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Verfahren und Anordnung zur Verbesserung des Signal-Stör-
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Verhältnisses bei Radaranlagen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Verbesserung des Signal-Stör-Verhältnisses bei einer Radaranlage sowie eine
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Moderne Radaranlagen mit hochstabilen
Sende-Empfangskomponenten und anspruchsvoller Signalverarbeitung wie z. B.
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Dopplerfilterbank verlangen einen möglichst großen linearen Dynamikbereich
des Empfangskanals und begrenzungsfreien Signaldurchlauf bis in den Signalprozessor.
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Begrenzte Signale sind auf Grund spektraler Verfälschungen nicht in
ihrer Dopplerfrequenz erkennbar und müssen deshalb von der Doppleranalyse ausgeschlossen
werden. Für Bewegtzielentdeckung (MTl-Betrieb), wo man bisher bewußt die Clutterbegrenzung
im ZF-Bereich als CFAR (konstante Falschalarmrate)-Maßnahme eingesetzt hat, bringen
solche Begrenzungen Verluste in der Zielentdeckungswahrscheinlichkeit.
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Der Dynamikbereich des Empfängers und des Signalprozessors kann aus
Aufwands- und Realisierungsgründen nicht beliebig geseigert werden. Die Grenzen
bewegen sich zwischen 40 und 60 dB, wobei letztere im Signalprozessor bei Einsatz
eines 12 Bit A/D-Wandlers und einer 16 Bit Verarbeitungswortlänge erreicht werden
können.
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Insbesondere der Festzielclutter im Nahbereich übersteigt diesen Dynamikbereich
um 20 - 40 dB, so daß Maßnahmen zur Vermeidung von Begrenzung ergriffen werden müssen.
Bisher hat man versucht, die zeitabhängige Empfangskanalregelung des Empfängers
(STC=Sensitivity Time Control), die eigentlich nur die Entfernungsdynamik in der
Echointensität kompensieren soll, dafür einzuspannen. Aber selbst die ausgeklügelsten
Einstellungen müssen ein Kompromiß bleiben, da die Wirkung konzentrisch ist, der
Clutter jedoch unter jedem neuen Azimutwinkel wechselnde Intensitäten und Strukturen
zeigt. Eine gebietsbezogene Clutterdämpfungsmaßnahme ergibt sich durch eine der
konzentrischen Grundeinstellung der STC zu überlagernde, programmierbare Zusatzdämpfung.
Zusätzliche Dämpfung des Clutters am Empfängereingang bedeutet natürlich zwangsläufig
auch zusätzliche Dämpfung des Flugzielechos und damit Entdeckungsverluste.
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Diese können durch ein elektronisch gesteuertes Empfangsdiagramm der
Antenne vermieden werden. In Cluttergebieten wird das Diagramm programmgesteuert
verändert und somit die Clutteramplitude reduziert, ohne daß Flugziele bedämpft
werden. Eine gut an die Cluttergebiete angepaßte Vorprogrammierung von Diagrammveränderung
oder zusätzlicher Dämpfung erfordert jedoch einen beträchtlichen Programmier- und
Speicheraufwand. Zudem sind damit noch nicht die sich laufend ändernden Ausbreitungs-
und Reflexionsbedingungen oder die Überlagerungen von Wetter-Clutter berücksichtigt.
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Die zeitlichen Veränderungen der Clutter-Situation sind berücksichtigt
bei Verfahren, welche die Antennendiagramm-Einstellung oder die Eingangsdämpfung
an die zeitlich veränderliche Cluttersituation anpassen. Hierzu wird die Clutterintensität
innerhalb eines.vorgegebenen Teilgebiets integriert oder gemittelt und daraus ein
Einstellungskriterium abgeleitet. Die Mittelung der Clutterintensität erfordert
einen erheblichen Aufwand an Speicherkapazität und läßt vor allem die Verteilung
des Clutters innerhalb des Teilgebiets unberücksichtigt, so daß z. B. einzelne starke
Störechos zu den gleichen clutteradaptiven Maßnahmen führen können wie ausgedehnter
homogener Clutter relativ geringer Amplitude. Dadurch werden unter Umständen Echtzielechos
unnötig gedämpft oder bei Störechos fälschlicherweise auf Ziel erkannt, was zu höheren
Zielentdeckungsverlusten und Falschalarmraten führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses
Verfahrens anzugeben, womit eine verbesserte clutteradaptive Störechounterdrückung
möglich ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Patentanspruch 1 beschrieben.
Die Ansprüche 2 bis 8 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
des Verfahrens.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist
im Patentanspruch 9 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
kennen den Ansprüchen 10 bis 12 entnommen werden.
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Es werden alle Signalabtastwerte innerhalb einer Gebietszelle gezählt,
die den Empfängerbegrenzungspegel erreicht haben. Diese Meßzahl wird mit einem voreinstellbaren
Toleranzbereich verglichen. Liegt die Zahl der begrenzten Samples oberhalb der Toleranzgrenze,
so wird in der betrachteten Gebietszelle ein zusätzlicher Diagrammhebeschritt oder
STC-Dämpfungsschritt vorgegeben und im Speicher abgelegt. Diese Prozedur wiederholt
sich von Umlauf zu Umlauf, bis die Zahl der Begrenzungswerte in den zugelassenen
Bereich des Toleranzfensters abgesunken ist.
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Sollte sich der Clutter am Eingang des Empfängers aufgrund geänderter
Ausbreitungsbedingungen unter den Toleranzbereich absenken, so wird nach Registrierun
in der Gebietszelle für die nächsten Umläufe eine F<duzierung der Dämpfung vorgenommen,
bis die Zahl der begrenzten Abtastwerte wieder innerhalb des Toleranzbereichs liegt
oder im Grenzfall die Dämpfung auf 0 dB zurückgestellt ist. Der Steuerwert ist z.
B.(als 4 Bit-Wert) für jede Gebietso:le im Umlaufspeicher abgelegt und nimmt bei
Antennendurch>-ing Eingriff in Diagramm und STC. Zur Aktualisierung des Steuerwertes
im Gebietszellenumlaufspeicher wird das Ergebnis des oben geschilderten Meßprozesses
herangezogen und ein höherer, unveränderter oder niedrigerer Stellwert abgespeichert.
Durch Speicherung der aktuell ermittelten Werte für den nächsten Umlauf bzw. Einstellung
des Diagramms oder der Dämpfung nach Maßgabe des Steuerwerts aus dem letzten Umlauf
können die Signale kohärent verarbeitet werden. Durch sukzessive Korrektur des gespeicherten
Steuerwerts um jeweils nur einen Schritt pro Umlauf und damit schrittweise Annäherung
an die richtige Einstellung über mehrere Antennenumläufe entsteht vorteilhafterweise
ein Glåttungseffekt, der die Einrichtung gegen Einzelimpulsstorungen unempfindlich
macht. Die Einstellunsicherheit oder das "Quantisierungsgeräusch" entspricht einem
Stellwertinkrement.
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Die Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen
noch veranschaulicht. Dabei zeigt FIG. 1 die Aufteilung des Überwachungsgebietes
in Radarauflösungszellen und Gebietszellen FIG. 2 eine prinzipielle Anordnung zur
Gewinnung und Speicherung der Steuerwerte für die Einstellung von Antennendiagramm
und Dämpfung FIG. 3 ein Blockschaltbild für die Einstellung und Verarbeitung der
zeit- und gebietsabhängigen Dämpfung der Eingangssignale.
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Bei dem Ausschnitt aus dem Überwachungsgebiet nach FIG. 1 ist eine
Gebietszelle GZ durch stärkere Umrandung hervorgehoben. Sie ist aufgebaut aus einer
Mehrzahl von in Entfernungsrichtung und Azimutwinkel aufeinanderfolgenden Radarauflösungszellen
RZ. Weitere Gebietszellen, die nicht hervorgehoben sind, schließen sich in Azimut
und Entfernung an. Beispielsweise umfasse eine Gebietszelle einen Entfernungsbereich
E von zwölf Radarauflösungszellen und einen Azimutwinkel AZ von vierzig Radarperioden
(Sweeps).
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Da für jede Radarauflösungszelle RZ ein Abtastwert genommen wird,
ergeben sich dann 12 x 40 - 480 Abtastwerte.
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Eine in FIG. 2 dargestellte Schaltung 2 zur Begrenzungserkennung als
erster Komparator, dessen Vergleichswert in dem Referenzwertspeicher 1 abgelegt
ist, wird mit dem linearen oder logarithmierten Normalvideo gespeist und mit dem
Abtasttakt aus dem Takt- und Adressengenerator 7 auf begrenzte Signalwerte hin abgefragt.
Vorzugsweise ist der Vergleichswert einstellbar, wodurch sich die Möglichkeit ergibt,
den Vergleichswert unter den Wert der
Begrenzungs-Amplitude abzusenken,
so daß einige der von der Schaltung 2 als begrenzt erkannten Signalwerte tatsächlich
noch nicht die Begrenzung erreicht haben. Die Begrenzungserkennung kann auch im
ZF-Bereich in Verbindung mit einem Hüllkurvengleichrichter vorgenommen werden.
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Die Ereignisse der Signal begrenzung werden in einem Akkumulationsspeicher
3 für jede Gebietszelle getrennt gezählt. Dazu sind die Speicherplätze nach Gebietszellen
adressiert. Während eines Sweeps werden nacheinander die Adressen aller in einer
Reihe in Entfernungsrichtung hintereinanderliegender Gebietszellen angesteuert.
Die zeitrichtige und gebietszellen-richtige Zuordnung erfolgt durch den Takt- und
Adressengenerator 7. Dies wiederholt sich von Radarperiode zu Radarperiode, wobei
die Ergebnisse pro Gebietszelle laufend aufaddiert werden, bis alle Sweeps einer
azimutalen Schrittweite AZ abgelaufen sind.
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Nach Ablauf des letzten Sweeps dieser Gebietszellenreihe werden die
fortlaufend komplettierten Akkumulationsergebnisse in einem weiteren Komparator
5 mit einem Toleranzbereich für die Anzahl der zulässigen Begrenzungswerte pro Gebietszelle
verglichen. Die obere und untere Grenze des Toleranzbereichs sind in einem Fensterspeicher
4 vorzugsweise einstellbar gespeichert. Aus dem Vergleich wird das Kriterium für
eine Veränderung der Einstellung des Antennendiagramms oder der Eingangssignaldämp£ung
abgeleitet. Der im Umlaufspeicher 6 gespeicherte Wert für die betreffende Gebietszelle
wird erforderlichenfaLls aktualisiert und im Umlaufspeicher neu abgespeichert.
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Dadurch, daß im Akkumulationsspeicher nur die Ereignisse der Signalbegrenzung
gezählt werden, kann gegenüber der
Aufaddierung aller Abtastwerte
und eventuell Mittelwertbildung die Wortlänge der Speicherplätze klein und damit
der Speicheraufwand gering gehalten werden. Eine weitere Verringerung des Speicheraufwands
ergibt sich daraus, daß die Addierkapazität der Speicherplätze geringer sein darf
als die Zahl der Abtastwerte pro Gebietszelle, da kaum mit einer vollständigen Bedeckung
der Gebietszelle mit begrenzten Abtastwerten zu rechnen ist. Bei einer schrittweisen
Aktualisierung der Steuerwerte derart, daß bei Überschreiten der oberen Grenze des
Toleranzbereichs unabhängig vom Maß der Überschreitung der Steuerwert immer um einen
Schritt erhöht wird, ergibt sich eine zulässige Verringerung bis zur höchsten einstellbaren
Obergrenze des Toleranzbereichs. Die Obergrenze des Toleranzbereichs liegt bei dem
gewählten Beispiel von 480 Abtastwerten pro Gebietszelle günstigerweise bei etwa
40 bis 50 begrenzten Abtastwerten. Die Zelle ist damit für die Ziel entdeckung hinreichend
transparent. Die verbleibenden begrenzten Abtastwerte werden bewußt in Kauf genommen,
um Zielentdeckungsverluste bei zu starker Dämpfung zu vermeiden. Die untere Grenze
des Toleranzbereichs kann bis auf einen begrenzten Abtastwert abgesenkt werden,
so daß erst, wenn keine begrenzten Abtastwerte mehr festgestellt werden, die Dämpfung
Schritt für Schritt wieder verringert wird.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, in dem Akkumulationsspeicher
nur Speicherplätze für eine Reihe von in Entfernungsrichtung hintereinanderliegenden
Gebietszellen bereitzuhalten. Während des Ablaufs des letzten Sweeps werden die
aufgelaufenen Summen an den zweiten Komparator ausgelesen, der Akkumulationsspeicher
wird für die abgearbeitete Gebietszellenreihe gelöscht und ist für Meßdaten der
nächsten Gebietszellenreihe aufnahmebereit.
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Eine Verringerung des Speicheraufwands ergibt sich auch im Umlaufspeicher
gegenüber einer Cluttermittelwertbildung und Speicherung des Mittelwerts zur rekursiven
Integration, da die Steuerwerte bereits beim Abspeichern in den Umlaufspeicher so
grob gestuft sein können wie die Einstellmöglichkeiten für Antennendiagramm und
zusätzliche Dämpfung. Eine Abspeicherung der im Akkumulationsspeicher aufgelaufenen
Summen ist nicht notwendig.
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Das Einschreiben und Auslesen der Speicherwerte zum richtigen Zeitpunkt
und mit richtiger Zuordnung wird durch den Takt- und Adressengeber 7 gesteuert.
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Aus den gespeicherten Steuerwerten werden in einer Einrichtung 10
zur clutteradaptiven Einstellung (CLAE) von Antennendiagramm und zusätzlicher Eingangsdämpfung
die entsprechenden Stellgrößen A für die Antennendiagrammeinstellung und D für die
zusätzliche Dämpfung erzeugt.
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Die Eingangssignaldämpfung und die Antennendiagrammeinstellung können
zudem noch durch für einzelne Gebiete vorprogrammierte, nicht adaptive Steuerwerte
beeinflußt werden. Dies ist von Vorteil vor allem für Gebiete mit extremen Clutterbedingungen.
Für solche Gebiete kann es unter Umständen zweckmäßig sein, die Einflußnahme der
adaptiven Einstellung zu unterbinden.
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nie einzelnen Einflußgrößen werden im allgemeinen Fall additiv überlagert,
wie dies für die Eingangsdämpfung im Blockschaltbild der FIG. 3 dargestellt ist.
In einem Überlagerungsglied 12 werden die Stellgrößen aus der fest gespeicherten
Grundeinstellung (BASIC STC) der zeitabhängigen Dämpfung, der clutteradaptiven Einstellung
(CLAE)
der Dämpfung und gebietsweise vorprogrammierten Dämpfungseinstellung
(MAP) zu einer gemeinsamen Stellgröße S zusammengefaßt. Für Teilgebiete, in denen
die Empfindlichkeit gegenüber der Grundeinstellung erhöht werden soll, kann auch
ein negativer Wert vorprogrammiert sein. Die zeit- und gebietszellenrichtige Zusammenfassung
der einzelnen Stellgrößen aus den Speichern 8, 9 und 10 erfolgt über hier nicht
gezeigte Steuereinrichtungen, die auch in den Takt- und Adressengenerator integriert
sein können.
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Die gemeinsame Stellgröße S gelangt über einen Digital/Analog-Wandler
13 mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter 14 auf die Dämpfungsglieder 19 am Empfängereingang,
die die Echoeingangssignale nach Maßgabe der Stellgröße S dämpfen.
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Nach weiteren nicht dargestellten Verarbeitungsschritten gelangen
die Echosignale zum Signalprozessor 18, der zur vollständigen Auswertung auf Zielmeldungen
angewiesen ist, bei denen die Entfernungsdynamik eliminiert ist. Durch die Zusammenfassung
mehrerer Stellgrößen für den zeitabhängigen Umlauf der Dämpfung weicht die der gemeinsamen
Stellgröße entsprechende STC mehr oder weniger stark von dem nur die Entfernungsdynamik
kompensierenden R Verlauf ab.
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Um diese Abweichung dem Signalprozessor 18 zur korrigierenden Beeinflussung
der Signalamplitude zeitrichtig melden zu können, wird in einer Subtrahierschaltung
15 ständig die Differenz zwischen dem im Lesespeicher 11 gespeicherten zeitlichen
Verlauf entsprechend B 4 und dem zeitlichen Verlauf der gemeinsamen Stellgröße S
ermittelt und durch Rechenschaltungen 16, z. B. Delogarithmierer, aus der Differenz
ein Korrekturfaktor a-,geleltet, der erforderlichenfalls nach Verzögerung in einem
Verzogerungsglied 17 dem Signalprozessor zugeführt wird.