DE60224621T2

DE60224621T2 - Adaptive post-Doppler Monopulssignalverarbeitung mit periodisch verzögertem und wiederholtem Signal zur Detektion und Lokalisation eines bewegten Ziels in Bodenstörechos

Info

Publication number: DE60224621T2
Application number: DE60224621T
Authority: DE
Inventors: Kai-Bor Niskayuna Yu
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2022-08-08
Also published as: EP1286180B1; EP1286180A2; DE60224621D1; US6720910B2; US20030117314A1; EP1286180A3

Description

Diese Erfindung ist auf die Tilgung von Störflecken, die sich bewegende Objekte umgeben, bei Radaranwendungen gerichtet, wobei ein verwendbares Monopulsverhältnis, das unter Verwendung von Verfahren eines adaptiven Verarbeitens zu bilden ist, erhalten wird und sowohl eine Erfassung als auch eine Winkelortsbestimmung von Objekten in dem Radarbild erlaubt wird.
Das Problem eines Tilgens von Störflecken, die ein Objekt, das in einem Radarbild aufzulösen ist, umgeben, ist ein ständiger Kampf für alle Radaranwendungen. Störflecke entstehen insbesondere oftmals bei weltraumgestützten oder bei luftgestützten Radarsystemen, wenn die Oberfläche der Erde abgebildet wird. Bei diesen Anwendungen müssen die Bodenstörflecke für eine Zielerfassung unterdrückt werden, und der Winkelort des Objekts muss genau bestimmt werden, um ein Verfolgen des Objekts zu ermöglichen. Ein adaptives Raum-Zeit-Verarbeiten (engl.: space-time adaptive processing; STAP) wird gewöhnlich für eine Zielerfassung verwendet, wobei ein Summenstrahl adaptiv strahlgebildet wird. Um jedoch ein Zielverfolgen oder eine Winkelortung unter Verwendung eines Monopulsverhältnisses durchzuführen, ist es notwendig, dass ein Verhältnis eines adaptiven Differenzstrahls zu einem adaptiven Summenstrahl bestimmt wird, was die weitere Berechnung eines Differenzstrahls erfordert. Als ein Resultat des gewöhnlich verwendeten STAP-Verarbeitens würde ungünstigerweise ein Monopulsverhältnis, das entwickelt werden könnte, aufgrund von Hauptzipfelstörflecken durch die Adaption verzerrt werden. Dieses Verhältnis wird durch die Störflecke so verzerrt, dass es für eine Zielwinkelortsbestimmung nicht verwendet werden kann.
Es besteht ein starkes Interesse an weltraumbasierten Radarplattformen für eine Überwachung großer Bereiche. Eine weltraumbasierte Plattform ist fähig, einen viel größeren Abdeckungsbereich als die traditionellen luftgestützten Plattformen vorzusehen. Weltraumbasierte Plattformen haben beispielsweise einen unbegrenzten Zugriff auf jeden Ort auf der Erde, während luftgestützte Plattformen diesen möglicherweise nicht haben. Die Hauptherausforderung jedes dieser Systeme war die Beseitigung der Bodenstörflecke für eine Erfassung und eine Ortung von Zielen. Dieses Problem, das bei allen Radaren vorhanden ist, ist dann verstärkt, wenn die relativen Geschwindigkeiten des Objekts zu der weltraumgestützten Plattform groß sind. Diese relative Geschwindigkeit ist äußerst groß, wenn das Radarsystem auf einer Umlaufbahn um die Erde ist und sich mit etwa 7500 m/s fortbewegt und das Objekt, das erfasst und verfolgt wird, auf der Erde ist und sich mit etwa 32 km/h (engl.: 20 mph) fortbewegt. Bei solchen Fällen wird das Objekt, das erfasst und verfolgt wird, oft durch Bodenstörflecke vollständig verdeckt, und es ist sehr schwierig, ein verwendbares Radarbild des Objekts zu bilden. Es besteht zusätzlich die Möglichkeit, dass das Objekt selbst aktiv ein Störsignal überträgt, um seine Entdeckung zu verhindern. Sowohl die Bodenstörflecke als auch das Störsignal haben einen Wert einer Störleistung (J), der diesen zugeordnet ist. Diese werden dadurch unterschieden, dass eines aktiv erzeugt wird, während das andere ein Erzeugnis von Umweltfaktoren ist. Ihre Wirkung ist jedoch im Wesentlichen gleich und resultiert in einer schlechten Bildqualität und einer Unfähigkeit, den gewünschten Bereich zu betrachten.
Es gab umfassende Studien eines weltraumbasierten Radars zum Abbilden eines sich bewegenden Ziels (engl.: moving target imaging; MTI). Einige dieser Studien umfassen ein Verwenden eines STAP für eine Bodenstörfleckentilgung, wie im Vorhergehenden erörtert ist, und die Verwendung gestaffelter Nach-Doppler-Filterbanken mit einem Intervall einer periodischen Wiederholung (engl.: Periodic Repetition Interval; PRI). Ein Abbilden eines sich bewegenden Bodenziels (engl.: ground moving target imaging; GMTI) sowie Verfahren eines adaptiven Monopulsverarbeitens, die auf einer Beschränkungsoptimierung basieren, sind ebenfalls bekannt. Der Stand der Technik erörtert jedoch keine gleichzeitige Verwendung einer Vielfalt dieser Verfahren und ist hauptsächlich auf eine adaptive Störfleckentilgung für eine Zielerfassung und nicht für Winkelortungszwecke konzentriert. Es besteht daher eine Notwendigkeit, sowohl ein Verfolgen als auch eine Erfassung in einer einzelnen Einheit zu erzielen.
Ein bekanntes Verfahren für eine STAP-Optimierung oder Störfleckentilgung schließt eine umständliche Zwei-Schritt-Prozedur ein, die eine große STAP-Optimierung einschließt. Die Verarbeitungsprozedur schließt zuerst eine unbeschränkte Adaption des Summenstrahls ein. Zweitens wird dann der Differenzstrahl adaptiert, um die Ausgangssignalstörflecke zu minimieren. Diese Differenzstrahl-Störfleckenminimierung ist jedoch der Begrenzung unterworfen, dass die Monopulswerte bei mehreren Zielwinkeln (Beschränkungspunkten) erhalten werden müssen, was in einer erhöhten Verwendung von Ressourcen (d. h. den adaptiven Freiheitsgraden) resultiert, und, was wichtiger ist, war bei einem Erzeugen und Erhalten eines verwendbaren Monopulsverhältnisses unwirksam. Dieses Verfahren hat sich außerdem nicht als für die Aufnahme einer Hauptzipfel-Störfleckentilgung wirksam erwiesen.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Radarerfassung und zum Verfolgen eines Ziels unter Verwendung eines Monopulsverarbeitens ist aus der US 5,592,178 bekannt. Zum Empfangen eines zurückgeführten Signals der Vorrichtung ist eine phasengesteuerte Array-Antenne in Unter-Arrays, die ein festes Strahlbilden zum Bilden von Summen- und Differenzstrahlen verwenden, geteilt. Anfangend bei den Summen- und Differenzstrahlen der Unter-Arrays werden endgültige Summen- und Differenzstrahlen durch Verarbeiten der Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen erhalten, um lokalisierte Störflecke zu tilgen.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Radarerfassung gerichtet, das die Bestimmung eines einzelnen Summen- und Differenzstrahlgewichts durch Nehmen von Datenproben, Bestimmen der Kovarianzmatrizen der Summen- und Differenzstrahlen und der inversen Matrizen und dann Auflösen nach dem Einheitsgewicht unter Verwendung der folgenden Gleichung
umfasst.
Die vorliegende Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Monopulsverhältnisses unter Verwendung verbesserter Verfahren eines adaptiven Verarbeiten, das die früheren Begrenzungen der Brauchbarkeit des Monopulsverhältnisses überwindet, gerichtet.
Die vorliegende Erfindung ist ferner auf eine Vorrichtung gerichtet, die fähig ist, ein klares störfleckenfreies Radarbild unter Verwendung des verbesserten Verfahrens eines adaptiven Verarbeiten zu entwickeln, um ein Monopulsverhältnis, das ausreichend frei von Hauptzipfelstörflecken ist, zu bestimmen, um sowohl ein Erfassen als auch eine Winkelortsbestimmung zu ermöglichen, während die umständlichen Verfahren, die jetzt in der Technik allgemein bekannt sind, beseitigt werden.
Das Monopulsverhältnis ist das Verhältnis des Gesamtdifferenzstrahls zu dem Gesamtsummenstrahl eines Radar-Arrays. Um das Verhältnis zu bestimmen, muss ein Array zuerst ein Datensignal empfangen. Dieses Datensignal wird zuerst verarbeitet, um Summen- und Differenzstrahlen zu entwickeln. Diese Summen- und Differenzstrahlen werden gefiltert, um die Störflecke, die ein Anteil des empfangenen Signals sind, zu lokalisieren, was in endgültigen Summen- und Differenzstrahlen für jede Geschwindigkeit des Datensignals, das durch das Array empfangen wird, resultiert. Diese endgültigen Summen- und Differenzstrahlen werden dann gemäß dieser Erfindung wie folgt adaptiv verarbeitet.
Die Summen- und Differenzstrahlen werden zuerst deterministisch strahlgebildet. Die strahlgebildeten Summen- und Differenzstrahlen werden zweiten auf eine Mehrzahl anderer deterministisch strahlgebildeter Summen- und Differenzstrahlen bezogen. Das adaptive Summen- und Differenzgewicht wird als Nächstes bestimmt. Dieses adaptive Gewicht wird dann verwendet, um die Gesamtsummen- und Differenzstrahlen zu bestimmen. Es sind diese Gesamtsummen- und Differenzstrahlen, die verwendet werden, um das Monopulsverhältnis durch Dividieren des Differenzstrahls durch den Summenstrahl zu bestimmen. Als ein Resultat einer allgemeinen Faktortilgung aufgrund der Annahme eines einzelnen Gewichts für sowohl die Summen- als auch die Differenzstrahlen kann ein Monopulsverhältnis erhalten werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Tilgung von Bodenstörflecken, um ein Hochqualitäts-Radarbild, das zum sowohl Erfassen als auch Verfolgen sich bewegender Objekte verwendet werden kann, zu erzeugen. Dies wird durch ein Verfahren zur Radarerfassung und zum Verfolgen eines Ziels unter Verwendung eines Monopulsverhältnisverarbeitens erreicht. Ein empfangenes Datensignal wird zuerst gestaffelt, um ein Signal mit einem Intervall einer periodischen Wiederholung (PRI) zu bilden. Das empfangene Signal wird dann gefiltert, und die Störflecke in dem Signal werden lokalisiert. Das gefilterte Ausgangssignal wird adaptiv strahlgebildet und verarbeitet, um die Störflecke in dem gefilterten Ausgangssignal zu tilgen und einen endgültigen Unter-Array-Summenstrahl und einen endgültigen Unter-Array-Differenzstrahl zu bilden.
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Schritt des adaptiven Verarbeiten unter Verwendung eines adaptiven Raum-Zeit-Verarbeiters durchgeführt werden kann. Das Filter kann zusätzlich ein Doppler-Filter, das unter Verwendung einer schnellen Fourier-Transformation abgeleitet wird, sein. Ein Verjüngen kann ferner angewandt werden, um Nebenzipfel zu reduzieren, wenn die Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen adaptiv verarbeitet werden.
Es ist ferner eine Programmspeichervorrichtung geschaffen, die durch eine Maschine lesbar ist und ein Anweisungsprogramm greifbar verkörpert, das durch die Maschine ausführbar ist, um Verfahrensschritte zum Staffeln von PRI-Daten, Ableiten eines gefilterten Ausgangssignals aus einem Signal lokalisierter Störflecke, das aus den PRI-Daten erhalten wird, adaptiven Bilden eines Unter-Array-Summenazimutstrahls und eines Unter-Array-Differenzazimutstrahls aus dem gefilterten Ausgangssignal, Tilgen von Störflecken in dem gefilterten Ausgangssignal unter Verwendung des Unter-Array-Summenstrahls und des Unter-Array-Differenzazimutstrahls, Bilden eines endgültigen Summenstrahls und eines endgültigen Differenzstrahls durchzuführen, wobei der endgültige Summenstrahl für eine Zielerfassung verwendet wird und das Verhältnis des endgültigen Differenzstrahls zu dem endgültigen Summenstrahl für eine Winkelortsbestimmung verwendet wird.
1 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte, die bei einem Bestimmen des Monopulsverhältnisses unternommen werden, zeigt.
2 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte, die bei dem Verfahren des Erfassen und des Verfolgen von Zielobjekten unternommen werden, zeigt.
3 ist ein schematisches Diagramm, das die Radarvorrichtung zum Verfolgen und Erfassen zeigt.
Die vorliegende Erfindung umfasst die Bestimmung eines einzelnen Strahlgewichts, das folgend verwendet werden kann, um unter Verwendung verbesserter Verfahren eines adaptiven Verarbeiten, die die früheren Begrenzungen der Brauchbarkeit des Monopulsverhältnisses überwinden und ein verzerrungsfreies Verhältnis, das für eine weitere Berechnung verwendet werden kann, erzeugen können, ein Monopulsverhältnis zu bestimmen.
Das einzelne Strahlgewicht ist das Resultat eines Zwingen der zwei allgemein getrennten Gewichte, durch einen einzelnen Faktor dargestellt zu sein.
Die Summen- und Differenzgewichte werden normalerweise unter Verwendung der Gleichungen, die den folgenden ähnlich sind, individuell bestimmt, wobei das Gewicht bestimmt wird, so dass die Störleistung J für jeweilige Strahlen minimiert wird:
R_ΣΣ und R_ΔΔ sind die Kovarianzmatrizen für jeweils die Summen- und die Differenzstrahlen, δ^H ist ein Einheitsvektor mit 1 als dem ersten Element und 0 als allen anderen Elementen, und (δ^HW_Δ – 1) stellt einen Beschränkungspunkt des Antennengewichts, nicht des Antennenmusters, dar.
Die Differenzgewichte können jedoch gezwungen werden, äquivalent zu sein, was in einer geringen Verschlechterung der Störfleckentilgung resultiert, jedoch zulässt, dass ein einzelner Faktor sowohl das Summengewicht als auch das Differenzgewicht darstellt. Dieses Gewicht wird dann durch die folgenden Gleichungen, die die Summe einer Störleistung bei den Summen- und Differenzstrahlen minimieren, bestimmt:
Das hier eingesetzte Verfahren, das in einem einzelnen Gewicht für Summen- und Differenzstrahlen resultiert, ist möglich, da es, anders als bei den anderen Verfahren des Bestimmens eines Strahlgewichts, keine Beschränkungspunkte des Antennenmusters bei der hier verwendeten Gleichung gibt. Der einzige Beschränkungspunkt stellt eine Beschränkung des Antennengewichts dar und ist daher kein nachteiliger Faktor bei der Berechnung des einzelnen Summen- und Differenzgewichts.
Ein Beschränkungspunkt ist ein Ort, durch den der Graf der Funktion gezwungen ist, zu gehen. Es wurde ursprünglich gedacht, dass die Verwendung einer Zahl von Beschränkungspunkten in einem verwendbaren Monopulsverhältnis resultieren würde. Wie im Vorhergehenden erörtert ist, wurde dies jedoch durch das Testen nicht bestätigt. Dieses Scheitern, ein verwendbares Monopulsverhältnis zu erzeugen, ist größtenteils auf das Ressourcenproblem, das ein Verwenden solcher Beschränkungspunkte erzeugt, aber auch darauf zurückzuführen, dass die Verwendung dieser Punkte einen Fehler in den Resultaten erzeugt, wenn diese über den Beschränkungspunkt hinaus extrapoliert werden. Dieser hervorgerufene Fehler wird noch größer, wenn die Zahl von Beschränkungspunkten erhöht wird oder wenn der Graf zwischen den Beschränkungspunkten von einem nicht linearen Typ ist. Die vorliegende Erfindung verwendet daher keine Beschränkungspunkte bei dem Antennenmuster, was in dem einzelnen Gewicht für die Summen- und Differenzstrahlen resultiert.
Wie im Vorhergehenden bemerkt ist, ist das Monopulsverhältnis das Verhältnis des Gesamtdifferenzstrahls zu dem Gesamtsummenstrahl eines Radar-Arrays. Um das Verhältnis zu bestimmen, muss ein Array zuerst ein Datensignal empfangen. Dieses Datensignal wird zuerst gestaffelt und dann fest oder deterministisch strahlgebildet, um Summen- und Differenzstrahlen zu erzeugen. Diese Summen- und Differenzstrahlen werden gefiltert, um die Störflecke, die ein Anteil des empfangenen Signals sind, zu lokalisieren, was in endgültigen Summen- und Differenzstrahlen für jede Geschwindigkeit des Datensignals, das durch das Array empfangen wird, resultiert. Diese endgültigen Summen- und Differenzstrahlen werden dann gemäß dieser Erfindung wie folgt adaptiv verarbeitet.
Die Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen für jede Geschwindigkeit des gefilterten und gestaffelten Unter-Array-Datensignals werden zuerst, wie in 1, Schritt 10, deterministisch strahlgebildet. Ein Unter-Array-Strahlbilden resultiert in den folgenden Strahlmustern, die durch die folgenden Gleichungen gegeben sind:
und λ die Wellenlänge ist, M die Zahl von Spalten innerhalb jedes Unter-Arrays ist, d die Entfernung zwischen den Spalten ist und T_x der Azimutrichtungskosinus ist.
Die strahlgebildeten Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen werden zweitens auf eine Mehrzahl anderer strahlgebildeter Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen bezogen, Schritt 12. Dies wird durch eine Beziehungsgleichung wie folgt erreicht:
D ist der Abstand zwischen den Unter-Arrays.
Die Summen- und Differenzgewichte werden gezwungen, äquivalent zu sein, was in einer geringen Verschlechterung der Störfleckentilgung resultiert, jedoch zulässt, dass ein einzelner Faktor sowohl das Summengewicht als auch das Differenzgewicht darstellt, Schritt 14. Dieses adaptive Gewicht wird dann durch die folgende Gleichung
mit dem folgenden Optimierungskriterium J = WH(RΣΣ + RΔΔ)W – λ(δHW – 1)bestimmt.
Dieses Gewicht wird dann verwendet, um die Gesamtsummen- und Differenzstrahlen zu bestimmen, Schritt 18. Die Gesamtsummen- und Differenzstrahlen sind durch die folgenden Gleichungen dargestellt: Σ(Tx) = Σ1(Tx) – WΣ(1)Σ2(Tx) – ... – WΣ(N – 1)ΣN(Tx) Δ(Tx) = Δ1(Tx) – WΔ(1)Δ2(T2) – ... – WΔ(N – 1)ΔN(Tx)
Es sind diese Gesamtsummen- und Differenzstrahlen, die verwendet werden, um das Monopulsverhältnis durch Dividieren des Differenzstrahls durch den Summenstrahl zu bestimmen, Schritt 20. Dies kann wie folgt dargestellt sein:
Als ein Resultat einer allgemeinen Faktortilgung sind die zerlegten Summen- und Differenzstrahlen jeweils durch eine Sin- und eine Cos-Funktion dargestellt. Der andere nun getilgte Faktor stellt den Störfleckenbeitrag, der in dem Signal umfasst war, dar. Wie bei einem Schritt 22 gezeigt ist, kann ein Monopulsverhältnis m_A unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt werden:
Es ist ferner bei der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Erfassen und Bestimmen eines Winkelorts eines sich bewegenden Objekts von einer luftgestützten oder weltraumbasierten Radarplattform geschaffen, die Signale verwendet, die unter Verwendung des Monopulsverhältnisses erzeugt werden, das wie im Vorhergehenden dargelegt bestimmt wurde. Ein Signal wird zu dem Bereich hin, von dem gewünscht wird, ein Radarbild zu erzeugen, übertragen. Das übertragene Signal wird dann zurück zu der Plattform, wo das Verarbeiten des zurückgeführten Signals begann, reflektiert.
Wie in 2, bei einem Schritt 102, wird nach einer Rückführung des Signals zu der Plattform das Signal durch das Plattform-Array, das eine Mehrzahl von Unter-Arrays aufweist, empfangen. Jedes Unter-Array weist ferner eine Mehrzahl von Spalten auf. Es ist jede Spalte, die einen Anteil des Rückführsignals empfängt. Der Anteil des Signals, der durch die Mehrzahl von Spalten empfangen wird, wird dann unter Verwendung von Gewichtungsschemas kombiniert, diese Gewichtungsschemas werden festes Strahlbilden 104 genannt. Daten werden dem zurückgeführten Radarsignal über einen Satz von Beleuchtungspulsen entnommen, der dem Satz von Pulsen, die zuerst in dem abzubildenden Bereich gesendet wurden, entspricht. Die Daten werden gestaffelt, um gestaffelte PRI-Daten zu bilden. Der Summenstrahl wird als eine gewichtete Summe aller Elemente der Spalte bestimmt. Der Differenzstrahl wird als die gewichtete Differenz der zwei Hälften der Elemente für jede Spalte bestimmt. Die Summen- und Differenzstrahlen werden dann gefiltert, um Störflecke in dem empfangenen Signal zu lokalisieren, Schritt 106. Diese gefilterten Summen- und Differenzstrahlen werden bei einem Schritt 108 für jede Geschwindigkeit oder Frequenz bestimmt. Bei einem Schritt 110 werden dann Anteile des Signals, die einer einzelnen Geschwindigkeit oder Frequenz, die durch die Mehrzahl anderer Unter-Arrays empfangen wird, entsprechen, kombiniert und dann adaptiv strahlgebildet, um einen endgültigen Summen- und Differenzstrahl für jede Geschwindigkeit zu bilden. Diese endgültigen Summen- und Differenzstrahlen werden dann weiter kombiniert, um Gesamtsummen- und Differenzstrahlen zu erzeugen, Schritt 112. Es sind die Gesamtstrahlen, die dann weiter verarbeitet werden, um eine Objekterfassung, Schritt 114, und eine Winkelortsbestimmung zum Verfolgen, Schritt 116, zu bestimmen.
Es ist sehr wahrscheinlich, dass es mindestens ein paar Störflecke, die das im Vorhergehenden erwähnte zurückgeführte Signal in sich aufweist, geben wird. Störflecke machen das Bild von wenig Nutzen für den Benutzer, da das Objekt, das erfasst wurde, nicht genau geortet oder verfolgt werden kann, wenn dieses durch diese Störflecke versteckt ist. Um Störflecke, die relativ zu dem Empfänger in Bewegung sind, zu tilgen, sind temporäre Freiheitsgrade erforderlich.
Das Folgende ist ein Verfahren zur Störfleckenunterdrückung bei einem Unter-Array unter Verwendung eines gestaffelten adaptiven PRI-Nach-Doppler-Raum-Zeit-Verarbeitens (STAP). Das Signal oder die Daten, die zu der Plattform zurückgeführt werden und zu Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen gebildet werden, werden durch einen Filter gesendet, um die Störflecke zu lokalisieren, wie bei dem Schritt 106 beschrieben ist. Infolge des Staffeln des Signals können die Signalstörflecke, die als ein Teil des zurückgeführten Signals zurückgeführt wurden, lokalisiert werden. Diese Lokalisierung tritt durch die Verwendung von Filtern jeweils für den Summenstrahl und für die Differenzstrahlen auf. Ein Beispiel eines Typs eines Filters, das bei diesem Verfahren verwendet werden könnte, ist ein Doppler-Filter, das unter Verwendung einer schnellen Fourier-Transformation (engl.: Fast Fourier Transform; FFT) abgeleitet wird.
Das Lokalisierungsverfahren hat zur Folge, dass das empfangene Signal in eine Mehrzahl von Geschwindigkeiten aufgespalten wird, es gibt spezifische Geschwindigkeiten, die für die Störflecke bekannt sind, wie null für stationäre Störflecke. Das gefilterte Signal bildet Summen- und Differenzazimutstrahlen mit lokalisierten Störflecken, und es gibt einen Summen- und einen Differenzstrahl aus jedem Unter-Array für jede Geschwindigkeit. Das Störfleckensignal kann dann getrennt werden, da dieses allgemein eine Geschwindigkeit von null hat, was die Störflecke von dem Rest des Signals unterscheidet. Die Summen- oder Differenzstrahlen für jede individuelle Geschwindigkeit aller aus der Mehrzahl von Unter-Arrays werden dann kombiniert. Diese werden dann STAP-verarbeitet, um die Störflecken zu tilgen und die endgültigen Unter-Array-Summen- und Differenzazimutstrahlen für jede Geschwindigkeit oder Frequenz des zurückgeführten Signals zu bilden.
Das Verfahren des adaptiven Strahlbildens, das für das bevorzugte Ausführungsbeispiel einzigartig ist, kann wie folgt erklärt werden. Ein Verjüngen wird typischerweise auf das Signal angewandt, um Nebenzipfel des zurückgeführten Signals zu reduzieren. Für Darstellungszwecke wird eine gleichmäßige Beleuchtung verwendet, die zu dem folgenden Ausdruck der Unter-Array-Summen- und Differenzazimutstrahlen für jede Geschwindigkeit führt.
Bei den vorhergehenden Gleichungen ist Σ der Summenstrahl, Δ ist der Differenzstrahl, λ ist die Wellenlänge, M ist die Zahl von Spalten innerhalb jedes Unter-Arrays, d ist die Entfernung zwischen den Spalten, und T_x ist der Azimutrichtungskosinus.
Die Summen- und Differenzstrahlen für jede Geschwindigkeit können dann auf alle anderen Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen bezogen werden. Die Beziehung der anderen Unter-Array-Strahlen kann durch Folgendes ausgedrückt sein:
Der Gesamtsummen- und Differenzstrahlazimut für das gesamte Array kann dann ähnlich unter Verwendung des folgenden Ausdrucks bestimmt werden. Σ(Tx) = Σ1(Tx) – WΣ(1)Σ2(Tx) – ... – WΣ(N – 1)ΣN(Tx) Δ(Tx)= Δ1(Tx) – WΔ(1)Δ2(Tx) – ... – WΔ(N – 1)ΔN(Tx)
W_Σ und W_Δ sind die adaptiven Summen- und Differenzgewichte, die durch das Verarbeitungssystem bestimmt werden, um die Störflecke für jedes Doppler-Filter-Ausgangssignal zu tilgen.
Die Bestimmung der Gesamtsummen- und Differenzstrahlazimute wird durch die Plattform verwendet, um das Monopulsverhältnis zu berechnen. Die adaptiven Summen- und Differenzgewichte können als die Ausgangssignalstörflecke, die der Beschränkung unterworfen sind, dass das erste Element 1 ist, minimierend formuliert sein. δ^H ist insbesondere ein Einheitsvektor mit 1 als dem ersten Element und 0 für alle anderen Elemente. Diese Beschränkung resultiert in der folgenden Reihe von Gleichungen, wobei R_ΣΣ die Kovarianzmatrix der Summenkanäle ist und R_ΔΔ die Kovarianzmatrix der Differenzkanäle ist. Eine Kovarianzmatrix ist die Matrix der Beziehung aller Elemente des Arrays.
Um eine Azimutmonopulsgenauigkeit durch Erlauben einer Verschlechterung einer Störfleckenunterdrückung aufrechtzuerhalten, kann man die Gewichte, sowohl Summen- als auch Differenz-, des adaptiven Verarbeiten durch die folgenden Gleichungen darlegen, wobei J die Ausgangssignalleistung der Störung oder Bodenstörflecke darstellt:
Bei der Berechnung des Monopulsverhältnisses ermöglicht die Verwendung eines einzelnen Gewichts für die Summen- und Differenzstrahlgewichte eine allgemeine Faktortilgung, die zu einer Monopulsreservierung und dem Monopulsverhältnis (m_A), wie in den folgenden Gleichungen dargelegt, führt:
Obwohl die Verhältniserhaltung lediglich durch die Verwendung einer Verschlechterung einer Störfleckentilgungsfähigkeit erreicht wird, sollte diese Verschlechterung klein sein, wenn es ein hohes Störflecke-zu-Rauschen-Verhältnis gibt Diese Verschlechterung basiert auf der Annahme, dass die Gewichte gleich sind, es sollte jedoch, wie im Vorhergehenden festgestellt, ein Unterschied bei den Gewichten bei hohen Signal-zu-Rauschen-Verhältnissen sehr gering sein.
Dieses Verhältnis wird dann zum Verfolgen sich bewegender Ziele verwendet, und der endgültige Summenstrahl wird für eine Zielobjekterfassung verwendet.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden ist eine in 2 schematisch gezeigte Vorrichtung für die Verwendung des Radarerfassungs- und Verfolgungsverfahrens, wie im Vorhergehenden gelehrt ist. Die Vorrichtung weist ein (nicht gezeigtes) Radar-Array auf, das selbst eine Mehrzahl von Unter-Arrays 202 aufweist. Jedes Unter-Array weist ferner eine Mehrzahl von Spalten 214 auf. Die Vorrichtung hat eine Einrichtung zum Empfangen eines Signals, das von einem Objekt in der Reichweite eines übertragenen Signals reflektiert wurde. Die Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl von Unter-Arrays zum Empfangen des Signals, wobei die Unter-Arrays Spalten aufweisen, und eine Einrichtung zum Verarbeiten des Signals, um ein Radarbild zu bilden.
Das zurückgeführte Signal wird durch eine Lokalisiereinrichtung 204 gefiltert und lokalisiert. Das Ausgangssignal des Filters wird dann zu einem adaptiven Prozessor, 206, der das Signal strahlbildet und die Störflecke tilgt 206, geleitet. Der resultierende endgültige Unter-Array-Summenazimutstrahl und Differenzazimutstrahl werden dann durch die Erfassungs- und Verfolgungseinrichtung der Vorrichtung zum Auflösen eines Radarbilds, das frei von Bodenstörflecken ist, verwendet. Bei dem Merkmal 206 werden alle Summenstrahlen kombiniert, um einen Gesamtsummenstrahl zu bilden. Dieser Gesamtsummenstrahl wird bei einem Merkmal 216 für eine Zielerfassung verwendet. Die Differenzstrahlen werden bei dem Objekt 206 kombiniert, um einen Gesamtdifferenzstrahl zu bilden. Die Gesamtsummen- und Differenzstrahlen werden bei einem Merkmal 212 verwendet, um das Monopulsverhältnis, das zum Zielverfolgen und zur Winkelortsbestimmung verwendet wird, zu bilden.
Ein Merkmal dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass das adaptive Verarbeiten unter Verwendung von Verfahren eines adaptiven Raum-Zeit-Verarbeiten durchgeführt werden kann. Ein Verjüngen kann zusätzlich durch den adaptiven Prozessor auf das Signal angewandt werden, um die Nebenzipfel des strahlgebildeten Unter-Array-Signals zu reduzieren. Merkmale umfassen ferner die Filtereinrichtung, die ein Doppler-Filter ist, das unter Verwendung einer FFT abgeleitet sein kann.
Die Vorrichtung hat ferner eine Einrichtung zum Bestimmen eines Summengewichts und eines Differenzgewichts und Bestimmen aus diesen eines Monopulsverhältnisses, das für den Verfolgungsaspekt der vorliegenden Erfindung notwendig ist.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Programmspeichervorrichtung, die durch eine Maschine lesbar ist und ein Anweisungsprogramm greifbar verkörpert, das durch die Maschine ausführbar ist, um Verfahrensschritte zum Staffeln von Daten mit einem Intervall einer periodischen Wiederholung (PRI), Ableiten eines gefilterten Ausgangssignals aus einem Signal lokalisierter Störflecke, das aus den PRI-Daten erhalten wird, adaptiven Bilden eines Unter-Array-Summenazimutstrahls und eines Unter-Array-Differenzazimutstrahls aus dem gefilterten Ausgangssignal, Tilgen von Störflecken in dem gefilterten Ausgangssignal unter Verwendung des Unter-Array-Summenstrahls und des Unter-Array-Differenzazimutstrahls, Bilden eines endgültigen Summenstrahls und eines endgültigen Differenzstrahls durchzuführen, wobei der endgültige Summenstrahl für eine Zielerfassung verwendet wird und das Verhältnis des endgültigen Differenzstrahls zu dem endgültigen Summenstrahl zum Bestimmen des Orts des Objekts, was ferner als Zielen bekannt ist, verwendet wird.
Während diese Erfindung insbesondere hinsichtlich eines bevorzugten Ausführungsbeispiels derselben gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für Fachleute von selbst, dass die vorhergehenden und andere Änderungen von Formen und Details vorgenommen sein können, ohne von dem Geist und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist daher gewünscht, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten exakten Formen und Details begrenzt ist, sondern in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fällt.

1

10: Deterministisches Strahlbilden eines empfangenen Signals, um Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen zu bilden
12: Beziehen der Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen für jede Geschwindigkeit aus einem ersten Unter-Array auf eine Mehrzahl anderer Unter-Arrays
14: Bestimmen des adaptiven Summen- und Differenzstrahlgewichts
18: Verwenden des Strahlgewichts, um Gesamtsummen- und Differenzstrahlen zu bestimmen
20: Dividieren des Gesamtdifferenzstrahls durch den Gesamtsummenstrahl
22: Allgemeine Faktortilgung resultiert in einem Monopulsverhältnis, wobei

2

102: Signal wird durch die Spalten des Unter-Arrays empfangen
104: Summenstrahl und Differenzstrahl werden durch festes Strahlbilden bestimmt
106: Doppler-Filtern trennt individuelle Summen- und individuelle Differenzstrahlen nach Geschwindigkeit
108: Summen- oder Differenzstrahl jeder Geschwindigkeit wird adaptiv strahlgebildet
110: Das Ausgangssignal jeder Operation des adaptiven Strahlbildens ist ein endgültiger Summenstrahl für eine individuelle Geschwindigkeit
112: Alle endgültigen Summenstrahlen und endgültigen Differenzstrahlen werden kombiniert, um Gesamtsummen- und Differenzstrahlen zu bilden
114: Gesamtsummenstrahl wird zur Erfassung verwendet
116: Monopulsverhältnis Gesamtdiff. Gesamtsumm. wird zum Verfolgen verwendet

3

202: Unter-Array 1
202: Unter-Array N
204: Doppler-Filter/FFT
206: Adaptives Strahlbilden Ausgabe des endgültigen Summenstrahls Ausgabe des endgültigen Differenzstrahls
216: Zielerfassung
212: Monopulszielortung

Claims

Verfahren zur Radarerfassung und zum Verfolgen eines Ziels unter Verwendung eines Monopulsverhältnisverarbeitens in einem Unter-Array, mit folgenden Schritten: Empfangen eines Datensignals, wobei das Datensignal ein gestaffeltes PRI-Radarrückführsignal ist, das durch eine Array-Antenne, die in Unter-Arrays geteilt ist, empfangen wird (102); Bilden und Staffeln einer Mehrzahl von Summen- und Differenzstrahlen unter Verwendung eines festen Strahlbildens für jedes Unter-Array (10, 104); Filtern (106) der empfangenen gestaffelten Mehrzahl von Summen- und Differenzstrahlen, um Störflecke zu lokalisieren und eine Mehrzahl von Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen für jede Geschwindigkeit, die für die Störflecke bekannt ist, zu bilden; und adaptives Verarbeiten (108) der Mehrzahl von Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen, um die lokalisierten Störflecke zu tilgen und eine Mehrzahl von endgültigen Unter-Array-Summenstrahlen und eine Mehrzahl von endgültigen Unter-Array-Differenzstrahlen für das Unter-Array zu bilden, wobei das adaptive Verarbeiten die Bestimmung eines Summen- und Differenzstrahlgewichts (14) umfasst, wobei die Störleistung gleich einem Produkt des Gewichts und der jeweiligen Kovarianzmatrizen der Summen- und Differenzstrahlen ist; Bestimmen der Kovarianzmatrizen für die Summen- und Differenzstrahlen; Bestimmen der inversen Kovarianzmatrizen; und Auflösen nach einem Gewicht (W) in der folgenden Gleichung
wobei δ^H ein Einheitsvektor mit 1 als dem ersten Element ist und alle anderen Elemente 0 sind; ^H eine hermitesche Notation ist, die ein Gleichsetzen der Konjugierten und der Transponierten umfasst; R_ΣΣ die Kovarianzmatrixmessung der Summenkanäle ist; R_ΔΔ die Kovarianzmatrixmessung der Differenzkanäle ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des adaptiven Verarbeitens (108) unter Verwendung eines adaptiven Raum-Zeit-Verarbeitens durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Filter ein Doppler-Filter (204) ist, das unter Verwendung einer schnellen Fourier-Transformation abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Verjüngen angewandt wird, um Nebenzipfel des empfangenen Signals zu reduzieren, wenn die Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen adaptiv verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Unter-Array-Summen- und Differenzazimutstrahlen durch die folgenden Gleichungen bestimmt werden:
und wobei Σ der Summenstrahl ist; Δ der Differenzstrahl ist; λ die Wellenlänge ist; M die Zahl von Spalten innerhalb jedes Unter-Arrays ist; D die Entfernung zwischen den Spalten ist; und T_x der Azimutrichtungskosinus ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Summen- und Differenzstrahlen einer Mehrzahl von Unter-Arrays durch die folgenden Gleichungen auf die Summen- und Differenzstrahlen eines ersten Unter-Arrays bezogen werden können:
wobei D der Abstand zwischen Unter-Arrays ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Gewicht des Summen- und Differenzstrahls durch Gleichsetzen der Störleistung (J) mit einem Produkt des Gewichts und der jeweiligen Kovarianzmatrizen der Summen- und Differenzstrahlen bestimmt wird, wie in den folgenden Gleichungen gezeigt ist:
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Gesamtsummen- und Gesamtdifferenzstrahlen eines Arrays durch die folgenden Gleichungen gegeben sind (18, 112): Σ(Tx) = Σ1(Tx) – WΣ(1)Σ2(Tx) – ... – WΣ(N – 1)ΣN(Tx) Δ(Tx) = Δ1(Tx) – WΔ(1)Δ2(Tx) – ... – WΔ(N – 1)ΔN(Tx),wobei W_Σ und W_Δ das adaptive Summengewicht und das adaptive Differenzgewicht sind, die gewählt sind, um Störflecke für jedes gefilterte Ausgangssignal zu tilgen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Gesamtsummenstrahl für eine Zielobjekterfassung verwendet wird und das Verhältnis des Gesamtdifferenzstrahls zu dem Gesamtsummenstrahl für eine Zielobjekt-Winkelortsbestimmung verwendet wird (114).
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem jedes Unter-Array-Muster dann trennbar ist und ein Monopulsverhältnis durch das folgende Verhältnis abgeleitet werden kann (116):
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner einen erste Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen, die durch die folgenden Gleichungen dargestellt sind, hat:
wobei unter Verwendung der folgenden Gleichungen die Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen auf eine Mehrzahl von Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen bezogen sind:
unter Verwendung der folgenden Gleichung ein einzelnes Summen- und Differenzgewicht bestimmt wird:
die Summen- und Differenzstrahlen adaptiv strahlgebildet werden, um einen Gesamtsummen- und Differenzstrahl zu bestimmen, wie in den folgenden Gleichungen gezeigt ist: Σ(Tx) = Σ1(Tx) – WΣ(1)Σ2(Tx) – ... – WΣ(N – 1)ΣN(Tx) Δ(Tx)= Δ1(Tx) – WΔ(1)Δ2(Tx) – ... – WΔ(N – 1)ΔN(Tx),unter Verwendung der folgenden Gleichungen das Monopulsverhältnis unter Verwendung der Gesamtsummen- und Differenzstrahlen berechnet wird:
wobei das Monopulsverhältnis als die folgende Gleichung erhalten werden kann:
Vorrichtung zur Erfassung und zum Verfolgen eines Ziels unter Verwendung eines Monopulsverhältnisverarbeitens mit: einem Array, das eine Mehrzahl von Unter-Arrays (202) zum Empfangen eines Datensignals aufweist, wobei das Datensignal ein gestaffeltes PRI-Radarrückführsignal ist; wobei jedes Unter-Array eine Mehrzahl von Spalten (214) aufweist; und jedes Unter-Array Datensignale empfängt; einer Einrichtung zum festen Strahlbilden und einer Einrichtung zum Staffeln einer Mehrzahl von Summen- und Differenzstrahlen unter Verwendung des festen Strahlbildens; einem Filter (204), das die empfangene gestaffelte Mehrzahl von Summen- und Differenzstrahlen filtert und Störflecke, die eine Komponente der empfangenen Datensignale sind, lokalisiert sind eine Mehrzahl von Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen für jede Geschwindigkeit bildet; einem adaptiven Prozessor (206), der das Filterausgangssignal nimmt und die Störflecke tilgt; und eine Mehrzahl von endgültigen Summenstrahlen eines Unter-Arrays und eine Mehrzahl von endgültigen Unter-Array-Differenzstrahlen für das Unter-Array bildet; einer Einrichtung zum Bestimmen eines Summen- und Differenzstrahlgewichts, wobei die Störleistung gleich einem Produkt des Gewichts und der jeweiligen Kovarianzmatrizen der Summen- und Differenzstrahlen ist, und einer Einrichtung zum Bestimmen der Kovarianzmatrizen für die Summen- und Differenzstrahlen; Bestimmen der inversen Kovarianzmatrizen; und Auflösen nach einem Gewicht (W) in der folgenden Gleichung
wobei δ^H ein Einheitsvektor mit 1 als dem ersten Element ist und alle anderen Elemente 0 sind; ^H eine hermitesche Notation ist, die ein Gleichsetzen der Konjugierten und der Transponierten umfasst; R_ΣΣ die Kovarianzmatrixmessung der Summenkanäle ist; R_ΔΔ die Kovarianzmatrixmessung der Differenzkanäle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der adaptive Prozessor (206) ein adaptives Raum-Zeit-Verarbeiten verwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Filter ein Doppler-Filter (204) ist, das aus einer schnellen Fourier-Transformation abgeleitet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der der adaptive Prozessor eine Einrichtung zum Verjüngen der strahlgebildeten Unter-Array-Daten, um Nebenzipfel zu reduzieren, hat.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der es eine Einrichtung zum Beziehen einer Mehrzahl von Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen auf andere Unter-Array-Summen- und Differenzstrahlen gibt, um die Gesamtsummen- und Differenzstrahlen, die durch die Erfassungs- und Verfolgungseinrichtung verwendet sind, zu bestimmen, wobei die Gesamtsumme für eine Zielerfassung verwendet ist und das Verhältnis des Gesamtdifferenzstrahls zu dem Gesamtsummenstrahl für eine Zielwinkelortsbestimmung verwendet ist.
Programmspeichervorrichtung, die durch eine Maschine lesbar ist und die Anweisungen zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.