NL1027151C2

NL1027151C2 - Elevatieschattingwerkwijze en radarapparaat dat deze gebruikt.

Info

Publication number: NL1027151C2
Application number: NL1027151A
Authority: NL
Inventors: Gerrit Dedden
Original assignee: Thales Nederland Bv
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-03
Also published as: CA2582321A1; EP1794617A1; US20070216569A1; IL182162A0; ZA200703471B; WO2006035041A1

Description

Elevatieschattingwerkwijze en radarapparaat dat deze gebruikt

De uitvinding heeft betrekking op een elevatieschattingwerkwijze en een radarapparaat van het stacked bundel type dat deze gebruikt. Met name heeft de uitvinding betrekking op radarapparatuur omvattende een zendantenne, zendmiddelen en een ontvangantennestelsel, waarin elke ontvangantenne gevoed 5 wordt door bijbehorende ontvangmiddelen, welk genoemd radarapparaat geschikt is voor het uitzenden van radarzendsignalen en het vervolgens ontvangen van gereflecteerde radarzendsignalen, waarbij genoemde gereflecteerde radarzendsignalen worden toegevoerd aan een bundelvormer na ontvangst door de individuele ontvangantennes en verwerking door de bijbehorende ontvangmiddelen, 10 ten einde een aantal in azimuthrichting althans in hoofdzaak identieke en in elevatierichting gespreide ontvangantennebundels te verkrijgen.

Een radarapparaat of dit type is bekend uit EP-A-0110260. Het voordeel van een radarapparaat dat althans in elevatierichting meerdere bundels vormt is dat 15 van een waargenomen object de elevatierichting bekend is en ook, gecombineerd met de gewoonlijk beschikbare afstandsinformatie, de objecthoogte. Hierbij is de keuze van de bundelbreedte van groot belang. Ten eerste wenst men zekerheid dat een object inderdaad wordt waargenomen, zodat enige overlap van de bundels onvermijdelijk is. Ten tweede wil men ervoor zorgen dat een object in niet meer dan 20 één bundel wordt waargenomen om overbelasting van de op het radarapparaat aangesloten videoprocessor te vermijden.

Deze uitvinding elimineert de bovengenoemde nadelen door interpolatie van ontvangantennebundels, die voorzien zijn een onderlinge overlap.

25

Een doel van deze uitvinding is een werkwijze voor het schatten van de elevatie van een object, omvattende: • ontvangst en bijbehorende ontvangverwerking van door het object gereflecteerde signalen, 30 · een bundeltransformatie van genoemde verwerkte ontvangen signalen tot een aantal ontvangantennebundels die althans in hoofdzaak in azimuthrichting identiek en in elevatierichting gespreid zijn, 1027151 2 • een interpolatie van de ontvangantennebundels, die voorzien zijn van een onderlinge overlap, zodanig dat genoemde interpolatiestap de elevatie van het object bepaalt.

5 Interpolatie van de uit de verschillende ontvangantennebundels afkomstige objectinformatie kan op velerlei wijzen plaatsvinden. Een gunstige werkwijze heeft als kenmerk, dat de interpolatiestap de elevatiebepaling omvat op basis van de sterkte van de aan de uitgang van de verschillende ontvangantennebundels aanwezige gereflecteerde radarzendsignalen. Door eerst 10 deze sterkten te bepalen kan interpolatie plaatsvinden door een aantal scalairen te gebruiken, waarvoor weinig hardware nodig is.

Objecten met een geringe elevatie, in het algemeen de meest relevante objecten, bevinden zich met name bij bekende radarapparaten van dit type in 15 slechts één ontvangantennebundel, wat interpolatie onmogelijk maakt. Een verdere gunstige uitvoeringsvorm van de inventieve elevatieschattingwerkwijze is dat de bundeltransformatie tenminste één bundel met een negatieve elevatierichting genereert. Hierdoor krijgt men voor een object met een geringe elevatie toch twee sterkten, waarmee een vorm van interpolatie mogelijk is.

20

Een zeer gunstige realisatie van de elevatieschattingwerkwijze is dat de bundeltransformatie tenminste twee bundels met een negatieve elevatierichting genereert, waarbij de transformatie bij voorkeur tenminste vier in elevatierichting equidistante bundels genereert, zodanig dat een eerste bundel een eerste positieve 25 elevatierichting heeft, een tweede bundel een tweede, kleinere positieve elevatierichting heeft, een derde bundel een negatieve elevatierichting heeft welke in absolute grootte overeenkomt met de tweede elevatierichting en een vierde bundel een negatieve elevatierichting heeft welke in absolute grootte overeenkomt met de eerste elevatierichting. Op deze wijze worden voor een object met een 30 geringe elevatie vier sterkten verkregen, hetgeen een uitstekende interpolatie mogelijk maakt.

Volgens een andere zeer gunstige uitvoeringsvorm heeft de elevatieschattingwerkwijze volgens de uitvinding het kenmerk dat de interpolatiestap 1027151 3 de sterkten van door een object gereflecteerde radarzendsignalen, verkregen uit de vier bundels in combinatie, zodanig verwerkt dat de verwerking meetfouten elimineert die het gevolg zijn van lobing en het spiegeleffect. Een gunstige implementatie van deze uitvoeringsvorm heeft het kenmerk dat de interpolatie een 5 quotiënt bepaalt van een sterkte in de vierde bundel minus een sterkte in de eerste bundel en een sterkte in de derde bundel minus een sterkte in de tweede bundel en de elevatie van het object met behulp van de quotiënt in een gegeven tabel afleest.

Een ander doel is een radarapparaat van het stacked beam type dat 10 geschikt is voor het uitzenden van radarzendsignalen en de daarop volgende ontvangst van gereflecteerde radarzendsignalen en dat gebruik maakt van de elevatieschattingwerkwijze in een van de vermelde uitvoeringsvormen, welk genoemd radarapparaat het volgende omvat: • een zendantenne, 15 · zendmiddelen, • een ontvangantennestelsel • ontvangmiddelen, waarbij elk van de ontvangmiddelen gevoed wordt door bijbehorende ontvangantennes, • een bundelvormer waaraan genoemde gereflecteerde radarzendsignalen 20 worden toegevoerd na ontvangst en verwerking door de individuele ontvangantennes en hun bijbehorende ontvangmiddelen, welke bundelvormer de bundeltransformatie zodanig implementeert dat een aantal ontvangantennebundels wordt verkregen die althans in hoofdzaak identiek zijn in azimuthrichting en gespreid in elevatierichting, en 25 · interpolatiemiddelen, verbonden met de bundelvormer, waarbij genoemde ontvangantennes, ontvangmiddelen en/of genoemde bundelvormer zodanig ingericht zijn dat de bundelvormer ontvangantennebundels voorzien van een onderlinge overlap toevoert aan de interpolatiemiddelen, waarmee de elevatie van het object wordt bepaald.

30

Een gunstige implementatie heeft het kenmerk dat de interpolatiemiddelen zijn uitgevoerd met normeringsmiddelen voor het normeren van de objectsterkten en met vergelijkingsmiddelen voor het vergelijken van de genormeerde objectsterkten met een stelsel van vooraf bepaalde viertallen van 1027151 1 4 genormeerde doelsterkten, voor het bepalen van een best fitting viertal en daaruit afleiden van de objectelevatie.

Verdere kenmerken en gunstige eigenschappen van de uitvinding zullen 5 duidelijk worden uit de volgende beschrijving van voorbeelden van uitvoeringsvormen van de uitvinding, aan de hand van afbeeldingen, die voor de uitvinding essentiële bijzonderheden laten zien en uit de conclusies. De afzonderlijke eigenschappen kunnen apart, allemaal of in elke gewenste combinatie worden gerealiseerd in een van de mogelijke uitvoeringsvormen van de uitvinding.

10 - Afbeelding 1, een blokschema van de elevatieschattingwerkwijze volgens de uitvinding, - Afbeelding 2, een blokschema van het radarapparaat volgens de uitvinding, 15 - Afbeelding 3, een radarapparaat met elf ontvangantennebundels, - Afbeelding 4, een radarapparaat met twaalf ontvangantennebundels, - Afbeelding 5, een radarapparaat met dertien ontvangantennebundels.

Afbeelding 1 toont een blokschema van de elevatieschattingwerkwijze 20 volgens de uitvinding omvattende een ontvangstap [S3] gevolgd door een ontvangverwerkingstap [S4] voor het ontvangen en verder verwerken van de door een object gereflecteerde signalen waarvan de elevatie geschat zal worden. Op deze wijze wordt een aantal verwerkte ontvangen gereflecteerde signalen verkregen. Deze signalen worden vervolgens getransformeerd tijdens de 25 bundeltransformatiestap [S5] in ontvangantennebundels met een onderlinge overlap. De interpolatiestap [S6] bepaalt uit genoemde ontvangantennebundels de elevatie van het object.

Afbeelding 2 toont een blokschema van een radarapparaat volgens de 30 uitvinding, omvattende zendmiddelen 1, een zendantenne 2, ontvangantennes 3a.....3p (bijvoorbeeld, zestien ontvangantennes), bijbehorende ontvangmiddelen 4a,...,4p, een bundelvormer 5 en interpolatiemiddelen 6. De zendmiddelen 1 voeren radarzendsignalen toe aan een zendantenne 2. De zestien ontvangantennes 3a.....3p ontvangen de door een potentieel object gereflecteerde radarzendsignalen.

1027151 5

De gereflecteerde radarzendsignalen worden doorgegeven, via ontvangmiddelen 4a.....4p, aan een bundelvormer 5. De bundelvormer 5 genereert uit deze gereflecteerde signalen bundels met verschillende elevaties, bijvoorbeeld elf bundels zoals weergegeven in Afbeelding 3. De uitgangssignalen van bundelvormer 5 5 worden vervolgens toegevoerd aan interpolatiemiddelen 6, die nauwkeurig de elevatie van een waargenomen object bepalen.

Zendantenne 2 en ontvangantennes 3a,..,3p zijn mechanisch verbonden, zodanig dat hun azimuthrichting overeenstemt. De individuele antennes 10 kunnen een lineair array van dipoolantennes omvatten en een feeder netwerk dat is uitgevoerd in schuimstripline om het gewicht laag te houden.

Zendantenne 2 en ontvangantennes 3a,...,3p kunnen zijn ondergebracht in een gemeenschappelijke antenne-array 7. Antenne-array 7 zou roteerbaar 15 opgesteld kunnen zijn, zodanig dat het radarapparaat een 3-dimensionale representatie van de omgeving kan leveren, hetgeen betekent dat van een object tenminste de afstand, de azimuth en de elevatie kunnen worden bepaald.

Het is mogelijk zendantenne 2 en ontvangantennes 3a.....3p te 20 combineren, waarbij tenminste één ontvangantenne 3i is uitgerust met T/R- (Transmit/Receive, zend/ontvang-) middelen, zodanig dat ook radarzendsignalen van de tenminste één ontvangantenne gebruik kunnen maken.

Ontvangmiddelen 4a.....4p kunnen van een in het radarvakgebied 25 welbekend type zijn, bij voorkeur van het heterodyne type en voorzien van een begrenzer, een storingarme versterker en eventueel een impulscompressienetwerk. Daarnaast kunnen ontvangmiddelen toegerust zijn met clutteronderdrukkingsmiddelen, met name op basis van het Doppler effect, bijvoorbeeld een opheffer (canceller) of een DFT- (Digitale Fourier Transformatie) 30 processor.

De uitgangssignalen van ontvangmiddelen 4a,...,4p kunnen van het analoge-kwadratuurtype zijn indien bundelvormer 5 een Butler-matrix is en van het digitale-kwadratuurtype indien de bundelvormer een DFT omvat. Voor elk

10271 51 'I

6 uitgezonden radarsignaal, genereren de uitgangsschakelingen van bundelvormer 5 een signaal, dat opgedeeld kan worden gedacht in range quants. Wordt in een ontvangantennebundel een object waargenomen, dan zal het relevante uitgangssignaal in een range quant corresponderend met de afstand van het object 5 tot het radarapparaat belangrijk boven een steeds aanwezig ruisniveau uitkomen, wat eenvoudig met behulp van een in het radarvakgebied bekende drempelschakeling kan worden gedetecteerd. Indien op deze wijze in een bepaalde range quant een object wordt gedetecteerd, dan wordt in de naburige ontvangantennebundels onderzocht of ook daar een detectie is gedaan. Door ervoor 10 te zorgen dat naburige ontvangantennebundels overlappen, zal dit steeds het geval zijn, mits het object voldoende sterk is, of, met andere woorden, mits de signaal-ruisverhouding voldoende is.

Interpolatiemiddelen 6 ontvangen de objectsterkten per range quant 15 voor de verschillende ontvangantennebundels en schatten op basis hiervan de actuele elevatie van het object. Hiervoor kan een lineaire interpolatie op basis van de objectsterkten worden gebruikt, maar betere resultaten worden bereikt door de objectsterkten te normeren en daarna te vergelijken met een verzameling objectsterkten, berekend voor de verschillende elevaties.

20

Interpolatiemiddelen 6 die bij voorkeur digitaal werken, kunnen een aantal DSP's omvatten. Indien bundelgenerator 5 is uitgevoerd als een Butler-matrix zullen de interpolatiemiddelen aan de ingangen voorzien te zijn van A/D-omzetters, die per range quant de uitgangssignalen van bundelvormer 5 digitaliseren.

25

Indien een object zich dicht bij het aardoppervlak bevindt, kan het voorkomen dat alleen de laagste bundel een detectie genereert, zodat een interpolatie niet mogelijk is. Dit is met name nadelig omdat interessante objecten zich bij voorkeur dicht bij het aardoppervlak ophouden. Afbeelding 4 toont de 30 bundels van een eerste uitvoeringsvorm van het radarapparaat dat aan deze bezwaren tegemoet komt door een ontvangantennebundel 41 met een negatieve elevatierichting 42 toe te voegen. Deze antennebundel zal, zoals welbekend is in het radarvakgebied, een spiegeling ondergaan van het aardoppervlak, maar zal niettemin een additionele objectsterkte genereren. Deze objectsterkte en de in de 1027151 < 7 laagste ontvangantennebundel van Afbeelding 3 gegenereerde objectsterkte zijn afhankelijk van de onbekende grootte en elevatie van het object en van de bekende frequentie van de radarzendsignalen, de hoogte van de antennes boven het aardoppervlak en van de bekende afstand van het object tot het radarapparaat. Het 5 is dan mogelijk om voor elke frequentie paren van objectsterkten te berekenen en deze te vergelijken met een paar gemeten objectsterkten die als norm zijn aangenomen. Hieruit kan per uitgezonden radarzendsignaal de elevatie van het object worden geschat. Door voor een aantal opeenvolgend uitgezonden radarzendsignalen deze schatting te middelen, wordt een nauwkeurige schatting 10 van de elevatie van het object verkregen.

Een verdere verbetering bij het bepalen van de elevatie van een object kan worden bereikt door twee negatieve-elevatiebundels 51, 52 toe te voegen, zoals weergegeven in Afbeelding 5. Op deze wijze zal voor een object dat zich dicht bij 15 het aardoppervlak bevindt een viertal objectsterkten worden gegenereerd, waarbij de sterkten weer afhangen van de grootte en elevatie van het object en van de bekende frequentie van de radarzendsignalen, de hoogte van de antennes boven het aardoppervlak en van de bekende afstand van het object tot het radarapparaat. Het is dan mogelijk om voor elke frequentie een stelsel van viertallen van 20 genormeerde sterkten te berekenen en deze te vergelijken met een gemeten genormeerd viertal objectsterkten, waarbij een best fit, bijvoorbeeld op basis van een kleinste-kwadratenmethode, nauwkeurig de elevatie van het object oplevert. Men kan dit stelsel van viertallen ook meten in een serie proefvluchten met een object waarvan het equivalente radarterugstraalvlak bekend is, welke proefvluchten 25 op verschillende hoogten moeten worden gemaakt en waarbij die frequenties moeten worden gemeten die operationeel van belang zijn.

Het vergelijken van viertallen van genormeerde sterkten met een stelsel van viertallen van genormeerde sterkten vergt veel rekentijd. Het is mogelijk 30 gebleken om in plaats daarvan één enkel getal te vergelijken met een tabel, welke tabel echter per operationeel significante frequentie kan worden bepaald. Indien de vier relevante bundels van boven naar beneden aangeduid worden als bundel een, bundel twee, bundel drie en bundel vier, dan wordt het getal gevonden door de objectsterkte in bundel vier te verminderen met de objectsterkte in bundel een, door 1027151 8 de objectsterkte in bundel drie te verminderen met de objectsterkte in bundel twee en door vervolgens van deze twee verschillen het quotiënt te bepalen. De tabel kan weer per frequentie worden bepaald op grond van theoretische overwegingen of door het uitvoeren van een aantal proefvluchten met een object dat een bekend 5 equivalent radarterugstraalvlak heeft, waarbij op verschillende frequenties dient te worden gemeten.

Bij het op deze wijze bepalen van de elevatie van een object, kan het voorkomen dat het quotiënt niet kan worden bepaald. Het is dan noodzakelijk de 10 meting opnieuw uit te voeren, waarbij voor de radarzendsignalen een andere frequentie wordt gekozen. Meer in het algemeen zal bij het bepalen van de elevatie van een object niet worden uitgegaan van één enkele meting, maar zal de meting bij een aantal verschillende frequenties worden herhaald, waarna nog enige filtering mogelijk is.

1027151

Claims

1. Werkwijze voor het schatten van de elevatie van een object, omvattende: • [S3-S4]: ontvangst en bijbehorende ontvangverwerking van door het object gereflecteerde signalen, • [S5]: een bundeltransformatie van genoemde verwerkte ontvangen signalen 5 tot een aantal ontvangantennebundels die althans in hoofdzaak identiek zijn in azimuthrichting en gespreid in elevatierichting, met het kenmerk dat genoemde elevatieschattingwerkwijze verder een interpolatie [S6] omvat van de ontvangantennebundels, die voorzien zijn van een onderlinge overlap, zodanig dat genoemde interpolatiestap de elevatie van het object bepaalt. 10

2. Elevatieschattingwerkwijze volgens de voorgaande conclusie, met het kenmerk dat genoemde onderlinge overlap zodanig is dat een object altijd wordt waargenomen in tenminste twee ontvangantennebundels.

3. Elevatieschattingwerkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de interpolatiestap [S6] de elevatie bepaalt op basis van de sterkte van de gereflecteerde radarzendsignalen met behulp van de verschillende ontvangantennebundels.

4. Elevatieschattingwerkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de bundeltransformatie [S5] tenminste één bundel met een negatieve elevatierichting genereert.

5. Elevatieschattingwerkwijze volgens de voorgaande conclusie, met het kenmerk 25 dat de bundeltransformatie [S5] twee bundels met een negatieve elevatierichting genereert.

6. Elevatieschattingwerkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de bundeltransformatie [S5] tenminste vier in elevatierichting 30 equidistante bundels genereert. 1027151

7. Elevatieschattingwerkwijze volgens de voorgaande conclusie, met de volgende kenmerken: • de eerste bundel heeft een eerste positieve elevatierichting, • de tweede bundel heeft een tweede, kleinere positieve elevatierichting, 5. de derde bundel heeft een negatieve elevatierichting waarvan de grootte gelijk is aan die van de tweede elevatierichting, en • de vierde bundel heeft een negatieve elevatierichting waarvan de grootte gelijk is aan die van de eerste elevatierichting

8. Elevatieschattingwerkwijze volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk dat de interpolatiestap [S6] de sterkten verwerkt van door een object gereflecteerde radarzendsignalen, verkregen uit de vier bundels in combinatie, zodanig dat de sterkteverwerking meetfouten tengevolge van lobing en het spiegeleffect elimineert.

9. Elevatieschattingwerkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk dat de interpolatiestap [S6] de sterkten normeert en de genormeerde sterkten vergelijkt met een set vooraf bepaalde viertallen van genormeerde sterkten, zodanig dat de vergelijkingstap een best fitting viertal bepaalt en daaruit de elevatie van het object afleidt. 20

10. Elevatieschattingwerkwijze volgens conclusie 8 met het kenmerk dat de interpolatiestap [S6] een quotiënt bepaalt van een sterkte in de vierde bundel minus een sterkte in de eerste bundel en een sterkte in de derde bundel minus een sterkte in de tweede bundel en de elevatie van het object in een gegeven tabel afleest met 25 behulp van de quotiënt.

11. Radarapparaat van het stacked beam type, geschikt voor het uitzenden of radarzendsignalen en de daaropvolgende ontvangst van gereflecteerde radarzendsignalen en gebruikmakend van de elevatieschattingwerkwijze volgens 30 een van de voorgaande conclusies, welk radarapparaat het volgende omvat: • een zendantenne (2), • zendmiddelen (1), • een ontvangantennestelsel (3a.....3p), 1027151 • ontvangmiddelen (4a.....4p), waarbij elk van de ontvangmiddelen (4a, ...,4p) gevoed wordt door bijbehorende ontvangantennes (3a.....3p), en • een bundelvormer (5) waaraan genoemde gereflecteerde radarzendsignalen worden toegevoerd na ontvangst en verwerking door de 5 individuele ontvangantennes (3a.....3p) en hun bijbehorende ontvangmiddelen (4a, ...,4p), waarbij genoemde bundelvormer (5) de bundeltransformatie zodanig implementeert dat een aantal ontvangantennebundels worden verkregen die althans in hoofdzaak identiek zijn in azimuthrichting en gespreid in elevatierichting, 10 met de kenmerken dat genoemd radarapparaat verder omvat: interpolatiemiddelen (6) verbonden met de bundelvormer (5), waarbij ontvangantennes (3a.....3p), ontvangmiddelen (4a.....4p) en/of genoemde bundelvormer (5) zodanig ingericht zijn dat de bundelvormer (5) ontvangantennebundels voorzien van een onderlinge overlap toevoert aan de interpolatiemiddelen (6), waarmee de elevatie van het 15 object wordt bepaald.

12. Radarapparaat volgens de voorgaande conclusie, met het kenmerk dat de interpolatiemiddelen (6) uitgevoerd zijn met normeringsmiddelen voor het normeren van de sterkten en met vergelijkingsmiddelen voor het vergelijken van de 20 genormeerde sterkten met een stelsel van vooraf bepaalde viertallen van genormeerde sterkten, voor het bepalen van een best fitting viertal en het daaruit afleiden van de elevatie van het object.

13. Radarapparaat volgens de voorgaande conclusie, met het kenmerk dat de 25 interpolatiemiddelen (6) voorzien zijn van een tabel waaruit, met behulp van genoemde quotiënt, de elevatie van het object gelezen kan worden. 1027151 '