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