DE3430888C2

DE3430888C2 -

Info

Publication number: DE3430888C2
Application number: DE3430888A
Authority: DE
Inventors: Ignaz Von Dipl.-Ing. 8000 Muenchen De Maydell; Juergen Prof. Dr.-Ing. 8137 Berg De Detlefsen; Alfred Dipl.-Ing. 8013 Haar De Blaha
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1984-08-22
Filing date: 1984-08-22
Publication date: 1988-10-06
Also published as: US4675677A; DE3430888A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Detektion und Bekämpfung untergezogener Bodenziele von niedrig fliegenden Fluggeräten unter Anwendung von Radarstrahlung bei einem Synthetic-Aperture-Radar (SAR), bei dem die Zielerfassung, in Flugrichtung gesehen, seitlich und/oder schräg vorwärts und nach unten erfolgt.

Es ist bekannt, Ziele durch die Anwendung des Synthetic-Aperture-Ra dar-Prinzips (SAR) zu detektieren, wobei eine sehr hohe Auflösung in der Querrichtung zur Flugrichtung des die Radaranlage mitführenden Flug zeuges erzielt wird (siehe: M. J. Skolnik: Introduction into Radar Systems, Kap. 14.1; 2. Auflage 1980; McGraw-Hill). Hierbei wird die durch die Bewegung des Flugzeuges synthetisch erzeugte große Anten nen-Apertur ausgenutzt. Eine genaue Auswertung der empfangenen Signale ist mit üblichem Aufwand zu erreichen, die erzielbare Auflösung liegt in der Größenordnung der Antennenabmessungen.

In der Literatur (GEC Journal of Research, Vol. 2. No. 3, 1984, S. 169-177) ist ein SAR-System beschrieben, dessen Blickrichtung auch vom Lot zur Bewegungsrichtung abweichend angeordnet sein kann. Es ist jedoch dem Fachmann geläufig, daß eine SAR-Auswertung in dem Maß unge nauer wird, je mehr sich die Hauptstrahlrichtung der Antenne der Be wegungsrichtung des Fluggerätes annähert. In anderen Entgegenhaltungen, wie beispielsweise der US-PS 42 80 127, wird sogar ein Schwenkwinkel von 0°-90° (Squint-Mode) zur Bewegungsrichtung angegeben. Gerade im Bereich unter dem Fluggerät entsprechen aber bei einem Verfahren nach dem SAR- oder Squint-Mode die radialen Auflösungszellen immer größeren Bereichen auf der Erdoberfläche. Außerdem ist die SAR-Information im Bereich der Flugspur mehrdeutig, da aus den Doppler-Signalen prinzipiell keine Rechts/Links-Entscheidung bezüglich der seitlichen Ablage gewinn bar ist.

Weiterhin ist in der Literatur (M. J. Skolnik: Introduction into Radar Systems, S. 527) die Möglichkeit beschrieben worden, mittels einer zur Flugrichtung schräg nach vorne gerichteten Antennenanordnung seitlich neben der Flugbahn des Flugzeuges liegende Bodenziele aufzuspüren. Die Methode bedingt jedoch einen erheblich höheren Aufwand bei der Auswer tung als das SAR-Prinzip.

In der US-PS 44 71 357 ist eine Datenverarbeitungsanlage für ein SAR-System beschrieben, welches seitlich zur Bewegungsrichtung mißt. Um den bekannten SAR-Verarbeitungsprozeß (Azimut-Korrelation) zu beschleu nigen, wird vorgeschlagen, eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) und einen Korrelator zu verwenden.

Aus der DE 30 23 290 A1 ist eine Einrichtung zur Zielerfassung von bewegten und stationären Bodenzielen von tieffliegenden Flugzeugen aus bekannt, die mittels vier IR-Sensorzeilen, die paarweise an der rechten und linken Tragflächenspitze montiert sind, Ziele detektiert, die aufgrund ihrer Infrarotabstrahlung erkennbar sind. Dieses Verfahren ist jedoch bei z. B. unter Bäumen untergezogenen Bodenzielen nicht anwendbar.

Das SAR-Prinzip weist für den hier vorliegenden Anwendungsfall den Nachteil auf, daß nur ein Teil seiner synthetischen Apertur ausgenützt werden kann, weil das Radarbild des Bodenzieles bereits vorliegen muß, wenn das Flugzeug das vor ihm liegende Ziel an der Entscheidungsent fernung für die Auslösung der Waffe erfaßt hat. Weiterhin ist beim SAR prinzipiell keine "Rechts-Links-Entscheidung" bezüglich der seitlichen Ablage möglich, weil diese Information in den Dopplersignalen nicht enthalten ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorge nannten Nachteile eine Einrichtung für Fluggeräte zu schaffen, die zur Überwachung von Bodenstreifen im Tiefflug, deren Längsausdehnung sich in Flugrichtung des Fluggerätes schräg vorwärts und deren Breite sich etwa über eine oder mehrere Spannweiten des Fluggerätes erstreckt, insbeson dere zur Suche nach z. B. unter Bäumen unterzogenen Bodenzielen, wie z. B. militärischen Transport- und Kampffahrzeugen, mit hoher Auflösung dient, und mit der eine sofortige, gezielte Bekämpfung von oben durch führbar ist, wobei die Anwendung unabhängig von Wetter und Sichtbe dingungen möglich sein soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches niedergelegten Merkmale gelöst.

Vorteilhafterweise dient die genannten Einrichtung zur Auslösung von Waffen nach dem Vertical-Ballistic-Prinzip (VEBAL) und ebenso zur Aufklärung untergezogener Bodenziele, wobei die erfaßten Daten ge speichert oder "on line" über Funk an Benutzer gesendet werden können. Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden für die Anten nen des Arrays Streifenleitungsantennen verwendet, die der Kontur des Fluggerätes angepaßt sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 je eine Front-, Seiten- und Aufsicht auf ein Fluggerät mit einer Einrichtung zur Detektion untergezogener Bodenziele,

Fig. 2 eine geometrische Anordnung eines Radarsystems zur Detektion untergezogener Ziele,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Radarsignalverarbeitung.

In den drei Teilfiguren der Fig. 1 ist eine geometrische Anordnung einer Einrichtung zur Detektion und Bekämpfung von untergezogenen Bodenzielen durch ein niedrig fliegendes Fluggerät 1 dargestellt. Zur Verdeutlichung wird ein sich auf der Erdoberfläche befindendes, jedoch sich mit dem Fluggerät mit bewegendes Koordinatensystem verwendet. Die Lage eines Zieles BZ wird, bezogen auf das Koordinatensystem durch die seitliche Ablage X _s, Y _s in der X/Y-Ebene angegeben. Der Erfassungsbereich, der durch die Anordnung der Antennen 4 a, 4 b, 4 c, 4 d, 4 e, die Antennengeo metrie und die Flughöhe Z _s gegeben ist, liegt in der Flugrichtung zwischen den Marken X _E und X _A und in der Querrichtung zwischen den Marken -Y _E und Y _E.

Ein Bodenziel BZ, das sich im Bereich der Flugbahn auf der Erdoberfläche befindet, wird vom Radar zum ersten Mal dann erfaßt, wenn seine Entfer nung kleiner als die Maximalentfernung X _A wird. Für die Auswertung spielen nur diejenigen Empfangssignale eine Rolle, die auftreten, während sich dieser Abstand bis zur Entscheidungsentfernung X _E ver kleinert. Die am Ausgang des Radargerätes zur Verfügung stehende Infor mation stellt dabei die Verteilung der sich gerade in der Entscheidungs entfernung X _E befindenden Streukörper als Funktion der seitlichen Ablage Y _s dar.

Die in der Fig. 1 dargestellte Antennengeometrie weist folgende Bereiche des vertikalen bzw. horizontalen Bündelungswinkels der Antennen auf:

30°γ _V70°;
25°q _H65°.

Es können auch kleinere Antennen mit geringerer Bündelung verwendet werden. Dann werden auch außerhalb des interessierenden Bildfeldes liegende Bodenziele erfaßt, was einen höheren Aufwand bei der Auswertung bedingt und gleichzeitig auch eine Verminderung der Störfestigkeit (ECM-Festigkeit) bewirkt, weil die weitab liegenden Störziele mit größerer Amplitude empfangen werden können und bei der Signalverarbei tung unterdrückt werden müssen.

In der Fig. 2 ist beispielhaft eine mögliche Anordnung der Sende- und Empfangsantennen 4 a, 4 b, 4 c, 4 d, 4 e sowie der dazu gehörenden Empfänger 5 a, 5 b, 5 d, 5 e und dem Sender 6 dargestellt. Für einen Einbau in ein Flugzeug sind flächenhafte Antennenstrukturen erforderlich. Es bietet sich daher an, das gewünschte Antennendiagramm durch Anordnung mehrerer λ/2-Einzelstrahler, die mit geeigneter Phasenlage gespeist werden, zu erzeugen. Die Gesamtstruktur der Antenne kann somit vorteilhafterweise in Streifenleitungstechnik ausgeführt werden.

Für die verwendete Radarauswertung wird ein Array mit mehreren Antennen benötigt. Es hat sich herausgestellt, daß mit einer äquidistanten Anordnung von vier Empfangsantennen 4 a, 4 b, 4 d, 4 e, die im Tragflügelbe reich des Fluggerätes 1 angebracht sind, gute Ergebnisse erzielbar sind. Die Sendeantenne 4 c wird in der Mitte der Gesamtapertur angebracht. Eine Mitverwendung einer Empfangsantenne als Sendeantenne ist bei genügend großer Entkopplung denkbar. Es ergeben sich folgende Abmessungen:

Abstand der einzelnen Empfangsantennen 4 a, 4 b, 4 d, 4 e zueinander:
1 mΔ L2 m; Ausdehnung der Gesamtapertur: 4 mL8 m; d. h. der Einzelabstand ist deutlich größer als bei üblichen Arrays mit λ/2.

Sendeleistungen in der Größenordnung zwischen 2 W und 20 m W sind nach den bisherigen Abschätzungen ausreichend. Das Radarsystem ist zunächst als Dauerstrichradarsystem ausgelegt, es ist jedoch ebensogut möglich, gepulste Signale zu verwenden, wobei der Sendeimpuls hier im Unterschied zum gewöhnlichen Pulsradar nicht zur Erzielung eines Entfernungsauf lösungsvermögens, sondern nur zur Abgrenzung des Bildfeldbereiches dient.

Die Fig. 3 zeigt schematisch die empfängerseitige Verarbeitung der Radarsignale nach dem SAR-Prinzip mit Wellenfrontrekonstruktion bei einer Radaranordnung mit vier Empfängern 5 a, 5 b, 5 d, 5 e.

In Flugrichtung erfolgt die Signalauswertung in hier nicht gesondert dargestellter Weise nach de Prinzip des Synthetic-Aperture-Radar (SAR). Aufgrund der vierfachen Empfangsantennenanordnung quer zur Flugrichtung steht hier ein Gegensatz zu einem SAR bekannter Art zu jedem Zeitpunkt die einer synthetischen Apertur entsprechenden Information zur Ver fügung. Mittels dieser Signalauswertung stehen somit zu jedem Zeitpunkt Informationen über die Entfernung zwischen dem Fluggerät und einem möglichen Ziel zur Verfügung.

Für die Wellenfrontrekonstruktion, die zur Ermittlung der seitlichen Ablage eines Ziels bezügliche der Flugrichtung im Azimut dient, werden die empfangenen komplexen Radarsignale am Empfängerausgang zeitlich äquidistant abgetastet und digitalisiert. Die vier einem Abtastzeitpunkt zugeordneten Signalwerte werden anschließend einer schnellen Fou rier-Transformation FFT mit vier Stützwerten unterworfen, die fest verdrahtet sein kann. Am Ausgang des FFT-Prozessors stehen dann die nach Auflösungssektoren winkelmäßig sortierten Signalfunktionen 7 a, 7 b, 7 d, 7 e zur Verfügung, die entsprechend ihrem zeitlichen Auftreten der Reihe nach in die vier Felder der winkelmäßig geordneten Signalfunktionen WSF _a, WSF _b, WSF _d, WSF _e eingespeichert werden. Die daraufhin nach einem Zeitgesetz aus den abgespeicherten Werten korrigiert zusammenge setzten Signalfunktionen werden anschließend mit den abgespeicherten Testfunktionen in bekannter Art korreliert.

Ein Bodenziel BZ, das mit einer bestimmten seitlichen Ablage Y _s vom Radar erfaßt wird, durchläuft während des Anfluges mehrere Auflösungs sektoren p, q, r, s nach Fig. 1c. Dementsprechend muß die eigentliche Signalfunktion SF aus Abschnitten der winkelmäßig zugeordneten Signal funktionen zusammengesetzt werden. Die Art der Zusammensetzung hängt nur von der seitlichen Ablage ab und ist daher bekannt. Eine Zwischenspei cherung der eigentlichen Signalfunktionen ist nicht erforderlich, vielmehr können die den Korrelatoren K ₁, . . . K _N (in Fig. 3) zuzu führenden Signalfunktionen durch eine feste Verdrahtung direkt aus den winkelmäßig geordneten Signalfunktionen abgeleitet werden. Der wesent liche Teil des benötigten Speicherplatzes ist daher für die Abspeiche rung der Testfunktionen TF ₁, . . ., TF _N notwendig. Pro seitlichem Auflösungssektor wird ein solcher Testdatensatz und ebenfalls ein Korrelator benötigt. Das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes am jeweiligen Korrelationsausgang zeigt an, daß sich zu diesem Zeitpunkt in der Entscheidungsentfernung X _E bei der zugeordneten seitlichen Ablage der Sektoren p, q, r, s ein Bodenziel BZ befindet.

Die optimale Form der Signalauswertung, die darin besteht, daß das erwartete Signal (= Testfunktion) mit dem tatsächlich gemessenen Signal (= Signalfunktion) korreliert wird und bei einem hohen Grad der Überein stimmung auf ein vorhandenes Bodenziel geschlossen wird, ist beim SAR-Prinzip üblich. Probleme entstehen durch die zusätzliche Anwendung des Verfahrens der Wellenfrontrekonstruktion, weil ein sich parallel zur X-Achse näherndes Bodenziel abhängig von seiner seitlichen Ablage Y _s mehrere verschiedene seitliche Auflösungssektoren p, q, r, s durchläuft. Dies erfordert eine spezielle Methode der Zuordnung von Signal- und Testfunktion, wie sie oben dargestellt wurde. Hierbei ist eine Anordnung von vier Empfängern zur Wellenfrontrekonstruktion wirtschaftlich ver tretbar und auch genügend genau in der Auflösung.

Die besonderen Vorteile dieses Verfahrens liegen darin, daß es erstmals möglich ist, von einem bemannten oder unbemannten Fluggerät aus mili tärische Bodenziele, die zur vollständigen Tarnung beispielsweise unter Bäumen versteckt sind, zu entdecken, zu orten und gezielt zu bekämpfen, was bisher nur unter Einsatz einer erheblichen Anzahl flächendeckender Waffen zu erreichen war.

Claims

1. Einrichtung zur Detektion und Bekämpfung untergezogener Boden ziele von niedrig fliegenden Fluggeräten unter Anwendung von Radarstrah lung bei einem Synthetic-Aperture-Radar (SAR), bei dem die Zieler fassung, in Flugrichtung gesehen, seitlich und/oder schräg vorwärts und nach unten erfolgt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale

- die Sende- und Empfangseinrichtung besteht aus einem in Flugrichtung in einem vorbestimmten Winkel (3) bezüglich der Rollachse (2) beidseitig symmetrisch zur aus der Rollachse und der Gierachse gebildeten Ebene (X, Z) nach unten strahlenden, horizontal am Fluggerät (1) angeordneten Antennenarray (4 a, 4 b, 4 c, 4 d, 4 e) für langwellige Radarfrequenzen im Bereich von 500-1200 MHz mit vorzugsweise vier Empfangsantennen (4 a, 4 b, 4 d, 4 e) und einer Sendeantenne (4 c), wobei die einzelnen Empfangsantennen (4 a, 4 b, 4 d, 4 e) zueinander einen Abstand (Δ L) aufweisen, der wesentlich größer als die halbe Wellenlänge der Betriebsfrequenz ist;
- die Auswertung der empfangenen, vom Ziel (BZ) reflektierten Radar signale erfolgt in der Azimutebene mittels einer Wellenfrontrekon struktion aus den empfangenen Signalen, die mit Hilfe einer schnel len Fourier-Transformation (FFT) winkelmäßig sortierte Signalfunk tionen (WSF _a, . . ., WSF _e) erzeugt;
- die Auswertung der empfangenen Radarsignale erfolgt in Flugrichtung nach dem Synthetic-Aperture-Radar-Prinzip (SAR), wobei die Auswertung der Radarsignale unmittelbar auf den Empfang nach Art einer Optimal filterauswertung durch Korrelatoren (K ₁, . . . K _N) erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennenarray (4 a, . . ., 4 e) aus an die Kontur des Fluggerätes angepaßten Streifenleitungsantennen besteht.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsdaten der erfaßten Bodenziele über Funk an weitere Fluggeräte und/oder Bodenstationen gesendet werden.