DE3512032A1 - Verfahren zur entdeckung und klassifizierung von hubschraubern mittels einer radaranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entdeckung und Klassifizierung von Hubschraubern mittels einer Radar­ anlage.

Die Entdeckung von Flugzielen mittels Überwachungsradar­ anlagen beruht wesentlich auf der Auswertung der Radial­ geschwindigkeit des Flugobjektes relativ zum Radarstand­ ort. Dabei wird das Ziel bei jeder Antennenumdrehung über weniger als etwa 50 ms erfaßt und reflektiert eine Reihe von Echoimpulsen, die von der Radarsignalverarbeitung ausgewertet werden.

Bei fehlender Radialkomponente wie z. B. bei Tangential­ flug dient die Positionsveränderung von Antennenumlauf zu Antennenumlauf als Flugzielkriterium.

Soweit ein Hubschrauber ähnliche Flugbewegungen ausführt, wird er in gleicher Weise wie andere Flugziele vom Radar entdeckt und angezeigt, ist aber ohne weitere Maßnahmen nicht als Hubschrauber zu klassifizieren, d. h. nicht von anderen Bewegtzielen wie z. B. Starrflüglern zu unter­ scheiden.

Eine besonders für Kampfhubschrauber wesentliche Eigen­ schaft besteht in der Möglichkeit, in nur geringer Höhe ortsfest zu schweben, wodurch sowohl die Radialgeschwin­ digkeitskomponente als auch eine Positionsveränderung für die Entdeckung entfallen. Das Problem besteht in einer solchen Situation darin, den Hubschrauber in einer Umge­ bung von Falschzielen (Festzielclutterreste, Angels, Straßenverkehr, Regenclutter) als Hubschrauber zu klassi­ fizieren.

Die Zielverweilzeit, d. h. die Zeit während der ein ein­ zelnes Punktziel von der Antennenkeule des Radars be­ leuchtet wird, ist bei Überwachungsradaranlagen im In­ teresse einer niedrigen Umlaufzeit und damit einer hohen Informationserneuerungsrate meist kleiner als 50 ms, so daß eine detaillierte Auswertung des Spektrums der Ziel­ echos oder des Zeitverlaufs der Echos desselben Ziels im allgemeinen nicht möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur verbesserten Entdeckung und Erkennung von Hubschraubern mittels einer Radaranlage bei kleinen Ziel­ verweilzeiten anzugeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrie­ ben.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß neben den spektral schmalbandigen Echoanteilen vom Rumpf des Hubschraubers die von Haupt- und Heckrotor herrührenden Echoanteile spektral breit verteilt sind im Vergleich zu üblichen Pulswiederholfrequenzen (PRF) von Überwachungs­ radaranlagen. Durch die Überfaltung der Rotorechos in den eindeutigen Dopplerfrequenzbereich ergeben sich für einen hohen Prozentsatz möglicher Situationen Schwellwertüber­ schreitungen in der Mehrheit der Einzelfilter der Doppler­ filterbank und eine geringe Streuung der Amplitudenwerte der Ausgangssignale der Dopplerfilter.

Ausgehend von dieser Erkenntnis wird erfindungsgemäß geprüft, ob in der Mehrheit, vorzugsweise in mehr als 75% der Dopplerfilter die Entdeckungsschwelle überschritten wird. Gegebenenfalls wird die Breite desjenigen Ampli­ tudenbandes ermittelt, das begrenzt wird durch die Ampli­ tuden des größten und des kleinsten Filter-Ausgangssignals der betroffenen Einzelfilter.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Ampli­ tuden derjenigen Dopplerfilter, die das Rumpfecho des Hubschraubers enthalten, nicht berücksichtigt. Dies wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, daß die n größten Amplituden der Ausgangssignale der Dopplerfilter bei der Ermittlung der Breite des Amplitudenbandes nicht berück­ sichtigt werden, wobei n klein sein soll gegen die Gesamt­ zahl H der Dopplerfilter und vorzugsweise gilt n<¹/₃ N.

Auf diese Weise lassen sich auch große Amplituden von eventuell auftretendem Bodenclutter in den Festzielfiltern von der Auswertung ausschließen. Zur Unterdrückung von Bodenclutter kann auch ein Speicher mit auflösungs- oder gebietszellenweiser Speicherung bekannter Bodenziele (clutter map) vorgesehen sein, nach dessen Maßgabe die Ausgangssignale der Festzielfilter je nach gespeicherter Clutterintensität von der Auswertung zur Hubschrauber­ klassifikation ausgeschlossen werden.

Aus der ermittelten Breite des Amplitudenbandes wird die Entscheidung über das Vorliegen eines Hubschrauberziels abgeleitet. In erster Näherung gilt dabei, daß die Wahr­ scheinlichkeit für das Vorliegen eines Hubschrauberziels um so größer ist, je schmaler das Amplitudenband ist. Neben der ja/nein-Entscheidung durch Vergleich der er­ mittelten Breite des Amplitudenbandes mit einem Schwell­ wert kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, den Ziel­ meldungen jeweils einen Wahrscheinlichkeitswert für das Vorliegen eines Hubschrauberziels zuzuweisen und diesen Wert bei der Ausgabe oder Darstellung der Zielmeldung mit auszugeben oder darzustellen. Auch die Zielentscheidung kann anstelle direkt aus der Breite des Amplitudenbandes auch aus dem Vergleich des Wahrscheinlichkeitswerts mit einem Schwellwert getroffen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann unterstützt werden durch ein zusätzliches Umlaufkorrelationsverfahren. Zur Unterdrückung von Falschzielmeldungen, die durch Inter­ ferenz mit anderen Radaranlagen oder Störern entstehen, kann vorgesehen sein, Zielmeldungen aus aufeinanderfolgen­ den Radarperioden oder aufeinanderfolgenden Blöcken (bursts) der Dopplerverarbeitung zu vergleichen und nur bei zwei oder mehr azimutal aufeinanderfolgenden Zielmeldungen in demselben Entfernungsring auf ein echtes Ziel zu schließen.

Die Ermittlung der Breite des Amplitudenbandes und die Entscheidung über das Vorliegen eines Hubschrauberziels erfolgen vorzugsweise off-line, wobei ein evtl. zur allge­ meinen Zielextraktion vorhandener programmierbarer Prozessor vorteilhafterweise auch zur Hubschrauberklassi­ fizierung durch zusätzliche Programmteile herangezogen wird.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Abbildungen noch an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt am Beispiel einer Doppler-Filterband mit 14 Einzelfiltern (Filter 0 . . . 13) das typische Spektrum eines Starrflüglers in Form der Signalamplituden am Aus­ gang der Filter. Nur in drei Filtern wird die Schwelle überschritten, zusätzlich zeigt Filter 0 ein starkes Echo, das von Bodenclutter herrührt. Da in nur 4 Filtern von insgesamt 14 die Schwelle überschritten wird, wird auf "Starrflügler" entschieden.

Fig. 2 zeigt das Spektrum eines Hubschraubers, dessen Zelle (Rumpf) die gleiche Radialgeschwindigkeit aufweist wie in Fig. 1 der Starrflügler. Ebenso ist das Boden­ clutter-Echo vorhanden. Man erkennt, daß in 13 von 14 Filtern die Entdeckungsschwelle überschritten wird. Damit ist ein erstes Kriterium für die Hubschraubererkennung erfüllt. Berücksichtigt man die n=4 größten Amplituden, die vom Bodenclutter und vom Rumpf des Hubschraubers herrühren, nicht, so ergibt sich das in Fig. 2 gezeigte Amplitudenband der Breite B, begrenzt durch die fünft­ größte Amplitude und die kleinste Amplitude. B wird mit einer Schwelle verglichen. Ist B kleiner als diese Schwelle, wird auf Hubschrauber erkannt. Die untere mögliche Grenze des Amplitudenbandes ist die Entdeckungs­ schwelle.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß das vorgeschlagene Verfahren zur Unterscheidung von Hubschrauber und Starrflügler sowohl auf schwebende (hovernde) wie auch auf im Trans­ lationsflug befindliche Hubschrauber anwendbar ist.

Fig. 3 zeigt den Aufbau des Signalverarbeitungszuges eines MTD-Radars (MTD = Moving Target Detector) oder eines Pulsdoppler-Radars, innerhalb dessen die Hubschrauberer­ kennung durchgeführt wird.

Den Phasendetektoren Ph1 und Ph2 wird das ZF-Signal zuge­ führt, dort in die Videolage (ZF=0) abgemischt und in den Einzelpuls-Matched Filtern MF gefiltert. In den A/D- Wandlern werden die Inphase (I)- und Quadratur (Q)-Signale abgetastet und anallog-digital-gewandelt. Sie werden der aus N Filtern (hier 14) bestehenden Dopplerfilterbank DF zugeführt. Ihre Ausgangssignale werden zur Hardware- Ersparnis einem einzigen CFAR-Detektor 8 zugeführt, der im Zeitmultiplex alle Filter abarbeitet. Bei Schwellüber­ schreitung wird im Formatierer F ein Filterreport gene­ riert, der unter anderem die Entfernungszelle, die Filter-Nummer und die Filter-Ausgangsamplitude enthält.

Die in F gepufferten Filterreports werden dem Parameter- Extraktor Ex zugeführt. Dieser sucht zur Hubschrauber- Erkennung in jeder Entfernungszelle, ob sich nahezu alle Filter gemeldet haben, z. B. 11 von 14 Einzelfiltern. Wenn ja, berechnet er die Breite B des Amplitudenbandes wie bereits beschrieben und vergleicht die Breite mit einer Schwelle. Bleibt B unter dieser Schwelle, wird auf Hub­ schrauber erkannt und eine entsprechende Meldung Z aus­ gegeben. Die Zahl n der zu unterdrückenden größten Ampli­ tuden der Dopplerfilterbank kann der Radarbediener dem Extraktor per Eingabe vorgeben.

Claims (13)

1. Verfahren zur Entdeckung und Klassifizierung von Hubschrauberzielen mittels einer Radaranlage unter Ver­ wendung einer Doppler-Filterbank mit mehreren Einzel­ filtern zur Festziel- und Bewegtzielerkennung, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten von Schwellwertüber­ schreitungen in der Mehrheit der Einzelfilter die Breite desjenigen Amplitudenbandes der beteiligten Filter er­ mittelt wird, das begrenzt wird durch die Amplitude des größten und des kleinsten Filter-Ausgangssignals, und daß aus der ermittelten Breite des Amplitudenbandes eine Entscheidung über das Vorliegen einer Hubschrauberziel­ meldung abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur bei Schwellwertüberschreitungen in mehr als 75% der Einzelfilter die Breite des Amplitudenbandes ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Ermittlung der Breite des Amplitudenbandes die n größten Amplituden nicht herangezogen werden, wobei n wesentlich kleiner ist als die Gesamtzahl der Einzel­ filter.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß n kleiner ist als 1/3 der Gesamtzahl der Einzelfilter.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß n zwischen Eins und Vier liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Ausgangssignale der Festzielfilter der Filterbank mit gespeicherten Werten für Festziele (Clutter map) verglichen werden und bei Vor­ liegen eines Festziels im Speicher die Ausgangssignale der Festzielfilter nicht zur Ermittlung des Amplitudenbandes herangezogen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Breite des Amplituden­ bandes mit einem vorgebbaren Schwellwert verglichen und bei unterhalb dieses Schwellwerts liegenden Bandbreiten auf das Vorliegen einer Hubschrauberzielmeldung erkannt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einer Zielmeldung nach Maßgabe der ermittelten Breite des Amplitudenbandes ein Wahrschein­ lichkeitswert zugewiesen wird, wobei einem schmalen Ampli­ tudenband ein höherer Wert entspricht als einem breiten Amplitudenband.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wahrscheinlichkeitswert mit einer vorgebbaren Schwelle verglichen und nur für über dieser Schwelle liegende Werte auf das Vorliegen einer Hubschrauberzielmeldung erkannt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei der Ausgabe oder Darstellung der Ziel­ meldung eine Information über den zugewiesenen Wahrschein­ lichkeitswert mit ausgegeben bzw. dargestellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekenn­ zeichnet durch ein zusätzliches Umlaufkorrelationsver­ fahren.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Zielmeldungen aus aufeinanderfolgenden Radarperioden oder aufeinanderfolgenden Blöcken der Dopplerverarbeitung verglichen werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Breite des Ampli­ tudenbandes und die Entscheidung über das Vorliegen eines Hubschrauberziels off-line erfolgen.