DE3922086C1 - - Google Patents
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- G01S13/904—SAR modes
- G01S13/9082—Rotating SAR [ROSAR]
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Radargerät gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Radargerät mit synthetischer Apertur auf der Basis
rotierender Antennen (ROSAR) ist aus der Zeitschrift ntz-Archiv, Band 9,
1987, Heft 1, S. 13-23 bekannt. Die Antennen sind hierbei an den Enden
eines rotierenden Tragarmes angeordnet, z. B. an den Blattspitzen von
Hubschrauberrotoren. Das Radarverfahren mit synthetischer Apertur beruht
auf der Auswertung der Dopplerinformation für jeden einzelnen Punkt am
Boden innerhalb der realen Antennenkeule und setzt daher eine
Relativbewegung der Antenne und ein gepulstes kohärentes Radargerät
voraus. Die Relativbewegung der Antenne wird bei einem ROSAR-Gerät durch
die Rotationsbewegung der Antennen gegenüber dem zu detektierenden Ziel
erzeugt. Das Empfangssignal wird Puls für Puls mit einem aus der
Beleuchtungsgeometrie abgeleiteten Satz von Referenzfunktionen
kreuzkorreliert, wobei für jedes Entfernungselement bzw. jede
Auflösezelle am Boden eine Referenzfunktion vorhanden ist. Diese
rechnerintensive Verarbeitung stellt ein angepaßtes Filter dar, das zu
einer höheren Querauflösung führt als es der realen Antennenkeule
entspricht. Auf diese Weise kann die Auflösung mit synthetischer Apertur
gegenüber der Auflösung mit realer Apertur um eine Größenordnung erhöht
werden.
Sind die Antennen an den Blattspitzen eines Hubschrauberrotors
angeordnet, so ist die Umlaufgeschwindigkeit an den Blattspitzen mit ca.
200 m/sec wesentlich höher als die Marschgeschwindigkeit des
Hubschraubers über Grund. Die Doppelinformation, die aufgrund der
Rotationsgeschwindigkeit der Blattspitzen erzeugt wird, ist somit
wesentlich höher als diejenige, die aufgrund der Translationsbewegung
des Hubschraubers zustandekommt, so daß diese letztere
Dopplerverschiebung im allgemeinen nicht berücksichtigt zu werden
braucht. Durch die in den Rotorblattspitzen angebrachten Antennen wird
durch deren schräge Blickrichtung nach unten ein Kreisring
ausgeleuchtet, wobei die beleuchtete Streifenbreite vom Öffnungswinkel
in Elevation, dem Depressionswinkel, d. h. dem Winkel zwischen der
Blickrichtung der Antenne und der Horizontalen, und der Höhe der Antenne
über Grund abhängig ist. Aus dem beleuchteten Streifen stammende Echos
werden aufgrund ihrer Dopplermodulation zu höherer Azimutauflösung
komprimiert, wobei für jeden Entfernungspunkt am Boden die
Doppler-Zeitfunktion als zugehörige Referenzfunktion bekannt ist. Diese
Referenzfunktion kann für jeden Aufpunkt am Boden deterministisch
berechnet werden. Das gesamte Radarsystem stellt somit ein angepaßtes
Filter dar, wobei eine fokussierte Verarbeitung vorausgesetzt wird.
Wenn mit einem solchen ROSAR-Gerät eine annehmbare Auflösung im Bereich
eines Meters erreicht werden soll, müssen eine Vielzahl von
Korrelationsberechnungen innerhalb kurzer Zeit erfolgen, d. h. es muß ein
ungeheurer Datenfluß verarbeitet werden. Ein Prozessor, der diesen
Datenfluß bearbeiten könnte, müßte eine spezielle, auf das ROSAR-Prinzip
angepaßte Prozessor-Struktur aufweisen und konnte in dem angesprochenen
Artikel nicht angegeben werden.
Aus der DE 28 35 932 C2 ist ein ROSAR-Gerät bekannt, bei dem die
Antennen in den Blattspitzen eines Hubschrauberrotors angeordnet sind.
Dieses Gerät soll als Kartographier-Radargerät eingesetzt werden. Um die
Prozessor-Struktur zu vereinfachen und eine herkömmliche
Signalverarbeitung zu ermöglichen, werden bei diesem Konzept jedoch
einige Beschränkungen vorausgesetzt: So sollen im wesentlichen nur
stationäre Ziele, jedoch keine bewegten Ziele erfaßt werden. Die
Korrelationsrechnungen können dadurch über mehrere Perioden der
Rotordrehung zusammengefaßt werden, wodurch dieses ROSAR-Gerät jedoch
nicht als Echtzeit-Radargerät zu bezeichnen ist, demnach z. B. nicht für
die Navigation oder gar Zielverfolgung zu verwenden ist. Außerdem wird
bei diesem bekannten Konzept die Flughöhe des Hubschraubers über Grund
vernachlässigt.
Außerdem ist auch keine Berücksichtigung der
Verzerrung der ausgeleuchteten Bereiche durch die rotierenden Antennen,
d. h. die Krümmung der einzelnen Auflösungszellen, vorgesehen. Diese
Krümmung wird als Range-Curvature bezeichnet.
Aus der US-PS 46 38 315 ist ein Radargerät mit synthetischer Apertur
bekannt, bei dem der Radarsender fest, z. B. in der Hubschrauberkabine
installiert ist, während die Empfangsantenne rotiert und z. B. an der
Rotorblattspitze angeordnet ist. Der Radarsender beleuchtet das zu
überwachende Gebiet, während die reflektierten Signale von der drehenden
Antenne aufgenommen werden. Die dadurch erzeugte Dopplerverschiebung
wird durch Generierung eines Pilotsignales kompensiert. Durch eine
Frequenzmischung kann dann ein Entfernungssignal erhalten werden. Dieses
Radargerät ist im eigentlichen Sinne kein ROSAR-Gerät, da auf die
Bildung von Referenzfunktionen und eine Kreuzkorrelation verzichtet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Prozessor-Struktur,
insbesondere für die Bildung der Referenzfunktionen anzugeben, mit der
die Auflösung des ROSAR-Gerätes erhöht und Verzerrungen der errechten
Daten soweit wie möglich vermieden werden.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Demgemäß wird in einem Geometriebaustein aus dem Öffnungs- und
Depressionswinkel der Antenne, der Länge des rotierenden Armes und der
Höhe der Antenne über Grund die Breite eines von der Antenne
ausgeleuchteten Entfernungsstreifens und der Entfernungsunterschied
zwischen den Strahlen von der Antenne zum vorderen bzw. hinteren
ausgeleuchteten Streifenrand berechnet. In einer Schaltung wird dieser
ausgeleuchtete Streifen in eine bestimmte Anzahl von
Entfernungsintervallen bzw. Entfernungszellen aufgelöst. Für diese
einzelnen Entfernungszellen werden dann die Referenzfunktionen
berechnet. Durch eine gesteuerte Kreuzkorrelation der einlaufenden
Signale mit den Referenzfunktionen der zugeordneten Entfernungszellen
wird dann das eigentliche Ergebnissignal erhalten, das in bekannter
Weise gespeichert und ggf. angezeigt wird.
Die Schaltung zum Unterteilen des ausgeleuchteten Streifens in eine
bestimmte Anzahl von Entfernungszellen weist hierbei vorzugsweise einen
Baustein zum Berechnen der Anzahl dieser Entfernungszellen innerhalb des
ausgeleuchteten Streifens auf, wobei diese Berechnung aus dem
berechneten Entfernungsunterschied sowie der Antennencharakteristik und
der gewünschten Radialauflösung erfolgt. Aus dieser Anzahl können dann
die einzelnen Entfernungsintervalle innerhalb des ausgeleuchteten
Steifens berechnet werden. Ferner ist ein Baustein zum Berechnen der
Integrationszeit für die einzelnen Entferungsintervalle sowie ein
Baustein zum Berechnen der Anzahl der Sendeimpulse und des
Drehwinkelbereiches für die Entferungsintervalle aufgrund der
Integrationszeit vorgesehen. Mit einer solchen Schaltung ist
sichergestellt, daß jeweils nur Signale aus vorher bestimmten
Entfernungsintervallen miteinander kreuzkorreliert werden.
Durch eine Aufteilung der Prozessor-Struktur in einzelne Bausteine, die
jeweils für spezielle Aufgabe ausgelegt sind, ist es möglich, trotz des
hohen Datenflusses die einlaufenden Signale so zu verarbeiten, daß mit
angemessenem Aufwand eine hohe Auflösung erzielt wird. Eine Bilderzeugung
wird hier überhaupt erst möglich.
Wenn die Antennen an den Blattspitzen eines Hubschrauberrotors
angeordnet sind, so ist es mit Hilfe eines Kinematiksensors, z. B. mit
Hilfe von Beschleunigungsaufnehmern möglich, den Höhenschlag des
Hubschrauberrotors und auch die Abweichung von der konstanten
Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen und diese Meßwerte zur Korrektur der
Auswertung zu verwenden. Die durch den Höhenschlag und die variierende
Winkelgeschwindigkeit notwendigen Korrekturen der jeweils errechneten
Referenzfunktionen werden durch Hinzufügung einiger Korrekturterme
möglich.
Ein ROSAR-Gerät gemäß der Erfindung kann z. B. für die Luftaufklärung,
für die Navigation, z. B. für die Navigation von Rettungshubschraubern,
für die Kartographie, zur Vermessung der Dimensionen von Meereswellen,
zur Suche offener und verdeckt liegender Landminen usw. verwendet
werden. Das Radargerät kann stationär oder auf Fahrzeugen angeordnet
sein. Durch die angegebene Ausgestaltung der Prozessor-Struktur ist es
insbesondere auch möglich, Radarsignale aus dem Nahbereich effektiv und
quasi in Echtzeit zu verarbeiten, was für Navigationsverfahren
unverzichtbar ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
Die Erfindung ist ein einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung
näher erläutert. In dieser stellen dar:
Fig. 1a und 1b die nicht maßstabsgerechte Beleuchtungsgeometrie eines
ROSAR-Gerätes, dessen Antennen an den Rotorblattspitzen eines
Hubschraubers angeordnet sind;
Fig. 2a und 2b einen Ausschnitt aus der Beleuchtungsgeometrie zur Erläuterung
von maßgeblichen Parametern;
Fig. 3 einen Ausschnitt aus der Beleuchtungsgeometrie zur Erläuterung
der Lage der Entfernungsintervalle innerhalb eines
ausgeleuchteten Streifens;
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines ROSAR-Prozessors gemäß der Erfindung,
bei dem zur Bildung der Referenzfunktion ein Geometriebaustein,
ein Baustein zur Berechnung der Anzahl der
Entfernungsintervalle innerhalb eines ausgeleuchteten Streifens, ein
Baustein zum Berechnen der Entfernungsintervalle, ein Baustein für
die Bestimmung der Integrationszeit für die einzelnen
Entfernungsintervalle und ein Baustein zum Berechnen von
Stützstellen für die Referenzfunktion sowie Bausteine zum Erzeugen
und Speichern der Referenzfunktionen für einzelne
Entfernungsintervalle vorgesehen sind;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Geometriebausteines;
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Bausteins zum Berechnen der
Anzahl der Entfernungsintervalle;
Fig. 7 schematisch einen Baustein zum Berechnen der einzelnen
Entfernungsintervalle;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Bausteines zum Berechnen der
Integrationszeit;
Fig. 9 eine schematische Darstellung des Bausteines zum Bestimmen der
Stützstellen für die Berechnung der Referenzfunktionen;
Fig. 10 eine schematische Darstellung des Bausteines für die Berechnung
der Referenzfunktionen;
Fig. 11a und 11b je eine Prinzipdarstellung eines Speichers für die
Referenzfunktionen bzw. die abgetasteten Empfangssignale;
Fig. 12 eine Prinzipdarstellung des Korrelators;
Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Bausteines für die
Referenzfunktionen bei unterschiedlichen Näherungsbedingungen;
Fig. 14 eine schematische Ansicht der Blattspitze eines
Hubschrauberrotors mit einer Antenne und einem Kinematiksensor
zur Berücksichtigung des Höhenschlages des Rotors und der
nichtkonstanten Rotorfrequenz;
Fig. 15 eine schematische Darstellung eines Hubschraubers mit einem
modifizierten ROSAR-Gerät gemäß der Erfindung;
Fig. 16 eine Blockschaltdiagramm für die drahtlose Energieübertragung
zwischen einem Hubschrauber und den Rotoren.
Die in den Figuren angegebenen Formeln sind unmittelbarer Bestandteil
dieser Beschreibung, auch wenn nicht ausdrücklich auf die jeweilige
Figur hingewiesen wird. Dies dient zur Leseerleichterung.
Ein Hubschrauber 1 weist einen vierblättrigen Rotor 2 auf, an dessen
Blattspitzen in einer Entfernung L von der Rotorachse jeweils eine
Antenne 3 angeordnet ist. Der Rotor dreht mit einer
Winkelgeschwindigkeit Omega-Null. Der Öffnungswinkel der einzelnen
Antennen im Azimut ist Gamma, der Öffnungswinkel der Antennen in
Elevation Epsilon sowie der Depressionswinkel der Antennenblickrichtung
gegenüber der Horizontalen Theta. Bei der Rotation des Rotors 2 wird
somit am Boden ein Kreisring 4 mit einer Streifenbreite SW entsprechend
Fig. 1b ausgeleuchtet. Die momentan von einer Antenne 3 ausgeleuchteten
Bereiche innerhalb des Kreisringes 4 sind durch die hellen Ovale 5
dargestellt.
In den Fig. 2a und 2b ist diese Beleuchtungsgeometrie in Elevation
bzw. Azimut detaillierter dargestellt. Der innere Rand des
ausgeleuchteten Kreisringes 4 mit der Streifenbreite SW liegt am Boden
in einer Entfernung R G 1 vom projizierten Hubschraubermittelpunkt, wobei
dessen Entfernung zwischen der Antenne R S 1 beträgt. Mit Theta₁ ist der
Depressionswinkel zwischen der Antenne und diesem Aufpunkt bezeichnet.
Die Größen R G 2, R S 2 und Theta ₂ gelten für den entsprechenden Aufpunkt am
äußeren Rand des ausgeleuchteten Kreisringes 4. R G 0 und R S 0 gelten für
den Aufpunkt am Boden im Hinblick auf die zentrale Blickrichtung der
Antenne mit dem Depressionswinkel Theta. Die Differenz zwischen R S 2 und
R S 1 ist in Fig. 2 mit Delta R S gekennzeichnet.
Gemäß Fig. 3 wird die Streifenbreite des Kreisringes zwischen R G 1 und
R G 2 in einzelne radial gleich große Entfernungsintervalle 6 aufgeteilt,
deren radiale Mittelpunkte bei den Entfernungen R g 1, R g 2 bis R gN liegen.
Die Gesamtanzahl dieser Entfernungsintervallen 6 ist N. Diese Anzahl
hängt von der minimalen Radialauflösung Delta R Smin ab.
In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Prozessors für ein ROSAR-Gerät
beschrieben, wobei in der oberen Hälfte des Blockschaltbildes diejenigen
Bausteine dargestellt sind, die zur Erzeugung der Referenzfunktionen
notwendig sind, und in der unteren Hälfte diejenigen Bausteine, die dem
Empfang der am Boden reflektierten Signale dienen. Die Referenzsignale
und die empfangenen Signale werden in einem Korrelator 7 korreliert und
an einen Speicher 8, z. B. an ein Magnetband, ausgegeben. Eine
zusätzliche Anzeige auf einem Monitor 9 ist möglich.
Für die Ermittlung der Referenzfunktionen ist ein Geometriebaustein 10
vorgesehen, ferner ein Baustein 11 für das Bestimmen der Anzahl der
Entfernungsintervalle, ein Baustein 12 für die Angabe der einzelnen
Entfernungsintervalle, ein Baustein 13 für die Angabe der
Integrationszeit, ein Baustein 14 für die Angabe von Stützstellen für
die Referenzfunktionen und schließlich ein Baustein 15 für die
Ermittlung der Referenzfunktionen aus den zugeführten Daten für die
einzelnen Entfernungsintervalle. Diese Referenzfunktionen werden einem
Speicher 16 zugeführt, der die Referenzsignale an den Korrelator 7
liefert. Die Behandlung der Empfangssignale S E ist im wesentlichen
herkömmlicher Art. Das gespeicherte Empfangssignal wird als
Zwischenfrequenzsignal einem Quadraturdemodulator 21 zugeführt und durch
Quadraturmischung verarbeitet und in eine Inphase-Komponente des
Echosignales I e und eine Quadratur-Komponente Q e des Echosignales
zerlegt. Diese Komponenten werden Analog-Digital-Wandlern 22 bzw. 23
zugeführt, an deren Ausgang dann diskrete Abtastwerte Î e bzw. e der
Wortlänge U anliegen. Diese komplexen Echosignale werden in
Zwischenspeichern 24 bzw. 25 abgelegt, die jeweils N Speicherplätze
entsprechend den oben erwähnten N Entfernungsintervallen aufweisen. Die
Abtastwerte der Zwischenspeicher werden einem Speicher 26 für die
Empfangssignale zugeführt, der seinerseits ausgangsseitig mit dem
zweiten Eingang des Korrelators 7 verbunden ist.
Die Arbeitsweise des gesamten Prozessors wird durch einen Taktgeber 27
gesteuert, der ein Taktsignal Cl an die Bausteine zur Erzeugung der
Referenzfunktion als auch an die Bausteine zur Bearbeitung der
Empfangssignale sowie an den Korrelator abgibt.
In Fig. 5 ist der Geometriebaustein 10 dargestellt, und zwar anhand der
in ihm zu berechnenden Funktionsgrößen, die er aus Eingangsgrößen
ermittelt und daraus entsprechende Ausgangsgrößen berechnet.
Eingangsgrößen sind die Höhe über Grund H₀, der Depressionswinkel Theta,
der Öffnungswinkel Epsilon der Antennen in Elevation und die Entfernung
der Antenne vom Drehpunkt, d. h. die Länge L des Rotorblattes. Anhand der
in dem Block 10 dargestellten geometrischen Beziehungen ergeben sich
zwangsläufig die Ausgangsgrößen, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt
sind, nämlich Theta₁, Theta₂, R G 0, R G 1, R G 2, R S 0, R S 1, R S 2, SW und Delta
R S . Aus der Ausgangsgröße Delta R S werden in dem Baustein 11 anhand der
angegebenen Formeln die Echodauer t e und die Anzahl N der
Entfernungsintervalle innerhalb des beleuchteten Streifens errechnet.
Zur Berechnung der Echodauer ist noch die Lichtgeschwindigkeit C als
Eingangsgröße vorzugeben. Die Anzahl N entspricht der Anzahl der
Auflösungszellen entsprechend der einzelnen Entfernungsintervalle R g 1
bis R gN in radialer Richtung am Boden entsprechend Fig. 3.
Der Baustein 10 berechnet aus der Eingangsgröße R G 1, die von dem
Geometriebaustein 10 geliefert wird, und der Anzahl N aus dem Baustein
11 die tatsächlichen Werte für die einzelnen Entfernungsintervalle R gn ,
wie in Fig. 7 dargestellt. Die Anzahl N der Entfernungsintervalle wird
einem Zähler 31 zugeführt, der aus dem Eingangswert n bis N jeweils
einen Ausgangswert x n berechnet, der um den Wert 1/2 gegenüber dem
Eingangswert vermindert ist. Die Ausgangssignale des Zählers 31 werden
gemeinsam mit dem Signal Delta R Smin für die Radialauflösung und dem
Signal R G 1 einem Funktionsblock 32 zugeführt, in dem entsprechend der
angegebenen Formel die Werte R gn für die einzelnen Entfernungsintervalle
berechnet werden.
Diese Werte werden dem Baustein 13 zugeführt. Dieser Baustein erhält
ferner über einen Zähler 33 jeweils die zugeordnete Zahl n der insgesamt
N Entfernungsintervalle und berechnet aus diesen Werten und dem
Öffnungswinkel Gamma der Antenne in Azimut, der Länge L des Rotorblattes
und der Winkelgeschwindigkeit Omega-Null des Rotorblattes gemäß den in
Fig. 8 angegebenen Formeln die synthetische Apertur S, die
Integrationszeit T S und den Drehwinkelbereich Alpha S der Integration,
jeweils für eines der Entfernungsintervalle, was durch den Index n
angegeben ist. Dieser Index läuft von 1 bis N.
In dem Baustein 14 werden aufgrund der Integrationszeit T Sn für jedes
Entfernungsintervall und der Pulswiederholfrequenz f p des Radargerätes
die Anzahl Z Sn der Stützstellen für die Referenzfunktion während der
Integration, die Schrittweite Delta Alpha der Stützwerte für die
Dopplerabtastung und die Referenzfunktion sowie die Gesamtanzahl Z B der
Stützstellen für eine volle Umdrehung einer Antenne berechnet. Weitere
Eingangsgrößen sind wiederum die Gesamtanzahl N der
Entfernungsintervalle, die getaktet einem Zähler 34 zugeführt werden,
der die Berechnung der Ausgangsgrößen für jedes Entfernungsintervall n
gewährleistet. Weitere Eingangsgrößen sind wiederum die
Winkelgeschwindigkeit Omega-Null des Rotors und die Abbildungsdauer T B .
Diese Abbildungsdauer ist die gesamte Zeitdauer, während der eine
Beleuchtung der Umgebung erfolgt. Ihr Maximalwert ist für einen Umlauf
des Rotors durch den Umfang der Rotorblattebene und die
Umlaufgeschwindigkeit festgelegt.
Die Anzahl der Stützstellen, die von der Pulswiederholfrequenz und der
Integrationszeit abhängt, bestimmt die Kapazität des Speichers 16 für
die Referenzfunktionen. Der Speicher wird für die maximal vorkommende
Anzahl von Stützstellen ausgelegt, d. h. für eine Anzahl, die längs des
äußeren Streifenrandes des beleuchteten Kreisringes vorhanden ist.
Dieser Anzahl der Stützstellen ist direkt die Schrittweite Delta Alpha
der Stützwerte entsprechend einem jeweiligen Winkelbereich für die
Integration zugeordnet.
Aus den Werten R gn , Delta Alpha, Z Sn und der Antennengröße H₀ über Grund
können dann die Referenzfunktionen S R in dem Baustein 15 gemäß Fig. 10
anhand der dort angegebenen Formeln berechnet werden. Für diese Rechnung
werden die Wellenlänge lambda, die Rotorblattlänge L und die Kreiszahl
vorgegeben. Die Berechnung erfolgt in einem Funktionsblock 36, dem über
einen Zähler 37 noch die Nummer n des jeweiligen Entfernungsintervalles
zugeführt wird.
Die Referenzfunktion S R ist aus einem Realteil I R und einem Imaginärteil
Q R zusammengesetzt. Dies gilt für jedes Entfernungsintervall 1 bis N,
was durch den weiteren Index n ausgedrückt ist. Die Formeln, die dieser
Berechnung zugrundliegen, sind in dem Funktionsblock 36 entsprechend
Fig. 10 als mit einem Dach gekennzeichnete Abtastwerte angegeben. Die
Berechnung der Referenzfunktionen erfolgt für alle
Entfernungsintervalle, so daß die Abtastwerte jeweils über die Zahl Z S
der Sendeimpulse aufsummiert werden.
Die für alle Entfernungsintervalle ermittelten Referenzfunktionen werden
dem Speicher 16 zugeführt, dessen Aufbau schematisch in Fig. 11a
dargestellt ist. Dieser Speicher ist in Zeilen und Spalten aufgeteilt,
wobei in jeder Zeile eines Referenzfunktion für ein Entfernungsintervall
gespeichert ist. Die Anzahl der Zeilen wird durch die Anzahl N der
Entfernungsintervalle bestimmt, die Anzahl der Spalten durch die Anzahl
Z SN der Stützstellen über die berücksichtigte Aperturlänge. Die Anzahl
der Stützstellen wird durch den gewünschten Gesamtblickwinkel des
Radargerätes bestimmt, der z. B. 180° ist, wenn nur eine Detektion von
Zielen in Vorwärtsrichtung, bezogen auf die Flugrichtung des
Hubschraubers, gewünscht ist. Die Kapazität K R ist bestimmt durch das
Produkt aus der Gesamtanzahl Z SN der Stützstellen, durch die Anzahl Z A
der Abtastwerte in radialer Richtung und den doppelten Wert der
Wortlänge U der digital gewandelten Signale, da diese als komplexe Werte
vorliegen.
In ähnlicher Weise werden die Abtastwerte der empfangenen Signale in dem
Speicher 26 gemäß Fig. 11b aufgenommen. Die Speicherkapazität K E dieses
Speichers 26 ist bestimmt durch das Produkt aus der Zahl Z B der
Sendeimpulse in lateraler Richtung, der Anzahl Z A der Abtastwerte in
radialer Richtung und wiederum der doppelten Wortlänge U der digital
gewandelten Empfangssignale.
In dem Korrelator 7 werden getaktet für jedes betrachtete
Entfernungsintervall die von dem Speicher 26 gelieferten Real- und
Imaginärwerte der Empfangssignale mit den entsprechenden Werten der
Referenzfunktionen verglichen und komplex kreuzkorreliert. Im Korrelator
7 wird über einen Zähler 41 die jeweilige Nummer des betrachteten
Entfernungsintervalles als Vorgabe zugeführt, außerdem werden als
Vorgabewerte die Winkelgeschwindigkeit Omega-Null des Rotorblattes, die
Anzahl Z B der Sendeimpulse in lateraler Richtung entsprechend der Anzahl
der Stützwerte und die jeweilige Schrittweite Delta Alpha der Stützwerte
für die Dopplerabtastung und die Referenzfunktion zugeführt. Die
Korrelationsergebnisse für die einzelnen Abtastungen werden als
Ergebnissignale on (t) an den Speicher 8 bzw. den Monitor 9 abgegeben.
Mit der angegebenen Prozessorstruktur wird die Korrelation in Echtzeit
für alle Werte der Eingangsparameter berechnet. Im Falle, daß die Länge
L des Rotorblattes sehr klein gegenüber der Entfernung R G 1 am Boden
zwischen dem Antennendrehpunkt und dem inneren Rand des ausgeleuchteten
Streifens ist, können die Funktionsberechnungen innerhalb des
Geometriebausteines 10 vereinfacht werden. Daraus resultiert dann auch
eine einfachere Berechnung der Referenzfunktion, die unmittelbar aus den
angegebenen Formeln hervorgeht. Hieraus kann für die Berechung der
Referenzfunktion und der Korrelation eine erste Näherung durch eine
einfachere Schaltung erfolgen, die in Fig. 13 durch den Block 51
dargestellt ist. Wird zudem noch R G 0 sehr groß gegenüber L und
gleichzeitig gegenüber der Höhe H₀ der Antenne über Grund, so können die
angegebenen Formeln weiter vereinfacht werden. Die Schaltungen für die
Erzeugung der Referenzfunktion können in diesem Falle fest verdrahtet
werden und sind in Fig. 13 durch den Funktionsblock 52 dargestellt. Nur
für die übrigen Fälle, d. h. im wesentlichen für die Detektion von Zielen
im Nahbereich, muß die oben angegebene vollständige Lösung verwendet
werden. Bei der Verwendung des ROSAR-Gerätes an einem Hubschrauber, z. B.
zur Navigationsunterstützung, kann damit der größte Teil aller
Navigationsaufgaben mit den Näherungslösungen, d. h. im wesentlichen mit
fest verdrahteten Schaltungen erfüllt werden.
Wie aus den Formeln für die Referenzfunktionen hervorgeht, ist diese von
der Winkelgeschwindigkeit des Rotorblattes und auch der Höhe über Grund
abhängig. Die Freiheitsgrade der Rotorblattsitze bei der Kreisbewegung
sind radiale Abweichungen von der Kreisbahn, Höhenabweichungen und
Verdrehungen um die Rotorachse. Hinzu kommt noch ggfs. eine
nichtkonstante Winkelgeschwindigkeit. Die Achsverdrehung und die
Radialabweichung können im wesentlichen vernachlässigt werden, sofern
das Rotorblatt gut ausgewuchtet ist. Hiermit verbleibt für die Korrektur
der Referenzfunktionen im wesentlichen nur der Höhenschlag des
Rotorblattes und die Abweichung von der konstanten
Winkelgeschwindigkeit. Um diese beiden Größen zu erfassen, ist an den
Blattspitzen jeweils ein Kinematiksensor 61 aus zwei
Beschleunigungssensoren 62 und 63 angeordnet, wobei mit dem
Beschleunigungssensor 62 der Höhenschlag und mit dem
Beschleunigungssensor 63 Abweichungen von der konstanten
Winkelgeschwindigkeit bestimmt werden. Die zeitlichen Schwankungen der
Höhe der Antenne über Grund kann durch eine doppelte Integration der mit
dem Beschleunigungssensor 62 erfaßten Signale ermittelt werden,
wohingegen die Abweichungen der Kreisfrequenz durch eine einfache
Integration der Signale des Beschleunigungssensors 63 dividiert durch
die Rotorblattlänge erfaßt werden. Diese zeitabhängigen Korrekturen
werden in der Gleichung für die Referenzfunktion anstelle der dort
vorhandenen konstanten Größen H₀ und Omega-Null eingesetzt.
In der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß sowohl die
Sendeantennen als auch die Empfangsantennen an den Blattspitzen des
Rotors angeordnet sind. Es ist zwar durchaus möglich, die für die
Betätigung der Sendeantennen notwendige Energie von der
Hubschrauberzelle zu den Antennen über eine Drehkopplung zu übertragen.
Es ist jedoch auch möglich, wie in Fig. 15 gezeigt, die Sendeantenne 61
fest, z. B. auf dem Rotormasten des Hubschraubers zu montieren und nur
die Empfangsantenne 72 in die Blattspitze des Rotors 2 zu integrieren.
Nachdem jetzt die Dopplerinformation nur über die drehenden
Empfangsantennen und nicht noch zusätzlich über die Sendeantenne
erzeugt wird, können die oben angegebenen Formeln bei sonst gleichen
Parametern hinsichtlich der Dopplerinformation durch den Faktor 2
dividiert werden.
Die Energieübertragung zwischen der Empfangsantenne 72 und der
Auswerteschaltung 73 des ROSAR-Gerätes erfolgt drahtlos, und
vorzugsweise opto-elektronisch. Hierzu ist die Empfangsantenne mit einem
opto-elektronischen Koppler 74 verbunden, der die elektrischen Signale
der Antenne in optische Signale umwandelt, die über Lichtleitfasern 75
innerhalb des Rotorblattes übertragen und im Bereich der Drehachse des
Rotorblattes mit einer Photodetektoranordnung 76 zusammenarbeiten. Der
Photodetektoranordnung 76 ist eine Anordnung 77 aus opto-elektronischen
Kopplern zugeordnet, die die Lichtsignale in elektrische Signale
umwandeln und diese der Auswerteschaltung 73 zuführen. Auch die
Energieübertragung zwischen Rumpf und Antenne, z. B. zur Versorgung des
elektrooptischen Kopplers 74 erfolgt drahtlos, z. B. mit Hilfe einer hier
nicht dargestellten Ringschlitzleitung bzw. einer Laseranordnung. Im
letzten Falle enthält die Anordnung 76 auch aktive Laser-Senderdioden,
deren Licht in die Lichtleitfasern 75 eingekoppelt und im Bereich der
Blattspitze in elektrische Energie für den opto-elektronischen Koppler
74 rückgewandelt werden. Dies ist schematisch in Fig. 16 dargestellt.
Die von den Laserdioden der Anordnung 76 ausgesendete Laserstrahlung
wird über eine Linsenanordnung 78 im Bereich der Drehachse des Rotors in
das Blatt übertragen, dort mit Hilfe einer Laserdiode 79 empfangen und
in einem opto-elektronischen Umsetzer 80 in elektrische Energie
zurückgewandelt, die einem Empfänger 81 der Sendeantenne 72 und dem
opto-elektronischen Koppler 74 zugeführt wird. Die Empfangssignale der
Antenne 72 werden dem Empfänger 81 zugeführt, dann opto-elektronisch im
Koppler 74 gewandelt und in einem Modulator 82 moduliert. Diese
modulierten Signale werden mit einer Diode 83 abgestrahlt, über eine
Linsenanordnung 84 gebündelt und auf die Empfangsdioden der
Photodetektoranordnung 76 geleitet.
Die an dem Hubschrauberrumpf angeordnete Senderantenne und die
Empfangsantenne sollen im wesentlichen die gleichen Antennendiagramme
aufweisen und z. B. einen horizontalen Öffnungswinkel von 180° haben.
Durch diese Charakteristik der Sendeantenne ist nur der vor dem
Hubschrauber liegende Bereich abbildbar. Während der Abbildungsdauer
werden die Signale des Kinematiksensors 61 zur Auswerteeinheit 73
geleitet und zur Korrektur der Referenzfunktionen benutzt. Ebenso wird
das Empfangssignal auf eine Zwischenfrequenz kohärent zur ausgestrahlten
Sendefrequenz umgesetzt und mit Hilfe des Lichtmodulators und der
Laser-Sendediode über die Laser-Übertragungsstrecke auf die
Photodetektoreinheit 76 übertragen. Somit können der Auswerteeinheit 73
sowohl das von der Empfangsantenne 72 empfangene Gesamtsignal als auch
die Korrektursignale für die Referenzfunktionen für eine halben Umlauf
des Rotorblattes eingespeist werden.
Claims (12)
1. Radargerät mit zumindest einem Sender und einem Empfänger, deren
zumindest eine Antenne zum Senden und Empfangen von Radarimpulsen am
Ende eines rotierenden Armes angeordnet ist, mit einer Einrichtung zum
Demodulieren und Zwischenspeichern der Empfangssignale, mit
Einrichtungen zum Bilden und Speichern von Referenzfunktionen in
Abhängigkeit vor der Beleuchtungsgeometrie des Radargerätes; der zu
vermessenden Entfernungsintervalle, der Drehwinkelbereiche, der
Sendeimpulse sowie der Höhe der rotierenden Antenne über Grund, und mit
einem Korrelator zum Korrelieren der Empfangssignale mit den
Referenzfunktionen sowie einem Anzeigegerät für das
Korrelationsergebnis, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum
Bilden der Referenzfunktionen folgende Bausteine aufweisen:
- a) einen Geometriebaustein (10), in dem aus Öffnungs- und Depressionswinkel (Epsilon, Theta) der Antenne (3), der Länge (L) des rotierenden Armes und der Höhe (H₀) der Antenne (3) über Grund die Breite (SW) eines von der Antenne ausgeleuchteten Entfernungsstreifens (4; R G 2-R G 1) und der Entfernungsunterschied (Delta R S ) zwischen den Strahlen (R S 2, R S 1) von der Antenne (3) zum inneren bzw. äußeren ausgeleuchteten Steifenrand berechtet wird;
- b) eine Schaltung (11 bis 14) zum Unterteilen des ausgeleuchteten Streifens (4) in eine bestimmte Anzahl (N) von Entfernungsintervallen (6; R g 1 bis R gN ) sowie
- c) einen Baustein (15) zum Bilden der Referenzfunktionen (SR) für die einzelnen Entfernungsintervalle (6; R G 1 bis R GN ).
2. Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltung (11-14) zum Unterteilen des ausgeleuchteten Streifens (4)
folgende Bausteine enthält:
- a) einen Baustein (11) zum Berechnen der Anzahl (N) der Entfernungsintervalle (6; R Gn ) innerhalb des ausgeleuchteten Streifens (4) durch Division des berechneten Entfernungsunterschiedes (Delta R S ) zwischen den Strahlen (R S 1, R G 2) von der Antenne (3) zum inneren bzw. äußeren Streifenrand und der gewünschten Radialauflösung (Delta R Smin ),
- b) einen Baustein (12) zum Berechnen der Entfernungen zur Intervallmitte (R gn ) innerhalb des ausgeleuchteten Streifens (4) aufgrund der Anzahl (N) der Entfernungsintervalle;
- c) einen Baustein (13) zum Berechnen der Integrationszeit (T Sn ) für die einzelnen Entfernungsintervalle und
- d) einen Baustein (14) zum Berechnen der Anzahl (Z Sn ) der Sendeimpulse entsprechend der Anzahl von Stützstellen für die Referenzfunktionen (S R ) und des Drehwinkelbereiches (Delta Alpha) für die Entfernungen zur Intervallmitte (R gn ) aufgrund der Integrationszeit.
3. Radargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Baustein (11) zum Berechnen der Anzahl (N) der Entfernungsintervalle (6,
R gn ) zusätzlich die Echodauer (t e ) zu 2 Delta R S /C berechnet, wobei C
die Lichtgeschwindigkeit ist.
4. Radargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Baustein (12) zum Berechnen der Entfernungen zur Intervallmitte (R gn )
einen Zähler (31), dem die jeweilige Nummer (N) der
Entfernungsintervalle zugeführt wird, und einen Funktionsblock 32
aufweist, der aus den Ausgangssignalen (n, X n ) des Zählers 31, der
Entfernung (R G 1) am Boden bis zu dem inneren Rand des ausgeleuchteten
Streifens (4) und der gewünschten Radialauflösung (Delta R Smin ) die
Entfernungen (R gn ) zum jeweiligen Intervallmittelpunkt berechnet zu:
R gn = R G 1 + X n · Delta R Smin .
5. Radargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Baustein (13) zum Berechnen der Integrationszeit (T Sn ) einen Zähler (33)
aufweist, dem die Anzahl (N) der Entfernungsintervalle zugeführt werden,
und der die Nummer (n) des jeweiligen Entfernungsintervalles (R gn )
abgibt, und daß der Baustein (13) aus dieser Nummer (n) und dem
jeweiligen Entfernungsintervall (R gn ) unter Zuhilfenahme des
Öffnungswinkels (gamma) der Antenne der Länge (L) des Trägerarmes (2)
und der Winkelgeschwindigkeit (Omega-Null) der Antenne (3) neben der
Integrationszeit (T Sn ) die synthetische Apertur (Sn) und den
Drehwinkelbereich (Alpha Sn ) der Antenne für jedes Entfernungsintervall
(R gn ) berechnet zu:
S n = Gamma · L · (1 -L/R gn ) (a)
Alpha Sn = Gamma · (1 - L/R gn ) (c)
6. Radargerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Baustein (14) zum Berechnen der Anzahl (Z Sn ) der Sendeimpulse und des
Drehwinkelbereiches (Delta Alpha) einen Zähler (34) aufweist, dem die
Anzahl (N) der Entfernungsbereiche (R gn ) zugeführt werden und der die
Nummer (n) des jeweiligen Entfernungsintervalles (R gn ) abgibt, und daß
der Baustein (14) aus dieser Nummer, der Integrationszeit (T Sn ) und der
Pulswiederholfrequenz (f p ) unter Zuhilfenahme der Winkelgeschwindigkeit
(Omega-Null) der Antenne (3) die Anzahl der Stützstellen (Z Sn ) und die
Winkelschrittweite (Delta Alpha) berechnet zu:
Z Sn = fp · T Sn (a)Delta Alpha = Omega-Null/fp (b)
7. Radargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Baustein (15) zum Bestimmen der
Referenzfunktionen (S R ) einen Zähler (37) aufweist, dem die Anzahl (N)
der Entfernungsintervalle (R gn ) zugeführt wird und der die Nummer (n)
des jeweiligen Entfernungsintervalles (R gn ) abgibt, und daß der Baustein
(15) aus dieser Nummer (n), dem jeweiligen Entfernungsintervall (R gn ),
der Winkelschrittweite (Delta Alpha), der jeweiligen Stützstelle (Z Sn )
und der Höhe (H₀) der Antenne (3) über Grund unter Zuhilfenahme der
Wellenlänge (Lambda) und der Länge (L) des Trägerarmes (2) den Realteil
(I Rn ) und den Imaginärteil (Q Rn ) der Referenzfunktionen (S R ) berechnet
zu:
8. Radargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Trägerarm (2) für die Antenne (3) in deren
Bereich einen Kinematiksensor (61) zum Bestimmen der Höhenschwankungen
des Trägerarmes (2) im Bereich der Antenne (3) und der Schwankungen der
Winkelgeschwindigkeit (Omega-Null) des Trägerarmes aufweist, und daß aus
den gemessenen Beschleunigungen in den Referenzfunktionen die dort als
Konstanten angenommene Höhe und Winkelgeschwindigkeit als Variable
eingeführt werden.
9. Radargerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kinematiksensor (61) zwei in zueinander senkrechten Richtungen
empfindliche Beschleunigungssensoren (62, 63) aufweist, wobei der erste
Beschleunigungssensor (62) in einer für den Höhenschlag des Tragarmes
(2) bestimmenden Richtung ausgerichtet und der andere
Beschleunigungssensor (63) in der Umlaufebene des Tragarmes (2)
ausgerichtet ist.
10. Radargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß lediglich die Empfangsantenne (72) an dem
rotierenden Tragarm (2) angeordnet sind, und daß die Sendeantenne (71)
fest in bezug zu der Drehachse des Tragarmes (2) auf den Rotormast
angeordnet ist.
11. Radargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Energieübertragung zu den rotierenden Antennen
(3, 72) und die Signalübertragung von den rotierenden Antennen (3, 72)
über die Drehachse des Tragarmes (2) berührungslos erfolgt.
12. Radargerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Energieübertragung zu den rotierenden Antennen (3, 72) und die
Signalübertragung von diesen Antennen (3, 72) mit Hilfe einer
opto-elektronischen Koppleranordnung (74, 76, 77) erfolgt.
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