Energie dieser Impulse auf einem nominalen Wert. Somit ist die gesamte empfangene Energiedichte über beispielsweise eine Sekunde in beiden Fällen ungefähr gleich.

Im Falle der Strahlschwenkung wird diese Energie kohärent entlang der Basis über so viele Wellenlängen aufgenommen, daß (im Wesentlichen) die gleichphasigen HF-Anteile entlang der Apertur aufsummiert werden. Bei dem oben beschriebenen System wird die Energie über die gesamte Apertur aufgenommen, in der Frequenz herunterqemischt und nach dem Durchlaufen einer Verzögerungsleitung auf eine Filterbank gegeben, wobei eines der Filter eine kohärente Summe der gesamten empfangenen Energie bildet. Das Ausgangssignal bei dem Strahlschwenksysteni enthält — Impulse pro Sekunde (fr ist die Impulsfolge, mit der

G ,

das abgestrahlte Signal gepulst ist) und ergibt eine Anzahl gemessener Positionswerte für das Ziel. Um ein genaueres Ergebnis zu erhalten, können diese Werte gemittelt werden.

Bei dem oben beschriebenen System stehen pro Sekunde fr Impulse zur Verfügung, jedoch ist das Energieniveau dieser Impulse kleiner. Die Möglichkeit, dass innerhalb

50 982 9/0542

C.W.Earp 152-48-17-7-1

einer Sekunde mit mehr Impulsen ein besserer Mittelwert gebildet werden kann wird durch die Tatsache, daß jeweils nur eine kleinere Energie zur Verfugung steht, ungefähr ausgeglichen.

Deshalb sind die beiden Verfahren bei gleicher Basis in Bezug auf die Energie ungefähr äquivalent.

Andere Anwendungen:

I.Die Verwendung zweier solcher Systeme mit gekreuzten Antennenzeilen, Fig.3, zur Raumwinkelbedeckung (Elevation und Azimut).

2. Drei jeweils ortogonale Systeme, Fig.4, um den gesamten Winkelbereich zu überdecken.

3. Eine rechteckige oder quadratische Anordnung mit η Einzelstrahlern, Fig.5, wobei jedes Ausgangssignal eines Einzelstrahlers auf einen Mischer gelangt, in dem die Signale in der Frequenz verändert werden durch Mischung mit einer weiteren Frequenz und wobei die heruntergemischten Signale auf eine Verzögerungsleitung mit nachgeschalteten engen Bandfiltern gelangen.Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, die vollen Leistungsgewinneigenschaften einer flächigen, quadratischen Einzelstrahleranordnung zu verwirklichen.

4. Verwendung als Sekundärradarsystem. Der von der Bodenstation abgestrahlte Impuls wird beispielsweise von einem Luftfahrzeug empfangen, das bei seiner Antwort

509829/0542

C.W.Earp 152-48-17-7-1

einen anderen Impuls abstrahlt. DieserImpuls wird von der Antennenzeile empfangen und auf die bereits beschriebene Art verarbeitet.

S.Verwendung als Doppler-Navigationssystem. Die Impulse werden vom Fahrzeug (erdgebundenes Fahrzeug, Schiff oder Luftfahrzeug) erzeugt, die Winkeldaten werden am Boden in der beschriebenen Weise ermittelt, in geeigneter Form kodiert und zum Fahrzeug übertragen.

6. Eine vertikale Empfangsantennenzeile mit entsprechenden (wie bereits beschriebenen) elektronischen Schaltungen als Zusatz zu einem herkömmlichen Entfernuncrs-Azlmut Überwachungsradarsystem um eine zusätzliche Höheninformation zu gewinnen.

509829/0542

Claims

C.W.Earp 152-48-17-7-1 '

Patentansprüche

, 1. - Hochfrequenzpeilanlage zur Bestimmung des Einfallswinkels von von einem Fahrzeug reflektierten oder abgestrahlten Impulsen, bei der diese Impulse von mehreren Einzelstrahlern aufgenommen v/erden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (1, ..., n) eine Serie von η gleichzeitigen Signalen erzeugen, wobei jedes dieser Signale die Frequenz (fc) und die Dauer (T) des empfangenen Impulses besitzt und wobei der Phasenunterschied zwischen aufeinanderfolgenden Signalen dieser Serie eine Funktion des Richtungswinkels (Θ) von den Einzelstrahlern (1, ..., n) zu dem Ziel ist, daß eine erste Einrichtung (c) vorhanden ist, die den Phasenunterschied auf eine Serie von η gleichzeitigen Schwebungssignalen überträgt, wobei die Dauer (T) eines jeden Schwebungssignals gleich der Dauer des empfangenen Impulses (T) ist und die Frequenz des Schwebungssignals (fo) ein ganzzahliges Vielfaches des Kehrwertes der Impulsdauer (T) des empfangenen Impulses ist, daß die Serie von η Schwebungssignalen auf eine zweite Einrichtung (E) gelangt, die ein Ausgangssignal liefert, dessen Dauer gleich η mal der Dauer (T) des. empfangenen Impulses ist und in dessen spektraler Verteilungskurve ein Frequenzmaximum

509829/0542

C.W.Earp 152-48-17-7-1

vorhanden ist, wobei die Frequenz dieses Maximums von der Frequenz der Schwebung (fo> um einen dem Richtungswinkel (Θ) entsprechenden Betrag entfernt ist und daß dieses Ausgangssignal auf eine dritte Einrichtung (F) gegeben wird, in der dieser Winkel (Θ) ermittelt wird.
2. Hochfrequenzpeilanlage nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler {1, 2, ..., n) eine lineare Antennenzeile mit η Einzelstrahlern (Fig.1) bilden.
3·. Höchfrequenzpeilanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (T, 2, ..., n) zwei zueinander senkrechte lineare Antennenzeilen (Ficr.3) bilden, wobei jede Antennenzeile aus η Einzelstrahlern besteht.
4. Hochfrequenzpeilanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (1, 2, ..., n) drei zueinander senkrechte lineare Antennenzeilen (Fig.4) bilden, wobei jede Antennenzeile aus η Einzelstrahlern besteht,
5. Hochfrequenzpeilanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (1, 2, ..., n) flächig «

■ j

angeordnet sind und daß η Einzelstrahler vorhanden sind.

5 0 9829/0542

¹IfHtIi...

C.W.Earp 152-48-17-7-1
6. Hochfrequenzpeilanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet/ daß die erste Einrichtung (C) aus Mischern (C) besteht, wobei an einen Eingang eines Mischers jeweils ein anderes der gleichzeitig vorhandenen Ausgangssignale der Einzelstrahler gelangt und an den anderen Eingang dieses Mischerseine Frequenz (fc-fo) gelangt, die sich um eine Frequenz (fo), die ein ganzzahliges Vielfaches des Kehrwertes der Dauer (T) eines abgestrahlten HF-Impulses ist, von der abgestrahlten Frequenz (fc) unterscheidet.
7. Hochfrequenzpeilanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (E) aus einer Verzögerungsleitung (E) mit η Einqänqen besteht, wobei die Verzögerungszeit zwischen benachbarten Eingänqen gleich der Dauer (T) eines abgestrahlten HF-Impulses ist und bei der an die aufeinanderfolgenden Eingänae die entsprechenden aufeinanderfolgenden Eingangssignalen gelangen,
8.. Hochfrequenzpeilanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (F) aus mehreren engen Bandpaßfiltern (F) besteht, wobei jedes Filter auf eine andere Frequenz des möglichen Frequenzbereichs eingestellt ist.

509829/0542