DE4130699A1

DE4130699A1 - Verfahren zur bestimmung des peilwinkels von empfangssignalen eines mehrkanaligen peilempfaengers und anordnung zur ausfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE4130699A1
Application number: DE4130699A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Prof Jondral; Marcel Dipl Ing Kohl; Josef Dipl Ing Schreiner; Hartwig Dipl Ing Thomas; Uwe Dipl Ing Runte
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1991-09-14
Filing date: 1991-09-14
Publication date: 1993-03-25
Anticipated expiration: 2011-09-15
Also published as: DE4130699C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Peilwinkels von Empfangssignalen eines mehrkanaligen Peil empfängers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1 so wie eine Anordnung zum Ausführen des Verfahrens. Ein sol ches Verfahren ist beispielsweise aus der DE-35 23 537 A1 bekannt.

Die in dem aus der DE-35 23 537 A1 bekannten Peilempfänger eingesetzten Hauptselektionsfilter erlauben ohne weitere Zusatzmaßnahmen nur eine summarische Auswertung der emp fangenen Energien zum Zweck der Bestimmung des Einfall- oder Peilwinkels elektromagnetischer Wellen.

Störeinflüsse durch Gleichkanalsignale erscheinen im Zeit bereich dem zu peilenden Signal additiv überlagert und sind, wenn überhaupt, nur durch eine Analyse der spektra len Leistungsverteilung des Signalgemisches zu trennen. Tritt zur Überlagerung im Zeitbereich eine vollständige spektrale Überlappung hinzu, ist die Trennung nicht durch führbar.

Von den in Fig. 1 skizzierten Signalkonstellationen ist für die Erkennung und Trennung von Gleichkanalsignalen nur der Fall (b) interessant. Fall (a) ist unkritisch, weil dort die Signale durch einen Filterprozeß vollständig ge trennt werden können. Im Fall (c) dagegen ist eine Tren nung (auch nur von Signalanteilen) unmöglich.

Fig. 2 zeigt den Fall (b) aus Fig. 1 noch einmal und skiz ziert den bereits bekannten Weg zur partiellen Trennung der Signale: Die Überlagerung der Spektren wird mit einer Filterbank analysiert und über die zu den Analysekanälen gehörenden Richtungsinformationen wird auf Zusammengehö rigkeit geschlossen. Bei der Bestimmung der Azimute in den (schmalen) Analysekanälen der Filterbank ist zu berück sichtigen, daß die notwendige Beobachtungsdauer, bei kon stanter Bandbreite, proportional zur Kanalzahl wächst. Aus gleicher Richtung einfallende Energie wird als zum selben Signal gehörig angesehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zum einen ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Einfallsrichtung des Empfangssignals, mit anderen Wor ten, der sogenannte Peilwinkel (Azimut und/oder Eleva tion), möglichst genau bestimmt werden kann, sowie zum an deren eine möglichst einfache Anordnung zur Ausführung ei nes solchen Verfahrens zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist bezüglich des zu schaffenden Verfahrens in Anspruch 1 und bezüglich der zu schaffenden Anordnung in Anspruch 7 beschrieben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung, und zwar Ansprüche 2 bis 6 in bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren und Ansprüche 8 bis 12 in bezug auf die erfindungsgemäße Anordnung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 3 bis 5 am Beispiel eines dreikanaligen Peilempfängers näher erläutert. Die drei Zwischenfrequenzausgänge des Peilemp fängers in Fig. 3 werden zeitsynchron unter Beachtung des an sich bekannten Abtasttheorems für Bandpaßsignale (Jon dral, F.: "Die Bandpaßunterabtastung"; in: Archiv für Elektronik und Übertragungstechnik, Band 43 (1989), Seiten 241-242) mittels A/D-Wandler 1 digitalisiert und die Si gnale aus den drei Peilkanälen Ost/West bzw. Nord/Süd bzw. Rundum werden an einen Rechner (z. B. einen PC) übertra gen.

Die nachfolgende Verarbeitung ist für die Signale aus al len drei peilkanälen Ost/West, Nord/Süd, rundum identisch (vergleiche Fig. 3). Sie werden

- mittels eines komplexen Digitalfilters 21-26 in die äquivalente komplexe Basisbanddarstellung umgerechnet,
- in Verarbeitungsblöcke von N zeitlich aufeinander folgenden Abtastwerten aufgeteilt (N<1) und mit einer geeigneten Fensterfunktion 3, die die spektrale Auflösung beeinflußt, gewichtet,
- blockweise einer diskreten Fouriertransformation 4 (DFT) unterworfen.

Aus rechentechnischen Gründen kann es vorteilhaft sein, die diskrete Fouriertransformation (DFT) 4 als schnelle Fouriertransformation (Fast-Fourier-Transform: FFT) zu programmieren.

Nach dem Prinzip der Digitalfilterbank (Schaller, W.: "Verwendung der Fouriertransformation in digitalen Fil tern"; in: Nachrichtentechnische Zeitschrift, 27. Jahrgang (1974), Seiten 425-431) liegt nach der Durchführung der FFTs gleichzeitig für jedes der N Teilbänder bzw. für je den der FFT-Analysekanäle in jedem der drei Peilkanäle Ost/West, Nord/Süd, rundum je ein Signalabtastwert vor. Nach dem Watson-Watt- oder nach dem Interferometer-Prinzip beispielsweise wird anschließend in einem Peilwinkelrech ner 5 aus den zeitlich zusammengehörenden Werten der drei Peilkanäle Ost/West, Nord/Süd, Rundum für jeden der FFT- Analysekanäle ein Peilwinkel (z. B.: Azimut) berechnet. Zur Erhöhung der Peilgenauigkeit wird in einer ersten Schaltung 61-62 für jeden FFT-Analysekanal, getrennt über M Peilwinkel, gemittelt und die zugehörige Streuung berechnet. Dabei entspricht die Anzahl M der Peilwinkel der verwendeten Blockanzahl, die bei vorgegebener Block länge N nur von der Beobachtungsdauer abhängt. Die Streu ungen können ale Gütemaß für die in den FFT-Analysekanälen festgestellten Peilwinkel interpretiert werden. Bei zu großen Streuungen kann in einer Weiterbildung der Erfin dung über eine Ausblendeinrichtung 63 der zugehörige Azi mut aus der weiteren (in Fig. 3 nicht gezeigten) Signal verarbeitung z. B. mittels eines Auswerterechners ausge blendet werden. Gleichzeitig zu dem gemittelten Azimut spektrum, d. h. zur Aufteilung der Einfallswinkel auf die Frequenzen, wird in einer zweiten Schaltung 64-66 durch die Mittelung über die entsprechenden (aus den Kurzzeit- Fouriertransformierten berechneten) Kurzzeitspektren des Rundum-Kanals das gemittelte Leistungsdichte-Spektrum, das die Verteilung der Signalleistung auf die Frequenzen wäh rend der Beobachtungszeit darstellt, ermittelt. Schema tisch ist die Signalverarbeitung in der Peilstation in Fig. 4 skizziert.

Hierbei stehen:

- a(t) stellvertretend für die Zeitfunktionen der drei analogen Empfangssignale s_OW(t) des Ost/West- Kanals, s_NS(t) des Nord/Süd-Kanals und s_R(t) des Rundum-Kanals mit den im Kurvenverlauf in Fig. 4 durch senkrechte Striche angedeuteten Abtastwer ten;
- |S(ω)| für den Betrag der drei in den einzelnen Verarbeitungsblöcken 1 - M erzeugten Kurzzeit- Fouriertransformierten S_OW(ω) des Ost/West-Kanals, S_NS(ω) des Nord/Süd-Kanals und S_R(ω) des Rundum- Kanals der entsprechenden Zeitfunktionen s_OW(t), s_NS(t), s_R(t).
- α(ω) für das Kurzzeit-Azimutspektrum, welches für die einzelnen Teilbänder 0ωω_g mittels eines Watson-Watt- oder Interferometeralgorithmus aus der Kurzzeit-Fouriertransformierten s_ω(t) gewonnen worden ist.

Anhand des Kurzzeit-Leistungsspektrums des Rundumkanals bzw. des Kurzzeit-Azimutspektrums werden anschließend die Mittelwerte der Leistungsdichte in den einzelnen Teilbän dern des Rundumkanals bzw. die Mittelwerte der Azimute der einzelnen Teilbänder einschließlich der zugehörigen Streu ungen ermittelt und z. B. über eine Bildaufbereitung als gemitteltes Spektrum der Leistungdichte des vom Rundumka nal detektierten Empfangssignals bzw. als gemitteltes Azi mutspektrum mit den zugehörigen Streuungen ausgegeben.

Die Peilauswertung kann z. B. nach voreingestellten Pa rametersätzen (siehe unten) automatisch durchgeführt oder von einem Operateur mit Rechnerunterstützung im off-line-mode vorgenommen werden.

Die Auswerteprozedur läßt sich am besten anhand der vom Operateur gesteuerten off-line-Verarbeitung erläutern (vgl. Fig. 5):

Auf dem Bildschirm des Auswerterechners werden zum einen das über M Blöcke gemittelte Leistungsdichte-Spektrum (I in Fig. 5) - mit "Leistungsdichte-Spektrum" wird hier der Betrag einer Fouriertransformierten bezeichnet - und zum anderen das über die entsprechenden Blöcke (vgl. Fig. 4) gemittelte Azimutspektrum dargestellt (II in Fig. 5).

Das gemittelte Leistungsdichte-Spektrum wird so normiert, daß der maximal auftretende Wert 1 ist (vgl. den rechten Rand der Fig. 5). Die Darstellung ist linear. Der gemit telte Azimut wird als (im mathematisch positiven Sinn ge gen die Nordrichtung gemessener) Winkel eingezeichnet. Um den Azimut des jeweiligen FFT-Analysekanals wird ein Bal ken, dessen Höhe zweimal die ermittelte Azimutstreuung (basierend auf M Meßwerten) an der betrachteten Frequenz wiedergibt, gelegt. Die Höhe der Streuungsbalken ist bei spielsweise auf maximal 208° begrenzt (das entspricht dem Doppelten der Azimutstreuung bei Annahme einer Gleichver teilung des Winkels zwischen 0° und 360°), der allerdings bei kleinen Stichproben überschritten werden kann. Der Grauton des jeweiligen Streuungsbalken gibt die ungefähre Lage des (gemittelten) Azimuts wieder. Benachbarte Winkel erhalten so denselben oder einen ähnlichen Grauton (vgl. die Grautonskala am linken Rand der Fig. 5). Anstelle von Grautönen können bei farbigen Bildschirmen auch verschie dene Farbtöne verwendet werden.

Die Peilrichtung wird nun aus einer parametergesteuerten Mittelung über die Azimute ausgewählter FFT-Analysekanäle ermittelt. Die Azimutkanäle, deren Azimute in die Peil richtungsberechnung eingehen, können nach verschiedenen Kriterien ausgewählt werden:

a) Einschränkung der Streuung
Zur Auswertung werden nur die FFT-Analysekanäle herangezogen, für die die Azimutstreuung unter ei ner einstellbaren Schwelle liegt.
b) Berücksichtigung der spektralen Leistung
Nur die FFT-Analysekanäle, in denen die spektrale Leistung eine wählbare Schwelle überschreitet und die Azimutstreuung unter einer einstellbaren Schwelle liegt, werden zur Berechnung des Azimuts zugelassen.
c) Spitzenauswertung
Es werden die Azimute (z. B. bis zu sieben je Ma ximum), die zu den höchsten lokalen Maxima des Spektrums gehören und über einer vorgegebenen Schwelle liegen, ausgewertet.
d) Vorgabe des Freguenzbereichs
Aus dem gesamten Frequenzbereich wird nun ein spektraler Ausschnitt (d. h. ausgewählte Spektral linien bzw. Teilbänder) für die Peilrichtungsbe stimmung genutzt.

Selbstverständlich sind die Kriterien für die vier Auswer tungsmöglichkeiten a)-d) unabhängig voneinander in be liebiger Kombination wählbar. Die Peilauswertung kann ent weder nach voreingestellten Parametersätzen automatisch durchgeführt und/oder von einem Operateur mit Unterstüt zung des Rechners im off-line-mode vorgenommen werden.

Die Erfindung ist zwar anhand eines dreikanaligen Peilemp fängers näher erläutert worden, sie ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt, sondern kann selbstver ständlich für Peilempfänger mit einer beliebigen Anzahl von Empfangskanälen verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Peilwinkels (Azimut und/oder Elevation) von Empfangssignalen eines mehrkanali gen Peilempfängers, bei welchem Verfahren zunächst das analoge Eingangssignal eines jeden Empfangskanals abgeta stet, digitalisiert und mittels eines digitalen Filters in ein komplexes Basisbandsignal transformiert wird, welches seinerseits mittels einer digitalen Fouriertransformation entsprechend den Analysekanälen dieser Transformation in mehrere Teilbänder spektral zerlegt wird und anschließend für die einzelnen Teilbänder mittels eines Peilwinkelrech ners der jeweilige Peilwinkel bestimmt wird, gekennzeich net durch folgende Merkmale:

- das Empfangssignal eines jeden Empfangskanal wird in M Verarbeitungsblöcke von jeweils N zeitlich aufeinanderfolgenden Abtastwerten aufgeteilt;
- die Transformation in das komplexe Basisbandsi gnal, die digitale Fouriertransformation und die Peilwinkelbestimmung werden für jeden der M Verarbeitungsblöcke getrennt von den übrigen M-1 Verarbeitungsblöcken durchgeführt;
- für jedes Teilband wird getrennt von den übrigen Teilbändern der Mittelwert der in den M Verarbei tungsblöcken bestimmten Peilwinkel gebildet und die zugehörige Streuung ermittelt;
- anhand der Peilwinkelmittelwerte und der zugehöri gen Streuungen wird mit Hilfe von einstellbaren Parametern der tatsächliche Peilwinkel bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 für mehrkanalige Peilempfän ger mit Rundumkanal, dadurch gekennzeichnet, daß zusätz lich zum gemittelten Peilwinkelspektrum für jeden Analy sekanal des Rundumkanals getrennt von den übrigen Analy sekanälen dieses Kanals der Mittelwert der in den M Verarbeitungsblöcken erzeugten spektralen Leistungsdichte in den einzelnen Analysekanälen gebildet wird und die zu gehörige Streuung ermittelt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die komplexen Basisbandsignale der einzelnen Empfangskanäle mit einer die spektrale Auflösung beeinflußenden Fensterfunktion gewichtet werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die digitale Fouriertransforma tion in Form einer schnellen Fouriertransformation durch geführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Peilwinkel nach dem Watson-Watt- oder nach dem Interferometer-Prinzip be stimmt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zur Peilwinkelbestimmung nur diejenigen Teilbänder herangezogen werden

- für die die Peilwinkelstreuung unter einer be stimmten einstellbaren ersten Schwelle liegt und/oder
- deren mittlere spektrale Leistungsdichte eine be stimmte einstellbare zweite Schwelle überschreitet und/oder
- die die höchsten lokalen Maxima in dem gemittelten Leistungsdichtespektrum bilden bzw. in deren nähe rem Bereich liegen und/oder
- die in bestimmten einstellbaren Frequenzbereichen liegen.

7. Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß entwe der in jedem Empfangskanal (Ost/West, Nord/Süd, Rundum) jeweils eine Reihenschaltung aus A/D-Wandler (1), kom plexem Digitalfilter (21-26) und digitalem Fourier transformator (4) vorgesehen ist oder für alle Emp fangskanäle (Ost/West, Nord/Süd, Rundum) eine einzige Rei henschaltung aus Multiplexer, A/D-Wandler, komplexem Digi talfilter, digitalem Transformator und Demultiplexer vor gesehen ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Digitalfilter (21-26) und digitalem Fourier transformator (4) (jeweils) ein Fenster der Blocklänge N angeordnet ist mit N<1.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) digitale(n) Fouriertrans formator(en) (4) ausgangsseitig mit dem Peilwinkelrechner (5) verbunden ist (sind) und der Peilwinkelrechner (5) ausgangsseitig über eine erste Schaltung (61, 62) zur Bil dung der Peilwinkelmittelwerte (61) und deren Streuung (62) mit einer Wiedergabe- und/oder Auswerteeinheit ver bunden ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Empfangskanäle ein Rundumka nal (Rundum) ist und daß der gemeinsame digitale Fourier transformator für alle Empfangskanäle (Ost/West, Nord/Süd, Rund) über eine bei der Ausgabe des Fourierspektrums des Rundumkanals (Rundum) geschlossene und sonst offene Schalteinrichtung oder der separate digitale Fourier transformator (4) des Rundumkanals (Rundum) zusätzlich über eine zweite Schaltung (64-66) zur Bildung des Lei stungsdichtespektrums (64) und dessen Mittelung (65-66) mit der Wiedergabe- und/oder Auswerteeinheit verbunden ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Verfahrens ein ge meinsamer Prozeßrechner vorgesehen ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) digitale(n) Fouriertrans formator(en) als Fast-Fourier-Transformatoren(en) arbeitet (arbeiten).