DE19649838C1

DE19649838C1 - Verfahren für die kohärente Radarmessung mittels elektronisch gesteuerter Antennen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19649838C1
Application number: DE19649838A
Authority: DE
Inventors: Wulf-Dieter Dr Ing Wirth
Original assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur AN
Current assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur AN
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1996-12-02
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2016-12-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Radarverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung entsprechend dem Anspruch 4 für die kohärente Radarmessung mittels elektronisch gesteuerter Antennen.

Auf zivilen Schiffen dienen Radarsysteme zur Navigation und Hinderniswarnung. Im militäri schen Bereich (Marine) kommen Aufgaben der See- und Luftaufklärung sowie der Luftver teidigung dazu. Ein bekanntes besonderes Problem bei Schiffsradarsystemen ist die Ent deckung schwacher Ziele, z. B. Tonnen, Sportboote oder Sehrohre, Schnorchel von U-Booten, aus den Echos von Seegang (sog. Seeclutter).

Zur Entdeckung solcher Ziele wird die bekannte neuere Radartechnik der elektronisch über Phasenschieber gesteuerten Antenne benutzt.

Die hierbei genutzte kohärente Messung von Seegangechos ist dem Fachmann geläufig, beispielsweise bei "T. J. Nohara, S. Haykin, ′Growler Detection in Sea Clutter with Coherent Radars′ in IEEE Trans. AES, vol. AES 30. No. 3, July 1994, pp. 836-847" be schrieben.

Die Auswertung kohärenter Signale mittels Spektralanalyse führt aufgrund ihres unter schiedlichen Dopplerspektrums zu einer besseren Trennung der Signale von Seeclutter und Zielen und damit zu einer deutlich verbesserten Entdeckung von Zielen aus Seeclutter echos. Das Seegangs-Dopplerspektrum hat danach eine Breite von ca. 100 Hz. Es wird durch die Wellengeschwindigkeit in bezug auf den Radarstandort und die Kräuselung und Gischt bestimmt.

Demgegenüber ist für diskrete Ziele nur eine spektrale Breite von nur ca. 5 Hz gemessen worden.

Zur Verbesserung der Entdeckung schwacher Seeziele bei gleichzeitig vorhandenen Seegangechos macht die Verfah renserfindung von der Überlegung Gebrauch, daß eine rela tiv lange Beleuchtungszeit in jeder einzelnen Blickrich tung der Antenne erforderlich ist, um ein schmales Spek trum der oben beschriebenen Gestalt aufzulösen und aus dem Störhintergrund herauszufiltern. Die Antennenkeule müßte dazu nach herkömmlicher Technik in jeder Richtung etwa 200 ins verweilen. Da für die Zielsuche ca. 200 Keulenpo sitionen von jeder Antenne abzutasten sind, ergäbe sich eine Suchwiederholperiode von 40 s. Das ist zur Dar stellung der aktuellen Lage viel zu langsam, da demgegen über für schwache Seeziele ca. 2,5 s gefordert werden. Für die Pulsfolgefrequenz ist es außerdem nach der allgemeinen Radarphysik zu fordern, daß sie mindestens 200 Hz sein sollte, um das Seeclutterspektrum sicher ohne Überfaltung zu erfassen.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die sich aus den bereits bekannten Formen der Spektren für Ziele und Clutter ergebende Forderung nach langer Beleuchtungszeit für die einzelnen Auflösungszellen und damit Richtungen zu erfüllen, bei gleichzeitiger Einhaltung einer gegebenen Rahmenzeit für die Raumabtastung.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist für ein Verfahren im Anspruch 1 und für eine Vorrichtung im Anspruch 4 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der Erfindung wird ein spezieller Radarbetrieb (Richtungs-Mul tiplex-Betrieb) mit elektronisch gesteuerten Antennen angewandt. Dazu wird die Pulsfolgefrequenz für eine einzelne Rich tung, bezogen auf den zu verbessernden Stand der Technik, wesentlich herabgesetzt, so daß die zur Zielentdeckung er forderlichen Impulse über einen längeren Zeitraum verteilt werden. Nach der Echolaufzeit entsprechend dem Entfer nungsbereich verbleibt nun in jeder Pulsperiode ein Zeit intervall, in dem die Radarkeule unter Ausnutzung ihrer trägheitslosen Steuerbarkeit für andere Richtungen einge setzt wird (sog. Richtungs-Multiplex-Betrieb).

Die aus unterschiedlichsten Richtungen zeitlich verschach telt, im gleichen Zeitraum anfallenden Empfangssignale, werden alle in einem Zwischenspeicher abgelegt und nach entsprechender Sortierung nach Richtung und Entfernungs zelle verarbeitet.

Aus der zeitlichen Empfangssignalfolge einer Richtungs-/ Entfernungszelle wird mittels Fouriertransformation (FFT) das Spektrum berechnet. Diese Verarbeitung ist gleichbe deutend mit der Bildung einer Filterbank über alle Dopp lerfrequenzen als optimale kohärente Signalverarbeitung zur Entdeckung von Zielen mit unbekannter Dopplerverschie bung.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden neben den lan gen Beleuchtungszeiten zusätzlich folgende Vorteile er reicht:

a) Der sonst eventuell störende Empfang von Überreichwei tenechos, z. B. durch große Schiffe oder Landziele bei größerer Entfernung wird durch die wesentliche Verlän gerung der Pulsperiode zum Empfangsbereich vermieden.
b) Schwache Ziele im Nahbereich werden nicht verdeckt.
c) Überreichweiten-Echos aus anderen Blickrichtungen wer den entsprechend dem Nebenkeulenabstand der Empfangs keule gedämpft.

Im Folgenden wird anhand zweier Parameterbeispiele die Er findung näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 ergänzen die se Beispiele. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze des Speicher- und Verarbeitungs vorgangs bei Richtungs-Multiplex-Betrieb.

Fig. 2 ein Zeitschema für den Richtungs-Multiplex-Betrieb.

Aus den bei "J. Grosche w. Rieck, W. D. Wirth, M. Berroth, w. Haydl, ′Schiffs-Radar mit elektronisch gesteuerter An tenne′, Wachtberg/Freiburg FGAN-FFM und FhG-IAF, 1994" be schriebenen Anforderungen sowie den Eigenschaften eines elektronisch gesteuerten Schiffsradars und der allgemeinen Radargleichung ergeben sich bei Anwendung des erfindungs gemäßen Richtungs-Multiplex-Betriebs folgende geeignete Parameter für Entfernungsbereiche mit Seeclutter:

1. Nächstbereich mit R 2,78 km
Zahl der Pulse in einer Richtung: N = 208,
Verweilzeit der Empfangskeule: erforderlich 18,5 µs, gewählt 28 µs.
2. Naher Bereich mit R 11 km
Zahl der Pulse in einer Richtung: N = 42,
Verweilzeit der Empfangskeule: erforderlich 73 µs ge wählt 140 µs.

Im konventionellen Betrieb wird die Pulsperiode in eine Richtung gleich der Verweilzeit der Empfangskeule gewählt.

Die Pulsperiode sei nun für beide Bereiche um den Faktor 35 verlängert. Damit wird die Pulsfrequenz mit 204 Hz im zweiten Bereich gerade groß genug (< 200 Hz gefordert). Im ersten Bereich ist sie 1.02 kHz.

Die Abtastzeiten werden mit 203.8 und 205 ms auch gerade lang genug.

Die 35fach verlängerte Pulsperiode ermöglicht den Rich tungs-Multiplex-Betrieb in einem Richtungsblock 4 von 35 Keulenrichtungen über die in Fig. 1 gezeigte phasenge steuerte Gruppenantenne 1. Der dafür benötigte Zeitraum im Ausführungsbeispiel der längsten Empfangskeulenverweil zeit, ergibt sich mit 0,14 ms mal der Anzahl der Keulen richtungen für jeweils 42 erforderliche Pulse in eine Richtung:

F_B = 0,14 · 35 · 42 = 205,8 ms

In der Fig. 2 verdeutlicht, folgt danach der nächste Richtungsblock 4 bis nach 6 Blöcken mit 210 Keulenrichtun gen der gesamte Azimutbereich der Gruppenantenne 1 abgear beitet ist. Der Vorgang erfordert die 6fache Einzelblock zeit, was im vorgetragenen Beispiel zu einer Gesamtzeit von 1,3 s führt. Ein Wert der deutlich kleiner ist, als es nach der allgemeinen Forderung für die kohärente Radarmes sung zur Entdeckung von schwachen Seezielen mit ca. 2,5 s erforderlich ist.

Im ausgeführten Beispiel einer 35fachen Pulsperiodenver längerung fallen zeitlich verschachtelt Empfangssignale aus 35 Richtungen im gleichen Zeitraum an. Wie in der Fig. 1 gezeigt, sind zwei Zwischenspeicher vorgesehen, denen die einlaufenden Daten abwechselnd über den Spei cherwahlschalter 3 zur Umsortierung zugewiesen werden. Es werden die Echos aller Entfernungszellen spaltenweise zu aufeinanderfolgenden Pulsperioden in einen der Zwischen speicher 2 eingelesen. Dies geschieht jeweils zum n-ten Impuls für alle Keulenrichtungen (n = 1 . . . 42). Jeder Streifen entspricht der Signalfolge einer Keulenrichtung. Beim zeilenweisen Auslesen ergeben sich dann zu den Keu lenrichtungen die sortierten Echos zu den Entfernungszel len. Über den Auslesewahlschalter 6 werden die ausgelese nen Signale der Auswertestufe 7 zur Doppelfilterung mit tels einer Fouriertransformation zugeführt. Während des Auslesens und Verarbeitens aus dem Zwischenspeicher 2a erfolgt, über den Speicherwahlschalter 3 angewählt, das Einschreiben der Echos in den Zwischenspeicher 2b.

Das Ergebnis der Auswertestufe 7 steht an deren Ausgang zur Überleitung an folgende, nicht näher spezifizierte Si gnalsenken zur Verfügung.

Die Radartechnik der elektronisch über Phasenschieber ge steuerten Antenne läßt die trägheitslose Schwenkbarkeit planarer Antennenblickrichtungen zu. Zur Realisierung ei ner vor- und rückwärtigen "Sicht" faßt bekanntermaßen die sog. Janus-Anordnung zwei planare Antennen Rücken an Rücken zu einer Antennengruppe zusammen. Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß sie nicht die bei Schiffen geforderte Rundumsicht ermöglicht.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 vermeidet den Nachteil der einfachen Janus-Konstruktion, in dem je zwei Antennengruppen in der Janus-Anordnung um 90° ver setzt aufgebaut sind.

So lassen sich jeweils die den einzelnen Antennenelementen zugeordneten Sende- bzw. Empfangsmoduln abwechselnd ver sorgen. Dabei werden dann zwei Antennen (eine aus jedem Janus-Paar) gleichzeitig betrieben.

Bezugszeichenliste

1 phasengesteuerte Gruppenantenne
2 Zwischenspeicher
3 Speicherwahlschalter
4 Richtungsblock
6 Auslesewahlschalter
7 Auswertestufe

Claims

1. Verfahren für die kohärente Radarmessung mittels elektronisch gesteuerter Anten nen, bei dem

a) zunächst eine nach den Randbedingungen tiefstmögliche Pulsfolgefrequenz ermittelt wird,
b) mit der Pulsfrequenz eine Anzahl von Impulsen in eine erste Antennen- Keulenrichtung gesendet und empfangen werden,
c) in deren Pulsperioden, jeweils nach den Echolaufzeiten, die Antennenkeule mit gleicher Pulszahl in einem Richtungs-Multiplex-Betrieb in eine Anzahl weiterer Einzel-Keulenrichtungen zum Senden und Empfangen eingestellt wird,
d) dabei die zeitlich verschachtelt in den Pulsperioden empfangenen Signale in ei nen Zwischenspeicher abgelegt werden,
e) aus dem sie sortiert nach Richtungs- und Entfernungszelle einer Spektrumbe rechnung zur Entdeckung von Zielen mit unbekannter Dopplerverschiebung zuge führt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Pulsfolge im Richtungs-Multiplex-Betrieb in eine Anzahl Keulenrichtun gen (Richtungsblock), in mindestens einem weiteren Richtungsblock nachfolgend verfahrensgemäß der Sende- und Empfangsbetrieb zur Entdeckung von Zielen voll zogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzeit, die sich aus der Sende- und Empfangsfolge aller Richtungs blöcke einer Antennenblickrichtung ergibt, einen Wert von 2,5 s nicht überschreitet.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzahl elektronischer Einzelantennen aufweist und den Antennenele menten Speicher nachgeschaltet sind, aus denen die empfangenen und eingeschrie benen Signale zur Übertragung an eine weitere Signalverarbeitungsstufe ausgelesen werden können.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei zu Gruppenantennen entgegengesetzter Blickrichtung zusammengefaßte Richtungsblöcke in einer Janus-Anordnung um 90 Grad versetzt aufgebaut sind.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Gruppenantennen (eine aus jedem Janus-Paar) gleichzeitig nach dem er findungsgemäßen Verfahren betrieben werden können.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Antennenelementen zugeordneten Sende- und Empfangsmo dule abwechselnd versorgbar sind.