DE3002148A1 - Moving target classification using Doppler radar - standardising video signals from echo signals and frequency values of give Doppler frequency - Google Patents
Moving target classification using Doppler radar - standardising video signals from echo signals and frequency values of give Doppler frequencyInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur Klassifizierung bewegter ZieleMethod for classifying moving targets
Zusatz zu . ... ... (amtl. Akt.Z. P 29 28 907.4) Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele unter Verwendung eines Dopplerradargerätes mit Festzeichenunterdrückung, wobei die Echosignale bewegter Zeile durch Spektralanalyse auf periodische Nebenlini en des Doppler-Frequenzspektrums untersucht werden, die durch periodische Änderung des Reflexionsverhaltens des Zieles oder von Teilen des Zieles erzeugt werden und wobei die für die Klassifizierung des Zieles charakteristischen Nebenlinien eliminiert und ausgewertet werden.Addition to. ... ... (official file number P 29 28 907.4) The invention relates refers to a method for classifying moving targets using a Doppler radar device with fixed-character suppression, with the echo signals moving Line by spectral analysis for periodic side lines of the Doppler frequency spectrum be investigated by periodically changing the reflection behavior of the target or from parts of the target and being used for classification the target's characteristic secondary lines are eliminated and evaluated.
Das von einem angetriebenen Flugobjekt herrührende Frequenzspektrum eines Radarechos weist neben der durch die Radialgeschwindigkeit hervorgerufenen Dopplerlinien noch weitere charakteristische Frequenzlinien auf, die von den rotierenden Teilen des Antriebes, wie z. B. Schaufelräder, Verdichterstufen oder Propeller, erzeugt werden und somit charakteristisch für den Typ eines Flugobäektes sind. Die Frequenzlinien treten in Form eines Linienspektrums auf, das aus einer charakteristischen Grundfrequenz fc und ihren Harmonischen n fc (n = 2, 3, 4, ...) besteht und symmetrisch zur Dopplerlinie angeordnet ist. Zwischen der Grundfrequenz fcS der Drehzahl N und der Schaufel- bzw.The frequency spectrum resulting from a propelled flying object of a radar echo in addition to the one caused by the radial velocity Doppler lines still further characteristic frequency lines, those of the rotating Parts of the drive, such. B. paddle wheels, compressor stages or propellers, are generated and are therefore characteristic of the type of Flugobäektes. the Frequency lines appear in the form of a line spectrum that consists of a characteristic Fundamental frequency fc and its harmonics n fc (n = 2, 3, 4, ...) and symmetrical is arranged to the Doppler line. Between the basic frequency fcS the speed N and the shovel resp.
Propellerzahl Z besteht folgender einfacher Zusammenhang: fc = 0 X Z.Propeller number Z has the following simple relationship: fc = 0 X Z.
7 Ausfertigungen 4,Ausfertigung Außerdem treten bei turbinengetriebenen Flugobjekten noch Linien + m fi (m = 1, 2, 3, ...) mit einem wesentlich geringeren Frequenzabstand auf. Sie werden durch im Inneren der Turbine liegende Rotoren hervorgerufen, die zwar die gleiche Drehzahl N, jedoch eine unterschiedliche Schaufel zahl Z gegenüber den außen liegenden Rotoren besitzen.7 copies 4, copy Also join turbine-powered objects in flight still have lines + m fi (m = 1, 2, 3, ...) with a much smaller frequency spacing. You will go through inside the turbine horizontal rotors caused the same speed N, but a different one Have number Z of blades opposite the outer rotors.
Die Auswertung des Linienspektrums der Radarechos wird dadurch erschwert, daß das um die Dopplerfrequenz verschiedene Linienspektrum seine absolute Lage im Gesamtspektrum entsprechend der Radialgeschwindigkeit des Flugobjektes ändert. Außerdem ändert sich das charakteristische Linienspektrum eines Flugobjektes, relativ zur Dopplerverschiebung betrachtet, mit der Drehzahl N innerhalb des relevanten Drehzahlbereiches, der ungefähr zwischen 85 % und 105 % der Nenndrehzahl liegt.The evaluation of the line spectrum of the radar echoes is made more difficult that the line spectrum, which differs from the Doppler frequency, has its absolute position in the Total spectrum changes according to the radial speed of the flying object. aside from that the characteristic line spectrum of a flight object changes relative to Doppler shift considered, with the speed N within the relevant speed range, which is approximately between 85% and 105% of the rated speed.
Bei anderen bewegten Zielen, wie z. B. bei Land- oder Wasserfahrzeugen, tritt derselbe Zusammenhang zwischen der durch die Radialgeschwindigkeit hervorgerufenen Dopplerlinie und den durch rotierende Fahrzeugteile erzeugten Nebenlinien auf.For other moving targets, such as B. for land or water vehicles, the same relationship occurs between that caused by the radial velocity Doppler line and the secondary lines generated by rotating vehicle parts.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Auswertung des Linienspektrums zu verbessern und damit die Klassifizierung sicherer zu machen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die von den Echosignalen abgeleiteten Videosignale bzw. die durch Spektralanalyse-gewonnenen Frequenzwerte durch Verschiebung des gesamten Frequenzspektrums auf die Dopplerfrequenz normiert werden, derart, daß die Dopplerfrequenzlinie den Wert 0 Hz erhält.The object of the invention is to evaluate the line spectrum to improve and thus to make the classification more reliable. According to the invention This object is achieved in that the video signals derived from the echo signals or the frequency values obtained by spectral analysis by shifting the entire Frequency spectrum can be normalized to the Doppler frequency, such that the Doppler frequency line receives the value 0 Hz.
Durch diese Normierung wird ein von der Pulsdopplerfrequenz unabhängiges Frequenzspektrum erhalten, wodurch die Auswertung des Linienspektrums erleichtert wird.This normalization makes it independent of the pulse Doppler frequency Receive frequency spectrum, which makes it easier to evaluate the line spectrum will.
Die Erfindung und weitere Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.The invention and further embodiments of the invention based on Figures explained in more detail.
Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Doppler-Radargerätes mit einer Auswerteschaltung, das eine akustische Auswertung ermöglicht, Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Doppler-Radargerätes mit einer Einrichtung zur analogen spektralen Auswertung, Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Doppler-Radargerätes mit einer Einrichtung zur digitalen Auswertung mit Abtastung, Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Puls-Doppler-Radargerätes mit einer Einrichtung zur digitalen temporalen Auswertung mit Abtastung, Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Puls-Doppler-Radargeräts mit einer Einrichtung zur digitalen Auswertung ohne Abtastung.1 shows a block diagram of a Doppler radar device an evaluation circuit which enables acoustic evaluation, FIG. 2 is a block diagram a Doppler radar device with a device for analogue spectral evaluation, Fig. 3 is a block diagram of a Doppler radar device with a device for digital evaluation with scanning, FIG. 4 is a block diagram of a pulse Doppler radar device with a device for digital temporal evaluation with scanning, FIG. 5 a block diagram of a pulse Doppler radar device with a device for digital Evaluation without scanning.
Alle Ausführungsbeispiele setzen ein Doppler-Radargerät DR1 bis DR5 mit je einer Festzeichenunterdrückung voraus.All exemplary embodiments use a Doppler radar device DR1 to DR5 with one fixed character suppression each.
Ebenso wird in allen Fällen für die Auswertung das Videosignal s (t) des jeweils verwendeten Doppler-Radarv gerätes herangezogen. Das Spektrum jedes Videosignals enthält, wie bereits ausgeführt, die gesamte Information über die Radialgeschwindigkeit vr des bewegten Objektes sowie den Objekt-Typ. Der Pegel der durch die Radialgeschwindigkeit vr verursachten Dopplerfrequenz fD liegt ca. 10 bis 20 dB über den Amplituden der anderen Spektralanteile des Videosignals. Die Dopplerlinie fD kann deshalb in einem Dopplerextraktor, der eventuell im Doppler-Radar vorhanden ist, oder durch einen Phasenregelkreis realisierbar ist, aus dem Gesamtspektrum separiert werden. Um ein von der Dopplerfrequenz fD unabhängiges Frequenzspektrum zu erhalten, wird das Videospektrum fD + n fc + m.f. und die extrahierte Dopplerfrequenz fD in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und Fig. 2 auf eine Mischstufe M1 bzw. M2 mit anschließendem Tiefpaß TP1 bzw. TP2 und in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 und Fig. 4 auf eine Abtastschaltung AT1 bzw. AT2 bekannter Art mit einem nachfolgenden Tiefpaß TP3 und TP4 gegeben. In allen Ausführungsbeispielen erhält man das für die Auswertung gewünschte Spektrum + n'fc + m.f.Likewise, the video signal s (t) is used for the evaluation in all cases of the Doppler radar used in each case. The spectrum each As already stated, the video signal contains all the information about the radial velocity vr of the moving object and the object type. The level of the radial velocity vr caused Doppler frequency fD is approx. 10 to 20 dB above the amplitudes of the other spectral components of the video signal. The Doppler line fD can therefore in one Doppler extractor, which may be present in the Doppler radar, or by one Phase locked loop can be implemented, can be separated from the overall spectrum. To a To obtain a frequency spectrum independent of the Doppler frequency fD becomes the video spectrum fD + n fc + m.f. and the extracted Doppler frequency fD in the exemplary embodiments after Fig. 1 and Fig. 2 to a mixer stage M1 or M2 with subsequent Low-pass filter TP1 and TP2 and in the exemplary embodiments according to FIGS. 3 and 4 a sampling circuit AT1 or AT2 of a known type with a subsequent low-pass filter TP3 and TP4 given. This is obtained for the evaluation in all exemplary embodiments desired spectrum + n'fc + m.f.
Da sich die für die Klassifizierung von bewegten Zielen charakteristischen Frequenzanteile im wesentlichen im Audiofrequenzbereich befinden, kann die Auswertung akustisch erfolgen. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Das am Ausgang eines Pul--oppler-Radargerätes DR1 bekannter Ausführung erhaltene Videosignal sv(t) wird gleichzeitig je einem Eingang eines Doppler-Extraktors DE1 und einer Mischstufe M1 zugeführt. Die im Doppler-Extraktor separierte Dopplerfrequenz D und das Videospektrum fD + n fc + mf.Since the characteristic for the classification of moving targets Frequency components are essentially in the audio frequency range, the evaluation can acoustically. The embodiment of FIG. 1 shows an arrangement for Implementation of the method according to the invention. The one at the output of a Pul-oppler radar device DR1 known embodiment obtained video signal sv (t) is simultaneously one The input of a Doppler extractor DE1 and a mixer M1 are supplied. The one in the Doppler extractor separated Doppler frequency D and the video spectrum fD + n fc + mf.
liefern am Ausgang des der Mischstufe M1 nachgeschalteten Tiefpasses TP1 ein von der Dopplerfrequenz D unabhän giges Frequenzspektrum + nfc + m.f. Nach Verstärkung in einem Audioverstärker AV werden die im Horfrequenzbereich liegenden Ausgangssignale wahlweise auf einen Lautsprecher LP oder einen Kopfhörer KH geschaltet. Ein geschultes Ohr kann anhand des vom jeweiligen Spektrum abhängenden Kiangbildes eine Grob- und unter Umständen auch eine Feinklassifizierung vornehmen.deliver at the output of the low-pass filter connected downstream of the mixer stage M1 TP1 a frequency spectrum independent of the Doppler frequency D + nfc + m.f. To Amplification in an audio amplifier AV will be those in the listening frequency range Output signals can be switched to either a loudspeaker LP or a headphone KH. A trained ear can use the Kiang picture, which depends on the respective spectrum carry out a rough and possibly also a fine classification.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit einem Doppler-Radargerät DR2, einem Doppler-Extraktor DE2, einer Mischstufe M2 und einem Tiefpaß TP2 entspricht bis auf die Auswertung der Signale am Ausgang des Tiefpasses TP2 dem Schaltungsaufbau des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1. Im Gegensatz zu diesem Ausführungsbeispiel erfolgt hier eine analoge spektrale Auswertung. Die Unterscheidung der verschiedenen Objektspektren erfolgt mit Hilfe einer analogen Filterbank FB,bestehend aus mehreren einzelnen Kammfiltern, denen je ein Gleichrichter GL, ein Verstärker V, eine Schwellenschaltung SS und eine Anzeigeeinrichtung AZ nachgeschaltet ist. Jedem Objekttyp entspricht dabei ein Kammfilter der Filterbank FB, das für die zugehörigen charakteristischen Frequenzen ausgelegt ist. Um den gesamten jeweils relevanten Drehzahlrbereich zu erfassen, entspricht die Bandbreite der einzelnen Kammfilterlinien der Schwankungsbreite des zugehörigen charakterisitschen Linienspektrums. Nach Gleichrichtung in der Gleichrichterschaltung GL und Verstärkung in der Verstärkerstufe V wird mittels der analogen Schwellenschaltung SS die Entscheidung getroffen, welcher Flugobjekt- oder Fahrzeugtyp (A, B, C, ... XY) vom Radargerät erfaßt worden ist.The embodiment according to FIG. 2 with a Doppler radar device DR2, a Doppler extractor DE2, a mixer M2 and a low-pass filter TP2 except for the evaluation of the signals at the output of the low-pass filter TP2 the circuit structure of the embodiment according to FIG. 1. In contrast to this embodiment an analogue spectral evaluation takes place here. The distinction between the different Object spectra takes place with the help of an analog filter bank FB, consisting from several individual comb filters, each with a rectifier GL, an amplifier V, a threshold circuit SS and a display device AZ is connected downstream. A comb filter of the filter bank FB corresponds to each object type for the associated characteristic frequencies. To the whole respectively relevant To capture the speed range corresponds to the bandwidth of the individual comb filter lines the fluctuation range of the associated characteristic line spectrum. After rectification in the rectifier circuit GL and amplification in the amplifier stage V is by means of the analog threshold circuit SS made the decision as to which flying object or vehicle type (A, B, C, ... XY) has been detected by the radar device.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird, wie bei den Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 vom Ausgangssignal sv(t) eines Doppler-Radargerätes DR3 in einem Doppler-Extraktor DE3 die Dopplerfrequenz D separiert und zusammen mit dem Ausgangssignal.s einer als Sample and Hold-Schaltung ausgebildeten Abtastung AT1 zugeführt.In the embodiment of FIG. 3, as with the circuits 1 and 2 from the output signal sv (t) of a Doppler radar device DR3 in a Doppler extractor DE3, the Doppler frequency D separated and together with the Output signal.s of a sampling AT1 designed as a sample and hold circuit fed.
Das hier in der Abtastschaltung AT1 erhaltene normierte digitale Videosignal sv(t) mit der Dopplerfrequenz fD=OHz wird über einen Tiefpaß TP3 einer digitalen Spektralanalyse unterzogen. Dies geschieht beispielsweise durch eine "Fast-Fourier-Transformation" (FFT) in einer entsprechenden Einrichtung FFT, deren schaltungsmäßige Realisierung bekannt ist. In einem nachfolgenden Rechner RE wird das auf diese Weise analysierte Spektrum mit den in einem Speicher SP gespeicherten bekannten Spektren von verschiedenen Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen verglichen und einem passenden Fahrzeugtyp zugeordnet. Der Recher RE ist so ausgebildet, daß er die aufgrund von Drehzahländerungen auftretenden Schwankungen des charakteristischen Spektrums berücksichtigt.The normalized digital video signal obtained here in the sampling circuit AT1 sv (t) with the Doppler frequency fD = OHz is digital via a low-pass filter TP3 Subjected to spectral analysis. This is done, for example, by a "Fast Fourier Transformation" (FFT) in a corresponding device FFT, their implementation in terms of circuitry is known. This is analyzed in a subsequent computer RE Spectrum with the known spectra of different stored in a memory SP Land, water and air vehicles compared and assigned to a suitable vehicle type. The Recher RE is designed so that it can respond to changes in speed Fluctuations in the characteristic spectrum are taken into account.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, das ebenfalls mit einer digitalen Auswertung mit Abtastung der Videosignale arbeitet, entspricht in seinem ersten Teil, d. h.The embodiment of Fig. 4, which is also with a digital Evaluation works with sampling of the video signals, corresponds in its first Part, d. H.
bis zum Ausgang des Tiefpaßfilters TP4 schaltungs- und funktionsmäßig dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3. Für die weitere Auswertung der Signale am Ausgang des Tiefpasses wird hier jedoch nicht das normierte Spektrum des Videosignales, sondern die entsprechende Zeitfunktion verwendet. Zu diesem Zweck wird das normierte Digital-Videosignal cP (t), das, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 gewonnen wird, in einem Korrelator KO bekannter Art mit den in einer Musterbank MB gespeicherten Musterfunktionen von Flugobjekt- oder Fahrzeugtypen korreliert. Das entsprechende Korrelationsma:um liefert den jeweils georteten Objekttyp über eine Auswertung AW und eine Anzeige AZ2.up to the output of the low-pass filter TP4 in terms of circuit and function the embodiment according to FIG. 3. For the further evaluation of the signals at the output of the low pass, the normalized spectrum of the video signal is not used here, but the corresponding time function is used. For this purpose, the standardized Digital video signal cP (t) obtained as in the embodiment of FIG is, in a known type correlator KO with those stored in a sample bank MB Model functions of flying objects or vehicle types are correlated. The corresponding Correlation measure: um supplies the respective located object type via an evaluation AW and a display AZ2.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird das Videosignal sv(t) in einem Analog-Digital-Wandler AD bekannter Art digitalisiert. Das nicht normierte digitalisierte Videosignalspektrum wird mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 analysiert. Die Normierung des Spektrums auf die Dopplerfrequenz fD erfolgt in einem Rechner RE1. Dabei wird die Dopplerfrequenz fD mit Hilfe des Kriteriums "Spektrallinie mit der maximalen Amplitude" gefunden. Die übrigen Spektralanteile werden auf diese Frequenz bezogen und man erhält wieder das gewünschte normierte Spektrum Die Weiterverarbeitung geschieht wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3.In the embodiment of FIG. 5, the video signal sv (t) in an analog-to-digital converter AD of known type digitized. That not standardized digitized video signal spectrum is obtained by means of a Fast-Fourier-Transformation (FFT) analyzed according to the embodiment of FIG. The standardization of the spectrum to the Doppler frequency fD takes place in a computer RE1. It will the Doppler frequency fD using the criterion "Spectral line with the maximum Amplitude "found. The remaining spectral components are related to this frequency and the desired standardized spectrum is obtained again. The further processing takes place as in the embodiment according to FIG. 3.
Die beschriebenen Auswerteschaltungen können grundsätzlich bei allen Klassifizierungsgeräten, die mit Doppler-Radargeräten arbeiten, verwendet werden, um von der Radialgeschwindigkeit eines zu klassifizieren- den Objektes (außer Flugobjekten auch alle Arten von Land- und Wasserfahrzeugen) unabhängige Spektren bzw.The evaluation circuits described can basically be used with all Classification devices that work with Doppler radars are used, to classify the radial velocity of a the object (Apart from flying objects also all types of land and water vehicles) independent Spectra or
Zeitverläufe auswerten zu können.To be able to evaluate time courses.
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