DE10351154B3 - Verfahren zur Unterdrückung von JEM-Signalen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von JEM-Signalen in Empfangssignalen von HPRF-Radargeräten. Gemäß der Erfindung wird ein Radarsendesignal mit mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Bursts mit jeweils unterschiedlichen Sendefrequenzen gesendet, wobei jeder Burst eine konstante Sendefrequenz aufweist und die empfangenen Bursts in einem nicht-kohärenten Integrationsverfahren ausgewertet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von JEM (Jet Engine Modulation)-Signalen in Empfangssignalen von HPRF-(high pulse repetition frequency)-Radargeräten.
• Die Detektion von JEM-Signalen von Flugkörpern führt im Suchmodus von Radargeräten zu Darstellung von Falschzielen, da ein detektiertes Ziel oft nicht in Zusammenhang mit den JEM-Signalen gebracht werden kann. Außerdem führen Verfahren zur Darstellung der Zielspur (Tracking) zu Fehlern, da wegen der JEM-Linien für ein Ziel mehrere Zielspuren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Entfernungen generiert werden.
• Aus Nimier, V et al. "MILORD, an Application of Multifeature Fusion for Radar NCTR"; Proceedings of the Third International Conference on Information Fusion, 2000, Vol. 2, S.17–24 ist ein Verfahren zur Unterdrückung von JEM-Signalen in Empfangssignalen von HPRF-Radargeräten bekannt.
• 1 zeigt die Entstehung von JEM-Linien bei einem sich mit der Geschwindigkeit v bewegenden Flugkörper. Zusätzlich zu dem Hauptechosignal (skin echo) des Flugkörpers (obere Darstellung) werden Signale von der rotierenden Flugturbine (untere Darstellung) detektiert. Die Besonderheit rotierender Teile ist, dass zu einem Zeitpunkt, bei dem eine Turbinenschaufel senkrecht zur Blickrichtung des Radars ist, der Radarwirkungsquerschnitt der Turbinenschaufel maximal ist. Einen kurzen Zeitpunkt später, d.h. nach einer Zeit T_JEM ist die nächste Turbinenschaufel senkrecht zur Blickrichtung des Radars und erzeugt ein annähernd gleiches Signal wie die Schaufel zuvor.
• Das reflektierte Echosignal eines Flugkörpers, welches JEM-Linien produziert, läßt sich im Zeitbereich folgendermaßen darstellen:

  

  Das Echosignal s_JEM(t) setzt sich hierbei aus einer Skinecho-Komponente mit einer Amplitude A_skin und einem JEM-Anteil x_JEM(t) zusammen. Der JEM-Anteil x_JEM(t) ist im Zeitbereich ein periodisches Signal. Der Faktor w(t) ist eine vorgebbarer Fensterfunktion, welche auf das Echosignal angewendet wird, bevor das Signal mittels Fast-Fourier-Transformation (FFT) in den Frequenzbereich konvertiert wird. Die Fensterfunktion w(t) ist dabei üblicherweise ein Hanning- oder Dolph-Chebychev-Fenster. Schließlich wird mit der Frequenz f_D die Dopplerverschiebung durch die relative Geschwindigkeit des Ziels zum Radargerät berücksichtigt. Das JEM-Spektrum X_{JE M} = FT{X_JEM(t)} mit FT:Fourier-Transformierte hängt ferner vom Radius d des rotierenden Körpers sowie der Rotationsfrequenz f_r ab.
• Die Fouriertransformation der Gleichung (1) ergibt: SJEM(f) = W(f) × Askinδ0(f – fD) + W(f) × XJEM(f – fD) (2)mit

  

  f_JEM in Gleichung (3) ist die sogenannte JEM-Frequenz, welche als die Inverse der Zeit T_JEM definiert ist. Mit x ist in Gleichung (2) der Faltungsoperator bezeichnet.
• 2 zeigt ein beispielhaftes Dopplerspektrum mit JEM-Linien. Auf der Abzisse ist die Geschwindigkeit v bzw. die korrespondierende Frequenz f dargestellt. Auf der Ordinate das gemessene Echosignal S_JEM(f). Aus der Darstellung wird deutlich, dass die JEM-Linien A um das Zielecho Z herum angeordnet sind. Hierbei sind die JEM-Linien A in einem beispielhaften Geschwindigkeitsbereich von ± 300 m/s symmetrisch um die Dopplergeschwindigkeit v_D bzw. die Dopplerfrequenz f_D des Ziels Z angeordnet. Beispielhaft ist in 2 die Einhüllende G(f – f_D) der JEM-Linien dargestellt.
• In bekannten Verfahren werden diese Spektren zur Unterdrückung von JEM-Linien derart ausgewertet, dass in einem vorgebbaren Frequenzbereich das stärkste Signal als Zielecho eines Flugkörpers und die darum herum angeordneten Linien als JEM-Linien definiert werden. In den Fällen, in denen eine JEM-Linie stärker als ein tatsächliches Zielechosignal ist, kommt es somit zu einem Falschalarm.
• Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass ausgehend von Falschzielen falsche Zielspuren generiert werden können.
• Aus DE 197 507 42 A1 ist ein Verfahren zur Detektion eines Radarzieles mittels einer HPRF-Radaranlage bekannt, bei welcher ein Sendesignal mit mindestens zwei zeitlich aufeinander folgenden Bursts mit jeweils unterschiedlichen Sendefrequenzen gesendet wird, wobei jeder Burst eine konstante Sendefrequenz aufweist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, in den Empfangssignalen eines Radargeräts JEM-Linien zu unterdrücken und somit die Erkennung von tatsächlichen Zielen zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Erfindungsgemäß wird ein Radarsendesignal mit mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Bursts mit jeweils unterschiedlichen Sendefrequenzen gesendet, wobei jeder Burst eine konstante Sendefrequenz aufweist. Gemäß der Erfindung werden außerdem die empfangenen Bursts in einem nicht-kohärenten Integrationsverfahren ausgewertet.
• Mit jedem Burst wird erfindungsgemäß eine über die Dauer des Bursts konstante Frequenz gesendet. Bei einem sich daran anschließenden Burst wird die Sendefrequenz geändert, wobei die Differenz vorteilhaft mindestens 1% der vorhergehenden Sendefrequenz beträgt. Wird z.B ein erster Burst mit einer Frequenz von 10 GHz gesendet, so beträgt die Sendefrequenz des sich daran anschließenden Bursts mindestens 10,1 GHz oder ist kleiner als 9,9 GHz. Verwendet man mehrere Sendefrequenzen, so sollte der Abstand der Sendefrequenzen untereinander immer jeweils 1% bezogen auf die mittlere Sendefrequenz z.B. 10 GHz betragen. Somit wird z.B. ein sich an den zweiten Burst anschließender dritter Burst mit einer Frequenz von 10,2 GHz gesendet.
• Die JEM-Signale können in einer ersten vorteilhaften Ausführungen der Erfindung im sogenannten HPRF-VS (Velocity Search) Modus des Radargeräts mittels Summation der frequenzskalierten Spektren der einzelnen Bursts unterdrückt werden. In einer zweiten Ausführung der Erfindung werden die JEM-Signale in einem sogenannten N aus M Detektionsverfahren unterdrückt, wobei M die Zahl der Bursts und N die Anzahl der Übereinstimmungen mit N ≤ M ist. Bei dem N aus M (N/M) Detektionsverfahren kann es sich insbesondere um ein 2/2-, 2/3-, 2/4-, 3/3-, 2/5-, 3/5-, 3/6-, 3/7-, 3/8- oder 4/8-Detektionsverfahren handeln. Beide Verfahren sind als nicht-kohärente Integrationsverfahren bekannt.
• Die Erfindung mit ihren vorteilhaften Ausführungen wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine prinzipielle Darstellung zur Entstehungsweise von JEM-Signalen,
• 2 ein beispielhaftes Dopplerspektrum eines Ziels mit JEM-Signalen,
• 3 eine prinzipielle Darstellung des Verfahrensablaufs der nicht-kohärenten Integration im HPRF-VS Modus
• 4 eine beispielhafte Darstellung der Empfangsspektren von vier Bursts sowie deren Summenspektrum,
• 5 eine beispielhafte Darstellung der Empfangsspektren zweier Bursts zur Unterdrückung von JEM-Linien mittels des M/N-Detektionsverfahrens
• 6 eine vergrößerte Darstellung der Geschwindigkeitsverschiebung einer JEM-Linie zwischen zwei Bursts.
• In 3 ist der prinzipielle Verfahrensablauf einer nicht-kohärenten Integration im HPRF-VS Modus eines Radargeräts dargestellt. Das Empfangssignal jedes Bursts ist dabei eine Entfernungs-Dopplermatrix S(i,k) mit den Entfernungszellen i und den Dopplerwerten k in Doppler-Bins. Die Zahl N_rg gibt somit die Anzahl der Entfernungszellen, die Zahl N_db die Anzahl der Dopplerfilter an. Die nicht-kohärente Integration wird vorteilhaft derart ausgeführt, dass die Empfangssignale der einzelnen Bursts summiert werden. Dabei wird für die gesamte Dauer aller Bursts jedes Element der Matrix S(i,k) von Burst zu Burst summiert. Für eine beispielhafte Verwendung von vier Bursts ergibt sich das Summenempfangssignal durch die nicht-kohärente Integration gemäß: SΣ(i,k) = |S1(i,k)| + |S2(i,k)| + |S3(i,k)| + |S4(i,k)| (4)
• Mit der nicht-kohärenten Integration ist es möglich, das Signal-zu-Rausch Verhältnis des Zielsignals und der korrespondierenden JEM-Linien um einige dB zu verbessern. Im obigen Beispiel in Gleichung (4) mit 4 Bursts ergibt dies eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses von ca. 5,8 dB.
• Im Falle einer Frequenzänderung von Burst zu Burst wird bei der erfindungsgemäßen nicht-kohärenten Integration eine Skalierung durchgeführt, wobei die Doppler-Bins korrekt auf die gleiche Geschwindigkeit skaliert werden. Das Summenempfangssignal für vier Burst aus Gleichung (4) hat somit folgende Form:

  
• Die Empfangsspektren der vier Bursts sowie das aufsummierte Spektrum des Summenempfangssignals sind in 4 beispielhaft dargestellt. Die Spektren sind jeweils auf die Sendefrequenz RF₁ beispielhaft skaliert.
• In den Spektren ist auf der Abzisse die Geschwindigkeit des Ziels Z und auf der Ordinate die Signalintensität aufgetragen. Die Spektren der Bursts sind zur besseren Veranschaulichung übereinander angeordnet dargestellt. Hierbei ist deutlich zu erkennen, dass sich die Geschwindigkeit des Hauptziels bei Veränderung der Sendefrequenz nicht ändert, d.h. die Geschwindigkeit des Hauptziels bleibt konstant. Die Geschwindigkeiten der JEM-Linien A in den vom Hauptziel Z benachbarten Engine Side Bands ESB verändern sich hingegen von Burst zu Burst. Bei der Aufsummation (unterstes Spektrum) wirkt sich dies unter der Annahme, dass das Ziel zwischen und während der Bursts nicht beschleunigt derart aus, dass das Signal Σ_Z des Hauptziels verstärkt wird, die einzelnen JEM-Linien A aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten in den einzelnen Bursts nahezu konstant bleiben. Somit wird das Signal des Hauptziels addiert, wohingegen die Signale der einzelnen JEM-Linien nicht addiert werden.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist die Unterdrückung von JEM-Linien mittels eines M/N-Detektionsverfahrens. Bei diesem Verfahren wird ebenfalls die Radarsendefrequenz von Burst zu Burst geändert. Unter der Annahme, dass das Ziel keiner Beschleunigung zwischen und während der Bursts unterliegt, ändert das Echo des Ziels seine Geschwindigkeit nicht. Die JEM-Linien in den Engine Side Bands ESB hingegen ändern ihre Geschwindigkeit um einen Betrag Δv.
• In 5 sind die Dopplerspektren für das Detektionsverfahren für des Hauptzieles und die Engine Side Bands ESB aufgezeigt. Engine Side Bands ESB werden vorteil haft in einer Entfernungzelle symmetrisch auf beiden Seiten des Dopplergeschwindigkeit v_skin des Hauptzieles definiert. Die Engine Side Bands ESB überdecken dabei den Bereich von v_skin – v₂ nach v_skin – v₁ und von v_skin + v₁ nach v_skin + v₂. v₁ und v₂ begrenze die Intervalle in denen JEM-Linien um das Skinecho auftauchen können. Erfahrungswerte für v₁ und v₂ sind v₁ ≈ 50 m/s und v₂ ≈ 300 m/s. Das M/N-Detektionsverfahren kann selbstverständlich auch mit mehreren Bursts durchgeführt werden.
• In 6 ist noch einmal detailliert dargestellt, dass bei der Veränderung der Radarsendefrequenz von einem Burst zu einem sich daran anschließenden Burst eine JEM-Linien um eine Geschwindigkeit Δv dopplerverschoben ist. Die Geschwindigkeit des Hauptziels Z bleibt im Gegensatz dazu unverändert.
• Aus 5 wird weiterhin deutlich, dass bei dem M/N-Detektionsverfahren auch weitere Ziele ZE detektiert werden können, welche in den Engine Side Bands ESB des Hauptziels Z liegen.
• Unter der Voraussetzung, dass ein Hauptziel JEM-Linien mit einer JEM Frequenz f_JEM erzeugt, kann dann eine JEM-Linie z.B. bei der Geschwindigkeit:

  

  entstehen, mit λ₁ als Wellenlänge der ersten Radarsendefrequenz. Wird die Radarsendefrequenz in einem zweiten Burst auf die korrespondierende Wellenlänge λ₂ geändert, dann würde die oben genannte JEM-Linie bei der Geschwindigkeit:

  

  erscheinen. Die durch die Änderung der Radarsendefrequenz verursachte Geschwindigkeitsdifferenz Δv zwischen den beiden JEM-Linien berechnet sich wie folgt:

  
• Ist ein Hauptziel mit der Geschwindigkeit v_skin detektiert worden, so ist es vorteilhaft möglich, in den hierzu korrespondierenden Engine Side Bands ESB dieses Ziels weitere Ziele von JEM-Linien zu unterscheiden. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird hierzu die Varianz σ_D der Dopplergeschwindigkeit bestimmt, welche sich näherungsweise aus

  

  ergibt. Hierbei ist SNR_JEM1 das Signal-zu-Rausch Verhältnis der Detektion bei der Geschwindigkeit v_JEM1 und T_B die Dauer eines Bursts.
• Für den Fall, dass

  

  ist, wird eine Detektion bei der Geschwindigkeit v_JEM1 als JEM-Linie erkannt, wenn bei Änderung der Radarsendefrequenz im folgenden Burst eine zweite Detektion im Intervall von v_JEM1 + Δv – σ_D bis v_JEM1 + Δv + σ_D erfolgt. Die Detektion bei der Geschwindigkeit v_JEM1 wird hingegen als ein weiteres Ziel erkannt, wenn bei Änderung der Radarsendefrequenz im folgenden Burst eine zweite Detektion im Intervall von v_JEM1 – σ_D bis v_JEM1 + σ_D erfolgt. In allen anderen Fällen wird die Detektion bei der Geschwindigkeit v_JEM1 als Falschalarm angenommen.
• Für den anderen Fall, dass die Varianz σ_D groß ist, nämlich im Bereich von

  

  wird eine Detektion bei der Geschwindigkeit v_JEM1 als JEM-Linie erkannt, wenn bei Änderung der Radarsendefrequenz im folgenden Burst eine zweite Detektion im Intervall von

  

  bis

  

  erfolgt. Die Detektion bei der Geschwindigkeit v_JEM1 wird hingegen als ein weiteres Ziel erkannt, wenn bei Änderung der Radarsendefrequenz im folgenden Burst eine zweite Detektion im Intervall von

  

  bis

  

  erfolgt. In allen anderen Fällen wird die Detektion bei der Geschwindigkeit v_JEM1 als Falschalarm angenommen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Unterdrückung von JEM-Signalen in Empfangssignalen von HPRF-Radargeräten, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sendesignal mit mindestens zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Bursts mit jeweils unterschiedlichen Sendefrequenzen gesendet wird, wobei jeder Burst eine konstante Sendefrequenz aufweist und dass die empfangenen Bursts in einem nichtkohärenten Integrationsverfahren ausgewertet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sendefrequenzen zweier aufeinanderfolgender Bursts um mindestens 1% voneinander unterscheiden.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Sendefrequenzen zwischen aller Bursts sich um mindestens 1% bezogen auf die mittlere Sendefrequenz voneinander unterscheiden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangssignale der einzelnen Busts wie folgt addiert werden:

   

   mit S_n(i,k) : Empfangssignal für Burst n, S_Σ(i,k) : Summenempfangssignal i : Entfernungszelle, k : Dopplerwert in Doppler-Bins.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dopplerwerte der Empfangssignale der einzelnen Bursts wie folgt skaliert werden:

   

   mit RF₁ : Sendefrequenz des ersten Bursts, RF_n : Sendefrequenz des n-ten Bursts.
6. Verfahren nach einem Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangssignale der Bursts einem N aus M Detektionsverfahren unterzogen werden, wobei N ≤ M ist mit M : Zahl der Bursts N : Zahl der notwendigen Detektionen für ein Ziel oder eine JEM-Linie
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes detektierte Echosignal die jeweilige Änderung Δv der Dopplergeschwindigkeit zwischen den Bursts bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Varianz σ_D der Dopplergeschwindigkeit für ein Empfangssignal wie folgt berechnet wird:

   

   mit λ_n : Wellenlänge der Sendefrequenz des Bursts n, T_B : Sendelänge eines Bursts, SNR_Echo : Signal-zu-Rausch Verhältnis des gemessenen Empfangssignals.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenn gilt

   

   in den Engine Side Bands ESB eines detektierten Hauptzielechos bei der Geschwindigkeit v_skin ein Signalecho bei einer Dopplergeschwindigkeit V_JEMn als JEM-Signal erkannt wird, wenn dieses Signalecho in mindestens einem weiteren Burst im Intervall zwischen v_JEMn + Δv – σ_D und v_JEMn + Δv + σ_D detektiert wird und dass ein Signalecho bei einer Dopplergeschwindigkeit v_JEMn als zweites Hauptzielecho erkannt wird, wenn dieses Signalecho in mindestens einem weiteren Burst im Intervall zwischen v_JEMn – σ_D und V_JEMn + σ_D detektiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenn gilt

    

    in den Engine Side Bands ESB eines detektierten Hauptzielechos bei der Geschwindigkeit v_skin ein Signalecho bei einer Dopplergeschwindigkeit v_JEMn als JEM-Signal erkannt wird, wenn dieses Signalecho in mindestens einem weiteren Burst im Intervall zwischen

    

    und

    

    detektiert wird und dass ein Signalecho bei einer Dopplergeschwindigkeit v_JEMn als zweites Hauptzielecho erkannt wird, wenn dieses Signalecho in mindestens einem weiteren Burst im Intervall zwischen

    

    und

    

    detektiert wird.