SE516718C2 - Ett ultrabredbandigt koherent radarsystem som optimerar möjligheten till radiostörningsdetektering - Google Patents

Description

25 30 35 516 718 2 det möjligt att närma sig gränsen för våglängdsupplösning, vilket framgångsrikt har visats i till exempel CARABAS-systemet.

Den grundläggande begränsningen för användning av mikrovågsradar är terrniskt brus, med vilket radarsignalen måste konkurrera. För lågfrekvent radar, som arbetar i alla delar av världen, förutom extremt avlägsna sådana, är användningen inte be- gränsad av terrniskt brus utan av av människan alstrad radiofrekvensstörning - RFI - vilken är rikligt förekommande under1 GHz. Den statistiska karaktären för RFI skiljer sig väsentligt från den för Gaussiskt termiskt brus.

Radiotrafiksignaler (däri detta fall också televisionssignaler är inbegripna), vilka orsakar RFI, förekommer alltid med mycket smalare bandbredder än den band- bredd som används av radam. För rena radiosignaler kan bandbredden vara så liten som 1 kHz. Televisionssignaler är betydligt mer bredbandiga, men fortfarande smalbandiga i jämförelse med radarbandbredden.

Vid frekvenser över kortvågsbanden, låt oss säga över 20 MHz, härrör radiotrafik- signalerna normalt från näraliggande och ibland grafiskt siktbara radiosändare. Den emottagna radarsignalen, vilken är markekot från föregående utsända radarsignal, är typiskt flera storleksordningar svagare än dessa radiosignaler. Därför är de band som används för radiotrafik inte lämpliga för radarn även om endast någon procent av radarbandet kommer att vara upptaget av RFI och därmed oanvändbart. För att fullt ut kunna utnyttja de tomma frekvenserna är emellertid kraven på linjär dynamik för radarmottagningen extrema.

Nödvändiga radarprestanda uppnås väsentligen genom två designsteg. Ett schematiskt diagram för en radar byggd enligt dessa principer visas i figur 1.

Det första steget är att dela upp den bredbandiga sändar-mottagar processen i ett antal underprocesser, där var och en består av sändning följd av mottagning av en signal som sträcker sig över någon bråkdel Bsfep av fulla bandbredden B. På detta sätt blir kravet på dynamik av registrerat data väsentligt reducerat, då endast en del av den fulla RFI-omgivningen behöver konkurrera med radarsignalen vid varje till- fälle. På samma gång kan den emottagna signalen, i överensstämmelse med Nyquist-kriteriet, samplas i en lägre takt, eftersom bandbredden är reducerad.

Typiskt kan en A/D-omvandlare som arbetar med 14 bits precision vid 5 MHz samplingstakt användas, där varje frekvenssteg kan täcka 2 MHz bandbredd. 10 15 20 25 30 35 516 718 3 Om RFI alltid var smalbandig, kunde stömingen modelleras som en mängd sinus- kurvor under tidsintervallet för radarmottagning. Det vore då möjligt att filtrera ut RFI genom att subtrahera radardata med sinuskurvoma som matchar mot RFl. Detta är faktiskt en vanlig metod för RFI filtrering. Emellertid kan RFI väsentligen också vara mer bredbandigt och följaktligen anta former som inte kan modelleras som en mängd diskreta sinuskurvor. För att omfatta alla former av RFI, måste mottagnings- tiden vara i storleksordningen en millisekund så att den uppnådda spektralupplös- ningen är jämförbar med RFls minimibandbredd 1 kHz. Då kan RFI tas bort med bandstoppsfiltrering med 1 kHz upplösning av bandbredd inom Fourier-spektrumet av den emottagna signalen, där bandstoppsfilter helt anpassas till och täcker RFI- källor oavsett om dessa är smala eller mer bredbandiga.

På motsvarande sätt optimerar det andra designsteget varaktigheten för varje frekvenssteg. En slutlig gräns för mottagnlngstid sätts av rekurrenstiden för varje frekvenssteg som måste vara tillräckligt kort för att återspridningssignalen skall samplas i Nyquist-takten med hänsyn till Doppler-bandbredden. Genom att till- godose detta kriterium definierar radardata en funktion g(r, Q) där r anger räck- vidden och Q är vilken som helst punkt för flygplansradams bana. Spatiala band- bredden för funktionen med parametrama r och Qär given av den totala band- bredden B som spänner över frekvensstegssekvensen.

När det gäller interpolation består radardata, som är tillgängligt för varje frekvens- steg, av en signal g V,,,n,r,Q,,), där Qmn = 1, 2,... är gruppen med flygplanspositio- neri den oavbrutna processen för frekvensstegning. Här anger v", frekvensen för varje steg och mn är frekvensstegslistan. Det antas att signalen har formaterats som en pulskomprimerad IQ (t.ex. komplex noll bärvåg) signal. Betrakta för en godtycklig flygplansposition Q och ett godtyckligt frekvenssteg vmn de två när- liggande positionerna Q,,,Q,,+,,, för sändning av frekvensen v,,,n = vmm”. Eftersom g( vmn,r,Q,,) är samplad med hänsyn till Q, kommer noll eller första ordningens interpolation att definiera g( vmn,r,Q) med rimlig precision. Vid antagande av första ordningens linjära interpolation erhålls lQQnl IQnQMNI IQQn+N lQnQmNl a( vnwnQ) al vmnfßvn) + al vm,,,,.f.Qn.~) . [11 där IQP] anger avstånd mellan vilka två fordonspositioner som helst. Antag att M = B/BSM, antal steg täcker stegfrekvensspektrumet. Uppkonvertering och 10 15 20 25 30 35 5H5718 4 summering av signalema g( VWLQ), ger fullständig komprimerad signal enligt fonneln M 9ü®=Z ä”flmm®- m m=1 Doppler-bandbredden för en bredlobig radar är 4V/Å, där V är flygplanets mark- hastighet, och /I radarvåglängden. Eftersom Doppler-bandbredden minskar med frekvensen, kommer rekurrenstiden att bli längre vid lägre frekvenser. På samma gång blir, vid lägre centerfrekvens för radarsystemet, systembandbredden mindre för en given relativ bandbredd, vilket medför att färre frekvenssteg behövs. Följaktli- gen kan varaktigheten för varje frekvenssteg göras längre, genom att man använ- der låga frekvenser för en ultrabredbandlg radar. Som nämnt är den idealiska var- aktigheten för varje frekvenssteg av storleksordningen en millisekund. Den låg- frekventa ultrabredbandiga SAR-radam CARABAS arbetar exempelvis i frekvens- området 20 - 80 MHz, vilket ger tvâ oktavers bandbredd med de lägsta frekven- sema strax över fjärran kortvàgsradio. Då krävs cirka 30 frekvenssteg med 2 MHz bandbredd för att täcka det fulla bandet. Doppler-bandbredderna kommer att variera inom intervallet 25 - 100 Hz, förutsatt en typisk markhastighet för flygplan på cirka 100 m/s. Typiska rekurrensstider är därför av storleksordningen tiotals milli- sekunder, under det att dröjtiden för varje frekvenssteg kommer att vara någon bråkdel av en millisekund.

Den förstnämnda designtekniken för frekvensstegning av radarn är inte ny. Där- emot är det efterföljande steget med icke-sekventiella frekvenshopp en ny teknologi och föremål för föreliggande uppfinning. När det gäller här diskuterade problem ger det en lösning genom att det utformas i enlighet med följande oberoende patent- krav. Fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen kommer att beskrivas i de beroende kraven.

Uppfinningen kommeri det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritningar, där figur 1 visar en form av en radari enlighet med uppfinningen, figur 2 visar de inledande frekvensstegen för en stegsekvens i enlighet med uppfinningen, figur 3 visar de avslutande frekvensstegen för stegsekvensen i figur 2, 10 15 20 25 30 516 718 figur 4 visar en optimal frekvensstegssekvens (att läsas radvís) i enlighet med uppfinningen och figur 5 visar medelvärdet (heldraget) och maximi- och minimivärdena (streckade) för Arv” som en funktion av frekvensen.

Antag att stegdröjtiden är Tsæp. - begränsar Bm, till cirka 2 MHz under de extrema krav på mottagardynamik som Tillgänglig mottagarteknologi - speciellt AD teknologi diskuterats ovan. För att kunna undertrycka radiosignaler i både utsända och emottagna radarsignaler (båda av approximativt samma längd) krävs det att 'Išæp ~1O"3s, oberoende av spaningsavståndet. Både Bsæp och EM, är frekvens- oberoende storheter, satta av givna omständigheter. Betrakta nu, med givna Bm, och EM, vilken SAR-bild med ytupplösning AA och stråkbredd Xm, som kan pfeâênfêfaS.

Om SAR-bilden utökas till stråkbreddsområden upp till XW, måste man kräva 4x _ mâX c-c 1 cos(A 6/2) ' [3] SAR-operationer kräver en bred aspektvinkel A6 för datainsamling. Ultrabred- bandig SAR-ytupplösning år beroende av A6 enligt en exakt formel, se L.M.H.

Ulander och H. Hellsten "A New Formula for SAR Spatial Resolution", A. E. Ü., Int. J. Electron. Commun., C C AA = .

(Vmax + vmin)AÛ X Vmax _ Vmin) [41 Mindre exakt är den första faktom azimut och den andra faktom räckvidds- upplösning.

De givna formlerna påverkar rekurrenstiden för frekvenssteg. Rekurrenstakten 1/TV, lika med Doppler-bandbredden som valts för processering, sätts av det valda aspektvinkelintervallet l = BMW = % v sin(Aø/2) . [s] 10 15 20 25 30 516 718 6 För en lobbredd som närmar sig 180° har man därför som nämnts l/Tvz 4V/Å. Den icke-sekventiella stegtakten är medelrekurrenstakten över frekvensbandet gånger antalet steg som krävs för att spänna över fulla bandbredden 1 2v *_ F. = -ï*-il- s|n(A6/2) , [6] Denna formel innebär för ett ultrabredbandigt system vmax z Lä* _ [7] 2V -Ctep Även för stora lobbredder, som en ganska bra approximation för upplösnings- fonneln [4], anpassad till icke-sekventiell stegning genom [6] ~ Tšfgp AA -- . 2 Bm, [8] Formeln visar konflikten mellan kraven på . hög upplösning ~ liten stegbandbredd för att uppnå stor dynamik och låg data takt, ø lång stegdröjtid för att uppnå skarp RFI notching och stort spaningsavstånd.

Till exempel ger [8] AA = 7.5m2, för V = 100 m/s, Tsæp =10'3s, och BW, = 2MHz.

Såvida inte en grövre upplösning accepteras skall en övre frekvens väljas vmax z100MI-Iz i enlighet med [7]. En kombination av [6] och [3] ger 2 Xmax = íTWLP 1._ __c_ BSQGP 2 _ 4 Tsfep( Vmax _ Vmin j Det framgår att lång stegdröjtid och en liten stegbandbredd är fördelaktiga med tanke på stråkbredden, dvs. yttäckningskapacitet. Dock reducerar detta upplös- ningen. Faktum är att, med tanke på upplösningsformeln [9], måste dröjtiden offras något. Genom att välja vma, = 80MI-Iz, vmin == 20MHz och A6l~113° blir TW, = 6 ><10“'s med (61. Då blir AA = 1.5 >< 2.5 m2 enligt [s] and xm, = 251m enligt [9]. 10 15 20 25 30 516 718 7 För sekventiell stegning måste omloppstakten tvärs antaget frekvensband bestämmas av den högsta Doppler-bandbredden, således 1 = i! vmax( Vmax _ vmin) I 10 c Bs” r 1 så för den sekventiella stegtakten, blir forrneln som motsvarar [9] 2 Xmax :fl-åta 1__[i_i=_f¿>_í) _ [11] 4V Tsfep Vmax( Vmax _ vmin) För att uppnå samma avståndstäckning tvärs flygbanan som för sekventiell steg- ning, väljs Tsæp = 4. 5 x 10'“s. Därefter blir, i enlighet med [10] Aâz 88°, vilket enligt [11] innebär att xma, = 25 km. Emellertid är AA = 2 x 2. 5 m2, enligt [8], vilket är en grövre upplösning ijämförelse med sekventiell stegning.

Sammanfattningsvis verkar sekventiell stegning fördelaktig både för att upplös- ningen förbättras vid en given yttäckningstakt och för att integrationstiden för RFI- notching förbättras. Notera också att i enlighet med [8] är upplösningen begränsad till att vara som bäst av storleksordningen några få kvadratmeter om Bsæp och flæp väljs för att ge högpresterande RFI-undertryckning. För våglängdsupplösta SAR- bilder kräver detta metervåglängder, dvs. väsentligen det val av frekvenser som har diskuterats här.

Nästa uppgift är att konstruera en frekvensstegssekvens v", = vma, - Bsæp x (mn - 1) , m,,, n = 0,1,2,.... baserad på föregående idé om icke-sekventiell stegning. Medan intervallen för omloppstiden för frekvenssteg T ges av [5], kan denna relation endast bli approximativ då stegdröjtiderna Yšæp antas fixerade och frekvensstegen vid viss frekvens måste inträffa efter ett visst antal, N, frekvenssteg. Följaktligen måste stegsekvensen följa regeln T vmM = vmn, N = TS; , (121 där N är ett heltal och Tv är approximativt givet av [5]. 10 15 20 25 30 35 516 718 8 Det vore knappast möjligt att härleda något analytiskt uttryck för en stegsekvens med denna egenskap. Numeriskt kan en approximativ sekvens konstrueras med en algoritm som väljer frekvens efter prioritet. Följande exakta princip är att varje frekvenssteg m är tilldelad en klocka som mäter den upplupna tiden Arvm efter tiden fn för senaste sändningen på denna frekvens. Låt varje klocka mäta denna tid i en skala given av rekurrenstiden, dvs.

V Arn, = (t 4,34? vsin(Aø/2) . [13] För att ingen frekvens ska bli undersamplad krävs det att Arm s 1. För varje nytt frekvenssteg väljs följaktligen den frekvens v", för vilken A-rvm är maximal.

Figur 2 avbildar konstruktion av en stegsekvens enligt denna metod. Figuren visar de 130 initialstegen för ett 20 - 80 MHz band och 2 MHz stegbandbredd. Sekven- sen startar vid högsta frekvensen som inledningsvis motsvarar maximivärdet för Arv”. Frekvensema genereras därefter i ett fallande svep, t.ex. m0 = 1, m1: 2, m2 = 3, lämpligt avbrutna av tillfälliga anrop på högre frekvenser då Arv" för dessa snabbt återfâr maximalt värde efter nollställning. Notera att andra gången ett anrop görs på den högsta frekvensen, kommer den närliggande lägre frekvensen inte att följa omedelbart. l figuren är m6 = 1, mm = 2 för BM = SOMHz och Bsæp = 21VIHz. I frekvenslistan kommer avståndet mellan N:e generationen av näraliggande frekvenser att fortsätta att stiga då N stiger. Till exempel inträffar den 30:e passagen för m = 1, m = 2 vid n = 570 respektive n = 587 för Bb, = 60M1-Iz och Bm, = 2MHz. Slutligen har en tid t passerat som motsvarar N passager på 80 MHz men endast N -1 passager på 88 MHz. Denna situation uppstår då 4V . 4V .

Tslnfiw/z) vm :jag = Tamm/z) vmfifdag -1 . [14] Uppenbarligen är detta ögonblick ett och samma för alla frekvenser och beror endast på stegbandbredden, dvs. c

[15] r =-:--. “g 4vsan(Aø/2)Bs,ep Utgående Från [6] kan detta omformuleras i antalet frekvenssteg efter vilka en sådan degenerering inträffar 10 15 20 25 30 35 516 718 9 N _ fill; _ Vmaxz _ vminz deg _ Elen zßstepz i För vw = 8OMI-Iz, vma, = ZOMHz och Boop = 2MHz får man Nooo -~ 750. Vid detta antal steg kollapsar algoritmen eftersom en konflikt uppstår, avseende priori- teringar för sändning av olika frekvenser. Egentligen kommer den (N-1):e genere- ringen av varje frekvens aldrig få tillfälle att passera till en tid senare än den N:e genereringen av närmast högre frekvens. Algoritmen degenererar då till approxima- tivt periodiska frekvenssvep som stigeri frekvens, vilket inte effektivt motsvarar kravet på frekvensberoende rekurrenstid. Figur 3 visar frekvensstegen 560 - 760 och illustrerar sekvensen som här närmar sig detta degenererade fall.

En algoritm krävs som i fortvarighetstillståndet genererar en signal med rekurrenstid linjärt beroende av frekvensen. Detta kan uppnås approximativt genom att avbryta och repetera den beskrivna begränsade frekvenslistan ett obegränsat antal gånger.

Sekvensen degenereras mot stigande svep när n närmar sig Nooo medan sekven- sen initialt ger ett monotont fallande svep. Därför skulle en fullängds sekvens över- representera de högsta frekvensema. Då en sekvens ska repeteras, söker man efter en delmängd 0 << No s n s M << Now av hela sekvensen som ger minsta antalet undersamplingar över bandbredden när sekvensen repeteras. Denna opti- mering genomförs numeriskt. Betrakta två konsekutiva svep, båda erhållna genom den diskuterade maximeringen av Arm". Den totala listan inkluderar följaktligen 2(M -No) element. M och No väljs så att det största värdet av intervallen [13] (som kan förväntas inträffa tvärs skarven eftersom sekvensen repeteras) är maximalt lika för alla frekvenser inom det använda bandet. Således ses M och No som en lösning till min: maxJjAz-mfimo = m',0 s n s 2(N, -No)} . [17] För denna optimering testar vi alla möjliga kombinationer av initialvärden No och sekvenslängd M -No, där M ligger nära Noeo men fortfarande tillräckligt långt borta så att degenerering ännu inte har blivit påtaglig. No skall också vara tillräckligt stor så att frekvenshopp uppkommer stokastiskt. Figur 4 illustrerar en sådan lista för en optimal stegfrekvenssekvens (att läsas radvis) för 80 s No s 200 och 200 s M- No s 400 erhållet vid No = 195 och M - No = 393 för 20 - 80 MHz bandet och 2 MHz stegbandbredd. Figur 5 visar medelvärdet (heldraget) och maximi- och minimivärdena (streckade) för Arv” som en funktion av frekvens över 516 718 10 repeterade sekvenser och under antagandet 6x10'4 s stegtid och 113° lobbredd.

Optimeringen minimerar variationen av maximikurvan. Optimal variation är 0,0146.

Emellertid kommer [13], [16] och [17] att entydigt bestämma sådan lista för vilket som helst val av radarband och stegbandbredd.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 516 7 1 8 1 1 Patentkrav:

1. Ett koherent radar system som bestämmer Doppler-skiftet för retumerade radar- ekon, som utnyttjar en radarsignal med relativ bandbredd på mer än en oktav och har en kontrollenhet med vilken sändar-mottagarprocessen är uppdelade i ett antal konsekutiva delprocesser som var och en består av sändning följd av mottagning av en signal med en relativ bandbredd på en del av en oktav och där de emottagna signalema från olika smalbandssändningar används för att rekonstruera bred- bandigt radardata med pulskompressionstekniker, k ä n n e t e c k n at a v att kontrollenheten är konstruerad för att bestämma omloppstiden, dvs. tidsbortfall mellan två konsekutiva sändningar, för en smalbandsslgnal för ett visst frekvens- steg att approximativt bli omvänt proportionellt mot frekvensen för detta steg och högre eller lika med Nyquist-takten med avseende på Doppler-bandbredden vid denna frekvens.

2. Ett radarsystem i enlighet med krav 1, k ä n n e t e c k n at a v att det är ett SAR-radarsystem omfattande en farkost som rör sig överjordens yta, med avsikt att återkommande sända radarsignaler från farkosten till jordytan för att mottaga ekon av nämnda signaleri farkosten.

3. Ett radarsystem i enlighet med krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n at a v att radarreturema lagras för minst rekurrenstiden mellan två sändningar på samma frekvens, samt att nya och föregående radardata används för att beräkna en inter- polation med vilket radardata g( v,,,,r, Q) blir en funktion av stegfrekvensen v,,, och avståndet r för givet antal punkter Q längs farkostens stråk, oavsett det faktum att samplingsdensiteten längs farkosten skiljer sig för de olika frekvensstegen som stegas igenom.

4. Ett radarsystem i enlighet med krav 3, k ä n n e t e c k n at a v att interpola- tionen beräknas enligt det linjära schemat lQQnl lQQm-NI lQnQmNI g( vmn, r, On) + IQnQMNI g( vmnlrlQ) g(vmn§~trlQn+N) I där |QP| anger distansen mellan vilka som helst farkostpositioner, och där QMQMN är två näraliggande fordonspositioner för vilka samma frekvens i frekvensstegs- sekvensen är tillgänglig, dvs. v,,,_ = vmm" medan v,,," :ß vmnå" för m, N, N' positiva heltal och N' < N. 10 516 718 12

5. Ett radarsystem i enlighet med något av föregående krav , k ä n n e t e c k n at a v att den fördefinierade stegfrekvensen erhållits genom att tilldela varje frekvens en tidtagningsfunktion som löperi en takt proportionell med frekvensen, i vilken det bestäms vilken frekvens som ska väljas med hjälp av den tidtagare som visar det största värdet och där varje tidtagare sätts till noll för den valda frekvensen för sändning.

6. Ett radarsystem i enlighet med något av föregående krav , k ä n n e t e c k n at a v att den fördefinierade stegfrekvensen är definierad som en del av sekvensen som är vald i enlighet med principen att, vid repetition, kvadratsumman av inter- vallen för den maximala rekurrenstiden blir minimum för varje frekvens.