DE3728718A1 - Signalverarbeitungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Signalverarbeitungsverfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Derartige Signalverarbeitungsverfahren sind insbesondere von Bedeutung zur passiven Ortung von Sendern, vor allem Radar-Sendern oder Stören im Radar-Frequenzbereich. Um Quellen elektromagnetischer Wellen permanent und lückenlos erfassen zu können, sind derartige Verfahren für Echtzeit-Signalverarbeitung ausgelegt. Da Frequenz und Bandbreite evtl. auftretender Signale a priori unbekannt sind, ist ein breiter Frequenzbereich zu überwachen. Darüber hinaus muß die Signalverarbeitung in der Lage sein, auch mehrere gleichzeitig aktive Strahlungsquellen zu analysieren.

Die rechnerische Wellenparameteranalyse, die z. B. Richtungs- und Leistungsschätzung umfaßt, anhand einer Mehrzahl von Empfangssignalen ist an sich grundsätzlich bekannt. Probleme ergeben sich bei der technischen Umsetzung der grundsätzlich bekannten Auswertungen dadurch, daß durch den breiten zu überwachenden Frequenzbereich und die Forderungen nach Echtzeit-Betrieb und Fähigkeit zur Trennung mehrerer gleichzeitig auftretender Wellen von verschiedenen Sendern die erforderlichen Rechnerkapazitäten zur Wellenparameteranalyse den vertretbaren Aufwand übersteigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Signalverarbeitungsverfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, das eine Wellenparameteranalyse bei geringerem Rechneraufwand ermöglicht.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben, die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fallen Daten zur Echtzeitverarbeitung nach der schmalbandigen Tiefpaßfilterung nur noch mit geringer Datenrate an und können so mit geringem Rechneraufwand zur Richtungsschätzung nach bekannten Auswerteverfahren verarbeitet werden. Für die Korrelation, inklusive Integration und Tiefpaßfilterung können preisgünstige Standardbaugruppen eingesetzt werden, die auch für hohe Datenraten verfügbar sind. Dieser zusätzliche Aufwand ist durch die Reduzierung des Rechneraufwands durchaus berechtigt, wenn man berücksichtigt, daß eine Reduktion der Datenrate um beispielsweise 10^-4 möglich ist. Korrelation und Tiefpaßfilterung bewirken im allgemeinen eine unerwünschte Veränderung der Signalinformation hinsichtlich einiger Wellenparameter, so daß Fehler bei der Wellenparameter-Analyse zunächst einmal nicht auszuschließen sind. Derartige Analysefehler können aber vernachlässigt werden, wenn die zu analysierenden Wellen von kontinuierlich strahlenden Sendern stammen, die untereinander nicht korreliert sind. In vielen Anwendungsfällen ist diese einschränkende Voraussetzung schon von sich aus gegeben. In anderen Fällen werden Analysefehler dadurch eliminiert, daß die breitbandig gefilterten Signale der Einzelantennen-Empfangszüge zusätzlich bis zum Abschluß der Tiefpaßfilterung zwischengespeichert und danach unter Einbeziehung des mit den tiefpaßgefilterten Signalen erzielten Analyseergebnisses einer erneuten, diesmal breitbandigen und daher detaillierteren, Wellenparameter-Analyse unterzogen werden. Insbesondere durch die bereits vorliegende Richtungsinformation reduziert sich der dabei erforderliche Rechenaufwand erheblich. Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung liegt deshalb auch in der Erkenntnis, daß der Einsatz des Korrelationsverfahrens trotz unvollständiger Informations-Ausbeute im 1. Verarbeitungsschritt sinnvoll ist, weil sich dadurch der für die detaillierte Wellenparameter-Analyse insgesamt erforderliche Rechenaufwand reduziert.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht.

Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Gesamtblockschaltbild der Signalverarbeitung

Fig. 2 ein detailliertes Blockschaltbild einer Korrelationsschaltung.

Die Antennengruppe AGR in Fig. 1 bestehe aus einer Mehrzahl von breitbandigen Einzelantennen, aus deren Antennenspannungen N Empfangsspannungen Si (i =1 bis N), und eine Hilfsspannung SH abgeleitet sind. Hierbei können die Antennenspannungen direkt die Empfangsspannungen bilden. Es kann aber auch unter Zwischenschaltung eines Kombinationsnetzwerks eine Untergruppenbildung erfolgen. Die Hilfsspannung kann in entsprechender Weise aus einer separaten ungerichteten Antenne oder durch Kombination mehrerer oder aller Einzelantennenspannungen gewonnen werden. Die Anzahl der Empfangsspannungen bzw. der Antennen liegt für eine gute Richtungsauflösung typischerweise in der Größenordnung 10². Die Anordnung und Bauart der Einzelantennen ist dabei grundsätzlich keiner besonderen Einschränkung unterworfen.

Die Richtspannungen Si und die Hilfsspannung SH werden parallel in einem mehrkanaligen Empfänger EMPF mit N +1 Empfangszügen aufbereitet, vorzugsweise in eine Zwischenfrequenzlage umgesetzt und breitbandig in Bandpaßfiltern gefiltert. Innerhalb der Bandbreite des Filters ist dabei i. a. mit dem Empfang mehrerer Wellen zu rechnen. Um guten Phasen- und Amplitudengleichlauf zu gewährleisten, sind alle Empfangszüge identisch aufgebaut. Jedem Empfänger ist ein Analog-Digital-Umsetzer einer mehrkanaligen ADU-Einrichtung nachgeschaltet. Die A/D-Umsetzer tasten die breitbandig gefilterten Empfängerausgangssignale Ei mit einer hohen Abtastrate, die gleich (oder größer) der Signalbandbreite ist, komplex ab, so daß am Ausgang der ADU-Einrichtung die Signale als Folgen von zeitdiskreten komplexen Digitalwerten Ui vorliegen. Die Abtastung erfolgt in allen Empfangszügen synchron. In einer nachfolgenden digitalen mehrkanaligen Korrelationsschaltung werden alle N komplex digitalisierten Richtspannungen Ui mit der ebenfalls in komplex digitaler Form vorliegenden Referenzspannung korreliert, indem die komplexen Werte der Richtspannungen mit den konjugiert komplexen Werten der Referenzspannung multipliziert werden. Die komplexen Korrelationsspannungen Ki werden danach über einen vorgegebenen Zeitraum bzw. eine vorgegebene Anzahl aufeinanderfolgender Werte aufintegriert (INT) und dadurch einer Tiefpaßfilterung (TP) mit gegenüber den Bandpaßfiltern der Empfänger wesentlich geringerer Bandbreite unterzogen. Die derart tiefpaßgefilterten komplexen Digitalsignale Ti werden einer Recheneinrichtung RE zur Richtungsschätzung zugeführt.

Die Phasenlage der tiefpaßgefilterten Signale wird aus räumlicher Sicht nur noch durch die Anordnung der Antennenelemente hervorgerufen und unterliegt keiner zeitlichen Veränderung mehr.

Die Recheneinrichtung RE nimmt anhand bekannter Verfahren eine Richtungsschätzung auch bei gleichzeitigem Einfall mehrerer Wellen vor, indem jeweils ein Satz von N in den Empfangszügen nach der Tiefpaßfilterung gleichzeitig anfallenden komplexen Digitalwerten zusammen verarbeitet wird. Da nach der Tiefpaßfilterung die Datenrate nur noch gering ist, kann die Richtungsschätzung trotz der großen Anzahl N von Empfangszügen mit vergleichsweise geringem Rechneraufwand in Echtzeit durchgeführt werden.

Die Reduzierung der Datenrate veranschaulicht detailliert das Blockschaltbild der Fig. 2. Die breitbandig gefilterten und komplex abgetasteten Signale UK des k-ten Richtspannungs-Empfangszuges und UH des Hilfsspannungs-Empfangszuges liegen als Quadraturkomponente IK, QK bzw. IH, QH vor. Die zu U _H konjugiert komplexen Werte U _H* und gleichzeitig anfallende komplexe Werte U _K werden im Korrelationsmultiplizierer KM komplex miteinander multipliziert. Das Produkt UK wird komplex weiterverarbeitet und dabei einem Integrator zugeführt, der die komplexen Wertepaare aufeinanderfolgender Produktwerte über einen vorgegebenen, ggf. einstellbaren Zeitraum bzw. eine entsprechende Anzahl von Werten aufintegriert. Dieser komplexwertige Integrator kann besonders einfach in Form je eines Addierers und eines Speicherplatzes (ADD/SP) für die beiden Komponenten der komplexen Werte aufgebaut werden. Nach Ablauf der Integrationsdauer wird von einer Abtasteinrichtung des akkumulierte komplexe Signal TK an die Recheneinrichtung abgegeben (TAST) und die Integrationsspeicher werden gelöscht, bevor der nächste Integrationszyklus startet. Auf diese Weise wird das breitbandige Signal des k-ten Empfangszuges mit hoher Abtastrate blockweise verarbeitet und erscheint schmalbandig mit entsprechend reduzierter Abtastrate am Ausgang, so daß die Richtungsschätzung mit entsprechend geringerem Rechneraufwand durchgeführt werden kann.

Claims (5)

1. Signalverarbeitungsverfahren zur Parameteranalyse einfallender Wellen, insbesondere im Frequenzbereich von Radarsignalen, bei einer Gruppenantenne mit einer Mehrzahl von Einzelantennen, aus deren Antennenspannungen eine Mehrzahl von Empfangsspannungen und eine dem Empfang über ein ungerichtetes Diagramm entsprechende Hilfsspannung abgeleitet werden, mit je einem Empfangszug für die Empfangsspannungen und einem weiteren für die Hilfsspannung und mit einer Recheneinrichtung zur Durchführung einer hochauflösenden Wellenparameter-Analyse für eine Mehrzahl gleichzeitig einfallender Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß in allen Empfangszügen die Signale breitbandig gefiltert werden, und in jedem Empfangszug der Empfangsspannungen die breitbandig gefilterte Empfangsspannung mit der Hilfsspannung korreliert und das Korrelationsprodukt über einen vorgebbaren Zeitraum integriert bzw. schmalbandig tiefpaßgefiltert wird, und daß die tiefpaßgefilterten Signale zur Wellenparameteranalyse der Recheneinrichtung zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die breitbandig gefilterten Signale in allen Empfangszügen in komplexe Digitalsignale umgesetzt werden und Korrelation als Multiplikation der konjugiert komplexen Zahlenwerte der Hilfsspannung mit den komplexen Zahlenwerten der digitalisierten Empfangsspannungen und nachfolgende Integration ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung im Empfangszug der Hilfsspannung auf annähernd konstanten Ausgangspegel geregelt wird und die Verstärkung in allen anderen Empfangszügen auf denselben Verstärkungsgrad eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverstärkung in den Empfangszügen nach einer nichtlinearen Verstärkungskennlinie erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die breitbandig gefilterten Signale der Empfangszüge zusätzlich bis zum Abschluß der Wellenparameteranalyse zwischengespeichert und danach unter Einbeziehung des Ergebnisses der Wellenparameteranalyse einer detaillierten Auswertung unterzogen werden.