-
-
Pulsradargerät mit Integration der Empfangssignale
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Pulsradargerät mit Integration
der Empfangssignale und zeitabhängiger Änderung der Sendefreauenz.
-
Aus dem Buch von Skolnik "Introduction to Radar Systems" 1962, Seite
560 ist es bekannt, daß durch eine rasche Änderung der Sendefrequenz (Frequenzagilität)
gegnerischen Störungen begegnet werden kann.
-
Aus dem genannten Buch, und zwar durch die Seiten 75 bis 4o ist es
auch bekannt, daß bei Radargeräten zwei Arten von Integration durchgeführt werden
können. Die sog. kohärente Integration wird in der Zwischenfrequenzlage durchgeführt,
d.h. vor dem jeweiligen Gleichrichter, weshalb sie auch im englischen Sprachgebrauch
als "predetection" bezeichnet wird. Sie ergibt normalerweise ginstigere Werte; dem
steht allerdings der Nachteil gegenüber, daß hier der Aufwand im Filterbereich relativ
hoch ist. Weiterhin ist die nichtkohärente Integration bekannt, bei welcher die
Integrationseinrichtung nach dem Detektor angeordnet ist. Diese Integrationsart
wird deshalb auch als "postdetection" bezeichnet. Sie ist nicht so wirkwnCsvoll
wie die kohärente Integration. Dafür hat sie aber den Vorteil, daß sie mit geringerem
Aufwand realisiert werden kann. In der Praxis findet deshalb bevorzugt die nichtkohärente
Integration Anwendung.
-
Wenn Radarziele, von denen nur sehr schwache Echosignale empfangen
werden können, geortet werden sollen, so miissen sehr viele Einzelechosignale aufintegriert
werden. Bei nichtkohärenter Integration sehr vieler Einzelechos ist die erzielbare
Entdekungswahrscheinlichkeit aber wesentlich geringer als bei kohärenter Integration.
Dagegen erfordert die ohnehin bereits aufwendige kohärente Integration vieler Echo
signale einen sehr hohen technischen Aufwand. Der vorliegenden Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, eine höhere Entdeckungswahrscheinlichkeit als bei nichtkohärenter
Integration bei gleichzeitiger Verringerung des Aufwandes im Vergleich zur kohärenten
Integration zu erzielen. Gemäß der Erfindung, welche sich auf ein Pulsradargerät
der eingangs genannten Art bezieht, wird dies dadurch erreicht, daß in einer Abtastperiode
i Gruppen von jeweils k gleichfrequenten Sendeimpulsen ausgestrahlt sind, daß für
die jeweils k gleichfrequenten Sendeimpulse empfangsseitig in an sich bekannter
Weise in einer ersten Integrationseinrichtung Xohnrente Integration durchgeführt
wird, und daß die i verschiedenen InteOrationssignale der jeweils k gleichfrequenten
Sendeimpulse von der ersten Integrationseinrichtung zu einer zweiten Integrationseinrichtung
übertragen werden, welche in an sich bekannter Weise eine inkohärente Integration
durchführt.
-
Bei der Ortung fluktuierender Ziele und kohärenter Integration weniger
Echosignale und durch den anschließenden Frequenzwechsel der Sendeit:ipulse sowie
durch die weitere inkohärente Integration der Teilergebnisse aus der kohärenten
Integration läßt sich eine höhere EntdeckungswahrscheinlicEseit erzielen als bei
kohärenter Integration ohne Frequenzwechsel. Durch die Erfindung wird somit erreicht,
daß die Vorteile des Frequenzwechsels auch bei der Integration vieler Echos nutzbar
gemacht werden können. Wegen der relativ geringen Zahl von k-Impulsen, welche der
kohärenten Integration unterworfen werden müssen, läßt sich der Aufwand relativ
niedrig halten.
-
Die optimale Aufteilung der Gesamtzahl N von Impulsen in die Werte
i und k läßt sich einfach durchführen, weil lediglich die Beziehen = = i k eingehalten
werden muß. Diese optimale Auftei-
lung kann vorteilhaft in einem
Festwertspeicher enthalten sein und bei Bedarf jeweils entnommen werden. Der Wert
von k wird zweckmäßig zu k > 1 gewählt.
-
In vielen Fällen ist es zweckmäßig, einen zur Zielentdeckung erforderlichen
Schwellenvergleich bereits nach dem Empfang jeder Gruppe von k Impulsen durchzuführen,
was zu einer Verringerung der mittleren Zielbeleuchtungsdauer führen kann. Dementsprechend
ist am Ausgang der kohärenten Integrationseinrichtung eine entsprechende Schwellschaltung
vorzusehen. Bei Überschreiten eines oberen Schwellwertes dieser Schaltung wird ein
Zielimpuls erzeugt, weil dann bereits eindeutig feststeht, daß ein echtes Ziel erfaßt
worden ist. Eine weitere inkohärente Integration ist nicht mehr nötig und auch die
restlichen Sendeimpulse brauchen nicht mehr ausgesandt werden. Ist zusätzlich ein
unterer Schwellwert vorgesehen, so werden die kohärenten Integrationswerte, die
zwischen oberer und unterer Schwelle liegen, vorteilhaft für die weitere Auswertung
in der nichtkohärenten Integration weitergeleitet (eine Art Folgeentdeckung - "secuential
detection").
-
Kohärente Integrationswerte, die unter den unteren Schwellwert li
ec?en, werden zweckmäßig für die weitere Auswertung in der nichtkohärenten Integrationseinrichtung
Gesperrt.
-
Die erfindung sowie die deren Vorteile und die WeiterbildanOen sind
anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild eines
Pulsradargerätes nach der Erfindung, Fig. 2 das Signal-Rauschverhältnis in Abhängigkeit
von der Zahl der integrierten Impulse bei einer EntdeckunÕswahrscheinlicnkeit von
0,9, Fig. 3 das Signal/Rauschverhältnis in Abhängigkeit von der Zahl der integrierten
Impulse bei einer Entdeckungswahrscheinlichkeit von 0,7, Fig. 4 das Signal-Rauschverhältnis
in Abhängigkeit von der Zahl der integrierten Impulse bei einer Entdeckungswahrscheinlichkeit
von 0,5, Fig. 5 di e die Entdeckungswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit vom Signal/Rauschverhältnis
für verschiedene Integrationsverfahren,
Fig. 6 die Entdeckungswahrscheinlichkeit
in Abhängigkeit von der Zahl der integrierten Impulse.
-
In Fit. 1 ist der Sender eines Pulsradargerätes, bevorzugt eines Pulsdopplerradargerätes
mit SE bezeichnet. Er ist ausgangsseitig mit einem Sende-Empfangsschalter SES verbunden,
der zu einer Antenne AN geftihrt ist. Die Steuerung des Sendeempfangsschalters SES
und die Tastung des Senders SE erfolgt von dem zentralen Taktgeber TG, welcher somit
die Pulsfrequenz fp des Radargerätes festlegt. Die Sendefrequenz wird von einem
Sendeoszillator S0 erzeugt, welcher in seiner Frequenz in i Stufen zwischen der
Frequenz fo und der Frequenz fi umschaltbar ist. Insgesamt können somit nacheinander
i verschiedene Sendefrequenzen von dem Radarsender SE ausgesandt werden. Zur Steuerung
der verschiedenen Vorgänge ist eine Steuereinrichtung ST vorgesehen, welche i verschiedene
Steuerbefehle an den Sendeoszillator SO geben kann und dadurch die verschiedenen
Frequenzen zwischen fo und fi einzustellen gestattet. Diese Frequenzwerte können
als Festprogramm in dcr Steuereinrichtung enthalten sein (Festwertspeicher) oder
von einem Rechner in einer den jeweiligen Gegebenheiten angepasten Strategie von
Fall zu Fall bereitgestellt werden. Dabei kann sowohl die Zahl i der in einer Abtastperiode
auszusendenden Frequenzen als auch die Zahl k der gleichfrequenten winzelimpulse
(k 51) einer Gruppe variiert werden. Zur Festlegung des Wertes von k kann zweckmäßig
zwischen dem Taktgeber TG und der Steuereinrichtung ST ein Zähler vorgesehen sein,
welcher von Null bis k zcnElt. Nimmt man an, daß k = 20 gewählt ist, so erzeugt
dieser Zähler ZL nach 20 Taktimpulsen des Taktgebers TG, d.h. also nach 20 ausgesandten,
gleichfrecuenten Sendeimpulsen an seinem Ausgang einen Steuerimpuls, welcher der
Steuereinrichtun ST zugeführt wird und beisnielsweise veranlaßt, daß von der zunächst
ausgesandten Frequenz fo auf die Frequenz -f1 ungeschal-et wird. Dieser Vorgang
wiederholt sich, ggf. unter Einschaltung eines hier nicht dargestellten Rechners
solange, bis nacheinander die Frequenzen von fo bis fi in einer entsprechenden Zahl
von jeweils k Impulsen allsgesandt worden sind. Dann beginnt der Vorgang mit fo
oder auch einer anderen Frequenz (je nach der jeweilifflen Strategie) wieder von
neuem. Insgesamt folgen somit
bei einer Abtastperiode, d.h. z.B.
bei der Ausrichtung der vorzugsweise elektronisch gesteuerten Antenne AN auf ein
bestimmtes Zielgebiet die Aussendung von N = i k Impulsen, wobei jeweils k Impulse
einer Impulsgruppe die gleiche Frequenz haben und nacheinander ausgesandt werden.
Es ist noch darauf hinzuweisen, daß auch die Reihenfolge der Frequenzwerte fo bis
fi bei den verschiedenen Abtastperioden unterschiedlich gewählt sein kann.
-
Im Empfangsteil ist eine Filter- und Verstärkerschaltung bekannten
Aufbaus vorgesehen, welche mit EFV bezeichnet ist. Nachgeschaltet ist ein Empfangsmischer
EM, dessen vorzugsweise kohärenter Uberlagerungsoszillator mit E0 bezeichnet ist.
Damit unabhängig von der jeweils gewählten Sendefrequenz zwischen den Werten fo
und fi die Zwischenfrequenz ZF am Ausgang des Empfangsmischers EM den gleichen Wert
aufweist, ist es zweckmäßig, auch den Uberlagerungsoszillator E0 im Empfangsteil
entsprechend der Änderung der Sendefrequenz mit umzuschalten. Hierzu erhält der
Überlagerungsoszillator E0 Steuerbefehle von der Steuereinrichtung ST, sobald beim
Sendeoszillator S0 ein Frequenzwechsel vorgenommen wird. Entsprechend der gewählten
Stufung beim Sendeoszillator SO wird der Uberlagerungsoszillator E0 in seiner Frequenz
zwischen den Werten f'o bis f'i durchgesteuert, wobei zwischen den Werten fo und
f'o bzw. fi und f'i ein fester Frequenzversatz entsprechend der gewünschten Lage
der Zwischenfrequenz ZF vorgesehen ist.
-
Es ist auch möglich, die Umsetzung bereits hier in die Videolage vorzunehmen,
wobei dann in bekannter Weise zur Erhaltung der Phaseninformation mit Quadraturkanälen
zu arbeiten ist. Einzelheiten hierzu sind dem eingangs genannten Buch von Skolnik,
Seiten 433 bis 439 entnehmbar.
-
Die so gewonnenen kohärenten Zwischenfrequenz- oder Video signale
werden einer ersten Integrationseinrichtung IZ zugeführt, welche die kohärente Integration
durchführt und zwar für die jeweils k Impulse einer gleichfrequenten Impulsgruppe.
Der Aufbau dieser kohärenten Integrationseinrichtung kann in bekannter Weise erfolgen.
Ein Beispiel hierfür ist in Skolnik ??Radar Handbook"
1970, Seiten
17-55 und 17-56 beschrieben. Im Fall einer ZF-Verarbeitung hat die kohärente Integrationseinrichtung
IZ Bandpaßverhalten, während bei Videoverarbeitung eine Tiefpaßcharakteristik vorzusehen
ist.
-
Am Ausgang der ersten Integrationseinrichtung IZ ist nach einem Gleichrichter
DE (nur bei Verarbeitung in der ZF Lage erforderlich) eine Schwellschaltung SWZ
vorgesehen. Sie hat einen derart eingestellten unteren Schwellwert SW2, daß bei
Empfang von Rauschsignalen, d.h. ohne überlagerte Zielechoinformation, die weitere
Signalauswertung nicht zugelassen wird und diese Signale unterdrückt werden. Dagegen
wird bei Überschreiten der unteren Schwellspannung SW2 der Schwellschaltung SWZ
die weitere. inkohärente Integration durchgeführt. Wird der obere Schwellwert SW1
bei der kohärenten Integration überschritten, so ist ein Ziel mit ausreichender
Sicherheit erkannt. In diesem Fall geht zweckmäßig ein Steuerbefehl an die Steuerschaltung
ST, welcher die Aussendung der restlichen Impulsgruppen der jeweiligen Abtastperiode
unterbindet. In der so eingesparten Zeit kann bereits eine andere Abtastperiode
gestartet werden (z.B. Ausrichtung der Antenne AN auf ein anderes Zielgebiet). Außerdem
geht bei Überschreitung von SW1 eine Zielanzeige direkt an die Auswertung, z.B.
an den Bildschirm PPI..
-
Am Ausgang der Schwellschaltung SWZ ist zweckmäßig ein Schalter ES
vorgesehen, welcher von der Steuerschaltung ST angesteuert wird. Dieser Schalter
ES ist geöffnet während die kohärente Integration der k aufeinanderfolgenden gleichfrequenten
Echoimpulse einer Impulsgruppe durchgeführt wird. Nach Beendigung der Aufintegration
der k Echo impulse wird der Schalter ES für eine kurze Zeit geschlossen und das
so erhaltene kohärente Integrationsergebnis der k Echoimpulse gelangt in der Videolage
zu der nichtkohärenten Integrationseinrichtung IV. Dort werden die aus den i Impulsgruppen
jeweils erhaltenen Integrationsimpulse erneut aufaddiert und es ergibt sich je nachdem
ob ein Ziel vorhanden war oder nicht ein entsprechend großes oder kleines Ausgangssignal.
-
Über eine weitere nachgeschaltete Schwellstufe SWV in der Videolage
wird endgültig entschieden, welche Signalspannungen noch
für die
Anzeige oder weitere Auswertung, z.B. auf einem Bildschirm PPI zugelassen werden
und welche nicht.
-
Da in der kohärenten Integrationseinrichtung IZ nur relativ wenige,
nämlich k Impulse aufintegriert werden müssen, kann diese Integrationseinrichtung
entsprechend einfach aufgebaut werden.
-
Die nichtkohärente Integrationseinrichtung IV ihrerseits braucht lediglich
für die Aufintegration von i Echoimpulsen ausgelegt zu sein, welche bei einem Abtastvorgang
mit insgesamt N = i k Impulsen anfallen können. Dadurch läßt sich erreichen, daß
die Empfindlichkeit des Radargerätes besonders hoch ist, weil einerseits die Vorteile
der kohärenten Integration in der ersten Integrationseinrichtung IZ erhalten werden
können und andererseits aber die nichtkohärente Integration in der Integrationseinrichtung
IV mit nur geringem Aufwand durchführbar ist.
-
Die Frequenzagilität durch den Einsatz der verschiedenen Sendefrequenzen
fo bis fi ermöglicht es, Störungen weitgehend zu vermeiden und beispielsweise auch
Blindgeschwindigkeiten oder ähnliche unerwünschte Effekte auszuschalten. Besonders
vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung, wenn es sich um die Erfassung sehr
schwacher Echo si gnale und stark fluktuierender Ziele handelt. Durch den Frequenzwechsel
werden nämlich die Echo signale dekorreliert. Außerdem besteht ein besonderer Vorteil
der Erfindung darin, daß diese bevorzugt auch bei gegnerischen Störmaßnahmen (ECM)
durchführbar ist und die Erfassung von Zielen auch trotz dieser Beeinträchtigung
besser ermöglicht. Die Auswahl der auszusendenden Frequenzen kann so gesteuert werden,
daß zunächst in einer Horchphase die Frequenzen gegnerische Störer festgestellt
werden und dann die Frequenzauswahl so erfolgt, daß in ungestörten Frequenzbereichen
gesendet wird.
-
In Fig. 2 ist das zur Entdeckung benötigte Signal/Rauschverhältnis
E/N in dB als Funktion der auf der Abszisse aufgetragenen Zahl der ausgesandten
Impulse dargestellt. Dabei ist angenommen, daß die Entdeckungswahrscheinlichkeit
Pd = 0,9 gewählt ist und die Wahrscheinlichkeit für Fehlanzeigen Pf = 0,7 10 3 beträgt
(Talse
alarm probability"). Unter der Voraussetzung, daß ein fluktuierendes Ziel vorliegt,
ergibt iEh bei der (alleinigen) inkohärenten Integration die obere ausgezogene Linie.
Bei (alleiniger) kohärenter Integration ergibt sich die gestrichelte Linie.
-
Hier liegen somit die Ergebnisse günstiger. Die untere ausgezogene
Linie zeigt den Verlauf des Verhältnisses von E/N bei einem Frequenzwechsel (FW)
von einem Impuls zum anderen und bei inkohärenter Integration.
-
Die punktierten Linien geben an, wie bei Anwendung der Erfindung das
Nutz/Störverhältnis E/N bei verschiedenen Werten von k liegt.
-
Die obere Linie zeigt den Verlauf für k = 5, d.h. eine Folge von fünf
gleichfrequnten Impulsen, die nächste Linie den Verlauf bei k = 10 und die untere
Linie bei k = 50 gleichfrequenten Impulsen.
-
Fig. 3 zeigt die Verhältnisse wenn eine Entdeckungswahrscheinlichkeit
Pd = 0,7 angesetzt wird und die zulässige Wahrscheinlichkeit für Fehlanzeigen Pf
= 0,7 10 3 angesetzt wird, wobei ebenfalls ein fluktuierendes Ziel vorausgesetzt
wird. Die mit ausgezogenen Linien dargestellten Kurven zeigen wiederum die Verhältnisse
bei inkohärenter Integration, die gestrichelte Kurve gilt für kohärente Integration.
Daneben ist eine punktierte Linie für einen gruppenweisen Frequenzwechsel und/kombinierter
Integration mit k = 10 angedeutet. Während bei den Kurvenscharen nach Fig. 2 bis
zu einer Integration von 200 Impulsen die kohärente Integration noch günstiger liegt
als die Kurve, welche einen Frequenzwechsel von Puls zu Puls voraussetzt, wird bei
der Anordnung nach Fig. 3 dieser Schnittpunkt bereits bei 100 Impulsen erreicht.
-
Fordert man nur eine Entdeckungswahrscheinlichkeit von Pd = 0,5, so
ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß die kohärente Integration dem Puls zu Puls Frequenzwechsel
bei inkohärenter Integration sogar generell überlegen ist. Die Wahrscheinlichkeit
für Fehlanzeigen ist auch hier mit Pf = 0,7 10 3 agenommen. Die eingezeichneten
punktierten Kurven bei Anwendung der kombinierten Integration im Sinne der Erfindung
entsprechen einer Zahl von gleichfrequenten Impulsen k = 10 bzw. k = 20 und k =
50.
-
Die eigentliche Wirkung des schnellen Frequenzwechsels ist eine Versteilerung
der Entdeckungscharakteristik. Dies ist aus dem Kurvenverlauf nach Fig. 5 ersichtlich,
wo die Entdeckungswahrscheinlichkeit Pd in Abhängigkeit von dem Nutz/Störsignalverhältnis
E/N aufgetragen ist. Die flach verlaufende, dünn ausgezogene Kurve gibt die Verhältnisse
bei kohärenter Integration wieder. Die etwas steilere Kurve, welche ebenfalls dünn
ausgezogen ist, zeigt die Abhängigkeit bei einem Frequenzwechsel von Puls zu Puls
und inkohärenter Integration. Die Versteilerung der Entdeckungscharakteristik ist
hier deutlich zu erkennen. Die Wahrscheinlichkeit der Falschanzeigen ist hier ebenfalls
mit Pf = 0,7 10 angenommen. Es ist vorausgesetzt, daß N = 50 Impulse insgesamt verarbeitet
werden. Bei Puls zu Puls Frequenzwechsel und inkohärenter Integration werden jedoch
schwache Echos weniger gut entdeckt als bei kohärenter Integration und ohne einen
solchen Frequenzwechsel. Der Kreuzungspunkt der beiden dünn ausgezogenen Kurven
verschiebt sich je nach der angenommenen Wahrscheinlichkeit für Fehlanzeigen, d.h.
in Abhängigkeit von dem Wert Pf. Die grundsätzlich verschiedene Steilheit der beiden
Kurven bleibt jedoch im Prinzip erhalten.
-
Erstaunlich ist jedoch der Verlauf der stark ausgezogenen Kurve, welche
die gleichzeitige Anwendung der inkohärenten und der kohärenten Integration mit
gruppenweise gleichfrequenten Sendeimpulsen und Wechsel der Sendefrequenz von Gruppe
zu Gruppe also entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beinhaltet.
-
Wenn die Entdeckungswahrscheinlichkeit über 0,6 liegt, läßt sich durch
Frequenzwechsel von Impulsgruppe zu Impulsgruppe eine zusätzliche Signalersparnis
bei gleicher Entdeckungswahrscheinlichkeit erreichen. Das dick ausgezogene Entdeckungsverhalten
ergibt sich, wenn jeweils 10 Impulse kohärent integriert werden und dann die Frequenz
gewechselt wird, im folgenden Beispiel bei insgesamt 50 Impulsen also ein fünfmaliger
Wechsel der Sendefrequenz vorgenommen wird (i = 5, k = 10; N = i . k = 50). Der
Gewinn gegenüber der üblichen inkohärenten Integration ohne Frequenzwechsel, welche
durch die gestrichelte Kurve angedeutet ist, beträgt 5 bis 9 dB. Der Aufwand für
eine kohärente Integration von nur 10 Impulsen ist jedoch nicht allzu groß, da er
zur Clutterunterdrückung ohnehin erforderlich ist.
-
Ein weiterer Gesichtspunkt, welcher für die Beurteilung der durch
die Erfindung erzielten Vorteile von Bedeutung ist, besteht in dem Zusammenhang
zwischen Entdeckungswahrscheinlichkeit und Integrationszeit. Im Fall von Störungen
(z.B. ECM-Betrieb) ist es nicht sinnvoll, eine Entdeckungswahrscheinlichkeit von
90 % zu fordern. Während nämlich bei der üblichen Darstellung die Entdeckungswahrscheinlichkeit
über dem Logarithmus des Signal/Rauschverhältnisses E/N dargestellt wird, ist sie
in Fig. 6 über der Zahl der integrierten Impulse also über einem linearen S/N-Maßstab
dargestellt. Man erkennt, daß bei der inkohärenten Integration (untere ausgezogene
Kurve) eine Steigerung der Entdekkungswahrscheinlichkeit von 70 % auf 90 % nur bei
einer Erhöhung der Zahl der integrierten Impulse und damit der Zielbeleuchtungsdauer
um den Faktor 6 möglich ist. Bei kohärenter Integration, ist, wie durch die gestrichelte
Kurve angedeutet, der entsprechende Faktor für eine Erhöhung der Entdeckungswahrscheinlichkeit
Pd von 70 auf 90 % immer noch 4. Auch hier wirkt sich ein Frequenzwechsel von Puls
zu Puls günstig aus. Er versteilert die Entdeckungscharakteristik im interssierenden
Bereich sehr stark.
-
Die punktierte Kurve, welche die kombinierte kohärente und inkohärente
Integration unter Einsatz von Frequenzwechsel entsprechend der Erfindung bei k =
10 andeutet zeigt wieder, daß sich eine Verbesserung gegenüber der kohärenten Integration
erzielen läßt. Selbst hier ist jedoch eine Verdopplung der Zielbeleuchtungszeit
erforderlich um die Entdeckungswahrscheinlichkeit von 70 % auf 90 % zu erhöhen.
-
10 Patentansprüche 6 Figuren
L e e r s e i t e