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Dokumentenidentifikation DE69422764T2 08.06.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0643311
Titel Verfahren zur Keulenkompression von Radarantennen-Richtkarakteristiken
Anmelder National Space Development Agency of Japan, Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Sezai, Toshihiro, Minato-ku, Tokyo, JP
Vertreter v. Füner Ebbinghaus Finck Hano, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69422764
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 31.08.1994
EP-Aktenzeichen 943063875
EP-Offenlegungsdatum 15.03.1995
EP date of grant 26.01.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.06.2000
IPC-Hauptklasse G01S 7/28
IPC-Nebenklasse H01Q 21/29   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Komprimieren der Strahlungskeule in Radarantennendiagrammen, das bessere Leistung unter einer solchen Strahlungskeulenkompression ohne Verzerrung bereitstellen kann.

Im allgemeinen ist die Keulenbreite einer der Maßstäbe für die Leistung eines Antennendiagramms einer Empfangsantenne oder anderer Antennentypen. Eine geringere Keulenbreite in einem Antennendiagramm ergibt eine bessere Leistung. Es gibt jedoch eine Umkehrbeziehung zwischen der Keulenbreite und der Größe (Länge) einer Antenne. Wenn also die Keulenbreite reduziert wird, muß die Antenne vergrößert werden. Umgekehrt gilt, wenn die Antenne kleiner wird, dann verbreitert sich die Keulen.

Wenn beispielsweise in einer Antenne für ein Radarsystem die Auflösungsfähigkeit bzw. das Zielerkennungsvermögen für Objekte verdoppelt werden soll, dann muß die Keulenbreite halbiert werden, was zur Folge hat, daß die Größe der Antenne verdoppelt werden muß. Das Verdoppeln der Größe führt nicht nur dazu, daß der 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 zwei.

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 einnehmen kann, begrenzt. Daher ist unter diesen begrenzten Bedingungen ein gewisses Maß an Kompromißnotwendigkeit in bezug auf die Keulenbreite gegeben.

Eine bekannte Strahlungskeulenkompressionstechnik, die die oben beschriebenen Probleme lindem soll, besteht darin, die Keulenbreite durch Multiplizieren empfangener Signale einer Mehrzahl von Antennen nach dem Grundsatz des multiplikativen Feldes zu reduzieren. Fig. 1 der Begleitzeichnungen ist eine Prinzipskizze, die die Konfiguration eines Radarsystems veranschaulicht, das eine Strahlungskeulenkompression auf eine solche oben beschriebene Weise durchführen kann. In dieser Figur bezeichnet die Bezugsziffer 101 eine Hauptantenne, wie z. B. ein Strahlerfeld, das sich aus einer Mehrzahl von Strahlungselementen zusammensetzt, die in einer geraden Linie in gleichen Abständen angeordnet sind. Die Bezugsziffer 102 bezeichnet eine Subantenne, die von der Hauptantenne 101 in X- Richtung beabstandet ist, die die Richtung der zu reduzierenden Keulenbreite ist. Bezugsziffer 103 bezeichnet eine Sendeschaltung, die Sendeleistung erzeugt, die wiederum der Hauptantenne 101 zugeführt wird. Bezugsziffer 104 bezeichnet eine Multiplikationsschaltung (Vervielfacher) zum Multiplizieren eines von der Hauptantenne 101 empfangenen elektrischen Feldsignals mit einem von der Subantenne 102 empfangenen elektrischen Feldsignal. Bezugsziffer 105 bezeichnet eine Gleichrichterschaltung (Gleichrichter), die nur dann ein Ausgangssignal erzeugt, wenn das multiplizierte Ausgangssignal von der Multiplikationsschaltung 104 positiv ist. In Fig. 1 ist die Richtung der Keulenachse lotrecht zur X-Y-Ebene, d. h. der Ebene der Zeichnung.

In dem Antennensystem mit der oben beschriebenen Konfiguration werden von den jeweiligen Antennen 101 und 102 empfangene elektrische Feldsignale phasengleich der Multiplikationsschaltung 104 zugeführt, in der die Multiplikation an diesen Signalen durchgeführt wird. Das multiplizierte Signal wird nur dann über die Gleichrichterschaltung 105 ausgegeben, wenn das Multiplikationsergebnis positiv ist. Die Folge ist, daß ein empfangenes elektrisches Feldsignal (elektrisches Felddiagramm), das der Richtungseigenschaft der Hauptantenne 101 wie in Fig. 2 gezeigt entspricht, mit einem empfangenen elektrischen Feldsignal (elektrisches Felddiagramm) multipliziert wird, das der Richtungseigenschaft der Subantenne 102 wie in Fig. 3 gezeigt entspricht, so daß sich ein Ausgangssignal (Ausgangsdiagramm) ergibt (s. Fig. 4), das der synthetischen Richtungseigenschaft entspricht, mit einer Keulenbreite θwc, die gegenüber der Keulenbreite θw des elektrischen Felddiagramms in Verbindung mit der Hauptantenne reduziert wurde.

In dem Strahlenkompressionsverfahren in einem Antennendiagramm gemäß der konventionellen Technik auf der Basis des oben beschriebenen Grundsatzes des multiplikativen Feldes besteht das Problem, daß es natürlich unmöglich ist, ein besseres Auflösungsvermögen zu erzielen als das, das der Keulenbreite θwc der in Fig. 4 gezeigten synthetischen Richtungseigenschaft entspricht, die dadurch erhalten wird, daß der Multiplikationsprozeß an den empfangenen elektrischen Feldsignalen durchgeführt wird.

In dem Strahlungskeulenkompressionsverfahren nach dem Grundsatz des multiplikativen Feldes kommt es, da eine Subantenne sich entfernt von der Abtastrotationsachse befindet, zu einer großen Rasterkeule. Ebenso verursacht in dem Fall, bei dem ein Paar Subantennen verwendet wird, ein großer Abstand zwischen Subantennen eine große Rasterkeule. Infolgedessen erzeugt die Subantenne selbst bei Winkeln, bei denen kein Streuobjekt existiert, wenn die Rasterkeule auf ein Streuobjekt gerichtet wird, ein recht hohes Empfangssignal aufgrund der empfangenen Funkwelle, die der Rasterkeule entspricht. Wenn also die Strahlungskeulenkompression einfach durch Multiplizieren des empfangenen Signals von der Hauptantenne mit dem empfangenen Signal von der Subantenne erfolgt, dann kommt es im Empfangsdiagramm zu Verzerrungen.

Zum Lösen des obigen Problems hat der Autor der vorliegenden Erfindung in der US-Patentanmeldung Nr. 08/217,064 (europäische Patentanmeldung Nr. 94301794.7; japanische Patentanmeldung Nr. 5- 131035) ein Strahlungskeulenkompressionsverfahren vorgeschlagen. In dieser zuvor vorgeschlagenen Erfindung erfolgt die Strahlungskeulenkompression durch Multiplizieren des empfangenen Leistungssignals von der Hauptantenne mit dem von der Subantenne anstatt durch Multiplizieren des empfangenen elektrischen Feldsignals von der Hauptantenne mit dem von der Subantenne, so daß ein besseres Auflösungsvermögen erzielt wird, wobei nur dann ein Ausgangssignal erzeugt wird, wenn der Kosinuswert, der der Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Leistungssignal von der Hauptantenne und dem von der Subantenne entspricht, positiv ist, wodurch Verzerrungen des Ausgangssignals verhindert werden.

Im allgemeinen kann das von einer Antenne empfangene Leistungssignal durch das Quadrat des empfangenen elektrischen Feldsignals der Antenne repräsentiert werden. Wenn man das Empfangsdiagramm der Leistung mit dem Empfangsdiagramm des elektrischen Feldes vergleicht, dann ist die Streuung im Leistungsempfangsdiagramm geringer, d. h. das Leistungsempfangsdiagramm hat eine schmalere Keule als das Empfangsdiagramm des elektrischen Feldes. Daher kann mit dem Strahlungskeutenkompressionsverfahren eines Antennendiagramms nach dem Grundsatz des multiplikativen Feldes, wenn das empfangene Leistungssignal von einer Antenne anstatt des empfangenen elektrischen Feldsignals verwendet wird, die Keule auf eine geringere Breite komprimiert werden. Die Fig. 5-7 veranschaulichen ein Leistungsdiagramm einer Hauptantenne, ein Leistungsdiagramm einer Subantenne und ein Ausgangssignaldiagramm, das mit Hilfe einer Strahlungskeulenkompression auf der Basis eines Leistungssignals erhalten wurde.

Die Phasendifferenz zwischen der Rasterkeule der Subantenne und der Hauptkeule der Hauptantenne, bzw. die Phasendifferenz zwischen der Hauptkeule und der Rasterkeule der Subantenne beträgt etwa 180º, was größer ist als 90º. Somit wird in dem Fall, in dem es kein Streuobjekt in der Hauptkeulenrichtung der Hauptantenne und kein Streuobjekt in der Rasterkeule der Subantenne gibt, die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Signal von der Hauptantenne und dem von der Subantenne größer als 90º, und somit wird das Signal, das dem Kosinus der Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Signal von der Hauptantenne und dem von der Subantenne entspricht, negativ. Somit wird in dem Strahlungskeulenkompressionsverfahren gemäß der früheren Erfindung die Verzerrung durch Ausgeben eines Null-Signals in dem Fall verhindert, in dem die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Signal von der Hauptantenne und dem von der Subantenne größer ist als 90º.

Wenn jedoch der Abstand zwischen Streuobjekten gering ist, dann kann die Phasendifferenz zwischen dem von der Hauptantenne empfangenen Signal und dem von der Subantenne empfangenen Signal aufgrund seiner Rasterkeule kleiner als 90º in der Nähe von Winkeln sein, bei denen die Streuobjekte mit geringem Abstand vorliegen. Dies bedeutet, daß in dem Strahlungskeulenkompressionsverfahren, das nur dann ein Ausgangssignal bereitstellt, wenn der der Phasendifferenz entsprechende Kosinuswert positiv ist, in einem geringen Abstand voneinander befindliche Streuobjekte nicht unterschieden werden können.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das oben beschriebene Problem mit dem Strahlungskeulenkompressionsverfahren gemäß der früheren Erfindung zu lösen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Komprimieren der Keulenbreite im Antennendiagramm einer Radarantenne bereitzustellen, mit dem ein Ausgangssignal erhalten werden kann, das Streuobjekte getreuer repräsentiert, ohne dabei Verzerrungen zu erzeugen.

Zur Lösung der obigen Aufgaben stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Komprimieren der Keulenbreite im Antennendiagramm eines Radarsystems bereit, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Antennensystems, umfassend eine Hauptantenne zum Senden und Empfangen von Funkwellen sowie ein oder mehrere Paare dedizierter Empfangssubantennen, die auf beiden Seiten neben der Hauptantenne in der Richtung der zu komprimierenden Keulenbreite der Hauptantenne angeordnet sind, so daß die Richtungen der Keulenachsen der genannten Subantennen mit der Richtung der Keulenachse der Hauptantenne zusammenfallen; Abtasten der Antennenkeule des Antennensystems in der Richtung der genannten zu komprimierenden Keulenbreite und Empfangen der Funkwelle mit der Hauptantenne und den Subantennen, die von der Hauptantenne gesendet und von Streuobjekten reflektiert wurde und schließlich zurückgekehrt ist; Umwandeln der jeweiligen von der Hauptantenne und den Subantennen empfangenen Signale in Leistungssignale; Durchführen einer Doppeldifferentialbearbeitung in bezug auf den Abtastwinkel an den von der Hauptantenne und den Subantennen jeweils empfangenen Leistungssignalen, um dadurch Doppeldifferentialkoeffizienten der empfangenen Leistungssignale jeweils in Verbindung mit der Hauptantenne und den Subantennen zu erzeugen; Errechnen der Phasendifferenz zwischen dem von der Hauptantenne empfangenen Leistungssignal und dem von den Subantennen empfangenen Leistungssignal; und Ausgeben des von der Hauptantenne empfangenen Leistungssignals als endgültiges Ausgangssignal nur dann, wenn die Bedingungen erfüllt sind, daß beide Doppeldifferentialkoeffizienten der empfangenen Leistungssignale in Verbindung mit der Hauptantenne und den Subantennen gleich oder kleiner sind als vordefinierte entsprechende positive reelle Zahlenwerte und die Phasendifferenz gleich oder kleiner ist als 90º, und Ausgeben eines Null-Signals als endgültiges Ausgangssignal, wenn die genannten Bedingungen nicht erfüllt sind.

Im allgemeinen haben, wenn zu beobachtende Streuobjekte wie im Fall eines Radars diskret verteilt sind, das empfangene elektrische Felddiagramm und das Leistungsdiagramm jeweils eine nach oben konvexe Wellenform in der Nähe eines Winkels, an dem ein Objekt vorliegt, während sie keine nach oben konvexe Wellenform in der Nähe von Winkeln haben, in denen kein Objekt vorliegt. Somit kann die Fähigkeit zur Erkennung von Streuobjekten, die nahe beieinander liegen, verbessert werden, ohne daß dabei Verzerrungen in einem Empfangsdiagramm entstehen, indem nur dann ein Ausgangssignal erzeugt wird, das durch Multiplizieren des empfangenen Leistungssignals von der Hauptantenne mit dem von der Subantenne erhalten wurde, wenn die Wellenformen des empfangenen Leistungssignaldiagramms in Verbindung mit Hauptantenne und Subantenne eine nach oben konvexe Form haben, d. h. wenn ihre Doppeldifferentialkoeffizienten negativ sind, und ferner wenn die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Leistungssignal von der Hauptantenne und dem von der Subantenne gleich oder kleiner als 90º ist. Fig. 8 illustriert ein Leistungssignal, das mit der Hauptantenne empfangen wurde, wobei Abschnitte mit einer nach oben konvexen Form durch durchgezogene Linien dargestellt sind. Ebenso illustriert Fig. 9 ein Leistungssignal, das mit der Subantenne empfangen wurde, wobei Abschnitte mit einer nach oben konvexen Form durch durchgezogene Linien dargestellt sind. Fig. 10 illustriert ein Ausgangssignal, das durch Multiplizieren des Leistungssignals von der Hauptantenne mit dem Leistungssignal von der Subantenne erzeugt wurde.

In dem Fall, bei dem ein kleines Streuobjekt in der Nähe eines großen Streuobjektes vorliegt, hat die Hauptkeule der Hauptantenne eine größere Breite als die Hauptkeule der Subantenne, und somit hat das Leistungsdiagramm in Verbindung mit der Hauptantenne eine nach oben konvexe Wellenform in der Nähe des Winkels, in dem das große Streuobjekt existiert, hat jedoch evtl. keine nach oben konvexe Wellenform in der Nähe des Winkels, in dem das kleine Streuobjekt vorliegt.

Wenn z. B. punktförmige Streuobjekte in den Richtungen -12º, 6º, 0º, 6º und 12º vorliegen, wobei der Streukoeffizient des bei -6º vorliegenden Streuobjektes 0,1 beträgt und die Streukoeffizienten der übrigen Streuobjekte 1 betragen, dann ist das Diagramm des mit der Hauptantenne empfangenen Signals wie in Fig. 11 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß das Empfangssignaldiagramm keine nach oben konvexe Form um -6º hat, wo sich das kleine Streuobjekt befindet, dessen Streukoeffizient 0,1 beträgt.

In einem solchen Fall wird in dem oben beschriebenen Strahlungskeulenkompressionsverfahren, bei dem nur dann ein multipliziertes Ausgangssignal bereitgestellt wird, wenn beide Doppeldifferentialkoeffizienten der mit der Hauptantenne und mit der Subantenne empfangenen Leistungssignale negativ sind, und ferner, wenn die Phasendifferenz zwischen dem mit der Hauptantenne empfangenen Leistungssignal und dem mit der Subantenne empfangenen Leistungssignal gleich oder kleiner als 90º ist, ein Null-Signal in der Nähe des Winkels ausgegeben, bei dem das kleine Streuobjekt vorliegt. Dies bedeutet, daß selbst dann kein Signal ausgegeben wird, wenn tatsächlich ein Streuobjekt vorliegt. Das heißt, ein Ausgangssignal, das ausgegeben werden müßte, wird verpaßt.

Das oben beschriebene Problem kann dann vermieden werden, wenn der Bereich, den die Doppeldifferentialkoeffizienten der empfangenen Leistungssignale von der Hauptantenne und der Subantenne abdecken sollten, vom negativen Bereich bis zu einem solchen Bereich erweitert wird, der kleiner ist als ein vorbestimmter positiver reeller Zahlenwert. Eine solche Erweiterung des Bereiches führt zu einer Ausgangsdiagrammwellenform, die die Verteilung von Streuobjekten getreuer repräsentiert. Es wird so möglich zu verhindern, daß ein Ausgangssignal in einem Winkel verlorengeht, in dem ein kleines Streuobjekt vorliegt.

In dem Strahlungskeulenkompressionsverfahren nach dem Grundsatz des multiplikativen Feldes kann, da es eine Reihe von Rasterkeulen im Antennendiagramm in Verbindung mit der Subantenne gibt, das empfangene Leistungssignal in Verbindung mit der Subantenne verschiedene Ausgangswerte für die Streuobjekte derselben Größe haben. Daher kann der Wert des endgültigen Ausgangssignals, der durch Multiplizieren des mit der Hauptantenne empfangenen Leistungssignals mit dem von der Subantenne empfangenen Leistungssignal erzeugt wurde, nicht konstant sein. Selbst in einem solchen Fall ist der Ausgangswert des mit der Hauptantenne empfangenen Leistungssignals im wesentlichen konstant. Somit kann das oben beschriebene Problem vermieden werden, wenn das empfangene Leistungssignal von der Hauptantenne als Ausgangssignal anstatt des Signals verwendet wird, das durch Multiplizieren des Leistungssignals von der Hauptantenne mit dem Leistungssignal von der Subantenne erzeugt wird.

In der vorliegenden Erfindung wird im Hinblick auf das oben Gesagte das mit der Hauptantenne empfangene Leistungssignal nur dann als endgültiges Leistungssignal ausgegeben, wenn beide Doppeldifferentialkoeffizienten von Leistungssignalen, die mit der Hauptantenne und den Subantennen empfangen wurden, gleich oder kleiner sind als vordefinierte positive reelle Zahlenwerte, und ferner dann, wenn die Phasendifferenz zwischen dem mit der Hauptantenne empfangenen Leistungssignal und dem mit den Subantennen empfangenen Leistungssignal gleich oder kleiner als 90º ist.

Mit dieser Anordnung kann das oben beschriebene Problem gelöst werden, und es kann ein Ausgangssignal erhalten werden, das die Verteilung von Streuobjekten getreuer ohne Verzerrung repräsentiert. Die oben beschriebenen positiven reellen Zahlenwerte, die als Referenzpegel für die Doppeldifferentialkoeffizienten der mit der Hauptantenne und der Subantenne empfangenen Leistungssignale dienen, können je nach den Typen der zu erfassenden Objekte bestimmt werden. So können beispielsweise diese Zahlenwerte experimentell so bestimmt werden, daß die Zahlenwerte für den Typ eines Radars wie z. B. ein Hafenradar, ein Flugsicherungsradar usw. optimiert werden können.

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

Fig. 1 eine Prinzipskizze, die eine Konfiguration eines konventionellen Radarantennensystems nach dem Grundsatz des multiplikativen Feldes illustriert;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Empfangsdiagramms eines elektrischen Feldes in Verbindung mit einer Hauptantenne des konventionellen Radarantennensystems, das Strahlungskeulenkompression durchführt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Empfangsdiagramms eines elektrischen Feldes in Verbindung mit einer Subantenne des konventionellen Radarantennensystems, das Strahlungskeulenkompression durchführt;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausgangssignaldiagramms, das nach der Durchführung der Strahlungskeulenkompression mit dem konventionellen Radarantennensystem erhalten wird;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Leistungsdiagramms in Verbindung mit einer Hauptantenne, das von einem empfangenen Signal von der Hauptantenne mit dem Verfahren zum Durchführen einer Strahlungskeulenkompression in einem Antennendiagramm gemäß der früheren Erfindung erzeugt wurde;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Leistungsdiagramms in Verbindung mit einer Subantenne, das von einem empfangenen Signal der Subantenne gemäß der früheren Erfindung erzeugt wurde;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Diagramms eines Ausgangssignals, das mit Hilfe einer Strahlungskeulenkompression gemäß der früheren Erfindung erhalten wurde;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines empfangenen Leistungssignals von der Hauptantenne, bei dem Abschnitte mit einer nach oben konvexen Form dargestellt sind;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines empfangenen Leistungssignals von der Subantenne, bei dem Abschnitte mit einer nach oben konvexen Form dargestellt sind;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Ausgangssignals, das durch Multiplizieren des empfangenen Leistungssignals von der in Fig. 8 gezeigten Hauptantenne mit dem empfangenen Leistungssignal von der in Fig. 9 gezeigten Subantenne erzeugt wurde;

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines empfangenen Leistungsdiagramms in Verbindung mit der Hauptantenne in dem Fall, bei dem sich ein kleines Streuobjekt in der Nähe eines großen Streuobjektes befindet;

Fig. 12 eine Prinzipskizze, die eine Konfiguration eines Radarsystems veranschaulicht, zur Erläuterung einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchführung einer Strahlungskeulenkompression in einem Antennendiagramm;

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Ausgangsleistungsdiagramms, das infolge einer Simulation an dem in Fig. 12 gezeigten Radarsystem erhalten wurde;

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Ausgangsleistungsdiagramms, das infolge einer Simulation an einem konventionellen Radarantennensystem erhalten wurde;

Fig. 15 eine perspektivische Ansicht, die ein spezifisches Beispiel einer Konfiguration eines Antennensystems des in Fig. 12 gezeigten Radarsystems illustriert; und

Fig. 16 eine Prinzipskizze, die ein spezifisches Beispiel einer Konfiguration einer Signalverarbeitungsschaltung des in Fig. 12 gezeigten Radarsystems illustriert.

Bezugnehmend auf Fig. 12, die eine Konfiguration eines Radarsystems illustriert, wird nachfolgend ein Verfahren zur Strahlungskeulenkompression im Antennendiagramm eines Radarsystems gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beschrieben. In Fig. 12 bezeichnet Bezugsziffer 1 eine Hauptantenne, die z. B. als Hornantenne oder als Strahlerfeld ausgebildet ist, zum Senden und Empfangen von Funkwellen. Bezugsziffern 2, 2 bezeichnen dedizierte Empfangssubantennen, die von einem willkürlichen Typ sein können, wie z. B. eine Dipolantenne, ein Homantenne, ein Strahlerfeld usw. Diese Subantennen 2, 2 sind auf beiden Seiten der Hauptantenne an Stellen neben der Hauptantenne 1 in der Richtung der zu komprimierenden Keulenbreite der Hauptantenne (X- Richtung) angeordnet, so daß die Richtung der Keulenachsen der Subantennen mit der Richtung der Keulenachse der Hauptantenne 1 zusammenfällt (in der Richtung lotrecht zur X-Y-Ebene). Bezugsziffer 3 bezeichnet eine Sendeschaltung, wobei die durch die Sendeschaltung erzeugte Sendeleistung der Hauptantenne 1 zugeführt und dann von der Hauptantenne 1 gesendet wird. Bezugsziffer 4 bezeichnet eine Signalverarbeitungsschaltung, der empfangene elektrische Feldsignale der Hauptantenne 1 und der Subantennen 2, 2 zugeführt werden. Hier wird jedes empfangene elektrische Feldsignal in ein Leistungssignal umgewandelt, und dann wird jedes Leistungssignal zweimal in bezug auf den Abtastwinkel differenziert, um entsprechende Doppeldifferenzkoeffizienten zu erzeugen. Die Signalverarbeitungsschaltung 4 errechnet ferner die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Leistungssignal von der Hauptantenne und dem empfangenen Leistungssignal von den Subantennen 2, 2, und gibt das empfangene Leistungssignal von der Hauptantenne 1 nur dann als endgültiges Ausgangssignal aus, wenn die Differentialkoeffizienten von Leistungssignalen, die von der Hauptantenne und den Subantennen empfangen wurden, gleich oder kleiner sind als die vordefinierten positiven reellen Zahlenwerte, und ferner dann, wenn die Phasendifferenz zwischen dem von der Hauptantenne empfangenen Leistungssignal und dem von den Subantennen empfangenen Leistungssignal gleich oder kleiner als 90º ist. Bei der obigen Verarbeitung werden empfangene elektrische Feldsignale in Verbindung mit dem Paar Subantennen 2,2 zuerst miteinander addiert, und dann wird das resultierende Signal der oben beschriebenen Signalverarbeitung unterzogen.

In diesem in der oben beschriebenen Weise konfigurierten Radarsystem wird eine Funkwelle von der Hauptantenne 1 gesendet, und wenn die gesendete Funkwelle nach ihrer Reflexion durch Streuobjekte zurückgekehrt ist, dann geben die Hauptantenne 1 und die Subantennen 2, 2 empfangene elektrische Feldsignale entsprechend ihren jeweiligen Diagrammen aus. Die Signalverarbeitungsschaltung wandelt diese empfangenen elektrischen Feldsignale in Leistungssignale um. Die Signalverarbeitungsschaltung errechnet dann die Doppeldifferentialkoeffizienten jeweiliger empfangener Leistungssignale von der Hauptantenne 1 und den Subantennen 2,2 sowie die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Leistungssignal von der Hauptantenne und dem von den Subantennen 2,2. Nur dann, wenn die Doppeldifferentialkoeffizienten gleich oder kleiner sind als der vordefinierte positive reelle Zahlenwert, und wenn die Phasendifferenz gleich oder kleiner als 90º ist, wird das empfangene Leistungssignal von der Hauptantenne 1 als endgültiges Ausgangssignal ausgegeben, das getreu die Verteilung von Streuobjekten ohne Verzerrung repräsentiert. In der obigen Ausgestaltung wurde davon ausgegangen, daß der Bereich der Phasendifferenz gleich oder kleiner als 90º ist, aber anstelle von 90º kann auch jeder andere geeignete Winkel von weniger als 90º verwendet werden, um das Auflösungsvermögen am Ort eines Streuobjektes zu verbessern. Dieser Bereich kann experimentell auf einen optimalen Wert von weniger als 90º gesetzt werden, je nach der Art der zu erfassenden Objekte.

Fig. 13 zeigt das Ergebnis einer Simulation auf dem in Fig. 12 gezeigten Radarsystem, wobei die Simulation unter der Annahme erfolgte, daß die Hauptantenne mit einer gleichmäßig verteilten rechteckigen Antenne konfiguriert ist, deren Antennenlänge in Abtastrichtung das Zehnfache der Wellenlänge der Funkwelle beträgt, und die Subantennen sind mit gleichförmig verteilten rechteckigen Antennen konfiguriert, deren Antennenlänge in Abtastrichtung das Einfache der Wellenlänge der Funkwelle beträgt. Bei dieser Simulation wurde auch davon ausgegangen, daß das empfangene Leistungssignal von der Hauptantenne als endgültiges Leistungssignal ausgegeben wird, wenn der Doppeldifferentialkoeffizient in Verbindung mit der Hauptantenne gleich oder kleiner als 0,0607, der Doppeldifferentialkoeffizient in Verbindung mit den Subantennen gleich oder kleiner als 0 und die Phasendifferenz gleich oder kleiner als 90º ist, und ein Nullausgangssignal als endgültiges Ausgangssignal in allen anderen Fällen ausgegeben wird.

Fig. 13 zeigt ein Simulationsergebnis in bezug auf das Leistungsdiagramm eines endgültigen Ausgangssignals, das unter der Bedingung erhalten wurde, daß punktförmige Streuobjekte in den Richtungen 4,78º, 6,69º, 12,43º und 15,01º im selben Abstand von dem Antennensystem um die Rotationsachse des Antennensystems vorliegen, wobei Streukoeffizienten dieser Streuobjekte jeweils 0,47, 0,29, 0,98 und 0,31 betragen, und Phasen von gestreuten Wellen von diesen Streuobjekten jeweils einen Winkel von 120º, 40º, 251º, 147º haben. Zum Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Strahlungskeulenkompressionsverfahren zeigt Fig. 14 ein Simulationsergebnis eines Leistungsdiagramms eines endgültigen Ausgangssignals für das in Fig. 1 gezeigte Radarsystem mit einem konventionellen Strahlungskeulenkompressionsverfahren.

In den in den Fig. 13 und 14 gezeigten Darstellungen der simulierten Leistungsdiagramme wird eine "1" ausgegeben, wenn die Ausgangsleistung größer als 0,1 relativ zum Referenzwert ist, der auf die maximale Ausgangsleistung eingestellt wird, die erhalten wird, wenn nur ein punktförmiges Streuobjekt vorliegt, und eine "0" oder nichts wird in allen anderen Fällen ausgegeben. Gemäß diesen Darstellungen wird eine "1" ausgegeben, wenn die Ausgangsleistung großer als 0,1 relativ zum Referenzwert ist, basierend auf der Tatsache, daß eine CRT-Anzeige eines Radarsystems einen dynamischen Bereich von etwa 10 dB hat. Sternchen (*) in den oberen Abschnitten der Fig. 13 und 14 bedeuten die Positionen der Streuobjekte.

Wie aus den Fig. 13 und 14 hervorgeht, kann das erfindungsgemäße Strahlungskeulenkompressionsverfahren eine wirksam komprimierte endgültige Ausgangsdiagrammwellenform erzeugen, die die Verteilung von Streuobjekten selbst unter den Bedingungen getreuer repräsentiert, bei denen das Strahlungskeulenkompressionsverfahren gemäß der konventionellen Technik oder der früheren Erfindung zu einer endgültigen Ausgangsdiagrammwellenform führen kann, die in bezug auf die Verteilung von Streuobjekten äußerst uneinheitlich ist.

Fig. 15 zeigt ein spezifisches Beispiel für eine Konfiguration des Antennensystems des in Fig. 12 gezeigten Radarsystems. In diesem Beispiel umfassen die Hauptantenne 11 und die Subantennen 12, 12 jeweils ein Strahlerfeld mit kreisförmigen Strahlungselementen, wobei die Subantennen 12, 12 in X-Richtung von der Hauptantenne 11 beabstandet angeordnet sind.

Die Sendeschaltung 13 kann mit bekannten Techniken hergestellt werden. Die Signalverarbeitungseinheit 14 kann ebenfalls mit bekannten Mitteln oder Techniken auf eine solche Weise konfiguriert werden, daß empfangene elektrische Feldsignale in Leistungssignale umgewandelt und dann Amplitude und Phase der empfangenen Leistungssignale mit A/D- Wandlern in digitale Signale umgewandelt werden und ferner die Doppeldifferentialkoeffizienten der Amplitude in bezug auf den Winkel sowie auf die Phasendifferenz von einem Computer errechnet werden, und schließlich wird der Vergleich der Doppeldifferenzkoeffizienten und der Phase relativ zu den entsprechenden Referenzwerten vom Computer durchgeführt.

Ein Beispiel für eine solche Konfiguration ist in Fig. 16 dargestellt. Wie in Fig. 16 gezeigt ist, umfaßt dieses Beispiel einer Signalverarbeitungsschaltung eine Hauptantenne 21, Subantennen 22, 22, Empfänger 23 und 24 zum Empfangen von Funkwellen, die von jeweiligen Antennen 21 und 22 erfaßt wurden, einen lokalen Oszillator 25 zum Anlegen desselben lokalen Oszillationssignals an beide Empfänger 23 und 24, A/D- Wandler 26 und 27 zum Umwandeln von Amplituden von Leistungssignalen, die von den Empfängern 23 und 24 zugeführt wurden, in digitale Signale; A/D-Wandler 28 und 29 zum Umwandeln von Phasen von Leistungssignalen, die von den Empfängern 23 und 24 gesendet werden, in digitale Signale; und einen Computer 30 zum Errechnen von Doppeldifferentialkoeffizienten jeweiliger Ausgangssignale der A/D-Wandler 26 und 27 und zum Anstellen eines Vergleichs der resultierenden Doppeldifferenzkoeffizienten mit Referenzwerten und zum Errechnen der Phasendifferenz zwischen Ausgangssignalen der A/D-Wandler 28 und 29 sowie zum Anstellen eines Vergleichs der resultierenden Phasendifferenz mit einem Referenzwert.

In der in der oben beschriebenen Weise konfigurierten Signalverarbeitungsschaltung werden von der Hauptantenne 21 und der Subantenne 22 empfangene Funkwellen in die Empfänger 23 und 24 eingegeben, die wiederum DC-Signale ausgeben, die die jeweiligen Leistungen und Phasen mit Hilfe des lokalen Oszillationssignals repräsentieren, wobei dasselbe lokale Oszillationssignal von dem lokalen Oszillator 25 an beide Empfänger 23 und 24 angelegt wird. Die Ausgangssignale der Empfänger 23 und 24 werden in die A/D-Wandler 26, 27, 28 und 29 eingegeben, um die Signale in digitale Formen umzuwandeln. Dann errechnet der Computer 30 die Doppeldifferentialkoeffizienten und die Phasendifferenz, vergleicht die Doppeldifferentialkoeffizienten und die Phasendifferenz mit den Referenzwerten und gibt schließlich das empfangene Leistungssignal von der Hauptantenne als endgültiges Ausgangssignal aus.

In dem oben beschriebenen Beispiel beinhaltet das Antennensystem des Radarsystems ein Paar Subantennen, aber das Antennensystem kann auch mehrere Paare von Subantennen beliebiger Typen wie z. B. Dipolantenne, Hornantenne, Strahlerfeld usw. enthalten. Wenn mehrere Subantennenpaare eingesetzt werden, dann können Ausgangssignale der mehreren Subantennenpaare miteinander addiert und das resultierende Signal auf dieselbe Weise verarbeitet werden wie bei einem Paar Subantennen. In diesem Fall können, da die Subantennen eine höhere Empfangsleistung erzeugen können als ein Paar Subantennen, Antennenverstärkung und Rauschabstand verbessert werden.

In der vorliegenden Erfindung, die unter Bezugnahme auf die beschriebene Ausgestaltung beschrieben wurde, wird das von der Hauptantenne empfangene Leistungssignal nur dann als endgültiges Ausgangssignal ausgegeben, wenn die Doppeldifferenzkoeffizienten der empfangenen Leistungssignale von der Hauptantenne und den Subantennen gleich oder kleiner sind als die entsprechenden vordefinierten positiven reellen Zahlenwerte und wenn die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Leistungssignal von der Hauptantenne und dem empfangenen Leistungssignal von den Subantennen gleich oder kleiner ist als 90º, so daß das Ausgangssignal die Verteilung von Streuobjekten getreuer ohne Verzerrung repräsentiert.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Komprimieren der Keulenbreite des Antennendiagramms eines Radarsystems, umfassend die folgenden Schritte:

Bereitstellen eines Antennensystems, umfassend eine Hauptantenne zum Senden und Empfangen von Funkwellen sowie ein oder mehrere Paare dedizierter Empfangssubantennen, die auf beiden Seiten neben der genannten Hauptantenne in der Richtung der zu komprimierenden Keulenbreite der genannten Hauptantenne angeordnet sind, so daß die Richtungen der Keulenachsen der genannten Subantennen mit der Richtung der Keulenachse der genannten Hauptantenne zusammenfallen;

Abtasten der Antennenkeule des genannten Antennensystems in der Richtung der genannten zu komprimierenden Keulenbreite und Empfangen der Funkwelle mit der Hauptantenne und den Subantennen, die von der Hauptantenne gesendet und von Streuobjekten reflektiert wurde und schließlich zurückgekehrt ist;

Umwandeln der jeweiligen von der Hauptantenne und den Subantennen empfangenen Signale in Leistungssignale;

Durchführen einer Doppeldifferentialbearbeitung in bezug auf den Abtastwinkel an den von der Hauptantenne und den Subantennen jeweils empfangenen Leistungssignalen, um dadurch Doppeldifferentialkoeffizienten der empfangenen Leistungssignale jeweils in Verbindung mit der Hauptantenne und den Subantennen zu erzeugen;

Errechnen der Phasendifferenz zwischen dem von der Hauptantenne empfangenen Leistungssignal und dem von den Subantennen empfangenen Leistungssignal; und

Ausgeben des von der Hauptantenne empfangenen Leistungssignals als endgültiges Ausgangssignal nur dann, wenn die Bedingungen erfüllt sind, daß beide genannten Doppeldifferentialkoeffizienten der empfangenen Leistungssignale in Verbindung mit der Hauptantenne und den Subantennen gleich oder kleiner sind als vordefinierte entsprechende positive reelle Zahlenwerte und die genannte Phasendifferenz gleich oder kleiner ist als 90º, und Ausgeben eines Null-Signals als endgültiges Ausgangssignal, wenn die genannten Bedingungen nicht erfüllt sind.

2. Verfahren zum Komprimieren der Keulenbreite des Antennendiagramms eines Radarsystems nach Anspruch 1, bei dem die genannte Bedingung, daß die genannte Phasendifferenz gleich oder kleiner sein muß als 90º, bedeutet, daß die genannte Phasendifferenz gleich oder kleiner sein muß als ein vordefinierter Winkel von weniger als 90º.

3. Verfahren zum Komprimieren der Keulenbreite des Antennendiagramms eines Radarsystems nach Anspruch 1, bei dem:

der genannte Schritt des Bereitstellens eines Antennensystems den Schritt des Bereitstellens mehrerer Paare der Subantennen beinhaltet; und

der genannte Schrill des Umwandelns der empfangenen Signale in Leistungssignale die Schritte des Addierens von den Paaren von Subantennen empfangener Signale miteinander und des Umwandelns der Summe der von den Paaren von Subantennen empfangenen Signale in ein Leistungssignal beinhaltet.

4. Verfahren zum Komprimieren der Keulenbreite des Antennendiagramms eines Radarsystems nach Anspruch 2, bei dem:

der genannte Schritt des Bereitstellens eines Antennensystems den Schritt des Bereitstellens mehrerer Paare der Subantennen beinhaltet; und

der genannte Schritt des Umwandelns der empfangenen Signale in Leistungssignale die Schritte des Addierens von den Paaren von Subantennen empfangener Signale miteinander und des Umwandelns der Summe der von den Paaren von Subantennen empfangenen Signale in ein Leistungssignal beinhaltet.







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