DE3540808A1 - Einrichtung zur detektion und bekaempfung untergezogener bodenziele - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Detektion und Bekämpfung untergezogener Bodenziele von niedrig fliegenden Fluggeräten unter Anwendung von Radarstrahlung bei einem Synthetic-Aperture-Radars (SAR), bei dem die Zielerfassung, in Flugrichtung gesehen, seitlich und/oder schräg vorwärts und nach unten erfolgt, nach Patent . . . . . . . . . ., Patentanmeldung P 34 30 888.1-35.

Es ist bekannt, Ziele durch die Anwendung des Synthetic- Aperture-Radar-Prinzips (SAR) zu detektieren, wobei eine sehr hohe Auflösung in der Querrichtung zur Flugrichtung des die Radaranlage mitführenden Flugzeuges erzielt wird (siehe: M. J. Skolnik: Introductuion into Radar Systems, Kap. 14.1; 2. Auflage 1980; McGraw- Hill). Hierbei wird die durch die Bewegung des Flugzeuges synthetisch erzeugte große Antennen-Apertur ausgenutzt. Eine genaue Auswertung der empfangenen Signale ist mit üblichem Aufwand zu erreichen, die erzielbare Auflösung liegt in der Größenordnung der Antennenabmessungen.

Weiterhin ist in der Literatur (M. J. Skolnik: Introduction into Radar Systems, S. 527) die Möglichkeit beschrieben worden, mittels einer zur Flugrichtung schräg nach vorne gerichteten Antennenanordnung seitlich neben der Flugbahn des Flugzeuges liegende Bodenziele aufzuspüren. Die Methode, die auch SQUINT-Mode genannt wird, bedingt jedoch einen erheblichen höheren Aufwand bei der Auswertung als das SAR-Prinzip.

Aus der DE-OS 30 23 290 ist eine Einrichtung zur Zielerfassung von bewegten und stationären Bodenzielen von tieffliegenden Flugzeugen aus beschrieben, die mittels vier IR-Sensorzeilen, die paarweise an der rechten und linken Tragflächenspitze montiert sind, Ziele detektiert, die aufgrund ihrer Infrarotabstrahlung erkennbar sind. Dieses Verfahren ist jedoch gerade bei z. B. unter Bäumen untergezogenen Bodenzielen nicht anwendbar.

Das SAR-Prinzip weist für den hier vorliegenden Anwendungsfall den Nachteil auf, daß nur ein Teil seiner synthetischen Apertur ausgenützt werden kann, weil das Radarbild des Bodenzieles bereits vorliegen muß, wenn das Flugzeug das vor ihm liegende Ziel an der Entscheidungsentfernung für die Auslösung der Waffe erfaßt hat. Weiterhin ist beim SAR prinzipiell keine "Rechts-Links- Entscheidung bezüglich der seitlichen Ablage möglich, weil diese Information in den Dopplersignalen nicht enthalten ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile eine Einrichtung für Fluggeräte zu schaffen, die zur Überwachung von Bodenstreifen im Tiefflug, insbesondere zur Suche nach z. B. unter Bäumen untergezogenen Bodenzielen, wie z. B. militärischen Transport- und Kampffahrzeugen, mit hoher Auflösung dient, und mit der eine sofortige, gezielte Bekämpfung von oben durchführbar ist und die eine verbesserte Selektion von Falschzielen gegenüber Echtzielen bei gleichzeitig verbesserter Trennung zwischen Ziel und Umgebung ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungegemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches niedergelegten Merkmale gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 je eine Front-, Seiten- und Aufsicht auf ein Fluggerät mit einer Einrichtung zur Detektion untergezogener Bodenziele,

Fig. 2 eine geometrische Anordnung eines Radarsystems zur Detektion untergezogener Ziele,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Radarsignalverarbeitung.

In den drei Teilfiguren der Fig. 1 ist eine geometrische Anordnung einer Einrichtung zur Detektion und Bekämpfung von untergezogenen Bodenzielen durch ein niedrig fliegendes Fluggerät 1 dargestellt. Zur Verdeutlichung wird ein sich auf der Erdoberfläche befindendes, jedoch sich mit dem Fluggerät mit bewegendes Koordinatensystem verwendet. Die Lage eines Zieles BZ wird, bezogen auf das Koordinatensystem durch die seitliche Ablage X _s , Y _s in der X/Y-Ebene angegeben. Der Erfassungsbereich, der durch die Anordnung der Antennen 4 a, 4 b, 4 c, 4 d, 4 e die Antennengeometrie und die Flughöhe Z _s gegeben ist, liegt in der Flugrichtung zwischen den Marken X _E und X _A und in der Querrichtung zwischen den Marken -Y _E und Y _E .

Ein Bodenziel BZ, das sich im Bereich der Flugbahn auf der Erdoberfläche befindet, wird vom Radar zum ersten Mal dann erfaßt, wenn seine Entfernung kleiner als die Maximalentfernung X _A wird. Für die Auswertung spielen nur diejenigen Empfangssignale eine Rolle, die auftreten, während sich dieser Abstand bis zur Entscheidungsentfernung X _E verkleinert. Die am Ausgang des Radargerätes zur Verfügung stehende Information stellt dabei die Verteilung der sich gerade in der Entscheidungsentfernung X _E befindenden Streukörper als Funktion der seitlichen Ablage Y _s dar.

Die in der Fig. 1 dargestellte Antennengeometrie weist folgende Bereiche des vertikalen bzw. horizontalen Bündelungswinkels der Antennen auf:

30° γ _V 70°;
25° γ _H 65°.

Es können auch kleinere Antennen mit geringerer Bündelung verwendet werden. Dann werden auch außerhalb des interessierenden Bildfeldes liegende Bodenziele erfaßt, was einen höheren Aufwand bei der Auswertung bedingt und gleichzeitig auch eine Verminderung der Störfestigkeit (ECM-Festigkeit) bewirkt, weil die weitab liegenden Störziele mit größerer Amplitude empfangen werden können und bei der Signalverarbeitung unterdrückt werden müssen.

In der Fig. 2 ist beispielhaft eine mögliche Anordnung der Sende- und Empfangsantennen 4 a, 4 b, 4 c, 4 d, 4 e sowie der dazu gehörenden Empfänger 5 a, 5 b, 5 d, 5 e und dem Sender 6 dargestellt. Diese Einrichtungen sind vorzugsweise für den Betrieb mit der Grundwelle der Sendefrequenz ausgelegt, können aber ebensogut mit der dritten Harmonischen betrieben werden. In Ergänzung hierzu sind weitere analog aufgebaute Empfangszweige, bestehend aus den Antennen 4 f, 4 g, 4 h, 4 i und den Empfängern 5 f, 5 g, 5 h, 5 i, vorgesehen. Diese sind ausschließlich für den Betrieb mit der dritten Harmonischen der Sendefrequenz vorgesehen. Somit stehen an den Ausgängen Ia, Ib, Id, Ie die Empfangssignale der Grundwelle (und gegebenenfalls auch der dritten Harmonischen) und an den Ausgängen Jf, Jg, Jh, Ji die empfangenen Signale der dritten Harmonischen der Sendefrequenz zur Verfügung. Im Ausgangszweig des Senders 6 ist zusätzlich noch ein Sperrfilter 8 der dritten Harmonischen und eine Frequenzvervielfachung 7 der Sendefrequenz auf die dritte Harmonische vorgesehen. Für einen Einbau in ein Flugzeug sind flächenhafte Antennenstrukturen erforderlich. Es bietet sich daher an, das gewünschte Antennendiagramm durch Anordnung mehrerer λ/2-Einzelstrahler, die mit geeigneter Phasenlage gespeist werden, zu erzeugen. Die Gesamtstruktur der Antenne kann somit vorteilhafterweise in Streifenleitungstechnik ausgeführt werden.

Der Sender 6 ist so ausgelegt, daß er vorzugsweise nur die Grundwelle der gewählten Sendefrequenz abgibt. Insbesondere die dritte Harmonische muß bei der vorliegenden Einrichtung stark unterdrückt werden, da sie entweder allein oder auch zusammen mit der Grundwelle empfangen und ausgewertet werden soll. Falls nur die dritte Harmonische verwendet wird, können die Empfangsantennen 4 a, 4 b, 4 d, 4 e (4 f, 4 g, 4 h, 4 i) kleiner und die Empfänger 5 a, 5 b, 5 d, 5 e (5 f, 5 g, 5 h, 5 i) einfacher ausgeführt werden. Wenn jedoch sowohl die Grundwelle als auch die dritte Harmonische zur Auswertung herangezogen werden, müssen die Empfänger mit Filtern für die entsprechenden Frequenzen und mit Schaltmitteln zur wahlweisen oder gleichzeitigen Signalverarbeitung und Weiterleitung zur Fouriertransformation FFT ausgestattet sein. Diese Art der Auswertung beruht auf der Erkenntnis, daß komplex aufgebaute metallische Ziele infolge des nichtlinearen Verhaltens von metallischen Stoßstellen bei der Beleuchtung mit geeigneten Frequenzen nicht nur die Grundwelle sondern auch die dritte harmonische Schwingung induzieren. Durch die Auswertung dieser Frequenzen kann deshalb die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Zieldetektion erheblich gesteigert werden.

Für die verwendete Radarauswertung wird ein Array mit mehreren Antennen benötigt. Es hat sich herausgestellt, daß mit einer äquidistanten Anordnung von vier Empfangsantennen 4 a, 4 b, 4 d, 4 e, (4 f, 4 g, 4 h, 4 i), die im Tragflügelbereich des Fluggerätes 1 angebracht sind, gute Ergebnisse erzielbar sind. Die Sendeantenne 4 c wird in der Mitte der Gesamtapertur angebracht. Eine Mitverwendung einer Empfangsantenne als Sendeantenne ist bei genügend großer Entkopplung denkbar. Es ergeben sich folgende Abmessungen.:

Abstand der einzelnen Empfangsantennen 4 a, 4 b, 4 d, 4 e zueinander: 1 m Δ L 2 m; Ausdehnung der Gesamtapertur: 4 m L 8 m; d. h. der Einzelabstand ist deutlich größer als bei üblichen Arrays mit λ/2.

Sendeleistungen in der Größenordnung zwischen 20 mW und 2 W sind für das System gemäß P 34 30 888.1-35 nach den bisherigen Abschätzungen ausreichend. Das Radarsystem ist vorzugsweise als Dauerstrichradarsystem ausgelegt, es ist jedoch ebensogut möglich, gepulste Signale zu verwenden. Für das Auffinden untergezogener Ziele wird wegen der geringeren Leistung der reflektierten dritten Harmonischen zur Zielidentifizierung kurzzeitig die Sendeleistung bis in den Kilowatt-Bereich hochgetastet.

Die Fig. 3 zeigt schematisch die empfängerseitige Verarbeitung der Radarsignale nach dem SAR-Prinzip mit Wellenfrontrekonstruktion bei einer Radaranordnung mit vier Empfängern 5 a, 5 b, 5 d, 5 e. Diese sind mit Filtern für die dritte Harmonische oder für die Grundwelle und die dritte Harmonische der Sendefrequenz ausgerüstet. Der in Fig. 2 dargestellte analoge Empfangszweig der Antennen 4 f, 4 g, 4 h, 4 i umfaßt die gleiche Art der Signalverarbeitung.

In Flugrichtung erfolgt die Signalauswertung in hier nicht gesondert dargestellter Weise nach dem Prinzip eines Synthetic-Aperture-Radar (SAR). Aufgrund der vierfachen Empfangsantennenanordnung quer zur Flugrichtung steht hier im Gegensatz zu einem SAR bekannter Art zu jedem Zeitpunkt die einer synthetischen Apertur entsprechende Information zur Verfügung.

Für die Wellenfrontrekonstruktion, die zur Ermittlung der seitlichen Ablage eines Zieles im Azimut dient, werden die empfangenen komplexen Radarsignale am Empfängerausgang zeitlich äquidistant abgetastet und digitalisiert. Die vier einem Abtastzeitpunkt zugeordneten Signalwerte werden anschließend einer schnellen Fourier- Transformation FFT mit vier Stützwerten unterworfen, die fest verdrahtet sein kann. Am Ausgang des FFT- Prozessors stehen dann die nach Auflösungssektoren winkelmäßig sortierten Siganlfunktionen 7 a, 7 b, 7 d, 7 e zur Verfügung, die entsprechend ihrem zeitlichen Auftreten der Reihe nach in die vier Felder der winkelmäßig geordneten Signalfunktionen WSF _a , WSF _b , WSF _d , WSF _e eingespeichert werden. Die daraufhin nach einem Zeitgesetz aus den abgespeicherten Werten korrigiert zusammengesetzten Signalfunktionen werden anschließend mit abgespeicherten Testfunktionen in bekannter Art korreliert.

Ein Bodenziel BZ, das mit einer bestimmten seitlichen Ablage Y _s vom Radar erfaßt wird, durchläuft während des Anfluges mehrere Auflösungssektoren p, q, r, s nach Fig. 1c. Dementsprechend muß die eigentliche Signalfunktion SF aus Abschnitten der winkelmäßig zugeordneten Signalfunktionen zusammengesetzt werden. Die Art der Zusammensetzung hängt nur von der seitlichen Ablage ab und ist daher bekannt. Eine Zwischenspeicherung der eigentlichen Signalfunktionen ist nicht erforderlich, vielmehr können die den Korrelatoren K ₁, . . .K _N (in Fig. 3) zuzuführenden Signalfunktionen durch eine feste Verdrahtung direkt aus den winkelmäßig geordneten Signalfunktionen abgeleitet werden. Der wesentliche Teil des benötigten Speicherplatzes ist daher für die Abspeicherung der Testfunktionen TF ₁, . . ., TF _N notwendig. Pro seitlichem Auflösungssektor wird ein solcher Testdatensatz und ebenfalls ein Korrelator benötigt. Das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes am jeweiligen Korrelationsausgang zeigt an, daß sich zu diesem Zeitpunkt in der Entscheidungsentfernung X _E bei der zugeordneten seitlichen Ablage der Sektoren p, q, r, s ein Bodenziel BZ befindet.

Die optimale Form der Signalauswertung, die darin besteht, daß das erwartete Signal (= Testfunktion) mit dem tatsächlich gemessenen Signal (= Signalfunktion) korreliert wird und bei einem hohen Grad der Übereinstimmung auf ein vorhandenes Bodenziel geschlossen wird, ist beim SAR-Prinzip üblich. Probleme entstehen durch die zusätzliche Anwendung des Verfahrens der Wellenfrontrekonstruktion, weil ein sich parallel zur X-Achse näherndes Bodenziel abhängig von seiner seitlichen Ablage Y _s mehrere verschiedene seitliche Auflösungssektoren p, q, r, s durchläuft. Dies erfordert eine spezielle Methode der Zuordnung von Signal- und Testfunktion, wie sie oben dargestellt wurde. Hierbei ist eine Anordnung von vier Empfängern zur Wellenfrontrekonstruktion wirtschaftlich vertretbar und auch genügend genau in der Auflösung.

Die besonderen Vorteile dieses Verfahrens liegen darin, daß es mit Hilfe der auf dem Patent . . . . . . . . . ., Patentanmeldung P 34 30 888.1-35 basierenden Einrichtung möglich ist, untergezogene metallische Ziele von Bodenechos leichter zu separieren und die Gefahr von Falschzielanzeigen aufgrund einer stärker ausgeprägten Zielsignatur zu vermindern, wobei bei ausschließlicher Verwendung der dritten Harmonischen die Empfangsantennen noch kleiner ausgeführt werden können.

Claims (1)

1. Einrichtung zur Detektion und Bekämpfung untergezogener Bodenziele von niedrig fliegenden Fluggeräten unter Anwendung von Radarstrahlung bei einem Synthetic- Aperture-Radars (SAR), bei dem die Zielerfassung, in Flugrichtung gesehen, seitlich und/oder schräg vorwärts und nach unten erfolgt, nach Patent . . . . . . . . . ., Patentanmeldung P 34 30 888.1-35 gekennzeichnet durch folgende Merkmale
- Die Sende- und Empfangseinrichtung besteht aus einem in Flugrichtung in einem vorbestimmten Winkel (3) bezüglich der Rollachse (2) beidseitig symmetrisch zur aus der Rollachse und der Gierachse gebildeten Ebene (X, Z) nach unten strahlenden, horizontal am Fluggerät (1) angeordneten Antennenarray (4 a, 4 b, 4 c, 4 d, 4 e) für langwellige Radarfrequenzen im Bereich von 500-1200 MHz mit vorzugsweise vier Empfangsantennen (4 a, 4 b, 4 d, 4 e) und einer Sendeantenne (4 c), wobei die einzelnen Empfangsantennen (4 a, 4 b, 4 d, 4 e) zueinander einen Abstand (Δ L) aufweisen, der wesentlich größer als die halbe Wellenlänge der Betriebsfrequenz ist;
- der die Sendeantenne (4 c) speisende Sender (6) unterdrückt die auftretenden Oberwellen der Sendefrequenz, insbesondere die dritte Harmonische;
- die Signale der Empfangsantennen (4 a, 4 b, 4 d, 4 e) werden den Empfängern (5 a, 5 b, 5 d, 5 e) zugeleitet, welche Filter für die Grundwelle und/oder die dritte Harmonische der Sendefrequenz und Mittel zur Weiterschaltung entweder der dritten Harmonischen oder der Grundwelle und der dritten Harmonischen gleichzeitig aufweisen;
- die Auswertung der empfangenen, vom Ziel reflektierten Radarsignale erfolgt in der Azimutebene mittels einer Wellenfrontrekonstruktion aus den empfangenen Signalen, die mit Hilfe einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) winkelmäßig sortierte Signalfunktionen (WSF _a , . . ., WSF _e ) erzeugt;
- die Auswertung der empfangenen Radarsignale erfolgt in Flugrichtung nach dem Synthetic-Aperture-Radar- Prinzip (SAR) unter gleichzeitiger Auswertung der von den Empfangsantennen (4 a, 4 b, 4 d, 4 e) empfangenen Signale;
- die Auswertung der empfangenen Radarsignale erfolgt unmittelbar auf den Empfang nach Art einer Optimalfilterauswertung durch einen Korrelationsvorgang und dient der Positionsermittlung und -erfassung untergezogener Bodenziele (BZ) und deren sofortiger oder späterer Bekämpfung.