SE500481C2 - Radaranordning för upplösning och uppmätning av närliggande radarmål i vinkelled - Google Patents

Description

(II CI' CD Y*- C _» -..s Det är därför ett önskemål att förbättra prestandan hos militära radarer när det gäller att upplösa och mäta in ett mål i vinkel- led.

Det är förut känt att vid vinkelmätning i följeradarer använda sig av monopulsteknik och s k "conical scan" teknik. Dessa tekniker används huvudsakligen mot flygmål och tekniken finns beskriven i radarlitteraturen, exempelvis av Skolnik.

Tekniken förutsätter att det i princip endast finns ett mål inom mätområdet för att detta mål skall kunna mätas in med god preci- sion. Detta är emellertid inte alltid fallet och det har dessutom utvecklats motmedel mot denna typ av radarer. Motmedlen kan exem- pelvis alstra skenmål i form av remsor eller repeterstörsändning för avhakning av följeradarn.

Många radarer för militära ändamål innehåller funktioner för noggrann inmätning av radarmål. Det finns metoder att mäta in ett måls läge i avstånd och vinkel som kan ge en bättre precision än vad som motsvarar radarns pulslängd respektive radarns antennlob.

Om det finns flera närliggande mål så kan dock inmätningen bli svårare. Om två mål ligger längre från varandra i avstånd än vad som motsvarar radarpulsens utsträckning i rummet så uppkommer ett mellanrum mellan pulsekosvaren som möjliggör en separation av målen som två enskilda mål. Är målen belägna närmare varandra så flyter dock pulsekosvaren ihop och ett sammanhängande ekosvar från de båda målen erhålles. En radarmottagare med ett filter anpassat till radarns pulslängd ger radarpulser med stig- och falltider i samma storleksordning som pulsens 3 dB-längd. Därför brukar man säga att radarn kan lösa upp mål som befinner sig på dubbla pulslängdens avstånd från varandra. Med pulslängd menas då avståndet mellan pulsens 3 dB-punkter. Om målen är belägna närmare varandra så finns det ett område i mitten där signaler från de bägge målen interakterar med varandra. Beroende på málstorlek, màlens interaktion och signalbehandling i radarn kan mål separeras även om de ligger närmare varandra än två puls- längder. En separation av mål på ett avstånd från varandra ner till en pulslängd är ibland möjlig. Motsvarande resonemang gäller för separation av mål i vinkel där antennlobens bredd spelar motsvarande roll som pulslängden ifråga om avstånd.

EGO 481 Jämförelse kan också göras med mål som har olika hastighet. Dessa kan separeras med dopplerfilter där filterbandbredden spelar mot- svarande roll som pulslängd och antennlobbredd.

För att kunna separera två mål klart önskar man en god kontrast vilket motsvaras av att man vill ha ungefär en pulslängd mellan målens pulssvar (3 dB-punkter), en antennlob mellan målens 3 dB lobbredder och ett dopplerfilter mellan de dopplerfilter där respektive mål finns.

Genom att göra avkall på kontrastkravet och acceptera att inte alltid få ett fullgott resultat så kan även mål som ligger närmare varandra lösas upp i flera fall.

I vissa applikationer kan det vara mycket värdefullt att lösa upp två närliggande mål. Exempel på en sådan applikation kan vara ett kustartilleribatteri som skall bekämpa två fartyg som rör sig parallellt med ett avstånd i sida mellan fartygen på 400 m. Om antennloben i det fallet är 1° så innebär upplösning “med kontrast' att målen skall vara separerade 20 för att radarn skall ge skjutdata till två olika mål.

Fartygen kan med detta villkor separeras först när de är på 13 km avstånd från radarn. På 25 km avstånd från radarn är vinkeln mellan målen endast en lobbredd varför måIen kan flyta ihop till ett mål med tyngdpunkt någonstans mellan målen. Baserad på denna information försöker batteriet då lägga elden i det 400 m breda mellanrummet mellan fartygen istället för på respektive fartyg.

Vore det endast ett fartyg skulle radarn kunna ge vinkeldata med en precision som är en bråkdel av antennlobens bredd. Är det två eller flera fartyg som ligger nära varandra kan dessa upplevas som ett mål och skjutdata därmed bli grovt felaktiga.

Ett ändamål med denna uppfinning är att åstadkomma en förbättring av upplösningen i vinkel hos en radar, exempelvis för kust- artilleri. Ü' l LÄÛ CI ..!I:. ('13 En typ av radar som används idag vid kustartilleriapplikationer är den s k hoppfrekvensradarn. Genom att hoppfrekvensradarn byter sändfrekvens från puls till puls måste eventuella störsändare sprida sin effekt över ett större frekvensområde varvid störeffekten blir lägre inom radarns aktuella mottagarband och därmed inte räcker till att försätta radarn ur funktion vid stör- ning i radarns antennsidlober. Fartygsmålen är också så stora att det inte behövs MTI för att målen skall framträda i klottermiljön.

Det krav på goda MTI-prestanda som gör att luftvärnsradarer behö- ver sända fler pulser i rad på samma frekvens finns alltså inte här och gör att fastfrekvensradarn anses olämplig eftersom den är lätt att störa ut.

Hoppfrekvensradarn har vidare den fördelen att förbättra radarns prestanda mot s k glittring. Glittring uppstår genom att radarmàl, exempelvis fartyg, är sammansatta av ett mycket stort antal radarreflekterande delar vars ekoreflexer interakterar med varandra och gör att summareflexen från radarmálet ändras mycket i storlek och får sin tyngdpunkt förskjuten över och bredvid målet beroende på båtens aspektvinkel eller vilken frekvens radarn sänder pà. Genom att bilda medelvärde över flera mätningar på olika frekvenser erhålles en utjämning av variationerna. Radar- målet blir rimligt stort och dess medelposition ligger rimligt väl på målets. Felvinkeln blir liten på grund av glittring. Denna effekt är dock inte gynnsam om man önskar förbättra upplösningen.

Medelvärdesbildningen över hoppfrekvensmätningen över två mål har en utjämnande effekt som får två närliggande mål att flyta ihop och ge en radartyngdpunkt mellan de tvâ målen.

Exempel på en annan typ av radar med lämplig basfunktion och där föreliggande uppfinning kan tillämpas är den radar som finns beskriven i svensk patentansökan 89.02983-9.

I en kustartilleriapplikation känner operatörerna väl till den fasta radarbilden. Man vet vad som är land och öar och dessa utbredda mål behöver ej analyseras närmare. Fartyg i närheten av öar och i smala sund vill operatören dock kunna urskilja, samt inte minst kunna separera två eller flera fartyg från varandra.

I en konvoj eller landstigningsflotta vill man kunna separera de olika fartygen på radarn så att en effektiv bekämpning av ingåen- de mál kan göras.

Med radar kan man få en upplösning både i avstånd och vinkel, d v s två dimensioner för en ytspaningsradar för fartyg. Dessutom kan man med dopplerfunktion i radarn få en upplösning i hastighet, d v s två mål som ligger i samma upplösningselement i avstånd och i vinkel kan separeras som två mål om de har olika hastighet.

För en kustartilleriradar upplevs idag upplösning av mål i vinkel vara begränsande för radarns prestanda. Upplösning i avstånd är av storleksordningen 60 m (pulslängd 0,2 us) medan upplösningen i vinkel är av storleksordningen 600 m (lobbredd 1° och avstånd 20 km). Avstàndsupplösningen 60 m är i paritet med fartygslängden medan vinkelupplösningen på 600 m är avsevärt större än fartygs- bredden på ca 10 m. Vinkelupplösningen kan förbättras genom att öka antennbredden och därmed minska lobbredden. För en X-bands- radar erhålls ca lo lobbredd från en antenn som är 2,5 m bred.

Mycket större antenner blir dock ohanterliga och dyra på rörliga förband. Alternativa sätt att öka upplösningen blir då intressan- ta.

Ett sätt att förbättra vinkelupplösningen av mål är att jämföra deras hastighet med hjälp av doppleranalys. En X-bandsradar med prf= 4 kHz, en lobbredd på 10 och ett antennvarvtal på 20 rpm kan ge en dopplerfilterbandbredd på 60Hz vilket motsvarar en hastighetsskillnad på lm/s eller cirka 2 knop. Detta kan vara tillräckligt för att separera fartyg som rör sig i konvoj med låga skillnadshastigheter. Koherent integration som används vid doppleranalys kan emellertid vara ett hjälpmedel att förbättra vinkelupplösningen även vid låga skillnadshastigheter. 530 48"! 6 Ett annat sätt att förbättra vinkelupplösningen är att se på avståndsupplösningen. Genom att öka avståndsupplösningen Så ökar möjligheten att lösa upp två lika stora fartyg även i vinkelled.

Med en avståndsupplösning på exempelvis 15 m så ökar sannolikheten att två fartyg inte exakt täcker samma avståndsluckor. Dessutom medför radarmålfluktuationerna att för samma avstàndslucka uppträder ekoreflexerna mycket olika i amplitud och fas från de båda fartygen. Detta är en effekt som kan vara ett problem för en radar vilken tenderar att jämna ut fluktuationerna, men också en möjlighet att förbättra upplösningen hos en radar vilket kom- mer att framgå i det följande.

Det är även förut känt att använda sig av s k monopulsteknik vid vinkelmätning. För att få en god noggrannhet i vinkelmätningen krävs det flera mätvärden på målet i flera olika riktningar för antennloben. Dessa mätvärden avbildar till vissa delar antenn- lobens form och man kan därför beräkna målets läge i vinkelled. Om målet fluktuerar från mätvärde till mätvärde så stör emellertid detta vinkelmätningen. Monopulsmätning innebär att man vid två stycken snedställda antennlober kan få två mätvärden samtidigt från målet och vid jämförelse mellan mätvärdena få ett mått på målets vinkelläge d v s en radarpuls ger två stycken mätvärden vilket räcker för vinkelbestämning. Eftersom de två mätvärdena erhålls samtidigt så inverkar inte målets fluktuationer på sambandet mellan dessa två värden. Monpulstekniken kan därmed användas även vid en hoppfrekvensradar. Dock erhålles då ingen korrelation mellan olika mätpar och monopulsmätningen i sig medför inte automatiskt någon förbättring av upplösningen av flera mål.

Av det som hittills avhandlats torde framgå att de kända metoderna för upplösning och uppmätning av radarmål i vinkelled har nack- delar. En anordning som åstadkommer en förbättring av vinkelupp- lösningen, speciellt vid en kustartelleriradar, finns beskriven i vår parallella ansökan nr 9002967-9 . Föreliggande uppfinning avser ett alternativ till denna nämnda anordning. Vad som därvid i huvudsak kännetecknar uppfinningen"framgår av kännetecknande delen till patentkravet 1.

SGU 481 Uppfinningen bygger därvid på att man tar tillvara kunskap om antennens lobform.

Beskrivning av uppfinningen I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas med hänvis- ning till bifogade ritning som schematiskt visar uppfinnings- tanken.

Kännetecknande för uppfinningen är att de mätvärden som erhålls från radarmålet multipliceras med från antennens lobform erhållna koefficienter i en mätenhet 1. Koefficienterna är därvid så valda att efter summation i mätenheten ett impulsliknande svar erhålles från ett punktfonmigt mål i lobens mittpunkt, se figur 1.

Mätenheten 1 kan utgöras av en korrelator varvid mätvärdena successivt kopplas in i enheten och multipliceras med resp koefficient och adderas. Som redan nämnts blir då slutresultatet, om mätvärdena kommer från ett punktmål, en markerad topp i det vinkelläge som motsvaras av antennlobens mittpunkt, då loben sveper över målet, se figur 2.

Koefficienterna till mätenheten 1 (korrelatorn) kan erhållas genom att antennloben mäts upp, exempelvis genom antennöversvep av ett punktformigt mål. Mätvärdena ingår i ett ekvationssystem där koefficienterna löses ut för att erhålla en lösning som nära ansluter till ett toppvärde för lobens mittläge men som är lika med noll för alla andra värden. Med hjälp av datorberäkningar kan lösningarna optimeras till minsta avvikelse från den önskade lösningen, exempelvis kan den s k minsta kvadratmetoden användas.

Vid en fördelaktig utföringsform hos uppfinningen ansätts den önskade lösningen som en impuls med bredare utsträckning än ett vinkelsteg för att minska de sidlober som uppstår vid krav på ett alltför smalt impulssvar i den önskade lösningen.

Koefficienterna kan vidare erhållas ur ekvationer formulerade i tids- planet eller alternativt som i filtertekniklösning ur ekvationer i frekvensplanet.

Antingen kan enbart mätvärdenas amplitud användas eller också används såväl amplitud som fas varvid korrigering görs för màls dopplerförskjutning av fasen mellan mätvärdena. Denna korrigering kan göras antingen genom att korrigera mätvärdena eller genom att korrigera värdena erhållna från lobformen.

Dopplerkorrigeringen utföres företrädesvis parallellt med olika stora fasvinklar motsvarande olika dopplerfack. Dopplerfacken kan vara ansatta från början eller också kan en dopplerfiltrering på mätvärdena i ett första steg ge information om vilket eller vilka dopplerfack som är intressanta att välja ut för korrigering av dopplerfasen i samband med den ovan beskrivna vinkelbestämningen.

Claims (7)

10375 Jä CN CD Cfi .Jin OO Ms PATENTKRAV

1. Anordning för upplösning och uppmätning av närliggande radarmål i vinkelled för en radar som sänder pà flera parallella eller repeterade frekvenser medan radarantennen sveper över aktuellt radarmål och varvid mätvärdena erhållna från radarmàlet multipliceras med från antennens lobform beräknade koefficienter k ä n n e t e c k n a d a v att koefficienterna beräknas genom lösning av ekvationer med villkoret att mätvärdena som erhålles i tidsföljd och i beroende av antennlobens form efter multiplikation med koefficienterna och summation över en mätvärdesserie skall bilda ett värde i antennlobens mitt och ha värdet noll för övriga vinkelvärden så att ett enda impulsliknande svar erhålles från ett punktformat mål i lobens mittpunkt.

2. Anordning enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d a v att om inte värdet noll för övriga vinkelvärden kan erhållas så anpassas lösningar med t ex hjälp av minsta kvadratmetoden för att finna de koefficienter som ger minsta avvikelse från den önskade lösningen.

3. Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d a v att den önskade lösningen ansätts som en impuls med bredare utsträckning än ett vinkelsteg för att minska de sidlober som uppstår vid krav på alltför smalt impulssvar i den önskade lösningen.

4. Anordning enligt patentkrav 1 eller 2 k ä n n e t e c k - n a d a v att koeffícienterna erhålles ur ekvationer formu- lerade i tidsplanet alternativt som i filtertekniklösning av ekvationer i frekvensplanet.

5. Anordning enligt något av patentkrav l t o m 4 k ä n - n e t e c k n a d a v att endast mätvärdenas amplituder an- vänds, d v s fasvärdena används inte. /17 in CD ms oo ...ä

6. Anordning enligt något av patentkraven 1 t o m 4 k ä n - n e t e c k n a d a v att såväl mätvärdenas fas och amplitud användes och korrigering göres för màls dopplerför- skjutning av fasen mellan mätvärdena antingen genom att korri- gera mätvärdena eller korrigera värdena erhållna från lobformen.

7. Anordning enligt patentkrav 6,. k ä n n e t e c k n a d a v att dopplerkorrigering görs parallellt med olika stora fasvink- lar motsvarande olika dopplerfack varvid mål med olika hastigheter har filtrerats ut till respektive dopplerfack och kan dessa dopplerfack vara ansatta fràn början, eller kan en dopplerfiltrering pá mätvärdena i ett första steg ge informa- tion om vilket eller vilka dopplerfack som är intressanta att välja ut för korrigering av dopplerfas i samband med upplösning och uppmätning av närliggande radarmál i vinkelled.