DE69026583T2

DE69026583T2 - Radar mit synthetischer Apertur und Strahlkeulenschärfungsfähigkeit in der Richtung der Fahrt

Info

Publication number: DE69026583T2
Application number: DE69026583T
Authority: DE
Inventors: Dorothy Williams; Fred C Williams
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1989-12-21
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2010-12-21
Also published as: IL96674A; EP0434064A2; US4978961A; EP0434064A3; DE69026583D1; EP0434064B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Radarsysteme mit synthetischer Apertur (SAR) und betrifft insbesondere ein Radarsystem, das die Fähigkeit aufweist, die Strahlungskeule in Bewegungsrichtung zu schärfen.
Radarsysteme, die eine synthetische Apertur aufweisen, sind für Anwendungen wie die Abbildung des Bodens mit hoher Auflösung bekannt. Bei dieser Technik wird die effektive Länge der Antennenapertur verlängert, indem die Bewegung des sich bewegenden Fahrzeugs, wie bspw. ein Flugzeug, genutzt wird, in dem die Radarausrüstung angeordnet ist. Die effektive Länge der Antennenapertur wird verlängert, indem die Echosignale von einer Anzahl von Impulsen kombiniert werden, die von der Radarausrüstung gesendet werden, während sich das Flugzeug relativ zu der untersuchten Bodenfläche bewegt, um jede Azimuthlinie des gerade verarbeiteten Azimuth-Bereichsgitters zu bilden. Diese Technik läßt zu, daß eine sehr hohe Azimuthauflösung erreicht wird.
Ein Punkt in der Radarabbildung kann durch zwei Koordinaten lokalisiert werden, d.h. die Entfernung von dem Radar zu dem Punkt und den Grad des Dopplerversatzes aufgrund der Plattformbewegung des Radarsignals für jenen Punkt. Die Entfernung ("range") kann durch die Zeit gemessen werden, die das Radarsignal zur Rückkehr zu dem SAR-Empfänger benötigt. Die Messung des Dopplerversatzes der Echosignale ergibt den Azimuthort des Punktes bezüglich der Fluglinie des SAR, da das sich bewegende, die SAR-Ausrüstung tragende Fahrzeug eine Geschwindigkeits- dem Punkt nähert oder von dem Punkt entfernt. Wenn die Antenne nicht in Richtung des Geschwindigkeitsvektors zeigt, wird jeder Punkt in dem Radarstrahl einen eindeutigen Dopplerversatz und eine eindeutige Entfernung aufweisen; diese zwei Koordinaten und die Kenntnis des Winkels der Sichtlinie der Antenne bezüglich der Oberfläche sind alles was benötigt wird, um den Ort von jedem Echosignal zu fixieren. Kenntnis über die Richtung, in die die Antenne weist, ist erforderlich, um die Mehrdeutigkeit aufzulösen, die sich aus Punkten auf gegenüberliegenden Seiten des Geschwindigkeitsvektors ergibt, die dieselben Entfernungsund Dopplerkoordinaten aufweisen. Die Helligkeit des Bildes an jenem Punkt wird ein Element der Abbildungskarte.
Der bisherige Kenntnisstand auf dem Gebiet des SAR geht dahin, daß es unmöglich ist, die Strahlungskeule in Richtung des Geschwindigkeitsvektors des sich bewegenden Fahrzeugs zu schärfen. Dies liegt daran, daß die in jene Richtung weisende Antenne die Punkte auf gegenüberliegenden Seiten des Geschwindigkeitsvektors mit demselben Entfernungs- und Dopplerwert nicht isolieren, d.h. die Mehrdeutigkeiten nicht auflösen kann. Daher sind SAR-Systeme für viele Anwendungen wie Flugzeuglandesysteme, Geschützsteuerradarsysteme und Bombenabwurfradarsysteme nicht eingesetzt worden, da der herkömmliche synthetische Array nicht in Bewegungsrichtung weisen kann.
Es wäre daher ein Fortschritt im Stand der Technik, ein SAR-System bereitzustellen, das die Fähigkeit aufweist, die Strahlungskeule in Richtung des Geschwindigkeitsvektors des SAR zu schärfen.
Erfindungsgemäß umfaßt eine Radarvorrichtung, die eine synthetische Apertur aufweist, dazu ausgelegt ist, in einem sich bewegenden Fahrzeug in Bewegungsrichtung für eine Schärfung der Strahlungskeule zu sorgen:
- Mittel, um an Bord des sich bewegenden Fahrzeugs Radarechos mit einer Antenne, vorzugsweise einer Monopulsantenne zu empfangen, die einen Summenanschluß und einen Differenzanschluß aufweist, um ein Summenanschlußsignal von dem Summenanschluß und ein Differenzanschlußsignal von dem Differenzanschluß bereitzustellen;
- erste SAR-Verarbeitungsmittel, um die Summenanschlußsignale über einen gegebenen Zeitabschnitt zu verarbeiten und einen ersten Satz von SAR-Signalen X(r,f) zu erzeugen, die Radarechos von den entsprechenden Zellen eines Dopplerfrequenz/Entfernungsgitters darstellen, wobei der erste Satz von SAR-Signalen X(r,f) durch Dopplermehrdeutigkeiten von Azimuthwinkeln auf entgegengesetzten Seiten des Geschwindigkeitsvektors des sich bewegenden Fahrzeugs bestimmt ist;
- zweite SAR-Verarbeitungsmittel, um die Differenzanschlußsignale über einen gegebenen Zeitabschnitt zu verarbeiten und einen zweiten Satz von SAR-Signalen Y(r,f) zu erzeugen, die Radarechos von den entsprechenden Zellen des Gitters darstellen; und
- Mittel, die dazu ausgelegt sind, eine gewichtete lineare Kombination des ersten und des zweiten Satzes von SAR-Signalen X(r,f), Y(r,f) durchzuführen, um erste Ausgangssignale ZL(r, f) zu bilden, die eine nach links weisende Antenne repräsentieren, wobei die mehrdeutigen Echos zur Rechten des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht werden, und zweite Ausgangssignale ZR(r,f) zu erzeugen, die eine nach rechts weisende Antenne repräsentieren, wobei die mehrdeutigen Echos zur Linken des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht werden.
Erfindungsgemäß umfaßt weiterhin ein Verfahren, um in einem Radar mit synthetischer Apertur (SAR) für eine Schärfung der Strahlungskeule in Bewegungsrichtung zu sorgen, die Schritte:
- Empfangen von Radarechos an Bord des sich bewegenden Fahrzeugs mit einer Antenne, die einen Summenanschluß und einen Differenzanschluß aufweist, um ein Summenanschlußsignal von dem Summenanschluß und ein Differenzanschlußsignal von dem Differenzanschluß zu liefern;
- Verarbeiten der Summenanschlußsignale über einen gegebenen Zeitabschnitt, um einen ersten Satz von SAR-Signalen zu erzeugen, die die Radarechos von den entsprechenden Zellen eines Dopplerfrequenz/Entfernungsgitters repräsentieren, wobei der erste Satz von SAR-Signalen X(r,f) durch Dopplermehrdeutigkeiten von Azimuthwinkeln auf gegenüberliegenden Seiten des Geschwindigkeitsvektors des sich bewegenden Fahrzeugs bestimmt ist;
- Verarbeiten der Differenzanschlußsignale über einen gegebenen Zeitabschnitt, um einen zweiten Satz von SAR-Signalen Y(r,f) zu erzeugen, die die Radarechos von den entsprechenden Zellen des Gitters repräsentieren; und
- Durchführen einer gewichteten linearen Kombination des ersten und zweiten Satzes von SAR-Signalen X(r,f), Y(r,f), um erste Ausgangssignale ZL(r,f) zu bilden, die eine nach links weisende Antenne repräsentieren,
wobei die mehrdeutigen Echos zur Rechten des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht werden, und zweite Ausgangssignale ZR(r,f) zu bilden, die eine nach rechts weisende Antenne repräsentieren, wobei die mehrdeutigen Echos zur Linken des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht werden.
Ein mit dem oben genannten System vergleichbares System ist aus dem Dokument WO 89/04976 bekannt, wobei die bekannte Vorrichtung dazu ausgelegt ist, eine Dopplermehrdeutigkeit aufgrund einer zu geringen Impulswiederholfrequenz unwirkam zu machen. Radarechos werden an Bord des Fahrzeugs mit einer Antenne empfangen, die eine erste und eine zweite Apertur aufweist, um entsprechende erste und zweite Echosignale zu erzeugen. Die ersten und zweiten Echosignale werden über vorgegebene Zeitabschnitte verarbeitet, um eine erste und eine zweite Serie von SAR-Komponentensignalen zu erzeugen. Die Komponentensignale werden einzeln gewichtet und additiv kombiniert, um eine dritte Serie von resultierenden SAR-Signalen zu bilden, die die Radarechos von den jeweiligen Zellen des Azimuth/Entfernungsgitters darstellen. Durch die korrekte Wahl der Gewichtungsfaktoren in dem linearen Addierer löschen sich die Reflexionen von dem Alias-Azimuthwinkel aus. Dieses Dokument weist keine Hinweise auf einen Betrieb eines SAR in Bewegungsrichtung auf.
Im Gegensatz hierzu sind die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der angegebenen Erfindung dazu ausgelegt, das Problem zu lösen, Reflexionen zu separieren, die denselben Dopplerversatz aufweisen, jedoch auf unterschiedlichen Seiten des Fahrzeugge schwindigkeitsvektors liegen, wenn man in Bewegungsrichtung sieht. Dies wird durch eine gewichtete lineare Kombination des ersten und des zweiten Satzes von SAR-Signalen erreicht, um erste Ausgangssignale zu bilden, die eine nach links weisende Antenne repräsentieren, wobei die mehrdeutigen Echos zur Rechten des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht werden, und zweite Ausgangssignale zu bilden, die eine nach rechts weisende Antenne repräsentieren, wobei die mehrdeutigen Echos zur Linken des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht werden. Dies wird erreicht durch die Adaption der Kombinationseinrichtung und durch die Wahl der Gewichtungskoeffizienten
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der:
Fig. 1A eine Darstellung eines Flugzeuges und der durch die SAR-Radarausrüstung erzeugten Strahlungskeule ist, die von dem Flugzeug getragen wird;
Fig. 1B eine Darstellung eines Azimuth/Entfernungsgitters ist, das die durch das Flugzeug von Fig. 1A beobachtete Bodenfläche abbildet;
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung ist, um die Erfindung in die Praxis umzusetzen;
Fig. 3A und 3B graphische Darstellungen der Muster der Arraysumme und der Arraydifferenz und von verarbeiteten Arraymustern sind, die abgestimmt sind, um die linke Azimuthmehrdeutigkeit und die rechte Azimuthmehrdeutigkeit zu isolieren;
Fig. 4 eine Darstellung ist, die die Auflösung eines Längsstrahlerarrays erläutert;
Fig. 5 eine Fresnelzonenplatte darstellt, die durch die Isodopplerlinien eines Längsstrahlerarrays gebildet wird;
Fig. 6 eine Ansicht ist, die die Strahlungskeule eines Flugzeuges darstellt, das die Vorrichtung von Fig. 2 trägt;
Fig. 7A-7C Darstellungen der Antennenstrahlungskeule und von beispielhaften Isodopplerlinien für drei betrachtete Entfernungen sind und Betrachtungen zur Minimalentfernung für eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellen; und
Fig. 8 eine graphische Darstellung eines Grenzfalls ist, der die Minimalentfernung zeigt, bei der eine nicht mehrdeutige Azimuthauflösung bereitgestellt wird.
In Fig. 1A sendet eine sich an Bord eines sich bewegenden Flugzeuges 10 befindende Radarausrüstung Radarimpulse über eine Antenne aus, deren Strahlungskeule 12 die Fläche des Bodenterrains 14 ausleuchtet. Wie unten beschrieben, erzeugt die Radarausrüstung an Bord des Flugzeuges 10 SAR-Signale, die Radarechos von jeweiligen Zellen eines Azimuth/Entfernungsgitters repräsentieren, das in Fig. 1B dargestellt ist. Das Gitter umfaßt sich kreuzende Linien des Azimuthwinkels θ und Inkremente der Entfernung r, die die einzelnen Zellen bilden, die durch die Radarausrüstung abgebildet bzw. kartographiert werden. Die Antennenstrahlungskeule 12 leuchtet zu einem gegebenen Zeitpunkt nur einen Teil der Fläche 14 aus. Es versteht sich daher, daß jede Azimuthzelle während eines Zeitabschnittes erzeugt wird, in dem sich das Flugzeug 10 um eine gewisse Entfernung relativ zu der Fläche 14 bewegt, wie es durch die gestrichelte Umrandung dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt die Radarausrüstung an Bord des sich bewegenden Flugzeuges. Die Antenne 16 hat zwei Aperturen 18 und 20. Die Antenne 16 ist ein zweidimensionaler Array mit geschlitzten Elementen und einem kegelförmigen Strahlungsmuster, das zu Empfangszwecken in zwei Hälften segmentiert ist, die die Aperturen 18 und 20 aufweisen, d.h. ein zweidimensionaler ebener Array. Zur weiteren Beschreibung einer solchen Antenne wird auf die Seiten 141-146 der Abhandlung "Introduction to Airborne Radar" von G.W. Stimson, Hughes Aircraft Company 1983, Bezug genommen. Ein herkömmlicher Radarsender 22 ist mit den Aperturen 18 und 20 über eine Zirkulatoreinrichtung 23 und eine Hybrideinrichtung 24 verbunden. Der Sender 22 liefert der Antenne 16 Funkfrequenz- bzw. Radiofrequenzimpulse mit einer Impulswiederholfrequenz (PRF). Die Antenne 16 empfängt die Echos der Impulse von der Bodenfläche 14. Die Aperturen 18 und 20 sind mit einer herkömmlichen Hybrideinrichtung 24 verbunden, die zwei Ausgangssignale erzeugt, von denen eines die Summe (Σ) und das andere die Differenz (Δ) der an den zwei Aperturen empfangenen Signale ist. Allgemein gesagt könnte jede Monopulsantenne verwendet werden, um Summen- und Differenz-Signale der Empfangsantenne zu liefern, einschließlich einer Amplitudenmonopulsantenne. Daher kann die Monopulsantenne im allgemeinen als eine Antenne mit einem Summen- und einem Differenzanschluß charakterisiert werden, wobei die Antennensummensignale an dem Summenanschluß und die Antennendifferenzsignale an dem Differenzanschluß geliefert werden.
Das Summensignal von der Hybrideinrichtung 24 wird an einen ersten herkömmlichen SAR-Empfänger 26 angelegt. Das Differenzsignal von der Hybrideinrichtung 24 wird an einen zweiten herkömmlichen SAR-Empfänger 28 angelegt. Die SAR-Prozessoren 26 und 28 umfassen eine herkömmliche Vorrichtung, die die jeweiligen Summen- und Differenzsignale auf eine Weise verarbeitet, die auf den Seiten 515-562 der angegebenen Abhandlung "Introduction to Airborne Radar" beschrieben ist.
Der SAR-Prozessor 26 erzeugt einen Satz von ersten SAR- Signalen X (r, f), wobei r die Entfernung und f die Dopplerfrequenz darstellt. Die Signale X(r,f) stellen durch den Summenkanal erhaltene, SAR-verarbeitete Signale dar und liegen typischerweise in digitaler Form vor, wobei sie die Radarechos von den jeweiligen Zellen des Dopplerfrequenz/Entfernungsgitters vor der Transformation in ein Azimuth/Entfernungsgitter darstellen. In dem Frequenz/Entfernungsgitter existieren Azimuthmehrdeutigkeiten, die eine eindeutige Abbildung der Dopplerfrequenz auf den Azimuth ausschließen. Auf ähnliche Weise erzeugt der SAR- Prozessor 28 eine Serie von zweiten SAR-Signalen Y(r,f) (durch den Differenzkanal erhaltene, SAR-verarbeitete Signale), die typischerweise ebenfalls in digitaler Form vorliegen und die Radarechos von den jeweiligen Zellen des Frequenz/Entfernungsgitters für den Differenzkanal darstellen.
Erfindungsgemäß werden das erste und das zweite SAR- Prozessorsignal einer Kombinationseinrichtung 30 zugeführt. Die Funktion der Einrichtung 30 besteht darin, Signale zu bilden, die zur Rechten und zur Linken des Geschwindigkeitsvektors weisende Antennen repräsentieren. Dies wird erreicht, indem die Summenabbildung X(r,f), die für jede Frequenz f Geschwindigkeitsmehrdeutigkeitten bei Azimuthwinkeln von af und -af hat, herangezogen und das Signal auf zwei unterschiedliche Arten mit der Differenzabbildung Y(r,f) kombiniert wird. Hierdurch werden zwei neue Signale ZL(r,f), das eine nach links weisende Antenne repräsentiert, wobei das mehrdeutige Echo zur Rechten des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht wird bzw. ausgelöscht wird, und ZR(r,f) gebildet, das eine nach rechts weisende Antenne repräsentiert, wobei die mehrdeutigen Echos zur Linken des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht werden. Dieser Schritt des Kombinierens ergibt sich durch
ZL(r,f) = ML(r,f) X(r,f) + NL(r,f) Y(r,f)
ZR(r,f) = MR(r,f) X(r,f) + NR(r,f) Y(r,f),
wobei ML, MR, NL und NR komplexe Gewichtungskoeffizienten darstellen.
Die komplexen Gewichtungskoeffizienten werden von einem Computer 32 auf der Grundlage von Eingangsdaten abgeleitet, die von einem Trägheitsnavigationssystem (INS) 34 und einer Datenspeichereinrichtung 36 wie einem Nur-Lese-Speicher bereitgestellt werden, wie es unten beschrieben ist. Das INS 34 erzeugt zeitlich variierende Signale, die die Position und die Geschwindigkeit des Flugzeugs 10 relativ zur Bodenfläche 14 darstellen und die es ermöglichen, daß die funktionale Abhängigkeit der Dopplerfrequenz f und des Azimuthwinkels af berechnet werden kann. Die Datenspeichereinrichtung 36 enthält die Antennenmuster für das Summen- und das Differenzmuster für die Antenne 16. Diese Daten werden von dem Computer 32 verwendet, um Antennenverstärkungen GΣ(r,af), GΣ(r,-af), GΔ(r,af) und GΔ(r,-af) zu bilden, die die Zweiwegverstärkungen der Summen- und der Differenzantenne in der Richtung entsprechend der Entfernung von r und in sowohl der af- als auch der -af-Richtung darstellen. Somit sind die komplexen Gewichtskoeffizienten gegeben durch
Der Ausgang der Kombinationseinrichtung 30 kann einer Anzeigeeinrichtung 38 oder einer anderen Aufzeichnungseinrichtung zugeführt werden. Die Pixelintensität ist für eine gegebene Entfernungs /Azimuthzelle gegeben durch
P(r,-af) = ZL(r,f) ²
P(r,af) = ZR(r,f) ²,
wobei af die Azimuthkoordinate entsprechend dem Bodenpunkt zur Rechten des Geschwindigkeitsvektors mit der Dopplerfrequenz f ist.
Fig. 3A stellt in einer vereinfachten graphischen Form ein typisches Summen- und typisches Differenzmuster als eine Funktion der Winkelposition (θ) in bezug auf die Hauptstrahlrichtung des Antennenarrays dar. Diese Muster sind auf dem Gebiet des Monopulsradars bekannt. Wenn daher das Ziel direkt auf der Hauptstrahlrichtung liegt, sind die Signale von den jeweiligen zwei Aperturen gleich groß und in Phase und löschen einander aus, wenn sie differenziert werden, wie es durch die Null in dem Differenzmuster gezeigt ist. Im Gegensatz hierzu nimmt das Summensignal in diesem Fall einen Scheitelwert an. Wenn die Winkelposition von der Hauptstrahlrichtung abweicht, nimmt die Amplitude des Summensignals ab, während das Differenzsignal auf ein relatives Amplitudenmaximum ansteigt, bevor die Amplitude abnimmt. Eine für die vorliegende Erfindung brauchbare, beispielhafte Antenne kann eine effektive Strahlbreite (Null zu Null) von etwa 6 Grad ausgerichtet zur Richtung des Geschwindigkeitsvektors des Flugzeuges haben.
Fig. 3B stellt zwei Muster dar, die sich aus der Bildung der gewichteten linearen Kombination des Summensignals mit dem Differenzsignal ergeben, wie es bei der Bildung von ZL(r,f) und ZR(r,f) vorgeschrieben ist. Diese Muster liegen für feste Werte von ML, NL, MR und NR vor. Es ist offensichtlich, daß die ZL(r,f) bildende Kombination zu einer Verschiebung eines wirksamen Musters nach links gegenüber dem Summenmuster führt (Fig. 3A), während die letztere Kombination zu einer Verschiebung des Signalverlaufs nach rechts führt. Diese Eigenschaft wird von der Erfindung ausgenutzt, um die Signalvektoren von der linken und der rechten Arrayapertur wieder herzustellen.
Die Eigenschaft des in Fig. 2 gezeigten Systems, die Strahlungskeule in Bewegungsrichtung zu schärfen, wird nachstehend erläutert, indem das System auf einen Längsstrahler-Array bezogen wird. Längsstrahlerarrays sind in der Antennentechnik bekannt. Sie wachsen zur Erzielung von engen Strahlkeulen sehr lang an und sind aufgrund der wechselseitigen Kopplung zwischen den Elementen schwierig zu konstruieren. Diese beiden Schwierigkeiten werden durch eine synthetische Längsstrahlerantenne überwunden, die das geeignete Modell für die Evaluation der Eigenschaft darstellt, die Strahlungskeule in Bewegungsrichtung zu schärfen. Synthetische Antennen arbeiten derzeit mit effektiven Längen von einigen tausend Fuß und zwischen zeitsequentiellen Elementen kann eine gegenseitige Kopplung nicht existieren.
Die Auflösung eines Längsstrahlerarrays einer Antenne der Länge L kann aus Fig. 4 abgeleitet werden. Das Verlängern von Seiten des Dreiecks durch den Satz des Pythagoras und das Vernachlässigen von kleinen Werten führt zu θ² = λ/2L. Der Wert von λ/4 ergibt die -3 dB-Punkte eines synthetischen Arrays. Der Wert von λ/2 ergibt die erste Null der synthetischen Strahlungskeule in Bewegungsrichtung oder den Scheitel der nächsten Strahlungskeule, die von einem Array der Länge L erzeugt wird. Die N-te Strahlbreite nimmt ab mit (λ/2L)1/2 ((N+1)1/2 - (N)1/2 )≈ (λ'8LN)1/2. Wie sich diese Strahlbreite zur Bodenauflösung verhält, ist aus einer Prüfung der Isodopplerlinien zu ersehen, deren Separation für eine konstante Dopplerveränderung proportional zur Längsstrahlerauflösung ist. Die Isodopplerlinien bilden eine Fresnelzonenplatte, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Da jede Elevations-Schnittansicht durch eine Fresnelzonenplatte denselben Elementabstand zeigt (d.h. die Entfernung zwischen den Schnittpunkten von Elevationslinien mit den Isodopplerlinien ist unabhängig von der Elevation), ist die Azimuthauflösung unabhängig vom Elevationswinkel und hängt nur vom Azimuthwinkel und nicht vom Konuswinkel ab, wie es allgemein angenommen wird. Dieser Effekt ist durch die verschiedenen Bodenebenenschnitte in Fig. 5 dargestellt. Dies schafft eine für das System leicht vorhersehbare Leistungsfähigkeit, da die Auflösung nicht eine Funktion der Elevation ist.
Bei kleinen Schielwinkeln eines Längsstrahlerarrays leuchtet die reale Strahlungskeule zwei gleichzeitige Richtungen auf jeder Seite des Geschwindigkeitsvektors aus, die Bodendaten derselben Entfernung und Dopplerfrequenz als Echo zurückgeben. Dies ist in der Draufsicht von Fig. 6 gezeigt, die eine Ansicht auf das sich bewegende Flugzeug darstellt. Erfindungsgemäß können diese Echopaare getrennt werden, so daß sich eine in Bewegungsrichtung nicht mehrdeutige Bodenabbildung bei einer um 10:1 oder mehr geschärften Dopplerstrahlungskeule ergibt. Daher hat die durch die Erfindung erzeugte Abbildung eine Winkelauflösung, die zehnmal genauer ist als die der Strahlungskeule der Summenantenne.
Verschiedene Ziele mit derselben Entfernung und Dopplerfrequenz, die sich jedoch in unterschiedlichen Richtungen weg von dem Geschwindigkeitsvektor des sich bewegenden Fahrzeuges befinden, werden unter Verwendung einer Mehrfachapertur oder Monopulsantenne wie der Antenne 16 (Fig. 2) getrennt. Insbesondere, da die Richtung zu jedem der mehrdeutigen Echos bei einer gegebenen Dopplerfrequenz bekannt ist, ist eine einfache Azimuth-Monopulsantenne alles, was erforderlich ist.
Wie es oben unter Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, werden die doppler-gefilterten Summenund Differenzsignale von der Monopuls-Hybrideinrichtung kombiniert, um die mehrdeutigen Echos unwirksam zu machen. Um zu zeigen, daß die gewichtete lineare Kombination von SAR-Signalen bei der bevorzugten Ausführungsform die Mehrdeutigkeit unwirksam macht, nehme man SAR-Signale mit einer Entfernung r und einer Dopplerfrequenz f an. Wie zuvor sei X(r,f) das SAR-Signal für den Summenkanal und Y(r,f) das SAR-Signal für den Differenzkanal. Da die Richtungen (± af) zu den mehrdeutigen Dopplerfrequenzen relativ zu dem Geschwindigkeitsvektor berechnet werden können durch
af = cos&supmin;¹(Vf/2λ)
wobei V die Geschwindigkeit des Flugzeuges ist, können die Antennenverstärkungen in diesen Richtungen bei gegebenem Antennenausrichtungswinkel relativ zu dem Geschwindigkeitsvektor berechnet werden. Dann können die Antennenverstärkungen GΣ(r,af), GΣ(r,-af), GΔ(r,af) und GΔ(r,-af) für die Summen- und die Differenzantenne in den dem Azimuthwinkel ± af in der Entfernung r entsprechenden Richtungen aus der Kenntnis der Antennenverstärkung und der Antennenausrichtung bestimmt werden. Typischerweise werden diese Verstärkungen für jeden Dopplerfilter bestimmt.
Nimmt man an, daß eine Streuemrichtung bei (r,az) vorliegt, dann ergibt sich durch Einsetzen der Antennenverstärkungen in die Ausdrücke für die bevorzugte Ausführungsform das Echo der Streuung für ZL(r,f) und ZR(r,f) wie folgt:
ZL(r,f) = ML(r,f) GΣ(r,aZ) + NL(r,f) GΔ(r,az)
ZR(r,f) = MR(r,f) GΣ(r,aZ) + NR(r,f) GΔ(r,az).
Dieses Echo ist in Fig. 3B gezeigt, wobei das Dopplerecho nicht enthalten ist. Schließlich ergibt sich durch Einsetzen der Verstärkungen aus ML(r,f), MR(r,f), NL(r,f) und NR(r,f) die verarbeitete Verstärkung einer Streuemrichtung bei (r, az = -af) durch
ZL(r,f) = 0
ZR(r,f) = 1
was zeigt, daß die Streuemrichtung bei af von dem linken Signal ZL(r,f) befreit worden ist und in dem rechten Signal ZR(r,f) eine Einheitsverstärkung aufweist. Auf ähnliche Weise wird eine Streuemrichtung bei (r,-af) von dem ZR(r,f)-Signal befreit, wodurch die gewünschten Eigenschaften erreicht sind.
Es versteht sich, daß das System typischerweise die Summenund Differenzsignale verarbeiten wird, um für jedes Dopplerfilter eine nach links und eine nach rechts weisende Strahlungskeule bereitzustellen.
Die -3 dB-Azimuthauflösung in Bewegungsrichtung fur eine Arraylänge von L beträgt θ = (λ/2L)1/2. Für λ = 3 cm und L im Bereich von 50 bis 500 Metern ist θ etwa 5 bis 15 mrad. Eine solche Arraylänge ergibt handhabbare Anforderungen an die Bewegungskompensation und kohärente Arrayzeiten (die Zeit, die benötigt wird, um die Arraylänge von L zu queren) von 0,3 bis 3 Sekunden bei Geschwindigkeiten des Flugzeuges in der Größenordnung von Mach 0,5. Im Betrieb ist die Strahlbreite der realen Antenne etwa 50 mrad, was Azimuthauflösungsverbesserungen von 3 bis 10 in Bewegungsrichtung ergeben wird, die sich schnell verbessern, wenn man sich von jener Richtung fortbewegt. Dies entspricht der oben berechneten Auflösung von 5 bis 15 mrad.
Wenn man einen synthetischen Array der Länge L fliegt, werden trennbare Isodopplerlinien erzeugt, die durch fd = V/L = 1/T getrennt sind, wobei T die Arrayzeit und V die Geschwindigkeit ist. Bei einer kurzen Entfernung liegen einige dieser Isodoppler im Inneren von einer Entfernungsauflösungszelle auf dem Boden und bei gewissen Entfernungen ist die Azimuthauflösung schlechter als Rθ, wie es in Fig. 7A gezeigt ist. Bei einer großen Entfernung liegen einige Entfernungsauflösungszellen zwischen einem Paar von trennbaren Isodopplerlinien und die Azimuthauflösung ist bei allen Entfernungen Rθ oder besser, wie es in Fig. 7C gezeigt ist. Der in Fig. 7B gezeigte Grenzfall liegt vor, wenn die Elevationswinkeländerung δψ, für ein Paar von trennbaren Isodopplern gerade gleich der Elevationswinkeländerung für eine Entfernungsauflösungszelle ist, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Die dem Fall von Fig. 7B entsprechende Entfernung kann wie folgt gefunden werden.
Die Elevationswinkeländerung (δψ&sub1;) beträgt für eine Entfernungsauflösungszelle (dr) (δψ&sub1;) = h dr/R². Der Winkel (δψ&sub2;) zwischen Isodopplerlinien beim Winkel ψ ergibt sich aus:
1/T = v/L = fd = (2v/λ) (cosψ - cos(ψ+δψ&sub2;)
L = λ/2θ²
ψ = L/R
cosψ ≈ 1-ψ²/2
(2vθ²)/λ ≈ (2v/λ) (h/r) (δψ&sub2;)
δψ&sub2; ≈ Rθ²/L = δψ¹ = hdr/R².
Daher liefert R³ = h²dr/θ² eine Minimalentfernung für eine Worst-Case-Azimuthauflösung von θ, wobei h die Höhe, dr die Entfernungsauflösung und θ die Strahibreite in Bewegungsrichtung ist.

Claims

1. Radarvorrichtung, die eine synthetische Apertur (SAR) aufweist und dazu ausgelegt ist, in einem sich bewegenden Fahrzeug (10) in Bewegungsrichtung für eine Schärfung der Strahlenkeule zu sorgen, mit:

- Mitteln (16-24), um an Bord des sich bewegenden Fahrzeuges (10) Radarechos mit einer Antenne, vorzugsweise einer Monopulsantenne (16) zu empfangen&sub1; die einen Summenanschluß und einen Differenzanschluß aufweist, um ein Summenanschlußsignal von dem Summenanschluß und ein Differenzanschlußsignal von dem Differenzanschluß bereitzustellen;

- ersten SAR-Verarbeitungsmitteln (26), um die Summenanschlußsignale über einen gegebenen Zeitabschnitt zu verarbeiten und einen ersten Satz von SAR-Signalen X(r,f) zu erzeugen, die Radarechos von den entsprechenden Zellen eines Dopplerfrequenz/Entfernungsgitters darstellen, wobei der erste Satz von SAR-Signalen X (r, f) durch Dopplermehrdeutigkeiten von Azimuthwinkeln auf entgegengesetzten Seiten des Geschwindigkeitsvektors des sich bewegenden Fahrzeuges (10) bestimmt ist;

- zweiten SAR-Verarbeitungsmitteln, um die Differenzanschlußsignale über einen gegebenen Zeitabschnitt zu verarbeiten und einen zweiten Satz von SAR-Signalen Y(r,f) zu erzeugen, die Radarechos von den entsprechenden Zellen des Gitters darstellen; und

- Mitteln (30), die dazu ausgelegt sind, eine gewichtete lineare Kombination des ersten und des zweiten Satzes von SAR-Signalen X(r,f), Y(r,f) durchzuführen, um erste Ausgangssignale ZL(r, f) zu bilden, die eine nach links weisende Antenne repräsentieren, wobei die mehrdeutigen Echos zur Rechten des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht werden, und zweite Ausgangssignale ZR(r,f) zu erzeugen, die eine nach rechts weisende Antenne repräsentieren, wobei die mehrdeutigen Echos zur Linken des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

- die Tatsache, daß die Antenne (16) linke und rechte Aperturen (18, 20) aufweist, um entsprechende linke und rechte Echosignale zu erzeugen; und

- Mittel (22-24), um ein die Summe aus den linken und rechten Echosignalen repräsentierendes Summensignal sowie ein die Differenz zwischen den linken und den rechten Echosignalen repräsentierendes Differenzsignal zu erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (16) eine effektive Hauptstrahlbreite von Null zu Null von ungefähr sechs Grad aufweist und im wesentlichen in Richtung des Geschwindigkeitsvektors des sich bewegenden Fahrzeuges (10) ausgerichtet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satz von SAR-Signalen durch die Summenkarte X(r,f) repräsentiert ist, wobei r die Entfernung und f die Dopplerfrequenz ist, der zweite Satz von SAR-Signalen durch die Differenzkarte Y(r,f) repräsentiert ist, und wobei die Mittel zur Durchführung einer gewichteten linearen Kombination erste Ausgangssignale ZL(r, f) liefern, die die nach links weisende Antenne repräsentieren und zweite Ausgangssignale ZR(r, f) liefern, die die nach rechts weisende Antenne repräsentieren, und wobei die Signale durch die folgenden Beziehungen gekennzeichnet sind:

ZL(r,f) = ML(r,f) X(r,f) + NL(r,f) Y(r,f)

ZR(r,f) = MR(r,f) X(r,f) + NR(r,f) Y(r,f),

wobei ML, MR, NL und NR komplexe Gewichtungskoeffizienten sind, die von dem Ort und der Geschwindigkeit des sich bewegenden Fahrzeuges (10) abhängen.

5. SAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Anzeigevorrichtung (38) zum Anzeigen der ersten und zweiten Ausgangssignale ZL(r,f), ZR(r,f), wobei die Pixelintensität P für eine Azimuthzelle mit gegebener Entfernung gegeben ist durch:

P(r,-af) = ZL(r,f) ²

P(r,af) = ZR(r,f) ²,

wobei af der der Dopplerfrequenz f entsprechende Azimuthwinkel zur Rechten des Geschwindigkeitsvektors und -af der der Dopplerfrequenz f entsprechende Azimuthwinkel zur Linken des Geschwindigkeitsvektors ist.

6. Verfahren, um in einem Radar mit synthetischer Apertur (SAR) für eine Schärfung der Strahlungskeule in Bewegungsrichtung zu sorgen, mit den Schritten:

- Empfangen von Radarechos an Bord des sich bewegenden Fahrzeuges (10) mit einer Antenne (16), die einen Summenanschluß und einen Differenzanschluß aufweist, um ein Summenanschlußsignal von dem Summenanschluß und ein Differenzanschlußsignal von dem Differenzanschluß zu liefern;

- Verarbeiten der Summenanschlußsignale über einen gegebenen Zeitabschnitt, um einen ersten Satz von SAR-Signalen X(r,f) zu erzeugen, die die Radarechos von den entsprechenden Zellen eines Dopplerfrequenz/Entfernungsgitters repräsentieren, wobei der erste Satz von SAR-Signalen X(r,f) durch Dopplermehrdeutigkeiten von Azimutwinkeln auf gegenüberliegenden Seiten des Geschwindigkeitsvektors des sich bewegenden Fahrzeuges (10) bestimmt ist;

- Verarbeiten der Differenzanschlußsignale über einen gegebenen Zeitabschnitt, um einen zweiten Satz von SAR-Signalen Y(r,f) zu erzeugen, die die Radarechos von den entsprechenden Zellen des Gitters repräsentieren; und

- Durchführen einer gewichteten linearen Kombination des ersten und zweiten Satzes von SAR-Signalen X (r, f), Y(r,f), um erste Ausgangssignale ZL(r,f) zu erzeugen, die eine nach links weisende Antenne repräsentieren, wobei die mehrdeutigen Echos zur Rechten des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht werden, und zweite Ausgangssignale ZR(r,f) zu erzeugen, die eine nach rechts weisende Antenne repräsentieren, wobei die mehrdeutigen Echos zur Linken des Geschwindigkeitsvektors unwirksam gemacht werden.