NL8203558A - Grote-basispeiler. - Google Patents

Description

-1- *4 *

Grote-basispeiler.

De uitvinding heeft betrekking op een grote-basispeiler met meer-dere antennes, die een lineaire antennerij met de lengte L vormen, waarbij op de antennes volgend telkens een ontvanger en een meetinrich-ting, die teliminate de fase van de ontvangen elektromagnetische golf 5 ten opzichte van een referentiefase meten, aangesloten zijn, en waarbij de door de meetinrichtingen gemeten waarden in een verwerkingsinrich-ting verwerkt worden. Een dergelijke grote-basispeiler is uit het Duit-se Offenlegungsschrift 27.17.997 bekend.

Grote-basispeilers hebben het voordeel dat zij voor storingen, 10 veroorzaakt door uitbreiding via meerdere wegen van ontvangen signalen, betrekkelijk ongevoelig zijn. Voor het bepalen van de invalsrichting van de elektromagnetische golf moet tenminste bekend zijn welke fase de ontvangen elektromagnetische golf ter plaatse van elke antenne, betrok-ken op een voor alle antennes gemeenschappelijke referentiefase, heeft.

15 Vaak worden naast de fasen ook nog de amplituden van de ontvangen elektromagnetische golf verwerkt. Het is verder mogelijk om, in plaats van de amplitude en de relatieve fase te meten, de I-("In-fasegedeelte") en Q-("Quadratuur-gedeelte") componenten van de ontvangen elektromagnetische golf te bepalen. Een ontvangen signaal wordt volledig door de I-20 en Q-componenten respectievelijk door fase- en amplitudewaarden be-paald. Onafhankelijk van het feit welke informatie (fase; fase en amplitude; I- en Q-componenten) verwerkt moet worden, is het noodzakelijk om op elke antenne volgend een ontvanger en een meetinrichting aan te sluiten.

25 Om via een azimutbereik van +90° eenduidige bepalingen van de in- valshoek te kunnen realiseren is het noodzakelijk dat de afstand tussen aangrenzende antennes kleiner is dan een halve bedrijfsgolflengte (X).

Daarom zijn er bij een grote-basispeiler een groot aantal antennes, ontvangers en meetinrichtingen nodig. Bij deze kleine antenne-afstanden 30 veroorzaken de koppelingen tussen aangrenzende antennes verder nog storing.

Wanneer men bij de bekende grote-basispeilers de antenne-afstand vergroot, dan moet vervolgens een kostbare eenduidigingswerkwijze uit-gevoerd worden.

35 Daarenboven wordt de waarschijnlijkheid groter dat de bepaalde in- valsrichtingen als gevolg van meerdere-weguitbreidingen volledig fou-tief aangeduid worden.

De uitvinding beoogt daarom een grote-basispeiler aan te geven, 3203558 ί % Λ -2- waarbij ook dan zonder eenduidigingswerkwijze in een groot hoekgebied een eenduidige peiling mogelijk is, wanneer de afstand tussen aangren-zende antennes groter is dan een halve bedrijfsgolflengte.

Dit wordt bij een grote-basispeiler van de in de aanhef genoemde 5 soort volgens de uitvinding aldus bereikt dat de antennerij m antennes bevat, die binnen de antennerij zo onregelmatig mogelijk zijn aange-bracht, dat m beduidend kleiner is dan n, waarbij n = 2L/A + 1 (λ5 is de bedrijfsgolflengte van de ontvangen elektromagnetische golf) is, dat de verwerkingsinrichting tenminste een rekenaar bevat, die een snelle 10 Fouriertransformatie van n complexe ingangswaarden uitvoert, die samen-gesteld zijn uit de m in de meetinrichtingen gemeten waarden en (n-m) constante waarden, waarvan de vectoriele som gelijk is aan nul, en die parallel of in serie aan hem worden toegevoerd, dat bij de snelle Fouriertransformatie n uitgangswaarden opgewekt worden waaraan telkens een 15 bepaalde ruimterichting toegevoegd is, dat in de verwerkingsinrichting verder bepaald wordt welke van de n uitgangswaarden van de rekenaar qua waarde het grootst is, en dat de aan deze uitgangswaarde toegevoegde ruimterichting de invalsrichting van de elektromagnetische golf is.

Voordelige verdere uitvoeringen kunnen aan de onderconclusies ont-20 leend worden.

Met de nieuwe grote-basispeiler is het mogelijk zonder aanvullende eenduidigingswerkwijze om in een gebied van +90° de invalshoek van een ontvangen signaal op eenduidige wijze te bepalen ofschoon de afstand tussen aangrenzende antennes groter is dan een halve bedrijfslengte van 25 het ontvangen signaal. Wanneer er twee van deze grote-basispeilers zijn voorzien, dan zijn eenduidige hoekmetingen in het totale azimutbereik (360°) mogelijk (omzetting van conische in planaire cobrdinaten). De kosten ten aanzien van de antennes en de op hen aangesloten ontvangers — en meetinrichtingen zijn betrekkelijk gering. ' ^ 30 De koppelingen tussen aangrenzende antennes zijn minimaal. De uit- val van een ontvangtak bestaande uit antenne, ontvanger en meetinrich-ting, is niet kritisch.

De uitvinding zal aan de hand van een voorbeeld nader worden toe-gelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: 35 figuur 1 een blokschema geeft van de nieuwe grote-basispeiler; figuur 2 een antennerij voor de grote-basispeiler volgens figuur 1 toont; en de figuren 3 en 4 omhullingskrommen van de Fouriercoefficienten tonen, die bij de nieuwe grote-basispeiler berekend worden.

40 De nieuwe grote-basispeiler heeft een antennerij, waarvan de leng- 8203558 * * 3 te L is en welke m antennes 11 heeft. Op elke antenne volgend is een ontvanger 12 en een meetinrichting 15 aangesloten. Aan de ontvangers worden vanaf een mengoscillator 13 mengsignalen toegezonden voor het in de nul-middenfrequentie omzetten van de frequentie van de ontvangen 5 signalen.

Het is Voor de verdere verwerking of benutting tenminste noodzake-lijk dat de fase van de ontvangen elektromagnetische golf ten opzichte van een referentiefase bekend is. Bij voorkeur bepaalt men echter be-halve de fasen ook de amplituden van de door de antennes ontvangen 10 elektromagnetische golf. Op andere wijze is het echter ook mogelijk om de I- en Q-componenten van de uitgangssignalen van de ontvangers te be-palen. De vectoroptelling van de ortogonale I- en Q-componenten levert de vector op die het ontvangeruitgangssignaal volgens fase en amplitude beschrijft.

15 Voor de verdere beschrijving is er vanuit gegaan dat fasen en am plituden gemeten worden. De metingen worden in de meetinrichtingen 15 gedaan, waaraan voor de fasemeting vanaf een signaalbron 14 een signaal toegevoerd wordt, waarvan de fase voor alle fasemetingen de referentiefase vormt. De gemeten fase- en amplitudewaarden worden in de analoog/-20 digitaal omzetters 16 gedigitaliseerd en aan een verwerkingsinrichting 19 toegevoerd.

In de verwerkingsinrichting wordt de invalsrichting van de elektromagnetische golf bepaald en aan een (niet aangegeven) weergeefin-richting toegevoerd.

25 De verwerkingsinrichting 19 bevat een eerste rekenaar 17 voor het uitvoeren van een snelle Fouriertransformatie (FFT = Fast Fourier-Transformation) en aan een tweede rekenaar 18, die bepaalt welke van de uitgangswaarden van de eerste rekenaar qua waarde het grootst is. Bij voorkeur wordt een speciale FFT-rekenaar toegepast wanneer een zeer 30 snelle verwerking moet gebeuren. Wanneer deze snelle verwerking niet nodig is, kunnen vervolgens deze beide rekenaars 17, 18 door een enkel-voudige rekenaar vervangen worden. Deze rekenaar voert dan de snelle Fouriertransformatie uit en bepaalt de grootste uitgangswaarde.

Zoals in figuur 1 aangegeven is, wordt er bij het uitvoeringsvoor-35 beeld vanuit gegaan dat voor de uitvoering van de snelle Fouriertrans-formatie een speciale rekenaar (17) aangebracht is. Het is aan de vak-man bekend dat de gegevens serie of parallelgewijs in de rekenaar inge-voerd kunnen worden. Ten behoeve van een sneller begrip is hier een rekenaar voorzien, waaraan de gegevens parallel ingevoerd worden.

40 Als rekenaar voor het uitvoeren van de snelle Fouriertransformatie 8203558 ί1 t 4 is de rekenaar geschikt welke beschreven is in de firmabrochure "SPS-1000 Super-Fast FFT Pipeline Processor" van de firma Signal Processing Systems, Inc., 223 Crescent St., Waltham, MA 02154, USA.

Aan de FFT rekenaar 17 worden n ingangswaarden toegevoerd en de 5 rekenaar wekt n uitgangswaarden op.

Voor een beter begrip van het verwerkingsprincipe wordt eerst aan-genomen (hetgeen echter bij de nieuwe grote-basispeiler niet het geval is) dat de antennerij met de lengte L, n gelijkmatig verdeeld aange-brachte antennes heeft, waarbij n zodanig gekozen is dat n^2L/x+l (λ 10 is de bedrijfsgolflengte van de ontvangen elektromagnetische golf). De afstand d tuusen aangrenzende antennes is dan gelijk aan d£ λ/2. Bij een dergelijke grote-basispeiler zijn in een hoekbereik van +90° een-duidige hoekmetingen mogelijk.

De n complexe ingangswaarden Uyj van de rekenaar 17 bevatten in 15 complexe weergave de in de meetinrichtingen gemeten fasen en amplitu-den. Zo worden bij de snelle Fouriertransformatie nu n uitgangswaarden berekend.

Deze zijn: 20 n-1 F° - Jo** F, =. V uv exp (- ψ. , .

25 05 F = Vo exp (- iiSL ) * v=0 V n • ' ‘ ~- 30 · ^ 1 F = Σ U exp (- l?7™ (n-1)) n“1 v=0 υ n 35 Dit stelsel van vergelijkingen kan met behulp van de volgende be- trekking samengevat worden:

Fk = Vu exp (- AiHJS,, 40 8203558 f % ' 5 waarbij k en Ό waarden van 0 tot n-1 kunnen aannemen.

De boven gegeven uitdrukking is identiek aan de discrete Fourier-transformatie (DFT) van de complexe ingangswaarden . De DFT kan met behulp van FFT-algoritmen op bijzonder effectieve wijze uitgevoerd wor-5 den.

De n uitgangswaarden F^ van de FFT-rekenaar 17 komen overeen met de n signalen, die men met een antennestelsel, waarvan de richtdiagram-men n verschillende (gelijkmatig verdeelde) richtingen hebben, verkrij-gen zal, dat wil zeggen dat aan elke FouriercoSfficient F^ in gedach-10 te een stralingsbundel in een bepaalde ruimterichting toegevoegd kan worden. Er wordt dus een virtueel stralingsdiagram gevormd, dat uit n elkaar overlappende stralingsbundels bestaat. De snelle Fouriertrans-formatie is equivalent aan een Butler-stralingsvormingsmatrix; zie bij-voorbeeld het "Radar Handbook" van N.I. Skolnik, Me Graw Hill, New York 15 1970, biz. 35-15 en de daar aangegeven publikaties.

Daar aan elke van de n uitgangswaarden een bepaalde ruimterichting toegevoegd is, behoeft men voor de bepaling van de invalsrichting slechts nog in aanmerking te nemen welke van de n uitgangswaarden qua waarde het grootste is. De eenduidige invalsrichting ι/’ is dan: 20 = arc sin voor k^n/2 resp. ' arc sin voor* k > n/2

Hierbij zijn: 30 Ι/' de invalsrichting van de ontvangen elektromagnetische golf; λ de bedrijfsgolflengte van de ontvangen elektromagnetische golf; d de afstand tussen aangrenzende antennes; n het aantal van de virtuele stralingsbundels; k het nummer van de qua waarde grootste uitgangswaarde.

35 Voor de realisering van een dergelijke grote-basispeiler met n an tennes waren n ontvangers en n meetinrichtingen nodig, hetgeen zeer kostbaar is. Daarenboven treden er als gevolg van de kleine afstand van d* λ/2 tussen aangrenzende antennes storende antennekoppelingen op.

Hierna volgend wordt opnieuw ingegaan op de nieuwe grote-basispei-40 ler in de te realiseren vorm.

8203558 6 • -·

Er is verrassenderwij s gebleken dat men ook dan een bereik van +90° elkaar overlappende virtuele antennebundels verkrijgt, waarmede eenduidige peilingen mogelijk zijn, wanneer men in plaats van n anten-nes slechts nog m antennes aanbrengt, waarbij m beduidend kleiner is 5 dan n, op voorwaarde dat men de wegvallende (n-m) ingangswaarden van de FFT rekenaar, die uit meetwaarden afgeleid werden, vervangt door (n-m) waarden nul (of door (n-m) waarden waarvan de vectoriele som gelijk is aan nul). De FFT rekenaar verkrijgt dus verder n ingangswaarden die sa-mengesteld zijn uit m waarden, die uit meetwaarden afgeleid worden, en 10 (n-m) waarden, die gelijk aan nul zijn.

De "verdunning" van de antennerij belnvloedt natuurlijk de Fou-riercoSffici'dnten aan de uitgang van de FFT rekenaar. Beschouwt men op-nieuw het virtuele veelbundeldiagram, dan bewerkstelligt de "verdunning" van de antennerij een toename van de nevenpieken van de afzonder-15 lijke virtuSle stralingsbundels. De hoofdbundels worden daarentegen slechts weinig veranderd.

Bij de "verdunning" van de antennerij moet men erop letten dat er bij de nevenpieken geen afzonderlijke opgedrukte maxima gaan ontstaan. Men streeft ernaar antenneverdelingen te krijgen, waarbij de nevenpie-20 ken zo gelijkmatig mogelijk over het totale azinutbereik verdeeld zijn. Men heeft gevonden dat hiervoor de verdeling van de antennes binnen de antennerij zo onregelmatig mogelijk moet zijn.

Een dergelijke verdeling is in figuur 2 aangegeven. Wanneer men ervan uitgaat dat om nauwkeurige peilingsresultaten te verkrijgen, een 25 antennerij met een lengte van L 57X voorzien is, dan zullen er zon-der verdunning en met d=0,45 X nu n=128 ontvangtakken, bestaande uit antenne, ontvanger en meetinrichting, nodig zijn.

De antenneri}*wordt tiu zodanig verdund dat de betreffende afstanden (in bedrijfsgolfle‘ngte5) 4,95; 4,05; 3,6; 3,15; 4,5; 4,05; 5,4; 4,95; eo- 30 3,15; 3,6; 5,85; 5,4 en 4,5 zijn. Met een dergelijke antennerij is bij de nieuwe grote-basispeiler, ofschoon de kleinste afstand groter is dan 3,1 Λ, een eenduidige bepaling van de invalsrichtingen mogelijk. In plaats van n=128 ontvangkanalen zijn er slechts nog m=l4 nodig en is de koppeling tussen aangrenzende antennes is gering.

35 Aan het in figuur 3 aangegeven diagram kunnen de voor een bepaalde peilingsrichting berekende Fouriercoefficienten ontleend worden. Ten behoeve van een beter overzicht van het diagram zijn niet de meetwaarden op zich aangegeven, maar is de omhullingskromme van de meetwaarden aangegeven. Uit de kromme blijkt dat op de uitgang 10 de qua waarde 40 grootste uitgangswaarde aanwezig is, dat wil zeggen het te peilen sig- 8203558 7 % naal valt vanuit die richting in die bij deze FouriercoefficiSnt be-hoort. De invalsrichting wordt volgens de reeds aangegeven vergelijking voor de berekening van de invalsrichting l/* berekend (met d = L/n-1).

Met behulp van de hierna volgend beschreven verdere uitvoering 5 wordt een verbetering van de meetnauwkeurigheid en een vermindering van de gevoeligheid tegen storingen door meerdere-weguitbreidingen verkre-gen.

Uit de eerste inganswaarden, die men uit de meetwaarden verkregen heeft, worden verdere m ingangswaarden afgeleid. Deze verdere ingangs-10 waarden verschillen van de eerste ingangswaarden met een bepaald fase-verschil.

De (n-m) waarden die gelijk aan nul zijn, blijven onveranderd. Met deze nieuwe waarden wordt een verdere snelle Fouriertransformatie uit-gevoerd, dat wil zeggen dat men n verdere FouriercoSfficiSnten ver-15 krijgt en daarmede ook n verdere virtuele stralingsbundels. Wanneer deze verdere virtuele stralingsbundels telkens tussen de eerste virtuele stralingsbundels moeten liggen, dan moet de faseverschuiving van de af-zonderlijke ingangswaarden gelijk zijn aan T. V/n ( Ό is de positie van het betreffende antenne-element in het gedachte raster van n moge-20 lijke posities; V is gelijk aan 0,1...n-1).

Men verkrijgt in dit geval in plaats van n=128 FouriercoSfficiSn-ten nu 2n=256 FouriercogfficiHnten, dat wil zeggen ook 256 virtuele stralingsbundels. De bepaling van de invalsrichting gebeurt opnieuw door bepaling van de qua waarde grootste Fouriercoeff ici'dnt. De omhul-25 lende van de berekende FouriercoSfficienten is in figuur 4 aangegeven.

Een verhoging van de meetnauwkeurigheid is ook met de hierna beschreven verdere uitvoering, volgens welke een interpolatie optreedt, mogelijk.

Met behulp van de waarden van de Fouriercoefficienten Fj^j 30 en Fjj-_^, waarbij F^ de qua waarde grootste FouriercoSfficient is, wordt een correctiewaarde Δ =C In (A/B) (met c = constante; A, B = amplitudewaarden van de Fouriercoefficienten F^-j.^, F^-i) bepaald. De nauwkeurige invalsrichting xT is dan: 35 ^ = arc sin HslAlA voor (k+Δ) > n/2 resp. nd if' = arc sin voor (k+Δ) < n/2 40 3203558 4 ^ 8 (Voor de betreffende antennerij is dan c = 0,431).

Bij de huidige beschrijving is er vanuit gegaan dat een enkele li-neaire antennerij is aangebracht. Hiermede kan slechts een eenduidig hoekbereik van maximaal +90° bewaakt worden. Als gevolg van de symme-5 trie van de rij verkrijgt men daarenboven de hoekinformatie in een co-nisch cobrdinatenstelsel. Hierbij kunnen verschillende invalsrichtingen niet onderscheiden worden, wanneer deze op een, ten opzichte van de antennerij rotatiesymmetrische kegelmantel liggen.

Eenduidige meetresultaten over het totale azimutbereik van 360° 10 worden verkregen, wanneer men een tweede antennerij voorziet, die lood-recht op de eerste antennerij aangebracht is. Met behulp van de beide antennerijen kunnen invalshoeken en ϊΛ in conische cobrdinaten gemeten worden. Uit deze waarden kan de planaire azimut invalsrichting y5 berekend worden volgens en, wanneer gewenst, de elevatie-invalsrichting volgens 20 Θ = arc cos \f (sin sin ϊ^2 ) 9* * 8203558

Claims (6)

1. Grote-basispeiler met meerdere antennes, die een lineaire an-tennerij met de lengte L vormen, waarbij op de antennes volgend telkens een ontvanger en een meetinrichting, die tenminste de fase van de ont- 5 vangen elektromagnetische golf ten opzichte van een referentiefase me-ten, aangesloten zijn, en waarbij de door de meetinrichtingen gemeten waarden in een verwerkingsinrichting verwerkt worden, met het kenmerk, dat de antennerij m antennes (11) bevat die binnen de antennerij (fi-guur 2) zo onregelmatig mogelijk aangebracht zijn, dat m beduidend 10 kleiner is dan n, waarbij n - 2LA +1 ( λ is de bedrijfsgolflengte van de ontvangen elektromagnetische golf), dat de verwerkingsinrichting (19) tenminste een rekenaar (17) bevat die een snelle Fouriertransfor-matie (FFT) van n complexe ingangswaarden uitvoert die samengesteld zijn uit de m in de meetinrichtingen (15) gemeten waarden en (n-m) con-15 stante waarden, waarvan de vectoriele som gelijk is aan nul, en die parallel of in serie aan hem toegevoerd worden, dat bij de snelle Fou-riertransformatie n uitgangswaarden opgewekt worden waaraan telkens een bepaalde ruimterichting toegevoegd is, dat in de verwerkingsinrichting (18, 19) verder bepaald wordt welke van de n uitgangswaarden van de re-20 kenaar (17) qua waarde het grootste is, en dat de aan deze uitgangs-waarde toegevoegde ruimterichting de invalsrichting van de elektromagnetische golf is.

2. Grote-basispeiler volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de (n-m) constante signalen gelijk zijn aan nul.

3. Grote-basispeiler volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat uit de aan de rekenaar (17) toegevoerde, eerste m complexe ingangswaarden m verdere complexe waarden afgeleid worden, die verschillen van de eerste m waarden met een constante faseverschuiving, dat met deze verdere m complexe waarden een verdere snelle Fouriertransformatie uit-30 gevoerd wordt, waarbij opnieuw n uitgangswaarden opgewekt worden waaraan telkens een bepaalde ruimterichting toegevoegd is, dat in de verwerkingsinrichting bepaald wordt welke van de 2n uitgangswaarden, die bij de snelle Fouriertransformatie opgewekt werden, het grootste is, en dat de aan deze uitgangswaarde toegevoegde ruimterichting de invals-35 richting van de elektromagnetische golf is.

4. Grote-basispeiler volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat ter verhoging van de meetnauwkeurigheid van de invalsrichting uit de uitgangswaarden, die grenzen aan de qua waarde grootste uitgangswaarde, een correctiewaarde bepaald wordt, die bij de berekening van de 40 invalsrichting in aanmerking genomen wordt. 8203558

5. Grote-basispeiler volgens een der conclusies 1 tot 4, met het kenmerk, dat de aan de, de snelle Fouriertransformatie uitvoerende re-kenaar (17) toegevoerde, complexe ingangswaarden behalve de gemeten fa-sewaarden ook de overeenkomstlge amplitudewaarden bevatten.

6. Grote-basispeiler volgens een der conclusies 1 tot 4, met het kenmerk, dat aan de , de snelle Fouriertransformatie uitvoerende reke-naar (17) de in de meetinrichtingen bepaalde I-componenten ("in-fasege-deelte") en Q-componenten ("quadratuur-gedeelte") toegevoerd worden, en dat de Fouriertransformatie met deze complexe waarde uitgevoerd wordt. 0 ********** 8203558