DE3637655A1

DE3637655A1 - Rundsuchradarverfahren mit hoehenfindung

Info

Publication number: DE3637655A1
Application number: DE19863637655
Authority: DE
Inventors: Klaus Von Dr Ing Pieverling; Gerhard Dipl Ing Ritter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-11-05
Filing date: 1986-11-05
Publication date: 1988-05-19
Also published as: DE3637655C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rundsuchradarverfahren, bei dem außer dem Azimutwinkel und der radialen Entfernung auch noch die Höhe eines Zieles und zwar unter Anwendung des interferometrischen Prinzips festgestellt wird.

Übliche Rundsuchradargeräte liefern von einem Ziel als Meßwerte lediglich den Azimutwinkel und die radiale Entfernung. Die Forderung, auch eine Höheninformation hinsichtlich des jeweiligen Zieles zu erhalten, gewinnt aber mehr und mehr an Bedeutung.

Zur Erzielung einer zusätzlichen Höheninformation sind 3D- Radarverfahren mit zweifach bündelnden Antennen bekannt, z. B. den sogenannten Stacked-Beam-Antennensystemen. In diesem Zusammenhang wird auf das "Radar Handbook", von M. I. Skolnik, McGraw- Hill Book Company, 1970, Seiten 22-1 bis 22-5 hingewiesen. Bei derartigen 3D-Radarverfahren wird der gesamte interessierende Elevationsbereich von mehreren stark gebündelten Antennendiagrammen abgedeckt. Dies bedingt zunächst neben der horizontalen Antennenausdehnung zur Bündelung im Azimut auch eine entsprechende Antennenausdehnung in der Vertikalen zur Erzielung der Elevationsbündelung. Darüber hinaus wird für jede Antennenkeule auch eine eigene Auswertung erforderlich, um den gesamten Elevationsbereich abzudecken. Neben einem hohen Flächenbedarf und einem großen mechanischen Aufwand für das Antennensystem hat ein solches mehrkeuliges 3D-Radarverfahren somit auch den Nachteil langer Datenerneuerungsraten wegen der hohen Zahl der abzutastenden Raumelemente.

Zur Höhenfindung läßt sich grundsätzlich auch das sogenannte Interferometerverfahren anwenden, bei dem die Empfangssignale zweier in der Höhe versetzt zueinander angeordneter Antennen Laufzeitunterschiede aufweisen, die in den beiden Empfangskanälen zu elektrischen Phasendifferenzen führen, aus denen dann der Elevationswinkel des Zieles bestimmt werden kann. Sind die beiden Empfangskanalsignale gleichphasig, so ist das Antennensystem auf das Ziel ausgerichtet. Im Zusammenhang mit einem derartigen Phasenvergleich wird auf die Seiten 22-16 bis 22-18 des bereits erwähnten Buches von M. I. Skolnik hingewiesen.

Die Elevationsbestimmung nach dem Interferometerprinzip wird jedoch durch verschiedene Fehlerquellen beeinflußt. Dies sind zunächst Gleichlauf- und Linearitätsfehler zwischen den beiden Empfangskanälen. Diese Fehler können durch exakte Auslegung und Eichung reduziert werden. Die Meßfehler durch das Empfängerrauschen lassen sich durch die Sendeleistung und durch die Beobachtungszeit beeinflussen. An externen Fehlern treten das sogenannte Winkelrauschen (Glint) und Mehrwegeausbreitungen auf. Einen großen Einfluß auf die Mehrwegeausbreitungen hat die Wahl des Standortes. Abgesehen davon aber, daß ein hinsichtlich der Vermeidung von Mehrwegeausbreitungen optimaler Standort für ein Radargerät nicht immer möglich ist, entstehen auch bei diesbezüglich günstige Standorten aufgrund von Mehrwegeausbreitungen noch immer Fehler bei der Höhenfindung eines Zieles.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rundsuchradarverfahren mit Höhenfindung zu schaffen, bei dem zum einen die Nachteile der 3D-Radarverfahren mit zweifach bündelnden Antennensystemen vermieden und zum anderen die Auswirkungen der Mehrwegeausbreitungen bei der interferometrischen Messung stark reduziert sind.

Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Rundsuchradarverfahren der eingangs genannten Art beziehen, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Höhenfindung mittels dreier äquidistant übereinander angeordneter Empfangseinzelantennen drei von einem Sendefächerstrahl räumlich überdeckte Fächerstrahlen mit jeweils scharfer Azimutbündelung und schwächerer Elevationsbündelung erzeugt werden, daß aus den Empfangssignalen U ₁ und U ₂ der oberen und der mittleren Einzelantenne eine erste Linearkombination U ₁- U ₂ · e^{-j Δϕ m} und aus den Empfangssignalen U ₂ und U ₃ der mittleren und der unteren Einzelantenne eine zweite Linearkombination U ₂- U ₃ · e^{-j Δϕ m} gebildet wird, daß die betragsmäßige Gleichheit dieser beiden Linearkombination als Kriterium der Elimination eines Umwegesignals verwendet und dazu die Phasendifferenz Δϕ m entsprechend bemessen wird, und daß zwischen den beiden Linearkombinationen dann die Phasendifferenz Δϕ d gemessen wird, aus der dann der Elevationswinkel des Zieles bestimmt wird.

Die Erfindung und weitere Einzelheiten werden im folgenden anhand einer Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch eine Interferometeranordnung, wie sie beim Rundsuchradarverfahren nach der Erfindung angewandt wird. Die dargestellte Anordnung besteht aus drei äquidistant übereinander angeordneten Einzelantennen 1, 2 und 3, die jeweils einen vom Sendefächerstrahl räumlich überdeckten Fächerstrahl mit jeweils scharfer Azimutbündelung und schwächerer Elevationsbündelung erzeugen. Die von den drei übereinander angeordneten Fächerstrahlantennen 1, 2 und 3 empfangenen Radarechosignale weisen elevationsabhängige Laufzeitunterschiede auf, die zu elektrischen Phasenwinkeldifferenzen am Ausgang der jeweiligen Empfangskanäle führen. Die durch das direkte Echosignal E _d und das über einen Umweg empfangene Echosignal E m erzeugten Antennenspannungen U ₁, U ₂ und U ₃ ergeben sich zu:

U ₁ = E _d · e^{-j Δϕ d} + E _m · e^{-j Δϕ m} (1)
U ₂ = E _d + E _m (2)
U ₃ = E _d · e^{-j Δϕ d} + E _m · e^{-j Δϕ m} (3)

Abhängig von dem Elevationswinkel ε _d, unter dem das direkte Echosignal auf die drei Antennen 1, 2 und 3 trifft, entsteht ein geringer Laufzeitunterschied, der in einen entsprechenden Phasenunterschied Δϕ _d zwischen den beiden Antennenspannungen U ₁ und U ₂ bzw. U ₂ und U ₃ umgesetzt wird. Hierbei gilt:

wobei d der Abstand zwischen den Antennen 1, 2 und 3 und λ die Wellenlänge ist. Abhängig vom Elevationswinkel ε _m, unter dem das Umwegechosignal auf die drei Antennen 1, 2 und 3 trifft, entsteht ebenfalls ein geringer Laufzeitunterschied, der in einem entsprechenden Phasenunterschied Δϕ _m zwischen den beiden Antennenspannungen U ₁ und U ₂ bzw. U ₂ und U ₃ umgesetzt wird. Hierbei gilt:

Durch geeignete Elimination in den Gleichungen (1) bis (3) erhält man:

Da die linke Seite dieser Gleichung betragsmäßig = 1 ist, müssen also auf der rechten Seite Zähler und Nenner betragsmäßig gleich sein. Aus dieser Bedingung ergibt sich der Phasenunterschied Δϕ _m und damit auch der Elevationswinkel ε _m, aus welchem der Mehrwege-Empfang erfolgt. Bei bekanntem Phasenunterschied Δϕ _m läßt sich der Phasenunterschied Δϕ _d und damit der Elevationswinkel ε _d bestimmen, aus dem das direkte Echosignal empfangen wird.

Die Gleichung (6) zeigt den mathematischen Lösungsweg, mit welchem die Elimination des Mehrwege-Empfangs erfolgt. Demgegenüber gibt die Erfindung ein Verfahren an, wie sich diese Elimination durchführen läßt. Es wird von den beiden oberen Antennen 1 und 2 ein Summendiagramm gebildet, welches eine Nullstelle in Richtung des reflektierten Echosignals besitzt. Dieses Summensignal entspricht dem Ausdruck im Zähler der Gleichung (6). Von den beiden Empfangssignalen in den unteren Antennen 2 und 3 wird ein gleichartiges Summendiagramm gebildet, welches ebenfalls eine Nullstelle in Richtung des umgelenkten Echos aufweist. Dieses Summensignal entspricht dem Ausdruck im Nenner der Gleichung (6). Die zwischen den beiden Summendiagrammen gemessene Phasendifferenz wird dann zur Bestimmung des Elevationswinkels ε _d des Zieles verwendet. Der effektive Abstand der Summendiagramme entspricht dem einfachen Antennenabstand d. Aus der Breite der Nullstelle läßt sich die Unterdrückungswirkung dieser Anordnung abschätzen, falls keine spiegelnde, sondern eine verteilte Reflektion auf dem Umweg erfolgt.

Wegen der endlichen Breite der Nullstelle empfielt es sich, bei relativ kleinen Winkelunterschieden zwischen dem direkten und dem umgelenkten Echo nicht die mathematisch exakte Lösung zu verwenden, da dann die Unterdrückung des direkten Echosignals zu groß wird. Stattdessen wird in vorteilhafter Weise auf der Flanke der Nullstelle des Antennendiagramms gearbeitet.

Claims

1. Rundsuchradarverfahren, bei dem außer dem Azimutwinkel und der radialen Entfernung auch noch die Höhe eines Zieles und zwar unter Anwendung des interferometrischen Prinzips festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Höhenfindung mittels dreier äquidistant übereinander angeordneter Empfangseinzelantennen (1, 2, 3) drei von einem Sendefächerstrahl räumlich überdeckte Fächerstrahlen mit jeweils scharfer Azimutbündelung und schwächerer Elevationsbündelung erzeugt werden, daß aus den Empfangssignalen U ₁ und U ₂ der oberen und der mittleren Einzelantenne (1, 2)
eine erste Linearkombination U ₁- U ₂ · e^{-j Δϕ m} und aus den Empfangssignalen U ₂ und U ₃ der mittleren und der unteren Einzelantenne (2, 3) eine zweite Linearkombination U ₂- U ₃ · e^{-j Δϕ m} gebildet wird, daß die betragsmäßige Gleichheit dieser beiden Linearkombinationen als Kriterium der Elimination eines Umwegsignals verwendet und dazu die Phasendifferenz Δϕ m entsprechend bemessen wird, und daß zwischen den beiden Linearkombinationen dann die Phasendifferenz Δϕ d gemessen wird, aus der dann der Elevationswinkel ( ε d) des Zieles bestimmt wird.

2. Rundsuchradarverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei kleinen Winkelunterschieden zwischen dem direkten Echosignal und dem Umwegechosignal nicht die im Anspruch 1 angegebene exakte Lösung verwendet wird, sondern in geringer Abweichung davon stattdessen auf der Flanke des Nullstelleneinschnitts des Antennendiagramms gearbeitet wird.