DE4221234C2 - Radar signal processing methods - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Radarsignalverarbeitungsverfah­ ren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a radar signal processing method ren after the preamble of claim 1.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 39 07 788 A1 bekannt. Polarimetrische Radarsignalverar­ beitungsverfahren zeigen eine erheblich verbesserte Ziel­ detektion in für herkömmliche Radarverfahren schwierig zu bewältigenden Umgebungssituationen und finden daher trotz des höheren Aufwands zunehmend Interesse.Such a method is for example from the DE 39 07 788 A1. Polarimetric radar signal processing tion procedures show a significantly improved goal Detection in for conventional radar difficult coping environmental situations and therefore find despite the higher cost increasingly interest.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Radarsi­ gnalverarbeitungsverfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, welches eine weiter verbesserte Zieldetektion ermöglicht.The object of the present invention is to provide a radar The method of processing described in the preamble of  Specify a patent claim 1 mentioned type, which is a further improved target detection allows.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.The invention is described in claim 1. The Un teransprüche contain advantageous embodiments and Further developments of the invention.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, daß das Polarisa­ tionsverhalten eines Ziels im allgemeinen sehr stark fre­ quenzabhängig ist und dabei zumindest bei einigen Frequen­ zen hinreichend klar vom Polarisationsverhalten der Umge­ bung unterscheidbar ist. Auch Ziele, die im Rahmen einer Dopplerverarbeitung nicht vom Clutter separierbar sind, können mit hoher Wahrscheinlichkeit entdeckt werden.The invention exploits the knowledge that the Polarisa behavior of a target is generally very strong fre is dependent on the frequency and at least at some frequencies sufficiently clear from the polarization behavior of the environment is distinguishable. Also, goals as part of a Doppler processing can not be separated from the clutter, can be detected with high probability.

Die Erfindung erfordert für den Sende- und Empfangsteil eines Radars keinen erheblichen Mehraufwand gegenüber ei­ nem polarimetrischen Radar der bekannten Art, da lediglich die Frequenzagilität zusätzlich gefordert ist. Der Nutzen der Erfindung ergibt sich aus der unterschiedlichen Si­ gnalverarbeitung.The invention requires for the transmitting and receiving part of a radar no significant additional expenditure compared to ei a polarimetric radar of the known type, since only the frequency agility is additionally required. The use The invention results from the different Si gnalverarbeitung.

Zur Reduzierung des Aufwand bei der i. a. digitalen Si­ gnalverarbeitung wird vorteilhafterweise der durch die Ge­ samtheit der unterschiedlichen Trägerfrequenzen gebildete Frequenzbereich in mehrere Teilintervalle unterteilt und die frequenzselektiv gewonnenen Informationen werden in­ nerhalb des Teilintervalls zu einem für dieses Teilinter­ vall gemeinsamen Zwischenergebnis verknüpft und die ab­ schließende Zieldetektionsentscheidung wird durch Zusam­ menfassung aller dieser Zwischenergebnisse gebildet. Mit der absehbaren Steigerung der Leistungsfähigkeit integrierter Prozessoren kann auch die weitergehende nach einzelnen Trägerfrequenzen getrennte Verarbeitung mit anschließender Zusammenfassung aller Verarbeitungszwischenergebnisse selbst bei hoher Anzahl unterschiedlicher Trägerfrequenzen von Vorteil sein.To reduce the effort in the i. a. digital Si Processing is advantageously carried out by the Ge the diversity of the different carrier frequencies Frequency domain divided into several subintervals and the frequency-selective information is collected in within the subinterval to one for this subinter vall joint intermediate result linked and the ab closing target detection decision is made by co of all these interim results. With the foreseeable increase in performance  integrated processors can also be the more advanced individual carrier frequencies separate processing with subsequent summary of all Intermediate processing results even at high number different carrier frequencies of advantage.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von bevorzugten Bei­ spielen noch weiter veranschaulicht, ohne auf diese be­ schränkt zu sein.The invention is described below with reference to preferred to play even further without going on this be to be limited.

Die bei polarimetrischen Radaren im Empfänger gewonnene objektspezifische Eingangsinformation läßt sich in ge­ bräuchlicher Weise durch die Streumatrix (SM) eines Radar­ ziels mit Matrixelementen S₁₁, S₁₂, S₂₁, S₂₂ beschreiben. Die Streumatrix ist abhängig von der Raumrichtung, aus der das Radar das Reflexionsobjekt beobachtet und hängt von der Trägerfrequenz f des Radarsignals ab. Bei der Erfin­ dung mit einer Mehrzahl N von unterschiedlichen Trägerfre­ quenzen ergibt sich somit für jede Zelle des Radarraster­ bildes eine Folge von Streumatrizen S(k, i) mit k als Trä­ gerfrequenzindex k = 1, . . ., N und i als Index für die ein­ zelnen Rasterbildzellen (Pixel). Bei (nicht notwendigerweise) mit Δf äquidistanten Trägerfrequenzen können diese als f_k = f_min + (k - 1)Δf angegeben werden. Für die weitere Behandlung wird zweckmäßigerweise anstelle der Streumatrix ein Streumatrixvektor
The object-specific input information obtained with polarimetric radars in the receiver can be described in a common manner by the scattering matrix (SM) of a radar target with matrix elements S ₁₁ , S ₁₂ , S ₂₁ , S ₂₂ . The scattering matrix is dependent on the spatial direction from which the radar observes the reflection object and depends on the carrier frequency f of the radar signal. In the inven tion with a plurality N of different Trägerfre frequencies thus results for each cell of the Radarraster image a series of scattering matrices S (k, i) with k as Trä gerfrequenzindex k = 1,. , ., N and i as an index for the individual raster image cells (pixels). At (not necessarily) Δf equidistant carrier frequencies, these can be given as f _k = f _min + (k-1) Δf. For the further treatment, it is expedient to use a scattering matrix vector instead of the scattering matrix

S(k, i) = (S₁₁(k, i), S₁₂(k, i, S₂₁(k, i), S₂₂(k, i)) (1)
S (k, i) = (S ₁₁ (k, i), S ₁₂ (k, i, S ₂₁ (k, i), S ₂₂ (k, i)) (1)

verwandt, der die Matrixelemente der Streumatrix als Vek­ torkomponenten enthält. which uses the matrix elements of the scattering matrix as a vek contains torkomponenten.  

Jede einzelne Trägerfrequenz k = 1, . . ., N eignet sich grundsätzlich zur Zieldetektion nach einem der an sich be­ kannten Zieldetektionsverfahren der Radartechnik, insbe­ sondere einem polarimetrischem CFAR-Verfahren. Ein solches Detektionsverfahren liefert dann jeweils für eine be­ stimmte Trägerfrequenz f_k eine Entscheidung, ob der Streu­ matrixvektor S _t(k) einer Zelle unter Test eine ähnliche Information enthält wie eine nach bekannten Gesichtspunk­ ten als geeignet gewählte z. B. räumliche und/oder zeitli­ che Umgebung der Zelle unter Text. Man erkennt auf ein Ziel, falls sich die Zelle unter Test in den untersuchten Eigenschaften hinreichend von ihrer Umgebung unterschei­ det. Für eine solche Beurteilung besonders geeignet ist die an sich gebräuchliche und aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannte Bildung einer positiven skala­ ren Größe Q_k, die sich zu
Each individual carrier frequency k = 1,. , ., N is basically suitable for target detection according to one of the per se known target detection method of radar technology, in particular a special polarimetric CFAR method. Such a detection method then provides in each case for a certain carrier frequency f _k a decision as to whether the scattering matrix vector S _t (k) of a cell under test contains information similar to a known th as ten points considered to be suitably chosen z. B. spatial and / or temporal environment of the cell under text. One recognizes a goal, if the cell under test in the examined characteristics sufficiently differs from their environment det. Particularly suitable for such an assessment is the conventional per se and known from the aforementioned prior art formation of a positive scale ren size Q _k , which is too

ergibt (*steht für konjugiert komplex, ^T steht für die transponierte Form). Falls der Wert dieser Größe Q_k größer ist als eine vorgebbare Schwelle H_k, wird auf das Vorlie­ gen eines Ziels in der Zelle unter Test entschieden. Über die Schwelle H_k kann die Falschalarmrate der Zielentschei­ dung eingestellt und z. B. in einem CFAR-Detektor konstant gehalten werden.gives (* stands for complex conjugate, ^T stands for the transposed form). If the value of this quantity Q _{k is} greater than a predefinable threshold H _k , the decision is made as to the presence of a target in the cell under test. About the threshold H _k , the false alarm rate of Zielentschei tion set and z. B. be kept constant in a CFAR detector.

Bei der Matrix J_ck handelt es sich dabei um die Kovarianz­ matrix der Umgebung der Zelle unter Test. Diese kann in bekannter Weise aus den Streumatrixvektoren der Umgebungs­ zellen geschätzt werden zu
The matrix J _ck is the covariance matrix of the environment of the cell under test. This can be estimated in a known manner from the scattering matrix vectors of the surrounding cells

Zur Verringerung der Datenrate bei der digitalen Signal­ verarbeitung sei der durch die Trägerfrequenzen f_k gebil­ dete Frequenzbereich in mehrere Teilintervalle unterteilt, wobei jedem Teilintervall wiederum mehrere benachbarte un­ terschiedliche Trägerfrequenzen zugeordnet sind. Bei äqui­ distanten Trägerfrequenzen und gleich großen Teilinterval­ len mit jeweils L unterschiedlichen Trägerfrequenzen erge­ ben sich somit N/L Teilintervalle. Vorteilhafterweise wird innerhalb jedes dieser Teilintervalle eine Kovarianzmatrix
To reduce the data rate in the digital signal processing of the carrier frequencies f _k gebil ended frequency range is divided into several sub-intervals, each sub-interval in turn are assigned to several adjacent un ferent carrier frequencies. At equi distant carrier frequencies and equal Teilinterval len each with L different carrier frequencies erge ben thus N / L subintervals. Advantageously, within each of these sub-intervals becomes a covariance matrix

geschätzt. Mittels dieser statistischen Information, die in der Regel von Intervall zu Intervall verschieden ist, wird für die Zelle unter Test und das betrachtete Fre­ quenzteilintervall eine quadratische Form
valued. By means of this statistical information, which as a rule differs from interval to interval, becomes a quadratic form for the cell under test and the fre quency subinterval under consideration

als Zwischengröße ermittelt. Die Summation bezüglich des Frequenzindexes k beinhaltet eine Mittelung über L elemen­ tare quadratische Formen, bei der die Frequenzvariation des Streumatrixvektors s _t der Zelle unter Test berücksich­ tigt wird.determined as intermediate size. The summation with respect to the frequency index k includes averaging over square quadratic forms, taking into account the frequency variation of the scatter matrix vector s _{t of} the cell under test.

In einem weiteren Schritt wird dann z. B. eine mit den Ko­ effizienten w_l gewichtete Summe über die N/L quadratischen Größen Q_l berechnet zu
In a further step then z. As one with the co-efficient w _l weighted sum over the N / L square sizes Q _l calculated

und mit einem Schwellwert H verglichen. Überschreitet die so gebildete Größe Q den vorgebbaren Schwellwert H, so wird im Detektor auf das Vorliegen eines Ziels in der Testzelle entschieden. Die Schwelle H kann zur Regulierung einer konstanten Falschalarmwahrscheinlichkeit CFAR va­ riabel einstellbar sein.and compared to a threshold H. Exceeds the thus formed quantity Q the predetermined threshold H, so is detected in the detector on the presence of a target in the Test cell decided. The threshold H can be used for regulation a constant false alarm probability CFAR va riabel be adjustable.

Eine einfache Ausführung sieht eine gleichmäßige Wichtung der einzelnen Zwischengrößen Q_l mit W_l = 1 für alle l vor, was eine einfache Mittelwertbildung bedeutet. Es sind aber auch ungleichgewichtige Summenbildungen vorstellbar und vorteilhaft, z. B. mit Gewichtskoeffizienten W_l, die umge­ kehrt proportional zum Signal/Clutter-Verhältnis oder pro­ portional der Entdeckungswahrscheinlichkeit in dem jewei­ ligen Teilintervall sind.A simple embodiment provides a uniform weighting of the individual intermediate quantities Q ₁ with W _l = 1 for all 1, which means a simple averaging. But there are also unequal weighted summaries conceivable and advantageous, for. B. with weight coefficients W _l , which are inversely proportional to the signal / clutter ratio or proportional to the probability of discovery in the jewei time subinterval.

Die verbesserte Wirkung des erfindungsgemäßen Radarsignal­ verarbeitungsverfahrens basiert wesentlich auf der Unter­ schiedlichkeit der polarimetrischen Information bei den einzelnen Trägerfrequenzen oder Teilintervallen. Die so geschaffene breitbandige Information enthält die bekannte schmalbandige polarimetrische Verarbeitung als Teilinformation, geht aber durch die davon abweichende Information bei den weiteren Frequenzen in ihrem Gesamtinformationsgehalt über diese hinaus und kann damit auch bei Nicht-Detektierbarkeit eines Ziels in einem Frequenzkanal insgesamt doch die Detektion gewährleisten.The improved effect of the radar signal according to the invention Processing method is based essentially on the sub difference in polarimetric information in the individual carrier frequencies or subintervals. The way created broadband information contains the well-known narrowband polarimetric processing as Partial information, but goes by the deviating Information at the other frequencies in her Total information content beyond this and can with it even with non-detectability of a target in one Frequency channel but still ensure the detection.

Die Informationen bei den unterschiedlichen Frequenzen werden vorzugsweise durch Frequenzumschaltung von Puls zu Puls eines Pulsradars gewonnen. The information at the different frequencies are preferably by frequency switching of pulse to Pulse of a pulsed radar won.  

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für hochauflösende Radare mit Mehrfrequenzbetrieb.The invention is particularly advantageous for high resolution Radars with multi-frequency operation.

Claims (5)

1. Radarsignalverarbeitungsverfahren für ein polarimetrisches Radar mit Einrichtungen zum Aussenden und/oder Empfangen von Radarsignalen in zwei orthogonalen Polarisationen, bei welchem für eine Zieldetektion die Empfangssignale polarisations-selektiv empfangen wer­ den, und wobei die Radarzellen unter Test, repräsentiert durch ihre Streumatrix S, mit der Kovarianzmatrix J_CK ihrer Umgebungszellen verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet, daß die der Streumatrix S und deren Verknüpfung mit der Kovarianzmatrix J_CK bei einer Mehrzahl unterschiedlicher Trägerfrequenzen frequenzselektiv erfolgt.A radar signal processing method for a polarimetric radar comprising means for emitting and / or receiving radar signals in two orthogonal polarizations, wherein for a target detection, the received signals polarization-selectively received who, and wherein the radar cells under test, represented by their scattering matrix S, with the covariance matrix J _CK their environmental cells are linked, characterized in that the scattering matrix S and its association with the covariance matrix J _{CK is} frequency-selective at a plurality of different carrier frequencies. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von allen unterschiedlichen Trägerfrequenzen gebildete Frequenzbereich in Teilintervalle mit jeweils mehreren der Träger­ frequenzen unterteilt ist und die frequenzselektiv gewonnenen Informationen innerhalb eines Teilintervalls gemeinsam zu einer Zwischengröße Q_l verknüpft werden, wobei die Zwischengröße Q_l mittels der Gleichung
gewonnen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the frequency range formed by all the different carrier frequencies is subdivided into sub-intervals with each of the carrier frequencies and the frequency-selectively obtained information within a sub-interval together to an intermediate size Q _{l are} linked, wherein the intermediate size Q _l by means of the equation
is won. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Zwischengrößen aller Teilintervalle eine skalare Vergleichsgröße durch gewichtete Summierung aller Zwischen­ größen gebildet wird, anhand derer eine Zielentscheidung getroffen wird.3. The method according to claim 2, characterized in that from the intermediate sizes of all Subintervals a scalar comparison by weighted summation of all intermediate is formed, on the basis of which a target decision is made. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Teilintervall des betrachteten Frequenzbereichs die Zwischengröße Q_l als eine Zielteilent­ scheidung betrachtet wird und sodann die einzelnen Zielteilentscheidungen zu einer Ziel­ entscheidung Q_k zusammengefaßt werden, wobei hierzu die gewichtete Summe über die N/L quadratischen Größen Q_l gebildet wird.4. The method according to any one of claims 2 to 3, characterized in that for each sub-interval of the considered frequency range, the intermediate size Q _{l is} considered as a Zielteilent divorce and then the individual target sub-decisions to a destination decision Q _k are summarized, in which case the weighted sum is formed over the N / L square sizes Q _l . 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielent­ scheidung durch Schwellwertvergleich nach einem CFAR-Verfahren erfolgt.5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the Zielent decision by threshold comparison according to a CFAR procedure.