DE4008231A1 - 2-d monopulsanordnung und -verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren für 2-D-Monopulsanlagen in rotierenden Zielsuchköpfen ge­ mäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Die Erfindung der genannten Art wird unter anderem in Flugkörpern und Waffenplattformen eingesetzt und kommt im Zusammenhang mit einer kohärenten Langzeitintegration zur Anwendung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Anordnung und ein schnelles sowie leistungsfähiges Verfah­ ren zu implementieren, mittels dem Ziele in vorzugsweise hochbeschleunigten Systemen detektiert werden. Die gefun­ dene Lösung muß dabei leicht, preiswert und materialspa­ rend realisierbar sein.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Haupt­ anspruch beschrieben. In den Unteransprüchen sind vorteil­ hafte Ausführungsformen sowie die zum Einsatz erforderli­ chen Verfahrensregeln ausgeführt.

Der erfindungsgemäße Lösungsgedanke besteht darin, daß aufgrund des Flugkörperdralls jeweils vorzugsweise zwei Antennen zur Zieldetektion im Flugkörper ausgebildet sind. Des weiteren ist das Nutzsignal durch kohärente Integra­ tion aus dem Rauschen extrahierbar, wobei die Integration über mehrere Drallperioden erfolgt.

Die Vorteile der Anordnung sowie des Verfahrens bestehen darin, daß keine Gleichlaufeichungen erforderlich sind, sowie die Möglichkeit einer kohärenten Langzeitintegration der Radarsignale auch in den Fällen, in denen der Suchkopf während der Integrationszeit mehrere Umdrehungen ausführt, besteht. Des weiteren wird die Aufgabenstellung in vollem Umfang erfüllt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die geometrischen Ansatzpunkte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Anordnung.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Fig. 1 besteht dar­ aus, daß bei einem Monopulsanordnung und -verfahren vor­ zugsweise zwei Antennenpaare, oder drei Antennen, die nicht auf einer Geraden liegen, ein Sichtwinkel α und ein Elevationswinkel δ bestimmbar ist.

Besitzt nun die vorzugsweise raumfeste Anordnung der An­ tennen eine Rotationsbewegung um die Achse senkrecht zu der Antennenebene mit einer festen mittleren Frequenz Ω_D, so ermöglicht das Verfahren mit nur einem Antennenpaar beide Winkel (α, δ) zu bestimmen. Dabei lassen sich zwei Fälle unterscheiden.

Im ersten Fall ist der Störabstand S/N so groß, daß zur Bestimmung der Winkel α bzw. δ eine Meßzeit genügt, die klein ist im Vergleich zur Periode des Dralls. Man erhält dann als Einzelmessungen die Winkelwerte α(t) bzw. δ(t).

Im zweiten Fall muß das Signal erst durch eine kohärente Integration aus dem Rauschen extrahiert werden. Die Inte­ grationszeit kann sich dabei aber über mehrere Perioden des Dralls erstrecken. Zur Verdeutlichung sollen die fol­ genden Zusammenhänge sich auf diesen zweiten Fall beziehen, und es wird dabei verdeutlicht, daß sich in diesem Fall die Information aus dem Signal extrahieren läßt.

Die Rotation vorzugsweise des Flugkörpers führt zu einer Modulation der zu messenden Signale. Aus der speziellen Form der Modulation ergibt sich eine Möglichkeit, die ge­ wünschte Winkelinformation für kleine Winkel (α, δ < 10°) zu extrahieren.

Dazu ist es zunächst notwendig, sich die Zeitabhängigkeit der beiden Winkel α und δ (Azimut, Elevation) zu betrach­ ten. Den Übergang in das rotierende Koordinatensystem be­ schreibt man am geeignetsten in Kugelkoordinaten (α, β, r). Als Drehachse sei die X-Achse angenommen.

Der Zusammenhang für ein Ziel mit den kartesischen Koordi­ naten (x₀, y₀, x₀) ist dabei gegeben durch (Fig. 1):

Der Übergang in das rotierende System (x′, y′, z′) wird durch folgende Gleichungen beschrieben (Nullphase Φ°=0, Ω_D= mittlerer Drall des Flugkörpers).

x′ = x₀

y′ = y₀ cos Ω_Dt + z₀ sin Ω_Dt

z′ = z₀ cos Ω_Dt - y₀ sin Ω_Dt

Hierdurch kann man die Zeitabhängigkeit der Winkel α(t) und δ(t) erfassen, unter denen ein raumfester Punkt P=(x₀, y₀, z₀) vom rotierenden System aus gesehen wird.

α(t) = arctan {tan (α₀) cos (Ω_Dt) + ctg (β₀) sin (Ω_Dt)/cos (α₀)}

β(t) = arccos {cos (β₀) cos (Ω_Dt) - sin (β₀) sin (α₀) sin (Ω_Dt)}

Für kleine Winkel α₀ und δ₀ (Entwicklung bis zu linearen Termen in α₀ und δ₀) redurieren sich die Gleichungen auf die einfachere Form:

α(t) = α₀ cos (Ω_Dt) + δ₀ sin (Ω_Dt)

δ(t) = δ₀ cos (Ω_Dt) - α₀ sin (Ω_Dt)

mit α(t=t₀) = α₀ und δ(t=t₀) = δ₀

Mit dieser Zeitabhängigkeit läßt sich die Modulation der gemessenen Signale berechnen. Die Summen- und Differenzsi­ gnale S(t) und D(t) sind (nach Wegmischen der Sendefre­ quenz) jeweils gegeben durch:

D(t) = j · 2 · A · e^{j Ω t} · sin (Φ(t))

S(t) = 2 · A · e^{j Ω t} · cos (Φ(t))

Dabei gelten folgende Bezeichnungen:

Ω: mittlere Dopplerfrequenz
A: mittlere Amplitude
Φ(t) = (α₀ · cos Ω_Dt + δ₀ · sin Ω_Dt) · π · d/λ
d: mittlerer Abstand der Antennen
λ: mittlere Wellenlänge.

Mit Hilfe der Besselfunktionen 1. Ordnung lassen sich die Größen sin(Φ(t)) und cos(Φ(t)) in eine Reihe entwickeln.

Dabei treten folgende Größen auf:

Die Information über die Winkel steckt nunmehr im Argument X der Besselfunktionen. Um die Information zu extrahieren, nutzt man die Orthogonalität der Winkelfunktionen auf dem Intervall (O, π), oder ganzzahligen Vielfachen davon, aus.

Man kann durch geeignete Integration der Signale S(t) bzw. D(t) über ganzzahlige Vielfache der halben Periode des Dralls Ω_D Größen enthalten, die es gestatten, bei Kenntnis der Drallrate und Nullphase die Winkel α₀ und δ₀ zu be­ stimmen.

Aufgrund der Entwicklung der Summen- und Differenzsignale in Fourierreihen (siehe oben) können durch gewichtete In­ tegration mit cos(kΩ_D t) bzw. sin(kΩ_D t), k=0, 1, 2, ... bestimmte Koeffizienten "herausgefiltert" werden. Im fol­ genden sind die jeweils niedrigsten Koeffizienten berech­ net.

mit

X = π · (d/λ) · α₀
Y = π · (d/λ) · δ₀
W = (X² + Y²)^1/2
T = N · π/Ω_D

Damit lassen sich zwei Funktionen erzeugen, die in eindeu­ tiger Weise von α₀ und δ₀ abhängen.

U₁(α₀)=D₁/S=J₁(W)/J₀(W) · X/W

U₂(δ₀)=D₂/S=J₁(W) /J₀(W) · Y/W.

Durch Tabellieren der Größe J₁(W)/(J₀(W) · W) ist es möglich, die Funktionen U₁ bzw. U₂ zu invertieren und so die inter­ essierenden Größen α₀ und δ₀ zu erhalten. Das Auflösungs­ vermögen der Anordnung ist durch das Verhältnis von S/N gegeben. Es ist mithin bestimmt durch das Verhältnis von mittlerer quadratischer Schwankung des Signals U² (α₀, δ₀) zur Steigung der Funktion

Im Unterschied zum drallosen Fall, ist die Steigung der Funktionen nur halb so groß. Zu beachten ist, daß für die Funktion im Fall ohne Drall den tan(X) bzw. tan(Y) erhält. Dies bedeutet eine scheinbare Reduktion des Winkelauflö­ sungsvermögens um den Faktor in etwa 2. Da sich die effek­ tive Rauschspannung durch die Bewertung mit cos(Ω_Dt) bzw. sin(Ω_Dt) ebenfalls um den Faktor in etwa 2 reduziert, wird dieser Effekt wieder kompensiert.

Die vorteilhafte erfindungsgemäße Anordnung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens nach Fig. 1 ist wie folgt ausgebildet.

Zwei Antennen 10 sind im Abstand d vorzugsweise in Flugrichtung ausgebildet. An diesen Antennen ist jeweils ein Multiplikationspunkt 30 bzw. 31 ausgebildet. Der Multiplikationspunkt 30 bzw. 31 wird einerseits von der jeweiligen Antenne signalmäßig gespeist, andererseits ist ein Localoszillator 20 jeweils auf den Multiplikations­ punkt 30 und 31 aufgeschaltet. Die Multiplikationspunkte 30 und 31 sind ihrerseits auf einen Additionspunkt 33 und ein Differenzglied 32 direkt und über Kreuz aufgeschaltet. Am Ausgang des Additionspunktes 33 (auch Additionsglied ge­ nannt) ist jeweils ein Verstärker und A/D-Wandler 41 bzw. 40 ausgebildet. Der Verstärker und A/D-Wandler 41 bzw. 40 ist direkt bzw. indirekt auf einen Integrator mit vorzugs­ weise FFT-Ausbildung 61 bzw. 63 und 60 aufgeschaltet. Indirekt aufgeschaltet bedeutet hierbei, daß zwischen dem Verstärker und A/D-Wandler 40 und dem Integrator 63 bzw. 60 jeweils ein Multiplikationspunkt 36 bzw. 38 ausgebildet ist. An dem Multiplikationspunkt 36 bzw. 38 ist parallel ein π/2-Phasenschieber ausgangsseitig angeschlossen, der von einem Lagesensor gespeist ist.

Die Integratoren 61, 63 und 60 sind auf eine Funktionsein­ heit 7 aufgeschaltet in der schaltungsmäßig die zu extra­ hierenden Größen α und δ (Azimut und Elevation) ermittelt werden.

Durch die Ausbildung der Erfindung gemäß obiger Beschrei­ bung, stellen sich die bereits oben genannten Vorteile ein.

Claims (6)

1. Verfahren vorzugsweise zur kohärenten Langzeitintegra­ tion vorteilhafter Weise für Monopulsradar in rotierenden Zielsuchköpfen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zur Ermittlung von den Winkeln Azimut (α) und Ele­ vation (δ) vorzugsweise ein Antennenpaar ausgebil­ det ist, das in einem mit dem Flugkörper verbun­ denen Koordinatensystem angeordnet ist;
• - für Phasenmonpulsverfahren der Phasenunterschied der empfangenen Signale S₁ (t) und S₂ (t) zwischen je zwei Antennen im Abstand d ausgewertet ist;
• - das Nutzsignal durch kohärente Integration über einen längeren Zeitraum (mehrere Drallperioden) extrahiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein empfangenes Signal der Form S_1,2(t)=Ae^-j(Ω · t ± Φ (t)) in ein Ausgangssignal der J₁ ^(W)/J₂ ^(W) · X bzw. Y/W transfor­ miert wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die zwei Eingangssignale S₁(t) und S₂(t) frequenz­ mäßig mit der Senderfrequenz heruntergemischt und anschließend Summen- und Differenzsignal S(t) bzw. D(t) gebildet sind;
• - nach Verstärkung und A/D-Wandlung die Signale S₁(t) und S₂(t) mit den entsprechenden Gewichts­ funktionen multipliziert sind;
• - die Information über die Frequenz und Phase der Gewichtsfunktionen aus einem Lagesensor (50) ex­ trahiert sind, der diese Größen in Bezug auf eine bestimmte Referenz mißt;
• - anschließend die so modifizierten Signale mittels einer FFT (Fast Fourier Transformation) kohärent integriert sind;
• - die der durchschnittlichen Dopplerfrequenz Ω ent­ sprechenden Kanäle Winkel α₀ und δ₀ nachbildet.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwei Antennen (10) in einem Abstand (d) vorzugs­ weise in Flugrichtung ausgebildet sind;
• - an diesen Antennen (10) jeweils ein Multipli­ kationspunkt (30 bzw. 31) ausgebildet ist;
• - der Multiplikationspunkt (30 bzw. 31) einerseits von der jeweiligen Antenne signalmäßig gespeist, andererseits ein Localoszillator (30) jeweils auf den Multiplikationspunkt (30 und 31) aufgeschaltet ist;
• - die Multiplikationspunkte (30 und 31) ihrerseits auf einen Additionspunkt (33) und ein Dif­ ferenzglied (32) direkt und über Kreuz aufgeschal­ tet sind;
• - an Ausgang des Additionspunktes (33) jeweils Ver­ stärker und ein A/D-Wandler (41 bzw. 40) ausge­ bildet sind;
• - der Verstärker und A/D-Wandler (41 bzw. 40) direkt bzw. indirekt auf einen Integrator mit vor­ zugsweise FFT-Ausbildung (61 bzw. 63 und 60) auf­ geschaltet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Integratoren (61, 63 und 60) auf eine Funktionseinheit (7) aufgeschaltet sind, in der schaltungsmäßig die zu ex­ trahierenden Größen α und δ (Azimut und Elevation) ermit­ telt sind.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - zwischen dem Verstärker und A/D-Wandler (40) und dem Integrator (63 bzw. 60) jeweils ein Multipli­ kationspunkt (36 bzw. 38) ausgebildet ist;
• - an den Multiplikationspunkt (36 bzw. 38) parallel ein π/2-Phasenschieber ausgangsseitig ange­ schlossen ist, der von einem Lagesensor (50) ge­ speist ist.