DE3744691C2

DE3744691C2 - Verfahren und Gerät zur Bewertung von Radarzielimpulsen

Info

Publication number: DE3744691C2
Application number: DE3744691A
Authority: DE
Inventors: James Martin Gailer; Martin Robert Winstone
Original assignee: Alenia Marconi Systems Ltd
Current assignee: BAE Systems Integrated System Technologies Ltd
Priority date: 1986-08-29
Filing date: 1987-08-19
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2007-08-20
Also published as: US5323161A; FR2688893A1; FR2688893B1; DE3744691A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bewertung emp fangener Radarimpulse zwecks Unterscheidung eines besonderen Zielechos von den Echos anderer Ziele, gegenüber Rauschen, Stö rungen usw. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens zur Bewertung empfangener Radarim pulse.

Empfangene Radarimpulse können hinsichtlich einer Anzahl von Eigenschaften (Parametern) bewertet werden, beispielsweise hin sichtlich der Empfangsrichtung (Zielabweichungswinkel), des Leistungspegels, der Impulsbreite, des Impulsfolgeintervalls (IFI) und auch hinsichtlich der Hochfrequenz, sofern eine abso lute Frequenzmessung zur Verfügung steht. Insbesondere werden in der US 4,025,920 verschiedene Parameter für die Bestimmung der Herkunft eines aufgefangenen Radarsignals genannt, wobei dieser Auswahl jedoch die Bedürfnisse des Betriebs einer elek tronischen Gegenmaßnahme gegen eine fremde Einrichtung zur Ob jekterfassung und nicht die der Einrichtung zur Objekterfassung (Erkennungsradar) selbst zugrunde liegen. Jede der betrachteten Eigenschaften unterliegt selbst in bezug auf ein bestimmtes Ziel Änderungen infolge von Rauschen, Störungen usw. Bei der Bewertung jedes Impulses müssen daher signifikante Toleranzen zugelassen werden. Herkömmliche Signalverarbeitungssysteme ver gleichen den Wert der besonderen Eigenschaft mit voreingestell ten Grenzen und danach wird der Impuls akzeptiert oder zurück gewiesen.

Ein entsprechendes Beispiel eines Verfahrens zur Bewertung emp fangener Radarpulse zeigt die US 3,714,654, die sich die Aufga be stellt, schnell Impulsbreite und Impulsfolgeintervall aus möglichst wenigen eingehenden Signalpulsen zu messen. Dieses Verfahren verwendet zwei voreingestellte Schwellwerte um der Messung nur diejenigen Signale zuzuführen, die hinreichend sicher mit der erforderlichen Genauigkeit verarbeitet werden kön nen. Das derart festgelegte Toleranzband führt jedoch zu einer beachtlichen Wahrscheinlichkeit der Akzeptanz eines falschen Signals mit einem resultierenden Verlust der Möglichkeit, Ziele voneinander zu unterscheiden. Daher wurden in der Vergangenheit erhebliche Anstrengungen unternommen, die statistisch auftre tende Verfälschung des gemessenen Signals durch Rauschen, Stö rungen usw. zu berücksichtigen, um die Zuverlässigkeit der Er kennung zu verbessern.

So zeigt bereits die DE 34 34 326 A1 ein Verfahren zur clutter abhängigen Festlegung einer Zielerkennungsschwelle, das sich einer statistischen Methode bedient. Dieses Verfahren führt vorab basierend auf einem Wahrscheinlichkeitsmodell für die Verteilung der gemessenen Parameter für eine Reihe von Werten für Erwartungswert und Varianz eine Simulation durch. Diese Zu fallsvariable entspricht im Modell den tatsächlichen Parametern der eintreffenden Radarpulse. Anschließend wendet das Verfahren auf die simulierten Daten eine der Signalerfassungseinrichtung entsprechende Quantisierung an, was zu einer neuen Zufallsva riablen führt, die den tatsächlich gemessenen Parametern der Radarimpulse entspricht. Erwartungswert und Varianz der quanti sierten Zufallsvariablen werden berechnet und zusammen mit dem Schwellwert abgespeichert, der im Modell der gewünschten Zuver lässigkeit (Vertrauenswert, Konfidenzwert) für die Zielerken nung entspricht. Dementsprechend wird für einen hinreichend großen Bereich von Erwartungswert und Varianz der quantisierten Zufallsvariablen der entsprechende Schwellwert vorab bestimmt, um nach der Bestimmung von Erwartungswert und Varianz aus einem gemessenen Signal auf den gespeicherten Schwellwert zumindest näherungsweise zugreifen zu können. Das vorgeschlagene Verfah ren wird jedoch nur anhand einer einzelnen Meßgröße erklärt. Insofern ist nicht klar, wie das Verfahren auf einen Zufalls vektor auszudehnen ist und wie insbesondere eine Bestimmung des Konfidenzwerts in diesem Fall auszusehen hat.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, die Fähigkeit des einem Ra darempfänger zugrundeliegenden Verfahrens zur Bewertung und Identifizierung von Zielimpulsen durch eine statistisches Me thode zu verbessern, wobei sich das verbesserte Verfahren durch eine besonders einfache und zweckmäßige Bestimmung der Konfi denzwerte auszeichnen soll, und weiterhin ein Gerät zur Durch führung des verbesserten Verfahrens bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5.

Ein Verfahren zur Bewertung empfangener Radar impulse und ein Gerät zum Ausführen eines solchen Verfahrens werden im folgenden beispielshalber unter Bezugnahme auf eine beigefügte Zeichnung beschrieben, bei der es sich um ein Blockschaltbild des hier betrach teten Prozesses handelt.

Vier Eigenschaften eines Radarimpulssignals werden erfaßt: (a) der von der Antennenziellinie abweichende Winkel der Quelle, (b) der Leistungspegel der empfan genen Impulse, (c) die Impulsbreite des empfangenen Signals und (d) das Impulsfolgeintervall.

Der Quellenwinkel wird für einen besonderen derzeit gemessenen Impuls im Azimut und in der Elevation in herkömmlicher Weise gemessen. Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird ein mittlerer Wert des Azimutwinkels für vorangegangene oder vorherige Impulse, die als von derselben Quelle stammend bestimmt worden sind, in einem Speicher 11 gespeichert und einem Verarbeitungs vorgang oder Prozeß 2 zugeführt. In ähnlicher Weise wird ein mittlerer Wert des Elevationswinkels, relativ zu der Richtung der Empfängerantenne, für vorangegangene oder vorherige Impulse über einen Speicher 13 einem Prozeß 2 zugeführt. Der Prozeß 2 erzeugt von diesen beiden Wer ten einen mittleren Wert des Zielabweichungswinkels in der Zielebene:

[(mittlerer Azimutwinkel)² + (mittlerer Elevationswinkel)²]^1/2,

wobei dann dieser zuletzt genannte Wert des Zielabwei chungswinkels einem Prozeß 3 zugeführt wird. Eine zweite Eingabe zum Prozeß 3 wird abgeleitet aus einer Leistungs messung des derzeit gemessenen Impulses, und zwar abge leitet in einem Verarbeitungsvorgang oder Prozeß 15.

Ein Winkelfehler wird in erster Linie verursacht durch thermische Rauscheffekte. Obgleich die Größe dieses thermischen Rauschens nicht voraussagbar ist, kann man den quadratischen Mittelwert des Winkelfehlers, d. h. den effektiven Winkelfehler, aufgrund des thermi schen Rauschens abschätzen, wobei eine Abhängigkeit von der Leistung und von dem Zielabweichungswinkel, d. h. dem Winkel zwischen der Ziellinie und der zum Ziel verlaufen den Visierlinie, auftritt. Der Prozeß 3, dem der erwartete (d. h. mittlere) Zielabweichungswinkel (berech net im Prozeß 2) und der Impulsleistungswert zugeführt wird, liefert eine Schätzung des thermischen Rauschpegels zur Anwendung in einem Verarbeitungsvorgang oder Prozeß 4, wobei die Zufuhr zum Prozeß 4 über einen Eingang oder eine Eingabe 21 erfolgt.

Werte der Azimut- und Elevationswinkelfehler werden Prozessen 17 und 19 zugeführt, wobei diese Werte als Differenzen zwischen den oben genannten mittleren Werten der Azimut- und Elevationswinkel einerseits und den Winkeln, die von dem derzeit gemessenen Impuls gewonnen werden, andererseits abgeleitet werden. Es sei bemerkt, daß diese sogenannten Fehlerwerte sich ergeben können aus positionsmäßigen Änderungen des Ziels und/oder einer Versetzung der Radarantenne, obgleich eine typische Impulsfolgegeschwindigkeit hinreichend hoch ist, so daß aufgrund dieser Effekte nur kleine Änderungen her vorgerufen werden. Der Prozeß 1 verarbeitet die Azimut- und Elevationsfehlerwinkel (d. h. die Winkeldifferenz zwischen der mittleren Zielpeilung gemessen über mehrere vorangegangene oder vorherige Impulse und der Ziel peilung gemessen für den einzigen derzeitigen bzw. gerade ausgewerteten Zielimpuls) und erzeugt einen Zielebene-Fehlerwinkel unter Anwendung der folgenden Funktion:

[(Azimutfehler)² + (Elevationsfehler)²]^1/2.

Dieser Zielebene-Fehlerwinkel wird über einen Eingang oder Eingabe 23 dem Prozeß 4 zugeführt.

Der Prozeß 4 bewertet die Wahrscheinlichkeit, daß der Zielwinkel, wie er vom Fehlereingang bei 23 angege ben wird, der wahre Zielwinkel im Hinblick auf den ge schätzten Pegel der thermischen Rauscheingabe bei 21 ist. Der Ausgang des Prozesses 4 liefert einen Wert, der den Konfidenz- oder Vertrauenspegel angibt, welcher dem Zielwinkel beigemessen werden kann, welcher von dem gerade empfangenen oder derzeitigen Impuls abgeleitet wird, und dieser Wert wird als ein eingangsseitiger Beitrag einem Verarbeitungsvorgang oder Prozeß 10 zugeführt.

In ähnlicher Weise wird ein Leistungsinkrement oder ein Leistungsfehler in einem Prozeß 5 abgeleitet, und zwar aus einer derzeit gemessenen Leistungsmessung bei einer Eingabe oder einem Eingang 15 und aus einem mittleren Leistungspegel in bezug auf 2ⁿ vorherige Im pulse, wobei 1 ≦ n ≦ 5, und wobei der mittlere Lei stungspegel in einem Speicher 25 gespeichert ist. Die für diese Ableitung benutzte Formel ist eine Integral funktion

wobei
k eine Konstante,
a die derzeit gemessene Leistung und
y der mittlere Leistungspegel
ist.

Das derzeit gemessene Leistungsinkrement wird einem Prozeß 6 zugeführt, in welchem eine statistische Schät zung der Wahrscheinlichkeit, daß das Leistungsinkrement ein wahrer Wert ist und demzufolge, daß die derzeit ge messene Impulsleistung ein wahrer Wert ist, vorgenommen wird. Der Ausgang oder die Ausgabe des Prozesses 6 liefert somit einen Leistungsvertrauenswert, und dieser wird als weiterer eingangsseitiger Beitrag dem Prozeß 10 zugeführt.

Die Radarsignalimpulsbreite ist ebenfalls eine Eigen schaft des Ziels, und der diesbezüglich gemessene Wert wird einem Prozeß 27 zugeführt, wohingegen der mittlere Wert von vorherigen Impulsbreiten in einem Speicher 29 gespeichert wird. Die diesbezügliche Differenz wird in einem Prozeß 7 gewonnen, und zwar unter Verwendung der Formel

(mittlere Impulsbreite) - (derzeit gemessene Impulsbreite),

wobei ein Impulsbreiteninkrement gewonnen wird, das eine Eingabe oder einen Eingang 31 zu einem Prozeß 8 bildet. Der gerade oder derzeit gemessene Impulsleistungspegel und das Impulsleistungsinkrement sind Faktoren, die die Impulsbreite betreffen, und diese Werte werden als Eingänge in einen Prozeß 8 eingespeist. Im Lichte der Leistungswerte schätzt dieser Prozeß dann die Wahrschein lichkeit, daß die gemessene Impulsbreite ein wahrer Wert ist, und zwar unter Verwendung der Formel

wobei σ die Standardabweichung der Impulsbreite ist. Der Prozeß 8 erzeugt dann einen entsprechenden Ausgang als eingangsmäßiger Beitrag zum Prozeß 10.

Schließlich wird der gemessene Wert des Impuls folgeintervalls (IFI) über einen Prozeß 33 einem Prozeß 9 zugeführt, und zwar zusammen mit einem in einem Speicher 35 gespeicherten mittleren Wert bezüg lich 2ⁿ + 1 vorheriger Impulse, wobei 1 ≦ n ≦ 6. Die IFI-Gewichtungsfunktion identifiziert Eigenschaften der Wellenform dergestalt, ob sie feststeht, zittert oder gestaffelt ist. Der Prozeß 9 extrahiert die Differenz zwischen dem derzeitigen Wert und dem mitt leren Wert und schätzt die Wahrscheinlichkeit ab, ob das gegenwärtige oder derzeit gemessene Intervall der wahre Wert ist. Der Ausgang des Prozesses 9 ist der letzte eingangsseitige Beitrag zum Prozeß 10.

Jeder der Prozesse 4, 6, 8 und 9 unterliegt einem jeweiligen Gewichtungsfaktor von Prozessen 37, 39, 41 und 43 zwecks Berücksichtigung von korrigierenden oder übersteuernden Unsicherheitsfaktoren, die die Bedeutung der besonderen Eigenschaft einstellen sollen. Wenn somit der Impulsfolgezug IFI Zittervorgänge enthält, wird die Wichtigkeit eines IFI-Fehlers mittels des zugeord neten Gewichtungsfaktors herabgesetzt.

Der Kombinierprozeß 10 liefert einen zusammenge setzten oder kombinierten Vertrauenswert, der die einzelnen Werte mittelt, wenn sie dicht beieinander liegen, der es jedoch extrem niedrigen Einzelwerten gestattet, den Rest zu übersteuern.

Die Bewertung der Eingänge wird in drei Stufen ausgeführt. Zuerst wird die IFI-Wahrscheinlichkeit mit der Impulsbreitenwahrscheinlichkeit durch den folgenden Prozeß kombiniert:

wobei K eine Konstante und X eine Gewichtungsfunktion ist, welche eine Funktion der IFI-Gewichtung ist.

Als zweites werden die Wahrscheinlichkeiten für den Winkel und die Leistung unter Verwendung der fol genden Funktion kombiniert:

Wahrscheinlichkeit (Winkel).Wahrscheinlichkeit (Leistung).

Als drittes werden die beiden Ausgänge oder Ausgaben kombiniert, um eine Gesamtwahrscheinlichkeit vorzusehen, und zwar unter Verwendung der folgenden Funktion:

[Wahrscheinlichkeit (Winkel/Leistung).Wahrscheinlichkeit (Pulsbreite/IFI)]^1/2

Der kombinierte Vertrauenswert wird mit einem Referenzwert verglichen zwecks Bestimmung, ob der der zeit empfangene Impuls als von einem besonderen Ziel stammend akzeptiert wird oder nicht. Sind mehrere Ziele einbezogen, können die Impulse auf ausgewählte einzelne Bewertungsschaltungen aufgeteilt werden, und zwar in Ab hängigkeit von der Größe der verschiedenen Fehlerwerte, wobei jeder Impuls derjenigen Schaltung zugeordnet wird, bei der sich bei der größten Anzahl von Eigenschaften der kleinste Fehlerwert ergibt.

Obgleich bei dem obigen Beispiel vier Eigenschaften eines Impulsfolgezuges in Betracht gezogen worden sind, können auch weniger oder mehr Eigenschaften ausgewertet werden.

Claims

1. Verfahren zum Bewerten empfangener Zielradarimpulse bezüg lich einer Vielzahl von Impulseigenschaften, bei welchem Verfah ren der gemessene Wert des Zielwinkels und der gemessene Wert der Impulsleistung eines derzeit empfangenen Impulses mit einem je weiligen Mittelwert von vorher empfangenen Impulsen verglichen werden zur Bereitstellung eines derzeit gemessenen Fehlers für den Zielwinkel und die Impulsleistung, aus dem Impulsleistungs fehler durch einen Wahrscheinlichkeitsprozeß ein Konfidenzwert für die Impulsleistung ermittelt wird, aus dem Zielwinkelmittel wert und dem gemessenen Impulsleistungswert ein Schätzwert für den thermischen Rauschpegel des Zielwinkelfehlers ermittelt wird, aus dem Zielwinkelfehler und dem Schätzwert für den thermischen Rauschpegel durch einen Wahrscheinlichkeitsprozeß ein Konfidenz wert für den Zielwinkel ermittelt wird, und die Konfidenzwerte für die Impulsleistung und den Winkelfehler zu einem Gesamtkonfi denzwert für den derzeit empfangenen Impuls kombiniert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der gemessene Wert der Impulsbreite des derzeit empfangenen Impulses mit einem Mittel wert der Impulsbreiten von vorher empfangenen Impulsen verglichen wird zur Bereitstellung eines derzeit gemessenen Fehlers für die Impulsbreite, aus dem Impulsleistungsfehler und dem Impulsbrei tenfehler durch einen Wahrscheinlichkeitsprozeß ein Konfidenzwert für die Impulsbreite ermittelt wird, und dieser Konfidenzwert mit den Konfidenzwerten der anderen Eigenschaften zum Gewinnen des Gesamtkonfidenzwertes kombiniert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der gemessene Wert des Impulsfolgeintervalls des derzeit empfangenen Impulses mit einem Mittelwert der Impulsfolgeintervalle von vorher empfangenen Impulsen verglichen wird zur Bereitstellung eines derzeit gemessenen Fehlers für das Impulsfolgeintervall, aus dem Impulsfolgein tervallfehler durch einen Wahrscheinlichkeitsprozeß ein Konfi denzwert für das Impulsfolgeintervall ermittelt wird, und dieser Konfidenzwert mit den Konfidenzwerten der anderen Eigenschaften zum Gewinnen des Gesamtkonfidenzwertes kombiniert wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Zielwinkel von gemessenen Werten des Zielwinkels im Azimut und in der Elevation abgeleitet wird und der Mittelwert des Zielwinkels von Mittelwerten der Azimut- und Elevationszielwinkel abgeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Konfidenzwert bezüglich wenigstens einer der Eigenschaften einem jeweiligen Gewichtungsfaktor unterzogen wird, der eine empirisch ermittelte Ungewissheit in den besonderen Eigenschaftswerten be rücksichtigt.

6. Gerät zum Bewerten empfangener Zielradarimpulse bezüglich einer Vielzahl von Impulseigenschaften zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, enthaltend:
eine Einrichtung zum Ermitteln und Speichern des Mittelwerts der jeweiligen Werte einer jeweiligen Vielzahl bisher empfange ner Impulse für jede der verfahrensgemäßen Impulseigenschaften,
eine Einrichtung zum Vergleichen des Wertes jeder der verfah rensgemäßen Impulseigenschaften eines gerade empfangenen Impul ses mit dem jeweils ermittelten und gespeicherten Mittelwert zum Bereitstellen eines derzeit gemessenen Fehlers für jede der verfahrensgemäßen Impulseigenschaften,
eine Einrichtung zum Unterziehen des derzeit gemessenen Fehlers jeder der verfahrensgemäßen Impulseigenschaften einem jeweili gen Wahrscheinlichkeitsprozeß zum Bereitstellen eines jeweili gen Konfidenzwerts für jede der verfahrensgemäßen Impulseigen schaften des derzeit empfangenen Impulses, und
eine Einrichtung zum Kombinieren der mehreren jeweiligen Konfi denzwerte zum Bereitstellen eines Gesamtkonfidenzwerts für den derzeit empfangenen Impuls.