Radarsystem zur Hinderniswarnung und Abbildung der Erdoberfläche
Die Erfindung betrifft ein Radarsystem zur Hinderniswarnung und Abbildung der Erdoberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Radarsystem zur Hinderniswarnung und Abbildung der Erdoberfläche ist aus DE 40 07 612 C1 bekannt. Dort wird ein Vorwärtsicht-Radar beschrieben, welches am Bug eines Flugkörpers angebracht ist und den vorausliegenden Sektorbereich zwei- dimensional abbildet. Das beschriebene Vorwärtssicht-Radar umfaßt dabei eine An- tenne bestehend aus mehreren nebeneinander angeordneten Antennenelementen zum Senden und Empfangen. Mittel eines zeitlich nacheinander erfolgenden An- steuerung und Abtastung der einzelnen Antennenelemente wird eine synthetische Apertur erzeugt, wie sie aus dem SAR-Prinzip bekannt ist. Die Auswertung der Radarsignale erfolgt dabei derart, dass jedes Antennenelement einzeln ausgewertet wird, wobei durch Korrelation einer speziellen, vorgegebenen Referenzfunktion für jeden Winkelbereich eine digitale Verarbeitung durchgeführt wird. Ein Nachteil dabei ist die schlechte Winkelauflösung. Weitere Auswerteverfahren sind von Fan, Z.F. et.al in „High Resolution Imaging of Objects at Ka Band"; IEEE Trans, on Aerospace and Electronic Systems ,1995, Vol.31 , Heft 4, S.1348-1352 und Li, H.-J. et.al in „Nonuniformly Spaced Array Imaging"; IEEE Trans, on Antennas and Propagation, 1993, Vol.41 , Heft 3, Seite 278-286 bekannt.
Das aus DE 40 07 612 C1 bekannte Radarsystem erweist sich insofern als nachteilhaft, da es lediglich den vorausliegenden Sektorbereich abbilden kann. Seitlich be- nachbarte Gebiete müssen mittels zusätzlich installierter Antennensysteme abgebildet werden. Dies bedeutet einen erheblichen Installationsaufwand. Außerdem sind komplizierte Auswerteverfahren nötig, um die verschiedenen Sektorbereiche bildhaft darstellen zu können.
Der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist es daher, ein einziges Radarsystem anzugeben, mit dem neben der Vorwärtsicht auch eine Seitensicht möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit dem Radarsystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteil- hafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung sind die Antennenelemente entlang der gekrümmten Flugkörperkontur am Flugkörper angebracht, wobei ein SAR-Prozessor vorhanden ist, der die von den Antennenelementen gewonnenen Informationen ausgewertet und als prozessierte Radarbilder an Bord des Flugkörpers in einem virtuellen Cockpit darstellt.
Die Antennenelemente können nun vorteilhaft entsprechend des abzubildenden Sektorbereichs angesteuert werden. Die dabei von den jeweiligen Antennenelemen- ten gewonnenen Informationen können vorteilhaft nach dem linearen SAR-Verfahren oder nach dem ROSAR-Verfahren ausgewertet werden.
Die beim herkömmlichen SAR-Verfahren bekannte synthetische Apertur wird in dem vorgeschlagenen Radarsystem nicht dadurch erzeugt, dass sich z.B. der Flugkörper relativ gegenüber dem Zielobjekt bewegt, sondern die einzelnen, zueinander benachbart angeordneten Antennenelemente werden zeitlich nacheinander elektronisch angesteuert und abgetastet. Auch bei der Auswertung nach dem ROSAR-Verfahren wird die rotierende Antennenbewegung durch das zeitlich versetzte Ansteuern und Abtasten benachbarter Antennenelemente simuliert.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Antennenelemente zur Erzeugung eines dreidimensionalen Radarsystems räumlich angeordnet. Die Antennenelemente sind dabei zu zweidimensionalen Antennenarrays zusammengefaßt, welche, an die gekrümmte Kontur des Flugkörpers angepaßt, am Flugkörper ange- bracht sind.
Ein Vorteil dieser räumlichen Anordnung des zweidimensionalen Antennenarrays an die Kontur des Flugkörpers ist, dass die Abtastebene der Antennenelemente von der Flugebene des Flugkörpers entkoppelt ist. Dies bedeutet, dass die Abtastebene unabhängig von der Flugebene konstant gehalten werden kann. Insbesondere bei starken Luftturbulenzen oder beim Kurvenflug kann es vorkommen, dass das abzubildende Objekt aus dem Sichtbereich des Radars verschwindet. Mit dem vorteilhaft entlang der Kontur des Flugkörpers angeordneten zweidimensionalen Antennenarray wird dies verhindert.
Das erfindungsgemäße Radarsystem ist vorteilhaft auch auf Kampf- und/oder Aufklärungsdrohnen oder Schiffen einsetzbar. Es ist dabei jeweils als Allwettersichtsystem anwendbar und erlaubt z.B. Flugkörpern auch auf nicht speziell ausgerüsteten Flugplätzen ein sicheres Landen und Starten bei jedem Wetter.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im weiteren anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 ein Ausführungsbeispiel für den Einbau der Antennenelemente in den Be- reich einer Radarnase eines Flugkörpers in schematischer Darstellung,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Blockschaltbildes gemäß Fig.1 ,
Fig. 3 ein Diagramm bezüglich der Aufeinanderfolge von Sende- und Empfangs- Signalen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig.1 ,
Fig. 4 Ausführungsbeispiele der Anordnung von Antennenelementen in verschieden geformte Radarnasen,
Fig. 5 ein Schemabild bezüglich eines Ausführungsbeispiels für eine Antennenanordnung nach dem ROSAR-Prinzip und dem linearen SAR-Prinzip.
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für eine flächenhafte Anordnung der Antennenelemente im Bereich einer Radarnase eines Flugkörpers in schematischer Darstellung.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Anordnung der Antennenelemente entlang der Kontur des Flugkörpers. Sende- und Empfangsantennenelemente A werden im Bereich der Radarnase RN in einem Ab- stand Δb auf einer Kurve montiert, die der Kontur K, des z.B. Flugkörpers entspricht. Δb beträgt dabei z.B. λ/2, wobei λ die Wellenlänge des Sendesignals ist.
Fig. 4 zeigt zwei weitere beispielhafte Anordnungen der Antennenelemente, wobei jeweils beispielhaft die Unteransicht eines Flugkörpers abgebildet ist. Selbstverständ- lieh kann diese Anordnung auch auf die Ober- oder Seitenansicht des Flugkörpers übertragen werden.
In der linken Anordnung sind die Antennenelemente A entlang der Kontur des Flugkörpers hin zu der Spitze der Radarnase RN des Flugkörpers angeordnet. Die Anordnung der Antennenelemente A entlang der Kontur des Flugkörpers kann dabei als beliebige Kurve erfolgen.
Die rechte Darstellung in Fig. 4 zeigt eine weitere beispielhafte Anordnungsmöglichkeit der Antennenelemente A entlang der Kontur des Flugkörpers. Aus Gründen der Darstellung erscheint die Anordnung der Antennenelemente A dabei als Kreis, obwohl die Antennenelemente A in Realität entlang einer gekrümmten Kurve, die sich an die Kontur des Flugkörpers anpaßt, angeordnet sind.
Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild die elektrische Verschaltung eines Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1. Die Sende- und Empfangsantennenelemente A jeweils während einer Zeit Δt an einen phasenstabilen HF-Sender S und danach während der Zeit Δt an einen Empfänger E geschaltet. Die z.B. beim ROSAR-Prinzip kontinuierliche, rotatorische Bewegung der Antennen wird hier elektronisch durch Weiterschal-
ten des HF-Senders S von einem Antennenelement A zum nächsten ausgeführt. Dabei erhält ein abzubildender Reflexpunkt auf der Landebahn (nicht dargestellt) oder ein Punkt (nicht dargestellt) in ihrer Umgebung ein in der Phase zeitverändertes Sendesignal. In der Empfangsphase erhält dann der Empfänger E ebenfalls ein in der Phase verändertes Signal. Eine positive zeitveränderliche Dopplerverschiebung tritt auf, solange sich die Antennenabtastung auf den Reflexpunkt zu bewegt.
Sobald sich die Antennenabtastung vom Reflexpunkt weg bewegt, wird eine zeitveränderliche negative Dopplerverschiebung erzeugt. Die Aufprägung der Dopplerhisto- e bzw. der Phasenhistorie auf das ursprüngliche Sendesignal mit konstanter Frequenz ist, wie z.B. beim ROSAR-Standardverfahren bei Hubschraubern, für jede laterale Position eines Reflexpunktes - jedoch unter Einbeziehung der Fluggeschwindigkeit - berechnet.
Wie beim Standardverfahren wird die Reflexion eines Reflexionspunktes, der ein Bildpunkt der abzubildenden Szene ist, durch eine in einem Korrelator K durchgeführte Kreuzkorrelation des empfangenen Signalgemisches mit dem Referenzsignal dieses Reflexionspunktes, welches aus dem Referenzsignalspeicher RS entnommen ist, ermittelt. Auch im hier vorliegenden Fall unterscheiden sich die einzelnen Refe- renzsignale - von Sonderfällen abgesehen - für einen Entfernungsring nur durch die Winkellage, so dass nicht für jeden Reflexionspunkt ein eigenes Referenzsignal abgespeichert und korreliert werden muß.
Im Gegensatz zum einem ROSAR-Radarsystem, bei dem der Hubschrauber als ru- hend angenommen wird, tritt aber bei dem hier vorgeschlagenen Radarsystem das Problem der schnellen Abstandsänderung durch die hohe Fluggeschwindigkeit auf, die eine Bildverzerrung bewirkt. Neben der Möglichkeit, das gesamte Bewegungsgeschehen zu modellieren und somit in alle Berechnungen insbesondere in die Bildentzerrung einbeziehen zu können, bietet sich aufgrund der elektrischen Abtastung eine extreme Verkürzung des gesamten Abtastzyklus an, so dass der Effekt der Abstand-
sänderung zu einer vernachlässigenden Bildverzerrung führt. Dadurch wird eine rechenaufwendige Bildentzerrung eingespart.
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Verlauf von Sende- und Empfangs- Signalen mit ihren Intervallen "Senden" und "Empfangen". Auf der Abzisse ist der sich wiederholende zeitliche Verlauf der Ansteuerung benachbarter Antennenelemente dargestellt. Das erste Antennenelement sendet während der Zeit Δts den kurzen Sendeimpuls S1. In der daran anschließenden Zeitspanne Δte empfängt das erste Anntennenelement das Sendesignal El Auf der Ordinate ist einheitenlos die Ampli- tude des Sende- und Empfangssignals aufgetragen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass eine Piloten-Sichtausstattung vorhanden ist, in der die gewonnenen Radar-Informationen eingeblendet werden können. So kann z.B ein virtuelles Cockpit vorhanden sein, in dem z.B. ein dreidimensionales Computer- bild der Umgebung abgebildet wird.
Durch eine aktuelle Hinderniseinblendung in das virtuelle Cockpit ist eine wesentliche Steigerung der Effizienz computerorientierter Flugführung erzielbar. Das virtuelle Cockpit erfordert eine aktuelle Ortsinformation durch GPS. Wegen der notwendigen Positionsgenauigkeit wird hierfür das besser geeignete "Differential-GPS" vorgeschlagen. Falls die Notwendigkeit besteht, Positions- oder Hindernisdaten effizient zu übertragen, wird entweder ein HFA HF-Datenlink oder Mobilkommunikation über GSM- oder Satellitennetz vorgeschlagen. Der Einsatz der Mobilkommunikation ermöglicht eine beidseitige Kommunikation, d.h. Vollduplexbetrieb und Gruppen- Kommunikation. Der Vorteil der HF/VHF-Kommunikation liegt in der Unabhängigkeit on verfügbaren Infrastrukturen. Autarke Kommunikationsmöglichkeiten sind besonders bei militärischen Einsätzen in teilweise unbekannten Gebieten erforderlich.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Radarsystems. Dabei ist schematisch der Schnitt durch den Bug eines Flugkörpers gezeigt. Die Radarinformationen der Antennenelemente desjenigen Ausschnitts KA des Antennen-
arrays an dem beispielhaft kreisförmigen Bug wird vorteilhaft nach dem ROSAR- Verfahren ausgewertet.
Der sich an diesen Ausschnitt KA anschließende Ausschnitt LA des Antennenarrays wird vorteilhaft nach dem linearen SAR-Verfahren ausgewertet. Durch dieser vorteilhafte Kombination der beiden Auswerteverfahren ist mit dem erfindungsgemäßen Radarsystem eine Rundsicht möglich, ohne dass z.B. ein "Squint- Mode" erforderlich wäre, mit dem Verluste in der Auflösung bzw. ein erhöhter Signalverarbeitungsaufwand durch den schrägen Antennenblickwinkel verbunden wären.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Radarsystems dargestellt. Dabei ist in schematischer Darstellung die Radarnase RN eines Flugkörpers in Seitenansicht dargestellt. Die Antennenelemente A sind entsprechend der Kontur K des Flugkörpers flächig angeordnet. Die Antennenelemente A sind dabei zu Antennenarrays zusammengefaßt, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet sind.
Die dargestellte Anordnung der Antennenelemente A ist dabei lediglich beispielhaft. Selbstverständlich ist auch eine andere Anordnung der Antennenelemente A möglich.