DE3136625C1

DE3136625C1 - Großbasispeiler

Info

Publication number: DE3136625C1
Application number: DE19813136625
Authority: DE
Inventors: Samuel Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Bloch
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1981-09-15
Filing date: 1981-09-15
Publication date: 1983-03-31
Also published as: NL8203558A

Description

Lösung Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den in den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Vorteile Mit dem neuen Großbasispeiler ist es möglich, ohne zusätzliche Eindeutungsverfahren in einem Bereich von +90° den Einfallswinkel eines empfangenen Signals eindeutig zu bestimmen, obwohl der Abstand zwischen benachbarten Antennen größer als eine halbe Betriebslänge des empfangenen Signals ist Sind zwei solcher Großbasispeiler vorgesehen, dann sind im gesamten Azimutbereich (360°) eindeutige Winkelmessungen möglich (Umwandlung von konischen in planare Koordinaten). Der Aufwand hinsichtlich Antennen und der ihnen nachgeschalteten Empfänger und Meßeinrichtungen ist relativ gering.
Verkoppelungen zwischen benachbarten Antennen sind minimaL Der Ausfall eines Empfangszweiges, bestehend aus Antenne, Empfänger und Meßeinrichtung, ist unkritisch.
Beschreibung Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert Es zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild des neuen Großbasispeilers, F i g. 2 eine Antennenzeile für den Großbasispeiler nach Fig. 1 und F i g. 3 und 4 Hüllkurven der Fourierkoeffizienten, die bei dem neuen Großbasispeiler berechnet werden.
Der neue Großbasispeiler hat eine Antennenzeile, deren Länge L ist, mit m Antennen 11. Jeder der Antennen sind ein Empfänger 12 und eine Meßeinrichtung 15 nachgeschaltet Die Empfänger 12 erhalten von einem Mischoszillator 13 Mischsignale zur Umsetzung der Frequenz der empfangenen Signale in die Null-ZF.
Für die weitere Auswertung ist es mindestens notwendig, daß die Phase der empfangenen elektromagnetischen Welle relativ zu einer Bezugsphase bekannt ist. Vorteilhafterweise bestimmt man jedoch außer den Phasen auch die Amplituden der von den Antennen empfangenen elektromagnetischen Welle.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, die 1- und Q-Komponenten der Empfängerausgangssignale zu bestimmen. Die Vektoraddition der orthogonalen I- und der Q-Komponenten ergibt den Vektor, der das Empfängerausgangssignal nach Phase und Amplitude beschreibt Für die weitere Beschreibung wird davon ausgegangen, daß Phasen und Amplituden gemessen werden. Die Messungen erfolgen in Meßeinrichtungen 15, denen zur Phasenmessung von einer Signalquelle 14 ein Signal zugeführt wird, dessen Phase für alle Phasenmessungen die Bezugsphase ist Die gemessenen Phasen- und Amplitudenwerte werden in Analog/Digital-Wandlern 16 digitalisiert und einer Auswerteeinrichtung 19 zugeführt In der Auswerteeinrichtung wird die Einfallsrichtung der elektromagnetischen Welle ermittelt und zu einer (nicht dargestellten) Anzeigeeinrichtung weitergeleitet Die Auswerteeinrichtung 19 enthält einen ersten Rechner 17 zur Durchführung einer schnellen Fouriertransformation FFT (FFT: Fast Fourier-Transformation) und einen zweiten Rechner 18, der ermittelt, welcher der Ausgangswerte des ersten Rechners betragsmäßig am größten ist. Die Verwendung eines speziellen FFT-Rechners ist von Vorteil, wenn eine sehr schnelle Auswertung erfolgen soll. Ist dies nicht notwendig, dann können diese beiden Rechner 17, 18 durch einen einzigen ersetzt werden. Dieser Rechner führt dann die FFT durch und ermittelt den größten Ausgangswert Wie in der Fig 1 dargestellt, wird bei dem Ausführungsbeispiels davon ausgegangen, daß zur Durchführung der schnellen Fouriertransformation ein spezieller Rechner (17) vorgesehen ist Dem Fachmann ist bekannt, daß die Daten in den Rechner seriell oder parallel eingegeben werden können. Zum leichteren Verständnis ist hier ein Rechner vorgesehen, dem die Daten parallel eingegeben werden.
Als Rechner zur Durchführung der schnellen Fouriertransformation ist der in der Firmendruckschrift »SPS-1000 Super-Fast FFT Pipeline Processor« der Firma Signal Processing Systems, Inc, 223 Crescent St, Waltham, MA 02154, USA, beschriebene geeignet Der FFT-Rechner 17 erhält n Eingangswerte und erzeugt n Ausgangswerte.
Zum besseren Verständnis des Auswerteprinzips wird zunächst angenommen (was jedoch bei dem neuen Großbasispeiler nicht der Fall ist), daß die Antennenzeile mit der Länge L n gleichmäßig verteilt angeordnete Antennen hat, wobei n so gewählt ist, daß n rnL+1 (Ä ist die Betriebswellenlänge der empfangenen elektromagnetischen Welle). Der Abstand d zwischen benachbarten Antennen ist dann d # # .
2 Mit einem solchen Großbasispeiler sind in einem Winkelbereich von +90° eindeutig Winkelmessungen möglich.
Die n komplexen Eingangswerte U des Rechners 17 enthalten in komplexer Darstellung die in den Meßeinrichtungen gemessenen Phasen und Amplituden.
Bei der schnellen Fouriertransformation werden n Ausgangswerte errechnet Diese sind: Dieses Gleichungssystem läßt sich mit Hilfe folgender Beziehung zusammenfassen: wobei kund y Werte von 0 bis ß- 1 annehmen.
Der obige Ausdruck ist mit der diskreten Fouriertransformation (DFT) der komplexen Eingangswerte U identisch. Die DFT läßt sich mit Hilfe von FFT-Algorithmen besonders effektiv ausführen.
Die n Ausgangswerte Fk des FFT-Rechners 17 entsprechen den n Signalen, die man mit einem Antennensystem, dessen Richtdiagramme in n unterschiedliche (gleichmäßig verteilte) Richtungen weisen, erhalten würde, d. h. jedem Fourier-Koeffizienten Fk ist gedanklich eine Strahlungskeule in einer bestimmten Raumrichtung zuzuordnen. Es wird also ein virtuelles Strahlungsdiagramm gebildet, das aus n einander überlappenden Strahlungskeulen besteht. Die FFT ist äquivalent zu einer Butler-Strahlformungsmatrix (s. z. B.
»Radar Handbook« von M. I. Skolnik, Mc Graw Hill Verlag, New York 1970, Seite 35-15 und die dort angezogenen Literaturstellen).
Da jeder der n Ausgangswerte einer bestimmten Raumrichtung zugeordnet ist, braucht man zur Bestimmung der Einfallsrichtung nur noch zu schauen, welcher der n Ausgangswerte betragsmäßig am größten ist. Die eindeutige Einfallsrichtung # ist dann:

a = arc sinkt' für knI2

nd

bzw.

d = arc sin [(k d)i] für k>n/2

Hierbei sind: # Einfallsrichtung der empfangenen elektromagnetischen Welle, A Betriebswellenlänge der empfangenen elektromagnetischen Welle, d Abstand benachbarter Antenne, n Anzahl der virtuellen Strahlungskeulen, k Nummer des betragsmäßig größten Ausgangswerts.
Zur Realisierung eines solchen Großbasispeilers mit n Antennen wären n Empfänger und n Meßrichtungen notwendig, was sehr aufwendig ist. Außerdem würden wegen des geringen Abstandes von d<A/2 zwischen benachbarten Antennen störende Antennenverkoppelungen auftreten.
Nachfolgend wird wieder auf den neuen Großbasispeiler in der zu realisierenden Form Bezug genommen.
Es hat sich überraschend gezeigt, daß man auch dann einen Bereich von +900 überdeckende virtuelle Antennenkeulen erhält, mit denen eindeutige Peilungen möglich sind, wenn man anstatt der n Antennen nur noch m Antennen vorsieht, wobei m wesentlich kleiner als n ist; vorausgesetzt, man ersetzt die wegfallenden (n-m) Eingangswerte des FFT-Rechners, die aus Meßwerten abgeleitet wurden, durch (n - m) Werte Null (oder durch (n-m) Werte, deren vektorielle Summe gleich Null ist). Der FFT-Rechner erhält also weiterhin n Eingangswerte, die sich zusammensetzen aus m Werten, die aus Meßwerten abgeleitet wurden, und (n (n-m) Werten, die gleich Null sind.
Die »Verdünnung« der Antennenzeile beeinflußt natürlich die Fourier-Koeffizienten am Ausgang des FFT-Rechners. Betrachtet man wieder das virtuelle Vielkeulendiagramm, dann bewirkt die »Verdünnung« der Antennenzeile eine Zunahme der Nebenzipfel der einzelnen virtuellen Strahlungskeulen. Die Hauptkeulen hingegen werden nur wenig verändert.
Bei der »Verdünnung« der Antennenzeile muß darauf geachtet werden, daß es bei den Nebenzipfeln nicht zur Entstehung einzelner ausgeprägter Maxima kommt. Es werden Antennenverteilungen angestrebt, bei denen die Nebenzipfel möglichst gleichmäßig über den gesamten Azimutbereich verteilt sind. Es wurde gefunden, daß hierzu die Verteilung der Antennen innerhalb der Antennenzeile möglichst unregelmäßig sein muß.
Eine solche Verteilung ist in der F i g. 2 dargestellt.
Geht man davon aus, daß, um genaue Peilerergebnisse zu erzielen, eine Antennenzeile mit einer Länge von LE57iZ vorgesehen ist, dann wären ohne Verdünnung und mit d=0,45iZ n=128 Empfangszweige, bestehend aus Antenne, Empfänger und Meßeinrichtung, notwendig.
Die Antennenzeile wird nun so verdünnt, daß die jeweiligen Abstände (in Betriebswellenlängen) 4,95; 4,05; 3,6; 3,15; 4,5; 4,05; 5,4; 4,95; 3,15; 3,6; 5,85; 5,4 und 4,5 sind. Mit einer solchen Antennenzeile ist bei dem neuen Großbasispeiler, obwohl der kleinste Abstand größer als 3,lil ist, eine eindeutige Ermittlung der Einfallsrichtungen möglich. Anstelle von n -128 Empfangskanälen sind nur noch ion 14 notwendig, und die Verkoppelung zwischen benachbarten Antennen ist gering.
In der Fig.3 sind in einem Diagramm die für eine bestimmte Peilrichtung berechneten Fourier-Koeffizienten zu entnehmen. Zur besseren Übersichtlichkeit des Diagramms sind nicht die Meßwerte an sich aufgetragen, sondern es ist die Hüllkurve der Meßwerte dargestellt. Es ist zu sehen, daß am Ausgang 10 der betragsmäßig größte Ausgangswert vorhanden ist, d. h.
das zu peilende Signal fällt aus der Richtung ein, die diesem Fourier-Koeffizienten zugeordnet ist. Die Einfallsrichtung wird nach der bereits angegebenen Gleichung zur Berechnung der Einfallsrichtung # berechnet

(mitd= L1)

Eine Verbesserung der Meßgenauigkeit und eine Verringerung der Empfindlichkeit gegen Störungen durch Mehrwegausbreitungen erzielt man durch die nachfolgend beschriebene Weiterbildung.
Man leitet aus den ersten Eingangswerten, die man aus den Meßwerten erhalten hat, weitere m Eingangswerte ab. Diese weiteren Eingangswerte unterscheiden sich von den ersten Eingangswerten um eine bestimmte Phasendifferenz.
Die (n-m) Werte, die gleich Null sind, bleiben unverändert. Mit diesen neuen Werten wird eine weitere schnelle Fouriertransformation durchgeführt, d. h. man erhält n weitere Fourier-Koeffizienten und somit auch n weitere virtuelle Strahlungskeulen. Sollen diese weiteren virtuellen Strahlungskeulen jeweils zwischen den ersten virtuellen Strahlungskeulen liegen, dann muß die Phasenverschiebung der einzelnen Eingangswerte gleich m sein (v ist die Position des betroffenen Antennenelements im gedachten Raster von n möglichen Positionen; v ist gleich 0, 1,... n- 1).
Man erhält in diesem Fall anstelle von n =128 Fourier-Koeffizienten 2n = 256 Fourier-Koeffizienten, d. h. auch 256 virtuelle Strahlungskeulen. Die Bestimmung der Einfallsrichtung erfolgt wieder durch Ermittlung des betragsmäßig größten Fourierkoeffizienten.
Die Einhüllende der berechneten Fourier-Koeffizienten ist in F i g. 4 dargestellt.
Eine Erhöhung der Meßgenauigkeit ist auch mit der nachfolgend beschriebenen Weiterbildung, gemäß der eine Interpolation erfolgt, möglich.
Mittels der Beträge der Fourier-Koeffizienten Fk+1 und Fk-1, wenn Fk der betragsmäßig größte Fourier-Koeffizient ist, wird ein Korrekturwert

A = CIn öBÄ)

(mit c: Konstante; A, B: Amplitudenbeträge der Fourier-Koeffizienten Fk + Fk -1) ermittelt. Die genaue Einfallsrichtung a ist dann: a = arc sin (k+#)# für (k+X)2n/2 nd bzw.
a = arc sin (k+Andfl)Ä für (k+A)<n/2 (Für die vorliegende Antennenzeile ist c=0,431).
Bei der bisherigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß eine einzelne lineare Antennenzeile vorgesehen ist Hiermit kann lediglich ein eindeutiger Winkelbereich von maximal +90° überwacht werden.
Außerdem erhält man wegen der Symmetrie der Zeile die Winkelinformation in einem konischen Koordinatensystem. Dabei lassen sich unterschiedliche Einfallsrichtungen nicht unterscheiden, wenn diese auf einem zur Antennenzeile rotationssymmetrischen Kegelmantel liegen.
Über den gesamten Azimutbereich von 360° eindeutige Meßergebnisse erhält man, wenn man eine zweite Antennenzeile vorsieht, die orthogonal zur ersten Antennenzeile angeordnet ist Mit den beiden Antennenzeilen lassen sich jeweils Einfallswinkel 61 und 2 in konischen Koordinaten messen. Aus diesen Werten berechnet sich die planare Azimuteinfallsrichtung g> gemäß

sin #1

# = arc tan #sind #2#

und, falls gewünscht, die Elevationseinfallsrichtung gemäß

Claims

Patentansprüche: 1. Großbasispeiler mit mehreren Antennen, die eine lineare Antennenzeile mit der Länge L bilden, bei dem den Antennen jeweils ein Empfänger und eine Meßeinrichtung, die zumindest die Phase der empfangenen elektromagnetischen Welle relativ zu einer Bezugsphase messen, nachgeschaltet sind, und bei dem für die von den Meßeinrichtungen gemessenen Werte in einem Rechner eine schnelle Fouriertransformation durchgeführt und aus den fouriertransformierten Werten die Einfallsrichtung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenzeile m Antennen (i1) enthält, die innerhalb der Antennenzeile (F i g. 2) möglichst unregelmäßig angeordnet sind, daß m wesentlich kleiner als n ist, wobei 2L +1 Ä ( ist die Betriebswellenlänge der empfangenen elektromagnetischen Welle) ist, daß dem Rechner (17), der die schnelle Fouriertransformation (FFT) durchführt, n komplexe Eingangswerte zugeführt werden, die sich zusammensetzen aus den m in den Meßeinrichtungen (15) gemessenen Werten und (n -m) konstanten Werten, deren vektorielle Summe gleich Null ist, und die ihm parallel oder seriell zugeführt werden, daß bei der schnellen Fouriertransformation n Ausgangswerte erzeugt werden, denen jeweils eine bestimmte Raumrichtung zugeordnet ist, daß in der Auswerteeinrichtung (18, 19) weiterhin ermittelt wird, welcher der n Ausgangswerte des Rechners (17) betragsmäßig am größten ist,-und daß die diesem Ausgangswert zugeordnete Raumrichtung die Einfallsrichtung der elektromagnetischen Welle ist 2. Großbasispeiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die (n -in) konstanten Signale gleich Null sind.

3. Großbasispeiler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den dem Rechner (17) zugeführten ersten m komplexen Eingangswerten m weitere komplexe Werte abgeleitet werden, die sich von den ersten m Werten durch eine konstante Phasenverschiebung unterscheiden, daß mit diesen weiteren m komplexen Werten eine weitere schnelle Fouriertransformation durchgeführt wird, bei der wiederum n Ausgangswerte erzeugt werden, denen jeweils eine bestimmte Raumrichtung zugeordnet ist, daß in der Auswerteeinrichtung ermittelt wird, welcher der 2n Ausgangswerte, die bei den beiden schnellen Fouriertransformationen erzeugt wurden, am größten ist, und daß die diesem Ausgangswert zugeordnete Raumrichtung die Einfallsrichtung der elektromagnetischen Welle ist.

4. Großbasispeiler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Meßgenauigkeit der Einfallsrichtung aus den Ausgangswerten, die dem betragsmäßig größten Ausgangswert benachbart sind, ein Korrekturwert ermittelt wird, der bei der Berechnung der Einfallsrichtung berücksichtigt wird.

5. Großbasispeiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Rechner (17), der die schnelle Fouriertransformation durch- führt, zugeführten komplexen Eingangswerte außer den gemessenen Phasenwerten auch die entsprechenden Amplitudenwerte enthalten.

6. Großbasispeiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner (17), der die schnelle Fouriertransformation durchführt, die in den Meßeinrichtungen ermittelten I-Komponenten (»In-Phase-Anteil«) und Q-Komponenten (»Quadratur-Anteil«) zugeführt werden, und daß die Fouriertransformation mit diesen komplexen Wert durchgeführt wird.

Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Großbasispeiler wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Ein solcher Großbasispeiler ist aus der US-PS 38 87 923 bekannt.

Großbasispeiler haben den Vorteil, daß sie gegen Störungen, verursacht durch Mehrwegausbreitung der empfangenen Signale, relativ unempfindlich sind. Zur Bestimmung der Einfallsrichtung der elektromagnetischen Welle muß zumindest bekannt sein, welche Phase die empfangene elektromagnetische Welle am Ort jeder Antenne, bezogen auf eine allen Antennen gemeinsame Bezugsphase, hat. Häufig werden außer den Phasen auch noch die Amplituden der empfangenen elektromagnetischen Welle ausgewertet. Es ist weiterhin möglich, anstatt die Amplitude und die relative Phase zu messen, die I-(»in-Phase-Anteil«) und Q-(»Quadratur-Anteil«)Komponenten der empfangenen elektromagnetischen Welle zu bestimmen. Durch die I- und Q-Komponenten bzw. durch Phasen- und Amplitudenwerte ist ein empfangenes Signal vollkommen bestimmt.

Unabhängig davon, welche Information (Phase; Phase und Amplitude; I- und Q-Komponenten) ausgewertet werden soll, ist es notwendig, jeder Antenne einen Empfänger und eine Meßeinrichtung nachzuschalten.

Um über einen Azimutbereich von +90° eindeutige Bestimmungen des Einfallswinkels durchführen zu können, ist es notwendig, daß der Abstand benachbarter Antennen kleiner als eine halbe Betriebswellenlänge (iZ) ist Dadurch werden bei einem Großbasispeiler eine Vielzahl von Antennen, Empfängern und Meßeinrichtungen notwendig. Weiterhin stören bei solch kleinen Antennenabständen Verkoppelungen zwischen benachbarten Antennen.

Vergrößert man bei den bekannten Großbasispeilern den Antennenabstand, dann muß ein aufwendiges Eindeutungsverfahren durchgeführt werden.

Außerdem erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, daß die ermittelten Einfallsrichtungen, bedingt durch Mehrwegausbreitungen, vollständig falsch eingedeutet werden.

Aufgabe Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Großbasispeiler anzugeben, bei dem auch dann ohne Eindeutungsverfahren in einem großen Winkelbereich eine eindeutige Peilung möglich ist, wenn der Abstand zwischen benachbarten Antennen größer als eine halbe Betriebswellenlänge ist.