WO1998045726A1 - Verfahren zur überwachung der erdoberfläche - Google Patents

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WO1998045726A1
WO1998045726A1 PCT/EP1998/001980 EP9801980W WO9845726A1 WO 1998045726 A1 WO1998045726 A1 WO 1998045726A1 EP 9801980 W EP9801980 W EP 9801980W WO 9845726 A1 WO9845726 A1 WO 9845726A1
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sight
line
speed
monitoring
earth
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PCT/EP1998/001980
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Inventor
Christoph Neumann
Original Assignee
Daimler-Benz Aerospace Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
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    • G01S13/9004—SAR image acquisition techniques
    • G01S13/9019—Auto-focussing of the SAR signals

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the earth's surface according to the preamble of patent claim 1.
  • a radar sensor in the aircraft, the direction of view of which is directed towards the earth's surface. If high spatial resolutions are to be achieved during monitoring, the use of a radar sensor with a synthetic aperture is advisable. This will operated, for example, in the so-called SAR or DBS mode (operating mode).
  • SAR or DBS mode operating mode
  • the flight parameters for example flight altitude, flight path, flight speed, of the aircraft are always known, because only then can radar images recorded successively in time be evaluated according to the synthetic aperture method with predeterminable accuracy without errors and / or disturbances, such as blurred images.
  • the flight parameters mentioned can be determined, for example, using an INS device (Xnertial Navigation System).
  • Such a method is disadvantageously technically complex and inexpensive because an independent device, the INS device, must be used to determine those parameters which are required in particular for SAR radar images.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a generic method with which automatic focusing of radar images which are generated by means of a radar sensor with a synthetic aperture is made possible in a cost-effective manner.
  • the invention is based on the knowledge that it is possible to determine the speed and the acceleration from the radar signal evaluated by the radar signal on the line of sight, that is to say the connecting line between the radar sensor and the light spot of the antenna on the earth's surface. These arise due to the relative movements of the radar sensor with respect to the earth's surface, particularly in the case of a rapidly moving aircraft. From parameters obtained in this way when evaluating the radar signals, those parameters which are required for image focusing are determined.
  • the radar sensor analyzes a predeterminable area of the earth surface to be monitored in SAR scan mode, in spotlight mode and / or in MTI mode. If the radar sensor is operated in monopulse mode, it is possible to track the angle of a detected target. It is particularly advantageous here that real-time processing of the received signals is possible in the radar sensor.
  • Fig. 1 shows a schematic structure of a transmitter / receiver unit of a radar sensor for the mmW range
  • an FM modulation signal is generated by means of digital direct synthesis (DDS) and brought to an RF transmitter via an up converter (UP).
  • the echo signal of the four receive channels is mixed with the decoupled transmit signal (MIX) and sampled (digitized) (A / D) (homodyne method) after low-pass filtering (TP).
  • MIX decoupled transmit signal
  • a / D sampled (digitized)
  • TP low-pass filtering
  • a narrow antenna characteristic is created, which is necessary for possible target tracking and a good power balance.
  • a high spatial resolution is achieved by an appropriately selected bandwidth of the transmission signal and a coherent integration time adapted to it.
  • the light spot of the antenna on the surface of the earth extends there, for example, from 100 m to 150 m.
  • a meandering scanning in a predeterminable azimuth / elevation range is possible (FIG. 2).
  • the dwell time of a (radar) target to be detected and / or classified in the antenna lobe is essentially determined by a predeterminable antenna search pattern, for example a meandering scan.
  • the azimuth swivel symmetrical to the flight direction is used in the so-called MTI mode of the radar sensor.
  • MTI mode the so-called MTI mode of the radar sensor.
  • a ground clutter that may be present is mapped to a few resolution cells of the Doppler spectrum in this direction of view due to the narrow Doppler bandwidth chosen. Moving (moving) targets then appear predominantly outside this range in the thermal noise.
  • the existing high range resolution is retained and is used for target recognition.
  • the 3 shows an arrangement for evaluating the received signals (echo signals).
  • the four received signals are first digitized (A / D) and processed (processed) in parallel.
  • the "Range" analysis window is selected using a digital synthesizer and an FIR filter.
  • the signal is subsampled in accordance with the bandwidth reduction of the FIR filter.
  • the existing small extent of the antenna light spot on the earth's surface enables a simple range-doppler processing (distance-doppler processing) of the signals after phase compensation, since the objects of interest (targets) can also be used with a high lateral resolution of, for example less than 1 m inside of the depth of focus.
  • individual so-called footprint images are generated in a fixed, predeterminable time grid, which overlap greatly in the aperture in a predefinable manner and, depending on the search pattern, are combined to form larger images according to the so-called multilook principle.
  • the aforementioned high range resolution (distance resolution) of less than 1 m requires a very precise determination of the speed V ⁇ os on the line of sight. The same applies to the low-frequency part of the acceleration B ⁇ _ os on the
  • Low-frequency signals are referred to here, the highest frequency of which is less than the reciprocal of the coherent integration time, which will be explained in more detail below.
  • Low-frequency signals are, for example, in a frequency range from 1 Hz to 10 Hz.
  • the detection of a target and navigation support for the aircraft take place on the basis of the incoherently composed radar images, while for the target analyze the complex individual images of the four receiving channels in two polarizations.
  • SAR or DBS technology can provide the required resolution.
  • a radar signal of wide bandwidth B r is emitted with suitable modulation (transmission signal S r ) and its echo is received (E r ), sampled and processed with the clock frequency T s (N s samples within the clock frequency T s ).
  • the transmission signal S r is repeated periodically over a predeterminable number N r of frame clocks T r .
  • the coherent processing of the received signal E r leads to a two-dimensional spectrum of the dimensions "distance” and "Doppler", with the Doppler dimension providing the spatial resolution transverse to the distance axis with a suitably selected measurement geometry ("azimuth").
  • ⁇ radar wavelength
  • ⁇ angle difference to the target object within the integration time
  • T Int N r T r .
  • the processing of the N r received signals E r takes place as a two-dimensional Fourier transformation of the matrix
  • a coherent integration time T Int is chosen which is not longer than approximately 1/2 times the target illumination time TOT ("Time On Target").
  • the process of DBS imaging is repeated at time intervals T BÜ ⁇ (image clock), the (not necessarily constant) time interval T B ii ⁇ j being dimensioned such that several DBS images are calculated within the target illumination time TOT, which together produce echo signals included from the total target illumination time TOT (Fig. 5).
  • E RD is the spectrum belonging to the matrix E n and o the
  • phase correction ⁇ r is o T r.
  • V LOS current measured value for the line of sight speed
  • the maxima of the correlation function are in the positions K r and K_ in the "distance” or "Doppler” dimension.
  • V LO s and F DOT The measurement bandwidth for V ⁇ os and P DOT is l / ⁇ .T__ ⁇ _ «1 / Ti nt .
  • a predefinable non-linear filter (median or sigma filter) eliminates interferences that result from poor measurement quality (insufficient inhomogeneity of the radar echo for the correlation).
  • the contrast of the correlation maxima at K r or K d controls an adaptive low-pass filter, so that the resulting measurement bandwidth is ⁇ 11 m B n_.
  • the method was successfully applied to measurement data from a Ka-band radar sensor, with resolutions of less than Im x Im being achieved.
  • the 2-dim correlation can be reduced to two 1-dim correlations if the Doppler correlation is carried out first and then the Doppler offset Tü_ is taken into account in the range correlation (see Fig. 7).
  • a radar sensor can be produced for the following operating conditions:
  • the invention is not limited to the examples described, but can be used in a variety of ways, for example the detection, classification and tracking of both stationary and moving objects, for example land and / or sea vehicles (ships).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Erdoberfläche mittels eines bewegten Fluggerätes unter Verwendung eines Radarsensors mit synthetischer Apertur. Dabei werden zur Herstellung hochauflösender Radarbilder unter anderem die Flugparameter des Fluggerätes benötigt. Bei dem Verfahren werden die besonders wichtigen Parameter Geschwindigkeit und Beschleunigung auf der Sichtlinies des Radarsensors ermittelt aus den empfangenen Radarsignalen. Ein ansonsten dafür nötiges Inertiales Navigations System (INS) wird dadurch in vorteilhafter Weise nicht benötigt.

Description

Beschrei ung
Verfahrpn zur Überwachung ιier rrlnhprf1 Hche
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung der Erdoberfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In vielen Anwendungsfällen ist die Überwachung der Erdoberfläche erforderlich, wobei ein bewegtes Fluggerät, beispielsweise ein fliegendes Flugzeug oder ein fliegendes Luftschiff oder ein Satellit, verwendet wird. Soll diese
Überwachung beispielsweise weitgehendst unabhängig sein von Wettereinflüssen, beispielsweise Wolken und/oder Nebel, so ist es zweckmäßig, in dem Fluggerät einen Radarsensor, dessen Blickrichtung auf die Erdoberfläche gerichtet ist, zu verwenden. Sollen bei der Überwachung hohe räumliche Auflösungen erreicht werden, so ist die Verwendung eines Radarsensors mit synthetischer Apertur zweckmäßig. Dieser wird beispielsweise im sogenannten SAR- oder DBS-Mode (Betriebsart) betrieben. Für eine derartige Radar-Überwachung ist es erforderlich, daß insbesondere die Flugparameter, beispielsweise Flughöhe, Flugweg, Fluggeschwindigkeit, des Fluggerätes immer bekannt sind, denn nur dann können zeitlich aufeinanderfolgend aufgenommene Radarbilder gemäß dem synthetischen Aperturverfahren mit vorgebbarer Genauigkeit ausgewertet werden ohne daß Fehler und/oder Störungen, beispielsweise unscharfe Bilder, entstehen. Die erwähnten Flugparameter können beispielsweise mittels eines INS- Gerätes (Xnertial Navigation System) ermittelt werden.
Ein derartiges Verfahren ist in nachteiliger Weise technisch aufwendig und kostenungünstig, denn es muß ein eigen- ständiges Gerät, das INS-Gerät, verwendet werden, um diejenigen Parameter, die insbesondere für SAR-Radarbilder benötigt werden, zu ermitteln.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gat- tungsgemäßes Verfahren anzugeben, mit dem in kostengünstiger Weise eine automatische Fokussierung von Radarbildern, die mittels eines Radarsensors mit synthetischer Apertur erzeugt werden, ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Figuren näher erläutert. Es zeigen Fig.l bis Fig.7 schematische Diagramme zur Erläuterung der Erfindung
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, aus dem von dem Radarsensor ausgewerteten Radarsignal auf der Sichtlinie, das heißt der Verbindungslinie zwischen dem Radarsensor und dem Leuchtfleck der Antenne auf der Erdoberfläche, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung zu bestimmen. Diese entstehen aufgrund von Relativbewegun- gen des Radarsensors gegenüber der Erdoberfläche, insbesondere bei einem sich schnell bewegenden Fluggerät. Aus derart bei der Auswertung der Radarsignale gewonnenen Parametern werden diejenigen Parameter, die für die Bildfokussie- rung benötigt werden, ermittelt.
Dabei analysiert der Radarsensor einen vorgebbaren Bereich der zu überwachenden Erdoberfläche im SAR-Scanmode, im Spotlight-Mode und/oder im MTI-Mode. Wird der Radarsensor im Monopulsbetrieb betrieben, so ist eine Winkelverfolgung eines detektierten Zieles möglich. Es ist hierbei besonders vorteilhaft, daß in dem Radarsensor eine Echtzeitverarbeitung der empfangenen Signale möglich ist.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Sende-/Emp- fangseinheit eines Radarsensors für den mmW - Bereich
(Millimeter-Wellen-Bereich) . Dabei werden beispielsweise folgende Merkmale für den Radarsensor benutzt:
- Radarfrequenzbereich 35 GHz (Ka-Band) ,
- Modulationsverfahren: linear FM-CW, - volle Inter-Rampen Kohärenz,
- schmal bündelnde Sende- und Empfangsantenne vom Typ Cassegrain,
- Antenne auf einer stabilisierten Plattform,
- 4-kanaliges Monopulssystem, - zwei orthogonale Empfangspolarisationen, die mit den zwei Winkelebenen (Azimut und Elevation) gekoppelt sind.
Gemäß Fig. 1 wird ein FM-Modulationssignal mittels digita- 1er Direktsynthese (DDS) erzeugt und über einen Up-Konver- ter (UP) auf einen HF-Sender gebracht. Das Echosignal der vier Empfangskanäle wird jeweils mit dem ausgekoppelten Sendesignal abgemischt (MIX) und nach einer Tiefpaßfilterung (TP) abgetastet (digitalisiert) (A/D) (Homodynver- fahren) . Ein Kardansystem mit Lagestabilisierung der Antenne (Plattform) ermöglicht die Ausrichtung der Antenne über mehr als 180° im Azimut-Bereich (parallel zur Erdoberfläche) symmetrisch zur Flugrichtung (das heißt, sogenanntes "forwardlooking" und "sidelooking" nach rechts oder links sind möglich) sowie über mehr als 90° im Elevationsbereich (senkrecht zur Erdoberfläche) .
Aufgrund der gewählten Bauart der Antenne entsteht eine schmale Antennencharakteristik, die für eine mögliche Ziel- Verfolgung sowie eine gute Leistungsbilanz erforderlich ist. Eine hohe räumliche Auflösung wird durch eine dementsprechend gewählte Bandbreite des Sendesignals sowie eine daran angepaßte kohärente Integrationszeit erreicht. Der Leuch fleck der Antenne auf der Erdoberfläche hat dort bei- spielsweise eine Ausdehnung von 100 m bis 150 m. Damit und mit der erwähnten Lage-stabilisierten Plattform ist beispielsweise eine mäanderförmige Abtastung in einem vorgebbaren Azimut-/Elevationsbereich möglich (Fig.2). Die Verweilzeit eines zu dektierenden und/oder klassifizierenden (Radar-) Zieles in der Antennenkeule wird im wesentlichen durch ein vorgebbares Antennensuchmuster, beispielsweise eine mäanderförmige Abtastung, bestimmt. Dabei erfordert eine Erhöhung der Dopplerauflösung eine Reduzierung der ansonsten gewählten vorgebbaren Suchstreifenbreite oder eine Unterbrechung für einen vorgebbaren kurzen Zeitraum. Derartige Unterbrechungen sind beispielsweise nötig, um ein de- tektiertes Ziel genau zu analysieren (klassifizieren) . Das geschieht in Abhängigkeit von dem vorliegenden Zielszenari- um in einem sogenannten "Spotlight ode" oder in einem
Suchschwenk mit einer sehr geringen vorgebbaren Schwenkgeschwindigkeit.
Der Azimutschwenk symmetrisch zur Flugrichtung wird im so- genannten MTI-Mode des Radarsensors benutzt. Dabei wird bei unveränderter Sendemodulation und Signalvorverarbeitung ein möglicherweise vorhandener Bodenclutter aufgrund der gewählten schmalen Dopplerbandbreite in dieser Blickrichtung auf wenige Auflösungszellen des Dopplerspektrums abgebil- det. Fahrende (bewegte) Ziel erscheinen dann vorwiegend außerhalb dieses Bereiches im thermischen Rauschen. Die vorhandene hohe Entfernungsauflösung bleibt erhalten und wird für die Zielerkennung benutzt.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Auswertung der Empfangssignale (Echosignale) . Dabei werden die vier Empfangssignale zunächst digitalisiert (A/D) und parallel verarbeitet (prozessiert) . Es erfolgt zunächst eine Auswahl des Analysefensters "Range" (Entfernung) über einen digitalen Syn- thesizer sowie ein FIR-Filter. Vor der weiteren Signalverarbeitung wird das Signal gemäß der Bandbreitenreduzierung des FIR-Filters unterabgetastet.
Die vorhandene geringe Ausdehnung des Antennenleuchtfleckes auf der Erdoberfläche ermöglicht nach einer Phasenkompensation ein einfaches an sich bekanntes Range-Doppler-Prozes- sing (Entfernungs-Doppler-Verarbeitung) der Signale, da die interessierenden Objekte (Ziele) auch bei einer hohen lateralen Auflösung von beispielsweise kleiner 1 m innerhalb des Schärfentiefe-Bereiches ("depth of focus") liegen. Dabei werden in einer Blockverarbeitung in festem vorgebbarem Zeitraster einzelne sogenannte Footprint-Bilder erzeugt, die in der Apertur in vorgebbarer Weise stark überlappen und je nach Suchmuster zu größeren Bildern gemäß dem sogenannten Multilook-Prinzip zusammengesetzt werden. Die erwähnte hohe Rangeauflösung (Entfernungsauflösung) von kleiner 1 m erfordert eine sehr genaue Bestimmung der Geschwindigkeit Vιos auf der Sichtlinie. Gleiches gilt für den tieffrequenten Anteil der Beschleunigung Bτ_os auf der
Sichtlinie, wo der Beitrag der Schwerkraft nicht genau kompensierbar ist aufgrund der nicht vermeidbaren Unsicherheit bei der Ausrichtung der Antenne.
Als tieffrequent werden hierbei Signale bezeichnet, deren höchste Frequenz kleiner ist als der Kehrwert der kohärenten Integrationszeit, die nachfolgend noch näher erläutert wird. Tieffrequente Signale liegen beispielsweise in einem Frequenzbereich von 1 Hz bis 10 Hz.
Die damit durchgeführte Autofokussierung ist derart in die Blockverarbeitung der Signale eingefügt, daß in vorteilhafter Weise zeitaufwendige Iterationen vermieden werden. Bei der Signalverarbeitung wird das aus der Literatur "Spotlight Synthetic Aperture Radar: Signal Processing Al- gorithms, Walter G. Carrara, Ros S. Goodman and Ronald M. Majewski, Artech House, 1995," als "mapdrift" bekannte Verfahren gemäß Fig. 4 derart geändert, daß gleichzeitig die Geschwindigkeit Vιos und der tieffrequente Anteil der Be- schleunigung Bιos ermittelbar sind.
Die Detektion eines Zieles und eine Navigationsunterstützung des Fluggerätes erfolgen auf der Grundlage der inkohärent zusammengesetzten Radarbilder, während für die Ziel- analyse die komplexen Einzelbilder der vier Empfangskanäle in zwei Polarisationen zur Verfügung stehen.
Die Ermittlung der Geschwindigkeit Vιos und der Beschleuni- gung Bιos auf der Sichtlinie wird nachfolgend näher erläutert.
Die SAR- oder DBS- Technologie kann die geforderte Auflösung zur Verfügung stellen. Dabei wird innerhalb eines kur- zen Rahmentaktes Tr ein Radarsignal großer Bandbreite Br mit geeigneter Modulation abgestrahlt (Sendesignal Sr) und dessen Echo empfangen (Er) , mit der Taktfrequenz Ts abgetastet und verarbeitet (Ns Abtastwerte innerhalb der Taktfrequenz Ts) .
Das Sendesignal Sr wird über eine vorgebbare Anzahl Nr von Rahmentakten Tr periodisch wiederholt. Die kohärente Verarbeitung des Empfangssignals Er führt zu einem zweidimensio- nalen Spektrum der Dimensionen "Entfernung" und "Doppler", wobei bei geeignet gewählter Meßgeometrie die Dopplerdimension die Ortsauflösung quer zur Entfernungsachse leistet ("Azimut") .
Es gelten folgende Zusammenhänge:
C Auflösung Entfernung: δR =
2Br Meßbandbreite Doppler: Bmd
Figure imgf000009_0001
p
Auflösung Doppler: 50 = —^
Nr λ Auflösung Azimut: δAz = c = Lichtgeschwindigkeit, λ = Radarwellenlänge, Ω = Winkeldifferenz zum Zielobjekt innerhalb der Integrationszeit TInt = NrTr. In dem hier beschriebenen Verfahren erfolgt die Verarbeitung der Nr Empfangssignale Er als zweidi ensionale Fou- riertransfor ation der Matrix
En - [ Er(τ r) •••• Er(NrTr) ] , nachdem die Phase der Matrix En in vorgebbarer Weise korrigiert wurde. In dieser
Formel und den folgenden bezeichnen doppelt unterstrichene Buchstaben eine Matrix und einfach unterstrichenen einen Vektor. Dieses sogenannte Range-Doppler-Processing gewährleistet innerhalb der durch die Formel
AR « —-— (δr = Auflösung in Entfernung wie auch in Azimut) gegebenen Tiefenschärfe ΔR fokussierte Radarbilder.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Bestimmung der Korrekturphasen für die Matrix EH erläutert, welches für sequentiell erzeugte Range-Doppler-Bilder einsetzbar ist.
Randbedingungen Es wird eine kohärente Integrationszeit TInt gewählt, die nicht länger als ungefähr 1/2 mal die Zielbeleuchtungszeit TOT ("Time On Target") ist. Der Prozeß der DBS-Bilderzeugung wird in zeitlichen Abständen TBÜ^ (Bildtakt) wiederholt, wobei das (nicht notwendig konstante) Zeitinterval TBii<j so bemessen ist, daß innerhalb der Zielbeleuchtungszeit TOT mehrere DBS-Bilder berechnet werden, welche zusammen Echosignale aus der gesamten Zielbeleuchtungszeit TOT enthalten (Fig. 5) .
Dieses Vorgehen wird im Folgenden als Blockverarbeitung be- zeichnet, wobei jeder Block durch die Matrix Ettdefiniert ist.
Signalverarbeitung Der Prozeß der SignalVerarbeitung ist in Fig.6 schematisch dargestellt. Der zeitliche Ablauf ergibt sich wie folgt:
a) Erzeugung des Spektrums von EB :
Figure imgf000011_0001
oder
Figure imgf000011_0002
FFT "Doppler" => ERD , wobei
ERD das zu der Matrix En gehörende Spektrum und o den
Verknüpfungsoperator bedeuten.
Die Phasenkorrektur φr beträgt o T r. φR(ns,nr) = 4π-VLOS--i—--AA ns = O...NS-I, nr=o...Nr-ι
Nr Ns
V LOS = aktueller Meßwert für die Sichtliniengeschwindigkeit
Die Phasenkorrektur φd beträgt φd(ns,nr) = π-FDOT-nr 2, nr = -Nr/2...Nr/2-ι
2
F DOT = ~BLOS , — Änderung der Dopplerfrequenz ,
A
B LOS = aktueller Meßwert für die Sichtlinienbeschleunigung
b) Gewinnung von VLOS und FDOT aus dem Spektrum ERD : i) Messung des Echoschwerpunktes in "Entfernung" Jr und "Doppler" Jd ii) Korrelation von ≡RD (t0) mit iRD (t0-mTBild) entlang
"Entfernung" und "Doppler", wobei die ganze Zahl m so gewählt ist, daß E (to) und iRD (t0-mTBiid) innerhalb der Zielbeleuchtungszeit TOT eines Punktzieles gemessen werden. Die Korrelation erfolgt in einem Entfernungsbereich symmetrisch zum Mittelwert aus Jr(t0) und (to+mTBiid) • Entlang der Dimension "Doppler" erfolgt die Korrelation zyklisch.
Die Maxima der Korrelationsfunktion seien in den Lagen Kr und K_ in der "Entfernungs-" beziehungsweise "Doppler"-Dimension.
iii) Bestimmung von VLOS aus Kr und J^: Der Echoschwerpunkt in "Doppler" mißt die Frequenz f - d R
f λ beziehungsweise die Geschwindigkeit R!os = Die Korrelation mißt die Geschwindigkeit
koπ r ΔT r 2BrmTBild
! λ ( \
Über vkorτ =—{fJll + M!os Bnu.) ≡ VLOS wird der Zweig der Mehrdeutigkeit in der Dopplerfrequenz Mιos Mlos eZ (ganzzahlig) , und damit LOS ermittelt .
iv) Bestimmung von PDOT aus K^: Fdot = (MAPDRIFT Autofokus gemäß der Literatur) m 'βild 'int
Filterung VLOs und FDOT: Die Meßbandbreite für V^os und PDOT ist l/ ι.T__ι_ «1/Tint . Ein vorgebbares nichtlineares Filter (Mediän- oder Sig- ma-Filter) eliminiert Störungen, die durch schlechte Meßqualität (mangelhafte Inhomogenität des Radarechos für die Korrelation) entstehen. Der Kontrast der Korrelationsmaxima bei Kr beziehungsweise Kd steuert ein adaptives Tiefpaßfilter, so daß die resultierende Meßbandbreite < llm Bn_ ist.
d) Erzeuge neues Bild: t0 → t„ + ^ ; gehe zu a)
Erprobung des Verfahrens
Das Verfahren wurde erfolgreich auf Meßdaten eines Ka-Band Radarsensors angewandt, wobei Auflösungen von unter Im x Im erzielt wurden. Je nach Meßszenarium gibt es eine "Einschwingphase" von 2 bis 15 Bildtakten, bis fokussierte Bilder gewonnen werden. Bei Stützung mit INS-Informationen kann diese Phase bedarfsweise noch verkürzt werden. Die 2- dim-Korrelation kann auf zwei 1-dim-Korrelationen zurückgeführt werden, wenn zunächst die Doppler-Korrelation durchgeführt wird und dann bei der Range-Korrelation der Dopplerversatz Tü_ berücksichtigt wird (siehe Fig.7) .
Mit einem derartigen Verfahren ist beispielsweise ein Radarsensor für folgenden Einsatzbedingungen herstellbar:
- für bemannte oder unbemannte Unterschall-Fluggeräte,
- für eine Sensor-Reichweite von mehreren Kilometern, - für eine Suchstreifenbreite von mehreren Kilometern,
- für eine autonome Zielerkennung und Zielverfolgung innerhalb des Suchbereiches, beispielsweise bei einem unbemannten Fluggerät,
- für eine genaue Zielvermessung mit einer Treffpunktaus- wähl,
- für eine zuverlässige Funktion der Überwachung auch bei ungünstigen Umweltbedingungen, beispielsweise schlechtem Wetter (Regen, Schnee und/oder Wolken) . Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern in vielfältiger Weise anwendbar, beispielsweise die Detektion, Klassifizierung und Verfolgung sowohl von stehenden als auch bewegten Gegenständen, bei- spielsweise Land- und/oder Seefahrzeugen (Schiffen) .

Claims

T>-hentanπprüche
1. Verfahren zur Überwachung der Erdoberfläche unter Verwendung eines Fluggerätes, das einen Radarsensor mit synthetischer Apertur besitzt, dadurch gekp.nnseiπhnp. ,.
- daß die Sende-/Empfangsantenne des Radarsensors derart ausgebildet wird, daß auf dem zu überwachenden Gebiet ein an eine vorgebbare räumliche Auflösung angepaßter Leuchtfleck der Antenne entsteht,
- daß aus den empfangenen Radarsignalen durch Überlagerung bezüglich der Entfernung (ränge) und/oder des Doppier- Signals blockweise prozessierter Fourierspektren ein Ra- darbild erzeugt wird,
- daß durch eine Korrelation derartiger zeitlich aufein- anderfolgender Fourierspektren in den Dimensionen Azimut sowie Elevation die Parameter Beschleunigung auf der Sichtlinie (Bιos) sowie Mehrdeutigkeitsfehler auf der Sichtlinie (Mτ_os) ermittelt werden,
- daß durch eine Schätzung des Echoschwerpunktes des Dopp- lersignales innerhalb der Fourierspektren der Rest der Geschwindigkeit auf der Sichtlinie (Rios) innerhalb eines Mehrdeutigkeitsbereiches ermittelt wird,
daß eine eindeutige Geschwindigkeit auf der Sichtlinie vios ermittelt wird gemäß der Formel
Vios = Mlos • λBm/2 + Rlog mit
• = Multiplikationsoperator λ = Radarwellenlänge
Bm = Meßbandbreite des Radarsensors in Doppler
und
- daß aus der Beschleunigung auf der Sichtlinie (Bτ_os) und der Geschwindigkeit auf der Sichtlinie (Vιos) die für eine Bildfokussierung der Radarbilder erforderlichen Pa- rameter Phasenkorrektur "ränge" ( φr ) und Phasenkorrektur "Doppler" ( φd ) ermittelt werden.
2. Verfahren zur Überwachung der Erdoberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung auf der Sichtlinie (Bτ_os) und die Geschwindigkeit auf der Sichtlinie (Vιos) aus tieffrequenten Signalanteilen ermittelt werden.
3. Verfahren zur Überwachung der Erdoberfläche nach An- spruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die tieffrequenten Signalanteile für die Beschleunigung auf der Sichtlinie (B]_os) und für die Geschwindigkeit auf der Sichtlinie (Vτ_os) mittels eines Schätzvorganges ermittelt werden.
4. Verfahren zur Überwachung der Erdoberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei den blockweise prozessierten Fourierspektren die Blocklänge derart gewählt wird, daß innerhalb der Ziel- beleuchtungszeit mindestens zwei Blöcke erfaßt werden.
5. Verfahren zur Überwachung der Erdoberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Parameter Beschleunigung auf der Sichtlinie (Blos) und Geschwindigkeit auf der Sichtlinie (v los) die Korrelation bezüglich mindestens eines vorgebbaren Spektralbereiches erfolgt.
6. Verfahren zur Überwachung der Erdoberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Echoschwerpunkt des Dopplersignales innerhalb der Fourierspektren den Schätzwert für den Rest der Geschwindigkeit auf der Sichtlinie (Rios) innerhalb des Mehrdeutigkeitsbereiches darstellt.
7. Verfahren zur Überwachung der Erdoberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die tieffrequenten Signalanteile der Geschwindigkeit auf der Sichtlinie (V]_os) und der Beschleunigung auf der Sichtlinie (Blos) durch eine Filterung aus den im Verarbeitungstakt ermittelten Schätzwerten gewonnen werden, wobei die Grenzfrequenz kleiner als der Wert 1/Tint gewählt wird und Tj_nt die kohärente Integrationszeit bedeutet.
PCT/EP1998/001980 1997-04-09 1998-04-04 Verfahren zur überwachung der erdoberfläche WO1998045726A1 (de)

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