DE102006006983A1 - Verfahren zur Erfassung der Flugbahn und Bewegungsrichtung von Projektilen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Flugbahn (FB) und Bewegungsrichtung von Projektilen. Dabei werden mittels eines kohärenten Pulsdopplerradars (RS), - welches mehrere gerichtete Antennen (Ant1, Ant2, ...Ant8) aufweist, die zusammen eine 360°-Abdeckung der Umgebung ermöglichen, und - wobei Antennendiagramme benachbarter Antennen (Ant1, Ant2, ...Ant8) sich überlappen, an mehreren Punkten entlang der Flugbahn Entfernung (R<SUB>i</SUB>), Geschwindigkeit (v<SUB>G</SUB>) und Beobachtungswinkel (Phi<SUB>i</SUB>) des Projektils gemessen werden und aus diesen Messungen Flugbahn (FB) und Bewegungsrichtung des Projektils in Echtzeit ermittelt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Echtzeit-Erfassung der Flugbahn und Bewegungsrichtung von Projektilen.
  • Der Beschuss mit Handfeuerwaffen aus dem Hinterhalt (z.B. durch so genannte Sniper) stellt eine ständige Bedrohung von Soldaten beim Einsatz in Krisengebieten dar.
  • Es sind bereits Verfahren bekannt geworden, mit denen Informationen zu Ort und Richtung, aus dem der Beschuss erfolgt, gewonnen werden sollen. Sie beruhen auf akustischen Sensoren, die über den Mündungsknall die Position des Schützen ermitteln. Nachteilig an derartigen akustischen Sensoren ist, dass mehrere räumlich verteilte und vernetzte Stützstellen (Mikrofone) benötigt werden. Darüber hinaus können derartige akustische Systeme leicht durch Umgebungsgeräusche gestört werden.
  • Des weiteren sind optische Verfahren bekannt, mit denen versucht wird, die Zieloptiken von Scharfschützen-Gewehren zu entdecken. Der Anwendungsbereich dieser Systeme ist stark eingeschränkt, da der Beschuss durch andere Handfeuerwaffen nicht detektiert werden kann. Auch diese Systeme werden in ihrer Effizienz durch Umgebungseinflüsse wie Lichtquellen oder Staub erheblich beeinträchtigt.
    •
  • Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Erfassung der Flugbahn und Bewegungsrichtung von Projektilen zuverlässig und mit geringem apparativen Aufwand in Echtzeit ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird ein kohärentes Pulsdopplerradar eingesetzt. Die Entfernungsmessung zu einem erfassten Objekt erfolgt bevorzugt über die Laufzeit der Echoimpulse, während die Ermittlung der Projektilgeschwindigkeit vorteilhaft mittels Doppler-Frequenzverschiebung im Echosignal festgestellt wird.
  • Über die Abdeckung des Erfassungsbereiches mit einer Mehrzahl von Antennen, welche jeweils einen definierten Winkelbereich ausleuchten und zusammen eine 360°-Abdeckung der Umgebung des Radarsensors ermöglichen, kann auch der Beobachtungswinkel des Projektils an unterschiedlichen Stellen der Flugbahn erfasst werden. Unter dem Beobachtungswinkel des Projektils wird der Winkel verstanden, unter dem das Projektil zum Messzeitpunkt bezogen auf eine feste Referenzrichtung des Radars erscheint. Die Antennendiagramme benachbarter Antennen überlappen sich.
  • Die Antennen sind z.B. auf einer Zylinderoberfläche angeordnet. Es werden vorteilhaft mindestens drei Antennen eingesetzt. Beispielsweise können acht Antennen zur 360°-Abdeckung der Umgebung des Radarsensors verwendet werden.
  • Aus der Messung von Entfernung, Geschwindigkeit und Beobachtungswinkel des Projektils an mehreren Punkten (mindestens zwei) entlang der Bahn des Projektils können Flugbahn und Bewegungsrichtung des Projektils in Echtzeit und mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden.
  • Die Bestimmung des Beobachtungswinkels kann mit dem so genannten Sequential Lobing-Verfahren durchgeführt werden. Dabei werden die einzelnen Antennen sequentiell auf Empfang geschaltet. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass nur ein Verstärker für sämtliche Antennen benötigt wird. Der Radarsensor kann somit besonders kompakt und klein gebaut werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die Bestimmung des Beobachtungswinkels mit dem so genannten Monopuls-Verfahren durchgeführt werden, bei dem die Antennen gleichzeitig auf Empfang geschaltet werden. Dabei wird für jede Antenne ein separater Empfänger benötigt.
  • Als Radarsensor wird bevorzugt ein so genanntes Kleinradar eingesetzt. Es weist sehr geringe Abmessungen verbunden mit geringem Gewicht, einem kompakten Aufbau und geringer Sendeleistung (mW Bereich) auf. Der Sensor kann z.B. auf einem Fahrzeug oder auf einer Stütze im Gelände angebracht werden.
  • Der Erfassungsbereich, innerhalb derer ein Projektil detektiert wird, kann z.B. ein Kreis mit dem Sensor als Mittelpunkt und mit einem Radius von 20 m sein.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist die Tatsache, dass eine Echtzeit-Ermittlung von Flugbahn und Bewegungsrichtung mit nur einem Sensor ermöglicht wird, der außerdem sehr kompakt und leicht ausgebildet sein kann. Der Sensor ist darüber hinaus sehr robust gegenüber Umgebungseinflüssen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere auch eine gleichzeitige Detektion mehrerer Projektile innerhalb des Erfassungsbereichs (Mehrzielfähigkeit).
    •
  • Die Erfindung wird anhand von Fig. unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Radarsensor, wie er zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt wird;
  • 2 eine Skizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Messprinzips;
  • 3 eine Skizze zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsbestimmung durch Laufzeit- und Dopplerfrequenzmessung; dargestellt sind die Phasen von Sende- und Echoimpulsen über der Zeit;
  • 4 eine Skizze zur Bestimmung des Beobachtungswinkels gemäß Sequential Lobing Verfahren; sie zeigt in kartesischer Darstellung die Antennendiagramme zweier benachbarter Antennen über dem Abstrahlwinkel.
  • 1 zeigt einen Radarsensor RS, der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Es weist eine im wesentlichen zylindrische Form auf. Der Durchmesser beträgt in dieser Ausführung ca. 20 cm. Auf der zylindrischen Mantelfläche sind insgesamt acht Antennen Ant1, Ant2, ... Ant7, Ant8 angebracht, die zusammen eine 360°-Erfassung der Umgebung (in der horizontalen Ebene) ermöglichen. Die Antennendiagramme benachbarter Antennen überlappen sich über einen gewissen Bereich, was für die Messung des Beobachtungswinkels von Bedeutung ist. Darauf wird später noch eingegangen. Die Antennen sind in dieser Ausführung als Planarantennen (Patch-Antennen) ausgeführt. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Antennen folgende Öffnungswinkel auf.
    horizontal: ca. 45°.
    vertikal: ca. 60°.
  • Diese Werte sind wie allgemein üblich auf das –3dB-Niveau des Antennendiagramms bezogen.
  • Innerhalb des zylindrischen Gehäuses sind ein Antennen-Multiplexer sowie der HF-Teil des Sensors (HF-Sender, HF-Empfänger, Sende/Empfangs-Umschalter) sowie die Auswerteplatine des Sensors (Signalprozessor, Videomodul) angeordnet. Der Sende/Empfangs-Umschalter ermöglicht, dass für Senden und Empfangen dieselbe Antenne benutzt werden kann.
  • Mittels Antennen-Multiplexer werden die einzelnen Antennen der Reihe nach auf Senden bzw. Empfang geschaltet, so dass eine vollständige Überwachung des Erfassungsbereichs um den Sensor gewährleistet ist. Die Zeit für einen Umlauf liegt in der Größenordnung von Millisekunden.
  • Alternativ kann für jede Antenne auch ein separater Empfänger vorhanden sein, so dass ein gleichzeitiger Empfang an allen Antennen möglich wird. Dies würde den apparativen Aufwand jedoch nicht unwesentlich erhöhen.
  • Wie erwähnt, können die Antennen Ant1, Ant2, ..., Ant8 als Sende-/Empfangsantennen, die sowohl senden als auch empfangen, ausgebildet sein. Die Antennen können jedoch in einer weiteren Ausführungsform auch als reine Empfangsantennen ausgebildet sein. In diesem Fall ist eine einzelne Sendeantenne vorhanden, die die gesamte Umgebung ausleuchtet.
  • Die Antenne At auf dem oberen Deckel des Zylinders wird für die Funkübertragung der Messergebnisse (Flugbahn und Richtung der Geschosse) eingesetzt.
  • Das Szenarium für den Beschussfall ist in 2 dargestellt. Ein Projektil fliegt durch den Erfassungsbereich des Radarsensors RS und reflektiert während dieser Durchflugphase die Sendeimpulse des Radarsensors RS. Die Wiederholfrequenz der Impulse ist so gewählt, dass die Echosignale im Eindeutigkeitsbereich zu liegen kommen. Der kreisförmige Erfassungsbereich, innerhalb derer ein Projektil detektiert wird, kann z.B. einen Radius von 20 m aufweisen.
  • Während der Durchflugphase des Projektils wird an mehreren Punkten entlang der Flugbahn FB des Projektils dessen Abstand Ri, der Beobachtungswinkel Φi (dieser ist bezogen auf eine Referenzachse des Radarsystems – in 2 die y-Achse) und seine Geschwindigkeit ermittelt, aus denen nach Beendigung des Durchflugs automatisch die Flugbahn und Bewegungsrichtung bestimmt wird. Die Flugbahn FB wird durch die Parameter r, Φ beschrieben.
  • Die Bestimmung der Entfernung Ri erfolgt anhand der Laufzeit Δt des Echosignals (3). Für Ri gilt Ri = c0·Δt/2
    • C0
    = Lichtgeschwindigkeit
  • Die Objektgeschwindigkeit wird über die Messung der Dopplerfrequenzverschiebung im Echosignal ermittelt. Die Dopplerfrequenzverschiebung ist durch die Geschossgeschwindigkeit vG vorgegeben. θi ist der Winkel zwischen der Flugbahn FB und der Verbindungslinie Radarsensor-Projektil. fD = 2·vG·f0/c0·cos(θi)
    • f0
    = Sendefrequenz
  • Bei einem Pulsdopplerradar wird die Dopplerfrequenz aus der Phasenänderung des Echosignals über der Zeit ermittelt. In 3 sind die Phasen von drei aufeinanderfolgenden Echoimpulsen über der Zeit dargestellt. Die Einhüllende (gestrichelt gezeichnet) entspricht dem zeitlichen Verlauf der Dopplerfrequenz des Echosignals.
  • Die Bewegung des Objekts während der Erfassung der dargestellten drei Echoimpulse kann dabei vernachlässigt werden.
  • Für die Bestimmung der Ablage r kann eine Kombination aus Dopplerfrequenzmessung und Entfernungsmessung verwendet werden, um Messungenauigkeiten zu kompensieren.
  • Der Beobachtungswinkel Φi gemäß 2 wird mittels des Sequential Lobing Verfahrens aus dem Vergleich der Echosignale in benachbarten Antennen ermittelt (4). Für die Abdeckung der kompletten Umgebung um die Antenne (360° in der horizontalen Ebene) sind acht Antennen ringförmig um den Sensor RS angebracht, die zyklisch abgefragt werden. Die Bestimmung des Winkels aus dem Vergleich der Echoamplituden wird jeweils für die zwei Antennen z.B. Ant1, Ant2 durchgeführt, die den Ort des Zieles zu dem entsprechenden Zeitpunkt ausleuchten. Aus der Differenz der Echoamplituden E1, E2, die an den beiden Antennen Ant1, Ant2 ermittelt wurden, kann eindeutig auf den Beobachtungswinkel Φi des Zielgeschosses geschlossen werden.
  • Bei Vorhandensein mehrerer Ziele werden mit diesem Verfahren die einzelnen Ziele jeweils getrennt erfasst.
  • Alternativ zu dem beschriebenen Sequential-Lobing-Verfahren kann auch ein Monopuls-Verfahren eingesetzt werden, bei dem sämtliche Antennen gleichzeitig empfangen. Somit wird der gesamte Ausleuchtungsbereich des Pulsdopplerradars gleichzeitig verarbeitet.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Erfassung der Flugbahn (FB) und Bewegungsrichtung von Projektilen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines kohärenten Pulsdopplerradars (RS), – welches mehrere gerichtete Antennen (Ant1, Ant2, ... Ant8) aufweist, die zusammen eine 360°-Abdeckung der Umgebung ermöglichen und – wobei Antennendiagramme benachbarter Antennen (Ant1, Ant2, ... Ant8) sich überlappen, an mehreren Punkten entlang der Flugbahn Entfernung (Ri), Geschwindigkeit (vG) und Beobachtungswinkel (Φi) des Projektils gemessen werden und aus diesen Messungen Flugbahn (FB) und Bewegungsrichtung des Projektils in Echtzeit ermittelt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen (Ant1, Ant2, ... Ant8) auf einer Zylinderoberfläche angeordnet sind.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Beobachtungswinkels (Φi) mit dem Sequential Lobing-Verfahren durchgeführt wird, bei dem die Antennen (Ant1, Ant2, ... Ant8) für den Empfang sequentiell angesteuert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Beobachtungswinkels (Φi) nach dem Monopuls-Verfahren durchgeführt wird, bei dem beim Empfang der gesamte Ausleuchtungsbereichs des Pulsdopplerradars (RS) gleichzeitig verarbeitet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit (vG) des Projektils mittels Doppler-Frequenzverschiebung im Echosignal ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit des Echosignals zur Bestimmung der Entfernung (Ri) genutzt wird.
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