DE102014110079B3 - Verfahren zur absoluten radiometrischen Kalibrierung des Radarrückstreuquerschnitts von Radarzielen - Google Patents

Verfahren zur absoluten radiometrischen Kalibrierung des Radarrückstreuquerschnitts von Radarzielen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur radiometrischen Kalibrierung des Radarrückstreuquerschnitts RCSi einer Anzahl N von Radarzielen Ti, mit i = 1, 2, ..., N, und N ≥ 3, wobei zumindest ein Radarziel T1 einen Radarsender S1 mit einer Sendeantenne SA1 und einen Radarempfänger E1 mit einer Empfängerantenne EA1 aufweist, wobei der Radarempfänger E1 und der Radarsender S1 unabhängig voneinander arbeiten, ein Radarziel T2 einen Radarsender S2 mit einer Sendeantenne SA2, einen Radarempfänger E2 mit einer Empfängerantenne EA2, und eine Einheit D2 aufweist, mit der der Radarsender S2 in einem Transponder-Modus TM des Radarziels T2 mit dem Radarempfänger E2 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E2 empfangenes Signal S vom Radarsender S2 wieder ausgesandt wird, und mit der der Radarsender S2 in einem Radar-Modus RM des Radarziels T2 nicht mit dem Radarempfänger E2 verbunden ist, so dass der Radarsender S2 und der Radarempfänger E2 unabhängig voneinander arbeiten, und ein Radarziel T3 einen Radarsender S3 mit einer Sendeantenne SA3, einen Radarempfänger E3 mit einer Empfängerantenne EA3, und eine Einheit D3 aufweist, mit der der Radarsender S3 mit dem Radarempfänger E3 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E3 empfangenes Signal S vom Radarsender S3 wieder ausgesandt wird, oder das Radarziel T3 ein passives Radarziel ist, das ein auftreffendes Signal S reflektiert. Das Verfahren umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt 101 erfolgt ein Aussenden eines Signals S durch den Radarsender Sk eines der Radarziele Tk mit einer Sendeleistung PTk,j, ein Empfangen des Signals S durch einen anderes der Radarziele Tj, ein Aussenden oder Reflektieren des empfangenen Signals S durch das andere Radarziel Tj, und ein Empfangen des von dem Radarziel Tj ausgehenden Signals S durch den Radarempfänger Ek des Radarziels Tk mit der Empfangsleistung PRk,j, mit k, j ∊ {1, 2, ..., N} und k ≠ j. In einem zweiten Schritt 102 erfolgt ein Ausführen des Schrittes 101 für N unterschiedliche Paarungen TkTj von Radarzielen Tk und Tj, wobei die Paarungen TkTj und TjTk als identisch gelten. In einem dritten Schritt 103 erfolgt basierend auf bekannten Distanzen Dk,j der Radartransponder Tk und Tj bei der Durchführung der Schritte 101 und 102 und ermittelten Verhältnissen PRk,j/PTk,j ein Ermitteln der Radarrückstreuquerschnitte RCSi der ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur absoluten radiometrischen Kalibrierung des Radarrückstreuquerschnitts RCSi (engl. „Radar Cross Section” – RCS) einer Anzahl N von Radarzielen Ti, mit i = 1, 2, ..., N, und N ≥ 3. Die Erfindung findet Verwendung in der Raumfahrt- und Luftfahrtindustrie zur absoluten radiometrischen Kalibrierung des Radarrückstreuquerschnitts, insbesondere von aktiven Referenzzielen, sogenannten Transpondern.
  • Infolge der stetig steigenden Nachfrage nach Fernerkundungsdaten der Erde, insbesondere von Fernerkundungsdaten, die mit Hilfe satellitengestützter SAR-Systeme, wie TerraSAR-X oder Sentinel-1 gewonnen werden, rückt die Qualität der sogenannten SAR-Datenprodukte immer mehr in den Vordergrund. Denn erst wenn die Qualität der SAR-Datenprodukte sichergestellt ist, lassen sich nützliche Informationen zur Erdbeobachtung ableiten (wie bspw. zur Beobachtung von Gletscherbewegungen, dem Packeis oder Überflutungen, dem Abholzen tropischer Regenwälder, der Ableitung der weltweiten Biomasse etc.).
  • Eine hohe Qualität der SAR-Datenprodukte lässt sich jedoch nur erreichen, wenn die satellitengestützten SAR-Systeme genau kalibriert werden, und da zukünftige SAR-Systeme mit einer höheren Genauigkeit abgeglichen werden sollen, rückt die Genauigkeit der hierzu benötigten Referenzziele und somit die hinreichend genaue Kalibrierung dieser Referenzziele immer mehr in den Vordergrund.
  • Die Hauptanwendung des beschriebenen Verfahrens liegt zunächst in der absoluten radiometrischen Kalibrierung von aktiven Referenzzielen, den sogenannten (Radar-)Transpondern, die im Anschluss für die Kalibrierung satellitengestützter SAR-Systeme zum Einsatz kommen. Grundsätzlich kann das Verfahren überall dort angewendet werden, wo Radarrückstreuquerschnitte RCS von insbesondere aktiven Kalibrierzielen vermessen werden sollen. Dazu gehören zum Beispiel auch Transponder, wie sie für die Kalibrierung von Wetterradaren eingesetzt werden.
  • Zur Zeit gibt es grundsätzlich drei verschiedene Verfahrensvarianten, um den Radarrückstreuquerschnitt RCS von aktiven Radarzielen messtechnisch zu bestimmen. In einer ersten Verfahrensvariante erfolgt eine Vermessung der einzelnen Transponderkomponenten, wie Antennen und Verstärker, im Labor und eine anschließende Berechnung des sich hieraus ergebenden Radarrückstreuquerschnitts RCS des jeweiligen Transponders. Ein Problem bei dieser Variante liegt in der hohen systematischen Messunsicherheit der Methode, die sich aufgrund der vielen Einzelmessungen ergibt. Zusätzlich ergeben sich Unsicherheiten durch das Hintereinanderschalten der Einzelkomponenten des Transponders (Antennen, Converter, Verstärker, etc.) nach der Vermessung, da die Schnittstellen nicht Teil der ursprünglichen Messungen sind.
  • In einer zweiten Verfahrenvariante erfolgt eine Vermessung des Transponders als Radarziel in einer geeigneten RCS-Messanlage (innen wie außen). Dabei wird der Transponder als „Black Box” betrachtet, auf dessen konkretes „Innenleben” es nicht ankommt. Ein Problem bei dieser Variante liegt neben den üblichen Herausforderungen, wie der Unterdrückung unerwünschter Rückstreuungen durch die Messumgebung, die bspw. durch Halterungen, einem Drehturm etc. verursacht werden, insbesondere darin, dass diese Messung eine vergleichende Messung ist, d. h. es wird ein zusätzliches Referenzziel mit bekanntem Radarrückstreuquerschnitt RCS benötigt. Die Unsicherheit, mit der dieser letztgenannte Radarrückstreuquerschnitt RCS bekannt ist, stellt direkt eine Grenze für das Erreichen noch akkuraterer Kalibrierungen dar. Zusätzlich kann es bei Transpondern mit hohem Radarrückstreuquerschnitt RCS und damit einer hohen Verstärkung zu einem ungewollten Aufschwingen kommen, wenn diese in einer Schirmkammer betrieben werden. Hierdurch wird eine akkurate absolute radiometrische Kalibrierung der Transponder in einer Schirmkammer verhindert.
  • In einer dritten Verfahrensvariante erfolgt der Betrieb des Transponders als Radargerät, d. h. mit einem aktiven Sender und Empfänger, mit dem ein Referenzziel mit bekanntem Radarrückstreuquerschnitt RCS in bekannter Entfernung vermessen wird. Ein Problem bei dieser Variante liegt darin, dass neben denselben Problemen, wie bei der vorherigen zweiten Variante, eine Filterung des Hintergrunds im Zeitbereich aufgrund der typischerweise begrenzten Transponderbandbreite nicht in ausreichendem Maße möglich ist.
  • Die Druckschrift: RAAB S., u. a.: „Comparison of Absolute Radiometric Transponder Calibration Strategies” in 10th European Conference an Synthetic Aperture Radar (EUSAR 2014), 3–5 Juni 2014, Seiten 382–385, gibt eine Übersicht über vier verschiedene Kalibrier-Strategien von Radarsystemen.
  • Insgesamt gilt für die genannte Kalibrierung von SAR-Systemen, dass die Messunsicherheit in der Kalibrierung eines Referenz-Transponders einen direkten Einfluss auf die erreichbare radiometrische Genauigkeit der zu kalibrierenden SAR-Systeme hat. Je akkurater das Kalibriernormal ist, desto akkurater kann daraufhin das SAR-System kalibriert werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur absoluten radiometrischen Kalibrierung der Radarrückstreuquerschnitte von drei oder mehr Radarkalibrierzielen anzugeben.
  • Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
  • Die Aufgabe ist mit einem Verfahren zur absoluten radiometrischen Kalibrierung des Radarrückstreuquerschnitts RCSi einer Anzahl N von Radarzielen Ti, mit i = 1, 2, ..., N, und N ≥ 3, gelöst. Das vorgeschlagene Verfahren basiert darauf, dass zumindest ein Radarziel Ti=1 einen Radarsender S1 mit einer Sendeantenne SA1 und einen Radarempfänger E1 mit einer Empfängerantenne EA1 aufweist, wobei der Radarempfänger E1 und der Radarsender S1 unabhängig voneinander arbeiten. Somit ist das Radarziel T1 in einem Radar-Modus betreibbar, bei dem das Radarziel T1 Radarsignale aussenden und unabhängig davon Radarsignale empfangen kann.
  • Das vorgeschlagene Verfahren basiert weiterhin darauf, dass ein zweites Radarziel Ti=2 vorhanden ist, das einen Radarsender S2 mit einer Sendeantenne SA2, einen Radarempfänger E2 mit einer Empfängerantenne EA2, und eine Einheit D2 aufweist, mit der der Radarsender S2 in einem Transponder-Modus TM des Radarziels T2 mit dem Radarempfänger E2 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E2 empfangenes Signal S vom Radarsender S2 (weitestgehend unverzüglich) wieder (aktiv) ausgesandt wird, und mit der der Radarsender S2 in einem Radar-Modus RM des Radarziels T2 nicht mit dem Radarempfänger E2 verbunden ist, so dass der Radarsender S2 und der Radarempfänger E2 unabhängig voneinander arbeiten.
  • Das vorgeschlagene Verfahren basiert weiterhin darauf, dass ein drittes Radarziel Ti=3 vorhanden ist, das einen Radarsender S3 mit einer Sendeantenne SA3, einen Radarempfänger E3 mit einer Empfängerantenne EA3, und eine Einheit D3 aufweist, mit der der Radarsender S3 mit dem Radarempfänger E3 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E3 empfangenes Signal S vom Radarsender S3 wieder ausgesandt wird, oder das Radarziel T3 ein passives Radarziel ist, das ein auftreffendes Signal S reflektiert. Ein passives Radarziel Ti und ein im Transponder-Modus betriebenes Radarziel Ti haben vorliegend gemeinsam, dass sie ein auftreffendes Radarsignal reflektieren (im ersten Fall erfolgt dies passiv, im zweiten Fall aktiv und eventuell zeitlich verzögert).
  • Die vorstehend genannten Eigenschaften der mindestens drei Radarziele Ti sind Minimalforderungen. So können bspw. alle drei der Radarziele Ti derart ausgeführt sein, dass sie sowohl im Radar-Modus als auch im Transponder-Modus betrieben werden können, und somit die Eigenschaften des vorstehend genannten zweiten Radarziels T2 aufweisen.
  • Das vorgeschlagene Verfahren umfasst folgende Schritte.
  • Das Verfahren beginnt mit dem Aussenden eines Signals S durch den Radarsender Sk des Radarziels Tk mit einer Sendeleistung PTk,j an ein anders Radarziel Tj. Das ausgesandte Signal S wird von dem anderen Radarziel Tj empfangen. Dieses Radarziel Tj sendet oder reflektiert das empfangene Signal S zurück an das Radarziel Tk. Das vom Radarziel Tj ausgehende Signal S wird vom Radarempfänger Ek des Radarziels Tk mit der Empfangsleistung PRk,j empfangen, wobei gilt: k, j ∊ {1, 2, ..., N} und k ≠ j. Diese Abläufe werden für die folgenden Ausführungen als „erster Schritt” des Verfahrens zusammengefasst.
  • Weiterhin erfolgt in einem zweiten Schritt ein Ausführen des zuvor als „erster Schritt” definierten Schrittes für N unterschiedliche Paarungen TkTj von Radarzielen Tk und Tj, wobei die Paarungen TkTj und TjTk als identisch gelten. Dabei werden jeweils die Größen: Sendeleistung PTk,j und Empfangsleistung PRk ,j erfasst. Weiterhin werden jeweils die bei der Messung zugrundeliegenden Distanzen Dk,j = |(Pk – Pj)| der Radartransponder Tk und Tj erfasst, bzw. exakt bestimmt.
  • In einem dritten Schritt wird anschließend basierend auf bekannten Distanzen Dk,j der Radartransponder Tk und Tj während der Durchführung des ersten und des zweiten Schrittes, sowie basierend auf ermittelten Verhältnissen von PRk ,j/PTk,j der Radarrückstreuquerschnitte RCSj der Radartransponder Tj basierend auf folgendem Zusammenhang ermittelt:
    Figure DE102014110079B3_0002
    mit GR: Antennengewinn der Empfängerantenne EAk, GT: Antennengewinn der Senderantenne SAk, und λ Wellenlänge des Radarsignals S.
  • Vorteilhaft wird zur Durchführung des „ersten Schrittes” die Hauptstrahlrichtung des Radarsenders Sk exakt auf das Radarziel Tj bzw. dessen Empfangsantenne ausgerichtet. Diese Ausrichtung kann bspw. mittels Laservermessung erfolgen.
  • Die Distanzen Dk,j ergeben sich vorteilhaft aus einer genauen Erfassung der Positionen Pk und Pj der Radarziele Tk und Tj während der Messungen: Dk,j = |(Pk – Pj)|, wobei jeweils vom Phasenzentrum der jeweiligen Antenne aus gemessen wird. Die genaue Erfassung dieser Positionen erfolgt bspw. mittels eines Differential-GPS-Geräts. Vorteilhaft können die Distanzen Dk,j auch mittels eines Laser-Entfernungsmessmittels erfasst werden.
  • Es sei hier angemerkt, dass der Radarrückstreuquerschnitt RCSi nur sinnvoll für ein Fernfeld definiert ist. Basierend auf einer Antennen-Dimension D gilt die Fernfeldbedingung für eine Entfernung Dk,j von
    Figure DE102014110079B3_0003
    wobei λ die Wellenlänge des Signals S ist.
  • Werden als Radarziele bspw. Radartransponder mit zwei Antennen (Sendeantenne, Empfangsantenne) benutzt, deren Antennenapertur jeweils einen Durchmesser von 20 cm aufweisen und die Antennenzuleitungen ca. 40 cm voneinander separiert sind, dann ergibt sich für ein D von 60 cm und eine Wellenlänge λ = 5,6 cm, dass das Fernfeld bei Entfernungen von Dk,j > 13 m beginnt.
  • Sofern N > 3 ist, können die weiteren Radarziele Ti>3 beliebig ausgeführt sein, d. h. sie können passive Radarziele, als Transponder arbeitende Radarziele, als Radar arbeitende Radarziele oder wahlweise im Radar- bzw. Transponder-Modus betreibbare Radarziele sein.
  • Das vorgeschlagene Verfahren erfordert zur Absolut-Kalibrierung bspw. der Radarrückstreuquerschnitte RCSi=1,2,3 dreier gattungsgemäßer Radarziele Ti=1,2,3 somit lediglich die Messung des Verhältnisses PRk,j/PTk,j für drei Radarzielkombinationen, bspw. T1T2, T1T3 und T2T3 bei bekannten Distanzen D1,2, D1,3, und D2,3. Diese Daten werden in ein sich aus der Gleichung (1) ergebendes lineares und leicht lösbares Gleichungssystem mit drei Gleichungen und drei Unbekannten (Radarrückstreuquerschnitte RCSi=1,2,3) eingesetzt.
  • Daraus ergibt sich, dass zur Bestimmung der Radarrückstreuquerschitte von N Radarzielen Ti mindestens N Messungen für N unterschiedliche Paarungen erforderlich sind.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Radarziel T1 eine Einheit D1 aufweist, mit der der Radarsender S1 in einem Transponder-Modus TM des Radarziels T1 mit dem Radarempfänger E1 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E1 empfangenes Signal S vom Radarsender S1 wieder ausgesandt wird, und mit der der Radarsender S1 in einem Radar-Modus RM des Radarziels T1 nicht mit dem Radarempfänger E1 verbunden ist, so dass der Radarempfänger E1 und der Radarsender S1 unabhängig voneinander arbeiten. Mit anderen Worten, ist das Radarziel T1 in dieser Weiterbildung sowohl im Transponder-Modus als auch im Radar-Modus einsetzbar, so dass insgesamt zwei der minimal drei Radarziele Ti in den beiden Modi betrieben werden können, während das dritte Radarziel T3 nur als Transponder betreibbar ist oder ein passives Radarziel darstellt.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Radarziel T3 eine Einheit D3 aufweist, mit der der Radarsender S3 in einem Transponder-Modus TM des Radarziels T3 mit dem Radarempfänger E3 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E3 empfangenes Signal S vom Radarsender S3 wieder ausgesandt wird, und mit der der Radarsender S3 in einem Radar-Modus RM des Radarziels T3 nicht mit dem Radarempfänger E3 verbunden ist, so dass der Radarempfänger E3 und der Radarsender S3 unabhängig voneinander arbeiten. Diese Verfahrensvariante schließt zusammen mit der vorstehenden Weiterbildung die Kombination ein, dass alle drei Radarziel Ti in beiden Modi (Transponder-Modus bzw. Radar-Modus) betreibbar sind.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das gesamte Verfahren, d. h. der erste bis dritte Schritt, für unterschiedliche Sendefrequenzen f der Radarsender Si bzw. des Signals S durchgeführt werden, wobei im Ergebnis die Radarrückstreuquerschnitte RCSj der Radarziele Tj als frequenzabhängiger Radarrückstreuquerschnitte RCSj(f) ermittelt werden. Somit ergeben sich als Verfahrensergebnis absolut kalibrierte frequenzabhängiger Radarrückstreuquerschnitte RCSj(f).
  • Weiterhin vorteilhaft wird das gesamte Verfahren, d. h. der erste bis dritte Schritt, für jede Paarung TkTj für unterschiedliche Distanzen Dk,j der Radarziele Tk und Tj durchgeführt, wobei die dabei gemessenen distanzabhängigen Verhältnisse (PRk,j/PTk,j)(Dk,j) zur Korrektur von Mehrwegeeffekten bei der Ermittlung der Radarrückstreuquerschnitte RCSi genutzt werden. Störungen oder Ungenauigkeiten durch eine Mehrwegeausbreitung der Signale S oder durch stehende Wellen können dadurch zu großen Teilen kompensiert werden, was letztlich die Genauigkeit der ermittelten Radarrückstreuquerschnitte RCSi verbessert.
  • Weiterhin vorteilhaft wird das gesamte Verfahren, d. h. der erste bis dritte Schritt, für unterschiedliche Polarisationen P des Signals S durchgeführt, wobei im Ergebnis die Radarrückstreuquerschnitte RCSj der Radarziele Ti als von der Polarisation P abhängige Radarrückstreuquerschnitte RCSj(P) ermittelt werden.
  • Vorteilhaft wird das gesamte Verfahren (erster bis dritter Schritt) q-fach wiederholt ausgeführt, wobei die Radarrückstreuquerschnitte RCSi als Mittelwerte <RCSi>q ermittelt werden, mit q ∊ {2, 3, 4 ...}. Weiterhin vorteilhaft wird nur der „erste Schritt” für eine Paarung von Radarzielen Tk und Tj q-fach wiederholt ausgeführt, wobei die dabei gemessenen Sendeleistungen PTk,j und Empfangsleistungen PRk,j gemittelt werden, und die dabei erzeugten Mittelwerte: <PTk,j>q und <PRk,j>q zur Ermittlung des Verhältnisses PTk,j/PTk,j = <PRj,k>q/<PTk,j>q und entsprechend zur Ermittlung des Radarrückstreuquerschnitte RCSj verwendet werden.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Einheiten Di im Transponder-Modus des Radarziels Tj vom Radarempfänger Ej empfangene Signale S verstärken und/oder filtern und/oder zeitverzögern, bevor diese an den Radarsender Sj zur Aussendung weitergeleitet werden. Insbesondere durch eine zeitverzögerte Aussendung können störende Effekte von Mehrwegesignalen und weitere umgebungsabhängige Effekte wie ein Aufschwingen weitestgehend ausgeschlossen werden.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Abstände Dk,j der Radarziele Tk und Tj voneinander folgender Bedingung genügen: Dk,j > (2·D2)/λ (2) mit D: Antennendurchmesser der Sendeantenne SAi und λ: Wellenlänge des Signals S. Dies entspricht der bereits angesprochenen Fernfeldbedingung.
  • Vorteilhaft werden die Sendeantenne SAk des Radarziels Tk und die Empfangsantenne EAj des Radarziels Tj kopolar ausgerichtet.
  • Die mindestens drei Messungen von Sendeleistungen PTk,j und Empfangsleistungen PRk,j erlauben das Aufstellen eines Gleichungssystems, aus dem der Radarrückstreuquerschnitt RCS jedes Radarziels Ti eindeutig berechnet werden kann, sofern der Abstand Dk,j zwischen den Radarzielen Tk und Tj hinreichend genau bekannt ist.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren ist hierfür kein zusätzliches Radarziel mit bekanntem Rückstreuquerschnitt notwendig, so dass höhere Kalibriergenauigkeiten möglich werden. Außerdem werden die Radarziele Ti in ihrer endgültigen Konfigurationen (als Black Box) vermessen, d. h. Kabelverbindungen und entsprechende interne Schnittstellen müssen nach der Vermessung nicht noch einmal verändert werden, was den Radarrückstreuquerschnitt RCS nachträglich verfälschen würde. Zusätzlich erlauben Radarziele Ti, die als Transponder mit einer digitalen Verzögerung arbeiten, das Senden und Empfangen von Signalen zeitlich zu entkoppeln. Hierdurch wird ein Aufschwingen, wie es bei bisherigen Messungen von Transpondern in einer Schirmkammer geschehen kann, verhindert. Ein weiterer Vorteil ist, dass zur Durchführung der Messungen kein zusätzliches Hochfrequenzmessequipment, wie bspw. ein Netzwerkkanalanalysator notwendig ist. Hierdurch werden nicht nur Kosten eingespart, sondern es wird auch deren zusätzliche Messunsicherheit vermieden. Schließlich beschränkt sich die Rückführbarkeit der vorgeschlagenen RCS-Kalibrierung auf Standards für eine vergleichsweise einfache Längenmessung, während bisher der Radarrückstreuquerschnitt RCS entweder durch einen Umweg über ein weiteres kalibriertes Referenzziel bzw. durch Vermessung der Einzelkomponenten eines jeweiligen Radarziels ermittelt wurde. Somit ist mit dem vorliegenden Verfahren eine einfache Rückführbarkeit der Kalibrierung auf unterschiedliche Standards möglich.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist weiterhin gelöst durch ein Computersystem mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Verfahren, wie vorstehend ausgeführt, auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.
  • Zudem wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, wobei die Steuersignale so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass ein Verfahren, wie vorstehend ausgeführt, ausgeführt wird.
  • Ferner wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Computer-Programm-Produkt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens, wie vorstehend ausgeführt, wenn der Programmcode auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird.
  • Schließlich betrifft die Erfindung ein Computer-Programm mit Programmcodes zur Durchführung des Verfahrens, wie vorstehend ausgeführt, wenn das Programm auf einer Datenverarbeitungsvorrichtung abläuft. Dazu kann die Datenverarbeitungsvorrichtung als ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Computersystem ausgestaltet sein.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematisierte und exemplarische Darstellung eines Radarziels, das nur als Radar betrieben wird, und eines Radarziels, das vorliegend im Transponder-Modus betrieben wird und das zwischen dem Transponder-Modus und Radar-Modus umschaltbar ist, und
  • 2 einen schematisierten Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Verfahrens.
  • Es wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens ausführlich beschrieben, bei dem die Radarrückstreuquerschnitte RCS1, RCS2, und RCS3 für drei Radarziele T1, T2, und T3 absolut kalibriert werden. Zwei der drei Radarziele, nämlich T1 und T2 können sowohl im Radar-Modus als auch im Transponder-Modus betrieben werden, d. h. sie weisen eine Einheit auf, die zwischen diesen beiden Modi umschalten kann. Das Radarziel T3 kann vorliegend nur als Radar betrieben werden, d. h. das Empfangen und Aussenden von Radarsignalen S erfolgt unabhängig voneinander.
  • In 1 sind schematisiert und exemplarisch ein Radarziel 201, das nur als Radar betrieben wird und ein Radarziel 220 dargestellt, das vorliegend im Transponder-Modus betrieben wird, und das zwischen Transponder-Modus und Radar-Modus umschaltbar ist.
  • Das Radarziel 201 umfasst einen Radarsender 202 mit einem Verstärker 204 (der im digitalen Bereich arbeitet), einem Digital-Analog-Wandler 205 und einer Sendeeinheit 206 mit einer Sendeantenne 207. Dem Radarsender 202 wird am Verstärker 204 ein Signal bereitgestellt, dass letztlich über die Sendeantenne 207 als Signal S abgestrahlt wird. Das Radarziel 201 umfasst weiterhin einen Radarempfänger 203 mit einer Empfangsantenne 210, einem Verstärker 209 und einem Analog-Digital-Wandler 208. Ein von dem Radarempfänger empfangenes Signal S gelangt von der Empfangsantenne 210 über den dargestellten Signalweg zum Analog-Digital-Wandler und wird dort zur Weiterbearbeitung bereitgestellt. Leicht erkennbar ist, dass der Radarsender 202 nicht mit dem Radarempfänger 203 verbunden ist, d. h. ein vom Radarempfänger 203 empfangenes Signal S wird nicht an den Radarsender 202 zur Aussendung bereitgestellt.
  • Das Radarziel 220 umfasst einen Radarsender 222 mit einem Verstärker 225 (der im digitalen Bereich arbeitet), einem Digital-Analog-Wandler 224 und einer Sendeeinheit 223 mit einer Sendeantenne 226. Das Radarziel 220 umfasst weiterhin einen Radarempfänger 221 mit einer Empfangsantenne 227, einem Verstärker 228 und einem Analog-Digital-Wandler 229. Weiterhin umfasst das Radarziel 220 eine Einheit 230, mit der der Radarsender 222 in dem dargestellten Transponder-Modus TM des Radarziels 220 mit dem Radarempfänger 221 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger 221 empfangenes Signal S vom Radarsender 222 wieder ausgesandt wird, und mit der der Radarsender 222 in einem Radar-Modus RM (nicht dargestellt) des Radarziels 220 nicht mit dem Radarempfänger 221 verbunden ist, so dass der Radarsender 222 und der Radarempfänger 221 unabhängig voneinander, d. h. als Radar arbeiten.
  • Die vorliegenden drei Radarziele des Ausführungsbeispiels entsprechen jeweils im grundsätzlichen Aufbau den vorstehend allgemein vorgestellten Radarzielen 201 und 220.
  • Zur absoluten radiometrischen Kalibrierung des Radarrückstreuquerschnittes RCSi=1,2,3 der vorstehend definierten Radarziele Ti, mit i = 1, 2, 3, werden für folgende Paarungen: T3T1, T3T2 und T1T2 nachfolgend beschriebene Messungen ausgeführt, wobei in den ersten beiden Paarungen: T3T1, T3T2 die Radarziele T1 und T2 im Transponder-Modus betrieben werden, so dass das Radarziel T3 jeweils Signale S an die Radarziele T1 bzw. T2 aussendet und die von dort zurückkommenden jeweils Signale erfasst. Bei der Paarung T1T2 muss eines der beiden Radarziele T1 oder T2 im Radar-Modus und das jeweils andere im Transponder-Modus arbeiten. Vorliegen sei angenommen, dass T1 im Radar-Modus und T2 im Transponder-Modus arbeitet.
  • Für jede dieser Paarungen erfolgt ein Aussenden eines Signals S durch den Radarsender Sk eines der Radarziele Tk mit einer Sendeleistung PTk,j, ein Empfangen des Signals S durch das jeweils andere Radarziel Tj der Paarungen, ein Aussenden des empfangenen Signals S durch das andere Radarziel Tj, und ein Empfangen des von dem Radarziel Tj ausgehenden Signals S durch den Radarempfänger Ek des Radarziels Tk mit der Empfangsleistung PRk,j mit k, j ∊ {1, 2, ..., N} und k ≠ j.
  • Die Messungen werden jeweils bei einer gleichen Frequenz des Signals S ausgeführt, bspw. unter Nutzung eines Sinussignals. Die Messungen werden anschließend bevorzugt für schrittweise geänderte Frequenzen f des Signals S wiederholt, um den frequenzabhängigen Radarrückstreuquerschnitt RCSi(f) zu ermitteln.
  • Für jede Messung wird also die Sendeleistung PTk,j und die Empfangsleistung PRk,j am jeweils als Radar betriebenen Radarziel Tk gemessen. Insgesamt liegen nach den Messungen also folgende Sendeleistungen: PTk=3,j=1, PTk=3,j=2 und PTk=1,j=2 sowie folgende Empfangsleistungen PRk=3,j=1, PRk=3,j=2 und PRk=1,j=2 vor. Weiterhin wird für jede Paarung die bei der Messung zwischen den jeweiligen Radarzielen Tk und Tj vorliegende Distanz Dk,j mittels Laserentfernungsmessung ermittelt.
  • Im Weiteren erfolgt basierend auf bekannten Distanzen Dk,j der Radartransponder Tk und Tj während der Messungen, und ermittelten Verhältnissen PRk,j/PTk,j:PRk=3,j=1/PTk=3,j=1, PRk=3,j=2/PTk=3,j=2 und PRk=1,j=2/PTk=1,j=2, ein Ermitteln der Radarrückstreuquerschnitte RCSi der Radartransponder Ti basierend auf der Radargleichung:
    Figure DE102014110079B3_0004
    mit GR: Antennengewinn der Empfängerantenne EAj, GT: Antennengewinn der Senderantenne SAj, und λ Wellenlänge des Radarsignals.
  • Diese Gleichung (1) beschreibt die von einem Radarziel Tk empfangene Empfangsleistung PRk,j mit einem Antennengewinn GR der Empfangsantenne EAk als eine Funktion des Radarrückstreuquerschnitts RCSj des Radarziels Tj in einer Distanz/Entfernung Dk,j, und der Sendeleistung PTk,j des Radarsenders Sk mit einer Sendeantenne SAk, die einen Antennengewinn Gt aufweist, für eine Wellenlänge λ des ausgesandten Signals S.
  • Der Radarrückstreuquerschnitt RCSj kann auch durch den Gesamtgewinn Gl (engl. „loop gain”) des Radarziels Tj ausgedrückt werden. Dabei ergibt sich:
    Figure DE102014110079B3_0005
    wobei sich der „loop-gain” typischerweise wie folgt darstellen lässt: Gl = Gs·Ge·Gr, d. h. als Produkt des Antennengewinns Gs der Sendeantenne SAj des Radarziels Tj, des Antennengewinns Gr der Empfangsantenne EAj des Radarziel Tj, und des Gewinns Ge der elektronischen Verstärkung des empfangenen Signals im Radarziel Tj.
  • Aus den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich:
    Figure DE102014110079B3_0006
    wobei Gtx und Grx die Gewinne des Sendepfads bzw. des Empfangspfads im Radarziel Tj, d. h. eine Kombination von Antennengewinn und Gewinn durch elektronische Verstärkung in den jeweiligen Pfaden sind. Der Sendepfad bzw. der Empfangspfad ist bezogen auf 1 gegeben durch den Signalpfad im Radarempfänger 221 bspw. im Radarsender 222.
  • Die Gleichungen (2) und (3) können zu einer Gleichung kombiniert werden. Dabei wird wie vorstehen erläutert unterstellt, dass das Radarziel Tk als Radar, und das Radarziel Tj als Radartransponder betrieben werden. Dabei ergibt sich:
    Figure DE102014110079B3_0007
  • Für die insgesamt drei vorgeschlagenen Paarungen ergeben sich somit drei Gleichungen.
  • Diese Gleichungen können durch eine logarithmische Transformation immer in ein lineares Gleichungssystem transformiert werden. Dies ist deshalb möglich, da alle Ausdrücke größer als Null sind.
  • Zur Vereinfachung werden nachfolgend dieselben Symbole für den Radarrückstreuquerschnitt RCS, verwendet, allerdings wird darauf hingewiesen, dass sie sich nach der logarithmischen Transformation: 10 log(...) nunmehr auf Werte beziehen, die in Dezibel angegeben sind.
  • Die Gleichung (5) kann demnach wie folgt ausgedrückt werden: RCSk + RCSj = Pk,j – C (6) mit Pk,j: Verhältnis 10log(PRk,j/PTk,j) bei dem das Radarziel Tk als Radar fungiert und das Radarziel Tj als Transponder, wobei letzteres vermessen wird.
  • Für C ergibt sich: C = –20log(4πDk,j 2) (7).
  • Es wird darauf hingewiesen, dass in Gleichung (7) lediglich eine Längenmessung (Dk,j) zu einem nationalen Standard rückverfolgt werden muss, um die Kalibrierung rückführbar zu machen.
  • Das lineare Gleichungssystem kann in Matrixform wie folgt geschrieben werden:
    Figure DE102014110079B3_0008
  • Eine Invertierung desselben ergibt:
    Figure DE102014110079B3_0009
  • 2 zeigt einen stark schematisierten Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Verfahrens zur radiometrischen Kalibrierung des Radarrückstreuquerschnitts RCSi einer Anzahl N von Radarzielen Ti, mit i = 1, 2, ..., N, und N ≥ 3, wobei zumindest ein Radarziel T1 einen Radarsender S1 mit einer Sendeantenne SA1 und einen Radarempfänger E1 mit einer Empfängerantenne EA1 aufweist, wobei der Radarempfänger E1 und der Radarsender S1 unabhängig voneinander arbeiten, ein Radarziel T2 einen Radarsender S2 mit einer Sendeantenne SA2, einen Radarempfänger E2 mit einer Empfängerantenne EA2, und eine Einheit D2 aufweist, mit der der Radarsender S2 in einem Transponder-Modus TM des Radarziels T2 mit dem Radarempfänger E2 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E2 empfangenes Signal S vom Radarsender S2 wieder ausgesandt wird, und mit der der Radarsender S2 in einem Radar-Modus RM des Radarziels T2 nicht mit dem Radarempfänger E2 verbunden ist, so dass der Radarsender S2 und der Radarempfänger E2 unabhängig voneinander arbeiten, und ein Radarziel T3 einen Radarsender S3 mit einer Sendeantenne SA3, einen Radarempfänger E3 mit einer Empfängerantenne EA3, und eine Einheit D3 aufweist, mit der der Radarsender S3 mit dem Radarempfänger E3 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E3 empfangenes Signal S vom Radarsender S3 wieder ausgesandt wird, oder das Radarziel T3 ein passives Radarziel ist, das ein auftreffendes Signal S reflektiert. Das Verfahren umfasst folgende Schritte.
  • In einem ersten Schritt 101 erfolgt ein Aussenden eines Signals S durch den Radarsender Sk eines der Radarziele Tk mit einer Sendeleistung PTk,j, ein Empfangen des Signals S durch einen anderes der Radarziele Tj, ein Aussenden oder Reflektieren des empfangenen Signals S durch das andere Radarziel Tj, und ein Empfangen des von dem Radarziel Tj ausgehenden Signals S durch den Radarempfänger Ek des Radarziels Tk mit der Empfangsleistung PRj,k mit k, j ∊ {1, 2, ..., N} und k ≠ j.
  • In einem zweiten Schritt 102 erfolgt ein Ausführen des Schrittes 101 für N unterschiedliche Paarungen TkTj von Radarzielen Tk und Tj, wobei die Paarungen TkTj und TjTk als identisch gelten.
  • In einem dritten Schritt 103 erfolgt basierend auf bekannten Distanzen Dk,j der Radartransponder Tk und Tj bei der Durchführung der Schritte 101 und 102 und ermittelten Verhältnissen PRj,k/PTk,j, ein Ermitteln der Radarrückstreuquerschnitte RCSi der Radartransponder Ti basierend auf folgendem Zusammenhang:
    Figure DE102014110079B3_0010
    mit GR: Antennengewinn der Empfängerantenne EAk, GT: Antennengewinn der Senderantenne SAk, und λ Wellenlänge des Radarsignals.

Claims (10)

  1. Verfahren zur radiometrischen Kalibrierung des Radarrückstreuquerschnitts RCSi einer Anzahl N von Radarzielen Ti, mit i = 1, 2, ..., N, und N ≥ 3, wobei zumindest – ein Radarziel T1 einen Radarsender S1 mit einer Sendeantenne SA1 und einen Radarempfänger E1 mit einer Empfängerantenne EA1 aufweist, wobei der Radarempfänger E1 und der Radarsender S1 unabhängig voneinander arbeiten, – ein Radarziel T2 einen Radarsender S2 mit einer Sendeantenne SA2, einen Radarempfänger E2 mit einer Empfängerantenne EA2, und eine Einheit D2 aufweist, mit der der Radarsender S2 in einem Transponder-Modus TM des Radarziels T2 mit dem Radarempfänger E2 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E2 empfangenes Signal S vom Radarsender S2 wieder ausgesandt wird, und mit der der Radarsender S2 in einem Radar-Modus RM des Radarziels T2 nicht mit dem Radarempfänger E2 verbunden ist, so dass der Radarsender S2 und der Radarempfänger E2 unabhängig voneinander arbeiten, und – ein Radarziel T3 einen Radarsender S3 mit einer Sendeantenne SA3, einen Radarempfänger E3 mit einer Empfängerantenne EA3, und eine Einheit D3 aufweist, mit der der Radarsender S3 mit dem Radarempfänger E3 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E3 empfangenes Signal S vom Radarsender S3 wieder ausgesandt wird, oder das Radarziel T3 ein passives Radarziel ist, das ein auftreffendes Signal S reflektiert, mit folgenden Schritten: 1.1. Aussenden eines Signals S durch den Radarsender Sk eines der Radarziele Tk mit einer Sendeleistung PTk,j, Empfangen des Signals S durch einen anderes der Radarziele Tj, Aussenden oder Reflektieren des empfangenen Signals S durch das andere Radarziel Tj, und Empfangen des von dem Radarziel Tj ausgehenden Signals S durch den Radarempfänger Ek des Radarziels Tk mit der Empfangsleistung PRk,j, mit k, j ∊ {1, 2, ..., N} und k ≠ j, 1.2. Ausführen des Schrittes 1.1. für N unterschiedliche Paarungen TkTj von Radarzielen Tk und Tj, wobei die Paarungen TkTj und TjTk als identisch gelten, 1.3. basierend auf bekannten Distanzen Dk,j der Radartransponder Tk und Tj bei der Durchführung der Schritte 1.1. und 1.2 und ermittelten Verhältnissen PRk,j/PTk,j, Ermitteln der Radarrückstreuquerschnitte RCSi der Radartransponder Ti basierend auf folgendem Zusammenhang:
    Figure DE102014110079B3_0011
    mit GR: Antennengewinn der Empfängerantenne EAk, GT: Antennengewinn der Senderantenne SAk, und λ Wellenlänge des Radarsignals.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Radarziel T1 eine Einheit D1 aufweist, mit der der Radarsender S1 in einem Transponder-Modus TM des Radarziels T1 mit dem Radarempfänger E1 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E1 empfangenes Signal S vom Radarsender S1 wieder ausgesandt wird, und mit der der Radarsender S1 in einem Radar-Modus RM des Radarziels T1 nicht mit dem Radarempfänger E1 verbunden ist, so dass der Radarempfänger E1 und der Radarsender S1 unabhängig voneinander arbeiten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Radarziel T3 eine Einheit D3 aufweist, mit der der Radarsender S3 in einem Transponder-Modus TM des Radarziels T3 mit dem Radarempfänger E3 verbunden ist, so dass ein von dem Radarempfänger E3 empfangenes Signal S vom Radarsender S3 wieder ausgesandt wird, und mit der der Radarsender S3 in einem Radar-Modus RM des Radarziels T3 nicht mit dem Radarempfänger E3 verbunden ist, so dass der Radarempfänger E3 und der Radarsender S3 unabhängig voneinander arbeiten.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Schritte 1.1. bis 1.3. für unterschiedliche Sendefrequenzen f der Radarsender Si durchgeführt werden, wobei die Radarrückstreuquerschnitte RCSj der Radarziele Tj als frequenzabhängige Radarrückstreuquerschnitte RCSj(f) ermittelt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Schritte 1.1. bis 1.3. für jede Paarung TkTj für unterschiedliche Distanzen Dk,j der Radarziele Tk und Tj durchgeführt werden, wobei die dabei gemessenen distanzabhängigen Verhältnisse (PRk,j/PTk,j)(Dk,j) zur Korrektur von Mehrwegeeffekten bei der Ermittlung der Radarrückstreuquerschnitte RCSi genutzt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Schritte 1.1. bis 1.3. für unterschiedliche Polarisationen P des Signals S durchgeführt werden, wobei die Radarrückstreuquerschnitte RCSj der Radarziele Tj als von der Polarisation P abhängige Radarrückstreuquerschnitte RCSj(P) ermittelt werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Schritte 1.1. bis 1.3. q-fach wiederholt ausgeführt werden und die Radarrückstreuquerschnitte RCSi als Mittelwerte <RCSi>q ermittelt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Einheiten Di im Transponder-Modus TM des Radarziels Ti vom Radarempfänger Ei empfangene Signale S verstärken und/oder filtern und/oder zeitverzögern, bevor diese an den Radarsender Si weitergeleitet werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Abstände Dk,j der Radarziele Tk und Tj voneinander folgender Bedingung genügen: Dk,j > (2·D2)/λ (2) mit D: Antennendurchmesser der Sendeantenne SAi λ: Wellenlänge des Signals S
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Sendeantenne SAk des Radarziels Tk und die Empfangsantenne EAj des Radarziels Tj kopolar ausgerichtet sind.
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