DE4238327B3

DE4238327B3 - Verfahren zur Klassifizierung von Hubschraubern mittels Rundsuchradar

Info

Publication number: DE4238327B3
Application number: DE4238327.7A
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. Zur Bestimmung des unbekannten zeitlichen Rotorspike-Abstandes (T1), der für jeden Hubschraubertyp charakteristisch ist, wird mittels eines Subtraktionsalgorithmus die Tatsache ausgenutzt, daß die gemessenen Zeitabstände ein ganzzahliges Vielfaches des unbekannten Rotorspike-Abstandes sind. 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 zweier Tabellen 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 berechnen, 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 Anfangsvektor 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.

Es läuft nun folgende Subtraktionsprozedur ab. In dem Vektor n₁ · T1, n₂ · T1, ... , n₁ · T1 wird das kleinste Element v_j = n_j ·T1 ausgewählt und von allen anderen Elementen v_i = n_i· T1 (v_i ≠ v_j) so oft subtrahiert, solange das Subtraktionsergebnis größer als 0 ist. Aus dem so entstandenen Ergebnisvektor wird wieder das kleinste Element ausgewählt und erneut die vorstehend beschriebene Subtraktionsprozedur durchgeführt. Dieser Rechenvorgang wird solange fortgesetzt, bis alle Elemente des Ergebnisvektors identisch sind. Die Vektorelemente sind dann gleich der unbekannten Periodendauer T1.

Der prinzipielle Ablauf des vorstehend geschilderten Subtraktionsalgorithmus ist mit einem Beispiel in Tabelle 1 dargestellt. Darin sind die Vektoren jeweils mit drei Elementen besetzt. Der Anfangsvektor ist mit den drei Meßzeiten 16,9, 15,6 und 6,5 angegeben. Nach fünf Subtraktionsschritten steht das Endergebnis für den zeitlichen Rotorspike-Abstand von 1,3 fest, da dann alle drei Elemente identisch sind. Tabelle1: Algorithmus ohne Quantisierungsfehler:

			v₁	v₃	v₃
Schritt	- v_j		16.9	15.6	6.5
1	- v₃ =	- 6.5	10.4	9.1	6.5
2	- v₃ =	- 6.5	3.9	2.6	6.5
3	- v₃ =	- 2.6	1.3	2.6	3.9
4	- v₁ =	- 1.3	1.3	1.3	2.6
5	- v₁ =	- 1.3	1.3	1.3	1.3

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.

Der Algorithmus ist also in der Lage, den zeitlichen Blattabstand T1 eines unbekannten Hubschraubers mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit korrekt zu bestimmen. Im realen Anwendungsfall 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. Durch fortgesetzte Anwendung der Subtraktionsprozedur kann sich der Quantisierungsfehler q im Endergebnis in ungünstigen Fällen aufakumulieren, so daß die Bestimmung des Rotorspike-Abstands T1 etwas ungenau wird. Dieser Zusammenhang ist in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt. Tabelle2: Algorithmus mit Quantisierungsfehler q:

		v₁	v₂	v₃
Schritt	- v_j	16.9 - q	15.6 + q	6.5 - q
1	- v₃ =- (6.5 - q)	10.4	9.1 + 2q	6.5 - q
2	- v₃ =-(6.5-q)	3.9 + q	2.6 + 3q	6.5 - q
3	- v₂ = - (2.6 + 3q)	1.3 - 2q	2.6 + 3q	3.9 - 4q
4	- v₁ = - (1.3 - 2q)	1.3 - 2q	1.3 + 5q	2.6 - 2q
5	- v₁ =- (1.3 - 2q) 1	1.3 - 2q	1.3 + 5q	1.3

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 (t₂, t₂ ...) der einzelnen empfangenen Hubschrauber-Rotorblattreflexionen über einen längeren Beobachtungszeitraum, d.h. über mehrere Antennenumdrehungen, gemessen und in einem Anfangsvektor abgespeichert werden, daß in diesem Anfangsvektor das kleinste gespeicherte Element ausgewählt und von allen anderen gespeicherten Elementen so oft subtrahiert wird, solange das Subtraktionsergebnis größer als Null ist, daß aus dem so entstandenen Ergebnisvektor wieder das kleinste Element ausgewählt und erneut die vorher beschriebene Subtraktionsprozedur durchgeführt wird, daß dieser Rechenvorgang so lange fortgesetzt wird, bis alle Elemente des Ergebnisvektors von identischer Größe sind, daß diese Größe dann als charakteristischer zeitlicher Abstand (T1) der Rotorspikes festgestellt wird und daß über die Beziehung f_H = 1/ (z . T1) mit f_H = charakteristische Hauptrotordrehfrequenz und z = Anzahl der Rotorblätter auf den Typ des vom Radar erfaßten Hubschraubers rückgeschlossen wird.