DE3740141A1 - Radarverfahren zur klassifizierung von hubschraubern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Radarverfahren zur Klassifizierung von erfaßten Hubschraubern hinsichtlich geradzahliger bzw. ungeradzahliger Rotorblattanzahl aufgrund ihrer in einem mit Quadraturkanälen, den sogenannten I, Q-Kanälen, versehenen Radarempfänger ausgewerteten Radarechosignal-Signaturen.

Die Entdeckung und anschließende Klassifizierung sowohl des schwebenden als auch des fliegenden Hubschraubers mittels Radar gewinnt mit dem wachsenden Kampfwert der Drehflügler immer mehr an Bedeutung.

Das klassische Erkennungsmerkmal eines Hubschraubers ist bekanntlich das scharf gebündelte Radarecho des Rotorblattes. Das Rotorblatt liefert eine Echosignalamplitude, die in der Größenordnung der Amplitude der Hubschrauberzelle liegt, wenn die Senkrechte auf dem Rotorblatt zur Radarantenne zeigt. Der drehende Rotor erzeugt damit eine Folge von Nadelimpulsen. Die Folgefrequenz f ist ein typenspezifisches Merkmal eines Hubschraubers. Ein weiteres Merkmal ist die Umdrehungszahl U der Rotorwelle. Da die Umdrehungszahl U mit der unbekannten Rotorblattzahl N und der unmittelbar meßbaren Folgefrequenz f nach den Beziehungen

f = 2 · U · N, wenn N ungerade,
f = U · N, wenn N gerade. N ≠ 1.

verknüpft ist, kann sie nicht unmittelbar gemessen werden.

Aus aerodynamischen und konstruktiven Gründen (die Rotorblattspitzen dürfen im Schwebezustand des Hubschraubers maximal 2/3 der Schallgeschwindigkeit erreichen; eine bestimmte Blattlänge kann nicht überschritten werden), bewegt sich die Umdrehungszahl U in einem begrenzten Bereich, so daß bei Kenntnis der Gerad- bzw. Ungeradzahligkeit der Blattanzahl des jeweils vorliegenden Rotorblatts die typenspezifische Rotorumdrehungszahl U ermittelt werden kann.

Der punktsymmetrische (Blattzahl N = ungerade) bzw. der achsensymmetrische (Blattzahl N = gerade) Aufbau des Rotors ist somit ein primäres signifikantes Merkmal einer Hubschrauberklasse. Die Bestimmung der Art der Rotorsymmetrie soll durch die Erfindung in einfacher Weise gefunden werden.

Eine bekannte Möglichkeit zur Identifizierung von Hubschrauberrotoren mit ungerad- und geradzahliger Rotorblattanzahl besteht in der Auswertung von Leistungsspektren, die in Datenblocks berechnet werden, welche jeweils einzelne Rotorblitze, d. h. von einem Einzel- oder Doppelblatt stammende Echosignale enthalten. Rotoren mit gerader Blattzahl verursachen Leistungsspektren, die symmetrisch oder unsymmetrisch sind, letzteres dann, wenn der Radarquerschnitt des herandrehenden Blattes von demjenigen des abdrehenden Blattes abweicht. In jedem Fall bleibt die Gestalt des Leistungsspektrums bei aufeinanderfolgenden Rotorblattblitzen erhalten. Im Gegensatz dazu verursachen Hubschrauber mit ungeradzahliger Rotorblattanzahl Spektren, die ihre Gestalt ändern, da lediglich jeweils ein einziges Blatt einen Rotorblitz hervorruft und nicht ein aus herandrehendem und wegdrehendem Blatt bestehendes Blattpaar wie beim geradzahligen Rotor. Sofern der Rotorblitz vom herandrehenden Blatt stammt, hat das Leistungsspektrum vorherrschende Anteile bei positiven Dopplerfrequenzen, während bei Herkunft des Rotorblitzes vom wegdrehenden Blatt bei negativen Dopplerfrequenzen vorherrschende Anteile entstehen.

Eine andere bekannte Möglichkeit zur Identifizierung von Hubschraubern mit gerad- und ungeradzahliger Rotorblattanzahl ergibt sich aus dem Vergleich von Zeit- und Frequenzspektren der Echosignale. Wenn der Reziprokwert des Zeitabstandes zwischen Rotorblitzen gleich dem Linienabstand im entsprechenden Leistungsspektrum ist, liegt eine gerade Blattanzahl des Rotors vor. Ist er doppelt so groß wie der Linienabstand, so handelt es sich um eine ungerade Blattanzahl.

Bei den bekannten Möglichkeiten zur Identifizierung ungerad- bzw. geradzahliger Rotoren ist in jedem Fall ein Vergleich von bestimmten Kriterien aufeinanderfolgender Rotorblitze erforderlich, was aufwendige Frequenz und/oder Zeitauswerteeinrichtungen erfordert und eine ausreichend große Beobachtungszeit voraussetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Feststellung der Rotorsymmetrieart (Punkt- oder Achsensymmetrie) von radarmäßig erfaßten Hubschraubern anzugeben, das bereits mit einem Blattecho zufriedenstellend arbeitet und mit einfachen logischen Schritten, d. h. geringem Rechneraufwand, ohne aufwendige Vergleichsmaßnahmen auskommt.

Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Radarverfahren der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Klassifizierung in einer Gaußschen Ebene vorgenommen wird, in welcher I, Q die kartesischen Koordinaten sind und in welcher die Radarechosignale dargestellt werden, daß auf Vorliegen eines Hubschraubers mit gradzahliger Rotorblattanzahl, d. h. achssymmetrischen Rotor, entschieden wird, wenn die in der I/Q-Ebene dargestellten Radarechosignale im wesentlichen auf oder in der Umgebung einer Geraden durch den Ursprung der I/Q- Ebene liegen, und daß auf Vorliegen eines Hubschraubers mit ungeradzahliger Rotorblattanzahl, d. h. punktsymmetrischen Rotor, entschieden wird, wenn sich die in der I/Q-Ebene dargestellten Radarechosignale über eine Fläche umfassende, d. h. eindeutig zweidimensionale Figur verteilen.

Zweckmäßige und vorteilhafte weitere Maßnahmen im Zusammenhang mit dem Radarverfahren nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zur Erläuterung der Erfindung werden die Zeichnungen mit herangezogen. Es zeigen

Fig. 1 und 2 in schematischer Ansicht den Aufbau eines punktsymmetrischen bzw. achsensymmetrischen Rotors aus dem Aufbauelement Rotorblatt der Länge l bzw. der Länge 2l,

Fig. 3 nebeneinander drei Stellungen eines dreiblättrigen Rotors (punktsymmetrischer Rotor) und darunter jeweils die zugehörigen Signale im Q-Kanal, I-Kanal und die Signalfigur in der I/Q-Ebene,

Fig. 4 nebeneinander drei Stellungen eines zweiblättrigen Rotors (achsensymmetrischer Rotor) und darunter jeweils die zugehörigen Signale im Q-Kanal, I-Kanal und die Signalfigur in der I/Q-Ebene, dargestellt für ein CW-Radar,

Fig. 4 nebeneinander drei Stellungen eines zweiblättrigen Rotors (achsensymmetrischer Rotor) und darunter jeweils die zugehörigen Signale im Q-Kanal, I-Kanal und die Signalfigur in der I/Q-Ebene, dargestellt für ein CW-Radar,

Fig. 5 nebeneinander die in einem Beispiel praktisch erreichten Echosignale eines Zweiflüglers (achsensymmetrischer Rotor) und eines Dreiflüglers (punktsymmetrischer Rotor) in der I/Q- Ebene, dargestellt für ein Pulsradar.

Der Ansatzpunkt für die Erfindung ist die bekannte Beziehung für die komplexe, d. h. die nach Betrag und Phase angegebene Einweg-Gewinnfunktion G einer Antenne:

Dabei bedeuten:
F _(x) die komplexe Belegung der Antenne

α der Aspektwinkel,
g die Wellenlänge,
x die Ausdehnungskoordinate der stabförmigen Antenne.

In grober Näherung kann das Rotorblatt eines Hubschraubers als ein gleichförmiger belegter zylindrischer Stab betrachtet werden, der sich mit der Winkelgeschwindigkeit ω = 2 π U dreht (U = Rotordrehzahl/sec). Dann wird G eine komplexe Funktion der Zeit. Es ist, da das Blatt als Antenne empfängt und reflektiert, der Zweiweg-Gewinn anzusetzen:

Der folgende Zusammenhang wird anhand der Fig. 1 erklärt, die einen dreiblättrigen Rotor (punktsymmetrischer Rotor) zeigt.

Das Aufbauelement 1 eines punktsymmetrischen Rotors ist das Einzelblatt mit der Belegung:

F _(x) = 1 · e ^{j γ} .

Der Winkel γ beschreibt die Phasendrehung bei der Reflexion der elektromagnetischen Welle am Rotorblatt. In den Wert γ geht auch die Weglänge zwischen der Radarantenne und dem Drehpunkt M des Blattes ein; denn, betrachtet am Eingang des Videomischers, ist es ohne Belang, ob die Phasenlage des empfangenen Signals zur Lokal-Oszillator-Schwingung durch die Weglänge oder durch die Reflexionseigenschaften des Objektes verursacht wird.

Das Integral über das Einzelblatt

hat unsymmetrische Grenzen. Die Lösung führt auf eine Zeitfunktion, die einen Real- und Imaginärteil aufweist (sog. analytische oder zweidimensionale Zeitfunktion):

G _(t) = Re G _(t) + j Im G _(t).

Real- und Imaginärteil sind voneinander unabhängig.

Der folgende Zusammenhang wird anhand der Fig. 2 erläutert, die einen zweiblättrigen Rotor (achsensymmetrischer Rotor) zeigt.

Das Aufbauelement des achsensymmetrischen Rotors ist das aus den beiden Blättern 2 und 3 bestehende Doppelblatt mit gleicher Belegung. Das Integral dagegen hat symmetrische Grenzen:

Real- und Imaginärteil sind linear miteinander verknüpft.

Die heute gebräuchlichen Radarempfänger arbeiten mit Quadraturkanälen, den sogenannten I/Q-Kanälen. Sie sind also in der Lage, analytische Signale in der Gauß-Ebene darzustellen.

Im I/Q-Koordinatensystem eines Radarempfängers stellen sich die vorstehend mathematisch gefundenen Ergebnisse dem Inhalt nach gleich, in der Form jedoch unterschiedlich dar. Sie lauten:

Das Aufbauelement Einzelblatt 1 (in Fig. 1) generiert im I- und Q-Kanal nicht-identische Signale. Es beschreibt in der I/Q-Ebene eine eine Fläche umfassende (zweidimensionale) Figur.
Das Aufbauelement Doppelblatt 2, 3 (in Fig. 2) generiert im I- und Q-Kanal identische Signale. Es beschreibt ein Signal, das sich auf einer Ursprungsgeraden bewegt (eindimensionale Figur).

Die Nutzung dieser ausgeprägten Signatur in der I/Q-Ebene zur Klassifizierung des Rotors bildet den Kern der Erfindung.

Der Rotor eines Hubschraubers setzt sich aus einem oder mehreren jeweils gleichartigen Aufbauelementen zusammen. Die signifikante komplexe Echostruktur des Aufbauelementes bleibt dabei erhalten, da die Aufbauelemente ihre gebündelten Echos nacheinander reflektieren und sich nicht nennenswert überlagern.

Eine theoretisch denkbare Überlagerung bei sehr hoher Blattzahl, die praktisch nicht auftritt, würde zwar zu einer veränderten Zeitfunktion führen. Die typischen Signaturen in der I/Q-Ebene verändern sich jedoch nicht.

Fig. 3 zeigt in der oberen Reihe den aus drei Blättern 4, 5 und 6 bestehenden Rotor eines Hubschraubers in drei verschiedenen Positionen. Darunter zeigt Fig. 3 den jeweils dazugehörenden Signalverlauf im Q-Kanal, I-Kanal und in der I/Q-Ebene. Fig. 3 zeigt den Verlauf der Amplitude im I- und Q-Kanal für den Winkel γ = 0. Die Stellung des Rotors ist jeweils in dem Zeitpunkt gezeichnet, in dem im I-Kanal ein Maximum auftritt. Der Bahnverlauf des komplexen Signales in der I/Q-Ebene ist in der (zeitlichen) Umgebung des Maximums skizziert. Die Lage der kreisähnlichen Figur ist abhängig vom Winkel γ.

Fig. 4 zeigt in ähnlicher Weise in der oberen Reihe den aus zwei Blättern 7 und 8 bestehenden Rotor eines Hubschraubers in drei verschiedenen Positionen. Darunter zeigt Fig. 4 den jeweils dazugehörenden Signalverlauf im Q-Kanal, I-Kanal und in der komplexen I/Q-Ebene. Beim Doppelblatt 7, 8 liegt die Bahn des Signales in der I/Q-Ebene immer auf einer Ursprungsgeraden, deren Steigungsmaß abhängig vom Winkel γ ist.

Die Analyse eines komplexen Signales kann bekanntlich sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich erfolgen. Bestimmte Merkmale treten beispielsweise im Frequenzbereich signifikant hervor, andere im Zeitbereich. Die Entscheidung, in welcher Ebene die Analyse durchgeführt werden soll, hängt vom Verarbeitungsaufwand und dem Grad der Signifikanz ab.

Die Frequenzspektren eines Doppelblattes und eines Einzelblattes unterscheiden sich primär in ihrer Phasenstruktur. Das reelle eindimensionale Signal des Doppelblattes besitzt ein konjugiert komplexes Spektrum mit konstanter Phase, wogegen das komplexe zweidimensionale Signal des Einzelblattes ein komplexes Spektrum mit schnell oszillierender Phase zeigt.

Aufgrund des quantitativen wie qualitativen Aufwandes ist die Analyse im Zeitbereich vorzuziehen.

Die Fig. 5 zeigt nebeneinander Beispiele von Radarechosignaturen eines Zweiflüglers (linke Darstellung) und eines Dreiflüglers (rechte Darstellung) mit Maßnahmen zur rechnergestützten Klassifizierung von Rotorechosignalen. Die Beispiele in der I/Q-Ebene sind realitätsnah mit einem überlagerten Störsignal dargestellt. Demzufolge bewegt sich das Echosignal eines achsensymmetrischen Rotors (linke Darstellung) in der Umgebung einer Ursprungsgeraden. Da die zeitliche Reihenfolge der Echosamples keine Rolle spielt, reduziert sich die Diskriminierung auf die Aufgabe, den Schlankheitsgrad einer Ansammlung (Wolke) von Echo-Samples zu bestimmen. Wird ein vorgegebener Schlankheitsgrad unterschritten, so wird auf einen punktsymmetrischen Rotor erkannt.

Ein beispielhafter Algorithmus zur Diskriminierung kann folgendermaßen ablaufen:

• 1. Bestimmung der Ursprungsgeraden 9.
• 2. Bestimmung eines zur Geraden 9 parallelen und symmetrischen Geradenpaares 10, 11, so daß sich (beispielsweise) 90% der Samples innerhalb der beiden Geraden 10, 11 befinden.
• 3. Bestimmung eines zur Geraden 9 senkrechten Geradenpaares 12, 13, so daß sich z. B. je 5% der Samples außerhalb des Geradenpaares 12, 13 befinden.
• 4. Berechnung des Schlankheitsgrades aus den Seitenverhältnissen des die Wolke einfassenden Rechteckes, und zwar des Verhältnisses der Länge der parallel zur Geraden 9 verlaufenden Geraden 10, 11 zur Länge des senkrecht dazu verlaufenden Geraden 12, 13.

Zur Bestimmung des Schlankheitsgrades können auch mathematische Verfahren (Korrelationsanalyse) angewendet werden. Diese bedingen jedoch einen höheren Rechenaufgwand.

Sind I₁, Q₁; I₂ Q₂; . . . I _n , Q _n die zur Anlyse anstehenden Wertepaare, wobei die Reihenfolge keine Rolle spielt, so ist bekanntlich der Korrelationskoeffizient k der mittelwertbefreiten Werte:

ein Maß für die lineare Abhängigkeit.
k ist unabhängig von der Steigerung der Geraden. Für k = l liegen die Wertepaare exakt auf einer Geraden; wird k = 0, so besteht kein linearer Zusammenhang zwischen I- und Q-Werten.

Wird ein Schwellwert, z. B. k = 0,8 überschritten, wird auf ein symmetrisches Rotorblatt erkannt.

Beim schwebenden Hubschrauber addiert sich das Echo der Zelle vektoriell zum Echosignal des Blattes. Da die Amplituden in derselben Größenordnung liegen, wird zwangsläufig die charakteristische Blattechostruktur in der I/Q-Ebene beeinflußt. Es ist deshalb erforderlich, vor der Klassifizierung das Zellenecho zu unterdrücken.

Die Grenzgeschwindigkeit dieses Filters (Doppelfilter) kann ohne nachteilige Folgen für die Klassifizierung bis zu 200 km/h betragen, da die überwiegenden Frequenzanteile des Blattechos einer Geschwindigkeit entsprechen, die über 200 km/h liegt. Die Unterdrückung des Zellenechos kann somit im Clutterfilter (z. B. Doppelcanceller), mit dem die heutigen Radarempfänger ausgerüstet sind, erfolgen. Eine leichte Verformung der blattsignifikanten Signalform durch das Clutterfilter ist ohne Bedeutung, da die Verformungen im I- und Q-Kanal gleich sind und damit die Identität als Kennzeichen für den achsensymmetrischen Rotor erhalten bleibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch dazu geeignet, die Rotorblattklassifizierung bei einem marschierenden Hubschrauber vorzunehmen, wenn bestimmte Zusatzeinrichtungen vorgesehen werden.

Bei einem marschierenden Hubschrauber überlagert sich der Drehbewegung des Rotors zusätzlich die Translationsbewegung des Rotors und beeinflußt so die charakteristische Blattechostruktur. Die Translationsbewegung muß deshalb kompensiert werden. In den heute gebräuchlichen Auswerteverfahren ist die I/Q-Darstellung mit einer Doppelfilterbank kombiniert, mit der die Geschwindigkeit des Flugkörpers bestimmt werden kann. Die Anforderungen an die Genauigkeit der Geschwindigkeitskompensation sind dabei nicht allzu hoch. Sie bestimmt sich aus der Forderung, daß während der Dauer des signifikanten Blattechos, die ca. 1 msec beträgt, der Rotor aufgrund des Restfehlers scheinbar eine radiale Translation ausführen darf, die klein gegenüber der Wellenlänge der Radarsendefrequenz ist.

Bezugszeichenliste
1-3
Aufbauelemente
4-8	Rotorblätter
9	Symmetrielinie, Ursprungsgerade
10--13	Geraden
l	Blattlänge
M	Drehpunkt

Claims (5)

1. Radarverfahren zur Klassifizierung von erfaßten Hubschraubern hinsichtlich geradzahliger bzw. ungeradzahliger Rotorblattanzahl aufgrund ihrer in einem mit Quadaturkanälen, den sogenannten I, Q-Kanälen, versehenen Radarempfänger ausgewerteten Radarechosignal-Signaturen, dadurch gekennzeichnet, daß die Klassifizierung in einer Gaußschen Ebene vorgenommen wird, in welcher I, Q die kartesischen Koordinaten sind und in welcher die Radarechosignale dargestellt werden, daß auf Vorliegen eines Hubschraubers mit geradzahliger Rotorblattanzahl, d. h. achssymmetrischem Rotor, entschieden wird, wenn die in der I/Q-Ebene dargestellten Radarechosignale im wesentlichen auf oder in der Umgebung einer Geraden durch den Ursprung der I/Q-Ebene liegen, und daß auf Vorliegen eines Hubschraubers mit ungeradzahliger Rotorblattanzahl, d. h. punktsymmetrischem Rotor, entschieden wird, wenn sich die in der I/Q-Ebene dargestellten Radarechosignale über eine eine Fläche umfassende, d. h. eindeutig zweidimensionale Figur verteilen.

2. Radarverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlankheitsgrad einer Ansammlung von Radarechosignalen, d. h. von sogenannten Echosamples, in der I/Q-Ebene bestimmt wird und bei Unterschreitung eines vorgegebenen Schlankheitsgrades auf Vorliegen eines Hubschraubers mit ungeradzahliger Rotorblattanzahl entschieden wird.

3. Radarverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entscheidungsvorgang so abläuft, daß zunächst die Symmetrielinie (Ursprungsgerade) der Ansammlung von Echosamples z. B. durch arithmetische Mittelung bestimmt wird, daß dann ein zur ermittelten Symmetrielinie parallel und symmetrisch verlaufendes erstes Geradenpaar unter der Voraussetzung bestimmt wird, daß sich der größte Teil, z. B. 90% der Echosamples, innerhalb dieses ersten Geradenpaares befindet, daß dann ein zur ermittelten Symmetrielinie senkrecht verlaufendes zweites Geradenpaar unter der Voraussetzung bestimmt wird, daß sich ein sehr kleiner Teil, z. B. 5% der Echosamples, außerhalb dieses zweiten Geradenpaares befindet, und daß schließlich der Schlankheitsgrad aus dem Verhältnis der Länge der parallel zur Symmetrielinie verlaufenden Geraden zur Länge der senkrecht dazu verlaufenden Geraden berechnet wird.

4. Radarverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entscheidungsvorgang mit Hilfe einer Korrelationsanalyse abläuft, daß aus den zur Analyse anstehenden Wertepaaren (I₁, Q₁; I₂ Q₂; . . . ; I _n , Q _n) der Echosamples, wobei die Reihenfolge keine Rolle spielt, der ein Maß für die lineare Abhängigkeit darstellende Korrelationskoeffizient dieser mittelwertfreien Werte bestimmt wird, und daß bei Überschreiten eines vorher festgelegten Schwellwertes, z. B. k = 0,8, auf Vorliegen einer Geraden in der I/Q-Ebene und damit eines achsensymmetrischen Rotors entschieden wird.

5. Radarverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur exakten Rotorblattklassifizierung auch eines marschierenden Hubschraubers die der Drehbewegung überlagerte Translationsbewegung des Rotors bei der Auswertung kompensiert wird und daß dazu die Translationsgeschwindigkeit z. B. mittels einer in Verbindung mit der I/Q-Darstellung gewöhnlich ohnehin vorhandenen Doppelfilterbank ermittelt wird.