DE19649838C1 - Controlled antennae coherent radar measurement method for ship and aircraft identification - Google Patents

Controlled antennae coherent radar measurement method for ship and aircraft identification

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Abstract

The method involves determining a lowest possible pulse train frequency according to the surrounding conditions. A number of pulses are transmitted and received in an antenna horn (1) with the determined pulse frequency. In the pulse periods after an echo signal time, the antenna horn with the same pulse number is adjusted in a direction multiplex mode to a number of further individual horns for transmitting and receiving. The temporally staggered signals received in the pulse periods are input to a temporary memory (2). The stored signal echoes are sorted according to direction and distance cells for target detection having unknown Doppler width. The signals are conveyed to a following analysis stage (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Radarverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung entsprechend dem Anspruch 4 für die kohärente Radarmessung mittels elektronisch gesteuerter Antennen.The invention relates to a radar method according to the preamble of claim 1 and a device according to claim 4 for the coherent radar measurement by means of electronically controlled antennas.

Auf zivilen Schiffen dienen Radarsysteme zur Navigation und Hinderniswarnung. Im militäri­ schen Bereich (Marine) kommen Aufgaben der See- und Luftaufklärung sowie der Luftver­ teidigung dazu. Ein bekanntes besonderes Problem bei Schiffsradarsystemen ist die Ent­ deckung schwacher Ziele, z. B. Tonnen, Sportboote oder Sehrohre, Schnorchel von U-Booten, aus den Echos von Seegang (sog. Seeclutter).Radar systems are used for navigation and obstacle warnings on civilian ships. In the military In the area (marine) there are tasks of sea and air reconnaissance as well as air reconnaissance to do it. A well-known particular problem with ship radar systems is the Ent coverage of weak targets, e.g. B. tons, sports boats or periscopes, snorkels from Submarines, from the echoes of sea waves (so-called sea clutter).

Zur Entdeckung solcher Ziele wird die bekannte neuere Radartechnik der elektronisch über Phasenschieber gesteuerten Antenne benutzt.The well-known newer radar technology is used electronically to discover such targets Phase shift controlled antenna used.

Die hierbei genutzte kohärente Messung von Seegangechos ist dem Fachmann geläufig, beispielsweise bei "T. J. Nohara, S. Haykin, ′Growler Detection in Sea Clutter with Coherent Radars′ in IEEE Trans. AES, vol. AES 30. No. 3, July 1994, pp. 836-847" be­ schrieben.The coherent measurement of sea echoes used here is familiar to the person skilled in the art, for example in "T. J. Nohara, S. Haykin, 'Growler Detection in Sea Clutter with Coherent Radars ′ in IEEE Trans. AES, vol. AES 30. No. 3, July 1994, pp. 836-847 "be wrote.

Die Auswertung kohärenter Signale mittels Spektralanalyse führt aufgrund ihres unter­ schiedlichen Dopplerspektrums zu einer besseren Trennung der Signale von Seeclutter und Zielen und damit zu einer deutlich verbesserten Entdeckung von Zielen aus Seeclutter­ echos. Das Seegangs-Dopplerspektrum hat danach eine Breite von ca. 100 Hz. Es wird durch die Wellengeschwindigkeit in bezug auf den Radarstandort und die Kräuselung und Gischt bestimmt. The evaluation of coherent signals by means of spectral analysis leads to their under different Doppler spectrum for a better separation of the signals from Seeclutter and Targets and thus a significantly improved discovery of targets from sea clutter echoes. The swell Doppler spectrum then has a width of approx. 100 Hz by the wave speed in relation to the radar location and the ripple and Spray sure.  

Demgegenüber ist für diskrete Ziele nur eine spektrale Breite von nur ca. 5 Hz gemessen worden.In contrast, there is only a spectral one for discrete targets Width of only about 5 Hz has been measured.

Zur Verbesserung der Entdeckung schwacher Seeziele bei gleichzeitig vorhandenen Seegangechos macht die Verfah­ renserfindung von der Überlegung Gebrauch, daß eine rela­ tiv lange Beleuchtungszeit in jeder einzelnen Blickrich­ tung der Antenne erforderlich ist, um ein schmales Spek­ trum der oben beschriebenen Gestalt aufzulösen und aus dem Störhintergrund herauszufiltern. Die Antennenkeule müßte dazu nach herkömmlicher Technik in jeder Richtung etwa 200 ins verweilen. Da für die Zielsuche ca. 200 Keulenpo­ sitionen von jeder Antenne abzutasten sind, ergäbe sich eine Suchwiederholperiode von 40 s. Das ist zur Dar­ stellung der aktuellen Lage viel zu langsam, da demgegen­ über für schwache Seeziele ca. 2,5 s gefordert werden. Für die Pulsfolgefrequenz ist es außerdem nach der allgemeinen Radarphysik zu fordern, daß sie mindestens 200 Hz sein sollte, um das Seeclutterspektrum sicher ohne Überfaltung zu erfassen.To improve the discovery of weak sea targets at the same time existing swell echoes is done invention invented the consideration that a rela tiv long lighting time in every single gaze tion of the antenna is required to a narrow spec dissolve the shape described above and from the Filter out the interference background. The antenna beam should be using conventional technology in every direction 200 linger. As about 200 clubs for the target search sitions of each antenna would have to be scanned a search repeat period of 40 s. This is for dar position of the current situation is much too slow, as against it about 2.5 s for weak sea targets. For the pulse repetition rate is also according to the general one Radar physics require that they be at least 200 Hz should keep the sea clutter spectrum safe without overfolding capture.

Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die sich aus den bereits bekannten Formen der Spektren für Ziele und Clutter ergebende Forderung nach langer Beleuchtungszeit für die einzelnen Auflösungszellen und damit Richtungen zu erfüllen, bei gleichzeitiger Einhaltung einer gegebenen Rahmenzeit für die Raumabtastung.The invention therefore has as its object the already known forms of spectra for targets and Clutter's demand for long lighting times for the individual resolution cells and thus directions meet while maintaining a given Frame time for room scanning.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist für ein Verfahren im Anspruch 1 und für eine Vorrichtung im Anspruch 4 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The solution to this problem according to the invention is for a method in claim 1 and specified for a device in claim 4. Advantageous further developments are the subject of Subclaims.

Bei der Erfindung wird ein spezieller Radarbetrieb (Richtungs-Mul­ tiplex-Betrieb) mit elektronisch gesteuerten Antennen angewandt. Dazu wird die Pulsfolgefrequenz für eine einzelne Rich­ tung, bezogen auf den zu verbessernden Stand der Technik, wesentlich herabgesetzt, so daß die zur Zielentdeckung er­ forderlichen Impulse über einen längeren Zeitraum verteilt werden. Nach der Echolaufzeit entsprechend dem Entfer­ nungsbereich verbleibt nun in jeder Pulsperiode ein Zeit­ intervall, in dem die Radarkeule unter Ausnutzung ihrer trägheitslosen Steuerbarkeit für andere Richtungen einge­ setzt wird (sog. Richtungs-Multiplex-Betrieb).In the invention  a special radar operation (directional mul tiplex operation) with electronically controlled antennas. For this, the pulse repetition frequency for a single Rich tion, based on the state of the art to be improved,  significantly reduced so that he to the target discovery required impulses spread over a longer period of time will. After the echo run time according to the distance range now remains in each pulse period interval in which the radar lobe using its inertia controllability turned for other directions is set (so-called directional multiplex operation).

Die aus unterschiedlichsten Richtungen zeitlich verschach­ telt, im gleichen Zeitraum anfallenden Empfangssignale, werden alle in einem Zwischenspeicher abgelegt und nach entsprechender Sortierung nach Richtung und Entfernungs­ zelle verarbeitet.The chess from different directions received signals occurring in the same period, are all stored in a buffer and after appropriate sorting by direction and distance cell processed.

Aus der zeitlichen Empfangssignalfolge einer Richtungs-/ Entfernungszelle wird mittels Fouriertransformation (FFT) das Spektrum berechnet. Diese Verarbeitung ist gleichbe­ deutend mit der Bildung einer Filterbank über alle Dopp­ lerfrequenzen als optimale kohärente Signalverarbeitung zur Entdeckung von Zielen mit unbekannter Dopplerverschie­ bung.From the temporal received signal sequence of a direction / Distance cell is determined using Fourier transform (FFT) calculated the spectrum. This processing is the same significant with the formation of a filter bank over all doubles Learning frequencies as optimal coherent signal processing to discover targets with unknown Doppler shifts exercise.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden neben den lan­ gen Beleuchtungszeiten zusätzlich folgende Vorteile er­ reicht:In addition to the lan The following advantages in addition to the lighting times enough:

  • a) Der sonst eventuell störende Empfang von Überreichwei­ tenechos, z. B. durch große Schiffe oder Landziele bei größerer Entfernung wird durch die wesentliche Verlän­ gerung der Pulsperiode zum Empfangsbereich vermieden.a) The otherwise disturbing reception of overreaching tenechos, e.g. B. by large ships or land targets Greater distance is due to the essential extension Avoiding the pulse period to the reception area.
  • b) Schwache Ziele im Nahbereich werden nicht verdeckt. b) Weak targets at close range are not covered.  
  • c) Überreichweiten-Echos aus anderen Blickrichtungen wer­ den entsprechend dem Nebenkeulenabstand der Empfangs­ keule gedämpft.c) Overreach echoes from other perspectives the corresponding to the side lobe distance of the reception steamed club.

Im Folgenden wird anhand zweier Parameterbeispiele die Er­ findung näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 ergänzen die­ se Beispiele. Es zeigen:The invention is explained in more detail below using two parameter examples. Figs. 1 and 2 shall complement the se examples. Show it:

Fig. 1 eine Prinzipskizze des Speicher- und Verarbeitungs­ vorgangs bei Richtungs-Multiplex-Betrieb. Fig. 1 is a schematic diagram of the storage and processing process in directional multiplex operation.

Fig. 2 ein Zeitschema für den Richtungs-Multiplex-Betrieb. Fig. 2 is a timing diagram for the directional multiplex operation.

Aus den bei "J. Grosche w. Rieck, W. D. Wirth, M. Berroth, w. Haydl, ′Schiffs-Radar mit elektronisch gesteuerter An­ tenne′, Wachtberg/Freiburg FGAN-FFM und FhG-IAF, 1994" be­ schriebenen Anforderungen sowie den Eigenschaften eines elektronisch gesteuerten Schiffsradars und der allgemeinen Radargleichung ergeben sich bei Anwendung des erfindungs­ gemäßen Richtungs-Multiplex-Betriebs folgende geeignete Parameter für Entfernungsbereiche mit Seeclutter:From the "J. Grosche w. Rieck, W. D. Wirth, M. Berroth, w. Haydl, ′ ship radar with electronically controlled type tenne ′, Wachtberg / Freiburg FGAN-FFM and FhG-IAF, 1994 "be written requirements as well as the characteristics of a electronically controlled ship radars and general Radar equation result from the application of the invention according to directional multiplex operation the following suitable Parameters for distance ranges with sea clutter:

  • 1. Nächstbereich mit R 2,78 km
    Zahl der Pulse in einer Richtung: N = 208,
    Verweilzeit der Empfangskeule: erforderlich 18,5 µs, gewählt 28 µs.    1. Next area with R 2.78 km
    Number of pulses in one direction: N = 208,
    Residence time of the receiving lobe: required 18.5 µs, selected 28 µs.
  • 2. Naher Bereich mit R 11 km
    Zahl der Pulse in einer Richtung: N = 42,
    Verweilzeit der Empfangskeule: erforderlich 73 µs ge­ wählt 140 µs.    2. Close range with R 11 km
    Number of pulses in one direction: N = 42,
    Residence time of the receiving lobe: required 73 µs selected 140 µs.

Im konventionellen Betrieb wird die Pulsperiode in eine Richtung gleich der Verweilzeit der Empfangskeule gewählt. In conventional operation, the pulse period is divided into one Direction selected equal to the dwell time of the receiving lobe.  

Die Pulsperiode sei nun für beide Bereiche um den Faktor 35 verlängert. Damit wird die Pulsfrequenz mit 204 Hz im zweiten Bereich gerade groß genug (< 200 Hz gefordert). Im ersten Bereich ist sie 1.02 kHz.The pulse period is now by the factor for both areas 35 extended. So the pulse frequency with 204 Hz in second area just big enough (<200 Hz required). in the the first range is 1.02 kHz.

Die Abtastzeiten werden mit 203.8 und 205 ms auch gerade lang genug.The sampling times are even with 203.8 and 205 ms long enough.

Die 35fach verlängerte Pulsperiode ermöglicht den Rich­ tungs-Multiplex-Betrieb in einem Richtungsblock 4 von 35 Keulenrichtungen über die in Fig. 1 gezeigte phasenge­ steuerte Gruppenantenne 1. Der dafür benötigte Zeitraum im Ausführungsbeispiel der längsten Empfangskeulenverweil­ zeit, ergibt sich mit 0,14 ms mal der Anzahl der Keulen­ richtungen für jeweils 42 erforderliche Pulse in eine Richtung:The 35 times longer pulse period enables the directional multiplex operation in a directional block 4 of 35 lobe directions via the phased array antenna 1 shown in FIG. 1 . The time period required for this in the exemplary embodiment of the longest receiving lobe dwell time is 0.14 ms times the number of lobe directions for 42 required pulses in one direction:

FB = 0,14 · 35 · 42 = 205,8 msF B = 0.14 x 35 x 42 = 205.8 ms

In der Fig. 2 verdeutlicht, folgt danach der nächste Richtungsblock 4 bis nach 6 Blöcken mit 210 Keulenrichtun­ gen der gesamte Azimutbereich der Gruppenantenne 1 abgear­ beitet ist. Der Vorgang erfordert die 6fache Einzelblock­ zeit, was im vorgetragenen Beispiel zu einer Gesamtzeit von 1,3 s führt. Ein Wert der deutlich kleiner ist, als es nach der allgemeinen Forderung für die kohärente Radarmes­ sung zur Entdeckung von schwachen Seezielen mit ca. 2,5 s erforderlich ist.In FIG. 2 illustrates, followed by the next block the direction of 4 to 6 by blocks 210 Keulenrichtun gene of the entire azimuth range of the array antenna 1 is these is processed. The process requires 6 times the individual block time, which leads to a total time of 1.3 s in the example presented. A value that is significantly smaller than that required by the general requirement for the coherent radar measurement for the detection of weak sea targets with approx. 2.5 s.

Im ausgeführten Beispiel einer 35fachen Pulsperiodenver­ längerung fallen zeitlich verschachtelt Empfangssignale aus 35 Richtungen im gleichen Zeitraum an. Wie in der Fig. 1 gezeigt, sind zwei Zwischenspeicher vorgesehen, denen die einlaufenden Daten abwechselnd über den Spei­ cherwahlschalter 3 zur Umsortierung zugewiesen werden. Es werden die Echos aller Entfernungszellen spaltenweise zu aufeinanderfolgenden Pulsperioden in einen der Zwischen­ speicher 2 eingelesen. Dies geschieht jeweils zum n-ten Impuls für alle Keulenrichtungen (n = 1 . . . 42). Jeder Streifen entspricht der Signalfolge einer Keulenrichtung. Beim zeilenweisen Auslesen ergeben sich dann zu den Keu­ lenrichtungen die sortierten Echos zu den Entfernungszel­ len. Über den Auslesewahlschalter 6 werden die ausgelese­ nen Signale der Auswertestufe 7 zur Doppelfilterung mit­ tels einer Fouriertransformation zugeführt. Während des Auslesens und Verarbeitens aus dem Zwischenspeicher 2a erfolgt, über den Speicherwahlschalter 3 angewählt, das Einschreiben der Echos in den Zwischenspeicher 2b.In the example of a 35-fold pulse period extension, received signals from 35 directions are nested in the same period of time. As shown in FIG. 1, two buffers are provided, to which the incoming data are assigned alternately via the memory selector switch 3 for re-sorting. The echoes of all distance cells are read into columns of successive pulse periods in one of the intermediate memories 2 . This happens at the nth pulse for all club directions (n = 1 ... 42). Each stripe corresponds to the signal sequence of a lobe direction. When reading out line by line, the sorted echoes to the distance cells then result in the direction of the clubs. Via the selection selector switch 6 , the read signals of the evaluation stage 7 are fed for double filtering by means of a Fourier transformation. While reading out and processing from the buffer 2 a, selected via the memory selector switch 3 , the echoes are written into the buffer 2 b.

Das Ergebnis der Auswertestufe 7 steht an deren Ausgang zur Überleitung an folgende, nicht näher spezifizierte Si­ gnalsenken zur Verfügung.The result of the evaluation stage 7 is available at its output for transfer to the following signal sinks, which are not specified in more detail.

Die Radartechnik der elektronisch über Phasenschieber ge­ steuerten Antenne läßt die trägheitslose Schwenkbarkeit planarer Antennenblickrichtungen zu. Zur Realisierung ei­ ner vor- und rückwärtigen "Sicht" faßt bekanntermaßen die sog. Janus-Anordnung zwei planare Antennen Rücken an Rücken zu einer Antennengruppe zusammen. Diese Anordnung hat aber den Nachteil, daß sie nicht die bei Schiffen geforderte Rundumsicht ermöglicht.The radar technology used electronically via phase shifters controlled antenna leaves the inertia-free swiveling planar antenna viewing directions. To realize egg his forward and backward "view" is known to summarize the So-called Janus arrangement on two planar antenna backs Back to an antenna group. This arrangement but has the disadvantage that it is not that of ships required all-round view.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 vermeidet den Nachteil der einfachen Janus-Konstruktion, in dem je zwei Antennengruppen in der Janus-Anordnung um 90° ver­ setzt aufgebaut sind. The configuration of the invention according to claim 5 is avoided the disadvantage of the simple Janus construction, in which ever two antenna groups in the Janus arrangement by 90 ° ver sets are built.  

So lassen sich jeweils die den einzelnen Antennenelementen zugeordneten Sende- bzw. Empfangsmoduln abwechselnd ver­ sorgen. Dabei werden dann zwei Antennen (eine aus jedem Janus-Paar) gleichzeitig betrieben.In this way, the individual antenna elements can be used assigned transmit or receive modules alternately ver to care. Two antennas (one from each Janus pair) operated simultaneously.

BezugszeichenlisteReference list

1 phasengesteuerte Gruppenantenne
2 Zwischenspeicher
3 Speicherwahlschalter
4 Richtungsblock
6 Auslesewahlschalter
7 Auswertestufe 1 phased array antenna
2 buffers
3 memory selector switches
4 directional block
6 selection selector switches
7 evaluation level

Claims (7)

1. Verfahren für die kohärente Radarmessung mittels elektronisch gesteuerter Anten­ nen, bei dem
  • a) zunächst eine nach den Randbedingungen tiefstmögliche Pulsfolgefrequenz ermittelt wird,
  • b) mit der Pulsfrequenz eine Anzahl von Impulsen in eine erste Antennen- Keulenrichtung gesendet und empfangen werden,
  • c) in deren Pulsperioden, jeweils nach den Echolaufzeiten, die Antennenkeule mit gleicher Pulszahl in einem Richtungs-Multiplex-Betrieb in eine Anzahl weiterer Einzel-Keulenrichtungen zum Senden und Empfangen eingestellt wird,
  • d) dabei die zeitlich verschachtelt in den Pulsperioden empfangenen Signale in ei­ nen Zwischenspeicher abgelegt werden,
  • e) aus dem sie sortiert nach Richtungs- und Entfernungszelle einer Spektrumbe­ rechnung zur Entdeckung von Zielen mit unbekannter Dopplerverschiebung zuge­ führt werden.
1. Procedure for coherent radar measurement using electronically controlled antennas, in which
  • a) first a pulse repetition frequency which is as low as possible according to the boundary conditions is determined,
  • b) a number of pulses are transmitted and received in a first antenna beam direction at the pulse frequency,
  • c) in their pulse periods, in each case after the echo running times, the antenna lobe with the same number of pulses is set in a directional multiplex mode in a number of further individual lobe directions for transmitting and receiving,
  • d) the signals received nested in time in the pulse periods are stored in a buffer,
  • e) from which they are sorted according to the direction and distance cell of a spectrum calculation to discover targets with unknown Doppler shift.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Pulsfolge im Richtungs-Multiplex-Betrieb in eine Anzahl Keulenrichtun­ gen (Richtungsblock), in mindestens einem weiteren Richtungsblock nachfolgend verfahrensgemäß der Sende- und Empfangsbetrieb zur Entdeckung von Zielen voll­ zogen wird.2. The method according to claim 1, characterized, that after the pulse train in directional multiplex operation in a number of lobe directions gen (direction block), in at least one further direction block below according to the procedure, the transmitting and receiving operation to discover destinations fully is pulled. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtzeit, die sich aus der Sende- und Empfangsfolge aller Richtungs­ blöcke einer Antennenblickrichtung ergibt, einen Wert von 2,5 s nicht überschreitet.3. The method according to claim 2, characterized, that the total time resulting from the transmission and reception sequence of all direction blocks of an antenna line of sight results, does not exceed a value of 2.5 s. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzahl elektronischer Einzelantennen aufweist und den Antennenele­ menten Speicher nachgeschaltet sind, aus denen die empfangenen und eingeschrie­ benen Signale zur Übertragung an eine weitere Signalverarbeitungsstufe ausgelesen werden können. 4. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized, that it has a number of individual electronic antennas and the antenna elements ment memories are connected, from which the received and inscribed ben read signals for transmission to another signal processing stage can be.   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei zu Gruppenantennen entgegengesetzter Blickrichtung zusammengefaßte Richtungsblöcke in einer Janus-Anordnung um 90 Grad versetzt aufgebaut sind.5. The device according to claim 4, characterized, that two each grouped together to form opposite antennas Directional blocks are arranged in a Janus arrangement offset by 90 degrees. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Gruppenantennen (eine aus jedem Janus-Paar) gleichzeitig nach dem er­ findungsgemäßen Verfahren betrieben werden können.6. Device according to claims 4 or 5, characterized, that two group antennas (one from each Janus pair) simultaneously after the he inventive methods can be operated. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den einzelnen Antennenelementen zugeordneten Sende- und Empfangsmo­ dule abwechselnd versorgbar sind.7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized, that the individual antenna elements assigned transmit and receive mo dule are alternately available.
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