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Die
Erfindung betrifft ein Radargerät,
das Folgendes enthält:
Antennenmittel, mit den Antennenmitteln verbundene Sendemittel zum
Erzeugen von Bursts von Radarsendeimpulsen, wobei sich die einzelnen
Bursts von Burst zu Burst hinsichtlich einer Impulsfolgefrequenz
und/oder einer Radarsendefrequenz unterscheiden, mit den Antennenmitteln
verbundene Empfängermittel
und eine mit den Empfängermitteln
verbundene Dopplerfilterbank für
die Erzeugung einer Entfernung-Doppler-Matrix von Echostärken, die
Entfernung-Doppler-Elemente für
jeden Burst darstellen, Verknüpfungsmittel
zum Verknüpfen der
pro Burst erhaltenen Entfernung-Doppler-Matrizen und Schwellwertmittel
zur Schwellwertbildung an den verknüpften Entfernung-Doppler-Matrizen.
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Ein
Radargerät
dieser Art ist bekannt aus IEEE Transactions on Aerospace and Electronic
Systems, Band 26, Nr. 5, September 1990, S. 754-766; K. Gerlach
und G.A. Andrews: „Cascaded
detector for multiple high-PRF pulse doppler radars". Das darin beschriebene
Radargerät
verwendet Bursts von Radarsendeimpulsen mit einer hohen PRF, die
in die Entfernung eines Ziels, aber nicht in die Dopplergeschwindigkeit
des Ziels, Doppeldeutigkeit einführt.
Indem die empfangenen Echos für
verschiedene Bursts verknüpft
und an ihnen eine Schwellwertbildung vorgenommen wird, ist es möglich, die
Entfernung eines Ziels eindeutig zu bestimmen und außerdem die
Detektionswahrscheinlichkeit zu verbessern. Das Verfahren eignet
sich jedoch nur für
Radargeräte mit
einer hohen PRF.
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Dieses
bekannte Verfahren eignet sich, wenn auch geringfügig angepaßt, auch
für Radargeräte mit niedriger
PRF, die nicht zu Doppeldeutigkeiten bei der Entfernung, sondern
stattdessen bei der Dopplergeschwindigkeit, führen. Radargeräte mit niedriger
PRF weisen angesichts dessen, daß sie Clutter nicht adäquat unterdrücken können, kaum praktische
Bedeutung auf. Bei Suchradargeräten
auf dem Stand der Technik ist es üblicherweise unmöglich, Radarsendungen
auf Sendungen vom Typ mit hoher oder niedriger PRF zu beschränken. Dies
bedeutet, daß sowohl
hinsichtlich Entfernung als auch Dopplergeschwindigkeit eine Doppeldeutigkeit
vorliegt. In derartigen Situationen besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, die für
verschiedene Bursts empfangenen Echos zu verknüpfen und danach eine Schwellwertbildung
vorzunehmen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dopplerfilterbank dafür ausgelegt
ist, pro Burst eine hinsichtlich Entfernung und Dopplereffekt doppeldeutige
Entfernung-Doppler-Matrix zu erzeugen, und daß die Verknüpfungsmittel für das zweidimensionale
Entfalten der doppeldeutigen Entfernung-Doppler-Matrizen ausgelegt
sind, um aus verschiedenen Bursts erhaltene eindeutige Entfernung-Doppler-Matrizen
zu erhalten und diese zu einer verknüpften Entfernung-Doppler-Matrix
zu verknüpfen,
und daß die Schwellwertmittel
dafür ausgelegt
sind, an der verknüpften
Entfernung-Doppler-Matrix
eine Schwellwertbildung vorzunehmen.
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Aus
den Proceedings of the ICASSP 83, IEEE International Conference
on Acoustics, Speech and Signal Processing, April 1406, 1983, Boston, MA,
USA, IEEE, New York, NY, USA, Band 2, S. 687-90, von N. Shridar
Reddy und M.S. Swamy ist eine "Time-domain
estimation of unambiguous Doppler frequency in low and medium PRF
radars" bekannt.
Diese bekannte Schätzung
ist jedoch auf Doppler-Doppeldeutigkeiten beschränkt und verknüpft zudem
Detektionen anstatt Zielstärken.
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Aufeinanderfolgende
Bursts von Radarsendeimpulsen werden üblicherweise mit verschiedenen
PRF emittiert, da dadurch die Doppeldeutigkeit hinsichtlich Entfernung
und Dopplergeschwindigkeit eines Ziels aufgelöst werden kann. Dies verursacht
Schwankungen bei den Abmessungen der Entfernung-Doppler-Matrizen
und verhindert bei nacheinander erhaltenen Doppler-Matrizen, daß ein Ziel ständig durch
das gleiche Entfernung-Doppler-Element dargestellt wird.
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Zudem
soll Radarsendefrequenz bevorzugt pro Burst geändert werden, da dies den Effekt
des Schwunds reduziert und das Radargerät weniger anfällig gegenüber Störung wird.
Dies bedeutet, daß die gegenseitigen
Phasen von Echos von nacheinander gesendeten Impulsbursts nicht
korreliert sind und daß der
Prozeß des
Verknüpfens
dieser Echos deshalb inkohärent
stattfinden muß,
beispielsweise auf der Basis der Addition der Moduli von Echos.
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Gemäß einer
günstigen
Ausführungsform der
Erfindung ist es nicht das Modulus der Echostärke, das das Entfernung-Doppler-Element
darstellt, sondern eine normierte Echostärke relativ zum geschätzten Hintergrund.
Dazu wird der Hintergrund für jedes
Entfernung-Doppler-Element geschätzt,
beispielsweise mit Hilfe einer in der Technik wohlbekannten schnellen
Schwellwertschaltung. Die normierte Echostärke erhält man dann, indem man die Echostärke durch
den Hintergrund dividiert und dies zum Quadrat erhebt. Die normierte
Echostärke
bringt den Vorteil mit sich, daß einer
Messung mit einem ausgeprägten
Kontrast, d.h. einem zufriedenstellenden Verhältnis der gemessenen Echostärke zum
geschätzten
Hintergrund, in der weiteren Verarbeitung automatisch ein höherer Gewichtungsfaktor
zugeordnet wird als einem starken Ziel in einem Clutterumfeld. Außerdem kann
der pro Entfernung-Doppler-Element
geschätzte
Hintergrund zweckmäßigerweise
in einer Hintergrundmatrix gespeichert werden, um einen für die Schwellwertbildung
erforderlichen Schwellwert zu erhalten.
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Gemäß der Erfindung
sind die Verknüpfungsmittel
für das
zweidimensionale Entfalten und Verknüpfen der doppeldeutigen Entfernung-Doppler-Matrizen
ausgelegt, damit man eindeutige Entfernung-Doppler-Matrizen erhält. Wie
oft die Entfernung-Doppler-Matrizen in Entfernungsrichtung entfaltet
werden, hängt
von dem PRF-bestimmten größten eindeutigen
Bereich und dem größten für das Radargerät spezifizierten
Bereich ab. Wie oft die Entfernung-Doppler-Matrizen in Dopplerrichtung
entfaltet werden, hängt
von der durch die PRF und die Radarsendefrequenz bestimmten größten eindeutigen
Geschwindigkeit und von der für
das Radargerät
spezifizierten größten Dopplergeschwindigkeit
ab.
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Eine
aus einem Burst entstehende entfaltete Entfernung-Doppler-Matrix umfaßt eine
Reihe von identischen, miteinander verknüpften Entfernung-Doppler-Matrizen
und deckt auf diese Weise den ganzen spezifierten Entfernung-Doppler-Bereich ab.
In der entfalteten Entfernung-Doppler-Matrix erscheint dann ein
Ziel mehr als einmal, genau einmal pro ursprünglicher Entfernung-Doppler-Matrix. Eines von
diesen stellt das wahre Ziel dar, die anderen sind durch Aliasing
erhaltene Geister. Durch anschließendes Summieren der von verschiedenen
Bursts erhaltenen Entfernung-Doppler-Matrizen Element für Element
erhält
man auf der Basis der normierten Echostärke die verknüpfte Entfernung-Doppler-Matrix. Dies
führt bei
dem eigentlichen Ziel zu einer Summierung der das Ziel darstellenden
Entfernung-Doppler-Elemente,
wohingegen die Geister, die an immer wechselnden Stellen auftauchen,
kaum jemals summiert werden. Das wahre Ziel wird nach dem Verknüpfen deshalb
eine größere Amplitude
aufweisen als die Geister, die nicht summiert sind.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden
auch die Hintergrundmatrizen entfaltet und die geschätzten Hintergründe werden
Element für
Element summiert, damit man Schwellwerte für die verknüpfte Entfernung-Doppler-Matrix
erhält.
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Bezüglich eines
starken Ziels können
die individuellen Geister zusätzlich
zu dem wahren Ziel ebenfalls gelegentlich die Schwelle überqueren.
Eine weitere günstige
Ausführungsform
des Radargeräts ist
dafür dadurch
gekennzeichnet, daß die
Schwellwertschaltung weiterhin eine Entscheidungsschaltung aufweist,
um pro verknüpftem
Entfernung-Doppler-Element, das eine Schwellwertüberquerung verursacht, die
eindeutige Zielentfernung und Zielgeschwindigkeit zu bestimmen und
um danach die dieses Ziel darstellenden Geisterziele aus der verknüpften Entfernung-Doppler-Matrix
zu entfernen.
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Da
die Summe der normierten Echostärken des
verknüpften
wahren Ziels immer größer ist
als die Summen der normierten Echostärken der verknüpften Geister,
ist es möglich,
das wahre Ziel auf der Basis der größten Summe zu bestimmen und
die mit diesem Ziel verbundenen Geister zu berechnen und zu entfernen.
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Um
den Rechenaufwand für
die Entscheidungsschaltung auf ein Minimum zu reduzieren, ist es
vorteilhaft, bekannte Ziele vor dem Entfalten aus der Entfernung-Doppler-Matrix zu entfernen.
Dies verhindert, daß Geister
auftreten, die später
wieder entfernt werden müssen.
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Außerdem kann
festgestellt werden, daß sich
die Verknüpfung
aus Echostärken
und der nachfolgenden Schwellwertbildung der verknüpften Echostärke sich
tatsächlich
nur für
schwache Echos eignet, deren Detektionswahrscheinlichkeit vor der
Verknüpfung
nicht ausreichend ist. Dazu kann das Gerät vorteilhafterweise mit einem
Vorwähler
versehen werden, der auf der Basis von nacheinander erzeugten Entfernung-Doppler-Matrizen
starke Echos auf eine im Stand der Technik bekannte Weise verknüpft, damit
man Echos mit einer eindeutig bestimmten Zielentfernung und Zielgeschwindigkeit
erhält
und diese Echos vor der Entfaltung aus den Entfernung-Doppler-Matrizen
entfernt. Dies schränkt
das Ausmaß des
Rechenaufwands für
die Entscheidungsschaltung weiter ein.
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Das
Radargerät
gemäß der Erfindung
wird nun unter Bezugnahme auf 1,
die ein Blockschaltbild eines Radargeräts gemäß der Erfindung darstellt,
näher beschrieben.
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1 stellt ein Blockschaltbild
eines Radargeräts
gemäß der Erfindung
dar. Sendemittel 1 erzeugen Bursts von Radarsendeimpulsen,
die über Antennenmittel 2 gesendet
werden. Mit den Antennenmitteln 2 verbundene Empfängermittel 3 empfangen
Echosignale, die an eine N-Punkt-Dopplerfilterbank 4 angelegt
werden, beispielsweise eine 16-Punkt-FFT-Einheit, die die Echosignale
pro Burst verarbeitet, nachdem diese Signale an schnelle Schwellwertschaltungen 5.1,...5.N angelegt
werden. Alle Schwellwertschaltungen 5.i schätzen den
Hintergrund jedes Entfernungsquants auf eine im Stand der Technik
bekannte Weise, beispielsweise auf der Basis der Echostärken in
benachbarten Entfernungsquanten.
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Danach
wird eine normierte Echostärke
aus der Echostärke
in einem Entfernungsquant eben zu diesem Entfernungsquant gehörenden Hintergrund abgeleitet,
indem beispielsweise die Echostärke durch
den Hintergrund dividiert und dies zum Quadrat erhoben wird. Die
resultierenden normierten Echostärken
werden dann als Entfernung-Doppler-Matrix in einem Entfernung-Doppler-Speicher 6 gespeichert.
Die zugeordneten Hintergründe
werden ebenfalls quadriert und als eine Hintergrundmatrix im Hintergrundspeicher 7 gespeichert.
Dies ermöglicht eine
Speicherung der Entfernung-Doppler-Matrizen und
der Hintergrundmatrix, die eine Anzahl von in einer Richtung emittierten
Bursts darstellen, die jeweils eine andere PRF aufweisen und bei
einer anderen Radarsendefrequenz emittiert werden.
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Die
schnellen Schwellwertschaltungen 5.1,...5.N können auch
zur Vorschwellwertbildung der in einem Entfernung-Doppler-Speicher 6 zu
speichernden Echostärken
verwendet werden. Dies impliziert die Schwellwertbildung einer Echostärke mit dem
damit verbundenen Hintergrund plus einem zusätzlichen Schwellwert, wonach
eine Null in einen Entfernung-Doppler-Speicher 6 geschrieben
wird, wenn keine Schwellwertkreuzung auftritt. Dieser Vorschwellwert
bringt den Vorteil mit sich, daß viele
Entfernung-Doppler-Elemente
Null sind, was den erforderlichen Berechnungsaufwand reduziert.
Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß es zu einem durch den zusätzlichen
Schwellwert bestimmten Detektionsverlust kommen kann.
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Sendemittel 1,
Antennenmittel 2 und Empfängermittel 3 sind
bevorzugt integriert, um ein phasengesteuertes Arraysystem zu bilden,
wenngleich sich die Erfindung auch für konventionellere Arten von
Radar eignet, vorausgesetzt, es ermöglicht die Emission von mehreren
Bursts von Radarsendeimpulsen pro Richtung.
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Gemäß dem der
Erfindung zugrundeliegenden erfindungsgemäßen Prinzip ist es zumindest
bei schwachen Zielen von Vorteil, die von verschiedenen Bursts kommenden
Zielechos zuerst zu verknüpfen und
erst dann zu der Schwellwertbildung weiterzugehen, um eine mögliche Detektion
zu erreichen. Dieser als „cluster
before detect" bezeichnete
Prozeß ist mit
viel Rechenaufwand verbunden. Angesichts dieser Tatsache ist es
ratsam, aus den Entfernung-Doppler-Matrizen zuerst die bekannten
Echos, wie beispielsweise aus einem Verfolgsprozeß bekannten,
zu entfernen. Dies wird in einem im Stand der Technik bekannten
Zielgenerator 8 bewirkt und basiert auf dem Prinzip, daß die Stärke, Entfernung und
die Dopplergeschwindigkeit eines Ziels im Vergleich zu vorausgegangenen
Messungen nur wenige Änderungen
erfahren und daß etwaige
auftretende Änderungen
zudem höchst
vorhersagbar sind. Bei einem Verfolgungsprozeß liefert der bekannte Zielgenerator
folglich die neue Stärke,
Entfernung und Doppler des Ziels und entfernt außerdem aus den Entfernung-Doppler-Matrizen die diesem
Ziel zugeordneten Echos.
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Bei
starken Echos mit einer hohen normierten Echostärke ist es zudem möglich, auf
im Stand der Technik bekannte Weise die eindeutige Entfernung und
Doppler aus den verfügbaren
Entfernung-Doppler-Matrizen in einem Stark-Ziel-Generator 9 direkt zu
bestimmen. Anstatt das „cluster
before detect"-Prinzip
anzuwenden, werden an individuellen Entfernung-Doppler-Matrizen
auf der Basis der zugeordneten, im Hintergrundspeicher 7 gespeicherten Hintergrundmatrizen
plus einem zusätzlichen Schwellwert
Schwellwertbildungen vorgenommen; die ausreichend starken Echos
werden danach verknüpft,
um die eindeutigen Entfernungs- und Dopplerwerte der zugeordneten
Ziele zu bestimmen. Diese Matrizen werden an einen Prozessor zur
Verwendung mit dem Radargerät
weitergereicht, wonach die zugeordneten Echos aus den Entfernung-Doppler-Matrizen
entfernt werden. Diese Matrizen umfassen schließlich nur schwache Echos möglicher
potentieller Ziele.
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Um
den „cluster
before detect"-Prozeß zu ermöglichen,
wird eine Entfernung-Doppler-Matrix in Entfernung und in Doppler
entfaltet, damit man eine eindeutige Entfernung-Doppler-Matrix erhält, in der ein
Ziel zusammen mit einer Reihe von Geisterzielen, auch Geister genannt,
eindeutig vorliegen muß.
Wie oft eine Entfernung-Doppler-Matrix entfaltet wird, hängt von
der PRF, der Radarsendefrequenz und der spezifizierten größten Entfernung
und größten Dopplergeschwindigkeit
ab. Bei eine PRF von beispielsweise 5 kHz beträgt die doppeldeutige Entfernung
30 km. Falls die spezifizierte größte Entfernung 150 km beträgt, muß in der
Entfernung fünf
Mal entfaltet werden. Durch diese PRF wird eine Abtastung einer Dopplerfrequenz
von 0-5 kHz ermöglicht,
was bei einer Radarsendefrequenz von beispielsweise 10 GHz 75 m/s
entspricht. Bei einem spezifizierten Geschwindigkeitsbereich von –600 m/s
bis 600 m/s wird folglich ein sechszehnfaches Entfalten hinsichtlich Doppler
erforderlich sein. Für
jedes Ziel umfaßt
die entfaltete Entfernung-Doppler-Matrix dann ein wahres Ziel und
47 Geisterziele, die alle eine identische normierte Echostärke aufweisen.
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Die
entfalteten Entfernung-Doppler-Matrizen werden in einem ersten Verknüpfungsmittel 10 in
ein Speicherfeld geschrieben, wobei die Matrizen bei diesem Prozeß außerdem für alle zu
verknüpfenden Bursts
nacheinander summiert werden. Es sei angemerkt, daß die normierten
Echostärken
für reale
Ziele summiert werden, die zumindest für kleine Abweichungen bei der
PRF und für
kleine Abweichungen bei der Radarsendefrequenz in jeder entfalteten
Entfernung-Doppler-Matrix am gleichen Platz auftreten. Geister hingegen
treten an ständig
anderen Plätzen auf
und werden deshalb sehr selten summiert. Die Summierung verursacht
infolgedessen eine Vergrößerung der
Echostärke
von wahren Zielen, was bei Geistern nicht der Fall ist. Danach wird
die im ersten Verknüpfungsmittel 10 erzeugte
verknüpfte
Entfernung-Doppler-Matrix
zusammen mit einer im zweiten Verknüpfungsmittel 11 auf ähnliche
Weise erzeugten entfalteten und verknüpften Hintergrundmatrix auf die
Schwellwertschaltung 12 angewendet, die im Fall einer Schwellwertkreuzung
eine Detektion erzeugt. Die Schwellwertkreuzung wird an einem Schwache-Ziel-Generator 13 angewendet,
der die Zielstärke,
die Zielgeschwindigkeit und den Doppler des zugeordneten Ziels erzeugt,
um eine weitere Verarbeitung zu ermöglichen, und der außerdem das
Ziel plus die zugeordneten Geister aus der verknüpften Entfernung-Doppler-Matrix entfernt.
Auf diese Weise können
alle Ziele detektiert werden, indem mit dem stärksten Echo in der verknüpften Entfernung-Doppler-Matrix
begonnen wird.
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Falls
bei der PRF oder der Radarsendefrequenz signifikante Variationen
auftreten, werden weitere Maßnahmen
erforderlich sein, um die verschiedenen entfalteten Entfernung-Doppler-Matrizen
ohne irgendwelche Verluste zu summieren, da die Skala mindestens
in Dopplerrichtung differiert. Ein typischer Fall wäre ein Radargerät, das bei
einer PRF von 5 kHz und einer Radarsendefrequenz von 10 GHz mit
Bursts von 16 Impulsen arbeitet. Die Entfernung-Doppler-Matrix weist
dann Dopplerquanten von 75/16 m/s auf. Eine Reduzierung der PRF
auf 4 kHz führt
dann zu Dopplerquanten von 60/16 m/s. Bei verschiedenen Entfernung-Doppler-Matrizen
taucht deshalb ein Ziel mit einer bestimmten Geschwindigkeit in
verschiedenen Spalten auf. Dieses Problem kann elegant gelöst werden,
indem die Radarsendefrequenz und die PRF proportional variiert werden, was
bekannterweise die Größe der Dopplerquanten nicht
beeinflußt.
Sollte sich dies als unmöglich
oder unzweckmäßig herausstellen,
wird eine Interpolation auf die eine oder andere Weise erforderlich
sein, bevor die entfalteten Entfernung-Doppler-Matrizen verknüpft werden.
Es ist beispielsweise möglich,
die entfaltete Entfernung-Doppler-Matrix
auf einer standardmäßigen Matrix
darzustellen, die hinsichtlich der Entfernung die gleichen Entfernungsquanten
wie die Entfernung-Doppler-Matrizen
aufweist, aber hinsichtlich Doppler Dopplerquanten aufweist, die
kleiner sind. Die standardmäßige Matrix
bildet dann Teil des ersten Verknüpfungsmittels 10 und
wird mit Hilfe der entfalteten Entfernung-Doppler-Matrizen gefüllt, wobei
jedes Matrixelement der standardmäßigen Matrix mit Hilfe des
nächstgelegenen
Matrixelements von der entfalteten Entfernung-Doppler-Matrix oder
anhand einer Interpolation der nächstgelegenen
Matrixelement gefüllt
wird.
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Zudem
kann eine durch die in der Doppler-Filterbank 4 durchgeführte Gewichtung
verursachte Doppler- Überspannung
auftreten, infolgedessen ein Ziel in mehreren zusammenhängenden
Filterausgangssignalen sichtbar ist, wodurch die Interpolation weniger
kritisch wird.
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Es
ist möglich,
daß ohne
zusätzliche
Maßnahmen
in einer einzigen Entfernung-Doppler-Matrix ein starker Störimpuls
auftritt; dies würde
eine Schwellwertkreuzung nach Entfalten und Verknüpfen verursachen.
Um Störimpulse
zu unterdrücken,
wird festgestellt, ob in mindestens N von M ursprünglichen doppeldeutigen
Entfernung-Doppler-Matrizen ein Echo vorliegt, wobei diese Matrizen
im Entfernung-Doppler-Speicher 6 vorliegen.
Wie N und M gewählt
werden, hängt
von der Anzahl der Bursts ab, die in der verknüpften Entfernung-Doppler-Matrix verknüpft werden,
von dem ähnlichen
Element in der zusätzlichen
Matrix und von der gewünschten
Fehleralarmrate- und Detektionswahrscheinlichkeit. Falls das Echo
das Kriterium N von M erfüllt,
wird es zur weiteren Verarbeitung weitergegeben.
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Die
Zielgeneratoren 8, 9 und 13, die Verknüpfungsmittel 10, 11 und
die Schwellwertschaltung 12 können vorteilhafterweise als
geeignet programmierte digitale Signalprozessoren (DSPs) realisiert werden,
die auf ein Speicherfeld wirken, das den Entfernung-Doppler-Speicher 6,
den Hintergrundspeicher 7 enthält, und auf die Speicherfelder
des ersten Verknüpfungsmittels 10 und
des zweiten Verknüpfungsmittels 11.