DE4420152A1 - Überwachungs-Radarsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Überwachungs-Radarsystem, das Impulse mit niedriger Sendefrequenz aussendet und mit einer festen Antenne versehen ist.

Bei der Überwachung eines Gefechtsfeldes und der Erfassung von Bedrohungen, insbesondere aus der Luft, müssen Überwachungs-Radarsysteme vorgesehen werden, die nahe der Kontaktlinie mit dem Feind angeordnet sind, damit alle Bedrohungen mit sehr niedriger Höhe, beispielsweise Flugzeuge, Hubschrauber, Raketen, Drohnen, usw., erfaßt werden. Die Erfassung von Bedrohungen, die von Flug­ zeugen ausgehen, die in sehr niedriger Höhe fliegen, erfordert die Möglichkeit, eine Überwachung bei einer Seitenwinkelüber­ deckung von 360° auszuführen. Ferner muß die Möglichkeit geschaf­ fen werden, die von Hubschraubern ausgehende Bedrohung zu erfas­ sen, die hinter der Vegetation verdeckt ist.

Eine bekannte Lösung zur Erfassung dieser zweiten Art der Bedro­ hung besteht darin, ein Radargerät mit einer relativ niedrigen Sendefrequenz beispielsweise im VHF-Bereich zu verwenden, das einen begrenzten Raumsektor überdeckt.

Eines der dabei auftretenden Probleme ist die Größe der zu benut­ zenden Antennen. Die Verwendung von Antennengruppen ist eine mög­ liche Lösung, doch ist sie auf eine Gruppe begrenzt, die aus einer geringen Anzahl von Strahlungsquellen besteht, wenn die vernünftigen Grenzen hinsichtlich der Kosten und des Platzbedarfs nicht überschritten werden sollen. Dies führte zu Antennen mit breitem Strahlenbündel, die wegen ihrer geringen Richtwirkung keine ausreichende Winkelauflösung ergaben.

Mit Hilfe der Erfindung soll somit ein Radarsystem geschaffen werden, mit dessen Hilfe alle Bedrohungen bei sehr niedriger Höhe, selbst wenn sie durch die Vegetation verdeckt sind, mit einer befriedigenden Auflösung und bei begrenztem, seine Mobili­ tät ermöglichenden Platzbedarf erfaßt werden können.

Ferner soll mit Hilfe der Erfindung ein Radarsystem geschaffen werden, das mit niedriger Sendefrequenz und einer festen Anten­ nengruppe arbeitet, bei dem beim Senden die elektronische Strahl­ schwenkung und beim Empfang eine Strahlenbündelbildung durch Berechnung angewendet werden.

Nach der Erfindung ist ein Überwachungs-Radarsystem, das Impulse mit niedriger Sendefrequenz aussendet und mit einer festen Anten­ ne versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Antenne 2P ebene Gruppen aufweist, die jeweils die aneinander angrenzenden Sektoren des zu überwachenden Raums überdecken, daß das Radar­ system Sendermittel zum aufeinanderfolgenden Speisen der ebenen Gruppen enthält, ferner Verwaltungsmittel zum Steuern der Sender­ mittel zur Erzielung einer elektronischen Abtastung jedes Sektors durch die zugehörige ebene Gruppe enthält, sowie Empfängermittel für den Empfang von Radarsignalen enthält, die aus nacheinander von den ebenen Gruppen und den Sendermitteln angestrahlten Rich­ tungen kommen, wobei die Verwaltungsmittel die Empfängermittel so steuern, daß eine Strahlenbündelbildung durch Berechnung durchge­ führt wird.

Unter Berücksichtigung der großen Betriebswellenlängen und von Reflexionen am Boden, die für Ziele mit sehr niedriger Höhe zum Erscheinen heller und dunkler Interferenz streifen zwischen den direkten und reflektierten Wellen führen, haben die erhaltenen Streifen sehr große Entfernungsabweichungen, was dazu führt, daß nicht angestrahlte Löcher bestehen bleiben, in denen eine Zieler­ fassung praktisch unmöglich ist. Um diesem Nachteil abzuhelfen, wird erfindungsgemäß vorgesehen, nacheinander in jeder Seitenwin­ kelrichtung mit mehreren verschiedenen Sendefrequenzen zu senden und zu empfangen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist somit in einem Radarsystem der oben angegebenen Art vorgesehen, daß die Sender­ mittel Generatormittel enthalten, die von den Verwaltungsmitteln so gesteuert werden, daß sie in jede Strahlenbündelrichtung meh­ rere Impulsbündel mit unterschiedlichen Sendefrequenzen aussen­ den.

Ein besseres Verständnis der Erfindung sowie weiterer Merkmale und Vorteile ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel einer Antennengruppe, die in einem erfindungs­ gemäßen System angewendet werden kann.

Fig. 2 eine Ausführungsform einer festen Antenne für das erfin­ dungsgemäße Radarsystem,

Fig. 3 das Schaltbild eines Senders, der im Radarsystem nach der Erfindung angewendet werden kann,

Fig. 4 einen Teil eines Strahlungsdiagramms der festen Antenne des erfindungsgemäßen Systems,

Fig. 5 die Betriebsablauffolgen des Systems für eine Raumüber­ deckung von 63°,

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung des Sendebetriebs und

Fig. 7 ein Schaltbild des Radarsystems nach der Erfindung.

Wie bereits erwähnt wurde, wird der Fall eines Überwachungs-Radargeräts betrachtet, das in Seitenwinkelrichtung 360° über­ deckt, obgleich die Erfindung auch bei einer geringeren Über­ deckung eines Raumsektors angewendet werden kann, falls dies erforderlich ist.

Andererseits wird als Beispiel ein Radarsystem betrachtet, das im VHF-Bereich arbeitet, damit die Erfassung eines durch die Vegeta­ tion verdeckten Ziels ermöglicht wird.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer VHF-Antennengruppe, mit deren Hilfe ein begrenzter Raumsektor überdeckt werden kann. Diese Gruppe besteht aus einer ebenen Platte 10, die hier beispiels­ weise mit vier gleichen Strahlungsquellen 11 bis 14 versehen ist. Jede Strahlungsquelle ist durch zwei Elementardipole 15, 16 ge­ bildet, die aus gefalteten Plattendipolen bestehen, die durch eine Leitung 18 gespeist werden, die ihrerseits bei 19 zentral über ein Koaxialkabel gespeist wird. Die Dipole und die Leitung 18 sind auf einer Doppelseiten gedruckten Schaltung verwirklicht, die vor einer (nicht dargestellten) Reflektorebene angeordnet ist. Die Energiekopplung mit der Leitung 18 erfolgt gemäß Fig. 1 an Schlitzen 17.

Eine solche Antenne, die wie in der Figur vertikal angeordnet ist, liefert wegen der geringen Anzahl von Quellen ein breites Strahlenbündel, das jedoch vernünftige Gesamtabmessungen in der Größenordnung einiger Betriebswellenlängen beibehält. Das Strah­ lenbündel hat eine Breite in der Größenordnung von 30° hinsicht­ lich des Seitenwinkels und von 40° hinsichtlich des Höhenwinkels.

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine mögliche Ausführung der festen Antenne für ein erfindungsgemäßes Radar­ system, mit dessen Hilfe in Richtung des Seitenwinkels 360° über­ deckt werden können. Dabei werden vier Platten 1, 2, 3, 4 ange­ wendet, die mit der Platte von Fig. 1 übereinstimmen. Diese vier Platten sind in einem Quadrat angeordnet, wobei jede Platte einen Seitenwinkel von 90° überdecken soll.

Allgemeiner kann eine beliebige Anzahl von Platten gewählt wer­ den, die entsprechend einem regelmäßigen Polygon angeordnet sind. Gemäß der Erfindung wird vorzugsweise eine gerade Zahl 2P von Platten oder ebenen Gruppen gewählt, wie anschließend zu sehen sein wird. Jede Gruppe muß dabei einen Seitenwinkelsektor von 360°/2P überdecken. Erforderlichenfalls ist es natürlich auch mög­ lich, mit den 2P Gruppen einen Seitenwinkel zu überdecken, der kleiner als 360° ist.

Zur Anstrahlung eines Raumsektors von 90° in Richtung des Seiten­ winkels mit Hilfe einer Platte wie der von Fig. 1 wird eine elek­ tronische Abtastung oder Strahlschwenkung mit wenigstens drei verschiedenen Teilrichtungen angewendet, da das Strahlenbündel der Antenne eine Breite von 30° hat.

Dies wird dadurch erhalten, daß die Strahlungsquellen einer Grup­ pe mittels eines herkömmlichen Senders gespeist werden, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Die Quellen 11 bis 14 sind über Rich­ tungsgabeln 201 bis 204 einerseits an den Sender von Fig. 3 und andererseits an einen (nicht dargestellten) Empfänger angeschlos­ sen. Der Sender enthält einen Generator 240 für Wellen mit nie­ drigem Pegel, der die Sendefrequenz bestimmt; an diesen Sender schließt sich eine Kleinleistungsstufe 230 an, die die an vier Phasenschieber 221 bis 224 gelieferte Leistung durch vier teilt; die Phasenschieber werden von einer Verwaltungseinheit 5 gesteu­ ert. Die phasenverschobene HF-Energie wird dann in Leistungsstu­ fen 201 bis 204 verstärkt, die an die Richtungsgabeln angeschlos­ sen sind. Diese Anordnung ermöglicht es, daß die Phasenschieber bei niedrigem Pegel arbeiten, was wegen der niedrigeren Lei­ stungsanforderungen ihre Realisierung vereinfacht.

Die Richtung des von der Antennenplatte 10 ausgesendeten Strah­ lenbündels wird durch die Wahl der durch die Verwaltungseinheit 5 gesteuerten Phasenverschiebungen bestimmt.

In Fig. 4 ist ein Teil des Strahlungsdiagramms der Antenne von Fig. 2 dargestellt, wobei im wesentlichen eine Beschränkung auf die Überdeckung des Sektors von 90° xOx' durch die Gruppe 1 vor­ genommen ist. Es wurde der Fall gewählt, daß die elektronische Ablenkung ermöglicht, das Strahlenbündel in drei unterschiedliche Richtungen zu lenken. Die drei gebildeten Strahlenbündel entspre­ chen den Kurven D1-1, D2-1 und D3-1. Jenseits von Ox' ist das erste Strahlenbündel D1-2 dargestellt worden, das von der Gruppe 2 geliefert wird.

Es sei insbesondere bemerkt, daß es kaum möglich ist, die Über­ deckung durch eine Gruppe wie die von Fig. 1 über 90° auszudeh­ nen. Für Sendewinkel, die bezüglich der Normalen zur Gruppe grö­ ßer als 45° sind, ist nämlich ein rascher Abfall des Antennen­ gewinns festzustellen, der auf die abnehmende effektive Fläche dieser Antenne zurückzuführen ist.

Andererseits kann eine Anzahl N der Sendestrahlenbündel gewählt werden, die größer als drei ist. Beispielsweise ermöglicht die Anwendung von vier Strahlenbündeln pro ebener Gruppe 1, 2, 3, 4 eine sehr geringe Reduzierung der Änderungen des Antennengewinns abhängig vom Ablenkwinkel. Dies hat jedoch den Nachteil, daß sich ein Verlust des Verarbeitungsgewinns ergibt, da ein gegebenes Ziel weniger lang beobachtet wird, und dieser Verlust liegt über der Verstärkung des Antennengewinns in den Richtungen, in denen er am geringsten ist.

Es ist auch möglich, die Peilung der verschiedenen Strahlenbündel festzulegen, um die Antennengewinne in den ungünstigsten Richtun­ gen am besten auszugleichen.

Beim Empfang zeigt das Strahlenbündel der Antenne in die Richtung des Sendebündels, was wegen eines Verarbeitungsverfahrens vom Typ der Strahlenbündelbildung durch Berechnung zurückzuführen ist.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird zum aufeinanderfolgenden Speisen aller ebenen Gruppen nur ein Radarsender angewendet. Zu diesem Zweck wird der Radarsender benutzt, um in jeder Folge zweigegenüberliegende ebene Gruppen zu speisen.

Fig. 5 zeigt die Aufeinanderfolge von sechs Folgen T1 bis T6, mit deren Hilfe jede der vier Platten 1 bis 4 gemäß den drei aufein­ anderfolgenden Strahlenbündelrichtungen gespeist werden können.

Während der Folge T1 liefert der Sender dabei Signale mit solchen Phasenverschiebungen, daß jede der zwei Platten 1 und 3 ein Strahlenbündel (F1.2 mit ausgezogener Linie, F3.4 mit gestrichel­ ter Linie) in der ersten Richtung liefert. Im Verlauf der Folge T2 erfolgt ein Übergang zur nächsten Richtung. Von der Folge T4 an erfolgt ein Übergang zur Speisung der Platten 2 und 4. Am Ende von T6 wurden durch elektronische Strahlschwenkung und Umschal­ tung alle Richtungen über 360° angestrahlt.

Da während jeder Folge der Sender zwei Gruppen speist, muß er natürlich über einen Leistungsteiler mit zwei Ausgängen (oder auch über vier Teiler, nämlich einen für jedes Paar gegenüber­ liegender Quellen) mit den zwei Gruppen verbunden werden.

Eine vorteilhafte Lösung besteht jedoch darin, die Aussendungen von zwei gegenüberliegenden Gruppen ineinander zu verschachteln. Dies ermöglicht die Anwendung des Senders in der Weise, daß an jedem Zeitpunkt eine einzige Gruppe gespeist wird, indem der Sender zwischen zwei an eine Gruppe angelegten Impulsen gemäß dem Schema von Fig. 6 auf die gegenüberliegende Gruppe umgeschaltet wird. In diesem Schema entsprechen die schraffierten Impulse den die Gruppe 1 speisenden Impulsen, wobei die Folgeperiode des Radargeräts T_R beträgt. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aus­ sendungen zur Gruppe 1 wird der Sender auf die Gruppe 3 umge­ schaltet, um einen Impuls auszusenden (der in der Figur mit Pünktchen dargestellt ist). Diese Ausführungsform hat zwei Vor­ teile. Einerseits können die Leistungsteiler weggelassen werden (wobei dagegen Schalter verwendet werden). Andererseits ermög­ licht dies, daß die Spitzenleistung des Senders nicht verdoppelt wird, da an jedem Zeitpunkt nur eine einzige Gruppe und nicht zwei gespeist werden. Es wird im Gegenteil die mittlere Leistung verdoppelt, die der Sender liefern muß.

Empfangsseitig müssen dagegen zwei Empfänger verwendet werden, da sich die Empfangsperioden für zwei gegenüberliegende Gruppen zeitlich überlappen.

Wie bereits einleitend erwähnt wurde, führt die Überwachung bei sehr niedriger Höhe zum Vorhandensein von hellen und dunklen Streifen, die hinsichtlich der Entfernung stark voneinander ent­ fernt sind, so daß nicht angestrahlte Löcher bestehen bleiben. Die Lage der Streifen hängt von der angewendeten Wellenlänge ab.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die bei einer ersten Frequenz nicht angestrahlten Löcher angenähert aufgefüllt, indem mehrere andere Frequenzen ausgesendet werden, so daß die entsprechenden Streifen in geeigneter Weise ineinander verschach­ telt sind, so daß keine bedeutenden "dunklen Zonen" übrig blei­ ben.

Zu diesem Zweck werden mehrere Impuls folgen mit unterschiedlichen Frequenzen, beispielsweise den Frequenzen F1, F2, F3, ausgesen­ det.

Es kann insbesondere daran gedacht werden, drei aufeinanderfol­ gende Folgen mit F1, F2, F3 während jeder Folge T1 bis T6 auszu­ senden.

Es ergibt sich dabei ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Radar­ systems, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Dabei sind weder dievier ebenen Gruppen 1 bis 4 noch die zugehörigen Richtungsgabeln dargestellt. Das System enthält sendeseitig einen Sender 20, wie den Sender von Fig. 3 mit den Elementen 211 bis 214, 221 bis 224 und 230. Der Wellengenerator ist durch eine von einer Synthese­ schaltung und einer gesteuerten Kette gebildete Anordnung 40 er­ setzt, die am gewünschten Zeitpunkt das Signal mit niedrigem Pe­ gel und der gewünschten Sendefrequenz liefert. Die vier Ausgänge des Senders sind an einen Schalter 50 angeschlossen, der die vier Ausgänge zu einer der ebenen Gruppen 1 bis 4 durchschaltet.

Empfangsseitig verbinden zwei Schalter 6.12 und 6.34 die Signale von den zwei gegenüberliegenden Gruppen (1 und 3 oder 2 und 4) mit den zwei Empfängern 7.12 bzw. 7.34. Die erhaltenen empfange­ nen Signale, die für jeden zugeordneten Empfänger und jede zu­ geordnete Gruppe den vier Quellen entsprechen, werden zu einer Anordnung 8 zur Strahlenbündelbildung durch Berechnung übertra­ gen, die doppelt oder auch nur einfach vorhanden sein kann, wenn für die zwei Empfänger eine Zeitteilung angewendet wird. Die den verschiedenen Richtungen des Raums entsprechenden Zielsignale werden dann zu einer Anwendungs- und Anzeigeanordnung 9 bekannter Art übertragen.

Eine Verwaltungseinheit 30 verwaltet die verschiedenen Blöcke des Radarsystems.

Die Verwaltungseinheit 30 steuert zunächst die gesteuerte Kette 40, um die Sendefrequenz der Impulse und die allgemeine Synchro­ nisation festzulegen.

Die Einheit 30 steuert den Sender 20 und insbesondere die Phasen­ schieber, um an jedem Zeitpunkt die Richtung des auszusendenden Strahlenbündels festzulegen.

Die Verwaltungseinheit steuert ferner den Schalter 50, um abwech­ selnd die zwei gegenüberliegenden ebenen Gruppen abhängig von der gerade vorliegenden Ablauffolge auszuwählen.

Außerdem steuert die Verwaltungseinheit in synchroner Weise die empfangsseitigen Schalter 6.12 und 6.34, um die Gruppen im Ver­ lauf der Aussendung mit den Empfängern 7.12 bzw. 7.34 zu verbin­ den. Schließlich steuert die Einheit 30 auch die Auswahl von Koeffizienten für die Anordnung 8, die der Ablenkrichtung an jedem Zeitpunkt entsprechen.

Wegen der Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung, insbesondere der Verwendung eines einzigen Senders und nur zwei Empfängern mit einer festen Antenne, wird ein Öffnungswinkel von 360° mit einem Radarsystem erhalten, das ausreichend kompakt und wenig umfang­ reich ist, um als Vorwärtsradar insbesondere auf einem Fahrzeug eingesetzt zu werden.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele schränken die Erfindung natürlich in keiner Weise ein.

Claims (8)

1. Überwachungs-Radarsystem, das Impulse mit niedriger Sende­ frequenz aussendet und mit einer festen Antenne versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Antenne 2P ebene Gruppen (1, 2, 3, 4) aufweist, die jeweils die aneinander angrenzenden Sektoren des zu überwachenden Raums überdecken, daß das Radar­ system Sendermittel (201, 212-214; 221 . . . 224, 230, 240; 20, 40, 50) zum aufeinanderfolgenden Speisen der ebenen Gruppen enthält, ferner Verwaltungsmittel (5; 30) zum Steuern der Sendermittel zur Erzielung einer elektronischen Abtastung jedes Sektors durch die zugehörige ebene Gruppe enthält, sowie Empfängermittel (6.12, 6.34, 7.12, 7.34, 8, 9) für den Empfang von Radarsignalen ent­ hält, die aus nacheinander von den ebenen Gruppen und den Sender­ mitteln angestrahlten Richtungen kommen, wobei die Verwaltungs­ mittel (30) die Empfängermittel so steuern, daß eine Strahlen­ bündelbildung durch Berechnung durchgeführt wird.

2. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwaltungsmittel (30) vorgesehen sind, um die Empfängermittel (20, 40, 50) so zu steuern, daß jede ebene Gruppe N aufeinander­ folgende benachbarte Strahlenbündel aussendet, die den zugeord­ neten Sektor überdecken, und um die Empfängermittel (6.12, 6.34, 7.12, 7.34, 8, 9) so zu steuern, daß für jeden der Sektoren N entsprechende Strahlenbündel gebildet werden.

3. Radarsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendermittel Generatormittel (40) enthalten, die von den Verwal­ tungsmitteln (30) so gesteuert werden, daß sie in jede Strahlen­ bündelrichtung mehrere Impulsbündel mit unterschiedlichen Sende­ frequenzen (F1, F2, F3) aussenden.

4. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sendermittel einen einzigen Sender (20) und Schaltermittel (50) enthalten, damit der Sender bei jeder der Aussendung eines Strahlenbündels entsprechenden Folge (T_n) die Gruppen p und P+p speist, wobei sich p von 1 bis P ändert.

5. Radarsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwaltungsmittel (30) vorgesehen sind, um die Schaltermittel (50) und den Sender (20) so zu steuern, daß die Gruppe p und die Gruppe P+p während der zugeordneten Folgen (T_n) ineinander ver­ schachtelt gespeist werden.

6. Radarsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängermittel zwei Empfänger (7.12, 7.34), Schaltermittel (6.12, 6.34) zum jeweiligen Verbinden der Empfänger mit den Gruppen p und P+p, die mit dem Senden an der Reihe sind, sowie Rechenmittel (8) enthalten, wobei die Rechenmittel vorgesehen sind, um für jede verwaltete Gruppe die Bildung eines Strahlen­ bündels in der Richtung, in die sie sendet, zu verwirklichen.

7. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es eine feste Antenne enthält, die in Seitenwin­ kelrichtung 360° überdeckt und aus vier ebenen Gruppen (1, 2, 3, 4) gebildet ist, die jeweils eine Platte mit vier Strahlungsquel­ len (11 bis 14) enthalten, wobei die Platten entsprechend den vertikalen Flächen eines Würfels angeordnet sind, damit sie je­ weils in Seitenwinkelrichtung 90° überdecken, und daß die Sender­ mittel so gesteuert sind, daß jede Gruppe drei im zugehörigen 90°-Sektor gleichmäßig verteilte verschiedene Richtungen elektro­ nisch abtastet.

8. Radarsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strahlungsquelle (11 bis 14) zwei gefaltete Plattendipole (15, 16) enthält, die eine vertikale Untergruppe bilden und parallel ge­ speist sind.