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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des
Azimuts eines Ziels durch einen Radar, insbesondere von der Art
ASR, Abkürzung
der englischen Bezeichnung "Airport
Surveillance Radar". Sie
ist demnach insbesondere für Überwachungsradargeräte anwendbar,
die z. B. bei Anwendungen zur Flugverkehrsleitung verwendet werden.
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Die
Aufgabe eines Primärradars
ist es nicht nur, die Anwesenheit von interessanten Zielobjekten
in seinem Erfassungsgebiet anzuzeigen, sondern auch, Informationen
bezüglich
dieser Zielobjekte zu liefern, insbesondere ihre Positionen in Entfernung
und Azimut. Die Primärradare,
die z. B. zur Flugverkehrskontrolle verwendet werden, sind im Wesentlichen
herkömmliche
zweidimensionale Radargeräte.
Sie verwenden keine monopulsartigen Techniken, um die Azimutinformationen
zu erarbeiten, insbesondere aus Kostengründen. Unter diesen Bedingungen
erhält
man diese Azimutinformation meistens durch Berechnungsverfahren
von der Art des Massenmittelpunkts, wobei der Azimut der verschiedenen
Erfassungen, aus denen die Aufzeichnung besteht, durch ihre Amplitude
gewichtet wird.
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Bei älteren Radargeräten gab
es eine große
Anzahl von Informationen zu Erfassungen eines Ziels pro Beleuchtungszeitraum
des Ziels, da diese Radargeräte
keine Dopplerverarbeitung hatten. Für eine herkömmliche Beleuchtungszeit von
15 ms eines Anflugradars, der ungefähr jede 1 ms eine Rekursion
aussendet, ergab dies beispielsweise 15 Rekursionsgebiete und somit
15 Erfassungen.
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Die
Radargeräte
mit Doppler-Verarbeitung, die später
verwendet wurden, führten
eine gleitende Filterung über
die n letzten Rekursionen durch, so dass eine nicht unbeachtliche
Informationsmenge übrig
blieb.
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Dann
führten
die Doppler-Filterungstechniken MTD ("Mobile Target Detector") in Kombination
mit einem salvenartigen Betrieb, die verwendet wurden, um die Erfassung
der Ziele bei Boden- oder Regenclutter zu verbessern, dazu, dass
die Anzahl der Erfassungen an jedem Ziel drastisch reduziert wurde.
In vielen Fällen gibt
es nur noch eine oder zwei Erfassungen an Zielen, die weit entfernt
sind oder eine geringe äquivalente Radarrückstrahlfläche haben.
Um mit Bezug auf das vorhergehende Beispiel eine Größenordnung
anzugeben, ist man also von 15 auf 2 Positionsinformationen Filtrierung,
d. h. die Anzahl der Informationen, die verwendbar sind, um eine
Azimutposition zu entnehmen.
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Die
Verbreitung von Festkörpersendern
mit verzögerungsfreiem
Breitband, die den Betrieb auf zwei Frequenzen ermöglichen,
um die Erfassung durch einen Diversity-Effekt zu verbessern, hat
die zusätzliche Konsequenz,
dass die Anzahl der Erfassungen auf jeder der Frequenzen noch einmal
halbiert wird.
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Bei
feststehender Frequenz, wenn es zwei Erfassungsinformationen gibt,
ist es immer noch möglich, eine
Azimutposition zu entnehmen. Durch die Verwendung von zwei Frequenzen,
wobei die Anzahl der Erfassungen halbiert wird, gibt es nur noch
eine Erfassung pro Ziel. Somit kann der Azimut des Ziels nur dem
Azimut der Erfassung zugeordnet werden. Dann kann man in einer ersten
Annäherung
davon ausgehen, dass der Fehler sich auf mehr oder weniger eine
halbe Länge
der Strahlungskeule verteilt. Somit gewinnt der Positionsfehler
an Bedeutung.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es insbesondere, die Azimutgenauigkeit eines
Radars, z. B. von der Art ASR, zu verbessern. Dazu ist die Aufgabe
der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Azimuts eines Ziels durch
einen Radar, wobei der Radar eine Welle für Erfassungen in Salven von
N Impulsen aussendet. Das Verfahren umfasst für eine Salve mindestens die
folgenden Schritte:
- – einen Schritt, bei dem die
Salve in mindestens zwei Salvenhälften,
nämlich
eine vordere Salve und eine hintere Salve, aufgeteilt wird;
- – einen
Schritt zum Filtern der Salvenhälften,
um einen Azimutwert θ1 und einen Amplitudenwert A1 mit
der vorderen Salve und einen Azimutwert θ2 und
einen Amplitudenwert A2 mit der hinteren
Salve zu verbinden;
- – einen
Schritt zum Erhalten des Azimuts Az des Ziels als dem Maximum einer
Gauß-Kurve
entsprechend, die durch die Punkte der Komponenten (θ1, A1), (θ2, A2) geht.
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Bevorzugt
haben die vorderen und hinteren Salvenhälften dieselbe Anzahl von Impulsen,
N/2.
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Die
Hauptvorteile der Erfindung sind, dass sie es ermöglicht,
die Leistung zur Unterscheidung von zwei Zielen, die sich in derselben
Entfernung befinden und im Azimut geringfügig getrennt sind, bedeutend
verbessert, dass sie die Radarverarbeitung nicht komplizierter macht,
und dass sie einfach durchzuführen
ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden
Beschreibung hervorgehen, die mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
erfolgt. Es zeigen:
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1 zwei
Diagramme ein und derselben Antenne, die zwei unterschiedlichen
Sendefrequenzen f1, f2 entsprechen.
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2 mögliche Schritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 ein
Antennendiagramm, das von zwei vorherbestimmten Azimutpunkten θ1, θ2 erhalten wird.
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1 bildet
zwei Antennendiagramme eines Radars als Funktion des Azimutwinkels θ ab. Diese
beiden Diagramme stellen also die Verstärkung der Antenne und demnach
das empfangene Signal als Funktion dieses Winkels dar. Eine erste
Kurve 1 in gaußscher
Form stellt das auf einer Frequenz f1 empfangene
Signal dar. Eine zweite Kurve 2, ebenfalls in gaußscher Form,
stellt das auf einer Frequenz f2 empfangene
Signal dar. Diese Diagramme sind im Wesentlichen zur Sichtlinie 3 der
Antenne symmetrisch. Wie zuvor angegeben ist dies der Fall eines
Radars, der auf zwei Frequenzen funktioniert, insbesondere zu dem
Zweck, die Erfassungswahrscheinlichkeit zu erhöhen. Das erste Antennendiagramm 1 ermöglicht es
z. B., zwei Erfassungen vorzunehmen, die durch die Aufzeichnungen 4, 5 abgebildet
werden, während
das zweite Antennendiagramm nur eine Erfassung ermöglicht,
die durch die Aufzeichnung 6 abgebildet wird. Diese Aufzeichnungen
geben die Position der Zielechos in den Antennendiagrammen an. Aus
dem Vorhandensein dieser Echos nach jeder Sendesalve des Radars
wird insbesondere die Azimutposition des Ziels abgeleitet, was durch
die Position einer Mittelaufzeichnung symbolisiert wird.
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Herkömmlich erfolgt
die Berechnung der Mittelaufzeichnung im Azimut in zwei Schritten.
Dazu wird ein Haufen von Echovorkommen berücksichtigt, von denen angenommen
wird, dass sie sich aus einem einzigen Ziel ergeben, und zwar mit
Bezug auf zwei Beobachtungsarten, je nachdem, ob das Ziel sich im
nahen oder fernen Distanzbereich befindet. Der Begriff "Haufen" bezeichnet eine
Gruppierung von nach zusammenhängenden
Entfernungs- und Azimutkriterien einander zugeordneten Echovorkommen.
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In
einem ersten Schritt wird für
jede Frequenz ein Azimut der dieser Frequenz entsprechenden Nebenaufzeichnung
berechnet. Eine Nebenaufzeichnung bezeichnet hier die Gruppierung
aller Echovorkommen eines Haufens, die einer gegebenen Frequenz
angehören.
Ein Haufen kann also aus zwei Nebenaufzeichnungen oder aus einer
einzigen Nebenaufzeichnung bestehen. Wenn die Echovorkommen einer
Nebenaufzeichnung nicht zu einer einzelnen Radarabfrage oder Salve
gehören,
was der Fall einer Einzelsalve genannten Nebenaufzeichnung ist,
dann ist der Azimut dieser Nebenaufzeichnung der Azimut der Abfrage,
d. h. der Azimut der Antenne zum Zeitpunkt der Salvenmitte. Wenn
die Nebenaufzeichnung aus Echovorkommen besteht, die zu mindestens
zwei nebeneinander liegenden Abfragen derselben Frequenz gehören, was
der Fall eines Mehrfachsalven-Nebenaufzeichnung ist, dann wird ihr
Azimut aus dem Echovorkommen des Haufens mit der maximalen Gesamtamplitude
und derjenigen desselben Entfernungskästchens und der angrenzenden
Salve berechnet, indem eine Hypothese einer gaußschen Strahlungskeule aufgestellt
wird.
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In
einem zweiten Schritt ist der Azimut der Mittelaufzeichnung dann
ein Mittelwert des Azimuts der Nebenaufzeichnungen, wenn sie durch
dasselbe Verfahren berechnet wurden, sie sind dann beide Einfach-
oder Mehrfachsalven. Wenn nur eine eine Multisalve ist, dann wird
ihr Azimut beibehalten, da er als der bessere angesehen wird.
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1 zeigt,
dass es sein kann, dass nur eine Erfassung bzw. nur ein Echovorkommen 6 für ein Ziel vorliegt.
Die Aufzeichnung besteht daher aus einer einzigen Einzelsalven-Nebenaufzeichnung.
Der festgehaltene Azimut wird dann im Salvenschritt quantifiziert,
d. h. in der Größenordnung
von 2 Grad, z. B. entsprechend der Azimutbreite der Strahlungskeule.
Unter diesen Bedingungen kann der Fehler theoretisch ±1°, mit einer Standardabweichung
von 0,57°,
also 2°/√12, erreichen.
In Wirklichkeit können
die Fehler ein wenig geringer sein, da wenn das Ziel zwischen zwei
Salven zentriert ist, entweder sein Rauschabstand zu gering ist,
damit das Ziel erfasst wird, und zwar wegen der Störimpulsbeseitigung,
oder das Ziel spricht auf zwei Salven an, in welchem Fall die Präzision wieder
richtig wird. Daraus ergibt sich jedoch, dass für Rauschabstände, insbesondere
kleiner als 25 dB vor der kohärenten
Integration, die Standardabweichung des Azimutfehlers deutlich größer als
ein angestrebter Wert, z. B. von ungefähr 0,1°, bleibt.
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2 bildet
die möglichen
Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
ab, auf jede Sendesalve angewandt, wobei der Radar eine Erfassungswelle
durch Salvenimpulse aussendet. Wie zuvor bemerkt ist es die Doppler
MTD-Filterung, die verwendet wird, um die Erfassung im Clutter zu
verbessern, wobei sich der Rauschabstand verringert, welche die
Anzahl der verwendbaren Informationen reduziert. Wie ebenfalls bemerkt bewirkte
eine derartige Filterung, die es nötig machte, die Anzahl der
Rekursionen pro Sendesalve zu erhöhen, eine Reduzierung der Anzahl
der Erfassungsinformationen, wobei die Anzahl noch durch die Verwendung
von zwei Frequenzen, insbesondere wie in 1 abgebildet,
weiter reduziert wurde.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
verwendet insbesondere die Tatsache, dass vor der Doppler-Filterung
die verschiedenen Rekursionen, aus der die Salve mit konstanter
Sendefrequenz besteht, durch die Strahlungskeule amplitudenmoduliert
werden. Die Erfindung zeigt, dass es dann möglich ist, daraus den Azimut
des Ziels zu entnehmen, indem man die Hypothese einer gaußschen Strahlungskeule
ebenso wie bei der Berechnung einer Mehrfachsalven-Nebenaufzeichnung
aufstellt Um eine Fähigkeit
zur Trennung des Ziels und des Clutters zu bewahren, wird die Salve
aus N Impulsen fiktiv in zwei Salvenhälften von N/2 Impulsen zerlegt. Diese
beiden Salvenhälften
werden dann von einer Filterbank der Ordnung N/2 gefiltert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst daher einen Schritt 21, in dem eine Salve aus N
Rekursionen in zwei Salvenhälften
aufgeteilt wird, die jeweils aus den N/2 ersten Rekursionen, der
vorderen Salvenhälfte,
und den N/2 letzten Rekursionen, der hinteren Salvenhälfte, bestehen.
Diese fiktive Zerlegung erfolgt z. B. beim Empfang, vor der Filterung.
Bevorzugt wird die Salve in zwei Gruppen aus N/2 Impulsen getrennt. Die
vordere Salvenhälfte
kann jedoch eine andere Anzahl von Impulsen als die hintere Salvenhälfte aufweisen. Es
ist im Übrigen
möglich,
die Salve in mehr als zwei Salven aufzuteilen.
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In
einem folgenden Schritt 22 werden die beiden Salvenhälften gefiltert.
Am Filterausgang erhält
man die Azimutwerte θ1 und θ2 der Antenne jeweils in der Mitte der vorderen
Salvenhälfte
und in der Mitte der hinteren Salvenhälfte, sowie die Gesamtamplituden
A1 und A2 des empfangenen
Signals, die jeweils der vorderen Salvenhälfte und der hinteren Salvenhälfte entsprechen.
Wenn die Erfassung durch Mittel zum Filtern der vollständigen Salven
sichergestellt wird, kann man somit über doppelt so viele Informationen
für die
Berechnung des Azimuts verfügen,
indem man das Ergebnis der Filterung der beiden Salvenhälften verwendet.
Um die Arbeitslast auf ein Minimum zu reduzieren, ist es möglich, die
Filterung der Salvenhälften
nur in den Zellen durchzuführen,
in denen eine Erfassung stattgefunden hat, wobei das verwendete
Filter selber von der Filterreihe, auf der die Erfassung beobachtet
wurde, adressiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren macht die Radarverarbeitung
also nicht komplizierter. Es ist besonders einfach durchzuführen.
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In
einem folgenden Schritt
33 wird der Azimut des Ziels ausgehend
von den Filterungsergebnissen der beiden Salvenhälften berechnet. Dieser Schritt
beruht insbesondere auf der Feststellung, dass die Strahlungs keule
im Allgemeinen im Azimut eine im Wesentlichen gaußsche Form
aufweist, zumindest in dem zur Erfassung der Ziele mit geringem
Rauschabstand nützlichen
Teil, d. h. um das Maximum des Antennendiagramms herum. Die Kenntnis
von zwei Punkten des Diagramms, der Komponenten (θ
1, A
1) und (θ
2, A
2), reicht dann, um
die Position des Maximums zu bestimmen Der diesem Maximum entsprechende
Winkel ist der Azimut, der wie in
3 abgebildet
gesucht wird, welche eine Gauß-Kurve
31 zeigt,
die durch diese beiden Punkte geht. Wenn somit für die Azimute θ
1 und θ
2 die an einem Ziel gemessenen Amplituden
A
1 und A
2 sind,
wird der Azimut Az des Ziels durch folgende Beziehung gegeben:
wobei θ
3dB die
Breite der Radarstrahlungskeule im bei –3 dB ausgedrückten Azimut
und a eine Konstante ist, die gleich 8Log2, also 5,54518, ist.
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Diese
Beziehung (1) wird verwendet, um allen Erfassungen einen Zielazimut
Az zuzuordnen, wobei eine Erfassung der Bestimmung der Werte θ1, θ2, A1, A2 entspricht.
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In
einem späteren
Schritt wird der Azimut Az z. B. als Kriterium der Zuordnung der
Erfassungen im Azimut für
die Bildung der Aufzeichnungen anstatt des Erfassungsazimuts, oder
anders gesagt des Salvenazimuts, verwendet, mit dem Risiko, dass
er mit einem Fehler behaftet ist, wie zuvor erwähnt. Dies bietet insbesondere
den Vorteil, die Leistung zur Unterscheidung von zwei Zielen, die
sich in der gleichen Entfernung befinden und im Azimut geringfügig getrennt
sind, zu verbessern.
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Für einen
Radar, der mit zwei Sendefrequenzen f1,
f2 arbeitet, besteht die Antwort eines Ziels
im Prinzip aus zwei Nebenaufzeichnungen SP1 und SP2, eine für jede Frequenz.
Der Azimut einer Nebenaufzeichnung wird z. B. gemäß den oben
genannten Schritten 21, 22, 23, insbesondere
gemäß der Beziehung
(1), bestimmt.
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Wenn
eine Nebenaufzeichnung jedoch aus mindestens zwei Erfassungen besteht,
ist es in diesem Fall nicht mehr notwendig, die Salve fiktiv in
zwei Salvenhälften
zu zerlegen. Die Beziehung (1) kann dann angewendet werden, um einen
Azimut für
diese Nebenaufzeichnung zu berechnen, wobei die größte Salvenamplitude
und nicht mehr Salvenhälftenamplitude
der Haupterfassung und die nächst
größte Salvenamplitude
der angrenzenden Erfassung verwendet werden. Es ist natürlich immer
noch möglich,
als Azimut der Nebenaufzeichnung nur den für diese Erfassung berechneten
Zielazimut festzuhalten.
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Je
nachdem ob eine Nebenaufzeichnung aus einer einzigen Erfassung besteht
oder nicht, d. h. je nachdem ob eine Salve beim Empfang eine oder
mehrere Erfassungsinformationen enthält, ist der Azimut dieser Nebenaufzeichnung
also:
- – der
Zielazimut, den man unter Verwendung der beiden Salvenhälften der
Erfassung gemäß den Schritten 21, 22, 23 des
Verfahrens, im Falle einer Einzelerfassung, erhält;
- – der
Zielazimut, den man unter Verwendung der beiden Salven bzw. Erfassungen
dieser Nebenaufzeichnung größter und
angrenzender nächst
größter Amplitude,
im Falle einer Mehrfacherfassung, erhält.
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Der
Zielazimut, den man von zwei Nebenaufzeichnungen erhält, ist
immer besser als der einer Einzelerfassungs-Nebenaufzeichnung, da
die Doppler-Filterung, die N Impulse verwendet, leistungsfähiger ist,
und da die beiden Messungen weiter auseinander liegen, ist der Einfluss
des Rauschens geringer. Er wird also für wichtiger gehalten, was sich
darin zeigt, dass der Azimut der Aufzeichnung in Abhängigkeit
von den Azimuten von zwei Nebenaufzeichnungen SP1, SP2, wie oben
definiert, erhalten wird, wobei die beiden Nebenaufzeichnungen SP1,
SP2 z. B. diejenigen sind, die auf zwei unterschiedlichen Frequenzen
f1, f2 erhalten
werden:
- – bei
Vorhandensein der einzigen Einzelerfassungs-Nebenaufzeichnung SP1 ist der Azimut
der Aufzeichnung der Azimut der Nebenaufzeichnung SP1;
- – bei
Vorhandensein der einzigen Einzelerfassungs-Nebenaufzeichnung SP2 ist der Azimut
der Aufzeichnung der Azimut der Nebenaufzeichnung SP2;
- – bei
Vorhandensein der aus einer Einzelerfassung bestehenden Nebenaufzeichnung
SP1 und der aus einer Einzelerfassung bestehenden Nebenaufzeichnung
SP2 ist der Azimut der Aufzeichnung der Mittelwert der Azimute der
Nebenaufzeichnungen SP1, SP2, d. h. wenn Az1 und
Az2 diese Azimute sind, ist der Azimut der
Aufzeichnung (Az1 + Az2)/2;
- – bei
Vorhandensein der aus einer Mehrfacherfassung bestehenden, Nebenaufzeichnung
SP1 und der aus einer Einzelerfassung bestehenden Nebenaufzeichnung
SP2 ist der Azimut der Aufzeichnung der Azimut der Nebenaufzeichnung
SP1;
- – bei
Vorhandensein der aus einer Einzelerfassung bestehenden Nebenaufzeichnung
SP1 und der aus einer Mehrfacherfassung bestehenden Nebenaufzeichnung
SP2 ist der Azimut der Aufzeichnung der Azimut der Nebenaufzeichnung
SP2;
- – bei
Vorhandensein der Nebenaufzeichnung SP1 und der Nebenaufzeichnung
SP2, die beide aus einer Mehrfacherfassung bestehen, ist der Azimut
der Aufzeichnung der Mittelwert, der durch die Amplituden der Azimute
der Nebenaufzeichnungen SP1 und SP2 gewichtet wird.
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Schlüssel zu den Figuren
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- RAFALE DE N RECURRENCES – SALVE AUS N REKURSIONEN,
- SCINDEE EN DEUX DEMIES – IN
ZWEI SALVENHÄLFTEN
AUS
- RAFALES DE N/2 RECURRENCES – N/2
REKURSIONEN AUFGETEILT
- FILTRAGE DES DEUX DEMIES – FILTERUNG
DER BEIDEN
- RAFALES – SALVENHÄLFTEN
- CALCUL DE L'AZIMUT – BERECHNUNG
DES AZIMUTS
