DE69224109T2

DE69224109T2 - Gruppenantenne mit schwenkender Keule zur Formverarbeitung von Radarimpulsen

Info

Publication number: DE69224109T2
Application number: DE69224109T
Authority: DE
Inventors: Kariel V Krikorian; Gib F Lewis; Robert A Rosen
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2012-06-27
Also published as: CA2071663C; CA2071663A1; US5225841A; IL102268A; EP0520489A3; KR930000964A; EP0520489B1; JP2564449B2; ES2111017T3; JPH05188132A; DE69224109D1; EP0520489A2

Description

Die vorliegende Erfindung ist eine Weiterentwicklung auf dem Gebiet von Radarsystemen mit aktivem, phasengesteuerten Array.
In fortschrittlichen Radarsystemen kännen neue Wellenformen, wie z.B. die Monopuls (Einzelpuls) -Dopplerwellenformen erhöhte Empfindlichkeiten erreichen. Die Monopuls- Dopplerwellenform ist durch ein hohes Tastverhältnis und eine geringe Pulswiederholfrequenz (PRF) gekennzeichnet. Die Dopplerinformation kann aus dem Echo eines einzelnen, übertragenen Pulses gewonnen werden. Ein verwandter Wellenformtyp ist die Puls-Burstwellenform. Diese Wellenform ist der Monopuls- Dopplerwellenform ähnlich, mit der Ausnahme, daß der Puls in viele kurze Burst aufgeteilt ist. Der Vorteil besteht darin, daß während der Puls-"Aus"-Zeiten im Verlauf der Pulsperiode Empfangsoperationen stattfinden kännen und nicht während des gesamten langen Sendepulses ausgeblendet werden, wie es bei den Monopuls-Wellenformen der Fall ist.
Postulierta Szenarien, die solche neue Wellenformen verwenden, beinhalten sehr große Entfernungen und schwere elektronische Gegenmaßnahmen (ECM). In diesen Szenarien sind Monopuls- Dopplerwellenformen besonders wirksam. Obwohl Anforderungen an die spektrale Reinheit des Senders, Verzerrungen, Nebenkeulen, Analog-Digital (ADC)- und Prozessor-Quantisierung sowie Verarbeitung erfüllt werden können, besteht die Hauptaufgabe beim Implementieren von Arrays mit dieser Wellenform und anderen fortschrittlichen Wellenformen in der genauen Formung des Sendepulses.
In den Fig. 1A und 1B ist eine beispielhafte Monopuls- Dopplerwellenform gezeigt. Fig. 1A illustriert den Status für das Freigeben des Senden als Funktion der Zeit und zeigt das hohe Tastverhältnis sowie die niedrige PRF dieser Wellenform. Fig. 1B zeigt die Leistungsverteilung als Funktion der Zeit für einen beispielhaften der ausgesendeten Pulse, wobei die Pulsformung gezeigt wird. Es ist bekannt, daß eine derartige Pulsformung beim Radar mit phasengesteuertem Array in nach unten schauenden Szenarien wünschenswert ist, da eine sich langsam bewegende Zieldetektion bei der Detektion von sich langsam bewegenden Zielen degradiert würde. Bodenstörflecken von dem DC- Dopplerfilter kontaminieren die unteren Nicht-DC-Filter, wenn nicht eine derartige Pulsformung verwendet wird. Eine Formung ist auch bei einigen konventionellen Wellenformanwendungen nützlich, um die Einschwingzeit der Fernbereichsstörflecken zu reduzieren.
Die Sendepulsformung muß sehr genau sein, um eine entsprechende Unterdrückung von Hauptkeulenstörflecken zu erreichen. Um die Primärleistung des Arrays sowie die Kühlanforderungen zu minimieren, ist es ferner wichtig, daß ein hoher Wirkungsgrad (d.h. ein minimaler Energieeinsatz) an den sich verjüngenden Kanten beibehalten wird.
In einem Radarsystem mit aktivem, phasengesteuertem Array besteht ein Verfahren zur Erzeugung von geformten Pulsen darin, die Sendeleistung eines aktiven Elementes über der Pulslänge zu verändern. Bei diesem Verfahren ist es jedoch extrem schwierig, die Amplituden der Elemente mit hinreichender Genauigkeit zu steuern. Darüber hinaus ist eine unbeabsichtigte Phasenmodulation wahrscheinlich, die die Störfleckenunterdrückung ebenfalls verschlechtert.
Ein weiteres Verfahren zum Erreichen der Pulsformung besteht in der Modulation des Tastverhältnisses. Die Idee besteht darin, den gewünschten, langen geformten Puls als Folge von vielen Subpulsen zu formen. Der Mittenabstand der Subpulse ist konstant, die Breite der Subpulse wird jedoch von der Mitte des langen Pulses weg reduziert. Diese Technik ermöglicht eine genauere Steuerung der effektiven Amplitudenverjüngung. Der Wirkungsgrad ist jedoch gering, weil es wahrscheinlich ist, daß die Elemente selbst während der Lücken zwischen den Subpulsen die volle Leistung erfordern.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel für genaue und wirksame Sendepulsformung in einem Radar mit aktivem, phasengesteuertem Array zu schaffen. Diese sowie andere Aufgaben und Vorteile werden bei einem System mit aktivem Array, das eine große Anzahl von Strahlung aussendenden Elementen umfaßt, die über die Strahlung aussendende Apertur verteilt sind, durch eine Schaltung zur Sendepulsformung erreicht, die einzelne Pulse präzise formt. Die Pulsformschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß für einen gegebenen Puls die Zahl von Strahlung aussendenden Elementen, die eingeschaltet sind, nach und nach am Beginn eines Sendepulsintervalls erhöht wird, bis in der Mitte des Pulsintervalls alle Elemente eingeschaltet sind, und danach die Zahl der Elemente, die eingeschaltet sind, nach und nach verringert wird, bis am Ende des Pulsintervalls keine Elemente mehr eingeschaltet sind. Dieser Typ von Array wird als ein "glitzerndes Array" beschrieben.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Strahlung aussendenden Elemente, die vom Beginn des Intervalls eingeschaltet werden, bis alle Elemente eingeschaltet sind, über die Apertur des Elementarrays statistisch verteilt. Darüber hinaus werden die Elemente nach der Mitte des Pulsintervalls in umgekehrter Ordnung zu der Ordnung abgeschaltet, in der sie eingeschaltet wurden.
Diese sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich genauer aus der folgenden, ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist, in der:
Fig. 1A und 1B typische Monopuls-Dopplerwellenform Merkmale zeigen;
Fig. 1C die Ausleuchtung eines aktiven Arrays für eine Puisformung in Übereinstimmung mit der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines die Erfindung verwendenden Radarsystems mit aktivem Array ist; und
Fig. 3 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Steuerschaltung für ein das System aus Fig. 2 enthaltendes Sendemoduis ist.
In dem erfindungsgemäßen Ansatz des "glitzernden" Arrays wird eine veränderbare Arrayausdünnung verwendet, um auf die gewünschte Weise die effektive, abgestrahlte Leistung (ERP) zu modulieren. Fig. 1C zeigt ein vereinfachtes Array 20, das eine kleine Anzahl von diskreten Elementen 22 umfaßt, die in einer kreisförmigen Apertur angeordnet sind. In dieser Fig. repräsentiert ein dunkles Element ein Element, das Strahlung aussendet oder "ein" ist, und ein nicht-dunkles Element repräsentiert ein Element, das zu dem bestimmten Zeitpunkt keine Strahlung aussendet oder "aus" ist. Der Status der Arrayelemente ist für fünf unterschiedliche Zeitpunkte während eines Einzelpulses gezeigt. Zu Beginn des Pulses, zum Zeitpunkt T1, sind nur wenige (2) Arrayelemente, die über das Array verteilt sind, eingeschaltet. Zum Zeitpunkt T2 sind mehr Elemente (5) des Arrays eingeschaltet. Zum Zeitpunkt T3, in der Mitte des Pulses, sind alle Elemente des Arrays eingeschaltet. Der Zeitpunkt T4 entspricht der Zeit T2, wobei dieselben Arrayelemente eingeschaltet sind, die zum Zeitpunkt T2 eingeschaltet waren. Demgemäß entspricht Zeitpunkt T5 dem Zeitpunkt T1 hinsichtlich der speziellen, eingeschalteten Arrayelemente.
Wie bei der Modulation des Tastverhältnisses kann die effektive Amplitude genau kontrolliert werden, weil jedes Element entweder aus oder in Sättigung ein ist. Bei dem glitzernden Array wird jedoch ein hoher Wirkungsgrad erreicht, weil das Abschalten von Elementen praktisch den elementaren Leistungsverbrauch eliminiert. Falls stattdessen ein variabler Abschwächer verwendet würde, könnten keine merklichen Einsparungen in der Leistung realisiert werden. Falls eine Modifikation des Tastverhältnisses der Wellenform verwendet würde, wäre darüber hinaus die Implementierung der Zeitsteuerschaltung sehr schwierig und würde nicht zu äquivalenten Leistungseinsparungen verglichen mit dem glitzernden Array führen.
Bei diesem Ansatz sind der Gewinn sowie die Leistung proportional zu der Zahl von "ein"-Elementen n. Die effektive Pulsamplitude a ist also folglich proportional zu n. Die Reduzierung des Gewinnes an den Pulskanten führt zu einem Verlust der gegeben ist durch:
L = a&sub0; /
wobei gilt: = mittlere Amplitude,
= Mittelwert des Amplitudenquadrates, und
a&sub0; = Spitzenamplitude.
Für eine cos²-Pulsform beträgt dieser Verlust 4/3 = 1,2 dB. Es sollte bemerkt werden, daß die Technik der Modulation des Tastverhältnisses einen vergleichbaren Verlust aufweist (zusätzlich zu dem Verlust infolge der in den ausgeschalteten Zuständen verbrauchten Leistung), weil ein Teil der Energie bei unnutzbaren Frequenzen plaziert ist.
Bei randomisierter Arrayausdünnung, d.h. in Fällen, bei denen die während eines bestimmten Augenblicks einzuschaltenden Arrayelemente statistisch ausgewählt werden, manifestiert sich der reduzierte Gewinn in mehr oder weniger gleichmäßigen, additiven Hintergrund-Nebenkeulen; die Strahlungskeulenbreite bleibt unverändert. (Falls im Gegensatz die Arrayelemente in geordneter Weise abgeschaltet würden, ausgehend von der Mitte des Arrays zu den Rändern des Arrays, ergibt sich eine Verbreiterung der Hauptkeule, die den Wirkungsgrad gegenüber Hauptkeulen-Störflecken merklich verschlechtern kann.) Allgemein sind diese additiven Sende-Nebenkeulen akzeptierbar, weil der Monopuls-Doppler eine Wellenform mit geringer PRF ist und folglich Störflecken der Nahbereichs-Nebenkeule automatisch unterdrückt. Schnelle Fluktuation der Hintergrund-Nebenkeulen hilft ebenfalls bei der Unterdrückung von Störflecken. Falls es zusätzlich erwünscht ist, kann nicht-randomisierte Ausdünnung die Nebenkeulen in für die Störfleckenunterdrückung nicht wichtigen Richtungen reduzieren. Verschiedene Elemente-Schaltmuster können eingesetzt werden, um für spezielle Anwendungen eine Feinabstimmung zu erreichen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 2 ist dort ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Radarsystems mit aktivem Array gezeigt, das die Erfindung einsetzen kann. Das System 50 umfaßt hier einen Empfänger/Erreger 52, einen Radarsignal-Prozessor und Daten-Prozessor 54 sowie eine Leistungsversorgung für das aktive Array und einen Strahlsteuercomputer 56. Der Empfänger/Erreger 52 liefert ein Sendesignal an einen HF-Verteiler, der das Sendesignal auf die verschiedenen aktiven Module 60A- 60N verteilt. Die Module 60A-60N sind ihrerseits mit den entsprechenden, Strahlung aussendenden Elementen 62A-62N verbunden. Die Module 60A-60N beinhalten variable Phasenschieberschaltungen, die in Antwort auf Befehle von dem Strahlsteuercomputer 56 so wirken, daß sie einen Sende- oder Empfangsstrahl in eine gewünschte Richtung steuern. Der Verteiler 58 wiederum kombiniert die von den Elementen 62A-62N empfangenen Signale und liefert das kombinierte Empfangssignal an den Empfänger/Erreger 52 zur Verarbeitung durch den Prozessor 54.
Der bereits beschriebene Betrieb des Systems so ist konventionell. In Übereinstimmung mit der Erfindung umfassen der Prozessor 54 und/oder der Computer 56 weiter Mittel, um die Sendemodule ein- und auszuschalten, um den oben beschriebenen Betrieb eines glitzernden Arrays zu erreichen. Alternativ können die Module die Steuerschaltung enthalten. Während es viele Wege gibt, in denen eine solche Fähigkeit erreicht werden kann, verwendet das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 einen Synchronisationsimpuls, der während einer gegebenen Pulsperiode periodisch erzeugt und den entsprechenden Modulen zugeführt wird. Jedes Modul wiederum beinhaltet Mittel zum Zählen der aufeinander folgenden Impulse, die periodisch, angenommen in Intervallen von einer Mikrosekunde empfangen werden, und um basierend auf der Zählung nur einen vorbestimmten Satz von Modulen einzuschalten, der dem gegenwärtigen Zählerwert entspricht. Jeder Satz kann durch Daten repräsentiert werden, die in einem Speicher abgelegt sind, der durch den Zählerwert adressiert wird.
In einem in Fig. 3 gezeigten, bestimmten Ausführungsbeispiel antwortet ein beispielhaftes Modul 60A auf Synchronisationsimpulse, die von dem Computer 56 in Intervallen von angenommen einer Mikrosekunde empfangen werden. Das Modul 60A beinhaltet einen Zähler 64, der einen Zählerwert der Anzahl von seit der Inituerung des Erregerpulsbetriebes empfangenen Synchronisationsimpulse enthält. Der Zählerzustandswert wird im Komparator 66 mit einer gesetzten Zahl verglichen, bei der das Modul eingeschaltet werden soll, und am Komparator 68 mit einer gesetzten Zahl, bei der das Modul ausgeschaltet werden soll. Ein Einschalt-Schaltung 70 wird getriggert, um das Modul einzuschalten, wenn der Zählerzustand gleich der gesetzten Zahl für den Komparator 66 ist. Eine Abschalt-Schaltung 62 wird getriggert, um das Modul abzuschalten, wenn der Zählerzustand gleich der gesetzten Zahl für den Komparator 68 ist. Jedes Modul weist entsprechende Elemente auf, wobei die bestimmten gesetzten Zahlen zum Einschalten und Ausschalten eines bestimmten Modules in Abhängigkeit von der vorausgewählten statistischen Verteilung der Elemente in einem bestimmten Puls verschieden sind. Nachdem ein Anregungspuls beendet ist, wird der Zustand eines jeden Zählers 64 zurückgesetzt.
Es ist zu verstehen, daß die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich illustrativ für die möglichen, spezifischen Ausführungsbeispiele sind, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen können. Eine Amplitudenverjüngung in Übereinstimmung mit der Erfindung kann zum Beispiel bei konventionellen Wellenformen und nicht bei Monopuls-Doppler und Puls-Burst-Wellenformen verwendet werden, um die Einschwingzeit für Störflecken zu reduzieren. Folglich ist die Erfindung nicht auf die Verwendung mit Monopuls-Doppler- und Puls-Burst- Wellenformen beschränkt.

Claims

1. System mit aktivem Array (20; 50), das eine große Anzahl von über die Strahlung aussendende Apertur verteilten, Strahlung aussendenden Elementen (22; 62A-62N) umfaßt und Sendepulsformung verwendet, um einzelne Pulse mittels einer Pulsformerschaltung präzise zu formen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Strahlung aussendenden Elementen (22; 62A-62N), die eingeschaltet sind, am Beginn eines Sendepulsintervalls nach und nach erhöht wird, bis in der Mitte des Pulsintervalls alle Elemente eingeschaltet sind, und danach die Zahl von Elementen, die eingeschaltet sind, nach und nach verringert wird, bis am Ende des Pulsintervalls keine Elemente mehr eingeschaltet sind, wobei die Strahlung aussendenden Elemente (22; 62A- 62N) entweder aus oder vollständig an sind.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (22; 62A-62N), die vom Anfang des Intervalls bis schließlich alle Elemente ein sind, eingeschaltet werden, über die Array-Apertur zufällig verteilt sind

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (22; 62A-62N), die vom Anfang des Intervalls bis schließlich alle Elemente ein sind, eingeschaltet werden, basierend auf einem vorberechneten Schaltmuster über die Array- Apertur verteilt sind.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das System mit aktivem Array eine Monopuls- Dopplerwellenform verwendet.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das System mit aktivem Array eine Puls- Burstwellenform verwendet.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (22; 62A-62N) nach der Mitte des Pulsintervalls in umgekehrter Reihenfolge zu der Reihenfolge ausgeschaltet werden, in der sie eingeschaltet wurden.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch:

- einen Radarerreger (52) zur Erzeugung einer Sendepuls-Wellenform;

- eine Vielzahl von Modulen (60A-60N) mit aktivem Array, wobei jedes der Module (60A-60N) einen Sendeabschnitt zum Verstärken der Sendepuls-Wellenform aufweist, und wobei der Sendeabschnitt eines jeden der Module (60A-60N) an ein entsprechendes der Strahlung aussendenden Elemente (62A-62N) gekoppelt ist;

- Mittel, um die Vielzahl von Modulen (60A-60N) elektrisch mit dem Erreger zu verbinden;

- Mittel (70, 72), um selektiv und unabhängig die Sendeabschnitte der Module (60A-60N) während der Periode eines Sendepulses ein- und auszuschalten, um die Sendepulsformung zu erreichen.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum selektiven Ein- und Ausschalten der Sendeabschnitte aufweisen:

- Mittel, um während des Sendepulsintervalls periodisch einen Synchronisationsimpuls zu erzeugen;

- Zählermittel (64), die jedem Modul zugeordnet sind, um die Zahl von während des Intervalls erzeugten Impulsen zu zählen; und

- Mittel (66, 68, 70, 72), die einem jeden Modul zugeordnet sind und auf die Zahl von Impulsen ansprechen, die während eines bestimmten Pulsintervalls gezählt wurden, um den Sendeabschnitt des entsprechenden Modules einzuschalten, wenn die Zahl von gezählten Synchronisationsimpulsen eine bestimmte Einschaltzahl für das bestimmte Modul erreicht, und um den Sendeabschnitt des bestimmten Modules abzuschalten, wenn die Zahl von gezählten Synchronisationsimpulsen eine bestimmte Abschaltzahl für das bestimmte Modul erreicht