DE60203320T2

DE60203320T2 - Emulator eines fernfeldsenders zur antennenkalibrierung

Info

Publication number: DE60203320T2
Application number: DE60203320T
Authority: DE
Inventors: L. Delmar BARKER; A. Harry SCHMITT; J. David KNAPP; C. Dennis BRAUNREITER; A. Alphonso SAMUEL; Steven Schultz
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: ATE291237T1; RU2290659C2; EP1444533A1; EP1444533B1; WO2003042714A1; DE60203320D1; RU2004117860A; TWI269876B; IL161127A0; CA2481714A1; CA2481714C; US6531989B1; AU2002327496B2; IL161127A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Kalibrierung einer mehrkanaligen Radarantenne und die dazugehörige Software, und insbesondere das Kalibrieren einer solchen Antenne und Software bei einer Rakete im Flug.
Hintergrund der Erfindung
Raketen, die Radar als Teil ihres Leitsystems verwenden, haben üblicherweise eine Radarantenne in der Nase der Rakete hinter einem Radom. Das Radom weist eine konische Kappe auf, die aus einem für Radar undurchlässigem Material ist, typischerweise aus Metall. Der verbleibende Bereich des Radoms vor der Radarantenne und hinter der Kappe besteht aus einem für Radar durchlässigem Material.
Die Radarantenne wird im Rahmen der Herstellung und der erstmaligen Einrichtung kalibriert. Üblicherweise wird die Kalibrierung in einem schalltoten Raum unter Verwendung einer entfernten Quelle von Mikrowellenstrahlung mit bekannter Energie durchgeführt. Diese Quelle ist eine Fernfeldquelle, was bedeutet, dass ihre Wellenfronten im Wesentlichen parallel zur Be triebsseite der Antenne sind. Die Fernfeldquelle mit bekannter Energie stellt eine Basis bereit zum Kalibrieren der Radarantenne durch Einstellen von Variablen in der dazugehörigen Software.
Die Radarantenne ist im Allgemeinen als kreisförmige Anordnung angeordnet, die (entweder physikalisch oder logisch) in Quadranten aufgeteilt ist, die sich im Zentrum der Anordnung treffen. Jeder Quadrant bildet einen eigenen Kanal einer mehrkanaligen Radarantenne. Die Signale, die von jedem der Kanäle der Antenne empfangen werden, werden an eine Recheneinheit zur Verarbeitung mittels Software weitergeleitet. Um die Antenne zu kalibrieren, ist es lediglich notwendig, dass ein Teil von jedem Kanal der Antenne einen Fernfeldenergiestoß erhält. Weil sich die vier Kanäle der Antenne im Zentrum treffen, kann die Antenne mit einer Fernfeldquelle kalibriert werden, die einen relativ kleinen Querschnitt hat; es ist ausreichend, wenn lediglich ein Teilstück von jedem Kanal abgedeckt ist.
Die Kalibrierung einer Radarantenne kann entscheidend für ihre korrekte Funktion sein. Dies ist insbesondere der Fall, wo anspruchsvolle und empfindliche Software verwendet wird, um die empfangenen Signale auszuwerten. Zum Beispiel arbeitet Software, die zur Unterscheidung des beabsichtigten Ziels von verschiedenen Täuschkörpern, Stör- und/oder Tarnverteidigungsmaßnahmen in Verbindung mit dem Ziel verwendet wird, besser nach der Kalibrierung. Das Ansprechverhalten der Antenne hinsichtlich eingehender Signale kann sich im Laufe der Zeit verändern, selbst wenn sie während der ursprünglichen Herstellung genau kalibriert wurde. Zum Beispiel kann nach einer Lagerung der Rakete über eine lange Zeit die Antenne geringfügige physikali sche Änderungen erleiden, die ihr Ansprechverhalten verändern. Zudem kann alleine der Startvorgang einer Rakete zu einem Einwirken von Kräften und/oder Temperaturen führen, die ihr Ansprechverhalten verändern. GB 2318010 zeigt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Phased-Array-Radars gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Weil sich das Ansprechverhalten der Radarantenne im Laufe der Zeit verändern kann, besteht die Notwendigkeit für ein System und eine Vorrichtung, die verwendet werden kann, um eine Radarantenne in einer Rakete während des Flugs der Rakete zu rekalibrieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bietet ein System und eine Vorrichtung zum Rekalibrieren einer mehrkanaligen Radarantenne in einer Rakete, indem eine Fernfeldquelle innerhalb des Radoms der Rakete simuliert wird. Eine punktförmige Strahlungsquelle ist hinter und innerhalb der Kappe des Radoms angeordnet. Die Strahlung von der Punktquelle (welche sphärische Wellenfronten erzeugt) gelangt durch eine Linse, die bewirkt, dass die Wellenfronten eine parallele Ausrichtung annehmen. Das Einfügen der Linse bietet eine erhebliche Vereinfachung im Vergleich zur Offenbarung in GB 2318010 . Die parallelen Wellen der Radarenergie treffen den mittleren Bereich der Radarantenne und liefern einen Puls mit bekannter Energie zu Teilstücken von jedem Kanal der Antenne. Auf der Grundlage dieser zugeführten Energie wird die Software, die die Antennensignale verarbeitet, rekalibriert, um jegliche Änderung des Ansprechverhaltens der Antenne gegenüber der ursprünglichen Kalibration auszugleichen.
Bei der Linse kann es sich um jede konventionelle Linse handeln, wie z.B. eine Linse mit stufenloser konkaver und/oder konvexer Form, eine Fresnel-Linse, eine Kombination solcher Linsen oder sogar ein Beugungsgitter. Die Linse kann auch die innere Oberfläche des Radoms als reflektierende Oberfläche nutzen. Ferner könnte die Linse durch einen parabolischen Reflektor ersetzt werden oder durch andere Einrichtungen, die eine Linse simulieren.
Die Energiepunktquelle kann eine einfache Dipolantenne sein. Die Punktquelle kann mittels eines Oszillators betrieben werden, der in vielfältiger Weise mit Energie versorgt werden kann. Energie kann durch Kabel geführt werden, die an der Innenseite des Nasenkegels angebracht sind oder durch ein ähnlich befestigtes faseroptisches Kabel. Ein Laser kann Energie durch den freien Raum von der Antenne zum Oszillator übertragen, oder der Hauptradarsender kann als Energiequelle mit einem Kondensator verwendet werden oder mit einer Batterie, die sich in der Metallkappe des Radoms befindet, um Energie zu speichern, bis es erforderlich ist, den Oszillator mit Energie zu versorgen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können in Verbindung mit der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Figuren leichter verstanden werden.
1 ist eine Ansicht im Seitenriss, teilweise als Querschnitt, und zeigt in schematischer Form den vorderen Bereich einer Rakete, ihre Radarantenne, eine Punkt quelle und eine Linse für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung; und
2 ist eine Ansicht der Radarantenne aus der 1 im Aufriss.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine Rakete 10 (1) weist eine Radarantenne 12 und ein Radom 14 auf. Das Radom 14 hat eine metallische Kappe 16 und einen Bereich 18, der für elektromagnetische Strahlung (Mikrowellenstrahlung) im Frequenzbereich eines Radars durchlässig ist. Während des Flugs gelangt reflektierte Mikrowellenstrahlung durch den durchlässigen Bereich 18 des Radoms 14 und wird von der Antenne 12 empfangen. Die resultierenden Signale werden von verschiedenen Computerprogrammen in einer Rechnereinheit (nicht gezeigt) verarbeitet, um die Rakete 10 zu ihrem vorgesehenen Ziel zu führen. Das Radom 14, die Radarantenne 12 und die Software können dabei völlig im konventionellen Sinne ausgeführt sein.
An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass in dieser Beschreibung und den Ansprüchen die Wörter „Vorderseite", „vor", „Rückseite" und „hinter" in Bezug auf die gewöhnliche Flugrichtung der Rakete verwendet werden. Daher ist das führende Ende des Radoms 14 während des normalen Flugs das vordere Ende der Rakete 10 und die Radarantenne 12 ist hinter dem Radom.
Die Antenne 12 kann eine kreisförmige Anordnung von Wellenleitern aufweisen, die in der 2 schematisch als eine Vielzahl von Schlitzen dargestellt sind. Die beispielhafte Antenne 12 ist in vier Quadranten aufgeteilt (entweder physikalisch oder logisch), die sich im Zentrum der Anordnung treffen. Die Signale von jedem Wellenleiter innerhalb eines Quadranten werden zusammengeführt und die so kombinierten Signale aus jedem Quadranten bilden einen Kanal einer mehrkanaligen Radarantenne. (Es kann auch eine andere Anzahl an Kanälen, jeder von einem Teilabschnitt der Antenne gebildet, verwendet werden.) Aus vielerlei Gründen, darunter das Fortschreiten der Zeit und das damit zusammenhängende Altern von elektronischen Komponenten, sowie das Einwirken von Hitze und Stößen oder Vibrationen, kann es erforderlich sein, die Antenne 12 während des Flugs zu rekalibrieren. Die Kalibrierung wird dadurch erzielt, indem Mikrowellenstrahlung mit einer bekannten Energie von einer Fernfeldquelle verwendet wird, d.h., von einer Quelle mit Wellenfronten, die im Wesentlichen parallel zu der Ebene der Antenne sind, so dass jeder angestrahlte Wellenleiter die gleiche Eingangsstrahlung erhält.
Das System und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um die Antenne 12 zu kalibrieren. Dazu befindet sich eine Punktquelle 20 für Mikrowellenstrahlung hinter der Kappe 16. Wie jede Punktquelle, emittiert die Punktquelle 20 wellen mit sphärischen Wellenfronten 22. Eine Linse 24 befindet sich zwischen der Punktquelle 20 und der Antenne 12. Die Linse 24 ist so geformt, die von der Punktquelle 20 emittierte Mikrowellenstrahlung so umzuleiten, dass sie parallele, ebene Wellen 26 bildet. Die Antenne 12 wird kalibriert, indem die Punktquelle 20 Mikrowellenstrahlung einer ausgewählten Frequenz für eine vorbestimmte Zeitdauer emittiert. Diese Wellen gelangen durch die Linse 24 und liefern eine bekannte Eingangsstrah lung an die Antenne 12. Die Antenne 12 kann dann kalibriert werden, indem passende Einstellungen in der Software vorgenommen werden, die den Signalausgang der Antenne verarbeitet.
Die Punktquelle 20 kann eine einfache Dipolantenne sein. Ein Dipol, wie es dem Fachmann gut bekannt ist, ist nicht wirklich eine Punktquelle, da er endliche Abmessungen hat. Dennoch, ein Dipol der eine Länge hat, die ungefähr ein Zehntel oder weniger des Durchmessers der Linse 24 hat, wird als hinreichend genau angenäherte Punktquelle erscheinen. Alternativ könnte auch ein anderer Sender für Mikrowellenstrahlung, der als Punktquelle erscheint, verwendet werden und ist in der Definition des Begriffs „Punktquelle", der in dieser Anmeldung verwendet wird, eingeschlossen.
Obwohl eine Dipolantenne nicht perfekt symmetrische, d.h. sphärische, Wellenfronten emittiert, emittiert sie doch Mikrowellenstrahlung in einer vorhersagbaren und wiederholbaren Art, die einer Kugelhülle angenähert ist. Daher kann die Linse 24 so geformt werden, dass sie die unvollkommen sphärische Natur der von der Punktquelle 20 emittierten Wellenfronten ausgleicht.
Die Punktquelle 20 wird von einem Schwingkreis 28 angetrieben, der hinter der Kappe 16 angeordnet ist. Der Schwingkreis 28 benötigt höchstens nur wenige hundert Milliwatt Energie. Die Energie kann dem Schwingkreis 28 auf vielen verschiedenen Wegen zugeführt werden. Metallische, elektrische Leiter (nicht gezeigt) können am Radom angeordnet sein, um von einer Energiequelle (nicht gezeigt) hinter der Antenne 12, über die innere Seite des durchlässigen Bereichs 18 des Radoms 14 zum Schwingkreis 28 zu führen. Das Kabel könnte auch als integraler Teil mit der Wand des Radoms ausgeführt sein. Die resultierenden blinden Flecken in der Antenne 12, die durch die Schatten von den metallischen Drähten im Radarsignal entstehen, können durch die Signalverarbeitungssoftware ausgeglichen werden.
Alternativ kann die Energie mittels eines faseroptischen Kabels (nicht gezeigt), welches ähnlich an der Innenseite des Radoms 14 angeordnet ist, bereitgestellt werden. Ein solches Kabel ist durchlässig für Mikrowellenstrahlung so dass – wenn überhaupt – lediglich geringfügige Anpassungen in der Software erforderlich sind. Ein dritter Weg um den Schwingkreis 28 zu speisen, ist die Verwendung eines Lasers (nicht gezeigt), der Energie von hinter der Antenne 12 zu einer mit dem Oszillator verbundenen Photodiode strahlt. Dieses Verfahren stört nicht die Antenne oder deren Software. Es benötigt auch keinen Leiter (faseroptisch oder elektrisch), der am Radom 14 angebracht wird, und vereinfacht so den Aufbau und erhöht die Zuverlässigkeit. Schließlich kann die Punktquelle 20 durch einen Radarsender an Bord der Rakete 10 gespeist werden. In diesem Fall kann ein kurzer Puls dieses Senders Energie an den Schwingkreis 28 liefern, wo sie in einem Kondensator oder einer Batterie gespeichert wird, bis sie gebraucht wird. Andere Verfahren, um dem Schwingkreis 28 Energie zuzuführen, sind dem Fachmann ersichtlich.
Die Linse 24 wandelt sphärische Wellenfronten der Mikrowellenstrahlung von der Punktquelle 20 in ebene elektromagnetische Wellen 26, d.h., die Wellen sind planar. Die Linse 24 passt hinter die Metallkappe 16, in ihren „Schatten", und ist so positioniert, dass sie nicht im Weg der Mikrowellenstrahlung ist, die durch den durchlässigen Bereich 18 des Radoms 14 zur Antenne 12 gelangt. Daher hat die Linse 24 einen Durchmesser kleiner oder gleich dem maximalen Durchmessers der Kappe 16.
Die Linse 24 kann aus einer Vielzahl von Materialien gefertigt sein. Mikrowellenstrahlung verhält sich gemäß den klassischen Gesetzen der elektromagnetischen Strahlung und Verfahren zum Entwurf und Herstellen von Linsen, die Mikrowellenstrahlung krümmen und formen, sind wohlbekannt. Die Linse 24 kann bspw. aus Teflon, anderen Plastikstoffen, Wachs oder Paraffin gefertigt sein. Die Linse kann mittels Polier- und Schleifverfahren hergestellt werden, und sie kann in einer passend geformten Form gegossen werden.
Die Linse 24 kann eine einzige, refraktive Linse mit stufenlos gewölbten Oberflächen sein, wie in 1 gezeigt. Es sind jedoch auch andere Linsen möglich und in Erwägung zu ziehen für die Verwendung in dieser Erfindung. Zum Beispiel kann eine Verbundlinse verwendet werden, d.h. ein Duplett oder Triplett, und die Linsen können freistehend oder zusammengeklebt sein. Die Linse kann eine Fresnel-Linse sein. Außerdem kann auch ein Beugungsgitter verwendet werden. Jede bekannte Linse kann verwendet werden, solange sie bewirken kann, dass die von der Punktquelle emittierten Wellenfronten zu Wellen geformt werden, die parallel zu der Ebene der Antenne sind.
Zusätzlich zu diesem mehr oder weniger konventionellen Linsen, können auch reflektierende Linsen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Punktquelle im Brennpunkt eines parabolischen Reflektors angeordnet sein. In diesem Fall ist der Reflektor an vorderster Stelle innerhalb des Radoms gerade hinter der Kappe 16 angeordnet, wobei die Punktquelle 20 zwischen der paraboli schen, reflektierenden Oberfläche und der Antenne 12 angeordnet ist. Ein metallischer Bereich wird verwendet, um zu verhindern, dass Wellen von der Punktquelle direkt zur Antenne gelangen, so dass nur die erwünschten, ebenen Wellen, die vom parabolischen Reflektor reflektiert wurden, die Antenne erreichen. Ferner kann das Verfahren der Emulation einer Linse mittels einer flachen Platte verwendet werden, wie es im U.S.-Patent 4,905,014 dargestellt ist.
Auf die gleiche Weise kann die innere Oberfläche des Radoms 14 so geformt sein, dass sie als Reflektor wirkt und Wellen mit einem flachen Einfallswinkel in ebene Wellenfronten fokussiert. Dies kann entweder mit einer Punktquelle alleine oder mit einer Punktquelle in Verbindung mit einer oder mehreren reflektierenden oder refraktiven Linsen erreicht werden.
Somit ist es offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung ein System und eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer Radarantenne einer Rakete während des Flugs bereitstellt. Es ist dabei zu beachten, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich erläuternd für einige der vielen spezifischen Ausführungsformen sind, die Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen. Viele andere Anordnungen können schnell vom Fachmann ausgearbeitet werden ohne dabei den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Vorrichtung zum Kalibrieren einer mehrkanaligen Radarantenne mit: einer Radarantenne (12), einem Radom (14), welches die Vorderseite der Antenne (12) bedeckt, und einer Punktquelle (20) mit einer Strahlung im Mikrowellenbereich, die innerhalb des Radoms (14) angeordnet ist, gekennzeichnet durch: eine Linse (24), die innerhalb des Radoms (14) angeordnet ist und die so ausgeformt ist, dass sie die Strahlung (22) im Mikrowellenbereich von der Punktquelle (20) in ebene elektromagnetische Wellen (26) umwandelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Linse (24) eine refraktive Linse beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Linse (24) eine einfache Linse beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Linse (24) eine Verbundlinse beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Linse (24) eine Fresnel-Linse beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Linse (24) ein Beugungsgitter beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Linse (24) eine reflektierende Linse beinhaltet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Radom (14) eine metallische Kappe (16) beinhaltet, und wobei die Punktquelle (20) hinter der Kappe (16) angeordnet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Ansprüche, wobei die Linse (24) hinter der Kappe (16) angeordnet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kappe (16) einen vorderen Endbereich und einen maximalen Durchmesser hinter dem vorderen Endbereich beinhaltet, und wobei die Linse (24) einen Durchmesser besitzt, der gleich oder kleiner ist als der maximale Durchmesser der Kappe (16).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Schwingkreis (28), der mit der Punktquelle (20) verbunden ist, sowie mit Mitteln zum Zuführen von Energie zu dem Schwingkreis (28).
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Zuführen von Energie zu dem Schwingkreis (28) eine Photodiode beinhalten, die mit dem Schwingkreis (28) verbunden ist, sowie Mittel zum Zuführen von elektromagnetischer Strahlung zu der Photodiode.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Zuführen von elektromagnetischer Strahlung zu der Photodiode ein faseroptisches Kabel beinhalten.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Ansprüche, wobei das faseroptische Kabel von hinter der Antenne (12) zu dem Schwingkreis (28) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Mittel zum Zuführen von Energie zu dem Schwingkreis (28) einen Laser beinhalten, der so angeordnet ist, dass er Laserenergie durch einen Raum von hinter der Antenne (12) zu der Photodiode überträgt.
Verfahren zum Verwenden der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Beaufschlagen der Punktquelle (20) für Strahlung mit Energie, um die Punktquelle (20) dazu zu bringen, eine Strahlung (22) im Mikrowellenbereich auszusenden, und um die Linse (24) dazu zu bringen, die ausgesendete Strahlung (22) in ebene elektromagnetische Wellen (26) zu formen, und Verwenden der ebenen elektromagnetischen Wellen (26), um die Antenne (12) zu kalibrieren.