DE10239969B3 - Verfahren zur Erzeugung einer Clutter-Schwelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Erzeugung einer Clutter-Schwelle mittels CFAR-Schaltungen. Dabei werden die dort vorhandenen Teilregister in Speicherblöcke unterteilt und zu jedem Speicherblock eine Blocksumme aus den dort gespeicherten Abtastwerten gebildet. Die Blocksummen, die zu den der Zelle unter Test benachbarten Speicherblöcken gehören, werden durch eine Maximumbildung modifiziert. Zur Bildung der Clutter-Schwelle für ein Signal unter Test werden die Blocksummen nach einem vorgebbaren Schema paarweise verglichen, wobei jeweils die größere Blocksumme ermittelt wird. Von diesen wird die kleinste Blocksumme (Minimum) ausgewählt und daraus mit einer vorgebbaren Wichtung die Clutter-Schwelle ermittelt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Clutter-Schwelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Die Erfindung ist insbesondere in der Radartechnologie anwendbar. Dabei werden die empfangenen Echosignale, die sowohl Ziel- als auch Clutterechos enthalten, zunächst in den Videobereich umgesetzt (gemischt) und digitalisiert. Das Videosignal, das beispielsweise eine Bandbreite bis zu ungefähr 20 MHz besitzen kann, liegt also in Form einer Folge von Abtastwerten vor, die von einem Analog/Digital-Wandler erzeugt werden. Zur Detektion eines (Radar-)Zieles wird im allgemeinen eine Clutter-Schwelle vennrendet. Diese ist ein (Betrags-)Schwellwert für das (Betrags-)Videosignal. Für die Detektion eines Zieles werden lediglich diejenigen Abtastwerte verwendet, die größer als die Clutter-Schwelle sind. Zu deren Erzeugung werden vorzugsweise sogenannte CFAR-Schaltungen ("Constant False Alarm Rate") verwendet, da damit eine adaptive Clutter-Schwelle herstellbar ist. Diese ist erforderlich, wenn eine zeitliche und/oder räumliche Änderung des Clutters vorhanden ist, beispielsweise bei vom Wetter abhängigen Clutter, z.B. sich zeitlich und/oder räumlich ändernden Wolkenformationen innerhalb eines von dem Radar erfassten Überwachungsgebiets.
• Eine solche CAFAR-Schaltung ist in der EP 784 212 A2 beschrieben und in der 1 dargestellt. Von dieser geht die vorliegende Erfindung im wesentlichen aus. Sie umfasst ein Schieberegister mit vorgebbarer Anzahl von Speicherzellen und einem Eingang E, an welchem die Abtastwerte anliegen. Das Schieberegister besteht aus Teilregistern S1, S2, zwischen denen sich die sogenannte Zelle unter Test ZUT befindet. Die Teilregister S1, S2 sind in Speicherblöcke L unterteilt. Dabei hat jedes Teilregister S1, S2 dieselbe Anzahl von Speicherblöcken. Jeder Speicherblock L enthält eine vorgebbare Anzahl von Speicherzellen. Vorzugsweise haben alle Speicherblöcke jeweils dieselbe Anzahl von Speicherzellen, die Speicherblöcke sind also gleich groß (lang). Jedem Speicherblock L ist nun ein Summmierglied SU1L, SU2L zugeordnet. In diesen werden jeweils die in den Speicherzellen eines Speicherblocks L enthaltenen Abtastwerte aufsummiert. Es entstehen sogenannte Blocksummen. Diese werden nun paarweise miteinander verglichen im zugehörigen Maximumdetektor M. Bei diesem Vergleich wird in dem Maximumdetektor M die jeweils größere Blocksumme ermittelt und diese an einen Minimumdetektor MIN weitergeleitet.
• Bei diesem paarweisen Vergleich der Blocksummen werden, wie dargestellt, aus den Teilregistern S1, S2 immer die jeweils gleichen Speicherblöcke ausgewählt und von deren Blocksummen die jeweils größere (Maximum) in dem zugehörigen Maximumdetektor M ermittelt. Es wird also die erste Blocksumme (dem Eingang E benachbart) des ersten Teilregisters S1 mit der ersten Blocksumme (der Zelle unter Test ZUT benachbart) des zweiten Teilregisters S2 verglichen. Die zweite Blocksumme des ersten Teilregisters S1 wird mit der zweiten Blocksumme des zweiten Teilregisters S2 verglichen, und so weiter. Das heißt, die letzte Blocksumme (der Zelle unter Test ZUT benachbart) des ersten Teilregisters S1 wird mit der letzten Blocksumme des zweiten Teilregisters S2 verglichen. Dieser Vergleich erfolgt vorzugsweise, aber nicht notwendig, gleichzeitig. Die Anzahl der in den Maximumdetektoren M entstehenden Maximalwerte ist gleich der Hälfte der Anzahl der Speicherblöcke L.
• In dem Minimumdetektor MIN wird nun aus allen Maximalwerten der kleinste Maximalwert (Minimum) ausgewählt und an eine Teilerschaltung DL weitergeleitet. Dort erfolgt eine Division des Minimums durch die Anzahl der in einem Speicherblock L enthaltenen Speicherzellen oder einem diesen zugeordneten vorgebbaren Wert. Das Ergebnis wird an den Multiplikator K weitergeleitet und dort mit einem vorgebbaren Faktor k multipliziert, so dass die Clutter-Schwelle CS entsteht. In dem Komparator KO wird dann der aus der Zelle unter Test ZUT stammende Signalwert unter Test SUT mit der Clutter-Schwelle verglichen. Am Ausgang A des Komparators KO werden lediglich diejenigen Abtastwerte ausgegeben, die größer als die Clutter-Schwelle CS sind.
• Bei der CFAR-Anordnung gemäß der EP 784 212 A2 wird gegenüber vergleichbaren Verfahren ein erheblich verringerter Realisierungsaufwand benötigt. Denn von einer Schwellwert-Berechnung zur nächsten verlässt immer ein ganzer Block von Abtastwerten das CFAR-Fenster an der Stelle OUT. Dafür rückt am Eingang E immer ein ganzer Block neuer Abtastwerte in das CFAR-Fenster nach. Das heißt, die Ermittlung des Schwellwertes CS erfolgt immer blockweise und der Schwellwert CS wird für die Anzahl der Abtastwerte (Speicherzellen) innerhalb eines Speicherblockes L konstant gehalten.
• Ein weiteres wichtiges Kriterium einer CFAR-Schaltung ist die Fähigkeit, auch bei zeitlich und/oder räumlich abrupten Änderungen der Clutter-Verteilungen, wie sie z.B. bei einem an sich wolkenlosen Himmel mit einer sich aufbauenden Gewitterfront (gut reflektierende Cumuluswolken) gegeben ist, verlässliche Ergebnisse zu liefern. Das bedeutet, die berechnete Clutterschwelle sollte mit nur geringem Zeitversatz der aktuellen Clutter-Situation folgen. Aufgrund der blockweisen Verarbeitung gemäß der EP 784 212 A2 erfolgt die Schwellwert-Berechnung nicht auf der Ebene der Speicherzellen, sondern auf der Ebene der Speicherblöcke. Enthält ein Speicherblock l Speicherzellen, so wird entsprechend nur für jeden l-ten Wert ein Schwellwert berechnet. Dieser berechnete Schwellwert wird dann für 1 Werte festgehalten. Bei dieser Art von Schwellwertbildung können ungünstige Konstellationen auftreten, z.B. kann der berechnete Schwellwert einer abrupten Clutter-Änderung quasi ohne Zeitversatz für die Stelle des berechneten Wertes folgen, nicht jedoch für einen der l nachfolgenden Werte, über die der berechnete Schwellwert konstant gehalten wird. Dies kann zu Falschalarmen führen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, das in der EP 784 212 A2 beschriebene Verfahren hinsichtlich seiner Fähigkeit, sich an das aktuell gegebene Clutter-Szenario anzuschmiegen, weiter zu verbessern. Das Verfahren soll einem Cluttersprung quasi ohne Zeitversatz folgen können ohne den benötigten Rechenaufwand wesentlich zu erhöhen.
• Dieses Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
• Die erfindungsgemäße Verfahren modifiziert das aus der EP 784 212 A2 bekannte Verfahren, in dem vor dem paarweisen Vergleich der Blocksummen die beiden Blocksummen, welche zu den beiden letzten Speicherblöcken des ersten Teilregisters gehören, für die weitere Bearbeitung durch das Maximum aus diesen beiden Blocksummen ersetzt werden.
• Analog werden die beiden Blocksummen, die zu den beiden ersten Speicherblöcken des zweiten Teilregisters gehören, für die weitere Verarbeitung durch das Maximum aus diesen beiden Blocksummen ersetzt.
• Die zu den übrigen Speicherblöcken gehörigen Blocksummen werden nicht geändert.
• Mit den so modifizierten Blocksummen sowie den zu den übrigen Speicherblöcken gehörenden Blocksummen erfolgt dann die weitere Verarbeitung wie in der EP 784 212 A2 beschrieben durch paarweisen Vergleich der Blocksummen verschiedener Teilregister, wobei jeweils die größere Blocksumme ermittelt wird. Anschließend wird aus der Menge der größeren Blocksummen das Minimum ermittelt und nach Normierung als Clutter-Schwelle ausgegeben.
• Die Zelle unter Test wird gemäß der Erfindung durch die letzte Speicherzelle des letzten Speicherblocks des ersten Teilregisters oder durch die erste Speicherzelle des ersten Speicherblocks des zweiten Teilregisters gebildet. Die Zelle unter Test ist also – anders als bei der EP 784 212 , wo die Zelle unter Test zwischen den Teilregistern angeordnet ist – Teil eines Speicherblocks, so dass die blockweise Gliederung des Schieberegister durch sie nicht unterbrochen wird. Dies ist wichtig, damit aufgrund der blockweisen Verarbeitung der in den Speicherzellen abgelegten Abtastda ten die einmal gebildeten Blocksummenwerte im nächsten Verarbeitungsschritt nicht neu berechnet sondern einfach weitergeschoben werden können.
• Mit der erfindungsgemäßen Maximumbildung werden die Summenwerte an exakt zwei Stellen Test innerhalb des CFAR-Fensters, und zwar in unmittelbarer Umgebung zur Zelle unter Test, erhöht. Dies löst die angesprochene Problematik kritischer Clutter-Szenarien mit steilem Clutter-Anstieg oder Clutter-Abfall. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es abrupten Cluttersprüngen quasi ohne Zeitversatz folgen kann. Der zusätzliche Rechenaufwand gegenüber dem Verfahren der EP 784 212 A2 bleibt dabei gering. Das Verfahren liefert eine Clutter-Schwelle hoher Güte.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen
• 1 ein bekanntes CFAR-Verfahren nach der EP 784 212 A2 , von dem die Erfindung ausgeht,
• 2 und 3 jeweils Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• In der erfindungsgemäßen Ausführung entsprechend 2 sind die Teilregister S1, S2 in Speicherblöcke L unterteilt. Dabei hat jedes Teilregister S1, S2 dieselbe Anzahl von Speicherblöcken. Jeder Speicherblock L enthält eine vorgebbare Anzahl von Speicherzellen. Vorzugsweise haben alle Speicherblöcke jeweils dieselbe Anzahl von Speicherzellen, die Speicherblöcke sind also gleich groß (lang). Die Anzahl der Speicherzellen pro Speicherblock sowie die Gesamtzahl der Speicherblöcke in den Teilregistern S1,S2 wird abhängig von der Größe der Radarauflösungszelle und von der Größe der zu detektierenden Ziele gewählt. Die Anzahl der Speicherzellen pro Speicherblock ist bevorzugt größer als zwei, in besonders vorteilhaften Ausführungen werden 3 oder vier Speicherzellen pro Speicherblock gewählt.
• Die Zelle unter Test ist nicht zwischen den beiden Teilregistern S1, S2 angeordnet, sondern bildet die letzte Speicherzelle des letzten Blocks des ersten Teilregisters S1 oder die erste Speicherzelle des ersten Speicherblocks des zweiten Teilregisters S2. Die Zelle unter Test ZUT ist also in einen der Speicherblöcke L integriert, so dass die blockweise Gliederung des Schieberegisters durch sie nicht unterbrochen wird.
• Der Verfahrensablauf bis zur Erzeugung der Blocksummen mittels der Summierglieder SU1 L, SU2L entspricht dem bekannten Verfahren nach 1. Zu jedem Speicherblock L entsteht so eine zugehörige Blocksumme.
• Speziell für die beiden Blocksummen S_₂, S_–1, die den beiden Speicherblöcken L unmittelbar vor der Zelle unter Test ZUT zugeordnet sind, erfolgt erfindungsgemäß eine zusätzliche Maxima-Bildung in dem Maxima-Detektor MA. Die Blocksummen S_₂, S_–1 werden für die weitere Bearbeitung durch die nach folgender Regel gebildete Größe S_A ersetzt: SA = max(S_2; S–1).
• Analog werden die beiden Blocksummen S₊₁, S₊₂, die den beiden Speicherblöcken L unmittelbar nach der Zelle unter Test zugeordnet sind, für die weitere Bearbeitung durch die nach folgender Regel gebildete Größe S_B ersetzt: SB = max(S+1; S+2).
• Die zu den übrigen Speicherblöcken L gehörigen Blocksummen werden ungeändert in die weitere Verarbeitung übernommen.
• Die weitere Verabeitung, beginnend mit dem paarweisen Vergleich zweier Blocksummen im zugehörigen Maximumdetektor M, ist identisch zu der EP 784 212 A2 . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird wieder auf die Beschreibung der 1 verwiesen. Es ist jedoch noch anzumerken, dass der Teilerschaltung DL nachgeschaltet neben dem Multiplikator K ein Addieren vorhanden sein kann, um dass Signal mit einer additiven Größe zu beaufschlagen.
• Das Ausführungsbeispiel entsprechend 3 unterscheidet sich von demjenigen entsprechend 2 lediglich durch eine alternativ mögliche Schaltung der Maximumdetektoren M, wie sie als solche ebenfalls bereits aus der EP 784 212 A2 bekannt ist. Entsprechend 3 wird das Maximum aus der ersten Blocksumme des ersten Teilregisters S1 sowie der letzten Blocksumme des zweiten Teilregisters S2 gebildet. Weiterhin das Maximum aus der zweiten Blocksumme des ersten Teilregisters S1 sowie der zweitletzten (vorletzten) Blocksumme des zweiten Teilregisters S2, und so weiter. Das heißt, das Maximum aus der zweitletzten Blocksumme des ersten Teilregisters S1 sowie der zweiten Blocksumme des zweiten Teilregisters S2. Und schließlich das Maximum aus der letzten Blocksumme des ersten Teilregisters S1 sowie der ersten Blocksumme des zweiten Teilregisters S2. Die derart ermittelten Maximalwerte werden, entsprechend 2, dem Minimumdetektor MIN zugeführt und wie beschrieben verarbeitet.
• Das beschriebene Verfahren ist sehr flexibel, das heißt, in einem weiten Bereich an die vorhandene Clutter-Situation (Clutter-Art) anpassbar. Denn in jedem Teilregister ist die Anzahl der Speicherblöcke L entsprechend vorgebbar. Außerdem ist die in jedem Speicherblock L enthaltende Anzahl von Speicherzellen vorgebbar und damit die Gesamtanzahl der in jedem Teilregister S1, S2 vorhandenen Speicherzellen.
• Bei dem Verfahren entsteht eine Clutter-Schwelle CS, die vorteilhafterweise allen in einem Videosignal möglichen Clutter-Sprüngen, beispielsweise von einem wolkenlosen Himmel zu einer Regenfront, verzögerungsfrei folgt, und zwar unabhängig von der Bandbreite, beispielsweise 20 MHz, der derzeit verwendeten Videosignale.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erzeugung einer Clutter-Schwelle mittels einer CFAR-Anordnung, wobei – die zu einem digitalisierten Videosignal gehörenden digitalen Abtastwerte zeitlich fortlaufend in ein Schieberegister, das zumindest zwei Teilregister (S1, S2) enthält, eingelesen werden, – innerhalb der Schieberegisters eine Zelle unter Test (ZUT) vorhanden ist, aus der ein Signalwert unter Test ausgekoppelt und einem Eingang eines Komparators (KO) zugeführt wird, – die Anzahl der in den Teilregistern (S1, S2) enthaltenen Speicherzellen an die Art und Größe des zu überwachenden Gebietes angepasst wird, – aus den in den Teilregistern (S1, S2) gespeicherten Abtastwerten eine Clutter-Schwelle gebildet und diese einem zweiten Eingang des Komparators (KO) zugeführt wird und – an dem Ausgang des Komparators (KO) lediglich die Signalwerte unter Test, die größer als die Clutter-Schwelle sind, ausgegeben werden, wobei – jedes Teilregister (S1, S2) in eine vorgebbare Anzahl von Speicherblöcken (L) unterteilt wird; – in jedem Teilregister (S1, S2) eine gleich große Anzahl von Speicherblöcken (L) erzeugt wird, – jeder Speicherblock (L) eine vorgebbare Anzahl von Speicherzellen enthält, – jedem Speicherblock (L) ein Summierglied (SU1L, SU2L) zugeordnet wird, in welchem eine Aufsummierung aller in einem Speicherblock gespeicherten Abtastwerte erfolgt, so dass zu den Speicherblöcken gehörende Blocksummen entstehen, – die Blocksummen paarweise verglichen werden, derart, dass nach einem vorgebbaren Schema aus jedem Teilregister (S1, S2) jeweils eine Blocksumme ausgewählt wird, – bei dem paarweisen Vergleich die jeweils größere Blocksumme ermittelt und an einen Minimumdetektor (MIN) weitergeleitet wird, – in dem Minimumdetektor (MIN) aus allen größeren Blocksummen die kleinste Blocksumme (Miniumum) ausgewählt wird und – die kleinste Blocksumme entsprechend der Anzahl der in einem Speicherblock (L) enthaltenen Speicherzellen sowie einem vorgebbaren Multiplikator (K) gewichtet und dann als Clutter-Schwelle (CS) ausgegeben wird, – die berechnete Clutter-Schwelle (CS) für eine Anzahl von Signalwerten unter Test, die der Anzahl der in einem Speicherblock (L) enthaltenen Speicherzellen entspricht, konstant gehalten wird, – für die Berechnung der nächsten Clutter-Schwelle ein neuer Block von digitalen Abtastwerten in das Schieberegister eingelesen wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem paarweisen Vergleich der Blocksummen – die zu den beiden letzten Speicherblöcken des ersten Teilregisters (S1) gehörigen Blocksummen für die weitere Bearbeitung durch das Maximum aus diesen beiden Blocksummen ersetzt werden, und – die zu den beiden ersten Speicherblöcken des zweiten Teilregisters (S2) gehörigen Blocksummen für die weitere Verarbeitung durch das Maximum aus diesen beiden Blocksummen ersetzt werden, und – die Zelle unter Test (ZUT) die letzte Speicherzelle des letzten Speicherblocks des ersten Teilregisters (S1) oder die erste Speicherzelle des ersten Speicherblocks des zweiten Teilregisters (S2) bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Speicherblock (L) dieselbe vorgebbare Anzahl von Speicherzellen enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Teilregistern (S1, S2) enthaltenen Speicherblöcke (L) gleichsinnig durchnummeriert werden und dass bei dem paarweisen Vergleich der Blocksummen immer Speicherblöcke (L) mit gleichen Nummern ausgewählt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Teilregistern (S1, S2) enthaltenen Speicherblöcke (L) gleichsinnig durchnumeriert werden und dass bei dem paarweisen Vergleich der Blocksummen immer Speicherblöcke (L) mit den Nummern k und N – k + 1 ausgewählt werden, wobei N die Anzahl der Speicherblöcke (L) in einem Teilregister (S1, S2) ist und k eine ganze Zahl zwischen 1 und N ist.