DE2040018C3

DE2040018C3 - Raumabtastverfahren mittels eines elevational schwenkbaren Radarantennen-Richtdiagramms und Radarsystem zu dessen Durchführung

Info

Publication number: DE2040018C3
Application number: DE19702040018
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 7901 Neu- Ulm Hennig; Tiang Gwan Dipl.-Ing. 7900 Ulm Liem; Gunter Dipl.-Ing. 7901 Neu- Ulm Mueck; Dieter Dipl.-Ing. 7900 Ulm Wiesse
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1970-08-12
Filing date: 1970-08-12
Publication date: 1980-10-02
Also published as: DE2040018B2; DE2040018A1

Description

R_m„,

variiert wird, wobei

ah = zulässiger Höhenmeßfehler,

Φ = augenblickliche Elevation des Richtdiagramms gegenüber der Horizontalen,

Λπ_Μ, = maximale Zielentfernung im Bedeckungsdiagramm.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4-, dadurch gekennzeichnet, daß mit größer werdender vertikaler Halbwertsbreite (Φ.) des Richtdiagramms die Winkelgeschwindigkeit der Raumabtastung vergrößert wird und umgekehrt.

5. Radarsystem zur Durchführung des Verfahrens -_>(i nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeleistung nach Maßgabe eines über den gesamten abzutastenden Elevationsbereich konstanten Störsignal/Nutzsignal-Verhältnisses der Radarempfangssignale in Abhängig- y, keit einerseits von der augenblicklichen Elevation der. Richtdiagramms und andererseits von der Form und der Ausdehnung des gesamten abzutastenden vertikalen Raumausschnitts variierbar ist.

6. Ritdarsystem nach Anspruch 5 bzw. zur f,n Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Raümabtastung mit Radarinv pulsen, dadurch gekennzeichnet, daß, die Sendeimpulsfolgefrequenz in Abhängigkeit einerseits von der Form Und der Ausdehnung des gesamten μ abzutastenden vertikalen Raüfriaüsschnitts sowie andererseits von der augenblicklichen Elevation des Richtdiagramms Unter Berücksichtigung der für eine eindeutige Zielentfernungsbestimtnung maximal zulässigen Folgefrequenz optimal angepaßt ist,

7. Radarsystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6 bzw. zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die phasengesteuerte Antenne eine lineare Strahleranordnung mit zugehörigem Zylinderparabolreflektor ist

8. Radarsystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6 bzw. zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die phasengesteuerte Antenne eine planare Anordnung der Strahlerelemente ist.

Die Erfindung betrifft ein Raumabtastverfahren mittels eines in der Elevationsebene durch Phasensteuerung schwenkbaren Radarantennen-Richtdiagramms, das vorzugsweise zusätzlich in der Azimutebene — insbesondere mechanisch — in einem vorgegebenen Azimutalbereich schwenkbar oder im Azimutgesamtbereich rotierbar ist

Ein solches Verfahrens ist z. B. bekannt aus der US-PS 33 11917. Bei dem beschriebenen Verfahren wird eine Mehrzahl /on Schlitzstrahlern durch eine Hornantenne gespeist und das Richtdiagramm durch Veränderung der linearen Phasenprogression zwischen den verschiedenen Schlitzstrahlerreihen in der Elevation geschwenkt

Für einen Anwendungsfall dieses Verfahrens zeigt F i g. 1 in einem Kugelkoordinatensystem den gesamten abzutastenden Raum, der bei der dreidimensionalen Zielortung unter Verwendung eines im Koordinatenursprung erzeugten vorzugsweise angenähert bleistiftförmigen Radarantennen-Richtdiagramms nach einem vorgegebenen Abtastschema üblicherweise zu erfassen ist Der kegelförmige Raumausschnitt mit Φ>Φ_η3, wird hierbei in der Regel nicht abgetastet.

F i g. 2 zeigt — was für die weiteren Betrachtungen wegen der Rotationssymmetrie der Fig. 1 genügt — einen Vertikalschnitt dieses abzutastenden Raumes. Dieses Schnittbild enthält mit der geometrischen Figur OABC das idealisierte Bedeckungsdiagramm eines Höhenmeßradargerates. Hierbei bedeuten

Λ die maximale und konstante Suchhöhe,

R die maximale .Schrägentfernung bei einem Elevationswinke^,

Rh die maximale Bodenentfernung des Zieles,
Φο den speziellen Elevationswinkel Φ für R= R_mj, und /?„,„, die maximale .Schrägentfernung, die im Bedekkungsdiagramm überhaupt möglich ist.

Nachteilig an den bekannten dreidimensionalen Radarsystemen, die das vorbeschriebene Raumabtastverfahren anwenden, ist ihre — von ihrem Arbeitsprinzip her gesehen — praktisch unzureichende Informationserneuerungsrate; d. h. die gewonnenen dreidimensionalen Ortungsdaten (Zielentfernung, Zielazimut und Zielhöhe oder daraus abgeleitet Größen) werden nicht häufig durch aktuelle Daten ersetzt.

Es sind andere dreidimensionale Rädarsysleme bekannt, bei denen die Richtdiagrammschwenkung nicht durch Pbasensteuerung, sondern durch Variation der Sendefreqüenz bei sonst gleichbleibender Antennenanordnung erfolgt.

Ein solches Radsrsystem ist z. B. bekannt aus der DE-AS Il 83 144, wo zur Erhöhung der Impulszahl die Schwankung des Richtdiagramms mit zunehmender Elevation in größeren Elevationsstufen, d. h. mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit vorgenommen wird. Hierdurch wird gemäß der Beschreibung die unterschiedliche Genauigkeit in der Höhenbestimmung weitgehend ausgeglichen.

Ein ähnliches Raumabtasfverfahren mit Richtdiagrammschwenkung durch Frequenzänderung ist aus der US-PS 33 44 426 bekannt, wo die Abtastgeschwindigkeit mit zunehmender Elevation dadurch gesteigert wird, daß die Verweilzeit bei einer Stellung des Richtdiagramms mit zunehmender Elevation abnimmt. Dies weist den Vorteil auf, daß mit zunehmender Elevation die Sendeenergie innerhalb eines bestimmten Elevationsbereichs geringer angesetzt werden kann, was aufgrund der mit zunehmender Elevation im allgemeinen geringer geforderten Reichweite zulässig ist

Diese Raumabtastverfahren mit Schwenkung des Richtdiagramms durch Frequenzänderung sind jedoch von bedeutendem Nachteil in der Hinsicht, daß Radarsystem, bei denen die Möglichkeit zum Frequenzwechsel (»Frequenz-Agility«) gefordert ist, solche Verfahren prinzipiell nicht anwenden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Raumabtastverfahren der einleitend genannten Art derart auszugestalten, daß es z. B. bei seinem Einsatz in einem solchen bodenseitigen Höhenmeßradarsystem oder einem derartigen bodenseitigen dreidimensionalen Radarsystem (3D-Radar), mittels dessen Flugzielobjekte in einem vorgegebenen F.levationsbereich gegenüber der Horizontalen, in einem vorgegebenen Flughöhenbereich und in einem vorgegebenen Entfernungsbereich ortbar sein sollen, gegenüber dem Stand der Technik höhere Informationserneuerungsraten ermöglicht, ohne dafür Verschlechterungen, wie z. B. ein geringeres Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis in den Empfangssignalen oder eine schlechtere Zielentdeckwahrscheinlichkeit, in Ka-f zu nehmen.

Die Erfindung basiert auf der Ausnutzung der ihr zugrunde liegenden wesentlichen Erkenntnis, daß es bei der Zielelevations- oder Zielhöhenmessung zur Lösung dieser Aufgabe auf die Einhaltung eines konstanten Höhenmeßfehlers, der an sich elevationsabhängig ist, ankommt urd daß deswegen die ven'kale Halbwertsbreite des Radarantennen-Richtdiagramms als Funktion der Elevation entsprechend variiert werden muß, wodurch die vertikale Abtastwinkelgeschwindigkeit gleichfalls in Abhängigkeit von der Elevation im Sinne einer erhöhten Informationserneuerungsrate variierbar ist

In der DE-PS 20 16 391 ist ein Radarsystem mit mehreren in der Elevation gestaffelten Richtdiagrammen vorgeschlagen, die erzeugt werden durch mehrere simultan erregte Hornstrahler in Verbindung mit einem gemeinsamen Reflektor. Die Breite de in der Elevationsebene übereinanderliegenden Richtdiagramme nimmt mit der Elevation zu, wodurch ebenfalls eine Anpassung der Keulenbreite an die Höhenmeßgenauigkeit gegeben isL

Die Erfindung besteht bei einem Raumabtastverfahren der einleitend genannten Art — wie aus dem Anspruch 1 hervorgeht — darin, daß beim Schwenken zumindest innerhalb eines vorgegebenen Teilbereiches des gesamten abtastbaren Elevationsbereichs die Vertikale HalbWertsbreift des Richtdiagramms nach Maßgabe des jeweils zulässigen vorgegebenen Meßfehlers der Zielhöhe in Abhängigkeit von der augenblicklichen Elevation variiert wird. Der Meßfehler der Zielhöhe kann hierbei über den Elevationsbereich konstant oder nach einer beliebig vorgebbaren Funktion von der Elevation abhängig zugelassen werden.

Vorzugsweise wird hierbei die vertikale Halbwertsbreite Φ,, beim Schwenken oberhalb einer gegenüber der Horizontalen vorgegebenen Elevation Φ_η im Vergleich zu einer beim Schwenken unterhalb 'P₀ gewählten annähernd konstanten Halbwertsbreite in Abhängigkeit von der augenblicklichen Elevation Φ vergrößert. Unterhalb Φο kann man nämlich Φ, in der Regel konstant halten, da hier im allgemeinen R fast unabhängig von Φ und etwa gleich R_max ist. Insbesonders empfiehlt es sich, beim Schwenken des Richtdiagramms oberhalb Φι^ϊε vertikale Halbwertsbreite entsprechend der Gleichung

I /ι
R_max ■ sin Ά,

abhängig vom zulässigen Höhenmeßfehler
wählen.

F i g. 3 ieigt ein Ausführungsbeisppiel der Erfindung, bei dem in einem Elevationsschnitt unterhalb Φο in der Elevationsebene m Keulenbreiten nebeneinander passen und eine konstante vertikale Halbwertsbreite Φ,_ο besitzen, während die ρ Keulen oberhalb Φο unterschiedliche Halbwertsbreiten aufweisen, die mit tg0 größer werden. Selbstverständlich werden die in F i g. 3 angedeuteten Keulen bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung nicht gleichzeitig erzeugt, sondern wird der gesamte Elevationsbereich nacheinander von einer einzigen Keule abgetastet, deren Halbwertsbreite sich zumindest oberhalb Φ laufend oder stufenweise ändert. Die azimutale HaIbwertsbreite dieser Keule ist hierbei immer als konstant unterstellt.

H'erbei ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, wenn man mit größer werdender vertikaler Halbwertsbrcite des Richtdiagramms die Winkelgeschwindigkeit der Raumabtastung vergrößert und umgekehrt. Maßgeblich für die optimale Wahl der Abtastgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der vertikalen Halbwertsbreite des Richtdiagramms ist bei einem an das Richtdiagramm angeschlossenen Impuls-Radarsystem und bei einer vorgegebenen Zielrückstrahlfläche hierbei zweckmäßigerweise die Erreichbarkeit einer im gesamten Elevationsbereich konstanten Trefferzahl von Radarimpulsen auf dem Zielobjekt.

Sehr vorteilhaft bei dei Erfindung ist es, daß — falls be· bestimmten Elevationsbereichen hohe Trefferzahlen erforderlich (MTI- oder Doppier-Auswertung) sind — in diesem Bereich die Abtastgeschwindigkeit dementsprechend verändert werden kann.

Vorteilhafterweise wird bei der Durchführung der Erfindung in Verbindung mit einem an das Richtdiagramm angeschlossenen Radarsystem dessen Sendeleistung nach Maßgäbe eines über den gesamten abtastbaren Elevationsbereich konstanten Siörsignal/ Nutzsignal·Verhältnisses der Radarempfangssignale in Abhängigkeit einerseits von der augenblicklichen Elevation des Richtdixgramms und andererseits von der Form und der Ausdehnung des gesamten abtastbaren vertikalen Raumausschnitts Variiert. Praktisch bedeutet

dies, daß mit kleiner wefdefidem R, dessen Bedeutung aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, die Sendeleistung verkleinert werden kann.

Bei einem mit dem Richtdiagramm bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammcnarbeitenden Impuls-Radarsystem ist dessen Sendeimpuls-Folgefrequenz öptimierbar, indem sie jeweils in Abhängigkeit einerseits von der Form und Ausdehnung des gesamten abtastbaren vertikalen Raumausschnitts sowie andererseits von der augenblicklichen Elevation des Richtdiagramms zum Ermöglichen einer eindeutigen Zielentfernungsmessung bei möglichst hoher augenblicklicher Folgefrequenz variiert wird.

Zum Erzeugen des bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzten vorzugsweise bleistiftförmigen Richtdiagramms wird eine phasengesteüerte Antenne verwendet, die häufig als »Phased-Array« bezeichnet wird; und zwar eignet sich hier vorteilhaft sowohl eine linear« nhnsermesteuerte Antenne mit zugehörigem Zylinderparabolreflektor als auch eine planare phasengesteuerte Antenne dieses Typs zur Verwendung, wobei die vertikale Diagrammschwenkung elektrisch und die azimutale Diagrammschwenkung vorzugsweise mechanisch erfolgen und die azimutale Abtastgeschwindigkeit so an die vertikale Abtastzeit angepaßt ist, daß die jeweils nächste vertikale Abtastung nicht außerhalb der azimutalen Halbwertsbreite der vorhergehenden Abtastung liegt.

Nach dem Stand der Technik kommen zur dreidimensionalen Radarortung vornehmlich zur Verwendung in Betracht:

a. System mit Höhenunterscheidung von Zielen durch Empfang mehrerer sich überlappender gleichzeitig erzeugter Antennenrichtdiagramme vom Typ eines sogenannten Mehrkeulenradars (»Stacked-Beam«- Radar).

b. System mit einem V-förmigen Richtdiagramm vom Typ eines »V-Beam«-Radar.

c. Die Kombination eines zweidimensionalen, ein cosecförmiges Diagramm aufweisenden Radarsystems mit einem Höhenmeßradarsystem, das als sogenannter »Height-Finder« ein elektronisch oder mechanisch in der Elevationsebene geschwenktes bleistiftförmiges Richtdiagramm besitzt.

d. Ein System mit im Azimut mechanischer und in der Elevation frequehzabhängiger Schwenkung des Richtdiagramms.

e. Eine sowohl im Azimut als auch in der Elevation phasengesteuert«: Antenne (»Full-Phased^Arräy«).

Alsjiauptsächliche Vorteile gegenüber diesem Stand der Technik sind bei der Erfindung zu nennen (die folgenden Absatzbezeichnurigeri beziehen sich auf die vorstehend gleichläutenden Absatzbezeichnungen):

a. Bessere Höhenauflösung von gleicheni^fernten Zielen innerhalb einer azimutalen Halbwertsbreite. Geringerer Aufwand und weniger Abgleichprobleme, da kein Mehrempfängersystem. Geringere elektronische Störbarkeit.

b. Nur ein Antennensystem, größerer Erhebungswinkelbereich (Hinterkante), bessere Höhenauflösung, wesentlich geringere Störbarkeit (»V-Beam« hat cosec²-Diagramm).

c. System ist nicht sättigbar, bessere Hinterkante, geringerer Aufwand, da nicht zwei Systeme erforderlich sind.

d. Möglichkeit der Anwendung eines Frequenzspringcns (»Frequency-Agility«), dadurch geringere Störbarkeit.

e. Wesentlich billiger.

Fig.4 zeigt das Ilockschaltbild eines unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitenden Radarsystems, dessen vorteilhafter Aufbau und dessen Arbeitsweise aus den Beschriftungen der einzelnen Blöcke unmittelbar hervorgehen dürfte, so daß auf eine detaillierte Beschreibung der F i g. 4 verzichtet wird. Die Phasenschieber in der Antenne sind digitale Phasenschieber und werden unmittelbar aus der Impulszentrale zur elektronischen Diagrammschwenkung angesteuert Zur Erzeugung des Richtdiagramms dienen die mit unterschiedlichen Phasenlagen angesteuerten Strahler der gezeigten Antenne. Mit Antrieb ist der mechanische azimutale Antrieb dieser Antenne bezeichnet Der Takt, in dem dieses Radarsystem arbeitet, kann entweder fest in der tmpulszentraie einprogrammiert sein oder bei Modusbetrieb durch ein Impulsablaufprogramm von außerhalb variabel gehalten werden.

Hierzu 2 Blatt Zcichnunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Raumabtastverfahren mittels eines in der Elevationsebene durch Phasensteuerung schwenk- <; baren Radarantennen-Richtdiagratnms, das vorzugsweise zusätzlich in der Azimutebene — insbesondere mechanisch — in einem vorgegebenen Azimutalbereich schwenkbar oder im Azimutgesamtbereich rotierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zulässige Meßfehler (Ah) der Zielhöhe in beliebiger Abhängigkeit von der Elevation (Φ) vorgebbar ist, und daß beim Schwenken zumindest innerhalb eines vorgegebenen Teilbereichs (ab Φ_α) des gesamten abzutastenden Eleva- π tionsbereichs (bis Φ™,) die vertikale Halbwertsbreite (Φ,) des Richtdiagramms nach Maßgabe des vorgegebenen Meßfehlers der Zielhöhe in Abhängigkeit von der augenblicklichen Elevation variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennleiehnet. daß die vertikale Halbwertsbreite (Φ.) beim Schwenken oberhalb einer gegenüber der Horizontalen (Φ = 0) vorgegebenen Elevation Φο — im Vergleich zu einer beim Schwenken unterhalb Φ_ο ai gewählten annähernd konstanten Halbwertsbreite (Φνο) — in Abhängigkeit von der augenblicklichen Elevation (Φ) vergrößert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Halbwertsbreite Φ* beim jo Schwenken oberhalb Φο gemäß der Gleichung