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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verarbeitung
einer Gruppe elektrischer Komponentensignale, um eine
Signalhüllkurve festzustellen und/oder zu lokalisieren, von
der die Komponentensignale jeweils Abschnitte bilden. Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein
Funkentfernungsmeßsystem, bei welchem die oben erwähnte Signalverarbeitung
benutzt wird.
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Es sind die verschiedensten Arten von
Funkentfernungsmeßsystemen bekannt. Beispielsweise beschreibt die US-PS
4232315 ein System, welches insbesondere zur Ermittlung
einer vorbestimmten Schrägentfernung von einem Geschoß nach
dem Boden ausgebildet ist, im Hinblick darauf, daß dann eine
gewünschte Steuerwirkung an Bord des Geschosses eingeleitet
wird, und dies ist eine Anwendung, die eine gewisse
Ähnlichkeit mit jener hat, für die das nachstehend
beschriebene System bestimmt ist.
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Keine bestimmten Probleme wurden bei den bekannten Systemen
identifiziert, und jedes der bekannten Systeme ist für einen
bestimmten Anwendungszweck nützlich. Ein Ziel der Erfindung
besteht darin, ein abgewandeltes System mit
Signalverarbeitung zu schaffen, welches in mehrfacher Hinsicht
nützlich ist.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist ein Verfahren zur
Behandlung einer Gruppe von Kanalsignalen X&sub1; bis XN
vorgesehen, die aus einer Reihe von N durchgehenden
Entfernungsgattern eines Radarsystems empfangen werden,
wobei das System dadurch charakterisiert ist, daß zur
Bestimmung einer Abweichung von einem gewählten
Entfernungsgatter von einem Maximum einer
Welligkeitsumhüllung, die durch die jeweiligen Amplituden der
Kanalsignale durchgeführt wird, die Signalausgänge der
Entfernungsgatter gefiltert werden, um reelle und imaginäre
Komponenten A1R bzw. A1I von einem
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A&sub1;-Transformationsausgang einer diskreten Fourier-
Transformation zu bilden:
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wobei ein Wert bestimmt wird, der die Versetzung anzeigt,
indem eine Berechnung von arctang A1I/-A1R bestimmt
wird.
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Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung ist ein
Funkentfernungsmeßsystem vorgesehen, um eine Gruppe von
Kanalsignalen X&sub1; bis XN zu verarbeiten, die von
einer Reihe von N durchgehenden Entfernungsgattern eines
Radarsystems empfangen werden, wobei das System dadurch
gekennzeichnet ist, daß zur Bestimmung einer Versetzung von
einem gewählten der Entfernungsgatter von einem Maximum
einer Welligkeitsumhüllung, die durch die entsprechenden
Amplituden der Kanalsignale definiert wird, das System
Filter aufweist, um den Ausgang der Signale von den
Entfernungsgattern zu filtern und reelle und imaginäre
Komponenten A1R bzw. A1I eines
A&sub1;-Transformationsausgangs einer diskreten Fourier-
Transformation zu bilden:
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wobei die Versetzung bestimmende Mittel vorgesehen sind, um
einen Wert zu bestimmen, der die Versetzung anzeigt, indem
arctang A1I/-A1R berechnet wird.
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In der beiliegenden Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel
darstellt, zeigen:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Teils des Suchersystems
zur Benutzung einer begrenzt geführten Mörserbombe,
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Fig. 2 eine Darstellung der sich dem Boden nähernden
Bombe,
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Fig. 3 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen den
Ausgängen der Reihen von Entfernungsgattern zeigt, die bei
dem System nach Fig. 1 benutzt werden, und
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Fig. 4 ein vereinfachtes Schaltbild einer
Störfleckdetektion und eines Untersystems zur Feststellung der
Entfernung, welches bei dem System nach Fig. 1 benutzt
wird.
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Das dargestellte System ist für eine begrenzt geführte
Mörserbombe bestimmt, die bei einer vorbestimmten nominellen
Schrägentfernung hinsichtlich ihrer Rollgeschwindigkeit und
ihres Eintauchwinkels gesteuert werden muß, bevor sie in
eine Zielsuchphase eintritt. Jener Teil des Systems, der bei
dieser Vorabsuchorientierungsphase benutzt wird, wird hier
beschrieben. Diese Phase wird durchgeführt unter Benutzung
eines Zielsuchgerätes der Bombe, um Festzeichen oder
Störungszeichen am Boden festzustellen und dann eine
Nachführung zu bewirken.
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Das System umfaßt ein lineares frequenzmoduliertes
Dauer-Radarsuchgerät (FM-CW) mit einer Antenne 1, die von
einem Homodyn-Senderempfänger 2 angetrieben wird, dessen
Ausgangsfrequenz durch einen Modulator 3 moduliert wird. Im
Senderempfänger 2 wird das Echosignal mit dem Signal eines
örtlichen Oszillators gemischt, um ein
Zwischenfrequenz(IF)signal zu erzeugen, welches einem Zwischenfrequenzverstärker
4 zugeführt wird. Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 4
wird durch einen AGC-Kreis 5 gesteuert, und der AGC-Kreis
wird auch benutzt, um eine Zwischenfrequenz-Wobbelaustastung
unter der Steuerung eines Austastsignals des Antriebs 3
durchzuführen. Das Zwischenfrequenzsignal durchläuft jedes
der Gruppe von acht Entfernungsgattern, wobei ein jedes ein
Bandpaßfilter 6 und einen Detektor 7 enthält. Die Ausgänge
Y1 bis Y8 der Entfernungsgatter werden einem Untersystem 8
zur Festzeichendetektion und Entfernungsfeststellung
zugeführt, und dieses System erzeugt ein
Festzeichendetektorsignal D und ein Entfernungsfehlersignal E, und
dieses Signal wird einer Entfernungsnachführsteuerstufe 9
zugeführt, die ihrerseits das durch den Antrieb 3 erzeugte
Modulationssignal in der Phase steuert und ein
Entfernungssignal und ein Geschwindigkeitssignal liefert,
die durch ein Suchsteuergerät und ein Führungsuntersystem 10
benutzt werden. Das Signal E kann ebenfalls dem Untersystem
10 zugeführt werden.
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Zur Benutzung während der Zielsuchphase umfaßt das System
auch ein Untersystem 11 zur Zielausmachung, und dieses nach
Gebrauch von den Entfernungsgatterausgängen Y1 bis Y7, und
es sind Untersysteme 12 und 13 für einen langen und einen
kurzen Zielentfernungsbereich vorgesehen, die ebenfalls die
Ausgänge Y1 bis Y8 empfangen und die gemäß entsprechenden
Steuersignalen vom Untersystem 10 die Entfernungsmeßfunktion
übernehmen und zu diesem Zweck den gleichen
Steuerschleifenkreis 9 benutzen. Die Funktion und die Ausbildung
der Untersysteme 10 bis 13 und der Schaltung 9 werden durch
die jeweiligen Erfordernisse der Anwendung bestimmt und
können vom Fachmann ohne weiteres durchgeführt werden. Die
Erfindung bezieht sich auf das System bis zu der Erzeugung
der Signale D und E. Obgleich dies innerhalb des
Systembereichs liegt, wird die Konstruktion des
Senderempfängers 2, des Verstärkers 4 und der AGC-Schaltung
5 nicht im einzelnen beschrieben, weil diese Bauteile von
herkömmlicher Art sind.
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Fig. 2 zeigt die Bombe 20, die sich dem Boden nähert und
eine nach vorn gerichtete Suchantenne aufweist, derart, daß
der Sendestrahl hiervon einen Bereich 21 trifft, der um den
Schnittpunkt 22 zwischen der Strahlachse 23 und dem Boden
zentriert ist. Vorausgesetzt, daß das Treibersignal für den
Modulationstreiber 3 hinsichtlich der Phase für den
jeweiligen Schrägentfernungsbereich der Bombe richtig ist,
stellen die Signale Y1 bis Y8 Festzeichenechos aus den
jeweiligen Bereichen A1 bis A8 dar, die durch bogenförmige
Bereichsgattergrenzen 24 definiert sind. Außerdem ist das
Sendemuster der Suchantenne derart, daß die Größe des
Festzeichenechos am größten von einem Bodenabschnitt am
Schnittpunkt 22 ist, wobei mit ansteigendem Abstand von
diesem Punkt die Signalstärke abfällt. Für einen bestimmten
Niedergangswinkel von beispielsweise 50º der Strahlachse
(dies entspricht dem Eintauchwinkel der Bombe, wenn die
Suchantenne nach vorn gerichtet ist) können die Ausgänge Y1
bis Y8 wie aus Fig. 3 ersichtlich sein, d. h. mit relativen
Amplituden, die eine Signalumhüllung definieren, die ein
Maximum im Bereich der Ausgänge Y4 und Y5 besitzt. Jedes
Signal weist eine ziemlich große thermische Störvorspannung
T auf, und auf dieser sitzt die Festzeichenkomponente. Bei
einem kleineren Absinkwinkel von beispielsweise 30º sind die
Festzeichenkomponenten der Ausgänge auf jeder Seite von Y4
und Y5 größer, d. h. die Umhüllung wird breiter und flacher,
während bei einem größeren Niedergangswinkel von
beispielsweise 70º die Welligkeitskomponente auf jeder Seite
von Y4 und Y5 tatsächlich Null sein kann.
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Anfänglich wird natürlich keine Festzeichenkomponente
empfangen - eine Funktion des Untersystems 8 besteht darin,
festzustellen, wann diese empfangen wird, und dann ein
Signal D zu erzeugen, welches diesen Umstand der Schaltung 9
anzeigt. Wenn dieses Signal empfangen ist, bewegen sich für
eine gegebene Phase des Modulationssignals vom Treiber 3 die
Maxima der Signalumhüllung durch die Entfernungsgatter, wenn
sich die Schrägentfernung ändert. Das von dem Untersystem 8
erzeugte Signal E zeigt die Versetzung von einem gewählten
Mittelbereich von einem der Entfernungsgatterausgänge Y1 bis
Y8 der Umhüllungsmaxima an und bewirkt über die Schaltung 9
eine Veränderung der Phase des Modulationssignals derart,
daß das Maximum innerhalb des gewählten Entfernungsbereichs
erhalten bleibt. Im vorliegenden Fall ist das gewählte
Entfernungsgatter jenes, welches den Ausgang Y4 erzeugt, und
dies ist zweckmäßig, weil dies das Zentrum eines der
Ausgänge Y1 bis Y4 ist unter Benutzung des
Zieldiskriminatorsystems 11.
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Wie in Fig. 4 dargestellt, werden die Ausgänge Y1 bis Y8
durch eine Reihe von Analog/Digital-Wandlern 40 innerhalb
des Untersystems 8 empfangen, und diese Konverter erzeugen
digitalisierte Muster der Ausgänge mit einer Frequenz von
beispielsweise 20 kHz. Die Musterwerte werden in jeweiligen
Speichern 41 summiert, und die summierten Werte werden
beispielsweise mit 500 Hz an die Eingänge eines
Digitalfilters 42 abgegeben. Die digitalisierten Signale X1
bis X8, die auf diese Weise durch das Filter 42 empfangen
wurden, enthalten noch die ursprüngliche Rauschvorspannung
T, und dies muß aus der Festzeichenkomponentenumhüllung
festgestellt werden. Um dies zu tun, wird die
Festzeichenumhüllung als sinusförmige Welligkeit über dem
Rauschpegel angesehen, worauf die Summe der Produkte von
jedem der Signale X1 bis X8 und einem komplexen Exponenten
mit einer Periodizität in der Entfernungsdimension gleich
der Bedeckung von den acht Entfernungsgattern wie folgt
geschrieben werden kann:
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(darin ist Xn der Ausgang des n-ten Entfernungsgatters).
Dies führt zu einer komplexen Zahl, die unabhängig von dem
Vorspannpegel ist und deren Größe abhängig ist von der
Amplitude der Welligkeit über den Entfernungsfiltern. Die
Phase der komplexen Zahl ändert sich über fast 2 π Radianten
zwischen der Versetzung der Spitze der Festzeichenumhüllung
gegenüber der Mitte der Gruppe von Entfernungsgattern,
während in der Nähe des Zentrums die Phase sich linear mit
der Versetzung bei π/4 Radianten pro Entfernungsgatter
ändert, und zwar mit einer sehr geringen Empfindlichkeit
gegenüber dem Verhältnis Festzeichen zu Rauschpegel in den
Entfernungsgattern. Die erforderliche komplexe Zahl kann
durch eine diskrete Fourier-Transformation (DFT) wie folgt
extrahiert werden:
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Es hat sich gezeigt, daß ein einziger Zyklus einer
sinusförmigen Schwingung eine vernünftige Annäherung über
der Gruppe von Entfernungsgattern innerhalb der Grenzen der
Auslegung darstellt. Deshalb liefert eine Berechnung der
A&sub1;-Transformation anstelle der kompletten DFT eine
genügende Information.
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Die realen und die imaginären Komponenten dieser
Transformation können wie folgt berechnet werden:
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A1R = X&sub1;-X&sub5; +
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+ 1/ 2 (X&sub2;-X&sub4;-X&sub6;+X&sub8;)
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A1I = X&sub3;+X&sub7;-
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-1/ 2 (X&sub2;+X&sub4;-X&sub6;-X&sub8;)
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Diese Berechnung wird durch das Digitalfilter 42
durchgeführt. Anstelle des genauen Multiplizierwertes 1/ 2
kann das Filter die genügend genaue Annäherung 3/4
benutzen. Um das Signal E zu erzeugen, werden die Signale
A1R und A1I vom Digitalfilter 42 zunächst über
jeweilige bewegliche Fensterfilter 43 und 44 geglättet, um
die Bandbreite so weit als möglich zu vermindern, bevor die
Signale der Vorrichtung 45 zugeführt werden, die eine
nicht-lineare arctang-Operation durchführt, d. h. die
berechnet:
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E = 4/πtan&submin;&sub1;(A1I/A1R) + 1 Entfernungsgatter
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Zur Vereinfachung der digitalen Durchführung wird die
arctan-Operation mit einer Auflösung von π/8 (ein halbes
Entfernungsgatter) durchgeführt, und die Quantisierung, die
hieraus herrührt, ist normalerweise klein im Vergleich mit
dem Rauschpegel des Systems. Der Ausdruck +1 in dieser
Operation, d. h. die Versetzung von einem Entfernungsgatter,
bringt den Überkreuzungspunkt des Diskriminators in das
vierte Gatter Y4, und zwar aus Gründen, die oben beschrieben
wurden.
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Die Konstruktion des Filters 42 und der Vorrichtung 45 ist
für den Fachmann klar. Jedes Gerät kann einen entsprechend
Programmierten Mikroprozessor aufweisen oder beispielsweise
ein Computersystem.
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Zur Erzeugung des Signals D werden die Signale A1R und
A1I über miteinander verbundene Umschalter 46 bis 47
jeweils zu einem von zwei Sammlern 48 oder 49 und 50 oder 51
geleitet. Vor der Detektion des Bodenfestzeichensignals kann
eine Interferenz empfangen werden, die eine dem Festzeichen
ähnliche Umhüllung der Entfernungsgatterausgänge liefert. Um
das Auftreten derartiger fehlerhafter Festzeichensignale zu
vermindern, wird die Phase des Modulationssignals vom
Modulator 3 in Fig. 1 durch eine 50-Hz-Rechteckwelle
aufgeschaukelt, die einem Umschalter 52 zugeführt wird, der
über Bereichsvorspanngeneratoren 53 bzw. 54 mit einem
Bereich von ±2% auf den jeweiligen Phasensteuermodulator 3
einwirkt. Der Schalter 52 ist mit den Schaltern 46 und 47
verbunden. Die A1R- und A1I-Beispiele, die während
der Zustände mit höherem Zitterbereich abgenommen wurden,
werden in den Speichern 48 bzw. 50 summiert, während die
Teile, die während der Niederbereichszitterzustände gewonnen
wurden, in den Speichern 49 und 51 summiert werden. Die
summierten Werte werden von den Speichern 48 bis 51 alle
64 Mikrosekunden nach drei Größenextraktoren 55, 56 und 57
geleitet. Jeder Extraktor empfängt einen Realwert und einen
Imaginärwert und bildet die Resultierende hieraus. Der
Extraktor 55 empfängt als Realwert die Differenz zwischen
den Werten, die von den Speichern 48 und 49 geliefert
wurden, und als Imaginärwert die Differenz zwischen den
Werten, die von den Speichern 50 und 51 geliefert wurden.
Die Resultierende wird dann mit einem Schwellwert
verglichen, und wenn sie größer ist als der Schwellwert,
wird ein Signal einem Eingang des UND-Gatters 58 zugeführt.
Der Extraktor 56 empfängt als Realwert und als Imaginärwert
die Werte, die von den Speichern 48 und 50 geliefert werden,
während der Extraktor 57 die Werte empfängt, die von den
Speichern 49 und 51 geliefert werden.
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Das Zittern des Modulationsantriebssignals bewirkt, daß das
Vektorsignal, welches repräsentativ ist einem wirklichen
Festzeichenecho, wobei sein Massenmittelpunkt dicht zu dem
gewünschten nominellen Suchbereich liegt, sich über einen
gewissen konstanten Winkel dreht. Mittlerweile bleibt jeder
festgestellte Vektor, der eine Folge der
Kanalunausgeglichenheit ist, unverändert. Dadurch, daß der
Extraktor 55 mit der Differenz zwischen den Werten gespeist
wird, die in den Speichern 48 und 49 sowie 50 und 51
summiert wurden, werden die gewünschten Signalkomponenten
wirksam addiert, während verschiedene
Ungleichgewichtskomponenten subtrahiert werden. Dies gibt eine gewisse
Immunität gegenüber fehlerhaftem Alarm. Außerdem ist ein
Fehlalarmschutz vorgesehen, der durch die Extraktoren 56 und
57 gegeben ist. Ein kurzer Interferenzstoß wird
wahrscheinlich nur mit einem einzigen Zitterzustand
zusammenfallen, während ein fehlerhaftes Festzeichenecho aus
einer Stelle weit hinter dem beabsichtigten Suchbereich sehr
viel stärker in einem Zitterzustand ist als das andere. Die
Vorrichtung 59 stellt diese Fehlerzustände dadurch fest, daß
gewährleistet wird, daß das Verhältnis zwischen den
Vektorgrößen der Extraktoren 56 und 57 unter der
vorgegebenen Grenze liegt. Wenn nicht, hat sich ein
Fehlerzustand ergeben. Sonst liefert die Vorrichtung 59 ein
Freigabesignal dem anderen Eingang des Gatters 58.
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Obgleich das beschriebene System ein FMCW-System ist und
infolgedessen jedes Entfernungsgatter ein Bandpaßfilter 5
aufweist, könnte die Erfindung auch auf ein Pulsradarsystem
angewandt werden, bei dem die Filter 5 durch geeignete
Zeitgatter ersetzt sind.
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Wie bereits oben erwähnt, könnten Filter 42 und Vorrichtung
45 als Mikroprozessorsysteme ausgebildet sein. Vorzugsweise
ist jedoch all das, was in Fig. 4 dargestellt ist, d. h. das
Filter 42, die sich bewegenden Fensterfilter, der arctang-
Generator und die Teile, die das Signal D erzeugen, in einem
einzigen Computersystem zusammengefaßt, welches auf einem
Mikroprozessor basieren kann. Dann repräsentieren natürlich
die verschiedenen Teile dieser Figur nicht Merkmale der
Hardware, sondern Funktionen der Software, die im
Computersystem programmiert sind. Die Ausbildung geeigneter
Software liegt im Rahmen des Wissens des Fachmanns.
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Es wäre natürlich auch möglich, die verschiedenen Teile
gemäß Fig. 4 durch entsprechende Analogglieder zu ersetzen.