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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung wird nachfolgend, jedoch nur
beispielhaft, unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen
näher beschrieben. Dabei zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung der Konfiguration
eines konventionellen Radarsystems;
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Fig. 2 eine schematische Darstellung von Wellenformen
des Summensignals, Differenzsignals und Ausgangssignals in
bezug auf die Keulenkompressionsverarbeitung in einem
Radarsystem gemäß der konventionellen Methode;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung eines
Ausgangssignals, das infolge der
Keulenkompressionsverarbeitung des Antennendiagramms in
einem Radarsystem gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten
wird;
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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;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung eines
Ausgangsleistungsdiagramms, das infolge der Simulation des
Radarsystems von Fig. 4 erhalten wurde;
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Fig. 6 eine schematische Darstellung eines
Ausgangsleistungsdiagramms, das infolge der Simulation
eines konventionellen Radarsystems erhalten wurde;
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Fig. 7 eine perspektivische Darstellung, die eine
spezifische Konfiguration eines Antennensystems des
Radarsystems von Fig. 4 veranschaulicht; und
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Fig. 8 ein schematisches Diagramm, das eine
spezifische Konfiguration einer Signalverarbeitungseinheit
des Radarsystems von Fig. 4 veranschaulicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.