SE466367B - Foerfarande att foerbaettra amplitud-frekvenskaraktaeristiken hos ett radar-system - Google Patents

Description

oo '466 367 10 15 20 25 Figur 2 visar mottagningsloben för radarn och sändpulsens utbredning (streckad) vid ett visst tidsögonblick på jordytan vid mottagning enligt känd teknik. Vid ett punktmål kommer först frekvensen fl att reflekteras, varvid ekot uppfångas av mottag- ningsloben vid punkt 1. Något senare reflekteras mittfrekvensen fl-f2)/2 av samma punktmál. Eftersom mottagningsloben är svept och "följer"“ ekot kommer mittfrekvensen att uppfàngas av mottagningsloben vid punkt 3. På samma sätt gäller för frekvens fz som reflekteras sist och uppfångas av punkt 2 hos mottagnings- loben. Lobbredden är ungefär samma som pulsens utbredning.

Av figur 3 framgår den mottagna signalens amplitud som funktion av frekvensen. Amplituden kommer att viktas beroende på mottag- ningslobens form. Signaler med de "yttre" frekvenserna fl och fz är svagare då de detekteras inom mottagningsloben (punkterna 1 och 2) än en mittfrekvens (fl - fz)/2 (punkt 3).

Problemet år alltså att när man använder en smal mottagningslob med en lobbredd med samma storleksordning som ekots "ögonblicks vinkelbredd", får man en kraftig kvadratisk amplitudviktning av ekots amplitud-frekvenskaraktäristik. När man sedan skall komprimera pulsen får man en breddning som medför sämre upp- lösning i tid/avstånd. Man får också stor förstärkningsderivata vid början och slutet av pulsen vilket ger stor känslighet mot små pekfel hos antennloben.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Enligt det föreslagna förfarandet kombineras två olika, i och för sig kända åtgärder i en radarantenn med svept mottagningslob över ett mål inom ett visst område och med pulskompression av den mottagna signalen beskrivet ovan. Den ena åtgärden innefattar en frekvensoberoende svepning av mottagningsloben över det större vinkelområdet och den andra åtgärden innefattar en frek- vensberoende svepnimg över det mindre vinkelområde inom det större området som upptas av ekots ögonblicksbredd sett från den radarburna utrustningen, exempelvis en satellit eller ett r 10 15 20 30 466 367 flygplan. Styrningen av antennen enligt åtgärderna ovan sker därvid i samma riktning eller i samma plan. Genom denna kombina- tion av i och för sig kända åtgärder kan den ovan beskrivna amplitudviktningen och pekkänsligheten praktiskt taget helt elimineras, vilket är ändamålet med föreliggande uppfinning.

Förfarandet enligt uppfinningen är därvid kännetecknat så som det framgår av patentkravets 1 kännetecknande del.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall närmare beskrivas med hänvisning till bifogade -' ritningar i vilka figurerna 1-3 tidigare beskrivits under "Teknikens ståndpunkt": figur 4 visar geometrin vid utsändning av en radarpuls som är svept över ett visst frekvensomràde; figur 5 visar närmare mottagningslober vid den i figur 4 visade geometrin men som är styrda enligt det föreslagna förfarandet; figur 6 visar schematiskt radargeometrin vid detektering av mål på jordytan; figur 7 'visar ett förenklat blockschema över en antenn 'vid mottagning enligt förfarandet; figur 8 visar ett diagram över amplituden hos mottagna signaler som funktion av frekvensen.

Urrönxncsronunn Figur 4 visar geometrin hos ett radarsystem installerat i exempelvis en satellit, som belyser en del av jordytan. Radaran- tennen RA utsänder en puls, som innehåller frekvenser inom ett visst band enligt ovan. Frekvenserna fl och fz utgör begynnelse- respektive slutfrekvensen i en puls. Pilarna P1 och P2 anger två efter varandra följande pulser, av vilka den puls som motsvarar pilen P1 träffat jordytan. Pulsens P1 främre del (frekvensen fl) har först träffat jordytan vid punkten a och ett kort tidsinter- vall därefter (w 50 us) träffar den bakre delen (frekvensen fz) 10 15 20 25 30 35 466 se? 4 samma punkt a. Pulsen P1 sveper därefter längs med jordytan till punkten b där dess främre del upphör och ett kort tidsintervall (z 50 ps) senare även dess bakre del (fz). Figur 4 visar ett visst (fruset) ögonblick då pulsen belyser ett område schematiskt betecknat A i figuren. Målet M kan antingen vara punktformigt eller utbrett och antas befinna sig inom exempelvis området A.

Belysningen av området mellan a och b ger upphov till ett eko som utbreder sig enligt pil P3. Vid mottagning följer mottag- ningsloben således pulsens utbredning från a till b och ger bl a upphov till målekot som skall detekteras i RA. Denna följning av ekot sker alltså på konventionellt sätt, dvs med en mottag- ningslob som är styrd med exempelvis fasvridare.

Enligt uppfinningen görs antennlobens pekriktning vid mottagning beroende också av den utsända pulsens frekvens. Härigenom kan man få toppen av antennloben att peka mot den punkt på marken där motsvarande frekvens reflekteras samtidigt som ekot följs på konventionellt sätt. Figur 5 visar tre olika antennlober M0, M1, M2 för tre olika frekvenser hos den utsända pulsen. De båda yttre streckade loberna M1, M2 motsvarar frekvenserna fl respektive fz och den heldragna loben M0 exempelvis mittfrekvensen f°=f2+(f1- fz)/2. De áterreflekterade frekvenskomponenterna kommer närmare toppen av respektive lob och ger därför upphov till en konstant detekterad signal över frekvensbandet fl-f2 än i det kända fallet enligt figur 2. Vid» detekteringen i radarmottagaren används pulskompression såsom beskrivits ovan och den komprimerade signalen blir även den starkare än i det kända fallet enligt figur 2. Härigenom kan radarns goda upplösning bibehàllas trots svepningen. Mottagningslobens frekvensberoende görs alltså anpassat till ekots ögonblicksutbredning och sändpulsens bandbredd.

För att uppnå önskad kompensering av amplitudviktningen måste antennens frekvenskänslighet väljas på lämpligt sätt. De parametrar som påverkar valet är i första hand Radargeometrin (se figur 6) Radarpulsens längd Radarpulsens bandbredd -O 15 20 ';25- 00- 30 s 466 367 Följande beteckningar införs för att få uttryck på frekvens- känsligheten gg . df ' h = Radarns höjd över marken (D ll Vinkeln från lodlínjen till objektet (sett från radarn) t = Radar rulsens längd (tid) B = Radar pulsens bandbredd A 9 = Radarekots ögonblicks-bredd sett från radarn (vinkelbredd) A w = Radarekots ögonblicks-bredd gg = Antennens erforderliga frekvenskânslighet df Co = Ljusets hastighet Aw=C°'tPcot(6) 2 A 9 = asin ---ñ---2Aw c°s (9 2 = asin Co . t . cos 9 2h sin (9) Erforderlig frekvenskänslighet hos antennen är alltså ä; Ale df B I normala fall då Co ' tp << 2 ' h och 10° <9<40° kan uttrycket förenklas något: _ÉÉ_w Co . tg cos2(9) df B . 2 h . sin(6) [radianer/Hz] I en normal tillämpning styrs loben över ett relativt stort vinkelomráde Gb - Ga, se figur 4. Då radarekots ögonblicks- är alltså inte antennens frek- venskänslighet optimal över hela vinkelomrádet. bredd w varierar med 6, .0 15 20 25 30 466 367 Typiskt kan,A,w variera ca 1:3. I värsta fallet fås i alla fall en reducering av amplitudviktningen med en faktorn tio och en reducering av förstärkningsderivatan med en faktor tre (lobbredd = 2.9°, ekots ögonblicksbredd 0.4°-1.3°).

Det är även möjligt att få variabel frekvenskänslighet m.a.p 9 genom att t ex välja antennens normalriktning 90 på lämpligt sätt i förhållande till lobens riktning, dvs 90° >e° >0°. Man kan då få optimal kompensering över största delen av vinkelomràdet Gb - Ga.

Figur 7 visar ett förenklat blockschema över en antenn för att åstadkomma de önskade matningsloberna enligt figur 6. Antennen består väsentligen av tre delar, nämligen ett antal strâlnings- element S1-S5, ett frekvensoberoende matningsnät OMI och. ett frekvensberoende matningsnät BM. Mottagningslobens riktning relativt antennens normalriktning är 8. De enskilda strälnings- elementens faslägen är betecknade ßl, ßz, ... och motsvarande faslägen hos den mottagna signalen är betecknade al, a2,...

Det frekvensberoende nätet BM avger över sin utgång den mottagna signalen som skall pulskomprimeras i radarmottagaren på känt sätt. Den mottagna signalens faslâgen al - as är beroende av den mottagna frekvensen f så att (al-az) ß (az-a3) z (a3-a4) z (a4-as) ß k ' A f Eftersom frekvensen f hos den utsända pulsen varierar kring en centerfrekvens fo skall k väljas så att rätt vinkelberoende hos mottagningsloben med avseende på frekvensen erhålles. Koefficien- ten k kan skrivas som: 1<=.d_°.-§9.ß_ af ae 10 15 20 25 7 466 367 För lobvinklar 6 nära normalen till antennytan kan k skrivas som d6 k =____. 2 W d/>\° df - d6 - _ . " )\ . - dar--ar givet enligt ovan och O = den fria våglangden hos df det utstrålade fältet.

Det frekvensoberoende nätet OM är utfört så att (Bl-al), (B2- az) etc är oberoende av frekvensen f och bestäms genom styrdata C till nätet OM. Dessa styrdata bestämer således lobens läge eller riktning mellan vinklarna 6b och 6a enligt figur 5. Lobens riktning styrs på sådant sätt att ekot följs från punkt a till punkt b enligt figur 5.

Det frekvensberoende nätet BM kan realiseras på samma sätt som en frekvensstyrd antenn visad i exempelvis Merril I Skolnik "Introduction to Radar Systems" Kap 8.4. sid 298, fig. 8.14. En sådan antenn består av ett antal stràlningselement och ett antal ledningsstycken anslutna till strålningselementen där varje ledningsstycke har en längd = l och med ett inbördes avstånd = d. I det frekvensberoende nätet BM är ledningsstyckena anslutna till det frekvensoberoende nätet GM i stället för att vara anslutna till stràlningselementen.

En frekvensstyrd antenn med luftfylld dispersionsfri ledning har lobriktningen 61. sin 61 =-l-(1--ÉEÄ d f där 61 = 60 + A 6 och om 60 s 0 så gäller att: H1 sin (15 6) = _l__ Å 2 2d »I O 10 15 20 466 567 vilket i sin tur för små A 9 kan skrivas: A 6 = _]_._ _B_ [radianer] d f o <= gg Ae _ l _ l [radianer/Hz] af " B ' d f ' d . c Q __ X0 ~ ° längden 1 pá ledningen mellan antennelementen väljs alltså: 1 ß' dê . d . C df )\o o För att svepa loben över vinkelområdet eb - Ga (figur 5) kan exempelvis digitala fasvridare användas som det frekvens- ' oberoende matningsnätet OM. Det kan vidare vara lämpligt att någon form av frekvenstranslation utförs mellan det frekvensoberoende och det frekvensberoende nätet OM resp BM, vilket innebär att det frekvensberoende nätet i sä fall arbetar inom mellanfrekvensomrâdet.

I figur 8 visas hur amplitud-frekvenskaraktäristiken förbättrats medelst det föreslagna förfarandet (kurva al) jämfört med förut känd teknik (kurva a2, motsvarande kurvan enligt figur 3).

Claims (3)

15 20 e 466 367 PÄTENTKRÄV

1. Förfarande att förbättra amplitud-frekvenskaraktäristiken i ett radarsystem, vars mottagningslober styrs för att svepa över ett visst vinkelområde (Gb - Ga) innefattande ett punktformigt eller utbrett mål (M) som upptar ett visst mindre vinkelområde (¿)9), varvid såndpulsen innehåller ett flertal frekvenser (f1,f2) inom ett bestämt bena (ß) , för att vid mottagningen kunna så att bättre upplösning av målet erhålles, k ä n n e t e c k n a t av att styrningen av mottagningsloben över nämnda vinkelområde (Gb - Ga) är frekvensoberoende förutom över nämnda mindre vinkelområde (16 6) där styrningen är beroende av frekvenserna inom nämnda band (B), varigenom för nämnda mindre vinkelområde (,A 9) ett mot antalet frekvenser svarande antal (M1-M3) bildas, vilka var och en har ett optimalt läge relativt det svepta målet (M). komprimeras mottagningslober

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att mottagningslobens riktning inom nämnda mindre vinkelområde (A6) ändras i beroende av frekvenserna (f1-f2) i sändpulsen medelst en frekvensstyrd antenn med en viss normalriktning (90), varvid. mottagningsloben (M2) i denna normalriktning' har ett optimalt läge för mittfrekvensen (fo) inom nämnda frekvensinter- vall (f1-f2), mittfrekvens, samt att för övriga frekvenser kring denna motsvarande mottagningslober (M1,M3) får ett optimalt läge, varigenom den effektiva lobbredden inom nämnda mindre vinkelområde (.A 8) ökas.

3. Förfarande enligt patentkrav 1-2, k ä n n e t e c k n a t av att den frekvensoberoende styrningen sker i samma plan och 1 samma riktning som den frekvensberoende styrningen av mottag- ningsloben.