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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Bilden
von mehreren simultanen Radarempfangsstrahlen mit einer Antenne
mit elektronisch gesteuerter Ablenkung. Sie ist insbesondere für die Steuerung
des Strahlungsdiagramms einer Antenne mit elektronischer Ablenkung
vorgesehen, um die Empfangsstrahlen mit einer großen Flexibilität unabhängig vom
Durchlassband des Radars neu zu konfigurieren.
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Eine
Antenne mit elektronischer Ablenkung umfasst eine Vielzahl von Strahlungselementen,
die sowohl das Senden als auch das Empfangen eines Hyperfrequenzsignals
sicherstellen. Ein Sende- oder Empfangsstrahl ist von der Gesamtheit
von von jedem Element gesendeten oder empfangenen Signalen gebildet. Um
einen Strahl in eine gegebene Richtung θ zu lenken, ist es erforderlich,
Zeitverzögerungen
zwischen den von den verschiedenen Strahlungselementen entsandten
oder empfangenen Signalen zu erzeugen. Um eine derartige Wirkung
zu erzielen, ist bekannt, eine Phasenverzögerung zwischen diesen Signalen
zu erzeugen. Die Phasenverschiebung Φ1 – Φ2 zwischen den von zwei Strahlungselementen
gesandten oder empfangenen Signalen ist durch folgendes Verhältnis gegeben:
wobei
d, f und c jeweils die Distanz zwischen den beiden Strahlungselementen,
f die Frequenz der Signale und c die Geschwindigkeit des Lichts
darstellen, wobei die erzeugte Zeitverzögerung
ist. Die Phasenverschiebung Φ1 – Φ2 ihrerseits
ist gleich 2πf(T1 – T2).
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Der
vorher beschriebenen Lösung,
die auf Hyperfrequenzsteuerschaltungen zurückgreift, kann eine Lösung vorgezogen
werden, die optische Steuerschaltungen verwendet, insbesondere für Durchlassbandprobleme.
Das vorhergehende Verhältnis
(1) zeigt nämlich
einen Nachteil insofern auf, als die Phasenverschiebung von der
Frequenz abhängt.
Wenn sich folglich die Frequenz ändert,
verändert
sich auch der Spitzenwinkel. Diese Methode zur Ausrichtung eines
Strahls ist somit nicht für
ein Breitbandradar geeignet. Allerdings die Hyperfrequenztechniken
ermöglichen
es nicht, eine Zeitverzögerung
zwischen den Signalen auf eine andere Weise als durch die Erzeugung
der vorhergehenden Phasenverschiebung zu erzeugen, außer wenn
eine aus Platz- und Kostensicht undenkbare Einrichtung verwendet
wird.
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Die
Verwendung der optischen Techniken ermöglicht es, den vorgenannten
Nachteil zu vermeiden, wobei die Strahlungselemente direkt durch
Zeitverzögerungen
gesteuert werden, ohne auf den Kunstgriff von Phasenverschiebungen
auszuweichen, wobei diese Verzögerungen
im optischen Bereich erzeugt werden. Zu diesem Zweck wurden bereits
optische Steuerlösungen
für Antennen
mit elektronischer Ablenkung eingesetzt. Was das Senden betrifft,
wurden bereits zahlreiche optische Steuerarchitekturen vorgeschlagen,
um das Strahlungsdiagramm beim Senden zu kontrollieren.
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Was
den Empfang der Signale durch die Antenne betrifft, erfordert die
Bildung eines Strahls eine sehr starke, derzeit noch nicht erreichbare
Dynamik der optischen Komponenten. Die Dynamik im Radarsinne ist gekennzeichnet,
durch das Signal-Geräusch-Verhältnis, wobei
in dem Begriff „Geräusch" die Intermodulationsphänomene inkludiert
sind, die von Nichtlinearitäten
der Kette ausgehen, die im Allgemeinen in der englischen Literatur
SFDR nach dem Ausdruck „Spurious
Free Dynamic Range" genannt
werden.
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Die
Umschaltgeschwindigkeit des Strahls in eine gegebene Richtung ausgehend
von einer Steuerung ist eine weitere Schwierigkeit zweiten Ranges
im Vergleich mit der Dynamik.
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Um
dieses Problem der Dynamik zu lösen,
wurde eine optische Steuerarchitektur, basierend auf der Korrelation
in der
französischen Patentanmeldung 94
11498 vorgeschlagen, dann durch eine Architektur ergänzt, die
in der
französischen Patentanmeldung 98
07240 dargestellt ist. Diese optische Architektur mit Korrelation
ermöglicht
für den
Empfang wie für
die Entsendung eine Steuerung in Zeitverzögerungen in beiden, der horizontalen
und der vertikalen Ebene. Allerdings ermöglicht diese Architektur nur
die Bildung eines einzigen Strahls, sie ermöglicht nicht einen Empfang
mehrerer Strahlen, d.h. mehrerer simultaner Strahlen. Nun ist es
für zahlreiche
Radaranwendungen notwendig, in mindestens einer der Ebenen des Radars,
horizontal oder vertikal, mehrere Strahlen beim Empfang zu bilden,
beispielsweise Summen- und Differenzstrahleneinheiten.
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Wenn
das Durchlassband nicht wesentlich ist für manche Radaranwendungen,
die durchschnittliche Bandbreiten akzeptieren können, ist der Empfang mehrerer
Strahlen nun bei den Steuertechniken nur auf Basis von Hyperfrequenzschaltungen
möglich.
Beim Empfang wird das Radarecho bei einer Netzantenne durch eine
Matrix von n Zeilen mal m Spalten von Hyperfrequenzdetektoren, die
die Platte der Antenne darstellen, erfasst. Diese Elementarsignale
werden einzeln hinsichtlich Amplitude und Phase gewichtet und dann
summiert, um einen Empfangsstrahl zu bilden. Dieser letztgenannte
ist durch seine Winkelausrichtung in Bezug zur Normalen der Antenne
und durch sein Strahlungsdiagramm gekennzeichnet. Um gleichzeitig
mehrere Empfangsstrahlen zu bilden, ist es notwendig, die elementaren
Signale zu unterteilen, um sie zu verschiedenen Gewichtungsmatrices
und verschiedenen Summiereinrichtungen zu lenken. Wenn sie in der
Hyperfrequenztechnologie verwirklicht sind, sind diese Gewichtungen
und Summierungen unbeweglich. Die Neukonfiguration der Empfangsstrahlen
ist dennoch möglich,
wenn Architekturen zur Bildung von Strahlen durch Berechnung, FFC
genannt, verwendet werden. Diese letztgenannten weisen trotzdem
eine größere Komplexität im Bereich
der Radarverarbeitung auf. Es handelt sich nämlich um Echtzeitverarbeitungen,
die die Verwendung zahlreicher komplexer und kostspieliger digitaler
Prozessoren erfordern. Mit anderen Worten begrenzt die Komplexität der Verarbeitung
die Anzahl von Empfängern
in den Architekturen mit FFC.
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So
ist ein einfacher Einsatz eines mehrstrahligen Radarempfangs mit
großer
Dynamik weder durch die Verwendung einer Hyperfrequenzsteuerung,
die keine dynamische Zuteilung der gebildeten Strahlen ermöglicht,
noch im digitalen Bereich möglich,
der eine Beschränkung
der Anzahl von bemusterten Wegen (Unternetzen) erfordert.
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Ein
Dokument
EP-A-0 793
291 beschreibt ein Steuersystem für die Bildung von Radarempfangsstrahlen.
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Ein
Ziel der Erfindung ist insbesondere die Bereitstellung einer einfachen
Ausführungsart
eines Empfangs mehrerer Strahlen mit einer großen Dynamik.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung zur Bildung
von Radarempfangsstrahlen einer Antenne mit elektronischer Ablenkung
nach Anspruch 1.
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Die
Erfindung hat überdies
als Hauptvorteile, dass sie es ermöglicht, die Komplexität der digitalen
Verarbeitung im Zusammenhang mit der Bildung der Radarstrahlen durch
FFC zu verringern, dass sie eine Unempfindlichkeit gegen die elektromagnetischen
Störungen
bietet, dass sie einen Gewichtsvorteil und einen Platzgewinn ermöglicht,
und dass sie für
alle Radarfrequenzbänder
anwendbar ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung der einzigen Figur hervor, die in Übersichtsform eine mögliche Ausführungsart
einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
darstellt.
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Die
beiliegende Figur stellt somit ein mögliches Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
dar. Diese Vorrichtung steuert die Bildung mehrerer Empfangsstrahlen
R1, ... Rr einer
Radarantenne mit elektronischer Ablenkung. Sie führt eine teilweise Hyperfrequenzsummierung
der von den elementaren Antennendetektoren empfangenen Signale durch,
gefolgt von einer nicht kohärenten
Summierung in der Optik.
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Eine
Empfangsantenne mit elektronischer Ablenkung umfasst n Unternetze
zur Erfassung von Hyperfrequenzsignalen 1. Um die Beschreibung
der Erfindung zu erleichtern, wird angenommen, dass die Unternetze
Spalten sind, sie könnten
aber auch beliebig sein. Jede Spalte umfasst beispielsweise m Detektoren 1.
Auf jeden Detektor folgt eine Phasenverschiebeeinrichtung 2.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur die Detektoren und Phasenverschiebeeinrichtungen
der ersten Spalte dargestellt. Die Phasenverschiebeeinrichtungen 2 werden
durch herkömmliche
Mittel in Abhängigkeit
von der gewünschten
Richtung entlang der zur Spalte parallelen Komponente, beispielsweise
vertikal, wenn diese vertikal ist, gesteuert. Für jede Spalte werden die von den
Phasenverschiebeeinrichtungen ausgehenden Signale durch eine Hyperfrequenzkombiniereinrichtung 3 summiert.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung
umfasst somit Mittel, um eine teilweise Hyperfrequenzsummierung
der empfangenen Signale gemäße jeder
Spalte durchzuführen.
Diese Mittel umfassen insbesondere die Phasenverschiebeeinrichtungen 2 und
ihre Steuerungen sowie die Hyperfrequenzkombiniermittel 3.
Diese teilweise Summierung erfolgt herkömmlicherweise durch bekannte
Mittel. Jede der n Spalten liefert somit ein in eine Raumdimension
summiertes Signal, beispielsweise in der vertikalen Dimension.
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Die
von den n Spalten am Ausgang der Kombiniermittel 3 ausgehenden
Signale modulieren jeweils eine optische Quelle L1,
... Ln mit der Empfangsfrequenz f der empfangenen
Signale. Die optischen Quellen L1, ... Ln sind beispielsweise Laser. Auf jede optische
Quelle folgen beispielsweise Mittel 4 zur Erzeugung einer optischen
Bifrequenzwelle in Kreuzpolarisierung, wobei eine Frequenz bei ω/2π + f und
eine Frequenz bei ω/2π liegt. Die
Frequenz f ist jene des empfangenen Signals. Die Frequenz ω/2π ist die
Frequenz der optischen Welle, die durch die Lichtquelle L1, ... Ln erzeugt
wird. Eine Frequenz ω/2π + f wird
nach einer ersten Polarisierung, beispielsweise vertikalen Polarisierung
EV, übertragen.
Die andere Frequenz ω/2π wird auf
einer senkrechten Polarisierung, beispielsweise horizontalen Polarisierung
EH, übertragen,
wobei die beiden Polarisierungen auf die Übertragungsrichtung der optischen
Welle senkrecht stehen. Das optische Signal mit der Frequenz ω/2π wird somit
nach einer Polarisierung übertragen,
während
das mit der Frequenz f des Empfangshyperfrequenzsignals modulierte
optische Signal mit der Frequenz ω/2π + f nach der senkrechten Polarisierung übertragen
wird. Das modulierte optische Signal kann durch einen Frequenzübertrager
erhalten werden, der beispielsweise eine akustisch-optische Bragg-Zelle
ist.
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Die
n optischen Bifrequenzsignale in Kreuzpolarisierung werden zu optischen
Phasenverschiebungsmitteln 5 gesandt. Bevor es in diese
optischen Phasenverschiebungsmittel eintritt, tritt jedes Signal
in einen optischen Koppler 1/r 6 ein, der dieses Signal
in r optische Signale unterteilt, wobei r die Anzahl von Empfangsstrahlen
des zu bildenden Radars ist. Die n optischen Kanäle 7, die von den
Bifrequenzwellengeneratoren 4 stammen, werden somit jeweils
in r optische Kanäle 8 mit
Hilfe dieser optischen Koppler 1/r unterteilt, wobei ein optischer
Kanal ein Weg ist, entlang dessen sich ein optisches Signal ausbreitet.
Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Übertragungsart
der optischen Signale im freien Raum. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
kann allerdings optische Kanäle 7, 8 umfassen,
die optische Wellenleiter oder optische Fasern sind.
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Am
Ausgang der Koppler 6 werden die n×r optischen Kanäle zu den
optischen Phasenverschiebungsmitteln 5 gelenkt. Diese letztgenannten
sind beispielsweise eine Flüssigkristallmatrix,
die n×r
Pixel umfasst. Diese Phasenmatrix druckt pro Pixel an einer der
Polarisationen nach einem anisotropen Muster eine durch eine elektrische
Spannung gesteuerte optische Phase. Die Frequenz ω/2π + f wird
beispielsweise ω/2π + f + φi,i für
das optische Signal, das auf das Pixel i, j mit der Zeile i und
der Spalte j auf der Phasenmatrix 5 trifft. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
verfügt über Mittel,
die nicht dargestellt sind, um Spannungen an die Pixel anzulegen.
Diese Mittel legen an jedes Pixel i, j eine Spannung Vi,j an.
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Auf
die optischen Phasenverschiebungsmittel 5 folgen beispielsweise
Amplitudengewichtungsmittel 9. Diese Mittel wirken auf
die beiden Polarisationen EV, EH,
wobei sie die Amplitude der beiden optischen Wellen jedes der Kanäle 8 ändern. Diese
Amplitudengewichtungsmittel sind beispielsweise eine Flüssigkristallmatrix, umfassend
n×r Pixel.
Die Amplitudengewichtung, wie die Phasenverschiebung, werden Pixel
für Pixel
durch nicht dargestellte Spannungssteuermittel gesteuert. Eine Amplitudengewichtung
wird an jedes der n×r
optischen Signale 8 angelegt.
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Um
Hyperfrequenzempfangsstrahlen R1, ... Rr zu bilden, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
r Mittel zur Erfassung des Hyperfrequenzsignals, das jeder Gruppe
von n optischen Signalen zugeordnet ist. Dieses Signal ist tatsächlich das
Modulationssignal bei der Empfangsfrequenz f, das den Phasenverschiebungen φi,j unterzogen wurde. So werden die n optischen
Kanäle 7,
geteilt nach den Spalten (beispielsweise vertikal) in r Kanäle vor den
Matrices, nach diesen letztgenannten in Zeilen (beispielsweise horizontal)
zusammengefasst, um r optische Strahlen mit n phasenverschobenen
Komponenten, die eventuell hinsichtlich der Amplitude gewichtet
sind, zu bilden. Die Zusammenfassung der Kanäle erfolgt mit Hilfe von optischen
Kombiniereinrichtungen 1/n 10. Die n Kanäle jeder
Zeile werden durch eine Kombiniereinrichtung 10 kombiniert.
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Auf
jede Kombiniereinrichtung 10 folgt eine Polarisiereinrichtung
45° 11,
die die beiden Polarisationen wieder in einer selben Richtung kombinieren
soll. Die beiden kohärenten
Wellen interferieren nun am Ausgang jeder Polarisiereinrichtung 11.
Auf diese letztgenannte folgt ein Fotodetektor 12. Ein
Fotodetektor 12 erfasst somit ein Signal proportional zu
den Phasen und Amplituden, die auf die elementaren optischen Kanäle 8 durch
die optischen Phasenverschiebungsmittel 5 und die Amplitudengewichtungsmittel 9 gedruckt
sind. Die beiden Wellen interferieren somit am Eingang dieses letztgenannten.
Ihre Spektrallinien bei ω/2π + f und ω/2π schlagen
somit und die Differenz zwischen den beiden Linien ergibt nun die
Empfangsfrequenz f.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
es nun, am Ausgang der r Fotodetektoren
12 r Radarstrahlen
R
1, ... R
r zu erhalten,
die fix in einer Dimension gebildet sind, in der die Kombinationen
in Hyperfrequenz erfolgen, und die in der anderen Dimension neu
konfigurierbar sind, in der die Kombinationen in der Optik erfolgen.
Diese letztgenannte Konfiguration der Strahlen erfolgt im Bereich
der optischen Phasenverschiebungsmittel
5. Die anzuwendenden
Phasengesetze sind beispielsweise in Mitteln zur Steuerung der Spannungen
von Pixel einer Flüssigkristallmatrix
5 programmiert.
Zusätzlich
zu den Phasengesetzen können
Amplitudengewichtungsgesetze beispielsweise an die elementaren Kanäle
8 durch
die Amplitudengewichtungsmittel
9 angelegt werden. Die
Leistung Pj in jedem der r Ausgangsstrahlen ist nun durch folgendes
Verhältnis
gegeben:
, wobei j von 1 bis r variiert
(2)
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Die
Phasen φi,j werden durch die optischen Phasenverschiebungsmittel 5 gedruckt,
und die Leistungen Pi,j werden beispielsweise
durch die Gewichtungsmittel 9 gewichtet.
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Eine
Flüssigkristallmatrix
mit n×r
hinsichtlich der Spannung steuerbaren Pixel ist als Ausführungsbeispiel
der optischen Phasenverschiebungsmittel dargestellt. Diese Ausführungsart
hat insbesondere den Vorteil, dass sie einfach im Einsatz ist. Diese
Mittel können
natürlich anders
ausgeführt
sein.
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Diese
Phasenverschiebungsmittel können
auch durch Mittel zur Erzeugung von Zeitverzögerungen an den n×r elementaren
Signalen
8 ersetzt sein. Diese Mittel können beispielsweise eine umschaltbare
Vorrichtung optischer Bahnen sein, wie in der
französischen
Patentanmeldung 90 03386 beschrieben. Die Zeitverzögerungen
ermöglichen
es nun, Signale in einem sehr breiten Momentanband zu bearbeiten.
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Die
Erfindung kann mit einer optischen Technologie mit freier Ausbreitung
angewandt werden, die Flüssigkristallmatrices 5, 9 verwendet,
um die Phasen- und Amplitudengewichtungen auszuüben. Diese Gewichtungen können auch
in der Wellenleiteroptik erhalten werden, wobei auf Halbleitern,
beispielsweise InP, Wellenleiter, Koppler und Phasen- und Amplitudenmodulatoren
verwirklicht werden. In diesem Fall ist das Vorhandensein von Polarisatoren 11 nicht
mehr erforderlich.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
hat insbesondere den Vorteil, dass sie die Neukonfiguration der Radarempfangsstrahlen
ermöglicht,
wobei einfach die Steuerspannungen der optischen Phasenmatrices 5 und
Amplitudenmatrices 9 oder aller anderen optischen Phasenverschiebungsmittel
zur Erzeugung von Zeitverzögerungen
oder Amplitudengewichtungen verändert
werden. Diese Möglichkeit
wird den Hyperfrequenzkombinationsmitteln nicht angeboten. Aus diesem
Grund schlägt
die Erfindung insbesondere eine vorteilhafte Alternative für die Radararchitekturen
mit Bildung von Strahlen durch Berechnung vor. Verglichen mit einer
digitalen Lösung
ermöglicht
die Bildung von analogen Strahlen durch die Optik eine Minimierung
der Anzahl von Empfängern
und vereinfacht wesentlich die Komplexität der Verarbeitung. Überdies
ermöglichen
die teilweise Kombination in Hyperfrequenz sowie die optische Summierung
verschiedener Strahlen insbesondere eine Erleichterung der Dynamikanforderungen,
die auf den optischen Architekturen für den Empfang lasten, da ein Teil
der Ausrichtung der Empfangsstrahlen von den Hyperfrequenztechniken
bearbeitet wird.
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Als
weitere Vorteile bringt die Erfindung ferner eine Unempfindlichkeit
gegen die elektromagnetischen Störungen,
einen Gewichtsvorteil und einen Platzgewinn dank der optischen Technologien
mit sich. Schließlich ist
die Erfindung für
alle Radarfrequenzbänder
anwendbar.
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Die
Erfindung wurde für
den Fall beschrieben, in dem die Hyperfrequenzempfangssignale in
Spalten vertikal summiert werden. Es ist natürlich möglich, die Hyperfrequenzempfangssignale
in Zeilen, horizontal oder durch alle Netze von gegebener geometrischer
Form zu summieren. Allerdings ermöglicht eine Hyperfrequenzsummierung
nach vertikalen Spalten beispielsweise eine Verringerung der Auswirkungen
der Störzeichen,
auch Clutters genannt, des Bodens oder des Meeres. Jedes Strahlungselement
1 entsendet oder empfängt
nämlich
nach einer sehr großen Öffnung,
aber durch Summieren entlang einer Spalte oder Zeile wird eine feine
Richtung nach dieser Spalte oder Zeile bevorzugt. In einer Vertikalrichtung
fügt sich
der Clutter des Bodens oder des Meeres auf nicht kohärente Weise
von einer Spalte zur nächsten
hinzu, und das Signal-Geräusch-Verhältnis wird
nun größer. Dasselbe
würde nicht
für eine
Horizontalrichtung gelten, in der Clutter des Bodens oder des Meeres
auf kohärentere
Weise hinzukommen würde.