DE1234282B - Digital-Radargeraet - Google Patents
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Description
DEUTSCHES Ml^ PATENTAMT
Deutsche Kl.: 21 a4 - 48/63
AUSLEGESCHRIFT — ™
Aktenzeichen: T 20702IX d/21 a4
1 234 282 Anmeldetag: 4.September 1961
Auslegetag: 16. Februar 1967
Die Auswertung von Radarinformationen kann mit Hilfe geeigneter technischer Einrichtungen automatisch
erfolgen. Den folgenden Betrachtungen liegt das Impulsradarsystem als Informationsquelle zugrunde.
Der Sender des Systems sendet periodisch hochfrequente Impulse von bestimmter Länge (z. B. 1 Mikrosekunde)
aus. Treffen diese auf Ziele, v/erden sie reflektiert und vom Empfänger als Echosignale wiedei
aufgenommen. Rauschen und andere Störungen täuschen dabei Echosignale vor bzw. löschen echte Echosignale
aus, letzteres vorzugsweise durch die Fluktuation der Ziele und systematische »Störungen«, wie
z. B. durch »MTI« (Festzeichenunterdrückung) verursacht. Wird mit einer beweglichen Antenne ein bestimmter
Raum abgetastet, insbesondere ein kreisförmiger Raum beim Rundsichtradargerät, dann wird
ein Ziel entsprechend der Sendeimpulsfolgefrequenz (z. B. 1 kHz), der Drehgeschwindigkeit der Antenne
(z. B. 1 Umdrehung in 10 Sekunden) und dem Öffnungswinkel des Antennendiagramms (z. B. 2/3°)
mehrfach getroffen (im Beispiel im Mittel 20 Treffer), während das Antennendiagramm das Ziel überstreicht.
Während dieser Zeit (im Beispiel 20 Millisekunden) hat das Ziel seinen Ort im Rahmen der
Meßgenauigkeit (im Beispiel: radiale Genauigkeit 150 m, azimutale Genauigkeit 2 Bogenminuten) nicht
verändert, so daß die Echosignale zueinander korreliert sind. Durch einfache Addition von η Echosignalen
z. B. kann daher in bekannter Weise das Signal-/Stör-Verhältnis um den Faktor ]/^ verbessert
und ein integrierter Echoimpuls — kurz »Echo« — gewonnen werden. Entsprechend der begrenzten
Manövrierfähigkeit der Flugziele sind die Echos von ein und demselben Ziel auch von Antennenumdrehung
zu Antennenumdrehung korreliert, so daß eine Zuordnung zwischen Echo und Ziel vorgenommen
werden kann. Für jedes Echo wird dabei eine Entscheidung getroffen, ob es ein echtes Echo
(aus echten Echosignalen hervorgegangen) oder ein falsches Echo (aus falschen Echosignalen hervorgegangen)
ist, das dann verworfen wird. Die Unterscheidung zwischen Nutz- und Störsignalen auf
Grund verschiedenartiger hochfrequenter Eigenschaften der Echosignale (z. B. Ausnutzung des
Dopplereffekts zur Festzielunterdrückung) stellt eine Vorstufe der Radarinformationsauswertung dar, die
hier nicht betrachtet werden soll.
Allgemein gesehen, stellt die Radarinformationsauswertung eine Informations-Extraktion dar, d. h.,
aus den Echosignalen ist die maximale echte Information herauszuziehen bei gleichzeitiger Unterdrückung
möglichst vieler Störsignale.
Digital-Radargerät
Anmelder:
Telefunken
Telefunken
Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Werner Hildebrandt, Konstanz
Um diese Informationsverarbeitung auszuführen, sind digital arbeitende Einrichtungen bekannt mit
einer ersten Stufe, welche die Videoimpulse beim Uberschreiten einer Schwelle in Echosignale vom
WertL (eins) quantisiert, und mit einer nachfolgenden zweiten Stufe, in der mehrere aufeinanderfolgende
Echosignale desselben Zieles, insbesondere aus einem Entfernungsring, mit Hilfe einer durch ein
Schwellenkriterium Häufungen von L-Werten feststellenden Entscheidungsschaltung zusammengefaßt
werden. Es ist auch bekannt, in einem derartigen digitalen System zur Informations-Extraktion aus Radar-Videosignalen
einen Elektronenrechner einzusetzen, der Vorhersagen hinsichtlich Gebieten macht,
aus denen auf Grund vorangehender Echosignale weitere Echosignale zu erwarten sind. Bei einem bekannten
System dieser Art ist die vorgenannte zweite Verarbeitungsstufe in den Elektronenrechner mit
seinem Speichersystem einbezogen. Sie kann aber auch davon getrennt sein und der Elektronenrechner
dazu benutzt werden, um in bereits vorgeschlagener Weise Erwartungsgebiete von Antennenumdrehung zu
Antennenumdrehung unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit und Seitenbeweglichkeit der Ziele vorauszuberechnen.
Die Verarbeitungsgeschwindigkeit sowie die Speicherkapazität derartiger Einrichtungen
können nicht beliebig groß gemacht werden. Bei Überschreitung einer gewissen Informationsmenge kann die
Anlage überschwemmt und damit unwirksam gemacht werden. Ferner wurde festgestellt, daß Verfahren zur
Korrelation von Radarechos von Antennenumdrehung zu Antennenumdrehung (d. h. Flugzielverfolgung) ab
einer bestimmten kritischen Anzahl falscher Echos instabil werden, so daß auch hierdurch eine Informationsüberschwemmung
eintreten kann.
Es ist bekannt, die Höhe der Schwelle in der obengenannten ersten Stufe, die also aus den Videosignalen
eine quantisierende Auslese trifft, in Abhängigkeit vom mittleren Rauschpegel automatisch zu re-
709 509/182
geln, um den Informationsfluß in Grenzen zu halten. Ferner ist es bekannt, eine derartige Quantisierungsstufe einer Rückwärtsregelung zu unterwerfen nach
Maßgabe einer in einem Speicher eingespeicherten gewünschten mittleren Impulszahl.
Die Erfindung schlägt eine Regelung vor, die dafür sorgen soll, daß bei ständiger maximaler Informationsausnutzung
kritische Echomengen nicht überschritten werden.
Erfindungsgemäß ist hierfür vorgesehen, daß bei einem mit den obengenannten beiden Stufen arbeitenden
Digital-Radargerät außer der Schwelle in der ersten Stufe auch die Schwelle in der zweiten Stufe
in ihrer Höhe selbsttätig geregelt ist und die regelnde Größe oder die geregelte Größe (Schwellenhöhe) für
mindestens eine der beiden Schwellen in einer der zweiten Stufe nachgeschalteten Weiterverarbeitungseinrichtung nach Maßgabe von deren jeweils zulässiger
Aufnahmerate gebildet wird. Als Regelung in der ersten Stufe kann gegebenenfalls die oben genannte
selbsttätige Regelung nach Maßgabe des Rauschpegels vorgesehen sein.
Als Weiterbildung sieht die Erfindung vor, daß bei Anordnung eines Elektronenrechners, der die zusammengefaßten
Echosignale im Sinne der Auffassung und Verfolgung von Zielen und der Löschung von falschen Zielen mit Hilfe von im voraus berechneten
Erwartungsgebieten auswertet, die regelnde oder geregelte Größe nach Maßgabe der Stabilitätsgrenze
dieses Auswerteverfahrens gebildet wird. Dabei kann der Elektronenrechner in Abständen, insbesondere
nach jeder Antennen-Bewegungsperiode, eine Schwellen-Stellgröße oder die Höhe der danach
wirksamen Schwelle an die zu regelnde Stufe, insbesondere an die zweite Stufe, übermitteln.
Ein Beispiel eines Regelsystems nach der Erfindung für ein digitales Radargerät und damit durchführbare
Regelmöglichkeiten soll nachfolgend näher beschrieben werden.
Dabei wird die vorstehend erläuterte erste Stufe als »Digitalisierungsstufe« (mit Digitalisierungsschwelle)
und die zweite Stufe als »Detektor« (mit Detektorschwelle) bezeichnet.
In dem Blockschaltbild der Anlage gemäß F i g. 1 stellt 1 ein Rundsicht-Impulsradargerät dar, das alle
erforderlichen Sende- und Empfangseinrichtungen einschließlich einer Festzielunterdrückungseinrichtung
umfaßt. Die Teile 2 und 3 werden für die digitale Entdeckung von Radarechos benötigt, wie es bereits
bekannt ist. Die Digitalisierungsstufe 2 stellt einen Analog-Digitalwandler dar. Die Radarzeile
— das ist die nach einem Sendeimpuls entstehende Empfangsinformation — wird dabei erstens in äquidistante
Zeitintervalle (im Beispiel 1000 Stück) zerlegt, die der Sendeimpulslänge und damit der radialen
Auflösung entsprechen (im Beispiel 1 Mikrosekunde entsprechend 150 m), und zweitens mit einem bestimmten
Schwellenwert (Spannungspegel) verglichen. Jedesmal, wenn die Schwelle überschritten wird, wird
in dem betreffenden Zeitintervall der Digitalwert »Eins« (Treffer) angezeigt (d. h. in der betreffenden
Entfernung ein Ziel vermutet), in allen anderen Fällen dagegen der Digitalwert »Null«. Durch Ändern
dieser Schwelle, der Digitalisierungsschwelle, hat man die Möglichkeit, die Menge der entstehenden Einsen
zu beeinflussen. Wartet man mehrere Radarimpulse ab, so entsteht in jedem Zeitintervall, d. h. in jedem
Entfernungsring, eine bestimmte Folge von Nullen
und Einsen, je nachdem, ob an dem betreffenden Ort ein Ziel vorhanden ist oder nicht.
Der Detektor 3 speichert die entsprechenden Null-Eins-Folgen für alle (im Beispiel also für 1000) Entfernungsringe,
und zwar so viele Stellen (d. h. so viele Radarzeilen), wie die mittlere Trefferzahl pro Ziel
(im Beispiel also 20) ausmacht. Nach jedem Sendeimpuls ändert sich die Null-Eins-Folge im Speicher
jedes Entfernungsringes, indem eine neue Stelle hinzukommt und eine alte dafür verschwindet. Der Detektor
untersucht nun nach jedem Sendeimpuls den Speicher eines jeden Entfernungsringes (im Beispiel
also jede Mikrosekunde eine Untersuchung, auf seinen Informationsinhalt hin. Im Idealfall befinden
sich im Speicher eines Entfernungsringes nur Einsen, wenn ein Ziel vorliegt, und nur Nullen, wenn kein Ziel
vorliegt. Durch die Störungen jedoch werden im Fall eines vorhandenen Zieles einige Nullen an Stelle von
Einsen und umgekehrt im Fall keines Zieles einige Einsen an Stelle von Nullen erscheinen. Der Detektor
muß also Häufungen von Eins-Werten als Ziel deuten. Zu diesem Zweck bedient er sich wiederum
eines Schwellenkriteriums, bei dessen Überschreiten ein Zielimpuls (=Echo) — genauer gesagt ein Echoimpuls
für das betreffende Ziel — erzeugt wird und anderenfalls nicht. Durch verändern dieser Schwelle,
der Detektorschwelle, hat man es abermals in der Hand, die Menge der erzeugten Zielechos zu beeinflussen.
Sobald der Detektor 3 der Codierstufe 4 einen Echoimpuls übermittelt, gibt diese die Koordinatenwerte (polar oder kartesich) des Standortes des vermutlichen
Zieles aus. Zu diesem Zweck enthält die Codierstufe Zähler, die jeweils die aktuellen Koordinaten
zur Verfügung stellen. Dabei wird eine bestimmte feste Verzögerung der Echoimpulse berücksichtigt,
die sich beim Durchlaufen der Digitalisierungs- und Detektoreinrichtung ergibt. Zur Synchronisation
der Zähler wird die Drehwinkelinformation der Radarantenne benutzt.
Die Einrichtungen 2, 3 und 4 arbeiten synchron mit dem Radargerät 1 und können dem maximalen
Informationsfluß folgen, den das Radargerät theoretisch erzeugen könnte (ein Ziel pro Fläche, die dem
Auflösungsvermögen des Radargerätes entspricht; im Beispiel [azimutale Auflösung = 1,5 · 2/s° = 1°] also
360-1000 = 3,6· IO5 Ziele pro Antennenumdrehung). Eine Überlastung dieser Geräte kann nicht eintreten.
Die Korrelation der Zielechos von Antennenumdrehung zu Antennenumdrehung umfaßt erstens
die Zuordnung der Echos zu bereits bekannten Zielen, also die Flugzielverfolgung, zweitens die Erkennung
erster Echos neu auftauchender Ziele, d. h. die Erstauffassung neuer Ziele, drittens die Erkennung
von Falschechos und viertens die Feststellung ausbleibender Echos bei der Verfolgung. Diese Vorgänge
werden gemäß dem eingangs genannten älteren Vorschlag von einem Digitalrechner 5 ausgeführt.
Speicherkapazität und Operationsgeschwindigkeit des Rechengerätes reichen aus, wenn die entstehenden
Zielechos einer Anzahl von Zielen verarbeitet werden können, die in Wirklichkeit maximal in einem Radarbereich
auftreten (z. B. 200 Ziele). Darüber hinaus kann die Kapazität des Rechners sinnvollerweise
noch so weit erhöht werden, daß eine Echomenge verarbeitet und gespeichert werden kann, die gerade
noch unterhalb der kritischen Echomenge liegt, bei der das Korrelationsverfahren instabil wird.
Die Zielverfolgung nach dem genannten älteren
Vorschlag arbeitet mit im voraus errechneten Erwartungsgebieten, in welchen die zukünftigen Echos
erscheinen müssen, wenn sie zu den betreffenden
Zielen gehören sollen. Die Größe der Erwartungsgebiete wird von der Manövrierfähigkeit der Flugziele und von der Drehgeschwindigkeit der Radarantennen bestimmt. Treten in einem Erwartungsgebiet zwei Zielechos auf, z. B. neben dem echten
Echo ein falsches, von einer Störung erzeugtes Echo, io zugeführt und übernimmt dort die Einstellung der
Vorschlag arbeitet mit im voraus errechneten Erwartungsgebieten, in welchen die zukünftigen Echos
erscheinen müssen, wenn sie zu den betreffenden
Zielen gehören sollen. Die Größe der Erwartungsgebiete wird von der Manövrierfähigkeit der Flugziele und von der Drehgeschwindigkeit der Radarantennen bestimmt. Treten in einem Erwartungsgebiet zwei Zielechos auf, z. B. neben dem echten
Echo ein falsches, von einer Störung erzeugtes Echo, io zugeführt und übernimmt dort die Einstellung der
Digitalisierungsschwelle in 2 und der Detektorschwelle in 3. Die Regelabweichung besteht z. B. aus
der zahlenmäßigen Differenz zwischen Ist- und Sollwert der Echos. Der Regler 6 ermittelt daraus eine
digitale Stellgröße für die Digitalisierangsschwelle, die in dem Digital-Analog-Wandler 7 in einen Analogwert
umgewandelt und der Digitalisierungsstufe 2 zugeführt wird. Die zweite vom Regler ermittelte
Stellgröße wird der Detektorstufe 3 in digitaler Fonn
dann existiert im Augenblick keine Möglichkeit, das falsche Echo von dem echten zu unterscheiden. Der
Flugweg spaltet sich an dieser Stelle auf, für die kommende Antennenumdrehung werden also zwei
Erwartungsgebiete vorausberechnet. Ist der Anteil der Falschechos so groß, daß wiederum in jedem Erwartungsgebiet
zwei Echos auftreten, dann ergibt sich eine »Kettenreaktion«. Die Stabilitätsgrenze des Verfahrens
ist bereits weit überschritten, wenn im Mittel immer zwei Echos in einem Erwartungsgebiet erscheinen.
Die mittlere Anzahl der Falschechos pro Erwartungsgebiet darf nur Werte annehmen, bei
denen eingetretene Flugwegaufspaltungen immer die Tendenz haben, wieder auf den einen, echten Flug-
Detektorschwelle.
Die Funktionen des Reglers 6 können vorzugsweise auch per Programm vom Rechner 5 ausgeführt
werden. Der Rechner liefert dann an Stelle der Regelabweichung die Stellgrößen selbst, und der spezielle
Regler 6 kann wegfallen.
Schließlich kann auch noch die Einstellung der Schwellen im Rechner 5 erfolgen, so daß der Rechner
jeweils die Größen der Schwellenwerte selbst an den ze Digital-Analog-Wandler 7 bzw. an die Detektorstufe 3
ausliefert.
Bei der Regelung muß festgelegt werden, wann und in welchem Maße die Digitalisierangsschwelle und
die Detektorschwelle betätigt werden. Die Digitalisie-
weg zusammenzuschrumpfen. Äste, die auf Grund 25 rungsschwelle entscheidet, ab welcher Größe Echo
falscher Echos entstanden sind, müssen also wieder absterben, indem in ihren Erwartungsgebieten, den
Scheinerwartungsgebieten, keine Echos auftreten. Die Wahrscheinlichkeit, daß falsche Echos auftreten, die
»Falschalarmrate«, muß also möglichst klein gegen Eins sein. Die Entdeckungswahrscheinlichkeit hingegen
muß möglichst den Wert Eins haben. Wie weit diese Werte auseinanderliegen können, hängt von
dem Signal-/Stör-Verhältnis und von der Wirksamkeit des Digitaldetektors ab. Stets jedoch besteht folgender
Zusammenhang: Je höher die Entdeckungswahrscheinlichkeit gemacht wird, desto größer wird
die Falschalarmrate und umgekehrt. Die jeweils beste Entdeckungswahrscheinlichkeit wird erreicht, wenn
man dicht unterhalb der Stabilitätsgrenze des Korrelationsverfahrens arbeitet. Um dies zu ermöglichen
bzw. auch um eine Überlastung des Rechners zu verhindern, soll der Digitalrechner in Abhängigkeit von
der Anzahl der bei ihm eintreffenden Echos bzw. der
signale (Empfangsimpulse) als Treffer gewertet werden. Diese Schwelle kann von einer Höhe Null,
bei v/elcher in jedem Zeitintervall ein Treffer gewertet wird, bis zu einer solchen Höhe variiert werden,
30 bei der kein Echosignal mehr die Schwelle übertrifft und als Treffer gilt. Die Detektorschwelle hingegen
bestimmt, wieviel Treffer beim Durchgang des Antennendiagramms auftreten müssen, so daß ein Ziel
angenommen werden kann, d. h. wieviel Treffer als 35 Zielechos geweitet werden. (In unserem Beispiel soll
die Detektorschwelle zwischen 5 und 15 Treffern einstellbar sein.) Es kann beispielsweise so vorgegangen
werden, daß mit der Digitalisierangsschwelle eine Grob- und mit der Detektorschwelle eine Fein-40
regelung der Anzahl der entstehenden Echos vorgenommen wird. Dieses Beispiel soll im folgenden
näher ausgeführt werden. Es sei jedoch bemerkt, daß stattdessen auch andere Verfahren angewendet werden
können, z. B.: Die Digitalisierangsschwelle wird von ihm festgestellten Falschechos oder von der der 45 stets so eingestellt, daß sich ein optimaler !Interim
Rechner geführten Erwartungsgebiete eine Rege- schied zwischen vermutlichen Echos und auftreten-Iung
der Digitalisierungs- und der Detektorschwelle den Störungen ergibt. Die eigentliche Mengenregeveranlassen
oder übernehmen. lung übernimmt dann die Detektorschwelle allein.
Der Meßort des Regelkreises befindet sich im Für jedes Verfahren aber gilt, daß bei einer DrosseDigitalrechner
5. Die Regelgröße ist die Anzahl 5° lung der Echomenge stets die jeweils schwächsten
der Echos bzw. die der Falschechos. Die Messung Echos unterdrückt werden.
selbst wird per Programm durch Abzählen vor- In dem Ausführungsbeispiel bildet der Rechner 5
genommen. als Regelabweichung die Dualzahl ± AN, und zwar
Der Vergleichsort des Regelkreises befindet sich das Vorzeichen sowie gerundet die jeweils acht weebenfalls
im Digitalrechner. Der Sollwert ist in erster 55 sentlichen Stellen der Differenz zwischen Ist- und
Linie durch die Stabilitätsgrenze des Korrelations- Sollanzahl der Echos (Ar ist-Ar son), wobei die vier
Verfahrens gegeben. Daneben kommen als Sollwerte unteren Stellen der Differenz (Stellenwert 2° bis 23)
die Operationsgeschwindigkeit und die Speicherkapa- grundsätzlich unterdrückt werden. Die Regelabweizität
des Rechners in Frage, sofern die Anlage einen ChungiziAr wird vom Rechner periodisch, z.B.
obiger Stabilitätsgrenze entsprechend großen Infor- 60 nach jeder Antennenumdrehung, ermittelt und parmationsfluß
nicht bewältigen kann. Der Vergleich allel in das Register 8, 9, 10 des Reglers 6 (Fig. 2)
zur Ermittlung der Regelabweichung wird wiederum übertragen. Der Regler 6 spielt in diesem Ausfühper
Programm durchgeführt. Der Sollwert ist ein rangsbeispiel lediglich die Rolle eines Umsetzers. Die
Parameter dieses Programms, und seine Einstellung Registerstelle 8 enthält das Vorzeichen (Vz), der dreierfolgt
durch Eingabe einer entsprechenden Para- 65 stellige Registerteil 9 die drei unteren und der fünfmetergröße
in den Rechner. stellige Registerteil 10 die restlichen fünf oberen
Die Regelabweichung wird dem Regler 6 zugeführt. Stellen der Differenz ± AN. Sofern die Größe + AN
Dieser ermittelt die Stellgrößen zur Einstellung der zwölf Dualstellen nicht überschreitet, enthält der Re-
Claims (2)
1. Digital-Radargerät mit einer ersten, die Videoimpulse beim Überschreiten einer Schwelle
in Echosignale vom Werte L (Eins) quantisierenden Stufe, deren Schwelle selbsttätig verändert
wird, und mit einer nachfolgenden zweiten Stufe, welche mehrere aufeinanderfolgende Echosignale
desselben Zieles, insbesondere aus einem Entfernungsring, mit Hilfe einer durch ein Schwellenkriterium
Häufungen von L-Werten feststellenden Entscheidungsschaltung zusammenfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß außer der
Schwelle in der ersten Stufe (2) auch die Schwelle in der zweiten Stufe (3) in ihrer Höhe selbsttätig
geregelt ist und die regelnde Größe oder die geregelte Größe (Schwellenhöhe) für mindestens
eine der beiden Schwellen in einer der zweiten Stufe nachgeschalteten Weiterverarbeitungseinrichtung
(5) nach Maßgabe von deren jeweils zulässiger Aufnahmerate gebildet wird.
2. Digital-Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei an sich bekannter
Anordnung eines solchen Elektronenrechners (5), der die zusammengefaßten Echosignale im Sinne
der Auffassung und Verfolgung von Zielen und der Löschung von falschen Zielen mit Hilfe von
im voraus berechneten Erwartungsgebieten auswertet, die regelnde oder geregelte Größe nach
Maßgabe der Stabilitätsgrenze dieses Auswerteverfahrens gebildet wird.
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DE1298163B (de) * | 1967-09-02 | 1969-06-26 | Telefunken Patent | Schaltungsanordnung zur Unterdrueckung von asynchronen impulsfoermigen Stoersignalen in Radarvideosignalen |
DE2164714A1 (de) * | 1971-12-27 | 1973-07-12 | Forsch Funk Und Mathematik | Einrichtung zur rekursiven schwellregelung bei der radarsignalextraktion |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US3214754A (en) | 1965-10-26 |
GB1009875A (en) | 1965-11-17 |
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