DE4030122A1 - Verfahren und Einrichtung zur Detektion von See-Zielen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Detektion von See-Zielen, insbesondere durch Radar.

Die Entdeckung von Seezielen in rauher See mit konventionellen Radar-Systemen ist schwierig, da der von den Wellen rückgestrahlte Clutter oft die gleiche bzw. höhere Energie und sehr ähnliche Frequenzanteile besitzt als z. B. der rückgestrahlte Clutter von konkreten Zielen (Schiffe, schwimmende Objekte).

Bei herkömmlichen Radarsystemen beruht die Detektion auf einer Amplituden-Messung, bei der ein Ziel einen bestimmten Amplituden-Schwellwert, bestehend aus System-Rauschen und Umwelt-Clutter, überschreiten muß, um als Ziel erkannt zu werden.

Für den häufigen Fall, daß Seeziele gleiche oder kleinere Amplituden als der See-Clutter aufweisen, ist die Detektion mit solchen System nicht möglich.

Bei einem anderen, allgemein als "MTI"-Verfahren bekannten Detektions-Prinzip wird der Doppler-Effekt sich bewegender Ziele ausgenutzt. Ein Ziel wird erkannt, wenn seine Dopplerfrequenz in den Frequenzbereich des Dopplerfilters fällt, wobei durch die Filter-Wirkung des Doppler-Filters der von festen Gegenständen und vom System-Rauschen herstammende Anteil reduziert und dadurch Prozeßgewinn erreicht wird.

Da der See-Clutter eine sehr breite, und unregelmäßige Frequenz-Verteilung besitzt, ergibt auch dieses Verfahren dann ungenügende Ergebnisse, wenn See-Clutter- und Ziel-Clutter-Spektren amplituden- und frequenzmäßig sehr ähnlich sind.

Ein anderes, vor allem bei Marine-Radaren verwendetes Prinzip beruht darauf, die Antenne mit hoher Geschwindigkeit rotieren zu lassen, so daß die Wellenechos bei jeder Umdrehung verschieden ausfallen (mehr statistisch verteilt erscheinen), die Echos schwimmender Objekte jedoch relativ konstant bleiben und durch Nachintegration verstärkt werden können.

In der zugrundeliegenden Fachliteratur wird dieses Verhalten durch die sogenannte Dekorrelationszeit ausgedrückt. Die Dekorrelationszeit sagt aus, nach welcher Zeit ein ursprünglich harmonisch erscheinendes Signal zu einem statistischen zerfallen ist.

Da die konventionellen Verfahren zur Verarbeitung von See-Clutter aufwendige mechanische und elektronische Einrichtungen an Antenne und Sender benötigen, scheiden sie für leichte, mobile Anlagen aus Kosten- und Gewichtsgründen aus.

Eine Verwendung eines Autokorrelations-Verfahrens ist bisher nur zur Untersuchung des See-Clutters selbst in Abhängigkeit des Seegangs vorgeschlagen worden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben das ein Kriterium für die Erkennung eines Zieles aus Unterschieden im Rückstrahlverhalten von Seewellen und schwimmenden Objekten gewinnt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 genannten Maßnahmen. Vorteilhafte Weiterbildungen und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Das neue Verfahren dient insbesondere zur Signalverarbeitung in einem mobilen See- und Küsten-Überwachungs-Radar. Dieses Verfahren ist besonders wirksam bei der Lösung des Problems der Zielentdeckung von Seezielen, die geringe Eigengeschwindigkeit besitzen und sich in relativ rauhem Seegang bewegen.

Das Verfahren beruht im wesentlichen auf der Anwendung eines speziellen mathematischen Algorithmus und ist wegen des geringen Hardware-Anteils besonders für mobile Überwachungs-Radare, bei denen es auf geringes Gewicht und hohe Mobilität ankommt, interessant. Stationäre Radare können dieses Problem mit erheblich größerem Hardware-Aufwand ebenfalls lösen, diese Lösungen sind jedoch aus Gewichtsgründen für mobile Anlagen nicht geeignet.

Das Verfahren beruht auf dem Prinzip der Autokorrelation und benutzt das Phänomen der kürzeren Dekorrelationszeit von Gischtwellen (d. h. Wellen mit Schaumkronen) gegenüber sich mehr harmonisch verhaltenden Objekten (wie z. B. Schiffe und andere große, schwimmende Objekte), die wenig decorrelieren. Durch Ausnützen der Unterschiede Dekorrelationsverhalten können Radar-Rückstrahl-Querschnitte schwimmender Objekte von denen der Wellen unterschieden werden.

Da in der bewegten See, je nach Wind-Bedingungen, sehr unterschiedliche Wellenzustände vorhanden sind, ergibt sich eine besondere Problematik. Es sind im wesentlichen folgende kombinierte Effekte festzustellen:

• - Abhängigkeit der Seewellen-Rückstrahl-Fläche von der Wellenhöhe, Wellenrichtung, Windstärke, Wellenart (Dünungswellen, Windwellen, Gischt-Wellen)
• - Abhängigkeit der Seewellen-Rückstrahl-Fläche vom Anstrahl-Winkel der Radar-Antenne auf die Seeoberfläche
• - Abhängigkeit der Seewellen-Rückstrahl-Fläche von der Radar-Frequenz, der Pulsbreite und der Polarisation der HF-Welle.

Untersuchungen und Analysen haben gezeigt, daß die Berücksichtigung aller erwähnten Effekte in einem geschlossenen Verarbeitungs-Algorithmus nicht möglich ist.

Deshalb wird im vorliegenden Verfahren vorgeschlagen, durch einen adaptiven Prozeß signifikante Unterschiede der Autokorrelations-Funktion von Beleuchtungszellen mit und ohne Ziel herauszuarbeiten. Unter der Beleuchtungszelle wird eine vom Radar schräg angestrahlte See-Fläche verstanden, die sich aus Antennenhalbwertsbreite und Tiefe eines Entfernungstores ergibt. Dies geschieht durch einen Vergleich mit den Werten von Zellen geringerer Korrelationsgehalt mit solchen von signifikant hoher Korrelation als Kriterium für die Zielerkennung.

Der adaptive Prozeß wirkt so, daß das Radar eine zu betrachtende See-Fläche in kleine Beleuchtungszellen einteilt. Diese Zellen sind quadratisch angeordnet und werden nacheinander auf den Korrelationsgehalt (das sogen. "Korrelations-Integral"), ihrer reflektierten Leistung untersucht (z. B. je 5 × 5 Zellen im Quadrat angeordnet).

Ein Schwellwert (z. B. das 3-fache Korrelations-Integral gegenüber dem mittleren Wert der benachbarten Zellen) entscheidet dann, ob in einer Zelle ein Ziel ist.

Vor Ausgabe der Zielmeldung in einer Zelle wird der Mittelwert benachbarter Zellen gebildet. Dies ist dann der Referenzwert für die jeweils betrachteten Ziele. Zellen, deren Energieinhalt deutlich größer war, werden bei der Mittelwertbildung ausgeschlossen, um eine Gewichtsverlagerung zu unterbinden. Diese Zellen werden erneut mit dem gemittelten Zellen-Referenzwert verglichen.

Ist danach immer noch ein signifikanter Unterschied vorhanden, werden diese Zellen als zielbehaftet deklariert. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß durch die Mittelungsbildung ein von der Wellenform unabhängiger Referenzwert entsteht, so daß nur Ziele, die einen vergleichsweise hohen harmonischen Anteil besitzen, zur Anzeige kommen.

In Fig. 1 ist das Prinzip-Schaltbild in Form eines Block-Diagramms der Signalverarbeitung bei der Bildung des diskreten Korrelations-Integrals dargestellt.

Über ein Tiefpaß-Filter 1 und 64 Abtasthalte-Glieder 2 werden die Roh-Video-Daten der Entfernungstore mittels eines Multiplexers 3 abgerufen und digitalisiert 4. Danach werden sie einem Signal-Prozessor 5 zugeführt, der die Autokorrelation für jedes Entfernungstor berechnet.

Ein Mikroprozessor 7 ordnet die entfernungsabhängigen Korrelations-Integrale dem jeweiligen von der Antennenstellung abhängigen Azimutwert zu, so daß in einem Speicher 6 eine der See-Topographie zugeordnete Korrelations-Seekarte entsteht.

Der Mikroprozessor entscheidet nach einem adaptiven Mitteilungs- und Eliminier-Verfahren darüber, ob in einer bestimmten Zelle ein Ziel vorhanden ist und gibt im positiven Falle die Information an ein Display 8 weiter.

Die Funktion der See-Clutter-Signalverarbeitung läßt sich in die zwei Betriebsarten aufteilen:

• - Überwachungs-Betrieb
• - Lupen-Betrieb.

Beim Überwachungsbetrieb sucht das Radar mit einem Entfernungs-Suchtor von 320 m Tiefe periodisch den Entfernungsbereich 0-40 km in 2 Teilbereichen a 20 km ab. Gleichzeitig wird durch Drehung der Antenne der Azimut innerhalb eines vorgeschriebenen Sektors periodisch überstrichen. Die azimutale Auflösung ist durch die Antennenkeulenbreite festgelegt und beträgt 2,811.

Antennendrehgeschwindigkeit, Entfernungstor-Absuchgeschwindigkeit und maximaler Entfernungsbereich bestimmen den Aufbau und die Funktion des Radars. Alle anderen Geräte-Parameter müssen auf diese Grundfunktionen abgestimmt sein.

Im Lupenbetrieb werden Entfernungsabschnitte von z. B. 2,5 km aus dem Gesamtbereich ausgewählt. In diesen Bereichen wird dann mit einem 40-m-Entfernungs-Suchtor, d. h. mit 8facher Genauigkeit, gearbeitet. Die Azimut-Auflösung ist dabei die gleiche wie beim Überwachungs-Betrieb, da sie nur von der Breite der Antennenkeule abhängt.

Anders als beim relativ festen Land-Clutter ändert sich die See-Oberfläche durch den Wind ständig. Gleichzeitig verbergen die See-Reflexionen eventuelle Ziele. Aus diesem Grunde muß vor der Zielausgabe auf das Display eine Reihe von Signal-Verarbeitungs-Operationen durchgeführt werden. Diese gliedern sich in vier Hauptabschnitte:

• a) In radarseitige Einteilung der zu betrachtenden See-Oberfläche in Beleuchtungszellen und Aufnahme der See-Beschaffenheit durch Beobachtung der Beleuchtungszellen im betreffenden Überwachungs-Sektor.
• b) Bildung der Korrelations-Integrale für die einzelnen Zellen.
• c) Individuelle Schwellenbildung für die einzelnen Zellen durch Mittelungs-Verfahren durch die Einbeziehung der Nachbarzellen.
• d) Zielextraktion und Darstellung auf einem Display.

Die Hauptabschnitte werden im folgenden detailliert beschrieben.

a) Radarseitige Einteilung der See-Oberfläche in Beleuchtungszellen und Aufnahme der See-Clutter-Beschaffenheit

Die abgespeicherten und digitalisierten Roh-Video-Daten des Absuch-Vorgangs (64 Entfernungstore pro 20 km für Überwachungsbetrieb bzw. 64 Entfernungstore pro 2,5 km für den Lupenbetrieb) werden nacheinander aus dem Rohdatenspeicher ausgelesen und verarbeitet.

Die Abtast-Rate für die Abtasthalte-Glieder ist dabei die Pulswiederholfrequenz des Radars, die 3,66 kHz beträgt und 0,273 ms Periodendauer besitzt. Alle Entfernungstore werden innerhalb von 0,273 ms 1 mal abgetastet.

Da die Antennenkeule sich so bewegt, daß sie jede Zelle 1,093 s lang beleuchtet (entsprechend der Antennenhalbwertsbreite und der Azimut-Drehgeschwindigkeit 2,571/s), werden ca. 4000 Entfernungstormeßwerte ermittelt. Davon wird jedoch nur jeder 4. benutzt, da dadurch bei gleichem Rechenaufwand die Betrachtungszeit länger wird und langsame Fluktuationen besser berücksichtigt werden können, so daß insgesamt 1000 Meßwerte ausgewertet werden. Dies entspricht einer 4-fachen Herabsetzung der PRF.

Dadurch wird die eindeutige Radial-Geschwindigkeit auf 25 km/h (1/4 der der Pulswiederholfrequenz entsprechenden maximalen Geschwindigkeit von 100 km/h) herabgesetzt. Dies ist jedoch bei den hier interessierenden Seefahrzeugen unproblematisch, da die vorkommenden Geschwindigkeiten im allgemeinen nicht höher liegen.

b) Bildung der Korrelations-Integrale

Der nächste Schritt ist die Berechnung der Autokorrelations-Koeffizienten. Prinzipiell könnten aus den ermittelten 1000 Meßwerten 1000 Koeffizienten errechnet werden. Dieses ist jedoch nicht notwendig, da bereits viel weniger Stützstellen ausreichen, um das Autokorrelations-Integral zu bilden bzw. eine Zielaussage zu treffen. Es werden dabei nur die ersten ca. 30 Koeffizienten benötigt, da danach die Werte sehr klein werden und keinen Beitrag zum Autokorrelations-Integral mehr liefern.

Die Koeffizienten werden nach Betragsbildung aufsummiert und ergeben einen Summenwert C_i (Autokorrelations-Integral) für das betreffende Entfernungstor. Dieser Summenwert sagt aus, wie hoch der harmonische (nicht-statistische) Anteil in diesem Entfernungstor ist.

Da dieser Summenwert jedoch auch von einem harmonischen Wellen-Anteil her stammt und dadurch möglicherweise ein Ziel vortäuschen könnte, werden im nachfolgend beschriebenen Mittelwertbildungs-Prozeß die das Ziel umgebenden harmonischen Anteile der Wellen eliminiert. Die Mittelwertbildung reduziert die Einflüsse von großen, periodischen Wellen.

c) Schwellwertbildung

Während der Dauer einer Beobachtungszeit von 1,093 s werden 64 Entfernungstore bearbeitet. Dadurch findet alle 17 ms eine c_i-Wert-Übergabe an den Mikroprozessor 7 statt, der die jeweiligen Korrelations-Integrale der richtigen Antennenstellung zuordnet. Dadurch entsteht nach der Absuchzeit ein c_ik-Feld von 128 Entfernungstoren x 128 Azimut-BINS für den Überwachungsbetrieb bzw. 1024 Entfernungstore × 128 Azimut-BINS für den Lupenbetrieb.

Diese 2 Felder werden im Speicher 6 angelegt, der einen Speicherbereich von 80 kByte für den Überwachungsbetrieb und einen weiteren Speicherbereich von 640 kByte für den Lupenbetrieb besitzt. Nachdem nun das Korrelations-Feld der umgebenden See aufgenommen wurde, beginnt als nächster Prozeß die Auswertung aller Beleuchtungs-Zellen hinsichtlich der Ziel-Extraktion.

Zur Ermittlung von Zielen muß das Feld auf signifikant hohe Korrelations-Anteile untersucht werden. Dabei kann der Fall vorkommen, daß durch einen lokalen höheren Wellengang bestimmte Bereiche signifikant höher liegen, jedoch kein Ziel enthalten. Um dies zu vermeiden, werden adaptiv für jede Beleuchtungszelle lokale Schwellen gebildet.

Hierzu werden im Gesamtfeld beieinanderliegende Flächen mit einem 5 × 5 Zellenraster betrachtet, so daß die zu analysierende Zelle immer in der Mitte liegt. Danach wird für die mittlere Zelle die erste Schwellwertbildung vorgenommen, wobei die 25 c_ik-Werte des Zellenrasters gemittelt und deren Standardabweichung berechnet werden.

Die erste Schwellwert-Berechnung geschieht nach folgender Formel:

Th_ik = _ik + B _* S(c_ik)

dabei bedeuten:
Th_ik der erste Schwellwert zur Zielentscheidung in der betrachteten Zelle
B ein Parameter, der vom Bediener eingestellt wird und den Seezustand beschreibt, beispielsweise leichte, mittlere oder schwere See
_ik der Autokorrelations-Integral-Mittelwert aus allen 25 c_ik′s
S(c_ik) die Standardabweichung der c_ik-Werte der 25 Zellen.

Mit diesem Schwellwert werden alle 25 Zellenwerte verglichen, wobei diejenigen eliminiert werden, die den Schwellwert übersteigen (z. B. Wellenspitzen und Ziele).

Nach Eliminierung dieser "Ausreißer"-Zellen wird ein neuer Mittelwert mit Standardabweichung mit den übriggebliebenen Zellen gebildet. Danach wird ein zweiter Schwellwert nach folgender Formel berechnet:

TH_ik = A _{* ik} + B S(C_ik)

wobei bedeuten:
TH_ik der zweite Schwellwert in der betrachteten Zelle
A ein vom Bediener einstellbarer Parameter
B ein vom Bediener einstellbarer Parameter der den Seezustand beschreibt
_ik der Mittelwert der Korrelations-Integrale C_ik der betrachteten und der Anzahl der übriggebliebenen umliegenden Zellen
S(C_ik) die Standardabweichung der C_ik-Werte der betrachteten und der Anzahl der übriggebliebenen umliegenden Zellen.

Die interessierende Zelle wird mit dem zweiten Schwellwert verglichen und bei Überschreitung als zielbehaftet deklariert und angezeigt. Diese doppelte Schwellwertbildung findet für jede Zelle einmal statt und trägt zur Reduzierung der Falschalarmrate bei.

Danach wird geprüft, ob der Meßwert zufällig oder regelmäßig war. Dies geschieht dadurch, daß ein 10%-Toleranzfeld über diesen Meßwert gelegt wird.

Bei der Berechnung der benachbarten Zellen wird der gleiche Prozeß durchgeführt, wobei Zellen, in denen vorher ein Ziel festgestellt wurde, nicht für die Mittelwertbildung herangezogen werden. Der Prozeß findet für alle Zellen nacheinander statt, so daß auf dem Bildschirm bei Anwesenheit von Seezielen diese als ein Zielmuster zu erkennen sind.

d) Zielextraktion und Darstellung auf einem Display

Nachdem die Schwellwertbildung für alle Zellen durchgeführt wurde, wird wieder ein 5 × 5 Zellenmuster gebildet und ein dritter Schwellwert ermittelt. Da die "Ausreißer" bereits eliminiert wurden, braucht dieser Prozeß nicht mehr wiederholt zu werden. Dabei werden Ziele in den Zellen des eingestellten Bereiches angezeigt, deren Autokorrelations-Integral den zweiten Schwellwert übersteigt. Bei jeder Antennendrehung wird der Schwellwert für alle erfaßten Zellen neu berechnet und aktualisiert.

Claims (9)

1. Verfahren zur Detektion von See-Zielen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Schritte:

• - Einteilung der zu betrachtenden Seeoberfläche in Zellen
• - Abtastung der Zellen
• - Berechnung der Autokorrelations-Koeffizienten und
• - Integrale aus den Abtastwerten für jede Zelle
• - Berechnung mindestens eines Schwellwertes für jede Zelle durch Mittelung der Autokorrelations-Integrale
• - Zielentscheidung durch Vergleich der Autokorrelations-Integrale mit dem Schwellwert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Schwellwerte für jede Zelle folgende Schritte aufweist:

• - Berechnung eines ersten mittleren Autokorrelations-Integrals für die betrachtete und eine bestimmte Anzahl umliegender Zellen
• - Berechnung eines ersten Schwellwerts (Th) unter Berücksichtigung des ersten mittleren Autokorrelations-Integrals
• - Berechnung eines zweiten mittleren Autokorrelations-Integrals für die betrachtete und die bestimmte Anzahl umliegender Zellen, wobei nur Zellen berücksichtigt werden, deren Autokorrelations-Integral kleiner ist als der erste Schwellwert (Th)
• - Berechnung eines zweiten Schwellwertes (TH) unter Berücksichtigung des zweiten mittleren Autokorrelations-Integrals.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des ersten Schwellwerts (Th) nach der folgenden Formel erfolgt: Th = _ik + B_*S(c_ik)wobei bedeuten:
Th_ik der erste Schwellwert in der betrachteten Zelle
B ein vom Bediener einstellbarer Parameter der den Seezustand beschreibt
_ik der Mittelwert der Korrelations-Integrale c_ik der betrachteten und der bestimmten Anzahl umliegender Zellen
S(c_ik) die Standardabweichung der c_ik-Werte der betrachteten und der bestimmten Anzahl umliegender Zellen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des zweiten Schwellwerts (TH) nach der folgenden Formel erfolgt: TH = A _{* ik} + B _* S(C_ik)wobei bedeuten:
TH_ik der zweite Schwellwert in der betrachteten Zelle
A ein vom Bediener einstellbarer Parameter
B ein vom Bediener einstellbarer Parameter der den Seezustand beschreibt
_ik der Mittelwert der Korrelations-Integrale C_ik der betrachteten und der übriggeblie­ benen umliegenden Zellen
S(C_ik) die Standardabweichung der C_ik-Werte der betrachteten und der übriggebliebenen umliegenden Zellen

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Schwellwert ermittelt wird, wobei in die Berechnung dieses Schwellwerts nur die Autokorrelations-Integrale der betrachteten und einer Anzahl umliegender Zellen eingeht, wobei aber nur Zellen berücksichtigt werden, deren Autokorrelations-Integral den zweiten Schwellwert (TH) übersteigt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur Ziele in den Zellen angezeigt werden, deren Autokorrelations-Integral den dritten Schwellwert übersteigt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die betrachtete und die angrenzenden 24 umliegenden Zellen zur Berechnung eines Schwellwerts herangezogen werden, die ein 5 × 5-Muster bilden.

8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Radargerät mit einer Einrichtung nach Anspruch 8.