DE3907788A1 - Radarsignalverarbeitungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Radarsignalverarbeitungsverfah­ ren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derar­ tiges Verfahren ist beispielsweise aus "Signal processing possibilities for pulse radars using polarimetric informa­ tion" von G. Wanielik in Proc. of RADAR 1987, Int. Confe­ rence, London, Oct. 1987 bekannt.

Gemäß dem bekannten Verfahren werden die Elemente der Streumatrix, deren Zeilen und Spalten die orthogonalen Po­ larisationen für den Sende- bzw. Empfangsfall repräsentie­ ren, aus den Empfangssignalen für die einzelnen Radarzel­ len bestimmt. Für eine jeweilige Radarzelle unter Test (Testzelle) werden die Empfangssignale aus Radarzel­ len innerhalb einer bezüglich der Testzelle festgelegten Umgebung als Clutter betrachtet und daraus ein Schwellwert für die Zielentscheidung abgeleitet. Die Auswertung kann auf eine quadratische Größe zurückgeführt werden, bei wel­ cher die Elemente der Streumatrixals ein Vektor behandelt werden und die mit einem vorgebbaren festen Schwellwert für die Zielentscheidung verglichen wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, das bekannte Ver­ fahren im Sinne einer weiter verbesserten Zielentdeckung bei geringer Falschalarmrate weiterzubilden.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungen und Wei­ terbildungen der Erfindung.

Die Kombination von polarisationsgetrennter Dopplerverar­ beitung und nachfolgender dopplerfrequenzgetrennter Zusam­ menführung der Signale der verschiedenen Polarisationen bei der CFAR-Detektion ermöglicht bei gegebener Falscha­ larmrate eine Zielentdeckung noch bei deutlich geringeren Signal-Clutter-Verhältnissen SCR, als dies bei herkömmli­ cher Signalverarbeitung möglich ist, wodurch beispiels­ weise bei gleichen Sendeleistungen eine Reichweitenerhö­ hung erzielt wird. Darüberhinaus können mit geringem Zu­ satzaufwand noch Falschzielmeldungen durch Geräterauschen vermindert und kaum bewegte Ziele in der Umgebung starker Festziele entdeckt werden. Bei den einzelnen Verfahrens­ schritten kann weitgehend auf Erfahrungen aus bekannten Signalverarbeitungen, insbesondere bei Dopplerradars zu­ rückgegriffen werden. Die Erfindung ist nachfolgend noch eingehend veranschaulicht.

Das aus Proc. of RADAR 1987 bekannte Verfahren ist sowohl auf vollpolarimetrische Radars (PR), die in zwei orthogo­ nalen Polarisationen senden und empfangen, als auch auf empfangspolarimetrische Radars (RPR), die nur in einer Po­ larisation senden und in zwei orthogonalen Polarisationen empfangen, anwendbar. Bei ersteren (PR) können durch die vier verschiedenen Sendepolarisation/Empfangspolarisation- Kombinationen alle diesen Kombinationen zugeordneten vier Elemente der Streumatrix eines reflektierenden Ziels ge­ messen werden, bei letzteren (RPR) nur zwei der vier Ma­ trixelemente. Zur Zieldetektion werden die gemessenen Ele­ mente der Streumatrix als Komponenten eines Vektors behan­ delt. Für jede Radarzelle wird eine Messung vorgenommen, wobei für ein polarimetrisches Radar (PR) vorzugsweise in zwei aufeinanderfolgenden Radarperioden alternierend die Sendepolarisation umgeschaltet wird und die Messungen aus zwei aufeinanderfolgenden Radarperioden in gleichen Ent­ fernungsringen zu vollständigen Messungen der Matrixele­ mente zusammengefaßt werden. Aus den Meßwert- Vektoren der Radarzellen aus der festgelegten Umgebung, die für die Zielentscheidung in der Radarzelle unter Test (Testzelle) als Clutter betrachtet werden, wird die Kohärenzmatrix J des Clutter-Prozesses gebildet und mit dem für die Test­ zelle gemessenen Vektor s bzw. dessen konjugiert komple­ xer, transponierter Form s* ^T zu einer skalaren, positiv reellen quadratischen Größe

q = s *^T · J ^-1 · s (I)

verknüpft, die direkt mit einem Schwellwert H, über den die gewünschte Falschalarmwahrscheinlichkeit vorgegeben werden kann, verglichen wird. Für q H wird auf das Vor­ liegen eines Ziels in der betreffenden Testzelle entschie­ den.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Abbildung nach Art eines Blockschaltbilds dargestellt, wobei das Beispiel der Übersichtlichkeit halber auf ein RPR-System mit nur einer Sendepolarisation beschränkt sei.

Die rückgestreuten Signale werden von einer Antennenanord­ nung A polarisationsselektiv gleich (c) bzw. orthogonal (cr) zur Sendepolarisation polarisiert aufgenommen, einem zweikanaligen Empfängereingangsteil HF zugeführt und von diesem quadraturdemoduliert in je einem I- und einem Q-Ka­ nal als Videosignale Vc der co-polarisierten Empfangssi­ gnale und Vcr der cross-polarisierten Empfangssignale aus­ gegeben. Die Videosignale Vc sind einer ersten Dopplerfil­ terbank Fc, die Videosignale Vcr einer zweiten Dopplerfil­ terbank Fcr zugeführt. Die Doppler-Filterbänke sind iden­ tisch aufgebaut und weisen jeweils N-Ausgänge entsprechend N-Filtern bei verschiedenen Dopplerfrequenzen fi (i=1 . . . N) auf. Die kohärente Doppler-Verarbeitung von Radarechosi­ gnalen ist allgemein bekannt und daher im einzelnen nicht weiter ausgeführt.

Für jede der Dopplerfrequenzen fi ist ein polarimetri­ scher CFAR-Detektor Ci vorgesehen. Dem k-ten CFAR-Detektor Ck sind die komplexen Filterausgangssignale dkc und dkcr beider Dopplerfilterbänke zugeführt. Die CFAR-Verarbeitung kann analog zu der aus dem Stand der Technik bekannten Verarbeitung erfolgen, wobei die Vektorkomponenten durch die zur selben Radarzelle gehörenden Dopplerausgangssi­ gnale gebildet sind. Für die Zielentscheidung im CFAR-De­ tektor Ck zu einer Radarzelle unter Test, deren Doppler­ ausgangs-Signalvektor mit d _t(k) = (dkc _t, dkcr_t) ^T bezeich­ net sei, wird dann aus den entsprechenden Signalvektoren d _u(k) zu den Umgebungszellen aus einer festgelegten Umge­ bung der Testzelle in bekannter Weise die Kohärenz-Matrix J des Umgebungs-Clutters

J = < d _u · d _u*^T (II)

als Erwartungswert über alle Umgebungszellen gebildet und mit dem Signalvektor d _t der Testzelle wiederum in einer quadratischen Form verknüpft zu

q′ = d _t*^T · J ^-1 · d _t (III)

Durch den Vergleich von q′ mit einem vorgebbaren festen Schwellwert H′ wird im CFAR-Detektor Ck als Zielentschei­ dung Ek eine Zielmeldung generiert, wenn q′ H′ ist. H′ kann im Prinzip frei (<o) gewählt werden und legt die Falschalarmrate fest.

Die CFAR-Verarbeitung ist selbstverständlich nicht auf den geschilderten speziellen Weg über die Kohärenzmatrix J des Clutters beschränkt. Von den verschiedenen möglichen Ver­ arbeitungswegen sei lediglich noch einer hervorgehobenen, bei welchem an Stelle der Kohärenzmatrix J des Clutters von der Intensität sowie dem Polarisationsvektor m _u und dem Polarisationsgrad pc als Darstellungsgrößen des Sto­ kes'schen Vektors im Poincarè-Raum ausgegangen wird. Die Dopplerausgangssignale (der verschiedenen Doppler­ filterbänke bei gleicher Dopplerfrequenz) zur Radar­ zelle unter Test können in gleicher Weise als ein Stokes'scher Vektor dargestellt werden. Die Vektorkomponenten der Stokes'schen Vektoren sind reell, so daß auch bei der Verarbeitung der als Stokes'sche Vektoren dargestellten Signale nur reelle Operationen durchzuführen sind. Aus diesem Ansatz ergibt sich für die bereits eingeführte Größe q′ die anschauliche Form

q′ = SCR · B (IV)

mit SCR als Signal-Clutter-Verhältnis und B als einem Fak­ tor, der sich aus den normierten Polarisationsvektoren m _c , m _t des Clutters und der Zelle unter Test sowie dem Polari­ sationsgrad pc des Clutters zusammensetzt. Der Polarisati­ onsgrad wird annähernd zu Null für unpolarisierte Umge­ bungssignale und nähert sich mit zunehmend einheitlicher Clutterpolarisation dem Wert Eins. Aus der ausführlichen Form

q′ = SCR · [2 · (1-pc(m _c · m _t ))/(1-pc²)] = SCR · B (V)

ist leicht ersichtlich, daß der Faktor B bei gegebenen Po­ larisationsgrad pc des Clutters minimal wird, wenn die Po­ larisationsvektoren m _c , m _t von Clutter und Testzellensi­ gnal parallel liegen, und ein Maximum annimmt, wenn die beiden Polarisationsvektoren im Poincar´-Raum antipodal liegen, d.h. die mittlere Polarisation des Clutters und die Polarisation des Testzellensignals orthogonal sind. Wenn der Clutter weitgehend unpolarisiert ist, ist der ma­ ximal erreichbare Wert für B gering und B bleibt von ge­ ringem Einfluß auf q′. Bei stark polarisiertem Clutter kann B aber relativ große Werte annehmen und dadurch beim Schwellwertvergleich

q′ = SCR · B H′ (VI)

dazu führen, daß auch bei geringem SCR, das allein nicht zu einer Schwellwertüberschreitung ausreicht, das Produkt durchaus zu einer Zielentscheidung führen kann.

Beim Übergang zur nächsten Radarzelle als Zelle unter Test werden durch die relative festgelegte Umgebung teilweise neue Umgebungszellen erfaßt, während andererseits im vor­ herigen Umgebungsrahmen enthaltene Zellen nicht mehr miterfaßt sind. Vorzugsweise werden die für den Umge­ bungsclutter repräsentativen Größen wie z.B. die Kohärenz­ matrix J nicht vollständig neu gebildet, sondern aus der alten Kohärenzmatrix durch Subtraktion der Beiträge der nicht mehr umfaßten Zellen und Addition der Beiträge der neu hinzugekommenen Zellen ermittelt. Besonders einfach gestaltet sich dies, wenn als Umgebung nur in radialer Richtung vor und hinter der Zelle unter Test liegende Radarzellen als Umgebung ausgewertet werden.

Die Dopplerausgangssignale d 1 c, d 1 cr der Einzelfilter mit Dopplerfrequenz f 1=0 der Dopplerfilterbänke Fc, Fcr sind zusätzlich einer weiteren CFAR-Verarbeitung im CFAR-Detek­ tor Cz zugeführt. Bei der CFAR-Verarbeitung in Cz werden die aktuellen Dopplerausgangssignale der Radarzelle unter Test mit Signalen aus derselben Radarzelle zu anderen Zeitpunkten, z.B. anderen Antennenumläufen verglichen. Zur Unterscheidung von der ausführlich beschriebenen CFAR-Ver­ arbeitung in den Detektoren C 1 bis CN, bei welchem die räumliche Umgebung der Radarzelle unter Test zum Vergleich und zur Zielentscheidung herangezogen ist, sei die CFAR- Verarbeitung in Cz als Zeit-CFAR bezeichnet. Hierbei wer­ den die zu den anderen Zeitpunkten gewonnen Signale aus der Radarzelle unter Test als Clutter betrachtet und für die Zielentscheidung durch Vergleich mit den aktuellen Si­ gnalen herangezogen. Die Verarbeitung im Detail kann ana­ log zum Vorgehen bei der Umgebungs-CFAR in C 1 bis CN er­ folgen, wobei anstelle der Dopplerausgangssignale aus den Umgebungszellen nun die zu anderen Zeitpunkten gewonnenen Dopplerausgangssignale der Testzelle eingesetzt werden. So kann beispielsweise wiederum eine Kohärenzmatrix J _Z als maßgebende Cluttergröße gebildet und mit dem aus den aktu­ ellen Dopplerausgangssignalen d 1 c _t, d 1 cr _t gebildeten Vek­ tor d _t (1) zu einer quadratischen Größe qz analog zu (I) oder (III) verbunden werden, die dann als aktueller Ver­ gleichswert für die Zielentscheidung dient. Vorzugsweise werden nur Dopplerausgangssignale aus zurückliegenden Zeitpunkten als Cluttersignale eingesetzt. Die Bildung ei­ ner neuen Kohärenzmatrix J _M+1 des Clutters kann dann auf einfache Weise aus der zuletzt gebildeten Kohärenzmatrix J _M und aus einer Kohärenzmatrix J ₊ für den zuletzt als ak­ tuellen Signalvektor, nun neu als Clutter behandelten Signal­ vektor d _M mit J ₊= d _M · d _M *^T in rekursiver Form nach

J _M+1 = J _M (1-α) + α · J ₊ (0<α<1) (VII)

erfolgen. Der Schwellwertvergleich kann dann analog zum Vorgehen bei der Umgebungs-CFAR durch Bilden der Größe

mit d _M+1 als aktuellen Signalvektor der Testzelle und Ab­ gabe einer positiven Zielentscheidung Ez, falls qz Hz mit Hz als vorgebbarem festen Schwellwert. So wird auf vor­ teilhafte Weise die Tatsache ausgenutzt, daß die polarime­ trischen Reflexionseigenschaften von Festzielen nur lang­ sam zeitvariant sind und daher ein langsam bewegtes Ziel auch in der Nähe starken Festclutters unter Umständen durch Unterschiede im Polarisationsverhalten entdeckt wer­ den kann. Die Wirkung der Zeit. CFAR kann in Anlehnung an gebräuchliche Radarsignalverarbeitung als eine Art polari­ metrische Bodenechokarte betrachtet werden.

Die Zielentscheidung E 1 aus der Umgebungs-CFAR-Verarbei­ tung Detektor C 1 und die Zielentscheidung Ez aus der Zeit- CFAR-Verarbeitung im Detektor C _z werden in W 1 verknüpft zu einer gemeinsamen Zielentscheidung E 1′ für die Dopplerfre­ quenz f 1. Dies kann durch eine harte UND-Verknüpfung geschehen, so daß als Zielentscheidung E 1′ nur eine Ziel­ meldung ausgegeben wird, wenn in beiden CFAR-Detektoren C 1 und Cz auf das Vorliegen eines Ziels entschieden wurde. Es kann aber auch eine gewichtende Verknüpfung vorteilhaft sein in der Art, daß eine deutliche Schwellüberschreitung in einem Detektor in Verbindung mit einer geringen Schwellwertunterschreitung im anderen Detektor insgesamt zu einer Entscheidung E 1′ auf Vorliegen eines Ziels führt.

Schließlich kann für alle Dopplerfrequenzen f 1 bis fN ne­ ben dem jeweiligen Umgebungs-CFAR-Detektor (C 1 bis CN) noch je ein weiterer CFAR-Detektor vorgesehen (R 1 bis RN) sein, in welchem anstelle der clutterpräsentierenden Kohä­ renzmatrix eine entsprechende, das Geräterauschen reprä­ sentierende Größe in einer CFAR-Verarbeitung berücksich­ tigt und zum Vergleich der aktuellen Dopplerausgangssi­ gnale der Testzelle herangezogen wird. Unter der Annahme, daß das Geräterauschen als weißes Rauschen betrachtet wer­ den kann und in allen Empfangskanälen gleich ist, kann die für diesen Fall als Kohärenzmatrix des Rauschens sich er­ gebende Einheitsmatrix mit intensitätsproportionalem Vor­ faktor entfallen und die Zielentscheidung durch Vergleich der Signalintensität bei der jeweiligen Dopplerfrequenz mit einem aus der gemessenen Rauschintensität abgeleiteten Schwellwert oder in äquivalenter Weise erfolgen. Die für das Geräterauschen zugrunde gelegten Meßwerte werden vor­ teilhafterweise in der Totzeit des Radarempfängers gewon­ nen. Der Erwartungswert bei der Rausch-CFAR wird vorzugs­ weise über eine wesentlich größere Anzahl von Meßvektoren gebildet als beispielsweise bei der Umgebungs-CFAR, was zu einem besseren Schätzwert für die Kohärenzmatrix, den ab­ geleiteten Schwellwert oder dergleichen führt. Die aus der Rausch-CFAR-Verarbeitung gewonnenen Zielentscheidungen (ER 1 bis ERN) werden mit der bzw. den anderen Zielent­ scheidungen derselben Dopplerfrequenz zu einer einheitli­ chen Zielentscheidung (E 1′ bis EN′) je Dopplerfrequenz verbunden (W 1 bis WN). Dies kann z.B. nach dem gleichen Prinzip geschehen wie für die Verknüpfung von E 1 und Ez bereits beschrieben.

Eine Auswerteeinrichtung W verarbeitet alle Zielentschei­ dungen zu einer Zielinformation ZI, in welcher einzelne Zielmeldungen bestätigt oder aufgehoben, einem oder mehre­ ren Zielen zugeordnet sein können usw. Die Zielinforma­ tion kann zur weiteren Auswertung beispielsweise in einer Anzeige, einem Zielverfolgungsrechner, einem Zielklassifikator oder dergleichen benutzt werden.

Während in den vorstehenden Beispielsfällen immer ein emp­ fangspolarimetrisches Radar (RPR) zugrunde gelegt war, bei welchem nur zwei der vier Elemente der Streumatrix be­ stimmt werden können, gelten diesselben überlegungen in analoger Weise für ein vollpolarimetrisches Radar (PR), bei welchem auch in orthognalen Polarisationen gesendet wird. Vorzugsweise wird von Sendepuls zu Sendepuls die Sendepolarisation alternierend umgeschaltet.

Zur Verarbeitung der zweikanalig empfangenen Signale sind dann entsprechend den vier möglichen Sendepolarisa­ tion/Empfangspolarisation-Kombinationen vier parallele Dopplerfilterbänke vorgesehen, die paarweise je einer der Sendepolarisationen zugeordnet sind. Bei durchgehender Nummerierung der aufeinanderfolgenden Radarperioden z.B. werden in allen ungeradzahligen Perioden Pulse der ersten Sendepolarisation abgestrahlt und die entsprechenden Emp­ fangssignale dem ersten Paar der Dopplerfilterbänke zuge­ führt. In allen geradzahligen Perioden werden Pulse der zweiten Sendepolarisation abgestrahlt und die Empfangssi­ gnale dem zweiten Paar der Dopplerfilterbänke zugeführt.

In den CFAR-Detektoren werden dann jeweils vier komplexe Dopplerausgangssignale derselben Radarzelle zusammen ver­ arbeitet, z.B. als Signalvektor mit vier komplexen Kompo­ nenten, wobei der Zeitversatz der Ausgangssignale zwischen dem ersten und dem zweiten Paar als Dopplerfilterbänke zu berücksichtigen ist.

Je nach anfallender Datenrate und Verarbeitungsgeschwin­ digkeit der Bauteile oder Baugruppen in den einzelnen Ver­ arbeitungsschritten können durch den Einsatz von Zwischen­ speichern evtl. Baugruppen im Zeitmultiplex mehrfach ein­ gesetzt werden. Dies gilt in besonderem Maße für die bei­ den Paare von Dopplerfilterbänken, die dadurch auf ein Paar oder gar nur eine Dopplerfilterbank reduziert werden können.

Claims (5)

1. Radarsignalverarbeitungsverfahren für ein polarimetri­ sches Radar mit Einrichtungen zum Aussenden und/oder Emp­ fangen von Radarsignalen in zwei orthogonalen Polarisa­ tionen und mit je einem Empfangskanal für die beiden or­ thogonalen Polarisationen, bei welchem für eine Umgebungs- CFAR-Zieldektion in einer Radarzelle unter Test die Infor­ mation der zu dieser Zelle und zu Umgebungszellen polarisationsselektiv empfangenen Signale verknüpft wer­ den, dadurch gekennzeichnet,daß für jede Sendepolarisa­ tion/Empfangspolarisation-Kombination getrennt die Emp­ fangssignale identischen Dopplerverarbeitungen unterzogen werden und daß die komplexen Dopplerausgangssignale glei­ cher Dopplerfrequenz zu allen Polarisationskombinationen für die Radarzelle unter Test und deren Umgebungszellen bei der Umgebungs-CFAR-Zieldetektion verknüpft werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dopplerausgangssignale gleicher Frequenz zu allen Po­ larisationskombinationen für die Radarzelle unter Test zu­ sätzlich und parallel zu der Umgebungs-CFAR-Zieldetektion einer weiteren Rausch-CFAR-Zieldetektion gegenüber Gera­ terauschen unterzogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dopplerausgangssignale bei Dopplerfrequenz Null zu allen Polarisationskombinationen für die Radar­ zelle unter Test zusätzlich einer Zeit-CFAR-Zieldetektion durch Verknüpfung mit zu anderen Zeitpunkten für dieselbe Radarzelle gewonnenen Dopplerausgangssignalen bei Doppler­ frequenz Null unterzogen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die für eine Radarzelle bei einer Dopplerfrequenz mittels verschiedener CFAR-Verarbeitungen gewonnenen Zielentscheidungen zu einer einheitlichen Zielentscheidung verknüpft werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß für ein vollpolarimetrisches Pulsradar, d.h. mit Abstrahlung von Radarsignalen in zwei orthogonalen Polarisationen, die Sendepolarisation von Ra­ darperiode zu Radarperiode alternierend umgeschaltet wird und dementsprechend bei den Dopplerverarbeitungen der Emp­ fangssignale nur jeweils die in jeder zweiten Radarperiode empfangenen Signale gemeinsam verarbeitet werden.