DE2754715C3 - Verfahren zur vollständigen und rein passiven Strahlungsabtastung eines größeren Gebietes der Erdoberfläche von Seiten eines Flug- oder Raumfahrzeugs und Antennenanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur r, vollkommenen und rein passiven Strahlungsabtastung eines größeren Gebietes der Erdoberfläche von seiten eines Flug- oder Raumfahrzeugs mittels einer an diesem Trägerfahrzeug angebrachten, scharf bündelnden Antenne, deren Antennenkeule auf der Erdoberfläche eine .η Kreisfläche mit dem Durchmesser (/ausleuchtet.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf Antennenanordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Eine Funküberwachung größerer Gebiete der Erde oder eine Messung terrestrischer Strahlung läßt sich ,, durch Abtastung der Erdoberfläche von einem Flugoder Raumfahrzeug aus bewerkstelligen. Dabei kann beispielsweise von einem die Erde umkreisenden Satelliten aus eine Abtastung quer zur Bahnrichtung vorgenommen werden, so daß ein die Projektionslinie h,i der Bahnkurve umgebender Streifen mit einer ausgewählten Breite erfaßt wird. Zur vollständigen Abtastung eines größeren Gebietes sind von dem Flug- oder Raumfahrzeug mehrere nebeneinander liegende Bahnen zu durchlaufen. Die Abtastung ist dabei von einet , scharf bündelnden, auf dem Trägerfahrzeug angebrachten Antenne vorzunehmen, welche auf der Erdoberfläche eine Kreisfläche mit einem bestimmten Durchmesser ausleuchtet.

Die einfachste Möglichkeit der Abtastung stellt eine an Bord des Trägerfahrzeugs fest montierte Antenne dar, deren Strahlungskeule nur durch die Fahrzeugbewegung über die Erdoberfläche wandert. Dabei müssen bei scharfer Bündelung der Antennenkeule sehr viele Bahnen nebeneinander durchlaufen werden oder man erhält bei einer schwachen Bündelung eine geringe Auflösung für die Emitterlokalisierung auf der Erde.

Eine aufwendigere Lösung besteht in der linearen Querabtastupg durch eine quer zur Bahnrichtung sägezahnartig verlaufende Bewegung einer scharf gebündelten Antennenkeule. Der dabei erforderliche Hinlauf mit konstanter Geschwindigkeit und Rücklauf mit möglichst hoher Geschwindigkeit stellen für eine einfache Realisierung der Strahlauslenkung mittels eines linear bewegten Primärstrahlers oder mittels einer schwenkbaren Gesamtamenne schwierig zu lösende mechanische Probleme dar.

Eine elektronische Abtastung ist für derartige Anwendungen im Prinzip auch möglich, stellt jedoch insbesondere bei breitbandigen Anwendungen (mehrere Oktaven) einen unwirtschaftlich hohen Aufwand dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, demgegenüber ein Verfahren zur Gebietsabtastung mittels einer scharf gebündelten Antennenkeulc anzugeben, das eine mechanisch leichter zu realisierende Antennenstrahlauslenkung gestattet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise die Antennenkeule bezüglich ihrer Hauptstrahlrichtung auf einer Kegelmantelbahn kontinuierlich bewegt wird, so daß sich auf der Erdoberfläche ein Abtastweg nach Art einer verschlungenen Zyklode ergibt, d. h. angenähert eines Kreises, der sich mit der Vorschubgeschwindigkeit ν des Trägerfahrzeugs stetig linear verschiebt, und daß der oben genannte Ausleuchtdurchmesser d und die Umlaufzeit 7ö mit der Geschwindigkeit ν des Trägerfahrzeugs nach folgender Gleichung abgestimmt sind: d = ν ■ T₀.

Die Abtastbewegung der scharf gebündelten Antennenkeule .vird somit auf eine mechanisch leichter verwirklichbare Drehbewegung zurückgeführt. Die den Durchmesser c/des Abtastkeulenflecks auf der Erdoberfläche bestimmende Antennenkeulenbreite und die Umlaufzeit 7ö der Keule sind dabei so mit der Geschwindigkeit ν des Trägerfahrzeugs abgestimmt, daß sich die bei den einzelnen Keulenumläufen überdeckten bogenartigen Gebiete lückenlos aneinander anschließen.

Eine kontinuierliche Bewegung einer von einem Flugzeug ausgehenden Antennenkeule bezüglich ihrer Hauptstrahlrichtung auf einer Kegelmantelbahn ist aus den US-P3 30 45 232 und 32 70 341 sowie aus der FR-PS 12 53 696 bekannt. Auch hierbei wird auf der Erdoberfläche ein Abtastweg nach Art einer verschlungenen Zykloide erzeugt, d.h. angenähert eines Kreises, der sich mit der Vorschubgeschwindigkeit des Flugzeugs stetig linear verschiebt. Allerdings beziehen sich die Abtastvorgänge sämtlich auf das sogenannte Dopplernavigationsverfahrcn, bei dem die Flugzeuggeschwindigkeit eines Flugzeugs Über Grund und eventuell der Abdrift mittels Beobachtung von zum Grund ausgesendeten und zurückgestrei'ten Wellen ''urch den an ihnen auftretenden Dopplereffekt bestimmt wird. Eine vollständige, d. h. lückenlose Slrahlungsabtastung eines größeren Gebietes der Erdoberfläche ist bei der Dopplernavigation nicht gegeben.

AntennenanordnunfeKn, wie sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werdt-n. sind an sich bekannt (US-PS 25 i] 455, 33 74 482 und 37 13 163).

Bei Vornahme einer Frequenzmessung im Rahmen der passiven Strahlungsabiastung nach der Erfindung ist die von den drei Parametern d, ν und Tu abhängende Verweildauer der Antennenkeule auf einem abzutastenden Punkt der Erdoberfläche in zweckmäßiger Weise mindestens so groß gewählt, daß in dieser Zeit der Lokaloszillator oder Frequenzsynthesizer einer auf dem Trägerfahrzeug untergebrachten Frequenzmeßcinrichlung über den jeweils in Betracht kommenden Frequenzbereich abgestimmt werden kann.

Die Verweilzeit ist zwar bei der zykloidartigen Abtastbewegung beim Verfahren nach der Erfindung gegenüber der linearen Abtastbahn prinzipiell verkürzt, da in etwa derselben Zeit statt entlang eines Durchmessers entlang des Umfangs eines Kreises abgetastet werden muß. Der hinsichtlich der Messung zu erfassende Frequenzbereich läßt sich jedoch in eine untere und eine obere Bereichsh-'fte aufteilen. Die Messung in der einen Frequenzbereichshälf'.e erfolgt dann stets während des Durchlaufs der Antennenkeule über eine ausgewählte Hälfte des Umfangs der Kegelmantelbahn und die Messung in der anderen Frequenzbereichshälfte stets während des Durchlaufs der Antennenkeule über die andere Hälfte des Umfangs der Kegelmantelbahn. Die ausgewählte Hälfte des Umfangs der Kegelmantelbahn ist dabei vorteilhaft entweder die bezüglich der Fahrtrichtung des Trägerfahrzeugs vordere oder rückwärtige Hälfte. Die Aufteilung des abzutastenden Frequenzbereichs in zwei Hälften ist deswegen möglich, weil im Laufe des Überfliegens sowohl durch den vorderen als auch durch den hinteren Halbkreis eine komplette Überdeckung des jeweiligen Gebietsstreifens erzielt wird. Durch diese Maßnahme verlängert sich die für eine Frequenzraster-Bandbreite nötige Verweilzeit wieder. Mit dem Wegfall der bei der linearen Abtastung unvermeidbaren Rücklaufzeit gleichen sich die effektiven Verweilzeilen praktisch an.

Die Umschaltung von einem Frequenzbereich zum anderen läßt sich ohne besondere technische Schwierigkeiten durch den Drehvorgang der Antennenkeule steuern.

Das Verfahren zur Slrahlungsabtastung nach der Erfindung und zwei Aniennenanordnungen zur Durchführung dieses Verfahrens werden im folgenden anhand von vier Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. I das Prinzipschema einer Gebietsabtastung durch eine rotierende Antennenabtastkeule,

F i g. 2 und 3 ein Ausführungsbeispiel einer Abtastantennenanordnung in einer Ansicht von der Seite und von oben und

Fig.4 eine andere Ausführungsmöglichkeit einer Abtastantennenanordnung zum Einsatz für das Verfahren nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist die Abtastbewegung der von der Trägerfahrzeugantenne ausgehenden Antennenkeuic auf der Erdoberfläche in einem Ausschnitt dargestellt. Es handelt sich dabei um eine scharf gebündelte Antennenkeule, welche auf der Erdoberfläche eine Kreisfläche mit dem Durchmesser d ausleuchict. Betrachtet von sich mit der Geschwindigkeit ν geradlinig bewegenden Trägerfahrzeug, rotieri die Antennenkeule auf einer Kegelmantelbahn mit einer Umlaufzeit von To. Der Abtastweg auf der Erdoberfläche nimmt dann einen Verlauf nach Art einer

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verschlungenen Zykloide. ti. h. in erster Näherung eines Kreises,dir sich aufgrund der Vorschubgeschwindigkeil r des Trägerfiihr/eugs stetig linear verschiebt. Die den Durchmesser c/dcs Abtaslkeiilenflccks auf der Erdober· fläche bestimmende Antennenkeulenbreite und die I Imlaufzcil 7Ό der Antenncnkeule sind dabei so mit der Geschwindigkeit c des Trägerfahrzeugs abgestimmt, daß sich die bei den einzelnen Kculcnumläufen überdeckten bogcnartigen Gebiete lückenlos aneinander anschließen. Es gilt dann der Zusammenhang :/ = γ . Tu. Der insgesamt jeweils abgetastete Streifen weist eine Breite ic auf. Zur vollkommenen Abtastung eines größeren Gebiets auf der Erdoberfläche sind von dem l-'kig- oder Raumfahrzeug mehrere rebeneinnndcrliegende Bahnen zu durchlaufen, so daU sich nebeneinander mehrere Streifen jeweils mit der Breite ic befinden.

Wenn neben der örtlichen Abtastung auch eine Frequenzmessung vorgenommen werden soll, so ist bei dem Abtastvorgang n\ berücksichtigen, daß ein emittierender Punkt der Erdoberfläche genügend lange in der Abtastkeule mit dem Durchmesser </ verweilt, damit in dieser Zeil der l.okaloszillator oder Synthesizer in dem abzutastenden Frequenzbereich tlurchgestimmi werden kann. Da jedoch im Laufe des llberfliegcns durch das Trägerfahrzeug sowohl durch den vorderen als auch durch den hinteren I laibkreis eine komplette Überdeckung der .Streifenbreite ic erzielt wird, kann /.. B. der abzutastende Frequenzbereich in zwei Hälften aufgeteilt werden, wobei etwa die obere Hälfte durch den vorderen, in Fig. I gestrichelt dargestellten Halbkreis und die untere Hiilftc durch den hinteren, in F i g. I durchgezogenen dargestellten Halbkreis abgetastet wird.

F i g. 2 und 3 zeigen in einer Ansicht von der Seite bzw. von oben eine auf dem Trägerfahrzeug anzubringende Antennenanordnung, mit der sich die Drehbewegung bei der Abtastung der Erdoberfläche verhältnismäßig einfach realisieren läßt. F i g. 2 und 3 zeigen einen Kugelreflektor I vor dem im Abstand des etwa halben Kugeiradius ein Primärstrahler 2 um die Reflektorsymmetrieachse 3 rotiert. Bei einer bestimmten Stellung des nieren, daß dieser stärker von der Paraboloidform abweichende Reflektorleil möglichst wenig angestrahlt wird. Der angestrahlte Kugelreflektorausschnitt mit dem Durchmesser D, d. h. der wirksame Teil des Kugelreflektors 1. ändert seine Lage mit dem rotierenden Primärstrahler 2. wodurch eine umlaufende Strahlauslenkung mit dem Winkel Λ gegen die Reflektorachse 3 entsteht, ohne daß der Reflektor 1 selbst bewegt wird.

Die Zuleitung des Primärstrahlers 2 liegt in der Drehachse 3 und führt zu einer einfachen Drehkupplung 4. Zum Ausgleich der Unwucht des exzentrisch angebrachten und einen Drehkreis 5 durchlaufenden Primärstrahlers 2 wird auf einer Verlängerung 6 des von einem Antrieb 9 angetriebenen Dreharmes 7 in geeignetem Abstand ein Gegengewicht 8 angebracht. Der Reflektordurchmesser Dk überschreitet zwar den Durchmesser L· des ausgeleuchteten Bereichs. Der besondere Vorteil der Antennenanordnung nach F i g. 2 und J liegt aber in der kleinen Masse der rotierenden Teile.

F i g. 4 zeigt am Beispiel einer Parabolrcflektoranten nc. wie mittels der Rotation einer Gesamtanlenne die benötigten Abtastkreise erzeugt werden. Anstelle einer Parabolrcflektorantenne läßt sich jede andere, einen ßlcistiftstrahl erzeugende Antenne verwenden.

Die Antennenanordnung nach Fig.4 besteht aus einem Parabolreflektor 10. welcher auf einem abgeschrägtei: z.B. kegel ,tumpfförmigen Aufsatz 11 ange-

■ bracht ist und zusammen mit einem Primärstrahler 14 über einen Antrieb 12 in die Rotationsbewegung versetzt wird. Die Speiseleitung IJ für den Primärstrahler 14 ist in der Anordnung nach F i g. 4 um den Reflektor 10 herum geführt, läßt sich aber auch auf

. einem beliebigen anderen Weg zur Drehkupplung 15 führen. Die rotierende Strahlungskeule 16 ist aufgrund der Schräglage der Antenne um den Winkel <5 gegen die Drehachse 17 geneigt. Der Vorteil der Anordnung nach F i g. 4 gegenüber derjenigen nach den F i g. 2 und 3

ι besteht in der geringeren Reflektorgröße. Der Durchmesser D des Reflektors 10 entspricht dem beim Kugelreflektor I nach den Fig. 2 und 3 ausgenützten

t„:i D-: _: a.._i i....:_i._i χ - u„;_r„:„l_r...„.,„ ">ς

Winkelbereich ψ definierte Ausschnitt mit dem Durchmesser D ausgenützt. In diesem Bereich entspricht der Kugelreflektor I in guter Näherung einem Parabolreflektor mit der Brennweite des halben Kugeiradius. Der außerhalb dieses Winkelbereichs liegende Reflektorteil ueicht stärker von der Paraboloidform ab. Deshalb ist der Primärstrahler 5 so auszuwählen und /u dimensioliegt das Verhältnis der Durchmesser Dk/D = 1.5. (Dk = Durchmesser des Kugelreflektors in F i g. 2 und

Der Nachteil der Rotationsbewegung einer verhältnismäßig großen Reflektormasse wirkt sich im übrigen bei Anwendungen im Raum aufgrund des Wegfalls von • Schwerkraft und Luftwiderstand nicht aus.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche;

1. Verfahren zur vollständigen und rein passiven Strahlungsabtastung eines größeren Gebietes der Erdoberfläche von seiten eines Flug- oder Raumfahrzeugs mittels einer an diesem Trägerfahrzeug angebrachten, scharf bündelnden Antenne, deren Antennenkeule auf der Erdoberfläche eine Kreisfläche mit dem Durchmesser dausleuchtet, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Antennenkeule bezüglich ihrer Hauptstrahlrichtung auf einer Kegelmantelbahn kontinuierlich bewegt wird, so daß sich auf der Erdoberfläche ein Abtastweg nach Art einer verschlungenen Zykloide ergibt, d. h. angenähert eines Kreises, der sich mit der Vorschubgeschwindigkeit ν des Trägerfahrzeugs stetig linear verschiebt, und daß der oben genannte Ausleuchtdurchmesser d und die Umlaufzeit 7ö mit der Geschwindigkeit ν des Trägerfabi^eugs nach folgender Gleichung abgestimmt sinti: d = ν ■ To,

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß bei Vornahme einer Frequenzmessung im Rahmen der Strahlungsabtastung die von den Parametern d, ν und 7ö abhängende Verweildauer der Antennenkeule auf einem abzutastenden Punkt der Erdoberfläche mindestens so groß gewählt ist, daß in dieser Zeit der Lokaloszillator oder Frequenzsynthesizer einer auf dem Trägerfahrzeug untergebrachten Frequenzmeßeinrichtung über den jeweils in Betracht kommenden Frequenzbereich abgestimmt werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hhisichtlich der Messung zu erfassende Frequenzbereich in eine untere und eine obere Bereichshälfte aufgeteilt ist und daß die Messung in der einen Frequenzbereichshälfte stets während des Durchlaufs der Antennenkeule über eine ausgewählte Hälfte des Umfangs der Kegelmantelbahn und die Messung in der anderen Frequenzbereichshälfte stets während des Durchlaufs der Antcnnenkeule über die andere Hälfte des Umfangs der Kegelmantelbahn erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Hälfte des Umfangs der Kegelmantelbahn entweder die bezüglich der Fahrtrichtung des Trägerfahrzeugs vordere oder rückwärtige Hälfte ist.

5. Antennenanordnung mit einem die Form eines Kugelmantclausschniltes aufweisenden, festen Reflektor und einem Primärstrahler, der in einem Abstand von etwa einem halben Kugciradius zum Reflektor exzentrisch auf einem Drehkreis um die Rcflektorsymmctricachsc rotiert und so ausgerichtet sowie dimensionier! ist, daß jeweils nur ein solcher Rcflcklorausschnitt ausgeleuchtet wird, der angenähert einem Parabolreflektor mit der Brennweile des halben Kugciradius entspricht, gekennzeichnet tlurch die Anwendung bei einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

6. Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahler (2) mittels einer in der Reflcktorsymmetrieachse (3) verlaufenden Drehachse und eines den Radius des Drehkreises (5) aufweisenden Dreharmes (7) gehalten ist.

7. Anlennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahlerzuieitung im

Dreharm (7) und in der Drehachse geführt ist,

8. Antennenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahlerzuleitung über eine Drehkupplung (4) zu den Meß- und/oder Überwachungseinrichtungen im Trägerfahrzeug geführt ist.

9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche G bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der Umwucht des exzentrisch zur Drehachse angebrachten Primärstrahiers (2) in geeignetem Abstand auf einer Verlängerung (6) des Dreharmes (7) auf der dem Primärstrahler (2) abgewandten Seite ein Gegengewicht (8) angebracht ist.

10. Einen Bleistiftstrahl erzeugende, rotierende Antennenanordnung, deren Drehachse gegenüber der Bleistiftstrahlachse geneigt ist, gekennzeichnet durch die Anwendung bei einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

11. Antennenanordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Parabolreflektorantenne.

12. Antennenanordnung nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß der Parabolreflektor

(10) auf einem die Neigung gegenüber der Drehachse bewirkenden, mitrotierenden Aufsatz

(11) angebracht ist und daß der Primärstrahler (14) der Reflektorantenne über eine beispielsweise um den Reflektor (£0) herumgeführte Leitung (13) und eine auf der Drehachse liegende Drehkupplung (15) mit den feststehenden Meß- und/oder Überwachungseinrichtungen verbunden ist

13. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß vom Drehvorgang des Primärstrahlers bzw. der ganzen Antenne betätigte Schaltervorrichtung vorgesehen sind, weiche in einer Frequenzmcßeinrichtung entweder die untere oder die obere Frequenzbereichshälfte einschalten.