NL9002717A - Radarsysteem. - Google Patents

Description

Radarsysteem

De uitvinding heeft betrekking op een radarsysteem voor het naarkeuze genereren van tweedimensionale of driedimensionalepositie-indicaties van zich in het zoekvolume van het radarsysteembevindende doelen, tenminste voorzien van: i) antennemiddelen voor het genereren van een fan beam, welke fanbeam een antennebundelvlak definieert; ii) middelen voor het in azimuth doen draaien van genoemdeantennemiddelen met een antenne-omwentelingstijd T; iii) radarmiddelen, samenwerkend met de antennemiddelen, voor hetgenereren van azimuthdata en rangedata bij de doelen.

Driedimensionale positie-indicatie kan van groot belang zijn. Is hetradarsysteem bijvoorbeeld geplaatst nabij een militaire installatieof op een marinevaartuig, dan kan uit de hoogte van een invliegenddoel vaak een voorlopige conclusie worden getrokken omtrent de aardvan dit doel. Wordt het doel als mogelijk vijandig geclassificeerd,dan kan bij een beschikbare driedimensionale positie-indicatiemeteen een vuurleidingradar op dit doel worden gericht. Is slechtseen tweedimensionale positie-indicatie voorhanden, dan is een extrazoekslag van de vuurleidingradar in elevatierichting noodzakelijk.

Een methode voor het genereren van driedimensionale positie-indicaties is beschreven in EP-A 0.151,640. Het hier beschrevenradarsysteem is voorzien van antennemiddelen voor het naar keuzegenereren van een fan beam of van een pencil beam.

Worden de antennemiddelen geroteerd, terwijl een fan beam wordtgegenereerd, dan kan het zoekvolume van het radarsysteem efficiëntworden doorzocht. Van een waargenomen doel kan de elevatierichtingworden bepaald terwijl de antennemiddelen een pencil beam genereren,waarbij de azimuthrichting is gefixeerd in de richting van het doelen in elevatierichting een zoekslag wordt uitgevoerd.

Een bezwaar van deze methode is dat voor het naar keuze genererenvan een fan beam en een pencil beam gebruik moet worden gemaakt vaneen twee-dimensionale phased array antenne, wat het radarsysteemduur maakt.

De uitvinding heft het genoemde bezwaar op en heeft als kenmerk,dat de antennemiddelen voorzien zijn van middelen voor het rond eenkantelas doen kantelen van de antenne zodanig, dat hetantennebundelvlak een kantelhoek Θ maakt met een normaal op hetaardoppervlak en dat het radarsysteem is voorzien van middelen voorhet combineren van bij verschillende kantelhoeken 0^ (i - 1, ..., n)gemeten azimuthdata en rangedata van doelen tot tweedimensionale ofdriedimensionale positie-indicaties van die doelen.

Het naar keuze genereren van tweedimensionele of driedimensionelepositie-indicaties met behulp van gekantelde antennes is op zichbekend en bijvoorbeeld beschreven in het "Radar Handbook" van M.I.Skolnik, onder de naam V-beam radar. Hierbij is het radarsysteemvoorzien van twee naast of boven elkaar geplaatste antennes, diegelijktijdig roteren en elk een fan-beam genereren. De fan-beamsdefiniëren elk een antennebundelvlak en deze vlakken vormenonderling een hoek, waarbij de snijlijn van de antennebundelvlakkennagenoeg een raaklijn vormt aan het aardoppervlak.

Beide antennes zijn voorzien van radarmiddelen en zullen doelennabij het aardoppervlak nagenoeg in dezelfde azimuthrichtingwaarnemen. Voor een doel dat zich op een hoogte h bevindt, zal eenverschil in azimuthrichting worden waargenomen door de beideantennes plus de gekoppelde radarmiddelen. Is dit verschil inazimuthrichting Δω, dan geldt dat h nagenoeg evenredig is met Δω.Combinatiemiddelen, geplaatst aan de uitgang van de radarmiddelenkunnen zo voor elk doel in het zoekvolume van het radarsysteem dehoogte bepalen.

Een bezwaar van deze methode, speciaal bij maritieme toepassingen,is het grote topgewicht veroorzaakt door de gedupliceerde antenne.Dit maakt de toepassing, vooral op kleinere schepen, nagenoegonmogelijk. Daarnaast is er het bezwaar dat ook de radarmiddelengedupliceerd dienen te worden.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van defiguur welke een schematische weergave is van de wijze waarop dehoogte van een doel wordt bepaald.

In de toelichting gaan we uit van een radarsysteem dat voorzien isvan een roterende antenne en radarmiddelen waarmee in het zoekvolumevan het radarsysteem de afstand en azimuthrichting van doelennauwkeurig kunnen worden bepaald. De antenne genereert een fan beammet een relatief kleine azimuth-openingshoek en een relatief groteelevatie-openingshoek. Het hierdoor gedefinieerde antennebundelvlakstaat nagenoeg loodrecht op het aardoppervlak, dat voorlopig vlakwordt verondersteld. De snijlijn van het antennebundelvlak en hetaardoppervlak wordt verder aangeduid als de kantelas.

Toegevoegd worden nu middelen waarmee we de antenne kunnen doenkantelen zodanig, dat het antennebundelvlak niet langer loodrecht ophet aardoppervlak staat maar rond de kantelas draait.

Vergelijken we de azimuthrichting van doelen met de antenne inongekantelde en gekantelde toestand, dan blijken doelen op hetaardoppervlak nog onder dezelfde azimuthrichting te wordenwaargenomen. Een doel dat zich op enige hoogte bevindt wordt gemetenin een azimuthrichting die afhangt van de kantelhoek en de hoogtevan het doel.

Dit wordt toegelicht met behulp van de figuur, waarin een eersteantennebundelvlak 1 met een kantelhoek 0^ en een tweede antenne¬bundelvlak 2 met een kantelhoek 0g een d°el 3 bevatten, bijvoorbeeldtijdens twee opeenvolgende omwentelingen waarin de antennemiddelenachtereenvolgens onder genoemde hoeken gekanteld zijn.

Bij een kantelhoek wordt het doel gemeten in azimuthrlchting <pm^,bij een kantelhoek θ2 in azimuthrlchting <pm2. De ware azimuth-richtlng is φ.

Veronderstellen we dat de hoogte h van het doel veel kleiner is dande afstand R tussen het doel en het radarsysteem, dan geldt inde figuur tenminste nagenoeg:

zodat

Bij een niet vlak veronderstelde aarde is het voordelig de kantelaszo te kiezen dat ze loodrecht staat op een normaal op hetaardoppervlak ter plaatse van de antennemiddelen. Voor eenradarsysteem geplaatst in de nabijheid van het aardoppervlak houdtdit in dat objecten die zich nabij het aardoppervlak bevinden,steeds onder dezelfde azimuthrlchting worden waargenomen,onafhankelijk van de kantelhoek. Het radarsysteem geeft dan eenonvervormd beeld van het aardoppervlak. Alleen objecten die zich openige hoogte bevinden zullen een schijnbare verplaatsing ondergaanten gevolge van het kantelen van de antennemiddelen. Alleen voor dieobjecten zijn dan combinatiemiddelen noodzakelijk die de echo'sgemeten bij verschillende kantelhoeken ö^(i-l, ...,n)combineren.

Voor een radarsysteem geplaatst in een vliegtuig of in enig anderluchtvaartuig, is het ook van voordeel om de kantelas op deaangegeven wijze te kiezen, omdat dan direct duidelijk is of enigobject zich boven of beneden het luchtvaartuig bevindt. Wordt bij gegeven kantelhoek een object dat zich boven het luchtvaartuigbevindt relatief te vroeg gezien, dan zal een object dat zichbeneden het luchtvaartuig bevindt relatief te laat worden gezien,één en ander gerelateerd aan de gemeten azimuthrichting.

Een voordelige uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt verkregen bijtoepassingen waar de antennemiddelen zijn voorzien van tweeassigestabilisatiemiddelen, zoals aan boord van schepen en vliegtuigen.Deze stabilisatiemiddelen zijn doorgaans eenvoudig te voorzien vaneen stuuringang waarmee een gewenste kantelhoek kan wordenverkregen.

Soms is het acceptabel dat een radarsysteem een blinde hoek kent,een azimuthsector waarin het radarsysteem geen of onbetrouwbareinformatie verstrekt. Dit komt bijvoorbeeld voor aan boord van eenschip waar de superstructuur van het schip een blokkering vormt voorde uitgezonden en ontvangen radarstraling. Is een blinde hoekacceptabel, dan kan een bijzonder voordelige uitvoeringsvorm van deuitvinding worden gekozen waarbij de kantelhoek periodiek nagenoegstapvormig varieert en waarbij de nagenoeg stapvormige veranderingvan kantelhoek steeds plaatsvindt tijdens het doorlopen van deblinde hoek.

Laten we bijvoorbeeld de kantelhoek Θ per antenneomwentelingveranderen in de volgorde θ, -θ, θ, -Θ, ..., dan betekent dit dat wevan een eenmaal waargenomen object na één omwenteling de hoogte hkunnen bepalen analoog aan formule (3):

Een storende factor kan worden gevormd door een tangentiële snelheidvan het object. Is die significant, dan zijn twee omwentelingen(3 metingen) nodig. Is £ de extra hoekverdraaiing die ten gevolge van de radiële snelheid optreedt, dan zullen drie opeenvolgendemetingen de waarden <pml, cpm2+e, <Pm3+2e opleveren, waarbij <pml, <pm2><Pm3 de azimuthrichtingen zijn die zonder radiële snelheid gemetenzouden zijn. Dan geldt:

In een alternatieve uitvoeringsvorm wordt het radarsysteem standaardgebruikt met een kantelhoek 0-0. Alleen als de hoogte van eenobject dient te worden gemeten wordt een antenneomwenteling, ofzelfs een deel daarvan, uitgevoerd met een kantelhoek Θ ** 0.

In deze vorm is de uitvinding zeer geschikt om te worden aangebrachtbij bestaande radarsystemen. Zulke radarsystemen zijn in hetalgemeen voorzien van een track-computer, die met behulp van de peromwenteling beschikbare komende gegevens tracks opbouwen van doelendie voor de gebruiker van belang lijken. Van zulke in track zijndedoelen zijn positie en snelheid na enige tijd nauwkeurig bekend.

De onbekende hoogte van een doel kan worden bepaald door dedoelspositie éénmaal of enkele malen te bepalen met een gekanteldeantenne. Als op deze wijze het combineren van doelsposities bijverschillende kantelhoeken tot een minimum beperkt blijft, kan deaanwezige track-computer de extra functie van combinatiemiddeldoorgaans realiseren.

Als het aanwezig zijn van een blinde hoek bij een radarsysteemminder gewenst is, kan men de kantelhoek continu variëren. Een voorde hand liggende keus is de kantelhoek harmonisch te laten variëren,waarbij de kantelhoek een periode doorloopt in de tijd dat deantenne n omwentelingen maakt:

waarbij 0max de maximaal toelaatbare kantelhoek is; $q eenwillekeurig te kiezen beginfase van de kantelhoek en T deantenne-omwentelingstijd.

Voor n=l wordt een doel steeds met dezelfde kantelhoek gemeten en isde hoogte dus niet bepaalbaar.

Voor n=2 is er feitelijk sprake van een blinde hoek. Veronderstellenwe bijvoorbeeld dat steeds de grootste kantelhoek wordt bereikt alswe naar voren kijken, dan zal de kantelhoek steeds nul zijn als wenaar achteren kijken.

Voor grote n zullen de opeenvolgende metingen <pm^ maar weinigvariëren, wat de nauwkeurigheid van de hoogtebepaling nadelig kanbeïnvloeden.

Voor niet-gehele n wordt het combineren van opeenvolgendehoogtemetingen nodeloos complex. Een voordelige uitvoeringsvormwordt daarom verkregen voor n=3.

Stel dat voor opeenvolgende metingen is: ^ml’ ^3’ *’* de gemeten azimuthrichtingen; θ^, #2» ®3» ··· de momentele kantelhoeken; R^, Rg, Rj, ... de gemeten doelsafstanden; h^, hg, hg, ... de schatters voor de doelshoogte; φ^, ipgt ... de schatters voor de doelsazimuthrichting

Het behulp van twee opeenvolgende metingen kan dan steeds dedoelshoogte worden bepaald, analoog aan (3):

Ook hier veroorzaakt de tangentiële snelheid van het doel een foutin de hoogtebepaling. Door meer metingen in de schatting tebetrekken en h constant te veronderstellen, kan deze fout worden geëlimineerd:

Vergelijkingen (9) en (10) bevatten als onbekenden de hoogte en dehoekfout e ten gevolge van een tangentiële snelheid van het doel.Door e te elimineren wordt de hoogte verkregen.

Door steeds meer metingen in de schatting te betrekken kan eensteeds betere schatting van de hoogte worden verkregen. Dit gaatechter ten koste van de reactietijd van het radarsysteem, terwijl deschatting ook gevoelig wordt voor manoeuvres die het doel maakt.

Een voordelige uitvoeringsvorm wordt verkregen door steeds vier bijvoorkeur opeenvolgende metingen te combineren tot een schatting.

Is een doel eenmaal door een aan de radarmiddelen gekoppeldetrack-computer in track genomen, dan is steeds R en φ bekend. Voorelke nieuwe meting wordt bij een gegeven Θ een <pm gemeten en kan dusde hoogte worden bepaald:

Claims (9)

1. Radarsysteem voor het naar keuze genereren van tweedimensionaleof driedimensionale positie-indicaties van zich in het zoekvolumevan het radarsysteem bevindende doelen, tenminste voorzien van: i) antennemiddelen voor het genereren van een fan beam, welke fanbeam een antennebundelvlak definieert; ii) middelen voor het in azimuth doen draaien van genoemdeantennemiddelen met een antenne-omwentelingstijd T; iii) radarmiddelen, samenwerkend met de antennemiddelen, voor hetgenereren van azimuthdata en rangedata bij de doelen; met het kenmerk, dat de antennemiddelen voorzien zijn van middelenvoor het rond een kantelas doen kantelen van de antenne zodanig, dathet antennebundelvlak een kantelhoek Θ maakt met een normaal op hetaardoppervlak en dat het radarsysteem is voorzien van middelen voorhet combineren van bij verschillende kantelhoeken (i - 1, ..., n)gemeten azimuthdata en rangedata van doelen tot tweedimensionale ofdriedimensionale positie-indicaties van die doelen.

2. Radarsysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat dekantelas althans nagenoeg loodrecht op de normaal is geplaatst en inhet antennebundelvlak ligt.

3. Radarsysteem volgens conclusie 1 of 2, waarbij deantennemiddelen zijn voorzien van tweeassige stabilisatiemiddelen,met het kenmerk, dat de tweeassige stabilisatiemiddelen tevensvoorzien in het doen kantelen van de antennemiddelen.

4. Radarsysteem volgens één der voorgaande conclusies, met hetkenmerk, dat de kantelhoek Θ althans nagenoeg stapvormig in de tijdvarieert.

5. Radarsysteem volgens één der conclusies 1 t/m 4, met hetkenmerk, dat de kantelhoek Θ tenminste nagenoeg periodiek In de tijdvarieert.

6. Radarsysteem volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat deperiodetijd van de kantelhoek althans nagenoeg nT bedraagt (n = 2, 3, 4, ...)·

7. Radarsysteem volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat dekantelhoek tenminste nagenoeg harmonisch in de tijd varieert, en deperiodetijd van de kantelhoek althans nagenoeg nT bedraagt (n = 3, 4, 5, ...)·

8. Radarsysteem volgens conclusie 7, waarbij voor een doel de azimuthrichtingen ··· <Pk en de afstanden R^, R^+^, ..., R^ zijn gemeten (i, k e N), met het kenmerk, dat de azimuth¬richtingen <pmi, <pmi+1, ... <pk en de afstanden R^ Ri+1, ... Rk zijngemeten bij de kantelhoeken θ0χ+χ> ... #k en dat een schatter vande hoogte hk wordt verkregen uit de kantelhoeken Θj, ..., 0k, demetingen <pmj, ..., <pmk en Rj, .... Rk met j e N; i < j < k.

9. Radarsysteem volgens conclusie 7, waarbij het radarsysteemtevens is voorzien van een track-computer die voortdurend eenschatter voor de afstand R en de azimuthrichting φ genereert, methet kenmerk, dat een schatter van de hoogte h wordt verkregen uitR, <p, de momentane kantelhoek Θ en de gemeten azimuthrichting <pm.