DE19738260C2 - Verfahren zur Detektion eines Radarzieles - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Detektion eines Radarzieles nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Der in dieser Patentanmeldung benutzte Begriff "Radarziel" ist ein Synonym (Kurzfassung) für den Ausdruck "ein mittels einer Radaranlage detektierbares (erfaßbares) Ziel". Dabei bedeutet "Ziel" einen Gegenstand, der Radarwellen reflek­ tiert und der mindestens eine vorgebbare Eigenschaft be­ sitzt, beispielsweise einen vorgebbaren minimalen Radar- Rückstreuquerschnitt überschreitet.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf die Detektion von Seezielen, beispielsweise Schiffen, die umgeben sind von möglichem sogenannten (Radar-)Clutter, der beispielsweise auf Meeres-Wellen und/oder Umwelteinflüssen, wie Wol­ ken und/oder Niederschlägen, beruht.

Bei der Detektion derartiger Ziele ist es bekannt, gepulste Sendesignale zu verwenden. Die von der Radaranlage empfan­ genen Echosignale, die von zu detektierenden Zielen sowie Clutter herrühren, werden zunächst in den Video(frequenz)- Bereich herabgemischt. Es entsteht ein analoges Video-Sig­ nal, das anschließend mittels eines Analog/Digital-Wandlers in ein digitalisiertes Video-Signal umgesetzt wird.

Es ist nun zweckmäßig, vor und/oder nach der Digitalisie­ rung eine Filterung durchzuführen derart, daß zumindest störende Rauschanteile unterdrückt werden, beispielsweise mittels einer an sich bekannten CFAR-Schaltung ("Constant False Alarm Rate").

Es ist weiterhin zweckmäßig, diejenigen störenden Echosi­ gnale, die von Clutter herrühren, dadurch zu unterdrücken, daß ein den Clutter beschreibendes statistisches Modell er­ stellt wird, beispielsweise mittels einer Impulshöhenanaly­ se, und anhand dieses Modells ein den Clutter kennzeichnen­ den Schwellwert ermittelt wird.

Aus den Schwellwerten, die insbesondere dem Rauschen sowie dem Clutter zugeordnet sind, wird anschließend in vorgebba­ rer Weise eine sogenannte Treffererkennungsschwelle gebil­ det. Alle Echosignale (im Video-Signal), die größer sind als die Treffererkennungsschwelle, werden als zu einem Ziel gehörend betrachtet. Ein derartiges Verfahren ist aus der US 4,293,856 bekannt.

Ein solches Verfahren hat nun den Nachteil, daß aus Echosi­ gnalen, die aufgrund ihrer Verarbeitung auch aus sogenann­ ten Nebenzipfeln, beispielsweise auftretend nach einer Pulskompression, bestehen können, im Laufe der beschriebe­ nen Signalverarbeitung sogenannte Scheinziele entstehen können. Diese sind in vielen Fällen nicht unterscheidbar von tatsächlichen, an sich zu detektierenden Zielen.

Es ist nun naheliegend, die bei einer vorgegebenen Radaran­ lage auftretenden Nebenzipfel zu erfassen und die Treffer­ erkennungsschwelle lokal derart anzuheben, daß auf Neben­ zipfel zurückzuführende Echopulse dann unterdrückt werden. Ein solches Verfahren hat den Nachteil, daß sogenannte kleine Ziele (Ziele, die einen kleinen Echopuls erzeugen) ebenfalls unterdrückt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemä­ ßes Verfahren dahingehend zu verbessern, daß die von Neben­ zipfeln herrührenden Echosignale unterdrückt werden, ohne daß gleichzeitig die von kleinen tatsächlichen Zielen her­ rührenden Echosignale unterdrückt werden, insbesondere im Bereich eines großen Zieles.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß zu­ nächst die statistische Verteilung des Clutter ermittelt wird und davon abhängige Schwellwerte gebildet werden. Dies passen sich daher adaptiv an den vorhandenen, möglicherwei­ se entfernungs- und/oder zeitabhängigen Clutter an.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß eine den vorhandenen Nebenzipfeln (des Pulskompressionsfilters) entsprechende Maske gebildet wird zur Unterdrückung der durch Nebenzipfel erzeugten Amplituden und daß diese Maske ebenfalls adaptiv von dem vorhandenen Clutter abhängt.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß eine zuverlässige Unterdrückung der von Nebenzipfeln verursachten Amplituden (Scheinziele) auch bei einer tatsächlich vorhandenen Mehr­ zielsituation möglich ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Pulskompressi­ ons(Pk-)-Nebenzipfel im wesentlichen dann mit entsprechend hoher Intensität auftreten, wenn ein großes Ziel (Ziel, das einen großen Echopuls (Echoimpuls mit großem Signal/Rausch- Abstand) erzeugt) erfaßt wird. Dann entstehen im Videosi­ gnal unmittelbar neben einem großen Echopuls, der zu dem großen Ziel gehört, im allgemeinen mehrere kleine Echopul­ se.

Bei dem Verfahren wird nun die erwähnte Treffererkennungs­ schwelle nur in einer vorgebbaren Umgebung eines großen Zieles derart erhöht, daß in dieser Umgebung die von Neben­ zipfeln herrührenden Störungen unterdrückt werden. Außer­ halb von dieser Umgebung wird die Treffererkennungsschwelle dann auf einen wesentlich niedrigeren vorgebbaren Wert ge­ senkt, so daß auch kleine Ziele zuverlässig detektiert wer­ den können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Figuren. Es zeigen

Fig. 1 bis Fig. 4 schematisch dargestellte Diagramme zur Er­ läuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Szenario, aus Zielen, Pulskompressions-Ne­ benzipfeln, schwachem Seeclutter und einer CFAR-Schwelle, für eine Puls-Radaranlage zur Detektion von Seezielen, bei­ spielsweise kleinen sowie großen Schiffen, ein typisches digitalisiertes (Roh-)Videosignal, bei dem nach einer Digi­ talisierung (Analog/Digital-Wandlung), einer anschließenden Pulskompression, entsprechend den verwendeten codierten Sendepulsen, außerdem eine Logarithmierung durchgeführt wurde. In Fig. 1 ist auf der Abszisse die Entfernung (Range) in km von der Radaranlage aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Amplitude im logarithmischen Maßstab aufgetragen. Das digitalisierte (Roh-)Videosignal enthält zu detektierende tatsächliche Ziele, die lediglich aus Gründen der Klarheit mit den Nummern 1 bis 12 bezeichnet sind, aber ansonsten in dem (Roh-)Videosignal an sich allenfalls sehr ungenau er­ kennbar sind, insbesondere die mit 2, 9 sowie 10 bezeichne­ ten Ziele. Das (Roh-)Videosignal enthält außer den Zielen noch Rausch- und Clutter-Anteile sowie Signalanteile, die von den erwähnten Pulskompressions-Nebenzipfeln, die in der Radartechnologie an sich bekannt sind, herrühren. Auf die­ ses digitalisierte (Roh-)Videosignal wird zunächst eine CFAR-Schaltung ("Constant False Alarm Rate") angewendet. Bei dieser ist eine gewünschte vorgebbare Falschalarmwahr­ scheinlichkeit P_fa einstellbar. Diese wird vorteilhafter­ weise derart gewählt, daß auch noch vorgebbar kleine Ziele erkennbar sind, das heißt, nicht unterdrückt werden. Dabei entsteht jedoch das Risiko, daß an sich unerwünschte scheinbare Ziele entstehen, beispielsweise Signalanteile, die von besonders hohen Meereswellen herrühren. Derartige Signalanteile werden von der CFAR-Schaltung absichtlich nicht unterdrückt, sondern erst in einem späteren Verfahrensschritt erkannt und ausgesondert. Die CFAR-Schaltung erzeugt eine CFAR-Schwelle (Schwellwert), die in Fig. 1 als dicke durchgezogene Linie CFAR dargestellt ist.

Mittels einer (Video-)Subtraktions-Schaltung werden nun aus dem (Roh-)Video-Signal die mit der CFAR-Schaltung ermittel­ ten Störanteile entfernt. Es entsteht ein Videosignal (vi­ deosubtrahiertes Szenario, das heißt ein Szenario entspre­ chend Fig. 1 minus CFAR-Schwelle) entsprechend Fig. 2. Dieses enthält nicht statistische Nebenzipfel- und Ziel-Anteile sowie (entfernungsabhängige) statistische Clutteranteile. Diese Signalanteile sind unterscheidbar mittels einer nach­ folgend beschriebenen Impulshöhenanalyse und daraus abge­ leiteten Treffererkennungs-Schwellwerten T1 bis T4.

Bei der Impulshöhenanalyse wird zunächst zu allen in dem digitalisier­ ten Videosignal entsprechend Fig. 2 enthaltenen Amplituden­ werten eine Verteilungsdichtefunktion VDF des videosubtra­ hierten Szenarios (Fig. 2) entsprechend Fig. 3 ermittelt. Da­ bei ist die Häufigkeit (der digitalisierten Amplitudenwer­ te) in Abhängigkeit von den Amplitudenwerten dargestellt. Die Verteilungsdichtefunktion VDF enthält einen mit Clutter bezeichneten Anteil, der im wesentlichen durch den ersten Schwellwert T1 begrenzt ist, einen mit PK-NZ ("Pulskompres­ sions-Nebenzipfel"), (starkem) Clutter und schwachen (klei­ nen) Zielen bezeichneten Anteil, der zwischen den Schwell­ werten T1 und T2 liegt und einen von großen Zielen herrüh­ renden Anteil, bei welchem die Amplituden größer als ein dritter Schwellwert T3 sind. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß Clutter durch kleine Amplituden, die mit großer Häufigkeit auftreten, gekennzeichnet ist. Im folgenden wird nun die Ermittlung der Schwellwerte T1 bis T4 beschrieben.

Es wird nun zunächst für alle Amplituden der (Amplituden-)Mit­ telwert M ermittelt sowie der Amplitudenwert M + S, wobei S die Standardabweichung bedeutet.

Wird angenommen, daß die dem Clutter zuzuordnenden Amplitu­ den einer Gauss-Verteilung entsprechen, so ist der erste Schwellwert T1 ermittelbar entsprechend der Formel

T1 = M + S.K(P_fa1) = M + S.K1, (1)

wobei K(P_fa1) = K1 eine vorgebbare erste Konstante ist, die von einer vorgebbaren ersten Falschalarmwahrscheinlichkeit P_fa1 abhängt. Diese wird in zweckmäßiger Weise derart ge­ wählt, daß auch einige an sich unerwünschte statistische Störspitzen, die insbesondere von Rauschen oder Seeclutter herrühren, eines vorhandenen Amplituden-Szenarios (Fig. 2) die erste Schwelle T1 (Fig. 3) überschreiten. Dadurch wird sichergestellt, daß kleine (schwache) Ziele (zwischen T1 und T2 in Fig. 3) nicht unterdrückt werden. Beispielsweise kann K(P_fa1) = K1 = 1,5 gewählt werden entsprechend einer ersten Falschalarmwahrscheinlichkeit P_fa1 von ungefähr 6,7.10^-2.

Da die erwähnten Pulskompressions-Nebenzipfel lediglich im Zusammenhang mit großen Zielen (Zielen mit einem vorgebbar großem S/N-Verhältnis) auftreten, müssen zunächst die zu großen Zielen gehörenden Zielamplituden z_i ermittelt wer­ den, entsprechend der Formel

z_i < T3 mit T3 = M + K3.S, (2)

wobei K3 eine vorgebbare dritte Konstante bedeutet. Bei­ spielsweise kann K(P_fa3) = K3 = 3,5 gewählt werden entspre­ chend einer dritten Falschalarmwahrscheinlichkeit P_fa3 von ungefähr 2,3.10^-4. Diese dritte Schwelle T3 ist daher von den Werten M sowie S abhängig. Alternativ dazu kann für die dritte Schwelle T3 auch ein von den Werten M und S un­ abhängiger konstanter Wert vorgegeben werden.

Für alle großen Ziele, deren Zielamplituden z_i die Formel (2) erfüllen, sind die Bereiche ihrer PK-NZ (Pulskompres­ sions-Nebenzipfel) bekannt. Für diese PK-NZ-Bereiche wird nun eine PK-NZ-Maske, welche die Signalanteile entsprechend den Pulskompressions-Nebenzipfeln unterdrückt, gebildet. Diese PK-NZ-Maske ist gekennzeichnet durch einen zweiten Schwellwert T2(n_i), wobei n_i die (Nebenzipfel-)Amplituden­ werte bezeichnet, die zu einer großen Zielamplitude z_i < T3 gehören. Für den zweiten Schwellwert T2(n_i) gilt die Formel

T2(n_i) = M + K2.S, (3)

wobei K2 eine zweite Konstante bedeutet. Für diese kann beispielsweise der Wert K2 = 2,5 gewählt werden entspre­ chend einer Falschalarmwahrscheinlichkeit P_fa von ungefähr 6,2.10^-3.

Die Formeln (1) bis (3) bedeuten, daß der üblicherweise geltende Schwellwert T1 angehoben wird auf den Schwellwert T2 im Nebenzipfel-Bereich großer Ziele, ausschließlich der Amplituden z_i der großen Ziele. Um zu verhindern, daß in nachteiliger Weise auch die Amplituden z_i, mit z_i < T3, um den zweiten Schwellwert T2 verkleinert werden, wird nun ein vierter Schwellwert T4 eingeführt, der nur die Amplituden der großen (starken) Ziele beeinflußt, entsprechend der Formel

T4(z_i) = M + K4.S, mit z_i < T3. (4)

Dabei ist es zweckmäßig, die vierte Konstante alternativ zu wählen entsprechend K4 = K1 oder K4 = 0. Letzteres (K4 = 0) bedeutet, daß Zielamplituden z_i mit voller Amplitude wie­ dergegeben werden.

Ein resultierender Schwellwert T, der in Fig. 4 als dick ausgezogene treppenförmige Linie dargestellt ist, hat also einen Verlauf entsprechend der Formel

Aus Fig. 4, welche der Fig. 2 entspricht und welche das vi­ deosubtrahierte Szenario mit der Schwelle T (einschließlich der PK-NZ-Maske) zeigt, ist ersichtlich, daß bei einem treppenförmigem Verlauf des Schwellwertes T entsprechend Formel (5), mit T4 = T1, alle 12 Ziele (Fig. 1) detektiert werden können und daß außerdem eine gute Unterscheidung (Klassifikation) zwischen großen (starken) Zielen (1, 3, 4, 5, 7, 11 in Fig. 4) und kleinen (schwachen) Zielen (2, 6, 8, 9, 10, 12 in Fig. 4) möglich ist.

In den Formeln (1) bis (5) wurden für die Konstanten K1 bis K4 feste Werte angegeben. Alternativ dazu ist es möglich, diese Konstanten mit einer vorgebbaren Falschalarmwahr­ scheinlichkeit P_fa zu verknüpfen entsprechend der Formel

wobei n_0,1 eine Gauss-förmige Vertei­ lung der Clutteramplituden bezeichnet.

Eine weitere Unterscheidung (Klassifikation), ob ein Ziel oder Clutter vorliegt, in einem mit dem Schwellwert T, ent­ sprechend Fig. 4, gewichteten Videosignal ist möglich mit­ tels der in der Radartechnologie an sich bekannten (Anten­ nen-)Umlaufkorrelation sowie eines dieser optional nachge­ schalteten Wanderfeld-Zieldetektion ("Moving-Target-Detek­ tor"). Damit ist eindeutig feststellbar, ob eine kleine Amplitude, beispielsweise die mit 2 in Fig. 4 bezeichnete, einem kleinen (schwachen) Ziel oder beispielsweise einer großen Meereswelle zuzuordnen ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Detektion eines Radarzieles in Anwesenheit von Clutter, wobei
von einer Radaranlage codierte Sendepulse ausgesendet werden,
die von der Radaranlage empfangenen Echosignale, die Ra­ darziele sowie Clutter enthalten, in den Videobereich umgesetzt werden derart, daß dort den Amplituden der Echosignale entsprechende digitalisierte Impulshöhenwer­ te erzeugt werden,
aus den digitalisierten Impulshöhenwerten mittels eines Pulskompressionsfilters, das an die codierten Sendesignale angepaßt ist, den Sendepulsen entsprechende Emp­ fangspulse gebildet werden,
aus der Folge der Empfangspulse die Rausch- sowie Clut­ teranteile entfernt werden mittels einer CFAR-Bewertung, bei der eine vorgebbare Falschalarmwahrscheinlichkeit eingestellt wird und
die nach der CFAR-Bewertung verbleibenden Empfangspulse einer Zielauswertung zugeleitet werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß zu den nach der CFAR-Berwertung verbleibenden digi­ talisierten Impulshöhenwerten eine Verteilungsdichte­ funktion gebildet wird,
daß in der Verteilungsdichtefunktion der digitalisierten Impulshöhenwerten der Mittelwert M und die Standardab­ weichung S ermittelt werden,
daß aus dem Mittelwert M und der Standardabweichung S ein Treffererkennungsschwellwert T ermittelt wird ent­ sprechend der Formel
mit T3 = K3.S, wobei
K1 bis K4 vorgebbare Konstanten,
n_i von Nebenzipfeln herrührende Amplituden und
z_i von starken Zielen herrührende Amplituden bedeuten und
daß alle digitalisierten Impulshöhenwerte, die größer als der Treffererkennungsschwellwert T sind, der weite­ ren Zielerkennung zugeführt werden.

2. Verfahren zur Detektion eines Radarzieles nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Kon­ stanten (K1 bis K4) in vorgebbarer Weise mit einer vor­ gebbaren Falschalarmwahrscheinlichkeit verknüpft wird.

3. Verfahren zur Detektion eines Radarzieles nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von Nebenzipfeln herrührenden digitalisierten Impulshöhen­ werte dadurch unterdrückt werden, daß zunächst die bei einem großem Ziel zu erwartenden Bereiche von Pulskom­ pressions-Nebenzipfeln ermittelt werden und daß in Ab­ hängigkeit von den zu erwartenden Nebenzipfeln der Tref­ fererkennungsschwellwert (T2) gewählt wird.

4. Verfahren zur Detektion eines Radarzieles nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zu einem vorgebbar großen Ziel gehörenden di­ gitalisierten Impulshöhenwert der Treffererkennungs­ schwellwert (T4) auf einen vorgebbaren Wert (T1) gesenkt wird derart, daß der zu dem großen Ziel gehörenden digi­ talisierten Impulshöhenwert im wesentlichen erhalten bleibt.

5. Verfahren zur Detektion eines Radarzieles nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung bei der Detekti­ on eines Seezieles, wobei der Clutter im wesentlichen von der Wellenbewegung des Meeres herrührt.