DE69203369T2

DE69203369T2 - Verfahren und Gerät zur Prüfung einer Gruppenantenne während ihres Betriebes.

Info

Publication number: DE69203369T2
Application number: DE69203369T
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Skrzypczak
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1995-12-21
Anticipated expiration: 2012-03-21
Also published as: FR2674635B1; ES2076010T3; US5198821A; DE69203369D1; FR2674635A1; CA2063764A1; EP0506527B1; EP0506527A1; GR3017052T3; JPH06213949A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Online-Testen, d.h. zum Testen einer in Betrieb befindlichen Antenne, die aus mehreren Strahlungsquellen aufgebaut ist.
Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft die Nonopuls-Sekundär-Radargeräte, mit denen Impulse, die von einem IFF-Abfragesender (Identification friend or foe, d.h. Freund- Feind-Identifikation) erzeugt werden, in den Raum gestrahlt und die eventuellen Antworten von abgefragten Flugzeugen aufgefangen werden können. Solche Antennen sind aus mehreren Strahlungselementen gebildet, die Säulen genannt werden. Am Einsatzort ist es sehr schwierig zu ermitteln, ob eine oder mehrere dieser Säulen versagen, ferner können bei einer Minderung der Leistung der Antenne die Säule oder die Säulen, die hierfür die Ursache bilden, nicht genau lokalisiert werden.
Ein bekanntes praktisches Verfahren für die Lokalisierung der ausgefallenen Säulen besteht darin, einen Detektor nacheinander vor jeder Säule anzuordnen, um zu überprüfen, ob deren Strahlung die erwartete Strahlung ist. Der Nachteil eines solchen Verfahrens besteht in der Wechselwirkung der Strahlungsdiagramme der der getesteten Säule benachbarten Säulen, was die ausgeführten Messungen wenig genau macht. Außerdem müssen bei diesem Verfahren die Funktionen des Abfragens sowie des Empfangens von Nachrichten von Antworten von Flugzeugen der Antenne vorübergehend angehalten werden.
Es sind außerdem andere Verfahren vorhanden, die direkt mit dem Strahlungsdiagramm der Antenne arbeiten und auf den folgenden Prinzipien beruhen:
- Der mittlere Pegel der sekundären Keulen kann die Erfassung eines Ausfalls ermöglichen. Dieses Verfahren wird verworfen, weil es nicht ermöglicht, eine zuverlässige Information hinsichtlich der an den Enden befindlichen Säulen zu entnehmen, für die die Veränderungen des mittleren Pegels der sekundären Keulen sehr gering sind;
- die charakteristische Funktion der Dipolzeile wird so oft null, wie in der Zeile Strahlungselemente vorhanden sind. Die Beobachtung der Anzahl der Nullstellen müßte daher die Erfassung von Ausfällen ermöglichen. Dieses Verfahren ist indessen insofern wenig zuverlässig, als in der Praxis Reflexionen an Hindernissen die Nullstellen beseitigen können;
- das Strahlungsdiagramm einer Antenne leitet sich von der Fourier-Transformierten der Strahlung dieser Antenne ab. Durch Berechnen der inversen Fourier-Transformierten müßte daher das Strahlungsbild der Antenne rekonstruiert werden können, so daß an den Stellen ausgefallener Säulen Löcher erfaßt werden. Tatsächlich ist dieses Verfahren nicht auswertbar, weil die wesentliche Information des Signals, nämlich seine Phase, nicht wiedergewonnen werden kann.
Die inverse Fourier-Transformierte wird beispielsweise in dem Dokument IEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, Bd. 36, Nr. 6, Juni 1988, Seiten 884-889, New York, USA, J.J.LEE u.a.: "Near-Field Probe Used as a Diagnostic Tool In Locate Defective Elements in an Array Antenna", verwendet.
Die Aufgabe der Erfindung ist, diese vorangehenden Nachteile zu beseitigen, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Testen der Funktion einer Gruppenantenne vorgeschlagen werden, die die genaue Lokalisierung der ausgefallenen Strahlungsquelle(n) ermöglichen, ohne daß die Hauptfunktion dieser Antenne gestört wird.
Obwohl die Beschreibung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung im Rahmen der Anwendung auf ein Sekundär-Radargerät erfolgt, ist es schon jetzt wichtig anzumerken, daß die Erfindung nicht auf diese besondere Anwendung eingeschränkt ist, wie aus dem folgenden deutlich wird.
Die Erfindung hat genauer ein Verfahren zum Testen einer Antenne mit mehreren Strahlungsquellen am Einsatzort zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, daß:
- eine Bibliothek aus Strahlungsdiagrammen der Antenne gebildet wird, einerseits für den Fall, daß alle Strahlungsquellen normal arbeiten, und andererseits für den Fall, daß wenigstens eine der Quellen absichtlich in einen Fehlerzustand versetzt ist;
- das Strahlungsdiagramm der Antenne bei ihrem Betrieb am Einsatzort erfaßt wird;
- der Korrelationskoeffizient des Strahlungsdiagramms mit jedem der in der Bibliothek enthaltenen Diagramme berechnet wird;
- der maximale Wert des Korrelationskoeffizienten in der Weise berechnet wird, daß ein möglicher Ausfall einer oder mehrerer der Strahlungsquellen festgestellt wird.
Die Erfindung hat außerdem eine Vorrichtung zum Testen einer aus mehreren Strahlungsquellen gebildeten Antenne am Einsatzort zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält:
- erste Mittel zum Messen und Speichern von Strahlungsdiagrammen der Antenne, einerseits für den Fall, daß alle Strahlungsquellen arbeiten, und andererseits für den Fall, daß wenigstens eine der Quellen absichtlich in einen Fehlerzustand versetzt ist;
- zweite Mittel zum Messen des Strahlungsdiagramms der Antenne, wenn diese an ihrem Einsatzort arbeitet;
- Mittel zum Berechnen des Korrelationskoeffizienten des Strahlungsdiagramms der Antenne und jedes in der Bibliothek enthaltenen Diagramms;
- Mittel zum Berechnen des Maximalwerts des Korrelationskoeffizienten zum Feststellen eines möglichen Fehlerzustandes.
Das Testverfahren und die Testvorrichtung werden besser verstanden bei der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die folgenden Figuren:
- Fig. 1 ist eine Darstellung der Vorderseite eines Sekundär- Radargeräts;
- Fig. 2 ist eine Darstellung der Rückseite derselben Antenne;
- Fig. 3 zeigt drei Strahlungsdiagramme der vorangehenden Antenne;
- Fig. 4 ist eine Blockstruktur, die die Stufen zeigt, die für den erfindungsgemäßen Test auszuführen sind.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die Vorder- bzw. die Rückseite eines Monopuls-Sekundär-Radargeräts. Diese Antenne enthält einen Träger 1, an dem Strahlersäulen (2, 3), beispielsweise in der Anzahl sechsunddreißig, befestigt sind, wobei die fünfunddreißig Säulen 2 vor der Antenne und die Säule 3 dahinter angeordnet sind. Die Strahlung kann beispielsweise durch mehrere Dipolstrahler erhalten werden, die auf jeder Säule angeordnet sind. Die Antenne ist einerseits dazu bestimmt, in den Raum Signale zu strahlen, die von einem (nicht gezeigten) Abfragesender erzeugt werden, und andererseits dazu, die Antworten aufzufangen, die von an Flugzeugen angebrachten Sendeempfängern ausgehen. Hierzu besitzt sie drei Strahlungsdiagramme, die in Fig. 3 schematisch dargestellt sind und die durch in bezug auf die Amplitude und die Phase unterschiedliche Energieverteilungen zwischen den sechsunddreißig Strahlersäulen erhalten werden. Die Antenne strahlt zunächst ein Diagramm (Σ) 3 aus, das eine gerichtete Hauptkeule 4 besitzt, die von Sekundärkeulen 5 umgeben ist und kraft derer sie ein Paar von Abfrageimpulsen aussendet. Um zu vermeiden, daß ein Sendeempfänger an Bord eines nahen Flugzeugs auf die durch die Sekundärkeulen 5 ausgesandten Impulse antwortet, wird ein mit den vorangehenden verschachtelter dritter Impuls gemäß dem Quasi-Rundstrahl-Strahlungsdiagramm (X) ausgesendet, der die Sekundärkeulen 5 vollständig abdeckt. Somit werden nur die in der Erfassungszone der Hauptkeule 4 befindlichen Flugzeuge dazu veranlaßt, auf die Abfragen der Antenne zu antworten. Das letzte Diagramm 7 oder Diagramm (Δ) ermöglicht, die Position des Flugzeugs, das eine Antwort ausgesandt hat, genauer zu bestimmen.
Fig. 4 erläutert die verschiedenen Stufen des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Eine mit 11 bezeichnete erste Stufe besteht darin, die drei Diagramme Σi, Xi, Δi (wobei i den Index der Säule bezeichnet), die in der besonderen Konfiguration, in der die Säule i absichtlich in einen Fehlerzustand versetzt ist, beispielsweise am Einsatzort der Antenne gemessen werden, in einer Bibliothek zu speichern. Der Index 0 entspricht dem Fall, in dem keine Säule in einem Fehlerzustand ist.
Die Notwendigkeit, die Dreiergruppe (Σ, X, Δ) von Strahlungsdiagrammen zu verwenden, ist wegen der Tatsache berechtigt, daß ein einziges Diagramm für die genaue Lokalisierung einer in einem Fehlerzustand befindlichen Säule nicht ausreicht. Die in den Eingang des Kanals (Σ) eingegebene Energie der Antenne verteilt sich zwischen den fünfunddreißig vorderen Säulen mit der gleichen Phase und mit von der Mitte der Antenne zu ihren Enden abnehmenden Amplituden. Somit ermöglicht das Diagramm (Σ) nur die Erfassung von Fehlerzuständen von Säulen, die sich nahe an der Mitte der Antenne befinden, mit der weiteren Zweideutigkeit hinsichtlich der relativen Position dieser Säulen in bezug auf die Mitte. Für das Strahlungsdiagramm (Δ) werden die siebzehn links von der Mittelsäule sich befindenden Säulen mit einer in bezug auf die siebzehn rechts befindlichen Säulen entgegengesetzten Phase gespeist. Dadurch ist es möglich, die obige Zweideutigkeit zu beseitigen. Außerdem ermöglicht die Amplitudenverteilung des Diagramms Δ die bestimmtere Verarbeitung der beiderseits der Mitte angeordneten Säulen jeder Hälfte der Antenne. Schließlich ermöglicht das Diagramm (X), für das nur die hintere Mittelsäule mit in bezug auf die fünfunddreißig anderen Säulen entgegengesetzter Phase gespeist wird, den Fehlerzustand dieser hinteren Säule zu erfassen.
Die mit 22 bezeichnete zweite Stufe des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, am Einsatzort zu vorgegebenen Zeiten die drei Strahlungsdiagramme Σ, X, Δ der Antenne bei ihrem IFF-Abfragebetrieb zu messen.
Die mit 44 bezeichnete dritte Stufe ist die Berechnung der Korrelationskoeffizienten für jedes Paar von Signalen (Σi, Σ), (Δi, Δ), (Xi, X), wobei dieser Korrelationskoeffizient für ein Signalpaar (xi(t), x(t)) durch die folgende Beziehung gegeben ist:
Dieser Koeffizient pxi ermöglicht die Bewertung der Ähnlichkeit der beiden Signale x(t) und xi(t), wobei die maximale Ähnlichkeit theoretisch für pxi = 1 erreicht wird und die vollständige Dekorrelation für pxi = 0 erreicht wird.
Die Stufen 44 und 55 ermöglichen daher die Erfassung der im Fehlerzustand befindlichen Säule i. Genauer ermöglicht die Stufe 44 die Berechnung der Maximalwerte der Koeffizienten pΣi, pΔi und pXi; wobei diese Werte in der Praxis notwendigerweise nicht 1 sind, weil die Ähnlichkeit niemals perfekt ist. Die Säule i, die in der Stufe 55 als wahrscheinlich im Fehlerzustand befindlich identifiziert wird, entspricht dem höchsten Korrelationskoeffizienten. In dem Fall, in dem mehrere Säulen in den Fehlerzustand versetzt sind, wird die Operation ausgehend von der Stufe 33 wiederholt, um sämtliche Säulen zu untersuchen. Anstelle des Vorgehens durch Wiederholung könnte ebensogut an eine Bibliothek gedacht werden, die größer als die vorhergehende ist und die Fehlerzustandskonfigurationen für mehr als eine Säule enthält.
Die Erfindung schlägt außerdem eine Vorrichtung für die Ausführung des Verfahrens wie oben beschrieben vor.
Die Stufen 11 und 22 des Verfahrens sind Erfassungen von Strahlungsdiagrammen am Einsatzort. Hierzu wird eine Boden-Funkbake verwendet, die innerhalb der optischen Reichweite des Radargeräts angeordnet ist (typischerweise zwischen 1 km und 50 km), wobei diese Funkbake bis auf die Tatsache, daß sie auf sämtliche von der Antenne ausgesandten Abfragen antwortet, wie ein Sendeempfänger von Flugzeugen arbeitet. Die Erfassung der drei Diagramme (Σ), (Δ) und (X) erfolgt durch Messung der Spitzenamplituden der drei Impulse, die die Antwort der Funkbake bilden. Diese Erfassung erfolgt in mehreren Umdrehungen der Antenne, wodurch es möglich ist, sehr genaue Strahlungsdiagramme zu erhalten. Die Idee beruht auf der Tatsache, daß die Position der Antenne im allgemeinen beispielsweise kraft eines optischen Codierers bekannt ist, der n Bits enthält und dessen Auflösung 320º/2n beträgt. Durch Erfassen der Spitzenamplituden der Antworten der Funkbake für eine Position der Antenne, die sich von 0º bis 360º ändert, und mit einer Schrittweite, die soweit wie möglich an die Auflösung des Codierers angenähert ist, können sehr genaue Strahlungsdiagramme erhalten werden. Die Gewinnung sämtlicher Punkte erfordert die Ausführung von Messungen in mehreren Umdrehungen der Antenne. Indessen handelt es sich hierbei nicht um einen Zwang, weil die Antenne fortgesetzt ihre IFF-Abfragesenderfunktion gewährleistet.
Diese Vorrichtung ermöglicht somit die sehr genaue Messung einerseits der Dreiergruppe (Σi, Δi, Xi,), die anschließend in einer Bibliothek gespeichert werden muß, und andererseits der Dreiergruppe (Σ, Δ, X) mit dem Ziel, einen oder mehrere eventuelle Ausfälle zu erfassen. Der Rest der Testvorrichtung kann durch sämtliche Mittel verwirklicht werden, die die Berechnung der drei Korrelationskoeffizienten pΣi, pΔi und pXi, die Suche ihres jeweiligen Maximums und somit die Bestimmung der wahrscheinlich im Fehlerzustand befindlichen Säule ermöglichen.
Wie oben bereits erwähnt worden ist, ist die Erfindung in keiner Weise auf Monopuls-Sekundär-Radargeräte eingeschränkt und kann sich auf sämtliche Fälle erstrecken, die wenigstens zwei Strahlerquellen besitzen.
Außerdem kann die Bildung der Bibliothek auch durch einfache mathematische Rechnung erfolgen.

Claims

1. Verfahren zum Testen einer Antenne mit mehreren Strahlungsquellen am Einsatzort, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, daß

- eine Bibliothek aus Strahlungsdiagrammen der Antenne gebildet wird, einerseits für den Fall, daß alle Strahlungsquellen normal arbeiten, und andererseits für den Fall, daß wenigstens eine der Quellen absichtlich in einen Fehlerzustand versetzt ist (11);

- das Strahlungsdiagramm der Antenne bei ihrem Betrieb am Einsatzort erfaßt wird (22);

- der Korrelationskoeffizient des Strahlungsdiagramms mit jedem der in der Bibliothek enthaltenen Diagramme berechnet wird (33);

- der maximale Wert des Korrelationskoeffizienten in der Weise berechnet wird (44), daß ein möglicher Ausfall einer oder mehrerer der Strahlungsquellen festgestellt wird (55).

2. Testverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bibliothek Strahlungsdiagramme der Antenne für die Fälle enthält, daß jede der Strahlungsquellen der Reihe nach in einen Fehlerzustand versetzt ist.

3. Testverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsdiagramme, die in der Bibliothek enthalten sind, hinsichtlich des Höhenwinkels erfaßt werden.

4. Testverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine Antenne für ein Monopuls-Sekundär-Radargerät ist und daß ihr Betrieb durch eine Dreiergruppe von Strahlungsdiagrammen repräsentiert wird.

5. Testverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreiergruppe aus einem Summendiagramm (Σ), einem Differenzdiagramm (Δ) und einem Quasi-Rundstrahldiagramm (X) besteht.

6. Testverfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Korrelationskoeffizienten für jedes die Dreiergruppe bildende Strahlungsdiagramm durchgeführt wird.

7. Vorrichtung zum Testen einer aus mehreren Strahlungsquellen gebildeten Antenne am Einsatzort, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält:

- erste Mittel zum Messen und Speichern von Strahlungsdiagrammen der Antenne, einerseits für den Fall, daß alle Strahlungsquellen arbeiten, und andererseits für den Fall, daß wenigstens eine der Quellen absichtlich in einen Fehlerzustand versetzt ist;

- zweite Mittel zum Messen des Strahlungsdiagramms der Antenne, wenn diese an ihrem Einsatzort arbeitet;

- Mittel zum Berechnen des Korrelationskoeffizienten des Strahlungsdiagramms der Antenne und jedes in der Bibliothek enthaltenen Diagramms;

- Mittel zum Berechnen des Maximalwerts des Korrelationskoeffizienten zum Feststellen eines möglichen Fehlerzustandes.

8. Testvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel die Strahlungsdiagrammessungen am Einsatzort bewirken.

9. Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine Antenne eines Monopuls-Sekundär-Radargeräts ist und daß die Mittel zum Messen der Strahlungsdiagramme am Einsatzort von einer Boden-Funkbake, die innerhalb der optischen Reichweite des Radar-Geräts angeordnet ist und auf alle Abfragen der Antenne antwortet, sowie von Mitteln zum Messen der Spitzenamplitude der Antworten der Funkbake über mehrere Antennenumdrehungen gebildet sind.