NL9401767A

NL9401767A - Radarapparaat.

Info

Publication number: NL9401767A
Application number: NL9401767A
Authority: NL
Inventors: Pieter Van Genderen; Wietze Jan Hendrik Meijer
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1994-10-25
Filing date: 1994-10-25
Publication date: 1996-06-03
Also published as: DE69532877D1; EP0709694B1; AU695841B2; US5627545A; AU3420695A; DE69532877T2; CA2161073C; EP0709694A1; CA2161073A1

Description

Radarapparaat

De uitvinding heeft betrekking op een radarapparaat omvattende antennemiddelen, op de antenne aangesloten zendermiddelen voor het genereren van bursts van radarzendpulsen, op de antennemiddelen aangesloten ontvangermiddelen en een daarop aangesloten doppler filterbank voor het per burst genereren van een range-doppler matrix van echosterkten representerende range-doppler elementen, kombinatiemiddelen voor het kombineren van de per burst verkregen range-doppler matrices en drempelmiddelen voor de drempeling van de gekombineerde range-doppler matrices.

Een dergelijk radarapparaat is bekend uit IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 26, no. 5, September 1990, pages 754-766; K. Gerlach and G.A. Andrews: "Cascaded detector for multiple high-PRF pulse doppler radars". Het daar beschreven radarapparaat maakt gebruik van bursts van radarzendpulsen met een hoge PRF, waardoor er dubbelzinnigheid in de range van een doel optreedt, maar niet in de dopplersnelheid van het doel. Men kan dan door de ontvangen echo's voor verschillende bursts te kombineren en daarna te drempelen, de range van een doel ondubbelzinnig bepalen en bovendien een goede detectiekans realiseren. De methode is echter slechts bruikbaar voor radarapparaten met een hoge PRF.

De hierboven geschetste bekende methode is met enige aanpassingen natuurlijk ook bruikbaar voor lage PRF radars, die geen dubbelzinnigheid in range, maar wel dubbelzinnigheid in dopplersnelheid geven. Lage PRF radars zijn van weinig praktische betekenis, omdat ze veelal onvoldoende clutteronderdrukking kunnen realiseren.

Bij moderne rondzoekradars is het doorgaans niet mogelijk uitzendingen te beperken tot die van het hoge PRF of het lage PRF type. Dat betekent dat dubbelzinnigheid in range en in dopplersnelheid zal optreden. De onderhavige uitvinding stelt zich ten doel in deze situatie de voor verschillende bursts ontvangen echo's te kombineren en vervolgens te drempelen. Ze heeft daartoe als kenmerk, dat de kombinatiemiddelen zijn ingericht voor het kombineren van de uit de bursts verkregen in range en in doppler dubbelzinnige range-doppler matrices tot een gekombineerde ondubbelzinnige range-doppler matrix en dat de drempel-middelen een drempeling van de gekombineerde range-doppler matrix omvat.

Opeenvolgende bursts van radarzendpulsen worden doorgaans uitgezonden met verschillende PRF's, omdat op die wijze de dubbelzinnigheid in range en in dopplersnelheid van een doel kan worden opgelost. Dit heeft tot gevolg dat de afmetingen van de range dopplermatrices zullen variëren en dat een doel bij opeenvolgend verkregen range-doppler-matrices niet steeds bij eenzelfde range-doppler element hoort. Bij voorkeur wordt ook de radarzendfrequentie per burst veranderd, omdat dit het effect van fading vermindert en het radarapparaat ongevoeliger maakt voor jamming. Dit betekent dat de onderlinge faze van echo's van opeenvolgend uitgezonden pulsbursts niet gecorreleerd zijn en samenvoeging van die echo's dus incoherent, bijvoorbeeld op basis van de optelling van moduli van echo's dient plaats te vinden.

Volgens een gunstige uitvoeringsvorm van de uitvinding vormt niet de modulus van de echosterkte het range-doppler element maar een genormaliseerde echosterkte. Hiertoe wordt per range-dopplerelement de achtergrond geschat, bijvoorbeeld met een in het vakgebied welbekende snelle drempel- schakeling. De genormaliseerde echosterkte verkrijgt men dan door de echosterkte te delen door de achtergrond, en hiervan het kwadraat te nemen. Het voordeel van de genormaliseerde echosterkte is dat een meting met een goed contrast, dus met een goede verhouding tussen de gemeten echosterkte en de geschatte achtergrond, automatisch zwaarder meeweegt in de verdere processing dan een sterk doel in een clutteromgeving. Verder kan de per range-dopplerelement geschatte achtergrond met voordeel worden bewaard in een achtergrond matrix, om er ten behoeve van de drempeling een drempelwaarde van af te leiden.

Overeenkomstig de uitvinding zijn de kombinatiemiddelen ingericht voor het in twee dimensies uitvouwen en kombineren van de dubbelzinnige range-doppler matrices tot ondubbelzinnige range-doppler matrices. Hoe vaak de range-doppler matrices in de range richting worden uitgevouwen hangt af van de door de PRF bepaalde maximum ondubbelzinnige range en de voor het radarapparaat gespecificeerde maximum range. Hoe vaak de range-doppler matrices in doppler richting worden uitgevouwen hangt af van de door de PRF en de radarzendfreguentie bepaalde maximum unambiguous speed en de voor het radarapparaat gespecificeerde maximum dopplersnelheid.

Een uit een burst voortkomende uitgevouwen range-doppler matrix bestaat uit een aantal aaneengeplakte identieke range-doppler matrices en bestrijkt op die wijze het hele gespecificeerde range-doppler bereik. Een doel verschijnt dan meermaals in de uitgevouwen range doppler matrix, precies een keer per oorspronkelijke range-doppler matrix. Een ervan is het ware doel, de anderen zijn door aliasing verkregen ghosts. Door nu de uit verschillende bursts verkregen uitgevouwen range-doppler matrices elementsgewijs op basis van de genormaliseerde echosterkte te sommeren verkrijgt men de gekombineerde range-doppler matrix. Voor het ware doel zal dan een sommatie van de bij dat doel behorende range-doppler elementen optreden, terwijl de ghosts, die op steeds wisselende plaatsen opdoemen, nagenoeg nooit sommeren. Na kombinatie zal het ware doel dan ook een grotere amplitude hebben dan de niet-sommerende ghosts.

In een verdere voordelige uitvoeringsvorm van de uitvinding worden ook de achtergrond matrices uitgevouwen en vervolgens de geschatte achtergronden elementsgewijs gesommeerd ter verkrijging van drempelwaarden voor de gekombineerde range-doppler matrix.

Voor een sterk doel kunnen naast het ware doel ook de individuele ghosts incidenteel de drempeling passeren. Een verdere gunstige uitvoeringsvorm van het radarapparaat heeft daarom als kenmerk, dat de drempeling verder omvat een beslissingscircuit voor het per gekombineerd range-doppler element waarvoor de drempel wordt overschreden bepalen van de unambiguous doelsafstand en doelssnelheid en voor het vervolgens uit de gekombineerde range-doppler matrix verwijderen van de bij dat doel horende ghost targets.

Omdat steeds de som van de genormaliseerde echosterkten van het gekombineerde ware doel groter is dan de sommen van de genormaliseerde echosterkten van gekombineerde ghosts, kan men het ware doel bepalen op basis van de grootste som en vervolgens de erbij horende ghosts berekenen en verwijderen.

Om de hoeveelheid rekenwerk voor het beslissingscircuit te minimaliseren is het van voordeel bekende doelen uit de range-doppler matrix te verwijderen voordat wordt uitgevouwen. Dit voorkomt dat ghosts ontstaan die naderhand weer moeten worden opgeruimd.

Verder geldt dat het kombineren van echosterkten en het daarna drempelen van de gekombineerde echosterkte feitelijk alleen zinvol is voor zwakke echo's die vóór kombinatie een onvoldoende detectiekans bezitten. Daarom kan de inrichting met voordeel worden voorzien van een preselector, die op basis van opeenvolgend gegenereerde range-doppler matrices op een in het vakgebied bekende wijze sterke echo's kombineert tot echo's met unambiguous bepaalde doelsafstand en doelssnelheid en vervolgens deze echo's uit de range-doppler matrices verwijdert voordat deze worden uitgevouwen. Hierdoor wordt de hoeveelheid rekenwerk voor het beslissingscircuit verder beperkt.

Het radarapparaat volgens de uitvinding zal nu worden beschreven aan de hand van Fig. 1, die een blokschema van een radarapparaat volgens de uitvinding weergeeft.

Fig. 1 toont een blokschema van een radarapparaat volgens de uitvinding. Zendermiddelen 1 genereren bursts van radarzendpulsen die via antennemiddelen 2 worden uitgezonden. Op de antennemiddelen 2 aangesloten ontvanger-middelen 3 ontvangen echosignalen en leiden deze naar een N-punts doppler filterbank 4, bijvoorbeeld een 16 punts FFT eenheid, die de echosignalen per burst verwerkt en toevoert aan snelle drempelschakelingen 5.1,..,5.N. Snelle drempelschakeling 5.i schat op een op zich bekende wijze de achtergrond van elke rangeguant, bijvoorbeeld aan de hand van de echosterkten in naburige rangequanten. Uit de echosterkte in een rangequant en de bij deze rangequant behorende achtergrond wordt vervolgens een genormaliseerde echosterkte afgeleid bijvoorbeeld door de echosterkte te delen door de achtergrond en hiervan vervolgens het kwadraat te nemen. De zo verkregen genormaliseerde echo sterkten worden vervolgens opgeborgen in de vorm van een range-doppler matrix in range-doppler geheugen 6. De bijbehorende achtergronden worden eveneens gekwadrateerd en in de vorm van een achtergrondmatrix opgeborgen in achter-grondgeheugen 7. Op deze wijze worden van een aantal in één richting uitgezonden bursts, die doorgaans elk een verschillende PRF hebben en op verschillende radarzend-freguenties worden uitgezonden, de bijbehorende range-doppler matrices en de achtergrond-matrices opgeborgen.

De snelle drempelschakelingen 5.1,..,5.N kunnen verder worden gebruikt voor het vooraf drempelen van de in range-doppler geheugen 6 op te bergen echosterkten. Hierbij drempelt men een echosterkte met de bijbehorende achtergrond plus een additionele drempelwaarde en schrijft men een nul in range-doppler geheugen 6 als de drempel niet wordt overschreden. Een voordeel van deze pre-threshold is dat veel range-doppler elementen nul zullen zijn, wat de hoeveelheid rekenwerk beperkt. Een nadeel is dat een van de additionele drempelwaarde afhankelijk detectieverlies zal optreden.

Zendermiddelen 1, antennemiddelen 2 en ontvangermiddelen 3 zijn bij voorkeur geintegreerd in de vorm van een phased array systeem, maar ook meer konventionele radar-inrich-tingen kunnen van de uitvinding gebruik maken, mits het mogelijk is per richting meerdere bursts van radarzend-pulsen uit te zenden.

Volgens de inventieve gedachte van de uitvinding is het voordelig, althans voor zwakke doelen, de uit verschillende bursts afkomstige echo's van een doel eerst te kombineren en pas dan te drempelen ter verkrijging van een mogelijke detectie. Dit proces, cluster before detect, brengt veel rekenwerk met zich mee. Het is daarom voordelig eerst de bekende echo's, bijvoorbeeld bekend uit een track proces, uit de range-doppler matrices te verwijderen. Dit vindt plaats in een in het vakgebied op zich bekende doelen-generator 8 en is gebaseerd op het principe dat voor een doel de doelssterkte, de afstand en de dopplersnelheid weinig veranderen ten opzichte van eerdere metingen en dat die veranderingen bovendien in hoge mate voorspelbaar zijn. De bekende doelengenerator geeft dus voor een track proces de nieuwe doelssterkte, afstand en doppler af en verwijdert bovendien de met dat doel samenhangende echo's uit de range-doppler matrices.

Verder kunnen voor sterke echo's met een grote genormaliseerde echosterkte de ondubbelzinnige afstand en doppler direct, op een op zich bekende wijze uit de beschikbare range-doppler matrices worden bepaald in sterke doelengenerator 9. Hierbij wordt dus het cluster before detect principe niet toegepast maar worden individuele range-doppler matrices gedrempeld onder toepassing van de bijbehorende in achtergrondgeheugen 7 opgeslagen achter-grondmatrices plus een additionele drempelwaarde en de voldoende sterke echo's vervolgens gekombineerd ter verkrijging van de ondubbelzinnige afstand en doppler van de bijbehorende doelen. Deze worden afgegeven ten behoeve van verdere, op het radarapparaat aan te sluiten processing waarna de bijbehorende echo's uit de range-doppler matrices worden verwijderd. Uiteindelijk zullen in deze matrices uitsluitend zwakke echo's van mogelijke doelen overblijven.

Ten behoeve van het cluster before detect proces wordt een range-doppler matrix in range en in doppler uitgevouwen tot een ondubbelzinnige range-doppler matrix, waarin een doel met zekerheid ondubbelzinnig aanwezig is samen met een aantal zogenaamde ghost targets of ghosts. Hoe vaak wordt uitgevouwen hangt af van de PRF, de radarzendfreguentie en de gespecificeerde maximum range en maximum doppler-snelheid. Als bijvoorbeeld de PRF 5 KHz bedraagt is de dubbelzinnige range 30 km. Als de gespecificeerde maximum range 150 km bedraagt, moet in range dus vijf keer uitgevouwen worden. Met deze PRF kan een dopplerfrequentie van 0-5 Khz worden bemonsterd, wat bij een radarzendfreguentie van bijvoorbeeld 10 Ghz neerkomt op een snelheid van 75 m/sec. Voor een gespecificeerd snelheidsgebied van -600m/sec tot 600 m/sec moet in doppler dus 16 keer worden uitgevouwen. De uitgevouwen range-doppler matrix bevat dan voor elk doel één echt doel en 47 ghost doelen, allen met dezelfde genormaliseerde echosterkte.

De uitgevouwen range-doppler matrices worden in een geheugenveld in eerste kombinatiemiddelen 10 geschreven, waarbij ze bovendien achtereenvolgens voor alle te kombineren bursts worden gesommeerd. Hierbij geldt dat voor echte doelen, die althans voor kleine veranderingen van de PRF en voor kleine veranderingen van de radarzendfreguentie steeds op dezelfde plaats in elke uitgevouwen range-doppler matrix verschijnen, de genormaliseerde echosterkten worden gesommeerd. Ghosts daarentegen verschijnen voor verschillende burst op verschillende plaatsen en zullen dus alleen bij hoge uitzondering sommeren. Op deze wijze zullen door het sommeren de echosterkten van ware doelen toenemen en van ghosts nagenoeg niet. De in eerste kombinatiemiddelen 10 gegenereerde gekombineerde range-doppler matrix wordt vervolgens samen met een op geheel vergelijkbare wijze in tweede kombinatiemiddelen 11 gegenereerde uitgevouwen en gekombineerde achtergrondmatrix aangeboden aan drempeling 12, die bij een drempeloverschrijding een detectie genereert. De drempeloverschrijding wordt aan zwakke doelengenerator 13 toegevoerd, die ten behoeve van verdere processing de doelssterkte, doelsafstand en doppler van het bijbehorende doel genereert en bovendien het doel plus de bijbehorende ghosts uit de gekombineerde range-doppler matrix verwijdert. Op deze wijze kan men, door met de sterkste echo in de gekombineerde range-doppler matrix te beginnen, alle doelen opsporen.

Als de PRF of de radarzendfrequentie significant gaat variëren, dan is het zonder additionele maatregelen niet mogelijk de verschillende uitgevouwen range-doppler matrices verliesvrij te sommeren, omdat de schaal althans in dopplerrichting verschilt. Nemen we als voorbeeld een radarapparaat werkend met bursts van 16 pulsen met een PRF van 5 Khz en een radarzendfrequentie van 10 Ghz. De range-doppler matrix heeft dan dopplerquanten van 75/16 m/sec. Verlaagt men de PRF tot 4 Khz, dan worden de dopplerquanten 60/16 m/sec. Een doel met een bepaalde snelheid zal daarom bij verschillende range-doppler matrices in verschillende kolommen verschijnen. Dit probleem kan elegant worden opgelost door de radarzendfrequentie en de PRF evenredig te variëren, waarbij zoals bekend de grootte van de dopplerquanten niet verandert. Is dit niet mogelijk, of ongewenst, dan is één of andere vorm van interpolatie nodig voordat de uitgevouwen range-doppler matrices kunnen worden gekombi-neerd. Men kan bijvoorbeeld de uitgevouwen range-doppler matrix afbeelden op een standaard matrix, die in range dezelfde rangequanten kent als de range-doppler matrices maar in doppler dopplerquanten kent die kleiner zijn. De standaardmatrix is dan onderdeel van eerste kombinatie-middelen 10 en wordt gevuld met behulp van de uitgevouwen range-doppler matrices, waarbij elk matrixelement van de standaardmatrix wordt gevuld met behulp van het meest nabijgelegen matrixelement uit de uitgevouwen range-dopplermatrix of uit een interpolatie van de meest nabijgelegen matrixelementen.

Verder geldt dat tengevolge van de in doppler filterbank 4 noodzakelijk toegepaste weging doorgaans doppler straddling zal optreden, waardoor een doel in enkele aaneengesloten filteruitgangen zichtbaar is, wat de interpolatie weinig kritisch maakt.

Het is mogelijk dat in één enkele range-doppler matrix een sterke stoorpuls optreedt, die zonder verdere maatregelen na uitvouwen en kombineren de drempeling zou passeren. Om stoorpulsen te onderdrukken wordt daarom nagegaan dat een echo in tenminste N uit M oorspronkelijke dubbelzinnige range-doppler matrices aanwezig was, welke matrices in range-doppler geheugen 6 beschikbaar zijn. Hoe N en M worden gekozen hangt af van het aantal bursts dat is gekombineerd in de gekombineerde range-doppler matrix, van het overeenkomstige element in de additionele matrix en van de gewenste false alarm rate en detectiekans. Voldoet de echo aan het N uit M kriterium, dan wordt hij voor verdere verwerking afgegeven.

De doelengenerators 8, 9, 13, de kombinatiemiddelen 10, 11 en de drempeling 12 kunnen met voordeel worden gerealiseerd als geschikt geprogrammeerde digitale signaalprocessors (DSP's), werkend op één geheugenveld waarin range-doppler geheugen 6, achtergrondgeheugen 7 en de geheugenvelden van eerste kombinatiemiddelen 10 en tweede kombinatiemiddelen 11 zijn ondergebracht.

Claims

1. Radarapparaat omvattende antennemiddelen, op de antennemiddelen aangesloten zendermiddelen voor het genereren van bursts van radarzendpulsen, op de antenne-middelen aangesloten ontvangermiddelen en een daarop aangesloten doppler filterbank voor het per burst genereren van een range-doppler matrix van echosterkten representerende range-doppler elementen, kombinatiemiddelen voor het kombineren van de per burst verkregen range-doppler matrices en drempelmiddelen voor de drempeling van de gekombineerde range-doppler matrices, met het kenmerk, dat de kombinatiemiddelen zijn ingericht voor het kombineren van de uit de bursts verkregen in range en in doppler-snelheid dubbelzinnige range-doppler matrices tot een gekombineerde ondubbelzinnige range-doppler matrix en dat de drempelmiddelen een drempeling van de gekombineerde range-doppler matrix omvat.

2. Radarapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het aantal radarzendpulsen in een burst althans in hoofdzaak overeenkomt met het aantal kanalen van de doppler filterbank.

3. Radarapparaat volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat voor de verschillende bursts de PRF verschilt.

4. Radarapparaat volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat voor de verschillende bursts de radarzendfrequentie verschilt.

5. Radarapparaat volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de range-doppler elementen genormaliseerde echosterkten representeren.

6. Radarapparaat volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat per range-doppler matrix is voorzien in een achtergrond matrix, waarbij een matrixelement de geschatte achtergrond van het bijbehorende range-doppler element representeert.

7. Radarapparaat volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de kombinatiemiddelen zijn ingericht voor het in twee dimensies uitvouwen van de dubbelzinnige range-doppler matrices tot ondubbelzinnige range-doppler matrices.

8. Radarapparaat volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de kombinatiemiddelen zijn ingericht voor het elementsgewijs sommeren van de ondubbelzinnige range-doppler matrices tot de gekombineerde range-doppler matrix.

9. Radarapparaat volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de kombinatiemiddelen zijn ingericht voor het in twee dimensies uitvouwen van de achtergrondmatrices en voor het elementsgewijs sommeren van de geschatte achtergronden ter verkrijging van drempelwaarden voor de gekombineerde range-doppler matrix.

10. Radarapparaat volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de drempeling verder omvat een beslissingscircuit voor het per gekombineerd range-doppler element waarvoor de drempel wordt overschreden bepalen van de unambiguous doelsafstand en doelssnelheid en voor het uit de gekombineerde range-doppler matrix verwijderen van de bij dat doel horende ghost targets.