CH629898A5

CH629898A5 - Anordnung zur verbesserung der winkelvermessung bei einem folgeradar.

Info

Publication number: CH629898A5
Application number: CH144578A
Authority: CH
Inventors: Albert Dr Schenkel; Urs Leuenberger
Original assignee: Siemens Ag Albis
Priority date: 1978-02-09
Filing date: 1978-02-09
Publication date: 1982-05-14
Also published as: IT7919794A0; FR2417118B1; GB2014393A; US4219816A; DE2836292A1; NL188601B; FR2417118A1; GB2014393B; DE2836292C3; NL7811456A; ZA786378B; NL188601C; SE7811589L; DE2836292B2; JPS54108592A; JPH0123752B2; IN150351B; SE431032B; IT1110411B

Description

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, die es gestattet, die Verfolgungsgenauigkeit im allgemeinen Zweizielfall wesentlich zu verbessern und eine korrekte Nullstelle für die Radarwinkelfehlerspannungen sowohl bei Ausrichten der Radarachse auf das eine wie auf das andere Ziel zu erhalten, wodurch die Winkelfehler stark reduziert und das Springen der Radarachse zwischen den Zielen und ausserhalb derselben vermieden werden können.

Dies wird erfindungsgemäss mit einer Anordnung erreicht, wie sie im Anspruch 1 gekennzeichnet ist.

Eine solche Anordnung kann beispielsweise vier Primärstrahler aufweisen. Obwohl nach einer Studie von Peyton Z. Peebles Jr. (IEEE-AES-7, No. 6, Nov. 1971) eine Zielfolgeradaranlage mit nur vier Primärstrahlern grundsätzlich nicht zur vollständigen Lösung des Zweizielproblems genügt, kann in der Regel durch das Verfahren eine wesentlich kleinere Abweichung der Radarachse vom gewünschten Zielpunkt erreicht werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es sinnvoll, das zur Korrektur notwendige Funktionsfehlersignal z direkt aus einem Regelverstärker zu gewinnen, in welchem die Regelschleife so angeordnet ist, dass das Quadratursignal im Kreuzkanal eine konstante Amplitude annimmt. Damit entfällt die Notwendigkeit, den zugehörigen Dopplerverstärker gegenüber denjenigen des Summen-, Elévations- und Azimutkanals im Gleichlauf zu halten. Ebenso erweist es sich als vorteilhaft, das Funktionsfehlersignal z in gleicher Weise zur Korrektur des Azimut- und des Elevationsfehlers benützen zu können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können ferner die Strahler derart um die Drehachse drehbar angeordnet sein, dass sich für beliebige Zielkonfigurationen jederzeit optimale Fehlersteilheiten im Kreuztermsignal erreichen lassen.

Die Erfindung wird nun durch Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Schema mit den Positionen zweier Flugzeuge A und B,

Fig. 2 das Blockschaltbild eines Zielfolgeradargerätes nach der Erfindung,

Fig. 3 das Blockschaltbild eines Diskriminators zu einem solchen Zielfolgeradargerät, und

Fig. 4 das Blockschaltbild der Signalverarbeitungsstufen und der Korrekturschaltung.

Fig. 1 zeigt schematisch die Positionen von zwei Flugzeugen A und B, die sich in beliebiger Lage, jedoch innerhalb des Radarvolumens VR befinden. Die gewählte Darstellung enthält die Radarachse 0 im Ursprung normal zur Zeichenebene ; die Winkelkoordinaten des Radars sind durch die Achsen AZ im Azimut und EL in der Elévation vorgegeben.

Betrachtet man die Verbindungsstrecke AB und deren Mit-tennormalebene N, so kann diese als virtuelle Spiegelebene auf-gefasst werden. Ebenso ist dann A das Spiegelbild von B in Bezug auf diese virtuelle Spiegelebene und umgekehrt. Durch 5 Zerlegung der Spiegelung an der unter beliebigem Raumwinkel stehenden virtuellen Spiegelebene in eine Komponente in Richtung Azimut und eine solche in Richtung Elévation kann die Steuerung der Radarachse auf das Ziel A oder B ermöglicht werden.

io Die Korrekturformeln in den beiden Winkelkoordinaten lauten dann ex=Eep— Eeq ■ z+FARE=korrigiertes Elevationsfehlersignal und

£U=EAP— Eaq -z+FARA=korrigiertes Azimutfehlersignal 15 Das Zielfolgeradargerät nach Fig. 2 verwendet eine Mono-pulsantenne 1 mit den Primärstrahlern (engl, «feed») A, B, C und D zum Empfang von Echosignalen a, b, c und d, aus denen in einem nachgeschalteten Summen-Differenz-Netzwerk 2 folgende Nutzsignale gewonnen werden: 20 Ein Summenfunktionssignal Fs=a+b+c+d zwei Differenzfunktionssignale

FdA=d-b und FdE=a— c 25 sowie ein Kreuztermfunktionssignal FdK=(a+c)-(b+d)

Diese Echosignale können genau gleich im Summen-Diffe-renz-Netzwerk behandelt werden, wie es in der CH-PS 592 887 beschrieben wird.

30 In einem eingangsseitig mit den Nutzsignalen beaufschlagten Diskriminator 3 wird je ein Winkelfehlerfunktionssignal des Seitenwinkels FA=FdA/Fs und des Höhenwinkels FE= FdE/Fs aufbereitet, mit welchem eingangsseitig eine Haupt-Signalver-35 arbeitungsstufe 4A beaufschlagt wird, aus welcher ein durch den Zweizieleffekt verfälschter Azimut-Winkelfehlersignalanteil

EAp =Re [Fa(Yx,Y2)] in Phase zum Summensignal, ein durch den Zweizieleffekt verfälschter Elevations-Win-4o kelfehlersignalanteil

EEP=Re [Fe(X1,X2)] in Phase zum Summensignal, ein durch den Zweizieleffekt verfälschter Azimut-Winkel-fehlersign alanteil

Eaq =Im [FA(Y!,Y2)] in Quadratur zum Summensignal 45 und ein durch den Zweizieleffekt verfälschter Elevations-Winkelfehlersignalanteil eeq=Im [Fe(Xj,X2)] in Quadratur zum Summensignal gewonnen werden,

worin so Re = Realteil Im = Imaginärteil

X1;X2 = Winkel in bezug auf die Peilachse (engl, «bore-sight»)

in der Höhenwinkelebene 55 Yl5Y2 = Winkel analog zu X1;X2 in der Seitenwinkelebene (nicht dargestellt)

Im Diskriminator 3 wird ebenfalls ein Winkelfehlerfunktionssignal des Kreuzterms

50

FK=FdK/Fs gewonnen, mit welchem eingangsseitig eine Hilfs-Signalverar-beitungsstufe 4B beaufschlagt wird, aus welcher ein Funktions-65 fehlersignal

Re[FK(X1,X2,Y1,Y2)]

z=cot 0 =

Im[FK(X1,X2,Yl!Y2)]

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gewonnen wird. Eine Korrekturschaltung 5 wird eingangsseitig einerseits mit diesem Funktionsfehlersignal z und andererseits mit den Ausgangssignalen EAP, Eep, Eaq und Eeq aus der Haupt-Signalverarbeitungsstufe beaufschlagt.

Die Korrekturschaltung 5 gibt sowohl das korrigierte Azimutwinkelfehlersignal

^AP F.4A

als auch das korrigierte Elevationswinkelfehlersignal eî.==EEP+FAA

ab. Ein Rechner 6 kann bedarfsweise ebenfalls an diese Korrekturschaltung 5 angeschlossen werden.

In Fig. 3 ist ein Diskriminator aufgezeigt, der beispielsweise an Stelle des Diskriminators 3 in Fig. 2 eingesetzt werden kann. In diesem Diskriminator sind fünf Produktdemodulatoren 11, 12,13,14,15, deren Ausgänge je mit dem Eingang einer jeden von fünf Tor- und Dopplerextraktionsschaltungen 21,22,23, 24,25 verbunden sind, und vier auf Summe normierte Dopplerverstärker 31,32, 33,34 vorhanden.

Dabei sind die Ausgänge der Tor- und Dopplerextraktionsschaltungen 21,22,23 und 24 je einem Signal-Eingang der Dopplerverstärker 31,32,33 und 34 zugeführt, deren Regeleingänge gemeinsam mit dem Ausgang eines Summiergliedes 61 verbunden sind.

Zudem ist der Ausgang des Dopplerverstärkers 33 über eine Referenzschaltung 41 zur Bildung der Signale in Phase zum Summensignal, forthin Summen-Inphasenreferenzschaltung genannt, und einen nachgeschalteten Multiplikator 51 mit dem ersten Eingang des Summiergliedes 61 und der Ausgang des Dopplerverstärkers 34 über Referenzschaltung 42 zur Bildung der Signale in Quadratur zum Summensignal, forthin Summen-Quadraturreferenzschaltung genannt, und einen nachgeschalteten Multiplikator 52 mit dem zweiten Eingang des Summiergliedes 61 verbunden. Dabei sind beide Eingänge der Multiplikatoren 51 und 52 gemeinsam angeschlossen.

Der Diskriminator in Fig. 3 funktioniert nun folgendermas-sen: Die aus dem Summen-Differenz-Netzwerk 2 (siehe Fig. 2) kommenden Signale Fs, F,^, F^ und FdIC werden in den Produktdemodulatoren 11,12,13 und 15 durch Produktbildung mit dem Koho-Signal empfangskohärent demoduliert. Durch eine zusätzliche Démodulation im Summenkanal, jedoch mit

3t dem um den Phasenwinkel <p = — gedrehten Koho-Signal aus dem Phasenschieber 71, wird im Produktdemodulator 14 eine Quadraturkomponente gebildet.

In den Tor- und Dopplerextraktionsschaltungen 21,22,23, 24 und 25 werden dann alle Signale ausgetastet, integriert und nach einem Haltekreis einem Dopplerfilter zugeleitet. In den anschliessenden Dopplerverstärkern 31,32,33 und 34 werden die entsprechenden Signale derart verstärkt, dass die Amplitude des Summenkanals konstant bleibt, d.h. es gilt

I2+Q2=konstant worin I das Summen-Inphasenreferenzsignal am Ausgang der Summen-Inphasenreferenzschaltung 41 und Q das Summen-Quadraturreferenzsignal am Ausgang der Summen-Quadratur-Referenzschaltung 42 ist.

Die Ausgänge der Dopplerverstärker 31 und 32 sowie der Ausgang der Tor- und Dopplerextraktionsschaltung 25 sind auch Ausgänge des Diskriminators 3, wobei die entsprechenden Ausgangssignale FA, FE bzw. FK sind.

Die Haupt-Signalverarbeitungsstufe 4A in Fig. 4 weist 4 Multiplikatoren 43,44,45,46 auf, von denen die Eingänge der zwei ersten 43,44 gemeinsam mit dem Seitenwinkelsignal FA und die Signaleingänge der zwei letzten 45,46 gemeinsam mit dem Höhenwinkelsignal FE beaufschlagt sind, wobei die Referenzeingänge der Multiplikatoren 43 und 45 gemeinsam mit dem Summen-Inphasen-Referenzsignal I und die Referenzeingänge der Multiplikatoren 44 und 46 gemeinsam mit dem Summen-Quadraturreferenzsignal Q (siehe auch Fig. 3) beaufschlagt sind. Die Ausgänge der Multiplikatoren 43,44,45 und 46 geben die Signale EAP, EAQ, Eep bzw. Eeq ab.

Die Hilfs-Verarbeitungsstufe 4B in Fig. 4 weist zwei Multiplikatoren 47 und 48 auf, deren Signaleingänge gemeinsam mit dem Ausgang eines Dopplerverstärkers 35 verbunden sind, dessen Eingang mit dem Signal FK (siehe auch Fig. 3) beaufschlagt und dessen Steuereingang mit dem Ausgang des Multiplikators 48 verbunden ist.

Dabei ist der Referenzeingang des Multiplikators 48 mit dem Summen-Quadraturreferenzsignal Q und der Referenzeingang des Multiplikators 47 mit dem Summen-Inphasen-Refe-renzsignal I beaufschlagt. Der Ausgang des Multiplikators 47 liefert das Funktionsfehler-Signal z und ist somit zugleich der Ausgang der Hilfs-Verarbeitungsstufe 4B.

In Fig. 4 ist auch eine mögliche Realisierung der Korrekturschaltung 5 mit Multiplikatoren 53 und 54 angegeben, deren Ausgänge je mit dem einen Eingang eines jeden von zwei Subtrahiergliedern 62 bzw. 63 verbunden sind, wobei der andere Eingang des Subtrahiergliedes 62 mit dem Signal Eap und der andere Eingang des Subtrahiergliedes 63 mit dem Signal Eep beaufschlagt ist. Die ersten Eingänge der Multiplikatoren 53 und 54 sind gemeinsam mit dem Funktionsfehlersignal z und deren zweite Eingänge je mit dem Signal EAQ bzw. EEq beaufschlagt.

Die Ausgänge der Subtrahierglieder 62 und 63 liefern dementsprechend näherungsweise die korrigierten Fehlersignale Ea und welche wie folgt ausgedrückt werden können:

8a Eap * z und

£>. — EEP— Eeq-z

4

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

c

2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE 1. Anordnung zur Verbesserung der Winkelvermessung bei einem Folgeradar mit mindestens drei Primärstrahlern und einem mit einem Kreuztermkanal versehenen Summen-Diffe-renz-Netzwerk, das aus den von den Primärstrahlern empfangenen Echosignalen nebst einem Summensignal noch zwei Differenzsignale und zusätzlich ein Kreuztermsignal erzeugt, wobei in auf das Summen-Differenz-Netzwerk folgenden Signalverarbeitungsschaltungen (3,4A, 4B, 5) einmal ein Funktionsfehlersignal z durch Division des zum Summensignal gleichphasigen Anteils (Erp) des aus der Kreuztermfunktion gewonnenen Winkelfehlersignals durch den in Quadratur zum Summensignal stehenden Anteil (Ekq) des aus der Kreuztermfunktion gewonnenen Winkelfehlersignals gebildet wird, zum anderen ein Eleva-tions-Korrektursignal rae"

-Eeq-Z+F,

are mit Eeq=verfälschter Elévations-Winkelfehlersignalanteil in Quadratur zum Summensignal und Färe=Rest-Korrekturglied für das Elevations-Korrektur-signal abgeleitet wird und schliesslich das Elévations-Winkelfehlersignal nach der Formel

£x=EEp+F,

ae mit Eep=verfälschter Elevations-Winkelfehlersignalanteil in Phase zum Summensignal korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Winkelvermessung im allgemeinen Zweizielfall in den Signalverarbeitungsschaltungen zusätzlich sowohl ein Azimutkorrektursignal

FAA- EAQ'Z + Fara mit Eaq =durch den Zweizieleffekt verfälschter Azimut-Winkelfehlersignalanteil in Quadratur zum Summensignal (Fs) und FARA=Rest-Korrekturglied für das Azimut-Korrektursi-gnal abgeleitet als auch das Azimut-Winkelfehlersignal nach der Formel

£«=EAp+F,

raa mit EAP=durch den Zweizieleffekt verfälschter Azimut-Winkelfehlersignalanteil in Phase zum Summensignal (Fs) korrigiert wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Korrektur notwendige Funktionsfehlersignal z direkt aus einem Regelverstärker (35, Fig. 4) gewonnen wird, in welchem die Regelschleife derart angeordnet ist, dass das Quadratursignal im Kreuztermkanal (3,4B, Fig. 2) konstante Amplitude annimmt, um die Notwendigkeit zu vermeiden, einen zugehörigen Dopplerverstärker (25, Fig. 3) gegenüber denjenigen (21—24) eines Summen-, Elévations- und Azimutkanals (3, 4A, Fig. 2) im Gleichlauf zu halten.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe Funktionsfehlersignal z in gleicher Weise und mit gleichen Mitteln für die Korrektur vom Azimut- und Eleva-tionsfehler benützt wird.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler (A-D, Fig. 2) drehbar um die Symmetrieachse der Strahlergruppe angeordnet sind, um für beliebige Zielkonfigurationen jederzeit günstige Fehlersteilheiten im Kreuztermsignal (Fdk) zu erreichen.

besserung der Winkelvermessung bei einem im Zweizielfall arbeitenden Folgeradar mit mindestens drei Primärstrahlern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der Zielverfolgung und Zielsuchlenkung mit Hilfe von 5 Radargeräten ist das Mehrzielproblem besonders wichtig. Dieses Problem besteht darin, bei Vorhandensein von mehreren eng benachbarten Zielen dieselben mit einem Radargerät zu trennen. Sofern sich ein einzelnes Punktziel innerhalb des Radarvolumens befindet, erlauben zwar übliche Folgeradarsyste-io me ohne weitere Massnahmen eine Zielauflösung mit guter Genauigkeit innerhalb des ausgeleuchteten Radarvolumens, wobei die Genauigkeit sowohl durch die Strahlbreite als auch durch die Sendepulsdauer gegeben ist, sodass beispielsweise in einem modernen Monopulsradar die Winkelauflösung ohne weiteres 15 Werte um den hundertsten Teil der Strahlbreite erreicht. Die Winkelmessgenauigkeit bricht jedoch bekanntlich bei solchen Systemen um Grössenordnungen zusammen, sobald sich mehrere Punktziele oder ein einzelnes, welches nicht mehr punktförmig erscheint, innerhalb des Radarvolumens befinden. Letzte-20 res wird als «glint» bezeichnet und ist nicht eindeutig erfassbar, während ersteres im Folgenden speziell unter dem Begriff «Mehrzielproblem» betrachtet wird. Ohne weitere Massnahmen können also dabei zwei oder mehr vorhandene Ziele feh-lerhafterweise als ein einziges Ziel vom Radargerät gedeutet 25 werden. Die Radargeräte sprechen daher dann bei der Verfolgung bei Mehrfachzielen laufend auf ein fiktives Ziel an, welches auch ausserhalb des durch die verschiedenen Ziele bestimmten Volumens liegen kann, und auf welches die Zielsuchlenkung hingesteuert wird. Wenn eine Zieltrennung erst zu spät 30 möglich ist, so kann eine erfolgreiche Feuerleitung nicht zustande kommen.

Eine besondere Stellung beim Mehrzielproblem nimmt der Fall des Vorhandenseins von zwei Zielen ein, indem sowohl zwei reelle Flugkörper im Radarvolumen als auch ein einziger 35 reeller Flugkörper vorhanden sein können, dessen Reflexionen jedoch an einer für Mikrowellen glatten Fläche einen zweiten, virtuellen Flugkörper vortäuschen.

Dieser zweitgenannte Fall ist als Spiegeleffekt bekannt und tritt besonders ausgeprägt über Wasserflächen auf. Charakteri-40 stisch für den Spiegeleffekt ist, dass sich das reelle Ziel und das Spiegelbild stets in der Normalen zur Spiegelfläche befinden, im Falle einer Wasserfläche somit in der Vertikalen. Zudem sind die Veränderungen von Ziel und Spiegelbild eng miteinander verknüpft, was sich in einer sehr geringen Entfernungsdifferenz 45 und in einer kaum unterscheidbaren Dopplerverschiebung äussert. Im Gegensatz dazu besteht im allgemeinen Zweizielfall kein Zusammenhang zwischen den zwei Zielen.

Aus der DT-OS 19 00 854 ist eine Methode zum Erkennen des gleichzeitigen Vorhandenseins zweier oder mehrerer eng so benachbarter Radarzielobjekte im Richtdiagramm eines Radarantennensystems bekannt. Diese Methode ist für Phasenmono-puls-Verfahren vorgesehen und braucht mindestens fünf Empfangsantennen für den Zweizielfall und (2n+1) Empfangsantennen für den n-Zielfall, was einen zu grossen Aufwand an 55 Empfangsantennen bedeutet.

Aus der CH-PS 592 887 ist ein Verfahren zur Spiegeleffekt-Korrektur in Zielfolgeradaranlagen mit wenigstens drei Primärstrahlern bekannt, von denen mindestens zwei derart ausgerichtet sind, dass eine durch die Längsachsen von deren Strahlungs-60 Charakteristika verlaufende Ebene zumindest angenähert senkrecht zur spiegelnden Fläche steht, wobei in einem Summen-Differenz-Netzwerk aus den von den Primärstrahlern empfangenen Echosignalen nebst einem Summensignal noch zwei Differenzsignale und zusätzlich ein in mindestens einem Messinter-65 vali gebildetes Kreuztermsignal erzeugt werden.

Nach diesem Verfahren wird aus diesen Signalen ein in zwei Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ver- Komponenten EKQ, Erp zerlegtes Winkelfehlersignal erzeugt

3

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und in einer Signalverarbeitungsstufe ein Korrektursignal FA nach der Formel

Fa = — Eeq • Ekp/Ekq+Far gewonnen, um das durch Spiegeleffekte verfälschte Winkelfehlersignal zu korrigieren. In dieser Formel ist:

Eeq=durch Spiegeleffekte verfälschter Winkelfehlersignalanteil in Quadratur zum Summensignal

Ekp=aus der Kreuztermfunktion gewonnener Winkelfehlersignalanteil in Phase zum Summensignal

EKQ=aus der Kreuztermfunktion gewonnener Winkelfehlersignalanteil in Quadratur zum Summensignal

Far =Rest-Korrekturglied

Ein solches Verfahren ist zwar zur Korrektur einer durch spiegelnde Flächen hervorgerufenen Missweisung in Zielfolgeradargeräten sehr gut geeignet, wird aber dem allgemeinen Zweizielfall nicht gerecht.