NO319492B1 - Bestemmelse av et radarmals posisjon - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte for bestemmelse av et radarmåls posisjon, særlig slik det fremgår av innledningen av krav 1 i de patentkrav som følger etter en beskrivelse av oppfinnelsen, nemlig en fremgangsmåte for bestemmelse av posisjonen av et radarmål som strekker seg over flere oppløsningsceller og hvor de ekkosignaler som reflekteres fra oppløsningscellene blandes i basisbåndet slik at det frembringes et amplitudemodulert signal som følge av refleksjonene fra radarmålet, hvor amplitudeverdiene av signalene i basisbåndet bestemmes, i det minste de amplitudeverdier som er tilordnet de oppløsningsceller som dekker et radarmål, og hvor posisjonen av radarmålet bestemmes ut fra størrelsen av amplitudeverdiene og/eller amplitudefordelingen i det område som bestemmes av oppløsningscellen.

I patentkravene finnes uttrykket "oppløsningscelle", og dette uttrykk vi både gjelde "radaroppløsningscelle" så vel som "områdeoppløsningscelle". En radaroppløsningscelle angir den romlige oppløsning av et radaranlegg og er en bygningsmessig fastlagt konstant for dette anlegg. Med uttrykket "områdeoppløsningscelle" forstås etter behov flere radaropp-løsningsceller i sammenstilling. En områdeoppløsningscelle er altså tredimensjonalt langt større enn en radaroppløsningscelle.

Oppfinnelsen gjelder særlig posisjonsbestemmelse av radarmål med stor flateutstrekning, f.eks. frakt- eller personfartøyer som kan tåle svær sjø. Slike radarmål omfatter flere oppløsningsceller, f.eks. flere hundre, når et slikt radarmål beveger seg forbi et radarapparat i relativt liten avstand og/eller når radarapparatet har en stor romlig oppløsning. Denne tilstand er f.eks. tilfelle ved radarovervåkingen av havnetilløp og/eller skipsfartsleder. Således er det der f.eks. nødvendig å kunne bestemme posisjonen av ett eller flere skip ganske nøyaktig ved hjelp av et stasjonært radarapparat, og skipene vil vanligvis på grunn av sin størrelse ha en relativt beskjeden manøvreringsdyktighet. Posisjonsbestemmelsen må videre følges opp, f.eks. for å la skipet følge en gitt led og/eller for eventuelt å hindre mulighet for kollisjon.

Slike flatemål, f.eks. et skip med lengde på kanskje 200 m kan på grunn av sin konstruksjon, f.eks. oppbyggingen og/eller lasten representere en lang rekke radarreflektorer. Et skip i bevegelse får i tillegg både baug- og hekkbølger (kjølvann) som likeledes vil reflektere radarbølger og derfor også vil endre det egentlige radarmål som er skipet, når det gjelder dets utstrekning. Særlig forstyrrelse for bestemmelse av målposisjon er refleksjoner som oppstår på selve skipet og faller sammen med nytteekkoene. Videre kan et radaranlegg, særlig på grunn av radarantennens såkalte sidelober også gi falske radarekko som tilsynelatende kommer fra radarmål som altså er fiktive, men som i mange tilfeller også beveger seg sammen med det riktige mål som skipet utgjør.

Skal altså posisjonen av et radarfiatemål, f.eks. et skip bestemmes nøyaktig utelukkende i en slik radarsituasjon, dvs med størst mulig romoppløsningsevne for radaranlegget, f.eks. minst en 1/10 av skipslengden vil det i første rekke være nødvendig å finne et karakteristisk radarreferansepunkt i det bestemte radarmål, f.eks. skipet, hvoretter man følger dette punkt over tid.

Det er nå nærliggende å velge den reflektor i målet som har størst radar-ekkoamplitude, som referansepunkt. Det viser seg imidlertid å være uheldig i tilfeller hvor en rekke likeverdige reflektorer og/eller fiktive reflektorer er anordnet nær hverandre.

Videre kan det være nærliggende å danne et flatemiddelpunkt eller -tyngdepunkt i radarmålet og bestemme og følge dette som et karakteristisk referansepunkt, ved at man ved integrasjon og/eller middelverdidannelse kommer frem til et slikt punkt i et storflateradarmål som som mål betraktet er sammensatt av flere reelle og/eller fiktive enkeltmål. Et slikt bestemt referansepunkt vil imidlertid på ufordelaktig måte kunne endre seg vesentlig og derved gi en posisjonsforrykking av det egentlige mål, f.eks. skipet, og et slikt tilfelle vil særlig kunne oppstå når kjølvannsbølgen bak skipet endrer seg kraftig, f.eks. ved at skipet endrer fremdriftshastighet. I et slikt tilfelle vil en sterk endring av den radarrefleksjon som er tilordnet kjølvannsbølgene og som vil inngå i den etablerte middelverdi- og/eller integrasjonsdannelse for å komme frem til posisjonen av radarflatemålet kunne endre seg på forstyrrende måte. Tilsvarende problemer oppstår ved aspektavhengige refleksjoner fra selve skipet.

Fra patentlitteraturen skal særlig vises til US patent 5 300 933 for bestemmelse av et måls posisjon og reduksjon av faren for ulykker på en rullebane.

Oppfinnelsens oppgave er på denne bakgrunn å komme frem til en bedre måte å gi en pålitelig bestemmelse av et radarmål med stor flate, ved at et underordnet referansepunkt på målet bestemmes entydig. I karakteristikken i det allerede nevnte krav 1 er det satt opp trekk som viser hvordan dette kan foregå, nemlig ved følgende fremgangsmåtetrinn: - bestemmelse av en amplitudeverdi som tilsvarer minst ett ekkosignal som mottas i et gitt område for enhver tilhørende oppløsningscelle, - utledning av en maksimal amplitudeverdi fra de gitte amplitudeverdier tilhørende oppløsningscellen, - utvelgelse av de M største amplitudeverdier ut fra de maksimale amplitudeverdier tilordnet samtlige oppløsningsceller, idet M er et gitt positivt heltall, - bestemmelse av koordinatene (E, AZ) for de tilhørende oppløsningsceller for de M største amplitudeverdier, - utledning av middelverdiene (E(F), AZ(F) som er tilordnet koordinatene (E, AZ), og - bestemmelse av et referansepunkt hvis koordinater samsvarer med den tilhørende middelverdi, idet radarmålets posisjon på sin side bestemmes av referansepunktet.

Fordelaktige utførelser og/eller videreutviklinger av denne fremgangsmåte vil fremgå av de etterfølgende underkrav.

En første fordel med oppfinnelsen ligger i at det etablerte radarreferansepunkt er stabilt i forhold til radarflatemålets form ved refleksjonen. Målet kan derved bevege seg uten at referansepunktet forskyver seg på forstyrrende måte, dvs uten at det dukker opp fiktive romendringer av forstyrrende karakter. Det muliggjøres også en pålitelig målfølging.

En annen fordel ligger i at referansepunktet for større skip i alt vesentlig tilsvarer skipets midte, hvorved posisjonsbestemmelsen på basis av referansepunktet på pålitelig måte vil samsvare med skipets virkelige posisjon som alltid angis for midtpunktet.

Ytterligere fordeler vil fremgå av den detaljbeskrivelse som nå følger, av bestemte utførelser.

Oppfinnelsen bygger på analyse av demodulerte radarekkosignaler i basisbånd-området, dvs. innenfor videofrekvensområdet. I dette område fremstilles de ekkosignaler som i form av amplitudemodulerte signaler dannes ved refleksjon i et radarmål/en oppløs-ningscelle, og dette betyr at en god radarreflektor blir tilordnet en stor amplitudeverdi av det reflekterte signal. Det er hensiktsmessig å velge størrelsen av oppløsningscellene vesentlig mindre, f.eks. bare en tiendedel av størrelsen av det radarmål man har, f.eks. et skip. Derved får man en god radarfremstilling av målet.

Inneholder nå et gitt område som er sammensatt av en rekke oppløsningsceller, et radarmål med stor flateutstrekning, f.eks. et skip, vil med fordel et referansepunkt som fortrinnsvis etableres i samsvar med den SGS-fremgangsmåte som nå skal beskrives, utredes, idet SGS står for Schwerpunkt-Verfahren mit Hilfe einer Geordneten Statistik, dvs en tyngdepunktsfremgangsmåte som bygger på statistisk fordeling. Referansepunktet er som nevnt fortrinnsvis skipsmidtpunktet. Ved SGS-fremgangsmåten velges først ut de oppløsningsceller som har de M største amplituder, ut fra området, idet M er et forhåndsbestembart helt positivt tall. Dette uttrekk av de M største amplituder kan utføres på forskjellig måte, bl.a. kan amplitudene tas ut fra totalområdet eller et romlig begrenset delområde som f.eks. kan anta form av en smal stripe. Delområdet kan f.eks. omfatte radarfremstillingen av et skip, innbefattet samtlige refleksjoner og derved også de tilhørende baug- og hekkbølgerefleksjonene. Ved uttrekkingen av de M største amplituder vil man i hvert tilfelle beholde tilordningen av den aktuelle oppløsningscelle.

Bestemmelse av de største amplituder skjer særlig ved at radarovervåkingsområdets avstands- og asimutområde kvantiseres for digital bearbeiding. Hvert radarekko karakteriseres entydig ved amplitude, avstand og asimut, og i hver avstandskvante er det anordnet en vandrevindudetektor for målerkjennelseskriteriet og et asimutanordnet maksimalvindu for bestemmelse av de amplitudemaksima man har i denne avstandskvante. Ved flere like store amplituder i en avstandskvante vil det ikke foreligge noen entydig maksimal amplitude, og da er den midlere posisjon for samtlige like amplituder relevant. Denne midlere posisjon tilordnes i så fall den maksimale amplitude. For alle de på denne måte uttrukne maksimale amplituder dannes de midlere posisjoner, og ut fra disse, via statistisk ordning frembringes en amplituderangfølge som lagres i en liste. Til slutt trekkes den største amplitude ut fra denne liste.

Med start i uttrekkingen av denne (absolutt) største amplitudeverdi går man til den nest største osv til i alt M - 1 bestemmelser. Samtlige amplitudeverdier fremkommer ved statistisk behandling.

Frembringelsen av de M største amplituder og de tilhørende oppløsningsceller tilhørende et flatemål utføres for hvert omløp av den roterende radarantenne eller en tilsvarende syklisk avsøkingsperiode for en hovedlobe i antennekarakteristikken.

Hvis antenneloben under denne syklus kommer til å forlate det aktuelle flatemål F dannes for målet et referansepunkt med avstandskoordinatene E (F) og asimutkoordinatene A2(F), i henhold til formelen:

I formelen angir:

S(E) summen av alle avstander, målt fra radarantennen, til oppløsningscellene som er tilordnet de M utvalgte amplituder,

S(AZ) summen av alle asimutverdier som er tilordnet de M oppløsningsceller, og M antallet oppløsningsceller = antallet utvalgte amplitudeverdier.

Et referansepunkt som er utledet på denne måte vil på en fordelaktig måte være stabil, dvs radarformen (formen av et flatemål på en radarskjerm) av et flatemål vil være tilordnet punktet, og dette vil også i størst mulig grad være uavhengig av tiden (antallet syklusforløp av antennen). Et slikt referansepunkt kan derfor brukes pålitelig for posisjonsbestemmelser såvel som følging av et flatemål, og punktet er særlig fordelaktig ved at et større skip får et referansepunkt som vil ligge nær skipsmidtpunktet, og en pålitelig følging kan således også utføres.

Den beskrevne fremgangsmåte er ikke bare begrenset til anvendelsen å overvåke skipstrafikk, men kan brukes på en rekke andre radarmålområder. F.eks. kan størrelsen av en oppløsningscelle velges i samsvar med størrelsen av en flatemåler og/eller nøyaktigheten av stedet for det referansepunkt som er bestemt, og det er gjerne hensiktsmessig at man velger tallet M som en innstillbar variabel som kan utledes empirisk. Ved høyopp-løsningsradaranlegg velges M større enn ved anlegg med dårligere oppløsning. Videre er M avhengig av den absolutte amplitudestørrelse av ekkosignalene, f.eks. bør M velges mindre for et flatemål som er tilordnet mindre amplituder, enn et større amplitudemål som gir større ekkoamplituder og altså fremstiller en bedre radarreflektor.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av et radarmåls posisjon, hvilket mål strekker seg over flere oppløsningsceller og hvor: - de ekkosignaler som reflekteres fra oppløsningscellene blandes i basisbåndet slik at det frembringes et amplitudemodulert signal som følge av refleksjonene fra radarmålet, hvor - amplitudeverdiene av signalene i basisbåndet bestemmes, i det minste de amplitudeverdier som er tilordnet de oppløsningsceller som dekker et radarmål, og hvor - posisjonen av radarmålet bestemmes ut fra størrelsen av amplitudeverdiene og/eller amplitudefordelingen i det område som bestemmes av oppløsningscellen,karakterisert ved: - bestemmelse av en amplitudeverdi som tilsvarer minst ett ekkosignal som mottas i et gitt område for enhver tilhørende oppløsningscelle, - utledning av en maksimal amplitudeverdi fra de gitte amplitudeverdier tilhørende oppløsningscellen, - utvelgelse av de M største amplitudeverdier ut fra de maksimale amplitudeverdier tilordnet samtlige oppløsningsceller, idet M er et gitt positivt heltall, - bestemmelse av koordinatene (E, AZ) for de tilhørende oppløsningsceller for de M største amplitudeverdier, - utledning av middelverdiene (E(F), AZ(F) som er tilordnet koordinatene (E, AZ), og - bestemmelse av et referansepunkt hvis koordinater samsvarer med den tilhørende middelverdi, idet radarmålets posisjon på sin side bestemmes av referansepunktet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat i det minste de M største amplitudeverdier utledes ved hjelp av en fremgangsmåte for ordnet statistikk.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat den maksimale amplitudeverdi av en oppløsningscelle utledes ved hjelp av en integrasjonsfremgangsmåte som summerer alle amplituder som er tilordnet oppløsningscellen.

4. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat tallet M velges i avhengighet av størrelsen av en oppløsningscelle og/eller størrelsen av den maksimale amplitudeverdi.

5. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat størrelsen (flate, volum) av en oppløsningscelle velges i avhengighet av størrelsen av radarmålet, på slik måte at cellens størrelse blir vesentlig mindre enn målets.

6. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav,karakterisert vedat et skip velges som radarmål og at referansepunktet fastlegges som skipets midtpunkt.