DE2543312C3

DE2543312C3 - Einrichtung zur Darstellung eines Geländeausschnitts

Info

Publication number: DE2543312C3
Application number: DE19752543312
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. 8021 Icking Leysieffer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-29
Filing date: 1975-09-29
Publication date: 1979-02-15
Also published as: DE2543312B2; DE2543312A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Darstellung eines Geländeausschnittes unter Verwendung einer zur zeitlich nacheinander erfolgenden Abtastung des Ausschnittes schwenkbar ausgebildeten, bündelnden Antenne, die kurze oder komprimierte Sendeimpulse in Richtung auf den Erdboden absendet und reflektierte Signale empfängt.

Vielfach besteht das Bedürfnis, mit den Mitteln der Radartechnik Geländeausschnitte wetterunabhängig oder bei Nacht sichtbar zu machen (Landeanflug, Aufklärung, Binnenschiffahrt, Hafenübersicht). Eine übliche landkartenähnliche Darstellung ist in diesen Fallen mit Radargeräten hoher Entfernungsauflösung und mit Radarantennen mit hoher azimutaler Bündelung möglich.

Eine vielfach gewünschte perspektivische Darstellung

bO des Geländes nach Art einer Fotografie scheitert meistens daran, daß man hierzu aufwendige, flächenhaft große Antennen benötigt, die in zwei Ebenen intensiv bündeln (Bleistiftstrahl), und daß man zum Abtasten des Geländeabschnittes mit einem derart dünnen Strahl relativ viel Zeit benötigt.

Aus der DE-AS 10 77 579 ist es bei einer Einrichtung zur Wassertiefenmessung nach dem Echolotverfahren bekannt, den am Schiffskörper befestigten Tragarm mit dem daran angebrachten Echolotschwinger schwenkbar auszubilden. Darüber hinaus ist es aus dieser Auslegeschrift bekannt, eine größere Anzahl von senkrecht nach unten gerichteten Strahlern in gleichmäßigen Abständen an mit einem Schiff verbundenen Tragarmen anzuordnen. Durch gleichzeitig oder nacheinander in periodischer Wiederkehr erfolgende Lotung mit den Strahlern während der Fahrt des Schiffes können aufeinanderfolgende Querprofile oder parallellaufende Längsprofile der Wasserstraße aufgezeichnet werden. Erfolgen dabei die Lotungen mit den einzelnen Strahlern der Reihe nach wiederkehrend, so genügt es, nur eine Aufzeichnungseinrichtung vorzusehen, die z. B. bei der Aufzeichnung von Querprofilen von Lotung zu Lotung quer zur Tiefenkoordinate verschoben wird.

Aus der DE-AS 20 16 123 ist darüber hinaus eine Einrichtung an Wasserfahrzeugen zur Auslotung eines Gewässerabschnittes bekannt, bei welcher die Schwinger relativ zum Wasserfahrzeug und parallel zu sich selbst bewegbar sind. Die Schwinger werden dabei aufeinanderfolgend ausgelöst, d. h. nacheinander zur Lotung veranlaßt. Eine Aufzeichnung des Gewässerabschnittes in Form einer Abbildung ist bei dieser bekannten Anordnung nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung für eine perspektivische Geländedarstellung unter Verwendung von Radarmitteln zu schaffen, wobei man mit einfach aufgebauten Antennen auskommt und eine rasche Geländeabtastung ermöglicht wird.

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Einrichtung der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Antenne als nur im Azimut scharf bündelnde Antenne ausgebildet ist, deren Schwenkung in der Azimutrichtung erfolgt, daß zur perspektivischen Darstellung des Geländeausschnittes auf einem Radar-Bildschirm eine Horizontal-Ablenkeinrichtung vorgesehen ist, durch welche auf dem Bildschirm der Bildpunkt dem augenblicklichen Azimutwinkel innerhalb des Antennen-Schwenkbereiches proportional gesteuert wird, daß eine Bildpunkt-Vertikal-Ablenkeinrichtung vorgesehen ist, durch welche bei Aussendung eines jeden Sendeimpulses der Bildpunkt vom unteren Bildschirmrand senkrecht nach oben gestartet wird und hinsichtlich seiner vertikalen Geschwindigkeit so gesteuert wird, daß diese proportional zum Produkt aus der gerade empfangenen reflektierten Leistung und der reziproken zugehörigen Entfernung des Reflexionspunktes ist, und daß eine Einrichtung zur Regelung der Verstärkung des reflektierten Signals in Abhängigkeit von der Entfernung des jeweiligen Reflexionspunktes vorgesehen ist, so daß die Intensität des verstärkten reflektierten Signals und damit die Bildpunkthelligkeit unabhängig von der Entfernung des jeweiligen Reflexionspunktes ist.

Es wird somit eine nur in azimutaler Richtung scharf bündelnde Antenne benutzt, deren Strahlung im wesentlichen auf den Erdboden gerichtet ist. Man kommt dabei mit einer einfachen, horizontal liegenden Balkenantenne aus. Das Echo eines sehr kurzen oder

komprimierten Sendeimpulses, welches aus der Tiefe des bestrahlten Geländes zurückkehrend, sehr gestreckt ist, wird in seiner Zeitfunktion dahingehend ausgewertet, daß die in der Zeitfunktion versteckte Information über den Geländeschnitt in der betreffenden Azimutrichtung zur Steuerung des Bildpunktes auf dem Bildschirmgerät benutzt wird, um eine perspektivische Darstellung des Geländes zu erreichen. Der Bildpunkt des Bildschirmgerätes wird also nicht, wie bisher üblich, mit konstanter Anlenkgeschwindigkeit über den Bildschirm geführt, sondern der Betrag der verti'-.alen Ablenkgeühwindigkeit wird laufend vom Echosignal gesteuert

Für das Funktionieren der Einrichtung nach der Erfindung müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein. Zum einen muß für den Echovorgang das de Lambertsche Gesetz gültig sein, d. h., der reflektierte Strahlungsfluß einer größeren, gleichförmig aus einer Richtung bestrahlten rauhen Fläche muß sich aus den Einzel-Rückstrahlleistungen vieler kleiner Echopunkte zusammensetzen. Er ist dadurch unabhängig vom Winkel, unter dem der den Echofluß messende Beobachter diese Fläche beobachtet. Aus diesem Grunde erscheint z. B. der Mond in der Mitte und am Rande gleich hell, obwohl die Flächen in der Mitte und am Rande jeweils sehr verschiedene Winkel zum Beobachter einnehmen. Abgesehen von spiegelglatten Seeoberflächen und Straßenoberflächen ist die Oberflächenrauhigkeit eines üblichen Geländes für den Radarbereich so beschaffen, daß das de Lambertsche Gesetz Gültigkeit hat. Zum anderen muß der Radarempfänger eine exakte zeit-(entfernungs-)abhänjige Verstärkungsregelung besitzen, so daß gleiche Echo-Leistungen unabhängig von der Entfernung zum Radargerät, in der sie entstehen, gleich starke Videosignale erzeugen.

Aus der US-PS 25 55 101 ist eine nur im Azimut scharf bündelnde Antenne, deren Schwenkung in der Azimutrichtung erfolgt, bekannt. Diese Antenne dient aber nicht der Darstellung eines Geländeausschnittes und ist deswegen auch nicht auf den Erdboden ausgerichtet. Vielmehr soll mit ihr der Luftraum abgetastet werden, um z. B. auf einen Flughafen zufliegende Flugzeuge hinsichtlich ihrer Position in be?:;g auf die Landebahn auf Kathodenstrahlröhren darzustellen und entsprechend für die Landung über Funk einzuweisen. Aus dem Buch »Radar-Grundlagen-Anwendungen«, Fachverlag Schiele & Schön, 1965, S. 44 und 58, ist die Lehre bekannt, daß durch Winkelsektorabtastung eine Luftraumüberwachung stattfinden kann. Eine Darstellung von Geländeausschnitten ist nicht angesprochen, ja soll sogar unterbunden werden, wenn man den letzten Satz des ersten Absatzes auf Seite 44 heranzieht (Störung durch Bodenechos). Unmittelbar erwähnt wird im Kapitel »Sektorabtastung« dieser Literaturstelle eine in der Azimutrichtung schwenkende Anten.ie, deren Strahlungscharakteristik nur im Azimut scharf gebündelt ist, nicht. Eine solche Antenne, wie sie auch bei der Geländeabtasteinrichtung nach der Erfindung verwendet wird, ist nur im ersten Satz dieses Kapitels angedeutet, wonach ein nur in einer Richtung gebündelter Strahl über einen kleineren Winkelsektor bewegt wird. Die exakte, in diesem Kapitel angesprochene Höhenradar-Antenne jedenfalls bündelt in der Vertikalebene (= Elevationsebene) stark und wird um eine horizontale Achse hin- und hergeschwenkt, entspricht damit also gerade nicht der bei der Erfindung verwendeten Antenne.

Unter den bereits ausgeführten Voraussetzungen soll im folgenden unier Beiziehung der Figur ein zeitlich sehr kurz andauernder elektromagnetischer Wellenzug, der eine Radarantenne verläßt, verfolgt werden.

In F i g. 1 ist ein Geländeabschnitt gezeichnet, in dessen Schnittebene (Zeichenebene) im wesentlichen die Energie des Wellenzuges verläuft, der von der Radarantenne in dieser Ebene — also azimutal — stark gebündelt ist. Ein Sendeimpuls SJ läuft in ^-Richtung von links nach rechts. Die Sendeantenne sei so weit entfernt, daß man die Wellenfront als geradlinig ansehen kann. In der Elevation sei die Energie gleichmäßig im Bereich y = 0 bis y = h verteilt. Die Zeitdauer des Sendeimpulses SJ sei so kurz, daß der während dieser Zeit von der Welle zurückgelegte Weg sehr klein (10 —20 m) gegenüber der gesamten Ausdehnung des Geiändeschnittes ist (Stoßwelle).

Die Stoßwelle 5/berührt an der Stelle A zum ersten Mal den Erdboden ES und erzeugt dort ein rücklaufendes Echo, eine Zeit später an der Stelle B, dann an der Stelle C usw. Durch den Laufzeiteffekt ist das zur Radarantenne zurücklaufende Echo insgesamt zeitlich langgestreckt und während des Einlaufens in die Antenne zu verschiedenen Zeiten verschieden stark. Je nach der Größe des Anstellwinkels φ (Punkt D) des Geländeschnittes ist das an dieser Stelle reflektierte Wellenpaket R W nämlich mehr oder weniger intensiv. Dies ist eine Folge der Laufzeiteffekte und hat mit den statischen Reflexionsgesetzen, die nach dem de Lambertschen Gesetz als winkelunabhängig anzusehen sind, nichts zu tun.

Es soll nun gezeigt werden, daß die zu jedem Zeitpunkt gerade entstehende Echoenergie proportional zu derjenigen Geschwindigkeit ist, mit der der auf die y-Achse projizierte Auftreffpunkt der Stoßwelle 5/ auf das Gelände auf der y-Achse nach oben läuft.

Die insgesamt in der Zeichenebene im Bereich y = 0 bis y = h laufende Sendeenergie sei E Es wird eine Linienenergie E₀ (Energie pro Längeneinheit) in der Weise definiert, daß

dr.

Im folgenden wird die Stoßwelle betrachtet, die zur Zeit t an der Stelle D auf das Gelände trifft. Während der Zeitdauer des Sendeimpulses At hat die Stoßwelle, die sich mit der Lichtgeschwindigkeit c fortpflanzt, die Strecke Ax=C-At zurückgelegt. Das Gelände hat zunächst überall den gleichen Reflexionsfaktor η, mit dem ein Bruchteil der Sendeenergie in der Richtung der negativen x-Achse in der Zeichenebene zur Radarantenne zurückgeworfen wird.

In dieser Zeit At wird der Energieanteil Er = η ■ Ε,,· Ayreflektiert,wobei

Iy
Tx

ay

= tan

φ ist dabei der Anstiegswinkel des Geländes, das zur Zeit t von der Stoßwelle SJgetroffen wird. Es ist

Er = η ■ E_n ■ Ax · tan φ = r, ■ E_n ■ c ■ A t ■ tan φ.
Die pro Impulsdauer Ii reflektierte F.nergie —■ ist

■~- -//(·£(,■ tan ν .

Die Geschwindigkeit ν, mit der sich der Auftreffpunkt der Stoßweile auf (Jem Gelände in y-Richtung bewegt, ist offensichtlich nach Fig.!

v_f = c ■ tan φ,

soda" sich ergibt:

Die pro Sendeimpulslänge reflektierte Energie (die Echoimpulsleistung) ist proportional der Geschwindigkeit, mit der der Auftreffpunkt der Stoßwelle aut das Gelände in /-Richtung wandert.

ßei der Einrichtung zur perspektivischen Darstellung nach der Erfindung tastet die im Azimut scharf bündelnde Antenne durch mechanische Drehung oder elektronische Schwenkung das Gelände azimutal zeitlich nacheinander ab. Auf dem Bildschirm entspricht einem jeden Azimutwinkel ein proportional zugeordneler Punkt auf der horizontalen Achse. Die vertikale Ablenkung des Bildpunktes auf dem Bildschirm geschieht in der Weise, daß beim Start eines jeden Sendeimpulses auch der Bildpunkt am unteren Ende des Bildschirmes zur Ablenkung senkrecht nach oben gestartet wird, wobei seine jeweilige Ablenkgeschwindigkeit proportional dem Produkt aus der gerade empfangenen Echoleistung und der reziproken zugehörigen Entfernung gewählt wird. Der Einfluß der reziproken Entfernung bewirkt, daß absolut gleich hohe Erhebungen in größerer Entfernung entsprechend kleiner dargestellt werden. Hört der Echoenergiefluß auf (Punkt E), so wird der Bildpunktvorlauf gestoppt, bis wieder Echoenergie (vom Punkt F) empfangen wird. Hört der Echofluß endgültig auf (Punkt G), so wird auch y, die Bildpunktablenkung abgebrochen. Bei einem erneut gestarteten Sendeimpuls beginnt der Bildpunkt wieder vom unteren Rand des Bildschirmes mit einem neuen Ablenkvorgang in derselben Weise. Nach einer Serie dieser Vorgänge schwenkt die Antenne in die benachbarte Azimutrichtung, und das Spiel beginnt von neuem.

Die mit dieser Einrichtung erzielte Darstellung liefen einen perspektivischen Eindruck mit der richtigen Geländekontur, so, ais ob der Beobachter das Gelände — etwa in der y-Achse stehend — in Richtung der x-Achse betrachtet. Auch das zweite wesentliche Faktum der perspektivischen Darstellung, das scheinbare Sichverschmälern eines Parallelstreifens, der sich vom Beobachter aus in der Ebene nach vorn erstreckt, ist durch das Darstellen der verschiedenen azimutalen Sektoren auf dem Bildschirm durch parallelliegende senkrechte Streifen gegeben.

Das in F i g. 1 gewählte Modell entspricht insofern nicht ganz der Wirklichkeit, als die Phasenfronten der Sende- und Echowellen als gerade Linien angenommen werden. In Wirklichkeit führen die Kugelwellen der

Strahlung zu der bekannten -τ Abhängigkeit der

Echoenergie von der Entfernung r. eo

Da jedoch als Voraussetzung für die echogeregelte Darstellung nach der Erfindung eine exakte zeitabhängige Regelung der Verstärkung vorgesehen ist, bei der gleichartige Echoleistungen entfernungsabhängig verarbeitet werden, liefert der an sich unrichtige Tatbe- t,, stand von Fig.] eine weitgehend richtige Darstellung der Vorgänge.

Es wurde bisher aneenommen. daß der Reflexionsfaktor des Geländes überall gleich bei L>a<: ist in der Praxis nicht der Fall. Insbesondere Häuser, Brücken, Masten und fahrzeuge bilden Zentren besonders intensiver Reflexion. Jedoch ist bei Häusorn und Gebäuden aller Art mit höheren, senkrechten Wänden die Darstellung weitgehend richtig, weil der Bildpunkt in diesen Fällen abrupt in die Höhe springt, und zwar bei hohen Gebäuden (starkes IZcho) entsprechend höher ah bei niedrigen Gebäuden. Metallische Gegenstände, insbesondere Fahrzeuge, werden dagegen als »überhöhte Stifte*· dargestellt. Dies ist zwar nicht naturgetreu, jedoch in vielen Anwendungsfällen sehr erwünscht.

Die perspektivische Darstellung, für die im Prinzip Informationen in drei Dimensionen nötig sind, obwohl das Radargerät zunächst nur zwei Dimensionen (Azimut, Entfernung) auswertet, gelingt bei der Erfindung dadurch, daß die azimutal gebündelte fächerförmige Welle an einem Punkt auf dem Erdboden auftrifft und daß sich dieser Punkt kontinuierlich auf dem Gelände wegbewegt und dabei Höheninformationen liefert.

Diskrete, vom Boden gelöste Reflexionspunkte, z. B. Flugzeuge, können daher nicht richtig eingeordnet werden. Sie werden so wiedergegeben, als befänden sie sich jeweils auf ihrem Projektionspunkt auf dem Gelände, wenn man sie senkrecht von oben auf das Gelände projiziert.

Durch die bekannten Schaltungen, die den Bildschirm nur für bestimmte wählbare Entfernungen helltasten, bekommt man eine perspektivische Darstellung von Linien gleichen Abstandes zum Radargerät; weiterhin ist es möglich, die Entfernung zu Zielen im Gelände zu messen, indem man die hellgetastete Entfernungslinie so lange verschiebt, bis das gewünschte Ziel »ins Licht« kommt und man die zugehörigen Entfernungen abliest.

Im folgenden wird anhand von F i g. 2 der Auswertungsteil zur Steuerung der Bildschirm-Ablenkeinheit und seine Beziehung zum Radargerät als Prinzipschaltung zusammenfassend erklärt.

Die wesentlichen Einheiten des Radargerätes sind eine Antenne 1, ein Sende-Empfangsschalter 2, ein Radarsender 3, ein Radarempfänger 4 und eine Bildröhre 5. Die Antenne 1 wird von einer Baugruppe 6 periodisch im Azimut über einen bestimmten Winkelbereich, z.B. 30°, geschwenkt. Die Schwenkung des Richtstrahls in azimutaler Richtung kann mit Hilfe bekannter Verfahren auch elektronisch erfolgen. Proportional zum jeweiligen Azimutwinkel wird der Bildpunkt der Bildröhre 5, gesteuert von der Baugruppe 6 und als Folge einer entsprechenden Ablenkgröße 7. horizontal bewegt. Eine Schaltung 8 erzeugt diese Ablenkgröße 7 in bekannter Weise.

Zum Empfänger 4 gehört ein Regelverstärker 9, der dafür sorgt, daß die Intensität des Echosignals an seinem Ausgang nahezu unabhängig ist von der räumlicher Entfernung, in der das Echo entsteht, und eir Pulskompressions-Netzwerk 10 für den Fall, daß das Radargerät mit Pulskompression arbeitet.

Das fertig aufbereitete Videosignal steuert zum einer über eine entsprechende Elektrode 11 der Bildröhre 5 die Leuchtintensität des Bildpunktes und zum anderen einen Regelverstärker 12, der an seinem Ausgang durch eine entfernungsproportionale Regelung eine Spannung liefert, die dem Quotienten aus Echosignalleistung und Entfernung proportional ist

Diese Spannung steuert einen Integrator 13, der das Zeitintegral über seine Eingangsspannung bildet und mit dieser Größe 14 die Vertikalablenkung 14 der

Bildröhre 5 bewirkt. Der jeweilige Startpunkt der vertikalen Aufwärtsbewegung des üiidpunktes wird vom Radarxender 3 durch ein angepaßtes Startsignal i5 synchronisiert.

Für eine steroskopische Betrachtung müssen zwei perspektivische Teilbilder dargestellt werden, die der Aufnahme von jeweils zwei verschiedenen, horizontal uiv einen bestimmten Betrag verschobenen Radarantennenorten entsprechen. Da über die Impulslaufyeit grundsätzlich auch die Entfernungsinformation vorliegt, kann dies bei der Einrichtung nach der Erfindung in der Weise geschehen, dall der horizontalen Ablenkbewegung, welche im wesentlichen der Antennenschwenkiing proportional ist, eine kleinere Komponente

überlagert wird, die proportional zu±-psl, wobei r die

jeweilige Entfernung zum Entstehungsort des Echos ist. Die verschiedenen Vorzeichen gelten jeweils für die beiden Teilbilder. Diese können entweder zeillich nacheinander auf denselben Bildschirm oder gleichzeitig nebeneinander auf denselben Schirm bzw. auf zwei getrennte Bildschirme geschrieben werden.

Bei einer zeitlich nacheinander erfolgenden Darstellung der Teilbilder werden in zweckmäßiger Weise-Einrichtungen hinzugezogen, welche die Zuordnung der beiden dem rechten bzw. linken Auge zuzuleitenden Bilder durch abwechselndes synchrones Abblenden des rechten bzw. linken Auges im richtigen Sinne gewährleisten. Bei gleichzeitiger Darstellung nebeneinander auf der gleichen oder zwei getrennten Bildröhren werden die Bilder über eine autosuggestive Einstellung der Augen direkt oder mit Hilfe von bekannten Brillen mit Keilgläsern betrachtet, wobei die Trennung der optischen Kanäle entweder durch Polarisationsfilter am Bildschirm oder aber auch durch farblich verschiedenartige Darstellung der Teilbilder und Brillen mit verschiedener Farbcharakteristik bewerkstelligt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Darstellung eines Geländeausschnittes unter Verwendung einer zur zeitlich nacheinander erfolgenden Abtastung des Ausschnittes schwenkbar ausgebildeten, bündelnden Antenne, die kurze oder komprimierte Sendeimpulse in Richtung auf den Erdboden absendet und reflektierte Signale empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (1) als nur im Azimut scharf bündelnde Antenne ausgebildet ist, deren Schwenkung in der Azimutrichtung erfolgt daß zur perspektivischen Darstellung des Geländeausschnittes auf einem Radar-Bildschirm eine Horizontal-Ablenkeinrichtung (6, 8) vorgesehen ist, durch welche auf dem Bildschirm der Bildpunkt dem augenblicklichen Azimutwinkel innerhalb des AMennen-Schwenkbereiches proportional gesteuert wird, daß eine Bildpunkt-Vertikal-Ablenkeinrichtung (12, 13) vorgesehen ist, durch welche bei Aussendung eines jeden Sendeimpulses der Bildpunkt vom unteren Bildschirmrand senkrecht nach oben gestartet wird und hinsichtlich seiner vertikalen Geschwindigkeit so gesteuert wird, daß diese proportional zum Produkt aus der gerade empfangenen reflektierten Leistung und der reziproken zugehörigen Entfernung des Reflexionspunktes ist, und daß eine Einrichtung (9, 11) zur Regelung der Verstärkung des reflektierten Signals in Abhängigkeit von der jo Entfernung des jeweiligen Reflexionspunktes vorgesehen ist, so daß die Intensität des verstärkten reflektierten Signals und damit die Bildpunkthelligkeit unabhängig von der Entfernung des jeweiligen Reflexionspunktes ist. r>

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur stereoskopischen Darstellung zwei perspektivische Teilbilder erzeugt werden, daß dazu der im wesentlichen der Antennenschwenkung proportionalen Horizontalablenkbewegung eine

kleinere, zu± —proportionale Komponente überlagert wird, wobei r die jeweilige Entfernung zum Reflexionsort ist und die beiden Vorzeichen jeweils für die beiden Teilbüder gelten, und daß die beiden Teilbilder entweder zeitlich nacheinander auf denselben Bildschirm oder gleichzeitig nebeneinander auf denselben Schirm bzw. auf zwei getrennte Bildschirme geschrieben werden.

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