DE3820058A1

DE3820058A1 - Antenne mit mehreren Gruppenstrukturen und mit einer solchen Antenne ausgestattes Radarsystem

Info

Publication number: DE3820058A1
Application number: DE19883820058
Authority: DE
Inventors: Philippe Elleaume
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1988-06-13
Filing date: 1988-06-13
Publication date: 2009-02-26

Abstract

Bei einer aus mehreren Gruppen bestehenden Gruppenantenne zur Verwendung über einen Seitenwinkelbereich von 360° wird der erforderliche Rechenaufwand erheblich reduziert. Gemäß der Erfindung wird eine kreisförmige Gruppenstruktur, die eine ausgezeichnete Isotropie aufweist, durch eine Menge von linienförmigen Gruppenstrukturen ersetzt, deren Isotropie kaum vermindert ist. Durch die Anwendung von linienförmigen Gruppenstrukturen kann der erforderliche Rechenaufwand stark vermindert werden. In vorteilhafter Weise enthält jede linienförmige Gruppenstruktur eine Anzahl von elementaren Sonden, die gleich einem Exponentialwert der Zahl 2 ist. In diesem Falle werden Vorrichtungen zur Berechnung der schnellen Fouriertransformation verwendet, um empfangsseitig die Bündelbildung durch Berechnung vorzunehmen. Die Erfindung ist in erster Linie auf Gruppenantennen und mit diesen ausgestattete Radarsysteme anwendbar.

Description

Die Erfindung betrifft in erster Linie eine Antenne mit mehreren Gruppenstrukturen und ein Radarsystem, das eine solche Antenne aufweist.
Es ist bekannt, Gruppenantennen zu verwenden, die durch eine Zusammenfügung einzelner Antennen gebildet sind. Einerseits werden linienförmige regelmäßige Gruppenstrukturen oder regelmäßige ebene Gruppenstrukturen verwendet, und andererseits verwendet man Gruppenstrukturen mit kreisförmiger Basis.
Linienförmige oder ebene Gruppenstrukturen, deren Quellen regelmäßig beabstandet sind, vermindern den Rechenaufwand zur Bildung der Bündel durch Berechnung auf ein Minimum.
Gruppenantennen, die eine kreisförmige Basis bilden, weisen eine Richtungsisotropie auf. Sie empfangen also praktisch dieselbe Energie auf allen Richtungen und sind besonders geeignet zur Gewährleistung einer Radarüberdeckung über 360°.
Die erfindungsgemäße Gruppenantenne umfaßt eine Mehrzahl von linienförmigen elementaren Gruppenantennen.
Vorzugsweise sind die Gruppenstrukturen im wesentlichen isotrop im Raume angeordnet.
Weiterhin ist der Abstand zwischen den elementaren Quellen in jeder Gruppenstruktur konstant.
Vorzugsweise ist die Anzahl von elementaren Quellen, woraus jede Gruppenstruktur besteht, ein Exponentialwert der Zahl 2.
Durch die erfindungsgemäße Gruppenantenne und ein mit dieser ausgestattetes erfindungsgemäßes Radarsystem wird eine beträchtliche Verminderung des Rechenaufwandes für die durch Rechnung erfolgende Bündelbildung (FFC) erreicht, wobei eine gleichzeitige Überwachung aller Raumrichtungen ermöglicht wird.
Eine Gruppenstruktur bekannter Art besteht aus P linienförmigen Untergruppen (p = 1...P), die jeweils aus R_p elementaren Sonden (r = 1, ... R_p) gebildet sind.
Die Position einer Sonde mit dem Index (p, r) ist in bezug auf ein Referenzsystem (O x y z) durch einen Vektor
bestimmt; der Mittelpunkt des Segmentes mit dem Index p ist durch den Vektor
definiert, während das von der Sonde (p, r) empfangene komplexe Signal mit X_p _, _r(t) bezeichnet ist.
Das an die Richtung k →(θ, φ) angepaßte Filter wird dann folgendermaßen geschrieben:
Darin ist θ der Höhenwinkel, φ der Seitenwinkel, t die Zeit und λ die Wellenlänge der verwendeten Strahlung.
Das Verfahren nach der Erfindung bildet ein Filter, welches an das Signal angepaßt ist, das durch eine vollkommen ebene Welle aus der Richtung (θ, φ) übertragen wird;

– dabei wird angenommen, daß der Gewinn jeder Sonde für die Richtung (θ, φ) derselbe ist;
– ferner wird die von Sonde zu Sonde unterschiedliche Zeitverzögerung vernachlässigt (was bei schmalbandigem Betrieb stets zulässig ist).

Die Berechnung einer Matrix von N Werten θ und M Werten von φ erfordert ein Rechenvolumen von: M×N×P×R komplexen Multiplikationen pro zeitlicher Abtastprobe, bei einer Gesamtanzahl von Sonden, die gleich P×R ist.
Das vorgeschlagene Rechenverfahren umfaßt in vorteilhafter Weise eine Zerlegung der oben beschriebenen Rechnung in zwei Stufen:

– in der ersten Stufe werden für jede lineare Untergruppe Filter berechnet, die an eine beschränkte Anzahl von vorbestimmten Raumrichtungen angepaßt sind;
– in der zweiten Stufe erfolgt eine gewichtete kohärente Summierung der angepaßten Teilfilter für jede zu berechnende Richtung der Matrix (θ, φ).

Die verwirklichte Funktion kann in folgender Weise formuliert werden:

– im voraus erfolgende Bildung von Q_p Wegen mit der Richtung k →_p _, _q(q = 1...Q_p) für jede linienförmige Untergruppe mit dem Index p(p = 1...P) d. h.
– nach der Bildung des Weges für jede Untergruppe p wird das Filter q_o (θ, φ) ausgewählt, welches die Entfernung d(k →(θ, φ), k →_p,q) minimiert, im Sinne des oben beschriebenen Phasenkriteriums; kohärente gewichtete Summierung der Filter

Das hier beschriebene Rechenverfahren unterscheidet sich in zwei Punkten von dem herkömmlichen Verfahren:

– es führt Verluste für das an eine Richtung k →(θ, φ) angepaßte Filter ein;
– es vermindert das mittlere gesamte Rechenvolumen zur Berechnung des angepaßten Filters.

Die maximalen Verluste des angepaßten Filters sind durch das Verhältnis der Funktionen Z(θ, φ) gegeben, welche durch die beiden Verfahren berechnet werden und auf die Signale angewendet werden, die durch eine schmalbandige ebene Welle erzeugt werden:
worin S(t) die zeitliche Form des transportierten Impulses bedeutet.
Daraus ergibt sich:
d. h.
Das für die Wahl von q_o(θ, ϕ) berücksichtigte Entfernungskriterium ist:
es ermöglicht eine Minimierung der Verluste P(θ, φ) unter Berücksichtigung der Überschneidung zwischen benachbarten Filtern sowie der Überlappung des Winkelfrequenzspektrums, die mit der gegebenenfalls vorhandenen Lückenbeschaffenheit der Gruppenstruktur verknüpft ist.
Wenn die Verteilung der Sonden an den linienförmigen Untergruppen überdies als gleichförmig angenommen wird, bei einem Teilungsschritt d, und wenn die Untergruppen durch ihre Einheitsrichtung up gekennzeichnet sind, so vereinfacht sich die Beziehung (5) und ergibt:
Das Rechenvolumen für die Berechnung einer Matrix aus N Abtastproben für θ und M Abtastproben für φ (für eine zeitliche Abtastprobe) ist folgendes:

– im voraus erfolgende Bildung von Q_p Wegen für jede Untergruppe p(p = 1...P): V1 = P × Qp × Rp für die Anzahl von komplexen Multiplikationen.

Wenn überdies die Verteilung der Sonden entlang einer Untergruppe gleichförmig ist und wenn die Anzahl von Sonden (R) ist sowie die Anzahl von im voraus zu bildenden Wegen (Q) pro Untergruppe ganzzahlige Exponentialwerte der Zahl 2 sind, so kann die Vorformung der Wege über die schnelle Fouriertransformation (FFT) berechnet werden, bei folgendem Rechenvolumen: V1 = P × Q2 Logt R "Falter"
Man bezeichnet als "Falter" oder "FFT-Falter" die Verkettungen von elementaren Berechnungen, die für die Berechnung der schnellen Fouriertransformation erforderlich sind. Diese Berechnungen sind beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung der Veröffentlichungsnummer 01711305 beschrieben.

– Bildung von M×N Wegen der zu berechnenden Matrix: V₂ = M×N×P komplexe Multiplikationen.

Daraus ergibt sich ein Rechenvolumen pro Abtastprobe (θ, φ):
für den allgemeinen Fall.
Wenn M×N groß gegenüber P×Q×R ist, so ist V im wesentlichen gleich P.
Der Gewinn an Rechenleistung gegenüber der herkömmlichen Methode ist also:
mittlere Anzahl von Sonden proUntergruppe Gegenstand der Erfindung ist in erster Linie eine Antenne mit mehreren elementaren Sende- und/oder Empfangsquellen, dadurch gekennnzeichnet, daß jede elementare Quelle einer einzigen linienförmigen Gruppenstruktur angehört, wobei jede linienförmige Gruppenstruktur wenigstens drei elementare Quellen aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Radarsystem, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es Mittel zur Bündelbildung durch Berechnung beim Senden und/oder Empfang umfaßt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch eine kreisförmige bekannte Gruppenstruktur;
2 ein Schema einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gruppenantenne;
3 ein Schema einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gruppenantenne;
4 ein Schema einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gruppenantenne;
5 ein Schema einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gruppenantenne;
6 ein Schema einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gruppenantenne;
7 ein Schema einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gruppenantenne;
8 ein Schema einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gruppenantenne;
9 ein Schema, welches die Anbringung einer erfindungsgemäßen Antenne an einem Flugzeug darstellt;
10 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radarsystems;
11 eine schematische Darstellung des Ergebnisses, welches mit einer lückenhaft ausgebildeten Antenne nach der vorliegenden Erfindung erzielt wird, die keine Symmetrie aufweist;
12 ein Schema, welches die mit der erfindungsgemäßen, lückenhaft ausgebildeten Antenne erzielten Leistungsmerkmale veranschaulicht, wobei die Antenne symmetrisch ausgebildet ist;
13 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radarsystems; und
14 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radarsystems.
In den 1 bis 14 sind für einander entsprechende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
Die in 1 gezeigte, kreisförmige Gruppenantenne ist beispielsweise in der EP-PS 2 278 822 beschrieben.
Diese in 1 gezeigte Antenne empfängt für ein gleiches Ziel im wesentlichen dieselbe Energie aus allen Seitenwinkelrichtungen. Sie ist also besonders geeignet für eine ungerichtete Überwachung mit einem Seitenwinkelbereich von 360°.
Die kreisrunde Gruppenantenne ist mit A bezeichnet; ihre elementaren Quellen oder Sonden sind mit 1A bis 16A bezeichnet.
In 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gruppenantenne gezeigt, die zwei linienförmige, aufeinander senkrechte Gruppenstrukturen B und C enthält, die im folgen den einfach als "Gruppen" bezeichnet werden. Die Gruppe B enthält bei dem gezeigten Beispiel zehn elementare Quellen oder Sonden 1B bis 10B. Die Gruppe C enthält elf elementare Quellen 1C bis 11C. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfordert es, daß die Gruppen B und C keine gemeinsame elementare Quelle aufweisen dürfen. Wenn sich eine Quelle am Schnittpunkt der Gruppe B und C befindet, wie die Quelle 6C bei dem in 2 gezeigten Beispiel, so wird diese Quelle nur für eine der Gruppen berücksichtigt, in dem gezeigten Fall für die Gruppe C.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann der Rechenaufwand für die Bildung der Bündel durch empfangsseitige Berechnung vermindert werden, indem auf drei Faktoren eingewirkt wird:

– der Übergang von einem Kreis zu linienförmigen Gruppen ermöglicht eine erhebliche Verminderung der Anzahl von Rechenvorgängen;
– in dem vorteilhaften Fall, bei welchem die Abstände zwischen den elementaren Quellen konstant sind, wird die mögliche Phasenverschiebung nur zwischen 0 und 2π berechnet, selbst wenn die Antennen eine Lückenstruktur aufweisen;
– wenn die Anzahl von Quellen einer Gruppe ein Exponentialwert der Zahl 2 ist, z. B. 4, 8, 16, 32, 64, 128 oder 256,so kann zur Bildung der Wege durch Berechnung die schnelle Fouriertransformation (FFT) angewendet werden.

Der Übergang von einem Kreis zu einer Geraden ermöglicht den Übergang von einer zweidimensionalen Oberfläche zu der einfacheren eindimensionalen Berechnung.
Es ist natürlich nicht erforderlich, daß die beiden linienförmigen Gruppen B und C denselben Teilungsschritt oder dieselbe Anzahl von Quellen aufweisen.
Wenn eine Antenne mit Lückenstruktur verwendet wird, worunter verstanden wird, daß die Phasenverschiebung zwischen zwei aufeinanderfolgenden elementaren Quellen größer als 2π sein kann, und wenn der Abstand zwischen zwei elementaren aufeinanderfolgenden Quellen konstant ist, d. h. die Phasenverschiebung zwischen zwei Quellen konstant ist, so ist es nicht mehr erforderlich, eine Anzahl von Filtern zu bilden, die gleich dem zu überwachenden Seitenwinkel dividiert durch die gewünschte Genauigkeit ist. Es müssen lediglich N oder 2N Filter gebildet werden. Die Verwirklichung einer größeren Anzahl von Filtern würde darauf hinauslaufen, gleiche Filter mehrfach zu bilden.
Wenn beispielsweise die Anzahl von elementaren Quellen N=8 ist, die Winkelgenauigkeit α = 2° und der durch eine Gruppe überwachte Seitenwinkelbereich gleich 180° ist, und wenn ferner der Abstand zwischen den elementaren Quellen nicht konstant ist, so werden 180/2 = 90 Filter benötigt.
Für konstante Abstände müssen hingegen für die verschiedenen Raumrichtungen lediglich acht Filter gebildet werden. Bei Verwendung von N Filtern treten jedoch Verluste auf, die durch eine Überschneidung der Bündel geringerer Amplitude hervorgerufen werden. Um dem vorzubeugen, müssen lediglich 2N Filter verwendet werden. Selbst in diesem Falle wird die Anzahl der benötigten Rechenschritte in hohem Maße vermindert.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform muß jede Gruppe B und C beidseitig betrieben werden, um einen Seitenwinkelbereich vo 360° zu überwachen.
Es versteht sich, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl Quellen verwendet werden können, die senden und empfangen, als auch getrennte Sendequellen und Empfangsquellen.
In 3 ist eine erfindungsgemäße Antenne ersichtlich, die drei linienförmige Gruppen D, E und F aufweist, welche die Seiten eines gleichseitigen Dreiecks bilden. Die Seite D weist acht Quellen auf, die mit 1D bis 8D bezeichnet sind; die Gruppe E umfaßt vier Quellen 1E bis 4E; die Gruppe F umfaßt vier mit 1F bis 4F bezeichnete Quellen. Im Rahmen der Erfindung können jedoch auch Gruppen mit einer von diesen Angaben verschiedenen Anzahl von Quellen verwendet werden.
Die Verwendung von wenigstens drei Gruppen D, E und F mit Lückenstruktur ermöglicht eine sehr leistungsfähige Extraktion bei Radaranwendungen, wenn in vorteilhafter Weise eine statistische Verarbeitung und ein Vergleich der für jede Gruppe gewonnenen Ergebnisse vorgenommen wird. Als Gruppe mit Lückenstruktur wird eine solche bezeichnet, bei der zwei aufeinanderfolgende Quellen, beispielsweise die Quellen 5D und 6D, einen solchen Abstand voneinander aufweisen, daß die Phasendifferenz, die durch den Gangunterschied einer auf beide Quellen auftreffenden Welle verursacht wird, größer als 2π sein kann. Eine solche Gruppe mit Lückenstruktur weist Gruppen-Nebenzipfel auf.
Es kann Schwierigkeiten bereiten, zu bestimmen, ob ein aus einer gegebenen Richtung kommendes Signal einem Gruppen-Nebenzipfel oder einem schwachen Ziel entspricht. Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Antenne, die linienförmige Gruppen mit Lückenstruktur aufweist, ist es möglich, das für jede Richtung, in welcher die Anwesenheit eines Signales festgestellt wurde, erhaltene Ergebnis mit den Signalen zu vergleichen, die durch jede der Gruppen erfaßt wurden. Wenn die Mehrzahl von linienförmigen Gruppen die Anwesenheit eines Zieles in einer gegebenen Richtung nicht feststellt, so entsprechen die Signale, die in einer anderen Gruppe oder in anderen Gruppen empfangen wurden, solchen Gruppen-Neben-zipfeln. In einem solchen Falle entspricht das Signal keinem reellen Ziel und wird bei der Zielextraktion eliminiert. Im Falle eines reellen Ziels liefert hingegen die Mehrzahl von linienförmigen Gruppen ein Signal, welches der Zielrichtung entspricht. In einem solchen Falle wird das Signal für gültig erklärt.
In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung behalten die Lückenstruktur-Antennen ihre bekannten Vorteile:

– es wird die Anzahl von Quellen oder Sonden für eine gegebene Auflösung vermindert;
– für eine gegebene Anzahl von Quellen oder Sonden wird die Auflösung gesteigert.

Die verbesserte Extraktion wird bei der vorliegenden Erfindung nämlich erzielt, indem Informationsverluste vermieden werden, welche sich bei der direkten Aufsummierung der Energien ergeben, welche aus den verschiedenen elementaren Quellen oder Sonden geliefert werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die individuelle Fokussierung jeder Gruppe und dann die Gesamtfokussierung vorzunehmen.
Die Extraktion durch statistische Verarbeitung mittels eines Vergleichs der Signale, die an den verschiedenen linienförmigen Gruppen gewonnen werden, ist nicht auf Antennen mit nur drei linienförmigen Gruppen beschrankt. Vielmehr wird durch Verwendung einer größeren Anzahl von linienförmigen Gruppen die Zuverlässigkeit der Extraktion gesteigert.
In 4 sind vier linienförmige Gruppen B, C, D und E gezeigt, welche die Seiten eines Quadrats bilden. Die elementaren Quellen sind hier nicht dargestellt.
Vorteilhafterweise ist der Abstand zwischen den elementaren Quellen paralleler Seiten verschieden. Auf diese Weise liegen die Gruppen-Nebenzipfel bei einer Antenne mit Lückenstruktur nicht an derselben Stelle.
In 5 ist eine Gruppenantenne gezeigt, die fünfeckförmig ist und die linienförmigen Gruppen B, C, D, E und F aufweist. Das Fünfeck ist in einen Kreis A eingeschrieben. Dieses Fünfeck mit ungeradzahliger Anzahl von Seiten weist wenig Symmetriecharakter auf. Wenn die Anzahl von Symmetrien dieser Antenne weiter vermindert werden soll, so wird ein unregelmäßiges Fünfeck verwendet, wie es in 5 gezeigt ist, oder es wird ein Teilungsschritt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Quellen verwendet, der für alle Gruppen B, C, D, E und F verschieden ist. Die Verwendung einer Antenne ohne jegliche Symmetrie ermöglicht eine Verteilung des Gruppen-Rauschens über 360°. Auf diese Weise treten keine Gruppen-Nebenzipfel mehr auf. Das Fehlen von Gruppen-Nebenzipfeln ist dann vorteilhaft, wenn eine Extraktion von herkömmlicher Art angewendet wird. Das mit einer solchen Antenne erhaltene Diagramm, das keine Symmetrie aufweist, ist in 11 gezeigt.
In 6 ist ein Beispiel für eine zufällige Verteilung von linienförmigen Gruppen gezeigt. Bei diesem in 6 gezeigten Beispiel weist die Antenne neun linienförmige Gruppen auf, die mit B bis H bezeichnet sind. Die elementaren Quellen, aus denen die Gruppen gebildet sind, sind in 6 nicht dargestellt.
Vorteilhafterweise ist die zufällige Verteilung ausreichend isotrop, um eine Lokalisierung von Zielen zu ermöglichen, die aus allen möglichen Einfallsrichtungen kommen.
Durch eine solche "zufällige" Verteilung der linienförmigen Gruppen wird eine große Freiheit bei der Anordnung der elementaren Quellen, woraus diese Gruppen gebildet sind, erzielt. Diese Freiheit kann ausgenutzt werden, um die geographischen Eigenschaften des Geländes, auf welchem die Gruppen angeordnet werden, optimal zu nutzen. Da weiterhin die linienförmigen Gruppen physikalisch lediglich durch das Vorhandensein der elementaren Quellen zustande kommen, kann bei einem feindlichen Angriff auf das Gruppensystem höchstens eine Menge von elementaren Quellen ausgemacht werden, deren Verteilung völlig zufällig aussieht. Es ist dann also überaus schwierig, die Position bestimmter Quellen aufgrund der Position einiger bekannter Quellen zu bestimmen. Überdies ist es möglich, zusätzliche elementare Quellen anzuordnen, die bei einer Fehlfunktion oder einer Zerstörung irgendwelcher Quellen eingesetzt werden und es vollkommen unmöglich machen, den Ort der linienförmigen Gruppen auszumachen. Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform ist die Anordnung der Gruppen an die Struktur eines Trägers angepaßt.
In 7 ist eine erfindungsgemäße Antenne gezeigt, die acht linienförmige Gruppen B bis J aufweist, welche sternförmig regelmäßig angeordnet sind. Die regelmäßige Anordnung in Form eines Sternes ergibt eine ausgezeichnete Auflösung sowohl über den Höhenwinkel als auch über den Seitenwinkel der Antenne.
In 8 ist ein Beispiel für eine Antennenverteilung in Form eines unregelmäßigen Sterns gezeigt. Diese in 8 gezeigte Antenne weist sieben sternförmig angeordnete linienförmige Gruppen auf. Da die Abstände zwischen den aufeinanderfolgenden Quellen bei den verschiedenen Gruppen verschieden sind, ist jeweils die Länge verschieden. Bei diesem in 8 gezeigten Beispiel gilt dies auch für den Abstand der ersten Quelle der Gruppe vom Mittelpunkt des Sternes.
In 9 ist eine an einem Flugzeug angeordnete erfindungsgemäße Antenne gezeigt. Das Flugzeug 1 ist ein Kampfflugzeug. Die Betriebswellenlänge der Gruppe wird in Abhängigkeit von den möglichen Abständen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Quellen der Gruppe bestimmt. Bei einer am Boden angeordneten Antenne können natürlich größere Wellenlängen als bei einer an einem Flugzeug angebrachten Antenne verwendet werden. Soweit man über linienförmige Gruppen verfügen will, muß die Anordnung der elementaren Quellen an die Geometrie des Flugzeugs 1 angepaßt werden. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel wird beispielsweise die Vorderkante des Flügels 2 verwendet, um die Quellen anzubringen, welche der Gruppe D angehören, während die hinteren Kanten des Flügels 2 verwendet wurden, um die Quellen anzubringen, welche der Gruppe C angehören. Die Quellen der Gruppe B werden entweder am Rumpf angebracht, oder am Schnitt zwischen Flügel und Rumpf. Letztere Ausführung weist den Vorteil auf, daß die Gruppen B, C und D in derselben Ebene liegen. Es ist natürlich auch möglich, daß der zweite, in 1 nicht sichtbare Flügel, gleiche Gruppen aufweist. Wenn andererseits in Kauf genommen wird, daß längere Berechnungen zur Bildung der Wege durchgeführt werden müssen, so können beispielsweise die Gruppen B und E angeordnet werden, die nicht in derselben Ebene liegen, im Gegensatz zu den Gruppen B und C. Man verfügt dann über eine größere Freiheit bei der Auswahl der Stellen, an denen die Quellen angebracht werden. Die Gruppe ist beispielsweise am Leitwerk des Flugzeugs angeordnet.
In 10 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radars gezeigt. Jede elementare Quelle 3 ist an eine Sende/-Empfangs-Vorrichtung angeschlossen. Jede Sende/Empfangs-Vorrichtung umfaßt einen Duplexer 4, der an die Quelle 3 angeschlossen ist. Der Duplexer 4 ermöglicht es, die von einem Sender 7 empfangene Mikrowellenenergie zu der elementaren Quelle 3 zu schicken bzw. die durch die Quelle 3 empfangene Mikrowellenenergie dem Empfänger 5 zuzuleiten. Dieser Empfänger 5 ist an einen Signalcodierer 6 angeschlossen.
Sofern eine kohärente Verarbeitung des Signals erfolgt, müssen Sender, Empfänger und Codierer synchronisiert werden. Beispielsweise werden Sender, Empfänger und Codierer durch einen Lokaloszillator 8 synchronisiert. Bei einer ersten Ausführungsform, die beispielsweise einer Antenne entspricht, welche bei kleinen Wellenlängen sendet, bewirkt ein einziger Lokaloszillator die Synchronisation aller Sende/Empfangs-Vorrichtungen für alle elementaren Quellen 3.
Bei einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radars, bei welcher beispielsweise große Wellenlängen und/oder Antennen mit Lückenstruktur verwendet werden, bei denen also die Abstände zwischen den elementaren Quellen 3 groß sind, wird ein Lokaloszillator 8 pro Sende/Empfangs-Vorrichtung verwendet. In diesem Falle ist es von größter Bedeutung, daß alle Lokaloszillatoren 8 synchronisiert werden. Diese Synchronisation der Lokaloszillatoren 8 erfolgt über eine Leitung 17, beispielsweise ausgehend von einer äußerst stabilen Zeitbasis.
Es versteht sich hierbei, daß die Quellen 3 den linienförmigen Gruppen angehören, wie sie in den 2 bis 9 gezeigt sind.
Vorzugsweise erzeugt jeder Sender 7 ein charakteristisches Signal, welches beim Empfang identifiziert werden kann. Beispielsweise verwendet jeder Sender eine verschiedene Frequenz.
Vorzugsweise wird eine Codierung des auszusendenden Signals vorgenommen. Jeder Codierer 7 benutzt eine andere Codierung.
Der Codierer 6 führt die Abtastung und Codierung der durch die Antennen 3 empfangenen Signale durch. Die Codierung ist eine komplexe kohärente Codierung. In der Figur ist die komplexe Codierung durch Leitungen 9 verdeutlicht, die von jedem Codierer 6 ausgehen und mit den Buchstaben I und Q bezeichnet sind, wobei die Komponente I als reelle Komponente und die Komponente Q als komplexe Komponente bezeichnet wird. Die Komponente Q ist gegenüber der Komponente I um 90° phasenverschoben. Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform erfolgt die Verarbeitung des codierten Signals mittels einer digitalen Verarbeitungsvorrichtung 10. Diese digitale Verarbeitungsvorrichtung 10 weist beispielsweise eine Vorrichtung 11 zur Dopplerverarbeitung, eine Vorrichtung 12 zur Pulskompression und eine Vorrichtung 13 zur Bündelbildung durch Be rechnung und zur Extraktion auf. Im Rahmen der Erfindung kann die Verarbeitung aber auch analog erfolgen. Bei Verwendung einer digitalen Vorrichtung wird aber nicht nur die Leistungsfähigkeit gesteigert, sondern die Verarbeitungen in den Vorrichtungen 11, 12 und 13 können auch in beliebiger Reihenfolge geschehen.
Die Dopplerverarbeitung in der Vorrichtung 11 ermöglicht eine Geschwindigkeitsdiskriminierung der Ziele. Diese Vorrichtung 11 zur Dopplerverarbeitung ist an die Vorrichtung 12 zur Pulskompression angeschlossen. Diese Vorrichtung 12 ermöglicht eine Steigerung der Entfernungsauflösung des Radars nach der Erfindung. Die Vorrichtung 13 zur Bündelbildung durch Berechnung und zur Extraktion ermöglicht eine Steigerung der Richtwirkung der Antenne und Erfassung von eventuellen Zielen. Durch die Extraktion wird die Erfassungswahrscheinlichkeit für ein Ziel bei konstanter gegebener Fehlalarmquote TFAC gesteigert.
Ein Radarsystem ohne Dopplerverarbeitung und ohne Pulskompression liegt gleichfalls im Rahmen der Erfindung.
Die Vorrichtung 10, die auch als Rechner bezeichnet werden kann, ist an eine Auswertevorrichtung 14 angeschlossen. Diese Auswertevorrichtung 14 ermöglicht beispielsweise eine Extraktion von Graphiken oder die Abgabe eines Regelsignals oder Steuersignals bei 16 sowie eine Sichtanzeige bei 15. Diese bei 15 dargestellte Sichtanzeige erfolgt beispielsweise auf Kathodenstrahlröhren, die in der angelsächsischen Literatur mit der Abkürzung PPI bezeichnet werden. Das bei 16 auftretende Signal steuert beispielsweise ein Alarmsystem oder Regelsystem für ein automatisch arbeitendes Waffensystem.
Im Rahmen der Erfindung sind auch getrennte Quellen bzw. Sonden für Empfang und Sendebetrieb möglich. In einem solchen Falle ist die für den Sendebetrieb bestimmte Quelle oder Sonde an einen Sender 7 angeschlossen, während die für den Empfang bestimmte direkt an den Empfänger 5 angeschlossen ist.
Die elementaren Quellen 3 sind beispielsweise Hörner oder Dipole.
In den 11 und 12 sind verschiedene mögliche Lagen der Gruppen-Nebenzipfel bei Verwendung einer Antenne mit Lückenstruktur gezeigt. Die Kurven 20 zeigen die Amplitude 19 der Nebenzipfel in Abhängigkeit vom Winkel 18, der beispielsweise zwischen –π/2 und +π/2 liegt. In beiden Fällen findet man eine Hauptkeule 21. Bei dem in 11 gezeigten Fall ist die Kurve 20, welche die Amplitude 19 in Abhängigkeit vom Winkel 18 darstellt, mit einem Gruppen-Rauschen 22 behaftet, das zwischen –π/2 und +π/2 zufällig verteilt ist. Dieser Fall entspricht beispielsweise einer kreisförmigen Antenne oder einer Antenne ohne ausgeprägte Symmetrie. Es ergibt sich dann der Vorteil, daß niemals starke Gruppen-Nebenzipfel auftreten. Eine solche Antennengeometrie, bei der Gruppen-Nebenzipfel dieser Art auftreten, wird jedesmal dann angewandt, wenn eine herkömmliche Extraktion erfolgen soll, die es nicht ermöglicht, Fehler zu eliminieren, welche durch ausgeprägte Gruppen-Nebenzipfel verursacht werden.
12 entspricht dem Fall einer Antenne mit Gruppen, die ausgeprägte Symmetrien aufweisen. In einem solchen Falle besitzt die Kurve 20 für die Amplitude des Signals 19 in Abhängigkeit vom Winkel 18 eine verschwindende Amplitude 24 zwischen den starken Nebenzipfeln 23. Die verschwindende Amplitude 24 ermöglicht eine Steigerung der Radargenauigkeit nach der Erfindung insofern, als die Verarbeitung bei der Extraktion eine Eliminierung der Fehlalarmfälle ermöglicht, welche durch die Gruppen-Nebenzipfel 23 verursacht werden könnten.
Diese Extraktion besteht beispielsweise darin, die für mehrere Gruppen, deren Gruppen-Nebenzipfel einander nicht überlagern, erhaltenen Ergebnisse zu vergleichen. Wenn die Zahl von Gruppen die Ziele für eine gegebene Richtung bei der Extraktion nicht erfaßt, so wird angenommen, daß ein Ziel, welches beispielsweise durch eine einzige Gruppe erfaßt wurde, einem Gruppen-Nebenzipfel entspricht. Auf diese Weise können diese Ergebnisse eliminiert werden, die anderenfalls einen Fehlalarm hervorrufen könnten.
In 13 ist ein erfindungsgemäßes Radarsystem gezeigt, das getrennte elementare Quellen 3 und elementare Empfangsantennen 130 aufweist.
Jede Quelle 3 ist an einen Sender 7 angeschlossen.
Jede elementare Empfangsantenne 130 ist an einen Empfänger 5 angeschlossen.
Ferner ist jeder Empfänger an einen Codierer 6 angeschlossen.
Vorzugsweise ist ein Lokaloszillator 8 an den Sender 7, den Empfänger 5 und an den Codierer 6 angeschlossen.
Die Codierer 6 sind an die digitale Verarbeitungsvorrichtung 10 angeschlossen.
In 14 ist eine besonders leistungsfähige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind alle Codierer 6, die zu derselben Gruppe gehören, an dieselbe Schaltung 31 zur im voraus durch Berechnung erfolgenden Bündelbildung angeschlossen.
Vorzugsweise enthält die Schaltung 31 für Gruppen, die eine Anzahl von elementaren Quellen 1 aufweisen, die gleich einem Exponentialwert der Zahl 2 ist, Vorrichtungen zur Berechnung der schnellen Fouriertransformation. Die Anwendung einer Vorrichtung zur Berechnung der schnellen Fouriertransformation ermöglicht eine Verminderung des Rechenaufwandes.
Jede Schaltung 31 führt auf diese Weise einen Teil der Berechnungen durch, die andernfalls von der Schaltung 11 zur Bündelbildung durch Berechnung ausgeführt werden müßten.
Jede Schaltung 31 ist an die Schaltung 150 über Leitungen angeschlossen, die mit I und Q bezeichnet sind.
Bei 14 entspricht die Sende/Empfangs-Vorrichtung 30 der in 10 gezeigten Ausführungsform. Die Verwendung der Schaltung 31 in Kombination mit der in 13 gezeigten Vorrichtung liegt gleichfalls im Rahmen der Erfindung.
In gleicher Weise wie für die Bündelbildung ist es für die Störungsabwehr möglich, zunächst eine Unterdrückung von Störsignalen für jede Gruppe auszuführen, um anschließend eine vollständige Störunterdrückung für die gesamte Antenne auszuführen.
Beispielsweise wird eine adaptive Störungsabwehr durch das Verfahren der kleinsten Quadrate angewendet.
Die Erfindung ist in erster Linie auf die Verwirklichung von Gruppenantennen und mit solchen Antennen ausgestattete Radaranlagen anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 01711305 [0025]
- EP 2278822 [0046]

Claims

Antenne mit mehreren elementaren Sende- und/oder Empfangssonden (3), dadurch gekennzeichnet, daß jede elementare Sonde (3) einer einzigen linienförmigen Gruppenstruktur (B, Z) angehört und daß jede dieser linienförmigen Gruppenstrukturen (B, Z) wenigstens drei elementare Sonden (3) aufweist.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Lückenstruktur aufweist.
Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Gruppenstrukturen (B, Z) Symmetrieeigenschaften aufweisen, durch welche die Lokalisierung der Gruppen-Nebenzipfel (23) maximiert wird.
Antenne nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die linienförmigen Gruppenstrukturen (B, Z) ein in einen Kreis (A) eingeschriebenes Vieleck bilden.
Antenne nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppenstrukturen (B, Z) sternförmig angeordnet sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elementaren Sonden (3) regelmäßig in jeder linienförmigen Gruppe (B, Z) beabstandet sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Sonden, woraus jede Gruppenstruktur (B, Z) gebildet ist, ein Exponentialwert der Zahl 2 ist.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppenstrukturen eine im wesentlichen isotrope Verteilung im Raume aufweisen.
Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie elementare Sonden (3) für den Sendebetrieb und elementare Sonden (3) für den Empfang aufweist.
Radaranlage, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Antenne nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
Radaranlage, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Bündelbildung durch Berechnung beim Aussenden und/oder Empfang aufweist.
Radaranlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bündelbildung durch Berechnung beim Empfang durch Rechner zur Berechnung der schnellen Fouriertransformation erfolgt.
Radaranlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gruppenstruktur (B, Z) Mittel zur Reduzierung der von einem Störer ausgehenden Energie zugeordnet sind.