NL9101394A

NL9101394A - Werkwijze en inrichting voor het bepalen van de hoogte van een doel.

Info

Publication number: NL9101394A
Application number: NL9101394A
Authority: NL
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1991-08-16
Filing date: 1991-08-16
Publication date: 1993-03-16
Also published as: CA2074411C; DE69222499D1; US5278564A; ZA925524B; NO300398B1; KR100214345B1; EP0533223B1; GR3025708T3; EP0533223A1; AU2079792A; CN1069808A; ES2108081T3; CA2074411A1; NO923161L; AU653047B2; JPH05196725A; BR9203123A; DE69222499T2; NO923161D0; TR27024A

Description

Werkwijze en inrichting voor het bepalen van de hoogte van een doel.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het met behulp van een radarapparaat bepalen van.de hoogte van een zich laag boven het aardoppervlak bevindende doel waarbij het radarapparaat is voorzien van een zend- en ontvangeenheid, een met de zend- en ontvangeenheid verbonden zend- en ontvang antenne en een met de zenden ontvangeenheid verbonden signaalverwerkingseenheid, waarbij : - het doel wordt aangestraald met door de zendeenheid en zendantenne uitgezonden electromagnetische straling; - het uitgezonden signaal rechtstreeks via het doel en indirect via het doel en het aardoppervlak in de richting van de ontvangantenne wordt gereflecteerd; - met behulp van de ontvangeenheid, uit de met behulp van de ontvangantenne ontvangen signalen, complexe somsignalen Σ en complexe elevatieverschilsignalen Δ worden bepaald; - met behulp van de signaalverwerkingseenheid een algorithme wordt uitgevoerd voor het uit de complexe som- en elevatieverschilsignalen bepalen van de hoogte van het doel.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het bepalen van de hoogte van een laag boven het aardoppervlak bevindend doel, omvattende een radarapparaat voorzien van een zend inrichting met een daarop aangesloten zendantenne, een ontvangantenne met een daarop aangesloten ontvangketen, waarbij het doel wordt aangestraald met door de zendinrichting en de zendantenne uitgezonden electromagnetische straling en het uitgezonden signaal rechtstreeks door het doel en door het doel via het aardoppervlak wordt gereflecteerd in de richting van de ontvangantenne en waarbij met de ontvangketen voor het doel complexe somsignalen Σ en tenminste complexe elevatieverschilsignalen Δ kunnen worden gegenereerd, een op de ontvangketen aangesloten signaalprocessor voorzien van een algorithme voor het bepalen van de hoogte van het doel ht, en op de signaalprocessor aangesloten middelen voor het richten van de zendantenne en de ontvangantenne op een richtpunt.

De hoogte van een doel kan worden bepaald met behulp van een monopuls radarapparaat. Dit principe is bijvoorbeeld beschreven in het boek "Introduction to Radar Systems", tweede editie, pag. 160-190, van M.L. Skolnik. Een probleem dat zich voordoet bij de bepaling van de hoogte van een doel dat op geringe hoogte boven het zeeoppervlak, en in mindere mate ook het landoppervlak, vliegt, is beschreven op pag. 172-176. De oorzaak van het probleem is gelegen in het feit dat het radarapparaat niet alleen echo's van het doel, maar ook gespiegeld door het zeeoppervlak echo's van dit doel ontvangt. Zonder dit spiegeleffect is de hoogte van het doel eenvoudig te bepalen uit door het monopuls radarapparaat afgegeven waarden van de doelsafstand R en van de elevatiefoutspanning E(0). Met het spiegeleffect krijgt de elevatiefoutspanning een complexe waarde en is een nauwkeurige bepaling van de doelshoogte niet langer mogelijk.

De enige manier om genoemd spiegeleffect te voorkomen is het toepassen van een radarbundel die zo nauw is dat wel echo's van het doel maar geen echo's gespiegeld via het zeeoppervlak worden ontvangen. Het nadeel is echter dat met een zo nauwe bundel het doel zeer moeilijk te vinden is. Het octrooi US-A 4,743,907 beschrijft een zeer elegante wijze om dit nadeel op te heffen. Door twee monopuls radarapparaten volledig te integreren, waarbij het eerste radarapparaat een relatief grote golflengte en daarmee een wijde bundel heeft, het tweede radarapparaat een relatief kleine golflengte en daarmee een nauwe bundel heeft, kan zowel in de acquisitiefase als ook in de volgfase een optimale performance worden verkregen. De kosten van een dergelijk systeem zijn echter relatief hoog.

Een methode om de doelshoogte nauwkeurig te bepalen, ondanks het optreden van een spiegeleffect, is beschreven in het octrooi US-A 4,796,031. Volgens de daar beschreven methode wordt de radarantenne niet op het doel, maar precies tussen het doel en zijn spiegelbeeld gericht. Door nu met tenminste twee verschillende radargolflengten, die in een vooraf bepaalde verhouding tot elkaar staan, te meten, kan een stelsel van vergelijkingen worden opgelost waaruit een aantal mogelijke doelshoogten volgen. Door achtereenvolgens op deze wijze bepaalde mogelijke doelshoogten met elkaar te vergelijken, kan / de doelshoogte worden gevonden.

Een alternatieve methode om de doelshoogte nauwkeurig te bepalen is beschreven in het octrooi EP-B 0.087.355. Volgens deze methode wordt de antenne-oriëntatie voortdurend gevarieerd. Met meetwaarden, verkregen bij verschillende antenne-oriëntaties kunnen weer stelsels van vergelijkingen worden opgelost die de doelshoogte opleveren.

Beide methoden zijn omslachtig en hebben als nadeel dat het monopuls radarapparaat op een richtpunt is gericht dat niet samenvalt met het doel. Dit niet op het doel gericht zijn is voor een monopuls radarapparaat een vanzelfsprekend suboptimale conditie, die echter volgens de stand der techniek nodig is om een oplosbaar stelsel van vergelijkingen te verkrijgen.

De hoogte van een doel kan volgens de uitvinding worden bepaald met een werkwijze die als kenmerk heeft de zend- en ontvangantenne althans nagenoeg op het doel worden gericht.

Daarnaast is de beschreven werkwijze eenvoudig, ze heeft als kenmerk dat de hoogte van het doel wordt bepaald door het oplossen van de vergelijking:

De inrichting volgens de uitvinding heeft als kenmerk, dat het doel en het richtpunt althans nagenoeg samenvallen.

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

Fig. 1 een schematisch diagram van een mogelijke uitvoeringsvorm van een monopuls radarapparaat volgens de uitvinding weergeeft; Fig. 2 een mogelijke elevatiefoutspanningscurve weergeeft;

Fig. 3 het spiegeleffect illustreert.

Voor het nauwkeurig bepalen van de hoogte van een laag over het zeeoppervlak of aardoppervlak vliegend doel gaan we uit van een monopuls radarapparaat. In deze situatie zullen door het radarapparaat afgegeven somsignalen en elevatieverschilsignalen complexe waarden krijgen, die door een op het radarapparaat aangesloten signaalprocessor dienen te worden verwerkt.

Fig. 1 geeft een schematisch diagram van een mogelijke uitvoeringsvorm van een monopuls radarapparaat volgens de uitvinding.

Om de beschrijving niet nodeloos gecompliceerd te maken, wordt alleen het monopuls gedrag in elevatie in de analyse betrokken.

Twee boven elkaar geplaatste antenne-elementen 1, 2 zijn aangesloten op een in het vakgebied bekende koppelaar 3, die hieruit een somkanaal 4 en een verschilkanaal 5 vormt. Op het somkanaal 4 is via een TR-schakelaar 6 een zender 7 aangesloten, die wordt gestuurd vanuit een frequentie- en timingeenheid 8 en bijvoorbeeld puls-vormige signalen uitzendt. Via het somkanaal ontvangen signalen worden via TR-schakelaar 6 naar een mengtrap 9 gevoerd, die een LO signaal van de frequentie- en timingeenheid 8 ontvangt. Het zo gevormde middenfrequent somsignaal wordt versterkt in midden-frequentversterker 10 en omgezet in een digitaal, complex somsignaal Σ door A/D converter en Hilbert filter 11. Via het verschilkanaal 5 ontvangen signalen worden naar een mengtrap 12 gevoerd, die eveneens een LO signaal van de frequentie- en timingeenheid 8 ontvangt. Het zo gevormde middenfrequent verschilsignaal wordt versterkt in middenfrequentversterker 13 en omgezet in een digitaal, complex verschilsignaal Δ door A/D converter en Hilbert filter 14. Beide signalen worden toegevoerd aan een signaalprocessor 15, die hieruit een elevatiefoutspanning S = Δ/Σ bepaalt. Het is mogelijk A/D converter en Hilbert filter 11, 14 te vervangen door fasegevoelige quadratuurdetectoren plus A/D converters, maar de hier gegeven realisatie voldoet beter t.a.v. gain en offset stabiliteit.

}

Wanneer er sprake is van één stilstaand doel in de bundel, dan zullen de vectoren Σ en Δ steeds voor elke uitgezonden puls gelijk zijn en onderling een vaste hoek hebben. Voor één bewegend doel in de bundel zullen beide vectoren roteren met de dopplerfrequentie, maar ze behouden dezelfde vaste hoek. Het is gebruikelijk om in één van beide kanalen een fase-afregelpunt aan te brengen, zodanig dat beide vectoren in eikaars verlengde liggen. Voor één doel is de elevatiefoutspanning dan reëel. De reële elevatiefoutspanningscurve E(0) is weergegeven in Fig. 2. Opgemerkt wordt dat de elevatiefoutspanning, ondanks de naam, dimensieloos is. Voor zover dit van belang is, kan E(0), althans voor kleine waarden van Θ, worden gelineariseerd in de signaalprocessor 15, bijvoorbeeld door het raadplegen van een lineariseringstabel. Dan geldt voor kleine hoeken θ’. E(0) = Κ.Θ. Verder kan signaalprocessor 15 een AGC stuursignaal genereren waarmee de versterking van beide middenfrequentversterkers 10, 13 zodanig wordt geregeld, dat de amplitude van het echosignaal van het doel in het somsignaal Σ nagenoeg constant wordt gehouden. Dit vermindert de fasegelijkloop-eisen voor het som- en verschilkanaal, maakt het mogelijk A/D converters met een beperkt dynamisch bereik te benutten en beperkt de omvang van de lineariseringstabel.

In het algemeen zal de signaalprocessor 15 nog enkele andere, voor de hier beschreven uitvinding minder belangrijke functies vervullen. Zo zal in de signaalprocessor 15 bijvoorbeeld een in het vakgebied welbekende tijdpoortfunctie worden gerealiseerd. Tevens zal een vorm van MTI of MTD doppler processing op de door de A/D converters en

Hilbert filters 11, 14 afgegeven waarden worden toegepast. Daarnaast zal de signaalprocessor 15 stuursignalen genereren waarmee de zendantenne en de ontvangantenne worden gericht.

Wanneer er sprake is van één doel in de bundel, waarvan een echo direct en gespiegeld via het zeeoppervlak wordt ontvangen, zoals weergegeven in Fig. 3, dan blijkt S een complexe waarde te krijgen. In Fig. 3 is ha de hoogte van de antenne boven het zeeoppervlak, ht de hoogte van het doel boven het zeeoppervlak, R de afstand van het doel tot de radarantenne en 9Q de elevatiehoek van de antenne.

Voor een bewegend doel wordt S een functie van de doelsafstand R, de doelshoogte hfc, de radarzendergolflengte λ en van enkele systeemconstanten. Ons doel is het vinden van een vergelijking die deze waarden bevat en waaruit ht opgelost kan worden. Deze vergelijking vormt dan de basis voor de geclaimde werkwijze en inrichting.

Voor het opstellen van de vergelijking worden de volgende grootheden gedefinieerd: h& hoogte van de antenne boven het zeeoppervlak. hfc hoogte van het doel boven het zeeoppervlak.

R afstand van het doel tot de radarantenne.

9 elevatiehoek van de antenne.

elevatiefouthoek van het doel.

9m elevatiefouthoek van het spiegelbeeld. p reflectiecoefficient van het zeeoppervlak.

Φ storingsfaseterm voor de reflectie op het zeeoppervlak φ faseverschil tussen de reflecties van doel en spiegelbeeld.

G^,(0) antennediagram van het elevatiesomkanaal.

G^(0) antennediagram van het elevatieverschilkanaal.

E(0) elevatiefoutspanningscurve.

Hieruit kunnen op elementaire wijze de volgende benaderingen worden afgeleid:

(1)

(2)

\ (3)

Verder geldt:

(4)

(5)

(6)

(7)

We definiëren:

(8)

(9)

Bij de laatste vergelijking is gebruik gemaakt van het feit dat E(0) antisymmetrisch is.

We definiëren een gecorrigeerde reflectiecoëfficient G, waarbij we rekening houden met het feit dat bij een op het doel gerichte monopuls antenne, de reflectie van het spiegelbeeld extra wordt verzwakt door het antennediagram:

(10)

Dan volgt uit (3), (7), (8), (9) en (10):

(11)

In een normale doelvolgsituatie geldt dat de antenne op het doel is gericht, dus A = 0:

(12)

Voor het reële deel van S geldt:

(13)

Voor het argument van S geldt:

(14) dus:

(15)

Combineren we (13) en (15), dan levert dit de gezochte vergelijking:

(16)

Bij inspectie blijkt (16) naast enkele systeemparameters en enkele meetwaarden als enige onbekenden hfc en Φ te bevatten.

Voor een glad zeeoppervlak mogen we veronderstellen dat

(17)

Dit levert samen met (16)

(18)

Veronderstellen we dat E(0) lineair is voor kleine (9), dan is dit een vierkantsvergelijking in ht· Is E(9) niet lineair, dan kan de vergelijking worden opgelost met een op de methode van Newton gebaseerde oplossingswijze. Op de zo in de tijd verkregen reeks van schattingen van de doelshoogte kan dan, zoals gebruikelijk in het vakgebied, in een filterproces met een zekere tijdconstante en met een voorziening voor het verwijderen van sterk afwijkende schattingen, een schatter worden verkregen voor de doelshoogte.

Een tweede oplossingsmethodiek dient te worden gekozen als de veronderstelling van een glad zeeoppervlak niet geldt, dus als

We kunnen dan de onbekende Φ elimineren door bij twee verschillende golflengten te meten. Uit (16) leiden we af:

(19)

Voor kleine golflengteverschillen passen we de volgende benadering toe:

(20)

Met (3), (9) en (19) geeft dit:

(21)

Deze vergelijking kan op één van de bij (18) beschreven wijzen worden opgelost.

De op één van bovenstaande wijzen verkregen waarden van ht kunnen worden gebruikt voor het richten van de zendantenne en de ontvang-antenne op het doel. Hiermee wordt een elevatiefouthoek gerealiseerd die, in vergelijking met een monopuls radarapparaat waarbij het imaginaire deel van de elevatiefoutspanning wordt verwaarloosd, een orde van grootte kan verbeteren. Daarnaast is de werkwijze relatief ongevoelig voor verstoringen, in het bijzonder de voorwaarde A = 0 blijkt niet stringent te zijn.

Claims

1. Werkwijze voor het met behulp van een radarapparaat bepalen van de hoogte van een zich laag boven het aardoppervlak bevindende doel waarbij het radarapparaat is voorzien van een zend- en ontvangeenheid, een met de zend- en ontvangeenheid verbonden zenden ontvangantenne en een met de zend- en ontvangeenheid verbonden signaalverwerkingseenheid, waarbij: - het doel wordt aangestraald met door de zendeenheid en zendantenne uitgezonden electromagnetische straling; - het uitgezonden signaal rechtstreeks via het doel en indirect via het doel en het aardoppervlak in de richting van de ontvangantenne wordt gereflecteerd; - met behulp van de ontvangeenheid, uit de met behulp van de ontvangantenne ontvangen signalen, complexe somsignalen Σ en complexe elevatieverschilsignalen Δ worden bepaald; - met behulp van de signaalverwerkingseenheid een algorithme wordt uitgevoerd voor het uit de complexe som- en elevatieverschilsignalen bepalen van de hoogte van het doel; met het kenmerk, dat de zend- en ontvangantenne althans nagenoeg op het doel worden gericht.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij volgens het algorithme uit de complexe signalen Σ en Δ de doelsafstand R en de complexe elevatiefoutspanning S = Δ/Σ worden bepaald, met het kenmerk, dat de hoogte h^ van het doel wordt bepaald door het oplossen van de vergelijking:

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij voor de zendantenne, de ontvangantenne en de van een AGC voorziene ontvangketen een reële foutspanningscurve Ε(θ) voor een doel met een elevatiefouthoek Θ bekend is, het uitgezonden signaal een golflengte λ heeft, de ontvangantenne op een hoogte boven het aardoppervlak is geplaatst, en een elevatiehoek 9Q maakt met het aardoppervlak, met het kenmerk, dat de vergelijking

wordt opgelost.

4. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij voor de zendantenne, de ontvangantenne en de van een AGC voorziene ontvangketen een reële foutspanningscurve E(0) voor een doel met een elevatiehoek Θ bekend is, waarbij de zendantenne achtereenvolgens tenminste zendsignalen met golflengten en λ£ uitzendt met ^ \2> de ontvangantenne op een hoogte ha boven het aardoppervlak is geplaatst en een elevatiehoek 9q maakt met het aardoppervlak en waarbij de waarden

en

worden bepaald, met het kenmerk, dat voor het bepalen van hfc de vergelijking

wordt opgelost.

5. Inrichting voor het bepalen van de hoogte van een laag boven het aardoppervlak bevindend doel, omvattende een radarapparaat voorzien van een zendinrichting met een daarop aangesloten zendantenne, een ontvangantenne met een daarop aangesloten ontvangketen, waarbij het doel wordt aangestraald met door de zendinrichting en de zendantenne uitgezonden electromagnetische straling en het uitgezonden signaal rechtstreeks door het doel en door het doel via het aardoppervlak wordt gereflecteerd in de richting van de ontvangantenne en waarbij met de ontvangketen voor het doel complexe somsignalen Σ en tenminste complexe elevatieverschilsignalen Δ kunnen worden gegenereerd, een op de ontvangketen aangesloten signaalprocessor voorzien van een algorithme voor het bepalen van de hoogte van het doel ht, en op de signaalprocessor aangesloten middelen voor het richten van de zendantenne en de ontvangantenne op een richtpunt, met het kenmerk, dat het doel en het richtpunt althans nagenoeg samenvallen.

6. Inrichting volgens conclusie 5, waarbij uit de signalen Σ en Δ de complexe elevatiefoutspanning

de doelsafstand R wordt afgeleid, met het kenmerk, dat het algorithme de volgende vergelijking oplost:

7. Inrichting volgens conclusie 6, waarbij voor de zendantenne, de ontvangantenne en de van een AGC voorziene ontvangketen een reële foutspanningscurve E(0) voor een doel met een elevatiefouthoek 9 bekend is, dat het uitgezonden signaal een golflengte λ heeft, de ontvangantenne op een hoogte h& boven het aardoppervlak is geplaatst en een elevatiehoek 9Q maakt met het aardoppervlak, met het kenmerk, dat

is gesteld.

8. Inrichting volgens conclusie 6, waarbij voor de radarantenne, de ontvangantenne en de van een AGC voorziene ontvangketen een reële foutspanningscurve E(0) voor een doel met een elevatiehoek 9 bekend is, waarbij de zendinrichting is voorzien van middelen voor het achtereenvolgens genereren van zendsignalen met golflengte en λ2 met X2 en waarbij de waarden

en

worden bepaald, dat de ontvangantenne op een hoogte h boven het aardoppervlak is geplaatst en een elevatiehoek 9Q maakt met het aardoppervlak, met het kenmerk, dat het algorithme hfc uit de volgende vergelijking oplost:

9. Signaalprocessor, voorzien van een algorithme zoals beschreven in één der conclusies 5 t/m 8.