PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3113472C2 13.07.1989
Titel Sensorsystem
Anmelder Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH, 6000 Frankfurt, DE
Erfinder Lindner, Kurt, Dipl.-Ing., 7900 Ulm, DE
DE-Anmeldedatum 03.04.1981
DE-Aktenzeichen 3113472
Offenlegungstag 21.10.1982
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.07.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.1989
IPC-Hauptklasse G01S 13/86
Zusammenfassung In einem Sensorsystem mit einer Dopplerradareinrichtung und einer Radiometereinrichtung und Mitteln zum Vergleich der über die beiden Einrichtungen gewonnenen Zielinformation wird der Empfangsmischer mit Mischeroszillator sowohl zur Abstrahlung des CW-Dopplerradar-Sendesignals als auch zum Frequenzumsetzen des empfangenen Radarecho- und Radiometersignals angewandt. Das Dopplerradarsignal liegt am Mischerausgang niederfrequent, das Radiometersignal zwischenfrequent an, so daß beide leicht getrennt und einzeln weiterverarbeitet werden können. Das Radiometersignal wird nur auf einen Sprung in der Rauschtemperatur hin untersucht. Beim Vorliegen eines Temperatursprungs und gleichzeitigem Erkennen eines Radarziels wird auf das Vorhandensein eines metallischen Ziels erkannt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem mit einer Radiometereinrichtung, einer Dopplerradareinrichtung und Mitteln zum Vergleich der über diese Einrichtungen empfangenen Signale bzw. der aus den Signalen gewonnenen Information.

Derartige Sensorsysteme finden bevorzugt Einsatz zur Entdeckung metallischer Ziele in einer gestörten Umgebung, wobei als Störung hauptsächlich Unregelmäßigkeiten des das Ziel umgebenden Erdbodens angesehen werden können. Bei Radarsensoren ergibt sich dabei die Schwierigkeit, daß Störechos vom Erdboden und Echos vom zu entdeckenden Ziel im gleichen Größenbereich liegen können. Dadurch besteht die Gefahr, daß die Zielerkennungslogik entweder bei einem Störecho auf Ziel erkannt oder ein Zielecho als Störecho einstuft und nicht reagiert.

Bei der Entdeckung metallischer Ziele durch radiometrische Sonden wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß die Rauschtemperatur des Erdbodens im allgemeinen rund 300 K beträgt, während metallische Gegenstände die Temperatur des Himmels wiederspiegeln, die zumeist unter 100 K liegt. Durch Messung der Rauschtemperatur des von der Antennenkeule der Radiometereinrichtung erfaßten Zielbereichs kann daher eine Zielunterscheidung getroffen werden. Dieses Entdeckungsprinzip spricht jedoch auch auf Wasserflächen an, die ebenfalls die Temperatur des Himmels wiederspiegeln. Damit ergibt sich auch bei der Zielentdeckung mit einer radiometrischen Meßsonde eine unannehmbar hohe Falschalarmwahrscheinlichkeit.

Darüber hinaus sind zur Zielentdeckung noch aktive oder passive optische Sensoren bekannt, die jedoch nicht allwettertauglich sind und daher im allgemeinen ausscheiden.

Da sowohl Radarsensoren als auch Radiometersensoren metallische Ziele erkennen, die Störechos verursachenden Falschziele jedoch bei den beiden Entdeckungsverfahren verschieden sind, ist eine Kombination der beiden Verfahren geeignet, durch Korrelation Falschziele von echten Zielen zu unterscheiden. Dies erfordert in einem Sensorsystem sowohl eine Radareinrichtung als auch eine Radiometereinrichtung. Dadurch wird jedoch der apparative Aufwand bei Verwendung bekannter Radiometer- und Radareinrichtungen für viele Anwendungsfälle, in denen der verfügbare Platz für das Sensorsystem begrenzt ist, zu groß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorsystem zur eindeutigen Detektion von metallischen Zielen in beliebiger Umgebung auch bei komplexen Clutterverhältnissen anzugeben, das gleichzeitig einen geringen Aufwand erfordert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Sensorsystem mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem kombiniert die Vorteile der radiometrischen Meßsonden mit denen der Radarsensoren und ermöglicht durch Korrelation der über die beiden Erkennungseinrichtungen gewonnenen Information eine eindeutige Zielidentifikation in gestörter Umgebung. Die erfindungsgemäße Zusammenfassung der Empfangsteile für Radiometer und Dopplerradar verringert beträchtlich den Aufwand gegenüber der Verwendung zweier getrennter Systeme und macht somit ein Sensorsystem mit geringem Raumbedarf und niedrigem Preis verfügbar. Durch die Verringerung der Bauteile ergeben sich günstige Auswirkungen auf die Sicherheit gegen Funktionsausfälle und auf das Gewicht des Systems.

Das von der Antenne aufgenommene Signal setzt sich zusammen aus dem Radarechosignal, welches aufgrund der Relativbewegung des Sensorsystems gegenüber Ziel und Erdboden eine Dopplerverschiebung aufweist, und der Temperaturstrahlung aus dem Erfassungsbereich der Antenne. Das dopplerverschobene Radarechosignal erscheint am Ausgang des Mischers als niederfrequente Schwingung (CW- Dopplerradar). Gleichzeitig wird die empfangene radiometrische Rauschleistung durch den Oszillator und den Mischer in eine Zwischenfrequenzlage gebracht.

Radar- und Radiometersignal lassen sich nach dem Mischer leicht durch eine Filteranordnung trennen, da sie frequenzmäßig weit auseinander liegen. Das Dopplersignal liegt im allgemeinen unter 10 kHz, während aus dem zwischenfrequenten Radiometersignal der Anteil im MHz- Bereich breitbandig verstärkt wird. Nach getrennter Signalbewertung und Entscheidung auf Ziel oder Nichtziel in den beiden Signalzügen der getrennten Radiometereinrichtung und Dopplerradareinrichtung werden die beiden Zielaussagen korreliert und eine eindeutige Beurteilung der Zielsituation getroffen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das gemeinsame Empfangsteil von Dopplerradar und Radiometer derart auszubilden, daß die sonst ungewünschte Abstrahlung des Mischeroszillators aus dem Mikrowellenmischer absichtlich nicht durch Kompensations- oder Abschirmungsmaßnahmen unterdrückt, sondern gezielt über die Antenne als Sendesignal des Dopplerradars ausgesandt wird. Dadurch entfällt ein separater Sendezweig im Aufbau des Sensorsystems, wodurch der Aufwand und die Kosten sowie das Gewicht des Systems weiter verringert werden. Der Anteil der abgestrahlten Energie kann im Rahmen der zulässigen Belastung des Mischers noch gezielt angehoben werden, wodurch die Funktion des Dopplerradars verbessert wird.

Ein besonders kompakter Aufbau des Systems ergibt sich, wenn für den Oszillator und den Mischer eine selbstschwingende Mischstufe verwendet werden kann. Die Verfügbarkeit derartiger Mischstufen ist allerdings im Millimeterwellenbereich nach höheren Frequenzen hin noch nicht gegeben. Für Frequenzen bis zu einigen GHz ist es günstig, den Aufbau des Systems teilweise oder vollständig in Streifenleitungs-Technik vorzunehmen. Bei höheren Frequenzen versagt die Streifenleitungs-Technik aufgrund zunehmender Verluste durch Abstrahlung und Materialdämpfung sowie Problemen im mechanischen Aufbau.

In diesen höheren Frequenzbereichen findet vorteilhafterweise die Finline-Technik im Aufbau des Systems Anwendung, wobei auch die Antenne in dieser Technik ausgeführt sein kann.

Die Verarbeitung und Bewertung des niederfrequenten Dopplersignals erfolgt in einer Erkennungslogik durch an sich bekannte Prüfung des Amplituden- und Frequenzverlaufs der Dopplerschwingung. Daraus wird eine Beurteilung der Zielsituation getroffen.

Beim Überfliegen von normalem Gelände wird durch eine Radiometereinrichtung eine annähernd konstante Rauschtemperatur von ca. 300 K gemessen. Wasserflächen und metallische Ziele spiegeln weitgehend die Temperatur des Himmels und liegen damit im allgemeinen unter 100 K. Durch diesen Unterschied in der Rauschtemperatur können mittels eines Radiometers Wasserflächen und metallische Ziele erkannt werden. Eine besonders günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sendersystems sieht vor, im Radiometersignalzweig nicht die absolute Rauschtemperatur, sondern nur einen Temperatursprung, der sich als schnelle Veränderung des Radiometersignals zeigt, zu detektieren. Dadurch kann die sonst übliche Referenzprüfung zur Driftkompensation des Systems über Normalquellen (z. B. Dickeschalter) entfallen. Vorteilhafterweise wird das mit einem Hüllkurvendemodulator gleichgerichtete Radiometersignal über einen Hochpaß geleitet. Dabei wird die Gleichspannungskomponente des Radiometersignals, die in bekannter Weise proportional zur Strahlungstemperatur des mit der Antenne betrachteten Körpers ist, abgetrennt und nur die Sprungfunktion der Radiometerspannung als pulsförmiges Signal auf den Ausgang des Hochpasses übertragen.

Durch die simultane Verarbeitung beider Signale treten keine zeitlichen Umschaltverluste zwischen Radarsensor und Radiometer auf. Zudem entfällt die radiometrische Referenzumschaltung, wodurch die Zielbetrachtungszeit wesentlich vergrößert wird.

Der Arbeitsbereich des Sensorsystems, d. h. die Frequenz des Oszillators liegt vorzugsweise in den Millimeterwellenfenstern bei 33 und 94 GHz, wo die Absorption der Atmosphäre Minima aufweist.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem findet bevorzugt Anwendung zur Detektion metallischer Bodenziele von Flugkörpern aus, wobei sich der kleine Raumbedarf und das geringe Gewicht sowie der mechanisch robuste Aufbau als besonders vorteilhaft erweisen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Abbildung in ihrem prinzipiellen Aufbau veranschaulicht. Der Oszillator 3 gibt die Leistung auf den Mischer 2, die teilweise durch diesen Mischer hindurch auf die Antenne 1 gestrahlt und von dieser als CW-Signal ausgesandt wird. Im Gegenzug wird von der Antenne Mikrowellenstrahlung, die sowohl Echos der ausgesandten Strahlung als auch Temperaturstrahlung des Ziels enthält, empfangen und auf den Mischer geleitet. Durch Mischung mit der Oszillatorfrequenz erscheint am Ausgang des Mikrowellenmischers 2 das reflektierte Signal infolge der Eigenbewegung des Sensors als niederfrequentes Dopplersignal und die Rauschleistung des Ziels als zwischenfrequentes Signal. In der Kanalfilteranordnung 4 wird aus dem Ausgangssignal des Mischers im Bereich bis 10 kHz das Dopplersignal und im MHz-Bereich das ZF Radiometersignal ausgefiltert.

Das Dopplersignal wird im Verstärker 8 verstärkt und im Zielextraktor 9 auf das Vorhandensein eines Ziels geprüft. Bei Zielerkennung wird ein entsprechendes Signal an den Komparator 10 abgegeben. Zusätzlich kann in erster Näherung aus der Amplitude des Dopplersignals eine Entfernungsauflösung gewonnen werden, da der Radarquerschnitt im Nahfeld bekannt ist. Gleichzeitig wird das Radiometersignal im Verstärker 5 breitbandig verstärkt (5 bis 500 MHz) und mit einem Hüllkurvendemodulator 6 gleichgerichtet. In dem nachgeschalteten Hochpaß 7 wird die driftbehaftete Gleichspannungskomponente des Radiometers abgetrennt und nur der Sprung im Signal entsprechend einem Sprung in der Rauschtemperatur als pulsförmiges Signal übertragen. Dieser Impuls wird auf den Komparator 10 gegeben, der nur dann auf ein Ziel erkennt, wenn gleichzeitig auch vom Zielextraktor der Dopplerradareinrichtung auf Ziel erkannt wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Sensorsystem mit einer Radiometereinrichtung, einer Dopplerradareinrichtung und Mitteln zum Vergleich der über diese Einrichtungen empfangenen Signale bzw. der daraus gewonnenen Information, gekennzeichnet durch

    einen für die Radiometereinrichtung und die Dopplerradareinrichtung gemeinsamen Empfangsteil, mit Antenne (1), Mischer (2) und Mischeroszillator (3), und

    durch eine Kanalfilteranordnung (4), welche die im Ausgangssignal des Mischers enthaltenen niederfrequenten Dopplersignale und hochfrequenten Radiometersignale getrennt ausfiltert und zur Signalverarbeitung und -bewertung der getrennten Radiometereinrichtung (5, 6, 7) und Dopplerradareinrichtung (8, 9) zuführt.
  2. 2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der Dopplerradareinrichtung und der Radiometereinrichtung gemeinsame Empfangsteil zugleich als Sendeteil der Dopplerradareinrichtung eingesetzt ist, wobei die Störstrahlung des Mischers (2) als Sendeenergie über die Antenne (1) abgestrahlt wird.
  3. 3. Sensorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstrahlung des Mischers (2) gezielt angehoben ist.
  4. 4. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Oszillator und Mischer als selbstschwingende Mischstufe ausgeführt sind.
  5. 5. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau des Systems zumindest teilweise in Streifenleitungs-Technik ausgeführt ist.
  6. 6. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau des Systems zumindest teilweise in Finline-Technik ausgeführt ist.
  7. 7. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem separaten Radiometersignalweg Mittel zum Detektieren schneller Veränderungen des Radiometersignals vorgesehen sind.
  8. 8. Sensorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel einen Hüllkurvendemodulator (6) und ein Hochpaßfilter (7) enthalten.
  9. 9. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsbereich des Systems in den atmosphärischen Millimeterwellenfenstern bei 33 oder 94 GHz liegt.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com