-
Anordnung zur Kompensation von Bodenspiegelungen in
-
Sende/Empfangsgeräten, insbesondere in Zielfolge-Radargeräten
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur mindestens teilweisen Kompensation
von durch Spiegeleffekte verursachten Messfehlern in Sende/Empfangsgeräten mit frequenzmodulierbaren
elektromagnetischen Sendesignalen, insbesondere in Zielfolge-Radargeräten.
-
Derartige Geräte, wie sie beispielsweise zur genauen Lagevermessung
von Luftfahrzeugen für die Zwecke der Fliegerabwehr oder bei der Ueberwachung von
Start- und Landungsmanövern Verwendung finden, werden in ihrer Messgenauigkeit durch
Bodeneinflüsse gestört. Strahlungsenergie, die den Boden oder eine Wasserfläche
trifft, wird, je nach Beschaffenheit der getroffenen Fläche entweder diffus gestreut
oder spiegelnd reflektiert. Diffuse Streuung tritt vor allem auf, wenn die Unebenheiten
der getroffenen Bodenfläche bzw. die Wasserwellen gross sind im Vergleich zur Wellenlänge
der emittierten Mikrowellenstrahlung; spiegelnde Reflexion hingegen entsteht bei
relativ zur Wellenlänge kleinen Unebenheiten der Boden- oder Wasserfläche. Durch
die diffuse Streuung entstehen in Radargeräten Echoerscheinungen, die oft das Zielecho
verdecken (engl. ground clutter, bzw. sea clutter), während durch die Spiegelwirkung
ein zweites Ziel vorgetäuscht wird, das Fehler in der Winkelvermessung des zu vermessenden
Objekts verursachen kann. In praktischen Fällen treten diffuse Streuung und spiegelnde
Reflexion häufig gleichzeitig auf. Während die störenden Boden- oder See-Echos durch
Ausnützung
des Dopplereffektes bewegter Objekte, unterdrückt werden können, versagt diese Methode
gegenüber dem ebenfalls störenden Spiegelbild des zu vermessenden Objekts, da dieses
annähernd dieselbe Dopplerverschiebung wie das reelle Objekt aufweist. Besonders
störend wirken sich Bodenspiegelungen bei der Vermessung sehr niedrig fliegender
Objekte aus. Einerseits ist die Bodenspiegelung bei streifendem Einfall der elektromagnetischen
Strahlung besonders ausgeprägt, anderseits liegen in diesem Fall zu vermessendes
Objekt und störendes Spiegelbild so nahe beisammen, dass das Winkelauflösungsvermögen
des Radargerätes nicht mehr ausreicht, um das reelle Objekt unbeeinflusst von seinem
Spiegelbild zu vermessen. Die vom reellen Objekt direkt und die über die Spiegelfläche
beim Radargerät eintreffende Welle werden daher beide vom Radargerät empfangen und
führen zu falschen Winkelmesswerten in Grösse und Vorzeichen.
-
Die Messfehler hängen sowohl von der Stärke, wie von der Phasenlage
der gespiegelten Welle in bezug auf die direkte Welle ab.
-
Es bestehen zahlreiche Vorschläge, die erwähnten Probleme zu lösen.
Einen Ueberblick gibt D.K. Barton in "Low-Angle Radar Tracking" Proc. IEEE, Vol.
62, June 1974, S. 687...704.
-
Ein bekanntes, wirksames Mittel, um die durch Spiegeleffekte verursachten
Winkelmessfehler möglichst zu vermeiden, ist eine möglichst enge Bündelung der Radar-Empfangscharakteristik,
d.h. ein grosses Winkelauflösungsvermögen, um das Ziel vom Spiegelbild zu trennen.
-
Dies verursacht jedoch einen hohen technischen Aufwand und erschwert
ausserdem die Ziel-Erfassung und Ziel-Aufschaltung.
-
Ein anderer Vorschlag sieht vor, die Zielvermessung nicht im Strahlmittelpunkt,
sondern im unteren Strahlbereich vorzunehmen (engl. off-axis tracking). Dazu wird
die Antennenachse entsprechend über die Achse Antenne-Ziel ausgerichtet. Sinn dieser
Massnahme ist, durch die Messung an der Flanke des Antennendiagrammes das Trennvermögen
gegenüber der störenden gespiegelten Spiegelwelle zu steigern. Nachteile dieser
Lösung sind die gestörte Symmetrie und der auftretende Reichweitenverlust.
-
Es ist auch bekannt und wird ebenfalls im zitierten Aufsatz von D.K.
Barton beschrieben, dass die Varianz der Winkelfehler durch Frequenzvariation der
Trägerwelle (engl. frequency diversity) etwas herabgesetzt und damit eine Beruhigung
der Messwerte (engl. smoothing of diffuse components) erzielt wird.
-
Jedoch ist mit den vorgeschlagenen Frequenzvariationen keine K."ipensation
des Fehlereinflusses von Spiecleffekten möglich.
-
Weitere Methoden der Winkelfehlerreduz ieruri;l ,wurden insbesondere
fül sogenannte Monopuls-Radarsysterne vorgeschlagen.
-
Die ..gena.ìnte Komplexwinkeltechnik (engl. complex angle techniques)
ist in der US-PS 3 378 843 beschrieben. Hier wird von der an sich bekannten Tatsache
ausgegangen, dass bei einer unter dem Begriff Amplituden-Monopuls bekannten Ausführungsform
das Fehlersignal im Elevationswinkelkanal eine Imaginärkomponente, d.h. eine um
900 gegen das Summen-Empfangssignal zeitlich versetzte Komponente aufweist, sobald
ein Spiegelsignal auftritt. Demgegenüber ist bei Abwesenheit von Spiegelsignalen
das Fehlersignal im wesentlichen reell, d.h. in Phase mit dem Summen-Empfangssignal.
Die Grösse dieser Imaginärkomponente ist sowohl eine Funktion der Zielelevation
wie der Geländeeigenschaften. Durch Eichung des Messgerätes, z.B. durch Versuchs-Flüge,
kann der Verlauf der Imaginärkompenente gemessen und auf Grund solcher Eichdaten
aus der gemessenen Imaginärspannung die Zielelevation bestimmt werden. Die Methode
hat aber den Nachteil, dass Versuchs-Flüge in allen Azimutrichtungen, also zeitraubende
und teure Eicharbeiten erforderlich sind, und dass die Resultate solcherEichungen
nur für den während der Messung vorgefundenen Bodenzustand brauchbar sind. Aendern
sich die Reflexionsverhältnisse, z.B. Boden nass oder trocken,
Schneedecke;
Wasserfläche ruhig oder bewegt, müssen neue Messungen durchgeführt werden. Auch
treten, wie von Peebles und Goldmann "Radar Performance with Multipath Uns in the
Complex Angle" IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 7, Jan.
1971, beschrieben wurde, bei Anwendung dieser Methode häufig Mehrdeutigkeiten auf,
die grosse Messfehler verursachen.
-
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe,eine Anordnung zur mindestens
teilweisen Kompensation von durch Spiegeleffekte verursachten Winkelmessfehlern
zu schaffen, welche die vorerwähnten Nachteile nicht aufweist.
-
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorhanden
ist, die die Sende frequenzen der Sender und die Frequenzen der Lokaloszillatoren
in gegenüber der Signalverarbeitungsdauer vernachlässigbar kleinen im Mittel gleich
langen Zeitintervallen derart steuert, dass die Sendesignale Frequenz sprünge grösser
oder annähernd gleich +t f min um eine Mittelfrequenz fm aufweisen, die nach Massgabe
von vorbekannten, mittels einer Mess- und Auswerteeinrichtung im Radargerät angenäherten
Ziellage-Parametern nach der Formel
gewonnen werden, mit c = Lichtgeschwindigkeit h = Antennenhöhe
über Spiegelfläche hz= Zielhöhe über Spiegelfläche rd= radiale Zieldistanz.
-
Die im Patentanspruch als Kriterium zur Variation der Sendefrequenzen
genannten Massnahmen bewirken, dass sich zumindest angenähert die Phasen lagen der
am Boden gespiegelten Wellen in Bezug auf die direkt vom Ziel reflektierten Wellen
jeweils während gleichen Zeitintervallen um Winkel von annährend zur oder Winkel
? # unterscheiden.
-
Phasenlagen-Unterschiede von 1r oder ungeraden Vielfachen von 71 würden,
abhängig vom verwendeten Radarsystem, Teil-oder Vollkompensation von Spiegeleffekten
ergeben.
In der Praxis erweist es sich jedoch als sehr vorteilhaft, dass bereits Phasenlagen-Unterschiede
von nur annähernd Ti oder nur annähernd ungeraden Vielfachen von II Teilkompensationen
ergeben. Daraus ergibt sich der Vorteil von einfachen Approximativ-Verfahren zur
Bestimmung der Fehlerkompensation. Dementsprechend könnte, beispielsweise durch
ein Zielfolge-Radargerät mit nur einer, festeingestellten, erfindungsgemässen Frequenzvariationßein
weiter Zielbereich vermessen werden, ohne dass allfällig auftretende Spiegeleffekte
zu erheblichen Missweisungen führen würden.
-
Durch messtechnische Massnahmen -beispielsweise der Ueberwachung des
Imaginäranteils im Winkelfehlersignal bei Radargeräten, welche die Phasenlage der
Echosignale auswerten - lässt sich die Wirksamkeit der gewählten Frequenzvariationen
überprüfen und optimieren.
-
An Hand von Zeichnungen wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen
das erfindungsgemässe Verfahren erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1, ein Monopuls-Zielfolge-Radargerät mit Spiegeleffekt-Kompensation
Fig. 2, die geometrischen Verhältnisse zur Bestimmung der Spiegeleffekt-Kompensation
Fig.
3, die Charakteristik einer stochastischen Frequenzverteilung zur Spiegeleffekt-Kompensation
Ein Monopuls-Zielfolge-Radargerät, Fig. 1 weist eine Sende/ Empfangsantenne R mit
Strahlungselementen A, B, C, D auf.
-
Vier Hohlleiter a, b, c, d verbinden die Strahlungselemente A, B,
C, D mit einem Summen-Differenz-Netzwerk K. Nachgeschaltet ist ein Sende/Empfangsumschalter
Du. Der Sende/ Empfangsumschalter Du ist empfängerseitig über Signalleitungen #,#α,##
mit einer Mischstufe M verbunden. Die Ausgangssignale S(fm + bf) und S(fm -f) eines,
zwei Einzel-Sender St, S2 aufweisenden Sendegerätes S werden im Sende/Empfangsumschalter
Du einem Summensignal-Kanal E zugeführt. Die Einzelsender Si, S2 sowie ein Ueberlagerungs-Oszillator
OZ (Lokal-Oszillator) sind durch ein gemeinsames Stellglied St frequenzabstimmbar.
Die Ausgangssignale SOz des Ueberlagerungs-Oszillators OZ sind der Mischstufe M
zugeführt. Die Ausgänge der Mischstufe M sind mit Signal-Auswertestufe SA verbunden.
Die Signal-Auswerte-Stufe SA gibt ein Videosignal Vd, die Höhenwinkel-Fehlerspannung##
und die Se itenwinkel-Fehlerspannungo( ab.
-
Diese Informationen werden einer Servo-Stufe SE zugeführt.
-
Die Servo-Stufe ihrerseits gibt
ein Steuersignal
Sir112 ab. Das Steuersignal SR1,2 wird einem Servomechanismus SM zugeführt und wirkt
über diesen auf die Sende/ Empfangsantenne R ein. Eine Impulszentrale IZ gibt an
einen Senderumtaster US und an den Ueberlagerungs-Oszillator OZ ein Senderumtastsignal
SUS ab. Ebenfalls wird ein Sendersteuersignal PRF von der Impulszentrale IZ abgegeben
und über den Senderumtaster US an den jeweils angesteuerten Sender S1 oder S2 abgegeben.
Ferner erzeugt die Impulszentrale IZ weitere im Radargerät benötigte Steuer- und
Anzeigesignale.
-
Die Wirkungsweise eines derartigen Radargerätes ist grundsätzlich
bekannt.
-
Die Sende/Empfangsantenne R, beispielsweise eine sogenannte Monopuls-Antenne,
wird durch einen Servomechanismus SM in geeigneter Weise auf ein Flugziel ausgerichtet.
Mittels des Stellgliedes St werden die Frequenzhübe f A f des Sendegeräts S den
Spiegeleffekt-Verhältnissen entsprechend eingestellt. Gleichzeitig wird auch in
bekannter Weise der Ueberlagerungs-Oszillator OZ auf die empfangsgerechten Ueberlagerungsfrequenzen
abgestimmt. Das Sendersteuersignal PRF wird nun durch den im Takte des Senderumtastsignals
schaltenden Umtaster US periodisch den Einzel-Sendern S1 und zugeführt. Die im Sendegerät
S erzeugten Sendesignale S(fm + ^ f) und S(fm - f) werden in bekannter Weise über
den
Sende/Empfangsumschalter Du ins Hohlleiter-Netz eingespeist und über die Sende/Empfangsantenne
R in Richtung Flugziel abgestrahlt. Entsprechend der Zieldistanz trifft nun die
vom Flugziel zurückgestrahlte Sendeenergie einerseits direkt und andererseits indirekt,
über die Spiegelfläche reflektiert, (s.Fig. 2) nach einem messbaren Zeitintervall
jedoch nahezu gleichzeitig auf die Sende/Empfangsantenne R. Dementsprechend setzt
sich ein das elektrische Feld charakterisierender, auf die Sende/EmpfangsantenneR
ein wirkender elektrischer Vektor ER aus den Komponenten der vom Flugziel direkt
reflektierten elektromagnetischen Welle -Vektor E Z - und der durch die Spiegelfläche
reflektierten elektromagnetischen Welle - Vektor Es - zusammen. Durch die am Sender
S durchgeführte, sogenannte Frequenzumtastung ergibt sich bei richtig eingestelltem
Frequenzhub in der durch die Umtastfrequenz bestimmten Folge eine periodische Richtungsumkehr
des die Messfehler verursachenden elektrischen Vektors ES in Bezug auf den Vektor
ER, und damit auch eine periodische Vorzeichenumkehr des daraus resultierenden Messfehlers,
wodurch die beabsichtigte Kompensationswirkung entsteht.
-
Voraussetzung für eine derartige Kompensation ist jedoch, dass die
Zeitdauer der wirksamen Frequenzumtastung klein ist gegenüber der Verarbeitungsdauer
der in bekannter Weise aufbereiteten Signale. Diese Signalverarbeitungsdauer wird
durch die Laufzeiten und Zeitkonstantenim Empfänger, sowie ganz entscheidend
durch
die Zeitkonstante der Servo-Stufe SE bestimmt.
-
Der Empfänger verarbeitet die in den Hohlleitern a, b, c, d geführten
elektrischen Signale in gewohnter Weise. Diese Signale werden dem Summen-Differenz-Netzwerk
K zugeführt und in bekannter Weise ein SummensignalL , ein Seitenwinkel-Differenzsignal4d
und ein Höhenwinkel-Differenzsignal d gebildet. Im nachfolgenden Sende/Empfangsumschalter
Du werden diese in den jeweiligen Empfangsintervallen an eine Mischstufe M durchgeschaltet.
Hier erfolgt durch Zuführung der Ueberlagerungsfrequenz SOz die Umsetzung auf eine
Zwischenfrequenz. Die Zwischenfrequenz-Ausgangssignale der Mischstufe M werden in
der anschliessenden Signal-Auswerte-Stufe SA verstärkt, amplitudengeregelt und demoduliert.
Die Signal-Auswerte-Stufe SA gibt ein Videosignal Vd, die Seitenwinkel-Fehlerspannung#α
und die Höhenwinkel-Fehlerspannung ## ab.
-
Eine nachgeschaltete Servo-Stufe SE verarbeitet die beiden Winkelfehlerspannungen£o(,und
das Videosignal Vd zu mechanischen Stellgrössen. Zwei Stellgrössen SR1,2 dienen
zur eingangs erwähnten Ausrichtung der Sende/Empfangsantenne R auf das Ziel. Die
dritte Stellgrösse stellt die radiale Zieldistanz rd dar.
-
Aus Fig. 2 lassen sich die zur Kompensation von Spiegeleffekten notwendigen
Frequenzsprünge ## f berechnen mit:
dh = Horizontaldistanz (Antenne-Flugziel)
h = Antennenhöhe über Spiegelfläche 5 h = Zielhöhe über Spiegelfläche z rd = radiale
Zieldistanz (Weglänge der direkten Welle) - r = Weglänge der reflektierten Welle
über 5 den Spiegelpunkt zum Radargerät 3 d = Weglängendifferenz zwischen gespiegelter
und direkt reflektierter Welle n = Masszahl für die Weglängendifferenz in Viertels-Wellenlängen
= = mittlere abgestrahlte Wellenlänge fm = mittlere abgestrahlte Frequenz bf = Frequenzsprung
des Sendesignals Für ein Ziel in Bodennähe gilt:
Die Masszahl n der Weglängendifferenz berechnet sich zu:
Um eine Phasenänderung zwischen direkter und reflektierter + Welle
um -+ 1r/2 zu erzielen, muss der Frequenzsprung -eine Aenderung der Masszahl n um
- 1 bewirken. Daraus folgt nach kurzer Rechnung für den minimal erforderlichen Frequenzsprung:
Der ganze notwendige Frequenzsprung beträgt 2 a f min wobei ß f < f min = Unterkompensation
(Teilkompensation) und t f > f min = Ueberkompensation (Teilkompensation) ergibt.
-
Da ein niedrig fliegendes Flugziel nach der Erfassung üblicherweise
in der anschliessenden Verfolgungsphase auf das Radargerät R zufliegt und bei horizontalem
Anflug ein abnehmender Frequenzsprung d f erforderlich ist, ergibt sich die Möglichkeit
einer Optimierung bei gut eingestelltem Frequenz sprung d f. Dieser wird auf beste
Kompensation für eine vorausberechenbare Zielkonfiguration eingestellt, bei der
die Genauigkeitsansprüche am grössten sind. Für grössere Zieldistanz besteht dann
Unterkompensation, für kleinere Ueberkompensation.
-
Die Bestimmungsformel zur Berechnung des Frequenzsprungs S f . weist
eine von der Position des Radargerätes und mln zwei von der Ziellage abhängige Grössen
auf. Die Antennenhöhe
über der Spiegelfläche h. kann in vielen
Fällen min-5 destens jeweils in einem grösseren Zielverfolgungsbereich als konstant
angenommen werden und ist durch die Position des Radargerätes und durch das Umgebungsgelände
festgelegt.
-
Die radiale Zieldistanz rd lässt sich auch im durch Spiegeleffekte
gestörten Betrieb relativ genau ermitteln. Die durch Spiegeleffekte gestörte Höhenwinkelmessung
kann dementsprechend durch einen Iterationsprozess in ihrer Genauigkeit verbessert
werden, da bereits eine Phasenänderung um nur annähernd N schon eine Teilkompensation
und somit eine Verbesserung des Messwertes der ursprünglichen Zielablagen bewirkt.
-
Bekanntlich kann, beispielsweise in einem Monopuls-Radargerät, mit
Hilfe eines sogenannten Quadraturkanals der durch Spiegeleffekte verursachte Imaginärteil
des Winkelfehlersignals gemessen werden. Ausgehend von diesem Sachverhalt lässt
sich ebenfalls ein Optimierungskriterium zur Kompensation des Spiegeleffektes bzw.
zur optimalen Einstellung des Hubs herleiten: Ein zu Null werdender oder auch annähernd
zu-Null werdender Imaginärteil des Winkelfehlersignals könnte in einer an sich bekannten
Messanordnung laufend überwacht und als Sollwert beispielsweise für die Verbesserung
des oben erwähnten Iterationsprozesses verwendet werden.
-
Denkbar ist auch, den Imaginärteil des Winkelfehlersignals ohne weitere
Berücksichtigung der geometrischen Zielkonfiguration als Sollwert für die Steuerung
des Hubs einzusetzen.
-
Während im ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 1 die zur Kompensation
von Spiegeleffekten benutzte Variation der Sendefrequenz durch Frequenzumtasten
zwischen zwei um den Betrag 2 # fmin versetzten Frequenzen erzielt wird, sind auch
andere Modulationsarten denkbar. Fig. 3 und 3a zeigen eine stochastische Frequenzverteilung
zur Spiegeleffekt-Kompensation. Gemäss Fig. 3a kann auch einem einzelnen, beispielsweise
in einem Zeitintervall tl mit der Frequenz fl abgestrahlten und empfangenen Impuls
im Intervall tlk ein Kompensations-Impuls der Frequenz flk entgegengesetzt werden.
Ebenfalls gilt dies für die weiteren Impulse f21 f3... fn+l und die korresponn dierenden
Kompensations-Impulse der Frequenz f2k, 3k--- I fnk f( Al)k ... Die eingezeichneten
Zeitintervalle 0 bis 3 stellen dabei die einzelnen Arbeitsphasen innerhalb einer
Impulsperiode dar; so 0 bis 1 das ffir die Aussendung des Impulses, 1 bis 2 das
für die Empfangsperiode und 2 bis 3 das für die Umstellung von Sender und Empfänger
auf eine neue Arbeitsfrequenz notwendige Zeitintervall.
-
Das erfinderische Verfahren lässt unterschiedliche Zeitintervalle
tl, t2 usw. zu. Diese Zeitintervalle können mehrere Impulsperioden
umfassen;
Voraussetzung für eine Kompensation ist jedoch, dass die kompensierenden Zeitintervalle
talk, t2k usw. gleiche Länge wie ihre korrespondierenden Zeitintervalle aufweisen.
Es ist ferner auch nicht Bedingung, dass ein kompensierender Frequenzabschnitt unmittelbar
auf den zu kompensierenden folgt. Die Kompensation kann dementsprechend auch stochastisch
erfolgen und darf auch, unter Inkaufnahme grösserer Messfehler nicht kompensierte
Intervalle aufweisen.
-
Fig. 3 zeigt mit 9 (f) die statistische Wahrscheinlichkeitsverteilung
der Sendefrequenzen aus Fig. 3a. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung weist an den
Stellen fm + #fmin und fm - z fmin relative Maxima auf und muss symmetrisch zur
Mittelfrequenz fm verlaufen. Die einzelnen Kompensationsfrequenzen liegen jeweils
gleich weit und in der selben Richtung vom einen Maximum ab, wie die zu kompensierende
Frequenz vom jeweils andern.
-
Selbstverständlich können nach dem selben Prinzip, Fig. 3a,auch Teilkompensationen
des Spiegeleffektes, d.h. Kompensationen von nur einem Teil der abgestrahlten Sende
frequenzen durchgeführt werden. Ebenfalls sind Modulationsverfahren, die als Steuerfunktion
eine determinierte Funktion benutzen, denkbar.