DE19927395A1

DE19927395A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung einer Antennenanordnung

Info

Publication number: DE19927395A1
Application number: DE19927395A
Authority: DE
Inventors: Andreas Loehner; Wolfgang Rieck
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2001-01-04
Also published as: WO2000077544A1; EP1099122A1; US6542110B1

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung in einem in Bewegungsrichtung und seitwärts dazu schauenden Radarsystem, bei welchem zur Erhöhung der Winkelauflösung die Dopplerfrequenzverschiebung des Sendesignals ausgewertet wird. Dabei werden während der Antennenbewegung mittels schmalbündelnder Antennencharakteristiken sequentiell mehrere benachbarte, schmale Bereiche erfaßt, was, bezogen auf die Gesamtfläche einer Ausleuchtung, mit einer breitbündelnden Antennencharakteristik gleichkommt. Die Resultate aus der Simulation dieser breitbündelnden Ausleuchtung werden mit den Ergebnissen der schmalbündelnden Erfassung kombiniert, um eine Erhöhung der Winkelauflösung der Antennenanordnung zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung der Winkelauf lösung in einem in Bewegungsrichtung und seitwärts dazu schauenden bewegten Radar system nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3.

Die Aufgabe eines Synthetic-Aperture-Radarsystems (SAR) ist das Abbilden eines in Bewegungsrichtung liegenden Geländes und der darauf befindlichen Objekte. Die be wegte Plattform, an der das Radarsystem angebracht ist, kann beispielsweise ein Flug zeug, ein unbemannter Flugkörper, ein Satellit oder ein Landfahrzeug sein. Das Radar system besteht aus einer Einrichtung zum Erzeugen des Sendesignals, einem Sendean tennensystem, einem Empfangsantennensystem und einer Signalverarbeitungseinrich tung zum Auswerten der rückgestreuten Signale. Die maximale Größe der Apertur des Sendeantennensystems und des Empfangsantennensystems ist durch den in der bewegt en Plattform zur Verfügung stehenden Raum fest vorgegeben. Die resultierende An tennencharakteristik, mit der das abzubildende Gelände beleuchtet wird, kommt durch das Überlagern der Antennencharakteristiken des Sendeantennensystems und des Empfangsantennensystems zustande.

Für ein solches abbildendes Radarsystem ergibt sich mit der Halbwertsbreite 2α_3dB der resultierende Antennencharakteristik die theoretische azimutale Auflösung Δϕ_RAR auf der Grundlage der Antennencharakteristik zu:

Δϕ_RAR = 2α_3dB (1)

Diese Auflösung Δϕ_RAR wird auch als Real-Apertur-Radar-Auflösung bezeichnet (J. C. Curlander, R. N. McDonough: Synthetic aperture radar. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1991). Die Real-Apertur-Radar-Auflösung Δϕ_RARmax ist für alle azimuta len Richtungen gleich. Die maximale Real-Apertur-Radar-Auflösung Δϕ_RAR durch den maximal zur Verfügungen stehenden Raum begrenzt und ergibt sich mit der maxi malen, auf die Sendewellenlänge normierten horizontalen Aperturbreite 2ξ_max und somit der minimalen erreichbaren Halbwertsbreite 2α_3dBmin

Da die Real-Apertur-Radar-Auflösung Δϕ_RARmax begrenzt ist, wird bei vorwärts schauenden Radarsystemen ebenfalls auf der Grundlage der Dopplerfrequenzen in azi mutaler Richtung aufgelöst. Mit der Sendefrequenz f_c, der Plattformgeschwindigkeit ν, der Lichtgeschwindigkeit c₀, der Halbwertsbreite 2α_3dB und der Winkelgeschwindig keit w der resultierenden Antennencharakteristik ergibt sich die theoretisch mögliche azimutale Auflösung auf der Grundlage der Dopplerfrequenzen in der azimutalen Blickrichtung ϕ zu (Wehner, R. D.: High-resolution radar. Artech House, Norwood, 1995):

Diese Auflösung Δϕ_DBS wird auch als Doppler-Beam-Sharpening-Auflösung be zeichnet. In Fig. 1 sind die Auflösungen Δϕ_RAR (1) und Δϕ_DBS nach (4) für die exemplarischen Werte f_c = 10 GHz, v = 100 m/s, ω = 40°/s und 2α_3dB = 1° bzw. 3° als Funktion der azimutalen Blickrichtung ϕ dargestellt. Es zeigt sich, daß sich mit kleiner werdender Halbwertsbreite 2α_3dB die Real-Apertur-Radar-Auflösung Δϕ_RAR verbessert, während sich aber gleichzeitig die Doppler-Beam-Sharpening-Auflösung Δϕ_DBS verschlechtert. Aus Fig. 1 ist auch zu entnehmen, daß für große ϕ die Doppler-Beam-Sharpening-Auflösung Δϕ_DBS höher als die Real-Apertur-Radar-Auf lösung Δϕ_RARist. Der Winkelbereich in dem die Doppler-Beam-Sharpening- Auflösung Δϕ_DBS schlechter ist als die Real-Apertur-Radar-Auflösung Δϕ_RAR wird als 'blinder Sektor' bezeichnet.

Wenn das SAR geradeaus, direkt in Flugrichtung blickt, können Objekte die innerhalb der Halbwertsbreite 2α_3dB der Antenne liegen nicht mehr eindeutig lokalisiert werden, da sowohl rechts als auch links der Flugrichtung liegende Objekte die identische Dopplerfrequenzverschiebungen aufweisen. Dies führt zu einer "azimutalen Zweideutig keit" (J. C. Curlander, R. N. McDonough: Synthetic aperture radar. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1991).

Herkömmliche Radarsysteme müssen somit einen Kompromiß zwischen einer guten Real-Apertur-Radar-Auflösung zur Minimierung der "azimutalen Zweideutigkeit" und einem kleinen "blinden Sektor" eingehen. Dabei muß darauf geachtet werden, daß sich der Winkelbereich der "azimutalen Zweideutigkeit" nicht mit dem Winkelbereich, innerhalb dessen auf der Grundlage der Dopplerfrequenzen aufgelöst werden soll, überschneidet. In der Praxis bedeutet dies, daß das Radarsystem so konzipiert werden muß, daß der Winkelbereich der "azimutale Zweideutigkeit" nicht größer als der "blinde Sektor" wird. Weiter müssen herkömmliche Radarsysteme eine Logik haben, die der Signalauswertung meldet, ab welcher Winkelrichtung mit der Real-Apertur-Auflösung besser als mit dem Doppler-Beam-Sharpening in azimutaler Richtung aufgelöst werden kann, und umgekehrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu finden, welche sowohl den "blinden Sektor" als auch den Bereich der "azimutalen Zweideutigkeit" verkleinert. Des weiteren soll die Er findung die Notwendigkeit einer Logik, die der Signalauswertung meldet, ab welcher azimutaler Blickrichtung ϕ mit der Real-Apertur-Auflösung besser als mit dem Doppler-Beam-Sharpening in azimutaler Richtung aufgelöst wird, umgehen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit in den Ansprüchen 1 und 3 beschriebenen Merkmalen gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung in einem Ra darsystem, welches zur Erhöhung der Winkelauflösung die Dopplerfrequenzverschie bung des Sendesignals auswertet, werden während der Bewegung des Radarsystems mittels einer schmalbündelnden Antennencharakteristik sequentiell mehrere benach barte, schmale Bereiche erfaßt. Die Erfassung geht dabei so schnell von vor sich, daß dies einer Ausleuchtung der Gesamtfläche aller Bereiche mittels einer Antenne mit breitbündelnder Antennencharakteristik gleichkommt. Dabei entspricht die Antennen charakteristik dieser simulierten, breitbündelnden Ausleuchtung einer Überlagerung der einzelnen, schmal begrenzte Bereiche erfassenden Antennencharakteristiken. Das Ver fahren wertet sowohl die von der schmalbündelnden Erfassung resultierenden Signale, als auch das mittels der Überlagerung der einzelnen sequentiellen, schmalbündelnden Erfassungen resultierende, simulierte breitbündelnde Antennensignal aus. In vorteil hafter Weise, wird auf Grundlage des aktuellen Blickwinkels des Radarsystems ent schieden, ob die von der schmalbündelnden Erfassung resultierenden Signale einzeln ausgewertet werden, oder ob auf das simulierte, breitbandige Antennensignal zurück gegriffen wird. Der große, nahezu gleichzeitig ausgeleuchtete Winkelbereich führt zu einer für die Berechnung der Dopplerfrequenzverschiebung ausreichenden Beleuch tungszeit. Gleichzeit kann aufgrund der Auswertung der schmalbündelnden Antennen charakteristiken auch eine gute Real-Apertur-Auflösung erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Erhöhung der Winkelauflösung bei einem Radarsystem verwendet zur Erfassung der benachbarten, eng begrenzten Bereiche eine oder mehrere Antennen mit schmalbündelnder Anten nencharakteristik. In vorteilhafter Weise, besteht die Vorrichtung aus mindestens zwei parallel zueinander angeordneten Antennen mit schmalbündelnder Antennencharakter istik, zwischen denen sequentiell umgeschaltet wird. Dabei kann die Umschaltung mechanisch, elektrisch oder elektronisch erfolgen. In einer anderen denkbaren Aus führungsform wird nur eine einzelne Antenne verwendet, welche auf einen schwenk baren Reflektor ausgerichtet ist, dessen stufenweises Drehen es erlaubt, sequentiell benachbarte Bereiche auszuleuchten. Generell ist es möglich, das Sende- und das Empfangsantennensystem identisch auszuführen oder das gleiche System für den Sende- und Empfangsfall zu verwenden. Andererseits ist es auch denkbar, das Sende- und das Empfangsantennensystem in unterschiedlicher Weise, z. B.: mit einer breit bündelnden Empfangsantenne und mehreren schmalbündelnden Sendeantennen, aus zuführen.

In Fig. 2 sind exemplarisch drei schmalbündelnde resultierende Antennencharakter istiken dargestellt, die jeweils eine Halbwertsbreite 2α_3dB gleich 1° haben und deren Summencharakteristik eine Halbwertsbreite 2α_3dB gleich 3° hat. In Fig. 3 die resul tierende Auflösung Δϕ_neu unter Zuhilfenahme der Gleichungen (1) und (4) für die exemplarischen Werte f_c = 10 GHz, v = 100 m/s, ω = 40°/s und 2α_3dB = 1° Funktion der azimutalen Blickrichtung ϕ dargestellt.

Verwendet das Radarsystem ein an die resultierende Antennencharakteristik und die auszuwertenden Dopplerfrequenzen angepaßtes Filter oder ein anderes lineares Schätz verfahren (z. B.: das lineare, erwartungstreue Optimal-Schätzverfahren oder das Wiener- Schätzverfahren) so entfällt die Notwendigkeit einer Logik, die der Signalauswertung meldet, ab welcher azimutaler Blickrichtung ϕ mit der Real-Apertur-Auflösung besser als mit dem Doppler-Beam-Sharpening in azimutaler Richtung aufgelöst wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Antennenanordnung ergeben sich durch parallele Anordnung von schmalbündelnden Antennen, welche von der Sendeelektronik sequentiell angesteuert werden. Werden hierzu drei schmalbündelnde Antennen eingesetzt so ergibt sich ein Antennendiagramm das dem aus Fig. 2 entspricht. Ein vergleichbares Antennendiagramm kann jedoch auch bei der Verwendung nur eines einzelnen schmalbündelnde Antennenelementes erzielt werden, indem dessen Strah lungsdiagramm über einen schwenkbaren Spiegel umgelenkt wird.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung in einem in Bewegungsrichtung und seitwärts dazu schauenden Radarsystems

1. bei welchem zur Erhöhung der Winkelauflösung die Dopplerfrequenzverschiebung des Sendesignals ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet,
2. daß das Radarsystem während seiner Bewegung mittels einer schmalbündelnden Antennencharakteristik sequentiell mehrere benachbarte, schmale Bereiche erfaßt,
3. daß die benachbarten, schmalen Bereiche so schnell erfaßt werden, daß dies einer Ausleuchtung der Gesamtfläche aller Bereiche mittels einer Antenne mit breit bündelnder Antennencharakteristik gleichkommt,
4. daß die Antennencharakteristik dieser simulierten breitbündelnden Ausleuchtung einer Überlagerung der einzelnen, schmal begrenzte Bereiche erfassenden, schmal bündelnden Antennencharakteristiken entspricht,
5. daß sowohl die von der schmalbündelnden Erfassung resultierenden Signale, als auch das mittels der Überlagerung der einzelnen sequentiellen, schmalbündelnden Erfassungen resultierende, simulierte breitbündelnde Antennensignal ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Signalauswertung auf Grundlage des aktuellen Blickwinkels des Radarsystems entschieden wird, ob die von der schmalbündelnden Erfassung resultierenden Signale einzeln ausgewertet wer den, oder ob auf das simulierte, breitbandige Antennensignal zurückgegriffen wird.

3. Antennenanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen der benachbarten, eng begrenzten Bereiche eine oder mehrere Antennen mit schmalbündelnder Antennencharakteristik verwendet werden.

4. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus mindestens zwei, parallel zueinander angeordneten Antennen mit schmalbündelnder Antennencharakteristik besteht, zwischen denen sequentiell umgeschaltet wird.

5. Antennenanordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten zwischen den Antennen mechanisch erfolgt.

6. Antennenanordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten zwischen den Antennen elektrisch erfolgt.

7. Antennenanordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten zwischen den Antennen elektronisch erfolgt.

8. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzelne schmalbündelnde Antenne auf einen mechanisch schwenkbaren Reflektor ausgerichtet ist, der es stufenweises Drehen erlaubt sequentiell eng benachbarte Bereiche auszuleuchten.

9. Antennenanordnung nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeantennensystem und das Empfangsantennensystem identisch oder gleich sind.

10. Antennenanordnung nach den Ansprüchen 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeantennensystem und das Empfangsantennensystem unterschiedlich ausgeführt sind.