DE3315499A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung eines kuenstlichen rueckstreuzielmusters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugng eines künstlichen Rückstreuzielmusters in der Abbildung eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) mittels einer elektronischen Schaltung in einem im Zielgebiet des SAR angeordneten Transponders.

Die Verfeinerung der Zielanalyse oder die Erforschung von Radarsignaturen, insbesondere bei abbildenden Radargeräten vom Typ des Radars mit synthetischer Apertur, ist begleitet von aufwendigen Bodenexperimenten. Zur Analyse der komplexen Abbildungseigenschaften eines überfliegenden SAR dienen bisher Gruppenanordnungen von Radarreflektoren am Boden mit zum Teil hohem Rückstreuquerschnitt und folglich grossen Abmessungen und grossem Gewicht. Neben diesen Nachteilen ergeben sich damit jedoch noch eine Reihe weiterer schwerwiegender Nachteile, welche darin bestehen, dass

1. damit nur im Rückstreuquerschnitt konstante Punktziele und Punktzielmuster zu einer nur unvollständigen Bestimmung der Amplituden- und Phasen-Transferfunktion und der inhärenten Abbildungsfehler (ambiquity) des SAR herangezogen werden können;

2. der Aufbau eines diagnostisch umfassenden Zielmusters zur Erstellung eines Meßkollektivs umständlich und zeitraubend ist und erhöhte Kosten verursacht;

3. die Neugruppierung von Zielmustern beim Flugzeug-SAR einen erneuten Anflug und beim Satelliten-SAR ein Abwarten des nächsten Überfluges (gegebenenfalls nach Tagen) erfordert;

4. der die Messungen beeinflussende natürliche Rückstreuhintergrund des Geländes nur in Grenzen frei wählbar ist und

5. die Erzeugung von Zielmustern mit einstellbarem Kohärenzgrad sowie die Einbettung von kohärenten, harten Zielen in solche mit definierten stochastischen Komponenten nicht möglich ist.

Die Verwendung von Transpondern oder aktiven Reflektoren zur Simulation von Fest- und Bewegtzielen in Nah- und Fernfeld, insbesondere von Pulsdoppler-Radars zum Zwecke der Punktziel-Eichung, der Feststellung des Bewegtziel/ Festzielverhältnisses (Subclutter-Visibility) und zur Zeichenmarkierung, sowie Schaltungsmaßnahmen zur kohärenten Frequenzumsetzung, zur Modulation und zur Richtungsentkopplung gleichfrequenter Signale sind allgemein bekannt. Zum Beispiel ist aus der DE-OS30 00 876 ein kodierter kohärenter Transponder bekannt, der einen Empfänger und einen Sender zum Empfang eines Abfragesignals und zur Übertragung eines kohärenten Antwortsignals mit einer vorgegebenen kodierten Information enthält. Darin ist eine Einrichtung vorgesehen, mit welcher eine vorgegebene kodierte komplexe Phasenverschiebung bei dem kohärenten Rückkehrsignal eingeführt wird, so dass dadurch eine Anzahl von Dopplerfrequenzkomponenten gleichzeitig repräsentiert werden. Weiter bekannt ist aus der DE-OS 28 13 917 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung simulierter Echosignale zur Stabilitätsmessung von Radaranlagen mittels einer Empfangs-/ Sendeeinrichtung, die Radar-Sendeimpulse aufnimmt und simulierte Echoimpulse abstrahlt. Dabei ist die Empfangs-/ Sendeeinrichtung mit einem Hornstrahler versehen, der die ankommenden Radarimpulse über einen oder mehrere Entkopplungs- und Schalteinrichtungen an eine akustische Verzögerungsleitung und einem Phasenmodulator leitet und mit einer steuerbaren Verzögerung und Frequenzverschiebung als simulierte Radar-Echoimpulse wieder abstrahlt. Ferner ist aus der DE-OS 26 12 634 ein Verfahren zum Bestimmen der inneren Laufzeit (Verzögerungszeit) eines Transponders bekannt, welcher von entfernter Stelle aus durch ein erstes Empfangssignal erregt werden und in Abhängigkeit hiervon ein erstes Sendesignal erzeugen kann. Dabei wird das erste Empfangssignal an einer ersten Stelle im inneren Signalpfad des Transponders erfasst und ein teil des ersten Sendesignals wird auf die Frequenz des ersten Empfangssignals umgesetzt. Hierdurch wird ein zweites Empfangssignal erzeugt. Das zweite Empfangssignal wird an der ersten Stelle im inneren Signalpfad des Transponders erfasst und die zwischen dem Erfassen des ersten Empfangssignals und dem Erfassen des zweiten Empfangssignals verstrichene Zeit gemessen. Schliesslich ist in der INTERAVIA 1, 1979, Seite 90 ein Testverfahren für Radarstationen beschrieben, mit welchem eine kontinuierliche Nachprüfung einer Primärradarstation in ihrer Gesamtheit möglich ist. Hier gibt ein aktiver Anwortsender, welcher im Überdeckungsbereich des Radars aufgestellt ist, einen Impuls mit radareigener Frequenz, jedoch verschobener Phase ab. Dieser bekannte Stand der Technik erlaubt keine Anwendung auf ein SAR und insbesondere keine Erzeugung eines komplexen ausgedehnten Zielmusters in der Abbildung eines SAR.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher durch Erzeugung eines komplexen Zielmusters die Untersuchung der Abbildungseigenschaften eines SAR und die Signaturanalyse ermöglicht, sowie die eingangs erwähnten Nachteile beseitigt werden. Die Vorrichtung sollte in bezug auf Bedienbarkeit vorteilhaft ausgestaltet und leicht transportabel sein und mit ihrem experimentellen Rahmen über die vorerwähnten Möglichkeiten hinausgehen.

Erfindungsgemäss sind zur Lösung der gestellten Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und die der ihm folgenden Unteransprüche vorgesehen.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung wird durch Anwendung und Kombination von an sich bekannten elektronischen Prinzipien in einem Signaltransponder eine komplexe Signalsimulation im Zielgebiet eines SAR erreicht. Während bei bekannten Radartranspondern zur Anwendung auf zielverfolgende und festzielunterdrückende Radartypen die Einseitenbandmodulation (gegebenenfalls mit unterdrücktem Träger) des Empfangssignals und Rücksendung zum Radar bei diesem ein bewegtes Scheinziel simuliert, bewirkt die gleiche elektronische Maßnahme beim SAR einen festen Azimut- Versatz des simulierten Zieles vom wahren Aufstellungsort des Transponders. Der Entfernungsversatz wird bei beiden Radartypen gleichermassen durch Verzögerung der wiederausgesandten Radarimpulse bewirkt.

Die gleichzeitige Anwendung beider Prinzipien erlaubt beim SAR die Simulation von in Azimut und Entfernung verschiebbaren Festzielen. Durch die zweckmässige elektronische Ausgestaltung des Transponders durch Wahl geeigneter Modulationsspektren und durch Aufschalten verschiedener zeitlich konstanter Spektren auf verschiedene, in der Entfernung gestaffelte Anzapfungen einer Verzögerungsleitung lassen sich im Rückstreuquerschnitt gewichtete Punktzielmuster und bei zusätzlicher Anwendung einer oder mehrerer Rauschquellen eine auch nach Kohärenzgrad gewichtete, komplexe Rückstrahl-Topologie simulieren. Dieses Raster von Signaturen kann im Rückstreuquerschnitt (RCS) sowie im Kohärenzgrad durch Anwendung geeigneter Schaltmittel schnell punktuell variabel gestaltet oder durch geeignete elektronische Schaltungen bekannter Art in Form von langsamen Wellen moduliert werden, wie sie in Vegetation oder Anbauflächen oder auf dem Wasser durch Wind hervorgerufen werden, so dass einem vorgewählten Muster Bewegtzielechos überlagert werden. Zur Simulation der Effekte von Bewegtzielen muß beim SAR - anders als bei den vorgenannten Radartypen - die Frequenz des Trägers nicht mit einer zeitlich konstanten (Einseitenband-) Modulation versehen werden, sondern es müssen die systeminhärenten Funktionen der Phasenhistorie und Zielwanderung verfälscht werden. Da jedoch beim SAR-Prozessieren der Frequenz-/Phaseversatz von Echos bereits für das zweidimensionale Sortierprinzip "verbraucht" wird, wird die Rückstrahlenergie von Bewegtzielen auf eine oder mehrere Azimut-Bildzeilen verteilt und das Bewegtziel nicht mehr als Punktziel abgebildet.

Somit beinhaltet das SAR eine inhärente Bewegtzielunterdrückung, die nur durch aufwendige iterative Prozeßschritte aufgehoben werden kann, wobei alle anderen Ziele - feste und bewegliche mit anderen Geschwindigkeitskomponenten - unterdrückt werden. Aufgrund dieser Eigenschaften des SAR stellt zum Beispiel die Windmodulation oder allgemein der Störeffekt von Zielbewegungen ein wichtiges Problem der Signaturanalyse dar. Eine vorteilhafte, leicht transportable und handliche Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch die Kombination von an sich bekannten Komponenten, mit welcher Signaturvergleiche mit vorhandenem Gelände durchführbar sind, zum Beispiel in der Form, dass das simulierte Zielmuster über Flächen von niedrigem normiertem Rückstreuquerschnitt (NRCS), beispielsweise Wasserflächen, erzeugt und mit nahegelegenen Kultur- oder Naturflächen verglichen werden. Hierdurch ist eine quantitative Typisierung von Anbauarten, natürlichem Bewuchs und geologischen Formationen experimentell erreichbar. Bei der technischen Realisierung muß das empfangene Radarsignal in eine oder zwei im VHF-Bereich liegende Zwischenfrequenzen abgemischt und zur Wiederaussendung kohärent in die Originalfrequenzlage zurückgemischt werden. Ferner müssen die in den Transponder einlaufenden und von diesem wieder abgestrahlten gleichfrequenten Signale zur Unterdrückung von Schwingneigung in hohem Masse entkoppelt werden.

Ein Ausführungsbeispiel ist folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein breitbandiges Zielmuster,

Fig. 2 ein Zielmuster zur Analyse der räumlichen Auflösung eines SAR,

Fig. 3 eine elektronische Schaltung eines Mustermodulators.

Aus Fig. 1 ist beispielhaft ein von der Anwendung her breitbandiges Zielmuster ersichtlich. Darin sind in den Spalten - nur durch die Höhen der Ellipsen symbolisch angedeutet - die Rückstreuquerschnitte der Ziele variiert, in den Zeilen der Kohärenzgrad K durch Modulation mit Gauß'schem Rauschen, was sich in einer Verbreitung der Ziele in der Azimutrichtung äussert. Zusätzlich ist dem gesamten Zielmuster eine Wellenmodulation in Azimutrichtung überlagert, die als Dichtemodulation dargestellt ist. Die Grössen der Zeilen und Spalten sind auf die Auflösungseigenschaften des benutzten SAR anzupassen und sollten bei ca. 3 × 3 Auflösungszellen oder mehr liegen. Die Abstufung der Rückstrahlquerschnitte und der Rauschpegel werden auf die Art des Experiments abgestimmt.

In Fig. 2 ist beispielhaft ein Zielmuster zur Analyse der räumlichen Auflösung eines SAR dargestellt, bei welchem die Zielabstände ZA in Entfernung und Azimut nach einem logarithmischen Gesetz abnehmen.

Fig. 3 ist die Gesamtschaltung eines Transponders und darin rechts von der gestrichelten Linie ein Mustermodulator ersichtlich, mit welcher die elektronische Funktion erläutert wird. Die vom Radar empfangenen Signale P _e werden von der Sende-Empfangsantenne H (hier beispielsweise ein Hornstrahler) über einen Zirkulator Z einem Mischer M ₁ zugeführt, der die Signale P _e mit Hilfe eines von einem Hauptoszillator HO gelieferten Lokaloszillatorsignals LO ₁ in eine erste Zwischenfrequenzlage ZF ₁ umgesetzt. Die Zwischenfrequenzlage ZF ₁ gelangt über eine steuerbare Verzögerungsleitung SD an eine Reihe von Mischern M ₂, welche auf ihren Ausgangsseiten mit den Eingängen einer angezapften Verzögerungsleitung D verbunden ist. die Anzapfungen entsprechen dabei den Entfernungsbildspalten des zu erzeugenden Rückstreuquerschnitt-Zielmusters. Die Eingangsseiten der Mischer M ₂ werden von je einer Zeile von frequenzmässig äquidistanten oder nach bestimmten Gesetzen (z.B. logarithmisch) und dem Azimut-Pixelabstand entsprechenden Oszillatoren OZ mit einstellbaren und durch die Rauschquellen R 2 ₁ bis R 2 _n an den Steuereingängen ES 2 ₁ bis ES 2 _n modulierbaren Amplituden angesteuert. Eine Reihe von einstellbaren Dämpfungsgliedern A dient zur Amplitudenwichtung der Zeilen. Die Zeilen der Oszillatoren OZ in einer Oszillatormatrix M entsprechen den Azimut-Zeilen des Zielmusters. Die Signale einer solchen Zeile werden im Summierglied S zu Spektren zusammengefasst. Durch die Mischung in den Mischern M ₂ entsteht eine zweite Zwischenfrequenz ZF ₂. In dieser Lage werden durch einen Verstärker V die Verluste der gesamten Schaltung ausgeglichen und summarisch der Pegel der wiederauszusendenden Signale eingestellt. Nach dieser Verstärkung werden die manipulierten Signale mit Hilfe einer zweiten Lokaloszillatorfrequenz LO ₂ des Hauptoszillators HO im Mischer M ₃ in die Originalfrequenzlage des Radars zurückgemischt. Die Lokaloszillatorsignale LO ₁ und LO ₂ haben zueinander einen beliebigen aber starren Phasenbezug. Nach Rückumsetzung gelangen die Sendesignale P _s über den Zirkulator Z wieder zur Sende-Empfangsantenne H. Die Funktion der steuerbaren Verzögerungsleitung SD besteht darin, summarisch einen inkrementalen Entfernungsversatz, zum Beispiel im Takte der Pulswiederholfrequenz oder mit Hilfe der Rauschquelle R ₁ in stochastischer Weise einzuführen (Defokussierung in Entfernungsrichtung). In analoger Weise wird durch die Rauschquellen R 2 ₁ bis R 2 _n ein Lageversatz der Bildpunkte in der Azimutrichtung bewirkt (Defokussierung im Azimut). Der Verstärker V ist als elektronisch regelbarer Verstärker mit einem Steuereingang ES ₃ ausgebildet. Werden schliesslich von einem Oszillator WO, der niedrige Frequenzen im Bereich der natürlichen winderzeugten Wellen liefert, Spannungen in geeigneten vektoriellen Relationen abgeleitet und auf die Steuereingänge ES ₁, ES ₂ und ES ₃ geführt, so lässt sich dem zuvor eingestellten Zielmuster eine deterministische Wellenmodulation überlagern.

Claims (3)

1. Verfahren zur Erzeugung eines künstlichen Rückstreuzielmusters in der Abbildung eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) mittels einer elektronischen Schaltung in einem im Zielgebiet des SAR angeordneten Transponder, dadurch gekennzeichnet, dass vom SAR ausgehende Impulse vom Transponder empfangen und nach Maßgabe von elektronischen Befehlen in der elektronischen Schaltung in so viele, individuell oder summarisch nach Betrag und Phase modulierbare Einzelkomponenten zerlegt werden, dass diese nach zeitlicher Verzögerung, Summation, Verstärkung und Zurücksendung zum SAR in dessen Abbildung ein geometrisches Zielmuster erzeugen, welches hinsichtlich seiner räumlichen Frequenzen eine Analyse der Amplituden- und Phasentransferfunktion des SAR oder durch ein nach Rückstreuquerschnitt und Kohärenzgrad abgestuftes Raster die Identifizierung von natürlichen und künstlichen Rückstreusignaturen auf dem Wege des Vergleichs ermöglicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung mittels einer zusätzlichen Modulation die Überlagerung von Bewegtzielechos über ein vorgewähltes Zielmuster ermöglicht.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Kombination von folgenden, an sich bekannten Komponenten: einem Hornstrahler (H), einem Zirkulator (Z), zweier Mischer (M ₁ und M ₃), einem Hauptoszillator (HO), einer Verzögerungsleitung (D), einer Matrix (M) von steuerbaren Oszillatoren (OZ), einer Reihe von Summiergliedern (S), einer Reihe von Mischern (M ₂), einer Reihe von einstellbaren Dämpfungsgliedern (A), einer steuerbaren Verzögerungsleitung (SD) mit Steuereingang (ES 1), einer Rauschquelle (R 1), einer Reihe von Rauschquellen (R 2 ₁ bis R 2 _n ), einem über einen Steuereingang (ES 3) regelbaren Verstärker (V) und einem Oszillator (WO).