DE2712940A1 - Real time processing of sideways looking radar signals - produces useful map display using fast Fourier transform system - Google Patents

Real time processing of sideways looking radar signals - produces useful map display using fast Fourier transform system

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Abstract

A method is used for real time processing of the received signal of a sideways looking rotor. It includes transformation of its video signals into a directly usable map display. The processing system is designed to use currently available technology without necessitating use of a data film with optical correlator. A digital fourier processor (1) is used for the transformation and operates on the fast fourier transform principle. The transformation proceeds on mutually overlapping data blocks successively occuring during movement of the radar along a target region. The overlap intervals are chosen to be large enough to ensure incorporation of a sufficient part of the doppler trains of the targets at the block boundaries in the transformation.

Description

"Verfahren zur Informationsaufbereitung einer Seitensicht-"Procedure for the preparation of information from a side view

Radargerätes und Anordnung zur Durchführung des Verfahrers" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zid efflrc Anordnung zur Durchführung desselben zur realzeitugen Informationsaufbereitung der Empfangssignale eine. Seitensicht-Radargerätes durch Umsetzung (Transformation) dessen Video-Signale in eine für eine landkartenartige Aufzeichnung unmittelbar verwertbare Form.Radar device and arrangement for carrying out the process "The invention relates to a method zid efflrc arrangement for carrying out the same for realtime information processing of the received signals. Side-view radar device by converting (transforming) its video signals into a map-like one Record immediately usable form.

Ein Seitensicht-Radargerät bezieht seine hohe azimutale Auflösung bekanntlich aus der Anwendung des Prinzips der synhetischen Apertur. Das geradlinig fliegende Flugzeug mit dem Seitensicht-Radargerät zeichnet über Kilometerl#nge hinweg für jeden Reflexionspunkt die Radarechos koharent auf. Für die Auswertung können diese Werte als die Einzelantennenspannungen einer sehr großen synthetischen Antennengruppe betrachtet werden. Entsprechend hoch ist die Auflösung.A side view radar device gets its high azimuthal resolution as is known from the application of the principle of the synhetic aperture. That straight forward A flying aircraft with the side-view radar device records over a distance of kilometers the radar echoes coherently for each reflection point. For the evaluation you can these values as the single antenna voltages of a very large synthetic antenna group to be viewed as. The resolution is correspondingly high.

In herkömmlicher Art werden die Empfangsdaten dieses Radargerätetyps mit einem optischen Korrelator ausgewertet. Dazu befindet sich an Bord des Flugzeugs ein aufzeichnungsgerät, das die Radarechos auf photografischem Film registriert; diesem Datenfilm ("Phasenfilm"), der die Karte des überflogenen Geländes in holografischer Codierung enthält, wird später am Boden mit kohärentem Licht die Lage der zugrundeliegenden Reflexionsobjekte entnommen (Korrelator) und als "Kartenfilm" photografiscii aufgezeichnet (Skolnik: "Radar Handbook"; New York: McGraw-Hill; 1970).The received data of this type of radar device is conventional evaluated with an optical correlator. This is located on board the aircraft a recorder that records the radar echoes on photographic film; this data film ("phase film"), which shows the map of the overflown area in holographic Contains coding, the location of the underlying will later be on the ground with coherent light Reflection objects taken (correlator) and recorded as "card film" photografiscii (Skolnik: "Radar Handbook"; New York: McGraw-Hill; 1970).

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine Beschleunigung der Auswertung dieser kohärenten Radarsignale mittels elektronischer Einrichtungen denkbar ist, welche den Umweg über den Datenfilm und den optischen Korrelator überflissig machen. Einer Realisierung dicser Methode steht allerdings derzeit noch die hohe Datenrate von 107 bis 108 zu verarbeitenden Bildpunkten pro Sekunde entgegen. Da jeder Bildpunkt des Karten films durch Korrelation als gewichtete Summc von 102 bis 103 Punkten (also Schwärzungswerten) des Datenfilms entsteht, wären bis zu 1011 elementare Operationen pro Sekunde nötig was heute eine wirtschaftlich vertretbare digitale elektronische Lösung ausschließt ebenso wie eine Lösung in analoger Schaltungstechnik mit elektronischer. Mitteln an Stelle von optischen.The invention is based on the knowledge that an acceleration the evaluation of these coherent radar signals by means of electronic devices It is conceivable that the detour via the data film and the optical correlator is superfluous do. A realization of this method is currently still the high one Data rate of 107 to 108 pixels to be processed per second. There each pixel of the map film by correlation as a weighted sum of 102 up to 103 points (i.e. blackening values) of the data film would be up to 1011 Elementary operations per second are necessary, which is economically justifiable today digital electronic solution as well as a solution in analog circuit technology excludes with electronic. Means instead of optical.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit den heutige Mitteln realisierbare Lösung dieses Problems der Informationsaufbereitung der Empfangssignale eines Seitensicht-Radargerätes ohne einen Datenfilm mit optischem Korrelator anzugeben.The invention is based on the object, one with today's means realizable solution to this problem of information processing of the received signals of a side-view radar device without specifying a data film with an optical correlator.

Erfindungsgemäß erfolgt die Umsetzung (Transformation) der Videosignale eines Seitensicht-Radargerätes in eine für eine landkartenartige Aufzeichnung (beispielsweise auf einem Kartenfilm) unmittelbar verwertbare Form mit Ifilfe eins digitalen Fourierprozessors, der nach dem Algorithmus dpr sogenannten schnellen Fouriertransformation (FFT) arbeitet.According to the invention, the conversion (transformation) of the video signals takes place of a side view radar device into one for a map-like recording (for example on one Card film) directly usable form with Ifilfe one digital Fourier processor, which according to the algorithm dpr so-called fast Fourier Transform (FFT) works.

Die Merkmale bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen zur Durchführung dieses Verfahrens sind den Unteransprüchen - ggf. in Verbindung mit der nun folgenden Beschreibung - entnehmbar.The features of preferred embodiments of the method according to the invention and the features of advantageous embodiments for performing this method are the subclaims - possibly in connection with the description that follows - removable.

Beim Erfindungsgegenstand wird somit die Korrelation der herkömmlichen Art durch die schnelle Fouriertransformation ersetzt, was zu einer Einsparung an Rechenoperationen, d. h.In the subject matter of the invention, the correlation is thus the conventional Kind replaced by the fast Fourier transform, resulting in a saving Arithmetic operations, d. H.

an Multiplikationen um größenordnungsmäßig den Faktor lCO und zu einer erheblichen Beschleunigung der Informationsaufbereitung führt.of multiplications by the order of magnitude of the factor ICO and to one leads to a considerable acceleration of information processing.

Fig. 1 zeigt ein karthesiches x - y -Koordinatensystem, dessen Abszisse durch den augenblicklichen Standort des Seitensicht-Radargerätes R bzw. seines Trägerflugzeuges in e: Bewegungsrichtung desselben verläuft, während mit x0, y0 die Positionskoordinaten eines willkürl ich angenommenen Zielpunktes in der Radialentfernung r - bezogen auf R - bezeichnet sind. Dieser Zielpunkt wird stellvertretend für alle Punkte des Erfassungsbereichs des Radargerätes R betrachtet, die zu Empfagssignalen im Radargerät führen; seine Querabentfernung yo ist radarseitig durch denjenigen Entfernungsring, in den das signal auftritt, während seine Koordinate xo zunächst unbekannt ist und durch die Auswertung al.ler Radarechos in diesem Entfernungsring iiber eine vorgegebene Strecke in der Größe der synthetischen Apertur ermittelt wird. Die gegenseitigen Abstände der Entfernungsringe liegen bei größenordnungsmäßig 10 m, die 4lerabentfernung größenordnungPsmäßig zwischen 3 und 100 km. Der Nullpunkt des Koordinatensystems ist willkürlich auf einen Punkt der Abszisse festgelegt.1 shows a Cartesian x-y coordinate system, the abscissa of which by the current location of the side-view radar device R or its carrier aircraft in e: direction of movement of the same, while with x0, y0 the position coordinates of an arbitrarily assumed target point in the radial distance r - related are designated on R -. This target point is representative of all points of the The detection range of the radar device R is considered to be the reception signals in the radar device to lead; its transverse range yo is on the radar side through that range ring, in which the signal occurs while its coordinate xo is initially unknown and by evaluating all radar echoes in this range ring over a given range Distance is determined in the size of the synthetic aperture. The mutual The distances between the distance rings are of the order of 10 m, the 4lerab distance of the order of magnitude between 3 and 100 km. The zero point of the coordinate system is arbitrarily set to a point on the abscissa.

Für die Schrängentfernung r gilt r² yo² + (x - xo)² Die maximale Schrägentfernung ist nur wenig größer als die Minimalentfernung yo, da die synthetische Apertur sehr klein gegen die Entfernung ist. Deshalb bleibt das Ziel beim Vorbeiflug für die Dauer der Auswertung normalerweise auch innerhalb eines Entfernungsringes. Fs gilt folglich für den Zuwachs an Schrägentfernung die Näherung Die Phase des im Flugzeug aufgezeichneten Echos ist dadurch festgelegt (# = Radar-Wellenlänge): #(x) 2# . 2 r/# = #(xo) + 4# (x - xo)²/(2 @o#) Die vollständige Signalfunktion lautet: A ist der durch die Form der Antennenke@le gegenebe Amplitudenverlauf beim Vorbeiflug.For the slope distance r applies r² yo² + (x - xo) ² The maximum slope distance is only slightly larger than the minimum distance yo, since the synthetic aperture is very small compared to the distance. Therefore, the target normally remains within a range ring for the duration of the evaluation during the flyby. Fs consequently the approximation applies to the increase in the slope distance The phase of the echo recorded in the aircraft is determined by this (# = radar wavelength): # (x) 2 #. 2 r / # = # (xo) + 4 # (x - xo) ² / (2 @ o #) The complete signal function is: A is the opposite amplitude curve due to the shape of the antenna corner during the flyby.

Auch beim Stand der Technik ist die dort auf dem "Phasenfilm" markierte Information in x-Richtung nichtlinear verze@@t und bedarf daher einer Fokussierung. In diesen 3inne wird die Signal funktion durch "Fokussierung" auf die Entfernung yo bezüglich x linearisiert: = A e4#jxx0/(y0#) ej#(x0) - 2#jx0²/(y0#) A e²#jxF ej #0 Die mit der a-priori-Kenntnis von yo und der dadurch möglichen Fokussierung behandelte Signalfunktion S' stellt sich nun dar als eine Schwingung mit der Ortsfrequenz F @ 2x0 / (y0#), der Amplitude A und der Anfangsphase #0. Die gesuchte Ortskoordinate x0 des Zielpunktes ist jetzt durch Ermittlung der Ortsfrequenz F (Dopplerschwingungen pro Flugweglänge) z erhalten. Die Fouriertransformation des Signals S' liefegt diese Ortsfrequenz gleichzeitig aller anderen in W@@klichkeit noch vorhandenen Ortsfrequenzen, entsprechend @@ übriger Zielpunkten im Entfernungsring y0. Darin liegt der Vorteil der schnellen Fourirtransformation gegenüber der herkämmlichen Methode der Verwendung des optischen Korrelators.In the prior art, too, the information marked there on the "phase film" is non-linearly distorted in the x direction and therefore requires focusing. In this sense, the signal function is linearized by "focusing" on the distance yo with respect to x: = A e4 # jxx0 / (y0 #) ej # (x0) - 2 # jx0² / (y0 #) A e² # jxF ej # 0 The signal function S 'treated with the a priori knowledge of yo and the resulting focusing now appears as an oscillation with the spatial frequency F @ 2x0 / (y0 #), the amplitude A and the initial phase # 0. The sought location coordinate x0 of the target point is now obtained by determining the spatial frequency F (Doppler vibrations per flight path length) z. The Fourier transformation of the signal S 'provides this spatial frequency at the same time as all other spatial frequencies that are still present in certainty, corresponding to other target points in the range ring y0. This is the advantage of the fast Fourir transformation compared to the conventional method of using the optical correlator.

Die Amplitudenfunktion A begrenzt die röumliche. Länge der zu einem Zielpunkt gehörenden Dopplerschwingung. Die daraus resultierende Unschärfe im Spektrum ist gleichbedeuterd mit der Auflösungskraft des Seitensicktradars.The amplitude function A limits the spatial. Length of to one Doppler oscillation belonging to the target point. The resulting blurring in the spectrum is synonymous with the resolving power of the side radar.

Auch die Phase #0 tritt in Spektrum auf. Sie wird durch Übergang zum Leistungsspektrum unterdrtickt.Phase # 0 also occurs in spectrum. She is going through transition to Range of services suppressed.

Das Spektrum kann nun für jeden Entfernungsring als Schwärzungsverteilung einer Linie auf Film ("Kartenfil") augezeichnet oder mit einem Sichtgerät dargestellt werden. Entzerrt man die Frequenzachse entsprechend F' ~ F . y0, so ergibt die Zusammenfügung aller dieser Linien für die vcrschiedenen Entfernungsringe den vollständigen Kartenfilm.The spectrum can now be used as a blackening distribution for each range ring a line drawn on film ("Kartenfil") or shown with a display device will. The frequency axis is equalized according to F '~ F. y0, so gives the joining of all these lines for the various rings of distance the full card film.

Es warte nun allerdings unpraktisch, die Daten des gesamten Fluges erst zu sammeln und dann insgesamt zu transformieren.It is now impractical to wait for the data for the entire flight first to collect and then to transform as a whole.

Völlig ausreichend ist es, die Daten in Blöcken, deren Länge mindestens der synthetischen Apertur entspricht, zu transformieren. Das erspart Speicher, erfordert aber eine gewisse Redundanz in der Verarbeitung, da die Blöcke sich überlappen müssen, damit auch Ziele an den Blockgrenzen mit ihrer vollen Dopplerschwingzngskurve eingehen.It is completely sufficient to put the data in blocks, the length of which is at least the synthetic aperture corresponds to transform. This saves memory that it requires but a certain redundancy in processing, since the blocks have to overlap, so that targets at the block boundaries with their full Doppler oscillation curve are also included.

Die Abtastung der Signalfunktion (x) ist für die digitale Verarbeitung Voraussetzung. Dem kommt die zur Ermittlung der Entfernung y0 ohnehin notwendige Pulsung des Radars entgegen.The sampling of the signal function (x) is for digital processing Pre-condition. This is where the already necessary to determine the distance y0 comes Against the pulsation of the radar.

Man macht die Pulsfrequenz des Radars zweckmäßig geradc so hoch, wie das Abtasttheorem cs für die höchsten in S enthaltenen Dopplerfrequenzen vorschreibt.The pulse frequency of the radar is expediently made just as high as the sampling theorem cs prescribes for the highest Doppler frequencies contained in S.

Die benötigte Speichergröße ergibt sich aus der gewunschten Auflösung. Soll mit einem X-Band-Radar eine Auflösung x x = A y = 5 m bei einer Reichweite ymax = 100 km erzielt werden, dann ist eine synthetische Apertur von 500 m nötig.The required memory size results from the desired resolution. Should a resolution x x = A y = 5 m with a range be achieved with an X-band radar ymax = 100 km can be achieved, then a synthetic aperture of 500 m is necessary.

Das bedeutet, die der Fouriertransformation zugeführten überlappenden Blöcke müssen etwa 1000 m abdecken. Auf diese Fluglänge entfallen ca. 330 x 330 x 100 - 107 komplexe Daten, die mit einer Wortlänge von je ca. 2 x 8 Bit abgespeichert werden müssen. Solche Massenspeicher mit 20 Megabyte, die zudem einen schnellen Zugriff erlauben müssen, können weder als Kern- noch als Plattenspeicher realisiert werden. Von den Ilalbleiterspeichern kommen derzeit die Ladungsverschiebespeicher (CCD) in Frage.This means that the overlapping ones applied to the Fourier transform Blocks must cover about 1000 m. This flight length accounts for approx. 330 x 330 x 100 - 107 complex data that are stored with a word length of approx. 2 x 8 bits each Need to become. Such mass storage devices with 20 megabytes, which are also fast Must allow access can neither be implemented as core nor as disk storage will. The charge shifting accumulators currently come from the semiconductor accumulators (CCD) in question.

Fig. @ zeigt (stark vereinfacht) eine mögliche Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach der Erfindung. Dic Fokussierungsfunktion wird mit festprogrammierten Nur-Le.se-Speiciiern (ROM) realisiert, ebenso ein wichtendes Datenfenster g(x), das die Wirkung der Schnittkanten der Blöcke mildert. Die Fensterfunktion g(x) ist rechts oben in Fig. 2 dargestellt.Fig. @ Shows (greatly simplified) a possible arrangement for implementation of a method according to the invention. The focusing function is programmed with Read-only storage (ROM) implemented, as well as a weighting data window g (x), which softens the effect of the cut edges of the blocks. The window function is g (x) shown at the top right in FIG.

Mit I und Q sind die Datenkanäle für den Realteil I und den Imaginärteil Q des auf Null abgemischten komplexen Videosignale bezeichnet, die Analog/Digital-Wandlern zugeführt werden, bevor sie der schnellen Fouriertransformation unterworfen werden.With I and Q are the data channels for the real part I and the imaginary part Q of the complex video signals mixed to zero denotes the analog-to-digital converters before they are subjected to the fast Fourier transform.

Die Fokussierung und blockmäßige Verarbeitung mittels der Fensterfunktion ist nicht unbedingt notwendig, aber in der Praxis empfehlenswert. Der Fourierprozessor PFT muß pro Sekunde bei Überschallflug bis etwa 107 Daten durchsetzen, was in heutiger Technologie realisierbar ist.Focusing and processing in blocks using the window function is not absolutely necessary, but recommended in practice. The Fourier processor In supersonic flight, PFT has to enforce up to about 107 data per second, which is the case today Technology is feasible.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (7)

@ a t. e n t n n s p r ii c ii e 1. Verfahren zum realzeitigen Informationsaufbereitung der Empfangssignale eines Seitensicht-Radargerätes durch Um@@@zung (Transformation) dessen Videosignale in eine für eine @@ndkarten artige Aufzeichnung unmittelbar verwertbare Form, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung mit Hilfe eines digitalen Fourierprozessors erfolgt, der nach dem Algorithmus der sogenannten schnellen Fouriertransformationen (FFT) arbeitet.@ a t. e n t n n s p r ii c ii e 1. Procedure for real-time information processing the reception signals of a side-view radar device through Um @@@ zung (transformation) its video signals into a recording that is similar to a card usable form, characterized in that the implementation with the help of a digital Fourier processor takes place according to the algorithm of the so-called fast Fourier transforms (FFT) is working. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadruch gekennzeichnet, daß @ Videosignale vor ihrer Umsetzung mittels der Fourierprozessors zunächst mit Hilfe einer Recheneinrichtung im Sinne der Seitensichtradar-Gerätetechnik fokussiert werden.2. The method according to claim 1, characterized in that @ video signals before they are implemented by means of the Fourier processor, initially with the aid of a computing device be focused in terms of side view radar device technology. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in Form von sich gegenseitig @ber@@ppenden Datenblöcken erfolgt, die sukksessive während der Bewegung des Radargerätes entlang seinem Zielgebiet in vorgegebenes Zeitintervallen auftreten, wobei die Überlappungsintervalle so groß gewählt sind, daß auch Ziele an den Blockgrenzen mit einem ausreichend großen Anteil ihres vollen Dopplerschwingungszuges in die Umsetzung eingehen.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Implementation takes place in the form of mutually @ ber @@ ppend data blocks, which are successive during the movement of the radar device along its target area in a given Time intervals occur, whereby the overlap intervals are chosen so large that that also goals at the block boundaries with a sufficiently large proportion of their full Doppler vibration train are included in the implementation. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem tier Ansprüche 1 bis @, dadurch gekennzeichnet, daß der sclulelle Fourierprozessor (FFT) eingangsseitig an den Video-Ausgang des Seitensichtradargerätes angeschlossen ist, an dem die Video-Signale - auf Null abgemischt - nach Real- iirid Imaglnärteil getrennt auftreten, md ausgangsseitig auf die Informationsaufzeichntitigs- oder -auswerteeinrichtung arbeitet.4. Arrangement for performing the method according to any tier claims 1 to @, characterized in that the basic Fourier processor (FFT) is on the input side is connected to the video output of the side-view radar device to which the video signals - mixed to zero - appear separately according to real iirid imaginary part, md on the output side works on the information recording or evaluating device. 5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ciie Recheneinrichtung zur Fokussierung zwecks Rechenzeiteinsparung Nur-Lesespeicher (ROM) enthält, aus denen nach Maßgabe der momentanen Variablen (x, y@@ ) die aktuell benötigten Rechengrossen abrufbar sind.5. Arrangement for performing the method according to one of claims 2 or 3, characterized in that ciie arithmetic facility for focusing in order to save computing time contains read-only memory (ROM) from which the currently required according to the current variables (x, y @@) Computationally large are available. 6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung der Blocküberlappung ein "wichtendes Datenfenster" (g(x)) im Eingangskanal des Fourierprozessors vorgesehen ist, dessen Ausgangsfunktion aus einem Nur-Lesespeicher entnehmbar ist.6. Arrangement for performing the method according to claim 3, characterized characterized in that to realize the block overlap a "weighting data window" (g (x)) is provided in the input channel of the Fourier processor, its output function can be taken from a read-only memory. 7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und Anordnung nach einem der Anspruche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung der Tnformationen Ladungsverschiebungsspeicher (CCD) vorgesehen sind.7. Arrangement for performing the method according to one of the claims 1 to 3 and arrangement according to one of Claims 4 to 6, characterized in that that charge shift memory (CCD) is provided for storing the information are.
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