DE3722714B3

DE3722714B3 - Pulsdoppler-Radarverfahren

Info

Publication number: DE3722714B3
Application number: DE3722714.9A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Hörmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-07-09
Filing date: 1987-07-09
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2007-07-10

Abstract

Einem Zeitfenster, das die Dauer der Einhüllenden eines Rotorblattechosignals (Einzelblitz) überdeckt, werden sequentiell Abschnitte des empfangenen Echosignalzugs zugeführt, die mit einem nachgebildeten, zeitlich entsprechenden Rotorblatt Echosignalabschnitte kreuzkorreliert werden. Der Vergleich des Kreuzkorrelationsergebnisses mit einer Detektionsschwelle gibt an, ob es sich um ein Rotorblattecho handelt oder nicht. Anschließend kann noch die Periodizität der Rotorechos festgestellt werden. Die Erfindung ist zur raschen Hubschrauberentdeckung samt Klassifizierung vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Pulsdoppler-Radarverfahren mit Maßnahmen zur Hubschrauberentdeckung und -klassifizierung, bei dem die empfangenen Echoimpulssignale nach einer Festzeichenunterdrückung unter Verwendung einer Detektionsschwelle hinsichtlich des Vorliegens solcher Echoimpulssignale untersucht werden, die von Hubschraubern stammen, so daß sich diese Signale gegenüber Signalen abgrenzen lassen, die nicht von Hubschraubern herrühren. Ein solches Radarverfahren ist aus US 4 275 396 bekannt, auf das später noch eingegangen wird.
Die Radar-Echosignalsignaturen von Hubschraubern unterscheiden sich von denen anderer bewegter oder unbewegter Objekte durch eine charakteristische Radarechomodulation.
Während im allgemeinen die durch bewegte Teile (Geschwindigkeitsbereich bis über 200 m/s) erzeugten Frequenzanteile dieser Modulation auch mit üblichen MTI-Radarverfahren zu einer Entdeckung führen, ist eine Klassifikation als Hubschrauber und gegebenenfalls die Erkennung des jeweiligen Hubschraubertyps an die Auswertung spezifischer Eigenschaften des Radarechosignals gebunden.
Da das Radarechosignal eines Hubschraubers in charakteristischer Weise durch die drehenden Teile, nämlich die Rotoren und deren Gestänge, moduliert ist, hängen die Modulationsfrequenzen direkt mit der Blattzahl und der Wellendrehzahl des jeweiligen Rotors zusammen. Die besonders wirksamen Rotorblätter besitzen, entsprechend langen Stabantennen, je nach Radarwellenlänge eine mehr oder weniger scharf gebündelte Richtstrahlcharakteristik, die mit der Rotorwellenfrequenz den Ort des Radargeräts überstreicht und durch die Radarimpulse abgetastet wird. Bei ungerader Blattzahl liefert jedes Blatt je Umdrehung zweimal, bei gerader Blattzahl jedes Blattpaar zweimal ein gebündeltes Echo, also 2a oder a Echos, wenn a die Blattzahl ist.
Der zeitliche Abstand der Echos vom Haupt- und/oder Heckrotor ist ein Unterscheidungsmerkmal, ein weiteres ist die Form und Symmetrie der einzelnen bandbegrenzten Blattechospektren, d.h. ob bezogen auf die Hubschrauberzelle ein unsymmetrisches oder symmetrisches Echospektrum vorliegt.
Der zeitliche Abstand zwischen den Rotorechos ist nur abhängig von der Rotorblattanzahl, der Blattlänge und der Rotordrehzahl und liegt für Hauptrotoren typisch zwischen 25 ms und 90 ms, für Heckrotoren zwischen 4 ms und 20 ms. Da die Blattechos zwar mit hoher Echoamplitude, aber nur für sehr kurze Zeit („Rotorblitz“) und in für eine Entdeckung ungünstig großen Abständen wiederkehren, die Heckrotorechos auch durch die Zelle abgeschattet sein können, muß ein Pulsdopplerradar, das klassifizieren soll, diesen Gegegebenheiten durch entsprechend lange Zielbeleuchtungszeiten (TOT) und eine ausreichend hohe Abtastrate angepaßt werden.
Werden kleinere Zielbeleuchtungszeiten gewählt, so ergibt sich eine geringere Wahrscheinlichkeit, daß der Rotor vom Radar genau zu dem Zeitpunkt abgetastet wird, zu dem er die aufgenommene Energie in der Richtung zum Radargerät kohärent zurückstreuen könnte, d.h. die vom Rotor kommenden Echosignale eine detektierbare Signalleistung aufweisen.
Kumulativ müssen dann mehrere Zielbeleuchtungszeiten bis zur Wiederkehr eines Echos betrachtet werden. Nach der ersten Erfassung eines charakteristischen Echos werden zeitliche Erwartungsräume definiert, die sich aus den nächsten Zielbeleuchtungszeiten ergeben, bei denen gleichzeitig Rotorechos möglich sind.
Im Zusammenhang mit der Hubschrauberklassifikatioon existieren mehrere Lösungsvorschläge. Ein Vorschlag (Deutsche Patentanmeldung P 36 00 827.3) erreicht eine Klassifikation als Hubschrauber durch Zeitbestimmung zwischen Hauptrotorechos, die als Einzelimpulse ohne Struktur definiert sind. Dabei ist die Mindestzielbeleuchtungszeit (TOT) mindestens gleich dem Einzelimpulsabstand. Eine Unterscheidung von Störimpulsen ist nur durch mehrfache Identifikation desselben Pulsechoabstandes möglich.
Ein zweiter Vorschlag ( US 4 389 647 ) besteht in einer Spektralanalyse mit hoher Auflösung und entsprechend langer zusammenhängender Zielbeleuchtungszeit (TOT). Für eine Auflösung der charakteristischen Frequenzen (Blatt und Wellenfrequenzen: einige Hz) sind Zielbeleuchtungszeiten in der Größenordnung von 1 Sekunde erforderlich.
Aus DE 30 02 148 ist ein Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele bekannt, bei dem in einem Korrelator das Echosignal mit den in einer Musterbank gespeicherten Musterfunktionen von Flugobjekten korreliert wird.
Eine andere Lösung ( US 4 275 396 ) erreicht eine Hubschrauberklassifizierung durch Abstandsmessung der Rotorblitze im Zeitbereich, wobei nach einer speziellen Dopplerfilterung Signale ausgewertet werden, die einen bestimmten Schwellwert überschreiten.
Die vorgeschlagenen Verfahren lassen sich mit einer vernünftigen Datenerneuerungsrate bei konventionellen Rundsuchradareinrichtungen nicht vereinbaren.
Aufgabe der Erfindung ist es, Pulsdopplerradarverfahren bekannter und geeigneter Art so zu ergänzen, daß sich eine Entdeckung und Klassifizierung von Hubschraubern mit minimalen Zielbeleuchtungszeiten erreichen läßt.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß aus dem empfangsseitig eintreffenden, von den Festzeichen befreiten Pulsecho-Signalzug aufeinanderfolgende, sich jeweils über einen die Dauer der charakteristischen Einhüllenden eines Rotorblattechosignals (Rotorblitz) des Hubschraubers überdeckenden Zeitfensterbereich erstreckende Signalabschnitte entnommen werden, daß jeweils für die während eines solchen Zeitfensterbereichs auftretenden Echoimpulse eines Signalabschnitts mit einem zeitlich entsprechenden Signalabschnitt eines nachgebildeten Rotorblattechosignals eine Kreuzkorrelation vorgenommen wird, und daß nach einem Vergleich des jeweils vorliegenden Kreuzkorrelationsergebnisses mit der vom lokalen Rauschmittelwert abhängigen Detektionsschwelle entschieden wird, ob es sich beim jeweils aufgetretenen Signalabschnitt um ein Rotorblattechosignal handelt oder nicht.
Nach der Erfindung werden demnach geeignete Radars durch ein Signalverarbeitungsverfahren so ergänzt, daß bei minimaler Zielbeleuchtungszeit (TOT) mit jeder Echoblitzentdeckung zunächst eine Klassifikation des Ziels als Hubschrauber anfällt.
Die Verifikation und die Klassifikation des Hubschraubertyps erfolgt in zweckmäßiger Weise mit einer Blitzabstandsmessung im Zeitbereich. Der Einzelblitzdetektor unterscheidet zwischen Störimpulsen und Rotorechos anhand der charakteristischen Form und Dauer der Einzelblitze. Hauptrotorechos und Heckrotorechos - unterschieden durch die enthaltenen Modulationsfrequenzen, ihre Echoform und -länge - werden im Zeitbereich für die Blitzabstandsmessung getrennt verarbeitet.
Nach einer Abschätzung des zeitlichen Rotorechoabstandes läßt sich der mittlere Blitzabstand nach mehreren beobachteten Blitzen auch dann z.B. nach einem Prädiktor-Korrektor-Verfahren errechnen, wenn Blitze in einzelnen Erwartungsfenstern nicht entdeckt werden konnten.
Ein Zuverlässigkeitskriterium (Varianz) kann angegeben werden.
Es wird sowohl das Hauptrotorecho als auch das Heckrotorecho ausgewertet, das bei Beleuchtung der Rotationsebene von der Rotationsachse her nur amplitudenmoduliert, unter allen anderen Aspektwinkeln auch phasenmoduliert ist und zwar mit maximaler Phasenmodulation bei Beleuchten des Hubschraubers in der Rotationsebene des Heckrotors.
Die Amplitudenmodulation, verursacht durch den Heckrotor, ist nach Abspaltung durch ein Tiefpaß-Filter passender Grenzfrequenz über eine Korrelation auf aufeinanderfolgende Echos untersuchbar, in Analogie zum Blitzdetektor für den Hauptrotor. Der phasenmodulierte Anteil wird behandelt wie derjenige des Hauptrotors.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren erläutert. Es zeigen

1 die Zeitfunktion der Einhüllenden eines beispielsweise empfangenen Signalzuges,
2 die Zeitfunktion eines nachgebildeten Rotorblattechosignals (Replica) eines Hubschraubers, das zur Korrelation benutzt wird,
3 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung in Blockschaltbildform.

In 1 ist ein Beispiel einer Zeitfunktion der Einhüllenden eines empfangenen Signalzuges dargestellt. Dabei bildet T die Dauer eines Zeitfensterbereiches, der über das eintreffende Signal geschoben wird. Δt ist derjenige Zeitbereich, während dem in diesem Beispiel Echoimpulse eines Rotorblitzes mit nennenswerter Leistung einfallen.
In 2 ist ein Beispiel einer Zeitfunktion eines nachgebildeten Rotorblattechosignals eines Hubschraubers dargestellt. Diese Zeitfunktion gilt für den Zeitfensterbereich T und dient zur Korrelation mit dem jeweils während des Zeitfensterbereichs T vorliegenden Ausschnitt des empfangenen Signalzuges. Die Korrelationslänge kann bis auf den Zeitabschnitt Δt eingeschränkt werden, d.h. die Rotorechodauer zwischen den ersten Nullstellen der Rotorechocharakteristik. Die Funktion im Zeitabschnitt Δt entspricht im Beispiel etwa der Funktion sin x/x.
Das Verfahren nach der Erfindung wird anhand einer zu dessen Durchführung vorgesehenen, in 3 schematisch dargestellten Anordnung im folgenden noch genauer erläutert.
Die empfangenen Echoimpulssignale werden über zwei Quadraturkanäle I, Q einer Einrichtung 1 zur Festzeichenunterdrückung (MTI) zugeführt. Die Ausgangssignale nach der Festzeichenunterdrückung, oberhalb und unterhalb der MTI-Grenzfrequenz, werden wie folgt verarbeitet.
Zur Verbesserung des Signal-Rauschabstandes und zur Unterdrückung nicht zu Rotorechos passender Echoformen wird zwischen aufeinanderfolgenden, sich zeitlich überlappenden Ausschnitten des empfangenen Signalzuges und dem zeitlichen Ausschnitt eines nachgebildeten Rotorechos (Replica) zunächst mittels eines AM-Detektors 2 eine Kreuzkorrelation durchgeführt. Dabei kann auch gegebenenfalls zwischen Haupt- und Heckrotorechosignalen unterschieden werden. Diese Korrelation wird für beide Quadraturkanäle I, Q bei komplexer Verarbeitung durchgeführt.
Nach passender Weiterverarbeitung, z.B. Summation der Quadraturkanäle, Betragsbildung und Spitzenwertdetektion der Rotorecho-Kreuzkorrelationsfunktion mit einer vom lokalen Rauschmittelwert abhängigen Schwelle in einem Schwellwertdetektor 3, kann unter besonderer Ausbildung dieses Detektors 3 die charakteristische Periode der Rotorechos geschätzt und mit bekannten Periodizitätsdaten von unterschiedlichen Hubschraubertypen verglichen werden.
Nach einer Erstdetektion lassen sich Erwartungsräume für mögliche Echoabstände auf wiederkehrende Echos bei verringerter Detektionsschwelle absuchen. Die Veränderung der Detektionsschwelle wird vorteilhaft abhängig vom Signal-Rauschabstand gemacht. Dem Detektor 3 folgt ein Kennzeichengenerator 4, mit dem sich das als Hubschrauber identifizierte Ziel mit einer Information über die gerade oder ungerade Blattzahl sowie gegebenenfalls über den Typ kennzeichnen läßt.

Claims

Pulsdoppler-Radarverfahren mit Maßnahmen zur Hubschrauberentdeckung und -klassifizierung, bei dem die empfangenen Echoimpulssignale nach einer Festzeichenunterdrückung unter Verwendung einer Detektionsschwelle hinsichtlich des Vorliegens solcher Echoimpulssignale untersucht werden, die von Hubschraubern stammen, so daß sich diese Signale gegenüber Signalen abgrenzen lassen, die nicht von Hubschraubern herrühren, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem empfangsseitig eintreffenden, von den Festzeichen befreiten Pulsecho-Signalzug aufeinanderfolgende, sich jeweils über einen die Dauer der charakteristischen Einhüllenden eines Rotorblattechosignals (Rotorblitz) des Hubschraubers überdeckenden Zeitfensterbereich erstreckende Signalabschnitte entnommen werden, daß jeweils für die während eines solchen Zeitfensterbereichs auftretenden Echoimpulse eines Signalabschnitts mit einem zeitlich entsprechenden Signalabschnitt eines nachgebildeten Rotorblattechosignals eine Kreuzkorrelation vorgenommen wird, und daß nach einem Vergleich des jeweils vorliegenden Kreuzkorrelationsergebnisses mit der vom lokalen Rauschmittelwert abhängigen Detektionsschwelle entschieden wird, ob es sich beim jeweils aufgetretenen Signalabschnitt um ein Rotorblattechosignal handelt oder nicht.
Pulsdoppler-Radarverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Detektion die charakteristische Periode der Rotorblattechosignale festgestellt und mit diesbezüglich bekannten Hubschrauberdaten verglichen wird.
Pulsdoppler-Radarverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an eine Erstdetektion Erwartungsräume für mögliche Echoabstände auf wiederkehrende Echosignale bei verringerter Detektionsschwelle abgesucht werden.
Pulsdoppler-Radarverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Detektionsschwelle vom Signal-Rauschabstand abhängig gemacht wird.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangenen Echoimpulssignale über zwei Quadraturkanäle (I, Q) einer Einrichtung (1) zur Festzeichenunterdrückung und Aufspaltung in hoch- und niederfrequente Anteile zugeführt sind, der zur Kreuzkorrelationserzeugung über einen Eingang ein AM-Detektor (2) nachgeschaltet ist, an dessen zweitem Eingang als Replika zumindest ein zur Kreuzkorrelationsbildung erforderliches, nachgebildetes Rotorblattechosignal ansteht, und daß dem AM-Detektor ein hinsichtlich seines Schwellenwerts vom lokalen Rauschmittelwert abhängiger Schwellenwertdetektor (3) folgt, dem das Kreuzkorrelationsergebnis eingegeben und dem bei Überschreiten des Detektionsschwellwerts ein das Vorliegen eines Hubschrauber angebendes Signal entnommen wird.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Schwellwertdetektor (3) eine Einrichtung zur Rotorblitzzeitabstandsmessung vorgesehen ist und daß in diesem Detektor zur Verifikation und Klassifikation des jeweils vorliegenden Hubschraubertyps eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, in welcher die gemessenen Zeitabstände mit den speziellen charakteristischen Periodizitäten unterschiedlicher Hubschraubertypen verglichen werden.
Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwellenwertdetektor (3) ein Kennzeichengenerator (4) nachgeschaltet ist.