DE3926216A1 - Multifunktionsradar - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Multifunktionsradar gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Multifunktionsradar mit einer elektronisch phasengesteuerten Antenne hat eine Reihe von Aufgaben zu erfüllen. Insbesondere können wichtig sein: die Sache in verschiedenen Bereichen, das Auffinden von Objekten, für die eine Voreinweisung vorliegt, die Klärung möglicher Fehlalarme und gegebenenfalls die schnelle Zielverfolgungsinitiierung, die Verfolgung von Zielen verschiedener Kategorien, die passive Ortung (z. B. Triangulation und Trilateration) und das Erkennen von Clutter und Abschattungen.

Das Multifunktionsradar erfüllt diese Aufgabe durch das geeignete Zusammenwirken seiner in der Figur dargestellten Baugruppen. Zunächst gibt es dabei Baugruppen, die für die physikalische Generierung der Sendesignale, sowie für den Empfang und die Signalverarbeitung bis zur Plotbildung sorgen. Im einzelnen sind dies ein Signalgenerator 1, ein Sender 2, eine elekronisch phasengesteuerte Antenne 3, ein Empfänger 4 und eine Empfangssignalverarbeitungseinrichtung 5. Dazu tritt die elementare Koordination dieser Baugruppen, die z. B. sicherstellt, daß die Phasenschieber der Antenne 3 korrekt eingestellt sind, daß die Sende- und Empfangsfrequenzen zusammenstimmen und daß die Signalverarbeitung so erfolgt, daß sie zum gerade ausgesandten Signal paßt.

Die Baugrupe, die diese Koordination durchführt, wird als Radarsteuerungseinrichtung 6 bezeichnet. Alle bisher erwähnten Baugruppen sollen unter dem Begriff Radarmeßgerät 7 zusammengefaßt werden.

Das so definierte Radarmeßgerät 7 ist in der Lage, Anweisungen auszuführen, in denen festgelegt ist, wohin (Keulenposition), wie lange (Beleuchtungsdauer) und wie (Signalform und Signalverarbeitungsform) das Multifunktionsradar "schauen" soll. Dabei ist die Beleuchtungsdauer durch die Signalform festgelegt. Eine solche Anweisung, die aus Keulenposition, Signalform und Signalverarbeitungsform besteht, soll als elementarer Radarauftrag bezeichnet werden. Das Radarmeßgerät muß also elementare Radaraufträge erhalten. Es generiert dann in Abhängigkeit vom Zustand der Außenwelt, d. h. dem Szenario 8, Plots bzw. Strobes und liefert diese an eine Multifunktionsradar-Zielverfolgungseinrichtung (Tracker) 9, die diese Informationen verarbeitet. Die verarbeitete Information wird an einen Feuerleitstand 10 geliefert.

Der Aufwand bei der Konstruktion des Radarmeßgeräts 7 schlägt sich nieder in der Menge ausführbarer elementarer Radaraufträge. Bei einem Phasen-Array-Radar mit schmalem Radarstrahl ("Bleistiftkeule") kann innerhalb eines Raumwinkelbereichs eine Keulenposition frei ausgewählt werden. Die Verweildauer in dieser Keulenposition, die Signalform und die Signalverarbeitungsform können ebenfalls aus einer großen Vielfalt von Möglichkeiten ausgewählt werden. Berücksichtigt man darüber hinaus, daß im allgemeinen mehrere 100 solcher elementarer Radaraufträge pro Sekunde zu generieren sind, so erhält man eine Vorstellung von der Fülle technisch angelegter Möglichkeiten, die das Radarmeßgerät zur Verfügung stellt.

Unter einer Radarmanagement-Baugruppe 11 soll nun diejenige Baugruppe eines Multifunktionsradars verstanden werden, die durch geschickte Nutzung des Radarmeßgerätes 7 dafür sorgt, daß das Multifunktionsradar alle seine oben angedeuteten Aufgaben optimal erfüllt, und daß dabei etwa auftretende Zielkonflikte sachgerecht gelöst werden.

Vom Radarmeßgerät 7 aus gesehen, besteht die Aufgabe der Radarmanagement-Baugruppe 11 darin, zu jedem Zeitpunkt den günstigsten elementaren Radarauftrag zu erteilen. Die Komplexität des Radarmanagements resultiert dabei aus der unüberschaubar großen Anzahl der möglichen Kombinationen elementarer Radaraufträge.

Darunter ist in Abhängigkeit von den sich andauernd ändernden Umwelteinflüssen und der ebenfalls dynamischen taktischen Lage für jedes Zeitintervall die beste Kombination auszuwählen, damit die oben angedeuteten Aufgaben des Multifunktionsradars, das in der Figur mit 12 bezeichnet ist, optimal erfüllt werden.

Bisher wurden Radarmanagement-Probleme bei Multifunktionsradaren mit phasengesteuerten Antennen mittels heuristischer Verfahren angegangen, die keine angebbaren Zielfunktionen optimieren, offline vorgeplante Betriebsmoden zur Lösung der Suchaufgabe benutzen und eine nur beschränkte und langsame Anpassung an die veränderliche Umwelt zulassen.

Im Aufsatz von B. H. Scheff, D. G. Hammel: "Real-Time Computer Control of Phased Array Radars" in "Supplement to IEEE Transactions on Aerospace and Elektronic Systems" Vol. AES-3, No. 6, Nov. 1987, Seiten 198 bis 206 ist ein mit einer elektronisch phasengesteuerten Antenne ausgestattetes Multifunktionsradar beschrieben, das in Realzeit rechnergesteuert wird und dessen Betriebsablauffolgen durch ein Management-Programm ausgeführt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Erzeugung der am häufigsten auftretenden elementaren Radaraufträge möglichst exakt zu behandeln, damit ein Grundgerüst für das Radarmanagement da ist. Da für den Einsatz eines Multifunktionsradars der Betrieb unter ECM-Bedingungen typisch ist, führt dies zur besonderen Aufgabe der besten Sendeleistungsverteilung im Raum als Funktion der Störleistungsverteilung bei der Suche. Die Suche stellt an das Radarmanagement die meisten Anforderungen, weil hier die meisten Freiheitsgrade vorhanden sind.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die von Umwelt und Lage abhängige Güte von Sendeleistungsverteilungen läßt sich mittels einer Nutzenfunktion beschreiben. Deren dynamische Optimierung führt nach der Erfindung dann zur besten Suchleistungsverteilung und weiter zur Generierung der besten elementaren Radaraufträge bei der Suche.

Neben der Suche, die im typischen Betrieb weit mehr als die Hälfte der elementaren Radaraufträge beanspruchen dürfte, muß der Radarmanager alle vorher genannten Aufgaben des Multifunktionsradars berücksichtigen und entsprechende elementare Radaraufträge generieren und einplanen. Die Planung der Nicht- Suchaufträge wird hier nicht behandelt.

Die Erfindung wird im folgenden im einzelnen beschrieben.

Ziel der Suchaktivitäten eines Radars ist es, Objekte, die in den zu überwachenden Raum einfliegen, möglichst frühzeitig zu entdecken. Üblicherweise formuliert man das so: Die Reichweite soll möglichst hoch sein. Allerdings gibt es verschiedene Reichweitenbegriffe, die insbesondere dann, wenn die Abtastperiode frei wählbar ist, sauber unterschieden werden müssen. Dabei wird auf ihre Abhängigkeit von den im allgemeinen unbekannten und sehr weit streuenden Eigenschaften der zu entdeckenden Objekte hingewiesen. Weiter wird ein für die Optimierung des Radarmanagements geeigneter Reichweitenbegriff, die Überwachungsreichweite, ausgewählt.

Wie die Überwachungsreichweite im Grundfall, d. h. kein Clutter, keine Abschattungen, wohl aber Rauschstörer zugelassen, nach der Erfindung optimiert werden kann, wird gezeigt. Unter vertretbaren vereinfachenden Ausnahmen ist dies analytisch möglich. Es resultieren aus dieser Optimierung dreierlei Ergebnisse, nämlich die Überwachungsreichweite als Funktion des Leistungsanteils, die Signalform und Signalverarbeitungsform als Funktion des Leistungsanteils und die Abtastperiode als Funktion des Leistungsanteils.

Die Erfindung enthält auch Optimierungsangaben im Fall von Abschattungen bzw. Clutter. Da die exakte Lösung dieser Optimierungsaufgabe die optimale Signalform-Auswahl im Detail beinhaltet, läßt sich hier keine allgemeine Lösung angeben.

In der Radartechnik spielen verschiedene Reichweitenbegriffe eine Rolle. Hiervon sind allerdings die am meisten verbreiteten zur Problemlösung wenig geeignet: Die "eindeutige Reichweite" sagt nichts über die Entdeckungswahrscheinlichkeit konkreter Objekte aus. Die "Einzelentdeckungsreichweite" ist als Optimalitätskriterium nur geeignet, wenn die Abtastperiode (= Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Beleuchtungen derselben Keulenposition) a priori vorgegeben ist. Ohne diese Vorgabe würde die Optimierung zu unendlich langen Abtastperioden führen.

Auch die "kumulative Entdeckungsreichweite" ist wenig geeignet, da sie einmal analytisch schwer handhabbar ist, außerdem aber davon ausgeht, daß die Abtastperiode über mehrere Abtastungen hinweg vorausgeplant wird. Diese Voraussetzung ist aber in hochdynamischen Szenarien (u. a. mit Ein-/Ausschalten von Störer) nicht zu erfüllen, wenn sich das Radar schnellstmöglich an die Situation anpassen und folglich seine Abtastperiode immer wieder adaptieren soll.

Gemäß der Erfindung wird als Optimalitätskriterium die Überwachungsreichweite

R_Ü = R_d - v_R · T (1)

vorgeschlagen, wobei R_d die Einzelentdeckungsreichweite ist, v_R die Radialgeschwindigkeit des "zu entdeckenden Objekts" (auf das Radar zu) und T die Abtastperiode. Daß v_R und R_d vom Verhalten und von den Eigenschaften des "zu entdeckenden Objekts" abhängen, zeigt schon, daß die Vorgehensweise "Bayes'sch" ist. D. h. die Optimierung basiert auf einer a priori-Annahme über die Umwelt, die das Radar voraussichtlich antreffen wird.

R_d hängt außer von den Eigenschaften des "zu entdeckenden Objekts" von den Umwelteinflüssen (ECM, Clutter), von den festen Radarparametern, von den variablen Radarparametern (Signalform) und der angestrebten Entdeckungswahrscheinlichkeit p_D (z. B. 95%) ab. Die Überwachungsreichweite läßt sich verbal so interpretieren:

Überwachungsreichweite ist diejenige Entfernung R_ü, für die bei den angenommenen "zu entdeckenden Objekten" und den angenommenen Umweltbedingungen mit Wahrscheinlichkeit p_D garantiert werden kann, daß ein radial mit Geschwindigkeit v_R einfliegendes Objekt in einer Entfernung RR_ü entdeckt wird.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung gegebene Interpretation der Formel (1) strebt eine hohe sichere Entdeckungsentfernung (p_D-Qualität) an. Letzteres führt bei gleicher Objektgeschwindigkeit zu wesentlich kürzeren Abtastperioden als die Optimierung einer mittleren Entdeckungsreichweite.

Für die Überwachungsreichweite als Optimalitätskriterium spricht insbesondere das Prinzip der größtmöglichen Einfachheit. Sie ist die einfachste Reichweitendefinition, die eine sinnvolle Optimierung der Abtastperiode ermöglicht. Im gleich zu behandelnden "Grundfall" der Abhängigkeit R_d(T) ermöglicht sie sogar eine analytische Optimierung.

Die Erfindung zeigt, wie die Optimierung der Überwachungsreichweite in einer Keulenposition die optimalen Werte für Überwachungsreichweite, Signalform und Abtastperiode für diese Keulenposition als Funktion des zur Verfügung stehenden Leistungsanteils liefert.

Im folgenden soll die Optimierung der Überwachungsreichweite im Grundfall erläutert werden.

Bei einem Luftverteidigungsradar wird man den ECM-Fall als denjenigen Fall ansehen müssen, der die Auslegung bestimmen sollte. Hat man sonst günstige Verhältnisse (kein Clutter, keine Abschattungen), dann läßt sich die (Einzel-)Entdeckungsreichweite in erster Näherung durch folgende Version der Radargleichung ausdrücken:

R_d = c′ (T_B / N)^1/4 (2)

wobei c′ eine Konstante ist, die vom "zu entdeckenden Objekt" und den festen Radarparametern abhängt. N ist die Rauschleistungsdichte. T_B ist die gesamte Dauer der Signalform, wobei die Annahme zugrunde liegt, daß die Energie der Signalform proportional zu T_B ist.

Der Leistungsanteil, der für eine Keulenposition zur Verfügung steht, ist nun gegeben durch:

P = T_B / T (3)

da die mittlere Leistung konstant bleibt. Wird nun P als vorgegeben angesehen, so erhält man durch Einsetzen von (3) in (2) und von (2) in (1):

R_ü = c′ (T · P / N)^1/4 - v_R · T (4)

Optimiert man nun R_ü auf dem üblichen Weg durch Ableiten nach T und Nullsetzung der Ableitung, so erhält man (siehe Anhang)

Einsetzen in (4) liefert nach einigen Umformungen (siehe Anhang)

Ein Vergleich von (5) und (6) ergibt mit einfachen Umformungen:

R_ü = 3 · v_R · T_opt und (7)

R_d = 4 · v_R · T_opt (8)

Die Gleichung (6) liefert die optimierte Überwachungsreichweite als Funktion des Leistungsanteils; die Gleichung (5) gibt die zugehörige optimale Abtastperiode an. In der benutzten Näherung ist die Angabe einer optimalen Signalform trivial, da T_B als einzige Kenngröße in (2) auftritt. Z. B. wäre ein Puls optimal, wenn man als sekundäres Kriterium die eindeutige Reichweite optimiert.

In der Praxis wird man eine eindeutige Reichweite R_e anstreben, die zwar deutlich über R_d liegt, aber nicht ein Vielfaches von R_d ausmacht. Gilt also z. B. mit c = Lichtgeschwindigkeit

c · T_B < 6 R_d (9)

d. h. wäre R_e bei einem Puls größer als z. B. das 3fache der Einzelentdeckungsreichweite, dann wird man die Energie in mehrere Pulse aufteilen, um einen möglichen Dekorrelationsgewinn zu realisieren und die Entfernungsauflösung in einem günstigen Bereich zu halten.

Im folgenden wird die Optimierung der Überwachungsreichweite bei Abschattungen behandelt.

Die Gleichung (2) für die Einzelentdeckungsreichweite als Funktion der Signalform ist nur annähernd richtig. Will man Abschattungen und Clutter berücksichtigen, so muß diese Gleichung verallgemeinert werden.

Es befindet sich bei gegebener Keulenposition z. B. in der Entfernung R₀ ein massives Hindernis, z. B. ein Berg. Man spricht dann von einer Abschattung. Damit ist die Einzelentdeckungsreichweite durch R₀ nach oben beschränkt, da ein Objekt in größerer Entfernung auf keinen Fall entdeckt werden kann. Solange das durch (2) gegebene R_d kleiner oder gleich R₀ ist, bleibt aber (2) gültig. Insgesamt erhält man:

Aufbauend auf dieser Formel, kann man R_ü noch analytisch optimieren. Dabei ergibt sich, daß die Formeln (5) bis (8) gültig bleiben, solange der Leistungsanteil P kleiner ist, als der Wert P₀, der sich ergibt, wenn in (8) R_d = R₀ gesetzt wird, (5) eingesetzt wird, und man dann nach P auflöst. So ergibt sich:

P₀ = 4 v_R · N · R₀³ · c′^-4 (11)

T₀ = R₀ / (4 v_R). (12)

Steht ein größerer Leistungsanteil zur Verfügung, so kann die zusätzliche Leistung nicht mehr zur Steigerung von R_d, sondern ausschließlich zur Verringerung der Abtastperioden T verwandt werden. So erhält man als Abtastperiode

Als Formel für die Überwachungsreichweite ergibt sich:

Die Signalform geht bei der benutzten Näherung wiederum nur über die Beleuchtungszeit T_B ein. In der Praxis wird man Signalformen bevorzugen, für die die eindeutige Reichweite größer (aber nur wenig größer) als R₀ ist. Diese Überlagerung gilt für den Fall P<P₀. Sonst bleiben die Aussagen, die im Zusammenhang mit der Erläuterung des Grundfalls über die Signalform-Auswahl gemacht wurden, gültig.

Im folgenden soll eine Situation erwähnt werden, in der (2) und die darauf aufsetzende Optimierung der Überwachungsreichweite nicht vollständig korrekt sind: Für sehr kleine Beleuchtungszeiten ist nämlich die Reichweite nicht durch (2), sondern durch

bestimmt, da nur Objekte entdeckt werden können, deren Echos während einer Zeitspanne T₀′ kleiner als die Zeitspanne T_B zum Radar zurückkommen. In der Praxis wird dieser Bereich, in dem R_d linear mit T_B ansteigt, selten eine Rolle spielen. Dennoch ist es wichtig, diese Beschränkung zu berücksichtigen, wo sehr kleine T_B, d. h. T_B mit

auftreten. Die allgemeinen Formeln für die optimale Überwachungsreichweite, die optimale Abtastperiode und die optimale Signalform bei dieser letzten Verallgemeinerung der Formel für die Entdeckungsreichweite

sollen hier nicht angegeben werden. Es handelt sich jedoch um ein analytisch vollständig lösbares Problem.

Im folgenden wird noch die Optimierung der Überwachungsreichweite bei Clutter behandelt.

Grundsätzlich andere Probleme kommen nämlich hinzu, wenn in der betrachteten Keule Clutter vorhanden ist. Dann ist die Entdeckungsreichweite in relativ komplizierter Weise von der Signalform und der Radialgeschwindigkeit abhängig (Dopplerfilter, Blindgeschwindigkeiten, . . .).

Überdies ist eine Optimierung unter der Annahme einer bestimmten Radialgeschwindigkeit nicht sinnvoll, weil die resultierenden Signalformen bei anderen (ähnlich wahrscheinlichen) Radialgeschwindigkeiten vollständig versagen würden (Blindgeschwindigkeitsproblem). Wollte man eine echte Optimierung unternehmen, so müßte man einen Ansatz verwenden, der zu einem sehr komplizierten Optimierungsproblem führt, das weder analytisch lösbar, noch einer schnelleren numerischen Behandlung zugänglich sein dürfte (schnell im Sinne von: im Rahmen des Radarmanagements online durchführbar).

Es wird daher für diesen Fall eine weitgehend heuristische Vorgehensweise vorgeschlagen, die zu gegebenem Spektrum zu entdeckender Objekte, zu gegebener Beleuchtungszeit, Clutterform und Störleistung eine annähernd "optimale" Entdeckungsreichweite, sowie die zugehörige Signalform liefert.

Für das der Erfindung zugrunde liegende Problem, eine Rahmenstruktur für ein Radarmanagement anzugeben, ist die Kenntnis dieser Heuristiken auch gar nicht nötig. Wichtig ist nur, daß es - wenn auch mit vielen Vereinfachungen - möglich ist, eine Näherung für den Verlauf der Funktion

R_d ^opt (T_B) (18)

auch in Clutter anzugeben, genauso wie das (17) ohne Clutter tut. Weiter ist es möglich, die zugehörigen Signalformen und Signalverarbeitungsformen anzugeben.

Kennt man (18), so ist die numerische Optimierung der Überwachungsreichweite, die sich durch Einsetzen von (3) in (18) und von (18) in (1) zu

R_ü = R_d ^opt (T · P) - v_R · T (19)

ergibt, leicht möglich. Auf diese Weise erhält man wie n in der Abhandlung des Grundfalls und des Abschattungsfalls als Funktion des Leistungsanteils P einer Keule die Überwachungsreichweite R_ü, die Signalform und Signalverarbeitungsform sowie die Abtastperiode.

Diese Funktionen entsprechen den Gleichungen (5) und (6) im Grundfall. Es ist sinnvoll, die Optimierung offline durchzuführen, damit online schnelle Funktionsprozeduren zur Verfügung stehen.

Es folgt noch ein Anhang zur Ableitung der Formel (5) und (6):
Ableiten von (4) ergibt:

Nullsetzen der Ableitung liefert

woraus

folgt und weiter

Eine leichte Umformung liefert

Setzt man T_opt in (4) ein, so erhält man

Claims (4)

1. Multifunktionsradar mit einem eine elektronisch phasengesteuerte Antenne, einen Signalgenerator, einen Sender, einen Empfänger, eine Empfangssignalverarbeitungseinrichtung und eine Radarsteuerungseinrichtung umfassenden Radarmeßgerät, mit einer Zielverfolgungseinrichtung und mit einer Radarmanagement-Baugruppe, die unter anderem die Antennenkeulenposition, die Abtastperiode, die Signalform sowie die Signalverarbeitungsform fortlaufend festlegt und diesbezüglich Anweisungen als elementare Radaraufträge dem Radarmeßgerät zuführt, wodurch zu jedem Zeitpunkt die im Radarmeßgerät zur Verfügung stehende Radarleistung bei der Suche optimal ausgenutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Grundfall, d. h. weder bei Vorliegen von Clutter noch von Abschattungen, zur Optimierung der Leistungsnutzung des für die Suche vorgegebenen Leistungsanteils P in einer Antennenkeule eine optimale Abtastperiode und eine optimale Überwachungsreichweite vorgesehen sind, wobei v_R die Radialgeschwindigkeit eines zu entdeckenden, auf das Radar zufliegenden Objektes, c′ eine vom zu entdeckenden Objekt und den festen Radarparametern abhängende Konstante, N die Rauschleistungsdichte, R_d = c′(T_B/N)^1/4 die Einzelentdeckungsreichweite und T_B die gesamte Dauer der Signalform ist.

2. Multifunktionsradar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein einer sich aufgrund eines sich in der Entfernung R₀ befindenden Hindernisses ergebenden Abschattung folgende Zusammenhänge für die optimale Abtastperiode T_opt und die optimale Überwachungsweite R_ü vorliegen: wobei der Leistungswert P₀ durchP₀ = 4 v_R · N · R₀³ · c′^-4bestimmt wird.

3. Multifunktionsradar nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenzeichnet, daß sich bei Vorhandensein von Clutter und bei zumindest näherungsweiser Vorgabe der Funktion R_d ^opt (T_B)für die optimale Entdeckungsreichweite bei Clutter die numerische Optimierung der Überwachungsreichweite aufgrund des ZusammenhangsR_ü = R_d ^opt (T · P) - v_R · Tergibt.

4. Multifunktionsradar nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung der Überwachungsreichweite offline vorgenommen wird.