DE3002148A1

DE3002148A1 - Verfahren zur klassifizierung bewegter ziele

Info

Publication number: DE3002148A1
Application number: DE19803002148
Authority: DE
Inventors: Philipp Dr.-Ing. 8000 München Federspieler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-01-22
Filing date: 1980-01-22
Publication date: 1981-10-15

Description

Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele
Zusatz zu . ... ... (amtl. Akt.Z. P 29 28 907.4) Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele unter Verwendung eines Dopplerradargerätes mit Festzeichenunterdrückung, wobei die Echosignale bewegter Zeile durch Spektralanalyse auf periodische Nebenlini en des Doppler-Frequenzspektrums untersucht werden, die durch periodische Änderung des Reflexionsverhaltens des Zieles oder von Teilen des Zieles erzeugt werden und wobei die für die Klassifizierung des Zieles charakteristischen Nebenlinien eliminiert und ausgewertet werden.
Das von einem angetriebenen Flugobjekt herrührende Frequenzspektrum eines Radarechos weist neben der durch die Radialgeschwindigkeit hervorgerufenen Dopplerlinien noch weitere charakteristische Frequenzlinien auf, die von den rotierenden Teilen des Antriebes, wie z. B. Schaufelräder, Verdichterstufen oder Propeller, erzeugt werden und somit charakteristisch für den Typ eines Flugobäektes sind. Die Frequenzlinien treten in Form eines Linienspektrums auf, das aus einer charakteristischen Grundfrequenz fc und ihren Harmonischen n fc (n = 2, 3, 4, ...) besteht und symmetrisch zur Dopplerlinie angeordnet ist. Zwischen der Grundfrequenz fcS der Drehzahl N und der Schaufel- bzw.
Propellerzahl Z besteht folgender einfacher Zusammenhang: fc = 0 X Z.
7 Ausfertigungen 4,Ausfertigung Außerdem treten bei turbinengetriebenen Flugobjekten noch Linien + m fi (m = 1, 2, 3, ...) mit einem wesentlich geringeren Frequenzabstand auf. Sie werden durch im Inneren der Turbine liegende Rotoren hervorgerufen, die zwar die gleiche Drehzahl N, jedoch eine unterschiedliche Schaufel zahl Z gegenüber den außen liegenden Rotoren besitzen.
Die Auswertung des Linienspektrums der Radarechos wird dadurch erschwert, daß das um die Dopplerfrequenz verschiedene Linienspektrum seine absolute Lage im Gesamtspektrum entsprechend der Radialgeschwindigkeit des Flugobjektes ändert. Außerdem ändert sich das charakteristische Linienspektrum eines Flugobjektes, relativ zur Dopplerverschiebung betrachtet, mit der Drehzahl N innerhalb des relevanten Drehzahlbereiches, der ungefähr zwischen 85 % und 105 % der Nenndrehzahl liegt.
Bei anderen bewegten Zielen, wie z. B. bei Land- oder Wasserfahrzeugen, tritt derselbe Zusammenhang zwischen der durch die Radialgeschwindigkeit hervorgerufenen Dopplerlinie und den durch rotierende Fahrzeugteile erzeugten Nebenlinien auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Auswertung des Linienspektrums zu verbessern und damit die Klassifizierung sicherer zu machen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die von den Echosignalen abgeleiteten Videosignale bzw. die durch Spektralanalyse-gewonnenen Frequenzwerte durch Verschiebung des gesamten Frequenzspektrums auf die Dopplerfrequenz normiert werden, derart, daß die Dopplerfrequenzlinie den Wert 0 Hz erhält.
Durch diese Normierung wird ein von der Pulsdopplerfrequenz unabhängiges Frequenzspektrum erhalten, wodurch die Auswertung des Linienspektrums erleichtert wird.
Die Erfindung und weitere Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Doppler-Radargerätes mit einer Auswerteschaltung, das eine akustische Auswertung ermöglicht, Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Doppler-Radargerätes mit einer Einrichtung zur analogen spektralen Auswertung, Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Doppler-Radargerätes mit einer Einrichtung zur digitalen Auswertung mit Abtastung, Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Puls-Doppler-Radargerätes mit einer Einrichtung zur digitalen temporalen Auswertung mit Abtastung, Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Puls-Doppler-Radargeräts mit einer Einrichtung zur digitalen Auswertung ohne Abtastung.
Alle Ausführungsbeispiele setzen ein Doppler-Radargerät DR1 bis DR5 mit je einer Festzeichenunterdrückung voraus.
Ebenso wird in allen Fällen für die Auswertung das Videosignal s (t) des jeweils verwendeten Doppler-Radarv gerätes herangezogen. Das Spektrum jedes Videosignals enthält, wie bereits ausgeführt, die gesamte Information über die Radialgeschwindigkeit vr des bewegten Objektes sowie den Objekt-Typ. Der Pegel der durch die Radialgeschwindigkeit vr verursachten Dopplerfrequenz fD liegt ca. 10 bis 20 dB über den Amplituden der anderen Spektralanteile des Videosignals. Die Dopplerlinie fD kann deshalb in einem Dopplerextraktor, der eventuell im Doppler-Radar vorhanden ist, oder durch einen Phasenregelkreis realisierbar ist, aus dem Gesamtspektrum separiert werden. Um ein von der Dopplerfrequenz fD unabhängiges Frequenzspektrum zu erhalten, wird das Videospektrum fD + n fc + m.f. und die extrahierte Dopplerfrequenz fD in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und Fig. 2 auf eine Mischstufe M1 bzw. M2 mit anschließendem Tiefpaß TP1 bzw. TP2 und in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 3 und Fig. 4 auf eine Abtastschaltung AT1 bzw. AT2 bekannter Art mit einem nachfolgenden Tiefpaß TP3 und TP4 gegeben. In allen Ausführungsbeispielen erhält man das für die Auswertung gewünschte Spektrum + n'fc + m.f.
Da sich die für die Klassifizierung von bewegten Zielen charakteristischen Frequenzanteile im wesentlichen im Audiofrequenzbereich befinden, kann die Auswertung akustisch erfolgen. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Das am Ausgang eines Pul--oppler-Radargerätes DR1 bekannter Ausführung erhaltene Videosignal sv(t) wird gleichzeitig je einem Eingang eines Doppler-Extraktors DE1 und einer Mischstufe M1 zugeführt. Die im Doppler-Extraktor separierte Dopplerfrequenz D und das Videospektrum fD + n fc + mf.
liefern am Ausgang des der Mischstufe M1 nachgeschalteten Tiefpasses TP1 ein von der Dopplerfrequenz D unabhän giges Frequenzspektrum + nfc + m.f. Nach Verstärkung in einem Audioverstärker AV werden die im Horfrequenzbereich liegenden Ausgangssignale wahlweise auf einen Lautsprecher LP oder einen Kopfhörer KH geschaltet. Ein geschultes Ohr kann anhand des vom jeweiligen Spektrum abhängenden Kiangbildes eine Grob- und unter Umständen auch eine Feinklassifizierung vornehmen.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit einem Doppler-Radargerät DR2, einem Doppler-Extraktor DE2, einer Mischstufe M2 und einem Tiefpaß TP2 entspricht bis auf die Auswertung der Signale am Ausgang des Tiefpasses TP2 dem Schaltungsaufbau des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1. Im Gegensatz zu diesem Ausführungsbeispiel erfolgt hier eine analoge spektrale Auswertung. Die Unterscheidung der verschiedenen Objektspektren erfolgt mit Hilfe einer analogen Filterbank FB,bestehend aus mehreren einzelnen Kammfiltern, denen je ein Gleichrichter GL, ein Verstärker V, eine Schwellenschaltung SS und eine Anzeigeeinrichtung AZ nachgeschaltet ist. Jedem Objekttyp entspricht dabei ein Kammfilter der Filterbank FB, das für die zugehörigen charakteristischen Frequenzen ausgelegt ist. Um den gesamten jeweils relevanten Drehzahlrbereich zu erfassen, entspricht die Bandbreite der einzelnen Kammfilterlinien der Schwankungsbreite des zugehörigen charakterisitschen Linienspektrums. Nach Gleichrichtung in der Gleichrichterschaltung GL und Verstärkung in der Verstärkerstufe V wird mittels der analogen Schwellenschaltung SS die Entscheidung getroffen, welcher Flugobjekt- oder Fahrzeugtyp (A, B, C, ... XY) vom Radargerät erfaßt worden ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird, wie bei den Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 vom Ausgangssignal sv(t) eines Doppler-Radargerätes DR3 in einem Doppler-Extraktor DE3 die Dopplerfrequenz D separiert und zusammen mit dem Ausgangssignal.s einer als Sample and Hold-Schaltung ausgebildeten Abtastung AT1 zugeführt.
Das hier in der Abtastschaltung AT1 erhaltene normierte digitale Videosignal sv(t) mit der Dopplerfrequenz fD=OHz wird über einen Tiefpaß TP3 einer digitalen Spektralanalyse unterzogen. Dies geschieht beispielsweise durch eine "Fast-Fourier-Transformation" (FFT) in einer entsprechenden Einrichtung FFT, deren schaltungsmäßige Realisierung bekannt ist. In einem nachfolgenden Rechner RE wird das auf diese Weise analysierte Spektrum mit den in einem Speicher SP gespeicherten bekannten Spektren von verschiedenen Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen verglichen und einem passenden Fahrzeugtyp zugeordnet. Der Recher RE ist so ausgebildet, daß er die aufgrund von Drehzahländerungen auftretenden Schwankungen des charakteristischen Spektrums berücksichtigt.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, das ebenfalls mit einer digitalen Auswertung mit Abtastung der Videosignale arbeitet, entspricht in seinem ersten Teil, d. h.
bis zum Ausgang des Tiefpaßfilters TP4 schaltungs- und funktionsmäßig dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3. Für die weitere Auswertung der Signale am Ausgang des Tiefpasses wird hier jedoch nicht das normierte Spektrum des Videosignales, sondern die entsprechende Zeitfunktion verwendet. Zu diesem Zweck wird das normierte Digital-Videosignal cP (t), das, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 gewonnen wird, in einem Korrelator KO bekannter Art mit den in einer Musterbank MB gespeicherten Musterfunktionen von Flugobjekt- oder Fahrzeugtypen korreliert. Das entsprechende Korrelationsma:um liefert den jeweils georteten Objekttyp über eine Auswertung AW und eine Anzeige AZ2.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird das Videosignal sv(t) in einem Analog-Digital-Wandler AD bekannter Art digitalisiert. Das nicht normierte digitalisierte Videosignalspektrum wird mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 analysiert. Die Normierung des Spektrums auf die Dopplerfrequenz fD erfolgt in einem Rechner RE1. Dabei wird die Dopplerfrequenz fD mit Hilfe des Kriteriums "Spektrallinie mit der maximalen Amplitude" gefunden. Die übrigen Spektralanteile werden auf diese Frequenz bezogen und man erhält wieder das gewünschte normierte Spektrum Die Weiterverarbeitung geschieht wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3.
Die beschriebenen Auswerteschaltungen können grundsätzlich bei allen Klassifizierungsgeräten, die mit Doppler-Radargeräten arbeiten, verwendet werden, um von der Radialgeschwindigkeit eines zu klassifizieren- den Objektes (außer Flugobjekten auch alle Arten von Land- und Wasserfahrzeugen) unabhängige Spektren bzw.
Zeitverläufe auswerten zu können.
10 Patentansprüche 5 Figuren L e e l's e i t e

Claims

Patentanstruche Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele unter Verwendung eines Doppler-Radargerätes mit Festzeicilenunterdrückung, wobei die Echosignale bewegter Ziele durch Spektralanalyse auf periodische Nebenlinien des Doppler-Frequenzspektrums untersucht werden, die durch periodische Änderung des Reflexionsverhaltens des Zieles oder von Teilen des Zieles erzeugt werden und die für die Klassifizierung des Zieles charakteristischen Nebenlinien eliminiert und ausgewertet werden, nach Patent . ... ... (amtl. Akt.Z. P 29 28 907.4), d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die von den Echosignalen abgeleiteten Videosignale bzw. die durch Spektralanalyse gewonnenen Frequenzwerte durch Verschiebung des gesamten Frequenz spektrums auf die Dopplerfrequenz ( 8) normiert werden, derart, daß die Dopplerfrequenzlinie den Wert 0 Hz erhält.
2. Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Normierung bei analoger Auswertung der Video signale durch Mischung der Videosignale mit der Dopplerfrequenz (f) erfolgt.
3. Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Normierung bei digitaler Auswertung der Video signale durch Abtastung der Videosignale mit der Dopplerfrequenz (" ) erfolgt.
4. Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Normierung bei digitaler Auswertung der Video signale in Abhängigkeit von der Spektrallinie mit der maximalen Amplitude erfolgt.
5. Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dopplerfrequenz ( ) fUr die Mischung und Abtastung in einem Doppler-Extraktor (DE1 ... DE4) aus dem Gesamtspektrum separiert wird.
6. Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dopplerfrequenz mit Hilfe eines Frequenz- oder Phasenregelkreises separiert wird.
7. Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Auswertung der Video signale unter Verwendung akustischer Wandler (LP, KH) erfolgt.
8. Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele nach Anspruch~1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Auswertung der Video signale analodspektral unter Verwendung einer Filterbank (FB) mit mehreren Kammfiltern, von denen jedes Kammfilter für die charakteristischen Frequenzen eines jeweils zugeordneten Flugobåekttyps ausgelegt ist.
9, Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele nach Anspruch 1 und 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Auswertung der Video signale digitalspektral durch Abtastung in Verbindung miteiner Spektralanalyse durch eine Fast-Fourier-Transformation" erfolgt.
10. Verfahren zur Klassifizierung bewegter Ziele nach Anspruch 1 und 4, d a d u c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Video signale einer digitalen temporalen Auswertung mit Abtastung in Verbindung mit einem Korrelator erfolgt (K0), der die in einer Musterbank (MB) gespeicherten Musterfunktionen mehrerer Flugobjekttypen als Vergleichswerte benutzt.