DE2606759B2 - Verfahren zur Spiegeleffekt-Korrektur in Summe-Differenz-Zielfolgeradaranlagen - Google Patents
Verfahren zur Spiegeleffekt-Korrektur in Summe-Differenz-ZielfolgeradaranlagenInfo
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Description
F± = --^-Ekp + F^r
gewinnt, um das durch Spiegeleffekte verfälschte Winkelfehlersignal EEPzu korrigieren, mit
EEp = durch Spiegeleffekte verfälschte Winkelfehlersignalanteil
in Phase zum Summemsignal (Fs)
Eeq = durch Spiegeleffekte verfälschter Winkelfehlersignalanteil
in Quadratur zum Summensignal (Fs)
Ekp = aus dem Kreuztermsignal gewonnener Winkelfehlersignalanteil
in Phase zum Summensignal (Fs)
Ekq = aus dem Kreuztermsigvial gewonnener Winkelfehlersignalanteil
in Quadratur zum Summensignal (Fs)
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Rest-Korrektursignals
Far ein Iterationsverfahren unter Einbe2ug
der angenäherten Winkelablagedaten (ΛΊ) des reellen Radarzieles (T) und der (X2) des gespiegelten
Radarzieles (7^ angewendet wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsstufe (4) das
Rest-Korrektursignal Fd«nach der Formel
gewinnt, wobei Fk[X\) die Fehlerfunktion des
Kreuztermsignals (FdK) für den angenäherten,
zwischen der Radar-Peilachse (BS) und der Radar-Zielachse
gebildeten Winkel (ΛΊ) ist, der aus den vorangehendeivlterationsschritten hervorgeht.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Korrektur einer durch spiegelnde Flächen hervorgerufenen
Mißweisung in Zielfolgeradargeräten mit wenigstens drei Primärstrahlern, von denen mindestens
zwei derart ausgerichtet sind, daß eine durch die Längsachsen von deren Strahlungscharakteristika verlaufende
Ebene zumindest angenähert senkrecht zur spiegelnden Fläche steht, wobei in einem Summen-Differenz-Netzwerk
aus den von den Primärstrahlern empfangenen Echosignalen nebst einem Summensignal
noch zwei Differenzsignale zur Bildung von Winkelfehlersignalen und zusätzlich ein Kreuztermsignal
ίο erzeugt werden.
Bekanntlich treten beim Betrieb von Radaranlagen neben dem Nutzsignal eine Vielzahl von unerwünschten
Echosignalen z. B. als Folge von Boden- bzw. Seereflexionen,
Geländeüberhöhungen, atmosphärischen bzw.
is troposphärischen Schichtungen etc. auf. Insbesondere
zeigen sich bei mobilen Zielverfolgungsradargeräten auf Grund ihrer besonderen Einsatzkonzepte und
Aufgaben der kontinuierlichen Zielvermessung, meist in allen drei Koordinaten, sowie der Zielgeschwindigkeits-Bestimmung
unter verschiedensten topographischen Bedingungen oft wechselnde Reflexionsstörungen. Je
nach Art des Zielverfolgungsradargerätes obliegt diesem auch zusätzlich die Zielerfassung, so daß die
dazu notwendige, dem Gelände angepaßte Radarstrahl-Suchbewegung zwangsläufig in den Bereich von
reflektierenden Medien gerät und daher diese Betriebsart an sich besonders störanfällig ist
Die Unterdrückung von Echosignalen, die von
feststehenden Reflektoren stammen, erfolgt weitgehend durch eine sogenannte Standzeichenunterdrückung
(engl. »Moving Target Indicator«; MTI) mittels beispielsweise Dopplerauswertung oder Verzögerungsleitungen etc.
Schwieriger gestaltet sich dagegen eine Echisignalunterdrückung bei einem nur streifenden Einfall des Radarstrahls auf eine in bezug auf die Wellenlänge des ausgesandten Mikrowellenstrahls ebene, als Spiegelfläche bezeichnete Fläche. In diesem Falle bilden sich zwei Wellenzüge aus, welche zusammen interferieren und das auszuwertende Zielechosignal mindestens teilweise verfälschen. Der erste Wellenzug stellt dabei die direkt vom Ziel reflektierte Welle dar, während der zweite Wellenzug eine von der Spiegelfläche reflektierte, mit einem Phasensprung in Abhängigkeit vom spiegelnden Medium behaftete Welle darstellt. Dementsprechend bilden sich an den Empfangsorganen Felder mit unterschiedlichen, von der jeweiligen relativen Phasenlage der eintreffenden Wellenzüge abhängigen Feldvektoren, welche zueinander additiv sind und das jeweilige
Schwieriger gestaltet sich dagegen eine Echisignalunterdrückung bei einem nur streifenden Einfall des Radarstrahls auf eine in bezug auf die Wellenlänge des ausgesandten Mikrowellenstrahls ebene, als Spiegelfläche bezeichnete Fläche. In diesem Falle bilden sich zwei Wellenzüge aus, welche zusammen interferieren und das auszuwertende Zielechosignal mindestens teilweise verfälschen. Der erste Wellenzug stellt dabei die direkt vom Ziel reflektierte Welle dar, während der zweite Wellenzug eine von der Spiegelfläche reflektierte, mit einem Phasensprung in Abhängigkeit vom spiegelnden Medium behaftete Welle darstellt. Dementsprechend bilden sich an den Empfangsorganen Felder mit unterschiedlichen, von der jeweiligen relativen Phasenlage der eintreffenden Wellenzüge abhängigen Feldvektoren, welche zueinander additiv sind und das jeweilige
so am Empfangsorgan abgenommene Signal beeinflussen.
Die obige Betrachtung der als Spiegel-Effekt bekannten Erscheinung wird jedoch bedeutend komplizierter,
wenn die Spiegelfläche als diffuser Rückstrahler, wie beispielsweise ein bewegter See, unebener Fels oder
ein oberflächenprofiliertes Rollfeld, angenommen wird. Ebenfalls wird sich die Erdkrümmung je nach Form der
keulenförmigen Abstrahlcharakteristik der Radarantenne und Höhe des Radarziels, insbesondere über
spiegelnden Wasserflächen, auf die Verfälschung des
Selbstverständlich lassen sich die beschriebenen Verhältnisse auch auf Radarverfahren unterschiedlicher
Modulationsart in entsprechend abgewandelter Form übertragen und gelten analog insbesondere ebenfalls für
In der DE-OS 23 41312 sind zur Belegung des
Standes der Technik mehrere Verfahren und Vorrichtungen zur Unterdrückung von Bodenechos genannt.
Als neue Version wird eine Radaranlage, mit einem während eines Empfangszeitintervalls in der Periode
zweier Impulse wirksamen Verstärkungspfad zur Verbesserung des Verhältnisses von Störsignal zu
Nutzsignal vorgeschlagen. Mittels einer Synchronisierungseinrichtung,
einem Leistungsteiler und Koppler wird ein bestimmtes Strahlungsmuster zeitgerecht
gesteuert und von einer Sende-Empfangs-Anordnung abgestrahlt Durch schrittweises Umschalten von
Antenneneinrichtungen soll dabei die Empfangsrichtung beeinflußt und das vom Sei stammende Echosignal
gegenüber dem Bodenecho verstärkt werden.
Diese bekannten Radaranlagen bringen bestenfalls eine Spiegeleffektunterdrückung und könnten auf
Grund der physikalischen Voraussetzungen als Optimierungslösung konventioneller Technik bezeichnet
werden. Außerdem könnten sie nur unter großen technischen Schwierigkeiten auch bei Zielfolgeradaranlagen
angewandt werden.
Eine weitere für Zielfolgeradargeräte besser geeignete Möglichkeit zur Verminderung des Spiegeleffektes ist
durch M. D. Symonds und J. M. Smith im Untersuchungsbericht »Multi-Frequency Complex-Angle Trakking
of Low-Level Targets«, IEEE Conference Publication London, October 1973, pp. 166 — 171, veröffentlicht
worden. Der bei konstanten Sendefrequenzen ebenfalls konstante oder nur langsam veränderliche Phasenwinkel
— der Phasenwinkel zwischen dem direkten und dem gespiegelten Signalanteil — wurde durch eine
variable Sendefrequenz ebenfalls variiert. Dadurch konnte mit einer Auswertung von in den Echosignalen
auftretenden komplexen Phasenwinkeln eine beträchtliche Verringerung der durch Spiegeleffekte hervorgerufenen
Mißweisung des Radargerätes erzielt werden.
Wie jedoch aus der Technik der Mehr-Frequenz-Radarverfahren
(engl. »Frequency Agility«) bekannt ist, sind rasche Änderungen der Sendefrequenz mit einem
relativ großen Aufwand verbunden. Außerdem erlaubt der heutige Stand der Radar-Sender-Technik die
wünschenswert großen, zur Erzielung günstiger Phasendifferenzen erforderlichen Frequenzhübe nur unter
gleichzeitiger Inkaufnahme großer technischer Schwierigkeiten.
Alle bekannten Verfahren weisen ferner den Nachteil auf, daß die zur Spiegeleffekt-Korrektur notwendigen
Maßnahmen in jedem aufeinanderfolgenden Meßintervall durchgeführt werden müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Spiegeleffekt-Korrektur
anzugeben, welches die aufgezeigten Nachteile bekannter Verfahren und Einrichtungen nicht aufweist
Außerdem sollen beabsichtigte oder naturgegebene Störquellen mit einer den Spiegeleffekt-Echos ähnlichen
Charakteristik ebenfalls eliminiert werden können, und es soll ebenfalls ein störungsfreier Übergang zum
spiegeleffektfreien Betrieb möglich sein.
Aus der Zeitschrift IEEE Trans. VoL AES-7, Nr. 6, Nov. 1971, S. 1123-1130, ist von Peyton Z. Peebles
ferner eine Radareinrichtung bekanntgeworden, in der eine Spiegeleffekt-Korrektur deshalb unter Verwendung
von mehr als vier Strahlern vorgenommen wird, weil das von einem üblichen Monopulssystem mit vier
Strahlern gelieferte Gleichungssystem unbestimmt ist Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, Spiegeleffekte auch bei Verwendung eines echten Monopulssystems unabhängig davon zu
korrigieren, ob das Monopulssystem nun drei, vier oder mehr Strahler aufweist Die Erfindung soll außerdem für
unterschiedliche Radarsysterne anwendbar sein und ohne aufwendige Änderungen auch in bereits bestehende
Anlagenkonzepte integriert werden können.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Kreuztermsignal in mindestens einem Meßintervall
gebildet wird, daß aus diesem Kreuztermsignal ein in
zwei Komponenten Ekq, Ekp zerlegtes Kreuzterm-Winkelfehlersignal
erzeugt wird, und daß eine Signalverarbeitungsstufe
ein Korrektursignal Fa nach der Formel
s· EsSLv . π·
*A = — ~E ^KP + ^A R
Z-KQ
gewinnt, um das durch Spiegeleffekte verfälschte Winkelfehlersignal Eep zu korrigieren, mit
Eep = durch Spiegeleffekte verfälschter Winkelfehlersignalanteil
in Phase zum Summensignal
Eeq = durch Spiegeleffekte verfälschter Winkelfehlersignalanteil in Quadratur zum Summensignal
Eeq = durch Spiegeleffekte verfälschter Winkelfehlersignalanteil in Quadratur zum Summensignal
fehlersignalanteil in Phase zum Summensignal
Ekq = aus dem Kreuztermsignal gewonnener Winkelfehlersignalanteil in Quadratur zum Summensignal
Ekq = aus dem Kreuztermsignal gewonnener Winkelfehlersignalanteil in Quadratur zum Summensignal
Als Höhenwinkelebene wird eine Ebene bezeichnet die zur spiegelnden Fläche orthogonal ist Dementsprechend
liegen sämtliche zu vermessenden Höhenwinkel in dieser Höhenwinkelebene; sie können jedoch in
beliebiger Lage zum geodätischen Höhenwinkel liegen. Selbstverständlich gilt die analoge Betrachtungsweise
auch für die Seitenwinkel.
Der Begriff der Kreuztermfunktion charakterisiert eine an sich bekannte, jedoch bisher nicht ausgewertete
Differenzfunktion, die durch ebenfalls bekannte Hohlleiteranordnungen zwischen zwei diagonal oder in
speziellen Fällen auch quasidiagonal gegenüberliegenden Primärstrahlern gewonnen werden kann.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens an Hand der Zeichnung
erörtert
Es zeigt
Es zeigt
F i g. 1 ein nahe einer spiegelnden Fläche angeordnetes Radargerät bei der Verfolgung eines tieffliegenden
Flugzieles,
Fig.2 ein Radargerät mit drehbarer, sogenannter Monopulsantenne,
so Fig.2a die zur Korrektur des Spiegeleffektes ausgerichtete Monopulsantenne,
Fig.2b eine sechs Primärstrahler aufweisende, zur Korrektur des Spiegeleffektes ausgerichtete Antennenanordnung,
Fig.2c eine drei Primärstrahler aufweisende, zur
Korrektur des Spiegeleffektes ausgerichtete Antennenanordnung,
Fig.3 ein schematisches Blockschaltbild mit einem
für die Korrektur des Spiegeleffektes typischen
Fig.4 die Winkelverhältnisse in der Höhenwinkelebene
mit einem reellen Radarziel T und einem gespiegelten Radarziel T'bei einer gegebenen Peilachsenausrichtung
des Radargerätes R'.
Aus F i g. 1 ist eine Situation einer Radarvermessung über einer spiegelnden Fläche 5, beispielsweise einer
glatten Wasseroberfläche ersichtlich. Zur Vereinfachung der Gesamtsituation wird dabei die spiegelnde
Fläche S als tangential*: Fläche zur Erdkugel angenommen.
Die keulenförmige Abstrahlcharakteristik der Radarantenne, der Peilwinkel gegenüber dem Radarziel
sowie die Reflexionscharakteristik des Radarziels und die durch Nebenkeulen verursachten Effekte sind nicht
dargestellt.
In den F i g. 2a, 2b und 2c sind verschiedene Antennenformen aufgezeigt, sowie deren Ausrichtung
mittels einer (gedachten) zur spiegelnden Fläche orthogonalen Höhenwinkelebene. Das allgemein gültige
Prinzip der Antennenausrichtung wird am Beispiel einer Antenne mit vier Primärstrahlern demonstriert
(F ig. 2a).
Das Zielfolgeradargerät nach F i g. 3 verwendet eine Monopulsantenne 1 mit den Primärstrahlern (engL
»Feed«) A, B, C und D. Nachgeschaltet ist ein Summen-Differenz-Netzwerk 2 mit einem anschließenden
Diskriminator 3. Die Ausgänge dieses Diskriminator 3 sind an eine Signalverarbeiiungsstufe 4, und die
Ausgänge der Signalverarbeitungsstufe 4 zu einer Korrekturschaltung 5 geführt Ein Rechner (R ")ö kann
bedarfsweise ebenfalls an diese Korrekturschaltung 6 angeschlossen werden.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich ungeachtet der speziellen Technik des
jeweiligen Radarsystems erklären:
Die Monopulsantenne 1 empfängt das aus direktem und gespiegeltem Echosignal bestehende Interferenzsignal.
Durch die Ausrichtung in bezug auf die spiegelnde Fläche können im Summen-Differenz-Netzwerk
in bekannter Weise aus den durch die Primärstrahler A, B, Cund D empfangenen Echosignalen a, b, cund
dfolgende Nutzsignale gewonnen werden:
Eine die Distanzinformation enthaltende Summenfunktion
Fs=a+b+c+d
eine die Seitenwinkelinformation enthaltende erste Differenzfunktion
des Seitenwinkels FA = -^-,
des Höhenwinkels FE= ^-,
's
's
des Kreuzterms FK =
In einer anschließenden Signalverarbeitungsstufe 4 werden unter Anwendung an sich bekannter Technik
folgende Signale gewonnen:
Aus der Winkelfehlerfunktion FA das Winkelfehlcrs
signal
des Seitenwinkels EAf = Re[F λ(Υχ, Y1)]
und nach erfolgter Nachführung der Radarantenne im Seitenwinkel durch die Seitenwinkelinformation EAp
ίο ebenso:
aus der Winkelfehlerfunktion FE das Winkelfehlersignal
des Höhenwinkels
eine durch Spiegeleffekte verfälschte, die Höhenwinkelinformation
und die Spiegeleffektinformation enthaltende zweite Differenzfunktion
FdE= a- c
sowie eine beide Winkelablageninformationen und die Spiegeleffektinformation enthaltende Kreuztermfunktion
FdK=(a+c)-(b+d)
Vom Summen-Differenz-Netzwerk wird die Summenfunktion Fs als Summensignal abgegeben und direkt
in bekannter Weise nach erfolgter Umsetzung auf eine Zwischenfrequenz zur Distanzinformation benutzt
Im Diskriminator 3 werden in ebenfalls bekannter Weise die Winkelfehlerfunktion
EEf =
und das 90° phasenverschobene Winkelfehlersignal des Höhenwinkels
sowie aus der Winkelfehlerfunktion FK das Winkelfehiersignai
des Kreuzterms
EKP =
und das 90° phasenverschobene Winkelfehlersignal des Kreuzterms
EKQ =
funktion, bzw. ein dazu korrespondierendes Signal aus dem Summenkanal als Phasenreferenz. Die 90°
phasenverschobenen Winkelfehlersignale werden mit
»Boresight«) in der Höhenwinkelebene
(F ig-4)
Yu Y2 — Winkel analog zu Ai, Xi in Seitenwinkelebene
Yu Y2 — Winkel analog zu Ai, Xi in Seitenwinkelebene
(nicht dargestellt)
Q = Reflexionsgrad des an der spiegelnden Fläche
Q = Reflexionsgrad des an der spiegelnden Fläche
auftretenden, vom Ziel zurückgestrahlten Radarstrahls
φ = Phasenwinkel zwischen gespiegeltem und
φ = Phasenwinkel zwischen gespiegeltem und
direktem Signalanteil
Die Wirkungsweise der Korrekturschaltung 5 (Fig.3) läßt sich durch die Auswertung der beiden
so Winkelfehlerfunktionen Fe(X)\\nd F^A^erklären(siehe
Fig.4). Die Winkelfehlerfunktion Fe(X) wird dabei
repräsentiert durch das komplexe Winkelfehlersignal Es ebenso die weitere Winkelfehlerfunktion Fk(X)
durch das komplexe Winkelfehlersignal EK.
Es gilt:
l+Ä-e*
l+Ä-ί
worin
Fs(X1)
systemgemäß aufbereitet
eine Hilfsgröße ist
Die komplexen Winkelfehlersignale Ee und Εκ lassen
sich bekanntlich in Real- und Imaginärteile aufteilen:
Realteile (in Phase zum Summenkanal)
^eCi )· | EP | Fk(Xi) | fc-Kr | + R cosq[Fe(X1 | (X2)-]+R2 Fe(X2) |
Imaginärteile | 1 + 2R- | + R2 | |||
F-EQ | + R-COS9[Rj(A | Mi)I + R2 FK(X2) | |||
1 + 2R- | + R2 | ||||
(in Quadratur | Summenkanal) | ||||
[FE(Ar2J-F1 1 ι 1 O . |
R · sin · ι/ ι Dl |
||||
.) + F£ | |||||
COS q | |||||
'l) + f | |||||
COSq | |||||
zum | |||||
KX1)] |
[Fk(X2)-Fx(X1)]R -sin,
ka 1+2R-cos?+R2
so daß durch eine naheliegende algebraische Umformung eine exakte Bestimmungsgleichung für das
Winkelfehlersignal gewonnen wird:
"KQ
= EEP + F^+FSR
Da das Rest-Korrekturglied
Λ.« = T1^Fk(X1)
sowie das Winkelfehlersignal selbst eine Funktion von
X\ ist, müssen die jeweiligen Zielablagen mindestens annähernd bekannt sein; zur iterativen Bestimmung des
Rest-Korrekturgliedes aus diesen Zielablagedaten dient
der wahlweise an das Radargerät anschaltbare Rechner R".
In den meisten Fällen kann auf das Rest-Korrekturglied FaR verzichtet werden, da mit dem Korrekturglied
Fm in einem weiten Winkelbereich eine ausreichende
Näherung erzielt wird. Das Rest-Korrekturglied Far
wird zu Null bei exakter Zielnachführung, d. h. wenn die Peilachse Ss auf das Ziel rausgerichtet ist (F i g. 4), da
= OfUrX1=O.
Die erfinderische Lösung weist u. a. den Vorteil auf, daß die Bestimmung des Korrekturgliedes F^i und des
Rest-Korrekturgliedes FiR in einem oder mehreren
beliebigen Meßintervallen erfolgen kann. Dies erlaubt die Realisierung einer Vielzahl von bekannten einfachen,
dem jeweiligen Radarverfahren angepaßten Korrekturschaltungen.
Das dargestellte Verfahren zur Korrektur einer durch spiegelnde Flächen hervorgerufenen Mißweisung in
Zielfolgeradargeräten beruht offensichtlich auf dem Gedanken, durch Ausrichten einer Antennenanordnung
Meßdaten zur Korrektur der Mißweisung zu gewinnen und auszuwerten. Es erscheint daher naheliegend, die
vorliegende Erfindung, bei entsprechend angepaßtem Auswerteverfahren, auf Grund der mathematischen
Beziehung auch als Eliminations-Verfahren zu bezeichnen bzw. zur vollständigen Elimination des Spiegeleffektes
einzusetzen.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Einrichtung zur Korrektur einer durch spiegelnde
Flächen hervorgerufenen Mißweisung in Zielfolgeradargeräten mit wenigstens drei Primärstrahlern,
von denen mindestens zwei derart ausgerichtet sind, daß eine durch die Längsachsen von deren
Strahlungscharakteristika verlaufende Ebene zumindest angenähert senkrecht zur spiegelnden Fläche
steht, wobei in einem Summen-Differenz-Netzwerk aus den von den Primärstrahlern empfangenen
Echosignalen nebst einem Summensigna] noch zwei Differenzsignale zur Bildung von Winkelfehlersignalen
und zusätzlich ein Kreuztermsignal erzeugt werden, dadurch gekennzeicheet, daß das
Kreuztermsignal in mindestens einem Meßintervall gebildet wird, daß aus diesem Kreuztermsignal (FdK)
ein in zwei Komponenten Ekq, EKp zerlegtes
Kreuzterm-Winkelfehlersignal (Ek) erzeugt wird, und daß eine Signalverarbeitungsstufe (4) ein
Korrektursignal Fi nach der Formel
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