DE2738832B1

DE2738832B1 - Schaltungsanordnung zur Verschiebung des Clutterspektrums bei einem Radarempfaenger

Info

Publication number: DE2738832B1
Application number: DE2738832A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl-Ing Kolacny
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-29
Filing date: 1977-08-29
Publication date: 1978-11-09
Also published as: CH634927A5; DE2738832C2; IT1098695B; NL7807134A; FR2402214B1; IT7827028A0; US4249179A; FR2402214A1; BE870053A; GB1603017A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für den Empfänger eines Pulsdopplerradars, wobei ein Meßsignal zur Bestimmung der mittleren Frequenz störender niederfrequenter Empfangssignale (Clutter's Signale) gewonnen und daraus ein Steuersignal für eine vor dem Clutter-Filter liegende Schaltung abgeleitet wird, welche der Verschiebung des Clutter-Spektrums in die Sperrbereiche des festen Clutter-Filters dient insbesondere für Radargeräte mit einer nichtstetig abtastenden Antenne, und wobei eine Schaltung zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase aufeinanderfolgender Radarperioden vorgesehen ist und daraus das Steuersignal für die Verschiebung des Clutter-Spektrums gewonnen wird.

Es ist bekannt daß die Clutter-Spektren zeitlichen Verschiebungen unterliegen, beispielsweise durch eine langsame Bewegung des das Radargerät tragenden Fahrzeuges oder durch unterschiedliche Bedingungen in den jeweiligen Richtungen einer Antennenabtastung.

Derartige Verschiebungen des Clutter-Spektrums bedingen, wenn keine Gegenmaßnahmen getroffen werden, eine Vergrößerung störender Empfangssignale im Durchlaßbereich der Bewegtzeichenfilter (»Clutter-Filter«). Aus diesem Grund sind Verfahren entwickelt

worden, welche es gestatten, eine adaptive Verschiebung des zeitvarianten Clutter-Spektrums gegenüber dem Sperrbereich eines Clutter-Filters durchzuführen. Beispiele sind in den Aufsätzen von Voles in Proc IEEE, VoL 122, No. 7 July 1975, Seiten 689-692 und IEEE

Trans. AES, Nov. 1973, Seiten 950-953 beschrieben.

Eine derartige adaptive Verschiebung des zeitvarianten Clutter-Spektrums hat den Vorteil, daß kern mittlerer Fehler bei der Bestimmung der zur Verschiebung erforderlichen Phasendifferenz zwischen zwei

empfangenen Clutter-Echos und keine Abhängigkeit der Varianz des Fehlers von der mittleren Clutter-Frequenz auftritt

Der Nachteil dieser bekannten Regelungsverfahren besteht vor allem in dem Auftreten von »Einschwingvorgängen«, welche dann zu erwarten sind, wenn z. B. ein Abtastvorgang beginnt oder wenn eine nichtstetige Abtastung des Raumes durch die Radarantenne erfolgt (sogenannter »step-scan-Betrieb«). Eine derartige nichtstetige Raumabtastung ist vor allem dann gegeben,

wenn phasengesteuerte Radarantennen verwendet

werden. Die jeweils ersten Impulse können für die

Auswertung nicht mehr herangezogen werden und

gehen verloren.

Auch das in der Literaturstelle IEEE Eascon

so Conference Record, Washington D. C, Sept 1973, Seiten 170—176 beschriebene adaptive Regelungsverfahren für den Betrieb mit einer stetigen Rundsuchantenne weist diesen Nachteil auf, weil dort der »Einschwingvorgang«, & h. die Zeit bis zum Erreie

der vollen Empfindlichkeit bis zu 10 Radarperioden umfassen kann, wobei die zugehörigen Impulse (Echosignale) für die Auswertung verlorengehen. Aus IEEE Transactions on Aerospace and Electronic

Systems AES-9,9, Heft 2, März 1973, ist es bekannt, zur Clutter-Unterdrückung ein adaptives Filter zu verwenden. Dabei werden die Parameter, welche die Filtercharatkeristik verändern, in Abhängigkeit von dem Clutter-Spektrum so verändert, daß diese unerwünschten Signale unterdrückt werden. Da hierzu eine Quadrierung der Clutter-Signale erforderlich ist und dies eine bestimmte Zeit in Anspruch nimmt, sind im Signalübertragungsweg Verzögerungseinrichtungen vorgesehen, die diese Zeitverzögerung ausgleichen. Der to Einsatz adaptiver Filter ist mit vertretbarem Aufwand nur dann möglich, wenn diese Filter einfach aufgebaut sind, weil dann nur wenige Parameter geändert werden müssen. Eine Verschiebung des Clutter-Spektrums ist gegenüber einem adaptiven Filter deshalb vorteilhaft, weil keine Änderung von Filterparametern notwendig wird und deshalb auch hochwertige und damit entsprechend kompliziert aufgebaute Bewegtzeichenfilter Verwendung Finden können.

Der Erfindung, welche sich auf eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art bezieht, liegt die Aufgabe zugrunde, die Verschiebung des zeitvarianten Clutter-Spektrums in den Sperrbereich der Clutter-Filter so vorzunehmen, daß Echosignale für die Auswertung nicht mehr verlorengehen und trotzdem eine 2"> möglichst genaue Erfassung der mittleren Clutter-Phasenänderung durchführbar ist Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Schaltung zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase parallel zu einer über mehrere Radarperioden reichen- jo den Verzögerungseinrichtungen liegt, daß vor der Schaltung zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase ein einstellbarer Phasenschieber und nach dieser Stchaltung ein Akkumulator für die Aufaddierung der Phasenänderung vorgesehen ist, daß über eine Rückführschleife ein fortlaufender Abgleich des einstellbaren Phasenschiebers erfolgt und daß zwischen der Schaltung zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase und dem Akkumulator ein Schalter vorgesehen ist, der jeweils am Ende einer Radarperiode zur Übertragung des Meßwertes geschlossen wird.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird das Steuersignal für die Schaltung zur Verschiebung des Clutter-Spektrums gewonnen, ohne daß ein Verlust an Echosignalen im Rahmen eines langdauernden »Ein-Schwingvorganges« auftritt, bei dem über die Rückführschleife und den einstellbaren Phasenschieber eine zunehmend genauer werdende Information über die Clutter-Phasenänderung gewonnen wird. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird das Steuersignal für die Schaltung zur Verschiebung des Clutterspektrums gewonnen, ohne daß ein Verlust an Echosignalen im Rahmen eines »Einschwingvorganges« auftritt

Die erwünschten Echosignale von echten Zielen gehen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besonders dann nicht in den Regelvorgang mit ein, wenn für die Verschiebung des Clutterspektrums Signale aus einem großen Entfernungsbereich benutzt werden, wo der Einfluß der Cluttersignale gegenüber echten Bewegtzielechosignalen Oberwiegt Dagegen erfolgt die w> anschließende Trennung von Cluttersignalen einerseits und echtem Zielechosignal andererseits bei der Auswertung in demgegenüber sehr schmalen Entfernungstoren (Entfernungskanälen), wo der durch die echten Echozielsignale hervorgerufene Einfluß prozentual sehr viel größer ist

Die Schaltung nach der Erfindung kann in der Hochfrequenz- oder in der Videolage des Radarempfängers eingesetzt werden. Der Einsatz in der Videolage hat neben dem geringeren Aufwand auch den besonderen Vorteil, daß die erfindungsgemäße Schaltung leicht auch noch nachträglich z. B. als Baugruppe in ein bestehendes Radargerät eingefügt werden kann. Weiterhin läßt sich dann die Schaltung in besonders einfacher Weise digital aufbauen.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung sowie deren Weiterbildungen werden an Hand einer Zeichnung näher erläutert. Bei dem im Blockschaltbild dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Echosignal eines vorzugsweise kohärenten PuIs-Doppler-Radarempfängers in der Videolage einem Eingang EIN zugeführt. Für das vorliegende Beispiel ist angenommen, daß, wie es zweckmäßig ist, die Signalverarbeitung in digitaler Form vorgenommen wird, d. h. die Radarechosignale liegen an der Eingangsklemme EIN bereits in digitaler Form vor und alle nachfolgenden Bausteine sind digital ausgelegt. Wo die Videosignale in komplexer Form, d. h. sowohl in einem Sinus- als auch in einem Cosinuskanal (zwecks Phasenquadratur) übertragen werden, sind die entsprechenden Übertragungswege durch Doppellinien gekennzeichnet. Das komplexe Videosignal gelangt zunächst zu einer Verzögerungseinrichtung VE, die im vorliegenden Beispiel aus drei Verzögerungsgliedern VEi, VEl und VE3 besteht. Jedes dieser Verzögerungsglieder bewirkt eine Verzögerung der Empfangssignale um die Dauer T einer Radarperiode. Die Gesamtverzögerung beträgt somit im vorliegenden Beispiel 371 Am Ausgang der Verzögerungseinrichtung VE ist als Schaltung zur Verschiebung des Clutterspektrums hier ein Phasenschieber PSi (bevorzugt als komplexer digitaler Multiplizierer ausgebildet, der die Funktion e'* ■ er>*> realisiert) vorgesehen, dem an der Ausgangsklemme AUS die weitere, hier nicht dargestellte Auswerteschaltung nachfolgt, welche ein Bewegtzeichenfilter (Clutterfilter) zur Unterdrückung nicht interessierender Festzeichensignale und niederfrequenter Dopplerfrequenzbereiche und zum Durchlaß nur interessierender (höhenfrequenter) Dopplerfrequenzen nachgeschaltet ist. Diese Clutterfilter haben Polstellen bei Vielfachen der Impulswiederholfrequenz und sind fest eingestellt, d. h. sie werden üblicherweise während des Betriebes nicht nachgestimmt

Da die jeweilige Clutterfrequenz sich zeitabhängig in nicht vorhersehbarer Weise ändert z. B. bei der Abtastung eines neuen Gebietes und insbesondere bei nichtstetiger Abtastung des Raumes durch eine Radarantenne, muß für den Phasenschieber PSi ein Steuersignal erzeugt werden, welches fortlaufend die Änderungen des Clutterfrequenzspektrums so ausregelt daß möglichst wenig Energie von Cluttersignalen in den Durchlaßbereich der Clutterfilter fällt Hierzu ist eine eigene Regelschleife vorgesehen, welche vor der Verzögerungseinrichtung VE abgezweigt ist und eine weitere Schaltung PS 2 zur Verschiebung des Clutterspektrums (hier ebenfalls in Form eines Phasenschiebers — bevorzugt als komplexer digitaler Multiplizierer ausgebildet), eine Schaltung zur Bestimmung der mittleren Clutterphasenänderung MCA, einen Schalter SA1, einen Akkumulator AKU, einen weiteren Schalter SA 2 und einen Speicher TPA für den endgültigen Wert der Verschiebung des Clutterspektrums (hier als Speicher für die Phasenänderung bezeichnet), enthält Dieser Speicher TPA liefert das Steuersignal für den Phasenschieber PSi und damit für die Verschiebung

des Clutterfrequenzspektrums in die gewünschte Lage. Vom Ausgang des Akkumulators AKU ist eine Rückführschleife RFS zu dem Phasenschieber PS 2 vorgesehen. Diese Rückführschleife ist vor dem Schalter SA 2 angeschlossen.

Zu Beginn eines Abtastvorganges kommen für das vorliegende Ausführungsbeispiel für die Zeit der ersten drei Radarperioden noch keine Empfangssignale am Phasenschieber pSi an, weil die Verzögerungszeit der Verzögerungseinrichtung V£ insgesamt 37" beträgt. In dieser Zeit muß die Bestimmung des Wertes der mittleren Clutterfrequenz in ausreichend genauem Maß durchgeführt seia Der Phasenschieber PS 2 tan Eingang der Regelschleife hat bei der ersten Radarperiode eines Abtastvorganges zunächst eine Stellung, die einem Mittelwert entspricht In der Meßschaltung MCA wird von Radarperiode zu Radarperiode die mittlere Clutterphasenändening bestimmt Hierzu sind zweckmäßig mehrere sehr grob gestufte Entfernungsbereiche vorgesehen, in denen die Phasenänderung des Cutters von Radarperiode zu Radarperiode fortlaufend bestimmt wird Je größer dieser Meßwert ist um so größer muß auch die Phasenverschiebung und damit die Verschiebung des Clutterspektrums bei PS 1 sein. Die Breite der Entfernungsbereiche bei der Schaltung MCA muß so groß gewählt werden, daß ein bezüglich des Cutters homogener Bereich ausgemessen wird. Keinesfalls dürfen diese Entfernungsbereiche (z. B. fünf) so schmal gemacht werden wie die echten, zur Bewegtzielerfassung dienenden Entfernungskanäle (z. B. hun- 3< > dert) in der Auswerteschaltung des Radargerätes, weil sonst die Gefahr besteht daß ein echtes Bewegtziel als »Cutter« aufgefaßt wird.

Die jeweiligen Cutterphasenänderungen werden für jeden Entfernungsbereich oder zumindest einen Teil der « Entfernungsbereiche von Periode zu Periode bestimmt Anschließend wird ein Mittelwert gebildet

Durch Schließen des Schalters SA 1 am Ende der Radarperiode wird der gemessene Wert für die mittlere Cutterphasenänderung von der Schaltung MCA an den Akkumulator AKU weitergegeben, wo dieser Wert gespeichert wird. Die so gewonnene Phaseninformation in dem Akkumulator AKU wird zweckmäßig über die Rückführschleife RFS als Einstellung für den Phasenschieber PS 2 benutzt Damit erfährt dieser Phasen- ⁴~> schieber PS 2 eine Korrektur und zu Beginn der nächsten (zweiten) Radarperiode 27" ist in dem Phasenschieber PS 2 bereits ein erster Korrekturwert eingestellt Damit ist die in der Meßschaltung MCA ermittelte mittlere Cutterphasenänderung in der Zeit ™ der zweiten Radarperiode Γ2 bereits wesentlich geringer als beim ersten Meßvorgang innerhalb der ersten Radarperiode Tl. Der verbleibende, am Ende von T2 vorhandene Meßwert für die mittlere Cutterphasenanderung wird durch Schließen des ⁵"> Schalters SA i an den Akkumulator AKU weitergegeben und korrigiert dort den aus der ersten Meßperiode bereits vorhandenen Meßwert der Phasenänderung. Dieser zweite korrigierte Meßwert aus dem Akkumulator AKUwM zu Beginn der dritten Abtastperiode 73 ^h(> dem Phasenschieber PS 2 zugeleitet so daß die Messung innerhalb der dritten Radarperiode Γ3 in der Meßschaltung MCA einen noch geringeren Fehler als bei der Messung innerhalb der zweiten Radarperiode ergeben muß. Am Ende der dritten Radarperiode T3 *>■> wird der Schalter SA1 wiederum geschlossen und auch der Meßwert aus der dritten Periode ebenfalls an den Akkumulator AKU weitergegeben. Die Rückführschleife RFS bringt den Vorteil, daß der Meßvorgang genauer wird. Der Gesamtwert der Phasenändening entsteht iterativ durch Aufaddieren der drei Meßwerte im Akkumulator AKU. Die Adaption durch die fortlaufende Rekursion über die Rückführschleife RFS erfolgt im Echtzeitbetrieb für alle jeweiligen Strahlstellungen.

Am Ende der dritten Radarperiode (oder allgemein ausgedrückt: bei einem ausreichend genauen Meßwert der Phasenänderung im Akkumulator AKU) wird der Schalter SA 2 geschlossen, und mit dem Beginn der vierten Radarperiode 7*4 liegt in der Speicherschaltung TPA der richtige bzw. ausreichend genaue Wert für die Größe des Steuersignals für den Phasenschieber PSi. Mit Beginn der vierten Radarperiode Γ4 tritt am Ausgang des Verzögerungsgliedes VE 3 ein erstes Echosignal auf, welches durch den Phasenschieber PS 1 aufgrund der innerhalb der vorangegangenen drei Radarperioden gewonnenen Information über die jeweilige Cutterfrequenz so beeinflußt wird, daß am Ausgang AUS die störende Phasenverschiebung und damit die störende Verschiebung des Cutterspektrums weitestgehend beseitigt werden kann. Die nachfolgenden, fest eingestellten Cutterfilter können somit die von z.B. Wolkenclutter oder durch Düppel (»CHAFF«) oder durch Eigenbewegungen verursachten Cuttersignale durch die in PSt erfolgte Verschiebung des Cutterspektrums ausfiltern, weil diese Störsignale in die Sperrbereiche fallen.

Der in MCA zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Cuttersignalen (eines Entfernungsbereiches) herangezogene Algorithmus muß eine derartige Phasenkennlinie erzeugen, daß mit möglichst wenig Rekursionen (und damit Akkumulationen) die tatsächliche Phasendifferenz hinreichend genau bestimmt wird.

Allgemein ausgedrückt muß, wenn die Gewinnung der Phaseninformation für das Steuersignal des Phasenschiebers PSi innerhalb von η Radarperioden hinreichend genau durchgeführt werden kann, der Schalter SA 1 in dieser Zeit η-mal (am Ende der jeweiligen Radarperioden) geschlossen werden. Entsprechend ist die Verzögerungseinrichtung VE so auszulegen, daß eine Gesamtverzögerung vor dem Phasenschieber PSt von π · Γ auftritt Der Schaher SA 2 wird zweckmäßig erst nach π Perioden geschlossen, und dann die Einstellung von PS 1 durchgeführt

Im fortlaufenden Betrieb bleibt die Regelschaltung ebenfalls in Aktion, wobei allerdings die Cutterphase der jeweils letzten drei (allgemein letzten n) Empfangsperioden aus der m-ten Strahlstellung einer nichtstetigen Abtastung der Antenne mittels des zuletzt in TPA abgespeicherten Phasenwertes durch die Schaltung PS 1 kompensiert wird Gleichzeitig, d h. während der η ersten Perioden der fm+1)-ten Strahlstellung erfolgt die Bestimmung der erforderlichen neuen Phasenwerte, die nach π Perioden an die Speicherschaltung TPA übergeben werden, so daß der Phasenschieber PSi für die neuen Empfangsimpulse der (m+1)-ten Strahlstellung bereits richtig eingestellt wird, während alle (auch die letzten n) Empfangsimpulse der m-ten Strahlsteilung ebenfalls mit einer zutreffenden Phasenverschiebung in PS 1 beaufschlagt worden sind also keine Echosignale für die Auswertung verlorengehen. Dies ist besonders wichtig bei fortlaufender nichtstetiger Abtastung des Raumes, weil hier am Anfang und/oder Ende emc» Abtastvorganges durch »Einschwingvorgänge« verlorene Zeiten für die Signalauswertung sich aufaddieren und den Gesamt-Abtastvorgang entsprechend verlängern.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird zweckmäßig als fester Baustein (angedeutet durch gestrichelte Linien) ausgebildet und kann gegebenenfalb auch nachtraglich in den Radarempfänger eingeschaltet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für den Empfänger eines Pulsdopplerradars, wobei ein Meßsignal zur Bestimmung der mittleren Frequenz störender niederfrequenter Empfangssignale (Clutter-Signale) gewonnen und daraus ein Steuersignal für eine vor dem Clutter-Filter liegende Schaltung abgeleitet wird, welche der Verschiebung des Clutter-Spektrums in die Sperrbereiche des festen Clutterfilters dient, insbesondere für Radargeräte mit einer nichtstetig abtastenden Antenne, und wobei eine Schaltung zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutter-Phase aufeinanderfolgender Radarperioden vorgesehen ist und daraus das Steuersignal für die Verschiebung des Clutter-Spektrums gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (MCA) tut Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase parallel zu einer über mehrere Radarperioden reichenden Verzögerungseinrichtung (VE? liegt, daß vor der Schaltung (MCA) zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase ein einstellbarer Phasenschieber (PS 2) und nach dieser Schaltung ein Akkumulator (AKU) für die Aufaddierung der Phasenänderung vorgesehen ist, daß über eine Rückführschleife (RFS) ein fortlaufender Abgleich des einstellbaren Phasenschiebers (PS 2) erfolgt und daß zwischen der Schaltung (MCA) zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase und dem Akkumulator (AKU) ein Schalter (SAi) vorgesehen ist, der jeweils am Ende einer Radarperiode zur Übertragung des Meßwertes geschlossen wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung im Videoteil des Radarempfängers eingeschaltet ist

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung für die Verarbeitung digitaler Eingangssignale, insbesondere komplexer Signale, ausgelegt ist

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Schaltung (MCA) zur Bestimmung der mittleren Änderung der Clutterphase mehrere relativ breite Entfernungsbereiche aufweist wobei die Phasenbeziehung durch Vergleich der Empfangssignale aus aufeinanderfolgenden Empfangsperioden in jeweils den gleichen Entfernungsbereichen bestimmt und aus diesen Einzelwerten ein Mittelwert gebildet wird.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß innerhalb von η Radarperioden T ein ausreichend genaues Meßsignal gewonnen wird und die Verzögerungszeit der Verzögerungseinrichtung (VE) zu η · Tgewählt ist

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Meßsignalwert für die Schaltung (PSi) zur Versicherung des Clutterspektrums in einem Speicher fTrMJfestgehalten ist

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet daß die Ansteuerung des Speichers (TPA) Ober einen Schalter (SA 2) erfolgt der während der ersten π Radarperioden einer Strahlstellung der Antenne geöffnet bleibt und erst dann zur Übernahme des Meßsignalwertes geschlossen wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß für die letzten π Radarperioden einer Strahlstellung der im Speicher (TPA) enthaltene Meßsignalwert unverändert beibehalten wird.