DE19731169A1

DE19731169A1 - Verwendung eines von einem fliegenden Träger mitgeführten Vorwärtssicht-Radar

Info

Publication number: DE19731169A1
Application number: DE19731169A
Authority: DE
Inventors: Franz Witte
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-07-21
Filing date: 1997-07-21
Publication date: 1999-02-18

Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines von einem flie genden Träger mitgeführten Vorwärtssicht-Radar zum zweidimen sionalen Abbilden eines in Flugrichtung vorausliegenden Sek torbereichs einschließlich dort detektierbarer Objekte.

Aus DE 40 07 611 und DE 40 07 612 ist ein derartiges Vor wärtssicht-Radar bekannt, bei welchem beispielsweise von fliegenden Trägern aus Land- oder Meeresoberflächen in einem vorausliegenden Sektor zweidimensional abgebildet werden. Hierzu ist bei dem bekannten Vorwärtssicht-Radar eine starr an einem Träger montierte Antenne vorgesehen, welche entweder aus einer Anzahl geradlinig in einer Reihe nebeneinander an geordneter Einzelelemente (DE 40 07 611) oder aus einer An zahl geradlinig nebeneinander und in zwei Reihen übereinander angeordneter Einzelelemente (DE 40 07 612), vorzugsweise in Form von Hornantennen aufgebaut ist. Bei einer vorgegebenen Aperturlänge l jedes Einzelelements und bei einem vorgegebe nen Abstand von n Einzelelementen weist die Antenne eine An tennenlänge L = n.l (DE 40 07 611) bzw. eine Antennenlänge L = n.l/2 auf (DE 40 07 612).

Hierbei wird in dem zuerst erwähnten Fall (DE 40 07 611) von einem Einzelelement inkohärent gesendet und anschließend mit den übrigen Einzelelementen gleichzeitig empfangen. Bei der an zweiter Stelle erwähnten Ausführung (DE 40 07 612) erfolgt jeweils mittels der Einzelelemente ein Senden und anschlie ßend ein Empfangen nacheinander, und zwar vom ersten bis zum letzten der Anzahl Einzelelemente. Zur Realisierung einer di gitalen Kopplung der Einzelelemente wird jedes Einzelelement gesondert digital ausgewertet und durch Korrelation einer speziellen, vorgegebenen Referenzfunktion wird in beiden Fäl len für jeden Winkelbereich eine digitale Verarbeitung durch geführt.

Mit einem derart ausgeführten Vorwärtssicht-Radar mit einer starr montierten Antenne können mit einem nachgeordneten, speziell ausgelegten Verarbeitungsverfahren zahlreiche Vor teile erzielt werden:

a) eine hohe Schwenkgeschwindigkeit der Antennenkeule, da diese nicht mechanisch, sondern elektronisch mit Hilfe ei ner speziellen Datenverarbeitung realisiert ist;
b) eine höhere Genauigkeit und dadurch eine bessere Qualität bei der Abbildung als mit allen bisher verfügbaren Gerä ten;
c) eine Unabhängigkeit von der Geschwindigkeit des Trägers, und
d) erheblich geringere Wartungskosten.

Ferner lassen sich die erfindungsgemäßen Vorwärtssicht-Radarsysteme auch in Verbindung mit Hubschraubern für Such-, Rettungs- und Umweltaufgaben einsetzen, da zur Anwendung die ser Vorwärtssicht-Radarsysteme keine Vorwärtsgeschwindigkeit erforderlich ist und die Eigenbewegung eines an einem vorge sehenen Ort gewissermaßen stehenden Hubschraubers unerheblich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein sowohl für Flächenflugzeuge als auch für Drehflügler geeignetes Avionik-System zu schaffen, durch das ein Pilot in die Lage versetzt wird, auch unter ungünstigsten Sichtverhältnissen bzw. sogar ohne jegliche Sicht ein gewünschtes Zielgebiet anzufliegen, gegebenenfalls sicher zu landen bzw. ohne jegliche Sicht pro blemlos zu starten.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch die Verwendung eines Vorwärtssicht-Radar gelöst, mit welchem ein in Flug richtung vorausliegender Sektorbereich einschließlich dort detektierbarer Objekte in Form eines einer Kartendarstellung entsprechenden, hochqualitativen Bildes abgebildet wird. Hierbei wird gemäß der Erfindung das durch elektronische Ver arbeitung empfangener Daten in kartentreuer Draufsicht erhal tene Bild in eine zentralperspektivische Projektion in Quasi-Pilotensicht umgesetzt, in die ein künstlicher Horizont ein geblendet ist und in die eine Höheninformation durch eine Quasi-3D-Darstellung eingebracht ist. Vorteilhafte Weiterbil dungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Durch die Verwendung eines der aus DE 40 07 611 und DE 40 07 612 bekannten Vorwärtssicht-Radarsysteme oder deren Kombina tion steht somit ein Avionik-System zur Verfügung, das breit einsetzbar ist und mit dem sowohl von Flächenflugzeugen als auch von Drehflüglern ohne jegliche Sicht, d. h. bei Sichtver hältnissen "null", sowohl jedes Zielgebiet angeflogen werden kann sowie Hindernisse sicher erkannt werden können, als auch problemlos gelandet oder vom Boden aus sicher gestartet wer den kann.

Aufgrund dieser Eigenschaften des erfindungsgemäßen Avionik-Systems ergibt sich für die Benutzung und Verwendung des Vor wärtssicht-Radarsystems ein breites Anwendungsspektrum, das beispielsweise von militärischen Aufklärungs- und Kampfhub schraubern, über Rettungs- und Off Shore-Hubschraubern bis zum Einsatz in Transport- und Zivilflugzeugen reicht. Die mit dem erfindungsgemäßen System erreichte Bildqualität ist der zeit mit keinem anderen System erzielbar.

Durch die Benutzung des aus den beiden erwähnten Patent schriften bekannten Vorwärtssicht-Radar ist somit ein allwet tertauglicher Sensor geschaffen, der auch bei schlechtesten Sichtverhältnissen bzw. bei Verhältnissen ohne jede Sicht und darüber hinaus auch während der Nacht eingesetzt werden kann. Durch die zentralperspektivische Projektion in Quasi-Pilotensicht gemäß der Erfindung ist ein quasi-optisches Bild mit einer durch die vorliegende hohe Bildwiederholrate konti nuierliche Bilddarstellung, beispielsweise auf einem hochauf lösenden Farbmonitor geschaffen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden Höheninformationen in Quasi-3D-Darstellung bezüglich der Höhe über Boden von natürlichen und/oder künstlichen Hindernissen in die Quasi-Pilotensicht eingebracht. Ferner kann in den beiden Moden (Draufsicht und Pilotensicht) eine Farbcodierung vorgenommen werden.

Darüber hinaus können gemäß einer weiteren vorteilhaften Aus gestaltung der Erfindung bei Landeanflügen irgendwelche Hin dernisse über einer vorgegebenen Höhe über Boden sowohl in der kartentreuen Draufsicht als auch in der Quasi-Pilotensicht farbig markiert werden. Ferner können ebenfalls sowohl in der Draufsicht als auch in der Quasi-Pilotensicht bei Aufklärungsflügen, insbesondere bewegte Ziele markiert, vorzugsweise farbig markiert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bleibt die zentralperspektivische Darstellung in Quasi-Pilotensicht mit eingeblendetem künstlichem Horizont auch im Kurvenflug erhalten.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann beispielsweise auf einem solchen hochempfindlichen Farbmoni tor auch bei Kurvenflug zwischen kartentreuer Draufsicht und zentralperspektivischer Darstellung in Quasi-Pilotensicht je weils mit eingeblendetem künstlichem Horizont umgeschaltet werden. Ebenso kann sowohl in der kartentreuen Draufsicht als auch in der zentralperspektivischen Darstellung in Quasi-Pilotensicht mit eingeblendetem künstlichem Horizont zwischen verschiedenen Entfernungsbereichen umgeschaltet werden, so daß dadurch ein Weitsichtmodus gewährleistet ist.

Darüber hinaus kann gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in Abhängigkeit von dem jeweili gen Einsatzgebiet das Vorwärtssicht-Radarsystem zwischen ver schiedenen Frequenzbereichen umgeschaltet werden, beispiels weise von dem L-Band (1,3GHz) über das X-Band (9,6GHz) bis zu dem Ka-Band, das bei etwa 35 GHz liegt. Bei Umschalten auf das Ka-Band können mittels des Vorwärtssicht-Radarsystem bei spielsweise Hochspannungsleitungen oder auch zur Begrenzung von Flächen eingesetzte Maschendrahtzäune erkannt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die zentralperspektivische Darstellung in Quasi-Pilotensicht mit eingeblendetem künstlichem Horizont an die Flughöhe und die Fluggeschwindigkeit automatisch angepaßt werden.

Ferner können als weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zusätzliche Daten oder Informationen in die zen tralperspektivische Darstellung in Quasi-Pilotensicht einge blendet werden, so beispielsweise Entfernungen zu markierten Zielen, die Höhe von markierten Hindernissen oder auch eine Markierung von bewegten Zielen, so daß dadurch ein MTI-(Moving Target Indication)Mode realisiert ist. Ferner können auch bewegte Ziele markiert werden.

Darüber hinaus ist es im Rahmen der Erfindung möglich, daß die zentralperspektivische Darstellung in Quasi-Pilotensicht mit weiteren Betriebsmoden, wie Wetterradar, Überwachungsra dar u. ä. kombiniert werden kann.

Aufgrund des bei dem Einsatz des Vorwärtssicht-Radar erreich baren, hohen Auflösungsvermögens kann mit Hilfe empfangener und gezielt ausgewählter Daten beispielsweise eine Einrich tung angesteuert bzw. ausgelöst werden, welche vor Hindernis sen warnt. Darüber hinaus ist auch eine sogenannte Head-up Display-Darstellung möglich.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin dung werden außer der kartentreuen Abbildung der Erdoberflä che auch Informationen bezüglich der Höhe über Boden von na türlichen und/oder künstlichen Hindernissen in Quasi-Pilotensicht gebracht.

Aufgrund der durch die Verwendung des Vorwärtssicht-Radarsystems erreichbaren, hochauflösenden, bildhaften Dar stellung des in Flugrichtung vorausliegenden Flugsektors ist ein Einsatz für Flüge im zivilen und militärischen Bereich möglich, so daß beispielsweise autonome Landeanflüge, geziel te, präzise Lastabwürfe u. a. zuverlässig durchführbar sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von verschiedenen Bei spielen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aus einer Anzahl nebeneinander angeordneter Einzelstrahler aufgebauten Antenne für den Einsatz bei Vorwärtssicht-Radar;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungsgeo metrie, wie sie sich von einem in vorgegebener Flu grichtung fliegenden Flugzeug ergibt;

Fig. 3 eine Draufsicht in kartentreuer Darstellung auf einen Teil einer Landebahn und deren unmittelbarer Umgebung aus einer Flughöhe von 1000 m;

Fig. 4 eine der Darstellung in Fig. 3 entsprechende zentral perspektivische Darstellung in Quasi-Pilotensicht desselben Teils der Landebahn und deren unmittelbarer Umgebung;

Fig. 5 eine Draufsicht in kartentreuer Darstellung wiederum eines Teils einer Landebahn aus einer Flughöhe von 300 m;

Fig. 6 eine der kartentreuen Darstellung der Fig. 3 entspre chende zentralperspektivische Darstellung in Quasi-Pilotensicht, und

Fig. 7 und 8 jeweils in kartentreuer Darstellung eine Drauf sicht aus einer Flughöhe von 100 m auf eine Baumgrup pe, wobei in Fig. 8 Bereiche mit einer bestimmten Höhe über Boden gesondert markiert sind.

In Fig. 1 sind schematisch n Einzelstrahler in Form von Horn-Antennen 10 einer Antennenanordnung 1 geradlinig nebeneinan der angeordnet. Wie im einzelnen nicht näher dargestellt, ist die Antennenanordnung 1 starr an einem - erheblich verklei nert wiedergegebenen - Flugzeug quer zu dessen durch einen Pfeil angezeigten Flugrichtung so angebracht, daß die Haupt abstrahlungsrichtung der Horn-Antennen 10 in Flugrichtung zeigt.

Hierbei wird gemäß DE 40 07 611 nur von einem Einzelstrahler, d. h. nur von einer Horn-Antenne 10 aus gesendet; anschließend wird jedoch mit allen übrigen Einzelelementen in Form bei spielsweise der Horn-Antennen 10 empfangen. Dagegen werden bei DE 40 07 612 die n Einzelstrahler nacheinander von dem ersten bis zu dem n-ten Element zum Senden und anschließend zum Empfangen benutzt.

Hierbei kann die Verarbeitung der Rohdaten in ähnlicher Weise wie bei dem bekannten SAR-Prinzip durchgeführt werden, wobei eine synthetische Apertur bei DE 40 07 611 durch den halben Abstand bzw. bei DE 40 07 612 durch den Abstand zwischen dem ersten und dem n-ten Einzelstrahler der Horn-Antennenanord nung zu ersetzen ist.

Bei der Verarbeitung wird das jeweilige Signal nach Amplitude und Phase in Abhängigkeit von der Entfernung mit einer hier nicht im einzelnen angegebenen konjugiert komplexen Referenz funktion korreliert. Entscheidend ist jedoch, daß das Emp fangssignal an jedem Einzelelement 10 infolge des unter schiedlichen Ortes zwischen Sender und Empfänger eine andere Phase zum Sendeimpuls aufweist. Das bedeutet, daß bei inkohä rentem Betrieb die Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Elementen konstant und bekannt sein muß (DE 40 07 611). Da gemäß DE 40 07 612 im Sende- und Empfangszweig kohärent gear beitet werden muß, muß bei dieser Arbeitsweise die Phasenlage der an verschiedenen Orten empfangenen Signale zueinander be kannt sein.

Wenn nunmehr der Abstand zwischen den n Einzelstrahlern 10 jeweils Δx ist, kann dieser Abstand ausgedrückt werden durch

Δx = l = λ/Θ bei DE 40 07 611 bzw. durch

Δx = l/2 = λ/Θ bei DE 40 07 612,

wobei jeweils mit l die Aperturlänge jedes Einzelstrahlers, mit λ die Wellenlänge und mit Θ der Beleuchtungswinkel be zeichnet sind. Der Beleuchtungswinkel Θ ist in der in Fig. 2 schematisch wiedergegebenen Beleuchtungsgeometrie eingetra gen.

Wenn die Entfernung zwischen einem Zielpunkt T und einem Ein zelstrahler 10 der jeweiligen Antennenanordnung mit r be zeichnet wird, läßt sich die Entfernung r, wie der schemati schen Darstellung der Fig. 2 zu entnehmen ist, ausdrücken durch:

r = √R² + (a - x)²,

wobei mit a der Abstand zwischen der Antennen-Mittenachse O und einem Punktziel T, mit x der Abstand zwischen Antennen-Mittenachse O und einem Einzelstrahler 10 und mit R der Ent fernungstor-Abstand bezeichnet sind, wie im einzelnen eben falls der schematischen Darstellung der Fig. 2 zu entnehmen ist.

In Fig. 3 ist aus einer Flughöhe von 1000 m im X-Band eine kartentreue Darstellung in Draufsicht mit einer verhältnismä ßig kurzen Antenne wiedergegeben, wobei etwa in Bildmitte ein Teil einer Landebahn zu erkennen ist.

In Fig. 4 ist die entsprechende zentralperspektivische Dar stellung in Quasi-Pilotensicht wiedergegeben, die durch ent sprechende Umsetzung der kartentreuen Darstellung in Drauf sicht der Fig. 3 erhalten worden ist. Im oberen Bereich von Fig. 4 ist ein Teil der Landebahn und im unteren Bereich das in Flugrichtung vor der Landebahn liegende Gebiet zu erken nen. In Fig. 4 ist entlang der oberen Längskante der Darstel lung ein eingeblendeter künstlicher Horizont beispielsweise in Form eines schwarzen Balkens wiedergegeben.

Sowohl in Fig. 3 als auch in Fig. 4 betrug der Beleuchtungswin kel in Azimutrichtung 60° und der Depressionswinkel reichte 14° bis 60°. Die Auflösung in Azimutrichtung betrug im Nahbereich 10 m und im Fernbereich 35 m, während die Auflösung in Elevationsrichtung 3 m betrug.

In Fig. 5 ist wieder ein Teil derselben Landebahn einer kartentreuen Darstellung in Draufsicht, diesmal aus einer Flughöhe von 300 m, wiedergegeben.

Fig. 6 zeigt die zentralperspektivische Darstellung in Quasi-Pilotensicht und entlang der oberen Längskante ist ein einge blendeter künstlicher Horizont beispielsweise in Form eines schwarzen Balkens wiedergegeben.

Fig. 7 zeigt in einer kartentreuen Darstellung eine Draufsicht auf eine Baum- und Gebüschgruppe bei einer X-Band-Frequenz 9,6 GHz und aus einer Flughöhe von 100 m.

In Fig. 8 ist derselbe Ausschnitt wie in Fig. 7 wiedergegeben. In der praktischen Ausführung zeigen farbig ausgelegte Mar kierungen Bereiche, die in einer Höhe von beispielsweise mehr als 3 m über dem Umgebungsbereich, d. h. 3 m über Boden nach oben vorstehen.

In Fig. 7 und 8 betrug ebenso wie bei den Darstellungen in Fig. 3 und 4 der Beleuchtungswinkel in Azimutrichtung wieder 60° und der Depressionswinkel reichte von 14° bis 60°. In Fig. 7 und 8 betrug die Auflösungsfläche im Nahbereich 0,6 m² und im Fernbereich 1,1 m².

Claims

1. Verwendung eines von einem fliegenden Träger mitgeführten Vorwärtssicht-Radar zum zweidimensionalen Abbilden eines in Flugrichtung vorausliegenden Sektorbereichs einschließlich dort detektierbarer Objekte in Form eines einer Kartendar stellung entsprechenden hochqualitativen Bildes, wobei das durch elektronische Verarbeitung empfangener Daten in karten treuer Draufsicht erhaltene Bild in eine zentralperspektivi sche Projektion in Quasi-Pilotensicht umgesetzt wird, in die ein künstlicher Horizont eingeblendet ist und in die eine Hö heninformation durch eine Quasi-3D-Darstellung eingebracht ist.

2. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radar nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß Höheninformationen in Quasi-3D-Darstellung bezüglich der Höhe über Boden von natürlichen und/oder künstlichen Hindernissen in die Quasi-Pilotensicht eingebracht werden.

3. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radar nach einem der An sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Landeanflü gen irgendwelche Hindernisse über einer vorgegebenen Höhe über Boden in der Draufsicht und/oder in der Quasi-Pilotensicht farbig markiert sind.

4. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radar nach einem der An sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufklä rungsflügen in der Draufsicht und/oder in der Quasi-Pilotensicht insbesondere bewegte Ziele markiert werden.

5. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radar nach einem der An sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden Moden (Draufsicht und Pilotensicht) eine Farbcodierung vorge nommen wird.

6. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radars nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die zentralperspektivische Darstel lung in Quasi-Pilotensicht mit eingeblendetem künstlichem Ho rizont auch im Kurvenflug erhalten bleibt.

7. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radars nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß auch bei Kurvenflug auf einem hochauflösendem Farbmonitor zwischen kartentreuer Draufsicht und zentralperspektivischer Darstellung in Quasi-Pilotensicht jeweils mit eingeblendetem künstlichem Horizont umschaltbar ist.

8. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radars nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zen tralperspektivische Projektion in Quasi-Pilotensicht mit ein geblendetem künstlichem Horizont zwischen verschiedenen Ent fernungsbereichen umschaltbar ist.

9. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radar nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhän gigkeit von dem jeweiligen Einsatzbereich der Frequenzbereich (L-Band bis Ka-Band) des Vorwärtssicht-Radar umschaltbar ist.

10. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radar nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zen tralperspektivische Darstellung in Quasi-Pilotensicht mit eingeblendetem künstlichen Horizont an die Flughöhe und die Fluggeschwindigkeit automatisch angepaßt wird.

11. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radar nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu der zentralperspektivischen Darstellung in Quasi-Pilotensicht zu sätzliche Daten/Informationen abgebildet werden.

12. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radar nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der zentralperspektivischen Darstellung in Quasi-Pilotensicht be wegte Ziele markiert werden.

13. Verwendung eines Vorwärtssicht-Radar nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zen tralperspektivische Darstellung in Quasi-Pilotensicht mit weiteren Betriebsmoden, wie Wetterradar, Überwachungsradar u. ä. kombiniert wird.