NL9301552A - Radarapparaat. - Google Patents

Description

Radarapparaat

De uitvinding heeft betrekking op een radarapparaat voor het detecteren van snel naderende doelen, omvattende antennemiddelen, zendermiddelen voor het per antennerichting genereren van tenminste M bursts van tenminste N zendpulsen (M=2, 3,.., N=2, 3, . ..), ontvangermiddelen voor het per zendpuls ontvangen van een per rangequant bepaald radarechosignaal, en een op de ontvangermiddelen aangesloten videoprocessor, omvattende een N-punts doppler filterbank voor het per burst en per rangequant verwerken van de radarecho-signalen tot een N-bins dopplerspectrum en een voor elke rangequant van N drempelwaarden voorziene drempelschakeling voor het genereren van een alarm bij overschrijding van tenminste een drempel voor tenminste een rangequant.

Een radarapparaat van deze soort is bekend uit het octrooischrift US-5, 049, 889. In het octrooischrift wordt uiteengezet hoe met behulp van N in range-azimuthcellen verdeelde cluttermaps de N drempels kunnen worden gegenereerd.

Moderne radarsystemen zijn doorgaans van het 3D type. Drempeling op basis van cluttermaps zou dan een verdeling in range-azimuth-elevatiecellen vergen, wat naast een aanzienlijke investering in hardware ook een groot deel van het beschikbare tijd- en powerbudget van het radarsysteem vraagt voor het verversen van de inhoud van de cluttermap. Zeker als het radarsysteem van het actieve phased array type is, waarbij niet langer het hele zoekvolume cyclisch wordt afgetast, is een drempeling op basis van cluttermaps onaantrekkelijk. De hier beschreven uitvinding heft dit nadeel op en heeft als kenmerk, dat de drempelschakeling een drempelgenerator omvat voor het per rangequant uit de M dopplerspectra genereren van N drempelwaarden.

Volgens een eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding kan nu een snel naderend doel worden gedetecteerd onder toepassing van het in het vakgebied welbekende lobing effect. Door dit lobing effect zal het doel periodiek verdwijnen, waardoor de volgens de op de hierboven beschreven wijze bepaalde drempels ter plaatse van het doel, in afstand en frequentie gezien, erg klein worden. Zodra het doel nu plotseling te voorschijn komt, doordat uitdoving door het spiegeleffect niet langer plaatsvindt, zal een drempeloverschrijding plaats vinden en het doel gedetecteerd worden.

Deze oplossing sluit uitstekend aan bij de zoekpraktijk van een phased array radar, waarbij doorgaans in een geselecteerde richting een aantal pulsbursts worden uitgezonden. Ze kan echter ook van nut zijn bij andere radarsystemen, mits het daarbij mogelijk is om in een geselecteerde richting een voldoende aantal pulsbursts uit te zenden. Voor het bepalen van de drempelwaarden is het niet nodig steeds alle M dopplerspectra te gebruiken. In plaats daarvan kan men de drempelwaarden genereren uit P dopplerspectra verkregen uit P opeenvolgende bursts, (P = 2, ..,M), waarbij doorgaans de meest recent geproduceerde dopplerspectra zullen worden gebruikt.

Een voordelige uivoeringsvorm van de uitvinding heeft als kenmerk, dat de drempelgenerator een accumulator omvat voor het genereren van een gemiddeld dopplerspectrum uit de P dopplerspectra.

Voor het verkrijgen van een vooraf bepaalde vals-alarm-kans kan de drempelschakeling dan een sommator omvatten voor het verhogen van het aldus verkregen gemiddelde dopplerspectrum met een per doppler-frequentie bepaalde additionele drempelwaarde.

Voor zeer snel naderende doelen dient de uitvinding verder te worden verfi-jn<i· Het betreft dan doorgaans doelen met een zeer geringe radar cross-sectie die het radarapparaat naderen met een snelheid van Mach 2 tot Mach 3. Hierbij dient allereerst een PRF te worden gekozen. Traditioneel wordt die hoog gekozen, zodanig dat het dopplerspectrum kan worden bepaald zonder dat terugvouwen plaats vindt. Door dit dopplerspectrum vervolgens te drempelen verkrijgt men een zeer goede onderdrukking van allerlei vormen van dutter, zoals grondclutter, zeeclutter, regen, vogels en chaff. Een nadeel van de hoge PRF is echter dat nu de afstand van het doel niet langer unambiguous kan worden bepaald doordat nu terugvouwing in het afstandsdomein plaats vindt. Dit nadeel is natuurlijk welbekend in het vakgebied, evenals oplossingen om toch met behulp van additionele processing tot een unambiguous doelsafstand te geraken.

Het terugvouwen heeft bovendien als nadeel dat een klein, ver doel kan samenvallen met een nabije zeer sterke dutter. Ook dit probleem is in principe oplosbaar, maar hierbij worden dan zeer hoge eisen aan de stabiliteit van het radarapparaat gesteld.

Het terugvouwen in het afstandsdomein heeft nog een groot nadeel, dat samenhangt met moderne radarontwikkelingen. Er is een tendens in de radartechniek in het algemeen, en in het vakgebied van de actieve phased arrays in het bijzonder, om pulsen met een grote duty cycle te gebruiken. Dit houdt enerzijds verband met het feit dat solid-state zenders minder geschikt zijn voor het opwekken van grote piekvermogens en anderzijds met de wijd verspreide mening dat een lager piekvermogen minder goed te detecteren is door afluisterapparatuur zoals ESM ontvangers. Voor actieve phased array antennes worden duty cycles tot 30% genoemd. Dit betekent dat gedurende de eerste 30% van de unambiguous radar range het radarapparaat blind is of tenminste suboptimaal functioneert, omdat echo's van doelen in dit gebied gedeeltelijk met de zendpuls overlappen. Ook de laatste 30% van de unambiguous radar range werkt suboptimaal, omdat echo's dan gedeeltelijk met de volgende zendpuls overlappen. Er is dus feitelijk maar 40% van de unambiguous radar range optimaal beschikbaar. Onder die omstandigheden is de detectiekans gering en is unambiguous bepaling van de doelsafstand nagenoeg onmogelijk.

Het radarapparaat volgens de uitvinding heeft daarom als kenmerk dat de PRF zodanig wordt gekozen dat binnen een vooraf bepaald detectie-gebied de doelsafstand unambiguous kan worden bepaald. Een direct gevolg hiervan is dat doelen met een dopplerfrequentie die hoger is dan PRF/2 zullen terugvouwen en gemaskeerd kunnen worden door dutter. Dit gevolg, dat als een nadeel kan worden aangemerkt, wordt volgens de uitvinding als een voordeel benut voor het vergroten van de detectiekans. Een gunstige uitvoeringsvorm van de uitvinding heeft daartoe als kenmerk dat opeenvolgende bursts van tenminste N zend-pulsen verschillende radarfrequenties bezitten. Speciaal als de radarfrequenties zo zijn gekozen dat een niet teruggevouwen dopplerfrequentie ten hoogste twee dopplerbins verschuift van burst tot burst wordt een zeer goede detectie verkregen. Terwijl er dan voor langzaam bewegende doelen nauwelijks iets verandert bij de verschillende frequenties, zullen snel naderende doelen forse verschuivingen ondergaan in het dopplerspectrum. Dit maakt dat een spectrum dat een doel bevat afwijkt van een eerder bepaald spectrum of van een gemiddeld spectrum, waardoor het doel gedetecteerd kan worden en dat bovendien een doel niet voortdurend door dutter zal worden gemaskeerd.

Eenzelfde effect kan worden bereikt door opeenvolgende bursts met verschillende PRF's uit te zenden. Het bezwaar hiervan is echter dat dan second trace clutters opeenvolgend op verschillende plaatsen in het dopplerspectrum verschijnen, afhankelijk van de gekozen PRF. Dit kan valse alarms veroorzaken. Het radarapparaat volgens de uitvinding heeft daarom als kenmerk dat de M opeenvolgende bursts dezelfde pulsherhalingsfrequentie bezitten.

Bij een konstante PRF en verschillende radarzendfrequenties zal een doel niet altijd aanleiding geven tot een drempeloverschrijding. Zo kan een teruggevouwen doel bijvoorbeeld samenvallen met zeer sterke grondclutter, wat doorgaans een maskeren van het doel veroorzaakt. In een voordelige uitvoeringsvorm van de uitvinding is de drempel- schakeling daarom voorzien van een vergelijkschakeling voor het per dopplerfrequentie vergelijken van het laatstverkregen dopplerspectrum met de drempelwaarden en een alarmgenerator voor het genereren van een alarm als tenminste K uit L (K = l, 2, . ., L = 1,2, . ., K<L) opeenvolgende dopplerspectra tenminste een drempeloverschrijding vertonen.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de volgende figuren, waarvan:

Fig. 1 een uitvoeringsvorm van het radarapparaat volgens de uitvinding weergeeft;

Fig. 2 een blokschema van een uitvoeringsvorm van de video-processor weergeeft;

Fig. 3A een dopplerspectrum met ruis, zeeclutter, regenclutter en een doel weergeeft;

Fig. 3B dit dopplerspectrum voor een enigszins gewijzigde radarfrequentie weergeeft.

Fig. 1 toont een uitvoeringsvorm van het radarapparaat volgens de uitvinding, omvattende een actieve phased array antenne 1, waarin een groot aantal zend- en ontvangmodulen 2 zijn geplaatst die samen de zendermiddelen en de ontvangermiddelen vormen. De phased array antenne 1 wordt gestuurd door een stuureenheid 3, die op een op zich bekende wijze de azimuth-elevatierichting van de antenne bepaalt en bursts van stuurpulsen en l.o. signalen genereert voor de zend- en ontvangmodulen 2. Ontvangen radarechosignalen worden, doorgaans in reeds gedigitaliseerde vorm, toegevoerd aan videoprocessor 4, die tot taak heeft snel naderende doelen te detecteren. Onder snel wordt hier verstaan doelen met snelheden van Mach 2 tot Mach 3, zoals missiles. Deze doelen, met een cross-sectie van bijvoorbeeld 0,01 vierkante meter, dienen op een dusdanige afstand te worden gedetecteerd dat de inzet van een wapen nog mogelijk is. Deze overweging leidt tot een gewenst afstandsbereik van bijvoorbeeld 20 km. Het beperkte piekvermogen dat een actieve phased array kan leveren maakt het nodig dat zendpulsen met een grote duty cycle gebruikt worden, bijvoorbeeld 33%. Gezien de grote duty cycle met de daaraan verbonden problemen bij terugvouwen in afstand worden pulsbursts gebruikt die de doelsafstand unambiguous bepalen. Rekening houdend met een gereduceerde gevoeligheid in de eerste 33% van de unambiguous radar range tengevolge van overlap met de zendpuls en in de laatste 33% tengevolge van overlap met de volgende zendpuls, leidt dit tot een optimale pulslengte van 66,6 μεεο en een puls-herhalingstijd van 200 psec. Hiermee kunnen doelen op een afstand van 10-20 km unambiguous en zonder detectieverlies worden gedetecteerd.

Fig 2 toont een blokschema van een mogelijke uitvoeringsvorm van videoprocessor 4. Ontvangen radarechosignalen worden toegevoerd aan doppler filterbank 5. Voor een radarzendfrequentie van bijvoorbeeld 10 Ghz. beslaat het door deze filterbank 5 geleverde spectrum dan -5 Khz. tot +5 Khz, wat overeenkomt met een unambiguous snelheidsgebied van -75 m/sec tot +75 m/sec. Dit betekent dat vrijwel het hele spectrum dutter zal bevatten. Daarnaast kan een spectrum ook een doel bevatten, welk doel binnen een spectrum echter niet van dutter te onderscheiden is. Bij vergelijking van meerdere opeenvolgende spectra, opgenomen met dezelfde radarfrequentie en met dezelfde PRF, blijkt de sterkte van een doel significant te variëren en de sterkte van dutter nagenoeg gelijk te blijven. De variatie van de doelssterkte wordt veroorzaakt door lobing tengevolge van het welbekende multipath effect, welk effect bij de gekozen radarfrequentie en in het gebied van 10-20 km zeer sterk is.

Dit leidt tot een eerste gunstige uitvoeringvorm van het radarapparaat waarbij de videoprocessor 4 tevens is voorzien van een accumulator 6 waarin een gemiddeld spectrum van enige opeenvolgende spectra kan worden bepaald en van een sommator 7 waarin het gemiddelde spectrum wordt opgehoogd met een additionele drempelwaarde die eventueel per dopplerfrequentie te kiezen is. Het zo verkregen opgehoogde gemiddelde spectrum wordt toegevoerd aan een drempelschakeling 8, samen met bijvoorbeeld het eerstvolgende spectrum dat door doppler filterbank 5 wordt afgeleverd. Dit resulteert dan in een drempeloverschrijding voor een doel dat in sterkte toeneemt, bijvoorbeeld op een moment dat een nul tussen twee lobes wordt verlaten. Daar per azimuth-elevatie-richting de locatie van nullen nauwkeurig bekend is, kan steeds een dwell time van de radarbundel worden gekozen zodanig dat de detectiekans optimaal is.

Een tweede gunstige uitvoeringsvorm van het radarapparaat kan gebruik maken van de videoprocessor 4 zoals die hiervoor reeds is beschreven aan de hand van Fig. 2. Bij deze uitvoeringvorm wordt met voordeel gebruik gemaakt van de zeer grote snelheid van het doel. Dit principe zal worden verklaard met behulp van Fig. 3A, waarin een doppler-spectrum met ruis 9, zeeclutter 10, regenclutter 11 en een doel 12 wordt getoond en Fig. 3B waarin een vergelijkbaar spectrum wordt getoond, verkregen bij een iets andere radarfrequentie. De getoonde spectra zijn verkregen met behulp van doppler filter 5, uigevoerd als een 64 punts filter dat een 64 bins doppler spectrum oplevert met elk een breedte van 2,3 m/sec. De radarfrequentie die bij het in Fig. 3A getoonde spectrum 10 Ghz. bedroeg, is bij Fig. 3B 10,31 Ghz. gekozen. In beide figuren is althans het clutterspectrum nagenoeg ongewijzigd, doordat de wijziging in radarfrequentie zelfs voor objecten met een radiale snelheid van 75 m/sec een verschuiving van ten hoogste een bin veroorzaakt. Dit houdt in dat ook een gemiddeld spectrum, als bepaald met behulp van accumulator 6, nagenoeg niet wijzigt bij kleine wijzigingen in de radarfrequentie en dat zo'n gemiddeld spectrum geschikt blijft voor het opwekken van een drempel zoals reeds omschreven. Uit beide figuren blijkt ook dat een doel wel significant verschuift onder invloed van een kleine verandering van de radarfrequentie. Zo zal een doel dat het radarapparaat nadert met een snelheid van 600 m/sec. met de boven beschreven radarfrequentie-verandering, tengevolge van het veelvoudig terugvouwen, ongeveer acht rangequanten verschuiven. Drempelschakeling 8 kan dan een drempel-overschrijding geven als een spectrum afkomstig van doppler filterbank 5 wordt vergeleken met een gemiddeld spectrum afkomstig van accumulator 6 en opgehoogd in sommator 7.

Een kleinere vals alarm kans kan worden verkregen door te eisen dat niet een spectrum, maar enkele opeenvolgende spectra een drempel-overschrijding geven. Dit kan echter tot een verminderde detectiekans leiden omdat soms een doel binnen een spectrum samenvalt met een sterke dutter, bijvoorbeeld zeeclutter 10. Door drempelschakeling 8 uit te rusten met een alarmgenerator die een alarm genereert als K uit L (K “ 1, 2, ..., L=l, 2, ..., K<L) opeenvolgende dopplerspectra een drempeloverschrijding geven kan een optimale detectie worden verkregen. Een voordelige keuze hierbij is K = 2, L = 3.

Claims (9)

1. Radarapparaat voor het detecteren van snel naderende doelen, omvattende antennemiddelen, zendermiddelen voor het per antenne-richting genereren van tenminste M bursts van tenminste N zendpulsen (M = 2, 3, N = 2, 3, ...), ontvangermiddelen voor het per zendpuls ontvangen van een per rangequant bepaald radarechosignaal, en een op de ontvangermiddelen aangesloten videoprocessor, omvattende een N-punts doppler filterbank voor het per burst en per rangequant verwerken van de radarechosignalen tot een N-bins dopplerspectrum en een voor elke rangequant van N drempelwaarden voorziene drempel-schakeling voor het genereren van een alarm bij overschrijding van tenminste een drempel voor tenminste een rangequant, met het kenmerk, dat de drempelschakeling een drempelgenerator omvat voor het per rangequant uit de M dopplerspectra genereren van de N drempelwaarden.

2. Radarapparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de drempelwaarden worden gegenereerd uit P dopplerspectra verkregen uit P opeenvolgende bursts (P = 2, . . ,M) .

3. Radarapparaat volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de drempelgenerator een accumulator omvat voor het genereren van een gemiddeld dopplerspectrum uit de P dopplerspectra.

4. Radarapparaak volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de drempelschakeling een sommator omvat voor het verhogen van het gemiddelde dopplerspectrum met een per dopplerfrequentie bepaalde additionele drempelwaarde voor het verkrijgen van een vooraf bepaalde vals-alarm-kans.

5. Radarapparaat volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat voor de zendpulsen een PRF is gekozen zodanig dat binnen een vooraf bepaald detectiegebied de doelsafstand unambiguous kan worden bepaald.

6. Radarapparaat volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat opeenvolgende bursts van tenminste N zendpulsen verschillende radarfrequenties bezitten.

7. Radarapparaat volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de radarfrequenties zo zijn gekozen dat een niet teruggevouwen dopplerfrequentie ten hoogste twee dopplerbins verschuift van burst tot burst.

8. Radarapparaat volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de M bursts dezelfde pulsherhalingsfrequentie bezitten.

9. Radarapparaat volgens conclusie 7 of 8, met het kenmerk, dat de drempelschakeling is voorzien van een vergelijkschakeling voor het per dopplerfrequentie vergelijken van het laatst verkregen dopplerspectrum met de drempelwaarden en een alarmgenerator voor het genereren van een alarm als tenminste K uit L (K = 1, 2, .., L=l, 2, .., K < L < M) opeenvolgende dopplerspectra tenminste een drempeloverschrijding vertonen.