NL8802863A

NL8802863A - Radarapparaat en zijlusonderdrukkingseenheid geschikt voor toepassing in een dergelijk radarapparaat.

Info

Publication number: NL8802863A
Application number: NL8802863A
Authority: NL
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1988-11-21
Filing date: 1988-11-21
Publication date: 1990-06-18
Also published as: CA2002567A1; EP0374987A1; KR900008288A; NO894591L; NO894591D0; JPH02183184A; AU4537089A

Description

Radarapparaat en zijlusonderdrukkingseenheid geschikt voor toepassing in een dergelijk radarapparaat_

De uitvinding heeft betrekking op een radarapparaat voorzien van: - een richtinggevoelige hoofdantenne, - een, op de richtinggevoelige antenne aangesloten eerste ontvanger voor het verkrijgen van eerste ontvangsignalen; en - een zijlusonderdrukkingseenheid voorzien van: - een hulpantenne; - een, op de hulpantenne aangesloten tweede ontvanger voor het verkrijgen van tweede ontvangsignalen; - een, op de tweede ontvanger aangesloten signaalwegings- en combinatie-eenheid welke onder toevoer van de eerste en tweede ontvangsignalen een uitgangssignaal genereert welke een dusdanige combinatie van de eerste en tweede ontvangsignalen omvat dat, via de zijlussen van de richtinggevoelige hoofdantenne ontvangen en in het eerste signaal aanwezige stoorsignalen in het uitgangssignaal zijn onderdrukt.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een zijlusonderdrukkingseenheid geschikt voor toepassing in een dergelijk radarapparaat.

Een radarapparaat met een zijlusonderdrukkingseenheid als hierboven omschreven is bekend uit het Europese octrooischrift EP-B 0.076.536. Hierin wordt een, aan een radarapparaat toegevoegde zijlusonderdrukkingseenheid beschreven die is voorzien van een nagenoeg rondom gevoelige hulpantenne (omni-antenne). Door de via deze hulpantenne ontvangen signalen af te trekken van de door een richtinggevoelige hoofdantenne ontvangen signalen, worden de via zijlussen van deze hoofdantenne ontvangen signalen onderdrukt.

Een dergelijke inrichting is bijzonder geschikt voor het onderdrukken van stoorsignalen afkomstig van actieve stoorbronnen, zoals jammers, welke worden ontvangen via de zijlussen van de hoofdantenne.

Echter, bij toepassing van een dergelijke inrichting in een omgeving waarin ook veel oppervlakteclutter voorkomt (zoals zeeclutter of landclutter), blijkt de zijlusonderdrukkingseenheid minder goed te functioneren. De onderdrukking van stoorsignalen neemt af bij aanwezigheid van dutter terwijl daarnaast ook nog een verslechtering van de detectiekans van doelen optreedt. Om de zijlusonderdrukkingseenheid te laten werken, moeten beide antennes een gemeenschappelijk signaal met een voldoende tijdsduur ontvangen. Hieraan voldoen niet alleen stoorsignalen van jammers, maar eveneens ontvangen echo-signalen ten gevolge van oppervlakteclutter. Deze dutter kan afkomstig zijn van een clutttergebied van grote lengte wat resulteert in een cluttersignaal van lange tijdsduur. Dit heeft tot gevolg dat de zijlusonderdrukkingseenheid "inloopt" op de dutter teneinde deze te onderdrukken. Dit blijkt te leiden tot de eerder genoemde nadelen.

De uitvinding beoogt nu een radarapparaat met een zijlusonderdrukkingseenheid te verschaffen waarbij deze nadelen in belangrijke mate worden overwonnen en wordt gekenmerkt doordat de hulpantenne tenminste een minimum in gevoeligheid heeft in een richting welke samenvalt met een richting waarin de richtinggevoelige hoofdantenne een maximum in gevoeligheid heeft.

Het deze maatregel wordt bereikt dat het aandeel van dutter in het signaal van de hulpantenne wordt verminderd zonder dat de principiële werking van de zijlusonderdrukkingseenheid wordt aangetast. Immers de hulpantenne behoeft alleen maar in de richting van de zijlussen van de hoofdantenne gevoelig te zijn. Deze maatregel is relatief goedkoop ten opzichte van een alternatief zoals het opnemen van een dure MTI processing in de tweede ontvanger om dutter uit het tweede signaal te filteren.

Een uitvoeringsvorm wordt gekenmerkt doordat de hulpantenne mechanisch star is verbonden met de hoofdantenne.

Hierdoor blijft gewaarborgd dat de richting van de "dip" in de gevoeligheid van de hulpantenne steeds overeenkomt met de richting waarin de hoofdantenne een maximum in de gevoeligheid heeft.

Tenslotte rest nog te vermelden dat een realisatie van een hulpantene met een antennepatroon overeenkomstig de uitvinding een kwestie is van toepassing van op zich bekende microgolfantenne-technieken. Een voorbeeld van een dergelijke antenne, zij het toegepast in een totaal ander verband (satelietcommunicatie), wordt gegeven in het Europese octrooischrift EP-A 0.251.818.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de volgende figuren, waarvan

Fig. 1 schematisch een radarapparaat met een zijlusonderdrukkings-eenheid weergeeft;

Fig. 2 de mate van storingsonderdrukking door de zijlusonderdrukkingseenheid weergeeft als functie van de hoeveelheid dutter;

Fig. 3 een antennepatroon van de hoofdantenne en een conventionele hulpantenne weergeeft; en

Fig. 4 een antennepatroon van de hoofdantenne en de hulpantenne overeenkomstig de uitvinding weergeeft.

In fig. 1 is schematisch een radarapparaat weergegeven met een richtinggevoelige hoofdantenne 1, een eerste ontvanger 2 en een zijlusonderdrukkingseenheid 3. De door de hoofdantenne 1 ontvangen hoogfrequente radarsignalen worden door de ontvanger 2 versterkt en getransformeerd naar middenfrequente signalen um·

In de hier beschreven uitvoering werkt de zijlusonderdrukkingseenheid 3 met middenfrequente signalen. De uitvinding kan echter eveneens worden toegepast met een zijlusonderdrukkingseenheid werkzaam in het hoogfrequente gebied.

De 2Ijlusonderdrukkings eenheld is voorzien van een hulpantenne 4, een tweede ontvanger 5, een signaalwegingseenheid 6 en een combinatie-eenheid 7. De door de hulpantenne 4 ontvangen hoogfrequente signalen worden door de tweede ontvanger 5 versterkt en tot middenfrequente signalen ua getransformeerd welke vervolgens aan de signaalwegingseenheid 6 worden toegevoerd. De signaalwegingseenheid voert op basis hiervan een gewogen signaal ua* toe aan de combinatie-eenheid 7. Deze eenheid trekt dit signaal af van het eveneens aan de combinatie-eenheid 7 toegevoerde signaal um>

Het resulterende signaal u « u_ - u * (1) r m a ' wordt teruggevoerd naar de signaalwegingseenheid 6 om in een gesloten lus, iteratief een zodanige waarde van ua* te kunnen bepalen, dat het in ua en um gemeenschappelijk stoorsignaal in um maximaal wordt onderdrukt.

De waarde van ua* wordt bepaald door de in-fase- en quadratuur-(90® uit-fase) componenten van u respectievelijk ti T enu, α a^l successievelijk te vermenigvuldigen met gewichtsfaktoren Wj en Wq volgens: ua* * WI‘ua,I + WQ*ua,Q ^

Hierdoor kan het gewogen signaal u&* van zowel de juiste amplitude als de juiste fase worden voorzien. In dit specifieke geval spreken we dan ook van een zgn. quadratuur-zijlusonderdrukking. De uitvinding is echter niet beperkt tot dit type zijlusonderdrukking. u. r en u„ λ worden met een, op de tweede ontvanger 5 aangesloten quadratuurdetector 8 bepaald. u& j wordt aan een vermenigvuldigings-eenheid 9 en u « aan een vermenigvuldigingseenheid 10 toegevoerd. Deze eenheden vermenigvuldigen de aan deze eenheden toegevoerde signalen ua T en ua n met de eveneens toegevoerde gewichtsfactoren Vj en Wq.

De grootte van de gewichtsfactoren Wj en Wq wordt bepaald door het resulterende signaal ur te correleren met respectievelijk in-fase- en quadratuur-componenten u'a j en u'a q van ufl. Daartoe is een tweede quadratuurdetector 11 via een eerste versterker 12 op de tweede ontvanger 5 aangesloten. De resulterende signalen u' T en u' n worden respectievelijk toegevoerd naar de correlatoreenheden 13 en 14. Eveneens wordt, via een tweede versterker 15, het resulterend signaal ur aan deze correlatoreenheden toegevoerd. Deze eenheden 13 en 14 genereren respectievelijk de gewichtsfactoren ffx en Wn die de mate van correlatie van u' T en u' n met u„ IQ a,I a,Q r aangeven. Deze correlatoreenheden zijn daartoe voorzien van niet in een figuur aangegeven vermenigvuldigingscircuits en filters.

De correlatoreenheden bepalen dus de gemeenschappelijke componenten in de signalen uffl en ua.

Mathematisch kan uffl worden geschreven als: u = j s(t) cos(wt+7) + C c(t) cos(o>t+0) + N (t) (3) m m m m

Hierin vormt het stoorsignaal van een jammer j gerepresenteerd door een harmonische met een middenfrequentie ω, een faseverschuiving 7 en een tijdsafhankelijk complexe amplitude jm s(t). De constante j wordt onder meer bepaald door de antennegevoeligheid van de hoofdantenne 1 en de versterking van de hierop aangesloten ontvanger 2. De tijdsafhankelijkheid wordt weergegeven door de genormeerde en complexe tijdsfunctie s(t). Het cluttersignaal wordt op een identieke wijze voorgesteld door Cm c(t) cos(u>t+0) · De ruis in het op de hoofdantenne aangesloten kanaal wordt gerepresenteerd door N (t). Bij deze beschrijving is, ten behoeve van de eenvoud, aangenomen dat het dutter- en het stoorsignaal eenzelfde doppler-frequentie hebben. In de praktijk wordt de dutter in het hoofdkanaal in belangrijke mate onderdrukt door een MTI filter op basis van een verschillende dopplerfrequentie van doelsignalen en clutters ignalen.

Evenzo kan u worden geschreven als: & u « j s(t) cosCwt+jö) + C c(t) cos(ü>t+a) + N (t) (4) & £L Sl S.

De constante factoren j„ en c. in de tijdsafhankelijke amplitudes van de stoor- en cluttersignalen worden hier bepaald door de antennegevoeligheid van de hulpantenne 4 en de op deze antenne aangesloten ontvanger 5. Door looptijdverschillen en verschillende kanaaleigenschappen zijn de faseverschuivingen anders dan in (3).

We definiëren vervolgens (3) als de in-fase component um j van um en (4) als de in-fase component u& ^ van u&. De quadratuurcomponenten um Q en ua Q z*-3n identiek aan (3) en (4) met dien verstande dat de cosinus-functie is vervangen door een sinus-functie.

De gewichtsfactoren Wj en Wq worden verkregen door correlatie van "r m,t “a,I en ua,Q: ÏI - “r X ua I <5) WQ - ur * ua,Q <6>

Hierbij symboliseert het x-teken de correlatiefunctie. Bij het uitwerken van (5) en (6) veronderstellen we dat het dutter signaal, het stoorsignaal en het ruissignaal onderling ongecorreleerd zijn: s(t) x c(t) = s(t) x N(t) - c(t) x N(t) - 0 (7)

Na het correleren worden de signalen in de correlatoreenheden 9 en 10 over een zekere tijd gemiddeld (aangegeven door een middelingsstreep) en met een factor G versterkt.

Met de aanname dat de faseverschillen tussen het hoofd- en hulpkanaal gelijk zijn (j-β - θ-α), volgt nu uit (1) t/m (7): ur - j s(t) coβζωί+γ) - (8a) | s(t) ja2 s2(t) cos(wt+7) + (8b) S jfl s(t) C C c2(t) cos(wt+7) + (8c) N a m a C c(t) cos(wt+0) - (8d) m ^ Cm c(t) C&2 c2(t) cos(töt+0) + (8e) I Ca C(t) jm ja s2(t) cos<wt+f> + <8f)

Nm(t) - ffrNa,I(t) - WQ*Na,Q(t) <8*> met N = 1 + G [ j 2 s2(t) + C 2 c2(t) + N 2(t) ] (8h) & SL &

De term (8a) geeft het oorspronkelijke stoorsignaal in het hoofdkanaal. De term (8b) geeft het signaal waarmee het oorspronkelijke stoorsignaal wordt onderdrukt. Deze term wordt bepaald m.b.v. de ontvangen gemeenschappelijke storing in het ~~2 hulpkanaal. Hierbij is j s (t) het stoorvermogen in het hulpkanaal.

Si

De term (8c) bevat het eluttervermogen G C c (t) ten gevolge van m & correlatie van dutter in het hoofd- en hulpkanaal.

Uit deze term blijkt dat een extra onderdrukkingssignaal vanuit het hulpkanaal in het hoofdkanaal wordt geinjecteerd tengevolge van de aanwezigheid van gemeenschappelijke cluttersignalen in beide kanalen, Deze term kan bij sterke dutter en een sterk stoorsignaal zeer groot worden. De overige termen (8d), (8e) en (8f) geven de cluttersignalen met een van de eerste termen verschillende fase (en in principe van verschillende frequentie ω).

De termen (8e) en (8f) laten zien dat er extra dutter vanuit het hulpkanaal in het hoofdkanaal wordt geinjecteerd.

De term (8g) geeft de ruis weer met N T en N. . respectievelijk de in-fase en quadratuurcomponenten van N&.

De term (8c) blijkt nu verantwoordelijk te zijn voor de vermindering van storingsonderdrukking terwijl de termen (8e) en (8f) verantwoordelijk blijken te zijn voor de vermindering van de detectiekans. Dit zal nu in nader detail worden uitgewerkt.

De mate waarin het stoorsignaal in het hoofdkanaal wordt onderdrukt kan worden weergegeven door een zogenaamde onderdrukkingsfactor OF:

(9) met u . het oorspronkelijke stoorsignaal in het hoofdkanaal

® I J

Identiek aan (8a)) en u'^ ^ de reststoring (Identiek aan (8a) - (8b) - (8c). üitwerken geeft:

(10) 2 ~2

Bij afwezigheid van dutter (C^ c (t) * 0) heeft de onderdrukkings-factor OF in de praktijk een eindige waarde van bijv. 15 dB bij een 2 ~2 stoorvermogen (j s (t)) van 10 dB. Het correctiesignaal (8b) is dus

Si niet voldoende om het stoorsignaal (8a) geheel te compenseren.

In fig. 2 is de onderdrukkingsf actor OF uitgezet als functie van het ~~2 cluttervermogen c (t) in het hoofdkanaal met als parameter de verhouding van de versterking C en C van dutter in ma respectievelijk het hoofdkanaal en het hulpkanaal.

Bij het, vanaf de waarde nul toenemend, cluttervermogen neemt in eerste instantie de onderdrukkingsfactor zelfs toe: het geïnjecteerde cluttersIgnaal (8c) vult het correctiesignaal (8b) aan. Voorbij een bepaalde waarde van het cluttervermogen gaat het geïnjecteerde cluttersignaal (8c) overheersen waardoor het stoorsignaal (8a) niet meer wordt onderdrukt: de onderdrukkings-factor neemt weer af. Bij grote cluttervermogens kan zelfs een versterking van het stoorsignaal optreden: de onderdrukkingsfactor wordt zelfs negatief. Praktisch kan worden gesteld dat de zijlusonderdrukking van stoorsignalen niet meer werkt als de onderdrukkingsfactor negatief is. Het effect van een verminderde gevoeligheid van de hulpantenne “"rdt nu duidelijk door de

parameter

in fig. 2. Bij een van 20 dB werkt de zijlusonderdrukking niet meer bij een cluttervermogen groter dan ca. 22,5 dB. Bij toenemende waarden van

blijkt de zijlusonderdrukking bij steeds hogere cluttervermogens te kunnen werken. Bij een

van 40 dB wordt de onderdrukkingsfactor pas

negatief Ml een cluttervermogen van ca- 31,5 dB. Hieruit volgt dus dat vergroot moet worden zonder te veranderen.

Deze verhoudingen worden, zoals al eerder vermeld, bepaald door de gevoeligheid van de antennes.

In fig. 3 is een antennediagram weergegeven van een conventionele, rondom gevoelige hulpantenne geschikt voor toepassing in een zijlusonderdrukkingssysteem. Hierin is de antennegevoeligheid (gain) weergegeven als functie van de richting (φ).

De hulpantenne heeft ter plaatse van de zijlussen van de hoofdantenne, een grotere gevoeligheid dan de hoofdantenne.

De waarde van wordt door deze verhouding bepaald. j.

Ter plekke van de hoofdlus van de hoofdantenne is het verschil in antennegevoeligheid tussen hoofd- en hulpantenne ca. 20 dB.

De waarde van

wordt mede hierdoor bepaald.

In fig. 4 is een antennediagram weergegeven van de hulpantenne overeenkomstig de uitvinding. De hulpantenne heeft nu in de richting (φ) van de hoofdlus van de hoofdantenne een minimum (dip) in de gevoeligheid. De waarde van

wordt hierdoor niet beïnvloed, in tegenstelling tot de waarde van, die nu aanzienlijk is verlaagd.

o.

Een karakteristieke waarde van het verschil in gevoeligheid tussen hoofdantenne en hulpantenne ter plaatse van de hoofdlus is bijvoorbeeld 40 dB. Met een dergelijke dip in de gevoeligheid van de hulpantenne wordt bereikt dat de zijlusonderdrukking bij grotere cluttervermogens nog steeds functioneert zoals aan de hand van fig. 2 is geïllustreerd.

Een dergelijke dip in de gevoeligheid heeft eveneens een gunstig effect op de detectiecapaciteit van de hoofdantenne. Doordat het zijlusonderdrukkingscircuit ook tracht in te lopen om de ontvangen cluttersignalen te onderdrukken, wordt bij een doelsignaal in het hoofdkanaal een cluttersignaal met variërende fase opgesteld (8e). Dit leidt tot een vermindering van de effectiviteit van een in het hoofdkanaal opgenomen MTI-filter.

Claims

1. Radarapparaat voorzien van: - een richtinggevoelige hoofdantenne, - een, op de richtinggevoelige antenne aangesloten eerste ontvanger voor het verkrijgen van eerste ontvangsignalen; - een zijlusonderdrukkingseenheid voorzien van: - een hulpantenne; - een, op de hulpantenne aangesloten tweede ontvanger voor het verkrijgen van tweede ontvangsignalen; - een, op de tweede ontvanger aangesloten signaalwegings- en combinatie-eenheid welke onder toevoer van de eerste en tweede ontvangsignalen een uitgangssignaal genereert welke een dusdanige combinatie van de eerste en tweede ontvangsignalen omvat dat, via de zijlussen van de richtinggevoelige hoofdantenne ontvangen en in het eerste signaal aanwezige stoorsignalen in het uitgangssignaal zijn onderdrukt, met het kenmerk, dat de hulpantenne tenminste een minimum in gevoeligheid heeft in een richting welke samenvalt met een richting waarin de richtinggevoelige hoofdantenne een maximum in gevoeligheid heeft.

2. Radarapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de hulpantenne mechanisch star is verbonden met de hoofdantenne.

3. Zijlusonderdrukkingseenheid geschikt voor toepassing in een radarapparaat volgens één van de voorgaande conclusies.