DE3209399C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verbesserung des Signal-Stör-Verhältnisses bei einer Radaranlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie von einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Moderne Radaranlagen mit hochstabilen Sende-Empfangskompo­ nenten und anspruchsvoller Signalverarbeitung wie z. B. Dopplerfilterbank verlangen einen möglichst großen linearen Dynamikbereich des Empfangskanals und begren­ zungsfreien Signaldurchlauf bis in den Signalprozessor. Begrenzte Signale sind auf Grund spektraler Verfälschungen nicht in ihrer Dopplerfrequenz erkennbar und müssen des­ halb von der Doppleranalyse ausgeschlossen werden. Für Bewegtzielentdeckung (MTI-Betrieb), wo man bisher bewußt die Clutterbegrenzung im ZF-Bereich als CFAR(konstante Falschalarmrate)-Maßnahme eingesetzt hat, bringen solche Begrenzungen Verluste in der Zielentdeckungswahrschein­ lichkeit.

Der Dynamikbereich des Empfängers und des Signalprozessors kann aus Aufwands- und Realisierungsgründen nicht beliebig gesteigert 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 Verarbeitungswort­ länge erreicht werden können.

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 Echo­ intensität kompensieren soll, dafür einzuspannen. Aber selbst die ausgeklügeltsten 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 zwangs­ läufig auch zusätzliche Dämpfung des Flugzielechos und damit Entdeckungsverluste.

Diese können durch ein elektronisch gesteuertes Empfangs­ diagramm 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 zu­ sätzlicher 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.

Die zeitlichen Veränderungen der Clutter-Situation sind berücksichtigt bei Verfahren, z. B. gemäß DE 28 50 508 A1, welche die Antennen­ diagramm-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.

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 Stör­ echounterdrückung möglich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Ansprüche 2 bis 8 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Ver­ fahrens ist im Patentanspruch 9 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen können den An­ sprüchen 10 bis 12 entnommen werden.

Es werden alle Signalabtastwerte innerhalb einer Gebiets­ zelle 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 Diagrammhebe­ schritt 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. Sollte sich der Clutter am Eingang des Empfängers auf Grund geänderter Ausbreitungsbedingungen unter den Toleranz­ bereich absenken, so wird nach Registrierung in der Gebietszelle für die nächsten Umläufe eine Reduzierung der Dämpfung vorgenommen, bis die Zahl der begrenzten Abtast­ werte 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 Gebietszelle im Umlaufspeicher abgelegt und nimmt bei Antennendurchgang 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 verar­ beitet werden. Durch sukzessive Korrektur des gespeicher­ ten Steuerwerts um jeweils nur einen Schritt pro Umlauf und damit schrittweise Annäherung an die richtige Ein­ stellung über mehrere Antennenumläufe entsteht vorteil­ hafterweise ein Glättungseffekt, der die Einrichtung gegen Einzelimpulsstörungen unempfindlich macht. Die Einstellun­ sicherheit oder das "Quantisierungsgeräusch" entspricht einem Stellwertinkrement.

Die Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 die Aufteilung des Überwachungsgebietes in Radar­ auflösungszellen 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 Ver­ arbeitung der zeit- und gebietsabhängigen Dämpfung der Eingangssignale.

Bei dem Ausschnitt aus dem Überwachungsgebiet nach Fig. 1 ist eine Gebietszelle GZ durch stärkere Umrandung hervor­ gehoben. Sie ist aufgebaut aus einer Mehrzahl von in Ent­ fernungsrichtung und Azimutwinkel aufeinanderfolgenden Radarauflösungszellen RZ. Weitere Gebietszellen, die nicht hervorgehoben sind, schließen sich in Azimut und Ent­ fernung an. Beispielsweise umfaßt eine Gebietszelle einen Entfernungsbereich E von zwölf Radarauflösungszellen und einen Azimutwinkel AZ von vierzig Radarperioden (Sweeps). Da für jede Radarauflösungszelle RZ ein Abtastwert ge­ nommen wird, ergeben sich dann 12×40=480 Abtastwerte.

Eine in Fig. 2 dargestellte Schaltung 2 zur Begrenzungs­ erkennung 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 tat­ sächlich noch nicht die Begrenzung erreicht haben. Die Begrenzungserkennung kann auch im ZF-Bereich in Verbindung mit einem Hüllkurvengleichrichter vorgenommen werden.

Die Ereignisse der Signalbegrenzung werden in einem Akku­ mulationsspeicher 3 für jede Gebietszelle getrennt ge­ zählt. Dazu sind die Speicherplätze nach Gebietszellen adressiert. Während eines Durchlaufs (Sweeps) werden nacheinander die Adressen aller in einer Reihe in Entfernungsrichtung hintereinanderliegender Gebietszellen angesteuert. Die zeitrichtige und gebietszellenrichtige Zuordnung erfolgt durch den Takt- und Adressengenerator 7. Dies wiederholt sich von Radarperiode zu Radarperiode, wobei die Ergeb­ nisse pro Gebietszelle laufend aufaddiert werden, bis alle Sweeps einer azimutalen Schrittweite AZ abgelaufen sind.

Nach Ablauf des letzten Sweeps dieser Gebietszellenreihe werden die fortlaufend komplettierten Akkumulationsergeb­ nisse in einem weiteren Komparator 5 mit einem Toleranz­ bereich für die Anzahl der zulässigen Begrenzungswerte pro Gebietszelle verglichen. Die obere und untere Grenze des Toleranzbereichs sind in einem Fensterspeicher 4 vorzugs­ weise einstellbar gespeichert. Aus dem Vergleich wird das Kriterium für eine Veränderung der Einstellung des An­ tennendiagramms oder der Eingangssignaldämpfung abge­ leitet. Der im Umlaufspeicher 6 gespeicherte Wert für die betreffende Gebietszelle wird erforderlichenfalls aktuali­ siert und im Umlaufspeicher neu abgespeichert.

Dadurch, daß im Akkumulationsspeicher nur die Ereignisse der Signalbegrenzung gezählt werden, kann gegenüber der Aufaddierung aller Abtastwerte und eventuell Mittelwert­ bildung 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 be­ grenzten Abtastwerten zu rechnen ist. Bei einer schritt­ weisen 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 Zielentdeckung hinreichend transparent. Die verbleibenden begrenzten Abtastwerte werden bewußt in Kauf genommen, um Zielent­ deckungsverluste 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.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, in dem Akkumulationsspeicher nur Speicherplätze für eine Reihe von in Entfernungsrichtung hintereinanderliegenden Ge­ bietszellen 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 aufnahme­ bereit.

Eine Verringerung des Speicheraufwands ergibt sich auch im Umlaufspeicher gegenüber einer Cluttermittelwertbildung und Speicherung des Mittelwerts zur rekursiven Integra­ tion, da die Steuerwerte bereits beim Abspeichern in den Umlaufspeicher so grob gestuft sein können wie die Ein­ stellmöglichkeiten für Antennendiagramm und zusätzliche Dämpfung. Eine Abspeicherung der im Akkumulationsspeicher aufgelaufenen Summen ist nicht notwendig.

Das Einschreiben und Auslesen der Speicherwerte zum richtigen Zeitpunkt und mit richtiger Zuordnung wird durch den Takt- und Adressengeber 7 gesteuert.

Aus den gespeicherten Steuerwerten werden in einer Ein­ richtung 10 zur clutteradaptiven Einstellung (CLAE) von Antennendiagramm und zusätzlicher Eingangsdämpfung die entsprechenden Stellgrößen A für die Antennendiagrammein­ stellung und D für die zusätzliche Dämpfung erzeugt.

Die Eingangssignaldämpfung und die Antennendiagrammein­ stellung 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.

Die 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 zeitab­ hängigen Dämpfung, der clutteradaptiven Einstellung (CLAE) der Dämpfung und gebietsweise vorprogrammierten Dämpfungs­ einstellung (MAP) zu einer gemeinsamen Stellgröße S zu­ sammengefaßt. Für Teilgebiete, in denen die Empfindlich­ keit gegenüber der Grundeinstellung erhöht werden soll, kann auch ein negativer Wert vorprogrammiert sein. Die zeit- und gebietszellenrichtige Zusammenfassung der ein­ zelnen Stellgrößen aus den Speichern 8, 9 und 10 erfolgt über hier nicht gezeigte Steuereinrichtungen, die auch in den Takt- und Adressengenerator integriert sein können.

Die gemeinsame Stellgröße S gelangt über einen Digital/Analog-Wandler 13 mit nachgeschaltetem Tief­ paßfilter 14 auf die Dämpfungsglieder 19 am Empfänger­ eingang, die die Echoeingangssignale nach Maßgabe der Stellgröße S dämpfen.

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 zeitabhängi­ gen Umlauf der Dämpfung weicht die der gemeinsamen Stell­ größe entsprechende STC mehr oder weniger stark von dem nur die Entfernungsdynamik kompensierenden R^-4-Verlauf ab. Um diese Abweichung dem Signalprozessor 18 zur korrigie­ renden Beeinflussung der Signalamplitude zeitrichtig melden zu können, wird in einer Subtrahierschaltung 15 ständig die Differenz zwischen dem im Lesespeicher 11 gespeicherten zeitlichen Verlauf entsprechend R^-4 und dem zeitlichen Verlauf der gemeinsamen Stellgröße S ermittelt und durch Rechenschaltungen 16, z. B. Delogarithmierer, aus der Differenz ein Korrekturfaktor abgeleitet, der erforderlichenfalls nach Verzögerung in einem Verzöge­ rungsglied 17 dem Signalprozessor zugeführt wird.

Claims (12)

1. Verfahren zur Verbesserung des Signal-Stör-Verhältnisses bei einer Radaranlage mit Aufteilung des Überwachungsgebiets in eine Mehrzahl von Gebietszellen (GZ), die wiederum jeweils aus mehreren in Azimut und Entfernung aufeinanderfolgenden Radarauf­ lösungszellen (RZ) bestehen, mit einer zeitabhängigen Empfangs­ kanalregelung (STC) und mit Abtastung der Echosignale zur Zu­ ordnung je eines Abtastwertes zu jeder Auflösungszelle, wobei für jede Gebietszelle getrennt die stufenweise Einstellung einer zusätzlichen Dämpfung der Eingangssignale oder einer Veränderung des Antennendiagramms nach Maßgabe eines aus der Störecho­ situation in der betreffenden Gebietszelle ermittelten und ge­ speicherten Steuerwertes möglich ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Abtastwerte mit einem Vergleichswert verglichen werden,
• - daß die zu einer Gebietszelle (GZ) gehörenden Abtastwerte, die größer gleich dem Vergleichswert sind, gezählt werden,
• - daß geprüft wird, ob die derart entstandene Zahl innerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereiches liegt und
• - daß, sofern die Zahl außerhalb des Toleranzbereiches liegt, der Steuerwert, der eine Veränderung der Einstellung einer zusätzlichen Dämpfung und/oder des Antennendiagramms be­ wirkt, derart korrigiert wird, daß eine Änderung der Abtast­ werte erfolgt, so daß die Zahl wieder in den Toleranzbereich zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die zeitabhängige Empfangskanalregelung (STC) eine azimutunabhängige Grundeinstellung fest eingespeichert ist, der die zusätzliche Dämpfung überlagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der fest eingespeicherten Empfangskanalregelung (STC) neben der Einstellung nach Maßgabe der aktuellen Störechosituation auch eine für einzelne Gebiete vorprogrammierte Einstellung überlagert werden kann.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung nach Maßgabe der aktuellen Störechosituation gebietszellenweise unterbunden werden kann.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der möglichen Steuerwerte gleich ist der Anzahl der einstellbaren Stufen bei der Dämpfung und dem Antennendiagramm.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Zahl außerhalb des Toleranzbereiches liegt, der alte gespeicherte Steuerwert durch einen neuen Steuerwert überschrieben wird und der neue Steuerwert gegenüber dem alten eine Ver­ änderung der Einstellung der Dämpfung oder des Antennendiagramms um eine Stufe bewirkt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste störechoverringernde Ein­ stellstufe eine Veränderung des Antennendiagramms in Form einer Anhebung der Diagramm-Unterkante bewirkt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der jeweiligen Clutter­ situation abgeleitete Steuerwert für die Einstellung von Dämpfung und Antennendiagramm im folgenden Antennen-Umlauf herangezogen wird.

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einstellbaren Dämpfungsgliedern im Zug der Eingangssignale, mit Einrichtungen zum stufenweisen Ver­ ändern des Antennendiagramms sowie mit Mitteln zum Ab­ tasten der Echosignale, gekennzeichnet durch einen ersten Komparator (2) mit einem Referenzwertspeicher (1) zur Begrenzungserkennung, durch einen Akkumulationsspeicher (3) mit nach Gebietszellen adressierten Speicherplätzen zum Bestimmen der Zahl der begrenzten Abtastwerte je Gebietszelle, durch einen zweiten Komparator (5) zum Vergleich der im Akkumulatorspeicher (3) gespeicherten Zahl mit einem einstellbaren Toleranzbereich aus einem Fensterspeicher (4), durch einen nach Gebietszellen adressierten Umlaufspeicher zur Speicherung der Steuer­ werte und durch einen Takt- und Adressengenerator zur zeit- und gebietszellenrichtigen Zuordnung der Abtast- und Speicherwerte.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Addier-Kapazität der Akkumulator-Speicherplätze kleiner ist als die Anzahl der Radar-Auflösungszellen (RZ) pro Gebiets­ zelle (GZ).

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Akkumulations-Speicher nur Adressen für eine Reihe von in Entfernungsrichtung hintereinander­ liegender Gebietszellen aufweist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekenn­ zeichnet durch ein Überlagerungsglied (12), welches die Stellgrößen aus gespeicherter zeitabhängiger Dämpfung (9), clutteradaptiver zusätzlicher Dämpfung (10) und vor­ programmierter gebietsweiser Dämpfungseinstellung (8) zu einer gemeinsamen zeitabhängigen Stellgröße (S) für die Dämpfungsglieder (19) zusammenfaßt.