DE69906305T2 - Nichtkohärente signalverarbeitung mit hohem gewinn für verbesserte detektions-schätzung - Google Patents

Nichtkohärente signalverarbeitung mit hohem gewinn für verbesserte detektions-schätzung Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft aktive und halbaktive Radarsysteme und, genauer gesagt, Radarempfänger-Signalprozessoren, welche auf kohärente gepulste Radarsignale in Bewegtzielumgebung abgestimmt sind, und noch spezieller auf Techniken zur Erzeugung von vergrößerten Signalverarbeitungsverstärkungsgewinnen in solchen Signalprozessoren.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Aktive und/oder halbaktive Radarempfänger-Signalprozessoren können an kohärente gepulste Radarsignale in einer Bewegtzielumgebung angepaßt werden. Das Dokument EP-B-0 615 137 offenbart ein Radarsensorsystem mit einer Antennengruppe, einem Empfänger und Signalprozessor, einer FFT-Maschine, einem kohärenten Integrationsprozessor CPI und einem nichtkohärenten Integrationsprozessor für das kohärente Verarbeiten von Daten bei einer CPI-Rate.
  • Diese Art von Prozessor aktualisiert typischerweise eine hypothetisierte Dopplerdifferenzkompensation bezüglich des eigenen Fahrzeugs bzw. des Zielobjektes (Entfernungs-Geschwindigkeits-Unterstützung) mit einer Kohärentverarbeitungsintervall-Geschwindigkeit oder CPI-Geschwindigkeit zur Entwicklung einer Erfassungsstatistik über eine einfache nicht kohärente Integration nach der Erfassung (PDI) nullter Ordnung. Diese Kompensation mit Kohärentverarbeitungsintervall-Geschwindigkeit oder CPI-Rate des hypothetisierten differentiellen Dopplers bezüglich des eigenen Fahrzeugs bzw. des Zielobjektes verhindert die Anwendung einer nicht kohärenten Nachdetektierungsintervall-Verarbeitung mit überlappten Kohärentverarbeitungsintervallen, da die gewünschte Signalkohärenz innerhalb der überlappten Beobachtungsintervalle zerstört wird .
  • Eine Verarbeitung mit überlappten Kohärentverarbeitungsintervallen wurde in einem Radarsystem verwendet, um wirkungsvoll die Beobachtungsrate zu erhöhen. Dieses System sah in diesem Modus mit überlappten Kohärentverarbeitungsintervallen keine Nachdetektierungsintegration oder eine nichtkohärente Verstärkungsgewinnerhöhung vor.
  • Der Algorithmus für die nicht kohärente Verstärkungsgewinnerhöhung (NGE) gemäß einem Aspekt der Erfindung verwirklicht die nicht kohärente Integration über eine oder mehrere hypothetisierte Entfernungs-Geschwindigkeits-Bahnkurven einer vergrößerten Signalgruppe, welche aus überlappten Kohärentverarbeitungsintervallen (CPI) erhalten werden. Diese Technik einer nicht kohärenten Integration bietet eine wesentliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Radarverarbeitungsmethoden bei der Zielobjekterfassung und der Abschätzung von Zielobjektparametern. Der überwiegende Teil dieser Verstärkungsgewinnerhöhung ist der Wiedergewinnung der Signalverarbeitungsverluste zuzuordnen, welche aus der Anwendung strenger Amplitudengewichtungsfenster auf Serien von Signal-Datenzeiten vor der DFT/FFT-Verarbeitung resultieren. Dieser Signalverarbeitungsgewinn wird erreicht, indem die Kompensationsrate des hypothetisierten (angenommenen) Zielobjektdopplers auf nicht mehr als ein mal je Nachdetektierungsintergrationsintervall (PDI) beschränkt wird, um eine nicht kohärente Integration der überlappten Kohärentverarbeitungsintervalle über dieses Nachdetektierungsintervall zuzulassen.
  • Der Algorithmus für die nicht kohärente Verstärkungsgewinnvergrößerung (NGE) bewirkt über das selbe Beobachtungsintervall (PDI) eine nicht kohärente Integration einer bedeutend größeren Anzahl von kohärentverarbeiteten Signalen zur Erzeugung größerer Signalverarbeitungsgewinne. Die erreichbaren Signalverarbeitungsgewinne in einem aktiven oder halbaktiven Radarsystem sind vergleichbar mit denjenigen, welche einer Verdopplung der Senderleistung zuzuordnen sind, ohne daß eine einhergehende Verdopplung von monostatischem oder bistatischem Rauschecho stattfindet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer beispielsweisen Ausführungsform, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, in welchen:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines beispielsweisen Radarsystems zeigt, welches die vorliegende Erfindung verwendet;
  • 2A und 2B Zeitdiagramme sind, welche die Wirkungsweise des Radarsystems gemäß der Erfindung erläutern, wobei 2A eine 50%ige Überlappung der CPI-Datenbildsätze wiedergibt und 2B eine 75%ige Überlappung der CPI-Datenbildsätze wiedergibt;
  • 3 ein Diagramm der Entfernungsannäherung als Funktion der CPI-Zahl über ein Nachdetektierungsintegrationsintervall für einen beispielsweisen Fall einer 75%igen Überlappung der CPI-Datensätze ist;
  • 4 ein Zeitdiagramm darstellt, welches die Wirkungsweise des Systems für den Fall einer 128-Punkt-FFT des Kohärentverarbeitungsintervalls und einer 75%igen Überlappung der CPI-Folgen illustriert; und
  • 5 ein beispielsweises logisches Flußdiagramm zeigt, das die Wirkungsweise des Radarsystems nach 1 gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwirklicht eine Technik der nicht kohärenten Verstärkungsgewinnvergrößerung eine nicht kohärente Integration einer vergrößerten Signalgruppe, welche aus überlappten Kohärentverarbeitungsintervallen (CPI's) über eine oder mehrere hypothetisierte Entfernungs-Geschwindigkeits-Bahnkurven gewonnen wird. Dieses Verfahren einer nicht kohärenten Integration führt zu einer bedeutenden Verbesserung gegenüber herkömmlichen Radarverarbeitungsmethoden bei der Zielobjekterfassung und der Abschätzung von Zielobjektparametern. Die Signalverarbeitungsverbesserungen, welche Gewinnen des Signal/Rauschverhältnisses von 2 dB bis 3,5 dB entsprechen, werden vorsichtig für die Zielobjekterfassung und die Parameterabschätzung (beispielsweise Zielobjektentfernung, Doppler und Winkel) jeweils vorhergesagt. Der Hauptteil dieser Gewinnverbesserung ist der Wiedergewinnung des Signalverarbeitungsverlustes zuzuordnen, der von der Anwendung strenger Amplituden-Gewichtungsfenster (beispielsweise –80 dB Dolph-Chebyshev-Gewichtungen) auf Signal-Daten-Zeitserien vor der digitalen Fourier-Transformation/schnellen Fourier-Transformation (DFT/FFT) resultiert. Dieser Signalverarbeitungsgewinn wird dadurch erreicht, daß verhindert wird, daß die Kompensationsrate des hypothetisierten (angenommenen) Zielobjektdopplers nicht öfter als einmal je Nachdetektierungsintegrationsintervall (PDI) ist, um eine nicht kohärente Integration von überlappten CPI's über dieses PDI-Intervall zuzulassen. Herkömmliche Radarprozessoren bewirken eine relative Dopplerkompensation bezüglich des eigenen Fahrzeugs bzw. bezüglich des Zielobjektes mit einer CPI-Rate, um eine Integration nullter Ordnung einer aneinander anschließenden Folge (nicht überlappenden Folge) von kohärent verarbeiteten Daten zuzulassen.
  • 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines beispielsweisen Radarsystems 50, bei dem die vorliegende Erfindung zur Anwendung kommt. Das System enthält K Antennenelemente oder Untergruppen 30 und einen Radar-Empfänger/-Signalprozessor 40. Der Empfänger/Prozessor enthält einen Strahlformer 42, der ein Summenstrahlsi gnal (∑) und Azimuth- sowie Elevations-Differenzstrahlsignale (ΔAZ und ΔEL ) bildet. Diese Signale werden mit Hochfrequenz in den HF/IF-Empfänger 44 eingegeben, welcher diese Strahlsignale auf Videosignalfrequenzen heruntersetzt und die heruntergesetzten Signale durch phasengerechte Videofilter bzw. Quadratur-Videofilter (I/Q) führt. Die Videosignale von dem Empfänger 44 werden in digitale Form durch die Analog/Digital-Umformer (A/D) 46 umgeformt. Die digitalisierten Signale werden dann durch Impulskompressionsbereichsfilterung 48 verarbeitet, um in digitaler Form die verarbeiteten Summen- und Differenz-Kanal-Radarsignale (∑, ΔAZ und ΔEL ) bereit zu stellen.
  • Es sei für die vorliegende beispielsweise Ausführungsform angenommen, daß das gesendete Signal (und daher das empfangene Zielobjektsignal) ein kodiertes Signal (beispielsweise ein binär phasenkodiertes Signal) einer Impulslänge T und einer Amplitude A ist (um eine Bestrahlung eines Zielobjektes mit einer hochenergetischen Wellenform E = A2T/2 vorzusehen). Nach Empfang wird das binärphasenkodierte Signal der Dauer von T Sekunden durch Korrelation mit einer Signalwiederholung komprimiert, um einen komprimierten Impuls mit einer Impulsbreite Tc = αT und einer Amplitude Ac = A/α zu erzeugen. Ein repräsentativer binären Phasencode kann einer Barker-Folge der Länge 13 entsprechen, so daß Tc = T/13 und Ac = 13A ist. Diese Wellenform gestattet eine effektive Bestrahlung eines Zielobjektes mit einer Wellenform, welche nach Kompression im Empfänger von einem Impuls höherer Amplitude (13A) erhalten worden zu sein scheint, wobei die komprimierte Impulslänge T/13 ist, wodurch also eine vergrößert Entfernungsauflösung ermöglicht wird.
  • Das Radarsystem 50 enthält weiter eine Mehrkanaleinrichtung 60 (im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Kanäle) für die Datenspeicherung, Formatierung und Steuerung. Die drei Datenkanäle, welche durch die Einrichtung 60 dargeboten werden, werden an eine FFT-Maschine oder eine Maschine zur schnellen Fourier-Transformation 70 für die Fourier-Transformationsverarbeitung geliefert. Die fourier-transformierten Daten werden dann durch einen Prozessor 80 zur Umhüllungsdetektierung ((I2-Q2)1/2)) und/oder zur Monopulsverhältnisunterscheidung verarbeitet. Funktionen, welche durch die FFT-Maschine 70 und den Prozessor 80 durchgeführt werden, sind herkömmliche Radarverarbeitungsfunktionen.
  • Die von dem Prozessor 80 gelieferten Daten werden dann durch einen Entfernungsgang-Nichtkohärentintegrations-Prozessor oder NCI-Prozessor 90 verarbeitet. Ein Feuerleitrechner 92 erzeugt bei dieser beispielsweisen Ausführungsform mehrere (im vorliegenden Beispiel drei) Entfernungs-Geschwindigkeits-Hypothesen 94 für eine Entfernungsgang-Verfolgungs-Abschätzeinrichtung 96. Basierend auf einer hypothetisierten (angenommenen) Entfernungs-Geschwindigkeits-Abschätzung bestimmt die Abschätzungseinrichtung 96 die Anzahl von Entfemungsbereichtastungen, welche das Zielobjekt über das PDI-Intervall durchquert, sowie die Anzahl der überlappten, CPI-verarbeiteten Parameter, welche für die nicht kohärente Integration innerhalb jeder Entfernungsbereichstastung zur Verfügung stehen, die zu der hypothetisierten Zielobjekt-Bahnkurve gehört, beispielsweise bestimmt sie die überlappten CPI-Sequenzlängen (OL-CPI) von 10, 12, 12, 3 für das Beispiel einer Entfernungsannäherung von Mach 2. Die Abschätzungseinrichtung 96 instruiert den Prozessor 90, 10 Abschätzungen entsprechend der Entfernungsbereichsabtastung R0, 12 Abschätzungen von Tastung R1, 12 Tastungen von R, und 3 Tastungen von R3 nicht kohärent zu integrieren; dieses Integrationsergebnis gehört zu einem Entfernungsgang, welcher bei R0 beginnt. In entsprechender Weise würde ein Entfernungsgang, der bei R, beginnt, 10 Abschätzungen von R1, 12 Abschätzungen von R2, 12 Abschätzungen von R3 und 3 Abschätzungen von R4 akkumulieren. Ein Entfernungsgang wird für jede Entfernungsbereichsabtastung in der Zielobjektvorgabe gebildet.
  • Der NCI-Prozessor 90 liefert als Ausgangsdaten eine Erfassungsstatistik einer konstanten Falschalarmrate (CFAR) aus dem Summenkanal zur Erzeugung anfänglicher Entfernungs- und Doppler-Abschätzungen, sowie Parameterabschätzungen, beispielsweise Entfernungs-/Doppler-Winkelabschätzungen aus dem Summenkanal und dem Differenzkanal. Der Prozessor 90 ermöglicht Funktionen, die für die vorliegende Erfindung einzigartig sind. Herkömmliche Radarsignal-Prozessoren, welche eine nicht kohärente Integration sequentieller CPI-Geschwindigkeitsdaten verwirklichen, verwenden Entfernungs-Geschwindigkeits-Aktualisierungen, d. h. Entfernungsverzögerungen oder voreilungen, welche auf eine Folge nicht überlappender CPI's angewendet werden, um sich entfernende oder sich nähernde Entfernungsraten zu "kompensieren". Für eine Erläuterung dieses Vorgangs sei eine Annäherungssituation mit Mach 2 und eine Pulswiederholungsfrequenz von 25 kHz betrachtet. Über ein CPI-Intervall (beispielsweise 128 PRI's) wird die Entfernung vom Zielobjekt zum Radar um 3,4 Meter kleiner. Diese Entfernungsannäherung erfordert eine Entfernungsvoreilung (Zunahme) von 3,4 m (etwa 5,12 Millisekunden), welche der Reihe nach jeden der folgenden nicht überlappenden CPI's innerhalb des PDI-Intervalls mitzuteilen ist, so daß die Zielobjektdaten innerhalb derselben Entfernungsbereichstastung über die Folge der CPI's innerhalb des PDI-Intervalls bleiben. Die geeignet verarbeiteten Parameter (beispielsweise Erfassungsstatistik, Entfernung, Doppler- und Winkelabschätzungen) können über Filter nullter Ordnung nicht kohärent integriert werden, um weitere Verarbeitungsgewinne zu erzielen. Diese Entfernungszugaben zwischen den CPI-Intervallen zerstören die Zwischen-CPI-Signalkohärenz, wodurch die Anwendung einer effektiven überlappten CPI-Verarbeitung ausgeschlossen ist. Durch Außerwirkungsetzen der Entfernungs-Geschwindigkeits-Hilfsfunktion behalten überlappte CPI-Intervalle die Signalkohärenz und die Verstärkungsgewinne der nicht kohärenten Verarbeitung, wie sie für die vorliegende Erfindung geltend gemacht werden, können realisiert werden.
  • Die Wirkungsweise des Radarsystems gemäß der Erfindung wird in den Zeitdiagrammen der 2A und 2B sowie 3 erläutert. 2A zeigt eine 50%ige Überlappung der CPI-Datengruppen und 2B zeigt eine 75%ige Überlappung der CPI-Datengruppen. Mit der Entfernungs-Geschwindigkeit-Kompensation (differentielle Dopplerkompensation), welche mit einer Geschwindigkeit eines PDI-Intervalls vorgenommen wird, werden überlappte CPI-Datengruppen innerhalb des PDI-Intervalls nacheinander der DFT-/FFT-Verarbeitung unterzogen. Diese Überlappung ist möglich, da die Signalkohärenz des gewünschten Signales innerhalb des Überlappungsintervalls aufgrund der Entfernungs-Geschwindigkeits-Kompensation aufrechterhalten wird, die nicht häufiger als mit einer PDI-Intervallrate durchgeführt wird. Wenn, wie in 2A gezeigt, N die Anzahl aneinandergrenzender, d. h., nicht überlappter CPI-Datensequenzen oder -Daten gruppen ist, welche innerhalb des PDI-Intervalls verfügbar sind, dann ist bei einer 50%igen Überlappung die Anzahl der überlappten CPI-Sequenzen innerhalb desselben PDI-Intervalls durch M = 2N-1 gegeben. In ähnlicher Weise ist die entsprechende Zahl für eine 75%ige Überlappung durch M = 4N-3 gegeben und die 75%ige Überlappung ist in 2B gezeigt. Die praktische Zahl für M ist durch die zeitliche Korrelation beschränkt, die sich durch das störende Signal (beispielsweise Empfängerrauschen) zwischen benachbarten CPI-Folgen darstellt.
  • Zwar gestattet eine Verminderung der Aktualisierungsrate der hypothetisierten (angenommenen) differentiellen Dopplerkompensation (Entfernungs-Geschwindigkeits-Unterstützung) für den Zusammenfall mit dem PDI-Intervall ein effektives kohärentes Verarbeiten innerhalb jedes überlappten CPI-Intervalls, doch wäre die nicht kohärente Integration weniger optimal unter Verwendung der herkömmlichen Integration nullter Ordnung über das gesamte PDI-Intervall, wenn die Entfernungsbahnkurve mehr als eine Entfemungsbereichszelle einnimmt. Eine Optimierung der nicht kohärenten Integration oder des NCI-Prozesses wird leicht erreicht, indem eine Kombination von entfernungsgeschwindigkeits-angepaßten Integrationsfiltern nullter Ordnung (Akkumulatoren) über die hypothetisierte Entfernungsbahnkurve angewendet wird. Diese Filter sind in dem nicht kohärent integrierenden Prozessor 90 gemäß der vorliegenden beispielsweisen Ausführungsform verwirklicht. Die NCI-Bahnkurve ist in 3 dargestellt, in welcher die Entfernungsannäherung als eine Funktion der CPI-Zahl über das PDI-Intervall aufgetragen ist, wobei ein hypothetisierter differentieller Doppler entsprechend Mach 2 angenommen wird. In diesem repräsentativen Umgebungsbild ist die Pulswiederholungsfrequenz 25 kHz, das CPI-Intervall ist 128/PRF, das PDI-Verhältnis ist 10 : 1, die CPI-Überlappung beträgt 75%, die Entfernungsbereichszelle beträgt etwa 20 Meter und das Tastungsintervall liegt in der Größenordnung von 10 Metern. Entfernungsbereichszellen mit 50%iger Überlappung, welche eine effektive 10-Meter-Trennung der Entfernungsbereichszellen ergeben, werden gebildet, um den Entfernunsbereichszellen-Überbrückungsverlust während der Entfernungsgang-Bahnkurven zu vermindern. In der folgenden Diskussion werden die Ausgänge dieser 50% überlappten Entfernungsbereichszellen als Entfernungsbereichstastungen identifiziert. 3 zeigt auf, daß eine Entfer nungs-Geschwindigkeits-Aktualisierung für Mach 2 bei der PDI-Rate eine nicht kohärente Integrationsüberstreichung über vier aneinandergrenzende Entfernungsbereichstastungen (vier aufeinanderfolgende, 50% überlappte Entfernungsbereichszellen) erfordert, d. h., diese nicht kohärente Integration wird über vier aneinandergrenzende Entfernungsbereichstastungen durchgeführt. Eine Entfernungsannäherung mit Mach 2 bedeutet, daß in der Zeit entsprechend zehn überlappender CPI-Intervalle (OL-CPI) die Entfernungsannäherung etwa 10 Meter (der Entfernungsabstand zwischen aufeinanderfolgenden Entfernungsbereichstastungen) beträgt und daß jede zusätzliche Akkumulation von Abschätzungen von nachfolgenden CPI-Intervallen entsprechend jeder Entfernungsbereichstastung die Qualität verschlechtern würde. Es sei das folgende Beispiel betrachtet.
  • Wenn ein erstes Zielobjekt zuerst zu Beginn der Entferungsbereichstastung R0 erscheint, dann hat es die Entfemungsbereichstastung R0 bei einer Mach-2-Entfernungsannäherung nach 10 OL-CPI's angeregt und ist in die Entferungsbereichstastung R, eingetreten. Dies ist die nicht kohärente Integrationsüberquerung. Wenn sich das Zielobjekt in der Entfernung annähert, so ist es wünschenswert, eine Folge von Radarparameter-Abschätzungen längs einer Entfernungsbahn entsprechend dieser Entfernungsannäherung zu integrieren, ohne Schätzwerte von CPI-Intervallen zu integrieren, die nicht das Zielobjekt enthalten. Da die Entferungsbereichstastung, in welcher das Zielobjekt zuerst erschienen ist, nicht genau bekannt ist, muß die hypothetisierte Bahnkurve für jede Entfemungsbereichstastung innerhalb eines angenommenen Entfernungsintervalls implementiert werden. Im vorliegenden Beispiel enthält ein CPI-Intervall auf der Basis der Tastung R0 insgesamt N (beispielsweise N = 128) R0 Tastungen. Ein hypothetisierter Entfernungsgang enthält die Tastungen R0, R1, R2, R3. Ein benachbarter Entfernungsgang enthält die Tastungen R1, R2, R3, R4. Der nächstbenachbarte Entfernungsgang enthält die Tastungen R2, R3, R4, R5, u. s. w..
  • In jeder dieser Bahnkurven (diese gehen alle von einer einzigen Entfernungs-Geschwindigkeits-Hypothese, beispielsweise eine Annäherung mit Mach 2 aus) würde die Integration folgendes enthalten:
    Anfangsbahnkurve bei Tastung R0: 10 OL-CPI's in der Tastung R0, 12 OL-CPI's in der Tastung R1, 10 OL-CPI's in der Tastung R, und 3 OL-CPI's in der Tastung R3; darauf
    Anfangsbahnkurve bei der Tastung R1: 10 OL-CPI's in der Tastung R1, 12 OL-CPI's in der Tastung R2, 12 OL-CPI's in der Tastung R3 und 3 OL-CPI's in der Tastung R4; u. s. w..
  • Es wird aus 3 deutlich, daß die nicht kohärente Integration leicht durch eine Gruppe aneinandergrenzender, stückweise eine Integration nullter Ordnung vornehmender Filter erreicht werden kann, welche über eine Entfernungsbahnkurve angesammelt sind, welche an den hypothetisierten differentiellen Doppler angepaßt ist. 3 verdeutlicht, für welche Dauer (wie viele OL-CPI's) das Zielobjekt in jeder Entfernungsbereichsabtastung unter einer Entfernungsannäherung mit Mach 2 erscheint. Es sei angenommen, daß das Zielobjekt erst bei einer Entfemungsbereichstastung R0 erscheint. Es verläßt dann nicht die Entferungsbereichstastung R0 und tritt in die Entfemungsbereichstastung R, ein (R1 = R0-10 Meter; R2 = R0-20 Meter, u. s. w.), bis 10 OL-CPI's verarbeitet worden sind. Nach 10 OL-CPI's sollen nicht mehr Daten von nachfolgenden CPI's entsprechend der Entferungsbereichstastung R0 integriert werden. Das Zielobjekt ist wirkungsmäßig aus der Entfemungsbereichstastung R0 herausgewandert und in die Entfernungsbereichstastung R, eingetreten (CPI Nr. 11 überspannt die Tastungen R0 und R,). Nun werden die OL-CPI's entsprechend der näheren Entferungsbereichstastung R, integriert. Es ergibt sich, daß 12 OL-CPI's eine geeignete Zahl für die Entfemungsbereichstastung R, und für die Entfemungsbereichstastung R, ist. Zu der Zeit, zu der die Tastung R3, erreicht wird, verbleiben nur 3 OL-CPI's innerhalb des PDI-Intervalls. Die verbleibenden 3 OL-CPI's werden integriert. Im vorliegenden Beispiel sind also die Integrationen für die Nachdetektierungsintegration oder für das PDI-Intervall 10 + 12 + 12 + 3 = 37 = 4N-3, worin N = 10 die nicht überlappten, aneinandergrenzenden CPI-Intervalle sind. Wie die 37 OL-CPI-Intervalle über aufeinanderfolgende Entfernungsbe reichstastungen verteilt werden, wird durch eine hypothetisierte Entfernungsgeschwindigkeit bestimmt.
  • In 3 ist nur eine Bahnkurve gezeigt. Wenn eine bedeutende Unsicherheit bezüglich der Entfernungs-Geschwindigkeits-Abschätzung (Hypothese) herrscht, welche durch eine Quelle auf dritter Seite geliefert wird, beispielsweise einen Feuerleitrechner, der einem Überwachungsradar zugeordnet ist, dann können leicht mehrfache Entfernungs-Geschwindigkeits-Hypothesen erfindungsgemäß durch den NGE-Algorithmus berücksichtigt werden. Im Gegensatz hierzu ist bei einer nicht kohärenten Integration, wie sie in herkömmlichen Radargeräten durchgeführt wird, nicht eine leichte Anpassung an mehrfache Entfernungs-Geschwindigkeits-Hypothesen möglich.
  • Gemäß 3 wird eine nicht kohärente Integrationsdurchquerung über vier aneinandergrenzende Entfernungsbereichstastungen mit Filterlängen nullter Ordnung entsprechend:
    10 CPI's an der Entfernung R0,
    12 CPI's an der Entfernung R0-10 m,
    12 CPI's an der Entfernung R0-20 m,
    3 CPI's an der Entfernung R0-30 m
    für eine gesamte nicht kohärente Integration von 37 CPI-Intervallen durchgeführt. Die entsprechende Anzahl von aneinandergrenzenden nicht überlappten CPI's ist 10. Um die offensichtliche Entfernungs-Geschwindigkeits-Unsicherheit in diesem Beispiel zu berücksichtigen, sind zusätzliche drei Entfernungsbereichstastungen erforderlich.
  • In 3 entsprechen die Zahlen auf der CPI-Nummern-Achse dem Beginn des zugehörigen CPI-Intervalls. Ferner zeigt die schräge Linie, daß die Annäherung zwischen Zielobjekt und dem Radar 34 Meter (3,4 Entfernungsbereichstastungsabstände) über das Nachdetektierungsintegrationsintervall beträgt. Mach 2 auf Meereshöhe sind 662 Meter/Sekunde; 10 aneinandergrenzende nicht überlappende CPI-Intervalle beträgt in der Größenordnung von 10 (128 Pulswiederholungsintervallen) = 51,2 ms; das Impulswiederholungsintervall ist 1/25 kHz; Die Entfernungsannäherung im PDI-Intervall bei Mach 2 liegt in der Größenordnung von (662 m/s) × (51,2 ms) oder etwa 34 Meter.
  • Der NGE-Algorithmus, der auf die Entwicklung sowohl der Zielobjekterfassungsstatistiken als auch der Zeilobjektparameterabschätzungen angewendet werden kann, wird durch die folgende Gleichung für den Fall der 75% überlappten CPI-Intervalle beschrieben. Diese Gleichung, welche eine deterministische geschlossene Form hat, ist angenähert optimal und für Entfernung-Geschwindigkeits-Situationen im mittleren Bereich (≤ Mach 3) geeignet. Höhere Entfernungs-Geschwindigkeits-Situationen erfordern vermutlich eine anpassende Entfernungsgangstrategie in Verbindung mit der Untersuchung von Übergängen aneinandergrenzender Entfernungsbereichstastungen.
  • Im einzelnen ist für den repräsentativen Fall, der in 3 dargestellt ist, der NGI-Algorithmus annähernd folgendermaßen gegeben:
    Figure 00120001

    (das negative Zeichen in den Funktionsargumenten gilt für eine Entfernungsannäherung in dem Beispiel von 3)
  • In obigem gilt:
    Yi(k,R0 + 1ΔRf) = Größe von Xi(k, R0 + 1ΔRf) im Falle der Verarbeitung einer Zielerfassungsstatistik; oder
    = (1/M) Θi (k, R0 + 1ΔRf) im Falle der Verarbeitung einer Zielobjektparameterabschätzung, beispielsweise eines Zielobjektwinkels Θ;
    I ~ CPI-Nummer;
    k = 1, ...,K;
    K = Anzahl der Filter in der schnellen Fourier-Transformation;
    1 = 0, ± 1, ..., ±(C-1);
    R0 ~ anfängliche Entfernungsbereichstastung in der hypothetisierten Entfernungsgang-Bahnkurve;
    ΔRf = Abstand zwischen aneinandergrenzenden Entfernungsbereichstastungen von den Entfernungsfiltern;
    ΔRCPI = (dR/dT)(CPI);
    ΔRPDI = (dR/dT)(PDIint);
    PDIint = (PDI)(K/PRF);
    L = Int[4(ΔRf/ΔRCPI) – 1,75] = Anzahl der überlappten CPI-Intervalle, die in dem führenden Akkumulator nullter Ordnung angesammelt sind;
    N = Anzahl der aneinandergrenzenden CPI-Intervalle innerhalb des PDI-Intervalls;
    M = Anzahl der überlappten CPI-Intervalle innerhalb des PDI-Intervalls;
    M = 4N-3 für eine 75%ige CPI-Überlappung; und
    C = int[(ΔRPDI/ΔRf) + 1] = Anzahl der aufeinanderfolgenden Entfernungsbereichstastungen, die in der hypothetisierten Geschwindigkeitsgang-Bahnkurve enthalten sind;
    Int[*] = ganzzahliger Wert von *.
  • 4 ist ein Zeitdiagramm, welches die Wirkungsweise des Systems für den Fall eines 128-Punkt-FFT-CPI-Intervalls illustriert, d. h., eines CPI-Intervalls, das 128 Impulswiederholungsintervalle überdeckt, bei einer 50%igen Überlappung der CPI-Folgen. Im vorliegenden Beispiel wird von einer Entfernungs-Annäherungsgeschwindigkeit von Mach 2 und weiteren Parameterwerten entsprechend dem Beispiel von 3 ausgegangen und die Entfernungs-Geschwindigkeits-Unterstützungsfunktion, welche bei herkömmlicher Nachdetektierungsintegration verwendet wird, ist außer Wirkung gesetzt. Der R0-Entfernungsgang umfaßt die Tastungen R0, R1, R2, und R3; der R1-Entfernungsgang umfaßt die Tastungen R1, R2, R3 und R4, u. s. w. 4 zeigt, daß aufeinanderfolgend gesendete Impulse und Impulswiederholungsintervalle (PRI's) vorhanden sind, wobei das CPI-Intervall Nr. 1 im ersten Impulswiederholungsintervall beginnt und das CPI-Intervall Nr. 2 für eine 75%ige Überlappung in dem 33sten Impulswiederholungsintervall beginnt. Datentastungsproben an den Entfernungen oder Entfernungsbereichstastungen R0 bis R5 werden in den dazwischenliegenden Intervallen zwischen den gesendeten Impulsen empfangen. Die beispielsweise angenommene Entfernungs-Annäherungsgeschwindigkeit von Mach 2 bedeutet, daß sich das Zielobjekt annähernd 34 Meter entsprechend einer Entfernungs-Tastungs-Überdeckung von 3,4 nähert. Wenn zu Beginn des PDI-Intervalls sich das Zielobjekt in der Entfernungsbereichstastung oder -zelle befindet, dann befindet es sich zu Ende des PDI-Intervalls in der Entfernungsbereichszelle oder -tastung R3. Um die Zielobjekterfassung und/oder die Qualität der Zielobjektparameterabschätzung maximal zu machen, müssen die geeigneten Schätzungen aus 37 OL-CPI's integriert werden, die sich über 3,4 Entfernungsbereichstastungen erstrecken. Die Entfernungsgang-Strategie gibt die folgende Maßnahme vor: verbleibe (integriere Schätzwerte) in der Entfernungsbereichstastung R0 für 10 OL-CPI-Intervalle; gehe dann zu der Tastung R1 und bleibe (integriere Schätzwerte) dort für 12 OL-CPI's; gehe dann zu der Tastung R2 und verbleibe (integriere Schätzwerte) dort für 12 OL-CPI's, und bewege dich schließlich zu der Tastung R3 und verbleibe dort (integriere Schätzwerte) für die verbleibenden OL-CPI's (Ende der Nachdetektierungsintegration).
  • In 3 ist nur eine Entfernungsgang-Bahnkurve dargestellt, beginnend mit der Entfernungstastung R0. Es gibt einen Entfernungsgang für sämtliche hypothetisierten Zielobjektentfernungen, d. h., zu Beginn des PDI-Intervalls könnte das Zielobjekt am Ort der Entfernungstastungsprobe R0 oder R1 oder R2 oder R3 oder R, u. s. w. gelegen sein. Eine Hypothese mit einer Annäherungs-Entfernungs-Geschwindigkeit von Mach 2 geht davon aus, daß vom Beginn zum Ende des PDI-Intervalls die Entfernung zum Zielobjekt sich um annähernd 34 Meter verringert hat. Aus diesem Grunde muß jeder Entfernungsgang im vorliegenden Beispiel 34 Meter umfassen (eine 3, -Entfemungstastungsausdehnung bedeutet, daß der Entfernungsgang 4 Entfernungsbereichstastungen überdeckt).
  • 5 ist ein logisches Flußdiagramm, welches ein Verfahren 200 zum Betrieb des Systems von 1 der Erfindung verdeutlicht. Der Schritt 202 bedeutet die Bereitstellung von entfernungsbereichgefilterten Daten auf den drei Kanälen (∑, ΔAZ und ΔEL ) durch den Empfänger und Prozessor 40 für die Einrichtung 60 durch Speicherung, Formatierung und Steuerung zur CPI-Folge-Formatierung. In einem herkömmlichen Betriebsmodus werden die CPI-Folgen so formatiert (Schritt 204A), daß sie aneinander angrenzen und sich nicht überlappen. In einem NGE-Betriebsmodus gemäß der vorliegenden Erfindung werden die CPI-Folgen (in dem Schritt 204B) so formatiert, daß sie sich überlappen. Das Blocksymbol 206 repräsentiert die Datenverarbeitungs-Entscheidungslogik, welche durch die Datenverarbeitungs-Steuereinrichtung 100 ausgeführt wird, um festzustellen, welcher Betriebsmodus (204A oder 204B) durch die Einrichtung 60 durchgeführt wird. Wenn die Entscheidungslogik in dem Schritt 208 feststellt, daß der NGE-Algorithmus verwendet werden soll, dann wird in dem Schritt 210 die Entfernungs-Geschwindigkeits-Unterstützungslogik wirkungslos geschaltet und der Überlappungsmodus gemäß Schritt 204B wird aktiviert. Wenn der NGE-Algorithmus nicht verwendet werden soll, dann wird in dem Schritt 208 der herkömmliche Angrenzungsmodus des Betriebes (204A) der Einrichtung 60 gewählt.
  • Ist einmal der Betriebsmodus der Einrichtung 60 gewählt und sind die hereinkommenden Daten entsprechend der Auswahl formatiert, dann werden die formatierten Daten zu der FFT-Maschine 70 gesandt, um die FFT-Verarbeitung gemäß Schritt 212 vorzunehmen, und werden dann zu der Einrichtung 80 (1) gesandt, um die Verarbeitung (Schritt 214) weiterzuführen. Der Verarbeitungsmodus wird durch die Datenverarbeitungs-Entscheidungslogik in den Schritten 206 und 218 durch die Entscheidung ausgewählt, ob eine Winkelabschätzung durchgeführt werden soll. Ist dies nicht der Fall, dann wird der Verarbeitungsmodus 214A gewählt, um die Umhüllungsdetektierung und die Entfernungs-/Doppler-Abschätzung (ED/R/D) durchzuführen. Wenn der Winkel abgeschätzt werden soll, dann wird der Verarbeitungsmodus 214B gewählt, um die Monopulsverhältnis-(Winkel-)Abschätzung (A) sowie die ED/R/D-Abschätzung durchzuführen. Die resultierenden Daten (ED/R/D oder ED/R/D/A) werden an den NCI-Prozessor 90 für den NCI-Verarbeitungsschritt 218 geliefert, was zusammen mit den Daten von der Entfernungsgang-Verfolgungs-Abschätzeinrichtung 96 geschieht. Abhängig von der Art von Daten, welche durch den Schritt 214 und der Abschätzeinrichtung 96 erzeugt werden, liefert der NCI-Verarbeitungsschritt eine NGE-CFAR-Erfassungsstatistik, Entfernungs- und Doppler-Abschätzungen und eine Winkelabschätzung.
  • Voraussagen der Arbeitsqualitätverbesserungen bei der Radar-Zielobjekt-Parameterabschätzung, welche aus der Anwendung des NGE-Algorithmus resultieren, zeigen, daß bei einer Verwendung von –80 dB-Dolph-Chebyshev-Gewichtungen in einer FFT-Fensterfunktion der NGE-Algorithmus unter Verwendung von 50%iger Überlappung der CPI-Verarbeitung effektive Signal-/Rauschverhältnis-Verbesserungen im Bereich von 2,8 dB bis 3,7 dB erzielt werden können.
  • Vorhersagen der Verbesserung der Erfassungsqualität, welche aus dem NGE-Algorithmus resultiert, zeigen, daß bei einer 50%igen Überlappung und Abhängig von der Zielobjektart und der vorgeschriebenen Wahrscheinlichkeit der Erfassung (PD) Gewinne bezüglich der Erfassungsqualität von 2,3 dB (SWO/SW1) bis 3,3 dB (SW2 ∣⁣ PD = 0,9) variieren. Der NGE-Algorithmus kann auf alle Raketen-Radarsuchköpfe und andere Radarsignalverarbeitungseinrichtungen angewendet werden, um die verfügbaren Signalverarbeitungsgewinne zu erzielen (prinzipiell die Rückgewinnung von Verlusten, welche mit der strengen Amplitudengewichtung vor der digitalen Fourier-Transformation verbunden sind, welche typischerweise für Dopplerfilter-Seitenmaximaunterdrükkung erforderlich ist.) Dieser erhöhte Signalverarbeitungsgewinn kann mit einer wesentlich verminderten Erhöhung an Radar-Suchkopf-Hardware relativ zu derjenigen erreicht werden, welche für vergleichbare Gewinne erforderlich ist, die über eine Erhöhung der Senderleistung erreicht werden können.
  • Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen nur beispielsweise für mögliche besondere Ausführungsformen stehen, welche die Grundsätze der vorliegenden Erfindung repräsentieren. Andere Anordnungen können gemäß diesen Grundsätzen vom Fachmann leicht aufgebaut werden, ohne daß der Umfang der Erfindung verlassen wird.

Claims (11)

  1. Verfahren (200) zum Verarbeiten von Daten in einem Sensorsystem, welches Signalechos von gepulst kohärent ausgesendeten Signalen empfängt, die mit einer bestimmten Pulswiederholungsrate und einem bestimmten Pulswiederholungsintervall PRI ausgesendet werden, wobei das Verfahren folgende Schritte enthält: Bilden (202) von entfernungsgefilterten Daten in Abhängigkeit von den genannten empfangenen Signalechos; Formatieren (204) aufeinanderfolgender Gruppen von Daten, die während eines Nachdetektierungsintegrations- oder PDI-Intervalls empfangen werden, in eine Mehrzahl von überlappenden Kohärentverarbeitungsintervall- bzw. CPI-Datensequenzen; Durchführen (212) einer schnellen Fourier-Transformationsverarbeitung oder FFT-Verarbeitung an den genannten überlappenden CPI-Datenfolgen zur Bildung von transformierten Datenfolgen; Durchführen (212) einer Entfernungstastungs-CPI-Verarbeitung an den transformierten Datenfolgen; und Durchführen (218) einer Nichtkohärentintegration- oder NCI-Verarbeitung an Ausgangsdaten von den genannten entfernungstastungs-CPI-verarbeiteten Datensequenzen über eine Entfernungsbahnkurve hin in Entsprechung mit einer hypothetisierten Entfernungsrate zur Bildung nicht-kohärenter verstärkungsvergrößerter Ausgangsdaten, wobei eine Entfernungsbahnkurve auf der Basis einer hypothetisierten Entfernungsrate mit einer Kompensationsgeschwindigkeit aktualisiert wird, die keine größere Häufigkeit als ein mal je PDI-Intervall vorsieht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die NCI-Verarbeitung (218) die Anwendung einer Kombination von entfernungsratenangepaßten Integrationsfiltern null-ter Ordnung über die hypothetisierte Entfernungsbahnkurve enthält.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die genannte Anzahl von überlappenden Kohärentverarbeitungsintervall- oder CPI-Datensequenzen sich mit einer 50%-Überlappungsrate überlappen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem die genannte Anzahl von überlappenden Kohärentverarbeitungsintervall-Datenfolgen oder CPI-Datenfolgen sich mit einer Überlappungsrate von 75% überlappen.
  5. Verfahren nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, bei welchem das Sensorsystem eine Antennengruppe (30) enthält und der Schritt (202) des Bildens entfernungsgefilterter Daten das Bilden jeweiliger Summen-, Azimutdifferenz- und Elevationsdifferenzkanalsignale umfaßt und bei welchem der genannte Formatierungsschritt (204), der FFT-Verarbeitungsschritt (212), der Entfernungstastungs-CPI-Verarbeitungsschritt (214) und der NCI-Verarbeitungsschritt (218) mit Bezug auf jedes der Summen-, Azimut- und Elevationsdifferenzkanalsignale ausgeführt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die genannten Ausgangsdaten Entfernungs-, Doppler und Winkelabschätzungswerte für ein erfaßtes Zielobjekt umfassen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei welchem der genannte CPI-Verarbeitungsschritt (204) eine Umhüllungsdetektion sowie eine Entferungs- und Dopplerabschätzung umfaßt.
  8. Sensorsystem (50), welches Signalechos von gepulst kohärent ausgesendeten Signalen empfängt, die mit einer bestimmten Pulswiederholungsrate und mit einem bestimmten Pulswiederholungsintervall PRI ausgesendet werden, wobei das Sensorsystem folgendes enthält; eine Antennengruppe (30); einen Empfänger/Signalprozessor (40), der mit der Antennengruppe gekoppelt ist, um entfernungsgefilterte Daten in Abhängigkeit von den empfangenen Signalechos zu bilden; einen Formatierungsprozessor (60) zum Formatieren aufeinanderfolgender Gruppen von Daten, welche während eines Nachdetektionsintegrations- oder PDI-Intervalls empfangen werden, in eine Anzahl von überlappenden Kohärentverarbeitungsintervall- oder CPI-Datenfolgen; eine FFT-Maschine (70) zur Durchführung einer schnellen Fouriertransformationsverarbeitung oder FFT-Verarbeitung an den überlappenden CPI-Datenfolgen zur Erzeugung transformierter Datenfolgen; einen Entfernungstastungs-CPI-Prozessor (80) zur Durchführung einer Entfernungstastungs-CPI-Verarbeitung an den transformierten Datensequenzen; eine Entfemungsgangabschätzeinrichtung (96) zur Erzeugung einer oder mehrerer Entfernungsbahnkurven, welche von einer oder mehreren Entfernungsraten-Hypothesen abgeleitet ist bzw. sind; und einen Entfernungsgang-NCI-Prozessor oder nicht kohärent integrierenden Prozessor (90) zur Durchführung einer NCI-Verarbeitung an Ausgangsdaten von dem Entfernungstastungs-CPI-Prozessor in Entsprechung mit einer hypothetisierten Entfernungsratenkompensation zur Bildung nicht-kohärenter verstärkungsvergrößerter Ausgangsdaten, wobei eine Entfernungsbahnkurve, welche von einer hypothetisierten Entfernungsrate abgeleitet ist, mit einer Kompensationsgeschwindigkeit aktualisiert wird, die keine größere Häufigkeit als ein mal je PDI-Intervall vorsieht.
  9. Sensorsystem nach Anspruch 8, bei welchem der genannte NCI-Prozessor (90) so ausgebildet ist, daß er eine Kombination von entfernungsratenangepaßten Integrationsfiltem null-ter Ordnung über die hypothetisierte Entfernungsbahnkurve anwendet.
  10. Sensorsystem nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei welchem der Formatierungsprozessor (60) so ausgebildet ist, daß ex die genannte Mehrzahl überlappender Kohärentverarbeitungsintervall- oder CPI-Datensequenzen mit 50% Überlappung formatiert.
  11. Sensorsystem nach Anspruch 8 oder 9, bei welchem der genannte Formatierungsprozessor (60) so ausgebildet ist, daß er die genannte Anzahl von überlappenden Kohärentverarbeitungsintervall- oder CPI-Datensequenzen mit 75% Überlappung formatiert.
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