DE69527184T2

DE69527184T2 - Wiederherstellung des Elevationsrichtens, insbesondere für Radar mit synthetischer Apertur

Info

Publication number: DE69527184T2
Application number: DE69527184T
Authority: DE
Inventors: Laurent Rey; Noel Suinot
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1994-12-05
Filing date: 1995-11-30
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2015-12-01
Also published as: DE69527184D1; EP0716318A1; FR2727764A1; EP0716318B1; FR2727764B1; CA2164381A1

Description

Das Gebiet der Erfindung ist das Radar mit synthetischer Apertur (dem Fachmann auch unter der englischen Abkürzung SAR für Synthetic Aperture Radar bekannt), und insbesondere die Erdbeobachtung über Satellit. Die Erfindung ist vorteilhaft anwendbar für Weltraum-Radarmissionen basierend auf einem künstlichen Satelliten in Umlaufbahn um einen Himmelskörper. Sie ist auch anwendbar an Bord von Luftfahrzeugen oder anderen Flugkörpern wie etwa Geschossen, Hubschraubern oder Drohnen, ..., die sich in der Nähe der Oberfläche der Erde oder eines beliebigen anderen Himmelskörpers (Planet, Asteroid, Komet, interstellare Wolken etc.) bewegen. Insbesondere ist die Erfindung vorteilhaft anwendbar zur Durchführung von hochauflösenden Beobachtungen mit hohem Rückstreukoeffizient der Radarreflektivität am Boden.
Es ist bekannt, Satelliten, die in niedriger Umlaufbahn zirkulieren, für Höchstfrequenz-Fernerkundungsaufgaben durch Höchstfrequenz-Radar einzusetzen. Der Satellit in niedriger Umlaufbahn bewegt sich in Bezug auf einen festen Punkt auf der Oberfläche der Erde, im Gegensatz zu einem geostationären Satelliten. Diese Bewegung ermöglicht es dem Beobachtungssatelliten, die Erde in einer durch seine Umlaufbahn vorgegebenen Richtung zu überfliegen. Die zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten entlang des gesamten Weges des Satelliten durchgeführten Radarmessungen ermöglichen die Erzeugung einer Kartographie der gemessenen Parameter in Abhängigkeit von der Position des Satelliten oder eines beliebigen anderen Flugkörpers, der als Träger für das Radar dient.
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Radar-Fernerkundungssatellit ist in Fig. 1 schematisch gezeigt.
In dieser Fig. 1 überfliegt ein Satellit 100 die Erde in einer Höhe H von einigen hundert Kilometer mit einer Geschwindigkeit 0, die von den geometrischen Parametern der Umlaufbahn abhängt. Der Satellit ist mit den für seine Aufgabe notwendigen Ausrüstungen wie etwa dem Sonnenpaddel 110 und der Radarantenne 101 ausgestattet. In seiner einfachsten Konfiguration beleuchtet ein Radar-Fernerkundungssatellit in einer als "transversal" bezeichneten Beleuchtungsebene, die den Nadir enthält und senkrecht zur Geschwindigkeit 0 ist, am Boden bei seinem Durchgang einen Streifen F mit einer Breite G. Per Konvention werden die Abmessungen in eine Richtung in einer ersten Ebene, die den Nadir enthält und senkrecht zur Geschwindigkeit 0 ist, als Elevationsabmessungen bezeichnet und diejenigen in einer Richtung in einer zur ersten Ebene senkrechten zweiten Ebene, die eine zur Geschwindigkeit 0 parallele Vektorkomponente besitzt, werden als Azimutabmessungen bezeichnet.
Dieser Streifen F wird von aufeinanderfolgenden Höchstfrequenzimpulsen ausgeleuchtet, deren Reflexe das Radarsignal bilden, das von der gleichen Antenne 101 empfangen wird, die im Empfang arbeitet, und das interpretiert wird, um daraus die gewünschten radiometrischen Daten zu gewinnen. Durch eine Rechenverarbeitung dieser Daten kann ein zweidimensionales Bild der vom Radar beim Durchgang des Satelliten am Boden sondierten Fläche rekonstruiert werden.
Um den Streifen F innerhalb einer zugänglichen Zone Z auszuleuchten, wird ein Strahlbündel B mit Winkeldivergenz β unter dem Winkel _ im Bezug zum Nadir abgestrahlt.
Der Schnitt dieses Strahlbündels B mit dem Erdboden hat eine Abmessung F in der Breite und eine Abmessung S in der Länge (in Richtung der Geschwindigkeit Vsat). Der Winkel _ kann Werte zwischen _m und _M annehmen.
Bei der Bildänderung innerhalb der zugänglichen Zone Z. Bei der Bewegung des Satelliten _ bleibt für ein gegebenes Bild im Fall eines herkömmlichen SAR-Modus konstant. Das Bündel B beleuchtet jeden Punkt am Boden des Streifens F mit Hilfe von I Impulsen. Diese Impulse werden bei der Apertursyntheseverarbeitung ausgewertet, die im allgemeinen am Boden durchgeführt wird. Typische Werte der verschiedenen Parameter für die bereits in der Luft befindlichen Fernerkundungsmissionen sind zum Beispiel:
Die aufeinanderfolgenden Messungen werden von der Berechnung kohärent ausgenutzt, das heißt mit einer Phase für jede Messung, die eine Funktion der Zeit ist, um die Bewegung des Satelliten zwischen den aufeinanderfolgenden Messungen zu berücksichtigen. Die Azimutmessungen enthalten eine Dopplerkompontente aufgrund der Geschwindigkeit des Satelliten in der Ebene der Blickrichtung des Radar. Ein Radar mit hoher Azimutauflösung wird an der Dopplerverschiebung der Radarfrequenz eine Filterung vornehmen, um die Kohärenz der Summation aufeinanderfolgender Signale zu verbessern.
Das Dokument D1 = US5 184 137 beschreibt ein luftgestütztes Radar mit synthetischer Apertur. Dieses Radar ist an Bord des Luftfahrzeuges durch einen dielektrischen Radom geschützt, der vorne am Fluggerät befestigt ist. Das Dielektrikum wirkt wie eine Linse für die elektromagnetische Strahlung, mit Polarisationsstreuung, und führt zu optischen Abberationen, die Ausrichtfehler der Antenne zur Folge haben. Um diese Situation zu verbessern, beschreibt D1 ein Abtastverfahren an einer Testbank. Unter Verwendung einer Mehrzahl von Referenzsignalen wird die Übertragungsfunktion des Radom für verschiedene Polarisationen, verschiedene Frequenzen und verschiedene Einfallswinkel gemessen und anschließend mathematisch als eine Tabelle (oder Matrix) von Konstanten (oder Koeffizienten) dargestellt, mit denen das ankommende, als Vektor dargestellte Signal multipliziert wird. Ausgehend von dieser Tabelle oder Matrix, die die Übertragungsfunktion des Radom darstellt, wird anschließend die Umkehrung der Übertragungsfunktion des Radom berechnet und in einem mitgeführten Speicher gespeichert, ebenfalls in Form einer Tabelle von Konstanten. Diese gespeicherten Konstanten werden von einem mitgeführten Rechner auf alle eintreffenden Signale beim Betrieb des Radar im Flug angewendet, um die durch den Radom induzierten (statischen) Ausrichtungsfehler systematisch zu korrigieren. Diese statischen Fehler sind durch die am Boden an der Testbank durchgeführte Eichung bekannt und variieren während der Mission in der Luft nicht, infolgedessen variieren auch die Konstanten nicht.
Das Dokument EP-A-1-0 562 129 lehrt ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit der Azimutausrichtung, bei der die bekannte Form der Azimutkeule und ihre Beziehung zu dem Azimutspektrum der Radardaten genutzt wird, um die Bewegungen des Trägers zu kompensieren.
Diese Technik kann genutzt werden, um insbesondere den Ausrichtungsfehler im Azimut abzuschätzen, indem die mittlere Dopplerverschiebung gemessen wird. Das Dopplergefälle und der mittlere Doppler sind die zwei wesentlichen Parameter zum Durchführen der Apertursyntheseverarbeitung, die die Aufnahme von mehreren tausend aufeinanderfolgenden amplitudenmodulierten Pulsen durch die Keule der Antenne bei -3 dB, also eine Modulation des empfangenen Signals von -6 dB, nutzen. Es wird dann die deterministische Parabelform der Hauptstrahlungskeule der Antenne ausgenutzt, um die Position des Maximums dieser Keule durch Analysieren des Spektrums der empfangenen Echos genutzt, um davon die eventuelle Azimutfehlausrichtung ausgehend von der Dopplerfrequenz dieses Maximums abzuleiten. Die Qualität des fertigen Bildes auf der Azimutachse hängt also von der Genauigkeit der Abschätzung der Dopplerparameter zum Durchführen der Azimutausrichtungs-Fehlerkorrekturen ab.
Das Dokument EP-A-1-0 562 129 behandelt jedoch nicht ein ähnliches Problem, das sich bei Messungen in Elevationsrichtung, also in einer sogenannten "transversalen" Ausrichtungsebene ergibt, die den Nadir enthält und senkrecht zur Geschwindigkeit 0 ist.
Außerdem scheint es, dass es in der Literatur keine Lehre zu diesem Thema gibt, zumindest keine, die der Anmelderin zur Kenntnis gelangt wäre.
Ziel der Erfindung ist, die Elevationsausrichtung in einer Ebene senkrecht zur Azimutebene zu bestimmen. Ziel der Erfindung ist, sowohl die Genauigkeit als auch die radiometrische Auflösung auf dem Streifen zu verbessern. Da die betreffenden Messungen in einer zur Geschwindigkeit Vsat senkrechten Ebene liegen, gibt es keine Dopplerverschiebung.
Da andererseits für die Bedürfnisse der Mission die Keule der Antenne in dieser Ebene auf dem Streifen so flach wie möglich ist, um eine konstante radiometrische Auflösung zu erreichen und die radiometrische Genauigkeit nicht zu beeinträchtigen, kann die Form der Elevationskeule zum Analysieren des Kontrastes im Laufe des Streifens nicht ausgenutzt werden.
Während die Kohärenz des Radar im Azimut durch die Summation von mehreren tausend Impulsen mit geeigneten Phasenverschiebungen gewährleistet ist, geschieht die Analyse des Signals und die Berechnung des Ausrichtungsfehlers in der Elevation im Laufe des empfangenen Impulses und kann daher nicht aus einer Summation einer großen Zahl von Impulsen gewonnen werden, wie dies bei der Bestimmung der Azimutausrichtung möglich ist.
Das Problem der Elevationsausrichtung ist wichtig, weil die Konsequenzen Von Fehlern, auch von kleinen Fehlern, für die Qualität der Messungen groß sind. Abweichungen beeinträchtigen die radiometrische Genauigkeit und verringern so das Unterscheidungsvermögen am Bild, zum Beispiel den notwendigen Kontrast, um Weizenfelder, Wälder, ... zu unterscheiden oder eine Kartographie der Erde im Hinblick auf ihre Oberflächenrauhigkeit oder ihren Wassergehalt zu erstellen. Andererseits beeinträchtigen Ausrichtungsfehler stark die durch die Radargleichung gegebene Verbindungsbilanz. Selbst wenn der Satellit mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 0,1º in Stellung gehalten wird, wird ein Verlust von 1 dB auf der Verbindungsbilanz festgestellt, was zu zusätzlichen Kosten von 25 kg am Leistungssystem (Solargenerator + Batterie) führt.
Ausrichtungsfehler in der Elevation können aus mehreren Fehlerquellen herrühren: der Stabilität des Trägers im Laufe der Umlaufbahn; der thermischen und mechanischen Stabilität der Trägerstruktur der Antenne und der thermischen und mechanischen Stabilität der Antenne selbst. Aufgrund der Masse und der Abmessungen einer aktiven Antenne sind alle diese Parameter besonders sensibel, wenn eine solche Antenne verwendet wird.
Nach Berechnung des Elevationsausrichtungsfehlers ist es auch wünschenswert, eine Korrektur der Blickrichtung der Antenne vornehmen zu können, indem über ein Regelsystem deren funkelektrischer Ausrichtungsfehler verändert wird. Die gewünschte Korrekturhäufigkeit kann schnell sein, z. B. in der Größenordnung von 5- bis 10mal pro Minute an Bord des Satelliten. Mit anderen Worten kann man eine Korrektur des Bildes am Boden durchführen, sofern die den Ausrichtungsfehler betreffenden Daten bei der Übertragung der Bilddaten geliefert werden.
Um die Einschätzung und/oder Korrektur des Elevationsausrichtungsfehlers durchzuführen, stützen sich die bekannten herkömmlichen Systeme auf die Verwendung von Messaufnehmern am Satelliten, die es ermöglichen, eine Positionsabweichung in Bezug auf den Erdhorizont oder das solare Geoid oder ein Sternbild vorzunehmen. Diese Aufnehmer sind so nah wie möglich an den Elementen plaziert, die für eine Lageänderung oder Ausrichtungsfehler am empfindlichsten sind.
Diese Lösung hat mehrere Nachteile. Wenn die Messaufnehmer nicht nur für Lageänderungen des Trägers, sondern auch für Verformungen der Antenne empfindlich sein müssen, müssen diese Aufnehmer auf der gesamten Oberfläche der Antenne verteilt sein. Der zum Erzielen einer guten Ausrichtgenauigkeit erforderliche Platzbedarf der Messaufnehmer wird signifikant, und um eine aktive Antenne mit großer Abmessung abzudecken, ist eine bestimmte Zahl von ihnen erforderlich. Wenn allerdings eine große Zahl solcher Aufnehmer auf einer solchen aktiven Antenne angebracht ist, kann dadurch das Antennendiagramm verändert werden, und die Masse und Struktur der Antenne müssen verändert werden, um diese Messaufnehmer unterzubringen, die für die gewünschte Ausrichtgenauigkeit in der Größenordnung von einigen Kilogramm pro Stück wiegen können.
Wenn hingegen die Messaufnehmer auf der Rückseite der Antenne angebracht sind, erlaubt es deren Blickfeld nicht immer, den Erdhorizont oder das solare Geoid anzupeilen. Außerdem können die internen Verformungen der Struktur der Antenne nicht erfasst werden, wenn diese Messaufnehmer an der Rückseite montiert sind. In gleicher Weise können die Messaufnehmer, wenn sie auf dem Träger selbst montiert sind, nicht die Korrektur des relativen Rest-Positionierungsfehlers zwischen dem Schwerpunkt des Träger und dem Phasenmittelpunkt der Antenne liefern.
Ein anderer erheblicher Nachteil ist, dass dieses System von Messaufnehmern schwer und kostspielig ist. Es sind nämlich vier Messaufnehmer erforderlich, um Redundanz und eine ausreichende Abdeckung der Umlaufbahn zu gewährleisten, was zur Masse der Nutzlast des Satelliten ca. 40 kg beiträgt und für das System von Messaufnehmern zu zusätzlichen Kosten zum Preis der Antenne in der Größenordnung von 5 Mio. US$ führt.
Ziel der Erfindung ist, diese Nachteile des Standes der Technik zu beheben. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein Verfahren zum dynamischen Bestimmen der Elevationsausrichtung einer Antenne, insbesondere für ein auf einen beweglichen Träger montiertes Radar mit synthetischer Apertur, vor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Erzeugen eines Referenzsignals ausgehend von der in Elevation berechneten theoretischen Antennenrichtcharakteristik;
- aus an der Antenne empfangenen Signalen, Erzeugen eines Summensignals Σ und eines Referenzsignals Δ;
- Digitalisieren dieser Signale Δ, Σ durch eine Analog- Digital-Wandlung;
- Durchführen einer Kompression eines von fern empfangenen Impulses, wenn der gesendete Impuls frequenzmoduliert war;
- Durchführen einer Unterabtastung der Leistung jedes Summen- und Differenzsignals Σ bwz. Δ mit einer Schrittweite in Grad, die kleiner ist als die gewünschte Genauigkeit;
- Berechnen des theoretischen Differenz/Summenverhältnisses (Δ/Σ)T anhand des Referenzsignals;
- Berechnen des gemessenen Differenz/Summenverhältnisses (Δ/Σ)M anhand der empfangenen, komprimierten und unterabgetasteten Signale;
- Vergleichen des Verhältnisses (Δ/Σ)M mit dem theoretischen Verhältnis (Δ/Σ)T, um die Abweichung in Grad zu bestimmen und so die Ausrichtung zu bestimmen.
Einem Merkmal zufolge wird das Differenzsignal Δ aus dem an der Antenne empfangenen Signal erzeugt, indem die Phase und/oder Amplitude der Richtcharakteristik verändert wird, um einen hohen Signalkontrast an dem Differenzsignal Δ zu bewirken.
Einer Variante zufolge wird das Differenzsignal Δ aus dem von der Antenne empfangenen Signal erzeugt durch Invertieren der Phase des Signals (±π) auf einer Hälfte der Höhe der Antenne.
Einer anderen Variante zufolge wird die Differenz Δ durch einen Koppler vom Typ Magic-T erhalten, der mit seinen zwei Eingängen jeweils verbunden mit einer ersten Hälfte bzw. einer zweiten Hälfte der Höhe der Antenne angeordnet ist, um die Differenz Δ an einem Ausgang des Kopplers zu liefern.
Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner die folgenden Schritte:
- Abschätzen der Leistung des thermischen Rauschens der Antenne;
- Abziehen dieser Rauschabschätzung vom effektiv empfangenen verrauschten Signal.
Vorteilhafterweise kann die Leistung des thermischen Rauschens abgeschätzt werden durch vorherige Aufnahme eines Empfangssignals am Radar, ohne dass ein Senden durchgeführt worden ist.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren ferner einen Schritt des Speicherns des für N Impulse erhaltenen Signals, um das Signal- Rausch-Verhältnis der durchgeführten Messungen zu verbessern.
Zwei Varianten zufolge erfolgt die Verarbeitung der Daten, die den unterabgetasteten Summen- und Differenzsignalen entsprechen, im Zeitbereich oder im Frequenzbereich.
Einem vorteilhaften Merkmal zufolge wird nach dem Bestimmen der Ausrichtung ein Befehl zum Korrigieren der Antennenausrichtung erzeugt und auf die Antenne gegeben, um deren Ausrichtung zu korrigieren.
Einer Variante zufolge wird nach dem Bestimmen der Ausrichtung die Abweichung in Grad zwischen der theoretischen Ausrichtung und der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessenen Ausrichtung mit dem Messzeitpunkt verknüpft und mit den Radardaten zum Boden übertragen, um die Bildberechnungen zu korrigieren.
Die Erfindung schlägt ferner eine Vorrichtung zum dynamischen Bestimmen der Elevationsausrichtung einer Radarantenne vor, wobei die Antenne eine sogenannte obere Hälfte und eine sogenannte untere Hälfte umfasst, die Vorrichtung Mittel zum Bilden der Summe Σ und der Differenz Δ der von der oberen Hälfte bzw. der unteren Hälfte der Antenne empfangenen Signale, Mittel zur Analog-Digital-Wandlung (ADC1, ADC2), Mittel zur Impulskompression (COMP); Mittel zur Leistungsmessung P; Mittel zur Neuabtastung (SAMP) der gemessenen Leistung; Mittel zum Einstellen M1 einer theoretischen Beziehung des Verhältnisses (Δ/Σ)T und der Antennenfehlausrichtung in Grad sowie Rechenmittel uP umfasst, mit denen der Vergleich des Verhältnisses der empfangenen Signale (Δ/ΣM) und des theoretischen Verhältnisses (Δ/ΣT) durchgeführt werden kann, um die Elevationsausrichtung der Antenne zu bestimmen.
Einem Merkmal zufolge umfasst diese Vorrichtung ferner Mittel zum Einstellen M2 einer Abschätzung des thermischen Rauschens NT. Einer vorteilhaften Ausgestaltung zufolge umfasst die Vorrichtung Mittel zum Messen des Wertes der Leistung des von der Antenne in Abwesenheit eines vorherigen Sendesignals empfangenen Rauschens sowie Mittel, die es erlauben, diesen Wert als den Einstellwert M2 einzustellen.
Einer Variante zufolge umfasst die Vorrichtung zwei parallele Summen- und Differenzkanäle Σ, Δ, die gleichzeitig arbeiten können.
Einer anderen Variante zufolge umfasst die Vorrichtung zwei Umschalter SW1, SW2, die die abwechselnde Verarbeitung des Summensignals Σ und des Differenzsignals Δ erlauben.
Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge umfasst die Vorrichtung ferner einen Speicher zum Speichern der einer Anzahl N von Impulsen entsprechenden Daten, und die Rechenmittel uP können diese Daten dieser N Impulse mitteln.
Einer anderen bevorzugten Ausgestaltung zufolge umfasst die Vorrichtung ferner Mittel ER, die die Durchführung einer Ausrichtungskorrektur anhand der von den Rechenmitteln uP gelieferten Ausrichtungsbestimmung ermöglichen.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der detaillierten nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Figuren. Es zeigen:
- Fig. 1, bereits beschrieben, einen aus dem Stand der Technik bekannten Erdbeobachtungssatelliten mit mitgeführtem Radar mit synthetischer Apertur im Azimut und elektronische Elevations- und/oder Azimutausrichtung auf die zugängliche Zone;
- Fig. 2 schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Satelliten zur Erdbeobachtung durch ein mitgeführtes Radar mit synthetischer Apertur im Azimut und Elevationsabtastung;
- Fig. 3 ein Beispiel der Überlagerung einer theoretischen Kurve von (Δ/Σ)T als Funktion des Ausrichtwinkels und einer gemessenen und verrauschten Kurve von (Δ/Σ)M als Funktion des Ausrichtwinkels;
- Fig. 4 schematisch als Blockdiagramm ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Elevationsausrichtung einer Radarantenne;
- Fig. 5 ein Beispiel einer Kurve eines Diagramms der auf dem Differenzkanal Δ empfangenen Leistung in dB als Funktion des Fehlausrichtungswinkels δ_ in Grad in Bezug auf den mittleren Einfallswinkel _ = 58º;
- Fig. 6 ein Beispiel einer Kurve des theoretischen Differenz/Summenverhältnisses (Δ/Σ)T als Funktion der Fehlausrichtung δ_ um den Blickwinkel _ = 58º der Antenne;
- Fig. 7 den Winkelfehler ERΔ(º) der Fehlausrichtungsabschätzung als Funktion der Zahl N von Impulsen für verschiedene Werte des Signals-Rauschverhältnisses (S/B).
In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen immer auf gleiche Elemente. Aus Gründen der Klarheit der Zeichnungen ist die Maßstäblichkeit nicht immer gewahrt. Die Zeichnungen zeigen nicht-einschränkende Beispiele einiger erfindungsgemäßer Ausgestaltungen und ihre Hauptvorteile sowie die Ergebnisse, die bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erwarten sind.
In Fig. 2 erkennt man ein erfindungsgemäßes Beispiel eines mitgeführten Satelliten zur Beobachtung der Erde durch Radar mit synthetischer Azimutapertur und Elevationsabtastung, gesehen in einer Ebene senkrecht zur Umlaufbahn des Satelliten und zur Geschwindigkeit 0, das Antennenkeulen auf dem Differenzkanal Δ zeigt. Um die Zeichnung und die zugehörige Beschreibung zu vereinfachen, wird nur ein Streifen auf einer einzigen Seite der Bahn betrachtet.
Der Satellit 100 umfasst eine Antenne (101a, 101b), die eingerichtet ist, um eine Abtastung in Elevation, das heißt in einer als "transversal" bezeichneten Ausleuchtungsebene, durchzuführen, die den Nadir enthält und senkrecht zur Geschwindigkeit 0 ist, wie etwa der Ebene der Fig. 2. Der Elevationswinkel zwischen dem Nadir und der Funkachse der Antenne ist mit dem Symbol _ bezeichnet, von dem zwei besondere Werte _1 und _2 in der Zeichnung aufgetragen sind.
In dem Beispiel der Fig. 2 wird wie bei der Mehrzahl der Antennen mit elektronischer Abtastung die Abtastung durch eine auf die verschiedenen strahlenden Elemente einer Gruppenantenne angewendete relative Phasenverschiebung erhalten. Diese relative Phasenverschiebung, die nach einer durch eine theoretische Berechnung festgelegten Phasenregel durchgeführt wird, steuert eine Ausrichtungsverschiebung der Hauptkeule der Antenne z. B. unter dem Winkel _. Diese Phasenregel ist allerdings festgelegt in Bezug auf die als bekannt angenommenen Orientierungen zwischen der Antenne 101a, 101b, dem Träger 100 und dem Nadir. Der Hypothese der Erfindung zufolge können jedoch diese theoretischen relativen Orientierungen fehlerhaft sein, was zu Ausrichtungsfehlern führt. Ein Ziel der Erfindung ist, die tatsächliche Elevationsausrichtung zu bestimmen, um diese Fehler korrigieren zu können.
Zu diesem Zweck schlägt das erfindungsgemäße Verfahren vor, einen rechnerischen Vergleich der theoretischen und reellen Signale durchzuführen, die einem Summensignal Σ und einem Differenzsignal Δ entsprechen. Das Summensignal Σ entspricht dem von allen strahlenden Elementen mit einer Phasenverschiebung nach der theoretischen Phasenregel für einen gegebenen Winkel, zum Beispiel _1 oder _2, empfangenen Signal. Das Differenzsignal Δ entspricht dem von allen strahlenden Elementen mit einer Phasenverschiebung nach dieser gleichen theoretischen Phasenregel für den oberen Bereich 101a der Antenne und nach der gleichen theoretischen Phasenregel + 180º (oder + π) für den unteren Bereich 101b der Antenne empfangenen Signal.
Fig. 2 zeigt die Antennenkeulen, die den Differenzsignalen Δ für die zwei Elevationswinkel _1, _2 entsprechen. Man erkennt, dass im Gegensatz in Fig. 1 gezeigten üblichen Keule (Summenkanal Σ), der durch ein Strahlenbündel B mit Öffnungswinkel β gebildet ist, das Antennendiagramm des Differenzsignals Δ zwei Strahlungshauptkeulen B', B" mit einem Loch in der Mitte aufweist. Genau dieses Strahlungsdiagramm in Form von zwei Keulen erlaubt eine sehr genaue Positionierung der Strahlachse in Bezug auf den Elevationswinkel _1. In gleicher Weise erkennt man, dass Differenzkanal Δ zwei Hauptkeulen b', b" um die Strahlachse herum unter einem Elevationswinkel _2 ergibt.
Um den Vergleich der theoretischen und der tatsächlich empfangenen Signale durchzuführen, empfiehlt die Erfindung die Erzeugung eines Referenzsignals durch Berechnung ausgehend von dem theoretischen Antennenausleuchtungsgesetz (der theoretischen Antennenrichtcharakteristik). Dieses Referenzsignal hat seinerseits selbst Summenkomponenten 1 und Differenzkomponenten Δ, anhand von denen die Berechnung des theoretischen Verhältnisses (Δ/Σ)T durchgeführt wird. Die gleiche Berechnung des Verhältnisses der auf Summen- bzw. Differenzkanal Σ, Δ empfangenen Signale zu den tatsächlich an der Antenne 100 empfangenen Signalen (110a, 110b) wird durchgeführt, um daraus das gemessene Verhältnis (Δ/Σ)M zu gewinnen.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel des Vergleichs von (Δ/Σ)T und (Δ/Σ)M durch Überlagerung der zwei als Funktion der Abweichung δ_ des Elevationsausrichtungswinkels von dem für die Aufnahme gewählten Nennwinkel _ aufgetragenen Kurven. Die theoretische Kurve (Δ/Σ)T ist schön glatt wohingegen die gemessene Kurve (Δ/Σ)M verrauscht ist und zufällige Intensitätsspitzen aufweist. In der Praxis überlagern sich diese zwei Kurven nicht perfekt aufgrund eines Antennenausrichtungsfehlers, der an diesem Diagramm durch eine Winkelabweichung zwischen den zwei Kurven erfasst werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, diese zwei Kurven auf der Abszisse rechnerisch zu verschieben, bis die beste Entsprechung zwischen beiden erhalten wird, z. B. durch eine Berechnung der kleinsten mittleren Quadrate. Der Winkel, um den die Kurven relativ zueinander verschoben werden, entspricht also dem Ausrichtungsfehler zwischen theoretischem Winkel und dem effektiven Strahlungswinkel und kann genützt werden, um die Orientierung der Antenne durch Einwirken auf die Phasenschieber der Antenne zu korrigieren oder um die Bilddaten zum Zeitpunkt der Berechnung des Bildes nach Abstandskompression und Synthese der Azimutapertur ausgehend von den Rohdaten zu korrigieren.
Fig. 4 zeigt schematisch als Blockdiagramm ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Elevationsausrichtung einer Radarantenne.
Die strahlenden Elemente der Antenne sowie ihre Versorgungen und ihre Phasenschieber sind in der Figur nicht gezeigt. Das Summensignal Σ und das Differenzsignal Δ werden wie oben angegeben aus den im oberen Bereich 101a und im unteren Bereich 101b der Antenne 101 empfangenen Signalen erzeugt und zu den Eingängen Σ und Δ befördert, wie in Fig. 4 gezeigt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ermöglichen Umschalter SW1, SW2, den Summenkanal Σ oder den Differenzkanal Δ abwechselnd auszuwählen, um die Verarbeitung durchzuführen, deren Beschreibung folgt. Bei einer anderen nicht gezeigten Ausgestaltung ermöglichen parallele Kanäle für Summensignal Σ und Differenzsignal Δ, die Verarbeitung auf beiden Kanälen gleichzeitig, ohne Umschaltung, vorzunehmen.
Der erste Umschalter SW1 wählt also den dem Summenkanal Σ oder dem Differenzkanal Δ entsprechenden Eingang zur Verarbeitung.
Das so ausgewählte Signal wird an den Eingang eines Hybridkopplers C angelegt, der an seinen zwei Ausgängen in herkömmlicher Weise Signale liefert, die In-Phase-Signalen I und Quadratur- Signalen Q entsprechen. Diese Signale I und Q werden anschließend mit Hilfe von Analog-Digital-Wandlern ADC1, ADC2 digitalisiert.
Bei dem gezeigten Beispiel werden diese digitalisierten Signale anschließend zu einer ersten Recheneinheit COMP befördert, um die Impulskompression z. B. durch Fouriertransformierte durchzuführen. In herkömmlicher Weise sind die Impulse eines auf einem Weltraumträger mitgeführten Radar im Allgemeinen spreizbandmoduliert oder "gechirpt", das heißt die Sendefrequenz variiert zeitlich über die Dauer des Impulses. In diesem Fall führt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Kompression der empfangenen Impulse durch, um die dem Abstand des Zieles betreffenden Radardaten zu bestimmen.
Nach Kompression in der Einheit COMP (nur im Falle einer modulierten Emission) werden die In-Phase- und Quadratur-Signale I, Q an eine Signalleistungs-Messeinheit geliefert, die die Berechnung der empfangenen Leistung nach der Formel I² + Q² durchführt. Der so berechnete Momentanwert der Leistung wird von einer Abtastvorrichtung SAMP abgetastet, die in Unterabtastung mit einer Schrittweite in Grad proportional zur gewünschten Genauigkeit arbeitet, zum Beispiel in der Größenordnung von 0,001º für eine Genauigkeit von 0,01º. Diese Anforderung muss je nach Abtastfrequenz angepasst und somit je nach Inzidenz korrigiert werden, um eine Schrittweite ≤ 0,001º zu erhalten. Der so abgetastete Leistungswert wird anschließend an den der Summe Σ oder der Differenz Δ des Mikroprozessors uP entsprechenden Eingang geliefert, wobei der geeignete Eingang mit Hilfe des zweiten Umschalters SW2 in Abhängigkeit von der Position des ersten Umschalters SW1 ausgewählt wird.
Dieser Mikroprozessor uP hat zwei andere Eingänge zum Empfangen von in zwei Speichern M1 und M2 gespeicherten Sollwerten. Der erste Speicher M1 liefert eine theoretische Kurve des Verhältnisses (Δ/Σ)T von Differenzsignal Δ und Summensignal Σ. Bei der Ausgestaltung der Fig. 4 liefert ein zweiter Speicher M2 eine Abschätzung der Leistung des thermischen Rauschens NT, um die Subtraktion des effektiv empfangenen verrauschten Signals durchzuführen, bevor die Berechnungen des Mikroprozessor uP vorgenommen werden. Der in dem zweiten Speicher M2 gespeicherte Wert des thermischen Rauschens NT kann von einer z. B. von der Antenne in Abwesenheit von Emission durchgeführten Messung stammen.
Vorzugsweise wird das empfangene Signal auf N Impulsen abgetastet, um die Mittelung des Speckle-Rauschens und des thermischen Rauschens NT zu ermöglichen und so das Signal- Rausch-Verhältnis zu verbessern, wie in Fig. 7 gezeigt.
Der Mikroprozessor uP führt also die oben aufgezählten Rechnungen durch, um zwei Kurven zu gewinnen, die jeweils das theoretische Verhältnis (Δ/Σ)T der Differenz Δ zur Summe Σ und das effektiv empfangene und gemessene Verhältnis (Δ/Σ)M, vorzugsweise nach Subtraktion des thermischen Rauschens und Mittelung über N Impulse, darstellen. Anschließend ermöglicht der Vergleich dieser zwei Kurven die Bestimmung des Ausrichtungsfehlers, mit dem eine Ausrichtungskorrektur der Antenne über die Fehlerkorrektur-Steuereinheit ER gesteuert werden kann.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Kurve eines Diagramms der empfangenen Leistung P (in dB) auf dem Differenzkanal Δ als Funktion des Fehlausrichtungswinkels δ_ (in Grad) in Bezug zum mittleren Einfallswinkel _ = 58º. Man erkennt, dass die Hauptkeulen symmetrisch um die mittlere Achse von _ = 58º angeordnet sind, mit einem "Loch" von -10 dB in der Mitte. Die Nebenkeulen liegen bei -12 bis -16 dB.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer theoretischen Kurve des Differenz/Summenverhältnisses (Δ/Σ)T als Funktion der Ausrichtungsabweichung δ_ vom Blickwinkel _ = 58º der Antenne. Diese Kurve hat eine Form, die für die oben beschriebenen Vergleiche geeignet ist: sehr symmetrisch, mit einer hoch dynamischen Schwankung um den theoretischen Ausrichtungswert, was ihre Korrelation mit der von der Antenne kommenden verrauschten Kurve erleichtert und eine Messung der Winkelabweichung zwischen reeller und theoretischer Ausrichtung mit guter Genauigkeit ermöglicht.
Fig. 7 zeigt den Winkelfehler ERΔ(º) der Abschätzung der Fehlausrichtung in Abhängigkeit von der Anzahl N der Impulse für verschiedene Werte des Signal-Rausch-Verhältnisses S/B. Das Bewertungskriterium ist der Mittelwert des Ausrichtungsfehlers zuzüglich des Dreifachen der Standardabweichung (3σ). Dieser Ausrichtungsfehler wurde mit einer großen Zahl von Rauschmessungen abgeschätzt, um den Nutzen der Erfindung zu zeigen.
Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass eine Genauigkeit der Ausrichtungsbestimmung in Elevation von besser als 0,05º für eine Zahl N von Impulsen ≥ 15 für ein Signal-Rausch-Verhältnis S/B ≥ 0 dB und besser als 0,025º für eine Zahl N von Impulsen ≥ 15 bei einem Signal-Rausch-Verhältnis S/B ≥ 3 dB erhalten werden kann.
Die Prinzipien der Erfindung sind mit Bezug auf einige nicht einschränkende Ausführungsbeispiele beschrieben worden. Das Ausmaß des nachgesuchten Schutzes ist definiert durch die nachfolgenden Ansprüche.

Claims

1. Rechenverfahren mit schneller Wiederholrate zum dynamischen Bestimmen der Elevationsausrichtung einer Antenne, insbesondere für ein auf einem beweglichen Träger montiertes Radar mit synthetischer Apertur, welches Verfahren die folgenden Operationen umfasst:

Erzeugen eines Referenzsignals ausgehend von der in Elevation berechneten theoretischen Richtcharakteristik einer Antenne;

aus an der Antenne empfangenen Signalen, Erzeugen eines Summensignals Σ und eines Referenzsignals Δ;

Digitalisieren dieser Signale Δ, Σ durch eine Analog- Digitalwandlung;

Durchführen einer Kompression eines von fern empfangenen Impulses, wenn der gesendete Impuls frequenzmoduliert war;

Durchführen einer Unterabtastung der Leistung jedes Summen- und Differenzsignals Σ, Δ mit einer Schrittweite in Grad unterhalb der gewünschten Genauigkeit;

Berechnen des theoretischen Differenz/Summenverhältnisses (Δ/Σ)T anhand des Referenzsignals;

Berechnen des gemessenen Differenz/Summenverhältnisses (Δ/Σ)M anhand der empfangenen, komprimierten und unterabgetasteten Signale;

Vergleichen des Verhältnisses (Δ/Σ)M mit dem theoretischen Verhältnis (Δ/Σ)T, um die Abweichung in Grad zu bestimmen und so die Ausrichtung zu bestimmen.

2. Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzsignal Δ aus dem an der Antenne empfangenen Signal erzeugt wird, indem die Phase und/oder Amplitude der Richtcharakteristik verändert wird, um einen hohen Signalkontrast an dem Differenzsignal Δ zu bewirken.

3. Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzsignal Δ aus dem an der Antenne empfangenen Signal durch Umkehren der Phase des Signals (±π) auf einer Hälfte der Höhe der Antenne erzeugt wird.

4. Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzsignal Δ durch einen Koppler vom Typ Magic-T erhalten wird, der mit seinen zwei Eingängen jeweils verbunden mit einer ersten Hälfte (100a) bzw. einer zweiten Hälfte (100b) der Höhe der Antenne (100) angeordnet ist, um die Differenz Δ an einem Ausgang des Kopplers zu liefern.

5. Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die folgenden Operationen umfasst:

Abschätzen der Leistung des thermischen Rauschens der Antenne;

Abziehen dieser Rauschabschätzung vom effektiv empfangenen verrauschten Signal.

6. Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pegel des thermischen Rauschens abgeschätzt wird durch vorherige Aufnahme eines Empfangssignals am Radar, ohne dass ein Senden durchgeführt worden ist.

7. Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner die folgende Operation umfasst: Speichern des für N Impulse erhaltenen Signals, um das Signal-Rausch-Verhältnis der durchgeführten Messungen zu verbessern.

8. Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung der Daten, die den unterabgetasteten Summen- und Differenzsignalen entsprechen, im Zeitbereich stattfindet.

9. Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung der den unterabgetasteten Summen- und Differenzsignalen entsprechenden Daten im Frequenzbereich stattfindet.

10. Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die folgenden Operationen umfasst: nach dem Bestimmen der Ausrichtung wird ein Befehl zum Korrigieren der Antennenausrichtung erzeugt und auf die Antenne gegeben, um deren Ausrichtung zu korrigieren.

11. Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner die folgende Operation umfasst: nach dem Bestimmen der Ausrichtung wird die Abweichung in Grad zwischen der theoretischen Ausrichtung und der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessenen Ausrichtung mit dem Messzeitpunkt verknüpft und an den Boden mit den Radardaten übertragen, um die Bildberechnungen zu korrigieren.

12. Vorrichtung zum dynamischen Bestimmen der Elevationsausrichtung einer Radarantenne (101), wobei die Antenne (101) eine sogenannte obere Hälfte (101a) und eine sogenannte untere Hälfte (101b) umfasst, die Vorrichtung Mittel zum Bilden der Summe Σ und der Differenz Δ der für die obere Hälfte (101a) bzw. die untere Hälfte (101b) der Antenne (101) empfangenen Signale, Mittel zur Analog-Digitalwandlung (ADC1, ADC2), Mittel zur Impulskompression (COMP), Mittel zur Leistungsmessung (P) und Mittel zum Abtasten (SAMP) der gemessenen Leistung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfasst: Mittel zum Einstellen (M1) einer theoretischen Beziehung des Verhältnisses (Δ/Σ)T und der Antennenfehlausrichtung in Grad sowie Rechenmittel (uP), mit denen der Vergleich des Verhältnisses der empfangenen Signale (Δ/Σ)M und des theoretischen Verhältnisses (Δ/Σ)T durchgeführt werden kann, um die Relevationsausrichtung der Antenne zu bestimmen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner Mittel zum Einstellen (M2) einer Abschätzung des thermischen Rauschens umfasst.

14. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Messen der Leistung des von der Antenne empfangenen Rauschens bei Fehlen eines vorherigen Sendens sowie Mittel umfasst, die es erlauben, sie in den Einstellwert M2 einzutragen.

15. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner zwei parallele Summen- und Differenzkanäle Σ bzw. Δ umfasst, die gleichzeitig arbeiten können.

16. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner zwei Umschalter (SW1, SW2) umfasst, die die abwechselnde Verarbeitung des Summensignals Σ und des Differenzsignals Δ erlauben.

17. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner einen Speicher zum Speichern der einer Anzahl N von Impulsen entsprechenden Daten umfasst, und dass die Rechenmittel (uP) die Daten dieser N Impulse mitteln können.

18. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner Mittel (ER) umfassen, die die Durchführung einer Ausrichtungskorrektur anhand der von den Rechenmitteln (uP) gelieferten Ausrichtungsbestimmung ermöglichen.