Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bildung eines Feinmodells der von einem Radargerät empfangenen Bodenechos.

Seit langem versuchen die Radarfachleute zur Verbesserung der Leistungen der Radargeräte eine Simulation der Radarechos, die vom Boden reflektiert werden (im Englischen "clutter"), wenn das Radargerät an seinem Betriebsort aufgebaut und in Betrieb genommen wird. Dies soll möglich sein, ohne die tatsächliche Inbetriebnahme des Radargeräts abzuwarten.

Die Merkmale der vom Boden reflektierten Echos hängen stark vom Betriebsort ab. Daher ist es wichtig, die Bodenechos genau im Modell nachzubilden, die das Radargerät an den Stellen berücksichtigen soll, an denen es aufgestellt ist.

Da es keine Karten mit den Merkmalen der Bodenechos für den ganzen Erdball und in allen Frequenzbändern und Polarisationen gibt, sind die digitalen Geländemodelle als Ausgangsdaten am besten geeignet. Diese gibt es für nahezu den ganzen Erdball und liefern in digitalisierter Form in jedem Punkt eines relativ feinmaschigen Gitters die Höhe und die Art des Bodens sowie eine Angabe über die Art der Bedeckung des Bodens (Wälder, Straßen, Flüsse, Hochbauten ...). Sie bilden den Ausgangspunkt für viele moderne Simulationen der Bodenechos.

Die bekannten Methoden, beispielsweise die Rechnersoftware zur Modellbildung ausgehend von digitalen Geländemodellen, wie sie vom MIT in den Vereinigten Staaten entwickelt wurden, berücksichtigen für jedes betreffende Gelände-Element den Bestrahlungswinkel, die Wellenausbreitung zwischen dem Radargerät und dem betreffenden Ort (gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Abschattungs- und Reflexionseffekte) und eine Schätzung der Reflexionswirkung des Bodens aufgrund des Einfallswinkels und der vorliegenden Landschaftskategorie. Die mittlere Höhe der Objekte auf dem betreffenden Gelände-Element wird nur zur Berechnung des Einfallswinkels und der Dämpfung des Radarsignals herangezogen.

Im besten Fall werden die Bodenechos berechnet, indem ausgehend von der Höhenlager des Geländes, gegebenenfalls vergrößert um die mittlere Höhe der Objekte, der Einfallswinkel der vom Radargerät empfangenen Wellen bestimmt und dann die Radarreflektivität geschätzt wird (das Verhältnis zwischen der äquivalenten Radarfläche und der tatsächlichen Flächeneinheit), Diese Reflektivität wird aus mehreren möglichen Werten ausgewählt, wobei die Auswahl durch das verwendete Frequenzband, die Polarisation, den Beleuchtungswinkel und die Art des Geländes (ländlich, städtisch. Ebene, Gebirge) beeinflußt wird.

Die mit den bekannten Methoden erzielten Ergebnisse weisen im Vergleich zur festgestellten Realität erhebliche Fehler auf, sobald der Boden nennenswerte senkrechte Erhebungen auf weist. Diese sind nämlich im wesentlichen bei niedrigem Einfallswinkel oder sogar streifendem Einfall für die Bodenechos von Bedeutung, und die relativ zufällige Wahl eines Reflexionswert entsprechend dem Mittelwert einer Landschaft kann diese Beiträge nicht richtig berücksichtigen, woraus die festgestellten Abweichungen resultieren.

Dies macht die Vorhersagen der daraus abgeleiteten Leistungen, insbesondere bei Oberflächenradargeräten weniger glaubwürdig, die den Boden unter sehr geringen Einfallswinkeln sehen und für die die Objekte auf dem Boden die wesentlichen Quellen für Echos mit sehr unterschiedlichen Amplituden sind.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur genauen Modellbildung der von einem Radargerät unter einem geringen Einfallswinkel empfangenen Bodenechos ausgehend von einem digitalen Modell des Geländes, sodaß eine Modellbil dung der Bodenechos jedes Geländes unabhängig von seiner Oberfläche (Vegetation und/oder Hochbauten) im Maßstab der Auflösungszelle möglich ist, das heißt indem die Struktur der Reflexionskarten möglichst genau reproduziert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, ausgehend von einem digitalen Modell des von einem Gitterraster überzogenen Geländes die Zellen zu identifizieren, die Elemente mit einer die Auflösung des Modells übersteigenden Höhe enthalten, für die betreffenden Zellen die mittlere Höhe dieser Elemente zu bestimmen, die Zellen in Höhenschichten zu zerlegen und für jede Höhenschicht jeder betroffenen Zelle die reflektierte Leistung zu berechnen, indem ihr Inhalt durch über die ganze Höhe verteilte Elementarreflektoren ersetzt wird, und zwar unter Berücksichtigung der benachbarten Zellen und des Profils des Geländes zwischen dem Radargerät und der betreffenden Zelle.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines die Erfindung nicht einschränkenden Beispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Elements der Modell-Bodenechos eines beliebigen Hindernisses.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Wahrscheinlichkeitsdichte der Anzahl von Elementarreflektoren eines Hindernisses für zwei unterschiedliche Höhen darstellt.

Fig. 3 zeigt das Diagramm eines Beispiels einer Funktion, die die mittlere Anzahl von Elementarreflektoren entlang der Höhe eines Hindernisses bestimmt.

In Fig. 1 ist ein Teil eines Reflexionselements 1, beispielsweise das Modell eines Waldes, dargestellt, der eine große Zahl von (diskret dargestellten) Elementarreflektoren 2 enthält. Diese Elementarreflektoren stellen im vorliegenden Fall die Blätter der Bäume dar. Bei 3 wurde der einfallende und der reflektierte Radarstrahl markiert. Da ein Echo für ein Radargerät ein komplexes Objekt ist, für

das die Lokalisierung der verschiedenen Elementarreflektoren nicht in Betracht kommt, schlägt die Erfindung vor, davon auszugehen, daß dieses Objekt von einer großen Zahl von Reflektoren gebildet wird, wobei die Phasen der reflektierten Echos zufällig sind. Wenn in diesem Fall die Reflektoren gleichförmig vom Radargerät beleuchtet werden, nähert sich die äquivalente Radarfläche der Summe der elementaren äquivalenten Oberflächen. Man muß dann die Höhenverteilung der Elementarreflektoren untersuchen.

In Fig. 2 ist die Wahrscheinlichkeitsdichte der Anzahl von Elementarreflektoren der betreffenden Echos für zwei unterschiedliche Höhen h1 und h2 dargestellt. Man hat angenommen, daß der im Modell nachzubildende Wald ein homogenes Milieu ist. In diesem Fall sind alle Reflektoren identisch und die äquivalente Radarfläche hängt nicht von ihrer Höhe h ab.

In Fig. 3 wurde der Verlauf der mittleren Anzahl (oder Dichte) der Elementarreflektoren abhängig von ihrer Höhe h dargestellt. Für eine gegebene Höhe h ist die Anzahl der Reflektoren eine Zufallsvariable, deren Mittelwert in Fig. 3 dargestellt ist. Dem Fachmann fällt es leicht, dann diese mittlere Dichte zu berechnen und die typische Abweichung der Verteilung der Elementarreflektoren für eine gegebene Höhe zu berechnen.

Erfindungsgemäß teilt man das betreffende Element der Bodenechos, das so durch vertikale Verteilung seiner Reflektoren im Modell nachgebildet wurde, in N Elementarsegmente und berechnet für jedes dieser Elementarsegmente in an sich bekannter Weise das mittlere reflektierte Feld, das also von den charakteristischen Parametern der Elementarreflektoren abhängt, nämlich von der äquivalenten Radarfläche und ihrer mittleren Dichte abhängig von ihrer Höhe und dem Wert dess einfallenden Felds für diese Höhe, wobei dieses Feld von den zwischen dem Radargerät und dem betreffenden Reflektorelement liegenden Hindernissen abhängt.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet man ein für das Gelände vorhandenes digitales Modell. Ein solches Modell wird von Geländezellen gebildet, deren Abmessungen und Auflösung derzeit brauchbar sind (beispielsweise Zellen von etwa 60·90 m²), dies umso mehr, als man die Auflösung derzeit durch Ergänzung ihrer Informationen durch statistische Beschreibungen und gegebenenfalls von anderen Quellen kommende Informationen verbessern kann. Wenn die Qualität dieser Modelle verbessert wird, bietet natürlich das erfindungsgemäße Verfahren eine der Realität noch näher kommende Modellbildung.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt man unter den Zellen dieses Rasters diejenigen, die erheblich in Höhenrichtung ausgedehnte Reflektorelemente enthalten, das heißt Elemente (Blätter von Bäumen, Hochbauten u. s. w.), deren Höhe die Auflösung des Modells überschreitet, beispielsweise um einen Schritt zwischen 2 und 5 Metern). Für jede dieser Zellen berechnet man die gesamte zum Radargerät reflektierte Leistung, wie oben ausgeführt. Man wird dann einfach angeben, daß man sich entweder der mittleren Höhe der in der Zelle enthaltenen Elemente bedient, wenn das digitale Modell des Geländes sie angibt, oder daß man diese Angaben aus der Natur dieser Elemente ableitet. Im Fall eines im wesentlichen aus Bäumen mit dauerhaftem Laub bestehenden Waldes legt man beispielsweise die Höhe auf 20 m mit einer typischen Abweichung von 5 m fest.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von einem existierenden digitalen Modell des Geländes aus und besteht darin, für die vom digitalen Geländemodell als Träger von Elementen mit einer vertikalen Ausdehnung identifizierten Zellen des Rasters die gesamte zum Radargerät reflektierte Leistung zu berechnen. Dies geschieht unter Verwendung der mittleren Höhe der Elemente der Zelle, wenn das digitale Modell des Geländes sie angibt, und wird ansonsten von der Natur der Elemente abgeleitet.

Wenn die mittlere Höhe geschätzt ist, berechnet man die reflektierte Leistung, indem man den Inhalt der betreffenden Zelle durch Elementarreflektoren ersetzt, die über die ganze Höhe verteilt sind und einer Zerlegung in Höhenschichten entsprechen. Die funkelektrischen Merkmale und die geometrische Verteilung dieser Elementarreflektoren werden ausgehend von Angaben geschätzt, die die Natur der Objekte der vorhandenen Zelle beschreiben. Die Berechnung des vom Radargerät empfangenen Signals erfolgt dann, indem für jede Höhenschicht die empfangene und dann reflektierte Leistung unter Berücksichtigung insbesondere der benachbarten Zellen und des Profils des Geländes zwischen dem Radargerät und der betreffenden Zelle bestimmt wird. Diese Berechnung wird für alle Zellen des Netzes wiederholt. Der Vergleich zwischen den aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens simulierten Bodenechos und der beobachteten Bodenreflexion zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren zu einer der Realität sehr nahekommenden Darstellung führt, und zwar auch für Zonen, die zahlreiche Elemente mit einer vertikalen Ausdehnung enthalten. Die Brauchbarkeit der Simulationen an Stellen, an denen die bekannten Methoden sehr ungenau sind, wird dadurch verbessert.

Die erzielte Verbesserung ist umso nützlicher, als an diesen besonderen Stellen die Bodenechos amplitudenmäßig besonders streuen, das heißt also den ordentlichen Betrieb des Radargeräts am stärksten stören. Bekanntlich beruht die große Dynamik der von einem Oberflächenradar empfangenen Bodenechos (also von einem Radargerät, das den Boden unter sehr geringen Einfallswinkeln sieht, im Gegensatz beispielsweise zu einem Radargerät in einem Flugzeug) zum großen Teil auf den vertikalen Elementen am Boden. Indem eine wirksame Lösung für die Modellbildung dieser Elemente und der dadurch bedingten funkelektrischen Abschattung geboten wird, nähert das erfindungsgemäße Verfahren die Simulation der Beobachtung an, und zwar gerade dort, wo dies für die Vorhersage der Leistungen der Oberflächenradars nützlich ist.

Nun werden zwei die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht einschränkende Beispiele erläutert.

Gegeben sei eine Zone, die gemäß einem digitalen Modell des Geländes einen Wald und davor eine unbebaute Ebene (also ohne Hochbauten, Pfeiler oder Bäume) in einer Konfiguration enthält, in der der Waldrand unmittelbar in Sichtweite des Radargeräts ist. Die von der Ebene erzeugten Echos werden unter Verwendung der Methoden gemäß dem Stand der Technik erzeugt, nämlich der mittleren Reflektivität für die verwendete Frequenz, des Einfallswinkels der Wellen und der Art des Geländes (Wiese, bestellte Felder, Sumpf, u. s. w.). Die Reflexionen aufgrund des Waldrands werden mithilfe einer äquivalenten Struktur berechnet, die aus dielektrischen Scheiben bestehen, die zufällig ausgerichtet und in der Höhe über dem Boden proportional zum Einer-Komplement des Integrals einer Gauss-schen Funktion verteilt sind. Diese Gauss-sche Funktion stellt die Höhenverteilung des Waldes dar und ihr durch das digitale Geländemodell angegebener Mittelwert beträgt 16 ± 3 m. Für den übrigen Wald geht man genauso vor, indem man die von den angetroffenen Hindernissen gebildeten Abschattungen berücksichtigt, die das Radarsignal dämpfen.

Der Durchmesser der Scheiben wird von der durch das digitale Modell des Geländes angegeben Art des Waldes abgeleitet, beispielsweise 5 cm für die angegebene Art des Laubs, und die Dichte der Scheiben wird mit 8 je m² aufgrund der Analyse von realen Messungen festgelegt.

Die relative Permittivität der dielektrischen Scheiben wird für das verwendete Frequenzband (Band L) auf 20-j6 festgelegt, wobei dieser Wert aus der Analyse der realen Messungen abgeleitet wird.

Die äquivalente Struktur wird so vollständig definiert und die entsprechenden Bodenechos können vollständig berechnet werden.

In gleicher Weise werden die Echos aus den bebauten Zonen (Industriezone, Stadt oder Dorf) nach vollständiger Bestimmung der äquivalenten Struktur berechnet. Beispielsweise setzt man für eine industrielle Zone (die Werte wurden aus den Analyse von tatsächlichen Messungen abgeleitet) folgende Werte fest:

- Anzahl von Elementarreflektoren (dielektrische, vertikale Platten, die zufällig ausgerichtet sind): 0,03 je m²,

- Verteilung der Elementarreflektoren: Einer-Komplement des Integrals einer mittleren Gauss-schen Verteilung 30 Meter über dem Boden ± 10 m,

- relative Permittivität der dielektrischen Platten: 20-j2 für das verwendete Frequenzband (Band L),

- mittlere Größe der dielektrischen Platten 1 m².

Auch hier erkennt man, daß die äquivalente Struktur vollständig definiert ist und die entsprechenden Bodenechos vollständig berechnet werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert die Genauigkeit der Simulation im Vergleich zu den bekannten Methoden, indem eine besondere Methode der Berechnung der Radar- Reflektivität der Elemente mit einer Erstreckung in vertikaler Richtung (Bäume, Gebäude, Pfeiler, Wasserbehälter ...) eingesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde durch Vergleich zwischen den simulierten und den realen Bodenechos in verschiedenen geographischen Zonen getestet. Die Abweichung zwischen Realität und Simulation ist deutlich geringer als mit üblichen Methoden.