DE4142832A1

DE4142832A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abschätzung der Größe und Klassifizierung von Luftzielen durch ein Radarsystem

Info

Publication number: DE4142832A1
Application number: DE19914142832
Authority: DE
Inventors: Christian Delhote; Anne Gascard
Original assignee: LE CENTRE THOMSON D'APPLICATIONS RADARS; LE CT THOMSON D APPLIC RADARS
Current assignee: LE CENTRE THOMSON D'APPLICATIONS RADARS; LE CT THOMSON D APPLIC RADARS
Priority date: 1990-12-20
Filing date: 1991-12-20
Publication date: 2011-03-31
Also published as: GB9126704D0

Abstract

Zur Abschätzung der Größe und Klassifizierung von Luftzielen in einem Radarsystem werden die zeitlichen Änderungen der von einem Ziel empfangenen Leistung ausgewertet, um die spektrale Ausdehnung der Leistung zu bestimmen und daraus die Größe des Zieles abzuleiten. Der Radarempfänger (1) ist mit einer Bahnbestimmungsvorrichtung (2) versehen, welche die abgeschätzten Parameter für Entfernung und Geschwindigkeit des Zieles liefert. Eine Schaltung (3) berechnet die Leistung des empfangenen und in Abhängigkeit von den Entfernungsparametern korrigierten Signals. Nach Fouriertransformation (4) wird die spektrale Breite abgeschätzt (5) und anschließend die Größe des Zieles (6) geschätzt, wobei die durch die Schaltung (8) berechnete Entfernungsauflösung benutzt wird. Anwendung insbesondere bei bistatischen Radarsystemen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abschätzung der Größe und Klassifizierung von Luftzielen durch ein Radarsystem, das eine Einrichtung zum Aufspüren von Zielen enthält.
Bei zahlreichen Radar-Anwendungen können nur die Winkelposition und Entfernung eines beobachteten Zieles gemessen werden. Jedes Ziel wird nur als Punkt erkannt. Da die Winkelauflösung im Vergleich zu einer Entfernungsauflösung schlecht ist, erscheinen benachbarte Ziele in gleicher Entfernung als ein einziger Punkt. Die Auflösung kann stark verbessert werden, wenn das Prinzip der synthetischen Antennen angewandt wird, mittels welchem durch ein bewegliches Radarsystem an Bord ein Flugzeugs oder eines Satelliten und durch Signalverarbeitung mittels eines Rechners ein Bild von hoher Auflösung in einer Richtung parallel zur Bewegung des Radarsystems gewonnen werden kann. Die Verarbeitung basiert auf dem Gedanken, daß eine Antenne von großem Öffnungswinkel synthetisiert werden kann, indem jedes von einem Ziel empfangene Echo abgespeichert wird und die Echos anschließend in geeigneter Weise kombiniert werden.
Es ist auch bereits bekannt, ein solches Prinzip auf inverse Weise anzuwenden, indem von einem ortsfesten Radarsystem und einem beweglichen Ziel ausgegangen wird. Die von dem Ziel empfangenen aufeinanderfolgenden Echos werden abgespeichert und verarbeitet. Ein solches System ist unter der Bezeichnung ”Radar mit inverser synthetischer Öffnung” bekannt. Der Vorteil eines solchen Systems liegt darin, daß er die Gewinnung eines Bildes vom Ziel ermöglicht, insbesondere durch Erfassung seiner verschiedenen hellen Punkte, und daß so eine Identifizierung der Ziele in gewissem Umfang möglich ist.
Ein solches System arbeitet aber im allgemeinen kohärent und kann nicht auf einfache Weise an sogenannte bistatische Radarsysteme angepaßt werden, also Systeme, bei denen der Sender und der Empfänger an verschiedenen Stellen angeordnet sind.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, das auf inkohärente bistatische Radarsysteme anwendbar ist, um die Größe eines Zieles zu schätzen und seine Klassifizierung zu ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Abschätzung der Größe und Klassifizierung von Luftzielen auf der Grundlage der Auswertung von Leistungsänderungen, die im Verlauf der Zeit von einem Ziel empfangen werden, sowie auf der Messung der spektralen Ausdehnung dieser Veränderungen.
Durch die Erfindung wird also ein Verfahren zur Abschätzung der Größe und Klassifizierung von Luftzielen durch ein Radar-System geschaffen, das mit Einrichtungen zum Aufspüren von Zielen versehen ist, um über jedes Ziel während einer Analysezeit T Schätzparameter für Entfernung (d ^₁, d ^₂) und die reelle Geschwindigkeit (V ^, θ ^₁, θ ^₂) des Zieles zu liefern; das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

– im Verlauf der Analysezeit T wird die zu jedem Zeitpunkt von einem gegebenen Ziel empfangene Leistung bestimmt;
– die spektrale Ausdehnung dieser Leistung wird nach Korrektur in Abhängigkeit von der Flugbahn des gegebenen Zieles abgeschätzt; und
– die Größe des Zieles wird ausgehend von der spektralen Breite, von der Analysezeit und den Schätzparametern abgeschätzt.

Durch die Erfindung wird ferner eine Vorrichtung zur Abschätzung der Größe und der Klassifizierung von Luftzielen durch ein Radar-System geschaffen, welches Einrichtungen zum Aufspüren von Zielen umfaßt, um über jedes Ziel während einer Analysezeit T Schätzparameter für Entfernung und reelle Geschwindigkeit des Zieles zu liefern, wobei diese Vorrichtung zur Durchführung des oben angegebenen Verfahrens vorgesehen und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie umfaßt:

– eine erste Rechenschaltung zur Bestimmung der zu jedem Zeitpunkt von einem gegebenen Ziel empfangenen Leistung nach Korrektur mit einem Faktor, der umgekehrt proportional zum Produkt der Quadrate der Entfernungen des Ziels zum Sender und zum Empfänger des Radarsystems ist;
– einen Operator zur Berechnung der Fouriertransformierten der korrigierten empfangenen Leistung während der Analysezeit;
– eine Schaltung zur Abschätzung der Breite des Spektrums, das durch die Fouriertransformation gewonnen wird;
– Mittel zum Abschätzen der Größe des Ziels auf der Grundlage dieser spektralen Breite und der Parameter des Ziels; und
– Mittel zur Klassifizierung durch Vergleichen dieser abgeschätzten Größe mit vorbestimmten Grenzwerten von Klassengrößen.

Der Vorteil eines solchen Verfahrens und einer solchen Vorrichtung liegt insbesondere darin, daß sie, da nur die empfangene Leistung ausgewertet wird, inkohärent sind, daß eine Bewahrung der Phase des empfangenen Signals also nicht notwendig ist.
Von Vorteil ist weiterhin, daß sie sehr gut für bistatische Radar-Systeme geeignet sind, unabhängig von ihrer Betriebsfrequenz, selbst wenn diese niedrig liegt, wobei dann das Ansprechen auf Formen im Gegensatz zum Ansprechen auf helle Punkte des Zieles bevorzugt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ziels im Erfassungsfeld eines bistatischen Radars;
2 und 3 Zeitdiagramme für die von einem Ziel empfangenen Leistungen, wenn das Ziel von geringer (2) oder großer (3) Ausdehnung ist; und
4 ein Blockschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun im einzelnen anhand der Anwendung bei einem bistatischen Radarsystem beschrieben, ohne daß dies jedoch eine Einschränkung der Erfindung darstellt, die auch bei monostatischen Radarsystemen anwendbar ist.
In 1 ist ein bistatisches Radarsystem dargestellt, welches einen Sender Ein und einen Empfänger Re enthält, die an zwei voneinander entfernten Stellen angeordnet sind. Ferner ist ein Ziel C von bestimmter Form und bestimmter Größe dargestellt. Die verschiedenen Parameter, die zur Erläuterung der Erfindung verwendet werden, sind gleichfalls dargestellt. Als Ursprung wird ein beliebiger Punkt O des Zieles angenommen.
Zum Zeitpunkt t liegt dieser Punkt O in einer Entfernung d₁(t) vom Sender Ein und in einer Entfernung d₂(t) vom Empfänger Re. Dieses Ziel C führt eine Bewegung aus, die als geradlinige, gleichförmige Bewegung mit der reellen Geschwindigkeit V ⇀ während einer Analysezeit T um den Zeitpunkt t_o angenommen wird.
Die Einheitsvektoren an den Geraden Emn-O und Re-O sind u ⇀₁(t) bzw. u ⇀₂(t) .
Wenn x ⇀ der Vektor ist, welcher den Punkt O mit einem beliebigen Punkt M auf dem Ziel verbindet, so sind d₁(t, x ⇀) und d₂(t, x ⇀) die Entfernungen dieses Punktes vom Sender bzw. Empfänger.
Der reelle Geschwindigkeitsvektor des Zieles bildet mit den Richtungen Ein-O und Re-O die Winkel θ₁(t) und θ₂(t).
Das vom Ziel durch den Empfänger Re empfangene Signal kann in folgender Form geschrieben werden:
Darin ist A(x ⇀) die Dichte des Rückstreukoeffizienten am Punkte x ⇀, wobei A(x ⇀) außerhalb des Zieles gleich Null ist.
Wenn die Abmessungen des Zieles klein gegenüber d₁(t) und d₂(t) sind, so kann beispielsweise geschrieben werden: d₁(t, x →) ≃ d₁(t) + x →·u →₁(t) so daß:
Wenn während der Analysedauer t_o – T/2 bis t_o + T/2 die Bewegung des Ziels klein gegenüber den Entfernungen d₁(t_o) und d₂(t_o) ist und wenn angenommen wird, daß:
so kann gezeigt werden, daß:
Das Integral in diesem Ausdruck ist mit s ~(t) bezeichnet. Seine Fouriertransformierte ist:
Wenn mit A_p die Liniendichte des Rückstreukoeffizienten bezeichnet wird, die sich aus der Projektion von A(x ⇀) auf den Vektor p ⇀ ergibt, so kann leicht gezeigt werden, daß A_p bis auf einen Koeffizienten nichts anderes als S ~(f) ist.
Die Breite B ^ von |S ~(f)| ermöglicht die Bestimmung der Größe des Ziels entlang des Vektors p ⇀, wenn diese Größe gleich B ^/||p ⇀|| ist. Die entlang der Bewegungsbahn gemessene Größe ist dann gleich:
Die sich ergebende Entfernungsauflösung δr ist:
Durch Rechnung kann gezeigt werden, daß im Zeitpunkt t_o gilt:
Daraus ergibt sich:
und die geschätzte Zielgröße ist: L ^ = B ^Tδr (3)
Man verfügt also über das Empfangssignal s(t) und nicht die Größe s ~(t) (vgl. Beziehung (1)). Mittels des Radarsystems können zwar die Schätzwerte d ^₁(t) und d ^₂(t) in Erfahrung gebracht werden, aufgrund der Bahnbeschreibung jedoch mit ziemlich schlechter Genauigkeit. Nur das Produkt d₁(t) d₂(t) kann durch das Produkt d ^₁(t) d ^₂(t) recht genau approximiert werden. Dies trifft jedoch nicht für den Phasenterm
zu, insbesondere für eine recht große Dauer T.
Um diese Einschränkungen zu vermeiden, wird schließlich eine Größe R(t) verwendet, die gegeben ist durch: R(t) = d ^ 2 / 1(t)d ^ 2 / 2(t)|s(t)|² ≃ k²|s ~(t)|² (4)
Wenn R(f) die Fouriertransformierte von R(t) ist, so gilt: R(f) = k²T.F.(|s ~(t)|²) = k²S ~(f) ⊗ S ~(f)
Darin bezeichnet das Symbol ⊗ die Autokorrelation. Dies ergibt:
Es wird also ersichtlich, daß die Fouriertransformierte der Leistung des vom Ziel empfangenen Signals nach Korrektur mit den Entfernungstermen proportional zur Autokorrelation der Liniendichte des auf den Vektor p ⇀ projizierten Rückstreukoeffizienten ist.
Seine Breite ergibt also auch einen Meßwert für die Größe des Ziels, und dieses Prinzip wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgenutzt.
Es bestehen mehrere Möglichkeiten zur Abschätzung der Breite B ^ der Fouriertransformierten |R(f)|. Beispielsweise kann die 3 dB-Breite des Spektrums bezüglich des Maximums von |R(f)| bstimmt werden. Es ist dann leicht, ausgehend von den abgespeicherten Werten |R(f)| das Maximum zu bestimmen und anschließend die Werte von f zu bestimmen, für die |R(f)| das durch zwei geteilte Maximum überschreitet und danach wieder unter diesen Wert absinkt, woraus sich der Wert von B ^ ergibt.
Es kann auch die quadratische mittlere Breite bestimmt werden. Diese mittlere quadratische Breite ist gegeben durch:
Die 2 und 3 zeigen die Diagramme der von einem Ziel im Verlaufe der Zeit empfangenen Leistung für den Fall eines Ziels von geringer bzw. großer Ausdehnung. Man ersieht ohne weiteres aus dieser Darstellung, daß die Fouriertransformierte im Fall der 2 eine geringere Breite als im Fall der 3 aufweist.
Nachdem nun die bei der Erfindung angewandten Prinzipien erläutert wurden, erfolgt unter Bezugnahme auf 4 die Beschreibung der wesentlichen Elemente einer Vorrichtung zur Abschätzung der Größe und der Klassifizierung von Luftzielen zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der Radarempfänger 1 liefert das Signal s(t) und die üblichen Informationen über die Zielerfassung an eine Bahnbestimmungsvorrichtung 2 bekannter Art in einem Bahnbeschreibungssystem. Eine solche Bahnbestimmungsvorrichtung liefert auf der Grundlage der aufeinanderfolgenden, von einem gegebenen Ziel während einer Analysezeit T empfangenen Echos die verschiedenen abgeschätzten Zielparameter, insbesondere die Entfernungen d ^₁(t) und d ^₂(t) , die reelle Geschwindigkeit V ⇀ und die Winkel θ ^₁(t_o) und θ ^₂(t_o) zum Zeitpunkt t_o. Diese Parameter werden einer Schaltung 8 zur Berechnung der Entfernungsauflösung zum Zeitpunkt t_o gemäß der Beziehung (2) zugeführt. Die so berechnete Auflösung δr wird einem Komparator 9 zugeführt, der sie mit einem vorbestimmten Schwellwert S vergleicht. Es ist nämlich nützlich, vor Beginn jeder weiteren komplementären Abschätzung Kenntnis darüber zu erlangen, ob sie ausreicht, um eine Abschätzung der Größe eines Ziels mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen, unter Berücksichtigung der minimalen Größe, die der Klassifizierung zugrundegelegt werden soll.
Wenn der Komparator 9 angibt, daß δr größer ist als der Schwellwert S, ist es nutzlos, den Versuch einer Klassifizierung des Zieles durch Abschätzen seiner Größe vorzunehmen; dies ist bei 10 schematisch angedeutet.
Wenn hingegen der Komparator 9 anzeigt, daß δr kleiner als der Schwellwert S ist, kann der anschließende Schritt freigegeben werden.
Das empfangene Signal s(t) wird einer Rechenschaltung 3 zugeführt, die ferner die Entfernungs-Schätzwerte d ^₁(t) und d ^₂(t) von der Bahnbestimmungsvorrichtung 2 empfängt. Diese Schaltung 3 berechnet das Signal R(t) über die Beziehung (4). Dieses Signal wird einem Operator 4 zugeführt, der die Fouriertransformierte bestimmt, also die Werte R(f). Diese werden an eine Schaltung 5 zur Abschätzung der Breite B ^ des Spektrums von R(t) angelegt, worin eine von verschiedenen möglichen Methoden Anwendung findet.
Eine Schaltung 6 zur Abschätzung der Größe des Ziels bestimmt dann dessen Größe L ^ nach der Formel (3) ausgehend von der Breite B, welche die Schaltung 5 liefert, der Entfernungsauflösung δr, welche die Rechenschaltung 8 liefert, und von der Größe T, welche die Bahnbestimmungsvorrichtung 2 liefert.
Die abgeschätzte Größe des Ziels wird dann mit verschiedenen Größen-Grenzwerten verglichen, die abgespeichert sind und Zielklassen definieren, was in einer Klassifizierungsschaltung 7 geschieht. Die Ergebnisse werden anschließend angezeigt.
Die verschiedenen abgeschätzten Zielparameter können auch von anderen Verfolgungseinrichtungen statt von der Bahnbestimmungsvorrichtung geliefert werden, beispielsweise einer Verfolgungskamera oder dergleichen.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es inkohärent arbeitet, daß also keinerlei Berücksichtigung der Phase der Empfangssignale erfolgt. Seine Anwendung ist daher sehr einfach.

Claims

Verfahren zur Abschätzung der Größe und Klassifizierung von Luftzielen durch ein Radarsystem, welches Zielbahn-Bestimmungsmittel enthält, um für jedes Ziel während einer Analysezeit T die abgeschätzten Parameter für die Entfernung (d ^1, d ^2) und der reellen Geschwindigkeit (V ^, θ ^₁, θ ^₂) des Zieles zu liefern, dadurch gekennzeichnet, daß: – im Verlauf der Analysezeit T die zu jedem Zeitpunkt von einem gegebenen Ziel empfangene Leistung bestimmt wird; – die spektrale Ausdehnung dieser Leistung nach Korrektur in Abhängigkeit von der Bewegungsbahn des gegebenen Ziels abgeschätzt wird; und – die Größe dieses Ziels auf der Grundlage dieser spektralen Ausdehnung, der Analysezeit und der abgeschätzten Parameter bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Klassifizierung der Ziele vorgenommen wird, indem die abgschätzte Größe des Ziels mit vorbestimmten Grenzwerten von Klassengrößen verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschätzung der spektralen Ausdehnung ein erster Schritt ausgeführt wird, der darin besteht, daß die empfangene Leistung in Abhängigkeit von abgeschätzten Entfernungsparametern für das Ziel korrigiert wird, ein zweiter Schritt ausgeführt wird, der darin besteht, daß die Fouriertransformierte der korrigierten Leistung berechnet wird, und ein dritter Schritt ausgeführt wird, der darin besteht, daß die Breite des durch die Fouriertransformation gewonnenen Spektrums abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Schritt darin besteht, daß die 3 dB-Breite der Fouriertransformierten bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Schritt darin besteht, daß die mittlere quadratische Breite der Fouriertransformierten R(f) über folgende Beziehung bestimmt wird:
worin B ^ die mittlere abgeschätzte quadratische Breite, f die Frequenz und f durch folgenden Ausdruck gegeben ist:
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschätzung der Größe des Ziels ein Schritt ausgeführt wird, bei dem die Entfernungsauflösung δr zum mittleren Zeitpunkt t_o der Zeit T auf der Grundlage der abgeschätzten Zielparameter zu diesem mittleren Zeitpunkt berechnet wird, sowie ein Schritt ausgeführt wird, bei dem die eigentliche Abschätzung erfolgt und der darin besteht, daß die Größe L des Ziels nach folgender Beziehung berechnet wird: L ^ = B ^Tδr worin B ^ die Breite des Spektrums ist, das durch die Fouriertransformation erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, für ein bistatisches Radarsystem, das einen Sender und einen Empfänger enthält, die an verschiedenen Orten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Entfernungsauflösung δr folgende Rechnung ausgeführt wird:
worin V ^ die abgeschätzte reelle Geschwindigkeit des Ziels, θ ^₁ und θ ^₂ die Schätzwerte für die Winkel sind, welche die Richtung der reellen Geschwindigkeit mit der Richtung zwischen Sender und Ziel sowie Ziel und Empfänger zum mittleren Zeitpunkt bilden, d ^₁, d ^₂ die abgeschätzten Entfernungen des Ziels zum Sender bzw. zum Empfänger sind und worin λ die Betriebswellenlänge des Radars ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Berechnung der Entfernungsauflösung und der eigentlichen Abschätzung der Größe des Ziels ein Schritt eingefügt wird, daß darin besteht, daß zuvor die Möglichkeit der Abschätzung der Größe überprüft wird, indem die berechnete Entfernungsauflösung mit einem vorbestimmten Schwellwert verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schritt einer Korrektur der empfangenen Leistung darin besteht, daß die Leistung des empfangenen Signals mit dem Produkt der Quadrate der abgeschätzten Entfernungen zwischen dem Ziel und dem Sender bzw. Empfänger des Radarsystems multipliziert wird.
Vorrichtung zur Abschätzung der Größe und der Klassifizierung von Luftzielen durch ein Radarsystem (1), das mit Einrichtungen (2) zur Ziel-Bahnbestimmung versehen ist, um für jedes Ziel während einer Analysezeit T die abgeschätzten Parameter für die Entfernung (d ^₁, d ^₂) und die reelle Geschwindigkeit (V ^, θ ^₁, θ ^₂) des Zieles zu liefern, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch: – eine erste Rechenschaltung (3) zur Bestimmung der zu jedem Zeitpunkt von einem gegebenen Ziel empfangenen Leistung, nach Korrektur mit einem Faktor, der gleich dem Produkt der Quadrate der Entfernungen zwischen Ziel und Sender sowie Ziel und Empfänger des Radarsystems ist; – einen Operator (4) zur Berechnung der Fouriertransformierten der korrigierten, während der Analysezeit empfangenen Leistung; – eine Schaltung (5) zur Abschätzung der Breite des durch die Fouriertransformation gewonnenen Spektrums; – Mittel (8, 6) zur Abschätzung der Größe des Zieles ausgehend von dieser spektralen Breite und von den Ziel-Parametern; und – Mittel (7) zur Klassifizierung durch Vergleichen der abgeschätzten Größe mit vorbestimmten Grenzwerten für Klassen-Größen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Abschätzung der Größe des Ziels eine zweite Rechenschaltung (8) enthalten, um die Entfernungsauflösung zu einem mittleren Zeitpunkt der Analysezeit T ausgehend von den zu diesem Zeitpunkt abgeschätzten Ziel-Parametern zu berechnen, und eine Schaltung (6) zur Abschätzung der Größe des Ziels ausgehend von der spektralen Breite, von der Analysezeit und von der berechneten Entfernungsauflösung.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Komparatorschaltung (9) enthält, um die durch die Rechenschaltung (8) berechnete Entfernungsauflösung mit einem vorbestimmten Schwellwert zu vergleichen, wobei diese Komparatorschaltung die erste Rechenschaltung (3) freigibt, wenn die Entfernungsauflösung kleiner als der Schwellwert ist.