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Dokumentenidentifikation DE69407332T2 09.04.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0621492
Titel Verfahren zur Strahlungskeulenkompression in Antennendiagrammen
Anmelder National Space Development Agency of Japan, Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Sezai, Toshihiro, c/o National Space Development, Minato-ku, Tokyo, JP
Vertreter Dr. A. v. Füner, Dipl.-Ing. D. Ebbinghaus, Dr. Ing. D. Finck, Dipl.-Ing. C. Hano, Patentanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69407332
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 14.03.1994
EP-Aktenzeichen 943017871
EP-Offenlegungsdatum 26.10.1994
EP date of grant 17.12.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.04.1998
IPC-Hauptklasse G01S 7/28

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlungskeulenkompression in Radarantennendiagrammen, das bessere Leistungen bei der Strahlungskeulenkompression eines Antennendiagramms eines Radars mit einem Monopuls- Stromspeisesystem bewirken kann.

Im allgemeinen ist die Keulenbreite einer der Maßstäbe für die Leistung eines Antennendiagramms einer Empfangsantenne oder anderer Antennentypen. Eine geringere Keulenbreite bei einem Antenriendiagramm ergibt eine bessere Leistung. Es gibt jedoch eine Umkehrbeziehung zwischen der Keulenbreite und der Größe (Länge) einer Antenne. Das heißt, bei reduzierter Keulenbreite vergrößert sich die Antenne. Und umgekehrt gilt, mit kleiner werdender Antenne verbreitert sich die Keule.

Wenn beispielsweise bei einer Antenne für ein Radarsystem gewünscht wird, die Auflösungsfähigkeit bzw. das Zielerkennungsvermögen zu verdoppeln, dann muß die Keulenbreite halbiert werden, was zur Folge hat, daß die Größe der Antenne verdoppelt werden muß. Die Verdoppelung der Größe führt nicht nur dazu, daß der durch die Antenne eingenommene Bereich größer wird, sondern es ergeben sich auch verschiedene Nachteile wie beispielsweise eine Erhöhung des Gewichts der Antenne und eine größere Antennentragkonstruktion. Und umgekehrt, wenn die Größe einer Antenne halbiert wird, dann verdoppelt sich die Keulenbreite und das Zielerkennungsvermögen verschlechtert sich um einen Faktor von 2.

Die Existenz einer solchen entgegengesetzten Beziehung zwischen der Keulenbreite und der Größe einer Antenne ist bekannt. In den meisten Fällen ist der Bereich, den eine Antenne in der Praxis einnehmen kann, begrenzt. Daher ist unter diesen begrenzten Bedingungen ein gewisses Maß an Kompromißnotwendigkeit in Zusammenhang mit der Keulenbreite gegeben.

Eine bekannte Strahlungskeulenkompressionstechnik, die die oben beschriebenen Probleme lindern soll, besteht darin, zwei ähnliche Antennen mit einem Monopuls- Stromspeisesystem zu benutzen, um die Keulenbreite durch Subtrahieren der Differenzsignalcharakteristik zwischen den beiden Antennen von der Summensignalcharakteristik der beiden Antennen zu reduzieren. Fig. 1 der Begleitzeichnungen zeigt eine schematische Darstellung eines Radarsystems, das eine Strahlungskeulenkompression auf eine solche oben beschriebene Weise durchführen kann. In dieser Figur bezeichnen die Bezugsziffern 101, 101 ein Paar Antennen mit einem Monopuls-Stromspeisesystem, bei dem jede Antenne eine Länge a hat und der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Antennen d beträgt. Die Bezugsziffer 102 bezeichnet einen Stromteiler und die Bezugsziffer 103 eine Sendeschaltung. Die Sendeschaltung 103 generiert die Sendeleistung, die über den Stromteiler 102 gleichphasig zu den Antennen 101 gespeist wird. Die Bezugsziffer 104 bezeichnet eine Hybridschaltung, die ein Summensignal Σ und ein Differenzsignal Δ aus Empfangssignalen der beiden Antennen 101, 101 erzeugt. Die Bezugsziffer 105 bezeichnet einen Detektor zur Erfassung des Summensignals Σ und des Differenzsignals Δ, und die Bezugsziffer 106 bezeichnet einen Differenzialverstärker, der durch Subtrahieren des Differenzsignals Δ vom Summensignal Σ ein Antennenausgangssignal bereitstellt.

In dem Radarsystem mit der oben beschriebenen Konfiguration stellt der Differenzialverstärker 106 das Antennenausgangssignal bereit, das durch Subtrahieren des Differenzsignals Δ vom Summensignal Σ erzeugt wurde. Ein Aspekt des Antennenausgangssignals ist in Fig. 2 in einer allgemeinen Darstellungsweise eines Leistungsdiagramms in Zusammenhang mit Strahlungskeulenkompression dargestellt.

Das heißt, in Fig. 2 bedeutet die unterbrochene Linie das Summensignal I der Empfangssignale der beiden Antennen, und die strichpunktierte Linie bedeutet das Differenzsignal Δ. Die durchgezogene Linie repräsentiert das Ausgangssignal (Σ - Δ), das die Differenz zwischen diesen beiden Signalen ist. Es ist ersichtlich, daß das Ausgangssignal eine synthetische Direktionalcharakteristik mit einer komprimierten Keulenbreite hat.

Ein Radarsystem, das Strahlungskeulenkompression nach der konventionellen Technik wie oben beschrieben durchführt, ist beispielsweise in dem Dokument US 2567197 oder DE 1791 200 beschrieben und kann ein gewisses Maß an Strahlungskeulenkompression bewirken. Wenn es jedoch eine große Zahl von Streuobjekten in Richtung der Funkwellenabstrahlung gibt, dann wird das Differenzsignal Δ im Vergleich zum Summensignal Σ klein. Die Folge ist, daß der durch Subtrahieren des Differenzsignals Δ vom Summensignal z erhaltene Ausgangssignal-Endwert nur eine geringfügige Differenz vom Wert des Summensignals Σ zeigt. Dies bedeutet, daß ein Problem vorliegt, das darin besteht, daß effiziente Auswirkungen einer Keulenkompression nicht erzielt werden können.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das oben beschriebene Problem mit der konventionellen Technik der Strahlungskeulenbreitenkompression eines Antennendiagramms zu verbessern. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Kompression der Keulenbreite eines Antennendiagramms einer Radarantenne bereitzustellen, das die Keulenbreite effektiver komprimieren kann.

Zur Lösung des obengenannten Problems stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Kompression der Keulenbreite des Antennendiagramms eines Radarsystems bereit, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Radarantennensystems, das zwei ähnliche Antennen mit einem Monopuls-Stromspeisesystem aufweist; Abtasten des genannten Antennensystems während des Sendens von Funkwellen von den genannten beiden Antennen des Antennensystems auf eine solche Weise, daß beide von den jeweiligen Antennen gesendeten Funkwellen gleichphasig sind; Empfangen derjenigen Funkwellen mit dem Antennensystem, die von dem genannten Antennensystem gesendet und durch verstreute Objekte reflektiert wurden und schließlich zu dem genannten Antennensystem zurückgekommen sind; Erzeugen eines Summensignals und eines Differenzsignals der empfangenen Signale der genannten beiden Antennen des Antennensystems; und Durchführen einer Signalverarbeitung, umfassend die folgenden Schritte: Subtrahieren des genannten Differenzsignals von dem Summensignal und Bereitstellen des resultierenden Signals als endgültiges Antennenausgangssignal; wobei das genannte Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der oben beschriebene Signalverarbeitungsschritt ferner den Schritt umfaßt, daß das genannte endgültige Antennenausgangssignal nur dann bereitgestellt wird, wenn der doppelte Differentialkoeffizient der Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem genannten Summensignal negativ ist, und ferner dann, wenn der doppelte Differentialkoeffizient der Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem genannten Differenzsignal positiv ist, aber ein Null- Ausgangssignal bereitgestellt wird, wenn die obigen Bedingungen nicht erfüllt sind.

Im allgemeinen, wenn zu überwachende Objekte wie bei einem Radar diskret verteilt sind, dann hat die Empfangsdiagramm-Wellenform eine nach oben konvexe Form in der Nähe des Winkels, bei dem ein Objekt vorhanden ist, während es keine nach oben konvexe Form in der Nähe der Winkel hat, bei denen kein Objekt vorhanden ist. Bei einem Strahlungskeulenkompressionsverfahren für ein Radarantennensystem mit zwei ähnlichen Antennen mit einem Monopuls-Speisesystem, bei dem die Reduzierung der Keulenbreite mit einem Verfahren unter Verwendung des Summensignals und des Differenzsignals von Empfangssignalen jeweiliger Antennen erzielt wird, wobei die Keulenkompression durch Subtrahieren des Differenzsignaldiagramms von dem Summensignaldiagramm erfolgt, hat die Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem Summensignal eine nach oben konvexe Form in der Nähe des Winkels, bei dem ein Objekt vorhanden ist, wie durch die unterbrochene Linie in Fig. 2 angedeutet ist. Im Gegensatz dazu hat jedoch die Empfangsdiagramm- Wellenform in Zusammenhang mit dem Differenzsignal eine nach unten konvexe Form in der Nähe des Winkels, bei dem ein Objekt vorhanden ist, und die Wellenform ändert sich mit dem Abweichen des Winkels von dem, bei dem sich das Objekt befindet, allmählich in eine nach oben konvexe Form, wie durch die strichpunktierte Linie in Fig. 2 dargestellt ist.

In der vorliegenden Erfindung wird das Signal, das durch Subtrahieren des Differenzsignals vom Summensignal erzeugt wird, nur dann als Ausgangssignal bereitgestellt, wenn die Wellenform des Empfangsdiagramms in Zusammenhang mit dem Summensignal eine nach oben konvexe Form hat, d.h., wenn ihr doppelter Differentialkoeffizient negativ ist, und ferner dann, wenn die Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem Differenzsignal eine nach unten konvexe Form hat, d.h. wenn ihr doppelter Differentialkoeffizient positiv ist, wobei ein Null- Ausgangssignal bereitgestellt wird, wenn die obigen Bedingungen nicht erfüllt sind. Somit wird das Ausgangssignal nur in den Bereichen bereitgestellt, wo die Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem durch die unterbrochene Linie im Leistungsdiagramm von Fig. 2 dargestellten Summensignal eine nach oben konvexe Form und die Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem durch die strichpunktierte Linie dargestellten Differenzsignal eine nach unten konvexe Form hat. Die Folge ist, daß das Ausgangssignal auf eine solche Weise gemäß Darstellung durch die durchgezogene Linie in Fig. 3 bereitgestellt wird, die eine beträchtliche Verbesserung des Keulenkompressionseffektes ergibt. In Fig. 3 repräsentieren die unterbrochenen Linien die Bereiche, in denen die Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem Summensignal eine nach oben konvexe Form hat, und die strichpunktierte Linie repräsentiert die Bereiche, in denen die Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem Differenzsignal eine nach unten konvexe Form hat.

Die Erfindung wird nachfolgend, jedoch nur beispielhaft, unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Konfiguration eines konventionellen Radarsystems;

Fig. 2 eine schematische Darstellung von Wellenformen des Summensignals, Differenzsignals und Ausgangssignals in bezug auf die Keulenkompressionsverarbeitung in einem Radarsystem gemäß der konventionellen Methode;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausgangssignals, das infolge der Keulenkompressionsverarbeitung des Antennendiagramms in einem Radarsystem gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten wird;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm einer Konfiguration eines Radarsystems zur Verwendung bei der Erläuterung eines Verfahrens zur Strahlungskeulenkompression von Radarantennendiagrammen gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Ausgangsleistungsdiagramms, das infolge der Simulation des Radarsystems von Fig. 4 erhalten wurde;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ausgangsleistungsdiagramms, das infolge der Simulation eines konventionellen Radarsystems erhalten wurde;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung, die eine spezifische Konfiguration eines Antennensystems des Radarsystems von Fig. 4 veranschaulicht; und

Fig. 8 ein schematisches Diagramm, das eine spezifische Konfiguration einer Signalverarbeitungseinheit des Radarsystems von Fig. 4 veranschaulicht.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausgestaltung ausführlicher beschrieben. Fig. 4 ist ein vereinfachtes Diagramm, das die Konfiguration eines Radarsystems zur Erläuterung eines Verfahrens zur Strahlungskeulenkompression im Antennendiagramm eines Radarsystems gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 4 bezeichnen die Bezugsziffern 1, 1 zwei Sende-/Empfangsantennen eines Antennensystems, wobei jede Antenne gleich aufgebaut ist, wie beispielsweise eine Hornantenne oder ein Strahlerfeld mit einem Monopuls- Speisesystem, wobei jede Antenne eine Länge 'a' hat und der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Antennen d beträgt. Die Bezugsziffer 2 bezeichnet einen Stromteiler, die Bezugsziffer 3 eine Sendeschaitung. Die Sendeschaltung 3 generiert Sendeleistung, die gleichphasig über den Stromteiler 2 zu den Antennen 1, 1 gespeist wird. Die Bezugsziffer 4 bezeichnet eine Hybridschaltung, die ein Summensignal Σ und ein Differenzsignal Δ aus Empfangssignalen der beiden Antennen 1, 1 erzeugt. Bezugsziffer 5 bezeichnet einen Detektor, und die Bezugsziffer 6 bezeichnet eine Signalverarbeitungseinheit zur Bereitstellung eines Ausgangssignals, das durch Subtrahieren des Differenzsignals Δ vom Summensignal Σ erzeugt wird, wenn die Empfangsdiagramm-Wellenform in Verbindung mit dem Summensignal Σ, das von dem Detektor 5 erfaßt wurde, eine nach oben konvexe Form hat, d.h., wenn ihr doppelter Differenzialkoeffizient negativ ist, und wenn die Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem Differenzialsignal A eine nach unten konvexe Form hat, d.h., wenn ihr doppelter Differenzialkoeffizient positiv ist. Die Einheit stellt jedoch ein Null-Ausgangssignal bereit, wenn die obigen Bedingungen nicht erfüllt sind.

In diesem auf die oben beschriebene Weise konfigurierten Radarsystem stellt die Sendeschaltung 3 über den Stromteiler 2 Sendeleistung für das Antennensystem bereit, das die Antennen 1, 1 umfaßt, dann tastet das Antennensystem während der Sendung von Funkwellen die Antennenkeule ab. Wenn die gesendete Welle zurückkommt, nachdem sie von einem Streuobjekt reflektiert wurde, wird sie von den Antennen 1, 1 empfangen und dann in die Hybridschaltung 4 eingegeben, die wiederum ein Summensignal Σ, das einem Summensignaldiagramm entspricht, und ein Differenzsignal Δ bereitstellt, das einem Differenzsignaldiagramm entspricht. Dieses Summensignal Σ und das Differenzsignal Δ werden von dem Detektor 5 erfaßt und dann dem oben beschriebenen Signalverarbeitungsvorgang in der Signalverarbeitungseinheit 6 unterworfen, um einen Ausgang zu erzeugen, der einem Antennendiagramm mit einer verbesserten Strahlungskompressionscharakteristik entspricht.

Fig. 5 zeigt das Ergebnis einer Simulation auf dem in Fig. 4 gezeigten Radarsystem, wobei die Simulation unter der Annahme erfolgte, daß das Antennensystem mit gleichförmig verteilten Hornantennen 1, 1 mit einer Länge "a: konfiguriert ist, die das Fünffache der Wellenlänge der Empfangsfunkwelle beträgt, wobei der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Antennen das 1,04-fache der Antennenlänge a beträgt. Dieses Simulationsergebnis zeigt das endgültige Ausgangsleistungsdiagramm, das unter der Bedingung erzielt wird, das es elektromagnetisch zueinander äquivalente, punktförmige Streuobjekte in den Richtungen -12º, -6º, 0º, 6º und 12º um die Rotationsachse des Antennensystems gibt, wobei alle Streuobjekte denselben Abstand vom Antennensystem haben. Zum Vergleich mit dem Keulenkompressionsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt Fig. 6 ein endgültiges Ausgangsleistungsdiagramm, das mit dem in Fig. 1 gezeigten Radarsystem unter Verwendung eines konventionellen Keulenkompressionsverfahrens erhalten wurde.

In den Darstellungen der in den Figuren 5 und 6 gezeigten simulierten Leistungsdiagrammen wird "1" ausgegeben, wenn die Ausgangsleistung größer als 0,1 relativ zum Bezugswert ist, der auf die maximale Ausgangsleistung gesetzt ist, die erhalten wird, wenn es nur ein punktförmiges Streuobjekt gibt, in allen anderen Fällen wird "0" oder nichts ausgegeben. In diesen Darstellungen wird ermittelt, daß eine "1" ausgegeben wird, wenn die Ausgangsleistung größer als 0,1 relativ zum Eezugswert ist, aufgrund der Tatsache, daß eine Peilanzeige eines Radarsystems einen dynamischen Bereich von etwa 10 dB hat. In den oberen Teilen der Figuren 5 und 6 zu sehende Markierungen (*) zeigen die Positionen der Streuobjekte.

Wie aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich ist, kann mit dem Strahlungskeulenkompressionsverfahren der vorliegenden Erfindung eine endgültige Ausgangsdiagramm-Wellenform mit guter Einheitlichkeit mit der Verteilung von Streuobjekten selbst unter den Bedingungen erhalten werden, bei denen das konventionelle Keulenkompressionsverfahren zu einer endgültigen Ausgangsdiagramm-Wellenform mit großer Uneinheitlichkeit mit der Verteilung von Streuobjekten führt, was bedeutet, daß die vorliegende Erfindung eine effektivere Keulenkompression bewirkt als das konventionelle Verfahren.

Fig. 7 zeigt ein spezifisches Beispiel für die Konfiguration des Antennensystems des in Fig. 4 gezeigten Radarsystems. In diesem Konfigurationsbeispiel umfaßt das Antennensystem gleich aufgebaute Hornantennen 11, 11 und ein Element 12 zum Tragen der Antennen. Die in Fig. 4 gezeigte Signalverarbeitungseinheit 6 kann mit bekannten Mitteln oder Methoden auf eine solche Weise konfiguriert werden, daß nach der Konvertierung eines Empfangssignals in ein digitales Signal, durch einen A/D-Wandler die Berechnung eines doppelten Differenzialkoeffizienten, die Entscheidung in bezug auf diesen doppelten Differenzialkoeffizienten und die Subtraktion von einem Computer durchgeführt werden. Fig. 8 zeigt ein Beispiel für eine solche Konfiguration. In Fig. 8 bezeichnen die Bezugsziffern 21 und 22 A/D-Wandler, die jeweils das analoge Summensignal Σ und das Differenzsignal Δ, das von dem Detektor erfaßt wurde, in digitale Werte konvertieren. Die Bezugsziffer 23 bezeichnet einen Computer, der die doppelten Differenzialkoeffizienten des Summensignals Σ und des Differenzsignals Δ berechnet und die Vorzeichen der berechneten Werte bestimmt und ferner entweder einen Wert, der durch Subtrahieren des Differenzsignals Δ vom Summensignal Σ erhalten wurde, oder einen Nullwert ausgibt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie oben in bezug auf die illustrierte Ausgestaltung beschrieben, in einem Verarbeitungsschritt des Bereitstellens eines Ausgangsendsignals durch Substrahieren des Differenzsignals von zwei Antennen von dem Summensignal der beiden Antennen das Ausgangsendsignal tatsächlich nur dann ausgegeben, wenn die Wellenform des Empfangsdiagramms in Zusammenhang mit dem Summensignal eine nach oben konvexe Form hat, d.h., wenn ihr doppelter Differenzialkoeffizient negativ ist, und ferner dann, wenn die Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem Differenzsignal eine nach unten konvexe Form hat, d.h., wenn ihr doppelter Differenzkoeffizient positiv ist, so daß eine effektivere Keulenkompression erzielt werden kann.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Kompression der Keulenbreite des Antennendiagramms eines Radarsystems, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Radarantennensystems, das zwei ähnliche Antennen (1,1) mit einem Monopuls-Stromspeisesystem aufweist; Abtasten des genannten Antennensystems während des Sendens von Funkwellen von den genannten beiden Antennen des Antennensystems auf eine solche Weise, daß beide von den jeweiligen Antennen gesendeten Funkwellen gleichphasig sind; Empfangen derjenigen Funkwellen mit dem Antennensystem, die von dem genannten Antennensystem gesendet und durch verstreute Objekte reflektiert wurden und schließlich zu dem genannten Antennensystem zurückgekommen sind; Erzeugen eines Summensignals und eines Differenzsignals der empfangenen Signale der genannten beiden Antennen des Antennensystems; und Durchführen einer Signalverarbeitung, umfassend die folgenden Schritte: Subtrahieren des genannten Differenzsignals von dem genannten Summensignal und Bereitstellen des resultierenden Signals als endgültiges Antennenausgangssignal: wobei das genannte Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der genannte Signalverarbeitungsschritt ferner den Schritt umfaßt, daß das genannte endgültige Antennenausgangssignal nur dann bereitgestellt wird, wenn der doppelte Differentialkoeffizient der Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem genannten Summensignal negativ ist, und ferner dann, wenn der doppelte Differentialkoeffizient der Empfangsdiagramm-Wellenform in Zusammenhang mit dem genannten Differenzsignal positiv ist, aber ein Null- Ausgangssignal bereitgestellt wird, wenn die obigen Bedingungen nicht erfüllt sind.







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