DE2737088C3 - Radargerät mit nichtstetig abtastender Antenne mit einer Schaltungsanordnung zur Verminderung von Störanteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Puls-Doppler-Radargerät mit nichtstetig abtastender Radarantenne und/oder sprunghafter Änderung des zu erfassenden Entfernungsbereiches, bei dem zur Verminderung der Festzeichen- oder Bodenechos die Abtastwerte eines Entfernungsinkrements während der Verweildauer der Antenne in einem Rauminkrement mit einem sich über der Verweildauer ändernden Faktor multipliziert werden.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bereits aus der DE-OS 21 59 105 bekannt.

Aus dem »Radar Handbook« von Skolnik ist es aus den Seiten 35-12 bis 35-14 bekannt, daß bei der Verarbeitung von Abtastfolgen mit Filtern zur Unterdrückung von Bodenechos (MTI), insbesondere bei einer nichtstetigen Raumabtastung durch die Antenne (»step scan«), die Abtastfolge lang genug sein muß, um den Einschwingeffekt des Filters abklingen zu lassen. Dieser Effekt behindert die durch den Fortfall der Abtastmodulation der Störechos mögliche Entdeckung von Objekten mit langsamer Radialbcwcgung in Gebieten mit Bodenreflcxionen und die bei dieser Abtaststralegic mögliche Verwendung sequentieller Entdeckungsverfahren (»sequential detection«), wie sie beispielsweise auf den Seiten 15-19 bis 15-27 des genannten Buches beschrieben sind.

Aus Proc. IEEE, Band 60, Nr. 12 vom Dezember 1972 (Seiten 1551 - 1552) ist es bekannt, daß rekursive Filter zur Unterdrückung von Bodenechos eine wünschenswerte Durchlaßcharakterisiik haben und in ihrem Einschwingvcrhallcn durch Eingabe eines Ersatzwertes gleich dem ersten Abtastwert verbessert werden können. Trotz dieser Maßnahme tritt bei Abweichung der folgenden Abtastwerte von dem ersten Abiastwcrt ein Einschwingvorgang auf, der umso stärker ist, je mehr das Filter für die Entdeckung langsam radial bewegter Objekte ausgelegt ist. Die Rekursionsgewichte des Filters müssen einer vorgegebenen Zahl von Abtastwerten angepaßt werden und erschweren damit die Vei Wendung sequentieller Entdeckungsvcrfahrcn.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugiunde, die Entdeckung langsam radial bewegter Objekte in Störechos durch Bodenreflcxionen zu verbessern. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß von den zu jeweils einem Entfernungsinkrement gehörenden Ablastwcrten ein Störwert subtrahiert wird, der aus den Abtasiwertcn mit einem sich über der Verweildauer verändernden Rekursionsfaktor rckursiv geschützt wird, derart, daß von dem jeweils aktuellen Abiastwcrt ein durch Rekursion aus den vorhergehenden Abstasiwerien des gleichen Entfernungsinkrements gewonnener Schätzwert der Störung abgezogen wird, wobei die entstehende Differenz mit einem mit jeder Abtastung veründer-

ten Rekursionfaktor beaufschlagt und dem Subtrahenden für den nachfolgenden Abtastwert hinzugefügt wird, so daß die Störung durch Festzeichen- oder Bodenechos am Schaltungsausgang verringert und die Entdeckung langsam radial bewegter Objekte ermöglicht wird. Da durch die Rekursion das Störecho mit jedem Abtastwert besser geschätzt wird, zeigt die Schaltung ein günstiges Einschwingverhalten.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Krfindung sieht vor, daß die einzelnen Vorgänge (Verweildauer) eine unterschiedliche Anzahl von Abtastwerten aufweisen können, insbesondere zur Durchführung sequentieller Entdeckungsverfahren. Durch den mit dem Verlauf der Abtastung sich ändernden Rekursionsfaktor ist die beim Stand der Technik notwendige Einschränkung nicht mehr erforderlich, daß die Anzahl der Impulse, welche zu einer Verweildauer gehören, vorher bekannt sein muß.

Die Erfindung sowie deren Weiterbildungen werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert, weiche den Schaltungsteil zeigt, der in der Signalverarbeitung des oben beschriebenen Radargerätes jeweils im Phasengleich- und im Quadraturkanal liegt und der von einer Filterbank, z. B. realisiert durch eine diskrete Fouriertransformation, zur Unterscheidung verschiedener Dopplerbereiche vor der Schwellentscheidung zur Entdeckung angeordnet ist. Die einzelnen Abtastwerte 1 bis N während einer Verweildauer (in einem Rauminkrement) werden an der Klemme 1 zugeführt. Sie sind von einer hier nicht dargestellten Abtast- und Halteschaltung (»sample and hold«) erzeugt, und werden als einzelne Abtastproben aus dem Empfangssignal entnommen. Der Beginn einer derartigen Verweildauer ist insbesondere durch eine neue Ausrichtung einer z. B. phasengestcucrtcn Radarantenne (»phased array«) festgelegt. Es ist auch möglich, daß der Anfang einer solchen Verweildauer durch eine Änderung des zu erfassenden Hnlfernungsberciches definierl ist.

Die einzelnen Abtastwerte 1 bis N werden einem Subtrahiercr 2 zugeleitet, dessen zweiter Eingang zu Beginn der Verarbeitung der Abtastfolge über eine Leitung 14 und einen Schalter 12 mit einem Eingang 13 verbunden ist. An diesem Eingang 13 ist ein hier nicht dargestellter Speicher angeschlossen, in dem ein erster Ersatzweit gespeichert ist. Zu Beginn einer Verweildauer wird dieser erste Hrsatzwert dem Subtrahicrer 2 zugeführt und dort von dem ersten Abtastwert der Verweildauer subtrahiert. Der über Klemme 13 zugeleitete Ersatzwert kann im Fall der ersten Abtastung eines Rauminkrementes gleich Null sein. Dann wird der im Subtrahicrer 2 unveränderte Eingangswert durch den Schalter 4 vom Ausgang 7 ferngehalten. Liegt ein geeigneter Ersatzvcrt vor, der dem Störanteil im ersten Abtastwert möglichst ähnlich ist, also z. B. der mittlere Störwert aus einer vorhergehenden Abtastung des gleichen oder eines benachbarten Entfernungsinkrements. so kann die Dilfcrenz nach dem Subtrahierer über den Schalter 4 an den Ausgang 7 zur weiteren Verarbeitung nach die nachgeschaltete Doppe¹'::'· -^ank geleitet werden. Als Filter kommen digitale Filterschaltungen oder auch analoge Filterselialtungen (z. 15. mit sogenannten CCD-Speichern) in l-rage, welche für die Verarbeitung von einzelnen Abtastwerten geeignet sind. Der erste Difierenzwert gelangt zu einem Multiplizierer 5. an dessen Hingang 6 der Rekursionsfi'ktor // zugeführt wird. Dieser Rekursionslaktor ist stets kleiner gleich 1 und kann insbesondere bei einer Erstabtastung eines Entfernungsinkrementes die Wertenfolge

für /'= 1,.., Λ/ mit / als Nummer des Abiastwertes annehmen oder nach einer anderen in einem an Klemme 6 anzuschließenden Speicher oder Rechner enthaltenen Gesetzmäßigkeit gesteuert werden. Es kann zweckmäßig sein, den Rekursionsfaktor μ, nach einer vorgegebenen Anzahl von Abtastwerten kons'ant zu wählen, um den langsamen fluktuierenden Anteil der Bodenechos zu unterdrücken. Ab diesem Zeitpunkt entspricht die Schaltung in ihrer Wirkung einem rein rekursiven Filter. Im einzelnen kann auch durch eine Reihe von Probeläufen die günstige Folge der Rekursionsfaktoren μ,bestimmt werden und in einem hier nicht dargestellten, mit Anschluß 6 verbundenen Lesespeicher festgehalten werden. Die Auslegung der Wertefolge der Rekursionsfaktoren wird jeweils so vorgenommen, daß ein günstiger Kompromiß hinsichtlich der durch die Störechos erzeugten Falschalarmrate und der Entdekkungswahrscheinlichkeit von Objekten mit langsamer Radialbewegung in Gebieten mit Bodenreflcxionen erreicht wird.

Der Ausgang des Multiplizierers 5 ist über eine Leitung 8 mit einem Addierer 9 verbunden. Diesem Addierer wird außerdem der dem zweiten Eingang des Subtrahierers 2 über die Leitung 14 zugeführlc Ersatzwert zugeleitet und das Ergebnis über die Leitung 10 in einen Speicher 11 eingegeben. Nach dem ersten, mit dem F.rsatzwert von 13 verarbeiteten Ablasiwcn wird der Schalter 12 umgelegt und dadurch die Einspeisung des Ersatzwertes über die Klemme 13 unterbunden. Dafür gelangt ab der zweiten Abtastprobe der in dem Speicher 11 enthaltene, also bereits mit dein Rekursionsfaktor μ, multiplizierte und über den Addierer 9 verarbeitete Rckursionsweri zum Eingang des Substrahiercrs 2 und wird dort mit dem /weiten, an dem Eingang 1 eintreffenden Abtastwert verarbeitet. Steht an der Klemme 13 kein geeigneter Ersalzwcrt aus einer vorhergehenden Abtastung zur Verfügung, wird gleichzeitig mit dem Umlegen des Schalters 12 auch der Schalter 4 geschlossen und es gelangen die Signale zum Ausgang, d. h. zu den nachgeschaltcten Filtern, welche die weitere Verarbeitung der Abtastwerte durchführen. Bei einem geeigneten Ersatzwert an Klemme 13 kann auch schon die Differenz von erstem Abtastwert und Ersatzwcn über den geschlossenen Schalter 4 an den Ausgang 7 zur Weiterverarbeitung geleitet werden. Der weitere Verarbeitungszyklus läuft dann mit geschlossenem Schalter 4 und angeschaltetem Speicher 11 bis zum Ende der jeweiligen Abtastperiode, d. h. bis zum Eintreffen des /V-ten Abtastwertes. Dann wird, vorzugsweise gleichzeitig mit der Umschaltung der Antennencharakteristik auf ein neues Rauminkrement, der Schalter 12 wieder an die Klemme 13 angelegt und der Zyklus beginnt für die nächste Folge von Abtastwerten 1 bis N wieder von vorne. Ein besonderer Vorteil besteht neben dem geringen Speicheraufwand (nur ein Wert pro Entfernungsinkrement ist in Speicher 11 zu speichern), auch darin, daß die Zahl N, d. h. die Anzahl der Abtastwerte innerhalb einer Verweildauer nicht Line bestimmte Größe aufweisen muß, sondern beliebig gewählt werden kann. Damit ist insbesondere eine sequentielle Entdeckung durchführbar, welche Folgen mit unterschiedlicher Anzahl der Ablastwertc erforderlich macht (»sequential detection«).

Die beschriebene Schahungsanordnung verwendet zweckmäßig das z. B. in dem »Short Course on Kaiman Filter Theory and Application« der Analytic Sciences Corporation, Reading. Massachussetts, USA. als Formel 4.1 —4 auf Seite 4.2 wiedergegebene Verfahren zur rekursiven Schill mg des Mittelwertes in, mit dem Rekursionsfaktor

aus den Abtastwerten a, wobei / die Nummer der

Abtastprobe angibt, also / = 1.2 N bei /V-Impulsen

aus einem Entfernungsinkrement (d.h. für eine Abtastfolge). Es gilt dann die Gleichung

m, = /77,_, + μ, ■ (x,-/77,. ι)

wobei / = I..... N mit m₀ beliebig. An ihrem Ausgang 7 erzeugt somit die in der Figur dargestellte Schaltung Ausgangswerte der Größe .v,—m,_·, für die einzelnen Werte; = 2. 3.... bis N.

Für die abwechselnde Verarbeitung einer Vielzahl von Abtastvorgängen (Verweildauer) insbesondere aus aufeinanderfolgenden Entfernungsinkrementen, ist lediglich der speicher 11 entsprechend zu erweitern und sein Inhalt den einzelnen getrennten Entfernungsinkrementen zuzuordnen. Es entsteht somit eine Art Zeitmultiplexbetrieb, d. h. es folgen zuerst die ersten Abiast^erte des ersten, /weiten, dritten usw. Entfcrnungsinkrements einer Richtung nacheinander, dann die zweiten Abtastwerte des ersten, zweiten, dritter Entfernungsinkrements usw. bis einschließlich der /V-te Abtastwert jedes Entfernungsinkrements vcrarbcitei wird. Im Speicher werden die einzelnen, aus deir jeweiligen Entfernungsinkrement stammenden Korrekturwerte entsprechend sortiert bereitgehalten und in der richtigen Folge über den Eingang 14 dem Subtrahierer 2 jeweils dann zugeführt, wenn ein Abtastwcrl aus dem entsprechenden Entfernungsinkrement am Eingang 1 des Subtrahierers 2 eintrirft. Soll die Schaltung in bestimmten Entfernungsinkrementen nicht wirksam werden, z. B. keine Bodenechos in bestimmten Entfernungsbereichen, so kann der Wert Null vom Eingang 13 über den Schalter 12 an den Subtrahierer 2 übergeben und damit der Abtastwert am Eingang 1 unverändert über den geschlossenen Schalter 4 an der Ausgang 7 abgegeben werden.

Die Schaltung nach der Erfindung kann als einpoliges rekursives Filter mit dem zeitveränderlichen Rekursionsfaktor B = 1 — μ, betrachtet werden. Sie wird zl einem rekursixen Filter, wenn μ, konstant geschaltet wird.

Die Schalter 12 und 4 ermöglichen es auch, die Schaltung in Gebieten ohne Bodenstörungen einfach abzuschalten und durch einen Hintergrundspeichel (»clutter map«) von Entfernungsinkrement zu Entfernungsinkrement zu steuern. Der Schaller 4 bleibt dabe geschlossen und über die Klemme 13 wird eil »Ersatz« en« von NuI! eingegeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Puls-Doppler-Radargerät mit nichtstetig abtastender Radarantenne und/oder sprunghafter Änderung des zu erfassenden Entfernungsbereiches, bei dem zur Verminderung der Festzeichen- oder Bodenechos die Abtastwerte eines Entfernungsinkrements während der Verweildauer der Antenne in einem Rauminkrement mit einem sich über der Verweildauer ändernden Faktor multipliziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß von den zu jeweils einem Entfernungsinkrement gehörenden Abtastwerten ein Störwert subtrahiert wird, der aus den Abtastwerten mit einem sich über der Verweildauer verändernden Rekursionsfaktor (μι) rekursiv geschätzt wird, derart, daß von dem jeweils aktuellen Abstastwert ein durch Rekursion aus den vorhergehenden Abtastwerten des gleichen Entfernungsinkrements gewonnener Schätzwert der Störung abgezogen wird, wobei die entstehende Differenz mit einem mit jeder Abtastung veränderten Rekursionsfaktor beaufschlagt und dem Subtrahenden für den nachfolgenden Abtastwert hinzugefügt wird, so daß die Störung durch Festzeichenoder Bodenechos am Schaltungsausgang verringert und die Entdeckung langsam radial bewegter Objekte ermöglicht wird.

2. Radargerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Verweildauer eine unterschiedliche Anzahl (N) von Abtastwerten (1 bis N) aufweisen, insbesondere zur Durchführung sequentieller Abtastslrategien.

3. Radargerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Korrekturwert zu Beginn einer Verweildauer ein gespeicherter Ersatzwert, vorzugsweise aus einer vorhergehenden Abtastung, eingegeben ist und daß erst danach auf die mit dem Rekursionsfaklor (μ,) beaufschlagten Korrekturwerte umgeschaltet wird.

4. Radargerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem ersten Korrekturwert gebildete Ausgangswert nicht für die weitere Verarbeitung im nachgeschalleten Filter zugelassen ist und unterdrückt wird.

5. Radargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Filter ein Subtrahierer (2) vorgesehen ist, dem einerseits die einzelnen Abtastwerte (1 bis N) unrl andererseits die mit dem Rekursionsfaktor (μ.,) beaufschlagten Rekursionswerte zugeführt sind.

6. Radargerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Subtrahierers (2) ein Multiplizierer (5) angeschlossen ist, dem der Rekursionsfaktor ,'//.,,/zugeführt ist, daß der durch die Multiplikation gebildete Wert einem Addierer (9) zugeleitet wird, dessen Ausgang zu einem Speicher (11) geführt ist und daß der Ausgang des Speichers (11) mit dem zweiten Eingang des Si btrahierers (2) und dem zweiten Eingang des Addierers (9) , verbunden ist.

7. Radargerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen am Ausgang des Speichers (H) angeordneten Umschalter (12) nach dem ersten Abtastwert vom Eingang (13) für den Ersatzwert auf . den im Speicher (11) jeweils cnihaltencn Rektir sionswert umgeschaltet wird.

8. Radargerät nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung in Gebieten ohne Bodenstörungen abgeschaltet wird.

9. Radargerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung von Entfernungsinkrement zu Entfernungsinkrement durch einen Hintergrundspeicher vorgenommen wird.