DE4130699C2

DE4130699C2 - Verfahren zur Bestimmung des Peilwinkels von Empfangssignalen eines mehrkanaligen Peilempfängers mit Rundumkanal und mehrkanaliger Peilempfänger mit Rundumkanal zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4130699C2
Application number: DE19914130699
Authority: DE
Inventors: Friedrich Prof Jondral; Marcel Dipl Ing Kohl; Josef Dipl Ing Schreiner; Hartwig Dipl Ing Thomas; Uwe Dipl Ing Runte
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1991-09-14
Filing date: 1991-09-14
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2011-09-15
Also published as: DE4130699A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Peilwinkels von Empfangssignalen eines mehrkanaligen Peilempfängers mit Rundumkanal gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1 sowie mehrkanalige Peilempfänger mit Rundumkanal zum Ausführen des Verfahrens nach dem jeweiligen Oberbegriff der Ansprüche 6 und 7. Ein solches Verfahren bzw. ein solcher Peilempfänger sind beispielsweise aus der DE-35 23 537 A1 bekannt.

Der in der DE-35 23 537 A1 beschriebene Peilempfänger mit Rundumkanal ist mit mehreren Empfangskanälen ausgestattet, die jeweils digitale, komplexe Selektionsfilter aufweisen. In jedem Empfangskanal ist hinter dem Selektionsfilter eine erste Rechenschaltung (FFT) angeschlossen, in welcher die Ausgangssignale der Selektionsfilter über eine schnelle Fouriertransformation in schmale Teilbänder zerlegt werden. Die Ausgänge der ersten Rechenschaltungen (FFT) sind zum einen mit einer gleichen Anzahl von Eindrängen eines Peilwertrechners, zum anderen jeweils mit dem Eingang einer Torschaltung (Schmalbandtore) verknüpft. Der Peilwertrechner ermittelt in allen Empfangskanälen in jedem Teilband einzeln die Einfallsrichtung des Empfangssignals und faßt die Teilbänder mit gleicher Einfallsrichtung zu Gruppen zusammen. Zur Darstellung eines ausgewählten Empfangssignals werden die Torschaltungen für alle nicht in die entsprechende Gruppe fallendenden Teilbänder geschlossen. Hinter den Torschaltungen sind zweite Rechenschaltungen (IFFT) angeschlossen zur Durchführung der inversen schnellen Fouriertransformation.

Aus der DE-37 12 866 A1 ist ein Verfahren zur Signaldetektion für einen Peilempfänger bekannt, bei dem in kurzen Zeitabständen Einzelmeßwerte gebildet werden. Über ein gleitendes Zeitfenster wird jeweils eine vorgegebene Anzahl von Einzelmeßwerten zusammengefaßt und deren Mittelwert und Streuwert gebildet. Nur wenn der Streuwert unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt, werden bei diesem Verfahren die zugehörigen Einzelwerte der weiteren Auswertung zugeführt.

Aus der DE-26 57 590 C2 bzw. der DE-26 57 591 C2 bzw. der DE 34 32 145 C2 ist die Anwendung eines Multiplexers und eines Demultiplexers für mehrkanalige Empfänger bekannt.

Aus der DE-36 31 587 A1 ist ein Verfahren zur Eichung von mehrkanaligen Peilern bekannt, bei dem zur Eichung eines solchen Peilers mit jeweils einem analogen Eingangsteil und einem nachfolgenden digitalen Signalweg in jedem Kanal in einer Eichphase auf alle Kanäle ein analoges Eichsignal gegeben wird. Die im digitalen Signalweg dadurch auftretenden digitalen Eichsignale werden für jeden Kanal getrennt durch eine Fourier-Transformation spektral analysiert. Durch Differenzbildung der Spektren aller Kanäle gegen einen als Referenzkanal ausgewählten Kanal werden die Abweichungen der Übertragungsfunktionen bestimmt. Im Peilbetrieb werden die digitalen Signale in allen Kanälen einer Fourier-Transformation unterzogen und mit Ausnahme des Referenzkanals nachfolgend in Korrekturgliedern, deren Parameter durch die in der Eichphase gebildeten Differenzen gebildet werden, korrigiert. Im Referenzkanal werden die Signale um eine der Laufzeit in den Korrekturgliedern gleiche Zeit verzögert. Anschließend werden die Signale in allen Kanälen mittels einer inversen Fourier-Transformation in den Zeitbereich rücktransformiert und der Peilauswertung zugeführt.

Die in dem aus der DE-35 23 537 A1 bekannten Peilempfänger eingesetzten Hauptselektionsfilter erlauben ohne weitere Zusatzmaßnahmen nur eine summarische Auswertung der empfangenen 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 anderen möglichst einfache mehrkanalige Peilempfänger mit Rundumkanal zur Ausführung eines solchen Verfahrens zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist bezüglich des zu schaffenden Verfahrens in Anspruch 1 und bezüglich der zu schaffenden mehrkanaligen Peilempfänger in den Ansprüchen 6 und 7 beschrieben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung, und zwar Ansprüche 2 bis 5 in bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren und Ansprüche 8 bis 11 in bezug auf die erfindungsgemäßen mehrkanaligen Peilempfänger.

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

Die nachfolgende Verarbeitung ist für die Signale aus allen drei Peilkanälen Ost/West, Nord/Süd, Rundum identisch (vgl. 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 schnellen 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 als 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 mehrkanaligen Peilempfängers mit Rundumkanal, bei welchem Verfahren zunächst das analoge Eingangssignal eines jeden Empfangskanals abgetastet, 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 Peilwinkelrechners der jeweilige Peilwinkel bestimmt wird, wobei das digitalisierte Empfangssignal eines jeden Empfangskanal in M zeitlich aufeinanderfolgende Verarbeitungsblöcke von jeweils N zeitlich aufeinanderfolgenden Abtastwerten aufgeteilt wird und die Transformation in das komplexe Basisbandsignal, die digitale Fouriertransformation und die Peilwinkelbestimmung für jeden der M Verarbeitungsblöcke getrennt von den übrigen M-1 Verarbeitungsblöcken durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet,

- daß für jedes Teilband getrennt von den übrigen Teilbändern der Mittelwert der in den M Verarbeitungsblöcken bestimmten Peilwinkel gebildet und die zugehörige Streuung ermittelt wird;
- daß anhand der Peilwinkelmittelwerte und der zugehörigen Streuungen mit Hilfe von einstellbaren Parametern der tatsächliche Peilwinkel bestimmt wird;
- daß zusätzlich zum gemittelten Peilwinkelspektrum für jeden Analysekanal des Rundumkanals getrennt von den übrigen Analysekanälen dieses Kanals der Mittelwert der in den M Verarbeitungsblöcken erzeugten spektralen Leistungsdichten in den einzelnen Analysekanälen gebildet wird und die zugehörige Streuung ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die komplexen Basisbandsignale der einzelnen Empfangskanäle mit einer die spektrale Auflösung beeinflussenden Fensterfunktion gewichtet werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Fouriertransformation in Form einer schnellen Fouriertransformation durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Peilwinkel nach dem Watson-Watt- oder nach dem Interferometer-Prinzip bestimmt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Peilwinkelbestimmung nur diejenigen Teilbänder herangezogen werden

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

6. Mehrkanaliger Peilempfänger mit Rundumkanal zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in jedem Empfangskanal (Ost/West, Nord/Süd, Rundum) jeweils eine Reihenschaltung aus A/D-Wandler (1), komplexem Digitalfilter (21-26) und digitalem Fouriertransformator (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der separate digitale Fouriertransformator (4) des Rundumkanals (Rundum) zusätzlich über eine zweite Schaltung (64-66) zur Bildung des Leistungsdichtespektrums (64) und dessen Mitteilung (65-66) mit der Wiedergabe- und/oder Auswerteeinheit verbunden ist.

7. Mehrkanaliger Peilempfänger mit Rundumkanal zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Empfangskanäle (Ost/West, Nord/Süd, Rundum) eine einzige Reihenschaltung aus Multiplexer, A/D-Wandler, komplexem Digitalfilter, digitalem Fouriertransformator und Demultiplexer vorgesehen ist und daß der gemeinsame digitale Fouriertransformator für alle Empfangskanäle (Ost/West, Nord/Süd, Rund) über eine bei der Ausgabe des Fourierspektrums des Rundumkanals (Rundum) geschlossene und sonst offene Schalteinrichtung verbunden ist.

8. Mehrkanaliger Peilempfänger nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Digitalfilter (21-26) und digitalem Fouriertransformator (4) (jeweils) ein Fenster der Blocklänge N zugeordnet ist mit N<1.

9. Mehrkanaliger Peilempfänger nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die digitale(n) Fouriertransformator(en) (4) ausgangsseitig mit dem Peilwinkelrechner (5) verbunden ist oder sind und der Peilwinkelrechner (5) ausgangsseitig über eine erste Schaltung (61, 62) zur Bildung der Peilwinkelmittelwerte (61) und deren Streuung (62) mit einer Wiedergabe- und/oder Auswerteeinheit verbunden ist.

10. Mehrkanaliger Peilempfänger nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Verfahrens ein gemeinsamer Prozeßrechner vorgesehen ist.

11. Mehrkanaliger Peilempfänger nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die digitale(n) Fouriertransformator(en) als Fast-Fouriertransformator(en) arbeitet oder arbeiten.