DE69901647T2

DE69901647T2 - Funkempfangsvorrichtung mit verbesserter Antennenauflösung

Info

Publication number: DE69901647T2
Application number: DE69901647T
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Sezai
Original assignee: National Space Development Agency of Japan
Current assignee: National Space Development Agency of Japan
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2002-09-19
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: JPH11274837A; EP0945915B1; US6163293A; EP0945915A3; DE69901647D1; EP0945915A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Funkwellenempfangsvorrichtungen, bei denen die Antennenauflösung dadurch verbessert wird, dass eine Transferfunktion des Azimutfrequenzbereiches einer Antennenstrahlungscharakteristik verwendet wird.
Bei der Beobachtung von Zielobjekten wie beispielsweise mit einem Radar wird allgemein ein Verfahren eingesetzt, bei dem die Ausrichtung eines Antennenstrahls beispielsweise dadurch verändert wird, dass die Antenne zum Empfangen von Funkwellen von den jeweiligen Azimuten, auf die der Antennenstrahl zeigt, gedreht wird, um die Intensität der empfangenen Funkwelle (Ansprechverhalten der Antenne) in Bezug auf die Azimute zu beobachten. Dabei führt die Verwendung einer Antenne mit einer geringeren Keulenbreite zu einem Antennenansprechverhalten, das sich der Verteilung der Funkwellenquellen nähert und somit die Azimutauflösung des Radars verbessert. Eine Verbesserung der Antennenauflösung in der herkömmlichen Technik bedeutet somit die Erzielung eines Antennenansprechverhaltens, das näher an die Verteilung der Funkwellenquellen herankommt. Es ist zwar auch ein weiteres Verfahren bekannt, wie beispielsweise bei einem SAR-Radar, bei dem die Antennenauflösung dadurch verbessert wird, dass die empfangene Funkwelle einer Signalverarbeitung unterzogen wird, aber auch dieses Verfahren hat zum Ziel, ein Antennenansprechverhalten zu erreichen, das sich der Verteilung der Funkwellenquellen nähert, um durch die Signalverarbeitung einen Effekt zu erzielen, der mit der Verringerung der Keulenbreite der Antennen äquivalent ist. Ein SAR- Radar des Standes der Technik ist in der US 5 608 404 A mit Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 offenbart.
Die obige herkömmliche Technik zum Verbessern der Antennenauflösung ist ein Verfahren, bei dem die Verteilung der Funkwellenquellen indirekt über das Antennenansprechverhalten erhalten wird und sie ist mit dem Problem behaftet, dass die Verteilung der Funkwellenquellen nicht direkt erhalten werden kann. Wenn es eine Antenne gäbe, deren Strahlungscharakteristik durch den Dirac-Puls repräsentiert würde, dann würde das Antennenansprechverhalten einer solchen Antenne dem Verhalten der Funkwellenquellen entsprechen. Aus der Antennentheorie ist jedoch bekannt, dass es eine Antenne mit einer solchen Strahlungscharakteristik nicht gibt. Demgemäß besteht, da eine tatsächliche Antennenstrahlungscharakteristik eine finite Keulenbreite und finite Seitenkeulen hat, ein Problem dahingehend dass die Verteilung der überwachungsfähigen Funkwellenquellen durch die Antennenstrahlungscharakteristik verzerrt wird.
Um die obigen Probleme im herkömmlichen Fall des Erhaltens der Funkwellenverteilung über das Antennenansprechverhalten zu eliminieren, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Funkwellenempfangsvorrichtung bereitzustellen, mit der die Funkwellenquellenverteilung direkt erhalten werdet kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Funkwellenempfangsvorrichtung mit einer Antenne zum Empfangen von Funkwellen und einem Mittel zum Verstellen der Ausrichtung eines Antennenstrahls der Antenne bereitgestellt, so dass eine verbesserte Auflösung erzielt wird, wobei die Funkwellenempfangsvorrichtung folgendes umfasst: ein Mittel zum Bewirken einer Fourier-Transformation in Bezug auf den Azimut eines empfangenen elektrischen Feldsignals, das von der Antenne bei der Verstellung des Antennenstrahls erhalten wurde; ein Mittel zum Bewirken einer Fourier-Transformation in Bezug auf den Azimut einer empfangenen elektrischen Feldcharakteristik in Anwesenheit von einer punktförmigen Wellenquelle der Antenne; ein Mittel zum Dividieren eines Signals, das von der Fourier-Transformation in Bezug auf den Azimut des von der Antenne empfangenen elektrischen Feldsignals resultiert, durch ein Signal, das von der Fourier- Transformation in Bezug auf den Azimut der empfangenen elektrischen Feldcharakteristik resultiert, in Anwesenheit von einer punktförmigen Wellenquelle der Antenne; und ein Mittel, um das dividierte Signal durch einen Tiefpassfilter in Bezug auf die Azimutfrequenz zu leiten und es dann einer Fourier-Umkehrtransformation in Bezug auf den Azimut zu unterziehen, wobei das Signal nach der genannten Fourier-Umkehrtransformation als endgültiger Antennenausgang ausgegeben wird.
Angenommen, in einer Funkwellenempfangsvorrichtung, bei der die Ausrichtung eines Antennenstrahls verstellt wird, ist θ der Azimut, g(θ) eine Antennenstrahlungscharakteristik und f(θ) eine Wellenquellen-Verteilungsfunktion, dann ist ein von der Antenne empfangenes elektrisches Feld e(θ) durch die Form eines Faltungsintegrals wie in Gleichung (1) gegeben.
e(θ) = f(φ)·g(θ - φ)d φ ...................... (1)
Es ist zu bemerken, dass f(φ) in der Gleichung (I) identisch mit der Wellenquellen- Verteilungsfunktion f(θ) und φ, das eine integrale Variable repräsentiert (eine zweckmäßige Variable in der integralen Gleichung), von derselben Azimuteinheit wie θ ist.
Die Antennenstrahlungscharakteristik g(θ) wird im Allgemeinen als elektrisches Feld gemessen, das von der Antenne in Anwesenheit von einer punktförmigen Wellenquelle empfangen wird. Wenn man hier E(ω), F(ω), G(ω) als die Funktionen annimmt, die jeweils von einer Fourier-Transformation in Bezug auf den Azimut von jeweils e(θ), f(θ), g(θ) resultieren, d. h. als Azimutfrequenzfunktionen, dann kann Gleichung (1) durch die Form einer Multiplikation wie in der folgenden Gleichung (2) dargestellt werden:
E(ω) = F(ω)·G(ω) ......................... (2)
wobei G(ω) eine Azimutfrequenzfunktion einer Antennenstrahlungscharakteristik ist, d. h. eine Transferfunktion in Bezug auf die Azimutfrequenz der Antenne. Da die Antennenstrahlungscharakteristik g(θ) bestimmt wird, wenn eine Entscheidung über die zu verwendende Antenne gefällt wird, kann G(ω) durch Errechnen von g(θ) erhalten werden. Ferner ist E(ω) eine Azimutfrequenzfunktion des von der Antenne empfangenen elektrischen Feldes e(θ) und kann durch Errechnen auf der Basis eines Messwertes des in jedem Ausrichtwinkel von der Antenne empfangenen elektrischen Feldsignals e(θ) erhalten werden. Demgemäß sind E(ω), G(ω) bekannt, und die Azimutfrequenz-Verteilungsfunktion F(ω) der Wellenquelle kann mit der folgenden Gleichung erhalten werden:
F(ω) = E(ω)/G(ω) .......................... (3)
Wie oben beschrieben, ist F(ω) die Fourier-Transformation in Bezug auf den Azimut der Verteilungsfunktion f(θ) der Wellenquelle. Somit kann die Wellenquellen- Verteilungsfunktion f(θ) durch eine Fourier-Umkehrtransformation in Bezug auf den Azimut von F(ω) erhalten werden, wie durch Gleichung (3) repräsentiert wird. Demgemäß kann mit der Funkwellenempfangsvorrichtung die den obigen erfindungsgemäßen Aufbau hat und auf die die obige Technik angewendet wird, eine äquivalente Auflösung erzielt werden wie mit einer Antenne, die eine durch den Dirac-Puls repräsentierte Antennenstrahlungscharakteristik besitzt.
Die Erfindung wird nachfolgend jedoch nur beispielhaft, mit Bezug auf die Begleitzeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung einer Funkwellenempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Beispiels für die Signalverarbeitungsschaltung in der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung;
Fig. 3 das Ergebnis einer Simulation des Ansprechverhaltens einer gewöhnlichen Radaranlage auf eine von der Antenne empfangene Leistung;
Fig. 4 das Ergebnis einer Simulation des Ansprechverhaltens der erfindungsgemäßen Funkwellenempfangsvorrichtung auf eine von der Antenne empfangene Leistung.
Nachfolgend wird eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Ausgestaltung, bei der die erfindungsgemäße Funkwellenempfangsvorrichtung auf eine Radaranlage angewendet wurde. In Fig. 1 bezeichnet Bezugsziffer 1 eine Antenne zum Senden und Empfangen von Funkwellen, die von einem beliebigen Typ sein kann, wie z. B. eine Dipolantenne, ein Hornstrahler, eine Parabolantenne, ein Antennenfeld usw. Eine Antennendrehvorrichtung 2 dreht die Antenne in Richtungen, in denen die Antennenauflösung verbessert wird. Ein Umschalter 3 schaltet die Verbindung zwischen der Antenne 1 und einer Sendeschaltung oder einer Empfangsschaltung um, wie nachfolgend beschrieben wird. Bezugsziffer 4 bezeichnet eine Sendeschaltung, wobei die von der Sendeschaltung 4 ausgestrahlte Sendeleistung von der Antenne 1 über den Umschalter 3 ausgesendet wird. Eine Empfangsschaltung 5 wandelt eine an der Antenne 1 eingehende Funkwelle in ein elektrisches Feldsignal um. Bezugsziffer 6 bezeichnet eine Signalverarbeitungsschaltung, die gemäß Fig. 2 folgendes umfasst: ein Mittel 6-1 zum Akzeptieren eines Winkelsignals von der Antennendrehvorrichtung 2 und zum Bewirken einer Fourier-Transformation in Bezug auf den Azimut eines von der Empfangsschaltung 5 ausgegebenen elektrischen Feldsignals; ein Mittel 6-2 zum Bewirken einer Fourier-Transformation in Bezug auf den Azimut der Antennenstrahlungscharakteristik in Bezug auf das Radar der Antenne 1; ein Mittel 6-3 zum Dividieren des elektrischen Feldsignals nach der Fourier-Transformation durch das Antennenstrahlungscharakteristiksignal nach der Fourier-Transformation; einen Tiefpassfilter 6-4 zum Bewirken einer Tiefpassfilterung des dividierten Signals in Bezug auf die Azimutfrequenz; und ein Mittel 6-5 zum Bewirken einer Fourier- Umkehrtransformation in Bezug auf ein durch den Tiefpassfilter 6-4 passiertes Azimutsignal, wobei das Signal nach der Fourier-Umkehrtransformation als endgültiger Antennenausgang ausgegeben wird.
Es folgt nun eine Beschreibung des Betriebs einer Radaranlage, auf die die wie oben aufgebaute erfindungsgemäße Funkwellenempfangsvorrichtung angewendet wurde. Eine Funkwelle, die der Antennenstrahlungscharakieristik entspricht, wird während der Rotation der Antenne 1 von dieser gesendet. Wenn die von der Antenne 1 gesendete Funkwelle durch ein Streuobjekt reflektiert zurückkehrt, dann gibt die Antenne 1 eine empfangene Funkwelle aus, die der Antennenstrahlungscharakteristik entspricht. Die empfangene Funkwelle wird in der Empfangsschaltung 5 in ein elektrisches Empfangsfeldsignal umgewandelt und dann in die Signalverarbeitungsschaltung 6 gespeist. In der Signalverarbeitungsschaltung 6 erfolgt eine Fourier-Transformationsverarbeitung des elektrischen Feldsignals mit dem Fourier-Transformationsmittel 6-1, dann wird das Signal im Divisionsmittel 6-3 durch ein Antennenstrahlungscharakteristiksignal dividiert, das mit dem Fourier-Transformationsmittel 6-2 einer Fourier-Transformation unterzogen wurde. Es wird dann durch den Tiefpassfilter 6-4 geleitet, und dort vom Fourier- Umkehrtransformationsmittel 6-5 einer Fourier-Umkehrtransformation unterzogen, deren Ausgang als endgültiger Ausgang ausgegeben wird. So kann eine Streuobjekt- (Wellenquellen-) Verteilungsfunktion in der oben beschriebenen Weise erhalten werden.
Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils ein Ergebnis der Simulation der Strahlungscharakteristik der Leistungsempfangsantenne in Anwesenheit von zwei punktförmigen Streuobjekten, die als zueinander identische Funkwelle angesehen werden und um 1 Grad einem gleichen Abstand von der Antenne voneinander getrennt sind, in dem Fall, in dem die Antenne 1 gedreht wird, wobei als Antenne 1 eine Aperturantenne (Antennenkeulenbreite: 1 Grad) mit einer gleichförmigen Verteilung der Antennenlänge in Rotationsrichtung vom 50,8fachen der Wellenlänge verwendet wird. Fig. 3 zeigt das Empfangsleistungsansprechverhalten der Antenne einer gewöhnlichen Radaranlage ohne Verarbeitung des empfangenen Signals. Fig. 4 zeigt das Empfangsleistungsansprechverhalten der Antenne in dem Fall, in dem die Signalverarbeitung zum Verbessern der Auflösung gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt wird. Es ist zu bemerken, dass in den Fig. 3 und 4 der durch den Maximalwert des Empfangsleistungsansprechverhaltens der jeweiligen Antenne normalisierte Leistungswert in Bezug auf den Winkel dargestellt ist.
Aus diesen Figuren geht hervor, dass es zwar schwierig ist, die Anwesenheit von zwei Streuobjekten anhand des Ansprechverhaltens in der gewöhnlichen Radaranlage zu ermitteln, aber eine Signalverarbeitung zum Verbessern der Antennenauflösung gemäß der vorliegenden Erfindung führt jedoch zu einem Ansprechverhalten, anhand dessen die Anwesenheit von Streuobjekten mit Abständen von etwa -0,5 Grad und +0,5 Grad deutlich feststellbar ist. Mit anderen Worten, es ist eine Verbesserung der Antennenauflösung sichtbar.
Während oben eine Ausgestaltung beschrieben wurde, die eine mechanische Antennendrehvorrichtung als Mittel zum Verstellen der Ausrichtung des Antennenstrahls in Richtungen verwendet, in denen sich die Auflösung verbessert, können als Mittel zum Verstellen der Ausrichtung des Antennenstrahls unter anderem auch folgende eingesetzt werden: ein elektronisches Antennenstrahlabtastmittel; ein Mittel, das auf einem sich bewegenden Körper wie beispielsweise einem Flugzeug montiert ist, um den Antennenstrahl durch Verstellen der Position der Antenne zu bewegen; und dergleichen.
Wie anhand der obigen Ausgestaltung beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Fourier-Transformationssignal in Bezug auf den Azimut eines elektrischen Feldes, das von der Antenne empfangen wird, durch ein Fourier- Transformationssignal in Bezug auf den Azimut der Antennenstrahlungscharakteristik dividiert. Das dividierte Signal wird durch einen Tiefpassfilter in Bezug auf die Azimutfrequenz geleitet, und das passierende Signal wird einer Fourier- Umkehrtransformation in Bezug auf den Azimut unterzogen, und das aus der Umkehrtransformation entstehende Signal wird als endgültiges Ausgangssignal ausgegeben. Somit kann direkt eine Wellenquellen-Verteilungsfunktion erhalten und damit die Antennenauflösung verbessert werden.

Claims

1. Funkwellenempfangsvorrichtung mit einer Antenne zum Empfangen von Funkwellen und einem Mittel zum Verstellen der Ausrichtung eines Antennenstrahls der Antenne so, dass eine verbesserte Auflösung erzielt wird, wobei die genannte Funkwellenempfangsvorrichtung gekennzeichnet ist durch:

ein Mittel (6-1) zum Bewirken einer Fourier-Transformation in Bezug auf den Azimut eines empfangenen elektrischen Feldsignals, das von der Antenne bei der Verstellung des genannten Antennenstrahls erhalten wurde;

ein Mittel (6-2) zum Bewirken einer Fourier-Transformation in Bezug auf den Azimut einer empfangenen elektrischen Feldcharakteristik in Anwesenheit von einer punktförmigen Wellenquelle der Antenne;

ein Mittel (6-3) zum Dividieren eines Signals, das von der Fourier-Transformation in Bezug auf den Azimut des von der genannten Antenne empfangenen elektrischen Feldsignals resultiert, durch ein Signal, das von der Fourier-Transformation in Bezug auf den Azimut der genannten empfangenen elektrischen Feldcharakteristik resultiert, in Anwesenheit von einer punktförmigen Wellenquelle der Antenne; und

ein Mittel (6-4, 6-5), um das dividierte Signal durch einen Tiefpassfilter (LPF) in Bezug auf die Azimutfrequenz zu leiten und es dann einer Fourier-Umkehrtransformation in Bezug auf den Azimut zu unterziehen;

wobei das Signal nach der genannten Fourier-Umkehrtransformation als endgültiger Antennenausgang ausgegeben wird.

2. Funkwellenempfangsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das genannte Mittel zum Verstellen der Ausrichtung eines Antennenstrahls eine Antennenrotationsvorrichtung umfasst.

3. Funkwellenempfangsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das genannte Mittel zum Verstellen der Ausrichtung eines Antennenstrahls eine elektronische Antennenstrahlabtastvorrichtung umfasst.

4. Funkwellenempfangsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das genannte Mittel zum Verstellen der Ausrichtung eines Antennenstrahls eine Antennenbewegungsvorrichtung umfasst.