DE19748604A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Seiten- und/oder eines Höhenwinkels bei einem mehrstrahligen Radarsystem - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung eines Seiten- und/oder eines Höhenwinkels bei einem mehrstrahligen Radarsystem

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestim­ mung eines Seiten- und/oder eines Höhenwinkels gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Sie betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und somit ein mehrstrahliges Radarsystem, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Seiten- und/oder Höhenwinkels implementiert ist.
Stand der Technik
Die Bestimmung eines Winkels (Azimut und/oder Elevation) gehört seit langem zu den originären Aufgaben vieler Radar­ systeme. Dementsprechend sind zahlreiche Verfahren bekannt, anhand der eine solche Winkelbestimmung erfolgen kann. Im wesentlichen lassen sich dabei zwei verschiedene Ansätze unterscheiden. Der erste Ansatz besteht darin, die Antennen­ keule einer Sende- und Empfangsantenne des Radarsystems mechanisch oder elektronisch in der Ebene des gesuchten Winkels zu schwenken. Dabei läßt sich aus der Position der Antennenkeule zu dem Zeitpunkt, an dem ein Echosignal aufge­ nommen wird, auf die Position oder Winkellage des detektier­ ten Radarziels schließen. Der zweite Ansatz besteht darin, Echosignale detektierter Radarziele über mehrere Antennen­ keulen eines mehrstrahligen Radarsystems aufzunehmen und die Winkellage des Radarziels durch eine Signalauswertung der Echosignale aus den einzelnen Antennenkeulen zu bestimmen. Ein bekanntes Beispiel für diesen zweiten Ansatz ist das sog. Monopulsverfahren. Hierbei werden Echosignale über zwei Antennenkeulen gleichzeitig aufgenommen und der Winkel eines Radarziels wird anhand einer Amplituden- und/oder einer Phasendifferenz der über die getrennten Antennenkeulen auf­ genommenen Echosignale bestimmt. Ein Radarsystem mit einer derartigen Winkelauswertung ist beispielsweise in der EP 0 766 100 A1 beschrieben. Auch aus der US 4,320,400 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Einfallwinkels auf­ genommener Radarsignale bekannt, wobei auch hier der Ein­ fallswinkel anhand eines Amplituden- und eines Phasenver­ gleichs von Radarsignalen, die über mehrere Antennen aufge­ nommen wurden, bestimmt wird.
Ein gegenüber diesen Schriften anderes Verfahren, das jedoch ebenfalls dem zweiten Ansatz zuzuordnen ist, ist in der WO 97/20229 beschrieben. Danach wird bei einem Radarsystem, das insbesondere bei Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, der Winkel, in dem sich ein detektiertes Radarziel befindet, dadurch bestimmt, daß Echosignale des Radarziels über minde­ stens zwei Empfangskanäle aufgenommen werden, deren Amplitu­ den normiert werden und mit abgespeicherten, normierten Werten eines Zweiwege-Antennen-Diagramms des Radarsystems verglichen werden. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ver­ fahrens gegenüber dem zuvorgenannten besteht darin, daß hier die Notwendigkeit von möglichst exakt symmetrischen Anten­ nenkeulen entfällt, da hier nicht ein Vergleich der empfan­ genen Signale untereinander, sondern ein Vergleich der empfangenen Echosignale mit abgespeicherten Referenzwerten stattfindet. Dies reduziert den Aufwand und damit natürlich auch die Kosten für die Herstellung eines solchen Radar­ systems. Es hat sich nun jedoch gezeigt, daß bei den Winkel­ lagen, bei denen im Antennendiagramm der Empfangselemente Nullstellen auftreten, Mehrdeutigkeiten bei der Winkel­ bestimmung nur mit einem zusätzlichen Aufwand zu vermeiden sind. Dieser zusätzliche Aufwand besteht darin, durch eine "Deformation" des Antennendiagramms die Ausprägung der Nullstellen zu verringern. Dies ist jedoch zwangsläufig auch mit einem insgesamt verringerten Antennengewinn verbunden.
Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein darauf basierendes Radarsystem anzugeben, das eine ver­ besserte Winkelauswertung besitzt, bei der die zuvor genann­ ten Nachteile beseitigt sind. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein darauf basierendes Radarsystem sind durch die Merkmale der weiteren Ansprüche gekennzeichnet.
Vorteil der Erfindung gegenüber dem in der WO 97/20229 be­ schriebenen Verfahren ist, daß die Genauigkeit bei der Bestimmung der Winkellage eines detektierten Radarziels deutlich verbessert ist. Darüber hinaus kann auf eine Defor­ mation des Antennendiagramms zur Vermeidung von Mehrdeutig­ keiten im Bereich der Nullstellen des Antennendiagramms verzichtet werden. Gleichzeitig ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach und vor allem sehr kostengünstig zu realisieren, da der zusätzliche Bedarf an Speicherplatz und Rechenaufwand sehr gering ist.
Gegenüber den bekannten Monopulsverfahren besitzt die Erfin­ dung den Vorteil, daß darauf basierende Radarsysteme bei gleicher Winkelauflösung über einen größeren Beobachtungs­ bereich verfügen können, da bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren im Gegensatz zum Monopulsverfahren prinzipiell beliebig viele Empfangsstrahlen zur Auswertung herangezogen werden können. Trotzdem ermöglicht die Erfindung eine nahezu gleichzeitige Auswertung aller Empfangsstrahlen. Dies bietet gleichzeitig gegenüber ebenfalls bekannten Radarsystemen mit elektronisch geschwenkten, einzeln nacheinander eingeschal­ teten Empfangsstrahlen den Vorteil wesentlich geringerer Kohärenzprobleme bei der Auswertung der Phaseninformation.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines aus der WO 97/20229 bekannten, dreistrahligen Radarsystems,
Fig. 2 ein Flußdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 3 ein Flußdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 sind drei Sende-/Empfangselemente 3, 4, 5 mit drei sogenannten Dual-Ratrace-Ringen 7, 8, 9 verbunden. Die Dual-Ratrace-Ringe vereinigen die Funktion eines Empfangs­ mischers mit der einer Sende-/Empfangsweiche bzw. eines Zirkulators und sind in ihrer Funktionsweise und ihrem Auf­ bau beispielsweise in der Patentanmeldung GB 22 90 000 ausführlich beschrieben. Außerdem erhält jeder der Dual- Ratrace-Ringe 7, 8, 9 das Ausgangssignal eines spannungs­ gesteuerten Oszillators 6. Das Ausgangssignal jedes der drei Dual-Ratrace-Ringe 7, 8, 9 wird über Verstärker 10, 11, 12 und Filter 13, 14, 15 zu jeweils einem Analog-Digital- Wandler 16, 17, 18 geführt. Diese sind an ihrem Ausgang mit einem Auswerterechner 19 verbunden. Mit 1 ist ein detektier­ tes Radarziel bezeichnet, von dem aus eine Wellenfront unter einem Winkel α zur optischen Achse 2 des Radarsystems zu den Sende-/Empfangselementen 3, 4, 5 reflektiert wird.
Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens. Es baut auf dem in der WO 97/20229 beschriebenen Verfahren auf, auf das hier zur weiteren Erläuterung ver­ wiesen ist. Gemäß Block 21 sind in einem Speicherbereich des Auswerterechners 19 normierte Diagrammwerte nDk(a) der Antennendiagramme von k Empfangsstrahlen des Radarsystems in Abhängigkeit eines Winkelindex a abgespeichert. Für das Radarsystem gemäß Fig. 1 ist k beispielsweise gleich drei. Die Erfindung kann jedoch auch bei einem Radarsystem mit zwei oder auch mit mehr als drei Empfangsstrahlen angewendet werden. Gemäß Schritt 22 werden Echosignale Ek, welche von einem detektierten Radarziel 1 reflektiert werden, über die insgesamt k Empfangsstrahlen aufgenommen. In Schritt 23 werden die Amplituden der aufgenommenen Echosignale Ek auf dieselbe Weise normiert, wie die abgespeicherten normierten Diagrammwerte nDk(a) gemäß Schritt 21. Dies ergibt für jeden Empfangsstrahl k einen normierten Amplitudenwert nEk. Die Normierung erfolgt hier vorzugsweise anhand einer Summen­ norm, wie sie in der WO 97/20229 beschrieben ist. Gemäß Schritt 24 werden die normierten Amplituden nEk der auf­ genommenen Echosignale Ek mit den abgespeicherten normierten Diagrammwerten nDk(a) verglichen. Vorzugsweise geschieht dies dadurch, daß für jeden Empfangsstrahl k erste Diffe­ renzfunktionen Bk(a) zwischen der normierten Amplitude nEk des Echosignals aus diesem Empfangsstrahl und den abgespei­ cherten normierten Diagrammwerten nDk(a) des Antennendia­ gramms des Empfangsstrahls gebildet werden. In Schritt 25 wird nun erfindungsgemäß zusätzlich auch eine Phasendiffe­ renz ϕkl zwischen den aufgenommenen Echosignalen Ek aus wenigstens zwei Empfangsstrahlen k und l bestimmt. In Abwandlung davon können auch mehrere Phasendifferenzen ϕkl, beispielsweise zwischen dem ersten und dem zweiten, dem zweiten und dem dritten und dem ersten und dem dritten Empfangsstrahl gebildet werden.
Gemäß Schritt 20 sind erfindungsgemäß weiterhin Phasen­ differenzwerte Φkl(a) abhängig vom Winkelindex a in einem weiteren Speicherbereich des Auswerterechners 19 als Referenz- oder Vergleichswerte abgespeichert. In Schritt 26 wird bzw. werden nun auch die Phasendifferenzen ϕkl mit den abgespeicherten Phasendifferenzwerten Φkl(a) verglichen. Vorzugsweise geschieht dies dadurch, daß eine zweite Diffe­ renzfunktion P(a) gebildet wird und zwar aus der bestimmten Phasendifferenz ϕkl zwischen den Echosignalen aus wenigstens zwei Empfangsstrahlen k und l und den abgespeicherten Phasendifferenzwerten Φkl(a). Zusätzlich wird diese weitere Differenzfunktion P(a) mit einem Amplitudenfaktor A gewichtet. Als Amplitudenfaktor A wird dabei vorzugsweise eine Summe aus den normierten Amplituden nEk und nEl der Empfangsstrahlen k und l gewählt, zwischen denen die Phasen­ differenz ϕkl gebildet ist. Wird die Phasendifferenz ϕkl, wie beispielsweise bei einer ersten Ausführung der Erfindung, zwischen dem ersten und dem dritten Empfangs­ strahl gebildet, wird als Amplitudenfaktor A vorteilhafter­ weise die Summe (nE1 + nE3) gewählt. Durch diese Gewichtung wird die zweite Differenzfunktion P(a), welche auf einem Phasenvergleich beruht, in eine mit den ersten Differenz­ funktionen, welche auf einem Amplitudenvergleich beruhen, vergleichbare Größe abgebildet.
Gemäß Schritt 27 werden nun die Vergleichsergebnisse des Amplitudenvergleichs gemäß Schritt 24 aus wenigstens zwei Empfangsstrahlen sowie das Vergleichsergebnis gemäß Schritt 26 miteinander verknüpft. Vorzugsweise geschieht dies dadurch, daß eine winkelabhängige Auswertegröße S(a) durch Addition aus wenigstens zwei der ersten sowie der zweiten Differenzfunktion gebildet wird. Vorteilhafterweise wird die winkelabhängige Auswertegröße S(a) jedoch über alle Diffe­ renzfunktionen gemäß Schritt 24 aller k Empfangsstrahlen sowie die zweite Differenzfunktion gemäß Schritt 26 ge­ bildet. In Schritt 28 wird als Winkel α des Radarziels der­ jenige Winkel bzw. derjenige Winkelindex a bestimmt, dessen winkelabhängige Auswertegröße S(a) ein Minimum- oder Maxi­ mumkriterium erfüllt. Vorzugsweise wird als wahrscheinlicher Winkel des Radarziels derjenige Winkel angenommen, bei dem die gemäß Schritt 27 gebildete Auswertegröße S(a) ein Mini­ mum annimmt.
Fig. 3 zeigt ein alternatives und besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wird hierbei die Phasenlage aufgenom­ mener Echosignale durch eine erfindungsgemäße, neue Normie­ rung berücksichtigt und somit ausgewertet. Dieses Ausfüh­ rungsbeispiel besitzt dadurch den weiteren Vorteil, daß auf eine zusätzliche Abspeicherung von Phasendifferenzwerten Φkl(a) verzichtet werden kann. Die erfindungsgemäße neue Normierung erfolgt vorzugsweise mit einer Summennorm, wobei nun jedoch komplexe Signalwerte, die sowohl eine Amplitude als auch eine Phase enthalten, verwendet werden. Eine mög­ liche und besonders geeignete Norm für ein dreistrahliges Radarsystem ist beispielsweise:
Dabei bedeuten
N1, N2, N3 normierte Signal- oder Diagrammwerte,
l komplexer Signal- oder Diagrammwert aus dem linken Empfangsstrahl,
m komplexer Signal- oder Diagrammwert aus dem mittleren Empfangsstrahl,
r komplexer Signal- oder Diagrammwert aus dem rechten Empfangsstrahl und
|.| Bildung des Betrags der komplexen Signal- oder Diagrammwerte.
Durch die Verknüpfung komplexer Signal- oder Diagrammwerte aus mehreren Empfangsstrahlen im Zähler dieser Normierung entfällt bei den normierten Werten N1, N2, N3 die unmittel­ bare Zuordnung der Werte zu einem einzigen Empfangsstrahl. Dies stellt jedoch keinen Nachteil dar, da hierbei keine Information verloren geht. Bei folgender, ebenfalls mög­ licher Normierung ist die eindeutige Zuordnung jedoch wieder gegeben:
Die Bedeutung der Variablen entspricht hier den schon zuvor genannten Definitionen. Ein Vorteil beider hier vorstellter Normierungen ist, daß sie trotz einer Anwendung auf komplexe Signalwerte auf reelle normierte Werte führen. Es sind je­ doch selbstverständlich auch Normierungen möglich, bei denen auch die normierten Werte komplex sind.
Das in Fig. 3 dargestellte und bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren verwendet nun vorzugsweise die erste der beiden hier vorgestellten Normierungen. Die mit dieser komplexen Normierung normierten Diagrammwerte der Antennendiagramme der k Empfangsstrahlen werden hier mit knDk(a) bezeichnet und sind gemäß Schritt 30 in einem Speicherbereich des Aus­ werterechners 19 abgespeichert. In Schritt 31 werden Echo­ signale in jedem der k Empfangsstrahlen aufgenommen. Jedes dieser aufgenommenen Echosignale wird gemäß Schritt 32 als komplexes Echosignal mit Amplitude und Phase derselben Nor­ mierung unterzogen, wie die abgespeicherten Diagrammwerte knDk(a). Damit erhält man in Schritt 32 für jeden Empfangs­ strahl k ein komplex normiertes Echosignal knEk. Nun erfolgt in Schritt 33 analog zu Schritt 24 von Fig. 2 ein Vergleich der normierten Echosignale mit den winkelabhängig abgespei­ cherten Diagrammwerten. Vorzugsweise erfolgt der Vergleich, indem eine Differenzfunktion Bk(a) gebildet wird. Im Gegen­ satz zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 beinhaltet die Differenzfunktion Bk(a) hier jedoch nun aufgrund der ver­ wendeten komplexen Normierung auch eine Phaseninformation der aufgenommenen Echosignale. Gemäß Schritt 34 wird wiede­ rum eine winkelabhängige Auswertegröße S(a) gebildet, mit der die Vergleichsergebnisse aus wenigstens zwei, vorzugs­ weise jedoch aus den k Empfangsstrahlen verknüpft werden. Gemäß Schritt 35 erfolgt analog zu Schritt 28 sodann die Bestimmung des wahrscheinlichen Winkels eines detektierten Radarziels.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung eines Seiten- und/oder eines Höhenwinkels (α), in dem sich ein Radarziel relativ zu einem Bezugssystem befindet, basierend auf einem mehr­ strahligen Radarsystem, bei dem die Echosignale eines jeden Radarziels über wenigstens zwei Strahlen aufge­ nommen werden (22),
  • - wobei die Amplitude eines aufgenommenen Echosignals in jedem Empfangsstrahl normiert wird (23, 32),
  • - wobei für jeden Empfangsstrahl die normierte Amplitude (nEk, knEk) mit abgespeicherten, normierten Diagramm­ werten (nDk(a), knDk(a)) eines Antennendiagramms des Empfangsstrahls verglichen wird (24, 33),
  • - wobei die Vergleichsergebnisse aus mindestens zwei Empfangsstrahlen zu einer winkelabhängigen Auswerte­ größe (S(a)) verknüpft werden (27, 34) und
  • - wobei als Winkel des Radarziels derjenige Winkel bestimmt wird, dessen winkelabhängige Auswertegröße (S(a)) ein Minimum- oder Maximumkriterium erfüllt (28, 35),
dadurch gekennzeichnet, daß in die winkelabhängige Auswertegröße (S(a)) weiterhin eine Phasenlage wenig­ stens zweier aufgenommener Echosignale eingeht (25-27, 32-34).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß zum Vergleich der normierten Amplitude (nEk, knEk) eines Echosignals eines Empfangsstrahls mit den abgespeicherten, normierten Diagrammwerten (nDk(a), knDk(a)) des Antennendiagramms des Empfangsstrahls erste Differenzfunktionen (Bk(a)) gebildet werden (24, 33) und
  • - daß zur Bildung der winkelabhängigen Auswertegröße (S(a)) die ersten Differenzfunktionen (Bk(a)) wenig­ stens zweier Empfangsstrahlen addiert werden (27, 34).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet,
  • - daß zwischen den Echosignalen aus wenigstens zwei Empfangsstrahlen eine Phasendifferenz (ϕkl) bestimmt wird (25),
  • - daß die bestimmte Phasendifferenz (ϕkl) mit winkel­ abhängig abgespeicherten Phasendifferenzwerten (Φkl(a)) der wenigstens zwei Empfangsstrahlen ver­ glichen wird (26) und
  • - daß dieses weitere Vergleichsergebnis in die winkel­ abhängige Auswertegröße (S(a)) eingeht (27).
4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß zum Vergleich der bestimmten Phasendifferenz (ϕkl) mit den abgespeicherten Phasendifferenzwerten (Φkl(a)) eine zweite Differenzfunktion (P(a)) gebildet wird,
  • - daß die zweite Differenzfunktion (P(a)) mit einem Amplitudenfaktor (A) gewichtet wird und
  • - daß die gewichtete zweite Differenzfunktion (P(a)) zu der Summe der ersten Differenzfunktionen wenigstens zweier Empfangsstrahlen addiert wird (27).
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß bei der Normierung (21, 32) der aufgenommenen Echosignale und der abgespeicherten Diagrammwerte des Antennendiagramms komplexe Signalwerte verwendet werden, welche zusätzlich zu der Amplitude auch die Phasenlage der aufgenommenen Echosignale oder der abgespeicherten Diagrammwerte beinhalten.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1,
  • - mit Echosignalaufnahmemitteln zur Aufnahme von Echo­ signalen über wenigstens zwei Empfangsstrahlen,
  • - mit Normierungsmitteln zur Normierung der aufge­ nommenen Echosignale,
  • - mit ersten Speichermitteln zur Abspeicherung von normierten Diagrammwerten von Antennendiagrammen der wenigstens zwei Empfangsstrahlen,
  • - mit ersten Differenzfunktionbildungsmitteln zur Bil­ dung einer Differenzfunktion zwischen den normierten aufgenommenen Echosignalen und den abgespeicherten normierten Diagrammwerten wenigstens zweier Empfangs­ strahlen,
  • - mit Mitteln zur Bildung einer Auswertegröße anhand wenigstens zweier Differenz funktionen und
  • - mit Minimalwertbestimmungsmitteln zur Bestimmung eines Minimalwertes der Auswertegröße,
dadurch gekennzeichnet, daß den Mitteln zur Bildung der Auswertegröße eine Größe zuführbar ist, welche repräsen­ tativ für eine Phasenlage der aufgenommenen Echosignale ist.
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