NL8301382A - Impulsradarapparaat. - Google Patents

Description

ν ,Μ

Impulsradarapparaat

De uitvinding heeft betrekking pp een impulsradarapparaat, voorzien van een coherent werkzame zend- en ontvanginrichting met een zender en een zendantenne voor het uitzenden van radarimpulsen, 5 N in verticale richting aangebrachte ontvangantennes en daaraan gekoppelde ontvangers voor het ontvangen van echosignalen en het in elk der ontvangers verwerken hiervan tot in twee orthogonale componenten fasegevoelig gedetecteerde en gedigitaliseerde videosignalen ir en qr, met r = 0, 1, 2, ..., N-l, alsmede een bundel-10 vormende schakeling, welke uit deze signalen de orthogonale componenten 1^ en van het door de N ontvangers te samen, volgens een met een specifiek elevatieinterval corresponderend ontvangst-bundelpatroon k, bepaalde videosignaal af leidt, waarbij k = Q, 1, 2, . ..,N-1, en deze over het desbetreffende uitgangskanaal k van de 15 bundelvormende schakeling afgeeft.

Een dergelijk impulsradarapparaat is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage Nr. 82.04-616. In deze aanvrage is beschreven hoe fouten in de uitgangssignalen van de bundelvormende schakeling, welke fouten het gevolg zijn van onderlinge verschillen 20 in versterking en faseverloop in de diverse ontvangers, kunnen worden gecorrigeerd. Deze uitgangssignalen bepalen echter slechts een betrekkelijk groot elevatieinterval waarbinnen een doel wordt waargenomen. De uitvinding beoogt een dergelijk impulsradarapparaat geschikt te maken voor een meer precieze elevatiemeting.

25 Overeenkomstig de uitvinding is daartoe het in de aanhef omschreven impulsradarapparaat voorzien van buffer- en schakel-middelen om de, over twee naast elkaar gelegen uitgangskanalen n en n-i-1 van de bundelvormende schakeling afgegeven orthogonale componenten 1^, en , Qn+^ van die videosignalen P^, P^ 30 door te laten, welke de grootste, van bewegende doelen afkomstige amplitudewaarden bezitten, alsmede van rekenmiddelen om uit de voornoemde doorgelaten componenten de afwijking in elevatie van die elevatiewaarde te bepalen, welke correspondeert met het midden tussen de ontvangstbundelpatronen n en n+1.

35 M.a.w., er worden twee ontvangstbundelpatronen geselecteerd, terwijl uit de videosignalen, volgens deze patronen ontvangen, 8301382 t » - 2 - de elevatie van het doel, waarvan deze videosignalen afkomstig waren, wordt bepaald.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande figuren, waarvan 5 Fig. 1 een uitvoeringsvorm van het impulsradarapparaat overeenkomstig de uitvinding laat zien;

Fig. 2 een diagram, waarin de ontvangstbundelpatronen, zoals deze door de bundelvormende schakeling kunnen worden bepaald, zijn afgebeeld; en 10 Fig. 3A, 3B diagrammen ter illustratie van de werking • van het impulsradarapparaat.

Het in fig. 1 afgebeelde impulsradarapparaat omvat een coherent werkzame zend- en ontvanginrichting, welke is opgebouwd uit een zender 1 en een zendantenne 2 voor het uitzenden van 15 radarimpulsen, alsmede uit N in verticale richting aangebrachte ontvangantennes A^, , ...,A^ ^ en daaraan gekoppelde ontvangers

Bq, Bj , ..., j voor het ontvangen van echosignalen en het in elk der ontvangers verwerken hiervan tot in twee orthogonale componenten fasegevoelig gedetecteerde en gedigitaliseerde video- 20 signalen ir en qr met r= 0, 1, ...,N-1. Wordt het zendsignaal voor- 2uj f t gesteld door F(t).e , met f de zendfrequentie en F(t) de omhullende van de zendimpuls, dan kan het door de antenne A ontvangen echosignaal worden voorgesteld door 2ïï j Γ( f) 11 φ t f.r dcosa] G(t).e L o d o c J (1) 25 waarin G(t) de omhullende van het echosignaal, f^ de doppler-' frequentie, d de onderlinge afstand van de ontvangantennes, α de in een verticaal vlak gelegen hoek waaronder het van het doel afkomstige golffront 3 op de ontvangantennes valt, c de lichtsnelheid en ψ een van de doelsafstand afhankelijke fasehoek.

30 Met c = X.fQ en d = iX, kan het in de ontvanger Br naar de midden-frequentie getransformeerde en vervolgens coherent fasegevoelig gedetecteerde echosignaal worden voorgesteld door 2ïïj(f .t + |r cosa) G(t).e a ; (2) 83 0 1 38 2 * i - 3 - van dit signaal zijn if en de orthogonale componenten.

De ontvanger.Br geeft deze componenten in digitale vorm af.

De waarden i en q worden toegevoerd aan een bundelvormende schake-r r ling 4·. In deze schakeling kunnen zij worden vermenigvuldigd met 5 een weegfactor Wr· De weegfactoren vormen een in verticale richting verlopende weegfunctie, welke kan worden aangebracht om een zijlus-onderdrukking te bewerkstelligen. De bundelvormende schakeling kan als een DFT-eenheid worden uitgevoerd en in het bijzonder, als N*2m met m een positief geheel getal, als een FFT-eenheid. Deze bundel-10 vormende schakeling levert over het uitgangskanaal k, met k = 0, 1, ..., N-l, de orthogonale componenten 1^ en Qk van het door de N ontvangers te samen bepaalde videosignaal, hetwelk evenredig is met 2ir j f. t π j r (cosa - -Ir) G(t).e a . i W e . (3) r=0 r

Wordt gebruik gemaakt van een symmetrisch t.o.v. de antennehoofd-15 richting verlopende weegfunctie, waarbij Wf = W^ ^ r voor r = 0, 1,2, ..., |N-1, dan kan deze uitdrukking worden herleid tot 2irj f .t ^y-irj(cosa - -|r)

Pfe = G(t).e a .A(a,k).e c " . (4·)

Wordt gebruik gemaakt van een weegfunctie, waarbij p voor r = l,2, ..., iN-1 met Wq = 0, dan kan de uitdrukking (3) worden 20 herleid tot N 7\c 2π j f.t j(cosa - 4p)

Pfe = G(t).e a . A(a,k).ec N (5) waarin A(a,k) een door de stralingsinvalhoek a, het rangnummer k • van het desbetreffende uitgangskanaal van de bundelvormende schake ling en de toegepaste weegfunctie bepaalde reëele grootheid voor-25 stelt. Over elk uitgangskanaal k worden aldus componenten Ik en Qk van een videosignaal afgegeven dat door de N ontvangers te samen, volgens een specifiek ontvangstbundelpatroon k, is afgeleid uit de componenten i en qr van de gedetecteerde en gedigitaliseerde videosignalen. Elk ontvangstbundelpatroon correspondeert hierbij 30 met een specifiek elevatieinterval. De hoofdrichtingen van de onderscheiden ontvangstbundelpatronen worden bepaald door de relatie 8301382 * % - 4 -2k cosot --^-= 0. Mogelijke bundelrichtingen, welke aldus kunnen worden vastgelegd, zijn afgeheeld in fig. 2. Zo worden bijv. voor N =16 de hoofdrichtingen van de ontvangstbundelpatronen verkregen bij ot = 0°, 28,96°, 41,41°, 51,32°, 60°, ..., 128,68°, 138,59°, 151,04° 5 en 180° voor k = 8,7,6,5,4, ..., -5, -6, -7, -8. Wordt het antenne -systeem van het impulsradarapparaat opgesteld onder bijv. een hoek van 39°, dan zijn alleen de ontvangstbundelpatronen van belang, waarvan de hoofdrichtingen worden verkregen bij et = 51,32°, 60°, ..., 138,59° voor k = 5, 4, ...,-6. De hoofdrichtingen zijn dan 10 gericht onder hoeken a-51° t.o.v. het horizontale vlak (aardoppervlak). Van de in dit geval 16 uitgangskanalen van de bundel-vormende schakeling worden er derhalve slechts 12 gebruikt.

Worden over het uitgangskanaal n van de bundelvormende schakeling 4 de componenten van dat videosignaal afgegeven, waar-15 van de amplitude groter is dan van dat waarvan de componenten over enig ander uitgangskanaal worden afgegeven, dan bevindt zich een doel in het met het uitgangskanaal n corresponderend elevatie-interval. Wil men een meer precieze indicatie verkrijgen van de* elevatie waaronder zich een doel bevindt, dan dient daarnaast dat 20 aangrenzende uitgangskanaal te worden geselecteerd waarover de componenten van het videosignaal met de dan grootste amplitude worden afgegeven en dienen vervolgens deze componenten te worden gecombineerd met die welke over het uitgangskanaal n worden afgegeven. Nadat aldus de componenten In, en , Qn+^ van de 25 videosignalen, vastgesteld volgens de ontvangstbundelpatronen n en n+1 zijn geselecteerd, dient de afwijking in elevatie van die • elevatiewaarde te worden bepaald welke correspondeert met het midden tussen de ontvangstbundelpatronen n en n+1. De selectie van de componenten In, Qn en In+^, Qn+^ vindt plaats in de buffer-30 en schakelmiddelen 5. De bepaling van de afwijking Δα in elevatie van die elevatiewaarde α welke correspondeert met het midden tussen de geselecteerde ontvangstbundelpatronen n en n+1 vindt plaats in de Tekenmiddelen 6. De afwijking Δα is gelegen binnen het door de hoofdbundelrichtingen an en an+j bepaalde interval; als Δα hier-35 buiten zou vallen, dan zouden immers andere ontvangstbundelpatronen 8301382 * · - 5 - zijn geselecteerd. De elevatie-afwijking bepaling kan op verschillende manieren in de genoemde rekenmiddelen worden gerealiseerd.

Wordt gebruik gemaakt van een weegfunctie, waarbij Wr = WN j r voor r = 0, 1,2, ..., |N-1, dan geldt dat voor alle waar-5 den van α tussen Pn en Pn+j, welke zijn gedefinieerd volgens

Ml relatie (A·), een faseverschil van aanwezig is. Wordt gebruik gemaakt van een weegfunctie, waarbij ^r = \ r voor r = l, 2, ..., iN-1, dan geldt dat voor alle waarden van α tussen Pn en P j, welke dan zijn gedefinieerd volgens relatie (5), een faseverschil π ’ 10 aanwezig is. In fig. 3A zijn |Pn| en |Pn+j| als functie van α afgebeeld; in Fig. 3B is het faseverloop van Pn en Pn+^ afgebeeld als functie van α voor het geval laatstgenoemde weegfunctie is toegepast.

De afwijking Δα kan worden bepaald op een wijze, die te 15 vergelijken is met monopulssignaalverwerking; daar is Δα evenredig met de reëele waarde van de verhouding van het verschilsignaal en het somsignaal. Vanwege de faserelatie tussen Pfi en Pn+^ is Δα hier echter omgekeerd evenredig met de reëele waarde van de verhouding van het verschilsignaal en het somsignaal, zoals deze te vormen 20 zijn uit de volgens de bundelontvangstpatronen vastgestelde videosignalen. Derhalve geldt _L cJPn-Pn+l r lPn'2-lPnJ2 «, 1P„ + Vl lp„l2+IV,l2+2|pnMPn+1|cos» met C een constante en φ de fasehoek tussen P„ en P ..

n n+1

Is <p = tt, dan is: 25 — C |P"' * l**1"·1 j (7) c*ig :ÏCT m

Deze relatie leidt in de praktijk vrijwel tot hetzelfde resultaat

Ml als verkregen wordt bij φ=-^-π. Desalniettemin is het in laatstgenoemd geval mogelijk een van de signalen Pn of een zodanige fasecorrectie te geven dat zij daarna kunnen worden verwerkt alsof 30 tussen hen een faseverschil π aanwezig is.

8301382 • · - 6 -

Teneinde de hier beschreven Δα-bepaling te realiseren, omvatten de rekenmiddelen een pseudo-monopulsrekenorgaan 7 om uit de van de buffer- en schakelmiddelen 5 afkomstige componenten I van en I , I , van P , de waarde Δα volgens relatie (7) n' η η n n+1 n+1 3 5 te bepalen. Het pseudo-monopulsrekenorgaan 7 kan desgewenst, althans indien gebruik wordt gemaakt van een weegfunctie die een N-l faseverschil —jq— tt tussen Pn en Pn+j impliceert, worden voorafgegaan door een fasecorrectiecircuit 8.

In het geval dat |Pn en |Pn+j| weinig blijken te ver- 10 schillen, worden eerst de componenten I ,, Q . en I , Q van r n-l ’ n-l η’ n

Pn ^ en Pn geselecteerd en vervolgens de componenten 1^, en In+ij Qn+j van Pn en Pn+j. Een nauwkeuriger bepaling van de waarde Δα kan nu worden verkregen door combinatie van de resultaten _1_ . Ipn.ll*lpj en J_ . lpnl*lpntll = ΊΡη_,Ι - |Pnf '|Pnl-|Pnt,l' 15 De verkregen waarde van Δα zal betrekkelijk klein zijn en corresponderen met een elevatiewa^rde in de omgeving van de door P bepaalde hoofdrichting.

Ten einde te bewerkstelligen dat de hier beschreven monopulsverwerkingsmethode enkel en alleen wordt toegepast op 20 doelsinformatie en niet op de combinatie van doelsinformatie en dutter, worden de geselecteerde componenten 1^, en In+^, Qn+^ gefilterd met behulp van een DFT-eenheid 9. Deze DFT-eenheid omvat hier ten minste twee parallel werkzame kanalen, zowel voor de achtereenvolgens toegevoerde waarden van 1^, Qn alswel voor die van 25 In+^, Qn+1. Worden telkenmale N=2m, met m een positief geheel getal, bijv. N=16, opeenvolgend verkregen In, Qn of In+1> Qn+1 waarden verwerkt, dan wordt elk kanaal van de DFT-eenheid uitgevoerd als FFT-eenheid. Het is evenwel niet noodzakelijk voor alle ontvangst-bundelpatronen of voor gehele ontvangstbundelpatronen een derge-30 lijke clutterfiltering toe te passen. In fig. 2 is bij wijze van voorbeeld het door de ontvangstbundelpatronen bestreken gebied waarin naast doelsinformatie tevens dutter wordt vastgesteld gearceerd aangegeven. Voor de vier onderste ontvangstbundelpatronen kunnen aparte, parallel werkzame FFT-kanalen worden gebruikt, 830 1 38 2 m ψ - 7 - terwijl voor al de overige ontvangstbundelpatronen tesamen met bijvoorbeeld twee parallel werkzame FFT-kanalen kan worden volstaan.

De buffer- en schakelmiddelen 5 bezitten de hiervoor noodzakelijke geheugencapaciteit.

5 In het in fig. 1 afgeheelde impulsradarapparaat omvatten de rekenmiddelen 6 verder een, direct op de buffer- en schakelmiddelen 5 aangesloten log-moduluseenheid 10, om bij voorkeur slechts voor de hogere ontvangstbundelpatronen de waarde log[[ te bepalen. Een aantal van dergelijke voor een bepaald ontvangst-10 bundelpatroon verkregen waarden kunnen worden gesommeerd, ten einde voor een bepaald rangequantum een gemiddelde waarde te verkrijgen.

Deze sommatie geschiedt in de op de log-moduluseenheid 10 aangesloten sommatieschakeling 11. De gemiddelde waarde wordt vervolgens in de drempelschakeling 12 vergeleken met een drempelwaarde en 15 toegevoerd aan de videoverwerkingseenheid 13. Deze laatste bepaalt ook de, over de leiding 14 aan de schakeling 12 toegevoerde drempelwaarde.

Voor de lagere bundelontvangstpatronen is een achter de DFT-eenheid 9 aangesloten en tot de rekenmiddelen 6 behorende log-20 moduluseenheid 15 aanwezig. Voor alle uitgangen van alle kanalen van de DFT-eenheid kunnen dan wederom telkenmale de waarden log J f worden bepaald. Deze waarden worden via de drempelschakeling 16 toegevoerd aan de videoverwerkingseenheid 13. Deze laatste bepaalt wederom, zo gewenst voor elk der uitgangen van de parallel werkzame 25 kanalen afzonderlijk, de over de leiding 17 toe te voeren drempelwaarden. In de videoverwerkingseenheid worden uit de uitgangssignalen van de schakelingen 12 en 16, dus uit de gedrempelde log-modulus- ( waarden de stuursignalen afgeleid, welke, toegevoerd aan de bufferen schakelmiddelen 5, de selectie van de uitgangssignalen van de 30 bundelvormende schakeling 4 bewerkstelligen, dus t.b.v. de pseudo-monopulssignaalverwerking de componenten 1^, en In+j, Qn+j met de grootste log-moduluswaarden, en t.b.v. de DFT signaalverwerking in de eenheid 12 de componenten 1^, uit het gewenste bundel-ontvangstpatroon voor het gewenste DFT kanaal.

8301382 - 8 -

In plaats van met het pseudo-monopulsrekenorgaan 7 en eventueel het fasecorrectiecircuit 8 kan de Δα-bepaling ook geschieden met de uitgangssignalen van de log-moduluseenheden 10 en 15. De waarde Δα is namelijk evenredig met het verschil 5 log IPnI - log I p„+,l· In fig. 1 dienen de eenheden 7 en 8 dan te worden vervangen door de gestippeld aangegeven en deel van de rekenmiddelen uitmakende schakeling 18, welke via de eveneens gestippelde lijnen is aangesloten op de eenheden 10 en 15. Wordt bij deze methode geen onderscheid gemaakt tussen lage en hoge 10 ontYangstbundelpatronen en wordt geen clutterfilter gebruikt, dan * kan volstaan worden met de log-moduluseenheid 10 en daarop aangesloten de schakeling 18.

o 8301382

Claims (7)

1. Impulsradarapparaat, voorzien van een coherent werkzame zend- en ontvanginrichting met een zender (1) en een zendantenne (2) voor het uitzenden van radarimpulsen, N in verticale richting 5 aangebrachte ontvangantennes (Aq, A^, A^ ^) en daaraan gekoppelde ontvangers (B^, , ..., B^ j) voor het ontvangen van echosignalen en het in elk der ontvangers verwerken hiervan tot in twee orthogonale componenten fasegevoelig gedetecteerde en gedigitaliseerde videosignalen if en qr, met r = 0, 1,2, . ..,N-1, . 10 alsmede een bundelvormende schakeling (4·), welke uit deze signalen de orthogonale componenten 1^ en van het door de N ontvangers te samen, volgens een met een specifiek elevatie-interval corresponderend ontvangstbundelpatroon k, bepaalde videosignaal afleidt, waarbij k = 0, 1,2, ...,N-1, en deze over het desbetreffende uit- 15 gangskanaal k van de bundelvormende schakeling (4) afgeeft, met het kenmerk, dat buffer- en schakelmiddelen (5) aanwezig zijn om de, over twee naast elkaar gelegen uitgangskanalen n en n+1 van de bundelvormende schakeling (4) afgegeven orthogonale componenten In, en van die videosignalen P^, P^+j door te laten, 20 welke de grootste, van bewegende doelen afkomstige amplitude-waarden bezitten, alsmede rekenmiddelen (6) om uit de voornoemde doorgelaten componenten de afwijking in elevatie (Δα) van die elevatiewaarde α te bepalen welke correspondeert met het midden tussen de ontvangst-bundelpatronen n en n+1.

2. Impulsradarapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de rekenmiddelen (6) zijn voorzien van een pseudo-monopuls- 4 rekenorgaan (7) om uit de toegevoerde componenten van Pn, P^ de afwijking in elevatie Δα te bepalen volgens de relatie lp _p _]__c Re n AcrUKe p +p n n+1 1 830 1 38 2 waarin C een constante voorstelt. r * - ίο -

3. Impulsradarapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de rekenmiddelen (6) zijn voorzien van een op de buffer- en schakelmiddelen aangesloten log-moduluseenheid (10) en een schakeling (18) om uit de door de log-moduluseenheid toegevoerde waarden 5 log|Pn| en log|Ρη+·| | de afwijking in elevatie Δα te bepalen.

4. Impulsradarapparaat volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat een tussen de buffer- en schakelmiddelen (5) enerzijds en ten minste het pseudo-monopulsrekenorgaan (7) anderzijds aangebracht, door een DFT-eenheid gevormd, clutterfilter (9) 10 aanwezig is.

5. Impulsradarapparaat volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de DFT-eenheid (9) is opgebouwd uit p parallel werkzame DFT-kanalen, waarbij p<N.

6. Impulsradarapparaat volgens conclusie 5, met het kenmerk, 15 dat voor elk der laagste q bundelontvangstpatronen een apart DFT kanaal aanwezig is, terwijl voor de overige N-q bundelontvangstpatronen r DFT kanalen aanwezig zijn, waarbij r<N-q.

7. Impulsradarapparaat volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat op de DFT-eenheid (9) een tweede log-moduluseenheid (15) is 20 aangesloten, welke voor de laagste q bundelontvangstpatronen de l°giPjJ-signalen aan de schakeling 18 levert, terwijl deze signalen hieraan voor de overige bundelontvangstpatronen door de log-moduluseenheid (10) worden geleverd. « 83 0 1 38 2