DE2717850C2 - Radaranlage zur Erfassung von in geringer Flughöhe über einer reflektierenden Fläche fliegenden Zielen - Google Patents

Description

• Die Erfindung geht aus von einer Radaranlage zur Erfassung von in geringer Flughöhe über einer reflektierenden Fläche, insbesondere Wasserfläche fliegenden Zielen, bestehend aus einer Antenne, einem die Antenne speisenden Sender sowie einem mit der Antenne verbundenen Empfänger, von welchem aus über einen von einem Regelverstärker überbrückten Zwischenfrequenzkanal eine Auswertschaltung gespeist ist, die entsprechende Azimut- und Elevationssignale Δ _AL und Δ _EL des zu erfassenden Zieles abgibt, wobei der Empfangsteil zusätzlich mit einer Korrekturschaltung versehen ist, mit welcher eine Spiegeleffektkorrektur des Elevationssignals Δ _EL durchführbar ist.
• Bei der Verfolgung von Zielen, die in geringer Höhe auf Radiowellen reflektierenden Flächen sich bewegen, beispielsweise der Meeresoberfläche, tritt das Problem auf, daß das Ziel und dessen Reflexionssignal gleichzeitig von der Antenne empfangen werden. Dies führt zu einem erheblichen Fehler in der Radarmessung der Höhe dieser Ziele.
• Dazu werden bei Radaranlagen Spiegeleffektkorrekturen auf zweierlei Weise durchgeführt. Zum einen kann die Radaranlage selbst bzw. die Eigenschaften des von ihr ausgesendeten Signals beeinflußt werden, indem zum Beispiel periodische Frequenzverschiebungen, ein außermittiges Anpeilen oder mehrere Antennen verwendet werden. Zum anderen kann das Empfangssignal auf eine besondere Weise verarbeitet werden. Bei einer bekannten Radaranlage der eingangs genannten Art wird dazu ein Phasenquadraturverfahren verwendet (Alta Frequenza, 1974, Nr. 9, Sept., S. 708-719). Das Phasenquadraturverfahren liefert jedoch nur unter bestimmten Bedingungen gute Ergebnisse. Zusätzlich müssen die Antenneneigenschaften genau bekannt sein, um entsprechende Fehler zu vermeiden. Auch besteht in der Praxis keine Parallelität zwischen dem direkten und dem an der Wasseroberfläche reflektierten Empfangsstrahl, so daß Mehrdeutigkeiten auftreten. Schließlich ist diese bekannte Radaranlage sowohl aus theoretischen wie auch praktischen Gründen heraus nicht zur Eliminierung von Spiegeleffekten bei tieffliegenden Zielen oberhalb einer Wasseroberfläche geeignet. Dagegen scheint allein das Verfahren einer zyklischen Verschiebung der Frequenz sowie das nichtmittige Anpeilen eines Zieles geeignet, um den durch Spiegelung an einer Wasseroberfläche sich ergebenden Fehler bei der Höhenbestimmung eines Zieles zu reduzieren. Jedoch reichen diese Methoden nicht aus, den genannten Fehler vollkommen zu eliminieren.
• Eine weitere Radaranlage, die sich auch des Phasenquadraturverfahrens bedient, ist ebenfalls bekannt (DE- PS 26 06 759). Bei dieser Radaranlage bestehen die gleichen Probleme wie bei der oben genannten bekannten Anlage.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Radaranlage zur Erfassung von in geringer Höhe über reflektierende Flächen, insbesondere Wasserflächen fliegenden Zielen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher mit Hilfe relativ einfacher schaltungsmäßiger Maßnahmen allein durch besondere Verarbeitung des von dem Ziel reflektierenden Empfangssignals eine weitgehende Korrektur des durch Reflexion an der Wasseroberfläche sich ergebenden Fehlers bei der Höhenbestimmung des betreffenden Zieles möglich ist.
• Diese Aufgabe wird bei einer Radaranlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Das System nach der Erfindung für die automatische Korrektur des Elevationssignals ist auf der Basis der folgenden Beobachtungen entwickelt worden:
  
• I) Im Falle nicht-flickernder Ziele (perfekter Reflektor) besteht eine Beziehung zwischen der Amplitude des Echosignals des verfolgten Ziels (beispielsweise gemessen durch die AVR-Spannung des Radarempfängers) und dem Fehler des Elevationssignals, dem sogenannten Nickfehler;
• II) die Beziehung nach I) bleibt immer im gleichen Verhältnis für verschiedene Reflektierungskoeffizienten der Meeresoberfläche;
• III) diese Beziehung besteht auch bei Erscheinen des Elevationsrestfehlers bei Arbeiten der Mehrfrequenz- Radaranlage, die dazu neigt, den Nickfehler zu verringern oder aufzuheben. In diesem Fall ist der Beziehungskoeffizient noch größer;
• IV) das Mehrfrequenzverfahren ermöglicht es, praktisch ein Nichtflickern auch der Ziele anzunehmen, die ihrer Natur nach flickern.


• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird nachstehend in einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt
• Fig. 1 eine schematische Darstellung der Reflexionsgeometrie eines Ziels geringer Höhe auf einer reflektierenden Fläche (Meeresoberfläche),
• Fig. 2 eine Darstellung des Trends des Nickfehlers, damit in Beziehung stehender Signale und des Restnickfehlers, der durch das erfindungsgemäße System erreicht wird,
• Fig. 3 ein vereinfachtes elektrisches Blockschaltbild des Korrektursystems nach der Erfindung und
• Fig. 4 ein detailliertes elektrisches Blockschaltbild des Korrektursystems nach der Erfindung.
• Wie vorstehend ausgeführt, gestattet das Mehrfrequenzverfahren eine Betrachtung aller Ziele, sowohl der komplexen Ziele (Flugzeuge, Hubschrauber) als auch der einfacheren Ziele (Geschosse, Raketen), als nicht flickernd. Der Wert des in geeigneter Weise gefilterten Signals liefert damit, abgesehen von seiner monotonen Änderung, die üblicherweise mit der Reichweite verbunden ist, ein Maß der äquivalenten Fläche des Ziels.
• Ferner ist für Ziele nicht-flickernder Art der Effekt des Mehrfachwegs der einfallenden und reflektierten Strahlen (siehe nachfolgende Ausführungen unter Bezugnahme auf Fig. 1) derart, daß die scheinbare äquivalente Fläche des Ziels modifiziert wird. Tatsächlich vergrößert sich die scheinbare Fläche des Ziels, wenn sich die Phasen der direkten und der reflektierten Signale kombinieren, während dann, wenn sie sich in Gegenphase kombinieren, Dämpfungsspitzen des effektiven Echosignals entstehen, das von der Antenne aufgenommen wird.
• Betrachten wir Fig. 1. Die Radarantenne, die sich im Punkt R in einer Höhe h auf der reflektierenden Fläche SR befindet, strahlt das Ziel B in einem direkten Weg RD und in einem indirekten Weg RR an. Die vom Ziel B reflektierte Welle wird auch von der Radarantenne erfaßt, die sich in R befindet, und zwar nicht nur durch den direkten Weg RD, sondern auch durch den indirekten Weg RR, wobei eine Reflektierung auf der Fläche SR am Bildpunkt I symmetrisch zu B in bezug auf die reflektierende Fläche SR erfolgt, wobei eine nicht übermäßig rauhe Meeresoberfläche angenommen wird.
• Das löst den Nickeffekt aus, nämlich einen Elevationsfehler im Richten auf ein sich annäherndes Ziel, was für den Fall einer konstanten Höhe in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn die direkten und die reflektierten Signale nicht nahe an der Gegenphase liegen, ist der Fehler negativ, und die Antenne befindet sich in stabiler Ausgewogenheit zwischen dem Ziel B und dem Bildpunkt I ( Vorspannung); wenn im Gegensatz dazu die Signale nahe an der Gegenphase liegen, ist der Fehler positiv, und die Antenne wird schnell über das Ziel-Abbildsystem angehoben (Nickspitzen).
• Betrachten wird nun 2. Die Kurve (a) zeigt den Fehler des Elevationssignals Δ _EL . Die Kurve (b) zeigt die Amplitude des vom Radarempfänger empfangenen Signals V _AGC . Es ist festzustellen, daß, abgesehen von der hochfrequenten Komponente der Kurve (b) wegen des Mehrfrequenzverfahrens und von der niederfrequenten Komponente (b&min;), die gestrichelt dargestellt ist, eine evidente Beziehung zwischen dem Elevationssignal und der Amplitude des empfangenen Signals besteht. Wie weiter festzustellen ist, wird, wenn das Elevationssignal ein Maximum annimmt, das empfangene Signal gedämpft. Wenn im Gegensatz dazu die Kurve (a) auf ein Minimum, das größer als das Signal ist, welches bei Fehlen der Streureflexionskurve (b&min;) (Mehrfachwegkurve) auftreten würde.
• Wenn das durch die Kurve (b) wiedergegebene Signal gefiltert wird, um die relativ hochfrequente und die niederfrequente Komponente zu entfernen, erhält man ein Signal ≙ _AGC , das durch die Kurve (c) dargestellt ist. Indem das Signal (c) vom Signal (a) substrahiert wird, gegebenenfalls gewichtet, erhält man ein Elevationssignal (d), um die Antennennachführungseinrichtung zu steuern, wobei die Nickfehler auf den Rauschpegel abgesenkt werden, der normalerweise in den Kanälen des Elevationsfehler-Signals vorhanden ist.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 3 folgt eine Beschreibung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Schaltkreises zur Korrektur des Nickfehlers.
• Die Antenne A der nachgeführten Radaranlage wird in bekannter Weise durch einen Sender TX gespeist, zweckmäßigerweise einen Mehrfrequenz-Sender. Die Antenne A speist ebenfalls in bekannter Weise einen Empfänger RX mit einem Zwischenfrequenzteil IF. Das Zwischenfrequenzteil IF ist in bekannter Weise mit einem Verstärker für das automatische Verstärkungsregelungssignal AGC versehen. Die Spannung V _AGC gibt für die abschließenden praktischen Zwecke die Stärke des empfangenen Signals wieder (es ist klar, daß das Zwischenfrequenzsignal von einem Ausgang des Zwischenfrequenzteils IF genommen wird, bei dem keine möglichen nicht-linearen Vorgänge intervenieren, beispielsweise Begrenzung oder Kompression des Signals).
• Die Spannung V _AGC wird vom Bandpaßfilter F, wie vorstehend beschrieben, gefiltert, nämlich mit Unterdrückung der niederfrequenten Komponente und der Komponente mit einer relativ hohen Frequenz, um ein V _AGC zu erhalten, das dem Signal (c) in Fig. 2 entspricht.
• Im Schaltkreis E werden die Signale der Höhen- und Azimutabweichung erzeugt, die mit Δ _EL bzw. Δ _AZ bezeichnet sind. Das Δ _AZ -Signal wird direkt zum Servosystem S zur Steuerung des Azimut- und Elevationswinkels der Antenne geleitet. Das Signal Δ _EL wird zum Differenzverstärker AD geleitet, der als ein einfacher Wiederholer des Signals Δ _EL arbeitet, wenn das Tor P durch den Schaltkreis DC gesperrt wird, und als Subtraktor zur Lieferung eines Signals Δ&min; _EL , wenn das Tor P geöffnet wird. Das Signal Δ&min; _EL ist im Beispiel durch die Wellenform (d) in Fig. 2 wiedergegeben.
• Die Spannung Δ&min; _EL enthält einen Rest an Unregelmäßigkeiten, der nicht größer als das "Rauschen" ist, das normalerweise in den Signalen zur Steuerung des Elevationswinkels der Antenne enthalten ist.
• Der Schaltkreis DC kann eine einfache Regelung durch die Bedienung sein, um das Tor P in Funktion zu setzen. Ansonsten kann der Schaltkreis ausgeführt sein, wie das im Schaltbild nach Fig. 4 gezeigt ist.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 4 liegt an der Leitung 10 das Signal Δ _EL des Höhenfehlers an. Zum Anschluß 11 wird die Spannung V _AGC geleitet, die die Information über die Amplitude des Echosignals enthält. Das Spannungssignal V _AGC wird im Bandpaßfilter 12 nach der vorstehend beschriebenen Weise gefiltert, und zwar in Abhängigkeit von der Reichweite des Ziels. Der Ausgang vom Bandpaßfilter 12 wird entsprechend einer multiplikativen Konstanten "K" im Block 13 verstärkt oder gedämpft, um das Korrektursignal ≙ _AGC zu liefern, das an den Eingang des Tors P angelegt wird.
• Zum Schaltkreis DC werden eine Anzahl von Signalen geführt. Die Korrekturspannung ≙ _AGC wird zum Schwellenwertkreis 14 geleitet, wo festgestellt wird, ob der absolute Wert des Nickfehlers ε mehr als 2°° beträgt. Die Information bezüglich des Azimutwinkels β wird im Differentiator 15 nach der Zeit differenziert. Der Wert dβ/dt wird zum Schwellenwertkreis 16 geführt, wo festgestellt wird, ob das Ziel über einen bestimmten Grenzwert hinausläuft, beispielsweise, wenn dβ/dt kleiner als 5°/sec. Mit anderen Worten, wenn das Ziel über eine bestimmte Grenze hinausläuft, wird die Antinickvorrichtung ausgeschaltet, weil eine einigermaßen feste Höhe erwartet werden muß, um die Korrektur vorzunehmen. Mit anderen Worten, wenn das Ziel eine Bedrohung darstellt, muß das Ziel einer auf die Antenne gerichteten Bahn folgen, und damit ändert sich der Azimutwinkel β nicht um einen nennenswerten Betrag.
• Die Information über den Elevationswinkel &eta; wird zum Schwellenwertkreis 17 geführt, um festzustellen, daß &eta;<0,2 R _B (wobei R _B die Apertur des Antennenstrahls ist, gemessen bei -3 dB). Mit anderen Worten, die Antinickvorrichtung wird ausgeschaltet, wenn das Ziel ausreichend hoch ist.
• Zum Entscheidungskreis werden auch die Signale 18 geführt, die das Fehlen einer Störung zeigen. Bei Vorhandensein einer Störung sind die dadurch erzeugten Fehler im übrigen ganz gewiß größer als der Nickfehler, der entfernt werden soll. Das Signal 19 zeigt auf, ob die Seewetterverhältnisse weniger als "Stärke 3" sind. Wenn die Seebindungen schlechter als "Stärke 3" sind, reflektiert die Oberfläche nicht mehr, um einen nennenswerten Nickfehler für Mehrfrequenz-Radaranlagen hervorzurufen.
• Die Ausgänge von den Schwellenwertschaltungen 14, 16, 17 und die Signale 18, 19 werden zur UND-Schaltung 20 geführt, die das Tor P steuert, das schematisch als ein Kontakt 21 gezeigt ist, der von einem Relais RL gesteuert wird.

Claims (5)

1. Radaranlage zur Erfassung von in geringer Flughöhe über einer reflektierenden Fläche, insbesondere Wasserfläche fliegenden Zielen, bestehend aus einer Antenne (A), einem die Antenne (A) speisenden Sender (TX) sowie einem mit der Antenne (A) verbundenen Empfänger (RX), von welchem aus über einen von einem Regelverstärker (AGC) überbrückten Zwischenfrequenzkanal (IF) eine Auswertschaltung (E) gespeist ist, die entsprechende Azimut- und Elevationssignale &Delta; _AL und &Delta; _EL des zu erfassenden Zieles (B) abgibt, wobei der Empfangsteil zusätzlich mit einer Korrekturschaltung versehen ist, mit welcher eine Spiegeleffektkorrektur des Elevationssignals &Delta; _EL durchführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker (AGC) ausgangsseitig mit einem Bandpaßfilter (F) verbunden ist, welches die niederfrequenten, sowie die hochfrequenten Spektralanteile des von dem Regelverstärker (AGC) abgegebenen Amplitudensignals V _AGC (Fig. 2b) unterdrückt, und daß das von dem Bandpaßfilter (F) abgegebene geglättete Signal &wedgeq; _AGC (Fig. 2c) einem ebenfalls von dem Elevationssignal &Delta; _EL gespeisten Subtrahierer (AD) zugeführt ist, an dessen Ausgang das höhenkorrigierte Elevationssignal &Delta;&min; _EL (Fig. 2d) ableitbar ist.

2. Radaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Auswertschaltung (E) abgegebene Azimutsignal &Delta; _AZ sowie das von dem Subtrahierer (AD) abgegebene korrigierte Elevationssignal &Delta;&min; _EL in an sich bekannter Weise einem Servoantrieb (S) zugeführt sind, von welchem aus eine Nachsteuerung der Antenne (A) in bezug auf das zu erfassende Ziel (B) nach Azimut und Elevation erfolgt.

3. Radaranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßbereich des Bandpaßfilters (F, 12) entsprechend dem gewählten Zielbereich verstellbar ist.

4. Radaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung zwischen dem Bandpaßfilter (F) und dem Subtrahierer (AD) zusätzlich ein Tor (B) vorgesehen ist, welches durch eine Steuerschaltung (DC) sperrbar ist.

5. Radaranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (DC) mit einem UND-Glied (20) versehen ist, welchem eingangsseitig

- ein von einer ersten Schwellwertschaltung (14 ) abgeleitetes Signal |&epsi;| bezüglich eines maximal zulässigen Korrekturwertes &wedgeq; _AGC ,

- ein über ein Differenzierglied (15) und einer zweiten Schwellwertschaltung (16) abgeleitetes Signal &wedgeq;, das der maximal zulässigen zeitlichen Änderung des Azimutwinkels &beta; des betreffenden Zieles (B) entspricht,

- ein über eine dritte Schwellwertschaltung (17) abgeleitetes Signal &eta;, das einen maximalen Elevationswinkel repräsentiert,

- ein Signal (18), welches das Auftreten gegnerischer Störsender anzeigt, und/oder

- ein Signal (19), das eine über einen vorgegebenen Grenzwert hinausgehenden Windstärke bzw. Welligkeit der reflektierten Fläche (FR) repräsentiert, zuführbar sind.