DE4206797B4

DE4206797B4 - Verfahren zum Betreiben eines Radarantennensystems und Radarantennensystem

Info

Publication number: DE4206797B4
Application number: DE4206797A
Authority: DE
Inventors: David Kelvin Guildford Jones
Original assignee: Thales ATM Ltd
Current assignee: Thales ATM Ltd
Priority date: 1991-03-12
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: FR2857786B1; DE4206797A1; US6531980B1; GB9105180D0; GB2356096B; FR2857786A1; GB2356096A

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Radarantennensystems mit einer aktiven Antennenmatrix aus Antennenelementen, die jeweils direkt mit einem HF-Sende/Empfangs-Modul verbunden sind, wobei aus den Antennenelementen wenigstens zwei Gruppen gebildet werden, von denen eine erste Elementgruppe aus einer ersten vorbestimmten Anzahl von Antennenelementen besteht und eine zweite Elementgruppe aus einer zweiten vorbestimmten Anzahl von Antennenelementen besteht, die gleich der ersten vorbestimmten Anzahl ist, dadurch gekennzeichnet, daß von der ersten Elementgruppe ein Radarsignal ausgesendet wird, daß von der ersten oder der zweiten Elementgruppe ein zurückkehrendes Signal empfangen wird und daß ein Phasenzentrum der Antennenmatrix zur Erzeugung einer Änderung der Phasendifferenz zwischen einer direkten Reflexion und einer Mehrwegereflexion des ausgesendeten Radarsignals durch elektronisches Wechseln des Empfangs des Rückkehrsignals zwischen der ersten und der zweiten Elementgruppe verändert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Radarantennensystems mit einer aktiven Antennenmatrix aus aus Antennenelementen, die jeweils direkt mit einem HF-Sende/Empfangsmodul verbunden sind, wobei aus den Antennenelementen wenigstens zwei Gruppen gebildet werden, von denen eine erste Elementgruppe aus einer ersten vorbestimmten Anzahl von Antennenelementen besteht und eine zweite Elementgruppe aus einer zweiten vorbestimmten Anzahl von Antennenelementen besteht, die gleich der ersten vorbestimmten Anzahl ist, sowie auf ein Radarantennensystem. Die Erfindung ist auf Verfolgungs- und Multifunktions-Radargeräte anwendbar, die beispielsweise in Waffensystemen, in Mikrowellen-Landesystemen, in Radargeräten für die Luftfahrt und die Raumfahrt angewendet werden können.

In einem herkömmlichen Radargerät wird bei der Zielverfolgungsfunktion häufig von einem kreissymmetrischen Reflektorsystem Gebrauch gemacht, das ein bleistiftförmiges Strahlenbündel erzeugt, das mechanisch in Azimuth- und Höhenwinkelrichtung gelenkt wird. In einer Alternativkonstruktion wird eine passive, phasengesteuerte Matrix mit einem einzigen, aus konzentrierten Elementen aufgebauten Sender angewendet, dessen Ausgangsleistung in die Elemente einer elektronisch steuerbaren Antennenmatrix eingespeist wird. Die Speiseanordnung enthält Hochleistungs-HF-Signalnetzwerke mit Phasenschiebern zum Senden und ein ähnliches Netzwerk für die Empfangsfunktion. Die Antennenmatrix kann dann im Raum ein einziges HF-Signalstrahlenbündel oder mehrfache HF-Signalstrahlenbündel erzeugen.

Sowohl die mechanisch lenkbaren Antennen als auch die elektronisch lenkbaren Antennen können durch Reflexionswirkungen oder Mehrwegesignale von der Boden- oder Meeresoberfläche zwischen einem verfolgten Ziel und dem Radargerät beeinträchtigt werden. Die Wirkung dieser Mehrwegesignale besteht darin, daß die Fähigkeit des Geräts, das sich aus der Reflexion ergebende Abbild des Ziels zu verfolgen, verschlechtert wird.

Es sind verschiedene Verfahren bei dem Versuch angewendet worden, dieses Problem zu überwinden. Ein vorgeschlagenes Verfahren besteht darin, das Verfolgungsstrahlenbündel so zu formen, daß der Anteil der in Richtung auf die Land- oder See-Oberfläche ausgesendeten Radarenergie auf ein Minimum verringert wird. Die Verbesserung des Verhaltens ist dabei durch die verfügbare Antennenöffnung begrenzt und durch die Freiheit, mit der das Strahlungsdiagramm ohne Verlust des Verfolgungsverhaltens des Radarsystems genügend geformt werden kann.

Ein anderes Verfahren besteht darin, mit einem sehr breitbandigen Betrieb zu arbeiten. Diese Möglichkeit wird allerdings wegen der sehr großen Bandbreite, die erforderlich sein kann, um Nutzsignale von Störsignalen zu dekorrelieren, nicht favorisiert; auch die Kosten der Hardware zur Erzielung der großen Bandbreite sind ein Hindernis.

Mit Hilfe der Erfindung soll ein Radarsystem geschaffen werden, mit dessen Hilfe Phasenunterschiede zwischen den Nutz- und Störsignalen ausgenutzt werden können.

Aus der GB 2 247 356 A ist ein phasengesteuertes Radarantennensystem bekannt, bei dem mehrere einzelne Antennenelemente blockweise zu Elementgruppen zusammengeschaltet sind. Dabei werden die unterschiedlichen Gruppen beim Senden mit Signalen beaufschlagt, die unterschiedliche Phasenverschiebungen aufweisen, damit die Richtwirkung des Radarsignals erhöht wird. Ein elektronisch gesteuertes Umschalten der Gruppen beim Empfang findet bei diesem bekannten Radarantennensystem nicht statt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art sowie ein Radarantennensystem zu schaffen, mit deren Hilfe Phasenunterschiede zwischen den Nutz- und Störsignalen zur Verbesserung der Zielverfolgung bei Anwesenheit von Mehrwegereflexionen ausgenutzt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß von der ersten Elementgruppe ein Radarsignal ausgesendet wird, daß von der ersten oder der zweiten Elementgruppe ein zurückkehrendes Signal empfangen wird und daß ein Phasenzentrum der Antennenmatrix zur Erzeugung einer Änderung der Phasendifferenz zwischen einer direkten Reflexion und einer Mehrwegereflexion des ausgesendeten Radarsignals durch elektronisches Wechseln des Empfangs des Rückkehrsignals zwischen der ersten und der zweiten Elementgruppe verändert wird.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, daß zwei oder mehr Elementgruppen der Matrix so angeordnet werden, daß das Phasenzentrum der Antenne sowohl vertikal als auch horizontal innerhalb der Antennenfläche bewegt werden kann. Dabei kann vorgesehen werden, daß die Elementgruppen so angeordnet werden, daß das Antennenphasenzentrum zirkular oder elliptisch innerhalb der Matrixfläche gedreht werden kann.

Das gemäß der Erfindung geschaffene Radarantennensystem ist dadurch gekennzeichnet, daß durch ein variables Dämpfungsmittel und mehrere in einer aktiven Antennenmatrix in wenigstens zwei Elementgruppen angeordnete Antennenelemente, wobei wenigstens zwei Elementgruppen aus den mehreren Antennenelementen elektronisch ausgewählt sind und die Auswahl durch das variable Dämpfungsmittel erfolgt und ein Phasenzentrum der Antennenmatrix verändert wird, um eine Phasendifferenzänderung zwischen einer Direktreflexion und einer Mehrwegereflexion des ausgesendeten Radarsignals durch elektronisches Abwechseln des Empfangs des Rückkehrsignals zwischen den wenigstens zwei Elementgruppen zu erzeugen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Skizze einer Radarantenne und eines Ziels zur Veranschaulichung der Geometrie, bei der eine Mehrwegereflexion auftreten kann,
2 ein Blockschaltbild einer Radarantenne in Form einer linearen Matrix und
3 eine ebene Antennenmatrix, wobei veranschaulicht wird, wie ein Phasenzentrum der Matrix zu verschiedenen Positionen innerhalb der gesamten Matrixfläche bewegt werden kann.
Die besonderen Bedingungen, unter denen eine Mehrwegereflexion stattfinden kann, sind in 1 dargestellt. Eine Radarantenne 1 richtet ein Verfolgungsstrahlenbündel 2 gegen ein Ziel 3. Das Ziel 3 reflektiert dann einen Teil des Strahlenbündels 2 längs des gleichen Wegs zur Antenne 1 zurück. Das resultierende Nutzsignal dient beim Empfang an der Antenne 1 dazu, die Verfolgung des Ziels 3 durch das Radarsystem zu ermöglichen. In dieser Situation hat nur eine einfache Reflexion des Verfolgungsstrahlenbündels stattgefunden.
Wenn das Ziel 3 von der Antenne 1 durch eine horizontale Fläche 4, beispielsweise eine Land- oder Meeresoberfläche, getrennt ist, besteht die Möglichkeit, daß ein weiterer Teil des Strahlenbündels 2, der vom Ziel 3 gestreut wird, von dieser Oberfläche reflektiert wird und einen anderen Weg zurück zur Antenne 1 nimmt. Das daraus resultierende, doppelt reflektierte Strahlenbündel 6 bewirkt beim Empfang an der Antenne 1 eine Störung oder zumindest eine Reduzierung der Klarheit der aus dem Nutzsignal gewonnenen Information. Da mit der Antenne 1 in der Praxis kein wirklich schmales einzelnes Strahlenbündel erzeugt werden das sich längs einer geraden Linie zum Ziel 3 bewegt, besteht die Möglichkeit, daß ein Teil des Ausgangsstrahls zuerst von der Oberfläche 4 reflektiert wird, dann auf das Ziel 3 auftrifft und längs des gleichen Wegs zur Antenne 1 reflektiert wird. Dies ist eine zusätzliche Situation, bei der eine Mehrwegereflexion auftreten kann.
Die Möglichkeit der Mehrwegereflexionen wird natürlich stark erhöht, wenn sich das Ziel 3 nur in geringem Abstand von der Oberfläche 4 befindet. Dies macht es dem Radarsystem besonders schwer, die aus den Reflexionen erhaltenen Ergebnisse richtig zu interpretieren.
2 zeigt eine Antennenkonstruktion in Form einer linearen Matrix, bei der das Phasenzentrum zum Dekorrelieren der Nutzsignale von den Störsignalen bewegt werden kann. Die 2 zeigt dabei acht Antennenelemente 6, die jeweils einem Sende/Empfangs-Modul 7 zugeordnet sind, das mit einer Steuereinheit 8 gekoppelt ist. Die Steuereinheiten 8 sind über Leitungen 9 mit einem Strahllenk-Steuercomputer verbunden. Die zu empfangenden oder zu sendenden Signale werden von allen Steuereinheiten 8 kombiniert und bilden dann ein HF-Eingangs/Ausgangs-Signal an der Leitung 11.
Beim Betrieb der Matrix können die Signale an den Leitungen 9 aus dem Steuercomputer aus der Gesamtzahl der Elemente der Matrix nur die obersten vier Elemente auswählen. Diese Gruppe von Elementen wird als Elementgruppe A bezeichnet, wie in 2 angegeben ist. In gleicher Weise sind eine weitere Gruppe von Elementen durch den Buchstaben B und eine dritte Gruppe durch den Buchstaben C angegeben. Natürlich könnte der Computer aus den insgesamt acht in diesem Beispiel erwähnten Elementen weitere Vierergruppen auswählen. Zusätzlich kann der Computer schnell zwischen der Elementgruppe A und der Elementgruppe C umschalten, um die Phasenbeziehung zwischen den ausgesendeten und empfangenen Signalen und den unerwünschten Mehrwegesignalen zu verändern.
3 zeigt eine ebene Antennenmatrix 12, in der bestimmte Gruppen von Elementen dargestellt sind, die an verschiedenen Zeitpunkten erregt werden können. Aus der Gesamtheit der neunundvierzig Elemente in der Matrix können vier Gruppen aus je neun Elementen zusammen erregt werden, wobei diese Gruppen durch die Buchstaben A, B, C und D gekennzeichnet sind. Innerhalb der Matrix gibt es natürlich eine große Vielfalt für die Erregung verschiedener Gruppen aus neun Elementen oder für die Auswahl weiterer Gruppen aus beispielsweise einem, zwei, drei, vier oder sechzehn Elementen. Das Ziel einer solchen Auswahl ist es, die Phasenmitte der ausgesendeten oder empfangenen Signale so über die Fläche der Matrix bewegen zu können, daß dem System ein weiteres Mittel zur Unterscheidung zwischen Nutzsignalen und den unerwünschten Mehrwegesignalen zur Verfügung gestellt wird.
In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Bewegung der Antennenposition zeitlich kontinuierlich oder diskontinuierlich sein kann, was eine Modulation des empfangenen Signals verursacht, wenn Nutzsignale und Störsignale ihre relativen Phasen ändern. Die Amplitude und die Phase des Nutzsignals können aus der Kenntnis der Amplitude und der Phase des modulierten Signals berechnet werden.
Die Auswirkung von Mehrwegereflexionen in Radarsystemen kann nicht nur vom Signalreflexionspunkt in der vom Ziel, vom Reflexionspunkt und der Radarantenne gebildeten Elevationsebene schwerwiegend sein, sondern auch von Reflexionspunkten, die in Azimutrichtung verteilt sind. Das hier beschriebene Verfahren unterstützt sehr stark den Prozeß der Trennung von Nutzsignalen und Störsignalen, die von einer Anzahl von Azimutreflexionen kommen. In diesem Fall kann die Antennenöffnung elektronisch in der Horizontal- und der Vertikalrichtung bewegt werden. Eine zirkulare oder elliptische Drehung des Matrixphasenzentrums bewirkt eine Modulation des Signals zur Dekorrelierung der Mehrfachreflexionen.
Die obige Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung erfolgte lediglich beispielshalber; im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungen möglich. Beispielsweise ist es nicht notwendig, daß die Antennenmatrix gänzlich statisch arbeitet, so daß alle Strahlbewegungen ausschließlich auf elektronischem Wege herbeigeführt werden; die Matrix könnte zusätzlich auch noch mechanisch zum Lenken des Strahlenbündels bewegt werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Radarantennensystems mit einer aktiven Antennenmatrix aus Antennenelementen, die jeweils direkt mit einem HF-Sende/Empfangs-Modul verbunden sind, wobei aus den Antennenelementen wenigstens zwei Gruppen gebildet werden, von denen eine erste Elementgruppe aus einer ersten vorbestimmten Anzahl von Antennenelementen besteht und eine zweite Elementgruppe aus einer zweiten vorbestimmten Anzahl von Antennenelementen besteht, die gleich der ersten vorbestimmten Anzahl ist, dadurch gekennzeichnet, daß von der ersten Elementgruppe ein Radarsignal ausgesendet wird, daß von der ersten oder der zweiten Elementgruppe ein zurückkehrendes Signal empfangen wird und daß ein Phasenzentrum der Antennenmatrix zur Erzeugung einer Änderung der Phasendifferenz zwischen einer direkten Reflexion und einer Mehrwegereflexion des ausgesendeten Radarsignals durch elektronisches Wechseln des Empfangs des Rückkehrsignals zwischen der ersten und der zweiten Elementgruppe verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente der zweiten Elementgruppe einige der Antennenelemente enthalten, die in der ersten Elementgruppe enthalten sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Elementgruppen so angeordnet sind, daß das Phasenzentrum der Antennenmatrix sowohl vertikal als auch horizontal innerhalb der Antennenfläche bewegt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementgruppen so angeordnet sind, daß das Phasenzentrum der Antennenmatrix innerhalb der Antennenfläche zirkular oder elliptisch gedreht werden kann.
Radarantennensystem, gekennzeichnet durch ein variables Dämpfungsmittel und mehrere in einer aktiven Antennenmatrix in wenigstens zwei Elementgruppen angeordnete Antennenelemente, wobei wenigstens zwei Elementgruppen aus den mehreren Antennenelementen elektronisch ausgewählt sind und die Auswahl durch das variable Dämpfungsmittel erfolgt und ein Phasenzentrum der Antennenmatrix verändert wird, um eine Phasendifferenzänderung zwischen einer Direktreflexion und einer Mehrwegereflexion des ausgesendeten Radarsignals durch elektronisches Abwechseln des Empfangs des Rückkehrsignals zwischen den wenigstens zwei Elementgruppen zu erzeugen.
Radarantennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Dämpfungsmittel von einem HF-Signalrückkopplungsnetzwerk gebildet ist.
Radarantennensystem nach Anspruch 5, bei welchem das variable Dämpfungsmittel aus einem Schalter besteht.
Radargerät, enthaltend ein Radarantennensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7.