DE4238326B3

DE4238326B3 - Verfahren zur Klassifizierung von Hubschraubern mittels Rundsuchradar

Info

Publication number: DE4238326B3
Application number: DE4238326.9A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Dr. Wiedemann Kurt; Dipl.-Ing. Gossner Jochen
Original assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Current assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2012-11-14

Abstract

Über einen längeren Beobachtungszeitraum, d.h. während mehrerer Antennenumdrehungen, werden die zeitlichen Abstände (t, t, ...) der empfangenen Rotorspikes gemessen und in einem Vektor abgespeichert. Vorab ist bereits für jeden existierenden Hubschraubertyp der für ihn charakterisitische zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Rotorspikes fest eingespeichert. Zur Bestimmung des unbekannten zeitlichen Rotorspike-Abstands (T1) des vom Radar erfaßten Hubschraubers wird ein Subtraktionsalgorithmus angewandt, der jeweils einen der fest eingespeicherten Rotorspike-Abstände in einen Bezug zu den Abständen der empfangenen Rotorspikes setzt. Für jeden fest eingespeicherten Hubschraubertyp wird dieser Subtraktionsalgorithmus ausgeführt. Bei der Entscheidung, welcher von den Hubschraubertypen gerade vorliegt, wird die Tatsache ausgenutzt, daß die gemessenen Zeitabstände ein ganzzahliges Vielfaches eines der bekannten Rotorspike-Abstände ist. Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich bei Rundsuchradargeräten zur zusätzlichen Hubschrauberklassifizierung einsetzen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Die Drehfrequenz f_H des Hauptrotors eines Hubschraubers sowie die Anzahl z der Rotorblätter sind charakteristische Merkmale eines Hubschraubers und können daher zur Typenklassifizierung verwendet werden. Bei Erfassung eines Hubschraubers durch ein Rundsuchradar tritt während der Zielerfassungszeit entweder eine starke Reflexion, bei der ein Rotorblatt senkrecht zur Radarblickrichtung steht, oder keine Reflexion auf, wobei das Rotorblatt nicht senkrecht zur Radarblickrichtung steht. Zwischen dem zeitlichen Abstand T1 dieser Reflexionen, der Hauptrotordrehfrequenz f_H und der Anzahl z der Rotorblätter gilt die Beziehung: T1 = 1/ (f_H · z). Aus dem zeitlichen Abstand T1 können somit Rückschlüsse auf die Hauptrotordrehfrequenz f_H sowie die Anzahl z der Rotorblätter und somit auf den Hubschraubertyp gezogen werden. Die Reflexionen an den Rotorblättern eines Hubschraubers werden als Rotorspikes bezeichnet.
Der zeitliche Abstand T1 zweier aufeinanderfolgender Rotorspikes läßt sich bei stehender, auf den Hubschrauber ausgerichteter Antenne einfach messen. Bei einer rotierenden Antenne ist die Messung dieses Zeitabstandes in einfacher Weise nur dann möglich, wenn zwei aufeinanderfolgende Rotorspikes in eine Zielerfassungszeit (time on target) fallen. Dies ist bei konventionellen Rundsuch-Pulsradareinrichtungen praktisch für keinen Hubschraubertyp erfüllt. Eine Typenbestimmung mit Hilfe der Messung des zeitlichen Abstandes von Rotorspikes war daher bisher nur bei stehender Antenne möglich. Diese Zusammenhänge sind bereits aus dem Aufsatz von L.H. Phillpotts: „Helicopter Main Rotor Blade Detection“ in „RSRE Divisional Memo“, April 1984, Seiten 1 bis 12 und aus DE-PS 36 00 827 bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, den zeitlichen Abstand T1 dieser Reflexionen, bezeichnet als Rotorspikes, bei einem Pulsradar mit rotierender Antenne zu bestimmen, so daß daraus der Typ des erfaßten Hubschraubers klassifiziert werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur, welche die zeitlichen Impulsverhältnisse verdeutlicht, und einer Tabelle erläutert.
Im realen Anwendungsfall werden fliegende Hubschrauber von einem Rundsuchradar erfaßt, dessen Antennenumdrehungszeit bei etwa 1 s liegt. Die Wiederholungsdauer der Rotorspikes liegt bei Hubschraubern im Bereich von etwa 25 ms bis 100 ms, die Meßfensterbreite (Time on Target) des Radars bei etwa 10 ms. Es entsteht also eine Unterabtastung des vom Hubschrauber reflektierten Signals durch die Radarantenne. Die Verhältnisse sind in der Figur dargestellt. Zur Vereinfachung sind dort, ohne Einschränkung der Allgemeinheit, die Rotorspikes als zeitliche Diracstöße, und die Meßfenster der Antennenkeule als Rechteckfunktionen angenommen.
In der oberen Zeile der Figur ist s1(t) eine vom Hubschrauberrotor erzeugte periodische Folge von Diracstößen mit unbekannter, zu bestimmender Periode T1. In der mittleren Zeile ist s2(t) eine Meßfunktion, die durch eine rotierende Radarantenne mit einer Meßfensterbreite T2 (Zielerfassungszeit) und einer Umlaufzeit T0 erzeugt wird. Nur diejenigen Rotorspikes der Folge s1(t), die zeitlich in eine Meßfensterbreite T2 fallen, werden vom Radar registriert. Das in der untersten Zeile der Figur dargestellte empfangene Signal s3(t) berechnet sich also durch eine Multiplikation der Folge s1(t) mit der Folge s2(t).
Um die unbekannte Periodendauer T1 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rotorspikes zu ermitteln, wird nun folgendermaßen vorgegangen:

Über einen längeren Beobachtungszeitraum, also während mehrerer Antennenumdrehungen, werden die zeitlichen Abstände der registrierten Rotorspikes t₁ , t₂ , ..., t₁ der Folge s3(t) gemessen und in einem Ausgangsvektor abgespeichert. Alle diese Zeitabstände t_i haben die Eigenschaft t_i = n_i · T1 (mit n_i = natürliche Zahl), sind also ganzzahlige Vielfache des unbekannten Rotorspike-Abstands T1.

Im realen Fall werden die Zeiten t₁ , t₂ , ..., t₁ im Quantisierungsraster der Radar-Pulswiederholperiode PRT gemessen und sind daher mit einem Quantisierungsfehler von maximal q = ± PRT/2 beaufschlagt, was bei der Bestimmung des Zeitabstands T1 zwischen zwei Rotorspikes mit Hilfe einer Subtraktionsprozedur nach dem Prinzip der Ermittlung des größten gemeinsamen Teilers aus den gemessenen Zeitabständen t₁ , t₂ , ..., t₁ (Euklidischer Algorithmus) aufgrund einer möglichen Aufakkumulierung von q zu Ungenauigkeiten führen kann.
Dieser Nachteil läßt sich im wesentlichen ausräumen, wenn eine a priori-Information eingebracht wird, welche Werte von T1 bzw. welche Hubschraubertypen überhaupt auftreten können. In der Realität sind die möglichen Hubschrauber und somit auch deren zeitlichen Blattabstände bekannt. Für jeden existierenden und/oder in Betracht kommenden Hubschrauber wird der entsprechende Rotorspike-Abstand, d.h. T11 für Hubschraubertyp 1, T12 für Hubschraubertyp 2, ..., T1m für Hubschraubertyp m, gespeichert. Der Algorithmus zur Bestimmung des unbekannten Rotorspike-Abstands T1 läuft dann folgendermaßen ab.
Von jedem Element eines Anfangsvektors v_i , der die mit Quantisierungsfehler behafteten Größen n_i T1 ± q enthält, wird der vorab bekannte Blattabstand T11 (zu Hubschraubertyp 1 gehörig) so oft abgezogen, so lange die Differenz größer als Null ist. Die Elemente des Ergebnisvektors sind dann entweder gleich groß bis auf den Quantisierungsfehler q oder ungleich (Prüfung auf Hubschraubertyp 1). Der gleiche Subtraktionsalgorithmus wird mit demselben Anfangsvektor v_i (= v₁, v₂, ..., v₁) bei einem anderen Blattabstand T12 (zu Hubschraubertyp 2 gehörig) wiederholt (Prüfung auf Hubschraubertyp 2). Dies geschieht für alle Blattabstände T11, T12, ..., T1m. Für jeden Ergegnisvektor E1, E2, ..., Em wird die betragsmäßig größte Differenz ermittelt, die sich zwischen je zwei seiner Elemente bilden läßt. Es wird dann auf denjenigen der Hubschraubertypen 1 bis m entschieden, für den der Betrag dieser Differenz minimal ist.
Der prinzipielle Ablauf des vorstehend beschriebenen Subtraktionsalgorithmus ist mit einem Beispiel in der nachfolgenden Tabelle dargestellt. Darin sind die Vektoren jeweils mit drei Elementen (v₁, v₂, v₃) besetzt. Der Anfangsvektor v_i ist mit den drei Meßzeiten 16,9-q, 15,6 +q, 6,5-q angegeben, wobei q der erwähnte Quantisierungsfehler ist. Im Beispiel werden lediglich zwei Hubschraubertypen 1 und 2 mit T11 = 1,3 bzw. T12 = 1,5 untersucht und verglichen.
Die max. Differenz ist für Vektor E1 kleiner als für Vektor E2;
es wird daher auf Typ 1 entschieden (T1 ≈ T11).
Der beschriebene Subtraktionsalgorithmus liefert stets ein Ergebnis für den Rotorspike-Abstand T1. Ob aber dieses Ergebnis richtig ist, läßt sich nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit vorhersagen, die von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Zeitabstände t₁ , t₂ , ..., t₁ , also von der Gesamtmeßdauer abhängt. Je länger also diese Meßdauer währt, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit der Richtigkeit des Ergebnisses für den Zeitabstand T1.
Bezugszeichenliste

s1(t): = Folge von Hubschrauber-Rotorspikes
s2(t): = durch eine rotierende Radarantenne erzeugte Meßfunktion
s3(t): = empfangenes Signal
T1: = Abstand der Rotorspikes
T2: = Meßfensterbreite (Time on Target)
T0: = Abstand der Meßintervalle (Antennenumdrehungszeit)
t₁, t₂: = zeitliche Abstände der registrierten Rotorspikes

Claims

Verfahren zur Klassifizierung von Hubschraubern mittels einer eine Rundsuchantenne aufweisenden Pulsradareinrichtung, in der Rotorblattreflexionen (Rotorspikes) ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Abstände (t₁, t₂ ...) der einzelnen empfangenen Hubschrauber-Rotorblattreflexionen über einen längeren Beobachtungszeitraum, d.h. über mehrere Antennenumdrehungen, gemessen und in einem Anfangsvektor abgespeichert werden, daß vorab für jeden existierenden und/oder in Betracht kommenden Hubschraubertyp für ihn der aufgrund der Beziehung f_H = 1/(z . T1) mit f_H = Hauptrotordrefrequenz und z = Anzahl der Rotorblätter charakteristische zeitliche Abstand T1 (=T11, T12, ..., T1m) zweier aufeinanderfolgender Rotorspikes fest eingespeichert wird, daß von jedem Element des Anfangsvektors der vorab bekannte, zu einem ersten Hubschraubertyp gehörende zeitliche Rotorspike-Abstand (T11) im Rahmen eines Subtraktionsalgorithmus so oft abgezogen wird, solange die Differenz größer als Null ist, daß die Elemente des Ergebnisvektors dann entweder bis auf einen vom Quantisierungsraster der Radar-Pulswiederholperioden herrührenden Quantisierungsfehler im wesentlichen gleich groß oder ungleich sind, daß der gleiche Subtraktionsalgorithmus mit demselben Anfangsvektor, aber einem zu einem zweiten Hubschraubertyp gehörenden zeitlichen Rotorspike-Abstand (T12) wiederholt wird, daß dieser Subtraktionsalgorithmus auch noch für die charakteristischen Rotorspike-Abstände (T13, T14, ..., T1m) der anderen Hubschraubertypen durchgeführt wird, daß für jeden Ergebnisvektor die betragsmäßig größte Differenz ermittelt wird, die sich zwischen je zwei seiner Elemente bilden läßt und daß schließlich auf denjenigen der fest eingespeicherten Hubschraubertypen entschieden wird, für den der Betrag dieser Differenz minimal ist.