DE3722716B3 - Pulsdopller radar method - Google Patents
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Abstract
Einem Zeitfenster, das die Dauer der Einhüllenden eines Rotorblattechosignals (Einzelblitz) überdeckt, werden sequentiell Abschnitte des empfangenen Echosignalzugs zugeführt, die zum einen mit einem nachgebilideten, zeitlich entsprechenden Rotorblatt-Echosignalabschnitt kreuzkorreliert und zum anderen hinsichtlich des jeweils vorliegenden Frequenzspektrums untersucht werden. Der Vergleich des Kreuzkorrelationsergebnisses mit einer Detektionsschwelle gibt an, ob es sich um ein Rotorblattecho handelt oder nicht. Nach Bildung der Einhüllenden des jeweiligen Frequenzspektrums erfolgt aufgrund des Bekanntseins charakteristischer Rotorblattechospektren eine Feststellung, ob es sich um das Spektrum eines Hubschrauberrotors handelt, und eine Klassifikation bezüglich der gerad-oder ungeradzahligen Blattzahl des Rotors. Anschließend kann noch die Periodizität der Rotorechos festgestellt werden. Die Erfindung ist zur raschen Hubschrauberentdeckung samt Klassifizierung vorgesehen, wobei eine hohe Falschalarmfestigkeit bei gutem kumulativen Entdeckungs- und Klassifizierungsverhalten erreicht wird. A time window covering the duration of the envelopes of a rotor blade echo signal (single flash) is sequentially supplied with sections of the received echo signal train, which are firstly cross-correlated with a post-subdued, correspondingly timed rotor blade echo signal section and examined on the other hand with regard to the respectively present frequency spectrum. The comparison of the cross-correlation result with a detection threshold indicates whether or not it is a rotor blade echo. After formation of the envelope of the respective frequency spectrum, a recognition of whether it is the spectrum of a helicopter rotor and a classification with respect to the even or odd number of blades of the rotor takes place due to the knowledge of characteristic rotor blade echo spectra. Subsequently, the periodicity of the rotor echoes can be determined. The invention is intended for rapid detection of helicopters, including classification, whereby a high false alarm strength is achieved with good cumulative detection and classification behavior.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Pulsdoppler-Radarverfahren mit Maßnahmen zur Hubschrauberentdeckung und -klassifikation, 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 unter zusätzlicher Unterscheidung hinsichtlich Herkunft von Hubsschraubern mit gerad-oder ungeradzahliger Rotorblattanzahl gegenüber Signalen abgrenzen lassen, die nicht von Hubschraubern herrühren. Ein solches Radarverfahren ist aus
Die Radar-Echosignalsignaturen von Hubschraubern unterscheiden sich von denen anderer bewegter oder unbewegter Objekte durch eine charakteristische Radarechomodulation.The radar echo signal signatures of helicopters differ from those of other moving or stationary objects by a characteristic 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.While in general the frequency components of this modulation produced by moving parts (speed range up to more than 200 m / s) also lead to a discovery with conventional MTI radar methods, a helicopter classification and possibly the recognition of the respective helicopter type is based on the evaluation of specific characteristics of the radar echo signal bound.
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.Since the radar echo signal of a helicopter is characteristically modulated by the rotating parts, namely the rotors and their linkages, the modulation frequencies are directly related to the number of blades and the shaft speed of the respective rotor. Depending on the radar wavelength, the particularly effective rotor blades have a more or less sharply focused directional beam characteristic, which sweeps over the location of the radar device with the rotor shaft frequency and is scanned by the radar pulses, corresponding to long rod antennas. If the number of sheets is odd, each sheet delivers twice per turn. If the number of sheets is even, each pair of sheets delivers a bundled echo twice, or 2a or a echo if a is the number of sheets.
Der zeitliche Abstand der Echos vom Haupt- und/oder Heckrotor ist ein Unterscheidungsmerkmal,ein weiteres ist die Form und Symmetrie der einzelnen Blattechospektren, d.h. ob bezogen auf die Hubschrauberzelle ein unsymmetrisches oder symmetrisches Echospektrum vorliegt.The time interval of the echoes from the main and / or tail rotor is a distinguishing feature, another is the shape and symmetry of the individual sheet echo spectra, i. E. whether an asymmetrical or symmetrical echo spectrum is present relative to the helicopter cell.
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.The time interval between the rotor echoes is only dependent on the number of rotor blades, the blade length and the rotor speed and is typically between 25 ms and 90 ms for main rotors, and between 4 ms and 20 ms for tail rotors. Since the sheet echoes recur with high echo amplitude, but only for a very short time ("rotor flash") and unfavorably large distances for detection, the tail rotor echoes may also be shadowed by the cell, a pulse Doppler radar to classify must pass through these conditions correspondingly long target illumination times (TOT) and a sufficiently high sampling rate are adapted.
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.If smaller target illumination times are chosen, the likelihood that the rotor will be scanned by the radar at precisely the time when it would coherently backscatter the energy absorbed in the direction of the radar, that is, is less likely. the echo signals coming from the rotor have a detectable signal power.
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.Cumulatively then several target lighting times must be considered until the return of an echo. After the first detection of a characteristic echo, temporal expectation spaces are defined, which result from the next target illumination times at which rotor echoes are possible at the same time.
Im Zusammenhang mit der Hubschrauberklassifikation 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.There are several suggested solutions in connection with helicopter classification. A proposal (German Patent Application P 36 00 827.3) reaches a classification as a helicopter by time determination between main rotor echoes, which are defined as individual pulses without structure. The minimum target illumination time (TOT) is at least equal to the single pulse distance. A distinction of interference pulses is possible only by multiple identification of the same pulse echo distance.
Andere Vorschläge bestehen in einer Spektralanalyse mit hoher Auflösung und entsprechend langer zusammenhängender Zielbeleuchtungszeit (T0T). Für eine Auflösung der charakteristischen Frequenzen (Blatt und Wellenfrequenzen: einige Hz) sind Zielbeleuchtungszeiten in der Größenordnung von 1 Sekunde erforderlich.Other proposals include spectral analysis with high resolution and correspondingly long continuous target illumination time (T0T). For a resolution of the characteristic frequencies (leaf and wave frequencies: a few Hz) target illumination times of the order of 1 second are required.
Ein anderer Vorschlag (
Aus
Die vorgeschlagenen Verfahren lassen sich mit einer vernünftigen Datenerneuerungsrate bei konventionellen Rundsuchradareinrichtungen nicht vereinbaren. The proposed methods can not be reconciled with a reasonable data renewal rate with conventional circular search radars.
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. Dabei soll eine hohe Aussagesicherheit erzielt werden.The object of the invention is to supplement Pulsdopplerradarverfahren known and suitable type so that a discovery and classification of helicopters can be achieved with minimal target illumination times. In this case, a high level of assurance is to be achieved.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabedadurch gelöst, daß aus dem empfangsseitig eintreffenden, von Festzeichen befreiten Pulsecho-Signalzug aufeinanderfolgende, sich jeweils über einen ersten und einen zweiten Zeitfensterbereich, die die Dauer der charakteristischen Einhüllenden eines Rotorblattechosignals (Rotorblitz) des Hubschraubers überdecken, erstreckende Signalabschnitte entnommen werden, daß zum einen jeweils für die während des ersten Zeitfensterbereichs auftretenden N1 Echoimpuls eines Signalabschnitts mit einem zeitlich entsprechenden Signalabschnitt eines nachgebildeten Rotorblattechosignals eine Kreuzkorrelation vorgenommen und 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, daß zum anderen jeweils für die während des zweiten Zeitfensterbereiches auftretenden N2 Echoimpulse eine Spektralanalyse vorgenommen wird und daß aus der Einhüllenden des sich für den jeweiligen zweiten Zeitfensterbereich ergebenden Frequenzspektrums Mittelwerte gebildet und dann untersucht werden, wobei der Abstand dieser Mittelwerte, einzeln und integral, bezogen auf den Rauschmittelwert der gleichen Radarauflösungszelle und/oder von Nachbarzellen, und die Änderung dieser Mittelwerte zur Unterscheidung der gesuchten charakteristischen Hubschrauberspektren von Spektren anderer Zielklassen und zur Unterscheidung zwischen Spektren herangezogen wird, die von Hubschraubern mit einer geradzahligen oder aber von solchen mit einer ungeradzahligen Anzahl von Rotorblättern stammen.According to the invention, this object is achieved by extracting from the receiving side arriving, freed of fixed signal Pulsecho signal train successive, each extending over a first and a second time window area, which cover the duration of the characteristic envelope of a rotor blade echo signal (rotor flash) of the helicopter, extending signal sections be that on the one hand for each occurring during the first time window range N1 echo pulse of a signal section with a temporally corresponding signal portion of a simulated rotor blade echo signal cross-correlation and after a comparison of the respective present cross-correlation result with the local noise mean value dependent detection threshold is decided whether it is each occurred signal portion is a rotor blade echo signal or not, on the other hand for each during the second time window area a A spectrum analysis is performed on the N2 echo pulses and that envelopes of the frequency spectrum resulting for the respective second time window range are averaged and then examined, the distance of these mean values, individually and integrally, based on the noise average of the same radar resolution cell and / or neighboring cells and that the change in these averages is used to distinguish the desired characteristic helicopter spectra from spectra of other target classes and to discriminate between spectra originating from helicopters with an even number or that with an odd number of rotor blades.
Der Zeitfensterbereich
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht somit darin, geeignete Radars durch eine Kombination von Signalverarbeitungsverfahren so zu ergänzen, daß bei minimaler Zielbeleuchtungszeit (TOT) mit jeder Echoblitzentdeckung zunächst eine Klassifikation anfällt, die aufgrund der Einzelblitzverarbeitung im Spektralbereich auch noch die Aussage liefert, ob es sich um einen Hubschrauber mit gerad- oder ungeradzahliger Rotorblattzahl handelt. Die Verifikation und die Klassifikation des Hubschraubertyps erfolgt mit einer Blitzabstandsmessung im Zeitbereich. Der Einzelblitzdetektor nach der Erfindung 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. Einzelblitzdetektion und grundsätzlich auch die Blitzabstandsbestimmung im Zeit- wie Frequenzbereich sind redundant. Die Verknüpfung ergibt die erhöhte Aussagesicherheit.The essential idea of the invention is thus to supplement suitable radars by a combination of signal processing methods such that with minimum target illumination time (TOT), each echo flash detection first results in a classification which, because of the single-flash processing in the spectral range, also provides the statement as to whether it is is a helicopter with even or odd number of rotor blades. The verification and classification of the helicopter type is done with a flash distance measurement in the time domain. The single-flash detector according to the invention distinguishes between glitches and rotor echoes on the basis of the characteristic shape and duration of the individual flashes. Main rotor echoes and tail rotor echoes - differentiated by the included modulation frequencies, their echo shape and length - are processed separately in the time range for the flash distance measurement. Single-flash detection and in principle also the determination of the flash distance in the time and frequency domain are redundant. The link gives the increased reliability.
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.After estimating the temporal rotor echo distance, the average flash distance after several flashes observed can then also be determined e.g. calculate according to a predictor-corrector procedure, if lightning could not be detected in individual expectation windows.
Ein Zuverlässigkeitskriterium (Varianz) kann angegeben werden.A reliability criterion (variance) can be specified.
Es läßt sich bei der Signalverarbeitung sowohl das Hauptrotorecho als auch das Heckrotorecho auswerten, 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.In the signal processing, both the main rotor echo and the tail rotor echo can be evaluated, which is only amplitude modulated when the plane of rotation is illuminated from the rotational axis, is also phase-modulated under all other aspect angles, with maximum phase modulation when the helicopter illuminates in the plane of rotation of the tail rotor.
Die phasenmodulierte Komponente der Heckrotorechos kann über einen großen Aspektwinkel aufgefaßt werden, da die dazugehörende Antennencharakteristik der Heckrotorflügel in der Azimutebene schwach gebündelt ist. Ihr Spektrum wird wie die des Hauptrotorechos mit Hilfe einer Filterbank detektiert.The phase-modulated component of the Heckrotorechos can be understood over a large aspect angle, since the associated antenna characteristic of the tail rotor blades is weakly bundled in the azimuth plane. Their spectrum is detected like that of the main rotor echo with the help of a filter bank.
Die durch den Heckrotor verursachte Amplitudenmodulation 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.The amplitude modulation caused by the tail rotor can be examined after splitting off by a low-pass filter of suitable cut-off frequency via a correlation to successive echoes, in analogy to the lightning detector for the main rotor. The phase modulated component is treated as that of the main rotor.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von vier Figuren erläutert. Es zeigen
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1 die Zeitfunktion der Einhüllenden eines beispielsweise empfangenen Signalzuges, -
2 das Frequenzspektrum zu einem ZeitfensterbereichT2 , in dem ein Hubschrauber-Echosignal vorliegt, hier ohne Festzeichenunterdrückung (MTI) gezeigt, -
3 die Zeitfunktion eines nachgebildeten Rotorblattechosignals eines Hubschraubers, das zur Korrelation benutzt wird, -
4 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung in Blockschaltbildform.
-
1 the time function of the envelope of a signal train received, for example, -
2 the frequency spectrum to a time window areaT2 in which a helicopter Echo signal is present, here shown without hard-character suppression (MTI), -
3 the time function of a simulated rotor blade echo signal of a helicopter used for correlation -
4 an arrangement for carrying out the method according to the invention in block diagram form.
In
In
In
Mit dem durch die Erfindung gegebenen Verfahren einer Spektralanalyse kurzer Zeitabschnitte
Dazu ist auf Kosten des Signal-Rauschabstandes eine relativ gute spektrale Auflösung erforderlich, die bei optimaler Verarbeitung der wenigen tatsächlich vom Rotor kohärent empfangenen, eine detektierbare Signalleistung aufweisenden n Echoimpulse nicht gegeben wäre. Jedoch können beiderseits der erwarteten n Rotorechos mit nennenswerter Leistung die echten Abtastwerte, die im wesentlichen nur noch zum Rauschen beitragen, durch
Im einzelnen ergibt sich bei der Spektralanalyse folgender Ablauf:In detail, the following procedure results in the spectral analysis:
Durch die bereits erwähnte, sich überlappende Verarbeitung werden die n Abtastwerte des Rotorechos grob auf die Mitte einer Gruppe von N2 Abtastwerten zentriert, die sich über den Zeitfensterbereich
Die anschließende Spektralzerlegung führt bei komplexer Transformation für Rotoren mit ungerader Blattzahl zu einem unsymmetrischen Spektrum auf einer Seite des Dopplerechos der Hubschrauberzelle, für Rotoren mit gerader Blattzahl zu einem, je nach den Reflexionseigenschaften der Vorder- und Rückkante des Rotorblattes, mehr oder weniger unsymmetrischen Spektrum auf beiden Seiten des „Zellenechos“ S. Die Spektren sind bandbegrenzt. Die Einhüllende jedes Spektrums liefert bei passender Verarbeitung die Aussage, ob der entdeckte Hubschrauber eine gerade oder ungerade Rotorblattzahl aufweist. Eine Signal/ Rausch-Verbesserung bzw. eine Glättung des Spektrums kann durch Nachintegration mehrerer Einzelspektren erzielt werden. Dabei sind die Spektren zu den alternierenden Echos von Vorder- und Rückkante eines Rotorblatts getrennt voneinander zu integrieren, wenn die die gerade oder ungerade Rotorblattzahl betreffende Information nicht verloren gehen soll.The subsequent spectral decomposition, with complex transformation for odd numbered rotors, results in an asymmetric spectrum on one side of the helicopter cell's Doppler echo, for even number rotors, more or less unbalanced spectrum depending on the reflective properties of the leading and trailing edges of the rotor blade both sides of the "cell echo" S. The spectra are band-limited. The envelope of each spectrum provides, if properly processed, whether the discovered helicopter has an even or odd number of rotor blades. A signal / noise improvement or a smoothing of the spectrum can be achieved by re-integration of several individual spectra. In this case, the spectra for the alternating echoes of the front and rear edge of a rotor blade are to be integrated separately from one another if the information concerning the even or odd rotor blade number is not to be lost.
Die Aussage „Hubschrauberecho“ oder „anderes Echo“ wird durch einen Detektor für die Einhüllende des Spektrums mit folgenden Eigenschaften ermöglicht: The statement "helicopter echo" or "other echo" is made possible by a spectral envelope detector having the following properties:
Nach ausreichender Glättung der Spektren entweder durch ein von vornherein geeignetes Berechnungsverfahren (z.B. autoregressive Spektralschätzung mit geeigneten Parametern) oder durch Fouriertransformation mit nachträglicher Glättung über Mittelwertbildungen wird der Abstand zwischen der Einhüllenden unterhalb der Bandgrenze
Die vorstehende Analyse des Frequenzspektrums wird nach der Erfindung durch eine unabhängige Detektion der Rotorblattechos und deren Periodizität im Zeitbereich ergänzt.The above analysis of the frequency spectrum is supplemented according to the invention by an independent detection of the rotor blade echoes and their periodicity in the time domain.
Zur Verbesserung des Signal-Rauschabstandes und zur Unterdrückung nicht zu Rotorechos passender Echoformen wird zwischen aufeinanderfolgenden, sich zeitlich überlappenden Ausschnitten des empfangenen Signalzuges (
Diese Korrelation wird für beide Quadraturkanäle bei komplexer Verarbeitung durchgeführt.This correlation is performed for both quadrature channels in complex processing.
Nach passender Weiterverarbeitung, z.B. Summation der Quadraecho-Kreuzkorrelationsfunktion mit einer vom lokalen Rauschmittelwert abhängigen Schwelle kann die charakteristische Periode der Rotorechos geschätzt und mit bekannten Periodizitäts-Daten von Hubschraubern unterschiedlichen Typs verglichen werden.After suitable further processing, e.g. Summing the quadraecho cross-correlation function with a local noise average dependent threshold, the characteristic period of the rotor echoes can be estimated and compared to known periodicity data from helicopters of different types.
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.After a first detection, expectation spaces for possible echo distances can be searched for recurring echoes at a reduced detection threshold. The change in the detection threshold is advantageously made dependent on the signal-to-noise ratio.
In
Die empfangenen Echosignale werden über zwei Quadraturkanäle
Die Feststellung des jeweils vorliegenden Hubschraubertyps kann im Detektor
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