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Diese
Erfindung bezieht sich auf Radarzielsumulatoren und mehr im einzelnen
auf Simulatoren zur Simulierung "komplexer" Radarziele.
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Die
Hardware in der Raketen mit aktiven Radiofrequenzsuchern testenden
Schleife (HWIL oder HIL) erfordert die genaue Simulation von Zielen,
welche der Sucher oder die Sucher im Betrieb wahrscheinlich erfassen
werden. Diese Prüfung
ist natürlich
beträchtlich
billiger als das Testen solcher Raketensysteme mit tatsächlich abgefeuerten
Raketen, und insoweit richten sich nun beträchtliche Forschungsanstrengungen
auf die Entwicklung genauer Simulations-HWIL-Testeinrichtungen.
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Ein
komplexes Ziel kann als ein lebensnäheres Ziel beschrieben werden,
wie beispielsweise ein Flugzeug mit seiner zugeordneten ausgedehnten Struktur
gegenüber
einem einfacheren Ziel wie beispielsweise einem flachen Plattenreflektor
oder einer Dreiflachecke.
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Komplexe
Targetsender werden eingesetzt, um Radiofrequenzsignale im Raum
zu erzeugen, um Radarrücksignale
von komplexen Radarzielen zu simulieren, wobei solche Rücksignale
Eigenschaften wie beispielsweise Targetschwingungen und Reflektionswinkelschwingungen
zusammen mit der Simulation von Radarstörflecken umfassen.
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Das
Radarrücksignal
von einem komplexen Radarziel schwankt, während die relativen Positionen
und Orientierungen von Target und Sucher wechseln. Dies beruht auf
Wirkungen der mit komplexen reflektierenden Oberflächen verbundenen
Rückstreuung.
Ein Radiofrequenz-Radarsucher muß sein Target erfassen und
kontinuierliche Schätzungen
der Targetrichtung bereitstellen, um eine Rakete zu einem Treffer
zu steuern. Targetsignalschwankungen können sowohl die Fähigkeit
zum Erfassen des Ziels als auch die Genauigkeit irgendwelcher Richtungsmessungen
beeinflussen.
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Bekannte
Sender für
komplexe Radarziele simulieren ihre Ziele durch die effektive Zufallsbewegung
eines hellen Flecks, welchen der Sucher verfolgt. Solche Sender
erzeugen die effektive Bewegung eines hellen Flecks durch Verwendung
gesteuerter Variation der Amplitude von Radiofrequenzemissionen
von typischerweise drei oder vier Sendehörnern. Um die erforderliche
Störung
der durch ein solches System erzeugten Wellenfront zu simulieren, werden
die Sendehörner
so variiert, daß die
Wellenfront sich effektiv neigt.
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Die
Phasenbeziehung zwischen den Sendehörnern in einem solchen System
ist fest, und daher beruht auch der Mechanismus, durch welchen die
effektiven Bewegungen des hellen Flecks gesteuert werden, allein
auf der Variation der jeweiligen Amplituden, die an den Sendehörnern erzeugt
werden, und nicht auf irgendeiner Phasenbeziehung.
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Herkömmliche
Radiofrequenzsucher können mehrere
Empfangskanäle
haben, und deshalb muß ein
Störfleckgenerator,
um eine genaue Simulation eines Störflecksignals zu erzeugen,
in der Lage sein, alle Empfängerkanäle zu erregen.
Der Mechanismus nach dem gegenwärtigen
Stand der Technik, mittels welchem Störflecke in ein simuliertes
Radarziel eingeführt
werden, beruht auf der Verwendung eines einzigen Radiofrequenz-Sendehorns. Ein solcher Eingang
kann nur einen einzigen Winkel erzeugen, von welchem aus ein Sucher
ein Signal empfangen kann, wodurch keine winkelmäßige Veränderung erzeugt werden kann,
die für
ein wahres Rücksignal von
einem verteilten Störfleck
repräsentativ
wäre.
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Erfindungsgemäß ist ein
Simulator für
komplexe Radarziele vorgesehen, der aufweist:
Ein Radarzielsender
mit unabhängiger
Steuerung von drei Radiofrequenzstrahlungs-Feldeigenschaften, wobei
diese Feldeigenschaften umfassen:
- i) Die reellen
und imaginären
Komponenten der komplexen Amplitude des Strahlungsfelds,
- ii) die räumliche
Ableitung der reellen und imaginären
Komponenten der komplexen Amplitude in einer von zwei orthogonalen
Ebenen, und
- iii) die räumliche
Ableitung der reellen und imaginären
Komponenten der komplexen Amplitude in der anderen der beiden orthogonalen
Ebenen.
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Die
orthogonalen Ebenen können
beispielsweise die Horizontalebene und die Vertikalebene mit Bezug
auf einen fiktiven Boden sein.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung in einem komplexen Radarzielsendersystem 5 wird
nachstehend unter Bezugnahme auf 1 vorgestellt.
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In
einem Monoimpulssucher sind typischerweise drei Sucherkanalvariable,
die miteinander kombiniert werden, um die zum kontinuierlichen Verfolgen
eines Ziels erforderliche Information bereitzustellen. Der Summenkanal
wird durch die Feldamplitude beaufschlagt, während die Adzimuth-und Erhöhungsdifferenzkanäle durch
die transversalen räumlichen
Ableitungen der Feldamplitude beaufschlagt werden. Diese Sendereinheit
bewirkt eine unabhängige
Steuerung der separaten Eingangssignale zu diesen drei Kanälen aus
der externen Welt, was sowohl Phasen- als auch Größen umfaßt.
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Als
Konsequenz des Variierens der räumlichen
Feldableitungen kann die Phasenfront eines Radiofrequenzfelds geneigt
werden (d.h. Winkelreflexion). Radiofrequenzsucher versuchen die
Zielrichtung durch Abschätzen
der Orientierung der Phasenfront durch Verarbeitung der Signale
in ihren Summen- und Differenzkanälen zu bestimmen. Es gibt auch
andere Wege, dies zu tun, aber sie beruhen alle sowohl auf den Phasen
als auch den Größen der
drei Signale.
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Hinsichtlich
der HWIL-Prüfkriterien
ist es, um die Genauigkeit der Sucherwinkelmessungen abzuschätzen, notwendig,
die Schwankungen in den Phasen und Größen aller drei Signale zu steuern.
Es reicht nicht aus, wie es im Stand der Technik der Fall ist, lediglich
die Signalgröße und die
Orientierung der Phasenebene zu steuern, weil Sucher für Schwankungen
sowohl der Phase als auch der Größe empfindlich
sind.
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Die
Erfindung schafft einen komplexen Radarzielsender, der eine unabhängige Steuerung
der drei Eigenschaften des Radiofrequenzstrahlungsfelds am Sucher
erzeugt, die für
eine genaue und realistische HWIL-Simulation erforderlich sind.
Die drei Eigenschaften, die nach der Erfindung gesteuert werden,
sind:
- 1. Die komplexe Amplitude des Radiofrequenzstrahlungsfelds
(reelle und imaginäre
Komponenten, gleichwertig Größe und Phase).
- 2. Die räumliche
Ableitung der komplexen Amplitude in der ersten von zwei orthogonalen
Ebenen (reelle und imaginäre
Komponenten), und
- 3. die räumliche
Ableitung der komplexen Amplitude in der zweiten der zwei orthogonalen
Ebenen (reelle und imaginäre
Komponenten).
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Dies
sind Eigenschaften des Radiofrequenzfelds im Raum und sind unabhängig vom
Sucher.
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Radarrücksignale
von Störflecken
(hauptsächlich
vom Boden, aber auch Regen und andere unerwünschte Reflektoren) überlagern
sich mit dem Zielsignal, das der Sucher zum Erfassen und Verfolgen
des Ziels benutzt. Störflecksignale
treten in alle drei Antennensummen- und -Differenzkanäle ein und verschlechtern
möglicherweise
die Zielrichtungsmessung.
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Möglicherweise
können
Störfleckrücksignale von
einer breiten Bandbreite von Richtungen kommen. Das Erzeugen von
Signalen aus allen Richtungen für
Sucher-HWIL-Tests würde
eine umfangreiche und kostspielige Anordnung von Sendern erfordern.
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Bei
der Erfindung werden die Eigenschaften der Signale, die von den
drei Sucherantennenkanälen
zu empfangen sind, berechnet, und die komplexe Radarzielsendereinheit
kann Signale in allen drei Kanälen
mit den korrekten Eigenschaften erzeugen, die den Fall simulieren,
als würden
sie aus dem vollen Bereich von Richtungen her ankommen, wodurch
Signale mit den korrekten Amplituden und räumlichen Ableitungen erzeugt
werden.
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Eine
Kompensation findet für
Winkelversätze zwischen
der Sucherantennensichtlinie und der Richtung der Sendereinheit
Anwendung.
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Für Radarstörflecke
stellt die Sendereinheit eine unabhängige Steuerung der Signale
im Summenkanal und in beiden Differenzkanälen der Sucherantenne bereit,
was die über
alle Richtungen integrierten empfangenen Störflecksignale repräsentiert,
wie sie durch die polaren Antennensummen- und Differenzmuster gewichtet
werden, mit entsprechenden Dopplerspektralprofilen und mit entsprechenden
Korelationen zwischen den Kanälen.
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Ein
wichtiges Merkmal der Erfindung liegt darin, daß sie fünf strahlende Hörner verwendet,
wobei die Hörner
in jedem der beiden äußeren Paare
gegenphasig gekoppelt sind. Herkömmliche
Sender verwenden im allgemeinen vier Radiofrequenz-Sendehörner, von
denen jedes unabhängig
gesteuert wird, wobei die erforderlichen Signale zwischen ihnen
aufgeteilt werden.
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Im
folgenden Beispiel sind die verwendeten orthogonalen Ebenen die
Horizontalebene bzw. die Vertikalebene mit Bezug auf einen fiktiven
Boden.
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In 1 wird
das Eingangssignal 30 zum Sender durch einen Abschwächer 24 gedämpft, bevor
es auf einen von drei Pfaden aufgeteilt wird, die zum mittigen Horren 1 bzw.
zum ersten Paar äußerer Hörner 2, 3 bzw.
zum zweiten Paar äußerer Hörner 4, 5 führen. Der
Abschwächer 24 steuert
den mittleren Signalpegel entsprechend der Radarentfernungsleitung.
Dies ermöglicht
es, daß der
Sender Ziele mit unterschiedlichen Distanzen vom Sucher simuliert.
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Die
komplexe Radarzielsendereinheit steuert die Feldamplitude unter
Verwendung des mittleren Horns 1 durch das Eingangssignal
aus der Summe von reellen und imaginären Schwankungskomponenten 6 über einen
Vektormodulator 12.
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Der
Sender steuert die räumlichen
Querableitungen in der folgenden Weise:
Die horizontale Ableitung
wird unter Verwendung des ersten Paars äußerer Hörner 2, 3 durch
den Eingang reeller und imaginärer
Schwankungskomponenten 8 über einen Vektormodulator 14 gesteuert.
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Die
vertikale Ableitung wird unter Verwendung des zweiten Paars äußerer Hörner 4, 5 mittels des
Eingangs reeller und imaginärer
Schwankungskomponenten 10 über einen Vektormodulator 16 gesteuert.
Bevor es bei den Vektormodulatoren 14, 16 ankommt,
wird das Eingangssignal vom Sender 30 zuerst durch Abschwächer 34 bzw. 36 abgeschwächt, um
sicherzustellen, daß die
räumlichen Querableitungen
die gewünschten
mittleren Am plituden haben.
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Die
Abschwächer 24, 34, 36 werden
durch Eingangssignale 18 bzw. 20 bzw. 22 gesteuert.
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Das
Eingangssignal zum Sender 30 wird typischerweise von einem
Abtastwert entnommen, der heruntergemischt worden ist, wodurch das
Arbeiten des Systems und die Verarbeitung bei beträchtlich niedrigeren
Frequenzen erfolgt (z.B. im Bereich der GSM-Mobiltelefontechnologie).
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Die äußeren Hörner 2 und 3 sowie 4 und 5 werden
streng gegenphasig erregt, um sicherzustellen, daß sie die
Feldableitungen erzeugen, tragen folglich aber nicht zu der vom
Sucher 32 empfangenen Feldamplitude bei, wo die Überlagerung
die Signale auslöscht.
Die von den drei Quellen, nämlich dem
Horn 1, dem gegenphasigen Paar 2 und 3 sowie dem
gegenphasigen Paar 4 und 5 abgestrahlten Signale
werden unabhängig
sowohl hinsichtlich der Phase als auch der Amplitude moduliert.
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Um
des weiteren eine genaue Simulation eines komplexen Radarziels sicherzustellen,
werden die Modulationssignale von geeigneten Zielmodellen erhalten,
die entweder stochastische Modelle umfassen, die Signale als zufällige Variable
mit den korrekten statistischen Verteilungen und Spektraleigenschaften
erzeugen, oder deterministische Modelle umfassen, die auf elektromagnetischen
Streueigenschaften spezifischer Zieltypen beruhen.
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Ein
Störflecksignal
wird durch Emittieren von Signalen von den drei Senderkanälen (d.h.
dem Horn 1 und den beiden äußeren gegenphasigen Hornpaaren 2 und 3 sowie 4 und 5)
erzeugt, die alle unabhängig
voneinander moduliert werden. Diese modulierten Signale werden so
berechnet, daß sie
die erforderlichen Signale in den drei Empfangskanälen des Suchers
erregen (nämlich
dem Antennensummensignal und den Adsimuth- und Höhendifferenzkanälen).
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Die
Fähigkeit
zum Erregen der erforderlichen internen Suchersignale beruht auf
der Tatsache, daß genau
die gleiche Anzahl von Freiheitsgraden in den Suchersignalen wie
in den Sendereinheitssignalen vorhanden ist, d.h. drei komplexe
Variable in jedem Fall, und die Suchervariablen stehen mit den Variablen
der Sendereinheit durch eine (komplexe) Lineartransformation in
Beziehung, die umkehrbar ist.
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Die
Transformationsmatrix hängt
von den relativen Orientierungen der Sendereinheit und der Sucherantenne
sowie von dem Polarmuster der Senderantenne ab und muß als Funktion
der relativen Orientierung der Sucherantenne und der Sendereinheit
berechnet werden, was wiederum von der Position der Sendereinheit,
der Orientierung der Raketenflugtafel, und der Sucherantennendurchbiegung
abhängt.
Alle diese Parameter werden als Eingangssignale zu der Steuersoftware
benötigt.
Die erforderlichen Suchersignale werden von einem geeigneten Störfleckmodell
erhalten, und die Modulationssignale für die Sendereinheit werden
durch Anwenden der Inversion der Transformationsmatrix erhalten.
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Die
Erfindung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber dem herkömmlichen
Vier-Horn-Sendersystem einschließlich der 1:1-Entsprechung zwischen den
zu erzeugenden Signalen (d.h. den reellen und imaginären Komponenten
der Radiofrequenz-Feldamplitude und ihrer beiden räumlichen
Ableitungen), und der Ermittereinheitskanäle (d.h. dem mittleren Kanal
und den beiden äußeren Kanälen mit
unabhängiger
Steuerung der reellen und imaginären
Komponenten der von jedem Kanal abgestrahlten Signale). Bei vier
Hörnern
ist entweder eine zu starke Steuerung (d.h. vier Komplexe Signale
zur Steuerung von nur drei komplexen Radiofrequenzfeldvariablen) oder
zu wenig Steuerung (d.h. feststehende Phasen in den Hörnern bei
bloßer
Amplitudensteuerung zum Erzeugen von Radarquerschnittsüberblendung
und Phasenfrontverzerrung, aber keinen Phasenschwankungen) vorhanden.
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Des
weiteren ermöglicht
die Erfindung eine wesentlich ver besserte Steuerung der Phasen und Größen des
Radiofrequenzfelds und seiner Ableitungen, was durch Entkoppeln
der Sendereinheitskanäle
bewerkstelligt wird. Wo also mehr als ein Horn zum Erzeugen einer
einzigen Radiofrequenzfeldvariablen benötigt wird (z.B. zwei Hörner in
Gegenphase zum Erzeugen einer Feldableitung), müssen die Phasen- und Amplitudenverhältnisse
zwischen diesen Hörnern
folglich sehr streng gesteuert werden, um eine Leistungskopplung
in andere Feldvariable zu verhindern. Wenn das Ableitungssignal
zwischen getrennten Modulatoren, die verschiedene Hörner treiben, aufgeteilt
werden muß (was
bei der herkömmlichen) Vier-Horn-Anordnung
notwendig wäre),
sind sehr strenge Eichungen der Modulationseinrichtungen erforderlich.
Bei der Fünf-Horn-Anordnung
sind jedoch die Phasen- und Amplitudenbeziehungen zwischen den beiden
Hörnern
in jedem äußeren Paar
feststehend und können
als Teil der Einstellprozedur in der Testkammer eingestellt werden,
um sicherzustellen, daß die
Signale von den Hörnern
an der Sucherposition in exakter Gegenphase sind.
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Des
weiteren ermöglicht
die Erfindung eine verbesserte Handhabung dynamischer Bereiche.
Bei der herkömmlichen
vier-Horn-Anordnung
müssen
die Feldamplituden- und Ableitungssignale zwischen allen vier Hörnern verteilt
werden, was daher den kombinierten dynamischen Bereichen sämtlicher
variabler entsprechen muß.
Jedoch bei der neuen Fünf-Horn-Anordnung
müssen
nur zwei äußere Kanäle den zusätzlichen
dynamischen Bereich für
die Feldableitungen führen.
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Weitere
Vorteile und Verbesserungen gegenüber dem herkömmlichen
System ergeben sich leicht für
den Fachmann, und Ausführungsformen und
alternative Gestaltungen, welche das erfindungsgemäße Konzept
nach der vorliegenden Beschreibung benutzen, werden als in den Schutzbereich
der beanspruchten Erfindung fallend angesehen.