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Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Clutterstörungen für Radaranlagen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Clutterstörungen
für Radaranlagen zur Über fachung des Schiffsverkehrs mit zeit- und Störabhängiger
Verstärkungssteuerung des Empfängers und Abtast-Halteschaltung Der Schiffsverkehr
auf den Wasserstraßen erfordert Verkehrssicherungssysteme, die gegenüber den bestehenden
einen höheren Grad an Automatisierung in der Informationsverarbeitung und -auswertung
aufweisen. Das Primärradar liefert neben einer vollständigen Verkehrsübersicht über
genügend stark reflektierende Ziele (Schiffe, Seezeichen) auch eine Fülle von nicht
interessierenden Signalen, herrührend von der reflektierenden Wasseroberfläche (Seeclutter)
und auch von Niederschlägen (Regen, Schnee), die - wenn sie zur Darstellung gelangen
- die operationellen Entscheidungen des Radarbeobachters
empfindlich
beeinträchtigen.
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Zur Entlastung des Radarbeobachters und insbesondere für eine automatische
Datenverarbeitung muß das Rohvideosignal wirksam enttrübt, d.h. von nicht interessierenden
Signalen weitgehend befreit werden.
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Bei her kümmlichen Radaranlagen zur tiberwachung des Schiffsverkehrs
ist eine zeitabhängige Verstärkungssteuerung (zvR) vorgesehenJ für die im angloamerikanischen
Sprachgebrauch auch der Begriff "STC - Sensitivity Time Control" gebraucht wird,
und die Empfindlichkeit des Empfängers in Abhängigkeit von der Zeit bzw.
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Entfernung und dem mittleren erwarteten Störpegel steuert. Binde Übersteuerung
des Empfängers durch starke Radarechos aus dem Nahbereich soll dadurch vermutet
werden, daß an den ZF-Vorverstärker eine Steuerspannung angelegt wird, die unmittelbar
nach einer Radaraussendung seine Verstärkung stark herabsetzt und nach einer bestimmten
Zeit die volle Empfindlichkeit des Empfängers wieder herstellt. Die Verstärkung
wird gemäß der erwarteten mittleren Clutterleistung mit Rn variiert, wobei n #3
für Seeclutter angenommen wird. Praktisch begnügt man sich mit einem geradlinigen
oder e-funktionsmäßigen Verlauf der Steuerspannung.
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Aus der deutschen Patentschrift 1 945 790 ist auch eine digitale ZVR-Anordnung
(STC) bekannt, bei der die Steuerspannung von einer Kaskade aonostabiler bezüglich
Impulsdauer und Ausgangsamplitude einstellbarer flppstufen abgeleitet ist.
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Das Problem der Detektion von Nutzzielen - insbesondere auch von schwachreflektierenden
Zeichen wie Bojen und Fahrwassertonnen- bei gleichzeitig schwankendem Störpegel,
abhängig von den Wetter- und Seebedingungen, wird durch die bekannten ZVR-Steuerungen
der Empfängerverstärkung nur schlecht gelöst.
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Bine einmal eingestellte Steuerkennlinie - sei sie analog oder digital
- muß durch den Radarbeobachter häufig neu eingestellt werden, um vor allem im Nahbereich
Schiffsziele noch identifizieren
zu können. Dabei werden entweder
schwächere Nutzziele unterdrückt oder es gelangen starke zusammenhängende Clutteranteile
zur Darstellung, die die Verkehrsübersicht im Nahbereich erheblich verschlechtern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine automatisch arbeitende Schaltungsanordnung
für die Detektion von Nutzzielechos für ihre Folgeschaltungen (z.B. Sichtgerät,
Zielextrakter) anzugeben, die in großem Dynamikbereich arbeitet und bei der die
Anzahl der "Falschzielen - hervorgerufen durch Clutter von See-und auch Regenechos
- stark reduziert und möglichst konstant gehalten werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß eine Schwellenspannung für
das Videosignal erzeugt wird, die aus den in einem Meßkanal verzögert summierten
Videsoeingangssignalen abgeleitet und mit dem jeweiligen Videoeingangssignal oder
mit einem verzögerten Videoeingangssignal verglichen wird.
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Durch Verringerung des Störanteils im analogen Video wird die Signalerkennung
verbcssert. Während eine fest eingestellte Schwelle bei veränderlichem Störpegel
allgemein fehlangepaßt ist, "gleitet der Arbeitspunkt der vorgeschlagenen Schwelle
in Abhängigkeit von einer tatsächlich gemessenen repräsentativen Störleistung. Dabei
wird die Schwellenspannung dem mittleren Störpegel angepaßt, der in der getsteten
Entfernungszelle auftrat.
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Die Vorteile bestehen darin, daß eine Korrektur der Empfängerverstärkung
durch den Radarbeobachter nicht mehr erforderlich ist und daß unabhängig von Weterverhältnissen
und Seegang weitgehend von Clutter befreite Rohvideosignale zur Darstellung gelangen,
was bei etwa konstanter Anzahl von"Falschzielen" eine optimale Detektion von Nutzzielen
erlaubt (z.B. Bojen, Schiffe im Fahrwasser- und Hafengebiet).
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Ein weiterer Vorteil ist, daß nun eine automatische Verarbeitung der
Radardaten mit tragbarem Aufwand durchgeführt werden kann.
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Anhand des Blockschaitbilds der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel
beschrieben. Von Entfernungszelle zu Entfernungszelle wird der monentan maßgebende
mittlere Störpegel gemessen und der Einstellwert für die Detektionsschwelle neu
festgesetzt. Der Arbeitspunkt der Schwellwertschaltung wird also proportional zu
der gemessenen Störgröße gesteuert, so daß Regelschwingungen auch bei beliebig schnellen
Anderungen der Schwellenwerte nicht auftreten können.
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Damit die Störanteile möglichst wirkungsvoll unterdrückt werden, muß
die Messung der Störleistung bei voller Dynamik der Störsignale erfolgen. Daher
wird für den Meßkanal eine analoge, @@albandige Verzögerungsleitung 1 gewählt, der
im
Laufe einer Empfangszeit das Videosignal einer Empfangsperiode über einen Verstärker
2 zugeführt wird. Die Verzögerungsleitung 1 mit dem Abschlußwiderstand Zo vermag
die Empfangs Signale für eine definierte Zeitdauer zu speichern, so daß an den Abgriffen
a1 an dekorrelierte Meßproben (Amplitudenwerte) zur VerfU-gung stehen. Der Meßkanal
kann auch aus einer digital arbeitenden Verzögerungsleitung bzw. einem Digitalfilter
mit entsprechenden Abgriffen bestehen.
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Diese Meßproben werden aufsummiert in einem über Widerstände R1...
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...Rn angeschlossenen Summierverstärker 3 mit einem Verstärkungsfaktor
mittels des Widerstandes RV bewertet und einer Schwellwertspannungsstufe 4 zugeführt,
all der auch die momentan betrachtete Videoamplitude über Leitung 5 ansteht. So
wird für jedes Auflösungselement im Laufe der Empfangs zeit der mittlere Störpegel
in der nahen Umgebung gemessen und von der beobachteten Videoamplitude subtrahiert.
Dabei werden Störsignale je nach Bewertung des gemessenen Störpegels unterdrückt,
während die den Störsignalen additiv überlagerten Nutzsignale bei genügendem Signal/
Störabstand die momentane Schwellenspannung überschreiten.
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Es ist auch möglich, der Schwellwertspannungsstufe 4 ein verzögertes
Videosignal zuzuleiten, das zum Beispiel an dem Abgriff an abgenommen werden kann.
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2 Unmitilbar nach einer Radarimpulssendung ist die aus der Schwellwertspannungsstufe
4 resultierende Schwelle für wenige /us fehlangepaßt, da die analoge Verzögerungsleitung
1 noch nicht vollständig mit dem neuen Videosignal gefüllt ist, d.h. der Arbeitspunkt
der Schwelle muß sich erst einstellen.
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Die volle Wirkung der gleitenden Schwelle in unmittelbarer Umgebung
der Radaranlage wird nun dadurch gewährleistet,
daß eine Korrektur
der Schwellenspannung vorgenommen wird, die auf der Kenntnis der Störleistung aus
der jeweils vorhergehenden Radarempfangsperiode beruht. Es wird die für den Nahbereich
(z.B.
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einige 100 m) maßgebende Störleistung an den Abgriffen a1....a4 über
eina3 Summierverstärker 6 gemessen, bis zur nächsten Empfangsperiode zwischengespeichert
und dann unmittelbar nach der Radarimpulsaussendung mittels der Abtast-Halteschaltung
7 voll zur Wirkung gebrachte Praktische Untersuchungen rechtfertigen ein solches
Vorgehen. Während sich nun der neue Einsteliwert für die.
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Schwelle in wenigen Zs aufbaut, verschwindet im gleichen Maße das
Zusatzkriterium.
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Die vom Summierverstärker 6 abgenommene Spannung kann außerdem als
zusätzliches Regelkriterium einer störabhängigen Regelung des Radar-ZF-Verstärkers
verwendet werden, indem sie mit der Einstellung der Steuerkennlinie des ZF-Verstärkers
kombiniert wird.
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Die Wirksamkeit der Signalerkennung hängt entscheidend von der absoluten
Höhe der Schwelle ab. Da nur eine begrenzte Zeit für die Beobachtung eines Nutzsignals
im Störrauschen (= thermisches Rauschen + Clutter) zur Verfügung steht, können zwei
Entscheidungsfehler auftreten: 1.) Eine Rauschamplitude überschreitet die Schwelle
und wird als Nutzsignal gewertet (Fehlmeldung) 2.) eine Nutzsignalamplitude überschreitet
die Schwelle nicht und geht verloren.
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Wird die Zahl der die Schwelle überschreiteten "Falschalarme" (=Fehlmeldungen)
über ein Steuer- und Regelsystem konstant gehalten, so ist die Wahrscheinlichkeit
PD für die Entdeckung eines einzelnen Nutzechos nur noch eine Funktion des Abstands
von Nutzsignalleistung S zu mittlerer Störsignalleistung N:
PD f
(N) für PFA = const PFA = Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein Störsignal als "Ziel"
gewertet wird.
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Die Wahrscheinlichkeit für die Entdeckung eines Nutzzieles ist optimal,
wenn die Wahrscheinlichkeit für die Wertung eines Störzieles als Nutzecho (= Falschalarm)
minimal ist.
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Da die Entscheidung "Ziel" oder "kein Ziel" mit jedem Entfernungsschritt
- in kurzen Zeitabständen - noch während der Dauer einer Radarzeile zu treffen ist,
und da der Störsignalpegel von Entfernungselement variieren kann, muß die Schwellenspannung
für die anstehende Entscheidung möglichst schnell und automatisch eingestellt werden.
Die wirksamste Beeinflussung der Signalerkennung im Sinne einer verminderten Falschalarmwahrscheinlichkeit
bei verbesserter Entdeckungswahrscheinlichkeit für ein Nutzecho ist gegeben, wenn
der in unmittelbarer Umgebung einer getesteten Entfernungszelle gemessene Störsignalpegel
ein Maß für den Einstellwert der'Schwelle ist. Damit wird die Schwellenspannung
proportional zu der Störgröße gesteuert - Regelschwingungen können auch bei beliebig
schnellen Änderungen der Schwellwerte nicht auftreten.
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Wegen der schnellen Anpassungsfähigkeit der Schwelle an die variable
Störumgebung ist es nicht notwendig, auch die Störanteile in azimutaler Zielnähe
auszumessen und für die Steuerung
der Schwelle heranzuziehen.
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Wegen der geringen Dynamik des quantisierten Videos (in wenige Amplitudenschritte)
muß die Reduzierung des Störanteils vor der Analog/Digital-Umsetzung, also bei voller
Dynamik der Störsignale erfolgen. Um eine möglichst gute Abschätzung des maßgebenden
Störpegels zu erhalten, sollte der Meßkanal keine weiteren Nutzziele erhalten und
von derselben Störfunktion beeinflußt sein. Praktisch folgt daraus, daß die Länge
des Meßkanal nS cht zu groß gewählt werden darf, da sonst die Annahme einer identischen
Störverteilung in den benachbarten Referenzzellen immer weniger sinnvoll ist. Auterdem
wächst die Gefahr einer Fehlanpassung der Schwelle: der Störinhalt des Referenzkanals
wird entweder zu groß gemessen und damit eine unnötig hohe Schwelle eingestellt
( geringere Falschalarmwahrscheinlichkeit) oder umgekehrt. Der zuerst genannte Fall
bedeutet einen Abschattungs- bzw. Signalunterdrückungseffekt, der auch auftritt,
wenn weitere Nutzziele (kohärente Anteile) im Referenzkanal enthalten sind. Der
Abschattungseffekt läßt sich durch geeignet gewählte Abgriffe bzw. Meßpunkte und
Regelzeitkonstanten vermindern. Die Länge und die Anordnung des Referenzkanals bestimmen
wesentlich den Schaltungsaufwand.
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Patentansprüche: