DE19705795C2 - Radarverfahren zum Abbilden von Gelände und darauf befindlicher Objekte sowie Radarsystem zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Radarverfahren zum Abbilden von Gelände und darauf befindlicher Objekte sowie Radarsystem zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Radarverfahren zum Abbilden von Gelände und darauf befindlicher Objekte sowie ein Radarsystem zur Durchführung des Verfahrens.
Das aus dem Gelände und den darauf befindlichen Objekten bestehende abzubildende Szenario kann durch einzelne Punkte repräsentiert werden, die durch ihre auch als Reflektivitäten bezeichneten komplexen Reflexionskoeffizienten beschrieben werden. Aus den ortsabhängigen Reflektivitäten ergibt sich das gewünschte, aus Bildpunkten bestehende Bild. Das Auf­ lösungsvermögen, d. h. die Trennbarkeit der Bilder unter­ schiedlicher abzubildender Punkte, basiert bei abbildenden Radarsystemen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt­ lich darauf, daß der Abstand der einzelnen abzubildenden Punkte von der bewegten Plattform in einer i. a. für jeden Punkt charakteristischen Weise von der Zeit abhängt. Hieraus ergibt sich für jeden abzubildenden Punkt ein typischer zeitlicher Verlauf der Laufzeit der Signale vom Sender zu dem betreffenden Punkt und zurück zum Empfänger.
Aus diesen Verläufen kann man nach bekannten Verfahren der Signalverarbeitung, die beispielsweise in J. C. Curlander, R. N. McDonough: Synthetic Aperture Radar. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1991, beschrieben werden, und die auf der Auswertung der Entfernungs- und Dopplerhistorie der einzelnen abzubildenden Punkte beruhen, die Reflektivitäten dieser Punkte und somit das gewünschte Bild ermitteln.
In den folgenden Erläuterungen wird Bezug auf folgende Figuren genommen:
Fig. 1 eine bewegte Plattform mit einem seitwärts schauenden Radarsystem,
Fig. 2 eine bewegte Plattform mit einem nach vorne schauenden Radarsystem,
Fig. 3 eine bewegte Plattform mit einem nach vorne schau­ enden Radarsystem und zwei aufzulösenden Punkten,
Fig. 4 eine resultierende Antennnencharakteristik nach dem Stand der Technik,
Fig. 5 zwei Antennencharakteristiken mit einer Rechts- /Linksauflösung,
Fig. 6 Antennensysteme,
Fig. 7 ein Radarsystem.
Für ein konventionelles abbildendes Radarsystem werden an der bewegten Plattform fest ausgerichtete Antennen angebracht, die einen querab zur Plattformbahn liegenden Geländestreifen ausleuchten. Diese Situation ist in Fig. 1 veranschaulicht. Fig. 1 zeigt die bewegte Plattform (1), eine Projektion (2) der Plattformbahn auf das Gelände und den abzubildenden Ge­ ländestreifen (3). Mit solchen nach der Seite schauenden Systemen werden also keine Punkte abgebildet, die auf oder in der Nähe der Projektion (2) der Plattformbahn auf das Gelände liegen. Für gewisse Anwendungsfälle wären allerdings abbil­ dende Radarsysteme wünschenswert, mit denen gerade solche Punkte abgebildet werden können. Der abzubildende Gelände­ streifen (3) hätte dann beispielsweise die in Fig. 2 gezeigte Lage.
Bei der Situation nach Fig. 2 ergibt sich das Problem, daß sich für räumlich getrennte Punkte die gleiche Zeitfunktion für die Laufzeit ergeben kann. Dies gilt beispielsweise für Punkte, die gleichen Abstand von der Plattform haben und gleichweit links bzw. rechts von der Projektion (2) der Platt­ formbahn auf das Gelände liegen. Man kann solche Punkte nicht getrennt abbilden. Fig. 3 zeigt zwei nicht trennbare Punkte (4) und (5). Bezogen auf die Projektion (2) der Plattformbahn auf das Gelände ist der Punkt (4) linksliegend, der Punkt (5) rechtsliegend.
Die Schrift US 3196436 offenbart ein Verfahren, bei welchem Punkte gleicher Dopplerhistorie mittels unterschiedlicher Richtcharkteristik getrennt und erfaßt werden. Die Signalan­ teile der Punkte gleicher Dopplerhistorie werde dabei nicht exakt berücksichtigt. Dies hat zur Folge, dass sich die Haupt­ strahlkeulen der Antennencharakteristiken möglichst nicht überlappen sollen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und ein hierfür geeignetes Radarsystem zu finden, welches es er­ laubt Punkte gleicher Dopplerhistorie exakt zu trennen, selbst wenn sich die Antennencharakteristiken überlappen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und ein Radarsystem nach Patentanspruch 8 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.
Der Grundgedanke der Erfindung wird anhand von Fig. 4 und Fig. 5 näher erläutert.
Fig. 4 gilt für den Fall, daß man in konventioneller Weise ein Sendeantennensystem und ein Empfangsantennensystem verwendet, das zu einer einzigen resultierenden Antennencharakteristik (6) führt. Bezeichnet man die Reflektivität des linksliegenden Punktes (4) mit r l und die Reflektivität des rechtsliegenden Punktes (5) mit r r, so kann das System mit einer einzigen resultierenden Antennencharakteristik (6) nach Fig. 4 nur die Summe r l + r r der beiden Reflektivitäten r l und r r ermitteln, nicht jedoch r l und r r getrennt.
Fig. 5 gilt für den Fall, daß man zwei unterschiedliche resul­ tierende Antennencharakteristiken (7) und (8) verwendet. Die resultierende Antennencharakteristik (7) habe in Richtung des Punkts (4) den Wert a ll und in Richtung des Punkts (5) den Wert a lr, wobei durch den ersten Index der beiden Größen a ll und alr angedeutet werden soll, daß die resultierende Anten­ nencharakteristik (7) im Beispiel nach Fig. 5 hauptsächlich den links von der Projektion (2) der Plattformbahn auf das Gelände liegenden Geländebereich abdeckt. Die resultierende Antennencharakteristik (8) hat in Richtung des linksliegenden Punkts (4) den Wert a rl und in Richtung des rechts liegenden Punkts (5) den Wert a rr, wobei durch den ersten Index der Größen a rl und a rr angedeutet werden soll, daß die resultierende Antennencharakteristik (8) im Beispiel nach Fig. 5 hauptsächlich den rechts von der Projektion (2) der Plattformbahn auf das Gelände liegenden Geländebereich ab­ deckt.
Mit der resultierenden Antennencharakteristik (7) kann man für die beiden Punkte (4) und (5) die Summenreflektivität
r (1) = a ll . r l + a lr . r r (1)
ermitteln. Mit der resultierenden Antennencharakteristik (8) kann man für die beiden Punkte (4) und (5) die Summenreflek­ tivität
r (r) = a rl . r l + a rr . r r (2)
ermitteln. In den beiden Gleichungen (1) und (2) sind die vier Größen a ll, a lr, a rl und a rr aus den verwendeten resul­ tierenden Antennencharakteristiken a priori und die Summen­ reflektivitäten r (l) und r (r) aufgrund der Signalauswertung bekannt. Somit können aus (1) und (2) die Reflektivität r l des Punktes (4) und die Reflektivität r r des Punktes (5) ge­ trennt berechnet werden.
Das Verwenden von Antennensystemen mit mehreren unterschied­ lichen Antennencharakteristiken ist in der Radartechnik be­ kannt, siehe M. I. Skolnik: Radar Handbook. Mc Graw-Hill Book Company, New York, 1970, Kapitel 21. Die dort geschilderten Anwendungen beziehen sich jedoch auf Tracking-Radare und nicht auf Radare auf einer bewegten Plattform. Gemäß der Erfindung sind die in oben genannter Druckschrift voraus­ gesetzten möglichst scharf bündelnden Antennen nicht erfor­ derlich. Im Gegensatz dazu werden bei der vorliegenden Erfin­ dung bevorzugt Antennensysteme mit breiten resultierenden Charakteristiken verwendet, mit denen jeweils das gesamte Szenario oder große Bereiche desselben ausgeleuchtet werden.
Verschiedene Ausgestaltungsvarianten der Erfindung in Bezug auf die Ausprägung des Sende- bzw. Empfangsantennensystems sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß einer Ausgestaltungsvariante hat das Sendeantennen­ system eine zeitlich nicht veränderliche Antennencharakteri­ stik, so daß der Aufwand für senderbezogene Komponenten nicht erhöht werden muß, sondern die Auflösung der Punkte mit Hilfe von unterschiedlichen Antennencharakteristiken der Empfangs­ antennensysteme erreicht wird. Es ist jedoch alternativ mög­ lich, daß das Sendeantennensystem mindestens zwei unter­ schiedliche, nicht gleichzeitig auftretende Antennencharak­ teristiken hat, zwischen denen umgeschaltet wird. Das Um­ schalten, beispielsweise für als sogenannte Phase-Array-An­ tennen ausgestaltete Gruppenstrahler, gestattet die Gestal­ tung der zwei unterschiedlichen resultierenden Antennencha­ rakteristiken sendeseitig, ohne daß die Empfangseite ver­ ändert werden muß. Bei großen Wellenlängen ist es günstiger, möglichst viele Antennenkomponenten sowohl zum Empfang als auch zum Senden zu verwenden, da Antennen für große Wellen­ längen große Ausdehnungen annehmen.
Das Umschalten kann nach einer weiteren Ausgestaltungsvarian­ te auch empfangsseitig erfolgen, so daß das Empfangsanten­ nensystem mindestens zwei unterschiedliche, nicht gleich­ zeitig auftretende Antennencharakteristiken hat, zwischen denen umgeschaltet wird. Im Gegensatz zum Sendeantennensystem kann das Empfangsantennensystem mindestens zwei unterschied­ liche, gleichzeitig wirksame Antennencharakteristiken haben. Ohne Umschalten und dadurch mit weniger Störeinflüssen und Verzögerungen können die zwei gewünschten unterschiedlichen resultierenden Antennencharakteristiken erzeugt und parallel Signalströme ausgewertet werden.
Das Umschalten der Antennencharakteristiken kann entsprechend weiteren Ausgestaltungen des Radarsytems mechanisch oder elektrisch erfolgen. Ein mechanisches Umschalten garantiert eine galvanische Trennung oder verhindert elektrische Stör­ einflüsse, währenddessen das elektrische Umschalten schneller und mit weniger schaltungstechnischem Aufwand erfolgt. Die Antennensysteme arbeiten in diesem Fall möglichst ohne mecha­ nisch bewegte Teile.
Das Sendeantennensystem kann durch einen oder mehrere Primär­ strahler in Zusammenwirken mit einem Reflektor oder einen Gruppenstrahler, bestehend aus mehreren Sendestrahlern, auf­ gebaut werden. Entsprechendes gilt auch für das Empfangs­ antennensystem.
Das Sendeantennensystem und das Empfangsantennensystem sind nach weiteren Ausgestaltungen identisch, d. h. zwei gleich­ artig aufgebaute Antennen, oder sie sind gleich, d. h. nutzen gemeinsame schaltungstechnische Ressourcen. Entsprechend der Anwendung kann es jedoch auch vorgesehen sein, daß das Sende­ antennensystem und das Empfangsantennensystem nicht iden­ tisch, sondern mit unterschiedlicher Strahlungscharaktistik versehen sind. Das erfindungsgemäße Radarsystem ermöglicht einen großen Gestaltungsspielraum und eine Anpassung der resultierenden Antennencharakteristik an die jeweilige An­ wendung.
Die Primärstrahler einer Reflektorantenne bzw. die einzelnen Sendestrahler einer Gruppenantenne werden gemäß einer wei­ teren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung über ein in einem Zwischenfrequenzbereich oder im Übertragungsfrequenz­ bereich arbeitendes Gewichtungsnetzwerk angesteuert. Arbeitet das Gewichtungsnetzwerk im Übertragungsfrequenzbereich der hochfrequenten Abstrahlung des Radarsystems, so werden Modu­ lationsstörungen vermieden. Bei einem im Zwischenfrequenz­ bereich arbeitenden Gewichtungsnetzwerk können jedoch kosten­ günstigere Bauelemente eingesetzt werden, wodurch sich eine wirtschaftlichere Realisierung des Radarsystems ergibt. Diese Ausgestaltung kann auch auf das Empfangsantennensystem ange­ wendet werden. Sekundäre Empfangssensoren bilden mit dem Reflektor eine Reflektorantenne. Die Gesamtheit der einzelnen Empfangselemente bildet einen Gruppenstrahler.
Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen werden die Spei­ sesignale der Primärstrahler bzw. der einzelnen Sendestrahler zunächst digital erzeugt und dann in analoge Signale gewan­ delt. Diese digitale Signalerzeugung erlaubt die Generierung von Phasenkodesignalen. Die reziproke, empfangsseitige Ana­ log-Digital-Wandlung erfolgt im Übertragungsfrequenzbereich, in einem Zwischenfrequenzbereich oder im Basisband der Si­ gnalauswertung.
Werden die Empfangs- und Sendesignale in einem Gewichtungs­ netzwerk bewertet, so ist es vorteilhaft, wenn teilweise die­ selben Hardware-Komponenten benutzt werden. Bei der Auswahl einer Aperturbelegung der Antennensysteme ist es vorteilhaft mit nicht konventioneller, d. h. nicht homogener Aperturbe­ legung zu arbeiten, so daß z. B. gespreizte Antennencharak­ teristiken verwendet werden können, wie sie in A. Löhner, P. W. Baier, R. Thomas: "Enhancement of the angular resolution of radar antennas by diagram spreading", Proc. IEEE, 4th International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications (ISSSTA'96), Mainz, 1996, S. 882-889, beschrie­ ben sind. Letztere haben den Vorteil, daß die ausgeprägte Feinstruktur der gespreizten Antennencharakteristiken zu einer zusätzlichen Modulation führt, so daß bei entsprechen­ der empfangsseitiger Auswertung ein Informationsgewinn er­ reicht werden kann.
Eine Ausgestaltung des Radarsystems wird anhand von Fig. 6 und Fig. 7 illustriert. Fig. 6 zeigt dabei das Sendeanten­ nensystem und das Empfangsantennensystem.
Beide Antennensysteme benutzen einen gemeinsamen konkaven Reflektor (9). Zum Senden wird dieser mit dem zentral ange­ brachten Primärstrahler (10) des Sendeantennensystems aus­ geleuchtet. Zum Empfangen werden die beiden nicht zentral angebrachten sekundären Empfangssensoren (11) und (12) verwendet. Auf diese Weise erhält man gleichzeitig zwei unterschiedliche Empfangsantennencharakteristiken und damit auch zwei resultierende Antennencharakteristiken. Die eine dieser resultierenden Charakteristiken ist das Produkt der Charakteristik der aus dem Reflektor (9) und dem Primär­ strahler (10) bestehenden Sendeantenne und der Charakteristik der aus dem Reflektor (9) und dem sekundärem Empfangssensor (11) bestehenden Empfangsantenne.
Die andere dieser resultierenden Charakteristiken ist das Produkt der Charakteristik der aus dem Reflektor (9) und dem Primärstrahler (10) bestehenden Sendeantenne und der Charak­ teristik der aus dem Reflektor (9) und dem sekundären Emp­ fangssensor (12) bestehenden Empfangsantenne.
Bei dem Beispiel nach Fig. 6 bewirkt der sekundäre Empfangs­ sensor (11) eine resultierende Antennencharakteristik mit linksseitiger Betonung, vgl. (7) in Fig. 5, der sekundäre Empfangssensor (12) eine resultierende Antennencharakteristik mit rechtsseitiger Betonung, vgl. (8) in Fig. 5.
Fig. 7 zeigt das Prinzip einer Einrichtung zur Empfangssi­ gnalauswertung bei Verwenden der Antennenkonfiguration nach Fig. 6. Eine Einrichtung zum Erzeugen eines Sendesignals (13) speist den Primärstrahler (10). Die sekundären Empfangssen­ soren (11) und (12) speisen ihre jeweiligen Empfangssignale in Auswerteeinrichtungen (14) bzw. (15) ein.
Die Gesamtheit der Reflektivitäten der linksseitigen Punkte wird zu einem Spaltenvektor r l und die Gesamtheit der Ref­ lektivitäten der rechtsseitigen Punkte wird zu einem Spalten­ vektor r r zusammengefaßt. Dann erhält man an einem Ausgang (16) der Auswerteeinrichtung (14) mit bekannten, durch das verwendete Antennensystem gegebenen Diagonalmatrizen A ll und A lr die Linearkombination
r (l) = A ll . r l + A lr . r r (3)
von r l und r r.
Entsprechend erhält man an einem Ausgang (17) der Auswerte­ einrichtung (15) mit bekannten, durch das verwendete Anten­ nensystem gegebenen Diagonalmatrizen A rl und A rr die Linear­ kombination
r (r) = A rl . r l + A rr . r r (4)
von r l und r r. Aus r (l) nach (3) und r (r) nach (4) kann man die Spaltenvektoren r l und r r ermitteln. Dieser Ermittlung er­ folgt durch eine Signalauswerteeinrichtung (18), die an einem Ausgang (19) die gewünschten Spaltenvektoren r l und r r be­ reitstellt. Damit ist auch die gewünschte Auflösung von Punkten möglich, die wie die Punkte (4) und (5) bei konven­ tioneller Auflösung (siehe Fig. 4 und 5) nicht aufgelöst werden können.
Anhand des Beispiels nach Fig. 5 wird deutlich, daß die bei­ den resultierenden Antennencharakteristiken (7) und (8) rela­ tiv breit sind. Andererseits sollten sich die Werte der bei­ den resultierenden Antennencharakteristiken (7) und (8) für jede Richtung möglichst stark voneinander unterscheiden. Bei­ des wird erfüllt, wenn man Antennen mit breiten, jedoch mit ausgeprägter Feinstruktur versehenen Charakteristiken verwen­ det, wie sie in A. Löhner, P. W. Baier, R. Thomas: Enhancement of the angular resolution of radar antennas by diagram spreading. Proc. IEEE Fourth International Symposium on Spread Spectrum Techniques & Applications (ISSSTA'96), Mainz, 1996, 882-888, beschrieben sind. Dieser Gedanke ist Gegen­ stand von Unteranspruch 19.
Zwischen den Auswerteeinrichtungen (14, 15) und der Signalaus­ werteeinrichtung (18) ist ein Gewichtungsnetzwerk (21) ange­ ordnet, in dem die Empfangssignale zwecks Formung der Anten­ nencharakteristik (7, 8) bewertet werden.

Claims (17)

1. Radarverfahren zum Abbilden von Gelände und darauf befind­ licher Objekte, welches wenigstens zwei unterschiedliche An­ tennencharakteristiken zur Trennung von abzubildenden Punkten (4, 5) verwendet, welche die gleiche Zeitabhängigkeit ihres Ab­ standes von der bewegten das Radarsystem tragenden Plattform haben, wobei die Reflektivitäten der zu trennenden Punkte (4, 5) unter Berücksichtigung der Antennencharakteristiken und der Jeweiligen Summenreflektivitäten der zu trennenden Punkte (4, 5) berechnet werden.
2. Radarverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den unterschiedlichen Antennencharakteristiken elektrisch oder mechanisch umgeschaltet wird.
3. Radarverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Antennencharakteristiken gleich­ zeitig wirksam sind.
4. Radarverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Antennencharakteri­ stiken zeitlich nicht veränderlich sind.
5. Radarverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Antennencharakteri­ stiken zeitlich veränderlich sind.
6. Radarverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Summenreflektivitäten der zu trennen­ den Punkte (4, 5) in ein in einem Übertragungsfrequenzbereich oder in einem Zwischenfrequenzbereich arbeitendes Gewichtungs­ netzwerk eingespeist werden.
7. Radarverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Summenreflektivitäten der zu trennen­ den Punkte (4, 5) in einem Übertragungsfrequenzbereich oder in einem Zwischenfrequenzbereich oder in einem Basisband einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen und anschließend digital verarbeitet werden.
8. Radarsystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle zu trennenden Punkte mit gleicher Zeitabhängigkeit ihres Abstandes von den Hauptstrah­ lungskeulen jeder der Antennencharakteristiken erfasst werden.
9. Radarsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bildung der Antennencharakteristiken über ein Sendean­ tennensystem (10, 9) und ein Empfangsantennensystem (11, 12, 9) verfügt.
10. Radarsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendeantennensystem (10, 9) und das Empfangsantennensystem (11, 12, 9) teilweise dieselben Hardwarekomponenten benutzt.
11. Radarsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Sendeantennensystem (10, 9) und das Empfangsantennensystem (11, 12, 9) identisch oder gleich sind.
12. Radarsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Sendeantennensystem (10, 9) und/oder das Empfangsantennensystem (11, 12, 9) über eine nicht konventionel­ le und dadurch gespreizte Antennencharakteristik verfügt.
13. Radarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Sendeantennensystem (10, 9) aus einem oder mehreren Primär­ strahlern (10) und einem Reflektor (9) besteht.
14. Radarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Sendeantennensystem (10, 9) ein Gruppenstrahler, bestehend aus mehreren Sendestrahlern, ist.
15. Radarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Empfangsantennensystem (11, 12, 9) aus einem Reflektor (9) und einem oder mehreren sekundären Empfangselementen (11, 12) be­ steht.
16. Radarsystem nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Empfangsantennensystem (11, 12, 9) ein Gruppenstrahler, be­ stehend aus mehreren Empfangselementen (11, 12), ist.
17. Radarsystem nach einem der obigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Sendeantennensystem (10, 9) und/oder das Empfangsantennensystem (11, 12, 9) mit einem in einem Zwischen­ frequenzbereich oder in einem Übertragungsfrequenzbereich ar­ beitenden Gewichtungsnetzwerk verbunden sind, über welches sie angesteuert werden.
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