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(43) Veröffentlichungstag:
1 2.05.1 999 Patentblatt 1 999/1 9 (21) Anmeldenummer: 98121265.7 (22) Anmeldetag: 09.11.1998
European Patent Office
Office europeen des brevets (11) E P 0 91 5 3 4 9 A 1 EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG
igstag: (51) Int. Cl.6: G01S 13/89, H01Q 21/20
(84) Benannte Vertragsstaaten: (72) Erfinder:
AT BE CH CY DE DK ES Fl FR GB GR IE IT LI LU • Witte, Franz
MC NL PT SE 86932 Purgen Lengenfeld (DE)
Benannte Erstreckungsstaaten: • Moreira, Alberto, Dr.
AL LT LV MK RO SI 85748 Garching (DE)
• Keydel, Wolfgang, Dr.
(30) Prioritat: 10.11.1997 DE 19749461 82229 Hechendorf (DE)
(71) Anmelder: (74) Vertreter:
Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt e.V. Von Kirschbaum, Albrecht, Dipl.-lng.
531 75 Bonn (DE) Patentanwalt, Bahnhof platz 2
82110 Germering (DE) (54) Radarsystem zum Abbilden von Sektoren
(57) Bei einem Radarsystem zum Abbilden von Sektoren sind Einzelelemente einer aus einer Anzahl von Einzelelementen bestehenden Antenne unmittelbar auf der Oberfläche eines Trägers beliebiger Form bzw.
mit beliebiger Kontur aufgebracht. Das Antennendia- gramm wird mit Hilfe eines Bildverarbeitungsverfahrens erzeugt, indem eine Amplituden-Phasenkorrektur so durchgeführt wird, daß die einzelnen Antennenele- mente eine virtuelle geradlinige Ausrichtung erhalten und Laufzeitunterschiede zu den einzelnen Antennen- elementen kompensiert werden. Hierbei wird die Pha- senkorrektur aus dem geometrischen Abstand zwischen den jeweiligen Antennen-Einzelelementen und deren virtuellen Position berechnet, während die Amplitudenkorrektur aus dem Verhältnis der jeweiligen Amplituden der real vorhandenen Einzelelemente und der virtuellen Einzelelemente berechnet wird.
Mit dem Radarsystem können verschiedene abbil- dende Betriebsmodi, wie SAR, Squint-SAR oder FLAR mit derselben Antennenanordnung in einem einzigen Radargerät durch Verwenden eines entsprechenden Bildgenerierungsverfahrens realisiert werden.
Fig.2
Sektor 3
CT CO LO CT
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Radarsystem zum Abbilden von Sensoren mittels einer aus einer Anzahl von Einzelelementen bestehenden Antenne.
[0002] Derartige Antennen sind aus DE 40 07 61 1 , DE 40 07 612 bekannt, wobei von fliegenden Trägern aus Land- oder Meeresflächen in einem vorausliegenden Sektor zweidimensional abgebildet werden. Die Anten- nen sind starr an einem Träger angebracht und im Falle der DE 40 07 61 1 jeweils aus einer Anzahl geradlinig in einer Reihe nebeneinander angeordneter Einzelele- mente, oder im Falle von DE 40 07 612 auch aus einer Anzahl geradlinig nebeneinander in zwei Reihen über- einander angeordneter Einzelelemente gebildet.
[0003] Bei einer vorgegebenen Aperturlänge i jedes Einzelelements und bei einem der Aperturlänge t (DE 40 07 61 1) bzw. der halben Aperturlänge 112 (DE 40 07 612) entsprechendem Abstand von n Einzelelementen weist die Antenne eine Antennenlänge L = n • l (DE 40 07 611) bzw. eine Antennenlänge L = n • 112 (DE 40 07 612) auf. Hierbei kann in dem zuerst erwähnten Fall (DE 40 07 61 1) von einem Einzelelement auch inko- härent gesendet und anschließend mit den übrigen Ein- zelelementen gleichzeitig empfangen werden. Bei beiden Antennenausführungen kann jeweils mittels der Einzelelemente kohärent ein Senden und anschließend ein Empfangen nacheinander, und zwar vom ersten bis zum letzten der Anzahl Einzelelemente, erfolgen.
[0004] Zur Realisierung einer digitalen Kopplung der Einzelelemente wird jedes Einzelelement gesondert digital ausgewertet und durch Korrelation einer speziel- len, vorgegebenen Referenzfunktion wird in beiden Fäl- len für jeden Winkelbereich eine digitale Verarbeitung durchgeführt.
[0005] Bei Einsatz dieser bekannten Antennen mit starr montierten, geradlinig angeordneten Einzelele- menten können bei einem Vorwärtssicht-Radar mit ent- sprechenden nachgeordneten und ausgelegten Verarbeitungsverfahren die nachstehend wiedergege- benen Vorteile erzielt werden:
a) eine hohe Schwenkgeschwindigkeit der Anten- nenkeule, da diese nicht mechanisch, sondern elektronisch mit Hilfe einer speziellen Datenverar- beitung realisiert ist;
b) eine hohe Genauigkeit und dadurch eine bes- sere Qualität der Abbildung als bei allen bisher bekannten Verfahren und Geräten.
c) Ferner können die bekannten Antennen unab- hängig von der Geschwindigkeit des Trägers einge- setzt werden.
d) Obendrein fallen bei den bekannten Antennen erheblich geringere Wartungskosten an.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde zur Verwendung in einem Radarsystem zum Abbilden von Sektoren die Ansteuerung der Antenne so zu gestalten,
daß sich eine zumindest annähernd vergleichbare Lei- stung ergibt wie bei einer starren Antennenausführung.
Ferner soll durch den Einsatz der Antennen bei statio- nären, vor allem jedoch bei nicht-stationären, d.h.
5 bewegten, insbesondere fliegenden Trägern deren Aerodynamik so gering wie nur irgend möglich beein- flußt werden.
[0007] Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Radarsystem zum Abbilden von Sektoren nach 10 dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Radarsy- stems sind Gegenstand der auf den Anspruch unmittel- bar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche. Ferner ist 15 zum Verwenden in dem Radarsystem eine speziell aus-
geführte Antenne geschaffen.
[0008] Bei der erfindungsgemäßen Lösung der Auf- gabe wird, insbesondere bei Vorsehen der Einzelele- mente einer aus einer Anzahl solcher Einzelelemente 20 bestehenden Antenne unmittelbar auf der Oberfläche eines Trägers beliebiger Form das Antennendiagramm mit Hilfe eines Bildverarbeitungsverfahrens erzeugt, indem eine Amplituden- und Phasenkorrektur so durch- geführt wird, daß die einzelnen Antennenelemente eine 25 virtuelle geradlinige Ausrichtung erhalten und Laufzeit- unterschiede zu den einzelnen Antennenelementen kompensiert werden.
[0009] Hierbei wird gemäß einer bevorzugten Weiter- bildung der Erfindung die Phasenkorrektur aus dem 30 geometrischen Abstand zwischen den jeweiligen real vorhandenen Antennen-Einzelelementen und deren vir- tuellen Position berechnet. Die Amplitudenkorrektur wird aus dem Verhältnis der jeweiligen Amplitudendia- gramme der real vorhandenen Einzelelemente und der 35 virtuellen Einzelelemente berechnet.
[0010] Mit Hilfe solcher gemäß der Erfindung durch- geführter Korrekturberechnungen wirkt dann die - auf einer Trägeroberfläche beliebiger Kontur bzw. Form auf- gebrachte - Antenne im Ergebnis wie eine geradlinige 40 Antenne und hat analog der geradlinigen, aus Einzel- elementen bestehenden Antenne auch eine annähernd gleichgute Performance.
[0011] Bei Verwenden bekannten, aus einer Anzahl von Einzelelementen bestehenden Antennen braucht 45 zur Berechnung des Antennendiagramms lediglich der Abstand zwischen den einzelnen Elementen bekannt zu sein. Alle übrigen Korrekturen werden dann mittels des Verarbeitungsprogramms durchgeführt.
[0012] Darüber hinaus ist gemäß der Erfindung die so Antennenausführung den jeweiligen Einsatzerfordernis- sen angepaßt. U.U. können auch sehr große Antennen vorgesehen sein, die beispielsweise an den Nasen von Transportflugzeugen oder auch ringsherum um einen Tower angebracht sind. Gemäß der Erfindung können 55 die Antennen im Prinzip beliebig groß ausgelegt wer- den, da sich bei den bekannten Antennen gemäß DE 40 07 611 oder 40 07 612 im Unterschied beispielsweise zu Hohlleiterantennen, SWG-(Sloted-Wave-
Guide)Antennen oder auch „Phased Array" Antennen Lauf zeitprobleme u.ä. nicht ergeben.
[0013] Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden mit Hilfe des vorgesehenen Bildverarbeitungsverfah- rens Phasenunterschiede zwischen den verschiedenen s Einzelelementen unter Berücksichtigung der Form der Oberfläche, auf welcher die Antenne bzw. ihre Einzel- elemente aufgebracht sind, so korrigiert, als seien die Einzelelemente der Antenne in einer virtuellen geradli- nigen Ausrichtung nebeneinander angeordnet. Das 10 bedeutet, eine auf einer beliebig geformten Oberflä- chenstruktur eines Trägers aufgebrachte Antenne arbeitet aufgrund der mittels des Bildverarbeitungsver- fahrens durchgeführten Korrektur wie ein virtueller,
geradliniger Array. 15
[001 4] Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglich- keit besteht darin, daß eine oder auch mehrere aus einer Anzahl von Einzelelementen bestehenden Anten- nen so aufgebracht werden können, daß unterschiedli- che Sektoren erfaßt werden. Somit ist gemäß der 20 Erfindung ein sektorabbildendes Radar geschaffen, bei welchem beispielsweise bei einem bewegten Träger, wie einem Flugzeug, nicht nur der in Flugrichtung wei- sende Sektorbereich, sondern auch Sektorbereiche senkrecht zur Flugrichtung sowie die dazwischen lie- 25 genden Sektorbereiche ohne Schwierigkeit erfaßt wer- den können.
[0015] Hierbei können zum Senden und Empfangen Anzahl und Position der jeweils verwendeten Antennen- elemente flexibel ausgelegt werden. Auch können 30 Anzahl und Position der einzelnen Antennenelemente beim Senden und Empfangen unterschiedlich sein.
[0016] Gemäß einer bevorzugten Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Radarsystems können die aus einer Anzahl von Einzelelementen gebildeten Anten- 35 nen, mit welchen unterschiedliche Sektoren erfaßt wer- den, auch mit verschiedenen Moden betrieben werden, beispielsweise einem SAR (Synthetic Aperture Radar), einem Squint-SAR-Mode oder FLAR (Foward Looking
Aperture Radar). 40
[0017] Somit können gemäß der Erfindung auch unterschiedlich arbeitende Radarverfahren verschiede- nen Sektoren der auf einem Tragerkörper beliebiger Form aufgebrachten Antenne zugeordnet werden, wie beispielsweise gepulstes Radar, auch mit einem adapti- 45 ven Chirp, FM CW-Radar, (Silent-Radar), Monopuls- Radar u.ä..
[0018] Zur Erstellung eines digitalen Geländemodels oder auch zur Höhenbestimmung von Zielen kann die SAR-Interferometrie in Along Track und Cross Track so eingesetzt werden. Darüber hinaus ist mit Hilfe der SAR-Interferometrie eine Detektion von Bewegungen, so beispielsweise die Fließgeschwindigkeit von Wasser erfaßbar oder auch ein MTI-Mode durchführbar. Dar- über hinaus ist bei Einsatz der einer Trägeroberfläche ss angepaßten Antenne und entsprechend nachgeordne- ten Radarverfahren auch eine Kombination beispiels- weise mit Wetterradar und Überwachungsradar
möglich.
[0019] Bei dem erfindungsgemäßen Radarsystem können auch ein Einzelelement oder einige der Anzahl von Einzelelemente zum Senden und der Rest der Antennen-Einzelelemente zum kohärenten Empfang verwendet werden.
[0020] Die Einzelelemente der Antenne(n) können beispielsweise Hornstrahler sein, die unmittelbar auf der Oberfläche des Trägerkörpers angebracht sein kön- nen. Die Einzelelemente der Antenne können jedoch auch Streifenleitungs- oder Strip Line-Antennenele- mente sein, die nebeneneinander in vorgegebenem, vorzugsweise gleich großem Abstand auf einer biegsa- men flexiblen Unterlage vorgesehen sind, die dann in Ihrer Gesamtheit auf der Trägeroberfläche aufgebracht werden, da sich die biegsame Antennenunterlage gewissermaßen an die Kontur des Trägerkörpers
„anschmiegt".
[0021] So kann beispielsweise eine gemäß der Erfin- dung biegsame oder flexibel ausgeführte Antenne bei- spielsweise am Flugzeugrumpf oder auch an der Flugzeugnase, an der Tragflügelvorderkante, gegebe- nenfalls auch unter den Vorflügeln, oder an einer Fahr- werkverkleidung, überhaupt an allen den Stellen des Flugzeugs angebracht werden, die sich für ein An- oder Aufbringen einer solchen Antenne eignen. Durch das Anbringen bzw. Aufbringen einer solchen Antenne auf den vorerwähnten Bereichen eines Flugzeugs wird des- sen Aerodynamik beispielsweise bei Verwenden von Streifenleitungs- oder Strip Line-Antennenelementen nur unwesentlich beeinflußt.
[0022] Da die eingangs erwähnten Antennen unab- hängig von der Geschwindigkeit des Trägers einsetzbar sind, kann das erfindungsgemäße Radarsystem auch in Verbindung mit stationären Trägern, wie vorstehend schon erwähnt an einem Tower oder beispielsweise auch an anderen geeigneten Stellen von Gebäuden, wie Flughafengebäuden zum Einsatz gebracht werden.
[0023] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer aus einer Anzahl Einzelelementen bestehenden Antenne, und
Fig.2 eine schematische Darstellung einer Einsatz- möglichkeit des erfindungsgemäßen Radar- systems zum Abbilden von Sektoren.
[0024] In Fig. 1 ist schematisch eine in ihrer Gesamt- heit mit 1 bezeichnete Antenne wiedergegeben, bei welcher auf einer biegsamen Unterlage 1 1 eine Anzahl von Einzelelementen 10 bis 10n vorgesehen sind. Die Einzelelemente können beispielsweise Streifenleitungs- oder Strip Line-Antennenelemente sein.
[0025] Unter der Antenne 1 ist in Fig.1 eine mit L bezeichnete Antennenlänge eingetragen. Bei einer vor- gegebenen Aperturlänge i jedes der n Einzelelemente und bei einem der Aperturlänge t bzw. der halben Aper-
turlänge 112 entsprechenden Abstand ergibt sich eine Antennenlänge L = n • l (DE 40 07 611) bzw. eine Antennenlänge L = n • 112 (DE 40 07 612).
[0026] In Fig.2 ist eine Einsatz- bzw. Verwendungs- möglichkeit von Antennen gemäß Fig.1 schematisch dargestellt. In Fig.2 ist ein Schattenriß eines Flugzeugs 2 wiedergegeben, an dessen vorderen Teil beispiels- weise eine aus einer Anzahl Einzelelementen gebildete Antenne 1 vorgesehen ist. Zur Verdeutlichung der Dar- stellung ist die Antenne 1 mit den beispielsweise auf einer biegsamen Unterlage 11 aufgebrachten Einzel- elementen 10 im Abstand von dem vorderen Teil des Flugzeugs dargestellt, wobei durch gepunktete Linien die Lage der Einzelelemente am Flugzeug angedeutet ist.
[0027] Parallel zu den etwa in einem Halbkreis ange- ordneten Einzelelementen 10 der Antenne 1 ist in einem größeren Abstand ein gestrichelt wiedergegebe- ner Halbkreis dargestellt, der an beiden Enden in eine Gerade übergeht. Außerhalb des Halbkreises sind eine Anzahl Sektoren, nämlich Sektor 1 bis Sektor n einge- tragen. Die einzelnen Sektoren 1 bis n sind jeweils durch zwei strichpunktierte Linien begrenzt.
[0028] Hierbei ist dem ersten Sektor 1 und dem letz- ten Sektor n jeweils ein SAR-Bereich zugeordnet, wobei jeweils rechts und links die untersten Einzelelemente 10 der Antenne 1 etwa unter 90° zur Flugrichtung ausge- richtet sind und damit für eine SAR-Abbildung herange- zogen werden können.
[0029] Ein im wesentlichen dem Sektor 2 bzw. dem Sektor 4 entsprechender Bereich ist als Squint-SAR- Bereich bezeichnet, wobei die dem Squint-SAR- Bereich zugeordneten Einzelelemente 10 der Antenne 1 schräg nach vorne unten ausgerichtet sind, so daß sie für eine Squint-SAR-Anwendung eingesetzt werden können.
[0030] Mit dem im wesentlichen in Flugrichtung wei- senden Sektor 3 kann mit den in diesem Sektor vorge- sehenen Einzelelementen 10 der Antenne 1 Vorwärtssicht-Radar durchgeführt werden.
[0031 ] Wie in der vorstehenden Beschreibung ausge- führt, können je nach Bedarf die vorstehend beschrie- benen Bereiche gleichzeitig betrieben werden oder es kann zwischen den einzelnen Sektoren bedarfsweise umgeschaltet werden.
Patentansprüche
1. Radarsystem zum Abbilden von Sektoren mittels einer aus einer Anzahl von Einzelelementen beste- henden Antenne, dadurch gekennzeichnet, daß das Antennendiagramm mit Hilfe eines Bildverar- beitungsverfahrens erzeugt wird, indem eine Ampli- tuden- und Phasenkorrektur so durchgeführt wird, daß die einzelnen Antennenelemente eine virtuelle geradlinige Ausrichtung erhalten, und
Laufzeitunterschiede zu den einzelnen Antennen- elementen kompensiert werden.
2. Radarsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekenn- zeichnet, daß die Phasenkorrektur aus dem geo- metrischen Abstand zwischen den jeweiligen Antennen-Einzelelementen und deren virtuellen 5 Position berechnet wird, und
die Amplitudenkorrektur aus dem Verhältnis der jeweiligen Amplitudendiagramme der real vorhan- denen Einzelelemente und der virtuellen Einzelele- mente berechnet wird.
10 3. Radarsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene abbildende Betriebsmodi, wie SAR, Squint-SAR und FLAR mit derselben Antenne und einem einzigen Radargerät 15 durch Verwenden eines entsprechenden Bildgene-
rierungsverfahrens realisiert werden.
4. Radarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum 20 Senden und Empfangen Anzahl und Position der jeweils verwendeten Antennenelemente flexibel auslegbar sind.
5. Radarsystem nach einem der vorhergehenden 25 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anzahl und Position der Antennenelemente beim Senden und Empfangen unterschiedlich sind.
6. Aus einer Anzahl von Einzelelementen bestehende 30 Antenne zum Verwenden in dem Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (1) so ausge- führt ist, daß deren Einzelelemente (10) auf der Oberfläche eines Trägers beliebiger Form aufbring- 35 bar sind.
7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, daß deren Einzelelemente (Streifenlei- tungs- oder Stripline-Elemente; 10) nebeneinander 40 in vorgegebenem Abstand auf einer biegsamen, der Kontur einer Trägeroberfläche anpaßbaren
Unterlage (11) aufgebracht sind.
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F i g . 1
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Europäisches
Patentamt EUROPAISCHER RECHERCHENBERICHT Nummer der Anmeldung
EP 98 12 1265
EINSCHLAGIGE DOKUMENTE
Kategoria Kennzeichnung des Dokuments mit Angabe, soweit erforderlich,
der maßgeblichen Teile Betrifft
Anspruch KLASSIFIKATION DER ANMELDUNG (lnt.CI.6)
A,P
D,A D , A
DE 42 42 532 A (DEUTSCHE AEROSPACE) 23. Juni 1994
* Seite 4, Zeile 11 - Seite 4, Zeile 31;
Abbildung 9 *
US 4 675 677 A (VON MAYDELL IGNAZ ET AL) 23. Juni 1987
* das ganze Dokument * DE 197 05 795 A (SIEMENS AG) 27. August 1998
* das ganze Dokument *
DE 40 07 612 C (DEUTSCHE FORSCHUNGSANSTALT FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT EV) 16. Mai 1991 DE 40 07 611 C (DEUTSCHE FORSCHUNGSANSTALT FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT EV) 16. Mai 1991
G01S13/89 H01Q21/20
RECHERCHIERTE SACHGEBIETE (lnt.CI.6) G01S
H01Q
Der vorliegende Recherchenbericht wurde für alle Patentansprüche erstellt Recherchenort
MÜNCHEN
Abschlußdatum der Recherche 23. Februar 1999
Prüfer Kahn, K-D KATEGORIE DER GENANNTEN DOKUMENTE
X : von besonderer Bedeutung allein betrachtet Y : von besonderer Bedeutung in Verbindung mit einer anderen Veröffentlichung derselben Kategorie A : technologischer Hintergrund
O : nichtschriftliche Offenbarung P : Zwischenliteratur
T : der Erfindung zugrunde liegende Theorien oder Grundsätze E : älteres Patentdokument, das jedoch erst am oder nach dem Anmeldedatum veröffentlicht worden ist D : in der Anmeldung angeführtes Dokument L : aus anderen Gründen angeführtes Dokument
& : Mitglied der gleichen Patentfamilie, übereinstimmendes Dokument
ANHANG ZUM EUROPAISCHEN RECHERCHENBERICHT
ÜBER DIE EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG NR. EP 98 12 1265
In diesem Anhang sind die Mitglieder der Patentfamilien der im obengenannten europäischen Recherchenbericht angeführten Patentdokumente angegeben.
Die Angaben über die Familienmitglieder entsprechen dem Stand der Datei des Europäischen Patentamts am Diese Angaben dienen nur zur Unterrichtung und erfolgen ohne Gewähr.
23-02-1999 Im Recherchenbencht
angeführtes Patentdokument Datum der
Veröffentlichung Mitglied(er) der Patentfamilie Datum der Veröffentlichung
DE 4242532 A 23-06-1994 DE 59304416 D 12-12-1996
EP 0602473 A 22-06-1994
JP 6317660 A 15-11-1994
US 5392047 A 21-02-1995
US 4675677 A 23-06-1987 DE 3430888 A 06-03-1986
DE 3540808 A 21-05-1987
DE 19705795 A 27-08-1998 KEINE
DE 4007612 C 16-05-1991 CA 2037711 A 10-09-1991
CA 2037711 C 23-08-1994
EP 0445794 A 11-09-1991
US 5182562 A 26-01-1993
DE 4007611 C 16-05-1991 CA 2037710 A 10-09-1991
CA 2037710 C 06-09-1994
EP 0445795 A 11-09-1991
US 5132686 A 21-07-1992
Für nähere Einzelheiten zu diesem Anhang : siehe Amtsblatt des Europäischen Patentamts. Nr. 12/82
