NO179303B - Radarsystem - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et radarsystem for generering, todimensjonal eller tredimensjonal posisjonsindikasjon av mål tilstede innenfor søkervolumet til radarsystemet og er i det minste forsynt med: i) antenneinnretninger for generering av en viftestråle,

idet viftestrålen definerer et antennestråleplan,

ii) innretninger for å rotere, i asimut, antenneinnretningene ved en antennerotasjonstid T,

iii) radarinnretning, som samvirker med antenneinn-retningen for generering av asimutdata og avstandsdata for målene.

Tredimensjonal posisjonsindikasjon kan være svært viktig. Dersom radarsystemet f.eks. er anbrakt i nærheten av en militær installasjon eller ombord på et marinefartøy, så kan fra høyden på et innkommende mål ofte bli trukket en foreløpig slutning med hensyn til dette målets art. Dersom målet er identifisert som potensielt fiendtlig, kan en av-fyringsstyreradar, dersom en tredimensjonal posisjonsindikasjon er tilgjengelig, med en gang bli siktet inn på dette målet. I tilfelle av at kun en todimensjonal posisjonsindikasjon er tilgjengelig, er en ytterligere elevasjonsavsøkning av avfyringsstyreradaren nødvendig.

En fremgangsmåte for å generere tredimensjonale posisjonsindikasjoner er beskrevet i EP-A 0 151 640. Det her beskrevne radarsystemet er forsynt med antenneinnretning for generering, om ønskelig, en viftestråle eller en blyantstråle. Dersom antenneinnretningene roteres i løpet av genereringen av en viftestråle kan søkervolumet til radarsystemet bli avsøkt effektivt. Elevasjonsvinkelen til et observert mål kan bli bestemt mens antenneinnretningene genererer en blyantstråle, hvorved asimut er fast i retningen mot målet og en avsøkning utføres i elevasjon.

Denne metoden har den ulempen at en todimensjonal faset rekkeantenne må bli anvendt for å generere den nødvendige viftestrålen eller blyantstrålen, som gjør radarsystemet uforholdsmessig dyrt.

Foreliggende oppfinnelse har til formål å unngå denne ulempen og er kjennetegnet ved at antenneinnretningene er forsynt med innretninger for skråstilling av antenneinnretningene om en skråstillingsakse slik at antennestråleplanet danner en skråstillingsvinkel 0 med en normal på jordens overflate og at radarsystemet er forsynt med innretninger for å kombinere asimutdata og avstandsdata for målene, målt ved forskjellige skråstillingsvinkler G^hvor i = 1, ..., n, til todimensjonale eller tredimensjonale posisjonsindikasjoner for målene.

Generering av todimensjonale eller tredimensjonale posisjonsindikasjoner ved å anvende skråstilte antenner er i og for seg velkjent og er f.eks. beskrevet i "Radar Handbook" av M.I. Skolnik, under tittelen "V-beam radar". Et slikt radarsystem er forsynt med to antenner, enten anbrakt ved siden av hverandre eller montert den ene over den andre og som roterer samtidig og genererer hver en viftestråle. Hver viftestråle definerer et antennestråleplan og disse planene danner sammen en vinkel hvorved skjæringslinjen til vinkel-stråleplanet er tangensial til jordens overflate. Begge antennene er forsynt med radarinnretninger og vil detektere mål tett opp mot jordens overflate ved hovedsakelig samme asimut. For et mål som er ved en høyde h vil en forskjell i asimut bli observert av de to antennene pluss den koblede radar innretningen. Dersom denne forskjellen i asimut er så er h hovedsakelig proporsjonal med Kombinasjonsinnretningen, anbrakt ved utgangen til radarinnretningen, kan således bestemme høyden til hvert mål innenfor søkervolumet til radarsystemet.

Ulempen med denne metoden, spesielt ved maritim anvendelse, er den vesentlige toppvekten bevirket av dobbeltantennene. Dette gjør en anvendelse ofte umulig, og spesielt ombord på mindre fartøyer. En ytterligere ulempe er at radarinn-retningene også må være to.

Oppfinnelsen skal i det påfølgende forklares nærmere med henvisning til figuren, som viser skjematisk metoden ved hjelp av hvilken høyden til et mål bestemmes.

Forklaringen er basert på et radarsystem forsynt med en roterende antenne og en radarinnretning for nøyaktig bestemmelse av avstanden og asimut til målene innenfor søkervolumet til radarsystemet. Antennen genererer en viftestråle med en relativt liten asimutåpningsvinkel og en relativt bred elevasjonsåpningsvinkel. Antennestråleplanet er således definert perpendikulært på jordens overflate, som for dette øyeblikket er antatt å være flat. Skjæringslinjen til antennestråleplanet og jordens overflate vil i det påfølgende bli henvist til som skråstillingsaksen. Innretninger er anordnet for å muliggjøre skråstilling av antennen slik at antennestråleplanet ikke lenger er perpendikulært på jordens overflate, men roterer om skråstillingsaksen. Når asimut for mål, tilveiebrakt av antennen i en ikke-skråstilt og en skråstilt posisjon sammenlignes, fremkommer det at målene på jordens overflate fremdeles er observert ved samme asimut. Et mål ved en viss høyde måles ved en asimut som avhenger av skråstillingsvinkelen og målets høyde.

Figuren viser et første antennestråleplan 1 med en skråstillingsvinkel ©!og et andre antennestråleplan 2 med en skråstillingsvinkel 02inneholdende et mål 3, hvor det f.eks. er foretatt to etter hverandre følgende rotasjoner hvor antenneinnretningene er suksessivt skråstilt ved nevnte vinkler. Med en skråstillingsvinkel Q±måles målet i asimutretningen <pml, med en skråstillingsvinkel 02måles målet i en asimutretning cpm2-Den sanne asimutretningen er cp.

Dersom høyden h til målet antas å være mye mindre enn avstanden R mellom målet og radarsystemet gjelder følgende:

I den aktuelle situasjonen, en buet jord, er det fordeler ved å velge skråstillingsaksen slik at den er perpendikulær på en normal på jordens overflate ved stedet for antenneinnretningene. For et radarsystem anbrakt nær jordens overflate betyr dette at objekter som nærmer seg jordens overflate observeres kontinuerlig ved samme asimutvinkel uansett skråstillingsvinkelen. Radarsystemet vil da tilveiebringe et uforstyrret bilde av jordens overflate. Kun objekter som er ved en viss høyde vil vise en merkbar forskyvning som resultat av skråstillingen til antenneinnretningene. For kun disse objektene er kombinasjonsinnretninger nødvendig, som kombinerer ekkoene målt ved forskjellige skråstillingsvinkler 6^hvor i = 1, ..., n.

For et radarsystem montert på et fly eller en annen luftbåret plattform er det også fordeler ved valg av skråstillingsaksen som beskrevet ovenfor, på grunn av at dette vil øyeblikkelig oppdage om et objekt er over eller under den luftbårne plattformen. Ved en gitt skråstillingsvinkel vil et objekt over den luftbårne plattformen bli observert for tidlig, relativt sett og med henvisning til målt asimut, mens et objekt under den luftbårne plattformen vil bli observert for sent.

En fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen tilveiebringes ved anvendelser hvor antenneinnretningene er forsynt med dobbeltakse-stabiliseringsinnretninger, slik som påtruffet ombord på skip og ved luftfartøy. Disse stabiliserings-innretningene kan vanligvis lett bli utstyrt med en styre-inngang som muliggjør tilveiebringelse av den nødvendige skråstillingsvinkelen.

NOen ganger er det akseptabelt for et radarsystem å ha en blindvinkel, en asimutsektor ved hvilken radarsystemet tilfører upålitelig informasjon eller ingen informasjon i det hele tatt. Dette forekommer f.eks. ombord på et skip hvor skipskonstruksjoner danner et hinder for sending og mot-takelse av stråling. Dersom en blindvinkel er akseptabel kan en spesiell fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen bli valgt hvor skråstillingsvinkelen periodisk varieres trinnvis og hvor de trinnvise variasjonene av skråstillingsvinkelen alltid finner sted når blindvinkelen gjennomgås.

Dersom det f.eks. bevirkes at skråstillingsvinkelen 0 endres pr. antenneomdreining i størrelsesorden av 0, -0, 0, -0, .... betyr dette at etter en enkel omdreining kan høyden h til et tidligere observert objekt bli bestemt i samsvar med formelen (3):

En forstyrrelsesfaktor kan bli dannet ved en tangensiell hastighet til objektet. Dersom dette er viktig er to omdreininger (3 målinger) nødvendig. Dersom e er den ekstra vinkelforskyvningen som forekommer som et resultat av den radiale hastigheten vil disse tre etter hverandre følgende målinger frembringe verdiene cpml, cpm2+c , <pm3+2c , hvor cpml,<cp>m<g>f<<>f<>>m3er asimutene som ville ha blitt målt uten radial hastighet. Følgende gjelder:

Ved en alternativ utførelsesform er radarsystemet normalt anvendt ved en skråstillingsvinkel 0=0. Kun når høyden til et objekt må bli målt vil en antenneomdreining eller en del av den (som ofte vil være tilstrekkelig), bli utført ved en skråstillingsvinkel 0 ^ 0. Ved denne formen er foreliggende oppfinnelse spesielt egnet som tilsats for eksisterende radarsystemer. Slike radarsystemer er oftest forsynt med en følgedatamaskin som bruker data frembrakt i løpet av hver antenneomdreining for å bygge opp sporene til potensielt interessante mål. I løpet av dette vil posisjonen og hastigheten til målene som følges således bli nøyaktig kjent. Denne ukjente høyden til mål kan bli bekreftet ved å bestemme målposisjonen en gang eller flere ganger av en skråstilt antenne. Forutsatt at kombineringen av målposisjonene til de forskjellige skråstillingsvinklene på denne måten kan bli holdt nede på et minimum vil den tilgjengelige følgedata-maskinen vanligvis være i stand til å kunne utføre den ytterligere funksjonen til kombinasjonsinnretningen.

Dersom tilstedeværelsen av en blindvinkel er mindre akseptabel for et radarsystem kan skråstillingsvinkelen bli variert kontinuerlig. Et mulig valg er å variere skråstillingsvinkelen harmonisk, hvorved skråstillingsvinkelen fullfører en periode i løpet av den tiden antennen utgjør n omdreininger:

idet ©max er den maksimalt tillatelige skråstillingsvinkelen, Gq en valgvis velgbar startfase for skråstillingsvinkelen og T er antennerotasjonstiden.

Med n = 1 blir et mål alltid målt ved samme skråstillingsvinkel og derfor kan dets høyde ikke bli bestemt.

Med n = 2 i virkning frembringes en blindvinkel. Dersom det f.eks. antas at den største skråstillingsvinkelen alltid forekommer når radaren ser fremover vil skråstillingsvinkelen alltid være null når radaren ser bakover.

Med n = stor vil påfølgende målinger Qm^variere ubetydelig, som kan ugunstig påvirke høydebestemmelsen.

Med n ikke et helt tall blir kombineringen av suksessive høydemålinger unødvendig kompleks. En fordelaktig utførelses-form er derfor tilveiebrakt med n = 3.

Det antas at følgende gjelder for suksessive målinger:

Fra suksessive målinger kan målehøyden alltid bestemmes på en måte analog til (3):

Til dette bevirker en tangensial hastighet til målet en feil i høydebestemmelsen. Ved innbefatning av flere målinger i estimeringen og antagelse av at h er konstant, kan denne feilen bli eliminert:

Ligningen (9) og (10) inneholder som ukjent høyde og vinkelfeil c bevirket av en tangensial hastighet til målet. Ved eliminering av c blir høyden tilveiebrakt.

Ved innbefatning av flere og flere målinger i estimeringen kan det tilveiebringes et proporsjonalt bedre estimat av høyden. Dette svekker imidlertid reaksjonstiden til radarsystemet da estimeringen blir følsom for enhver manøver som målet kan utføre.

En fordelaktig utførelsesform tilveiebringes ved alltid å kombinere fire, fortrinnsvis etter hverandre følgende, målinger i et estimat.

Så snart et mål har blitt sporet av følgedatamaskinen tilknyttet radarinnretningen er R og cp alltid kjent. For hver ny måling med 0 gitt, blir målt en <pm, slik at høyden kan bestemmes:

Claims (9)

1. Radarsystem for generering, todimensjonal eller tredimensjonal posisjonsindikasjon av mål tilstede innenfor søker-volumet til radarsystemet og i det minste forsynt med: i) antenneinnretninger for generering av en viftestråle, idet viftestrålen definerer et antennestråleplan; ii) innretninger for å rotere, i asimut, antenneinnretningene ved en antennerotasjonstid T; iii) radarinnretninger som samvirker med antenneinnretninger for generering av asimutdata og avstandsdata for målene; karakterisert vedat antenneinnretningene er forsynt med innretninger for skråstilling av antenneinnretningene om en skråstillingsakse slik at antennestråleplanet danner en vinkel med skråstillingsvinkelen Q med en normal på jordens overflate, og at radarsystemet er forsynt med innretninger for å kombinere asimutdata og avstandsdata til målene, målt ved forskjellige skråstillingSr-vinkler 6-^, hvor 1 = 1, ..., n, til å gi todimensjonale eller tredimensjonale posisjonsindikasjoner for nevnte mål.

2. Radar ifølge krav 1,karakterisert vedat skråstillingsaksen er hovedsakelig perpendikulær på normalen og ligger i antennestråleplanet.

3. Radar ifølge krav 1 eller 2, hvor antenneinnretningene er forsynt med dobbeltakse-stabiliseringsinnretninger,karakterisert vedat dobbeltakse-stabili-seringsinnretningene også sørger for skråstillingen av antenneinnretningene.

4 . Radar ifølge hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat skråstillingsvinkelen 0 varierer hovedsakelig trinnvis med tiden.

5. Radar ifølge et av kravene 1 til 4,karakterisert vedat skråstillingsvinkelen 0 varierer hovedsakelig periodisk med tiden.

6. Radar ifølge krav 5,karakterisertved at den periodiske tiden for skråstillingsvinkelen er hovedsakelig nT, hvor n = 2, 3, 4 ....

7. Radar ifølge krav 6,karakterisert vedat skråstillingsvinkelen varierer hovedsakelig harmonisk med tiden og at den periodiske tiden for skråstillingsvinkelen er hovedsakelig nT, hvor n=3, 4, 5, ....

8. Radar ifølge krav 7, hvor målasimuten (pm^, cPmi+1<»><<Pk>og avstanden R-^, Ri+1 Rfcer blitt målt, hvor i, k E N,karakterisert vedat asimutene cp™,- , <p . „ , Tini' Ymi+1' cpkog avstandene Rj,<R>j+i» Rker blitt målt ved skråstillingsvinklene 0^, ©k»°S et estimat av høyden hk tilveiebringes av skråstillingsvinklene 0-j Øk, målingene cpmj ,<cpm>kog EjRk, hvor j EN; i<<>j < k.

9. Radar ifølge krav 7, hvor radarsystemet er ytterligere forsynt med en sporingsdatamaskin som kontinuerlig genererer et estimat av avstanden R og asimut cp,karakterisert vedat estimatet av høyden h tilveiebringes av R, cp, den øyeblikkelige skråstillingsvinkelen 0 og målt asimut q>