DE4406907A1 - Verfahren zur Klassifikation eines Gegenstandes und Verwendung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klassifikation eines Gegenstandes nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 sowie die Verwendung eines solchen Verfahrens.

Mit Hilfe einer Doppler-Radaranlage ist es möglich, einen Radarwellen reflektierenden Gegenstand aufgrund seines Ra­ dar-Echosignales und der daraus ermittelten Spurdaten, insbesondere Position sowie Positionsänderungen, zu klas­ sifizieren und/oder identifizieren.

Aus der Größe des Gegenstand sowie dessen räumlicher Posi­ tion und/oder deren Änderungen kann dieser klassifiziert werden. Bei dieser Klassifikation kann z. B. zwischen Luft­ fahrzeugen, die auch Satelliten beinhalten sollen, Schif­ fen, Landfahrzeugen sowie sogenannten Festzielen unter­ schieden werden. Eine derartige Klassifikation kann be­ darfsweise in weitere Unterklassen unterteilt werden und wird dann auch Identifikation genannt. Aus diesem Grunde wird im folgenden auch der Begriff Klassifikation und/oder Identifikation verwendet.

Das Auflösungsvermögen sowie die Zuverlässigkeit eines solchen Klassifikations- und/oder Identifikationsverfah­ rens sind im wesentlichen abhängig von der Apertur der Ra­ darantenne sowie der Art des Radarverfahrens, z. B. Puls- Doppler-Radarverfahren oder CW-Radarverfahren (Dauer­ strich-Radarverfahren).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge­ mäßes Verfahren anzugeben, mit dem bei einer Klassifika­ tion und/oder Identifikation eine hohe räumliche Auflösung und eine zuverlässige und kostengünstige Auswertung der auf einem Sichtschirm darstellbaren Radarbilder ermöglicht wird. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, vorteilhafte Verwendungen eines solchen Verfahrens anzuge­ ben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Verfahren universell verwendbar ist und daher an verschie­ denartige Radaranlagen und/oder Überwachungsaufgaben ange­ paßt werden kann.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß kostengünstig er­ zeugbare zweidimensionale Radarbilder verwendet werden. Dabei ist eine zuverlässige Auswertung auf einem Sicht­ schirm durch einen Beobachter möglich.

Weitere Vorteile sind der folgenden Beschreibung entnehm­ bar.

Die Erfindung beruht auf der Verwendung des sogenannten ISAR-Verfahrens (Inverses Synthetisches Apertur Radar), mit welchem die Apertur der Radarantenne erheblich ver­ größert werden kann. Bei dem klassischen SAR-Verfahren wird vorzugsweise ein Puls-Radarverfahren verwendet mit einer Sende-/Empfangsantenne, die an sich eine kleine Apertur besitzt, da die gesamte Puls-Radaranlage z. B. als Bordradar eines Flugzeugs ausgebildet ist. Es wird nun ausgenutzt, daß der Weg, z. B. der Flugweg, der (Bord-)Radar­ anlage sehr genau bekannt ist, z. B. mit einer maxi­ mal zulässigen Abweichung von λ/4, wobei λ die Wellenlänge der verwendeten Radarwellen bedeutet. Wird nun die (Bord-)Radar­ anlage um die Strecke L bewegt und werden die Radar- Echosignale jeweils zu Beginn und am Ende der Strecke L gemeinsam ausgewertet, so ergibt sich für die (Bord-)Radar­ anlage eine Zielauflösung (Winkelauflösung) propor­ tional zu λ/L. Diese Zielauflösung der bewegten (Bord-)Radar­ anlage ist wesentlich größer als diejenige der (Bord-)Radarantenne an sich. Mit einer derart bewegten (Bord-)Radaranlage ist nicht nur in Entfernungsrichtung, die in der englischsprachigen Literatur auch "range" oder "slant range" genannt wird, eine radiale Zielauflösung im Meter-Bereich, z. B. kleiner 5 m, möglich, sondern auch senkrecht zur Entfernungsrichtung, im englischen auch "cross range" genannt.

Bei dem inversen SAR, dem sogenannten ISAR-Verfahren wird zusätzlich das Doppler-Signal ausgewertet, das auf einer Drehbewegung des Zieles um eine seiner Drehachsen beruht, z. B. um die Roll- und/oder Nick- und/oder Gierachse. Über diese Drehbewegung werden die Zielabmessungen in "cross range"-Richtung ermittelt. Es sind minimale Drehbewegungen von einigen Grad/sec erforderlich und es können in "cross range" Zielauflösungen unter 1 m erreicht werden.

Da beim ISAR-Verfahren die Informationen aus Drehbewegun­ gen des Zieles hergeleitet werden, ist - im Gegensatz zum SAR-Verfahren - eine Bewegung der Radaranlage nicht unbe­ dingt erforderlich.

Bei dem ISAR-Verfahren werden nun bevorzugt zweidimensio­ nale Radarbilder, die auch ISAR-Bilder genannt werden, ei­ nes (Radar-)Zieles auf einem Sichtschirm dargestellt. Da­ bei werden "Cross Range" und "Slant Range" (oder "Range") in einem rechtwinkligen Koordinatensystem dargestellt, wo­ bei die Wahl der Achsen beliebig ist.

Derartige ISAR-Bilder sind schwierig auswertbar, da im allgemeinen weder die Art des detektierten Gegenstandes (Radar-Ziel) noch dessen räumliche Lage bekannt sind.

Dieser scheinbare Nachteil wird dadurch beseitigt, daß zunächst die Spurdaten, die auch Trackdaten genannt wer­ den, eines Radarzieles, z. B. eines Flugzeuges, ermittelt werden. Bei dem beispielhaft genannten Flugzeug werden als Spurdaten zumindest Geschwindigkeit und Flugweg ermittelt. Diese Spurdaten können vorteilhafterweise auf eine belie­ bige Art und Weise ermittelt werden, z. B. durch die (Bord-)Radaranlage, welche die ISAR-Bilder erzeugt, und/oder durch eine Boden- oder Schiffradaranlage und/oder durch Satellitennavigation. Anhand der Spurdaten wird zunächst eine grobe Klassifikation des Radarzieles vorge­ nommen. Beispielsweise kann bei einem Luftfahrzeug auf­ grund der (Flug-)Geschwindigkeit und/oder des Flugweges z. B. zwischen einem Zeppelin, einem Hubschrauber, einem Sport- oder Verkehrsflugzeug sowie einem Militär-Flugzeug unterschieden werden. Mit dieser Kenntnis und einer weite­ ren Auswertung der Spurdaten wird die räumliche Lage, be­ zogen auf ein beliebiges Inertialsystem, des Gegenstandes (Radarziel) ermittelt. Beispielsweise wird aus der Kennt­ nis: Militärflugzeug, z. B. Jagdflugzeug, Geschwindigkeit sowie Kurvenradius des momentan geflogenen Flugweges, auf­ grund der (Flug-)Physik die räumliche Lage des Gegenstan­ des (Flugzeuges) ermittelt. Beispielsweise kann bei einem Kurvenflug bezüglich der durch den Flugweg bestimmten Ebene festgestellt werden, daß dagegen die momentane Flug­ zeugebene, das ist die durch die Tragflächen (Nickachse) und die Längsachse (Rollachse) bestimmte Ebene, um einen bestimmten Winkel um die Rollachse gedreht sein muß, da ansonsten der Kurvenflug aufgrund der (Flug-)Physik nicht möglich ist.

Mit Hilfe dieser Daten wird nun ein Referenz-Gegenstand, der ungefähr dem tatsächlichen Radarziel entspricht, aus­ gewählt, beispielsweise ein Referenz-Jagdflugzeug, das un­ gefähr die geometrischen Abmessungen und ungefähr die dreidimensionale geometrische Form des Radarzieles be­ sitzt. Diese Auswahl erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Datenverarbeitungsanlage, in der verschiedene Referenz-Ge­ genstände gespeichert werden.

Dieser Referenz-Gegenstand sowie die Spurdaten des Radar­ zieles werden nun an die (Bord-)Radaranlage, in welcher die zweidimensionalen ISAR-Bilder erzeugt werden, übermit­ telt. Da dort nun Abstand und Richtung des Radarzieles be­ kannt sind, kann nun dort von dem Referenz-Gegenstand des­ sen zu erwartende optische zweidimensionale Ansicht ermit­ telt werden. Diese optische Ansicht, vorzugsweise ein entsprechender Umriß, des entsprechend der (Flug-)Lage ge­ drehten Referenz-Gegenstandes (Flugzeug) wird nun dem ISAR-Bild des Radarzieles überlagert. Da nun von dem Refe­ renz-Gegenstand die zugehörigen ISAR-Bilder und/oder Ra­ dar-Streuzentren bekannt sind, kann nun in kostengünstiger und zuverlässiger Weise ermittelt werden, ob das ISAR-Bild des Radarzieles dem Referenz-Gegenstand zugeordnet werden kann. Mit diesem Vergleich ist eine genaue und zuverläs­ sige Klassifikation und/oder Identifikation von Radarzie­ len für verschiedene Anwendungen möglich, was nachfolgend noch näher erläutert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispieles, das sich auf die Klassifikation und/oder Identifikation eines Flugzeuges bezieht, unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 und Fig. 2 den Zusammenhang zwischen Range- und Cross range-Achsen für ISAR-Bilder in Abhängigkeit von der Drehachse des Flugzeuges bei verschiedenen Flugzuständen;

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen zu einem Luftfahrzeug gehörende ISAR-Bilder;

Fig. 5 und Fig. 6 zeigen den Fig. 3 und Fig. 4 entspre­ chende ISAR-Bilder, denen Umrisse eines entsprechenden Re­ ferenz-Gegenstandes (Flugzeuges) überlagert sind.

Fig. 1a zeigt ein Flugzeug F (Ziel), das einen sogenannten waagrechten Kurvenflug ausführt. Von dem zugehörigen Flug­ weg werden die entsprechenden Spurdaten (Trackdaten) in der beschriebenen Weise ermittelt. Daraus ist auch die Drehachse des Flugzeugs F bestimmbar. Die mit Radar be­ zeichnete Pulsdoppler-(Bord-)Radaranlage des gleichen oder eines weiteren Flugzeuges erzeugt nach dem beschriebenen ISAR-Verfahren ein ISAR-Bild des Zieles aus der darge­ stellten Perspektive, d. h. ungefähr mit einer momentanen (Radar-)Blickrichtung in Richtung der Längsachse des Flug­ zeuges F. Im weiteren Verlauf des waagrechten Kurvenfluges stellt sich die Cross-Range-Achse (Doppler-Achse) senk­ recht zur Fluglängsache, und es entsteht ein ISAR-Bild entsprechend einer Draufsicht des Flugzeuges F (Fig. 1b).

Fig. 2a zeigt dieselbe Ausgangssituation wie Fig. 1a, je­ doch leitet das Flugzeug F (Ziel) einen Sinkflug ein, d. h. das Flugzeug F dreht sich um seine Nickachse. Im weiteren Verlauf des Flugweges ist daher im ISAR-Bild der (Bord-)Radaranlage (Radar) eine Seitenansicht des Flugzeu­ ges F zu erwarten.

Bei den aus den Spurdaten der Flugwege ermittelten Refe­ renz-Flugzeugen werden nun die den Flugwegen bzw. Drehach­ sen entsprechenden Ansichten gewählt und diese den ISAR- Bildern überlagert, beispielsweise eine Draufsicht dem ISAR-Bild entsprechen Fig. 1b und eine Seitenansicht ent­ sprechend Fig. 2b.

Die Fig. 2 und Fig. 4 zeigen momentane ISAR-Bilder eines Flugzeuges bei verschiedenen Flugmanövern. Es ist ersicht­ lich, daß daraus allenfalls mit einer sehr großen Erfah­ rung und/oder mit einen sehr aufwendigen Auswerteverfahren die Art des Flugzeuges und dessen Ansicht ermittelt werden kann.

Aus den zu den Fig. 3 und Fig. 4 gehörenden Spurdaten wird ermittelt, daß es sich bei dem Radar-Ziel um ein militäri­ sches Düsenflugzeug handelt, z. B. ein Jagdflugzeug. Dementsprechend wird nun für das Referenz-Flugzeug RF (Fig. 5, Fig. 6) beispielsweise ein Flugzeug mit einer Länge von ungefähr 20 m und einer Breite (Flügelspann­ weite) von ungefähr 30 m ausgewählt. Die Ansicht des Refe­ renz-Flugzeuges wird entsprechend derjenigen des zugehöri­ gen ISAR-Bildes gewählt und der entsprechende Umriß des Referenz-Flugzeuges dem ISAR-Bild überlagert.

Dieses ist in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt. Aufgrund der in den ISAR-Bildern dargestellten Radar-Streuzentren ist nun leicht ersichtlich, daß das Radarziel (ISAR-Bilder) und das Referenz-Flugzeug RF bezüglich ihrer Länge (Fig. 5) sowie dem (Seiten-)Leitwerk (Fig. 6) ganz gut überein­ stimmen. Bei der Form und Breite der Tragflächen ist je­ doch eine sehr schlechte Übereinstimmung vorhanden. Aus den Fig. 5 und Fig. 6 ist jedoch ersichtlich, daß das Radarziel ein Flugzeug mit sehr stark nach hinten gepfeil­ ten Flügeln ist. Eine solche Auswertung ergibt also ein Flugzeug mit einer Länge von ungefähr 20 m, sehr stark nach hinten gepfeilten Flügeln, niedriger (Flü­ gel-)Spannweite sowie einem relativ hohem Seitenleitwerk. Mit diesen Angaben sowie den zugehörigen Spurdaten des Flugzeuges ist eine genaue Klassifikation und/oder Identifikation des Radarzieles möglich.

Das beschriebene Verfahren ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern in vielfältiger Weise an­ wendbar. Beispielsweise kann die Art der Doppler-Radaran­ lage (z. B. Puls- oder CW-Anlage) entsprechend der Art und/oder Entfernung der zu klassifizierenden und/oder identifizierenden Radarziele, z. B. Satelliten, Luft- oder Landfahrzeuge sowie Schiffe, gewählt werden. Weiterhin ist die Auswahl des Referenz-Gegenstandes, die Wahl der An­ sicht sowie der Vergleich mit dem ISAR-Bild mit Hilfe ei­ nes Bilderkennungs- und Vergleichsverfahrens in einer Da­ tenverarbeitungsanlage möglich.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere eine vorteilhafte Überwachung von Luft- oder Schiffahrtswegen möglich. So kann beispielsweise bei einem möglichen Kolli­ sionskurs zweier Flugzeuge oder Schiffe das Flugzeug bzw. das Schiff mit der besten Manövrierfähigkeit ermittelt und die beteiligten Flugzeug- bzw. Schiffsführer entsprechend informiert werden, so daß diese sehr frühzeitig geeignete Ausweichmanöver einleiten können.

Außerdem ist eine Klassifikation und/oder Identifikation sogenannter nichtkooperativer Verkehrsteilnehmer möglich. Das sind Verkehrsteilnehmer, die z. B. keine automatisch arbeitende Kennungseinrichtung, z. B. einen Transponder, besitzen.

Claims (9)

1. Verfahren zur Klassifikation eines Gegenstandes mit Hilfe einer Doppler-Radaranlage, wobei

• - durch kohärente Signalverarbeitung zunächst ein Videosignal erzeugt wird,
• - aus dem Videosignal für den Gegenstand zumindest die Spurdaten Position sowie Positionsänderungen, ermittelt werden und
• - anhand der Spurdaten eine Klassifikation erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
• - daß der Gegenstand als ISAR-Bild dargestellt wird,
• - daß anhand der Spurdaten und der Drehachse ein Re­ ferenz-Gegenstand ausgewählt wird,
• - daß der Referenz-Gegenstand in eine Lage entspre­ chend der räumlichen Drehachse gedreht wird,
• - daß die Darstellung des gedrehten Referenz-Gegen­ standes dem ISAR-Bild des Gegenstandes überlagert wird und
• - daß durch einen Vergleich der Darstellung des ge­ drehten Referenz-Gegenstandes mit dem ISAR-Bild die Klassifikation erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ISAR-Bild als zweidimensionales Radarbild erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das ISAR-Bild mit Hilfe einer Puls-Dopp­ ler-Radaranlage erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das ISAR-Bild mit Hilfe einer beweglichen Radaranlage hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das ISAR-Bild mit Hilfe einer Bord-Radaranlage eines Luftfahrzeuges hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung zur Klassifikation und/oder Identifikation eines Luftfahrzeugs.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Verwen­ dung zur Klassifikation und/oder Identifikation eines Schiffes.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Verwen­ dung zur Klassifikation und/oder Identifikation eines Landfahrzeuges.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Verwen­ dung zur Klassifikation und/oder Identifikation eines nichtkooperativen Verkehrsteilnehmers.