NL1031761C2 - Werkwijze voor het filteren van zee-clutter in een radarecho door gebruik te maken van een hydrografisch model. - Google Patents

Description

WERKWIJZE VOOR HET FILTEREN VAN ZEE-CLUTTER IN EEN RAOARECHO DOOR GEBRUIK TE MAKEN VAN EEN HYDROGRAFISCH

MODEL

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het filteren van zee-clutter in een radarecho, door gebruik te maken van een hydrografisch model. De werkwijze is bijvoorbeeld van toepassing op het 5 detecteren van doelen in een zee-clutter omgeving.

Zee-clutter is de som van ongewenste signaalecho’s die worden teruggekaatst door golven aan het zee-oppervlak, wanneer de golven belicht worden door een radar op zoek naar doelen zoals schepen of vliegtuigen.

10 Detectie van kleine oppervlaktedoelen in een zee-clutter omgeving is een moeilijke opgave. Met name doordat de amplitude van radarecho's van dergelijke doelen zwak is en vergelijkbaar is met de amplitude van de radarecho’s van de zee. Bovendien overlappen de Dopplerfrequenties van doelen en zee-clutter elkaar dikwijls. Verder is de statistische verdeling van 15 zee-clutter moeilijk te voorspellen uit een stochastisch oogpunt.

Een oplossing gebaseerd op een amplitudedrempel is in het verleden gebruikt in een poging om doelen te onderscheiden van zee-clutter. In sterke zee-omstandigheden kan de amplitude van zee-echo's echter sterker worden dan de amplitude van kleine-doelenecho's, die dan niet meer 20 worden gedetecteerd.

Een oplossing gebaseerd op Dopplerfrequentie is eveneens beproefd in een poging om doelen van zee-clutter te onderscheiden. Helaas verdrinken de verwachte, met de regelmatige snelheid van doelen geassocieerde frequentiepieken vaak in een grotere, met de wisselende 25 snelheid van de zee geassocieerde bandbreedte.

Een stochastische benadering is ook overwogen. Deze benadering richtte zich op het maken van een zee-clutter model door de statistische kenmerken ervan te meten ten behoeve van het later filteren van werkelijke zee-clutter. Maar zee-clutter is een speciaal geval vanwege de 30 daarvoor geldende zeer specifieke verdeling- en correlatiewetten. In het bijzonder resulteerde benadering van de statistische verdeling door middel van de bekende Rayleigh distributie ofwel in een groot aantal loze alarmen of 03 1 7 6 1 2 in een veelheid van ongedetecteerde doelen, afhankelijk van de staat van het zee-oppervlak van het moment. Deze oplossing is daarom niet erg betrouwbaar gebleken.

5 De onderhavige uitvinding heeft tot doel te voorzien in een werkwijze die toegepast kan worden om ten minste enkele van de bovenbeschreven technische problemen op te lossen, door zich te richten op de continue ontwikkeling in tijd en schaal van het zee-oppervlak, in plaats van afzonderlijk de kenmerken van het moment van individuele echo's, zoals 10 de Dopplerfrequentie-amplitude in aanmerking te nemen. Zee-clutter en doelen kunnen immers gemakkelijk worden verward uitgaande van de Doppleramplitude van hun echo's. Maar uitgaande van hun werkelijke bewegingen kunnen zee-clutter en doelen niet worden verward. In de meest algemene termen stelt de uitvinding voor om het maken van een op een 15 hydrografisch model gebaseerd zee-cluttermodel te combineren met het later filteren van de werkelijke dutter, waarbij het te gebruiken hydrografische model nauwkeurig de ontwikkeling van het zee-oppervlak in tijd en schaal beschrijft. Het aldus gemodelleerde zee-oppervlak maakt het mogelijk de daarmee verband houdende zee-clutter te schatten. De geschatte zee-clutter 20 wordt tenslotte verwijderd van het werkelijke gemeten signaal. Nadat de geschatte zee-clutter is verwijderd, zijn de resterende echo's waarschijnlijk doelen.

Volgens het voornaamste aspect van de uitvinding, kan deze voorzien in een van een hydrografisch model gebruik makende werkwijze 25 voor het filteren van zee-clutter in een radarecho. De werkwijze omvat een stap van het bepalen van parameterwaarden van het hydrografische model met gebruikmaking van de radarecho. Onderdeel van de werkwijze is verder een stap van het schatten van de met het zee-oppervlak corresponderende zee-clutter, zoals afgeleid van het hydrografische model. De werkwijze omvat 30 tevens een stap van het filteren van de geschatte zee-clutter uit de radarecho.

Bij voorkeur beschrijft het hydrografische model alleen lange golven, die de som kunnen zijn van sinusvormige componenten. Deze sinusvormige componenten kunnen worden beschreven via een 35 dispersiebetrekking die hun golfgetal en golffrequentie in verband brengt met 3 de golfrichting, de zeediepte, de zeestroming en de radarplatformsnelheid. In een praktische uitvoeringsvorm kan de golfrichting beschouwd worden als in hoofdzaak identiek aan de windrichting. De golfgetal-golffrequentieparen die behoren tot de dispersiebetrekking kunnen worden bepaald door middel van 5 een Fouriertransformatie over ruimte en een Fouriertransformatie over tijd van de radarechometing. Afhankelijk van de radarmeting, kan de Fouriertransformatie over ruimte een 1D Fouriertransformatie over afstand of een 2D Fouriertransformatie over oppervlak zijn.

10 Een gunstige eigenschap van deze uitvinding in onverschillig welke uitvoeringsvorm is derhalve dat er gewerkt wordt met data die reeds beschikbaar zouden moeten zijn voor andere doeleinden in op het moment werkzame systemen. Bijvoorbeeld, binnen het REA (Rapid Environment Assessment, snelle beoordeling van de omgeving) concept, werken actieve 15 functies reeds met hydrografische data of worden geacht daar in de nabije toekomst hun voordeel mee te doen. Bovendien kan, om rekentijd te besparen, herschatting van zee-oppervlak en zee-clutter worden uitgevoerd met een zeer matige frequentie, bijvoorbeeld één schatting per 10 filterhandelingen, ervan uitgaande dat de zeedeining nooit erg veel varieert. 20 Daarom hoeft, in veel implementaties, het gebruik van hydrografische data voor het filteren van zee-clutter niet een ingrijpende opwaardering van op het ogenblik gehanteerde systemen te betekenen, noch op hardware niveau noch op software niveau. Dit maakt de uitvinding tot een zeer kosteneffectieve oplossing. Tenslotte is een voordeel van elke 25 uitvoeringsvorm van de uitvinding dat een lager aantal loze alarmen waar te nemen is in vergelijking met eerdere op een drempel gebaseerde werkwijzen, ongeacht de configuratie van het zee-oppervlak, dat al of niet naaldpieken bevat. Dit maakt de uitvinding tot een zeer betrouwbare oplossing.

30

Niet-beperkende voorbeelden van de uitvinding worden hierna beschreven onder verwijzing naar de bijbehorende tekening, waarin: - Afb. 1 een mogelijke opeenvolging van stappen weergeeft als een uitvoeringsvorm van de uitvinding, 4 - Afb. 2 schematisch de karakteristieke vorm illustreert van een golf aan het zee-oppervlak, - Afbeeldingen 3a en 3b grafisch de amplitude van lange golven weergeven.

5

In de afbeeldingen zijn referentietekens steeds aan dezelfde onderdelen toegekend.

Afb. 1 geeft een mogelijke stappenreeks weer als een 10 uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Deze omvat een stap 1 van het bepalen van de parameterwaarden van het hydrografische model op basis van de radarecho.

Afb. 2 illustreert schematisch de karakteristieke vorm van een dominante lineaire golf 10 aan het zee-oppervlak. Een dergelijke golf wordt 15 gewoonlijk aangeduid als een grootschalige golf, een lange golf of een zeedeining. Dit is een hypothetische of een ideale golf die niet echt bestaat. Afb. 2 geeft tevens een werkelijk bestaande golf 11 weer, die de combinatie is van de lange golf 10 met een secundaire, door de lange golf 10 gedragen golf. De secundaire golf wordt gewoonlijk aangeduid als een kleinschalige 20 golf of een korte golf. Deze kan zeenaaldpieken veroorzaken in radarecho’s. Bij voorkeur beschrijft het te gebruiken hydrografische model nauwkeurig de ontwikkeling in tijd en schaal van lange golven aan het zee-oppervlak. In de onderhavige uitvoeringsvorm van de uitvinding worden korte golven zelfs genegeerd.

25 Een radarantenne 12 zendt een elektromagnetische bundel 13 uit in de richting van het zee-oppervlak. De antenne 12 ontvangt een echo na terugkaatsing van de bundel 13 door de werkelijk bestaande golf 11. Drie componenten worden meestal herkend in de echo van een radarbundel die wordt uitgezonden naar het zee-oppervlak onder een meer of meer minder 30 scherpe hoek, d.w.z. een bundel die langs het zee-oppervlak strijkt voordat er in feite een echo wordt gegenereerd.

De eerste component is de resonerende verstrooiing afkomstig van kleine rimpelingen (of korte golven) op de toppen van langere golven. Deze component bevat dus zeedeining, d.w.z. de langere golven terwijl deze 35 de rimpelingen omkantelen. Deze component is ook bekend als de Bragg 5 component. Fysieke modellen voor zee-clutter zijn al vele jaren op de Bragg component gebaseerd. In de onderhavige uitvoeringsvorm van de uitvinding is het hydrografische model toegespitst op dit specifieke en dominante zeeverschijnsel, namelijk de deining.

5 De tweede component is de verstrooiing afkomstig van de zeer ruwe schuimkoppen van gebroken golven en de derde component is de spiegelende verstrooiing van de kam van een golf, net voordat deze omslaat. Deze twee componenten beschrijven zeenaaldpieken die zeer moeilijk in een model zijn te vangen. In de onderhavige uitvoeringsvorm van de uitvinding 10 besteedt het hydrografische model geen aandacht aan dit secundaire zeeverschijnsel.

Afb. 3a en 3b zijn een grafische weergave van de aanname in deze uitvoeringsvorm van de uitvinding dat de amplitude van lange golven 15 kan variëren als een som van L sinusvormige functies van afstand en tijd.

Afb. 3a illustreert de aanname in het afstanddomein. De X-as vertegenwoordigt een horizontale afstand aan het zee-opperviak in meters. De Y-as vertegenwoordigt de amplitude van golven, d.w.z. hun hoogte boven zeeniveau. Een kromme 20 vertegenwoordigt de variatie in hoogte van een 20 hypothetisch golf die de /"' sinusvormige component (/ e {l,..,L}) zou zijn. De kromme 20 varieert volgens een sinusvormige functie gekenmerkt door een golflengte λ, van ongeveer 60 meter.

Afb. 3b illustreert de aanname in het golfgetaldomein. De X-as 25 vertegenwoordigt het golfgetal, dat de reciproque is van de golflengte. De Y-as vertegenwoordigt de amplitude van de golven. De piek 30 vertegenwoordigt dezelfde hypothetische golf die de Ith sinusvormige component zou zijn, voorgesteld in Afb. 3a door de kromme 20. Pieken 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 en 41 vertegenwoordigen andere 30 sinusvormige componenten van de lange golven. Aannemend dat de lange golven uitsluitend sinusvormig zijn, d.w.z. dat zij een klein aantal spectrale componenten 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 en 41 hebben die gemakkelijk herkend kunnen worden, zou een filter eenvoudigweg kunnen worden aangebracht om deze componenten te isoleren.

35 6

Op overeenkomstige wijze zou een met de door de kromme 20 geschetste golf geassocieerde golfperiode 7/ gemarkeerd kunnen worden in een grafiek waarin de X-as de tijd vertegenwoordigt en de Y-as de amplitude van de golven op een vaste locatie. Golfgetal k, en golffrequentie f, zijn 5 reciproque waarden van, respectievelijk, de golflengte Xt en de golfperiode t,.

Ervan uitgaande dat in de onderhavige uitvoeringsvorm van de uitvinding de zeestroming en de snelheid van het radarplatform niet mogen 10 worden genegeerd, worden de lange golven beschreven aan de hand van golven die voldoen aan de volgende dispersiebetrekking (1), die golfgetal k, in verband brengt met golffrequentie f,: ƒ/ =bl^jk,g.taï)h(2nklD)/2n + (u + v)k, (i) 15 Waarin: f, is de golffrequentie, b, - cos(φ -6,), waarbij φ-θ, de hoek vertegenwoordigt tussen antennebundelrichting φ en de golfrichting S, (bijvoorbeeld, hoeken van 0, π/2 en π corresponderen met, respectievelijk, stijgende golf, zijwaartse 20 golf en dalende golf), k, : golfgetal (k, = ki ), g : zwaartekrachtversnelling, D : zeediepte, u : zeestroming, 25 v: snelheid van het radarplatform.

De waarden van de golfrichting 6, en van de zeediepte D dienen bekend te zijn voor het schatten van k, en f,. De zeestroming u en de snelheid van het radarplatform v zijn eveneens vereist maar indien deze niet 30 beschikbaar zijn kunnen ze gemakkelijk worden geschat omdat ze lineaire parameters in het model zijn. Bij voorkeur kan de golfrichting 6, beschouwd worden als identiek aan de windrichting . Zeedeining wordt immers teweeggebracht doordat de wind het zee-oppervlak in beweging brengt 7 hetgeen later door de zwaartekracht wordt gecompenseerd. Merk op dat de golfrichting 6, en de windrichting 6^ niet altijd identiek zijn, aangezien de wind kan veranderen terwijl de golven blijven voortgaan in de richting waarin zij door een vorige wind werden gestuwd.

5

Daarom dient een radarecho s,(/·,/) op tijd t, afstand ren bakshoek φ te worden onderzocht in het golfgetal-golffrequentiedomein om de golfgetal-golffrequentieparen {k,, ft) te schatten, wat gedaan kan worden

door middel van de bekende Fouriertransformatie in twee of drie dimensies. 10 Gebaseerd op starende-radardata (2D), d.w.z. uit metingen van de radarecho in afstand en tijd met constante bakshoek, kan een 1D Fouriertransformatie over afstand gevolgd door een 1D Fouriertransformatie over tijd worden uitgevoerd. Gebaseerd op rondzoek-radardata (3D), d.w.z. uit metingen van de radarecho in afstand, bakshoek en tijd, kan een 2D 15 Fouriertransformatie over oppervlak gevolgd door een 1D

Fouriertransformatie over tijd worden uitgevoerd. Ongeacht of de radarecho Sf(r,t) uitsluitend deining bevat of deining samen met doelen, de deiningpieken verschijnen duidelijk in paren (£,,ƒ,) die tot de dispersiebetrekking (1) behoren.

20

De stappenreeks omvat tevens een stap 2 van het schatten van de met het zee-oppervlak corresponderende zee-clutter, zoals afgeleid van het hydrografische model.

De verwachte lange golven worden berekend uit het zeegedrag, 25 bijvoorbeeld uit zeeparameters zoals wind/golfrichting en zeediepte, die meetbaar moeten zijn voordat deze uitvinding kan worden toegepast. In het geval waarin de snelheid van het radarplatform niet als verwaarloosbaar wordt beschouwd, kan het zeegedrag ook worden gecorrigeerd met de scheepsbeweging, die ten minste koers, stampen en rollen omvat.

30 Het radarsignaal in het golfgetal-golffrequentie domein wordt vergeleken met de verwachte deining. Uit deze vergelijking komt de zee-clutter naar voren die deel kan uitmaken van de verwachte deining. De uitkomst bevat een aantal dominante lange golven die elk beschreven worden door middel van het geschatte golfgetal en de geschatte 8 golffrequentie - later aangeduid als de deiningparameters - en optioneel ook door middel van de geschatte amplitude en fase.

Een extreem geval kan zich ook voordoen waarin geen deining in de radarmetingen kan worden herkend.

5

De stappenreeks omvat tevens een stap 3 van het filteren van de geschatte zee-clutter uit de radarecho.

Zodra de deiningparameters bekend zijn, kunnen de binnenkomende radarmetingen in het initiële tijd-afstand-bakshoekdomein 10 worden gefilterd door aftrekking van de geschatte dominante deiningcomponenten. Het filteren kan bijvoorbeeld worden uitgevoerd in het oorspronkelijke polaire rooster waarvan de radar de oorsprong is. Als een alternatief kan het filteren plaatsvinden in een rechthoekig rooster.

Een doel wordt voorgesteld door een piek 21 in Afb. 3a en door 15 een constante kromme 42 in Afb. 3b. Zoals afgebeeld in Afb. 3b zal de doelecho zwak zijn omdat de zeegolven de spectrale inhoud domineren. Het doel zou ook traag kunnen zijn, d.w.z. de Dopplersnelheden kunnen binnen het zee-clutter Dopplerspectrum liggen. Afb. 3a en 3b kunnen bijvoorbeeld voldoen aan een scenario dat sterke zeebeweging - bijvoorbeeld zeegang 20 groter dan 3, combineert met een klein en mogelijk langzaam doel. Dit is een van de moeilijkste scenario's die men bij het werken met radar kan tegenkomen en waar op dit moment nog geen oplossing voor gevonden is.

De hydrografisch aanname, die aangeeft dat de amplitude van lange golven varieert als een som van sinusvormige afstandfuncties, gaat 25 alleen op voor het bepaalde zeegedrag. Van alle zee-gerelateerde verschijnselen zijn lange golven bovendien van substantiële betekenis. Daarom blijven alleen de doelecho's beschikbaar na het hydrografisch filteren. De hydrografische filter blijkt een doeltreffend zee-clutterfilter te zijn.

In het extreme geval waarin geen lange golven herkend zijn, kan 30 geen hydrografisch filter worden toegepast.

Het zal duidelijk zijn dat variaties op de beschreven voorbeelden, zoals een in de techniek ervaren persoon zich zou kunnen indenken, gemaakt kunnen worden zonder van de opzet van de uitvinding af te wijken.

35 9

Een essentieel voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding is dat deze werkt in moeilijke radarscenario's, waarin sterke zeegang samengaat met zwakke en langzame doelen, waarvoor in bestaande radars nog geen oplossing is gevonden.

t 0 3 1 7 6 i

Claims (10)

1. Een werkwijze voor het filteren van zee-clutter in een radarecho door gebruik te maken van een hydrografisch model, welke werkwijze de volgende stappen omvat: - bepalen van parameterwaarden van het hydrografische model met 5 gebruikmaking van de radarecho (1); - schatten van de met het zee-oppervlak corresponderende zee-clutter, zoals afgeleid van het hydrografische model (2); en - filteren van de geschatte zee-clutter uit de radarecho (3).

2. Een werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het hydrografische model alleen lange golven (10) beschrijft.

3. Een werkwijze volgens conclusie 2, waarbij de lange golven (10) de som vormen van sinusvormige componenten (20, 30). 15

4. Een werkwijze volgens conclusie 3, waarbij de sinusvormige componenten (20, 30) van de lange golven (10) beschreven worden via een dispersiebetrekking die hun golfgetal en golffrequentie in verband brengt met de golfrichting, de zeediepte, de zeestroming en de 20 radarplatformsnelheid.

5. Een werkwijze volgens conclusie 4, waarbij de golfrichting beschouwd wordt als in hoofdzaak identiek aan de windrichting.

6. Een werkwijze volgens conclusie 4, waarbij de golfgetal-golffrequentie paren die tot de dispersiebetrekking behoren bepaald worden door middel van een Fouriertransformatie over ruimte en een Fouriertransformatie over tijd van de radarechometing.

7. Een werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de Fouriertransformatie over ruimte een 1D Fouriertransformatie over afstand is en de radarecho wordt gemeten in afstand en tijd met constante bakshoek. 1031761

8. Een werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de Fouriertransformatie over ruimte een 2D Fouriertransformatie over oppervlak is en de radarecho wordt gemeten in afstand, bakshoek en tijd. [tekeningteksten] 1/3

5 Bepalen van parameterwaarden van het hydrografische model met gebruikmaking van de radarecho Schatten van de met het zee-oppervlak corresponderende zee-clutter, zoals afgeleid van het hydrografische model 10 Filteren van de geschatte zee-clutter uit de radarecho Afb. 1 15 2/3 Wind Afstand/Tijd 20 Afb. 2 3/3

25 Amplitude Hydrografisch filter: SIGNALEN zeegolven 30 doel Afstand Afb. 3a 35 Amplitude zeelgolven doel 5 Golfgetal Afb. 3b 031761