DE2606759A1 - Verfahren zur spiegeleffekt-korrektur in zielfolgeradaranlagen - Google Patents

Description

SIEMENS-ALBIS Aktiengesellschaft

Zürich

Verfahren zur Spiegeleffekt-Korrektur in Zielfolgeradaranlagen

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur einer durch spiegelnde Flächen hervorgerufenen Missweisung in Zielfolgeradargeräten mit wenigstens drei Primärstrahlern·

Bekanntlich treten beim Betrieb von Radaranlagen neben dem Nutzsignal eine Vielzahl von unerwünschten Echosignalen z.B. als Folge von Boden- bzw. Seereflexionen, Geländeüberhöhungen, atmosphärischen bzw. troposphärischen Schichtungen etc. auf. Insbesondere zeigen sich bei mobilen Zielverfolgungsradargeräten auf Grund ihrer besonderen Einsatzkonzepte und Aufgaben der kontinuierlichen Zielvermessung, meist in allen drei Koordinaten sowie der Zielgeschwindigkeits-Bestimmung unter verschiedensten topographischen Bedingungen, oft wechselnde Reflexionsstörungen. Je nach Art des Zielverfolgungsradargerätes obliegt diesem auch zusätzlich die Zielerfassung, so dass die dazu notwendige, dem Gelände angepasste Radarstrahl-Suchbewegung zwangsläufig in den Bereich von reflektierenden Medien gerät und daher diese Betriebsart an sich besonders störanfällig ist.

Die Unterdrückung von Echosignalen, die von feststehenden Reflektoren stammen, erfolgt weitgehend durch eine sogenannte Standzeichenunterdrückung (engl. Moving Target Indicator; MTI) mittels beispielsweise Dopplerauswertung oder Verzögerungsleitungen etc.

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Schwieriger gestaltet sich dagegen eine Echosignafunt'erd'rCrckung bei einem nur streifenden Einfall des Radarstrahls auf eine in Bezug auf die Wellenlänge des ausgesandten Mikrowellenstrahls ebene, als Spiegelfläche bezeichnete Fläche. In diesem Falle bilden sich zwei Wellenzüge aus, welche zusammen interferieren und das auszuwertende Zielechosignal mindestens teilweise verfälschen. Der erste Wellenzug stellt dabei die direkt vom Ziel reflektierte Welle dar, während der zweite Wellenzug eine von der Spiegelfläche, reflektierte, nach einem Phasensprung in Abhängigkeit vom spiegelnden Medium behaftete Welle darstellt. Dementsprechend bilden sich an den Empfangsorganen Felder mit unterschiedlichen, von der jeweiligen relativen Phasenlage der eintreffenden Wellenzüge abhängige Feldvektoren, welche Feldvektoren zu einander additiv sind und das jeweilige am Empfangsorgan abgenommene Signal beeinflussen.

Die obige Betrachtung der als Spiegel-Effekt bekannten Erseheinund wird jedoch bedeutend komplizierter, wenn die Spiegelfläche als diffuser Rückstrahler, wie beispielsweise ein bewegter See, unebener Fels oder ein oberflächenprofiliertes Rollfeld, angenommen wird. Ebenfalls wird sich die Erdkrümmung je nach Form der keulenförmigen Abstrahlcharakteristik der Radarantenne und Höhe des Radarziels, insbesondere über spiegelnden Wasserflächen, auf die Verfälschung des Zielechosignals zusätzlich auswirken.

Selbstverständlich lassen sich die beschriebenen Verhältnisse

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* 9RDR7RQ

auch auf Radarverfahren unterschiedlicher Wellenform xn entsprechend abgewandelter Form übertragen und gelten analog insbesondere ebenfalls für Monopuls-Radarsysteme.

In der Dt-OS 2341312 sind zur Belegung des Standes der Technik mehrere Verfahren und Vorrichtungen zur Unterdrückung von Bodenechos genannt. Als neue Version wird eine Radaranlage, mit einem während eines Empfangszeitintervalls zwischen der Periode zweier Impulse wirksamen Verstärkungspfad zur Verbesserung des Verhältnisses Störsignal zu Nutzsignal vorgeschlagen. Mittels Synchronesierungseinrichtung, Leistungsteiler und Koppler wird ein bestimmtes Strahlungsmuster zeitgerecht gesteuert von einer Sende-Empfangsanordnung abgestrahlt. Durch schrittweises Umschalten von Antenneneinrichtungen soll dabei die Empfangsrichtung beeinflusst und das vom Ziel stammende Echosignal gegenüber dem Bodenecho verstärkt werden.

Diese bekannten Radaranlagen bringen bestenfalls eine Spiegeleffektunterdrückung und könnten auf Grund der physikalischen Voraussetzungen als Optimierungslösung konventioneller Technik bezeichnet werden. Ausserdeiu könnte die Erfindung nur unter grossen technischen Schwierigkeiten auch bei Zielfolgeradaranlagen angewandt werden.

Eine weitere für Zielfolgeradargeräte besser geeignete Möglichkeit zur Verminderung des Spiegeleffektes ist durch M.D.Symonds und J.M. Smith im Untersuchungsbericht "Multi-Frequency Complex-Angle Tracking of Low-Level Targets", IEEE Conference Publication London, October 1973, pp. 166-171 veröffentlicht

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worden. Der bei "konstanten Sendefrequenzen ebenfalls konstante oder nur langsam veränderliche Phasenwinkel - der Phasenwinkel zwischen dem direkten und dem gespiegelten Signalanteil - wurde durch eine variable Sendefrequenz ebenfalls variiert. Dadurch konnte mit einer Auswertung von in den Echosignalen au!tretenden komplexen Phasenwinkeln eine beträchtliche Verringerung der durch Spiegeleffekte hervorgerufenen Missweisung des Radargerätes erzielt werden.

Wie jedoch aus der Technik der Mehr-Frequenz-Radarverfahren (engl. Frequency Agility) bekannt ist, sind rasche Aenderungen der Sendefrequenz mit einem relativ grossen Aufwand verbunden. Ausserdem erlaubt der heutige Stand der Radar-Sender-Technik die wünschenswert grossen, zur Erzielung günstiger Phasendifferenzen erforderlichen Frequenzhübe nur unter gleichzeitiger -Inkaufnahme grosser technischer Schwierigkeiten.

Alle bekannten Verfahren weisen ferner den Nachteil auf, dass die zur Spiegeleifekt-Korrektur notwendigen Massnahmen in jedem aufeinanderfolgenden MessIntervall durchgeführt werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Spiegeleffekbliorrektur anzugeben, welches die aufgezeigten Nachteile bekannter Verfahren und Einrich-

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tungen nicht aufweist. Ausserdem sollen beabsichtigte oder naturgegebene Störquellen mit einer den Spiegeleffekt-Echos ähnlichen Charakteristik ebenfalls eliminiert werden können, und es soll ebenfalls ein störungsfreier Uebergang zum spiegeleffektfreien Betrieb möglich sein. Die erfinderische Lösung soll ausserdem für unterschiedliche Radarsysteme anwendbar sein und ohne aufwendige Aenderungen auch in bereits bestehende Anlagenkonzeptο integriert werden können.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass beim Empfang von Echosignalen die Primärstrahler bezüglich der spiegelnden Fläche mit einer Höhenwinkel-Ebene, bestimmt durch die Längsachsen der jeweiligen Abstrahlcharakteristika von zwei diagonal einander gegenüberliegenden Primärstrahlern wenigstens annähernd senkrecht zur spiegelnden Fläche ausgerichtet werden, dass neben Winkelfehlersignalen (E , E) aus einer Summenfunktion (F ) und zwei Differenzfunktionen (F^, F) noch ein Winkel fehler signal (E ) aus einer in mindestens einem Messintervall gebildeten Kreuztermfunktion (F, ) erzeugt werden, dass das duxch Spiegeleffekte verfälschte Winkelfehlersignal (E_Ep) mit einem aus der Kreuztermfunktion (F_JTJ.) und der Differenzfunktion (F, ) gewonnenen Korrektursignal F^ korrigiert wird,

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wobei F₃ = E_Kp + P _R ist,

^EKQ

mit E = Imaginärteil des durch Spiegeleffekte verfälschten Winkelfehlersignals

E = Imaginärteil des aus der Kreuztermfunktion gewonnenen WinkelfehlersignaIs

E = Realteil des aus der Kreuztermfunktion ge-KP

wonnenen WinkelfehlersignaIs

E__ = Realteil des durch Spiegeleffekte verfälschten

.hi ir

WinkelfehlersignaIs

F= Rest-Korrekturglied

Als Höhenwinkelebene wird eine Ebene bezeichnet, die zur spiegelnden Fläche orthogonal ist. Dementsprechend liegen sämtliche zu vermessenden Höhenwinkel in dieser Höhenwinkelebene, sie können jedoch in beliebiger Lage zum geodätischen Höhenwinkel liegen. Selbstverständlich gilt die analoge Betrachtungsweise auch für die Seitenwinkel.

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Der Begriff der Kreuztermfunktion charakterisiert eine an sich bekannte, jedoch bisher nicht ausgewertete Differenzfunktion, die durch ebenfalls bekannte Hohlleiteranordnungen zwischen zwei diagonal oder in speziellen Fällen auch quasidiagonal gegenüberliegenden PrimärStrahlern gewonnen werden kann.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens an Hand der"Zeichnung erörtert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein nahe einer spiegelnden Fläche angeordnetes Radargerät bei der Verfolgung eines tieffliegendeη Flugzieles.

Fig. 2 ein Radargerät mit drehbarer, sogenannter Monopulsantenne.

Fig.2a die zur Korrektur des Spiegeleffektes ausgerichtete Monopulsantenne.

Fig.2b eine sechs Primärstrahler aufweisende, zur Korrektur des Spiegeleffektes ausgerichtete Antennenanordnung.

Fig.2c eine drei Primärstrahler aufweisende, zur Korrektur des Spiegeleffektes ausgerichtete Antennenanordnung.

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild mit einem für die Korrektur des Spiegeleffektes typischen Signalfluss.

Fig. 4 die Winkelverhältnisse in der Höhenwinkelebene mit einem reellen Radarziel T und einem gespiegelten Radarziel T¹ bei einer gegebenen Peilachsenausrichtung des Radargerätes R.

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Aus Pig. 1 ist eine Situation einer Radarvermessung übor einer spiegelnden Fläche S, beispielsweise einer glatten Wasseroberfläche ersichtlich. Zur Vereinfachung der Gesamtsituation wird dabei die spiegelnde Fläche S als tangentiale Fläche zur Erdkugel angenommen. Die keulenförmige Abstrahlcharakteristik der Radarantenne, der Peilwinkel geqenüber dem Radarziel sowie die Reflexionscharakteristik des Radarziels und die durch Nebenkeulen verursachten Effekte sind nicht dargestellt.

In den Fig. 2a, 2b und 2c :-ind verschiedene Antennenformen aufgezeigt, sowie deren Ausrichtung mittels einer (gedachten) zur spiegelnden Fläche orthogonalen Höhenwinkelebene. Das allgemein gültige Prinzip der Antennenausrichtung wird am Beispiel einer wohl eher selten realisierten Antenne mit drei Primärstrahlern demonstriert (Fig. 2c).

Das Zielfolgeradargerät nach Fig. 3 verwendet eine erfindungsgemäss ausgerichtete Monopulsantenne 1 mit den Primärstrahlern (engl. Feed) a, b, c und d. Nachgeschaltet ist ein Summen-Differenz-Netzwerk 2 mit einem anschliessenden Diskriminator 3. Die Ausgänge dieses Diskriminators 3 sind an eine Signalverarbeitungsstufe 4, und die Ausgänge der Signa !Verarbeitungsstufe 4 zu einer Korrekturschaltung 5 geführt. Ein Rechner 6 kann bedarfsweise ebenfalls an diese Korrekturschaltung 6 angeschlossen werden.

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Die Funktionsweise des erfindungsgemässen Verfahr«·» s sich ungeachtet der speziellen Technik des jeweiligen Radarsystems erklären:

Die Monopulsantenne 1 empfängt das aus direktem und gespiegeltem Echosignal bestehende Thterferenzsignal. Durch die Ausrichtung in Bezug auf die spiegelnde Fläche können im Summen-Differenz-Netzwerk in bekannter Weise aus den durch die Primärstrahler a, b, c und d empfangenen Echosignale folgende Nutzsignale gewonnen werden:

Eine die Distanzinformation enthaltende Summenfunktion F=a + b+c+d

eine die Seitenwinkelinformation enthaltende erste Differenzfunktion

F,_ = d - b
dA

eine durch Spiegeleffekte verfälschte, die Höhenwinkel information und die Spiegeleffektinformation enthaltende zweite Differenzfunktion

F = ι — c

sowie eine beide Winkelablageninformationen und die Spiegeleffektinformation enthaltende Kreuztermfunktion ^FdK ^{= (a+c)} ~

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Vom Summen-Differenz-Netzwerk wird die Summenfunktion F als Summensignal abgegeben und direkt in bekannter Weise - nach erfolgter Umsetzung auf eine Zwischenfrequenz zur Distanzinformation benutzt.

Im Diskriminator 3 werden in ebenfalls bekannter Weise die Winke!fehlerfunktionen

^FdA des Seitenwinkels F" =

^FdE des Höhenwinkels F„ =

^E ~B

F . des Kreuzterms l-F„ = systemgemäss aufbereitet,

• · ^Fs

In einer anschliessenden Signalverarbeitungsstufe 4 werden unter Anwendung an sich bekannter Technik folgende Signale gewonnen:

aus der Winke !fehler funkt ion F das Winke !fehler signal

des Seitenwinkels E = Re [p (Y *

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und nach erfolgter Nachführung der Radarantenne im Seitenwinkel durch die Seitenwinkelinformation E ebenso:

aus der Winkelfehlerfunktion F das Winkelfehlersignal

des Höhenwinkels E_Ep = Re [Fg(X₁^₂' f , f )}

des 90 phasenverschobenen

E = Im ΓF (χ X P, f Höhenwinkels ^EQ L E 1 2 ) /

sowie aus der Winkelfehlerfunktion F__ das Winkelfehler-

s igna1

des Kreuzterms E_Kp = Re

f)]

und des 90 phasenver-

KO schobenen Kreuzterms

^EKQ "MVW?'

Für sämtliche Winkelfehlersignale gilt die Summenfunktion, bzw. ein dazu korrespondierendes Signal aus dem Summenkanal als Phasenreferenz. Die 90 phasenverschobenen Winkelfehlersignale werden mit Vorteil durch Quadraturkanäle erzeugt.

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Ferner bedeuten:

Re = Realteil

Im = Ima.jinärteil

XwX₂ = Winkel in Bezug auf die Peilachse (eng 1. Bore sight)

in der Höhenwinkelebene (Fig. 4) Y₁JY₂ ⁼ Winkel analog zu X.,X in der Seitenwinkelebene (nicht dargestellt)

9 = Reflexionsgrad des an der spiegelnden Fläche auftretenden, vom Ziel zurückgestrahlten RadarStrahls T = Phasenwinkel zwischen gespiegeltem und direktem Signalanteil

Die Wirkungsweise der an die Verarbeitungsstufe 4 nachfolgenden Korrekturschaltung lässt sich durch die Auswertung der beiden Winkelfehlerfunktionen F (X) und F_, (X)

a K

erklären (siehe Fig. 4). Die Winkelfehlerfunktion F„ (X)

hi

wird dabei repräsentiert durch das komplexe Winkelfehlersignal E , ebenso die weitere Winkelfehlerfunktion F (X) durch das komplexe Winkelfehlersignal E„.

Es gilt: E =

1+R'

^EK ⁼

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mit R = Hilfsgrösse, definiert als:

R =

Die komplexen Wxnkelfehlersignale E und E lassen sich be-

■C< K

kanntlich in Real- und Imaginärteile aufteilen:

Realteile (in"Phase zum Summenkanal)

2 +R

) +R-cos f [F_x(X₁) +F_K(^X ₂) ^{+r2< F}k^(X2⁾J

+R

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Imaainärteile (in Quadratur zum Summenkanal)

2 +R

[^FK^(X2⁾~^FK^(X1⁾] E,

2 l+2R-cos\p +R

so dass durch eine naheliegende algebraische Umformung eine exakte Bestimmungsgleichung für das Winkelfehlersignal gewonnen wird:

E E EQ ^

^{= E}EP - — ^EKP ⁺ — ^EKQ ^EKQ

^EEQ Da das Rest-Korrekturglied F^_R = ^Fk^^X1^ ^{wie das winkel}"

^EKQ

fehlersignal selbst eine Funktion von X ist, müssen die jeweiligen Zielablagen mindestens annähernd bekannt sein; zur iterativen Bestimmung des Rest-Korrekturgliedes aus diesen Zielablagedaten dient der wahlweise an das Radargerät anschaltbare Rechner R.

In den meisten Fällen kann auf das Rest-Korrekturglied F

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verzichtet werden, da mit dem Korrekturglied F in einem weiten Winkelbereich eine ausreichende Näherung erzielt wird. Das Rest-Korrekturglied F.. wird zu Null bei exakter Zielnachführung, d.h. wenn die Peilachse Bs auf das Ziel T ausgerichtet ist (Fig. 4), da ^F _F(^X.,) ⁼ ° ^fü^ X = O.

Die erfinderische Lösung weist u.a. den Vorteil auf, dass die Bestimmung des Korrekturgliedes F_A. und des Rest-Korrekturgliedes F. in einem oder mehreren beliebigen Mes:jintervallen erfolgen kann. Dies erlaubt die Realisierung einer Vielzahl von bekannten einfachen, dem jeweiligen Radarverfahren angepassten Korrekturschaltungen.

Das dargestellte Verfahren zur Korrektur einer durch spiegelnde Flachen hervorgerufeneη Missweisung in Zielfolgeradargeräten beruht offensichtlich auf dem Gedanken, durch Ausrichten einer Antennenanordnung Messdaten zur Korrektur der Missweisung zu gewinnen und auszuwerten. Es erscheint daher naheliegend/die vorliegende Erfindung, bei entsprechend angepasstem Auswerteverfahren, auf Grund der mathematischen Beziehung auch als Eliminations-Verfahren zu bezeichnen bzw. zur vollständigen Elimination des Spiegeleffektes einzusetzen.

9.5.1975 Fkn/Scr

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Claims (1)

1. Ansprüche

   ,1. /Verfahren zur Korrektur einer durch spiegelnde Flächen hervorgerufenen Missweisung in Zielfolgeradargeräten mit wenigstens drei Primärstrahlern, dadurch gekennzeichnet, dass beim Empfang von Echosignalen die Primärstrahler bezüglich der spiegelnden Fläche mit einer Höhenwinkel-Ebene, bestimmt durch die Längsachsen der jeweiligen Abstrahlcharakteristika von zwei diagonal einander gegenübe. Liegenden Primärstrahlern wenigstens annähernd senkrecht zur spiegelnden Fläche ausgerichtet werden, dass neben Winkelfehlersignal (E _D,E ) aus einer Summenfunktion

   Air ili Jr

   (F_) und zwei Differenzfunktionen (F_n,,F_n ) noch ein Win-S cLA CtL,

   kelfehlersignal (E ) aus einer in mindestens einem Mess-

   Kir

   Intervall gebildeten Kreuztermfunktion (F ) erzeugt wer-

   ClK

   den, dass das durch Spiegeleffekte verfälschte Winkelfehlersignal (E„p) mit einem aus der Kreuztermfunktion (F,J und der Differenz, funkt ion (F, _) gewonnenen Korrektur-

   Cli\ ClEi

   signal F* korrigiert wird,

   ^EEQ
   wobei F₄ = Ε_τ^_π + F_1n ist,

   ^EKQ

   mit E = Imaginärteil des durch Spiegeleffekte verfälschten Winkelfehlersignals

   E = Imaginärteil des durch Kreuztermfunktion gewonnenen Winkelfehlersignals

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   E = Realteil des aus der Kreuzterinfunktion ge-

   .KJr

   wonmnen Winke !fehle rs igna Is

   E = Realteil des durch Spiegeleffekte verfälsch cen Winkelfehlersignals

   F= Rest-Korrekturglied

   2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Rest-Korrekturgliedes F ein Iterationsverfahren unter Einbezug der angenäherten Winkelablagedaten des reellen Radarziels und des gespiegelten Kadarziels angewendet wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, class das Rest-Korrekturglied F nach der Formel

   ^EEQ

   ^EKQ

   ^fk ¹V

   berechnet wird,

   wobei F (X ) = Fehlerfunktion des durch Spiegeleffekte K. X

   unverfälschten Kreuztermsignals eines durch die Radar-Peilachse und Radar-Zielachse gebildeten Winkels (X.) ist.

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