SE452666B - Forfarande och anordning for radarmalspaning - Google Patents

Description

452 666 L Rent teoretiskt borde ett förfarande enligt den engelska patentskriften fungera väl och resultera i en liten risk för röjning. Emellertid erfor- drar den ett stort antal modulationsorgan, nämligen lika många som an- talet primärstrålare, vilka styres från styrenheten. Mångfalden av modu- lationsorgan reducerar tillförlitligheten även om antennen är fast, vil- ket erfordras med detta förfarande. Det förhållandet att antennen är fast och därför arbetar över en begränsad rymdvinkel gör också förfa- randet mindre attraktivt.

En mera allvarlig invänding mot förfarandet är att (p g a den upprepade änd- ringen av lobmönstret, som medför en oönskad fasvariation) signalkohe- rensen under övermålningen endast kan uppnås vid symmetriska lobmönster, vilket innebär en kraftig inskränkning av antalet möjliga lobmönster. Det begränsade antalet lobmönster medför i sin tur att röjningsrisken kan bli större än vad som önskas.

Vidare är det känt att medelst en multilobantenn fördela den utstrâlade effekten spatiellt i flera simultana, tidsinvarianta lober, varigenom röj- ningsrisken reduceras. Emellertid medför den totala sektorvinkelns rela- tivt stora vinkelvärde hos en mulitlobradarantenn att både mätnoggrannhe- ten och-vinkeldiskrimineringen blir dåliga.

Syftet med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande och en anordning vid radarspaning som ger ett bra röjningsskydd och samtidigt stor vinkel- diskriminering samt mätnoggrannhet.

Detta syfte uppnås genom att utsänd signaleffekt sprides spatiellt i flera simultana, tidsinvarianta lober och att var och en av loberna tilldelas ett kodelement, vilka kodelement är så beskaffade att reflekterade mottagna signaler i tiden bildar en kodsekvens, vars elementhar ett inbördes förut- bestämt förhållande och att den bildade kodsekvensen korreleras med en sekvens av element som är proportionella mot nämnda kodsekvens konjugerade element.

Elementen med inbördes förutbestämt förhållande bildar en kod, vilken företrädesvis väljes på så vis att dess autokorrelationsfunktion har ett smalt och högt maximum samt små sidlober. 3 452 666 Spridningen av signaleffekten på flera huvudlober minskar den i varje riktning utsända signaleffekten, varigenom röjningsrisken blir låg. Kod- ' ningen av mot lobernasvarande signaler medför att vinkeldiškrimífleriflgen mellan olika mal förbättraslika många gånger som antalet utnyttjade huvudlober.

Såsom närmare framgår nedan är det en förutsättning för uppfinningen att från målet reflekterad signal är koherent (faskonstant) eller bringas att vara koherent under övermâlningstiden. Detta förutsätter att målet har liten hastighet relativt antennen eller att kompensation härför åstadkommas i mottagaren.

Förfaringsättet enligt uppfinningen beskrives närmare nedan utifrån två föredragna utföringsformer av en anordning för dess genomförande samt med hänvisning till bifogade ritning, på vilket fig l schematiskt visar en första utföringsform av uppfinningen med sju huvudlober, fig 2 visar de sju strålningsloberna polärt, fig 3 schematiskt visar en andra utföringsform av uppfinningen med sju strålningslober, fig 4 visar dels autokorrelationsfunktionen för en som exempel utnyttjad kod, dels autokorrelationsfunktionen för en konventionell multilobantenn med 7 lober och fig 5 visar den som exempel utnyttjade koden.

I fig l visas som exempel på uppfinningen en i och för sig känd multi- lobradarantenn, här med sju huvudlober Ll - L7, vilka är visade överst i figuren och i'fig 2 âskâdliggöres polärt i ett koordinatsystem XYZ.

En sändflifigsffekt P matas diskret eller kontinuerligt till antennen och 'fördelas i ett effektfördelningsnät l via n = 7 portar Pl - P7 üämt till motsvarande ingângspontar Ql - Q7 hos ett antennfördelningsnät 2. Detta fördelar pâ känt vis effekten till multilobantennens m primärstrålare 3, som var och en lämnar bidrag till var och en av de visade 7 huvudloberna Ll - L7 med maximal förstärkning i skilda riktningar i rummet. Dessa simultana huvudlober är spatiellt utbredda med sina huvudlobaxlar i ett plan över en sektorvinkel samt är tidsinvarianta.

Dessutom erhålles till varje huvudlob Ll - L7 från primärstràlarna bidrag till sidolober, vilka ej visas på riktningen. Antennen och de sju loberna bringas att täcka ett spaningsområde i rymden genom att med en svepnings- hastighet m svepa runt en axel som bildar rät vinkel med lobernas gemen- samma huvudloöaxelplan. Denna axel sammanfaller i fig 2 med koordinat- systemets XYZ Z-axel. 452 666 H Antag att en huvudlob, t ex den i fig l och 2 visade loben L7, just passe- rat ett mål T, vilket är markerat med en fvlld cirkel. Från målet reflek- terad, mottagen ekosignal överföres genom fördelningsnätet 2 och via SM- omkopplare till dess sju utgångsportar Rl - R7.

Utsignalen från varje port Rl - R7 hänför sig till en och samma huvudlob eller en inom denna fallande sidolob hos någon av de andra huvudloberna och tilldelas i en kodningsanordning 4 ett specifikt kodelement (ÉH då .. Éä) där beteckningenlvöver elementen anger att dessa kan vara komplexa.

Således kan både amplituden och/eller fasen kodas-Såsom beskrives närmare nedan ärdessa kodelement en linjär transformation av valda kodelement¿ _ vilka har förutbestämt inbördes förhållande för att bilda en kod med en autokorrelationsfunktion som har önskade egenskaper.

Kodningsanordningen 4 kan vara uppbyggd på lämpligt vis. Den visas här med individuella kodningsorgan ll i form av en förstärkare för varje kodelement (eg) och avger kodade utsignaler parallellt på sina utgångar.

Dessa utsignaler summeras i en summeringsenhet 5, vars utsignal SR(v) via-en frekvenstransformerande och grindande enhet 6 på känt sätt trans- fonneras ned från högfrekvens till mellanfrekvens eller videofrekvens och grindas på likaledes känt sätt när den utsända signalen är pulsad.

Utsignalen från den frekvenstransformerande enheten tillföres ett korrela- tionsorgan 7 eller anpassade filter.

I takt med systemets klockfrekvens fšismnär proportionell mot antennens rotationshastighet w, matas de kodade summasignalerna §R(l), šk(2),.. . š§(7) in till korrelationsorganet 7, vilket schematiskt visas innehålla ett skiftregister. I korrelationsorganet 7 hålles ständigt korrelations- storheter 61k, ä; .....m'o\:'7* tillgängliga for multiplikation med de in- matade sunmasignalerna SR(v)_ vidare summeras de erhållna produkterna. En tröskelkrets 9 är via en grind 8 ansluten till korrelationsorganets 7 ut- gång. Grinden 8 öppnas i takt med korrelationsorganets klockfrekvens fa.

Tröskelkretsen 9 har en tröskelnivâ som tillåter passage av en utsignal från korrelationsorganet när optimal korrelation föreligger för en mottagen ekosignal. Tröskelkretsen är i sin tur ansluten till en efterföljande sig- I nalbehandlingskrets l0 med indikator för bearbetning av erhållna signaler I allt efter önskemål i varje fall. 5 452 666 När såsom visas i fig l och 2 loberna Ll-L6 samt loben L7 just passerat målet T matas den kodade summasignalen §å(7) in i korrelationsorganet 7, varigenom optimal korrelation erhålles i korrelationsorganet. Tröskel- kretsen 9 detekterar korrelationen och avger en utsignal till Signalbe- handlingskretsen l0. För ett mål i ett annat vinkelläge inträffar opti- mal korrelation vid en annan tidpunkt som svarar mot att loben L7 just passerat målet, 7 Korrelationsstorheterna {É}*}1 utgör konjugaten till förubestämda kod- element {,c'1-}17 i en kodl som är vald lörattge en autokorrelationsfunktion med önskade egenskaper.

Det inbördesförhållandet mellan de valda kodelementen {ci} och de kodele- ment {É;}, som tilldelasrespektive lob,framgår av den följande matema- tiska beskrivningen av utföringsformen enl fig l vid övermålning av ett punktmål T, som i lobdiagram i fig l och 2 är beläget i azimutvinkeln 0.

Den från målet reflekterade signalens fältstyrka Ü är lika med gg när den vzte loben just passerat målet vid tidpunkten t = v-to och förutsättes således vara konstant under övermålningstiden. Loberna antages svepa mot- sols i pilens riktning i fig 2. Var och en av antennens huvudlober Ll - L7 erhåller bidrag från övriga huvudlobers sidlober. Den izte huvudlobens sidlobsbidrag till den vzte huvudloben kan skrivas §§i.

När effekten fördelas lika över samtliga huvudlober kan allmänt för n huvudlober den vzte lobens utsända signal då normerat skrivas: 'u _] V SIM = 7%* švi * 'švz-*gov-'*ršvn) där gsv är den vzte huvudloben.

Mottagen signal šR(v) (vederbörligen normerad) vid tidpunkten t = v~to , | dvs när den vzte loben just passerat målet, på kodningsanordningens ut- 3 gångar är (vågutbredningsfördröjningen försummas för att förenkla beskriv- ningen): N N N 'šRnn = Éïm (švl-ëf] + ...Hšvv-ev + .mgvn-anfio förstärkningen eller dämpningen i resp antenngren. Om en understrykning där ei är kodelementi kodningsanordningen och representerar fasvridningen, \ av en storhet anger att storheten är en vektor gäller att. 1 - u r' al __ "' T (gul + gv2 + ____ __ gun) _ (gv ° 1), 452 666 ß viiket är skaiärprodukten meïian vektorerna 2 T T 1 = (1, 1, ....1) och äs = (ššl, QQZ, ... gvn) På samma vis är T (Év1-'ë1+§'v2-'ë'2 + ......'§'vnen) = (Ég-'v - ) lm? Vektorerna {š;Ffl är beroende av antennens utformning och representerar radvektorer i en kvadratisk matris G, medan_š är en koionnvektor.

För den vzte ioben kan då de mottagna signaierna skrivas: '“ _ 'I T _ m T _f\, n, SW) - 7~ (å, LNE» 9% ax Om korreïationsstorheterna betecknas 2 kan sïutiigen den “korre1erade" 'b signaien SC vid tiden t = vto skrivas 'L 'b N T w = SRMPJ* = ä* êJ - må» -.?> där {Év}:' är den i ifrågavarande fal] valda kodens kodeiemengviika står i inbördes förutbestämda förhåïianden och {É;f}ß=1 är de konjunge- rade kodeïementen.

För att optimai korrelation skaii erhåiias skaii föijande förhåiïande gälïaz 7§1«<š\f-1><ävT-ë>='ë° vilket är ett särskiit särdrag för uppfinningen 't 452: 666 Radvektorerna 'gïvï i matrisen G är invarianta och kända pà förhand (be- räknade eller uppmätta). Således kan från relationen ovan vektorn g lätt bestämmas som ' š= M - E , där M = G4, inversen till G om den existerar och Pa: i=1|2onvIn 'b (åiï ° l) Enligt uppfinningen är (Éä. Éé, .....É;), här är n = 7, den på förhand valda kodens kodelement, vars konjuggraae. kodelement 'ET ......'<\:'n' utgör korrelationsstorheterna. Kodvektorn få, vars element tilldelas de från resp lob härrörande mottagna signalerna,är proportionell mot den förutbestämda kodvektorn g och erhålles genom beräkning av det linjära ekvationssystemet OVBIl.

Efter korrelati on erhålles '7 'V n. -x- 'u n n. m» _ .- '- v-X SR(v PU-cv - oo Z cwlk ev - oo RW) "F" v=p+l där film) är autokorrelationsfunktionen.

Vid optimal korrelation erhålles 'bNår CC N _ SRW) c = v v “M3 där R(o) är autokorrelationsfunktionens maximivärde.

Genom ett intelligent val av kodelementen {É;šq. kan en för ändamålet mycket lämplig auotkorrelationsfunktion erhållas. En sådan lämplig auto- korrelationsfunktion har ett smalt och högt maximum samt små sidolober.

Uppfinningen har med utföringsformen ovan prövats med Huffman-7 kod och Barker~7 kod. I Huffman-7 koden l. 2, 2, 0, -2, 2, -l kodas t ex fasen mellan 0 och n samtidigt som amplituden varieras i takt med beloppen. För denna kod visas dess teoretiska autokorrelationsfunktion Al i fig 4, vilken också som jämförelse visar den teoretiska autokorrelationsfunktioaen A2 för en multilobradarantenn med sju stycken icke kodade lober, varvid i de båda fallen lobernas sektorvinkel är densamma liksom den totalt utstrålade effekten. I fig 4 visas för tydlighets skull endast hälften av de båda autokorrelationsfunk- tionerna Al, A2 i var sin halva av diagrammet. .452 666 g Det framgår att kodningen av loberna med Huffman-7 koden ger en autokorrela- tíonsfunktíon, vars maximum är 7 ggr smalare än utan kodning, vilket med- för att vinkeldískrímineringen är í princip 7 ggr bättre och vinkelmätnog- grannheten är ungefär 7 ggr bättre. Vidare är sidlobsförhållandet väsent- ligt större vilket också medför bättre vinkeldiskriminering.

Emellertid är uppfinningen ej begränsad till dessa två nämnda koder utan omfattar alla koder som har en autokorrelationsfunktion av liknande slag.

Eftersom kommutativitet råder i den senare ekvationen för š;(v) på sid 6 kan (§;T - g) hänföras till sändarsidan istället för mottagarsidan och _ vice versa för (§§ - 1). Detta innebär att kodningen kan ske på sändar- sidan istället för på mottagarsidan, i vilket fall kodningsanordningen 4 är kopplad mellan effektfördelningsnätet l och antennfördelningsnätet 2 eller ingår i det förra såsom visas i fig 3, vilket visar en annan, ytterligare modifierad utföringsform av uppfinningen. ' I utföringsformen enligt fig 3 är kodanordningen 4 med individuella kodnings- organ ll belägen på antennens sändningsida. Varje kodningsorgan ll tilldelar ' en huvudlob Li ett specifikt kodelement gi genom matning av resp primär- strålare 3 på lämpligt vis i beroende av resp kodelement gi . På fördelnings- kretsens 2 mottagarutgångar R,¿ erhållna signaler Ékßv) får förstpassera en frekvenstransformerande och grindande enhet l6, varefter de via en multi- plexer l5 sekvensiellt tillföres sju stycken parallella korrelationsorgan I 7 av samma slag som i utföringsformen i fig l.Korrelationsorganen '7 inkopplas således successivt så att t ex vid den första lobens L1 passage av målet T E utsignalen §š(l¿ från utgången Rl inmatas till det första korrelationsorganet I och utsignalen SR(1) från utgången R2 inmatas till det andra korrelationsor- ganet osv. Vid den andra lobens L2 passage av målet matas utsignalen från utgången R2 till det första korrelationsorganet och utsignalen från utgången 1 R3 till det andra korrelationsorganet osv. I När optimal korrelation föreligger i något korrelationsorgan 7 erhålles en utsignal via tillhörande grind 8 och tröskeldetektor 9 till signal- behandlingskretsen l0. 452 666 En matematisk beskrivning av denna utföringsform med i övrigt samma för- utsättningar som för utföringsformen i fig l ger att den utsända signalen Išflv) normer-ad kan skrivas ISVTQ) = (švï - E). Uteffekten fördelas till antennens huvudlober i enlighet med kodvektorn g. En mottagen signal 'b SR(v) från den vzte loben och på en godtycklig utgångsport Ru för antenn- fördelningsnätet kan -vederbörligen normerad skrivas: '“ '“ f» 'v . .

SRW) = ST(v) ' oo - gHw. där (v-u) representerar vinkel- avvikelsen mellafimàlets azimutvinkel och den pzte lobens pekriktning. och šwßär signalbidraget från den uzte loben till den uzte porten Ru.

Detta medför att: Lat 'Év = (ÉVT ° å), vilket kan uttryckas e' = M E, där kolonnvektorns (i: 'b element Pi är proportionellt mot di.

Den viktade eller kodade signalen från än POYI; Ru kan efter ínmatnifig i korrela- torn skrivas: N av* _ 'N T ' 'U . 'U . N . 'blf_ N I s' 2. g Sarfy) c” - (gv _e_) oo g _” cv - oo l v, v? där U anger utsänd lob och fc mottagen lab.

När v-u = 'r är den korrelerade signalen P1 n, 2 'šcui = ajllcvl a: ~ »gl e' v 2- u 'V FÖI' Tzfl gällör SC(Û) : Ûoí :Halka-o . 'vil - Kodelementen dv väljes här liksom tidigare för att bilda en kod med förut- bestämda inbördes förhållanden mellan kodelementen, varvid kodens autokorrela- tiqnsfunktion sk all ha en smal huvudlob med högt maximivärde samt ett litet sid- lobsförhållande. 452 666 10 I utföringformen enligt fig 1 tilldelas genom kodningen, antingen på sändar- sidan eller mottagarsidan, varje lob L1 - L7 ett specifikt kodelement íeilz för alstring av kodsekvensen{SR(v)}: , vars element{šLEëš_står i förutbestämda förhållanden.

I utföringsformen enligt fig 3 medför kodningen på sändarsidan att antennför- deningsnätets mottagarutgångar får de ovan nämnda utsignalerna SR ( ) för varje lob. Den vid korrelationen användbara sekvawsenefter multiplexering kan skrivas ÉR (V), vilken kan definieras š%(V) och uttryckes som v .

F' »T v» n- ~ av ~~ SRW) = (EVE) “go gw :GB °v9vv' där 51, u 1 varje fan tearetiskt är lika med 1. 2 Medelst uppfinningen försvåras passiv inmätning av den utsända signa1en,. eftersom den utstrålade signaleffekten hålles låg. Samtidigt ökar vinkeldiskri- mineringen kraftigt. Inmätningen av den utsända signalen försvåras ytterligare om siganlen är av så kallad spread-spectrum typ. En annan fördel med uppfinning- en är att de sidlobersom ligger närmast den syntetiserade huvudloben är extremt 9 små, vilket framgår av fig 4. Detta medför också förbättrad måldiskríminering i vinkel och minskar de störningar som ekcsignaler i sidloberna ger samtidigt som viss markekoundertryckning erhålles.

Claims (1)

452 666 44 Patentkrav

1. Förfarande för radarmålspaning med liten röjningsrisk under utnyttjande av en gemensam multilobantenn för sändning och mottagning i och för fördelning av tillförd effekt (P) till flera (n) simultana likformiga tídsinvarianta strålningslober (L1-L7) med sina huvudlobaxlar i samma plan, vilka lober bringas att svepa runt en axel vinkelrätt mot planet för aveökning av ett epaningsområde, k ä n n e t e c k n a t av att under bibehållande av oförändrade antennegenskaper kodas varje medelst antennen utaänd eller mottagen signal med kodelement (Éa,Éè,... ek) svarande mot en respektive atrâlningslob (L1-L7) för att, när strål- ningeloberna sveper, reflekterade mottagna signaler i tiden skall bilda en kodsekvens (UÉRU) Ü: ), vars element (if: 0- Évl. 'Üí-ÖLO- Ég-fiwyl' ) står i förutbestämda inbördes förhållanden, och att nämnda kodsekvens korreleras med en sekvens, vara element ({É-ä' 3 Q) är proportionella mot nämnda kodsekvene' konjugerade element. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att mottagna sig- naler kodas och att därefter de kodade signalerna summeras för alstring av kodsekvensen, vara kodelement ({â:D- ^3,} ? ) har förutbestämda in- bördes förhållanden. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att utsända sig- naler kodas och att de mottagna kodade signalerna summeras för alstring av kodsekvensen, vars kodelement ({ÉfoÉ\,l 1") har förutbestämda inbör_ des förhållanden. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att utsända sig- naler kodas och att de från varje lob härrörande, mottagna kodade sig- nalerna multiplexeras för alstring av kodsekvensen, vare element ( IV N N {°'a°v gwl? ) har förutbestämda inbördes förhånanden. Förfarande enligt något av krav 1-4, varvid det inbördes förhållandet mellan kodsekvensens element uttryckes som en sekvens {ÉäSf: , k ä n n e t e c k n a t av att de mot strålningsloberna (L1-L7) svarande kodelementen (ë1,ë2,... ëg) beräknas medelst ett linjärt ekvationssystem É=M IW! 452 666 [Z där M är en av antennens utformning beroende kvadratisk matris och E är en kolonnvektor, i vara tranaponerade vektor É? = (53 Bg ... 3%) gi är proportionell mot Éi för varje i. Anordning för radarmålspaning med liten röjningsrisk, innefattande en för sändning och mottagning gemensam multilobradarantenn med primär- strålare (3), ett tillhörande fördelningsnät (2) och en matningsanordning (1) inrättad att via fördelninganätet (2) fördela en tillförd signal- effekt (P) för alatring av flera av (n) simultana likformade och tids- invarianta atrålningalober (L1-L7) med aina huvudlobaxlar i samma plan, och organ för evepning av loberna runt en axel (Z) vinkelrätt mot detta plan k ä n n e t e c k n a d av att en kodningeanordning (ü) är inrättad att, under bibehållande av oförändrade antennegenakaper, koda varje medelst antennen utsänd eller mottagen signal med mot respektive strål- ningslob (L1-L7) svarande kodelement (ëä,Éë,... åk) för att, när strål- ningsloberna sveper, reflekterade mottagna signaler i tiden.skal1 bilda en kodsekvena (tšRfli )}1n), vars kodelement “Goa } 1"; {ÉOÉ'),- gcvvl) har ett förutbestämt inbördes förhållande, och en korrelationsanordning (7) för korrelation av nämnda kodsekvena, med en sekvens, vars element ( (8332 ) element. är proportionella mot nämnda kodsekvens' konjugerade Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att kodningsanord- ningen (4) är anordnad på antennens mottagningssida och har Q utgångar (R1-R7), var och en svarande mot en strålningslob (L1-L7), och att en summeringsenhet (5) är inrättad att alstra kodsekvensen ( f§%(v )}1n) genom summering av kodningsanordningens utsignaler. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att kodningsanord- ningen (ü) är anordnad på antennens sändningssida och är inrättad att modulera den i varje lob utstrålade signalen i beroende av nämnda kodelement (ëä,ëë,... åh), och att en summeringsenhet (5) är anordnad på antennene mottagningssida för alstring av kodsekvensen ( {§ë(V )} 1") genom summering av de mottagna kodade signalerna. -,. .....¿....«.. »...-N f ...'... 10. 452 666 15 Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att kodningsanord- ningen (4) är anordnad på antennena sändníngssida och är inrättad att modulera den i varje lob utstrålade signalen i beroende av nämnda kodele- ment (É1,ë'2,... en), och att en multiplexer (15) är kopplad till tör- delningemätets mottagníngsutgångar för att under multíplexeríng alstra fämda kodaekvene (íötontzlv _ Anordning enligt något av krav 6-9, varvid kodsekvensens element är Ei* 1", k ä n n e t e c k n a d av att de medelst kodningsanord- ningena (4) mot strâlningsloberna svarande kodelement (ëlvgzvu 3:1) är bestämda medelst ett linjärt ekvatíonasyetem IJ E IW! :M där M är en av antennens utformning beroende, kvadratisk matris och ...B') u .. ' . ”T _ M av ø-I i er en kolonnvektor, 1 vars transponerade vektor _|f_ - (p1 pz .. pl n k' elementet pi är proportionellt mot Fi för varje i.