DE10120536C2 - Radarsystem zur aktiven Hinderniswarnung und Abbildung der Erdoberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Radarsystem zur aktiven Hinderniswarnung und Abbildung der Erdoberfläche gemäß Patentanspruch 1.

Aus der DE 39 22 086 C1 und DE 43 23 511 C1 sind ROSAR-Verfahren und Einrichtungen für Hubschrauber bekannt. Auf diesem Stand der Technik baut das nachstehend be­ schriebene und erläuterte Verfahren auf und offenbart eine Lösung, durch welche gewährleistet ist, dass die bisher weltweit bestehenden Probleme bei Start und Landung nunmehr optimal unabhängig vom Wetter sind. Wegen der bei Schlechtwetter geringen Sichtweite im sichtbaren und im infraroten Wellenlängenbe­ reich scheiden optische Verfahren weitgehend aus. Nur mit Hilfe abbildender Radar- Verfahren mit genügender Auflösung und akzeptierter anthropotechnischer Schnitt­ stelle - also einer pilotengerechten Darstellung - können diese Probleme von Starts und Landungen auf beliebigen - auch nicht speziell ausgerüsteten Flugplätzen wie beispielsweise Feldflugplätze - bei jedem Wetter gelöst werden.

Die bisherigen bekannten, in der Radarnase eines Flugzeuges eingebauten Radare mit realer Apertur können das gestellte Problem, speziell beim Start- und Landevor­ gang mit der geforderten Hindernisdetektion und Konturerkennung der Landebahn nur unzureichend lösen.

Radare mit synthetischer Apertur, mit dem prinzipiell die Auflösungsforderungen er­ füllbar sind und die im Prinzip die gewünschten Informationen auch liefern, scheiden ebenfalls aus, da sie nur Bilder in Seitensicht - also quer zur Flugrichtung - liefern.

Aus DE 40 07 612 C1 ist ein Vorwärtsicht-Radar zur zweidimensionalen Abbildung von Erdoberflächen von einem Flugzeug aus bekannt. Hierbei ist an den Bug des Flugzeugs eine Antenne angeordnet, welche aus geradlinig nebeneinander angeord­ neten Antennenelementen besteht, die nacheinander elektronisch angesteuert wer­ den. Die Signalauswertung erfolgt dabei derart, dass jedes Antennenelement einzeln ausgewertet wird, wobei das jeweilige Empfangssignal des Antennenelements mit einer vom auszuwertenden Winkelbereich abhängigen Referenzfunktion korreliert wird. Ein Nachteil hierbei ist eine unzureichende Auflösung sowie der erhöhte Re­ chenaufwand.

Weiterhin können die heute in der Radarnase eines Flugzeugs eingebauten Radare mit realer Apertur das gestellte Problem - speziell bei Start und Landung - mit der erforderlichen Hindernisdetektion und Konturerkennung der Landebahn nur unzurei­ chend lösen.

Die beim Stand der Technik bekannten Methoden des "Doppler-Beam-Sharpening", die Informationen auch in Vorwärtsrichtung liefern können, scheiden wegen unzurei­ chender Genauigkeit aus.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ursprünglich als Allwet­ tersichtsystem für Hubschrauber konzipiertes, mit dem ROSAR-Verfahren arbeiten­ des Radargerät zu schaffen, welches für Flugzeuge und Flugkörper optimal einsetz­ bar ist, welches die Abbildung in jeder Winkelrichtung einschließlich "Head On" ge­ währleistet und welches Start und Landung bei jedem Wetter mit guter Auflösung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch das Radarsystem gemäß Anspruch 1 gelöst. In den Un­ teransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in einem Ausführungsbeispiel eingehend beschrieben und erläutert. Diese Erläuterungen wer­ den durch die Figuren der Zeichnung ergänzt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für den Einbau der ROSAR-Antennenelemente in den Bereich einer Radarnase eines Starrflüglers in schematischer Darstel­ lung,

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 Ein- und Anpassung von ROSAR-Basen in ver­ schieden geformte Radarnasen,

Fig. 5 ein Schemabild bezüglich eines Ausführungsbeispiels für eine Antennenan­ ordnung eines Radarsystems welches nach dem ROSAR-Prinzip und wel­ ches nach dem linearen SAR-Prinzip arbeitet.

Das vorgeschlagene Radarsystem ermöglicht nach der vorliegenden Erfindung den Einsatz bzw. die Verwendung bei Starrflügler und Flugkörper und ermöglicht dadurch Starts und Landungen auf beliebigen - auch nicht speziell ausgerüsteten - Flugplätzen bei jedem Wetter. Hierbei wird die bei bekannten ROSAR-Radargeräten geforderte "mechanische Rotation der Antennen" durch zeitlich nacheinander folgende elektro­ nische Ansteuerung und Abtastung von einzelnen Antennenelementen, die entlang einer gekrümmten Kurve fest montiert sind, ersetzt.

Hierzu gibt es einmal die Möglichkeit - wie in Fig. 1 veranschaulicht - Sende- und Empfangsantennenelemente im Abstand 4b auf einer halbkreisförmigen Kurve zu montieren oder - wie in Fig. 4 dargestellt - die Antennenelemente entlang einer an die Innenkontur der Radarnase angeschmiegten gekrümmten Kurve im Abstand Δb anzuordnen. Als Δb wählt man beispielsweise λ/2, wobei λ die Wellenlänge des Sendesignals angibt.

Bei beiden Konzepten werden die Sende- und Empfangsantennenelemente jeweils während einer Zeit Δt an einen phasenstabilen HF-Sender und danach während der Zeit Δt an einen Empfänger geschaltet. Die beim ROSAR-Prinzip kontinuierliche, rotatorische Bewegung der Antennen wird hier elektronisch durch Weiterschalten des HF-Senders von einem Antennenelement zum nächsten ausgeführt. Dabei erhält ein abzubildender Reflexpunkt auf der Landebahn oder ein Punkt in ihrer Umgebung ein in der Phase zeitverändertes Sendesignal. In der Empfangsphase erhält dann der Empfänger ebenfalls ein in der Phase verändertes Signal. Eine positive zeitveränderliche Dopplerverschiebung tritt auf, so lange sich die Antennenabtastung auf den Reflexpunkt zu bewegt.

Sobald sich die Antennenabtastung vom Reflexpunkt wegbewegt, wird eine zeitveränderliche negative Dopplerverschiebung erzeugt. Die Aufprägung der Dopplerhistorie bzw. der Phasenhistorie auf das ursprüngliche Sendesignal mit konstanter Frequenz ist, wie beim ROSAR-Standardverfahren bei Hubschraubern, für jede laterale Position einer Reflexpunktes - jedoch unter Einbeziehung der Fluggeschwindigkeit - berechnet.

Wie beim Standardverfahren wird die Reflexion eines Reflexionspunktes, der ja ein Bildpunkt der abzubildenden Szene ist, durch Kreuzkorrelation des empfangenen Signalgemisches mit dem Referenzsignal dieses Reflexionspunktes ermittelt. Auch im hier vorliegenden Fall unterscheiden sich die einzelnen Referenzsignale - von Sonderfällen abgesehen - für einen Entfernungsring nur durch die Winkellage, so dass nicht für jeden Reflexionspunkt ein eigenes Referenzsignal abgespeichert und korreliert werden muss (vgl. Fig. 2).

Im Gegensatz zum ROSAR-Standardverfahren, bei dem der Hubschrauber als ruhend angenommen wird, tritt aber bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren 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 Abstandsände­ rung zu einer vernachlässigenden Bildverzerrung führt. Dadurch wird eine rechen­ aufwendige Bildentzerrung eingespart.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Verlauf von Sende- und Emp­ fangssignalen mit ihren Intervallen "Senden" und "Empfangen" und Fig. 4 veran­ schaulicht Möglichkeiten der Einpassung von ROSAR-Basen in verschieden ge­ formte Radarnasen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, die gewonnenen ROSAR-Informationen in die an sich bekannten Piloten-Sichtausstattungen einzublenden. Auch können die gewonnenen Informationen in ein virtuelles Cockpit eingeblendet werden, welches z. B. ein dreidi­ mensionales Computerbild der Umgebung bildet.

Durch eine aktuelle Hinderniseinblendung in das virtuelle Cockpit ist eine wesentli­ che 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" vorge­ schlagen. Falls die Notwendigkeit besteht, Positions- oder Hindernisdaten effizient zu übertragen, wird entweder ein HF/VHF-Datenlink oder Mobilkommunikation über GSM- oder Satellitennetz vorgeschlagen. Der Einsatz der Mobilkommunikation er­ möglicht eine beidseitige Kommunikation, d. h. Vollduplexbetrieb und Gruppen- Kommunikation. Der Vorteil der HF/VHF-Kommunikation liegt in der Unabhängigkeit von verfügbaren Infrastrukturen. Autarke Kommunikationsmöglichkeiten sind beson­ ders bei militärischen Einsätzen in teilweise unbekannten Gebieten erforderlich.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Radarsystem mit einem Radarsystem zu kombinieren, welches die Informationen der zugehörigen Anten­ nenelemente nach dem SAR-Prozess mit linearer Apertur auswertet. Mit einer linea­ ren Antennenbewegung ist eine maximale Auflösung in Flugrichtung von D/2, d. h. von der halben realen physikalischen Antennenlänge D, erreichbar ist (Fig. 5). Durch diese Kombination auf Flugzeugen - aber auch beispielsweise auf Schiffen - wird der vordere Halbkreis mit einem nach dem ROSAR-Verfahren arbeitenden Radargerät abgebildet und prozessiert und die Seitenräume mit einem nach dem linearen SAR- Verfahren arbeitenden Radargerät. Diese Kombination hat auch den Vorteil, dass kein "Squint-Mode" erforderlich ist und damit Verluste in der Auflösung bzw. ein er­ höhter Signalverarbeitungsaufwand durch den schrägen Antennenblickwinkel nicht auftreten.

Das vorstehend vorgeschlagene und beschriebene Verfahren ist auch auf sogenannte Drohnen anwendbar.

Claims (10)

1. Radarsystem zur aktiven Hinderniswarnung und Abbildung der Erdoberfläche, das pulsfrequent oder im FM-CW-Bereich arbeitet und in Echtzeit im Online- Betrieb einsetzbar ist, umfassend

• - eine Vielzahl von Antennenelementen zum Senden und Empfangen von Radarsignalen, welche entlang der gekrümmten Flugkörperkontur ange­ bracht sind und welche zeitlich nacheinander ansteuerbar und abtastbar sind, wodurch eine Apertur bildbar ist,
• - Mittel zur Kreuzkorrelation des von den einzelnen Antennenelementen empfangenen Signalgemischs mit einem Referenzsignal eines Reflexions­ punktes, wobei für jeden Entfernungsring ein Referenzsignal benötigt wird,
• - Mittel zur Auswertung der von den Antennenelementen gewonnenen Infor­ mationen in einem ROSAR-Prozess,
• - Mittel zur Darstellung der Informationen als prozessierte Radarbilder an Bord des Flugkörpers in einem virtuellen Cockpit.

2. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Anten­ nenelemente zum Senden und Empfangen von Radarsignalen vorhanden sind, welche seitlich entlang der Flugkörperkontur angebracht sind und deren Infor­ mationen nach dem linearen SAR-Verfahren ausgewertet sind.

3. Radarsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Zeit für einen Abtastzyklus so gewählt wird, dass trotz der Flugzeugbewegung keine Verzerrung des Bildes der abzubildenden Außensze­ ne entsteht, was auch als Verschmierung von Bildpunkten bezeichnet wird.

4. Radarsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Berechnung von Referenzsignalen für wichtige Bildpunkte der Außenszene gemäß dem bekannten ROSAR-Verfahren erfolgt, jedoch un­ ter zusätzlicher Berücksichtigung der Fluggeschwindigkeit.

5. Radarsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Bildung eines dreidimensionalen Radarsystems die zu An­ tennenarrays zusammengefaßten Antennenelemente entsprechend räumlich angeordnet oder positioniert sind.

6. Radarsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die gewonnenen Informationen als dreidimensionales Computer- Bild der Umgebung in dem virtuellen Cockpit dargestellt werden.

7. Radarsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Effizienzsteigerung einer computerorientierten Flugführung eine aktuelle Einblendung der Hindernisse in das virtuelle Cockpit durchgeführt wird.

8. Radarsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass dem virtuellen Cockpit die aktuelle Ortsinformation durch GPS oder Differential-GPS eingegeben wird.

9. Radarsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur effizienten Übertragung der Positions- und Hindernisdaten ein HF/VHF-Datenlink einge­ setzt ist oder eine effiziente Übertragung der Positions- und Hindernisdaten durch Mobilkommunikation über GSM oder Satellitennetz erfolgt.

10. Verwendung eines Radarsystems nach einem der vorangehenden Ansprüche auf Drohnen.