EP1099122A1 - Vorrichtung und verfahren zur erhöhung der winkelauflösung einer antennenanordnung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erhöhung der winkelauflösung einer antennenanordnung

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EP1099122A1
EP1099122A1 EP00947794A EP00947794A EP1099122A1 EP 1099122 A1 EP1099122 A1 EP 1099122A1 EP 00947794 A EP00947794 A EP 00947794A EP 00947794 A EP00947794 A EP 00947794A EP 1099122 A1 EP1099122 A1 EP 1099122A1
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EP
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antenna
narrow
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areas
antenna arrangement
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EP00947794A
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Inventor
Andreas LÖHNER
Wolfgang Rieck
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/904—SAR modes

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for increasing the angular resolution in a synthetic aperture radar system (SAR) looking in the direction of movement and to the side according to the preambles of claims 1 and 3.
  • SAR synthetic aperture radar system
  • the invention relates to an imaging radar system on board a moving platform.
  • the task of the radar system is to image a terrain lying in the direction of movement and the objects located on it.
  • the moving platform to which the radar system is attached can be, for example, an aircraft, an unmanned aerial vehicle, a satellite or a land vehicle.
  • the radar system consists of a device for generating the transmission signal, a transmission antenna system, a reception antenna system and a signal processing device for evaluating the backscattered signals.
  • the maximum size of the aperture of the transmitting antenna system and of the receiving antenna system is predetermined by the space available in the moving platform.
  • the resulting antenna characteristic, with which the area to be imaged is illuminated, comes from superimposing the Antenna characteristics of the transmitting antenna system and the receiving antenna system.
  • the half-width 203 203 of the resulting antenna characteristic gives the theoretical azimuthal resolution ⁇ RAR on the basis of the antenna characteristic: ⁇ PRAR " 2 ⁇ 3dB ( 1 )
  • This resolution ⁇ ⁇ PRAR is also referred to as real aperture radar resolution (JC Curlander, RN McDonough: Synthetic aperture radar. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1991).
  • the maximum real aperture radar resolution ⁇ ⁇ J AR' st by the maximum standing for disposition space is limited and arises with the maximum , normalized to the transmission wavelength horizontal aperture width 2 ⁇ ma and thus the minimum attainable half width 2 ⁇ 3 c jBmin
  • the Doppler beam sharpening resolution ⁇ > rj) BS is higher than the real aperture radar resolution ⁇ P A.
  • the invention has for its object to find a method and a device suitable for carrying out the method, which reduces both the 'blind sector' and the area of the 'azimuthal ambiguity'. Furthermore, the invention is intended to circumvent the need for logic which signals the signal evaluation from which azimuthal viewing direction ⁇ is better resolved with the real aperture resolution than with Doppler beam sharpening in the azimuthal direction.
  • the method evaluates both the signals resulting from the narrow-beam detection and the simulated broad-beam antenna signal resulting from the superimposition of the individual sequential, narrow-beam measurements. Based on the current viewing angle, the radar system will advantageously decide whether the signals resulting from the narrow-beam detection are evaluated individually or whether the simulated, broadband antenna signal is used.
  • the large, almost simultaneously illuminated angular range leads to an illumination time sufficient for the calculation of the Doppler frequency shift.
  • a good real aperture resolution can also be achieved on the basis of the evaluation of the narrow-beam antenna characteristics.
  • the device according to the invention for carrying out the method for increasing the angular resolution in a radar system uses one or more antennas with narrow-beam antenna characteristics to detect the adjacent, narrowly limited areas.
  • the device consists of at least two antennas arranged in parallel with one another with narrow-beam antenna characteristics, between which a sequential switch is made.
  • the switchover can take place mechanically, electrically or electronically.
  • only a single antenna is used, which is aligned with a pivotable reflector, the gradual rotation of which allows sequentially adjacent areas to be illuminated.
  • the transmitting and receiving antenna system in different ways, for example: with a broadly focused receiving antenna and a plurality of narrowly focused transmitting antenna.
  • FIG. 2 three narrowly bundling resulting antenna characteristics 1-3 are shown as examples, each of which has a half-width 2 2dQ equal to 1 ° and whose sum characteristic has a half-width 2 ⁇ 3 ⁇ equal to 3 °.
  • FIG. 2 In FIG. 2, three narrowly bundling resulting antenna characteristics 1-3 are shown as examples, each of which has a half-width 2 2dQ equal to 1 ° and whose sum characteristic has a half-width 2 ⁇ 3 ⁇ equal to 3 °.
  • Curve 12 for A ⁇ now corresponds to a composition of partial areas of curve 10 (resolution with the spread antenna characteristic based on the Doppler frequencies) and curve 11 (resolution with the spread antenna characteristic based on the fine structure of the antenna characteristic).
  • the radar system uses a filter adapted to the resulting antenna characteristic and the Doppler frequencies to be evaluated or another linear estimation method (e.g. the linear, true-to-expect optimal estimation method or the Wiener estimation method), the logic that reports the signal evaluation, from which azimuthal one, is no longer necessary Viewing direction ⁇ is better resolved in the azimuthal direction with the real aperture resolution than with Doppler beam sharpening.
  • a filter adapted to the resulting antenna characteristic and the Doppler frequencies to be evaluated or another linear estimation method e.g. the linear, true-to-expect optimal estimation method or the Wiener estimation method
  • Advantageous configurations of the antenna arrangement result from the parallel arrangement of narrow-beam antennas, which are controlled sequentially by the transmitter electronics. If three narrow-beam antennas are used for this purpose, the three individual antenna diagrams 1-3 result in the antenna diagram shown in FIG. 2, which results from the superimposition of the individual diagrams. A comparable antenna pattern can, however, also be achieved when only a single narrow-beam antenna element is used, by deflecting its radiation pattern via a pivotable mirror.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung in einem in Bewegungsrichtung und seitwärts dazu schauenden Radarsystem, bei welchem zur Erhöhung der Winkelauflösung die Dopplerfrequenzverschiebung des Sendesignals ausgewertet wird. Dabei werden während der Antennenbewegung mittels schmalbündelnder Antennencharakteristiken sequentiell mehrere benachbarte, schmale Bereiche erfasst, was bezogen auf die Gesamtfläche einer Ausleuchtung mit einer breitbündelnden Antennencharakteristik gleichkommt. Die Resultate aus der Simulation dieser breitbündelnden Ausleuchtung werden mit den Ergebnissen der schmalbündelnden Erfassung kombiniert, um eine Erhöhung der Winkelauflösung der Antennenanordnung zu erreichen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung einer Antennenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung in einem in Bewegungsrichtung und seitwärts dazu schauenden Synthetic-Aperture-Radarsystem (SAR) nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3.
Die Erfindung betrifft ein abbildendes Radarsystem an Bord einer bewegten Plattform. Die Aufgabe des Radarsystem ist das Abbilden eines in Bewegungsrichtung liegenden Geländes und der darauf befindlichen Objekte. Die bewegte Plattform, an der das Radarsystem angebracht ist, kann beispielsweise ein Flugzeug, ein unbemannter Flugkörper, ein Satellit oder ein Landfahrzeug sein. Das Radarsystem besteht aus einer Einrichtung zum Erzeugen des Sendesignals, einem Sendeantennensystem, einem Empfangsantennensystem und einer Signalverarbeitungseinrichtung zum Auswerten der rückgestreuten Signale. Die maximale Größe der Apertur des Sendeantennensystems und des Empfangsantennensystems ist durch den in der bewegten Plattform zur Verfügung stehenden Raum fest vorgegeben. Die resultierende Antennencharakteristik, mit der das abzubildende Gelände beleuchtet wird, kommt durch das Oberlagern der Antennencharakteristiken des Sendeantennensystems und des Empfangsantennensystems zustande.
Für ein solches abbildendes Radarsystem ergibt sich mit der Halbwertsbreite 203^3 der resultierende Antennencharakteristik die theoretische azimutale Auflösung ΔRAR auf der Grundlage der Antennencharakteristik zu: <PRAR " 2 α3dB ( 1)
Diese Auflösung Δ^PRAR wird auch als Real-Apertur-Radar-Auflösung bezeichnet (J.C. Curlander, R.N. McDonough: Synthetic aperture radar. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1991). Die Real-Apertur-Radar-Auflösung Δ RARmax 'st ^ür a"e azimutalen Richtungen gleich. Die maximale Real-Apertur-Radar-Auflösung Δ^J AR 'st durch den maximal zur Verfügungen stehenden Raum begrenzt und ergibt sich mit der maximalen, auf die Sendewellenlänge normierten horizontalen Aperturbreite 2ξma und somit der minimalen erreichbaren Halbwertsbreite 2α3cjBmin
1 180° 2 α3dBmin = (2)
2 nax π zu
1 180°
Δ RARmax = 2«3dBmin = (3)
Da die Real-Apertur-Radar-Auflösung Δ^PRARrnax begrenzt ist, wird bei vorwärtsschauenden Radarsystemen ebenfalls auf der Grundlage der Dopplerfrequenzen in azimutaler Richtung aufgelöst. Mit der Sendefrequenz fc, der Plattformgeschwindigkeit v, der Lichtgeschwindigkeit CQ, der Halbwertsbreite 203^5 und der Winkelgeschwindigkeit ύ> der resultierenden Antennencharakteristik ergibt sich die theoretisch mögliche azimutale Auflösung auf der Grundlage der Dopplerfrequenzen in der azimutalen Blickrichtung ^ zu (Wehner, R.D.: High-resolution radar. Artech House, Norwood, 1995):
A co - ω 180° . .. Δ DBS = -; H ■ r ' (4)
Diese Auflösung Δ 9pßS w'rc' aucn a's Doppler-Beam-Sharpening-Auflösung bezeichnet. In Figur 1 sind die Auflösungen die exemplarischen Werte fc = 10 GHz, 1/ = 100 m/s, ω= 40°/s und 203,^ - 1° bzw. 3° als Funktion der azimutalen Blickrichtung φ dargestellt. Es zeigt sich, daß sich mit kleiner werdender Halbwertsbreite 2-23^3 die Real-Apertur-Radar-Auflösung Δ^JRAR verbessert, während sich aber gleichzeitig die Doppler-Beam-Sharpening-Auflösung Δ^DBS verschlechtert. Aus Figur 1 ist auch zu entnehmen, daß für große φ die Doppler-Beam-Sharpening-Auflösung Δ >rj)BS höher als die Real-Apertur-Radar- Auflösung ΔζP A . Der Winkelbereich in dem die Doppler-Beam-Sharpening-Auflösung schlechter ist als die Real-Apertur-Radar-Auflösung W'ΓC' a's 'blinder Sektor' bezeichnet.
Wenn das SAR geradeaus, direkt in Flugrichtung blickt, können Objekte die innerhalb der Halbwertsbreite 2α3jB der Antenne liegen nicht mehr eindeutig lokalisiert werden, da sowohl rechts als auch links der Flugrichtung liegende Objekte die identische Dopplerfrequenzverschiebungen aufweisen. Dies führt zu einer 'azimutalen Zweideutigkeit' (J.C. Curlander, R.N. McDonough: Synthetic aperture radar. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1991 ).
Herkömmliche Radarsysteme müssen somit einen Kompromiß zwischen einer guten Real-Apertur-Auflösung zur Minimierung der 'azimutalen Zweideutigkeit' und einem kleinen 'blinden Sektor' eingehen. Dabei muß darauf geachtet werden, daß sich der Winkelbereich der 'azimutalen Zweideutigkeit' nicht mit dem Winkelbereich, innerhalb dessen auf der Grundlage der Dopplerfrequenzen aufgelöst werden soll, überschneidet. In der Praxis bedeutet dies, daß das Radarsystem so konzipiert werden muß, daß der Winkelbereich der 'azimutale Zweideutigkeit' nicht größer als der 'blinde Sektor' wird. Weiter müssen herkömmliche Radarsysteme eine Logik haben, die der Signalauswertung meldet, ab welcher Winkelrichtung mit der Real-Apertur-Auflösung besser als mit dem Doppler-Beam-Sharpening in azimutaler Richtung aufgelöst werden kann, und umgekehrt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu finden, welche sowohl den 'blinden Sektor' als auch den Bereich der 'azimutalen Zweideutigkeit' verkleinert. Des weiteren soll die Erfindung die Notwendigkeit einer Logik, die der Signalauswertung meldet, ab welcher azimutaler Blickrichtung φ mit der Real-Apertur-Auflösung besser als mit dem Doppler- Beam-Sharpening in azimutaler Richtung aufgelöst wird, umgehen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den in den Ansprüchen 1 und 3 beschriebenen Merkmalen gelöst. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung in einem Radarsystem, welches zur Erhöhung der Winkelauflösung die Dopplerfrequenzverschiebung des Sendesignals auswertet, werden während der Bewegung des Radarsystems mittels einer schmalbündelnden Antennencharakteristik sequentiell mehrere benachbarte, schmale Bereiche erfaßt. Die Erfassung geht dabei so schnell vor sich, daß dies einer Ausleuchtung der Gesamtfläche aller Bereiche mittels einer Antenne mit breitbündelnder Antennencharakteristik gleichkommt. Dabei entspricht die Antennencharakteristik dieser simulierten, breitbündelnden Ausleuchtung einer Überlagerung der einzelnen, schmal gegrenzte Bereiche erfassenden Antennencharakteristiken. Das Verfahren wertet sowohl die von der schmalbündelnden Erfassung resultierenden Signale, als auch das mittels der Überlagerung der einzelnen sequentiellen, schmalbündelnden Erfassungen resultierende, simulierte breitbündelnde Antennensignal aus. In vorteilhafter Weise wird auf Grundlage des aktuellen Blickwinkels das Radarsystems entscheiden, ob die von der schmalbündelnden Erfassung resultierenden Signale einzeln ausgewertet werden, oder ob auf das simulierte, breitbandige Antennensignal zurückgegriffen wird. Der groe, nahezu gleichzeitige ausgeleuchtete Winkelbereich führt zu einer für die Berechnung der Dopplerfrequenzverschiebung ausreichenden Beleuchtungszeit. Gleichzeitig kann aufgrund der Auswertung der schmalbündelnden Antennencharakteristiken auch eine gute Real-Apertur-Auflösung erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zu Durchführung des Verfahrens zur Erhöhung der Winkelauflösung bei einem Radarsystem verwendet zur Erfassung der benachbarten eng begrenzten Bereiche eine oder mehrere Antennen mit schmalbündelnder Antennencharakteristik. In vorteilhafter Weise, besteht die Vorrichtung aus mindestens zwei parallel zueinander angeordneten Antennen mit schmalbündelnder Antennencharakteristik, zwischen denen sequentiell umgeschaltet wird. Dabei kann die Umschaltung mechanisch, elektrisch oder elektronisch erfolgen. In einer anderen denkbaren Ausführungsform wird nur eine einzelne Antenne verwendet, welche auf einen schwenkbaren Reflektor ausgerichtet ist, dessen stufenweises Drehen es erlaubt, sequentiell benachbarte Bereiche auszuleuchten. Generell ist es möglich, das Sende- und das Empfangsantennensystem identisch auszuführen oder das gleiche System für den Sende- und Empfangsfall zu verwenden. Andererseits ist es auch denkbar, das Sende- und das Empfangsantennensystem in unterschiedlicher Weise, z.B.: mit einer breitbündelnden Empfangsantenne und mehreren schmalbündelnden Sendeantenne, auszuführen. In Figur 2 sind exemplarisch drei schmalbündelnde resultierende Antennencharakteristiken 1-3 dargestellt, die jeweils eine Halbwertsbreite 2 2dQ gleich 1° haben und deren Summencharakteristik eine Halbwertsbreite 2^3^ gleich 3° hat. In Figur 3 ist die aus den Gleichungen ( 1) und (4) resultierende Auflösung Δ^>neu 12 unter Zuhilfenahme der für die exemplarischen Werte fc = 10 GHz, v 100 m/s, ω- 40°/s und 2ür3fjB = 1° Funktion der azimutalen Blickrichtung φ dargestellt. Dabei entspricht die Kurve 12 für Aφneu einer Zusammensetzung aus Teilbereichen der Kurve 10 (Auflösung mit der gespreizten Antennencharakteristik auf Grundlage der Dopplerfrequenzen) und der Kurve 1 1 (Auflösung mit der gespreizten Antennencharakteristik auf der Grundlage der Feinstruktur der Antennencharakteristik).
Verwendet das Radarsystem ein an die resultierende Antennencharakteristik und die auszuwertenden Dopplerfrequenzen angepaßtes Filter oder ein anderes lineares Schätzverfahren (z.B.: das lineare, erwartungstreue Optimal-Schätzverfahren oder das Wiener-Schätzverfahren) so entfällt die Notwendigkeit einer Logik, die der Signalauswertung meldet, ab welcher azimutaler Blickrichtung φ mit der Real-Apertur- Auflösung besser als mit dem Doppler-Beam-Sharpening in azimutaler Richtung aufgelöst wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Antennenanordnung ergeben sich durch parallele Anordnung von schmalbündelnden Antennen, welche von der Sendeelektronik sequentiell angesteuert werden. Werden hierzu drei schmalbündelnde Antennen eingesetzt so ergibt sich aus den drei einzelnen Antennendiagrammen 1-3 das aus Figur 2 ersichtliche aus der Überlagerung der Einzeldiagramme entstehende Antennendiagramm. Ein vergleichbares Antennendiagramm kann jedoch auch bei der Verwendung nur eines einzelnen schmalbündelnde Antennenelementes erzielt werden, indem dessen Strahlungsdiagramm über einen schwenkbaren Spiegel umgelenkt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung in einem in Bewegungsrichtung und seitwärts dazu schauenden Radarsystems - bei welchem zur Erhöhung der Winkelauflösung die Dopplerfrequenzverschiebung des Sendesignals ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet,
- daß das Radarsystem während seiner Bewegung mittels einer schmalbündelnden Antennencharakteristik sequentiell mehrere benachbarte, schmale Bereiche erfaßt, - daß die benachbarten, schmalen Bereiche so schnell erfaßt werden, daß dies einer Ausleuchtung der Gesamtfläche aller Bereiche mittels einer Antenne mit breitbündelnder Antennencharakteristik gleichkommt,
- daß die Antennencharakteristik dieser simulierten breitbündetnden Ausleuchtung aus einer Überlagerung der einzelnen, schmale begrenzte Bereiche erfassenden schmalbündelnder Antennencharakteristiken entspricht, - daß sowohl die von der schmalbündelnden Erfassung resultierenden Signale, als auch das mittels der Überlagerung der einzelnen sequentiellen, schmalbündelnden Erfassungen resultierende, simulierte breitbündelnde Antennensignal ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß bei der Signalauswertung auf Grundlage des aktuellen Blickwinkels des Radarsystems entschieden wird, ob die von der schmalbündelnden Erfassung resultierenden Signale einzeln ausgewertet werden, oder ob auf das simulierte, breitbandige Aπtennensignal zurückgegriffen wird.
3. Antennenanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet,
- daß zum Erfassen der benachbarten, eng begrenzten Bereiche eine oder mehrere Antennen mit schmalbündelnder Antennencharakteristik verwendet werden.
4. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus mindestens zwei, parallel zueinander angeordneten Antennen mit schmalbündelnder
Antennencharakteristik besteht, zwischen denen sequentiell umgeschaltet wird.
5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten zwischen den Antennen mechanisch erfolgt.
6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten zwischen den Antennen elektrisch erfolgt.
7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten zwischen den Antennen elektronisch erfolgt.
8. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzelne schmalbündelnde Antenne auf einen mechanisch schwenkbaren Reflektor ausgerichtet ist, der es stufenweises Drehen erlaubt sequentiell eng benachbarte Bereiche auszuleuchten.
9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeantennensystem und das Empfangsantennensystem identisch oder gleich sind.
10. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeantennensystem und das Empfangsantennensystem unterschiedlich ausgeführt sind.
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