SE519089C2 - System för att med från mål spridda signaler bestämma lägen och hastigheter för målen - Google Patents

Description

\a;n| 10 15 20 25 30 35 . , - ~ .- s 19 089 ïšï* 2 oavsett riktningen Ü för den infallande strålningen. Spridningsfysikaliskt gäller dock att även i detta fall så har flygplanet ett icke-försvinnande spridningstvärsnitti riktningar Ü' som skiljer sig från återspridningsriktningen -Ü _ l själva verket är spridningstvärsnittet i den förlängda riktningen Ü för den belysande strålningen oberoende av elektromagnetisk anpassning och stealthformgivning och utgör kvadraten på flygplanets i riktningen Ü projicerade geometriska tvärsnitt dividerat med våglängden i kvadrat. Runt den i Ü koncentrerade energispridningen och i vinklar som mycket väl kan vara inemot 90' i förhållande till Ü kan med lämpligt våglängdsval spridningstvärsnitt förväntas i paritet med de idag rådande för konventionella flygplan.

Som kommer att framgå i detalj i det nedanstående utgår föreliggande förslag från s.k. bistatiska radargeometrier. Genom att dessa kombineras med relativt låga radarfrekvenser (UHF) uppnås de ovan nämnda enkelt mätbara spridningstvär- snitten för stealthflygplan, vilka därmed kan detekteras.

Den föreslagna tekniken använder ett stort antal radarstationer med relativt kort räckvidd. Stationema är utspridda över en yta, över och runt vilken man vill kunna upptäcka och mäta in mål. Stationema skall ha överlappande täckning, så att varje mål detekteras från flera stationer. Enbart avstånds- och Dopplerinformation och alltså inte riktningsinformation utnyttjas för bestämningen av mållägen. Detta inne- bär att radarantennema kan göras relativt enkla, utan att man gör avkall på avsök- ningskapaciteten eller inmätningsnoggrannheten.

Genom att kombinera minst tre radarstationer så att minst tre mono- eller bistatiska mätningar av avstånd och närmandehastighet till ett mål erhålls, blir målets 3- dimensionella läge och hastighet entydigt bestämt av mätningama. Ett speciellt problem är därvid hur samtidig närvaro av fler mål kan hanteras. En korrekt bestämning av måltillstånd kräver i detta fall att man vet vilka mätningar vid de olika radarstationema som svarar mot ett och samma mål.

Det inses lätt att om mätningar vid olika radarstationer härrör från olika mål kommer visserligen dessa när de kombineras att unikt bestämma ett målläge och en mål- hastighet, men detta kommer inte svara mot något verkligt mål. Vid den föreslagna uppfinningen krävs att minst fyra olika mono- eller bistatiska mätningar är möjliga för varje punkti rummet. Det blir därmed möjligt att verifiera med den fjärde radarmätningen om den ansatta kombinationen av tre mätningar är från ett och samma mål eller från olika mål. Den senare situationen innebär således att den . . ~ - I' 10 15 20 25 30 35 519 089 šïï* " 3 härledda positionen och farten inte svarar mot ett verkligt mål och därmed att den fjärde stationen inte upptäcker mål på detta avstånd eller med denna fart. När så är fallet kan den ogiltiga associationen förkastas.

Det är givetvis möjligt att den fjärde stationen finner ett mål på den från de tre mät- geometriema härledda positionen men att detta enbart beror på tillfälligheten att ytterligare ett mål råkar ha samma avstånd och hastighetsprojektion som den falska associationen mellan de tre första mätgeometriema resulterade i. I detta fall duger inte fyra mätgeometrier för en unik bestämning av måltillstånd. Om då istället fem mätgeometrier täcker varje punkt i rummet kan tillgången till en femte mätning utnyttjas för att förkasta eller verifiera återstående associationer mellan fyra mät- geometrier. Sannolikheten att dessa fem mätgeometrier egentligen ser olika mål blir mycket liten varför man kan anta att de av fem mätgeometrier understödda associa- tionema ger de korrekta måltillstånden. Om denna konfidens likväl inte duger krävs en sexfaldig överlagring o.s.v. I det föreslagna systemet erhålls, genom att utnyttja bistatiska geometrier mellan en mångfald stationer med rundstrålande antenner, en mer än 20-faldig överlagring. Konfidensen för frihet från falsklann blir därvid synner- ligen hög även i fallet att kanske 1000 mål ligger inom mätintervallen för varje radar- station.

Det grundläggande vid uppfinningen utgörs av insikten om hur en mångfald av sändare och mottagare skall anordnas för att realisera denna omfattande över- lagring av oberoende mätgeometrier liksom hur datorberäkningar av måltillstånd, utgående från överlagrade verifieringar av associeringar från dessa oberoende mätgeometrier, praktiskt skall arrangeras.

Vid sidan om att kunna hantera stora antal mål och höga måltätheter, medger den föreslagna tekniken sådana prestanda att systemet i en gemensam funktion kan användas för övervakning av luftrummet över en mycket stor yta, säg hela landet, kombinerat med direkt eldledning med metemoggrannhet. Genom detta kompen- seras den korta räckvidden och den därmed förenade korta förvamingstiden.

Systemet medger omedelbar vapenverkan vid upptäckt, t.ex. genom att luftväms- robotar kommandostyrs utgående från relativpositionen mellan robot och mål, genom att såväl roboten och målet inmäts av systemet. Det noteras att detta torde vara en av de få möjlighetema att-effektiv bekämpa ett framtida hot från stealth- flygplan, eftersom inte bara konventionell spaningsradar utan också eldlednings- radar och robotmålsökare förväntas overksamma mot stealth. . v v n av :annu 10 15 20 25 30 35 . . » . .- , 519 089 . 4 Det poängteras ånyo att det beskrivna inmätningsförfarandet är helt oberoende av radarstationemas förmåga till vinkelinmätning. Häri ligger en väsentlig skillnad från konventionell radar och i själva verket förutsättningen (på grund av de annars alltför stora datamängdema) för möjligheten till noggrann positionsbestämning och således b|.a. möjligheten precisionsstyrning av luftvärnsrobotar. Den principiella fördelen ligger i att medan systemet medger utplacering av flygmålen över ett oerhört stort antal möjliga upplösningscelleri läge och hastighet - var och en meter- stor och med hastighetsupplösning om enstaka meter per sekund - så behöver motsvarande stora datamängder inte samlas in vid någon enstaka station eller ens ej vara representerat av den samlade mängden stationer. Detta i motsats till konventionell radar, som kan sägas mäta varje upplösningscell för att konstatera huruvida den är tom eller innehåller ett mål. Den föreslagna metoden fungerar under förutsättning ett endast ett mål ligger i varje hastighets/avståndscell vid varje station (utan krav på vinkelbestämning). Antalet hastighets/avståndsceller kan uppgå till 105, vilket innebär att, även om mer än 1000 mål finns inom radams räck- vidd, sannolikheten att mer än ett mål förekommer i en cell är liten. Sedan mål väl detekterats som funktion av hastighet och avstånd, bestäms målens 3-dimensio- nella position och hastighet av den efterföljande algoritmen. Även i detta efter- följande steg kan datamängderna begränsas genom lämplig utformning av denna algoritm.

Det 6-dimensionella tillståndsrummet av lägen och hastigheter kan innehålla 102° celler. Detta tal är nära nog av samma storleksordning som antalet atomeri något gram av ett ämne (Avogadros tal). Därav följer att om inte sofistikerade metoder utnyttjas för att samla in och signalbehandla data, blir denna uppgift ogörlig även i alla framtida datorutrustningar eftersom datonninnen begränsas av att vara upp- byggda av ett finit antal atomer. En effektiv algoritmutforrnning är därmed inte enbart ett önskemål, utan ett krav för genomförbarheten av den föreslagna metoden.

En nära till hands liggande sådan metod att effektivt begränsa räknebördan för att bestämma mållägen och målhastigheter i motsvarande tillstàndsrum utgår från tre mono- eller bistatiska mätgeometrier och N mål detekterade av var och en av dessa mätgeometrier. Utgående från detta data bildas först alla tänkbara mål- tillstånd för de N målen. Dessa tillstånd kommer vara av storleksordning N 3 till antalet. På det sätt som redan nämnts kan sedan var och ett av dessa kandidat- tillstånd stödjas eller förkastas beroende på om häriedda mållägen och hastigheter u , : n un nano: 11::- 10 15 20 25 30 35 i 519 089 5 . n u - o ø . v ao återfinns som detektioner hos ytterligare mätgeometrier som observerar området inom vilket kandidatema placerats.

Denna direkta metod är dock behäftad med flera svagheter: - Att fastställa mållägen och målhastigheter från radardata är en krävande beräk- ning. Att erhålla mållägen för var och en av de N 3 målkandidatema innefattar bland annat (för bistatiska mätgeometrier) lösandet av en 6:e gradens algebraisk ekvation. Dessutom måste man därefter kontrollera varje kandidat- tillstånd mot samtliga faciliteter som når motsvarande målposition. Detta ger en processeringsalgoritm bestående av KN 3 elementära räknesteg. Tyvärr blir K med nödvändighet ett relativ stort tal (säg > 1000), eftersom detta innefattar nämnda beräkning och då bland annat komplexiteten att lösa 6:e gradsekva- tionen. Om dessutom N = 1000 blir antalet räknesteg >10'2 vilket får betraktas som opraktiskt och ineffektivt om än inte principiellt omöjligt.

- Genom att från början välja ut 3 av kanske 20 täckande radarstationer finns en klar risk att någon av just dessa inte råkat observera ett visst mål. Kanske för att målet har nämnda stealthutforrnning eller för att det uppträder i en för just denna station olämplig aspektvinkel (det har 0-Doppler och dränks i markekot) eller att väder- och utbredningsbetingelser råkar vara ogynnsamma vid tillfället för mätningama. Trots att i detta fall kanske alla andra av de 20 radarstatio- nema kan detektera målet kommer genom metoden målet likväl ej att bli inmätt.

Detta är avgörande nackdel, eftersom just denna typ av situation mycket väl kan inträffa och radarsystemet måste fungera även i detta fall.

Utgående från dessa argument använder föreliggande uppfinning en annan princip för måldetektion. Ändamålet med uppfinningen är att lösa problem att bestämma hastighet och läge för mål genom att använda ovanstående metod som bygger på ett stort antal över- lappande radarstationer. Detta sker genom att uppfinningen får en utformning som framgår av det efterföljande självständiga patentkravet. Lämpliga utföringsformer av uppfinningen framgår av övriga patentkrav och omfattar dels olika konkreta sätt att placera sändare och mottagare och konkret utformning av beräkningssteg, dels ett i sammanhanget speciellt lämpligt antennarrangemang. u | - | u. annan :annu aulan 10 15 20 25 30 35 u: . » n ~ o I I ' " 519 089 Uppfinningen kommeri det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritning, där fig. 1a visar principen för grov målpositionering genom övertagrade radar- mätningar och förfining av upplösningsceller, antalet faciliteter med detektioner som bär anges i resp. upplösningscell, varvid som tomma celler fastslagna celler markeras med kursiv stil och celler som bevaras för vidare sönderläggning markeras med fetstil, fig. 1b visar målpositionering genom tre i förhållande till varandra transla- terade cellindelningar, fig. 1c visar finpositionering med fyra samstämmiga mätningar för varje del- reflektor, fig. 2 visar en datorarkitektur för genomförandet av målpositionering, fig. 3 visar frekvenstilldelning inom ett radargitter vid stegad frekvens, fig. 4 visar bistatiska radarkonfigurationer som täcker ett triangulärt prisma av positioner, fig. 5 fig. 6 visar ett för applikationen ändamålsenligt antennarrangemang och visar ett ändamålsenligt principschema för en radarrnottagare.

I grunden består systemet av en i kända punkter i ett lägesrummet utspridd mängd av sändare och mottagare samt en analysutrustning. Systemet kan, som anförts, arbeta med elektromagnetiska eller akustiska signaler. En konventionell radar är monostatisk, med vilket förstås att paret av sändare och mottagare är samlokali- serade. Om de däremot är rumsligt åtskilda kallas utrustningen bistatisk. l systemet förutsätts mätningar kunna ske bistatiskt, men även monostatiskt. l det följande benämns ett par bestående av en mottagare och en sändare, oavsett om mät- ningen är bistatisk eller monostatisk, för en mätfacilitet.

Analysutrustningen tidsbestämmer ögonblick för sändning och mottagna signaler parametriseras som en funktion av gångväg och gångvägsförändring mellan sänd- ningspunkt och mottagningspunkt enligt vedertagna principer för radar. Gångvägs- förändring skattas därvid genom Dopplerestimering. Vidare lagrar och analyserar analysutrustningen mottagna signaleri hela systemet på sätt som närmare kommer att beskrivas i det nedanstående. Detta förutsätter kommunikation mellan de olika sändama och mottagama och analysutrustningen. Den för uppfinningen nöd- vändiga kommunikationstekniken är etablerad och utgör således i sig inte någon del av uppfinningen och kommer inte att diskuteras explicit. | | n ~ no :anno :vann 10 15 20 25 30 35 n nu. . v t ; uno , , u s c on u Q n 9 n u I ,,. gg oss , . ouooou o _ a annon- n 519 oss =~f?# 7 Nödvändigt för uppfinningen är att sändamas räckvidder är valda så att ett mål i en godtycklig punkt inom lägesrummet kan inmätas via spridning i målet av minst fyra mätfaciliteter. Som redan diskuterats är detta är inte ett lämplighetsval utan en absolut förutsättning för uppfinningens funktion. Detta utreds närmare nedan i den mer detaljerade genomgången. Där framgår det också att uppfinningen fungerar än bättre med fler mätfaciliteter.

Fortsättningsvis utnyttjas följande beteckningskonventioner: Vektorer anges genom en pil över symbolen, t.ex. IV . Affina punkter t.ex. i lägesrummet betecknas genom ett streck över symbolen t.ex. .Y . Mängder betecknas med feta bokstäver, t.ex. X.

Mätfaciliteter (mono- eller bistatiska) betecknas med små grekiska bokstäver.

Vid varje mätfacilitet go sker måldetektion med konstant falskiarmrisk - ”Constant False Alarm Rate", CFAR - genom att signalintensiteten jämförs med brusintensi- teten för varje upplösningscell med avseende på avstånd och Dopplerhastighet.

Brus kan vara termiskt eller orsakat av för radarfunktionen ovidkommande signaler, men uppfyller någon given statistisk fördelning. De celler där den uppmätta signal- intensiteten överskrider den förväntade brusintensiteten med någon given sannolik- het anges innehålla mål, de som underskrider värdet anges vara tomma.

För att från detektioner övergå till verkliga mållägen använder analysutrustningen en målpositioneringsalgoritm som innefattar att varje mätfacilitet (p placerar n, mål- kandidateri n, av N upplösningscelleri ett till mätfaciliteteten hörande 2-dimensio- nellt lineärt mm av avstånd och Dopplerhastigheter S: samt att 3-dimensionella lägen och 3-dimensionella Dopplerhastigheter representeras i ett 6-dimensionellt lineärt läges- och hastighetsrum S6 indelati N3 upplösningsceller X c S6 med samma avstånds- och Dopplerhastighetsupplösning som återfinns hos mätfacilite- tema.

Givet en cell X c S6 finns en mängd faciliteter {rp,ço',qv',...}z cellen. Vilka faciliteter som skall räknas in i d7(X) är främst beroende av faciliteter- nas räckvidd och närhet till positionen för X men också vågutbredningsförhållan- den och kan således bero på t.ex. väder. Det antas dock att cD(X) alltid är känd för varje X c S6. För varje facilitetrp e cD(X) finns dessutom en känd avbildning X c S6 -> m, (X) c S: som relaterar måltillstånd till mätvärden vid varje facilitet ø e d>(X). Låt n(X) vara storleken av mängden GJ(X) dvs. det antal mätfaciliteter som bär på X. vs- no.. -wo u. 10 15 20 25 30 519 009 nu ou- I Låt nu vid något visst tillfälle n'(X) vara det antal facilteter (pe d>(X) för vilka m, (X) innehåller en detektion, dvs. det antal mätfaciliteter som detekterar mål som hypotetiskt skulle kunna ligga i X. Betrakta kvoten a(X) = n'(X)/n(X). I ett idealiskt fall detekterar alla faciliteter som bär på cellen X också alltid det mål som befinner sig i X, varvid a(X) =l skulle gälla i alla de fall att X innehåller ett mål. I verkligheten kan det dock inträffa att endast en bråkdel av faciliteternal d7(X) upp- fattar målet i vilket fall a(X) <1 Skälen härtill kan vara olika, främst att utbrednings- förhållandena för radarsignaler inte är de antagna eller att målet har mindre radar- tvärsnitt än vad som antagits.

Såldes bör som ett målpositíoneringskriterium i S6 utnyttjas att a(X) överstiger ett på förhand angivet värde, som är valt med hänsyn till en sådan begränsad upp- täcktssannolikhet och vilket värde således kan vara mindre än ett. Å andra sidan kan ett alltför litet tröskelvärde för a(X) innebära risk för falsklarrn orsakade av att för någon cell X som i verkligheten inte innehåller något mål mq,(X) likväl inne- håller mål för tillräckligt många faciliteter ço e beräknas genom sannollkhetskalkyl. En användbar approximativ formel är pFA (nr) z e-n'c'”f" Fonneln anger sannolikheten för att ett falskmål uppträder i en godtycklig cell, givet att n' mätningar antas tillräckligt för detektion, M är det förväntade antalet mål och N antalet upplösningsceller. Formeln bygger på att falsklarm helt uppstår genom associationer mellan detektioner av olika mål vid de olika facilitetema. Antagandet kan antas vara riktigt om M >> n' 2 3. Som exempel kan nämnas att om M :103 gäller N =1o2,n' = 4 => p“(n')= 099999...

N = 102,11' = 20 => p""^(n') = 0,99 N=103,n'=4=>p”(n')=0,1 N =103,n' = 20 => p”(n')=10-“ N =105,n' = 4 :p"""(n')=1O'8 N = 105,11' = 20 => p”(n')=10'“° Vi ser att om antalet upplösningscelleri S: är färre än antalet mål N nästan alla celleri S6 belagda av falsklarm. Om antalet upplösningscelleri S: äri paritet med antalet mål N e M beror beläggningsgraden till stor del på graden av riva: _ e -v- u. 10 15 20 25 30 35 519 089 n. os: överlagring. När antalet upplösningsceller är betydligt större än antalet mål N >> M är visserligen sannolikheten för ett mål i en godtycklig cell i liten men eftersom tillståndsrummet S6 innehåller N 3 upplösningsceller (dvs. 1015 celler om N =105) så blir den total sannolikheten att falskmål finns i någon cell i mot- svarande grad större. Det är uppenbart att med valda parametrar är n' = 4 otillräck- ligt för att eliminera falskmål från tillståndsrummet medan n' = 20 är mer än tillräck- ligt.

I själva verket utgör den stora redundansen i form av många överlagrade mät- geometrier en avgörande möjlighet att snabbt genomföra signalbehandlingen för associering mellan mätgeometrierna. Detta snabba förfarande utgår från att en preliminär associering kan genomföras med en upplösning grövre än den slutgiltiga.

Dessa grova celler blir relativt få till antalet men den mångfaldiga redundansen gör likväl att ett visst antal celler är tomma och varken innehåller mål eller falsklarm.

Dessa celler kan därmed strykas iden preliminära associeringen och de åter- stående cellema bibehållas till en finare cellindelning. Detta utgör grunden för datorimplementeringen av målpositioneringsalgoritmen som beskrivs i det följande, se även figur 1a. l figur 1a visar den vänstra delen av figuren, A, en fördelning av tomma celler och celler innehållande flygmål. Dessa celler är grova och av detta skäl finns för varje cell många mätfaciliteter som detekterar mål som i princip kan ligga i cellen.

Siffroma anger hur många sådana faciliteter som finns för varje cell. Att siffran för en viss cell är kursiverad betyder att antalet faciliteter ligger under den bråkdel av möjligt antal faciliteter som krävs för det skall vara troligt att cellen innehåller ett mål. Celler som bevaras för vidare sönderläggnlng markeras med fetstil.

Den övre höga delen, B, visar en sönderläggnlng av en cell som inte innehåller mål, under det att den nedre högra delen, C, visar sönderläggnlng av en cell inne- hållande mål. I denna visas hur under vidare sönderläggnlng det ursprungliga antalet detektioner visas ligga i en bestämd position, vilken fastställs med god precision allteftersom cellindelningen blir finare.

Vid analysen väljer man den ursprungliga cellindelningen sådan att S6 indelas i m0 disjunkta men kongruenta celler XU.. Cellema antas här vara parallellepipeder. Även andra cellgeometrier kan emellertid tänkas. Talet m0 bör inte vara större än att till varje cell ett antal koefficienter (av storleksordningen 100 vid 20-faldig v :uu 10 15 20 25 30 35 u v v | v» 519 089 -t o n . . - - n u .o 10 överlagring, se nedan) som bestämmer avbildningama ma, (X) kan lagras i ett snabbt minne i den dator som genomför målpositioneringen. Således där ,u( ) betecknar volymen av ett område i det 6-dimensionella läges- och hastighetsrummet. Antag nu att en viss bråkdel av de ursprungliga cellema X1 J. befinns tomma enligt det tidigare diskuterade målpositioneringskriteriet. Vi indelar därvid resterande celler i delceller så att vi i möjligaste mån erhåller lika många nya celler som vi hade i den ursprungliga indelningen. Därmed uppnås att datorns minne ånyo belastas till lika stor grad och nästa nivås beräkning flyter identiskt med den ursprungliga.

Det måste beaktas att celler skall indelas så att varje ursprunglig cell blirjämnt indelad i nya celler eftersom annars vi inte fullt utnyttjar den tidigare kunskapen om vilka celler som är tomma och vilka som kan innehålla mål. Beteckna med .Qi den sammanlagda volymen av celler som målpositioneringsförfarandet betecknar som icke-tomma i indelningsnivån i. Således väljs indelningsförhållandet genom avrundning av kvoten .(20 /Ql till närmaste större heltal hz :int- Notera atti inledande indelningar falsklarmsannolikheten kan vara mycket stor, t.ex. 12, = O,999....(20. I detta fall blir likväl h, = 2. Celler delas nu också enligt Det är därvid inte av betydelse hur celler delas utan endast hur pass volymen redu- ceras. Celler kan delas såväl genom att hastighetsindelningen görs finare i en eller flera dimensioner eller att de spatial upplösningen istället förfinas.

Antag nu att ånyo en viss bråkdel av de förfinade cellerna X2] befinns tomma enligt màlpositionenngskriteriet. Vi indelar resterande celler i delceller så att vi i möjligaste mån erhåller lika många delceller som vi hade i den ursprungliga indelningen. Därmed uppnås att datorns minne ånyo belastas till samma grad och a | a o . nu :vinn 10 15 20 25 | . . . .e 'i 519 089 11 nu o.- nästa nivås beräkning kan löpa identiskt med den ursprungliga. Detta inträffar om vi utgående från volymen .(22 av resterande delceller väljer volymen av de förfinade cellema a), enligt vilket fortsätter tills en hastighetsupplösning uppnås som motsvarar den uppmätta Dopplerupplösningen.

Avseende spatiell upplösning är avbrottskriteriet mer subtilt. Två komplikationer som härrör från ett måls finita utsträckning bör noteras: A. Avsikten är att erhålla en upplösning som är finare än målens utsträckning.

Målpositioneringskriteriet, givet av a(X,.J.), att faciliteter som mäter målet i olika geometrier mäter samma avstånd till målet, kan inte tillämpas för denna fina upplösning, eftersom ett flygmåls delreflektorer normalt inte kan detekte- ras från annat än vissa betraktningsgeometrier (exempelvis kan en vingrot på ett flygplan endast detekteras från ena sidan). Mätningar som härstammar från upplösningsceller X9. som bara inkluderar delar av ett mål kommer där- med inte att skapa tillräckligt stora värden på n'(X,.,.).

B. Även när den spatiala cellindelningen i S6 är grövre än målens utsträckning kan målpositioneringskriteriet bli otillämpbart om ett mål ligger på randen mellan två intilliggande celler XV. och X9.. I detta fall kommer en del av målets delreflektorer tillskrivas den ena cellen och resterande reflektorer den andra. Det finns då en risk att vare sig a(X,.j) eller a(X,j.) blir tillräckligt stora för att målet skall bli detekterat. Risken att detta inträffar är liten om cellema . f n - n 10 15 20 25 30 35 519 089 12 ~ « . q - - n o - u är betydligt större än målen, men ökar och blir oacceptabelt stor när den spatiala cellstorleken närmar sig målstorleken.

För att ta hänsyn till dessa komplikationer genomförs målpositionering i tre steg: Upplösning av falsk/ann. I detta första steg används det av a(X,j) givna mål- positioneringskriteriet och sker enligt det tidigare beskrivna förfarandet tills upplösningsvolymer reducerats till en så liten spatial cellvolym som möjligt.

Dock måste den vara så stor att risken att mål ligger på kanten av celler är negligerbar och således upplösningen vara grövre än målens utsträckning.

Denna nivå torde ändå vara tillräckligt fin för att falsklarm endast skall före- komma i fåtal.

Slutlig gmvpositionerïng. I detta förfinas upplösningen ytterligare med nämnda förfarande med den skillnaden att fler cellindelningar X(').-,-,X(2),-,-,... av S6 beaktas. Cellema X('),«,~,X(2),~,~,... är kongruenta men skiljer sig för respektive nivå i på translationer bråkdelar av cellängden i den spatiala domänen. Efter- som få falskmål förmodas och endast celleri målens nära omgivning beaktas, blir en överlappande cellindelning räknemässigt inte särskilt betungande att hantera. Det givna målpositioneringskriteriet används på samtliga cell- indelningar XÜ).-,«,X(2),-,-,... . Antag att vi beaktar cellindelningar, vilka skiljer sig på halva cellängden. Om ett mål inte har en större utbredning än halva cellstorleken så kommer de därvid att säkert inneslutas i minst en cell XWÜ, enligt figur 1b. Mållägen kan därvid interpoleras till positioner inom halva cellstorleken. Detta genom att målet helt eller delvis ligger l Xml,- - XWÄ-j' om det detekterasi XW.,- men intei X('“'),~,~ liksom att det helt liggerl XW.,- nX("'),-,« om det detekteras såväl i Xml, som i XÜfÄ-f. För cellindelningar med finare överlappning kan mål med storlek som närmar sig hela cellen beaktas och positionering bliri motsvarande grad bättre.

I figur 1b visas ett mål A som helt ligger inom cellen a. Om målet translateras till B så att det skär en kant av cellen, ligger det med säkerhet i en av fyra cell- halvor av den ursprungliga cellen och ligger därmed i en cell b som skiljer sig från a genom translation halva cellängden längs en kantlinje. Om målet translateras till C och skär två kanter, innesluts det i en av fyra cellkvadranter c som skiljer sig från a genom translation längs två kantlinjer. I tre dimensioner åtgår sju cellindelningar halva cellängden för att säkert innesluta mål som inte är större än halva cellängden. 10 15 20 25 30 35 i s 19 oss 13 3. Finpositioneríng. I detta slutliga steg genomförs en cellindelning Xml. i vilken enskilda reflektoreri målet upplöses genom att radarfaciliteternas fulla band- bredd och upplösningsförrnåga utnyttjas. Det antas därvid à priori givet att målet ligger inom en cell Xnj, erhållen enligt punkt 2, vilken cell ungefär har målets förväntade storlek. Enligt punkt A kan tidigare målpositioneringskrite- num, givet av att flertalet facilteter som bär på en punktreflektori XMU., inte tillämpas. Det är emellertid nu helt acceptabelt att endast kräva exempelvis verifiering med fyra mätfaciliteter vid positionering av delreflektorer, dvs. a(X,j) = 4/n(X,.].). Detta eftersom felaktiga associationer mellan detektioner med stor sannolikhet ger positioner som ligger utanför XW., och som således redan konstaterats vara tomma. Dessa fyra mätfaciliteter kommer ha liknande betraktningsgeometri varvid det antas att målpositioneringskriteriet uppfylls av tillräckligt många verkliga delreflektorer i flygmål. Detta visas i figur 1c, som dels visar ett mål helt i en enda cell A efter grovpositionering och dels reflexer från målet uppdelade på delcellerna B. l och med bestämmandet av delreflektoremas läge anses radarmätförfarandet avslutat. l tillämpningen precisionsbekämpning av flygmål återstår ytterligare data- hantering i form av målföljning, måligenkänning och träffpunktsval. Underlag för dessa förfaranden finns i insamlat radardata. Det är t.ex. möjligt att använda etable- rade mönsterigenkänningsmetoder för att utgående från delreflektoremas läge finna flygmåls orientering och utsträckning. Viktig à priori-kunskap finns i del- reflektoremas gemensamma hastighetsvektor, vilken ger en dimension för orienteringsbestämning. Dessutom innebär mångfalden av radarfacilteter en genuint 3-dimensioenell avbildning av flygmål, varvid t.ex. flygmåls normala höger/vänstersymmetri blir invisning för slutlig bestämning av orientering och angivandet av flygmålets huvuddimensioner.

Vi beskriver nu i större detalj avbildningarna m? (X) vilka skall implementeras i dator. Antag att mätdata från samtliga faciliteter som bär på en gemensam volym P0 av positioner finns lagrade i en dator. Det 6-dimensionella tillståndsrummet S6 avser här denna volym kombinerad med en hastighetsvolym V0, således S6 = (PWVO). Låt XÜ. = (PWVU) vara en cellindening av S6 i parallellepipederi position och hastighetsrum. Det noteras att cellindelningen helt är given av ett rektangulärt gitter av hömpunkter få = (Iïü, 172.) för parallellepipedema. Avbildning- ama m, (XU) definieras av maximala och minimala avstånds- och Dopplerfarts- 10 15 20 25 30 35 '519 089 14 u. ee- + r ver värden r4,_,.j,r,j_,.j respektive v; på varje facilitet (o e Q>(X,,). Således definieras för varje cell XÜ. = (PWVÜ) och med avseende møæffrvrf) = (lrrïfrwrrlvllvÄvtvÄvl) där [a,b] betecknar intervallet från talet a till talet b.

Som tidigare nämnts kan antalet celler i S6 bli så stort att lagring av talen r,,',f¿,-,r,,ï,_.-,- och väy-yqïy för varje cell och facilitet är en omöjlighet. Att istället beräkna råy-Jqïy- och v$,,-j,v5,y~ enskilt för varje cell innebär, som också nämnts, det komplicerade förfarandet att lösa en 6:e gradsekvation. Däremot är det möjligt att finna råyyrm- och väv-ya;- snabbt genom Iineär interpolation. Härvid förutsätts en initial cellindelning X1,- =(Pi,-,V1j) av S6 som inte är större än att nödvändiga interpolationskoefficienter för den fortsatta förfiningen av denna cellindelning kan lagras för varje cell och facilitet. Hömpunktema X9. =(17,.j, 7,1.) för den förfinade cellindelningen beräknas enkelt ur X , I. = (HPI/U). Talen r;j¿,-,r4ï,¿,- och v;,,-j,v¿,¿ följer ur kännedom om hörnpunktema Å-'ü = (Épñ) samt enhetsnormalerna N ,,,.-,- för skämingen med P.,- av avståndsytoma svarande mot konstant (mono- eller bi- statiskt) avstånd med avseende på faciliteten go. Enhetsnormalen kan såvitt inte cellema är alltför stora bestämmas med god noggrannhet utgående från ett fixt men karaktäristiskt värde för huvudkrökningsradierna R;_J.,RZJ. samt enhetsnorrnalen Nm för avståndsytomas skäming med P1; . Således krävs för interpolationen att fyra tal lagras (varav ÜM, beskrivs av två vinklar) för varje facilitet som bär på varje initial cell X1; =(P1j,V1,~). Överföringen av ovanstående förfarande till ett schema för datorbearbetning är relativt uppenbar, se figur 2. Antag att mätdata från samtliga faciliteter som bär på en gemensam volym P0 av positioner finns lagrade i en dator, samt att detta data i ett datorminne B är sorterat i minnebankar per facilitet och inom varje sådan bank i avstånd och hastighet. De spatiala cellema Ph. bildar adressareor i ett annat minne A i vilket koefficientema är lagrade för interpolationsberäkning av avbildningama m, för celler X,,« = (P.-,~,V,-,~) , där X,-,-- är en deieeu inom x”. Bortsett från Koeffici- enter innehàller adressareoma A pekare till minnesbankarna för data som härrör från faciliteter som bär på cellen XU. och således åtminstone vissa av dess del- celler. Koefficienter hämtas från A för att bilda avbildningama m, (XW) för bank efter bank. Ett tredje minne C innehåller räknare, så att det finns en räknare för varje cell X1 J. samt att denna räknas upp en enhet för var gång ett mål detekteras via m, (XU) varefter a(XU) evalueras. Ett visst antal celler kommer härvid att u . e n ~ se unna» 10 15 20 25 30 35 519 089 15 nn -s- anges vara tomma på mål. Utgående från till vilken grad detta sker förfinas upp- lösningen i de icke-tomma cellerna samt initieras nya räknare i C för de förfinade cellema. Processen återrupprepas på likartat sätt tills slutlig upplösning har upp- nåtts. Det noteras att ovanstående förfarande att förfina cellindelningen så att det totala antalet celleri möjligaste mån hålls konstant garanterar hög effektivitet vad avser minnesbeläggning genom denna typ datorschema Ett fördelaktigt sätt att placera sändare och mottagare är att i varje gitterpunkt i ett regelbundet liksidigt gitter samlokalisera dem, med t.ex. gemensam antenn. Med ett regelbundet liksidigt gitter förstås härvid en mängd punkter i ett plan, som utgör hömen av en liksidig polygon som genom translationer precis täcker planet. Ett liksidigt gitter kan vara rombiskt, kvadratiskt, eller hexagonalt utgående från vald polygon. Ett rombiskt gitter uppbyggt av liksidiga trianglar kallas ekvidistant efter- som de möjliga gittertranslationema samtliga är multiplar av ett och samma gitter- avstånd, se figur 3.

För det föreslagna övervakningssystemet är det ekvidistanta nätet att föredra efter- som det medför den jämnaste möjliga utspridningen av radarstationema över ytan.

Det kvadratiska nätet är också tänkbart och innebär egentligen inga avgörande nackdelar jämfört med det ekvidistanta. Vi koncentrerar här diskussionen mot det ekvidistanta nätet som således får utgöra ett konkret utföringsexempel på övervak- ningssystemet. Det skall betonas att placeringen av stationeri ett ekvidistant gitter bara behöver vara approximativ och mycket väl mer eller mindre kan avvika från det regelbundna mönstret för att anpassas till yttre förutsättningar som topografi m.m.

När bistatiska geometrier inkluderas blir antalet möjliga mätkonfigurationer stort och så blir också den önskade överlagringen av oberoende mätgeometrier. För varje station blir antalet bistatiska faciliteteri vilket denna station ingår 12 om den andra stationen i det bistatiska paret ligger inom ett gitteravstånd d och 36 om den andra stationen tillåts ligga inom två gitteravstånd 2d. Observera att varje facilitet given av en sändare i en gitterpunkt och en mottagare i en annan, har en omvänd facilitet där mottagare liggeri den första gitterpunkten och sändaren i den andra. Bägge facilitetema mäter under samma geometriska förhållanden och ger samma data så att endast 6 respektive 18 konfigurationer kan ge oberoende data för respektive gitteravstånd. Framförallt i detta senare fall uppnås den önskade graden av mång- faldig överlagring varför den fortsatta diskussionen om radarstationemas räckvidd utgår från att separationen mellan sändare och mottagare i bistatiska geometrier tillåts sträcka sig upp till och med 2d.

:Illa :vara 10 15 20 25 30 35 ' 519 089 16 Betrakta en lägesrymd i form av ett triangulärt prisma med en triangel av radar- stationer separerade ett gitteravstånd som bas och med höjd h (den förväntade maximala målhöjden). Triangel överlagras (helt eller delvis) av 13x36 = 108 bi- statiska facilteter, givet att radarstationerna har pulsrepetitionsfrekvens och sänd- ningseffekt valda enligt vedertagna principer. Endast de konfigurationer som har t.ex. mottagare i triangelns hörn, d v s . 54 av de 108 facilitetema, kan dock ge från varandra oberoende bistatiskt data. I själva verket räknas bland dessa 54 konfigu- rationer de bistatiska facilitetema mellan triangels höm två gånger, så endast 51 av de 54 facilitetema ger oberoende data. Vid sidan om detta bistatiska data samlas också monostatiskt data in täckande det triangulära prismat. Till vilken grad detta sker är ej dimensionerande för val av radarparametrar och beskrivs därför först något senare i det nedanstående.

Följande förslag till sändnings-/mottagningsmönster för radarstationema ger möjlig- het att utnyttja de önskade bistatiska geometrierna i gittret. Den för en viss avståndsupplösning nödvändiga radarbandbredden B delas in i lika många del- band som antalet stationer som ligger inom en delmängd ¶'(2d,1ï) av gittret som utgör en regelbunden sexhörning med radien 2d, centrerad kring gitterpunkten 13 .

Antalet delband är således 19, se även figur 3. Radarsändning och radarmottag- ning utförs med den kända tekniken kallad "stegad frekvens" enlig vilken teknik varje delband helt sänds och tas emot innan samma förfarande upprepas för nästa delband följande en på förhand uppgjord turordning. För den föreliggande tillämp- ningen utförs varje stations mottagare så att mottagning kan ske över hela band- bredden under varje frekvenssteg. Genom att varje station inom W(2d,1_5) dess- utom tilldelas ett och endast ett delband så kommer den mottagna signalen för stationen i punkten F täcka hela radarbandet B medan varje delband unikt kan tillskrivas någon viss av de 19 stationema i Y/(Zd, 17). Om dessutom samma tur- ordning för delbanden tillämpas för samtliga stationer i ¶f(2d,ï) kommer data för hela radarbandet att ha erhållits för alla bistatiska konfigurationeri ¶f(2d,ï5) som har mottagning i P. Ett sändningsmönster upprättas över hela gittret genom att sändningsmönstreti ¥'(2d,1ï) också utnyttjasi Y/(Zdf +mÖ,.) där m och i är heltal och Öi är en vektor med längd 3d och riktning i ><60' , jfr. figur 3. De inses att precis som i punkten f; så innebär sändningsmönstret data för hela radar- bandet för alla bistatiska konfigurationeri ¥'(2d,1ï') som har mottagning i varje gitterpunktlï' . nano; 10 15 20 25 30 35 ' 519 089 n. 'gu 17 Att signalen som registreras i varje gitterpunkt F unikt kan tillskrivas någon av sändama i '1/(2d, F) förutsätter att lyssning vid varje radarstation ej pågår längre än en tid efter sändningens början. l själva verket är den enklaste utföringsforrnen av över- vakningssystemet att lyssningstiden begränsas till stegtid minus sändningstlden.

Härigenom kan önskade reflekterade signaler tas emot fullständigt innan över- hörning sker. Ett mer avancerat förfarande är att modulera sändarsignalen genom t.ex. lineârt frekvenssvep. Härigenom kan överhömingssignal tas emot samtidigt som radarreflexer, varefter bägge signalema kan separeras i avstånd och stegtiden utnyttjas fullt ut. Flera kända metoder kan tillämpas för att undertrycka överhöming från puls till puls och därmed uppkomsten av tvetydiga ekon. Sådana metoder är byte av modulation för sändningssignalen mellan frekvenssteg liksom ändring av turordningen mellan frekvenser från stegperiod till stegperiod.

Med den angivna tidsgränsen kan de 51 oberoende bistatiska geometrierna samt- liga utnyttjas för överlagrade mätningar inom det triangulära prismat. Vi kan dock förenkla den fortsatta diskussionen genom att enbar betrakta sådana konfiguratio- ner som täcker hela det triangulära prismat, se figur 4. Låt Ü vara dess centrum och Ão någon godtycklig av gitterpunkterna som utgör hörn i dess bas. Döp samt- liga gitterpunkter inom två gitteravstånd från C genom den vinkel de har relativt vektom ÃOÜ . Således utgör ÃOJ-IIWÃW hömen i basen, under det att gitter- punktema ÃzwÃæ,Äoo,Åso,Ãno,Ãzso,Ãno,Ãm återfinns inom ytterligare ett gitter- avstånd.

Betrakta först situationen h = 0. Som framgår av figur 4 möjliggörs likväl i detta fall 12 oberoende mono/bistatiska mätningar med Ä, som mottagningspunkt som alla täcker hela prismat. De bistatiska vinklama är approximativt spridda över hela varvet, dvs. vinkelinkrementen mellan geometriema är i medeltal 40°. Utgående från att samtliga tre höm ÃoÅzwÃw innehåller mottagare kommer det triangulära prismat överlagras av 36 mätningar. Bland dessa återkommer bistatiska mätningar mellan hömen ÃwÃlztnzm två gånger vardera så 34 av mätningama är obero- ende. En del av dessa mätningar kommer bara täcka hela prismat när h: 0. Så är fallet med sändningar från Ã,0,Å00,Ã40,Ã220,Ã280,ÃW. Således gäller att 18 av de 34 mätningarna skapade av ÃzlvÄooflímodínofAlsog-iw i kombination med u . n u u. :syna »usla 10 15 20 25 30 35 ' 519 089 18 n» u.. ÃwfuwÃzw bara har partiell täckning. I figur 4, där ett mål förekommer mellan centrum Ü och 7120 , kommer dock sändningar från ÃXNÃOOMÉIMNÄÜO med mottagning i ÃoJ-tnopízw även att nå sådana mål (t.o.m. upp till mål på höjder något högre än gitteravståndet). Det följer att överlagringen av mätningar i dessa fall är minst 28-faldig (det finns i själva verket ytterligare monostatiska och bistatiska mätningar av målet innefattande stationema i Ãw, ÃOO, Ãm, XW, som vi här bortser från). Symmetrin ger att samma minst 28-faldiga täckning gäller för alternativa målplaceringar mellan Ü och triangelhörnen ÄN) och Ão, dvs. hela prismat bortsett från de allra mest extrema målhöjdema.

Det går givetvis (även om vi fortsättningsvis inte studerar detta fall explicit) att utöka stegtid enligt en allmän formel =E;k=2,3,... c img Därmed kan signalen som registreras i varje gitterpunkt F unikt tillskrivas någon av sändama i ¶'[(k -1)d,}_”]. Det erfordras att sändarsignalen delas upp i 3k(k + 1) +1 frekvenssteg.

Konstruktion av radarsensorer för det föreslagna sensorgittret följer i de flesta avseenden konventionella principer för radar. Således väljs sändareffekt enligt den bistatiska radarekvationen RgxRåx km a” r. ml PA=4ir Vänster sida består av radams storleksparametrar i form av sändarens medeleffekt P, och mottagarantennens effektiva area A. Höger sida definierar krav på radar- funktionen avseende brusekvivalent radarmålyta UN, avstånd mellan mål och mot- tagare RM, , avstånd mellan sändare och mål R” , brustemperatur T, integrations- tid för Dopplerestimering av (bistatisk) närmandehastighet tim, samt vinkelvolymen .Q som behöver belysas av radarsändaren. De effektmässigt mest krävande fallen är när RRX z 2d och RTX zd eller omvänt. Vi får därmed 4 PAsmí-kf” UN inr ø | » | -ø :rrno \»,»| 10 15 20 25 30 o ø v n u 519 089 šïï* 19 En övre gräns för fin, sätts av osäkerheten om målmanövrer. Denna ställer krav på att Dopplerrnätningar fömyas i en viss takt och att tm, begränsas reciprokt till denna takt. Obestämdheten orsakas dels av att målets fartvektor förändras under manövrer, dels genom att målets orientering i rummet förändras, vilket förändrar läget för fascentrum för radarsignalens spridning i målet. Begränsningarna på grund av respektive effekt utrycks av olikhetema där am" är den för målmanövrer karaktäristiska accelerationen och vw karaktäris- tisk målfart under manöver, AR är avståndsupplösningen och J. är radarvåglâng- den.

En undre gräns för tm, sätts av kravet på Dopplerentydighet. Det föreslagna sensor- gittret arbetar enligt ovanstående med frekvenssteg, som tas emot under fixa tidsintervall tm bestämda av gitteravståndet d. Eftersom 19 sådana steg måste förlöpa mellan sändningar av samma frekvens uppstår Dopplertvetydigheter på det sätt som är välbekant i radar när repetitionsfrekvensen blir alltför låg i förhållande till den utsända frekvensen och förväntade målfarter.

Dessa tvetydigheter kan i det föreliggande fallet lösas upp, eftersom avstånds- upplösningen är hög. Dopplerfart kan nämligen enligt välkända principer för matchad filtrering sorteras ifållor med olika grad av lineär avståndsvandring under integrationstiden. Dessa fållor sorteras därefter med matchad filtrering i olika Dopplerskift. Om därvid uppkomna Dopplertvetydigheter ligger utanför hastighets- upplösningen för lineär avståndsvandring kan de bortsorteras, varvid Dopplerfarten bestäms otvetydigt. Hastighetsupplösningen som erhålls vid sortering enligt avståndsvandring är Av AR = ZAR/ tm. Eftersom tvetydig Dopplerfart är Åfw / 2, där fw är signalrepetitionsfrekvensen, erhålls villkoret för entydig Dopplerfartsbestämning íéßl tífilfflïF '_ Ä »suis »sina zn>xs 10 15 20 25 30 519 089 20 Det framgår att upplösningen måste vara god i förhållande till våglängden liksom integrationstiden måste vara tillräcklig. Eftersom fw =1/19t,,,g och meg =3d/c erhålls ti", 2 228 dß cl Utgående från de av accelerationer implicerade begränsningama fås två villkor för nödvändig radarvåglängd tm z gbowesf-rfläz: C d Am 2 AR zzsam" CV M0!! l en utföringsform aktuell för spaning över stora ytor väljs t.ex. gitteravståndet d= 20 km. Om dessutom am = 100 m/sa, vw =100 ms" och AR =2,5 m fås Am = 0,7 m respektive Am = 0,3 m. Följaktligen är förhållandevis låga radar- frekvenser lämpliga, vilket harmoniserar väl med att inte någon vinkelupplösning krävs och följaktligen inte heller att aperturen behöver göras stor i förhållande till våglängden. lntegrationstiden med lm = 0,7 m blir ti", = 0,06 s. Om vi för exemplet väljer att sändarantennen enbart belyser lufthavet dvs. den övre hemisfären samt att detta sker isotropt är .Q = 21: sterad . Ansätt dessutom a” = 0,1 m2 och A =1 m2.

Nödvändig medeleffekt enligt radarekvationen blir därmed P = 36 W . l en annan utföringsform för stridsfältsövervakning väljs d =1km. l detta fall är det aktuellt att spana mot manövrerande robotar liksom projektiler varför am =100 m/sâ, vm = 300 ms* och AR = 0,5 m. Vi får lm = 0,03 m respektive lm = 0,01 m för de två våglängdskriteriema. lntegrationstiden med lm =0, 03 m blir tim = 0,01 s. Anta åter att .Q = 21: sterad och att a” =10“*m2 och A = 0,1 m2. Nödvändig medeleffekt enligt radarekvationen blir då P = 10 W.

En ytterligare aspekt som måste beaktas är egenbländning, dvs. företeelsen att för en bistatisk radarfacilitet sändarsignalen direkt belyser mottagarantennen och negativt påverkar mottagarfunktionen. En metod att undvika bländning kan vara att 10 15 20 25 30 '519 089 21 på lämpligt sätt utforma antennernas riktningskaraktäristik. Det är t.ex. möjligt att utforma vertikala riktningskaraktäristik, så att såväl markinteraktion i minimeras, som att antennema vare sig sänder ut eller är känsliga för signaler som utbreder sig horisontellt och således mellan angränsande radarstationer. Å andra sidan är en kapacitet att mäta in lågflygande mål mycket önskvärd vilket ställer krav på antenn- verkan ijust horisontell ledd (en viss vertikal lobformning är också önskvärd och kommer diskuteras mer i det nedanstående). Det är också möjligt att forma riktningskaraktänstiken i bäringsledd med nollställd antennverkan i bäringar riktade mot angränsande radarstationer. Detta är inte heller någon lämplig metod att eliminera bländningseffekten eftersom sektorema med nollställd antennverkan måste vara mycket smala för att undvika en påtaglig minskning i systemets prestanda. Låga frekvenser, vilket ovan befanns lämplig för större spaningssystem, ställer därvid krav på stora antenner, vilket knappast är möjligt för ett system som bygger på många samverkande stationer.

Följaktligen kan antennriktverkan knappast utnyttjas för att undvika bländning. Där- emot kan begränsningen i prestanda på grund av denna effekt minimeras genom lämplig utformning av sändar- och mottagarfunktionen. Det finns två relativt mot- satta tillvägagångssätt. Det ena utgår från ett noggrant upprätthållande av ett ekvi- distant gitter. Härigenom uppnås att under stegtiden tm: = 3d / c sändarsignalen endast påverkar den mottagna signalen under viss specifika tider nämligen d d l to+-ststo +-+At c c Jšd l/šd to +--ststo +--+At c to +å¶ststo+ë+m C Jïd Jïcd to +--ststo +_-+At c c där At är sändningstiden och to någon tidpunkt för ett nytt sändningssteg. Om nu sändningstiden väljs kort och då utgående från upplösning dvs. _zAR C At blir det helt acceptabelt att mätdata inte tillgängligt under bländning. Visserligen kommer på grund av bländning i gitterpunkten F mätdatarummen Si, där JT ingår ifacilitetema p, sakna data för vissa upplösningsceller i avståndsledd. Dessa 10 15 20 25 30 35 519 089 22 n» nu upplösningsceller svarar genom projektionerna mg, mot volymeri S6 där faciliteten Q inte tillför mätvärden. På grund av den mångfaldiga överlagringen av oberoende mätgeometrier kommer dock endast isolerade upplösningsceller X c S6 sakna tre mätvärden och väsentligen inga celler sakna fler än tre mätvärden trots bländnings- effekten. Målpositioneringskriteriet givet av a(X) = n'(X)/n(X) kan lätt justeras för denna effekt utan påtaglig degradering av prestanda.

Kravet på ett strikt noggrant upprätthållande av ett ekvidistant gitter är dock i de flesta fall olämpligt. Ur militär synpunkt är gittret lätt att precisionsbekämpa när gitterpunktema är exakt kända. Det kan också vara olämpligt ur vågutbrednings- synpunkt eller rent praktiska synpunkter att placera radarstationer i en på förhand given konfiguration. Eftersom radarekvation bestämmer medeleffekt, innebär korta pulser ett krav på hög toppeffekt, vilket är apparatmässigt krävande. Helst vill man i stället genom lämplig kodning av sändningssignal utnyttja en arbetsfaktor At _f¶ t 3d mg n: som är rimligt stor, t.ex. 17 = 10%. Ett sätt att hantera bländningsproblemet som uppfyller samtliga dessa önskemål utgår från observationen att den bländande signalen är koherent med signalen reflekterad från målet. Därmed kan de diskrimi- neras genom Doppler- och avståndsanalys. Dock krävs att Doppleranalysen kan ske med en för denna diskriminering tillräcklig dynamik, vilket ställer krav på en höggradigt lineär radarmottagare.

För att utreda kravet på mottagardynamik noteras att signalstyrkan från den av målet reflekterade signalen bestäms av radarekvationen och är kT/tím i varje Dopplercell från ett mål med målytan a”. Maximal bländning i någon gitterpunkt uppstår på grund av sändning från de sex intilliggande gitterpunktema dvs. under tidsintervall d d tzto +-to +-+At C C Styrkan av den bländade signalen uppskattas därmed till ífíi :2 di p -ófiïíf I)bIdnd<6 topp- l;.|| 10 15 20 25 30 35 519 089 23 o n . . ø - . o »n Nödvändig dynamik vid Doppleranalys är således Pbldnd P kT .Odz 'mkT Nm, Nödvändig dynamik vid mottagning blir NM .aflßfitaáflízæi c rykT .Q d c nkT eller 2 Nm, <3s41r2 ZAR iii- Ch... '7 UN där c/ ZAR är mottagarens fulla filterbandbredd. I båda de anförda exemplen är kravet på mottagardynamik som högst omkring 70 dB vid 17 = 10%. Det är en fullt möjligt och välkänd teknik att anpassa mottagarfunktionen att hantera denna dynamik, åtminstone vad gäller exemplet som utnyttjar de låga radarfrekvensema.

Notera också att 70 dB mottagardynamik är ett extremfall. Bl.a. förekommer de maximala bländsignalema i mottagningsperiodens början och då endast tillsam- mans med i förhållande till mottagningsstationen närliggande mål. För avlägsna mål och med dessa hörande svaga signaler förekommer endast störsignaler från sändare på större avstånd. I dessa fall dämpas bländsignalen b|.a. genom att terrängen erbjuder en påtaglig skärmning. Nödvändig momentan mottagardynamik blir därför omkring 50 - 60 dB. Mottagarfunktionen kan därmed förenklas med s.k.

AGC (Automatic Gain Control) som medger momentan anpassning av dynamiken till nivån för den inkommande signalen.

Avseende metoderna att koherent undertrycka bländningssignalen noteras att arbetsfaktorn bör vara stor i motsats till vid den först beskrivna metoden. Notera också att den koherenta bländningsunderryckningsmetoden i sig inbegriper mottag- ning av de direkta sändningssignalerna mellan faciliteter. Detta ger en uppenbar metod för synkronisering mellan stationer, vilket är nödvändigt för den bistatiska funktionen.

En sista aspekt som behöver belysas avseende sensorutformning är antenn- konstruktion. En viktig fördel med konventionell radarteknik byggande på höggradig riktningskänslighet är att denna naturligt låter sig kombineras med en förmåga att undertrycka störare genom att nollställa riktningskänsligheten i störriktningar. Det » u n . .u 10 15 20 25 30 35 519 089 24 n. .nu föreslagna radargittret kräver en motsvarande funktionalitet hos de enstaka radar- stationema. När väl en sådan funktion föreligger kommer själva det faktum att radarstationer över ytan samverkar bistatiskt att öka störfastheten, eftersom denna gitterstruktur av stationer ställer krav på att störningar samtidigt utförs i en mångfald riktningar.

Figur 5 illustrerar i A, sett från sidan, en lämplig antennkonstruktion för radar- stationen i en enstaka gitterpunkt för det lågfrekventa radarsystemet. Nedan- stående synpunkter rör i huvudsak detta system. Antennkonstruktionen kombinerar den nödvändiga, i bäringsledd likformiga riktningskaraktäristiken med lämplig vertikal riktningskaraktäristik. Den har också den önskade störundertrycknings- förmågan. Antennen består av två delar. Den första delen består av en vertikal pelare av ett antal identiska enkla antennelement, t.ex. dipoler. Antalet element väljs så att tillräcklig antennförstärkning erhålls i vertikal ledd. Riktningskaraktäristi- ken l bäring förblir isotrop. Den andra delen utgörs av en i förhållande till pelaren koncentrisk ring bestående av att antal enkla antennelement. Om det är N antenn- element i ringen, är det välkänt att N -1 lineärkombinationer av signalema från antennelement kan bildas, där var och en enbart är känslig för signalen från en av N -1 valfria riktningar. Genom att dessutom lineärkombinera signalen från ringen och pelaren kan istället en riktningskaraktäristik erhållas där riktningskänsligheten är nollställd i dessa N -1 valfria riktningar. I B visas en sådan sammanvägning som är okänslig i en riktning till följd av att ringantennen gjorts känslig endast för denna riktning.

Kombinationer av signaler från ring och pelare utnyttjas för att vid mottagning undertrycka stömingar, då i första hand sådan som är avsedda att degradera radarfunktionen vid en militär konflikt. Vid sändning utnyttjas endast antenn- elementen i pelaren, som sammanvägs till en riktningskaraktäristik som i huvudsak riktar sändningsloben horisontellt, så att den når avsett avstånd med spridning upp- till avsedd höjd. Vid mottagning är fler mottagningskanaler nödvändiga för samtidig övervakning av samtliga elevationsriktningar. Den antagna antennytan A =1 m2 vid våglängden lm = 0,7 m kräver ca. 10 antennelement på höjden (antenn pelaren blir därmed 3,5 m hög). idealiskt är att varje antennelement har sin egen mottagare. Dock är en sådan konstruktion obehövlig allteftersom den i elevations- riktningen projicerade antennaperturen minskar och den vertikala riktningskaraktäri- stiken blir allt mindre uttalad. 10 antennelement ger därför endast cirka 5 okorre- Ierade vertikala antennriktningar, varvid ett analogt signalformningsnät gör att högst fem oberoende mottagarkanaler blir behövliga. . | n . n. 10 15 20 25 30 519 089 25 För störundertryckning behövs ytterligare mottagarkanaler anslutna till antenn- ringen. Lika många mottagare behövs som antalet element i ringen, vilket antal som nämnts måste vara ett större än det förväntade antalet störda riktningar. Notera återigen att inget krav på extrem mottagardynamik behövs, eftersom syftet med störundertryckning att grovt undertrycka huvuddelen av störenergin. Det behövs således inte att mottagare anslutna till ringen har tillräcklig känslighet för att detek- tera mål, utan det räcker med att mottagama anslutna till pelaren har denna för- måga.

I fig. 6 visas ett exempel på ett ändamålsenligt principschema för en radarstation i _ en gitterpunkt. Radarstationen är uppbyggd kring det antennsystem som beskrivits i figur 5. Pelarantennen utnyttjas för sändning och mottagning, varvid sändnings- signaler genereras enligt det sändningsmönster för stegad frekvens som beskrivits i figur 4. Ett system för signalkombinering innehåller nödvändiga omkopplings- funktioner mellan sändning och mottagning och fördröjningsfilter för forrnandet av vertikala riktningar som separat tas emot av olika mottagare och omvandlas till digitala signaler.

För störundertryckning behövs ytterligare mottagarkanaler. För dessa är det fördel- aktigt att göra signalkombinering efter digitalomvandling, AD , för att forma smala antennloberi störriktningama, som genom fördröjning och summering kan fås att motsvara den totala störsignalen som inkommer mot pelarantennen. Genom väsentligen en subtraktion (i själva verket en viktad sådan med olika viktsfaktorer för olika elevationsriktningar) erhålls störreducerade radarsignaler. Genom matchad filtrering, MF, med avseende på sändningssignalen erhålls en fördelning av de mottagna signalema över avstånd och närmandefart. Härefter sker måldetektion, Det, genom CFAR-tröskling för vane elevationsriktning. Kännedom om elevations- riktningar är inte i sig nödvändig för fortsatt behandling. Detektioner i avstånd och närrnandefart kan vidare slås samman för att reducera data i kommunikationen med analysutrustningen. - u n . ua

Claims (10)

_ ...- zvta» 10 15 20 25 30 35 519 089 26 Patentkrav:

1. Ett system för att med från mål spridda signaler bestämma lägen och hastigheter för målen i ett lägesrum, innefattande en i kända punkter i lägesrummet utspridd mängd av sändare och mottagare av elektromagnetiska eller akustiska signaler, där varje par av sändare och mottagare, monostatiskt eller bistatiskt, benämns en mät- facilitet, vidare innefattande analysutrustning för lagring och analys av mottagna signaler, vilket inbegriper tidsbestämning av ögonblick för sändning och mottagning enligt vedertagna principer för radar och parametrisenng av mottagna signaler som en funktion av gångväg mellan sändningspunkt och mottagningspunkt, dock utan deti radar sedvanliga kravet på riktningsinforrnation, k ä n n e t e c k n at a v att sändamas räckvidd är valda så att ett mål i en godtycklig punkt inom läges- rummet kan inmätas via spridning i målet av minst fyra mätfaciliteter, att för varje mätfacilitet en måldetektion sker med konstant falsklarm nivå - ”Constant False Alarm Rate", CFAR - där brusintensiteten ansätts ett tröskel- värde och de celler där signalintensiteten överskrider tröskelvärdet anges vara målkandidater, att analysutrustningen utnyttjar en målpositioneringsalgoritm som innefattar att varje mätfacilitet (p placerar n? målkandidateri nu av N upplösningsceller i ett till mätfaciliteteten hörande 2-dimensionellt lineärt rum av avstånd och Doppler- hastigheter Sf, samt att 3-dimensionella lägen och 3-dimensionella Doppler- hastigheter representeras som ett 6-dimensionellt lineärt läges- och hastighets- rum S6 indelati N 3 upplösningsceller X c: S6 med samma avstånds- och Dopplerhastighetsupplösning som återfinns hos mätfacilitetema och att analysutrustningen, dels utgående från ett antagande om att sannolikheten är lika stor att ett mål återfinns i var och en av cellema X c YN, där Y", c S6 är en delmängd representerande en enskild målkandidat j =1,2,...,n,, vid någon enstaka mätfacilitet ø, dels utgående från det förväntade antalet mål M = nu, , beräknar, för varje cell X c Y” mYfø. n...nYj,,,ø,,, som representerar detek- tioner vid minst n 2 4 mätfaciliteter, sannolikheten p” (n,M,N) att cellen innehåller ett falsklarm som uppstått genom skämingar mellan delmängder Yj, som härrör från olika mål och anger, när sannolikheten underskrider ett förutbestämt värde, att snittet inne- håller minst ett mål och extraherar härigenom mållägen och målhastigheter. -few _ «-u a 10 15 20 25 30 35 519 089 27

2. System enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n at a v att sändare och mot- tagare är placerade som gitterpunkter i ett väsentligen ekvidistant gitter på en yta, som begränsar det övervakade lägesrummet, t.ex. en markyta, med avståndet mellan hömen punkterna väsentligen lika stora, d, och där signalemas räckvidd vid en väsentligen plan yta är minst 2d, innebärande minst 6 oberoende bistatiska konfigurationer per gitterpunkt och att räckvidden, i det fall ytan inte är väsentligen plan, anpassas för att ge lika många bistatiska konfigurationer som i det plana fallet.

3. System enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a t a v att ett par bestående av en sändare och en mottagare är placerade som nämnda gitterpunkter i det väsent- ligen ekvidistanta nätet.

4. System enligt patentkravet 2 eller 3, k ä n n e t e c k n at a v att systemet dessutom utnyttjar de kombinerade sändarna/mottagama för monostatiska mät- ningar.

5. System enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n at a v att då räckvidden av signalema är kd;k = 2,3,... och där således signalema från 7,19,...,3k(k +1) + 1,... gitterpunkter måste kunna särskiljas av varje mottagare, den totala bandbredden B för signalen delas upp i 3k(k + 1) +1 intilliggande delband, där varje delband sänds inom en sexhöming av 3k(k + 1) +1 gitterpunkter samt tas emot av den mittersta stationen l sexhömingen, varefter när de av mål spridda signalema registrerats en ny fördelning av delband över gitterpunkter inom sexhömingen sänds o.s.v. till dess att varje gitterpunkt inom sexhömingen sänt varje delband inom den totala bandbredden, samt att detta sändningsmönster kopieras genom translationer i gittret till kongruenta sexhörningar av 3k(k +1) +1 gitterpunkter täckande en godtyckligt stor yta, varvid uppnås att varje mottagningsstation aldrig erhåller samma delband från mer än en gitterpunkt inom den förutsatta räckvidden och varje delband unikt kan härledas till gitterpunkten för dess utsändning.

6. System enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e t e c k n at a v att analys- utrustningen bestämmer för varje upplösningscell X c S° ett första heltalsvärde n(X) som utgör det antal mätfaciliteter som har en räckvidd så att de förmår detek- tera mål som liggeri upplösningscellen, och ett andra heltalsvärde n'(X) som utgör det antal mätfaciliteter som faktiskt detekterar mål på det avstånd och med den Dopplerhastighet som betyder att ett mål kan ligga i upplösningscellen och att analysutrustningen för varje upplösningscell bildar kvoten a(X) = n'(X)/n(X) och ~ . ~ - H 10 15 20 25 30 35 v n o u .n 519 089 šïï* 28 anger att upplösningscellen X innehåller ett mål om kvoten a(X) överstiger ett på förhand angivet värde som är valt i beroende på säkerheten att detektera mål i en given upplösningscell och som därför är större än noll och minde än eller lika med ett.

7. System enligt patentkravet 6, k ä n n e t e c k n at a v att upplösningscellema först är valda väsentligt större än avstånds- och Dopplerupplösningen, att upplös- ningsceller X c S6 som analysutrustningen anger innehålla mål delas på ett sådant sätt i två eller fler upplösningsdelceller att antalet upplösningsdelceller efter del- ningen är väsentligen lika stort som det ursprungliga antalet upplösningsceller, att analysutrustningen därpå genomför en motsvarande andra analys av den nya uppsättningen upplösningsdelceller och de upplösningsdelceller utväljs och anges innehålla mål som uppfyller det valda villkoret, varpå ånyo de celler delas som angivits innehålla ett mål och en ny analys sker o.s.v. till dess den slutliga upplösningsdelcellsstorleken sammanfaller med avstånds- och Dopplerhastighets- upplösningen.

8. System enligt patentkravet 7 k ä n n e t e c k n a t a v att minst två cellindel- ningar utnyttjas från och med en förutbestämd indelningsnivå, vilkas celler är kongruenta men skiljer sig för varje indelningsnivå på en translation som är en bråkdel av cellängden i den spatiella domänen, att analysutrustningen genomför sin analys på samtliga cellindelningar, varvid målläget kan fastställas till bråkdelar av den spatiella cellängden genom att mål detekteras i vissa överlappande celler vid en viss indelningsnivå och således helt innesluts i skärningen av dessa celler.

9. System enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n at a v att a(X)=1 för upplös- ningsceller med en spatial utbredning nertill ett förväntat måls maximala storlek och att a(X) = 4/n (X) för mindre upplösningsceller.

10. System enligt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n at a v att sändama och mottagama innefattar ett antennarrangemang bestående av dels ett antal på en mast, längs en vertikal axel, anordnade antennelement som via ett matningsnät tillsammans ges ett 3-dimensionellt strålnings- diagram med en huvuddel av energin likafördelad inom en kon med avseende på den vertikala axeln och där konvinkeln kan styras genom att varierande fasskift påläggs de olika antennelementen vid matningen, d 519 089 n n a a c : n n - n - nu - 29 dels ett antal längs en horisontell cirkel, som är koncentrisk med den vertikala axeln, med väsentligen jämn delning längs cirkeln anordnade antenn- element och ett matningsnät för antennelementen, sådant att en eller flera i horisontell led riktade lober kan erhållas genom att varierande fasskift 5 påläggs de olika antennelementen vid matningen och en enhet som genom en linjärkombination sammanväger signaler från de horison- tellt och vertikalt orienterade elementen, så att signalen från den horisontella ringen subtraheras från signalen från den de vertikalt anordnade antenn- elementen, vilket resulterar i ett strålningsdiagram som är okänsligt i riktningar 10 där den horisontella ringen har riktade lober. o|.~n