DE3622186A1 - Radar mit synthetischer apertur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Radar mit synthetischer Apertur (synthetic aperture radar SAR) und entstand im Hinblick auf zwei besondere Probleme. Das erste Problem besteht darin, daß ein übliches SAR ein Ziel, dessen Geschwindigkeit relativ zum Radar sich außer­ halb des Relativgeschwindigkeitsbereiches stationärer Ziele relativ zu dem Radar befindet, die durch den Realstrahl beleuchtet werden, nicht erfassen kann. In der Praxis bedeutet das, daß ein Radar möglicher­ weise nicht auf Ziele mit einer Radialgeschwindigkeit von mehr als beispielsweise 1 m/s anspricht. Das zweite Problem besteht darin, daß das übliche Radar annimmt, daß alle Ziele stationär sind, und aufgrund dieser Annahme Ziele, die sich langsam genug zur Erfassung bewegen, mit einer unrichtigen Breitseitenlage, d. h. einer unrichtigen Stellung in Bewegungsrichtung des Radars angezeigt werden.

Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen Dopplerfrequenz und Zeit für den Teil eines Signals, das von einem stationären Ziel breitseitig zum Zeitpunkt t_o erhalten wurde, wenn es während des Zeitraumes T durch einen realen Radarstrahl überstrichen wurde. Die Verarbei­ tung für synthetische Apertur summiert Phasen- und Amplituden-gewichtete Abtastwerte des Signals, das während der Zeit von -t₁ bis +t₁ empfangen wurde, um ein synthetisiertes Ansprechsignal zum Zeitpunkt t_o zu erhalten, das in üblichen Systemen als von einem Ziel, seitlich zum Zeitpunkt t_o kommend, angesehen wird.

Ein sich langsam bewegendes Ziel, das sich breitseitig zum Zeitpunkt A befindet mit einer Dopplerfrequenz fA, besitzt, wie in Fig. 1 gezeigt, die gleichen Charakteristiken, und ist deswegen nicht von einem seitab liegenden Ziel zu unterscheiden. Ein sich schneller bewegendes Ziel B mit einer Dopplerfrequenz fB, das auch die gleichen Charakteristiken besitzt, wird überhaupt nicht erfaßt, da das Ziel zum Zeitpunkt t_o, wenn der Prozessor an die Charakteristiken des Zieles angepaßt ist, sich nicht innerhalb des realen Radarstrahles befindet.

Die Erfindung schafft ein Radar mit synthetischer Apertur mit einer Anzahl von Verarbeitungskanälen für synthetische Apertur, die an unterschiedliche Ziel-Dopplerfrequenzen angepaßt sind.

Ein an eine Dopplerfrequenz fp angepaßter Verarbeitungs­ kanal ergibt eine Erfassung für irgendein Ziel mit einer Dopplerfrequenz zwischen den Werten fp ± Vp R/λ, wobei Vp die Plattform-Quergeschwindigkeit, R die reale Strahlbreite und λ die Wellenlänge ist. Erfin­ dungsgemäß vorgesehene Kanäle, die gleichmäßig mit Ab­ ständen von 2Vp R/λ über das Dopplerband verteilt sind, er­ geben so eine volle Überdeckung und beseitigen das erste angesprochene Problem. Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen Dopplerfrequenz und Zeit für drei Ziele in Seitensicht zum Zeitpunkt t_o mit Dopplerfrequenzen fP1, fP2 und fP3. Diese Figur zeigt, daß an diese Frequenzen angepaßte Verarbeitungs­ kanäle eine volle Überdeckung über das dargestellte Band er­ geben.

Jeder Verarbeitungskanal entspricht in seiner Komplexheit einem weiteren SAR-Prozessor, und um den wahrscheinlichen Dopplerbereich zu überdecken, ist eine Anzahl von etwa dreißig Kanälen erforderlich. Eine dreißigfache Erhöhung der Verarbeitungseinrichtungen macht jedoch ein SAR hoher Auflösung unmöglich. Jedoch ist die an die Erfassung sich bewegender Ziele mit relativ hohen Radialgeschwindigkeiten, die deswegen nicht mit Echos von stationären Hintergrund­ einzelheiten verbunden sind, angemessene Auflösung geringer, als sie für übliche SAR-Verarbeitung erforderlich ist. Tatsächlich ist eine geringere Auflösung für solche sich schneller bewegende Ziele wichtig, da diese sonst nicht innerhalb der SAR-Auflösungszelle während der Integra­ tionszeit für synthetische Apertur verbleiben. Es wird deswegen vorgeschlagen, die erwähnten Ziele mit höherer Radialgeschwindigkeit durch die Erfindung, wie sie vor­ stehend definiert wurde, dadurch zu erfassen, daß ein Betrieb mit gröberer Auflösung verwendet wird, während der Betrieb mit üblicher hoher Auflösung für die Erfas­ sung von Zielen beibehalten wird, die entweder stationär sind oder eine kleine Radialkomponente der Geschwindig­ keit besitzen. Hohe Auflösung ist wichtig für die Erfas­ sung von Zielen, die mit Hintergrundechos verbunden sind, um den Kontrast Ziel zu Hintergrund so groß wie möglich zu halten.

Das zweite Problem, nämlich die unrichtige Breitseiten­ stellung von Zielen, deren Dopplerfrequenz nicht der Ver­ arbeitung angepaßt ist, tritt bei allen Verarbeitungs­ kanälen auf. Die Unsicherheit in Breitseitenstellung ist gleich der realen Azimuth-Strahlbreite. In gleicher Weise besteht eine Unsicherheit der Dopplerfrequenz von ± Vp R/λ.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung löst die Breitseitenstellung und die Dopplerfrequenz eines er­ faßten Zieles genauer auf durch die Einführung zusätz­ licher Verarbeitungsmöglichkeit und Mitteln, die auf die Erfassung in irgendeinem der erwähnten Kanäle ansprechen, um die zusätzliche Verarbeitungseinrichtung zur Bildung weiterer Verarbeitungskanäle für synthetische Apertur zu veranlassen, die an mit Abstand innerhalb des Kanals, in dem die Erfassung stattfand, angeordnete Frequenzen ange­ paßt sind.

Die Verwendung der bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung ergibt eine Anzahl von Erfassungen in jeweiligen Ka­ nälen mit Abstand während der Beleuchtungszeit des Zieles durch den Realstrahl. Die Unsicherheit der Breitseiten­ stellung wird reduziert auf die halbe Zeit zwischen den Erfassungen und die Unsicherheit der Dopplerfrequenz auf den halben Frequenzabstand zwischen den Kanälen. Fig. 3 zeigt die Frequenz- und Zeit-Erfassungen, die zu den Zeit­ punkten t₁, t₂, t₃ und t₄ in den unterschiedlichen Kanälen auftreten, die an jeweilige Dopplerfrequenzen fA, fB, fC bzw. fD angepaßt sind. Die beste Annäherung an den Zeit­ punkt, wenn das Ziel sich breitseits befindet, ist T_Mittel, d. h. der Mittelwert aus den Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ und t₄. Tatsächlich ist es nur nötig, die Erfassungszeiten t₁ und t₄ zu benutzen, um die optimale Genauigkeit der Breitseiten­ stellung zu erhalten. In gleicher Weise ist die beste An­ näherung der Dopplerfrequenz f_Mittel, d. h. der Durchschnitts­ wert der Frequenzen fA, fB, fC und fD, die mit diesen Kanälen verbunden sind, in welchen die Erfassungen auftreten.

Die Beschränkung dieser weiteren Verarbeitungsfähigkeit auf Kanäle, innerhalb deren ein Ziel erfaßt wurde, be­ grenzt die Anforderung an Verarbeitung auf ein Vielfaches der Anzahl von Zielen statt auf die Anzahl der Auflösungs­ zellen. Das wird auf Kosten des Speicherns von Radar-Abtast­ werten über die gesamte reale Strahlbreite statt der synthe­ tisierten Strahlbreite erreicht.

Eine Berechnung der Verarbeitungs-Erfordernisse für einen bestimmten Fall zeigt an, daß eine volle Überdeckung sich bewegender Ziele und Genauigkeitsverbesserung mit den Kosten einer zwei- bis dreifachen Erhöhung der Bearbeitungs- Erfordernisse gegenüber einem nur auf stationäre Ziele an­ gepaßten üblichen SAR erreicht werden kann.

Die Neigung der Zeit/Dopplerfrequenz-Kennlinien ist ein Maß für die Geschwindigkeit der Ziele in Breitseiten­ richtung. In Kombination mit der aus der vorerwähnten Messung der Dopplerfrequenz erhaltenen Radialgeschwin­ digkeit ist es so möglich, die Absolutgeschwindigkeit und die Bahn des Zieles erforderlichenfalls abzuleiten.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun beispiels­ weise mit Bezug auf Fig. 4 der Zeichnung näher erläu­ tert, in der ein Prinzipschaltbild eines erfindungsge­ mäß aufgebauten Radars gezeigt ist, das an einer in der Luft befindlichen Plattform angebracht ist, die sich re­ lativ zur Erdoberfläche bewegt.

Nach Fig. 4 erzeugt ein Sender 1 kurze und lange Impulse, die in ihrer Bereichsauflösung jeweils 3 m bzw. 36 m ent­ sprechen. Die kurzen und langen Impulse werden abwechselnd erzeugt, wobei ausreichend Zeit nach jedem Impuls bleibt, um Echos von der gerade untersuchten Abtastzeile zu empfan­ gen, bevor der nächste Impuls ausgesendet wird.

Die Impulse werden über einen Duplexer 2 und eine Antenne 3 ausgesendet und nach Reflexion von der gerade untersuchten Zeile in einem Empfänger 4 empfangen, der dazu ausgelegt ist, die langen bzw. kurzen Impulse zu verarbeiten und zwei je­ weilige Ausgangssignale an die Leitungen 5 bzw. 6 abzugeben.

Digitalisierte Abtastwerte des empfangenen Signales an Lei­ tung 5 werden über die gesamte Beleuchtungszeit einer Stelle an der Erdoberfläche durch den Realstrahl gespeichert (bei 7). Diese Beleuchtungszeit ist die in Fig. 1 mit T bezeichnete Zeit. Ein üblicher SAR-Prozessor 8 erzeugt aus dem gespeicher­ ten Signal Ausgangssignale mit hoher Auflösung (in diesem Falle 3 m × 3 m). Diese Ausgangssignale werden einem Schwell­ wert-Erfassungsgerät 9 zugeführt, das bei Empfang einer Erfassung beispielsweise zum Zeitpunkt t_o (Fig. 1) ein Auslesegerät 10 aus dem Speicher 7 das während des Zeit­ raumes T empfangene digitalisierte Radarsignal für das Bereichstor auslesen läßt, in welchem die Erfassung beobachtet wurde (in Fig. 1). Diese Signale werden einem Prozessor 11 zugeleitet, der zur Ausführung einer Anzahl von Apertur-Synthetisierungs-Vorgängen programmiert ist, wie sie beispielsweise schematisch mit 11A gezeigt sind, die an Frequenzen wie die in Fig. 3 gezeigten Fre­ quenzen fA, fB, fC und fD angepaßt sind, über einem Be­ reich von Dopplerfrequenzen ± Vp R/λ. Eine Rechnerein­ richtung 12 errechnet aus den Erfassungszeitpunkten in den verschiedenen Kanälen 11A, 11B usw. die Werte f_Mittel, T_Mittel und die Steigung, wie es vorher mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wurde. Dadurch wird die Stellung und die Geschwindigkeit der erfaßten Ziele erhalten, und diese Information wird über Leitung 13 einer Anzeige 14 zugeführt. Auf diese Weise werden Ziele, die stationär oder langsam bewegt sind, in Verbindung mit Boden-Reflexionen mit redu­ zierter Ungenauigkeit der Stellung und Geschwindigkeit erfaßt im Vergleich zu üblichen Verfahren.

Digitalisierte Abtastwerte an Leitung 6, die von den lan­ gen Impulsen abgeleitet wurden, werden in einem Speicher 27 gespeichert und in SAR-Prozessoren 15, 16 usw. verar­ beitet, die an Frequenzen fP1, fP2 usw. angepaßt sind und von Zielen unterschiedlicher Radialfrequenzen entsprechend Fig. 2 kommen. Diese Prozessoren erzeugen Ausgangssignale mit geringerer Auflösung (in diesem Beispiel 36 m). Diese Ausgangssignale werden an Schwellwertdetektoren 17, 18 usw. angelegt, von denen jeder beim Empfang einer Erfassung eine Schnittstelleneinrichtung 19 dazu veranlaßt, ein Auslesegerät 20 zum Auslesen der digitalisierten Radar­ signale aus dem Speicher 27 zu instruieren, die während des Zeitintervalls T empfangen wurden, für das Bereichstor, in dem die Erfassung beobachtet wurde. Die Schnittstellen­ logik 19 gibt einem Prozessor 21 die Identität des Kanals 15, 16 usw. an, in welchem eine Erfassung beobachtet wurde. Der Prozessor 21 ist so programmiert, daß er eine Anzahl von Apertur-Synthetisierungs-Funktionen 21A ausführt, die an Frequenzen wie fA, fB, fC bzw. fD (Fig. 3) angepaßt sind, über einen Dopplerfrequenzbereich fp ± Vp R/λ, wobei fp die Frequenz des Kanals ist, in dem die Erfassung stattfand und die an Leitung 19A identifiziert wurde.

In der Praxis muß eine Anzahl von Erfassungen gleichzeitig verarbeitet werden, und so müssen die Komponenten 11 und 21 ausreichend Berechnungsmöglichkeit für diesen Zweck enthalten. Das Ausgangssignal des Prozessors 21 wird in einem Rechner 22 bearbeitet in gleicher Weise wie die Verarbeitung durch den Rechner 12, und so werden an Leitung 23 der Anzeige 14 die Stellungen und Geschwindig­ keiten der erfaßten Ziele zugeleitet. Auf diese Weise wer­ den Ziele, die, weil sie sich relativ schnell in Radial­ richtung bewegen, nicht an Leitung 13 angezeigt werden, trotzdem an der Anzeige 14 angezeigt.

Bei dieser besonderen Ausführung der Erfindung wird ein zusätzlicher Prozessor 24 benutzt. Dieser führt die üb­ liche SAR-Verarbeitung aus, jedoch mit einer relativ ge­ ringen Auflösung von 36 m, um eine grobe Darstellung des Hintergrundes zu schaffen. Diese Darstellung wird bei 25 mit Daten eines Speichers 26 korreliert, und insbesondere mit einem Teil dieses Speichers, der eine Landkarte 26A niedriger Auflösung enthält. Diese Landkarte 26A stellt einen relativ großen Bereich des Bodens dar, wobei über einen bestimmten Teil desselben die gegenwärtige Stel­ lung des Luftfahrzeugs angenommen werden kann. Das Aus­ gangssignal des Korrelators 25 zeigt die gegenwärtige Stellung des das Radar tragenden Luftfahrzeuges an, und diese Stellungsinformation wird benutzt, um den entsprechenden Teil einer detaillierten Landkarte 26B des gleichen Bodenbereiches auszulesen. Diese Informa­ tion wird ebenfalls bei 14 angezeigt, und dort über die über die Leitungen 13 und 23 zugeführten Ziele überlagert. Der Speicher 26 kann sich im Luftfahrzeug befinden, wird je­ doch bevorzugterweise am Boden untergebracht und mit dem Luftfahrzeug durch einen entsprechenden Nachrichten­ kanal verbunden. Bei einer weiteren Ausführung der Erfin­ dung kann die Landkarte 26A niedriger Auflösung weggelas­ sen werden. Bei einer solchen Anordnung wird jedes Halb­ bild der Videoinformation aus den Ausgangssignalen der Schaltung 24 im Korrelator 25 nacheinander mit unter­ schiedlichen Teilen der Landkarte 26B verglichen. Der Teil, der die beste Korrelation ergibt, wird dann zur Anzeige 14 ausgelesen.

Claims (6)

1. Radar mit synthetischer Apertur, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Verarbeitungskanälen (15, 16, 24) für synthetische Apertur, die an unterschiedliche Ziel-Dopplerfrequenzen angepaßt sind.

2. Radar nach Anspruch 1, das an einer sich mit einer Geschwindigkeit Vp bewegenden Plattform angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (15, 16, 24) an unterschiedliche Frequenzen mit einem Abstand von nicht mehr als 2 Vp R/λ, angepaßt sind, wobei Vp die Quer-Plattformgeschwindigkeit,
R die reale Strahlbreite und
λ die Wellenlänge der Radarsignale ist.

3. Radar nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zweiten Verarbeitungskanal (11) für synthetische Apertur mit einer höheren Auflösung als die ersterwähn­ ten Kanäle, der an stationäre Ziele angepaßt und aus­ gelegt ist, ein Ausgangssignal höherer räumlicher Auf­ lösung in Bewegungsrichtung des Radars zu ergeben, als es sich durch irgendeinen der ersterwähnten Kanäle geringerer Auflösung ergibt.

4. Radar nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Sender (1), der lange und kurze Impulse aussendet und bei dem die ersterwähnten Kanäle ausgelegt sind, auf Echos der langen Impulse anzusprechen, und der zweite Kanal höherer Auflösung angepaßt ist, auf Echos der kurzen Impulse anzusprechen.

5. Radar nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal (24) der Kanäle an eine Dopplerfrequenz angepaßt ist, die für stationäre Ziele zutrifft, und Korreliermittel (25) enthält, das zum Korrelieren des Aus­ gangssignales dieses Kanales mit dem Inhalt von Speicher­ mitteln (26) angeschlossen ist, welche eine Aufzeichnung des Geländes definieren, um so ein Ausgangssignal zu er­ geben, das die gegenwärtige Stellung des Radars relativ zu dem Gelände identifiziert, und daß Anzeigemittel (14) vorgesehen sind zum Anzeigen des so identifizierten Teils des Geländes aus Information in den weiteren Speichermitteln zusammen mit den durch das Radar er­ faßten Zielen.

6. Radar nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine zusätzliche Prozessor-Einrichtung (21) und auf eine Erfassung in irgendeinem der Kanäle ansprechende Mittel (19), um die Einrichtung zur Bildung weiterer Verarbeitungskanäle für synthetische Apertur zu veranlassen, die an in dem Kanal, in dem die Erfassung stattfand, beabstandete Frequenzen an­ gepaßt sind.