DE60027418T2

DE60027418T2 - Verfahren zur anzeige ausser-axialer signale für monopulsradar

Info

Publication number: DE60027418T2
Application number: DE60027418T
Authority: DE
Inventors: H. Jerome Medord POZGAY; T. Wesley Chelmsford DULL; A. Lawrence Waltham DURFEE
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2020-02-16
Also published as: WO2000052491A3; IL144486A; EP1169652B1; EP1169652A2; US6320541B1; WO2000052491A2; WO2000052491A9; AU5721500A; DE60027418D1; IL144486A0

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Radarsysteme und im Einzelnen Systeme und Techniken für die Monopulsverarbeitung in solchen Radarsystemen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine der gebräuchlichsten Verwendungen für militärische Radarsysteme ist die Unterscheidung des Ankunftswinkels eines Signals relativ zu dem Radar. Die grundsätzliche Art und Weise, in welcher ein Radarsystem den Ankunftswinkel bestimmt, besteht in der Verwendung einer Richtantenne sowohl bezüglich der Aussendung als auch bezüglich des Empfangs. Die Antennen-Seitenstrahlungskeulen weisen eine wesentliche Schwächung von Signalen in Ablage von der Achse auf, wodurch das Radarsystem am empfindlichsten gegenüber Signalen wird, welche über die Hauptstrahlungskeule eintreten. Das Signal der Hauptstrahlungskeule wird dann verarbeitet, um seinen Winkel der Ankunft relativ zur Richtung zu bestimmen, in welche die Antenne weist. Eine verwertbare Information bezüglich des Ankunftswinkels ist nur für Zielobjekte verfügbar, welche in der Hauptstrahlungskeule der Radarantenne liegen. Zielobjekte der Nebenstrahlungskeulen, wenn diese ausreichend stark sind, um die Seitenstrahlungskeulenabdämpfung der Antenne zu überwinden, führen zu fehlerhaften Winkeln der Ankunftsdaten. Ein Radar, das für die Suche und für die Verfolgung von Zielobjekten verwendet wird, muss daher bestimmte Mittel zur Unterscheidung von Signalen mit Ablage von der Achse in den Seitenstrahlungskeulen gegenüber denjenigen Signalen haben, welche über die Hauptstrahlungskeule ankommen.
Typischerweise sind gegenwärtig drei vornehmliche Techniken zum Identifizieren von Signalen mit Achsenablage weit verbreitet in Gebrauch. Die erste Technik ist die Verwendung eines Wächterkanals oder von Wächterkanälen mit einer gesonderten breit strahlenden Antenne mit mehr Verstärkungsgewinn als die Seitenstrahlungskeulen des primären Empfangskanals haben (in dem Falle eines Monopulsradars ist der Summenkanal der primäre Empfangskanal). Wenn der Signalpegel des Wächterkanals denjenigen des Summenkanals überschreitet, dann liegt eine Anzeige einer Achsenablage vor. Die zweite Technik ist die Verfolgungsmethode, bei welcher Signale mit Achsenablage unter Verfolgung genommen werden und dann unbeachtet bleiben, wenn ihre Entfernung und/oder ihr Doppler nicht zu dem passt, was für das Zielobjekt von primärem Interesse erwartet wird. Die Verfolgungsmethode wird in erster Linie zur Ausscheidung bestimmten Rauschechos verwendet, wenn das Zielobjekt von Interesse sich relativ zu dem Rauschecho bewegt (d.h. bezüglich des Dopplers relativ zu denjenigen des diskreten Clutters getrennt ist), wobei diese Methode Anwendung in Radarsystemen mit mittlerer Pulswiederholungsfrequenz (MPRF-Radar) findet, wobei der verarbeitete Dopplerraum bezüglich des Dopplers sowohl des Zielobjektes als auch der Signale von Clutter in den Seitenstrahlungskeulen zweideutig ist. Die letzte Technik, welche in einem Monopulsradar verwendbar ist, besteht darin, das detektierte Ziellinien-Fehlersignal mit einem Schwellwert zu vergleichen. Wenn der detektierte Ziellinienfehler den Schwellwert in einer oder beiden der Hauptwinkelverfolgungsebenen des Radarsystems (beispielsweise Steigung oder Gierwinkel) überschreitet, dann wird die Anzeige einer Achsenablage gegeben. Diese Zweikanal-ODER-Technik basiert auf dem Prinzip, dass in dem Seitenstrahlungskeulenbereich die Differenzmuster-Seitenstrahlungskeulen typischerweise die Summenmuster-Seitenstrahlungskeulen über einen wesentlichen Teil des Winkelraumes überschreiten. Die Zweikanal-ODER-Technik arbeitet am besten für Signale mit Achsenablage, welche auf oder nahe einer der Hauptwinkelverfolgungsebenen des Radars liegen. Eine Zweikanaltechnik ist auch in dem US-Patent 5,400,035 beschrieben.
Während sowohl die Wächterkanaltechnik als auch die Verfolgungstechnik in hohem Maße wirksam sein können, ist keine Methode sehr viel versprechend in einer Anwendung in einer von einem Fluggerät getragenen Rakete. In Anwendungen bei flugkörpergetragenen Raketen stehen sowohl das Packungsvolumen als auch die Zeit im allgemeinen sehr begrenzt zur Verfügung, und bei den hohen Geschwindigkeiten, die in Raketenanwendungen eine Rolle spielen, ist sehr wenig Zeit für die Suche und Erfassung von Zielobjekten vorhanden (moderne Raketen haben im allgemeinen einen thermischen Sensor, welcher auf die allgemeine Lage des Zielobjektes entweder durch nicht an Bord befindliche oder durch an Bord befindliche Verfolgungsmittel hingewiesen wird). Wächterkanäle erfordern zusätzliche Hardware, während die Aufnahme der Verfolgung von Zielobjekten mit Achsenablage die an Bord befindliche Computerhardware kompliziert (dahingehend, dass ein ausreichender Durchsatz vorgesehen werden muss, um eine möglicherweise große Anzahl von unwesentlichen Verfolgungsbahnen zu verarbeiten), und verlangsamt den Radarsuchprozess, um die Zeit, welche zur Aufnahme von Verfolgungen und zur Auflösung irgendeiner Entfernung und von Dopplermehrdeutigkeiten benötigt wird, die bei den gebrauchten Wellenformen vorhanden sind. Bei der Entwicklung hin auf die Verwendung von Millimeterwellen-Suchköpfen in Radaranwendungen ist die Suchkopfantenne elektrisch groß und hat einen hohen Verstärkungsgewinn. Die nahe liegenden Seitenstrahlungskeulen, welche einen wichtigen Teil des Winkelraumes überdecken, können sehr gut oberhalb der Isotropie sein, was bedeutet, dass die Wächterkanalantenne, welche zur Überdeckung des Bereiches der nahen inneren Seitenstrahlungskeulen erforderlich ist, gerichtet sein muss. Um sowohl die nahe innerhalb und auch die weit außerhalb befindlichen Seitenstrahlungskeulen zu überdecken, können mehrfache Wächterkanäle erforderlich sein, abhängig von den Charakteristiken der Suchkopfantenne.
Die Zweikanal-ODER-Methode der Anzeige der Achsenablage ist einfach, erfordert keine zusätzliche Hardware oder Berechnung außerhalb derjenigen, welche für die normale Verarbeitung des Winkels des Einfalles verwendet wird. Für Ebenen deutlich außerhalb der grundsätzlichen Winkelverfolgungsebenen jedoch wird die Anzeige der Achsenablage schlechter im Vergleich zu derjenigen in den Hauptebenen.
Es wäre daher wünschenswert, eine Technik zu schaffen, welche sich mindestens den oben beschriebenen Problemen bei Systemen nach dem Stande der Technik widmet.
In einer Veröffentlichung mit dem Titel "Four-Channel Monopulse for Main Beam Nulling and Tracking", Proceedings of the IEEE National Radar Conference, USA, New York, ISBN 0-7703-3732-8, 1997, beschreiben J. B. Hoffman, B. L. Galebach und K. R. Johnson auf den Seiten 94 bis 98 ein Vierkanal-Monopuls-Radarsystem, in welchem eine Vierelementantenne verwendet wird. Jedes Element kann eine phasengesteuerte Gruppe (phased array) sein. Die vier Kanäle bestehen in einem Summenkanal für die Summe aller vier Antennenelemente, einem Delta-Alpha-Kanal für die Differenz zwischen dem linken und rechten Paar von Elementen, einem Delta-Beta-Kanal für die Differenz zwischen dem oberen und unteren Paar von Elementen und einem Delta-Delta-Kanal für die Differenz zwischen den Diagonalpaaren von Elementen. Die Kanäle sind gewichtet, so dass sich eine Null in der Richtung eines Störsenders oder Jammers ergibt, wenn die Störung auf dem Hauptstrahl liegt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Verfahren zum Betrieb eines Vierstrahl-Monopuls-Radarsystems die Schritte der Bildung von Differenzsignalen für vier mögliche Kombinationen aneinander grenzender Strahlpaare, des Vergleichs der Beträge der Differenzen mit einem Summenmusterbetrag und der Summierung des Ergebnisses.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Monopuls-Radarsystems, welches den Schritt des Bildens eines Summensignals Σ, eines Azimut-Differenzsignals Δ_az, eines Elevations-Differenzsignals Δ_el und eines Quadropolsignals oder Diagonal-Differenzsignals Q, und des Gewinnens der Beträge jedes der jeweiligen Signale umfasst, gekennzeichnet durch das Vergleichen des Betrages des Azimut-Differenzsignals Δ_az mit dem Betrag des Summensignals Σ, das Vergleichen des Betrages des Elevations-Differenzsignals Δ_el mit dem Betrag des Summensignals Σ, das Vergleichen des Betrages des Differenzsignals Q mit dem Betrag des Summensignals Σ, des Summierens der Ergebnisse der Vergleichungsschritte und durch das Vergleichen der summierten Ergebnisse mit einem Schwellwert, um eine Anzeige der Achsenablage zu bestimmen. Bei einer solchen Technik ist die Verwendung von Monopulsdaten für die Verbesserung der normalen Verarbeitung für die CFAR-Detek tierung vorgesehen. Die normale CFAR-Verarbeitung oder Verarbeitung bezüglich der konstanten Falschalarmrate verwendet typischerweise nur den Betrag des Summenkanalsignals, um Detektierungsentscheidungen zu treffen. Die hier beschriebene Erfindung bezieht die Monopulsdaten in computermäßig einfacher Weise in den Entscheidungsprozess bezüglich der Detektierung ein, so dass Achsenablagesignale, welche ausreichende Stärke haben, um den Schwellwert der CFAR-Detektierung zu durchlaufen, wirkungsvoll durch einen zweiten Detektierungsschwellwert abgewiesen werden. Das Signal, welches mit dem zweiten Detektierungsschwellwert verglichen wird, wird von sämtlichen Monopulskanälen gebildet. Der Detektierungsvorgang ist somit ein zweistufiger Vorgang, welcher nicht nur die Information einbezieht, welche in dem Betrag des Summenkanals enthalten ist, sondern auch die Information, die in sämtlichen der Monopulkanäle enthalten ist. Die Erfindung kann Achsenablagedetektierungen mit einer Sicherheit von 95% oder darüber eliminieren, und dies mit geringerem Verlust in der Wahrscheinlichkeit der Detektierung in der Hauptstrahlungskeule. Detaillierte quantitative Leistungsdaten wie eine Funktion des Signal-/Rausverhältnisses werden ebenfalls nachfolgend beschrieben.
Wesentliche Merkmale der Erfindung werden für die Apertur von 150 mm im W-Band demonstriert, welche in "Principles and Applications of Millimeter-Wave Radar" von Currie und Brown (1987, Artech House) beschrieben ist. Die Apertur von Currie und Brown wurde durch eine Blockierung mit 0,375 Zoll Radius modifiziert, um eine Amplituden-Monopuls-Apertur mit niedrigen Summen- und Differenz-Seitenstrahlungskeulen zu simulieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält ein Verfahren zum Betrieb eines Monopuls-Radarsystems folgende Schritte:
Bilden eines jeweiligen Digitalsignals, welches ein Signal von jedem Quadranten einer Monopulsantenne anzeigt;
Bilden eines Summensignals, welches ein kombiniertes Signal von sämtlichen Quadranten der Monopulsantenne anzeigt und Ableiten eines Betrages dieses Summensignals;
Bilden von Differenzsignalen für jede mögliche Kombination von Signalen aus jedem Quadranten der Monopulsantenne und Ableiten eines Betrages jedes der jeweiligen Differenzsignale;
Vergleichen des Betrages jedes der Differenzsignale mit einem Betrag des Summensignals; und
Summieren jedes Ergebnisses.
Das Ergebnis wird mit einem Schwellwert verglichen, um festzustellen, ob eine Anzeige einer Achsenablage gerechtfertigt ist.
Mit einer solchen Anordnung wird eine verbesserte Zurückweisung eines Achsenablagesignals erreicht, indem ermöglicht wird, solche Achsenablagesignale zu detektieren und dann diese Signale von den gewünschten Signalen auszufiltern.
Radarsysteme gemäß der Erfindung sind nachfolgend durch die Ansprüche 1 und 2 definiert, worauf nun Bezug genommen sei.
Die Erfindung wird jetzt beispielsweise unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In diesen stellen dar:
1 ein Blockschaltbild eines Radarsystems, welches die vorliegende Erfindung enthält;
2A eine Strahlungscharakteristik einer Zweistrahl-Amplituden-Monopulsantenne;
2B eine Strahlungscharakteristik einer Zweistrahl-Phasen-Monopulsantenne;
2C ein Amplituden-Monopuls-Strahlformungs-Strahlungsmuster;
2D eine paarweise Amplituden-Monopulskonfiguration;
2E typische Charakteristiken von Phasen-Monopuls-Summen- und -Differenzmustern;
2F typische Charakteristiken von Amplituden-Monopuls-Summen- und -Differenzmustern;
2G ein Vergleichsergebnis von Mustern von Halb- und Voll-Aperturen (150 mm kreisförmige Apertur bei 94 GHz, von Currie und Brown);
2H Phasen-Verteilungscharakteristiken für die gleichförmige Bestrahlung von Hälften der kreisförmigen Apertur (150 mm kreisförmige Apertur bei 94 GHz von Currie und Brown);
3A das Verhältnis von Gierdifferenz zu Summe für die Amplituden-Monopuls-Antenne (Apertur von Currie und Brown);
3B das Verhältnis von Steigungsdifferenz zu Summe für die Amplituden-Monopulsantenne (Apertur von Currie und Brown);
3C die Anwendung des Zweikanal-ODER-Algorithmus auf eine Großamplituden-Monopuls-Antenne (Apertur von Currie und Brown); und
3D die Dichte- und Verteilungsfunktionen des Zweikanal-ODER-Algorithmus (Apertur von Currie und Brown);
3E die Anwendung eines Zweikanal-UND-Algorithmus auf eine Großamplituden-Monopuls-Antenne (Apertur von Currie und Brown);
3F die Dichte- und Verteilungsfunktionen des Zweikanal-UND-Algorithmus (Apertur von Currie und Brown);
3G das Verhältnis von Q zur Summe für eine Amplituden-Monopuls-Antenne (Apertur von Currie und Brown);
3H die Anwendung des Algorithmus erster Ordnung auf eine Großamplituden-Monopuls-Antenne (Apertur von Currie und Brown);
3I die Dichte- und Verteilungsfunktionen des Algorithmus erster Ordnung (Apertur von Currie und Brown);
3J die Anwendung des Vier-Term-Algorithmus auf eine Großamplituden-Monopuls-Antenne (Apertur von Currie und Brown);
3K die Dichte- und Verteilungsfunktionen des Vier-Term-Algorithmus (Apertur von Currie und Brown);
3L die Anwendung des Sechs-Term-Algorithmus auf eine Großamplituden-Monopuls-Antenne (Apertur von Currie und Brown);
3M die Dichte- und Verteilungsfunktion des Sechs-Term-Algorithmus (Apertur von Currie und Brown);
4A die Detektierungsleistung in Achsenablage und auf dem Hauptstrahl mit einem Signal-/Rauschverhältnis von 10 dB im Strahlzentrum bei Zweikanal-ODER-Algorithmus;
4B die Detektierungsleistung in Achsenablage und im Hauptstrahl mit einem Signal-/Rauschverhältnis von 10 dB im Strahlzentrum bei dem Algorithmus erster Ordnung;
4C die Detektierungsleistung für die Achsenablage und im Hauptstrahl mit einem Signal-/Rauschverhältnis von 10 dB im Strahlzentrum bei dem Vier-Term-Algorithmus;
5 ein Blockschaltbild eines alternativen Radarsystems, welches die vorliegende Erfindung beinhaltet; und
6 ein Flussdiagramm eines alternativen Radarsystems, welches die vorliegende Erfindung beinhaltet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es sei nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile oder Signale in den verschiedenen Abbildungen bezeichnen. In 1 ist ein Blockschaltbild eines Radarsystems 100 gezeigt, welches einen Rechner 150, einen Hauptoszillator 112, einen Sender 110, einen Empfänger 120, einen Duplexer 130 und eine Antenne 140 enthält. Der Sender 110 enthält eine Anregungseinrichtung 114, eine Anregungssteuerschaltung 116 und einen Sender-Leistungsverstärker 118. Der Empfänger 120 enthält eine Empfängereinrichtung 124, einen Analog-/Digital-Umformer 126 und einen digitalen Signalprozessor 128. Das Radarsystem 100 enthält weiter Monopuls-Rechenschalteinrichtungen 132 zur Bildung eines Summenkanals und eines Azimutkanals, eines Elevationskanals und eines Q-Kanals gemäß der vorliegenden Erfindung. Das System von 1 stellt ein Pulsradarsystem dar, doch versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung auch für die Verwendung in anderen Systemen angepasst werden kann.
Der Rechner 150 liefert Bezugssignale 13a bis 13d, um den verschiedenen Komponenten des Radarsystems 100 die erforderlichen Steuersignale zur Verfügung zu stellen, wie dies nachfolgend beschrieben wird. In herkömmlicher Weise liefert der Hauptoszillator 112 in Abhängigkeit von dem Rechner 150 ein Signal an die Anregungseinrichtung 114, die wiederum ein Hochfrequenzsignal an ihrem Ausgang darbietet. Das Hochfrequenzsignal 11 wird dann zu dem Sender-Leistungsverstärker 118 gegeben, in welchem das Sendesignal verstärkt wird und wird dann über den Duplexer 130 der Antenne 140 zugeführt. Die Antenne 140 ist eine Monopulsantenne. Da die Antenne 140 den Suchbereich abtastet, wird ein empfangenes Signal 19 durch Objekte innerhalb des Betriebsbereiches des Radarsystems 100 reflektiert. Das empfangene Signal 19 wird dann durch die Antenne 140 aufgenommen. In herkömmlicher Weise wird das empfangene Signal 19 von der Antenne 140 zu der Monopuls-Rechenschaltungseinrichtung 132 gegeben, um ein Summensignal und ein Azimut-Differenzsignal, ein Elevations-Differenzsignal und ein Q-Differenzsignal zu bilden, welche in den Empfänger 24 eingegeben werden, der wiederum die soeben genannten Signale mit einem Signal von dem Hauptoszillator 112 heterodyn überlagert, um Basisbandsignale zu erzeugen. Die Basisbandsignale werden in den A/D-Umformer 126 eingegeben, welcher wiederum diskrete Zeittastungen der Basisbandsignale erzeugt. Die getasteten Basisbandsignale werden dann dem digitalen Signalprozessor 128 zugeführt. Gemäß der vorliegenden Erfindung führt dann der digitale Signalprozessor 128 eine zusätzliche Analyse, beispielsweise eine diskrete Fourier-Transformation durch, um die Dopplerfrequenzen und andere Informationen von Interesse in einer Art und Weise zu bestimmen, wie dies nachfolgend beschrieben wird. Letzteres wird dann in den Rechner 150 eingegeben, um Steuersignale hervorzubringen, welche ein Fahrzeug sowie die verschiedenen Komponenten des Radarsystems 110 steuern. Es versteht sich, dass zwar der digitale Signalprozessor 128 und der Computer 150 gesondert dargestellt sind, dass aber ein einziger Computer alternativ verwendet werden kann oder eine Kombination von mehreren Computern und digitalen Signalprozessoren eingesetzt werden kann. Der Empfänger 120 enthält auch eine CFAR-Detektorschaltung zur Ausfilterung unerwünschter Signale einschließlich von Signalen von Antennen-Seitenstrahlungskeulen und eine Löschschaltung zum Aussondern von Achsenablagesignalen, welche ausreichende Stärke haben, um die CFAR- Detektorschaltung zu durchlaufen, wenn ein positives Achsenablage-Anzeigesignal vorhanden ist.
Das Radarsystem 100, vorliegend ein Vierkanal-Monopuls-Empfänger gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Aufbau herkömmlich zu konstruieren. In der Monopulsantenne 140 und der Monopuls-Rechenschaltung 132 wird ein Summenstrahl (nicht dargestellt) von Hochfrequenzenergie, beispielsweise ein Strahl, welcher vorliegend eine Ziellinie orthogonal zu der Apertur der Monopulsantenne hat, in der dargestellten Weise erzeugt. Diese Apertur ist hier, wie gezeigt, in vier gleiche Sektoren (oder Quadranten) unterteilt, wobei jeder ein Phasenzentrum A, B, C oder D hat. Wie bekannt ist das Hochfrequenzsignal (RF) im Empfangsmodus an jedem Phasenzentrum A, B, C und D die Vektorsumme der Hochfrequenzsignale, welche durch die Antennenelemente (nicht dargestellt) in dem entsprechenden Quadranten empfangen werden. Man erkennt daher, dass (im Empfangsmodus) ein Monopuls-Summensignal Σ(RF), ein Elevations-Differenzsignal Δ_el(RF), ein Azimut-Differenzsignal Δ_az(RF) und ein Q-Signal Δ_Q(RF) von einem einzelnen Zielobjekt abgeleitet werden und an den verschiedenen Ausgangsanschlüssen der dargestellten Monopuls-Rechenschaltung abgenommen werden, wobei diese Signale folgendermaßen zu beschreiben sind: Σ(RF) = VA + VB + VC + VD Δel(RF) = (VA + VB) – (VC + VD) Δaz(RF) = (VA + VD) – (VB + VC) ΔQ(RF) = (VA + VC) – (VB + VD)worin V_A, V_B, V_C und V_D jeweils vektorielle Größen sind.
Man erkennt, dass für ein Zielobjekt (nicht dargestellt) auf der Ziellinie einer Monopulsantenne 140 mit den vier Quadranten in einem idealen Monopulssystem die Signale für jeden der vier Quadranten der Monopulsantenne 140 gleich sind. Die Signale können in der Monopuls-Rechenschaltung 132 kombiniert werden, um einen Summenkanal und einen Azimut-Differenzkanal, einen Elevations-Differenzkanal und einen Q-Differenzkanal zu bilden. Der Summenkanal hätte dann ein Maximum und die übrigen Kanäle wären Null. In einem nicht idealen Monopulssystem können die Signale, welche durch Nebenstrahlungskeulen der Monopulsantenne 140 detektiert werden, Fehler in den resultierenden Steuersignalen verursachen, welche durch das Radarsystem 100 erzeugt werden.
Die Erfindung verkörpert sich in einer Gruppe von Techniken und Algorithmen, welche einem Monopuls-Radarsystem anzeigen, ob ein Signal aus einer Richtung entsprechend der Zielrichtung des Antennenhauptstrahlungsbündels eintrifft oder aus einer Richtung entsprechend denjenigen Richtungen, welche durch die Antennenseitenstrahlungskeulen abgedeckt werden. Mit diesen Algorithmen wird eine zuverlässige Anzeige mit Informationen erreicht, welche bereits für das typische Verfolgungsradar verfügbar sind. Die Algorithmen können in Phasen- oder Amplituden-Monopulskonfigurationen und für Antennenarchitekturen mit festem Strahl oder mit phasengesteuerter Gruppe angewendet werden. Die Algorithmen sind für existierende Vierkanal-Monopulssysteme verwendbar und die Verwirklichung benötigt keine Änderungen der Hardwarekonfigurationen für Vierkanal-Monopulsantennen oder -Radarsysteme. Der gemeinsame Grundzug, welcher die Gruppe von Algorithmen vereinigt, ist der Vergleich von Signalen in allen Datenkanälen des Vierkanal-Monopuls-Radarsystems.
Bevor mit einer detaillierten Beschreibung der Erfindung fortgefahren wird, erscheint es hilfreich, den Stand der Technik zu betrachten. Zuverlässige Seitenstrahlungskeulen-Anzeigen werden erreicht, indem man das Ansprechen auf ein gemeinsames Signal in vier Kanälen eines Monopuls-Radars vergleicht. Die gebräuchlichen allgemeinen Monopuls-Radarsysteme verwenden Amplituden-Monopulsantennen oder Phasen-Monopulsantennen. In einem Amplituden-Monopulssystem bildet die Antenne orthogonale RF-Kanäle durch Addieren und Subtrahieren des Ansprechens auf eine gemeinsame Quelle der vier Strahlen, welche ein gemeinsames Phasenzentrum haben und in bekannter Weise ausgerichtet sind, jedoch spezifisch nicht überlappend im Raume, wie für zwei Strahlen der Amplituden-Monopulsantenne in 2A gezeigt ist. Das Radarsystem leitet die Winkelinformation durch Vergleich der Amplituden und Vorzeichen der Summenkanalausgänge und Differenzkanalausgänge ab. In einem Phasen-Monopulssystem bildet die Antenne orthogonale Kanäle durch Addieren und Subtrahieren der komplexen Ansprechsignale auf eine gemeinsame Quelle von parallelen Strahlen, welche zu den halben Aperturen der Antenne gehören, wie in 2B gezeigt ist. Es sei bemerkt, dass die Stahlen nicht ein gemeinsames Phasenzentrum haben. Die Winkelinformation wird wie bei dem Amplituden-Monopulssystem abgeleitet.
Bei den meisten typischen Monopuls-Radarsystemen liefert die Antenne Monopuls-Hochfrequenzausgänge. Das bedeutet, dass vor der aktiven Bearbeitung des empfangenen Signals ein Mikrowellen-Monopulsnetzwerk (d.h. die Monopuls-Rechenschaltung) dazu verwendet wird, die Hochfrequenzenergie in jedem Strahl oder von jedem Apertursegment zu kombinieren, um die Standardgruppe von Monopuls-Ausgangssignalen zu bilden, nämlich den Summenausgang, zwei Differenzausgänge und (manchmal) die Differenz von Differenzen (mitunter als Q-Kanal bezeichnet). Dies ist keine notwendige Bedingung für den Betrieb, insbesondere bei Berücksichtigung der Fortschritte in der digitalen Verarbeitung über die letzten Jahrzehnte hin. Die Hochfrequenz-Verarbeitung arbeitet gut in Systemen auf vielerlei Gebieten. Die vier Strahlen einer Amplituden-Monopulsantenne können in einem Hochfrequenznetzwerk addiert und subtrahiert werden, das Leitungslängen und Leistungsaufteiler in Gestalt eines magischen T enthält, wie dies in 2C gezeigt ist. Das Netzwerk von 2C befasst sich im allgemeinen mit der Kombination von vier Strahlen in Paaren von Paaren über das Phasenzentrum der Apertur hinweg, doch sind auch andere Konfigurationen möglich. Insbesondere können die Strahlen in einfachen Paaren über das Phasenzentrum hinweg kombiniert werden, wie dies in 2D gezeigt ist, wenngleich diese Anordnung zu einem niedrigeren Antennengewinn des Differenzkanals relativ zu dem Summenkanal führt. Dieselben Netzwerke können dazu verwendet werden, die Ausgänge jedes Phasenzentrums des Phasenmonopuls-Netzwerkes zu kombinieren.
Ein wesentlicher Unterschied zwischen einem Amplituden-Monopulssystem und einem Phasen-Monopulssystem ist die Abfallrate des Ansprechens der Strahlungsmuster-Seitenstrahlungskeulen in der Fernfeldverfolgung gegenüber dem Summenstrahlungsmuster. Typische Phasen-Monopuls-Strahlungsmustereinschnitte sind in 2E für eine gleichförmig bestrahlte kreisförmige Apertur von 150 mm Durchmesser, die bei 94 GHz arbeitet, gezeigt. (Diese Apertur und ihre Verwendung sind in "Principles and Applications of Millimeter-Wave Radar" von Currie und Brown, diskutiert). Da das Subtrahieren des Ansprechens der Aperturhälften ein Phasen-Monopulsantennen-Differenzmuster erzeugt, wird eine große (effektive) Bestrahlungsdiskontinuität am Phasenzentrum der vollen Apertur erzeugt. Diese Diskontinuität resultiert in starken Seitenstrahlungskeulen des Differenzmusters in der Ebene orthogonal zu der Anregung (die Differenz des Seitenstrahlungskeulenpegels nimmt ab, wenn sich die Schnittebene von der Differenzebene wegbewegt). Weiterhin erhöht sich, wenn sich das Ansprechen auf Seitenstrahlungskeulen der Summencharakteristik verbessert (d.h., wenn die Summen-Seitenstrahlungskeulen relativ zu dem vollen Antennengewinn heruntergehen), der Einfluß der Diskontinuität, was weiterhin die Seitenstrahlungskeulenpegel der Differenzcharakteristik erhöht. In der Ebene der Differenz hat ein Amplituden-Monopulssystem naturgegeben niedrigere Differenzkanal-Seitenstrahlungskeulen als ein Phasen-Monopulssystem: Bei einer Amplituden-Monopulsantenne wird die starke zentrale Diskontinuität beseitigt und die individuelle Strahlungsmustersymmetrie mit Bezug auf das Phasenzentrum der vollen Apertur wird aufrechterhalten. Amplituden-Monopuls-Bestrahlungsmuster-Abnahmen mit den Eigenschaften, welche für Antennenstrahlungsmuster großer Apertur typisch sind, sind in 2F gezeigt.
Es sei bemerkt, dass die Seitenstrahlungskeulen des Differenzmusters der Phasen-Monopuls-Antennencharakteristik in 2E im Verhältnis zu den Seitenstrahlungskeulen des Summenstrahlungsmusters hoch sind, und dass die Nullstellen des Differenzstrahlungsmusters aufgefüllt sind. Zwei Mechanismen tragen zu der Nullstellenauf füllung für diese besondere Phasen-Monopulsantenne bei. Zum einen ist die Apertur kreisförmig, was zu asymmetrischen Illuminationsverteilungen der halben Apertur führt: Strahlungsmuster, welche durch asymmetrische Strahlungsverteilungen erzeugt werden, haben aufgefüllte Nullstellen. 2G vergleicht Strahlungsmusterreduktionen, welche durch die Hälften einer elektrisch großen, gleichförmig bestrahlten kreisförmigen planaren Apertur mit statistischen Fehlern erzeugt werden: Das Summen-Strahlungsmuster ist zum Vergleich dargestellt. Die Strahlungsmuster sind in der Ebene orthogonal zu der Ebene der Diskontinuität aufgenommen. Die Strahlungsmuster der halben Apertur sind im wesentlichen identisch und symmetrisch. Es sei bemerkt, dass der Seitenstrahlungskeulenbereich des Musters der halben Apertur bei richtiger Normalisierung die Umhüllende der Seitenstrahlungskeulen des Summenmusters bildet. Zum zweiten haben die Strahlungsmuster der halben Apertur eine konjugierte Symmetrie mit Bezug auf das Phasenzentrum der vollen Apertur. Dies ist in 2H dargestellt. 2H zeigt die Phase des Strahlungsmusters der halben Apertur für die spezifische Messbedingung einer Rotation um das Phasenzentrum der vollen Apertur. Die Phase des Strahlungsmusters ist im wesentlichen > 90° in dem Seitenstrahlungskeulenbereich. Die Bildung des Differenz-Strahlungsmusters (ein Subtraktionsvorgang) addiert nahezu identische Reaktionen ohne Nullstellen, so dass ein Gesamt-Strahlungsmuster ohne Nullstellen gebildet wird. Die Bildung des Summen-Strahlungsmusters (ein Additionsprozess) subtrahiert nahezu identische Reaktionen, wodurch ein Gesamt-Strahlungsmuster erzeugt wird, welches tiefe Nullstellen hat.
Die vorausgehende Diskussion stellte die Charakteristiken von Monopuls-Strahlungsmustern in den Hauptebenen (Ebenen der Differenzen) dar. Die Anzeige einer Strahlungsquelle mit Achsenablage ist jedoch ein Problem über das gesamte Blickfeld einer Radarantenne hin, einschließlich der Bereiche mit Strahlungskeulen nach rückwärts. Die 3A und 3B stellen spektrale Verteilungsdiagramme dar, welche das Verhältnis des Ansprechens des Differenzkanals zum Ansprechen des Summenkanals über einen Quadranten des vorderen Halbraumes für die Apertur nach Currie und Brown bei 94 GHz mit einer 0,75 Zoll Blockierung wiedergeben, die eingeführt ist, um primäre Fokusblockageeffekte anzunähern. Die Raumbereichstastungsrate ist annähernd sechs Punkte je Strahlbreite. In den ersten Bereichen der Figuren liegt das Summenstrahlungsmuster mindestens 5 dB über dem Differenzstrahlungsmuster. In den zweiten Bereichen ist die Summe etwas größer als die Differenz. In dritten Bereichen ist das Differenzstrahlungsmuster 0 bis 5 dB größer als das Summenmuster (die dritten Bereiche in den unteren linken Ecken der Figuren liegen außerhalb des vorderen Halbraumes der Antenne). Sämtliche anderen Pegel zeigen, dass die Differenz wesentlich größer als die Summe ist. Wie aus den 3A und 3B ersichtlich, ist das Differenzmuster wesentlich unter dem Summenmuster über annähernd die Hälfte der vorderen Hemisphäre und die Diagonalebene (hier 225° von der sinα-Achse abliegend) ist verhältnismäßig unbestimmt. Es ist offensichtlich, dass durch Vergleichen des Steigungs-Differenzsignals mit dem Summensignal und, unabhängig davon, des Gier-Differenzsignals mit dem Summensignal eine einigermaßen erfolgreiche Anzeige einer Strahlungsquelle mit Achsenablage erreicht wird (hier sei dies als ODER-Verarbeitung bezeichnet). Das bedeutet, ein Vergleich eines Steigungssignals mit dem Summensignal identifiziert ziemlich gut eine Quelle mit Achsenablage in der Steigungsebene und hält ein ausreichend großes Verhältnis, bis hinaus zu etwa 30° von der Steigungsebene weg, für eine hohe Wahrscheinlichkeit einer Identifizierung aufrecht und in entsprechender Weise gilt dies für den Gierkanal. Wenn die Differenzen von dem Summensignal weglaufen, kann ein hohes Zusammenfallen von Nullstellen nahe der 45°-Ebene erwartet werden und es wird keine wesentliche Verstärkung bei Verwendung des ODER-Prozesses zu erwarten sein. Ein Diagramm der spektralen Dichte, welches die Verwendung der ODER-Verarbeitung für die Anzeige der Seitenstrahlungskeulen verwendet, ist in 3C für eine Amplituden-Monopulsantenne gezeigt. Das Diagramm repräsentiert die ODER-Verarbeitung als das jeweils größere Verhältnis der Verhältnisse Steigungssignal/Summe und Giersignal/Summe, aufgetragen in dB. Wiederum identifizieren der erste und der zweite Bereich jeweils Bereiche, in welchen die Summe stets die Differenzsignale überschreitet und die dritten Bereiche sind solche, in welchen das Differenz-Strahlungsmuster die Summe um 5 dB oder weniger überschreitet. Wie zu erwarten ist die 45°-Ebene nicht gut abgedeckt.
Eine alternative Darstellung von ODER-Verarbeitungsdaten ist in 3D gezeigt. Ein Studium der 3D zeigt das Dichtevorkommen des Verhältnispegels über die ganze vordere Hemisphäre hin mit Ausnahme des Bereiches innerhalb der 3 dB-Summenstrahlkontur. Eine zweite Linie zeigt die Verteilung des Auftretens von Pegeln außerhalb des Hauptstrahles. Die dritte Linie zeigt den Prozentsatz der Hauptstrahl-3 dB-Bereichsfläche, welche durch Verhältnispegelwerte an und unterhalb des Wertes auf der Abszisse abgedeckt ist. Die nächst größere ganze Zahl zu dem Verhältnispegel für 100% Hauptstrahlüberdeckung ist als der Basisschwellwert für das System gewählt. An dem Basisschwellwertpegel von –2 dB für den ODER-Algorithmus zeigt die Verteilungsfunktionskurve, dass der Algorithmus ein Signal, das von einer Seitenstrahlungskeulenrichtung eintrifft, zu einem von einem Hautpstrahl-Zielobjekt kommenden Signal für 19,46% der Zeit erklärt. Für diese Linien wird der Quadrant mit etwa sieben Punkten je Hauptstrahlbreite außerhalb der 3 dB-Summenstrahlkontur getastet und mit etwa 7800 Punkten innerhalb der 3 dB-Summenstrahlkontur.
Wenn die Quadratwurzeln der Verhältnisse von Differenzleistung zu Summenleistung addiert werden (lineare Addition von elektrischen Feldgrößen ist ein UND-Prozess), anstatt eine ODER-Verknüpfung vorzunehmen, wird eine kleine Verbesserung in der Abdeckung in und um die 45°-Ebene ohne wesentliche Änderung der Verteilung innerhalb des 3 dB-Hauptstrahlbereiches erzielt. Die Basisschwellwerte für den UND- oder ODER-Algorithmus liegen bei dem 95%-Pegel für die Hauptstrahlüberdeckung und der UND-Algorithmus erklärt ein Signal, das von einer Seitenstrahlungskeulenrichtung eintrifft, zu einem Hauptstrahl-Zielobjekt zu 21,17% der Zeit. Die UND-Algorithmusdaten sind durch das spektrale Dichtendiagramm von 2E und in den Verteilungskurven von 3F gezeigt. Weder der ODER-Algorithmus noch der UND-Algorithmus bietet eine sehr robuste Lösung für die Seitenstrahlungskeulenanzeige von Radarsystemen mit großen Amplituden-Monopulsantennen.
Die Spektraldichtediagramme für die Zweikanal-Algorithmen zeigen, dass keiner die Zwischenhauptebene gut ausfüllt. In beiden Fällen fallen die einzelnen Differenzstrahlungsmuster rasch ab, wenn man sich der Nullebene nähert, und die Verstärkung, die durch beide Vergleichsmethoden erreicht wird, ist unzureichend, um eine robuste Seitenstrahlungskeulenanzeige zu erreichen.
Jedes Verfolgungs-Differenzstrahlungsmuster einer Monopulsantenne ist mit Bezug auf eine einzelne Ebene antisymmetrisch. Die beiden Ebenen der Antisymmetrie enthalten das Antennen-Phasenzentrum und sind in Abwesenheit von Störung und Herstellungsfehler der Antenne räumlich orthogonal. Die Verfolgungs-Differenzstrahlungsmuster sind funktionell zu dem Summenstrahlungsmuster orthogonal. Wie in dem vorausgehenden Abschnitt diskutiert ist der Q-Kanal ein zusätzlicher Ausgang eines klassischen Monopulsnetzwerkes, welcher ein viertes orthogonales Ansprechen mit einem Muster führt, das ein Paar von Nullebenen aufweist, welche räumlich orthogonal sind und mit den Nullebenen der Verfolgungs-Differenzstrahlungsmuster zusammenfallen. Q-Kanal-Strahlungsmuster haben hohe Seitenstrahlungskeulen-Spitzen in den Zwischenhauptebenen, wie in 3G über einen Quadranten des vorderen Halbraumes gezeigt ist. Das Q-Kanal-Ansprechen ist funktionell orthogonal zu den anderen drei Kanälen des Monopulsnetzwerkes. Wenn der Betrag des Q-Kanal-Ansprechens zu dem UND-Algorithmus addiert wird, dann wird das schwache Ansprechen in den Zwischenhauptebenen verstärkt, was in einer wesentlich verbesserten Seitenstrahlungskeulenanzeige resultiert, ohne die Systemempfindlichkeit in dem Hauptstrahlbereich nachteilig zu beeinflussen. Der neue Algorithmus ist folgendermaßen anzugeben: A1 = {|Δaz| + |Δel| + |Q|}/|Σ| Gl. 1
Hierin bedeuten Σ ein Summenkanalansprechen, Δ bedeutet ein Differenzkanalansprechen und || bedeutet, dass nur die Beträge genommen werden. Letzteres wird in dem digitalen Signalprozessor 128 verwirklicht.
Die wesentliche Verbesserung hinsichtlich der Seitenstrahlungskeulenanzeige, welche mit dem neuen Algorithmus erreicht werden kann, ist in den 3H und 3I für dieselbe Großamplitudenmonopulsantenne gezeigt, welche zuvor betrachtet wurde. Aus historischen Gründen wird dieser Algorithmus als der Algorithmus erster Ordnung be zeichnet. Ein Vergleich von 3D, 3F und 3I zeigt, dass relativ zu dem UND- oder ODER-Algorithmus der Algorithmus erster Ordnung eine wesentliche Reduktion in dem Spektraldichten-Diagrammbereich erzeugt, der zur Summenansprechdominanz oder zum Zustand nahe der Gleichheit gehört. Die Kurven in 3I betonen weiterhin die Verbesserung, wobei die Addition des Q-Kanal-Ansprechens die Wahrscheinlichkeit der Seitenstrahlungskeulenanzeige auf 93,01% für den Basisschwellwert von 2 dB erhöht.
Man erkennt nun eine wesentliche Verbesserung über die Arbeitsleistung nach dem Stande der Technik bezüglich der Wahrscheinlichkeit der Seitenstrahlungskeulenanzeige, wie sie durch den Algorithmus erster Ordnung geschaffen wird. Wie oben beschrieben addiert und subtrahiert die typische Monopuls-Ausführungsform das Ansprechen in vier Anschlüssen, von denen jeder einem unabhängigen Strahl entspricht, der von einem einzigen Zentrum ausgeht, wie in einem Amplituden-Monopulssystem, oder entspricht einem unabhängigen Phasenzentrum, wie in dem Phasen-Monopulssystem. Wenn die Ansprechamplitude für jeden Strahl oder die Ansprechamplitude für jeden Monopulskanal für einen Signalprozessor zur Verfügung steht, kann ein alternierender Seitenstrahlungskeulen-Anzeigealgorithmus mit noch größerer Leistungsfähigkeit aufgebaut werden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Auffinden von Methoden zur Verminderung oder Beseitigung von Nullstellen in dem kombinierten Differenzkanal-Seitenstrahlungskeulenansprechen. Der Algorithmus erster Ordnung ist nur teilweise in dieser Hinsicht erfolgreich, da die Symmetrie der Apertur in gewissem Sinne für jedes der unterschiedlichen Ansprechsignale aufrechterhalten wird, d.h., die Nullstellen der Seitenstrahlungskeulenbereiche behalten eine konzentrische Lage zu dem Phasenzentrum der Apertur für sämtliche vier Kanäle. Es versteht sich daher, dass ein Verfahren des Dekorrelierens von Nullstellen der Seitenstrahlungskeulen im Differenzansprechen bei Aufrechterhaltung der Nullstellen des Differenzansprechens über das Phasenzentrum der Apertur darin besteht, die Strahlpaare asymmetrisch zusammenzustellen, dann die Be träge der neuen Ansprechgrößen zu addieren und das Summenergebnis mit dem Summenstrahlungsmuster zu vergleichen.
Ergebnisse für den einfachsten, und wie sich herausstellt, effektivsten Gebrauch des Vielstrahl-Seitenstrahlungskeulenanzeigealgorithmus sind in den 3J und 3K gezeigt. Der Algorithmus, welcher als Vier-Term-Algorithmus bekannt ist, erzeugt eine Wahrscheinlichkeit von 96,7% der Seitenstrahlungskeulenanzeige für 96,3% Hauptstrahlabdeckung bei einem Basisschwellwert von 1 dB. Der Algorithmus wird durch Bilden der Differenzen von vier möglichen Kombinationen von aneinander grenzenden Strahlpaaren, Vergleichen der Beträge der Differenzen mit dem Summenmusterbetrag und durch Summation des Ergebnisses verwirklicht. Die gebildeten Strahlen (oder die Antennenquadrant-Phasenzentren für Phasen-Monopulsantennen) seien der Reihe nach um den Antennen-Phasenzentrumsstrahl herum nummeriert. Die Ansprechsignale sind dann B₁, B₂, B₃ und B₄, und das Summenstrahlungsmuster ist durch folgende Gleichung gegeben: Σ = B1 + B2 + B3 + B4 Gl. 2
Der Vier-Term-Algorithmus ist durch folgende Gleichung gegeben: A4 = {|B1 – B2| + |B2 – B3| + |B3 – B4| + |B4 – B1|}/|Σ| Gl. 3
Es sei bemerkt, dass die Verbesserung der Leistungsfähigkeit bei der Nebenstrahlungskeulen-Anzeigewahrscheinlichkeit, wie sie durch den Vier-Term-Algorithmus ermöglicht wird, gegenüber dem Stande der Technik sehr bedeutend ist.
Der Erfolg des Vier-Term-Algorithmus gab die Anregung zu einer Untersuchung eines Sechs-Term-Algorithmus, welcher |B₁ – B₃| + |B₂ – B₄| zu A₄ hinzufügt. Die Verwendung des Sechs-Term-Algorithmus ist in den 3L und 3M gezeigt. Der Sechs-Term-Algorithmus leistet hervorragende Arbeit beim Hochtreiben des Verhältnisses in sämtlichen Bereichen, resultiert aber in einer wesentlichen Erhöhung des Basisschwellwertes. Das Nettoergebnis ist eine etwas schlechtere Arbeitsleistung, als sie mit dem Vier-Term-Algorithmus erreicht wird.
Vorausgesetzt, die vier komplexen Ausgänge des Monopuls-Netzwerkes werden auf Hochfrequenzniveau oder Zwischenfrequenzniveau gehalten, dann können die einzelnen Strahlreaktionen durch einfache arithmetische Operationen rekonstruiert werden. Die Monopulsausgänge seien Σ, Δ_az, Δ_el und Q. Sowohl für Amplituden-Monopulssysteme als auch Phasen-Monopulssysteme werden die Musterfunktionen folgendermaßen gebildet: Σ = B1 + B2 + B3 + B4 Gl. 4 Δaz = B1 – B2 – B3 + B4 Gl. 5 Δel = B1 + B2 – B3 – B4 Gl. 6 Q = B1 – B2 + B3 – B4 Gl. 7
Durch Einsetzen können Gleichungen für B₁, B₂, B₃ und B₄ angeschrieben werden: B1 = 0,25·(Σ + Δaz + Δel + Q) Gl. 8 B2 = 0,25·(Σ – Δaz + Δel – Q) Gl. 9 B3 = 0,25·(Σ – Δaz – Δel + Q) Gl. 10 B4 = 0,25·(Σ + Δaz + Δel – Q) Gl. 11
An diesem Punkt ist für das System entweder der Algorithmus erster Ordnung oder der Vier-Term-Algorithmus verfügbar. Die Auswahl hängt dann von Gesichtspunkten bezüglich einer thermischen Störung des Systems und bezüglich der Störung der Signalprozessorrechnungen ab.
Die Wahl des Schwellwertes des Achsenablageanzeigers ist ein Vorgang, welcher nicht nur die gewünschte Wahrscheinlichkeit einer korrekten Anzeige der Achsenablage, sondern auch die Gesamt-Systemwahrscheinlichkeit der Erfassung ordnungsgemäßer Zielobjekte auf der Hauptstrahlungskeule berücksichtigt. Der Achsenablage-Anzeige-Algorithmus wird auf Detektierungen angewendet, die durch den CFAR-Prozess erzeugt werden, wie dies in einem kohärenten Puls-Dopplerradarsystem implementiert würde, um den Entfernungs- und Dopplerausgang des Radarprozessors zu verarbeiten. Der Achsenablage-Anzeiger stellt somit eine zweite Detektierungsschwelle dar: Diejenigen Signale, welche kleiner als der Achsenablage-Schwellwert sind, werden als Detektierungen behandelt, während diejenige, welche oberhalb des Schwellwertes sind, als von der Achse abliegend bezeichnet und ausgeschieden werden. Zur Detektierung muss ein Signal nicht nur oberhalb des normalen CFAR-Schwellwertes sein, sondern auch unterhalb des Achsenablage-Anzeigeschwellwertes. Es ist die verbundene Wahrscheinlichkeit, dass ein Hauptstrahlungskeulensignal oberhalb des CFAR-Schwellwertes und unterhalb des Achsenablageanzeigeschwellwertes liegt, welche die Gesamt-Systemwahrscheinlichkeit der Detektierung bestimmt, wenn der Achsenablage-Algorithmus verwendet wird. Beim Auswählen des Achsenablage-Schwellwertes würde man als günstig ansehen, wenn der Schwellwert niedrig ist, so dass sich eine positive Achsenablage-Anzeige über einen möglichst großen Winkelbereich außerhalb des Hauptstrahls ergibt, jedoch nicht so niedrig, dass ein wesentlicher Anteil der Hauptstrahlungskeulen-Echos ausgeschieden wird (für die Zwecke der vorliegenden Diskussion bedeutet ein Hauptstrahlungskeulenecho irgendein Signal mit einem Ankunftswinkel innerhalb der 3 dB-Einweg-Kontur des Summen-Hauptstrahlungskeulen-Strahlungsmusters).
Die CFAR-Detektierungsschwelle wird normalerweise so gewählt, dass man eine gewünschte Einblick-Falschalarmwahrscheinlichkeit bei einem Rauschen allein erhält. Die Kombination der gewünschten Detektierungswahrscheinlichkeit und Falschalarmwahrscheinlichkeit bestimmt dann das Signal-/Rauschverhältnis, welches erforderlich ist, um jene zwei Systemleistungsparameter zu erfüllen. Die Radar-Sendeleistung, welche erforderlich ist, um die Signal-/Rauschverhältnis-Faktoren bei einem Strahlform verlust zu erfüllen, welcher annimmt, dass ein Zielobjekt in gleicher Weise wahrscheinlich irgendwo innerhalb des Hauptstrahles des Radars vorhanden ist, wird durch Errechnung des Strahlformverlustes bestimmt, indem eine Mittelwertbildung des Zweiwege-Summenstrahlungsmuster-Verstärkungsgewinns über den Hautpstrahlungskeulenbereich erfolgt, wobei der Hautpstrahlungskeulenbereich als derjenige angenommen wird, der sich innerhalb der 3 dB-Einweg-Verstärkungsgewinn-Kontur des Hauptstrahles befindet. Kurven der Detektierungswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von dem Signal-/Rauschverhältnis mit der Falschalarmwahrscheinlichkeit als Parameter sind aus einer großen Zahl von Radar-Textbüchern entnehmbar. Wenn die Gesamt-Detektierungswahrscheinlichkeit mit Achsenablageanzeige errechnet wird, dann muss nicht nur das Signal-/Rauschverhältnis als eine Funktion der Strahlstellung in die Gleichung als Faktor eingehen, sondern auch der Wert der Achsenablage-Anzeige innerhalb des Hauptstrahls. Die Gesamtwahrscheinlichkeit der Detektierung ist die verbundene Wahrscheinlichkeit von drei Ereignissen: Pdet = P(Hauptstrahlungskeulendetektierung, CFAR-Detektierung, Hauptstrahlposition) Gl. 12

Hierin gilt folgendes:

Hauptstrahlungskeulendetektierung =	Wahrscheinlichkeit, dass der Strahlenablageanzeiger für ein Hauptstrahlungskeulensignal unterhalb des Achsenablage-Anzeiger-Schwellwertes in der Gegenwart von Empfängerrauschen ist
CFAR-Detektierung =	Wahrscheinlichkeit, dass das Hauptstrahlungskeulensignal den CFAR-Detektierungsschwellwert in der Gegenwart von Empfängerrauschen überschreitet

Hauptstrahlposition =

Wahrscheinlichkeit, dass das Hauptstrahlungskeulensignal sich an einer gegebenen Winkelposition innerhalb des Hauptstrahles befindet (mit der Annahme, dass es gleichförmig innerhalb des Hauptstrahles verteilt ist).

Die normale Detektierungswahrscheinlichkeit ohne die Achsenablageverarbeitung, wie sie oben diskutiert wurde, ist die gemeinsame Wahrscheinlichkeit der CFAR-Detektierung und der Hauptstrahlposition, wobei die Abhängigkeit von der Hauptstrahlposition durch Faktorbildung in einem Strahlform-Verlustfaktor einbezogen ist.
Die Wahrscheinlichkeit der Detektierung mit einer Achsenablagen-Verarbeitung lässt sich verhältnismäßig einfach rechnen, wenn die obige verbundene Wahrscheinlichkeit in ihre Bildungskomponenten aufgespalten wird. Unter Verwendung der Bayes-Regel kann die Detektierungswahrscheinlichkeit als das Produkt der Strahlposition und zweier bedingender Wahrscheinlichkeiten ausgedrückt werden: Pdet = P(CFAR-Detektierung, Hauptstrahlposition) × P(Hauptstrahlungskeulendetektierung | CFAR-Detektierung, Hauptstrahlposition) = P(Hauptstrahlposition) × P(CFAR-Detektierung | Hauptstrahlposition) × P(Hauptstrahlungskeulendetektierung | CFAR-Detektierung, Hauptstrahlposition) Gl. 13
Die erste bedingende Wahrscheinlichkeit in dem obigen Ausdruck, nämlich P(CFAR-Detektierung | Hauptstrahlposition), ist die vom Signal-/Rauschverhältnis abhängige Detektierungswahrscheinlichkeit (für eine gegebene Falschalarmwahrscheinlichkeit), charakterisiert durch die Detektierungskurven, welche im allgemeinen in Radartextbüchern zu finden sind. Bei einer Integration über den Hauptstrahl liefert das Produkt der obigen bedingten oder abhängigen Wahrscheinlichkeit und des ersten Aus drucks in der obigen Gleichung, nämlich P(Hauptstrahlposition) die Detektierungswahrscheinlichkeit, wenn die Achsenablageanzeige nicht verwirklicht ist (d.h., die normale Systemleistungsfähigkeit der CFAR-Detektierung einschließlich der Effekte des Strahlformverlustes). Die zweite bedingte oder abhängige Wahrscheinlichkeit in der obigen Gleichung, nämlich P(Hauptstrahlungskeulendetektierung | CFAR-Detektierung, Hauptstrahlposition) repräsentiert also den Beitrag der Achsenablage-Verarbeitung in der Gesamt-Detektierungswahrscheinlichkeit des Systems. Die Wirkung der Achsenablageverarbeitung auf die Detektierungswahrscheinlichkeit wird somit leicht offenbar: Da Wahrscheinlichkeiten immer kleiner als Eins oder gleich Eins sind, ist das Opfer der Verwirklichung der Achsenablageverarbeitung eine Verminderung der Gesamt-Detektierungswahrscheinlichkeit des Systems um einen Faktor gleich dem Wert von P(Hauptstrahlungkeulendetektierung | CFAR-Detektierung, Hauptstrahlposition).
Weitere Überlegungen über die Abhängigkeit der oben genannten beiden bedingten oder abhängigen Wahrscheinlichkeiten von der Strahlposition lassen erkennen, das die beiden Wahrscheinlichkeiten gleichsam zusammenarbeiten, um die schädlichen Wirkungen der Achsenablage-Verarbeitung zu minimieren. Es sei zuerst P(CFAR-Detektierung | Hauptstrahlposition) betrachtet. Die Wahrscheinlichkeit einer CFAR-Schwellwert-Durchquerung als Funktion des Signal-/Rauschverhältnisses ist typischerweise eine steile Kurve: Eine Änderung von mehreren dB im Signal-/Rauschverhältnis kann eine dramatische Änderung in der Detektierungswahrscheinlichkeit erzeugen, insbesondere für verhältnismäßig kleine Signal-/Rauschverhältnisse (10 dB oder weniger). Der Zweiwege-Verstärkungsgewinn an dem Rand des Strahls ist 6 dB kleiner als der im Zentrum des Strahles ist. Wenn daher das Produkt von P(Hauptstrahlposition) und P(CFAR-Detektierung | Hauptstrahlposition) nahe dem Rande des Hauptstrahles integriert wird, dann wird der Gesamt-Detektierungswahrscheinlichkeit des Systems wenig hinzugefügt. Das meiste der Detektierungswahrscheinlichkeit sammelt sich aus einem Bereich näher an dem Zentrum des Hauptstrahles an. Betrachtet man nun die Abhängigkeit des Ausdrucks P(Hauptstrahlungskeulendetektierung | CFAR-Detektierung, Hauptstrahlposition) von der Strahlposition, so ergibt sich folgendes. Der Strahlablage-Anzeige-Algorithmus, welcher in der Offenbarung der vorliegenden Erfindung angege ben wird, zieht die Untersuchung der Beziehung zwischen den Differenzkanalsignalen und dem Summenkanalsignal in Betracht. Grundsätzlich ist eine Achsenablage-Anzeige gegeben, wenn ein Signalpegel oder mehrere Signalpegel der Differenzkanalsignale in Relation zu dem Summenkanal-Signalpegel bedeutsam wird bzw. werden. Innerhalb des Hauptstrahles liegt der Bereich, in dem eines oder mehrere der Differenzkanalsignale mit Wahrscheinlichkeit in Relation zu dem Summenkanalsignal bedeutsam wird, nahe dem Rand des Hauptstrahles; das bedeutet, das Differenzkanalsignal plus Rauschen ist höchstwahrscheinlich in seinem Betrag mit dem Summenkanalsignal plus Rauschen an dem Rand des Hauptstrahles vergleichbar. P(Hauptstrahlungskeulendetektierung | CFAR-Detektierung, Hauptstrahlposition) ist klein, wenn das Signal plus Rauschen in einem oder mehreren der Differenzkanäle vergleichbar mit dem Signal plus Rauschen in dem Summenkanal ist (d.h., das Signal hat eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass es als Achsenablagesignal identifiziert und ausgeschieden wird). Wenn daher P(Hauptstrahlungskeulendetektierung | CFAR-Detektierung, Hauptstrahlposition) nahe den Rändern des Hauptstrahls klein ist und am größten nahe dem Zentrum ist, dann ist der Bereich, an dem die Achsenablage-Verarbeitung dazu neigt, den größten Nachteil zu erzeugen, nahe den Rändern des Hauptstrahles, wobei es sich auch um den Bereich handelt, wo keine große CFAR-Detektierungsleistung vorliegt. Eine bedeutende Achsenablage-Zurückweisung kann mit ziemlich geringem Einfluß auf die Gesamt-Detektierungswahrscheinlichkeit des Systems erreicht werden.
Eine MATLAB-Computersimulation wurde erstellt, um die Wahrscheinlichkeit der Achsenablage-Anzeige und der Hauptstrahlenkeulendetektierung für das Beispiel einer 94 GHz-Suchkopfkonstruktion zu beurteilen, welche aus der Veröffentlichung „Principles and Applications of Millimeter-Wave Radar" von Currie and Brown, 1987, Artech House entnommen wurde. Das Konstruktionsbeispiel (siehe Seiten 663 bis 680 in der Veröffentlichung von Currie und Brown) gilt für ein 10 dB-Signal-/Rauschverhältnis und eine Falschalarmwahrscheinlichkeit von 10^–4. Die Simulation wurde dazu verwendet, die Detektierungsleistung für drei Algorithmen zu beurteilen: der erste Algorithmus ist die Zweikanal-ODER-Technik, die gegenwärtig in einigen Raketensystemen in Gebrauch ist, während der zweite und der dritte Algorithmus der hier beschriebene Algorithmus erster Ordnung und der hier beschriebene Vier-Term-Algorithmus sind. Die drei Algorithmen werden nachfolgend zusammengefasst:
Zweikanal-ODER-Algorithmus
Algorithmus erster Ordnung:

Achsenablage-Anzeige, wenn I ≥ Schwellwert

Vier-Term-Algorithmus

Σ = B1 + B2 + B3 + B4 Gl. 16

Achsenablage-Anzeige, wenn I ≥ Schwellwert

In den obigen Ausdrücken sind Δ_p, Δ_y, Σ und Q der Steigungskanal bzw. der Gierkanal bzw. der Summenkanal bzw. der Quadrupolkanal. Es sei bemerkt, dass die obigen Ausdrücke manchmal auch als Δ_el, Δ_az, Σ und Q bezeichnet werden. B₁, B₂, B₃ und B₄ sind die vier Monopulsstrahlen, die zur Bildung der Signale Σ, Δ_p, Δ_y und Q verwendet werden. Die Resultate sind jeweils für die obigen drei Algorithmen in den 4A, 4B und 4C zusammengefasst. Das linke Diagramm in jeder Figur zeigt die Wahrscheinlichkeit einer Achsenablageanzeige als Funktion des Achsenablagedetektierungsschwell wertes, während das rechte Diagramm die Detektierungswahrscheinlichkeit als eine Funktion des Achsenablageschwellwertes für das Hauptstrahlungskeulensignal zeigt. Das linke Diagramm ist daher ein Maß für die Effektivität des Algorithmus bezüglich der Identifizierung von Achsenablagesignalen während das rechte Diagramm ein Maß des Einflusses des Algorithmus auf die Hauptstrahlungskeulen-Detektierungsleistung zeigt. Zwei Kurven sind in dem Hauptstrahlungskeulen-Detektierungsdiagramm gezeigt: Die Wahrscheinlichkeit der Detektierung mit und ohne die Achsenablage-Verarbeitung. Es ist in jedem Falle zu bemerken, dass dann, wenn der Schwellwert ansteigt, die Wahrscheinlichkeit der Detektierung mit Achsenablage-Verarbeitung schließlich mit derjenigen ohne Achsenablageverarbeitung gleich wird. Das obige Ergebnis ist zu erwarten, da dann, wenn der Schwellwert ansteigt, es weniger wahrscheinlich wird, dass eine Achsenablage-Anzeige gegeben wird, wodurch P(Hauptstrahlungskeulendetektierung | CFAR-Detektierung, Hauptstrahlposition) zunimmt. Wenn P(Hauptstrahlungskeulendetektierung | CFAR-Detektierung, Hauptstrahlposition) sich an 1 annähert, dann nähert sich die Detektierungswahrscheinlichkeit mit Achsenablageverarbeitung derjenigen an, die mit der CFAR-Verarbeitung allein erreicht wird.
4A fasst die Arbeitseigenschaft des Zweikanal-ODER-Algorithmus in Anwendung auf das Konstruktionsbeispiel zusammen, welches von Currie und Brown genommen wurde. Bezugnehmend auf das rechte Diagramm von 4A ist, wenn der Achsenablage-Schwellwert 2 dB beträgt, die Hauptstrahlenkeulen-Detektierungswahrscheinlichkeit im wesentlichen diejenige, die mit der CFAR-Verarbeitung allein erhalten wird, während die Wahrscheinlichkeit einer richtigen Identifizierung von Achsenablage-Signalen (linkes Diagramm) etwa 70 Prozent beträgt.
Betrachtet man 4B, so erkennt man, dass die Wahrscheinlichkeit der Achsenablage-Detektierung für den Alogrithmus erster Ordnung für Schwellwerte weniger als oder gleich 5 dB hier 88% überschreitet. Ein Schwellwert von 5 dB, bezugnehmend auf die Wahrscheinlichkeit der Hauptstrahlungskeulen-Detektierungskurve, ist auch etwa der Wert, wo die CFAR-Detektierungsqualität und die Achsenablage-Detektierungs qualität gleich werden. Mit einem Schwellwert von 5 dB kann ein Achsenablagesignal mit einer Wahrscheinlichkeit von 88% identifiziert werden, während nur ein kleiner Verlust in der Hauptstrahlungskeulen-Detektierungswahrscheinlichkeit in Kauf genommen werden muß. Wenn man einen wenig größeren Verlust in der Hauptstrahlungskeulen-Detektierungswahrscheinlichkeit in Kauf nehmen will, dann erzeugt ein Schwellwert von 3 dB eine Achsenablage-Identifizierungsqualität von etwa 94%.
4C fasst die Arbeitsqualität des Vier-Term-Algorithmus zusammen. Ein Achsenablage-Detektierungsschwellwert von 7 dB resultiert in einem kleineren Verlust in der Hauptstrahlungskeulen-Detektierungsqualität, während er eine Achsenablage-Identifizierungsqualität von etwa 88% hervorbringt. Wenn ein nur wenig größerer Verlust in der Hauptstrahlungskeulen-Detektierungsqualität toleriert werden kann, dann erzeugt ein Schwellwert von 5 dB eine Achsenablage-Identifizierungsqualität von etwa 94%.
Es sei nun auf 5 Bezug genommen. Hier ist ein Blockschaltbild eines Radarsystems 200 gezeigt, welches einen Rechner 250, einen Hauptoszillator 212, einen Sender 210, einen Empfänger 220, einen Duplexer 230 und eine Monopuls-Antenne 240 enthält. Der Sender 210 enthält eine Anregungseinrichtung 214, eine Anregungssteuerschaltung 216 und einen Sender-Leistungsverstärker 218. Der Empfänger 220 enthält eine Empfängerschaltung 224, einen Analog-/Digitalumformer 226, einen digitalen Signalprozessor 228 einschließlich einem Achsenablageanzeiger gemäß der vorliegenden Erfindung. Das System nach 5 repräsentiert ein Pulsradarsystem, doch versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung auch für die Verwendung in anderen Systemen angepasst werden kann.
Der Rechner 250 liefert Bezugssignale 213a bis 213d, um die verschiedenen Komponenten des Radarsystems 200 mit den erforderlichen Steuersignalen zu versehen, wie dies nachfolgend beschrieben wird. In einer herkömmlichen Weise liefert der Hauptoszillator in Abhängigkeit von der Steuerung durch den Rechner 250 ein Signal an die Anregungsschaltung 214, die wiederum ein Hochfrequenzsignal an ihrem Ausgang darbietet. Das Hochfrequenzsignal wird dann dem Sender-Leistungsverstärker 218 zu geführt, wo das Hochfrequenzsignal verstärkt wird und gelangt über den Duplexer 230 zu der Antenne 240 und wird als Sendesignal 211 ausgesendet. Die Antenne 240 ist eine Monopulsantenne. Während die Antenne 240 den Suchbereich abtastet, wird ein Empfangssignal 219 von Objekten innerhalb des Erfassungsbereiches des Radarsystems 200 reflektiert. Das Empfangssignal 219 wird dann durch die Antenne 240 empfangen. Das Empfangssignal 219 wird von der Antenne 240 über den Duplexer 230 in die Empfängerschaltung 224 eingegeben, welche wiederum das empfangene Signal mit einem Signal von dem Hauptoszillator 212 heterodyn überlagert, um Basisbandsignale zu erzeugen. Die Basisbandsignale werden zu dem A/D-Umformer 226 geführt, der seinerseits diskrete zeitliche Tastungen der Basisbandsignale als getastete Basisbandsignale erzeugt, die in den digitalen Signalprozessor 228 eingegeben werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung führt dann der digitale Signalprozessor 228 eine rechnerische Verarbeitung durch, wie sie hier beschrieben wurde und nimmt eine zusätzliche Analyse, beispielsweise eine diskrete Fourier-Transformation vor, um Dopplerfrequenzen und andere Informationen von Interesse in der beschriebenen Weise zu bestimmen. Letzteres wird dann dem Rechner 250 zugeführt, um Steuersignale zur Steuerung eines Fahrzeugs sowie der verschiedenen Komponenten des Radarsystems 210 zu erzeugen. Es versteht sich, dass zwar der digitale Signalprozessor 228 und der Rechner 250 gesondert dargestellt sind, dass aber alternativ ein einziger Rechner verwendet werden kann oder eine Kombination von mehreren Rechnern und digitalen Signalprozessoren verwendet werden kann.
Das Radarsystem 200 ist so ausgebildet, dass es unter Verwendung der vier Quadranten der Monopuls-Antenne 240 das empfangene Signal 219 erfasst, um die Quadrantensignale B₁, B₂, B₃ und B₄ hervorzubringen. Die jeweiligen Signale B₁, B₂, B₃ und B₄ von jedem der vier Quadranten werden an die Empfängerschaltung 224 angekoppelt, wo jedes der vier Signale mit einem Signal von dem Hauptoszillator 212 heterodyn überlagert wird, um vier Basisbandsignale zu erzeugen. Jedes der vier Basisbandsignale wird dem A/D-Umformer 226 zugeführt, der wiederum diskrete zeitliche Tastungen für jedes der vier Basisbandsignale erzeugt, wobei die Tastungen dann in den digitalen Signalprozessor eingegeben werden. Nachdem in den digitalen Signalprozessor 228 vier Digitalsignale entsprechend den vier Quadrantensignalen B₁, B₂, B₃ und B₄ eingespeist worden sind, kann der digitale Signalprozessor 228 nun die Monopulsarithmetik ausführen, um die notwendigen Monopulssignale Σ, Δ_az, Δ_el, und Q zu erzeugen. Verwendet man den oben beschriebenen Algorithmus erster Ordnung, dann ist der Digitalsignalprozessor 228 in der Lage, eine Achsenablage-Anzeige zu erzeugen, wenn I ≥ einem definierten Schwellwert ist. Der Digitalsignalprozessor 228 ist auch in der Lage, unter Verwendung des Vier-Term-Algorithmus, wie beschrieben eine Achsenablage-Anzeige zu erzeugen, wenn I ≥ einem definierten Schwellwert ist. Weiter kann, falls benötigt der digitale Signalprozessor durch die Addition von |B₁ – B₃| + |B₂ – B₄| zu A₄ auch einen Sechs-Term-Algorithmus vorsehen.
Man erkennt nun, dass durch Verwendung der oben beschriebenen Technik eine Achsenablage-Anzeige dadurch erhalten werden kann, dass ein entsprechendes Digitalsignal gebildet wird, das eine Anzeige für ein Signal von jedem Quadranten einer Monopuls-Antenne ist: es wird ein Summensignal entsprechend einem kombinierten Signal von sämtlichen Quadranten der Monopuls-Antenne gebildet und ein Betrag des Summensignals abgeleitet; es werden Differenzsignale jeder möglichen Kombination von Signalen von jedem Quadranten der Monopuls-Antenne gebildet und ein Betrag für die jeweiligen Differenzsignale abgeleitet; es werden die Beträge jedes der Differenzsignale mit einem Betrag des Summensignals verglichen; es wird jedes Ergebnis summiert; und es erfolgt ein Vergleich des Ergebnisses mit einem Schwellwert, derart, dass wenn der Schwellwert überschritten wird, eine Achsenablage-Anzeige geliefert wird.
Nunmehr sei 6 betrachtet. Hier ist ein Flussdiagramm zur Verwirklichung der oben beschriebenen Technik unter Verwendung des digitalen Signalprozessors 128 und des Rechners 150 gezeigt. Nachdem das Radarsystem 200 Digitalsignale geliefert hat, welche jeweils eine Anzeige für jedes der Quadrantensignale sind und diese in den digitalen Signalprozessor 128 eingegeben hat, wird in dem Schritt 300 eine Subroutine gestartet. In dem Verarbeitungsschritt 302 ist der Schritt einer Bildung eines Summensignals entsprechend einem kombinierten Signal von allen Quadranten der Monopulsantenne und der Schritt der Ableitung eines Betrages des Summensignals enthalten, wo bei der Schritt durchgeführt wird, um den Betrag des Summensignals zu gewinnen. Als nächstes erfolgt in dem Schritt 304 die Bildung der Differenzsignale jeder möglichen Kombination von Signalen von jedem Quadranten der Monopulsantenne und die Ableitung eines Betrages von jedem der jeweiligen Differenzsignale. Durch die Ausführung dieses Schrittes erhält man also den Betrag jedes der Differenzsignale. Als nächstes wird ein Schritt des Vergleichens des Betrages jedes der Differenzsignale mit einem Betrag des Summensignals durchgeführt, um das Verhältnis der Beträge jedes der Differenzsignale zu dem Betrag des Summensignals zu erhalten. Dann erfolgt als nächstes ein Verarbeitungsschritt des Summierens jedes Ergebnisses von dem Vergleichsschritt 306 zur Gewinnung eines Achsenablage-Anzeigesignals. In dem Verarbeitungsschritt 310 wird ein Summierungsergebnis mit einem Schwellwert verglichen und in dem Verarbeitungsschritt 312 wird eine Achsenablage-Anzeige geliefert, wenn das Summierungsergebnis den Schwellwert überschreitet. Die Subroutine kommt dann in dem Schritt 314 zu einem Ende, bis sie wieder aufgerufen wird.
Man erkennt nun, dass das erfinderische Konzept auf der Erkenntnis beruht, dass durch Einbeziehung der Information in den Differenzkanälen des Monopuls-Radarsystems in den Detektierungs-Entscheidungsprozess die Achsenablage-Anzeige mit hoher Wahrscheinlichkeit bei wenig oder gar keinem Einfluss auf die Detektierungswahrscheinlichkeit der Hauptstrahlungskeulen-Signale erreicht werden kann. Normalerweise wird nur der Betrag des Summenkanalsignals verwendet, wenn eine Detektierungsentscheidung getroffen wird. Die Verwendung nur des Betrages der Summenkanaldaten lässt wertvolle Information außer Betracht, die in den Differenzkanälen enthalten ist, und welche für den Detektierungs-Entscheidungsprozess relevant ist.
Die beschriebenen Algorithmen werden in zwei Weisen verwirklicht. Die erste Art und Weise geschieht mit dem Summensignal und drei Differenzsignalen (Steigungsdifferenzsignal, Gierdifferenzsignal und Quadrupoldifferenzsignal oder diagonales Differenzsignal), welche im allgemeinen von einer Monopuls-Schaltung verfügbar sind. Die zweite Art und Weise geschieht mit den Quadrant-Strahlungsmustern unmittelbar. In den meisten praktischen Systemen werden die Monopuls-Signale im Mikrowellenbe reich gebildet. Alternativ ist es vorteilhaft, eine unmittelbare Erinnerung an die Quadrant-Strahlungsmuster vorzusehen, um die Monopuls-Strahlungsmuster digital zu bilden. Bei beiden oben genannten Methoden werden die Algorithmen in rechnerisch einfacher Weise verwirklicht, was es ermöglicht die Achsenablage-Detektierungswahrscheinlichkeit gegenüber der Hauptstrahlungskeulen-Detektierungswahrscheinlichkeit unter Verwendung des Signal-/Rauschverhältnisses als Parameter abzuwägen. Dieser neue Einsatz der Algorithmen gestattet eine einfache programmierbare Steuerung der oben genannten beiden Qualitätsparameter. Man kann so das gewünschte Niveau der Arbeitsqualität des Systems als eine Funktion des Signal-/Rauschverhältnisses erhalten, analog zu der gegenwärtig geübten Praxis der Steuerung der Detektierungswahrscheinlichkeit und der Falschalarmwahrscheinlichkeit als Funktion des Signal-/Rauschverhältnisses mit der CFAR-Schwellwertprüfung.

Claims

Vierstrahl-Monopuls-Radarsystem, welches folgendes enthält: eine erste Schaltung (132) zur Lieferung eines Signales zur Angabe von Information, welche in einem Monopuls-Summenkanal und drei Monopuls-Differenzkanälen enthalten ist sowie eines Signales zur Angabe von Information, die in jedem jeweiligen Monopulskanal enthalten ist; gekennzeichnet durch eine zweite Schaltung (128) zur Verwendung der Signale, welche von der ersten Schaltung (132) geliefert werden, zur Beseitigung von außerhalb der Achse gelegenen Erfassungen mit verhältnismäßig geringerem Verlust in der Erfassungswahrscheinlichkeit der Hauptstrahlungskeule, wobei die erste und die zweite Schaltung (132, 128) in der Weise zusammenarbeiten, daß sie Monopulsdaten verarbeiten, um außerhalb der Achse gelegene Signale abzuweisen, welche ausreichend stark sind, um eine CFAR-Detektierungsschwellwertbildung zu durchlaufen, so daß das System in der Lage ist, zwischen Signalen, welche von einer Richtung entsprechend der Ausrichtung eines Antennenhauptstrahles, der durch die vier Strahlen des Systems definiert ist, und Signalen von einer Richtung unterscheiden kann, welche Richtungen entsprechen, welche von Antennenseitenstrahlungskeulen abgedeckt werden.
Vierstrahl-Monopuls-Radarsystem mit einer Antenne (240), welche vier Quadranten aufweist, wobei jeder Quadrant in der Lage ist, ein Signal mit einer Stärke zu liefern, die ein Maß für die Signale ist, die durch den genannten Quadranten empfangen werden, wobei die Signale ein B₁-Signal, ein B₂-Signal, ein B₃-Signal und ein B₄-Signal jeweils umfassen; ferner mit einem Empfänger (220), dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (220) auf jedes der Signale B₁, B₂, B₃ und B₄ anspricht, um ein Summensignal Σ zu erzeugen, das einen Betrag hat, welcher gleich einer Summe der Beträge des B₁-Signales, des B₂-Signales, des B₃-Signales und des B₄-Signales ist, und um weiter ein die Achsenablage anzeigendes Signal I zu liefern welches folgendem Ausdruck gleich ist: (|B1 – B2| + |B2 – B3| + |B3 – B4| + |B4 – B1|)/|Σ|.
Radarsystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Vergleicher (228), der auf das die Achsenablage anzeigende Signal I anspricht, um das die Achsenablage anzeigende Signal I mit einem vorbestimmten Schwellwert zu vergleichen und ein postives, die Achsenablage anzeigendes Signal liefert, wenn das die Achsenablage anzeigende Signal I den vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
Radarsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (220) eine Mehrzahl von Analog-/Digital-Umformern (226) aufweist und jedes der jeweiligen Signale B₁, B₂, B₃ und B₄ zunächst von einem Analogsignal in ein Digitalsignal umgeformt wird, bevor der Empfänger das Summensignal und das die Achsenablage anzeigende Signal erzeugt.
Radarsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (220) eine Monopuls-Rechenschaltung (228) enthält, um Monopulssignale zu erzeugen, welche ein Summensignal Σ, ein Δ_az-Signal, ein Δ_el-Signal und ein Q-Signal umfassen, worin Σ = B₁ + B₂ + B₃ + B₄; Δ_az = B₁ – B₂ – B₃ + B₄; Δ_el = B₁ + B₂ – B₃ – B₄; und Q = B₁ – B₂ + B₃ – B₄.
Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltung eine Monopuls-Rechnerschaltung (132) enthält, welche mit einer Monopuls-Antenne gekoppelt ist und in der Lage ist ein Σ-Signal, ein Δ_az-Signal, ein Δ_el-Signal und ein Q-Signal zu erzeugen, wobei jedes der genannten Signale einen bestimmten Betrag hat; und daß die zweite Schaltung (128) in einem Empfänger (120) enthalten ist, der auf das Σ-Signal, das Δ_az-Signal, das Δ_el-Signal und das Q-Signal anspricht und so ausgebildet ist, daß er ein die Achsenablage anzeigendes Signal I erzeugt, wobei das die Achsenablage anzeigende Signal I gleich einer Summe der Beträge des ein Δ_az-Signales, des ein Δ_el-Signales und des Q-Signales, dividiert durch den Betrag des Σ-Signales, ist.
Radarsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung (128) einen Vergleicher aufweist, der auf das die Achsenablage anzeigende Signal I anspricht, um das die Achsenablage anzeigende Signal I mit einem vorbestimmten Schwellwert zu vergleichen und ein positives, die Achsenablage anzeigendes Signal erzeugt, wenn das die Achsenablage anzeigende Signal I den vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Radarsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (120) eine CFAR-Detektierungsschaltung enthält, um unerwünschte Signale einschließlich von Signalen von Antennenseitenstrahlungskeulen auszufiltern; und eine Schaltung enthält, um die Achsenablage anzeigende Signale auszuscheiden, welche von ausreichender Stärke sind, um die CFAR-Detektierungsschaltung zu durchlaufen, wenn ein positives die Achsenablage anzeigendes Signal vorhanden ist.
Verfahren zum Betrieb eines Vierstrahl-Monopuls-Radarsystems mit folgenden Schritten: Bilden eines Summensignales Σ, eines Azimut-Differenzsignales Δ_az, eines Elevations-Differenzsignales Δ_el und eines Q-Differenzsignales Q und Gewinnung der Beträge jedes der jeweiligen Signale; gekennzeichnet durch: Vergleichen des Betrages des Azimut-Differenzsignales Δ_az mit dem Betrag des Summensignales Σ; Vergleichen des Betrages des Elevations-Differenzsignales Δ_el mit dem Betrag des Summensignales Σ; Vergleichen des Betrages des Q-Differenzsignales Q mit dem Betrag des Summensignales Σ; Summieren jedes Ergebnisses der Vergleichungsschritte; und Vergleichen des aufsummierten Ergebnisses mit einem Schwellwert zur Bestimmung einer Anzeige über die Achsenablage.
Verfahren zum Betrieb eines Vierstrahl-Monopuls-Radarsystems mit folgenden Schritten: Bilden von Differenzsignalen von vier möglichen Kombinationen von aneinandergrenzenden Strahlpaaren; Vergleichen der Beträge der Differenzen mit einem Summenmusterbetrag und Aufsummieren der Ergebnisse.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch den Schritt des Vergleichens des Ergebnisses mit einem Schwellwert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bilden der Differnezsignale folgende Schritte umfaßt: Bilden eines jeweiligen Digitalsignales, welches ein Maß für ein Signal (B₁; B₂; B₃; B₄) aus jedem Quadranten einer Monopuls-Antenne (240) bildet; und Bilden von Differenzsignalen von jeder möglichen Kombination von Signalen aus jedem Quadranten der Monopuls-Antenne und Ableiten eines Betrages jedes der jeweiligen Differenzsignale.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichen der Beträge der Differenzen mit einem Summenmusterbetrag folgende Schritte umfaßt: Bilden eines Summensignales, welches ein Maß eines kombinierten Signales aus sämtlichen Quadranten einer Monopulsantenne (240) ist, und Ableiten eines Betrages des genannten Summensignales; und Vergleichen des Betrages jedes der Differenzsignale mit dem Betrag des Summensignales.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Schritte des Vergleichens jedes Ergebnisses aus der Summierung mit einem Schwellwert.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Bildung eines Summensignals, das ein Maß eines kombinierten Signales für sämtliche Quadranten der Monopuls-Antenne ist, und durch Ableiten eines Betrages des genannten Summensignales; und dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schritt des Vergleichens das Vergleichen des Betrages jedes der Differenzsignale mit einem Betrag des Summensignales umfaßt.