EP3721255A2 - Verfahren zur passiven vermessung von elektromagnetischen reflexionseigenschaften von streukörpern und verfahren zur erzeugung mindestens eines künstlichen zieles für ein monostatisches, drehendes radar durch eine schwebende plattform - Google Patents

Verfahren zur passiven vermessung von elektromagnetischen reflexionseigenschaften von streukörpern und verfahren zur erzeugung mindestens eines künstlichen zieles für ein monostatisches, drehendes radar durch eine schwebende plattform

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EP3721255A2
EP3721255A2 EP18815174.0A EP18815174A EP3721255A2 EP 3721255 A2 EP3721255 A2 EP 3721255A2 EP 18815174 A EP18815174 A EP 18815174A EP 3721255 A2 EP3721255 A2 EP 3721255A2
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EP
European Patent Office
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radar
antenna
signal
transmitter
scattering object
Prior art date
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Application number
EP18815174.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Bredemeyer
Thorsten Schrader
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Fcs Flight Calibration Services GmbH
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Fcs Flight Calibration Services GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for the passive measurement of electromagnetic reflection properties of scattering bodies with an existing, operationally used (ie operational) radar with a radar antenna for external fertilization of radar signals, a scattering object and a floating platform with position detection device , which has a suitable for the reception of the radar signal measuring antenna with two linear polarization planes and a connected to the measuring antenna, at least two-channel radio receiver.
  • an existing, operationally used (ie operational) radar with a radar antenna for external fertilization of radar signals, a scattering object and a floating platform with position detection device , which has a suitable for the reception of the radar signal measuring antenna with two linear polarization planes and a connected to the measuring antenna, at least two-channel radio receiver.
  • the invention further relates to a method for displaying a simulated radar target by a floating platform with azimuthal and radial extent, in which either a stored signal of the radar transmitter with the measured reflection properties of the above method or a si - mulated, synthetic signal emitted by a coherent transmitter from the floating platform and is effective in a wider azimuth angle range of the radar antenna.
  • the conductivity of the components of the wind turbine differs depending on the mast, nacelle, hub and rotor blades.
  • the size of today's WEA does not allow it to be used in its entirety in a defined electromagnetic environment, e.g. an absorber hall, to measure.
  • the complete irradiation of a fully developed outdoor wind turbine requires the installation of a sender of significant power at a greater distance from the litter object in order to illuminate it evenly, which in turn requires a permit to transmit. The effort for this would be very high overall.
  • the object of the present invention is to provide an improved method for the passive measurement of electromagnetic reflection properties of scattering bodies by a floating platform in order to measure and classify different scattering objects already constructed in the vicinity of operational radars in a height-dependent manner. This results in a database in which the scattering properties of the objects of interest are stored.
  • the radar signal itself and its backscatter are measured from a floating platform.
  • the generation of an artificial target succeeds in that, with knowledge of the real reflection properties or with electromagnetically simulated properties, these properties are transported by means of the floating platform to another location in the detection area of the same or a functionally identical radar at another location.
  • the transmission at this location constitutes a fictitious target and thus allows the examination of the operational usability of the radar and consequently of the compatibility with the planned object.
  • the method for the passive measurement of electromagnetic reflection properties of scattering bodies has the following steps:
  • Receiving the radar signal with the radio receiver of the floating platform at the at least one fixed measuring location Determining the relative reflectivity of the existing scattered object by correlation of the measured at the measurement location, superimposed by reflections of the scattered object radar signal with the known characteristic of the undisturbed radar signal and the characteristic of the radar antenna.
  • the characteristic of the undisturbed radar signal of the radar transmitter and the characteristic of the radar antenna of the radar transmitter can be detected by forming a pattern sequence for an autocorrelation function (AKF) of modulated pulses of the radar transmitter,
  • AMF autocorrelation function
  • the radar antenna and measuring antenna form the focal points of an ellipse.
  • the existing scattering object lies on the edge of this ellipse.
  • the measuring location and scattered object are irradiated to different degrees over time by the rotating radar antenna.
  • the floating platform has a measuring antenna with a known diagram (characteristic) and knows its horizontal orientation during the flight.
  • the characteristic of the radar antenna is also known from the previous measurement. Correcting the result of the autocorrelation (AKF) is then effected as a function of the instantaneous orientations of the radar antenna and the measuring antenna with their known characteristics. It is advantageous if an elevation scanning of the scattering object is carried out at a constant horizontal distance in a respectively specified height difference.
  • dynamic scattering ratios e.g., by moving components of the scattering object
  • dynamic scattering ratios can be determined which produce a microdoppler effect. It is conceivable to form a level difference between the direct radar signal and the reflection from the autocorrelation function (AKF) or to determine the difference for exactly one scattering object by applying a congruent mapping, if the reflection of only this one scattering object during the transit time of a pulse of the radar Signal is receivable.
  • AMF autocorrelation function
  • the level difference can be corrected with knowledge of the horizontal antenna diagrams of the radar antenna as well as the measuring antenna of the floating platform, depending on the alignment.
  • the modulation of the pulses can either be known. However, it can also be recorded by reference measurement in the vicinity of the radar transmitter in the undisturbed transmission channel by measurement with the floating platform or in some other way.
  • the emitted pulses can be expanded pulses of a pulse compression radar or else short, unmodulated pulses.
  • the application of the AKF is generally used to detect the pulses ("matched filter", also called optimal filter or correlation filter).
  • the determination of the reflectivity of a scattering object can take place either in the image area of the AKF or in the time domain by means of a congruent mapping of a measured and parameterizable simulated reflection.
  • the measuring method according to the invention takes place in the vicinity of the scattering objects at selectively selected spatial points which, owing to their position relative to the radar, use precisely these detours to various objects in such a way that they and the object of current interest can be separated. It makes use of the properties of the transmission signal.
  • Modern air traffic control and air defense radars use the principle of pulse compression. In this case, an expanded, long pulse with a large bandwidth time product is sent out and the principle of pulse compression applied to the high temporal and hence radial resolution by applying the AKF with a sequence of patterns (temporally discretized: h (k)). When used, the measurement procedure must have knowledge of this pattern sequence in order to perform pulse compression in turn.
  • method (3) is applicable to the emission of short, unmodulated pulses:
  • the sidelobe distance results. Since the direct signal of the radar will always be stronger than the reflection, its pulse compression always forms the main maximum for a receiving antenna without strong horizontal directivity, the reflections come later according to their detour time. If the respective round trip time is shorter than the length of the expanded radar pulse, the results of the autocorrelation functions are superimposed on the direct signal and the reflections in the image area of the pulse compression.
  • this detour running time must be chosen such that, for the correlation maximum of the reflections, the area adjacent to the main maximum of the direct signal is used with sufficiently attenuated side lobes or in the zeros.
  • the application of pulse compression can be dispensed with. It thus avoids its inherent disadvantage of superimposing the weaker reflections on the side lobes of the stronger signal in the image area and thus the restrictions on the usable detour time.
  • the signal property of the frequency modulation over the pulse length (LFM or NLFM) is exploited with a superposition of a later arriving, same signal from the reflection Sig.
  • the direct pulse is first received at the time to and at this time has the start frequency fo of its frequency modulation.
  • the weaker reflection of a scattering object which occurs later at time ti, in turn has the starting frequency fo and superimposes the direct pulse over its remaining duration.
  • the frequency changes in proportion to the propagation time, so that the complex-valued superposition of two such pulses produces a constant beat of the frequency
  • the aim of this method is to reproduce the measured course by superimposing two analytic signals in such a way that maximum congruency is achieved.
  • the degrees of freedom of the simulated superimposition are a) the time t.sub.i of the arrival of the reflection, b) the relative level, and c) the phase difference at time t.sub.i between the direct signal and the reflection.
  • the time ti a) results from the selected geometric constellation of the measurement.
  • Parameters b) and c) are iteratively adjusted until the ma- ximale congruence is reached. This can be done automatically by a computer algorithm.
  • the final result is the relative level of the reflection as well as the phase difference.
  • a radar transmitter with short, unmodulated pulses can also be used. In the time course of the individual pulse correlation, these distances also give the detour times. Since, however, less signal energy is emitted here than in the case of a long pulse, the signal-to-noise ratio drops significantly during the evaluation and thus increases the measurement uncertainty. Several received pulses are necessary to achieve the same signal-to-noise ratio.
  • the method (2) is preferable to the method (1), since it has a lower measurement uncertainty due to the avoidance of the overlay by side lobes of the stronger signal.
  • reliable determination of the congruence of (2) requires that no further strong reflections occur over the duration of the pulse and change the course of the beat.
  • the ratio between the illumination of the reflector and the location of the measurement must be known. For this purpose, several rounds of the radar are detected in a training mode and from this the rotational speed of the radar transmitter is derived. Furthermore, the horizontal diagrams of the radar antenna are recorded for the individual heights. In a 3D radar (eg air defense) These assumptions only apply if a specific vertical beam is constantly active and no switching is performed for a volume scan. When using the measuring method with such a radar, therefore, appropriate settings must be made.
  • the autocorrelation function (AKF) in the strongest compared to the direct signal of the radar. Due to the temporal stamping and with a known rotational speed, it is possible to deduce the difference angle between measuring location and reflector from the point of view of the radar. From this, a difference of the irradiated field strength can be derived with the known profile of the horizontal diagram, with which the read level difference from the measurement of the autocorrelation function (AKF) must be compensated. This gives the preliminary reflection factor.
  • the horizontal diagram of the measuring antenna must be known. If the measuring antenna points to a specific scattering object and the radar stands at a certain angle from the view of the measuring antenna, this difference must be added to the previously determined reflection factor of the object with the correct sign.
  • the passive measuring method can advantageously have the following steps:
  • the relative reflectivity of a scattering object in combination with the characteristic of the undisturbed radar signal of the radar transmitter and the characteristic of the radar antenna of the Radar transmitter is determined.
  • the relative reflectivity is measured for a real existing interfering object and spent this property of the echo signal to a location in the effective range of the same or another radar transmitter.
  • the relative reflectivity for simulating an echo of at least one planned interfering object is combined with the known or measured characteristic of the undisturbed radar signal of the radar transmitter and the characteristic of the radar antenna of the radar transmitter in order to obtain the signal sent by the reflection properties of the at least one planned (virtual) disturbing object as an artificial echo to the radar signal.
  • the simplest case is when exactly one interfering object is planned and the relative reflectivity of a comparable interfering object is measured with the same radar transmitter or at another action location with a radar transmitter of identical design.
  • the echo pulse measured for the existing jamming object can then be stored and sent out (essentially) unchanged at the reflection location of the planned jamming object.
  • the artificial echo pulse then has to be adjusted in its transmission level and its transmission time to the new distance from the radar and synchronized with the pulse transmission times of the radar transmitter.
  • each simulated scattering object in radially different distance than that of the actual ascent location additionally undergoes a certain time offset in the emission.
  • FIG. 2 shows a diagram of pulses on an ASR channel over an observation time
  • Figure 3 Diagram of a horizontal antenna characteristic with main and side lobes on the azimuth angle
  • FIG. 1 shows a sketch of an arrangement of an operational radar transmitter 1 with a radar antenna 2 and a scattering object 3.
  • a floating platform 4 with a measuring antenna 5 which is used to detect the pulse-compressed radar emitted by the radar antenna 2. Signal is set.
  • the floating platform 4 has a receiver 6 with real-time recognition, a memory and a position detection for the determination of the respective measuring location.
  • the floating platform 4 may additionally have a coherent transmitter 7.
  • FIG. 2 shows an exemplary diagram of measured pulses of an airport radar ASR over an observation time, i. the flight time of the floating platform 4.
  • a measurement of all radar pulses with temporal dating takes place.
  • the beam passages of the rotating radar antenna 2 can be seen, which repeat in the example every five seconds.
  • the revolution time for example, five seconds
  • Figure 3 shows a diagram of a horizontal antenna characteristic with main and side lobes on the azimuth angle. Each point corresponds to a measured, time-dated radar pulse with a specific level.
  • the horizontal one Antenna diagram with main and side lobes can be measured for each measuring height by time spreading and knowledge of the rotation time.
  • the temporal spread is plotted in the diagram of FIG. 3 as receiving power above the azimuth angle.
  • the constant revolution time eg 5 seconds
  • the linear relationship between the time of flight of the floating platform 4 (observation time) plotted on the upper X-axis and the azimuth angle on the lower X. -Axis is applied, produce.
  • FIG. 4 shows in the image region of the pulse compression over time the main maximum from the direct signal at Ops and at the planned locations with specific bypass times 2.3 s and 3.5 s the maximums of the reflections according to method (1).
  • the results of the autocorrelation functions of direct signal and the reflections overlap.
  • FIG. 5 shows in the upper diagram the measured pulse shape as a superimposition of the baseband from the direct signal of a linearly frequency-modulated expanded pulse with a reflected component, whereby a beat with constant frequency and amplitude arises over time.
  • FIG. 6 shows the reflection of a short pulse (0.8 ps) with a long detour time ⁇ t for the application of method (3), in which direct and reflected signals are clearly separable from one another. The relative amplitude of the reflection can be read off with approx. 6 dB.
  • the method for the passive measurement of electromagnetic reflection properties of scattering bodies has the following steps:
  • the modulation of the expanded pulses can be known. However, it can also be recorded by reference measurement in the vicinity of the radar transmitter in the undisturbed transmission channel by measurement with the floating platform or in another way.
  • the transmission signal of the so-called secondary radar can also be used as an application in air traffic control as a query at 1030 MHz in the operating mode "Mode S".
  • the autocorrelation function AKF of this bit sequence can be determined and derived therefrom, just as in the primary radar, a detour delay time.
  • a specified sequence of 56 or 112 data bits can also be generated, which has particularly favorable autocorrelation properties.
  • This data sequence can be transmitted intermittently by the interrogator in accordance with mode S, without the intended purpose of triggering mode S responses of the transponders in aircraft being disturbed, since the sequence of the data bits is additionally selected such that no transponder is therefrom can decode a valid query for answering.
  • the measured reflection properties of individual scattering objects are stored and actively transmitted from the floating platform to other locations in the detection area of the radar generates these artificial targets with the transmitter 7. This simulates the potential effect of the scattered objects at their intended locations.
  • a further correction is necessary because, with reduced distance to the radar, a greater reception field strength actually arises due to the lower free space attenuation of the electromagnetic wave. This can be achieved by additional attenuation of the signal level in the target generator.
  • the comparison of the measurement results of the reflection properties of scattering objects at different distances R1, R2,... Rn of the floating platform can be used to assess the far field properties of the reflection. If the distance R2 is twice as large as R1, then the field strength would have to be smaller by 6dB, which is reflected in just such a difference in the pulse compression.
  • the level measured with the floating platform is proportional to the falling electromagnetic field strength of the radar ("forward scatter").
  • the field strength is effective at a point at a certain distance and elevation to the radar.
  • Assuming the far field properties can be adjusted with a known vertical antenna diagram and a change in the radial distance to the radar of the transmission level of the target generator so that the reflective properties of the target can be transported depending on distance.
  • This azimuthal spread is only applicable if not by the nature of the radar antenna and the signal processing, a direction measurement such as performed by the monopulse method.
  • ATC radars do not use this technique in their primary section. In the case of military air defense radars, this is usually the case when the antenna is designed as a "phased array", even in the horizontal plane.
  • FIG. 7 shows a two-dimensional extension of the fictitious scattering body, starting from the rise point of the floating platform. It is known at a specific ascent location so the timing of the level distribution during the beam passage. This information can now be used to simulate the reflection of a target at another azimuth angle by time-synchronous variation of the transmission level, provided that the side lobes do not fall below the perceptibility threshold of the signal detection in the receiver. In the illustration of the horizontal antenna diagram in FIG. 3, this extends to -40 dB below the main maximum. A continuous angle range of about 16 ° from -8 ° to + 8 ° around the main beam direction can be covered.
  • the radar is fictitiously played through a beam passage of its main maximum, although the instantaneous main radiation direction of the radar is different.
  • the radar spread extends from a point to a surface representable in polar coordinates as shown in FIG. 7.
  • a frequency shift of the individual fictitious targets produces an artificial radial velocity as determined either by moving the entire target o, e.g. Rotation of the blades of wind turbines WEA may occur as Mikrodopp- ler effect. This can be found out by a special measurement of the "worst case" (see above).
  • the delay t1 of the target generator for radial movement and the level correction in the beam pass for tangential movement must be continuous be adjusted. This avoids that the radar discards the target and the lane by its own plausibility check.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur passiven Vermessung von elektromagnetischen Reflexionseigenschaften von Streukörpern mit einem vorhandenen, betrieblich genutzten Radarsender (1 ) mit Radar-Antenne (2) zur Aussendung von Radarsignalen, einem Streuobjekt (3) und einer schwebenden Plattform (4) mit Positionserfassungseinrichtung, die einen für den Empfang des Radarsignals geeignete Messantenne mit zwei linearen Polarisationsebenen (5) und einen an die Messantenne angeschlossenen, mindestens zweikanaligen Funkempfänger (6) hat.

Description

Verfahren zur passiven Vermessung von elektromagnetischen Reflexionseigenschaften von Streukörpern und Verfahren zur Erzeugung mindestens eines künstlichen Zieles für ein monostatisches, drehendes Radar durch eine schwebende Plattform
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur passiven Vermessung von elektromagneti- schen Reflexionseigenschaften von Streukörpern mit einem vorhandenen, betrieb- lich genutzten (d.h. operationeilen) Radar mit einer Radar-Antenne zur Aussen- düng von Radar-Signalen, einem Streuobjekt und einer schwebenden Plattform mit Positionserfassungseinrichtung, die eine für den Empfang des Radarsignals geeignete Messantenne mit zwei linearen Polarisationsebenen und einen an die Messantenne angeschlossenen, mindestens zweikanaligen Funkempfänger hat. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Darstellung eines simulierten Ra- dar-Zieles durch eine schwebende Plattform mit azimutaler und radialer Ausdeh- nung, bei dem entweder ein gespeichertes Signal des Radar-Senders mit den ge- messenen Reflexionseigenschaften des oben genannten Verfahrens oder ein si- muliertes, synthetisches Signal durch einen kohärenten Sender von der schwe- benden Plattform ausgesendet und in einem breiteren Azimut-Winkelbereich der Radar-Antenne wirksam wird.
Bei geplanten Bauvorhaben in der Nähe von bestehenden Radar-Anlagen (z.B. der Flugsicherung, der Luftverteidigung) muss geprüft werden, ob die Funktions- weise und die bestimmungsgemäße Verwendung des Radars durch das Bauwerk beeinträchtigt werden könnte. Hierzu wird bislang der Übertragungskanal der elektromagnetischen Wellenausbreitung durch das geplante Bauwerk (elektro- magnetisch: Streuobjekt) ergänzt und die Rückstreuintensität in Richtung Radar (monostatisch) simuliert. Diese Simulation setzt die Richtigkeit mehrerer Annah- men voraus, die in vielen Fällen nicht gegeben ist.
Sollen z.B. Windenergieanlagen (WEA) gebaut werden, so müssen die einfallende Feldstärke des Radars („Forward Scatter“) in Abhängigkeit der Höhe über Boden sowie die reflektiven Eigenschaften bei der Sendefrequenz des Radars bekannt sein. Erst durch die hinreichende Kenntnis kann damit die Rückstreuung („Back- ward Scatter“) der WEA über die potentiell mehrere Kilometer Entfernung zum Ra- dar hin quantifiziert werden.
Bei der Modellbildung der Reflektivität unterscheidet sich die Leitfähigkeit der Bau- teile der WEA nach Mast, Maschinenhaus, Nabe und Rotorblätter. Die Größe heu- tiger WEA erlaubt es nicht mehr, sie in ihrer Gesamtheit in einer definierten elekt- romagnetischen Umgebung, z.B. einer Absorberhalle, zu messen. Die komplette Bestrahlung einer vollständig aufgebauten WEA im Außenbereich hingegen setzt voraus, einen Sender nennenswerter Leistung in größerer Entfernung zum Streu- Objekt aufzubauen, um dies gleichmäßig zu bestrahlen, wofür seinerseits eine Sendegenehmigung erforderlich ist. Der Aufwand hierfür wäre insgesamt sehr hoch.
Y. Wang et al.,„An Experimental Study of Passive Bistatic Radar Using Uncoope- rative Radar as a Transmitter“, IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING LETTERS, VOL. 12, NO. 9, SEPTEMBER 2015 offenbaren eine experimentelle Studie eines passiven bistatischen Radars unter Verwendung eines operationeilen Radars als Sender. Messverfahren zur Bestimmung elektromagnetischer Reflexionseigenschaften sind z.B. aus US 2006/0202885 A1 , DE 103 48 621 B4 und EP 2 762 915 A1 als „Passives Bistatisches Radar“ bekannt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur passi- ven Vermessung von elektromagnetischen Reflexionseigenschaften von Streukör- pern durch eine schwebende Plattform zu schaffen, um verschiedene, bereits in der Nähe von operationeilen Radaren aufgebaute Streuobjekte höhenabhängig zu vermessen und zu klassifizieren. Hieraus entsteht eine Datenbank, in der die Streueigenschaften der interessierenden Objekte abgelegt sind.
Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, mindestens ein künstliches Ziel für ein monostatisches, drehendes Radar durch eine schwebende Plattform an einem Standort zu erzeugen.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrie- ben.
Bei dem Messverfahren werden das Radarsignal selbst und seine Rückstreuung von einer schwebenden Plattform aus gemessen.
Die Erzeugung eines künstlichen Ziels gelingt dadurch, dass mit Kenntnis der rea- len Reflexionseigenschaften oder aber mit elektromagnetisch simulierten Eigen- schaften diese Eigenschaften mit Hilfe der schwebenden Plattform an eine andere Stelle im Erfassungsbereich desselben oder aber eines funktionsgleichen Radars an einem anderen Standort transportiert werden. Die Aussendung an diesem Ort stellt ein fiktives Ziel dar und erlaubt damit die Prüfung der operationeilen Nutzbar- keit des Radars und folglich der Verträglichkeit mit dem geplanten Objekt.
Das Verfahren zur passiven Vermessung von elektromagnetischen Reflexionsei- genschaften von Streukörpern hat die Schritte:
Festlegen von Messorten, an denen eine Messung an einem bestehenden Streuobjekt vorgenommen werden kann, in Abhängigkeit der Charakteristik des ungestörten Radar-Signals, des Radar-Senders und der Charakteristik der Radar-Antenne des Radar-Senders,
Empfangen des Radar-Signals mit dem Funkempfänger der schwebenden Plattform an dem mindestens einen festgelegten Messort, Bestimmen der relativen Reflektivität des bestehenden Streuobjektes durch Korrelation des an dem Messort gemessenen, durch Reflexionen des Streu- objektes überlagerten Radar-Signals mit der bekannten Charakteristik des ungestörten Radar-Signals und der Charakteristik der Radar-Antenne.
Die Charakteristik des ungestörten Radar-Signals des Radar-Senders und die Charakteristik der Radar-Antenne des Radar-Senders kann erfasst werden durch Bilden einer Musterfolge für eine Autokorrelationsfunktion (AKF) von modu- lierten Pulsen des Radar-Senders,
- Ableiten eines Pegelverhältnisses von Haupt- und Nebenkeulen der Autokor- relationsfunktion (AKF) durch Analyse ihres zeitlichen Verlaufs,
Ermitteln der nutzbaren zeitlichen Bereiche der Minima nach dem Hauptma- ximum und der damit nutzbaren Umweglaufzeiten aus den abgeleiteten Pe- gelverhältnissen,
- Messung der Umlaufzeit und der Winkelgeschwindigkeit der Radar-Antenne durch Datierung der Empfangszeitpunkte und Notierung der Empfangspegel jedes empfangenen Radar-Pulses durch Beobachtung mehrerer Strahldurch- gänge. Bei einer konstanten und gewählten Umweglaufzeit bilden die Radar-Antenne und Messantenne die Brennpunkte einer Ellipse. Das bestehende Streuobjekt liegt auf dem Rand dieser Ellipse. Im Strahldurchgang werden Messort und Streuobjekt im zeitlichen Verlauf unterschiedlich stark durch die drehende Radar-Antenne ange- strahlt.
Die schwebende Plattform hat eine Messantenne mit einem bekannten Diagramm (Charakteristik) und kennt ihre horizontale Ausrichtung während des Fluges. Die Charakteristik der Radar-Antenne ist durch die zuvor erfolgte Messung ebenfalls bekannt. Es erfolgt dann ein Korrigieren des Ergebnisses der Autokorrelation (AKF) in Abhängigkeit der momentanen Ausrichtungen der Radar-Antenne und der Messantenne mit ihren bekannten Charakteristika. Vorteilhaft ist es wenn eine Höhenabtastung des Streuobjektes bei einem konstan- ten horizontalen Abstand in einem jeweils spezifizierten Höhenunterschied vorge- nommen wird. Es kann ein Bestimmen der Polarisationsanteile im Feld sowohl des direkten Ra- dar-Signals des Radar-Senders als auch der Reflexion vom Streuobjekt mit der polarimetrisch ausgeführten Messantenne und dem zweikanalig ausgeführten Funkempfänger und ein Bestimmen der polarisationsabhängigen Reflektivität des Streuobjektes und dessen Radarrückstreuquerschnitt bei Vorliegen von Fernfeld- bedingungen aus der bestimmten Polarisation des Feldvektors erfolgen. Durch
Anwendung einer Analyse im Frequenzbereich können zudem dynamische Streu- anteile (z.B. durch bewegliche Bauteile des Streuobjekts) bestimmt werden, die ei- nen Mikrodoppler-Effekt erzeugen. Denkbar ist eine Bildung einer Pegeldifferenz zwischen direktem Radar-Signal und der Reflexion aus der Autokorrelationsfunktion (AKF) oder Ermitteln der Differenz für genau ein Streuobjekt durch Anwendung einer kongruenten Abbildung, wenn die Reflexion von nur diesem einen Streuobjekt während der Laufzeit eines Pulses des Radar-Signals empfangbar ist.
Die Pegeldifferenz kann mit Kenntnis der horizontalen Antennendiagramme der Radar-Antenne sowie der Messantenne der schwebenden Plattform je nach Aus- richtung korrigiert werden. Die Modulation der Pulse kann entweder bekannt sein. Sie kann aber auch durch Referenzmessung in der Nähe des Radarsenders im ungestörten Übertragungs- kanal durch Messung mit der schwebenden Plattform oder auf sonstige Weise auf- genommen werden. Die ausgesendeten Pulse können expandierte Pulse eines Pulskompressions-Radars sein oder aber auch kurze, unmodulierte Pulse. Die An- Wendung der AKF dient allgemein zur Erkennung der Pulse („Matched Filter“, auch Optimalfilter oder Korrelationsfilter genannt). Die Bestimmung der Reflektivität eines Streuobjektes kann entweder im Bildbe- reich der AKF oder im Zeitbereich durch eine kongruente Abbildung einer gemes- senen und parametrisierbaren simulierten Reflektion erfolgen. Mit einem monostatischen, operationeilen Radar und dessen eigenen Möglichkei- ten zur Auswertung selbst können diese Vergleichsmessungen nicht oder nur sehr eingeschränkt mit hoher Unsicherheit vorgenommen werden, da es die interessie- renden Objekte meist aus großer Entfernung anstrahlt. Wenn beispielhaft etwa ein ganzer Windpark, bestehend aus vielen einzelnen WEA als Streuobjekte, im Er- fassungsbereich einer bestimmten Richtung eines Radars liegt, reicht dessen radi ale und azimutale Auflösung in den meisten Fällen nicht aus, um das Reflexions- Verhalten einzelner WEA zu isolieren. Die Umweglaufzeiten zwischen den Reflexi- onen einzelner WEA sind zu klein, als dass deren Flauptmaxima im Ergebnis der AKF einzeln sichtbar wären. Weiterhin erlaubt die Messung durch das Radar keine höhenabhängige Abtastung, da es entweder nur ein 2D-Radar ist (Flugsicherung) oder als 3D-Radar (Luftverteidigung) keine Strahlbreite des vertikalen Antennendi- agramms mit deutlich unter 1 ° aufweist.
Das erfindungsgemäße Messverfahren findet hingegen in der Nähe der Streuob- jekte an gezielt ausgesuchten Raumpunkten statt, die aufgrund ihrer Lage zum Radar gerade diese Umweglaufzeiten zu verschiedenen Objekten so ausnutzen, dass diese und das momentan interessierende Objekt separierbar sind. Es macht sich dabei die Eigenschaften des Sendesignals zu Nutze. Moderne Flugsiche- rungs- und Luftverteidigungsradare verwenden das Prinzip der Pulskompression. Hierbei wird ein expandierter, langer Puls mit großem Bandbreite-Zeitprodukt aus- gesendet und durch Anwendung der AKF mit einer Musterfolge (zeitlich diskreti- siert: h(k) ) das Prinzip der Pulskompression zur hohen zeitlichen und damit radia- len Auflösung angewendet. Das Messverfahren muss, wenn es zur Anwendung kommt, Kenntnis dieser Mus- terfolge haben, um seinerseits die Pulskompression durchzuführen. Der Radar- Hersteller wird die analytische Beschreibung der Musterfolge h(k) jedoch nicht of- fenbaren. Um ihren zeitlichen Verlauf von Betrag und Phase dennoch in Erfahrung zu bringen, muss das Sendesignal in der Nähe des Radars in einem möglichst un- gestörten Übertragungskanal ohne Mehrwegeausbreitung empfangen und als Bandpasssignal oder im komplexen Basisband abgespeichert werden. Aus der Analyse dieser Daten im Zeit- und Frequenzbereich kann auch eine analytische Funktion hergeleitet werden, wenn die Signalstruktur wie z.B. bei einer linearen Frequenzmodulation (LFM) nicht zu komplex ist.
Es erweisen sich für die Anwendung des Messverfahrens grundsätzlich zwei Me- thoden (1 , 2) als sinnvoll, um den relativen Pegelunterschied bei der Überlagerung von mehreren empfangenen expandierten Pulsen eines Pulskompressions-Radars auszuwerten. Darüber hinaus ist Methode (3) bei der Aussendung von kurzen, un- modulierten Pulsen anwendbar:
(1) Analyse im Bildbereich nach Anwendung der Pulskompression
Aus der Auswertung der Autokorrelationsfunktion (AKF) mit der Musterfolge ergibt sich der Nebenkeulenabstand. Da das direkte Signal des Radars immer stärker sein wird als die Reflexion, bildet dessen Pulskompression bei einer Empfangsan- tenne ohne starke horizontale Richtwirkung immer das Hauptmaximum, die Refle- xionen kommen später gemäß ihrer Umweglaufzeit. Ist die jeweilige Umweglauf- zeit kleiner als die Länge des expandierten Radar-Pulses, überlagern sich die Er- gebnisse der Autokorrelationsfunktionen von direktem Signal und der Reflexionen im Bildbereich der Pulskompression.
Diese Umweglaufzeit muss aufgrund der Messposition so gewählt sein, dass für das Korrelationsmaximum der Reflexionen der Bereich neben dem Hauptmaxi- mum des direkten Signals mit hinreichend stark gedämpften Nebenkeulen oder in den Nullstellen benutzt wird.
Es kann zur Verbesserung statt der gesendeten Musterfolge des Radars auch eine veränderte Folge bei der Korrelation angewandt werden, die eine breitere Hauptkeule, aber dafür deutlich stärkere Dämpfung der Nebenkeulen aufweist. Dies ist in der Literatur (z.B. WO 2009/026911A2) als„Mismatched Filter“ bekannt. Die breitere Hauptkeule hat gegenüber dem („Matched Filter“) den Nachteil, dass die gewählte Umweglaufzeit und damit der Abstand zum Streuobjekt größer sein muss, damit nicht die Hauptkeulen des direkten Signals und des Streuobjekts inei nander fallen.
Aus dem Ergebnis der AKF muss also zunächst abgeleitet werden, wie groß der Abstand und damit die günstige Umweglaufzeit zwischen direktem Signal und Re- flexion sein muss. Vor der Messung ist also eine genaue Planung der Messorte basierend auf diesen Erkenntnissen erforderlich. Bei Einsatz des„Mismatched Fil ter“ sind dessen Parameter und die Wahl des Messortes ggf. iterativ zu optimie- ren.
(2) Erzeugung kongruenter Basisbandabbildungen im Zeitbereich
In einem Sonderfall kann auf die Anwendung der Pulskompression verzichtet wer- den. Es wird damit ihr inhärenter Nachteil der Überlagerung der schwächeren Re- flexionen mit den Nebenkeulen des stärkeren Signals im Bildbereich und damit die Einschränkungen bei der nutzbaren Umweglaufzeit vermieden. Bei dieser Me- thode wird die Signaleigenschaft der Frequenzmodulation über der Pulslänge (LFM oder NLFM) mit einer Überlagerung eines später eintreffenden, gleichen Sig nals aus der Reflexion ausgenutzt. Der direkte Puls wird zuerst zum Zeitpunkt to empfangen und hat zu diesem Zeitpunkt die Startfrequenz fo seiner Frequenzmo- dulation. Die später zum Zeitpunkt ti einsetzende, schwächere Reflexion eines Streuobjekts hat ihrerseits die Startfrequenz fo und überlagert den direkten Puls über dessen restliche Laufzeit. Im linearen Teil der FM der Pulse ändert sich die Frequenz proportional zur Laufzeit, sodass die komplexwertige Überlagerung zweier solcher Pulse eine konstante Schwebung der Frequenz |fo— fi| im Verlauf des Basisbandsignals zeigt. Es ist das Ziel dieser Methode, den gemessenen Ver- lauf durch Überlagerung zweier analytischer Signale so nachzubilden, dass sich eine maximale Deckungsgleichheit (Kongruenz) ergibt. Die Freiheitsgrade der si- mulierten Überlagerung sind hierbei a) der Zeitpunkt ti des Eintreffens der Refle- xion, b) der relative Pegel und c) der Phasenunterschied zum Zeitpunkt ti zwi- sehen dem direkten Signal und der Reflexion.
Der Zeitpunkt ti a) ergibt sich aus der gewählten geometrischen Konstellation der Messung. Die Parameter b) und c) werden iterativ so lange angepasst, bis die ma- ximale Kongruenz erreicht ist. Dies kann durch einen Computer-Algorithmus auto- matisiert durchgeführt werden. Im Endergebnis ergibt sich daraus der relative Pe- gel der Reflexion sowie zusätzlich der Phasenunterschied. (3) Nutzung kurzer unmodulierter Pulse im Zeitbereich
Anstelle eines Pulskompressions-Radars kann auch ein Radar-Sender mit kurzen, unmodulierten Pulsen benutzt werden. Im zeitlichen Verlauf der Einzelpulskorrela- tion ergeben diese Abstände ebenfalls die Umweglaufzeiten. Da hier jedoch weni- ger Signalenergie als bei einem langen Puls ausgesendet wird, sinkt das Signal- Rauschverhältnis bei der Auswertung deutlich und erhöht damit die Messunsicher- heit. Es sind hierbei mehrere empfangene Pulse notwendig, um den gleichen Sig- nal-Störabstand zu erzielen.
Bei Nutzung der Signale eines Pulskompressionsradars ist die Methode (2) der Methode (1 ) vorzuziehen, da sie aufgrund der Vermeidung der Überlagerung durch Nebenkeulen des stärkeren Signals eine geringere Messunsicherheit auf- weist. Ein verlässliches Bestimmen der Kongruenz von (2) setzt jedoch voraus, dass über die Laufzeitlänge des Pulses keine weiteren starken Reflexionen ein- treffen und den Verlauf der Schwebung verändern.
In einer gegebenen geometrischen Konstellation mit Streuobjekten von Interesse wird es nicht immer gelingen, eine optimale Messposition so zu finden, dass bei Pulskompressions-Radaren die Methode (2) angewandt werden kann. Es ist dann Methode (1 ) zu wählen.
Da sich das operationeile Radar dreht, gibt es ein ständiges Durchlaufen der Hauptkeule mit der größten Feldstärke auf den Messort und zeitlich versetzt hierzu auf die verschiedenen Reflektoren. Um die Relation der Signalstärke bei der Aus- wertung zu
kompensieren, muss das Verhältnis zwischen Anstrahlung des Reflektors und des Messortes bekannt sein. Hierzu werden in einem Trainingsmodus mehrere Um- läufe des Radars erfasst und hieraus die Drehgeschwindigkeit des Radar-Senders abgeleitet. Weiterhin werden für die einzelnen Höhen die Horizontaldiagramme der RadarAntenne aufgenommen. Bei einem 3D-Radar (z.B. der Luftverteidigung) gelten diese Annahmen nur dann, wenn ein bestimmter, Vertikal-Beam ständig ak- tiv ist und kein Umschalten für einen Volumen-Scan stattfindet. Bei der Anwen- dung des Messverfahrens mit einem solchen Radar müssen also entsprechende Einstellungen vorgenommen werden.
Wenn die Hauptkeule des Radars während der eigentlichen Messung auf den Re- flektor zeigt, ist dessen Maximum der Autokorrelationsfunktion (AKF) im Vergleich zum direkten Signal des Radars am stärksten. Durch die zeitliche Stempelung und mit bekannter Drehgeschwindigkeit kann auf den Differenzwinkel zwischen Mess- ort und Reflektor aus Sicht des Radars geschlossen werden. Hieraus kann mit dem bekannten Verlauf des Horizontaldiagramms eine Differenz der angestrahlten Feldstärke abgeleitet werden, mit der die abgelesene Pegeldifferenz aus der Mes- sung der Autokorrelationsfunktion (AKF) kompensiert werden muss. Dies ergibt den vorläufigen Reflexionsfaktor.
Weiterhin muss das Horizontaldiagramm der Messantenne bekannt sein. Wenn die Messantenne auf ein bestimmtes Streuobjekt zeigt und das Radar dazu in ei- nem bestimmten Winkel aus Sicht der Messantenne steht, muss diese Differenz zum bisher ermittelten Reflexionsfaktor des Objekts noch vorzeichenrichtig addiert werden.
Wenn der Radar-Sender als Interrogator eines Sekundärradars (SSR) auf der Fre- quenz 1030 MHz in der Betriebsart„Mode S“ ausgeführt ist und die Autokorrelati- onsfunktion aus der Bitfolge der 56 oder 112 Datenbits besteht, die differenzpha- senkodiert ausgesendet werden, dass kann das Verfahren zur passiven Vermes- sung vorteilhaft folgende Schritte aufweisen:
stetiges Demodulieren und Abspeichern der jeweiligen Datenbits der wech- selnden Abfragen eines operationeilen Sekundärradars (SSR) in der Be- triebsart„Mode S“,
- hieraus Berechnen der Autokorrelation (AKF) mit ihren Nebenkeulen und Ab- leiten daraus, ob diese ein günstiges Verhältnis von Haupt- und Nebenkeulen aufweisen, das momentan zur Bestimmung der Umweglaufzeiten des Radar- senders geeignet ist, und hiervon abweichend Generieren einer bestimmten Bitfolge mit spezifischen Autokorrelationseigenschaften, um diese mit dem Interrogator dediziert aus- zusenden, ohne dass der operationeile Ablauf der Interrogation von Mode S- Transpondern in Luftfahrzeugen beeinträchtigt wird.
Zur Erzeugung mindestens eines künstlichen Zieles für ein monostatisches, dre- hendes Radar durch eine schwebende Plattform an einem Standort, bei dem das in einem Funkempfänger bekannte Radar-Signal im Strahldurchgang beim Emp- fang datiert wird und ein kohärenter Sender dem Radar als künstliches Echo zu definierten Zeitpunkten bekannte, aber veränderte Signale gemäß den mit dem oben beschriebenen Verfahren passive gemessenen Reflexionseigenschaften zu- rücksendet, die so mit der Sendeabfolge und Umdrehungszeit des Radars syn- chronisiert sind, dass das Radar hieraus mindestens ein fiktives Ziel mit radialer und azimutaler Ausdehnung erkennt und zur Anzeige bringt, werden folgende Schritte vorgeschlagen:
Verbringen der schwebenden Plattform in den Standort, an dem eine Refle- xion einer geplanten Anordnung mindestens eines Streuobjektes auftreten würde, und
Zurücksenden des veränderten Signals als künstliches Echo, wobei das ver- änderte Signal aus der mit dem oben beschriebenen Verfahren bestimmten relativen Reflektivität eines Streuobjektes in Kombination mit der Charakteris- tik des ungestörten Radar-Signals des Radar-Senders und der Charakteristik der Radar-Antenne des Radar-Senders bestimmt wird. Damit wird die relative Reflektivität für ein real existierendes Störobjekt gemessen und diese Eigenschaft des Echosignals an einen Ort im Wirkbereich desselben o- der eines anderen Radar-Senders verbracht. Dort wird die relative Reflektivität zur Simulation eines Echos von mindestens einem geplanten Störobjekt mit der be- kannten oder vermessenen Charakteristik des ungestörten Radar-Signals des Ra- dar-Senders und der Charakteristik der Radar-Antenne des Radar-Senders kombi- niert, um das durch die Reflexionseigenschaften des mindestens einen geplanten (virtuellen) Störobjektes veränderte Signal als künstliches Echo auf das Radar- Signal auszusenden. Der einfachste Fall ist, wenn genau ein Störobjekt geplant ist und die relative Re- flektivität eines vergleichbaren Störobjekts mit demselben Radar-Sender oder an einem anderen Wirkort mit einem baugleichen Radar-Sender gemessen wird. Der für das existierende Störobjekt gemessene Echopuls kann dann abgespeichert und (im Wesentlichen) unverändert am Reflexionsort des geplanten Störobjektes ausgesendet werden. Der künstliche Echopuls muss dann noch in seinem Sende- pegel und seinem Sendezeitpunkt auf die neue Entfernung vom Radar angepasst und mit den Puls-Sendezeiten des Radar-Senders synchronisiert werden. Dies sind die Charakteristika des ungestörten Radar-Signals des Radar-Senders und Charakteristika der Radar-Antenne des Radar-Senders im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn folgende Schritte ausgeführt werden:
Verbringen der schwebenden Plattform in einen Punkt in der Mitte des Win- kelbereichs der geplanten Anordnung von Streuobjekten,
Festlegung der Flughöhe in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Verfahren zur passiven Vermessung von elektromagnetischen Reflexionseigenschaften von Streu körpern,
Ermitteln einer zeitlichen Datierung des Pegelverlaufs über den Winkel durch Messung der horizontalen Abstrahlcharakteristik der Radar-Antenne, wobei jedes simulierte Streuobjekt der azimutalen Ausdehnung in Abhängig- keit der Zeit eine Sendepulssequenz mit hinterlegtem Sendepegelverlauf ent- hält, und
wobei jedes simulierte Streuobjekt in radial unterschiedlicher Entfernung als der des tatsächlichen Aufstiegsortes zusätzlich einen bestimmten zeitlichen Versatz bei der Aussendung erfährt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beige- fügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - Skizze einer Anordnung eines operationeilen Radarsenders, eines
Streuobjektes und einer schwebenden Plattform mit Messantenne;
Figur 2 - Diagramm von Pulsen auf einem ASR-Kanal über eine Beobachtungs- zeit; Figur 3 - Diagramm einer horizontalen Antennencharakteristik mit Haupt- und Nebenkeulen über dem Azimutwinkel;
Figur 4 - Mehrere Reflexionen im Bildbereich der Pulskompression;
Figur 5 - Eine Reflexion im Zeitbereich des frequenzmodulierten expandierten
Pulses;
Figur 6 - Reflexion eines kurzen Pulses im Zeitbereich.
Figur 1 zeigt eine Skizze einer Anordnung eines operationeilen Radarsenders 1 mit einer Radar-Antenne 2 und einem Streuobjekt 3. Weiterhin ist eine schwe- bende Plattform 4 mit einer Messantenne 5 vorhanden, die zur Erfassung des von der Radar-Antenne 2 ausgesendeten pulskomprimierten Radar-Signals eingerich- tet ist. Hierzu hat die schwebende Plattform 4 einen Empfänger 6 mit Echtzeiter- kennung, einem Speicher und eine Positionserfassung zur Bestimmung des jewei- ligen Messortes. Zur Simulation von Streuobjekten 3 kann die schwebende Platt form 4 zusätzlich einen kohärenten Sender 7 aufweisen.
Figur 2 zeigt ein beispielhaftes Diagramm von gemessenen Pulsen eines Flugha- fenradars ASR über einer Beobachtungszeit, d.h. der Flugzeit der schwebenden Plattform 4. In einem Trainingsmodus erfolgt eine Messung aller Radar-Pulse mit zeitlicher Datierung. Anhand der Abfolge der Empfangsleistungen (Pegel) sind die Strahldurchgänge der drehenden Radar-Antenne 2 zu erkennen, die sich in dem Beispiel alle fünf Sekunden wiederholen. Durch den Empfang der Sendepulse des Radars über eine längere Zeit ist somit die Umdrehungszeit (z.B. fünf Sekunden) aus der an einer Messposition erfassten Pulswiederholrate messbar.
Für eine Höhenabtastung der Radarcharakteristik erfolgt eine Variation der Höhe der schwebenden Plattform 4 durch etappenweisen Auf- und Abstieg. Damit wer- den an einem Messort Etappen von Messpositionen unterschiedlicher Höhe durchlaufen.
Figur 3 zeigt ein Diagramm einer horizontalen Antennencharakteristik mit Haupt- und Nebenkeulen über den Azimutwinkel. Jeder Punkt entspricht einem gemesse- nen, zeitlich datierten Radar-Puls mit einem bestimmten Pegel. Das horizontale Antennendiagramm mit Haupt- und Nebenkeulen ist für jede Messhöhe durch zeit- liche Spreizung und Kenntnis der Umdrehungszeit messbar. Die zeitliche Sprei- zung ist in dem Diagramm der Figur 3 als Empfangsleistung über dem Azimutwin- kel aufgetragen. Durch Kenntnis der konstanten Umdrehungszeit (bspw. 5 Sekun- den) lässt sich der lineare Zusammenhang zwischen der Flugzeit der schweben- den Plattform 4 (Beobachtungszeit), die auf der oberen X-Achse aufgetragen ist, und dem Azimutwinkel, der auf der unteren X-Achse aufgetragen ist, hersteilen.
Figur 4 zeigt im Bildbereich der Pulskompression über dem zeitlichen Verlauf das Hauptmaximum aus dem direkten Signal bei Ops und an den geplanten Standor- ten mit spezifischen Umweglaufzeiten 2.3ps und 3.5ps die Maxima der Reflexio- nen nach Methode (1 ). Es überlagern sich hierbei die Ergebnisse der Autokorrela- tionsfunktionen von direktem Signal und der Reflexionen. Figur 5 zeigt im oberen Diagramm die gemessene Pulsform als Überlagerung des Basisbandes aus dem direkten Signal eines linear frequenzmodulierten expandier- ten Pulses mit einem reflektierten Anteil, wodurch im zeitlichen Verlauf eine Schwebung mit konstanter Frequenz und Amplitude entsteht. Bildet man die Para- meter Umweglaufzeit, Amplitude und Phasendifferenz und dieser Überlagerung mit einem theoretischen Signal gemäß Methode (2) nach (wie im unteren Dia- gramm skizziert ist), so ergibt sich die Reflektivität bei der maximalen Übereinstim- mung des Verlaufs der Pulsformen (Kongruenz) aus den theoretisch vorgegebe- nen Werten (hier: -12dB). Figur 6 zeigt die Reflexion eines kurzen Pulses (0.8 ps) mit einer großen Umweg- laufzeit At zur Anwendung von Methode (3), bei der direktes und reflektiertes Sig nal in klar voneinander trennbar sind. Die relative Amplitude der Reflexion ist mit ca. 6 dB abzulesen. Das Verfahren zur passiven Vermessung von elektromagnetischen Reflexionsei- genschaften von Streukörpern hat zusammengefasst die Schritte:
Bilden einer Musterfolge für eine Autokorrelation (AKF) von modulierten Pul- sen, die vom Radar ausgesendet werden, Messung der Trägerfrequenz der Radaraussendung, indem über einen län- geren Zeitraum eine Vielzahl von Impulsen über mehrere Radarumdrehun- gen in Ausbreitungsrichtung des ungestörten Falls aufgezeichnet und hieraus eine Spektralanalyse durchgeführt wird (am Boden oder in der Luft),
- Bestimmen der Umdrehungszeit der Radar-Antenne mit seinem jeweils in ei- ner Höhe geltendem Horizontaldiagramm der Abstrahlung durch Messung der schwebenden Plattform am festgelegten Messort über mehrere Umdre- hungen,
Analyse der gegebenen geometrischen Konstellation mit Radar und interes- sierenden Streuobjekten zur Wahl der Methoden 1 oder 2.
Bei Anwendung des Verfahrens zur Auswertung im Bildbereich der Pulskompres- sion nach Methode (1 ):
Ableiten eines Pegelverhältnisses von Haupt- und Nebenkeulen im zeitlichen Verlauf durch Analysieren der Autokorrelationsfunktion (AKF) als Ergebnis der Pulskompression der Musterfolge („Matched Filter“),
Feststellung, ob das Haupt-Nebenkeulenverhältnis der AKF bei Korrelation mit der Musterfolge hinreichend ist und ggf. Anwendung einer veränderten Funktion bei der AKF, um das Verhältnis zu vergrößern („Mismatched Filter“), - Ermitteln der nutzbaren zeitlichen Bereiche nach dem Hauptmaximum der
Hauptkeule und hieraus der nutzbaren Umweglaufzeiten aus den abgeleite- ten Pegelverhältnissen.
Bei Anwendung der Methode (2) zur Auswertung im Zeitbereich:
- Berücksichtigung der Einschränkung, dass nur ein Reflektor über der Lauf- zeit des expandierten Pulses wirksam werden soll durch die Wahl eines ge- eigneten Messortes oder durch Anwendung und Ausrichtung einer Richtan- tenne auf das Reflexionsobjekt,
Festlegen von Messorten mit diesen Informationen, an denen eine Messung an einem bestehenden Streuobjekt vorgenommen werden kann, an dem Ra- dar-Antenne und Messantenne bei konstanten und gewählten Umweglaufzei- ten der Reflexionen die Brennpunkte einer Ellipse bilden,
Durchführen einer Höhenabtastung des Streuobjektes bei einem konstanten horizontalen Abstand in einem jeweils spezifizierten Höhenunterschied, Bestimmung der veränderlichen Dopplerverschiebung in unterschiedlichen Höhen und Richtungen, wenn das Objekt bewegliche Teile hat, wie z.B. WEA
Korrigieren des relativen Ergebnisses der Autokorrelation (AKF) Methode (1 ) oder der Parameter der kongruenten Abbildung Methode (2) mit Kenntnis der horizontalen Antennendiagramme von Radar-Antenne sowie Messantenne je nach Ausrichtung,
Bestimmen der polarimetrischen Feldvektoren sowohl des direkten Signals des Radarsenders als auch der Reflexion vom Streuobjekt mit der polarimet- risch ausgeführten Messantenne und dem zweikanalig ausgeführten Funk- empfänger,
Ableitung des Doppler-verschobenen Streuanteils aus der zuvor durchge- führten Höhenabtastung, und
Bestimmen der polarisationsabhängigen Reflektivität des Streuobjektes und dessen dynamischen Radarrückstreuquerschnitts bei Vorliegen von Fernfeld- bedingungen aus den orthogonalen Feldvektoren.
Bei Anwendung der Methode (3):
Wie Methode (2), aber Berücksichtigung der Einschränkung, dass die Um- weglaufzeit länger als die Dauer des kurzen Pulses sein muss, damit direktes und reflektiertes Signal nicht ineinander fallen.
Die Modulation der expandierten Pulse kann dabei bekannt sein. Sie kann aber auch durch Referenzmessung in der Nähe des Radarsenders im ungestörten Übertragungskanal durch Messung mit der schwebenden Plattform oder auf sons- tige Weise aufgenommen werden.
Durch die Messung der relativen Rückstreuung kann ein Vergleich und eine Ver- besserung einer Modellbildung vorgenommen werden, damit für eine Prognose zukünftiger Bauvorhaben die Modellannahmen der Simulation deutlich realisti scherwerden . Anstelle eines tatsächlichen Radars, was auch als Primärradar bezeichnet wird, kann als Anwendung in der Flugsicherung auch das Sendesignal des sogenann- ten Sekundärradars (SSR) als Abfrage auf 1030MHz in der Betriebsart„Mode S“ verwendet werden. Dieses sendet einen Abfragepuls für einen Transponder mit 56 oder 112 Datenbits aus, die differenzphasenkodiert in einem langen Puls P6 mit 250ns Laufzeit pro Datenbit untergebracht sind. Die Autokorrelationsfunktion AKF dieser Bitfolge lässt sich bestimmen und daraus ebenso wie beim Primärradar eine Umweglaufzeit ableiten. Alternativ kann auch eine spezifizierte Folge von 56 oder 112 Datenbits generiert werden, die besonders günstige Autokorrelationsei- genschaften aufweist. Diese Datenfolge kann konform mit Mode S vom Interroga- tor zeitweise ausgesendet werden, ohne dass der bestimmungsgemäße Zweck des Auslösens von Mode S-Antworten der Transponder in Luftfahrzeugen gestört wird, da die Folge der Datenbits zusätzlich so gewählt wird, dass kein Transpon- der daraus eine gültige Abfrage zur Beantwortung dekodieren kann.
Für die Beurteilung der tatsächlichen Störwirkung von Streuobjekten auf das Ra- dar und seine Zielgrößen muss dessen Empfangskanal mit einbezogen werden.
Da der Hersteller die Einzelheiten seiner Signalverarbeitung bis zur Zieldarstellung nicht offenbaren wird, muss die Wirkung mit definierten, künstlichen Zielen und den zuvor gemessenen Zieleigenschaften der Streuobjekte am operationeilen Ra- dar getestet werden.
Zur Darstellung eines simulierten Radar-Zieles durch eine schwebende Plattform mit dem Ziel, die potentielle Wirkung von Streuobjekten an vorgesehenen Orten zu erfassen, werden die gemessenen Reflexionseigenschaften von einzelnen Streu- objekten gespeichert und durch eine aktive Aussendung von der schwebenden Plattform an anderen Orten im Erfassungsbereich des Radars diese künstlichen Ziele mit dem Sender 7 erzeugt. Hiermit wird die potentielle Wirkung der Streuob- jekte an ihren vorgesehenen Orten simuliert.
Unter der Annahme von Fernfeldeigenschaften können mit Hilfe eines Ziel-Gene- rators künstliche Radar-Ziele mit definiertem Radar-Rückstreuquerschnitt bei Be- nutzung der selben Sende- und Empfangsantenne erzeugt werden, die von der Radarsignalverarbeitung als tatsächliche Ziele erkannt und angezeigt werden. Dies ist in der Literatur allgemein als„Radar Target Generator“ bekannt und z.B. in US 5 431 568 A beschrieben. Mit dieser Technik werden empfangene Radar-Im- pulse mit einer Laufzeitverzögerung t wieder ausgesendet. Hierin ist ein fester Laufzeitanteil tq aufgrund der Verarbeitungszeit im Gerät selbst sowie ein variab- ler Laufzeitanteil tΐ enthalten. Da das Radar immer die Laufzeit t der elektromag- netischen Welle vom Standort bis zum Ziel und zurück misst und hieraus die Schrägentfernung R = c0*t/2 bildet (cO: Lichtgeschwindigkeit) ableitet, erzeugt der zusätzliche Laufzeitanteil tq eine systembedingte Erhöhung der im Radar gemes- senen Schrägentfernung auf R‘ = c0*(t+x0)/2. Der eigentliche Aufstiegsort der schwebenden Plattform muss also stets um die verringerte Distanz dR = c0*x0/2 näher am Radar sein, um diesen Fehler zu kompensieren. Eine weitere Korrektur ist nötig, da bei verringerter Distanz zum Radar tatsächlich eine größere Emp- fangsfeldstärke aufgrund der geringeren Freiraumdämpfung der elektromagneti- schen Welle entsteht. Dies lässt sich durch eine zusätzliche Dämpfung des Sen- depegels im Ziel-Generator erreichen.
Der Vergleich der Messergebnisse der Reflexionseigenschaften von Streuobjekten in unterschiedlichen Entfernungen R1 , R2, ... Rn der schwebenden Plattform kann herangezogen werden, um die Fernfeldeigenschaften der Reflexion zu beurteilen. Ist die Entfernung R2 doppelt so groß wie R1 , so müsste hierbei die Feldstärke um 6dB kleiner sein, was sich in einer ebensolchen Differenz in der Pulskompression zeigt.
Der mit der schwebenden Plattform gemessene Pegel ist proportional zur einfal- lenden elektromagnetischen Feldstärke des Radars („Forward Scatter“). Die Feld- stärke ist wirksam an einem Punkt in bestimmter Entfernung und Elevation zum Radar. Unter Annahme der Fernfeldeigenschaften kann bei bekanntem vertikalen Antennendiagramm und einer Veränderung der radialen Entfernung zum Radar der Sendepegel des Ziel-Generators so angepasst werden, dass die Reflexionsei- genschaften des Ziels entfernungsabhängig transportierbar sind.
Sollen Streuobjekte wie Windenergieanlagen WEA errichtet werden, sind diese oftmals nicht einzeln, sondern als Häufung in Form von Windparks mit vielen WEA geplant. Hierbei entsteht das Problem, dass der Radar-Zielgenerator in seiner ur- sprünglichen Anwendung als reiner Echo-Generator auf der schwebenden Platt form maximal ein radial veränderliches Ziel ohne azimutale Ausdehnung darstellt. Eine Simulation mehrerer Streuobjekte zur selben Zeit wäre mit dieser Technik also nur darstellbar, wenn an allen geplanten Aufbauorten zeitgleich jeweils flie gende Plattformen aufsteigen. Dies ist jedoch unvorteilhaft, da hierdurch ein sehr hoher materieller Aufwand entsteht. Der Nachteil kann vermieden werden, indem durch eine zeitlich definierte Variation der Sendeleistung des Ziel-Generators mit dem Sender 7 im Strahldurchgang der azimutale Winkelbereich künstlich ausge- dehnt wird. Diese azimutale Spreizung ist nur dann anwendbar, wenn nicht durch die Art der Radar-Antenne und der Signalverarbeitung eine Richtungsmessung wie z.B. durch das Monopuls-Verfahren durchgeführt wird. Flugsicherungsradare verwenden in ihrem Primär-Teil diese Technik jedoch nicht. Bei militärischen Luft- verteidigungs-Radaren ist dies durch die Ausführung der Antenne als„Phased Ar- ray“ auch in der horizontalen Ebene dagegen meist der Fall.
Figur 7 zeigt eine zweidimensionale Ausdehnung des fiktiven Streukörpers ausge- hend von dem Aufstiegspunkt der schwebenden Plattform. Es ist an einem spezifischen Aufstiegsort also der zeitliche Verlauf der Pegelver- teilung während des Strahldurchgangs bekannt. Diese Information kann nun ge- nutzt werden, um durch zeitsynchrone Variation des Sendepegels die Reflexion ei- nes Ziels an einem anderen Azimutwinkel zu simulieren, sofern die Nebenkeulen nicht unter die Wahrnehmbarkeitsschwelle der Signaldetektion im Empfänger fal- len. In der Abbildung des horizontalen Antennendiagramms in Figur 3 reicht dies bis -40dB unterhalb des Hauptmaximums. Es kann ein durchgehender Winkelbe- reich von etwa 16° von -8° bis +8° um die Hauptstrahlrichtung abgedeckt werden. Dem Radar wird bei der Kompensation des Horizontaldiagramms durch Justierung der Sendeleistung jedes Pulses im Ziel-Generator fiktiv ein Strahldurchgang sei- nes Hauptmaximums vorgespielt, obwohl die momentane Hauptstrahlungsrichtung des Radars eine andere ist.
Um dem Radar zusätzlich eine radiale Ausdehnung des Streuobjekts zu simulie- ren, werden zusätzliche zeitliche Verzögerungen t1 bei der Aussendung des Ziel- Generators eingefügt. Das Radar bestimmt hieraus die größeren Schrägentfernun- gen R = c0*(t+x0+x1 )/2 . Die radiale Ausdehnung ist somit völlig unabhängig von der azimutalen Ausdehnung und funktioniert auch bei richtungsmessenden Rada- ren (Monopuls).
Zusammengenommen ergibt sich eine Ausdehnung des vom Radar gemessenen Streubereichs von einem Punkt auf eine Fläche darstellbar in polaren Koordinaten gemäß Figur 7. Eine Frequenzverschiebung der einzelnen fiktiven Ziele erzeugt eine künstliche Radialgeschwindigkeit, wie sie entweder durch Bewegung des gesamten Ziels o- der z.B. durch Rotation der Blätter von Windenergieanlagen WEA als Mikrodopp- ler-Effekt auftreten kann. Dies kann durch eine spezielle Vermessung des„Worst Case“ herausgefunden werden (s.o.). Damit das Radar bei einer Zielbewegung insgesamt die Zielschwindigkeit aus dem Doppler-Effekt mit seinen Entfernungs- messungen von einem Strahldurchgang bis zum nächsten korrelieren kann, muss die Verzögerung t1 des Ziel-Generators bei radialer Bewegung und die Pegelkor- rektur im Strahldurchgang bei tangentialer Bewegung kontinuierlich angepasst werden. Dadurch wird vermieden, dass das Radar durch eigene Plausibilitätsprü fung das Ziel und die Spurbildung verwirft.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur passiven Vermessung von elektromagnetischen Reflexionsei- genschaften von Streukörpern mit einem vorhandenen, betrieblich genutzten Radar-Sender (1 ) mit Radar-Antenne (2) zur Aussendung von Radar-Signa- len, einem Streuobjekt (3) und einer schwebenden Plattform (4) mit Positi- onserfassungseinrichtung, die einen für den Empfang des Radar-Signals ge- eignete Messantenne mit zwei linearen Polarisationsebenen (5) und einen an die Messantenne angeschlossenen, mindestens zweikanaligen Funkempfän- ger (6) hat,
gekennzeichnet durch
Festlegen von Messorten, an denen eine Messung an einem bestehen- den Streuobjekt (3) vorgenommen werden kann, in Abhängigkeit der Charakteristik des ungestörten Radar-Signals, des Radar-Senders (1 ) und der Charakteristik der Radar-Antenne (2) des Radar-Senders (1 ),
Empfangen des Radar-Signals mit dem Funkempfänger (6) der schwe- benden Plattform (4) an dem mindestens einen festgelegten Messort, Bestimmen der relativen Reflektivität des bestehenden Streuobjektes (3) durch Korrelation des an dem Messort gemessenen, durch Reflexio- nen von dem Streuobjekt (3) überlagerten Radar-Signals mit der be- kannten Charakteristik des ungestörten Radar-Signals und der Charak- teristik der Radar-Antenne (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch Bestimmen der Charakte- ristik des ungestörten Radar-Signals des Radar-Senders (1 ) und der Charak- teristik der Radar-Antenne (2) des Radar-Senders (1 ) durch
Bilden einer Musterfolge für eine Autokorrelationsfunktion (AKF) von modulierten Pulsen des Radar-Senders (1 ),
Ableiten eines Pegelverhältnisses von Flaupt- und Nebenkeulen der Au- tokorrelationsfunktion (AKF) durch Analyse ihres zeitlichen Verlaufs,
Ermitteln der nutzbaren zeitlichen Bereiche der Minima nach dem Flauptmaximum und der damit nutzbaren Umweglaufzeiten aus den ab- geleiteten Pegelverhältnissen, Messung der Umlaufzeit und der Winkelgeschwindigkeit der Radar-An- tenne (2) durch Datierung der Empfangszeitpunkte und Notierung der Empfangspegel jedes empfangenen Radar-Pulses durch Beobachtung mehrerer Strahldurchgänge.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Korrigieren des Ergebnis- ses der Autokorrelation (AKF) in Abhängigkeit der momentanen Ausrichtun- gen der Radar-Antenne (2) und der Messantenne (5) mit ihren bekannten Charakteristika.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Durch- führen einer Flöhenabtastung des Streuobjektes (3) bei einem konstanten ho- rizontalen Abstand in einem jeweils spezifizierten Flöhenunterschied.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch
Bestimmen der Polarisationsanteile im Feld sowohl des direkten Radar- Signals des Radar-Senders (1 ) als auch der Reflexion vom Streuobjekt (3) mit der polarimetrisch ausgeführten Messantenne (5) und dem zwei- kanalig ausgeführten Funkempfänger (6),
Bestimmen der polarisationsabhängigen Reflektivität des Streuobjektes (3) und dessen Radarrückstreuquerschnitt bei Vorliegen von Fernfeld- bedingungen aus der bestimmten Polarisation des Feldvektors, und Analyse im Frequenzbereich zur Bestimmung von dynamischen Streu- anteilen, die einen Mikrodoppler-Effekt erzeugen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Bildung einer Pegeldifferenz zwischen direktem Radar-Signal und der Reflexion aus der Autokorrelationsfunktion (AKF) oder Ermitteln der Differenz für genau ein Streuobjekt (3) durch Anwendung einer kongruenten Abbildung, wenn die Reflexion von nur diesem einen Streuobjekt (3) während der Laufzeit eines Pulses des Radar-Signals empfangbar ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Korrektur der Pegeldifferenz mit Kenntnis der horizontalen Antennendi- agramme der Radar-Antenne (2) sowie der Messantenne der schwebenden Plattform (4) je nach Ausrichtung.
8. Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Pulse des Radar-Signals entweder bekannt ist oder durch Referenzmessung in der Nähe des Radar-Senders (1 ) im ungestörten Übertragungskanal durch Messung mit der schwebenden Plattform (4) aufgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Bestimmung der relativen Reflektivität eines Streuobjektes im Zeitbereich durch eine kongruente Abbildung einer gemessenen und pa- rametrisierbaren simulierten Reflektion erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Radar- Sender (1 ) als Interrogator eines Sekundärradars (SSR) auf der Frequenz 1030MHz in der Betriebsart„Mode S“ ausgeführt ist und die Autokorrelations- funktion aus der Bitfolge der 56 oder 112 Datenbits besteht, die differenzpha- senkodiert ausgesendet werden
gekennzeichnet durch
stetiges Demodulieren und Abspeichern der jeweiligen Datenbits der wechselnden Abfragen eines operationeilen Sekundärradars (SSR) in der Betriebsart„Mode S“,
hieraus Berechnen der Autokorrelation (AKF) mit ihren Nebenkeulen und Ableiten daraus, ob diese ein günstiges Verhältnis von Haupt- und Nebenkeulen aufweisen, das momentan zur Bestimmung der Umweg- laufzeiten des Radarsenders (1 ) geeignet ist, und
- hiervon abweichend Generieren einer bestimmten Bitfolge mit adaptier- ten Autokorrelationseigenschaften, um diese mit dem Interrogator dedi- ziert auszusenden, ohne dass der operationeile Ablauf der Interrogation von Mode S-Transpondern in Luftfahrzeugen beeinträchtigt wird.
11. Verfahren zur Erzeugung mindestens eines künstlichen Zieles für ein mono- statisches, drehendes Radar durch eine schwebende Plattform (4) an einem Standort, bei dem das in einem Funkempfänger (6) bekannte Radar-Signal im Strahldurchgang beim Empfang datiert wird und ein kohärenter Sender (7) dem Radar als künstliches Echo zu definierten Zeitpunkten bekannte, aber in Abhängigkeit der mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden An- sprüche gemessenen Reflexionseigenschaften veränderte Signale zurück- sendet, die so mit der Sendeabfolge und Umdrehungszeit des Radars syn- chronisiert sind, dass das Radar hieraus mindestens ein fiktives Ziel mit radi- aler und azimutaler Ausdehnung erkennt und zur Anzeige bringt
gekennzeichnet durch
Verbringen der schwebenden Plattform (4) in den Standort, an dem eine Reflexion einer geplanten Anordnung mindestens eines Streuob- jektes (3) auftreten würde, und
Zurücksenden des veränderten Signals als künstliches Echo, wobei das veränderte Signal aus der mit dem Verfahren nach einem der Ansprü- che 1 bis 10 bestimmten relativen Reflektivität eines Streuobjektes (3) in Kombination mit der Charakteristik des ungestörten Radar-Signals des Radar-Senders (1 ) und der Charakteristik der Radar-Antenne (2) des Radar-Senders (1 ) bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , gekennzeichnet durch
Festlegung der Flughöhe in Abhängigkeit von der Charakteristik des un- gestörten Radar-Signals des Radar-Senders (1 ) und der Charakteristik der Radar-Antenne (2) des Radar-Senders (1 ),
Ermitteln einer zeitlichen Datierung des Pegelverlaufs über den Winkel durch Messung der horizontalen Abstrahlcharakteristik der Radar-An- tenne (2),
wobei jedes simulierte Streuobjekt (3) der azimutalen Ausdehnung in Abhängigkeit der Zeit eine Sendepulssequenz mit hinterlegtem Sendep- egelverlauf enthält, und
wobei jedes simulierte Streuobjekt (3) in radial unterschiedlicher Entfer- nung als der des tatsächlichen Aufstiegsortes zusätzlich einen be- stimmten zeitlichen Versatz bei der Aussendung erfährt,
wobei jedes Streuobjekt (3) mit einer separaten Frequenzverschiebung versehen werden kann, um entweder eine Zielbewegung als Doppler- Effekt insgesamt oder bewegliche Bauteile des Streuobjekts (3) (Mikro- doppler-Effekt) nachzubilden.
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