DE3315499C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Erzeugung eines künstlichen Rückstreuziel­ musters in der Abbildung eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) mittels eines in einem Zielgebiet des SAR an­ geordneten Transponders mit einer darin enthaltenen elektro­ nischen Schaltung.

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 bis­ her Gruppenanordnungen von Radarreflektoren am Boden mit zum Teil hohem Rückstreuquerschnitt und folglich großen Ab­ messungen und großem Gewicht. Neben diesen Nachteilen er­ geben sich damit jedoch noch eine Reihe weiterer schwer­ wiegender Nachteile, welche darin bestehen, daß

• 1. damit nur im Rückstreuquerschnitt konstante Punktziele und Punktzielmuster zu einer nur unvollständigen Be­ stimmung 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 Ab­ warten des nächsten Überfluges (gegebenenfalls nach Tagen) erfordert;
• 4. der die Messungen beeinflussende natürliche Rückstreu­ hintergrund des Geländes nur in Grenzen frei wählbar ist und
• 5. die Erzeugung von Zielmustern mit einstellbarem Kohä­ renzgrad sowie die Einbettung von kohärenten, harten Zielen in solche mit definierten stochastischen Kompo­ nenten 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 Punkt­ ziel-Eichung, der Festlegung des Bewegtziel/Festzielverhält­ nisses (Subclutter-Visibility) und zur Zeichenmarkierung sind z. B. in der DE 32 22 869 C1 und DE 32 48 879 A1 vorgeschlagen worden, worin künstliche Zielmarken mit gleichmäßigem Rück­ streuquerschnitt erzeugt werden, so daß die natürlichen Rückstreuquerschnitte überdeckt und entweder einem gegne­ rischen SAR Einblick in das Areal verwehrt oder spezielle Areale im SAR-Bild markiert werden. Dabei beziehen sich beide Fälle nicht auf eine Erzeugung komplexer Zielmuster deren Signaturcharakteristika echten Zielmustern gleichen. Schaltungsmaßnahmen zur kohärenten Frequenzumsetzung, zur Modulation und zur Richtungs­ entkopplung gleichfrequenter Signale sind allgemein be­ kannt.

Zum Beispiel ist aus der DE 30 00 876 A1 ein kodierter kohärenter Transponder bekannt, der einen Empfänger und einen Sender zum Empfang eines Abfragesignals und zur Übertragung eines kohärenten Anwortsignals 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 An­ zahl von Dopplerfrequenzkomponenten gleichzeitig repräsen­ tiert werden.

Weiter bekannt ist aus der DE 28 13 917 A1 eine Schaltungs­ anordnung zur Erzeugung simulierter Echosignale zur Stabi­ litätsmessung 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 Entkopp­ lungs- und Schalteinrichtungen an eine akustische Verzöge­ rungsleitung und einen Phasenmodulator leitet und mit einer steuerbaren Verzögerung und Frequenzverschiebung als simulierte Radar-Echoimpulse wieder abstrahlt.

Ferner ist aus der DE 26 12 634 A1 ein Verfahren zum Be­ stimmen 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 zwei­ tes Empfangssignal erzeugt. Das zweite Empfangssignal wird an der ersten Stelle im inneren Signalpfad des Transpon­ ders erfaßt und die zwischen dem Erfassen des ersten Empfangssignals und dem Erfassen des zweiten Empfangs­ signals 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 Antwortsender, 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 kom­ plexen 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 Abbildungs­ eigenschaften eines SAR und die Signaturanalyse ermöglicht, sowie die eingangs erwähnten Nachteile beseitigt werden. Die Vorrichtung sollte in bezug auf Bedienbarkeit vorteil­ haft ausgestaltet und leicht transportabel sein und mit ihrem experimentellen Rahmen über die vorerwähnten Mög­ lichkeiten 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 vorliegen­ den Erfindung wird durch Anwendung und Kombination von an sich bekannten elektronischen Prinzipien in einem Signal­ transponder 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 Azi­ mut-Versatz des simulierten Zieles vom wahren Aufstellungs­ ort des Transponders. Der Entfernungsversatz wird bei bei­ den Radartypen gleichermaßen durch Verzögerung der wieder­ ausgesandten Radarimpulse bewirkt.

Die gleichzeitige Anwendung beider Prinzipien erlaubt beim SAR die Simulation von in Azimut und Entfernung verschieb­ baren Festzielen. Durch die zweckmäßige elektronische Ausgestaltung des Transponders durch Wahl geeigneter Modu­ lationsspektren und durch Aufschalten verschiedener zeit­ lich konstanter Spektren auf verschiedene, in der Ent­ fernung gestaffelte Anzapfungen einer Verzögerungsleitung lassen sich im Rückstreuquerschnitt gewichtete Punktziel­ muster 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-) Modu­ lation versehen werden, sondern es müssen die system­ inhärenten Funktionen der Phasenhistorie und Zielwanderung verfälscht werden.

Da jedoch beim SAR-Prozessieren der Frequenz-/Phasenversatz von Echos bereits für das zweidimensionale Sortierprinzip "verbraucht" wird, wird die Rückstrahlenergie von Bewegt­ zielen auf eine oder mehrere Azimut-Bildzeilen verteilt und das Bewegtziel nicht mehr als Punktziel abgebildet.

Somit beinhaltet das SAR eine inhärente Bewegtzielunter­ drückung, die nur durch aufwendige iterative Prozeß­ schritte aufgehoben werden kann, wobei alle anderen Ziele - feste und bewegliche mit anderen Geschwindigkeitskompo­ nenten - unterdrückt werden. Aufgrund dieser Eigenschaften des SAR stellt zum Beispiel die Windmodulation oder allge­ mein der Störeffekt von Zielbewegungen ein wichtiges Prob­ lem 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 Signatur­ vergleiche 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 Anbau­ arten, natürlichem Bewuchs und geologischen Formationen experimentell erreichbar.

Bei der technischen Realisierung muß das empfangene Radar­ signal in eine oder zwei im VHF-Bereich liegende Zwischen­ frequenzen 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 Unter­ drückung von Schwingneigung in hohem Maße entkoppelt werden.

Ein Ausführungsbeispiel ist folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein breitbandiges Zielmuster,

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

Fig. 3 eine elektronische Schaltung eines Muster­ modulators.

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 an­ gedeutet - 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 Azimutrich­ tung überlagert, die als Dichtemodulation dargestellt ist. Die Größen der Zeilen und Spalten sind auf die Auf­ lösungseigenschaften des benutzten SAR anzupassen und soll­ ten 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.

Aus Fig. 3 ist die Gesamtschaltung eines Transponders und darin rechts von der gestrichelten Linie ein Mustermodula­ tor 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 zu­ geführt, 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 Ver­ zögerungsleitung SD an eine Reihe von Mischern M ₂, welche auf ihren Ausgangsseiten mit den Eingängen einer ange­ zapften Verzögerungsleitung D verbunden ist. Die Anzapfun­ gen 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 Ge­ setzen (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 Amplituden­ wichtung 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 Zwischen­ frequenz ZF ₂. In dieser Lage werden durch einen Verstärker V die Verluste der gesamten Schaltung ausgeglichen und summarisch der Pegel der wiederauszusendenden Signale ein­ gestellt.

Nach dieser Verstärkung werden die manipulierten Signale mit Hilfe einer zweiten Lokaloszillatorfrequenz LO ₂ des Hauptoszillators HO im Mischer M ₃ in die Originalfrequenz­ lage 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 be­ steht darin, summarisch einen inkrementalen Entfernungs­ versatz, 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 be­ wirkt (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 Steuer­ eingänge ES ₁, ES ₂ und ES ₃ geführt, so läßt sich dem zu­ vor eingestellten Zielmuster eine deterministische Wellen­ modulation überlagern.

Claims (3)

1. Verfahren zur Erzeugung eines künstlichen Rückstreuziel­ musters in der Abbildung eines Radars mit synthetischer Apertur (SAR) mittels eines in einem Zielgebiet des SAR angeordneten Transponders mit einer darin enthaltenen elektronischen Schaltung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltung die vom SAR aus­ gehenden Impulse in individuell oder summarisch nach Betrag und Phase modulierbare Einzelkomponenten zerlegt, diese statistisch (Rauschquelle) und/oder gewollt deter­ ministisch unterschiedlich zeitlich verzögert und unter­ schiedlich in ihre Frequenzlage versetzt und nach Ver­ stärkung zum SAR zurücksendet, wobei im SAR-Bild kom­ plexe geometrische Zielmuster entstehen, die in ihrem Signaturcharakter natürlich und künstlichen Rück­ streusignaturen gleichen und sowohl die Identifizierung echter Ziele dieser Art als auch eine Analyse der Ampli­ tuden- und Phasentransferfunktion des SAR auf dem Wege des Vergleichs ermöglichen.

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 oder 2, gekennzeichnet durch die Kombination bekannter elektronischer Komponenten, daß vom SAR über einen Hornstrahler (H) und Zirkulator (Z) empfangene Signale in einem Mischer (M ₁) und Oszillator (HO) in eine Zwi­ schenfrequenzlage abgemischt, in einer Verzögerungs­ leitung (SD) verzögert, in Teilkomponenten zerlegt, in einem Mischer (M ₂) unterschiedlich moduliert, in ein­ stellbaren Dämpfungsgliedern (A) gedämpft, einer steuerbaren Verzögerungsleitung (D) nochmals verzögert, in einem regelbaren Verstärker (V) verstärkt und in einem Mischer (M ₃) und dem Oszillator (HO) wieder in die Hochfrequenzlage hochgemischt und zum SAR über den Zirkulator (Z) und Hornstrahler (H) zurückgesendet werden, wobei die Modulation, Abschwächung und Verzöge­ rung deterministisch und statistisch durch die von Summiergliedern (S) gebildete Summe der Signale von einer aus steuerbaren Einzeloszillatoren (OZ) gebil­ deten Matrix (M) und Rauschquellen (R 1, R 2 ₁ bis R 2 _n ) gesteuert wird.