DE69304376T2

DE69304376T2 - Verfahren zur Radarzielverfolgung

Info

Publication number: DE69304376T2
Application number: DE69304376T
Authority: DE
Inventors: Bengt-Olof As; Christer Eckersten
Original assignee: CelsiusTech Electronics AB
Current assignee: Saab AB
Priority date: 1992-01-16
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2013-01-14
Also published as: SE9200123L; US5341145A; EP0560744B1; EP0560744A1; SE469495B; DE69304376D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfolgung eines Radarzieles, insbesondere zur Verfolgung in einer niedrigen Höhe, wobei der Imaginärteil des komplexen Elevationsfehlersignals verwendet wird.
Bei der Verfolgung eines Zieles und insbesondere eines Zieles in einer niedrigen Höhe ergeben sich Probleme infolge der Vielfachwegausbreitung. Das Problem wurde mit Beginn der Radartechnologie bekannt. Es wurden viele Versuche unternommen, das Problem zu lösen, und insbesondere auf See, wo es wichtig ist, Flugkörper oder Raketen, die sich nahe der Wasseroberfläche in einigen Metern Höhe bewegen, die sogenannten "sea skimmer", zu erfassen und ihnen folgen zu können.
Eine ausgezeichnete Übersicht von verschiedenen Verfahren und ihren Mängeln findet sich in D.K. Barton, Low-Angle Tracking, Proc. IEEE 62, No. 6, June 1974, pages 687 - 704. In S.M. Sherman, "Complex indicated angles applied to unresolved radar targets and multipath", IEEE Trans. Aerosp. Electron Syst., Vol AES-7, Jan. 1971 wird auf den Seiten 160 - 170 die Verwendung von komplexen Winkeln bei Mehrfachwegausbreitung beschrieben. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung dieses Verfahrens.
Das Verfahren entsprechend der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
a) der Wert des Imaginärteiles des komplexen Elevationsfehlersignals auf der Basis von Radarsignalinformationen berechnet wird, die für eine Vielzahl von Frequenzen in einer wiederholbaren Folge auftreten,
b) die berechneten Werte des Imaginärteiles des komplexen Elevationsfehlersignals gemäß Punkt a) für die verschiedenen Frequenzen zur Feststellung der Position des Zieles innerhalb eines Kurvenzweiges und damit der Zielposition im Verhältnis zu einem Nulldurchgang des Imaginärteiles des komplexen Elevationsfehlersignals verwendet werden, der innerhalb des Kurvenzweiges ermittelt wird,
c) die Werte des Imaginärteiles des komplexen Elevationsfehlersignals, die für Positionen in Annäherung an den Nulldurchgang berechnet werden, zur Bestimmung des Neigungsmaßes des Imaginärteiles am Nulldurchgang verwendet werden,
d) die oben gemäß Punkt c) bestimmte Neigung mit den Neigungen verglichen wird, die im allgemeinen Fall für Nulldurchgänge zur Bestimmung des Kurvenzweiges des momentanen Nulldurchganges berechnet werden,
e) der Elevationswinkel bzw. die Zielhöhe auf der Basis der Kurvenzweigzuordnung und der Position des Zieles innerhalb des Kurvenzweiges berechnet wird.
Das Verfahren sorgt für eine einwandfreie Verfolgung des Zieles, das in einer niedrigen Höhe in einer Umgebung mit Mehrwegausbreitung geortet wird.
Die Vorzeichenkombination der berechneten Werte wird vorteilhafterweise im Punkt b untersucht, und die Kurvenzweigzuordnung und die Position des Zieles innerhalb des Kurvenzweiges werden zweckmäßigerweise einer Filterfunktion unterzogen bevor der Elevationswinkel beziehungsweise die Zielhöhe berechnet wird.
Als Neigungsmaß des Imaginärteiles wird die Differenz zwischen den Werten an beiden Seiten eines angenommenen Nulldurchganges verwendet. Entsprechend einer einfachen Variante wird nur ein Wert an der einen Seite eines angenommenen Nulldurchganges verwendet. In einer verfeinerten Variante werden Werte von mehreren an beiden Seiten des angenommenen Nulldurchganges verfügbaren Werten miteineinander gewichtet.
Der Imaginärteil des komplexen Elevationsfehlersignals Im[De1] ist durch die Beziehung bestimmt und aus ihr berechenbar:
wobei
SI die gleichphasige Komponente des Summenkanals ist
SQ die quadratische Komponente des Summenkanals ist,
DI die vertikale gleichphasige Komponente des Differenzkanals ist,
DQ die vertikale quadratische Komponente des Differenzkanals ist.
In bekannten Radarempfängern sind die Signalkomponenten SI, SQ, DI, DQ zugänglich.
Entsprechend einem bevorzugten Verfahren wird der Imaginärteil des komplexen Elevationsfehlersignals als Funktion einer Variablen n untersucht, die definiert als
wobei
hr = die Höhe des Radars,
ht = die Höhe des Zieles,
λ = die verwendete Radarwellenlänge,
R = der Abstand zwischen Radar und Ziel darstellt.
Ein allgemeiner Fall weist für n = 1,5, 2,5, 3,5 usw. Nulldurchgänge auf.
Die Verfolgung, die auf dem komplexen Elevationsfehlersignal basiert, ist für die Verfolgung in einer niedrigen Höhe geeignet. Andere konventionelle Verfahren können die Verfolgung unter unterschiedlichen Höhenbedingungen übernehmen. Entsprechend einem weiteren bevorzugten Verfahren ist deshalb das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Verfolgung, die auf dem komplexen Elevationsfehlersignal beruht, nur bei Verfolgungen in einer niedrigen Höhe verwendet wird.
Bei einem in einem Wasserfahrzeug montiertem Radar verändert sich die Radarhöhe hr mit dem Rollen, Stampfen und Schlingern. Die Kompensation dieser Änderung wird entsprechend einem bevorzugten Verfahren mit Hilfe des Ausgangssignals von einem vertikal abtastenden Beschleunigungsmesser erhalten, das nach zwei Integrationen für die Korrektur der Änderung in der Radarhöhe verwendet wird.
In der folgenden Ausführung soll die Erfindung in größeren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen
Figur 1 Teile eines Radarempfängers, der das sogenannte Einpulsverfahren verwendet, in einem Ausführungsbeispiel mit drei parallelen MF-Kanälen in schematischer Form gezeigt werden,
Figur 2a den Realteil des komplexen Elevationsfehlersignals für den allgemeinen Fall als eine Funktion der Variablen n zeigt,
Figur 2b den Imaginärteil des komplexen Elevationsfehlersignals für den allgemeinen Fall als eine Funktion der Variablen n zeigt,
Figur 3 die Zweiwegausbreitung eines Radarsignals für den Fall zeigt, in dem die Erdoberfläche in der Umgebung der Radarverfolgung als Ebene betrachtet wird,
Figur 4 die Zweiwegausbreitung eines Radarsignals zeigt, bei der die Krümmung der Erdoberfläche in der Umgebung der Radarverfolgung berücksichtigt wird, und
Figur 5 die Funktion eines im Radarempfänger verwendeten Prozessors schematisch in Form eines Blockchaltbildes zeigt.
Der in Figur 1 gezeigte Radarempfänger enthält eine Antenne 1, die vorzugsweise mit vier Versorgungsleitungen in einer quadratischen Konfiguration in einer bekannten Weise ausgerüstet ist, was nicht gezeigt wird.
Die Summen- und Differenzbildungsschaltung 2 erzeugt ein Summensignal und Differenzsignale, die die Fehlersignale in Seitenwinkel und Elevation darstellen. Ein Mischer 3 transformiert das Summensignal und die Differenzsignale auf eine Zwischenfrequenz, um sie in den Zwischenfrequenzverstärkern 4, 5, 6 zu verstärken. Die drei Zwischenverstärkersignale&sub1; das heißt, ein Summensignal und zwei Differenzsignale, werden jeweils in einem Phasendetektor 7, 8 beziehungsweise 9 mit einem Referenzsignal verglichen. Die Phasendetektoren liefern jeweils eine gleichphasige und eine quadratische Komponente, welche in den A/D-Wandlern 10, 11, 12 in analog/digital umgewandelt werden. Am Ausgang des A/D-Wandlers 10 sind die gleichphasige Komponente SI und die quadratische Komponente SQ des Summenkanals in digitaler Form verfügbar. Am Ausgang des A/D-Wandlers 12 werden die gleichphasigen und die quadratischen Komponenten DI und DQ in einer entsprechenden Weise rechtwinklig zueinander ermittelt. Die entsprechenden Komponenten werden am Ausgang des A/D- Wandlers 11 ebenfalls für das seitliche Differenzsignal erhalten. Das seitliche Differenzsignal ist hier von keinem größeren Interesse und soll deshalb in der folgenden Ausführung nicht in größeren Einzelheiten behandelt werden.
Beginnend mit den Signalinformationen, die von den A/D- Wandlern erhalten werden, berechnet ein Signalprozessor 13 den Abstand R und das Fehlersignal in Elevation De1 und Azimuth Daz.
Bei einer Verfolgung in niedriger Höhe erzeugt der Signalprozesser 13 das komplexe Fehlersignal De1 digital in Form der gleichphasigen und der quadratischen Komponenten des Summenkanals und des Differenzkanals in der Elevation entsprechend den Ausdrücken:
wobei Re[De1] der Realteil des komplexen Fehlersignals und Im[De1] sein Imaginärteil darstellt.
Figur 2a zeigt, wie sich der Realteil des komplexen Fehlersignals als Funktion einer Variablen n ändert und Figur 2b zeigt die Änderung des Imaginärteils als Funktion der selben Variablen n. Die Variable n ist definiert als
wobei
hr = die Radarhöhe,
ht = die Zielhöhe,
λ= die verwendete Radarwellenlänge,
R = der Abstand zwischen Radar und Ziel darstellt.
Die Figuren 3 und 4 zeigen, wie hr, ht und R für den Fall definiert sind, bei dem die Erdoberfläche im Bereich der Zielverfolgung vereinfacht als Ebene betrachtet wird, Figur 3, und für den Fall, bei dem die Erdoberfläche im Bereich der Zielverfolgung eine Krümmung aufweist, Figur 4. Im letzteren Fall wird das Folgende angewendet:
hr = f(h'r, R, Re, h't) und
ht = f(h't, R, Re, h'r), wobei
die Definition der Bezeichnungen aus Figur 4 zu ersehen sind und Re sich mit den atmosphärischen Bedingungen ändert und im Normalfall in der Größenordnung von 4/3 des Erdradius liegt, d.h. Re beträgt annähernd 8500 km. Das Ziel wurde in den Figuren 3 und 4 mit 14 bezeichnet und die Erdoberfläche mit 15. In Figur 3 wurde das Spiegelbild der Radarantenne und das Ziel mit 1' beziehungsweise 14' bezeichnet, und tritt an der Oberfläche 15 im Punkt 16 als Refelexion auf.
Bei der Untersuchung der Änderungen des Imaginärteiles des Elevationsfehlersignals als Funktion von n, die in Figur 2b gezeigt wird, können die folgenden interessanten Eigenschaften des Imaginärteiles notiert werden. Es sollte vermerkt werden, daß dann, wenn das Ziel in einer konstanten oder im wesentlichen konstanten Höhe fliegt, die Variable n mit abfallendem Abstand zwischen Ziel und Radar ansteigt, daß heißt, der sinkende Abstand bedeutet eine Bewegung zur rechten Seite in Figur 2b.
- Der Wert des Imaginärteils des Fehlersignals geht durch Null, wenn das Signal im Summenkanal gleichzeitig ein Maximum besitzt, wenn der Realteil einen Elevationswinkel = 0 besitzt, daß heißt, eine Winkelposition in der Mitte zwischen dem Ziel 14 und seinem Spiegelbild 14' anzeigt.
- Die Ableitung in den Nulidurchgängen steigt mit steigendem n, das heißt, steigendem Elevationswinkel.
- Die Werte bei Annäherung an die Nulldurchgänge sind im wesentlichen unabhängig vom Reflexionsfaktor, wie aus dem Realteil des Fehlersignals erkennbar ist.
- Mit größeren Elevationswinkeln geht der Imaginärteil des Fehlersignals auf Null, da das Mehrwegproblem, das durch die reflektierte, vom Empfänger empfangene Strahlung verursacht wird, den Empfänger beendet. Dieser Elevationswinkelbereich wird in Figur 2b nicht gezeigt.
Die Eigenschaften des Imaginärteiles des vertikalen Fehlersignals Im[De1] werden in der folgenden Weise verwendet:
- Es wird hier angenommen, daß das Radar eine Fähigkeit zur schnellen Änderung der Frequenz besitzt. Diese Fähigkeit wird zur Übertragung von zum Beispiel vier bekannten Frequenz in schneller Folge verwendet, die über eine Bandbreite gestreut werden, die so groß wie möglich ist. Figur 2b zeigt fünf Beispiele I - V von Werten, welche für den Imaginärteil des Fehlersignals Im[De1] für die vier Frequenzen erhalten werden können.
Es kann beobachtet werden, daß eine bestimmte Frequenzveränderung eine um so stärkere Änderung von n liefert je größer der Wert von n ist. Es ist eine konstante prozentuale Änderung vorhanden.
- Die Werte, die für Im[De1] erhalten werden, werden registriert und gespeichert, was im einem mit dem Signalprozessor 13 verbundenen Speicher 17 erfolgen kann. Der Inhalt in diesem Speicher 17 wird in einem speziellen Prozessor 18, dessen Funktionsblock in Figur 5 schematisch gezeigt wird, weiter verarbeitet. Der Prozessor enthält einen Diskriminator 19, eine Kurvenzweigbestimmungsschaltung 20 und außerdem Schaltungen, welche unten beschrieben werden sollen.
Im Diskriminator 19 wird bestimmt, wo das Ziel innerhalb eines eindeutigen Intervalls oder Kurvenzweiges in der Höhe geortet wird. In einem ersten Ausführungsbeispiel kann das zum Beispiel durch die Untersuchung nur des Vorzeichens des imaginären Fehlersignals erzeugt werden. Wenn zum Beispiel die Kombination - - + + erhalten wird, wird das Ziel 14 in der Mitte des Intervalls zum Beispiel n = 3,5 entsprechend Beispiel IV, geortet, es kann aber auch bei n = 1,5, 2,5, 4,5 usw. liegen. Beispiel I, mit der Vorzeichenkombination - - - -, zeigt eine Zielposition zwischen 1,0 und 1,5, 2,0 und 2,5 usw. an. Beispiel II, mit der Vorzeichenkombination + + - -, liefert n = 1, 2, 3 ... Beispiel III, mit der Vorzeichenkombination + + + +, zeigt an, daß das Ziel zwischen 1,5 und 2,0, 2,5 und 3,0 und so weiter liegt. Beispiel V, mit der Vorzeichenkombination - - - +, gibt an, daß das Ziel innerhalb des Intervalls 1,0 - 1,5, 2,0 - 2,5 und so weiter und enger an der oberen Grenze innerhalb des Intervalls als an der unteren Grenze geortet wird.
- Das Winkelfehlersignal Im[De1] wird ebenfalls der Kurvenzweigbestimmungsschaltung 20 zugeführt, welche arbeitet, wenn das Ziel im oder in der Nähe eines Nulldurchganges ermittelt wird. Mit diesem Mittel wird der Wert des imaginären Fehlersignals zur Bestimmung eines Maßes der Ableitung oder der Neigung im Nulldurchgang verwendet. Die Differenz zwischen dem ersten und dem letzten Wert in der Vorzeichenkombination und/oder der Differenz zwischen zwei Mittelwerten in der Vorzeichenkombination wird bestimmt und einzeln oder in Kombination ein Maß der Ableitung ermittelt. Wenn das Maß der Ableitung bestimmt wurde, kann festgestellt werden, in welchem Kurvenzweig oder welchen vielen Wertigkeiten sich das Ziel tatsächlich befindet, und damit der Wert von n.
Es kann beobachtet werden, daß mit höheren Werten von n, sage n ~ 10, und einer geeigneten Frequenzveränderung von annähernd 10%, der Wert von n direkt bestimmt werden kann. Die Frequenzänderung bedeckt dann ein gesamtes ganzzahliges Intervall von n ab und die oben beschriebene Zweischrittmethode muß nicht angewendet werden. Desweiteren kann beobachtet werden, daß nicht nur die Neigung, das heißt, die erste Ableitung, sondern auch die zweite Ableitung der Änderung von Im[De1] nach der Frequenz zur Bestimmumg des Kurvenzweiges verwendet werden kann. Das letztgenannte gilt jedoch nur für einen begrenzten mittleren Wertebereich von n.
- Die Bestimmung entsprechend dem Obigen wird infolge des Meßwertrauschens usw. von bestimmten Unbestimmtheiten beeinflußt. Um diese zu beseitigen werden die beiden Meßwerte, n (dezimal) und n (ganzzahlig) einer Filterschaltung 21 zugeführt, wo ein "Modell" des Zieles erzeugt wird, wobei durch Zuführung des Abstandes R vom Ziel und seine Änderung mit der Zeit, der Radialgeschwindigkeit R, in diese Schaltung, auch die Wahrscheinlichkeit in den gemessenen n Werten berücksichtigt werden kann. Das Ausgangssignal vom Filter 21 wird mit n ("h", "d") bezeichnet und besteht aus einem ganzzahligen Teil und einem Dezimalteil. Der Dezimalteil n ("d") ändert sich im wesentlichen kontinuierlich und wird in einem Komparator 22 mit dem Dezimalwert verglichen, welcher aus dem Diskriminator 19 erhalten wird. Die Differenz, das Ausgangssignal vom Komparator, steuert das Zielmodell an, welches dadurch das Ausgangssignal vom Diskriminator 19 und der Kurvenzweigbestimmungsschaltung 20 glättet und filtert.
- In dem letzten Funktionsblock 23, der Zielhöhenberechnung, wird nun die Zielhöhe ht aus der obigen Beziehung
berechnet, wobei die Radarhöhe hr und die Wellenlänge bekannt sind und der Abstand R in einer vorher bekannten Weise aus dem Signalprozessor 13 in Figur 1 gewonnen wird.
In dem Fall, bei dem das Radar in einem Wasserfahrzeug montiert ist, kann sich die Höhe hr infolge des Rollens, Stampfen und/oder Schlingerns verändern. Um diese Änderung zu kompensieren, kann das Radar mit einem nicht gezeigten Beschleunigungsmesser ausgerüstet werden, welcher die Vertikalbeschleunigungen abtastet. Nach zwei Integrationen kann das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers zur dynamischen Korrektur von hr verwendet werden.
In der obigen Ausführung wurden Beispiele beschrieben, welche vier Frequenzen verwenden. Es ist nicht zu verhindern, eine größere oder kleinere Anzahl von Frequenzen zu verwenden, je nachdem, was im aktuellen Fall als geeignet ermittelt wird.

Claims

1. Verfahren zur Verfolgung eines Radarzieles und insbesondere zur Zielverfolgung in niedriger Höhe, bei dem der Imaginärteil des komplexen Elevationsfehlersignals verwendet wird,

dadurch gekennzeichnet:

a) der Wert des Imaginärteils des komplexen Elevationsfehlersignals wird berechnet auf der Basis einer Radarsignalinformation, die für eine Vielzahl von Frequenzen in einer wiederholbaren Folge auftritt,

b) die berechneten Werte des Imaginärteils des komplexen Elevationsfehlersignals gemäß Punkt a) für die verschiedenen Frequenzen werden verwendet zur Identifizierung der Position des Zieles innerhalb eines Kurvenzweigs und damit der Targetposition in Relation zu einem Nulldurchgang des Imaginärteus des komplexen Elevationsfehlersignals innerhalb des Kurvenzweiges,

c) die Werte des Imaginärteus des komplexen Elevationsfehlersignals, die für Positionen in der Nähe des Nulldurchgangs berechnet wurden, werden verwendet zum Bestimmen eines Maßes für die Neigung des Imaginärteus an dem Nulldurchgang,

d) die gemäß Punkt c) bestimmte Neigung wird verglichen mit den im allgemeinen Fall für Nulldurchgänge berechneten Neigungen, um den Kurvenzweig des aktuellen Nulldurchgangs zu bestimmen,

e) der Elevationswinkel oder die Ziele wird berechnet auf der Basis der Kurvenzweigzuordnung und der Position des Ziels innerhalb des Kurvenzweigs.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzeichenkombination der berechneten Werte des Imaginärteils des komplexen Elevationsfehlersignals für die verschiedenen Frequenzen untersucht werden, um das Ziel innerhalb eines Kurvenzweigs zu identifizieren.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenzweigzuordnung des Zieles und seine Position innerhalb des Kurvenzweigs einer Filterfunktion unterworfen werden, bevor der Elevationswinkel oder die Zielhöhe berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterfunktion basiert auf einer früheren Kurvenzweigzuordnung, der Position innerhalb des Kurvenzweigs, der Entfernung vorn Ziel und der zeitlichen Änderung der Entfernung.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen Werten, die beiderseits eines angenommenen Nulldurchgangs liegen, als ein Maß für die Neigung des Imaginärteils verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Imaginärteil des komplexen Elevationsfehlersignals Im[Del] berechnet wird aus der Beziehung

wobei

SI die phasengleiche Komponente des Summenkanals,

SQ die quadratische Komponente des Summenkanals,

DI die phasengleiche Komponente des Differenzkanals vertikal und

DQ die quadratische Komponente des Differenzkanals vertikal ist.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Imaginärteil des komplexen Elevationsfehlersignals untersucht wird als Funktion der Variablen n, die definiert ist als:

h r = Radarhöhe

ht Targethöhe

λ = verwendete Radarwellenlänge

R = Abstand zwischen Radar und Ziel

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Zielverfolgung auf der Basis des komplexen Elevationsfehlersignals nur bei der Zielverfolgung in niedriger Höhe verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal von einem vertikal messenden Beschleunigungsmesser nach zweifacher Integration zur Korrektur von Änderungen der Radarhöhe verwendet wird.