Handbuch Radar und Radarsignalverarbeitung

506 Pages·1993·15.718 MB·German

by  Albrecht Ludloff (auth.)

Albrecht Ludioff
Handbuch Radar ud
Radarsignalverarbeitung
Albrecht Ludioff
Handbuch
Radar und
RadarsignaI
verarbeitung
Mit 153 Bildern und 22 Tabellen
11
Vleweg
Aile Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1993
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH,
Braunschweig/Wiesbaden, 1993
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1993
Der Verlag Vieweg ist ein Untemehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International.
Das Werk einscblieBiicb alter seiner Teile ist urbeberrecbtlicb gescbUtzt.
Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urbeberrechtsgesetzes
ist ohne Zustimmung des Verlags unzullissig und strafbar. Das gilt
insbesondere fUr Vervielfliltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen
und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektroniscben Systemen.
Gedruckt auf sliurefreiem Papier
ISBN 978-3-528-06568-3 ISBN 978-3-322-96329-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-96329-1
v
Vorwort
Den Anstoß zu diesem Buch gab der in der Industriepraxis beobachtete Mangel an
solcher Radar-Literatur, die den Systemplaner, den Entwicklungsingenieur und
den interessierten Anwender theoretisch ausreichend tief, aber zugleich praxis
orientiert mit der Radarsignalverarbeitung und dem Entwurf des Sendesignals,
dem sogenannten "Waveform Design", vertraut macht. Denn diese bestimmen we
sentlich die "Intelligenz" des Radars, das heißt seine Fähigeit, einerseits gesuchte
Zielobjekte zu entdecken und zu vermessen und andererseits Falschmeldungen
durch andere Objekte zu vermeiden.
Die Radarsignalverarbeitung ist - begünstigt durch die rasante Entwicklung
der Mikro-Elektronik und hier besonders der Speicher und der sehr schnellen Re
chenwerke - immer komplexer und damit leistungsfähiger geworden. Eine Grenze
ist nicht abzusehen. Allerdings finden sich die Beschreibungen neuerer Verfahren
oder Algorithmen der Radarsignalverarbeitung oft nur verstreut in Publikationen
der Fachzeitschriften und in Tagungsberichten.
Auch hat sich der Aufgabenbereich des auf diesem Gebiet tätigen Entwick
lungsingenieurs erweitert. Er ist erstens stärker als früher am Waveform Design
beteiligt. Zweitens muß er neben seiner Hauptaufgabe, der Entwicklung von
Hardware und Software für die Subsysteme, in steigendem Maße Monte-Carlo
Simulationen zum Entwurf und zur Optimierung von Signalverarbeitungsalgo
rithmen und zur Ermittlung von Performance-Parametern einsetzen. Alle diese
Tätigkeiten erfordern eine theoretisch gut fundierte Kenntnis sowohl der Grund
lagen als auch der praktischen Verfahren der Radarsignalverarbeitung. Hier eine
gewisse Lücke zu füllen, ist Sinn des vorliegenden Buches.
Natürlich ist dabei eine Beschränkung der Stoffauswahl erforderlich, bei ei
nem einzelnen Autor schon aus Gründen des Arbeitspensums. Das Buch be
handelt daher vorwiegend Suchradare vom Typus des MTI- und des MTD- oder
Pulsdoppler-Radars. Ihre Prinzipien finden jedoch auch in anderen Radartypen,
zum Beispiel in Multifunktions-Radaren, vielfältige Anwendungen. Auf die Glie
derung des Buches wird in Abschnitt 1.5 der Einführung eingegangen. Der mehr
praktisch orientierte Leser wird theoretische Passagen überspringen und nur an
deren Endergebnissen in Form von Endformeln oder Kurven interessiert sein. Die
Mehrzahl der Kurven wurde mit Turbo-Pascal-Programmen unter Verwendung
einer Bibliothek für mathematische Routinen auf einem PC berechnet.
Das Buch basiert in wesentlichen Teilen auf einem Manuskript für eine
vierwöchige Vorlesung zu je 8 Wochenstunden über Radar und Radarsignalver
arbeitung. Meiner ehemaligen Firma, der Deutschen Aerospace (Dasa), vormals
Fachbereich Ortung der AEG-Telefunken AG, bin ich für die seinerzeitige Gele
genheit zu dieser Vorlesung dankbar. Dies gilt insbesondere auch für H. Dr. Ger
hard Boucke, der auf diese Weise indirekt den Anstoß zu diesem Buche gab. Ihm
danke ich auch für die laufende Unterstützung bei diesem Vorhaben.
VI Vorwort
Besonders meinem langjährigen Kollegen, H. Dipl.-Ing. Manfred Minker, ver
danke ich viele interessante Diskussionen und Anregungen im Rahmen gemeinsa
mer Radarentwicklungen, die ihren Niederschlag in diesem Buch gefunden haben.
Zu besonderem Dank bin ich H. Dr. Johannes Schmid verpflichtet. Er half mit
wertvoller Kritik, dem Korrekturlesen des Manuskripts und der Entwicklung der
Pascal-Programme zur Berechnung der SIN = !(Pd, Pra)-Kurvenscharen in Ka
pitel 3 sowie zur Erstellung von 3D-Grafiken wie in Kapitel 8. Ebenso möchte
ich mich bei den Herren Dipl.-Ing. Wolfgang Manz, Dipl.-Ing. Hans-Georg Kölle,
Dr. Peter Schmitt, Dr. Dieter Nagel und Dipl.-Math. Franz-Xaver Hofeie für Dis
kussionen und Anregungen bedanken. In der Anfangsphase des Buches war mir
H. Dr. Dieter Pross mit seinen Vorschlägen zum Inhalt und zur Gestaltung eine
wertvolle Hilfe, dafür sei ihm an dieser Stelle gedankt.
H. Edgar Klementz vom Vieweg-Verlag danke ich für die Zusammenarbeit
und das Eingehen auf meine Wünsche.
Nicht zuletzt gebührt meiner Frau ein Dankeschön für ihr Verständnis und
den Verzicht auf manche gemeinsame Freizeitunternehmung.
Ulm, im Mai 1993.
Albrecht Ludioff
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 1-1
1.1 Radarprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1-1
1.2 Zur Geschichte des Radars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1-2
1.3 Radaranwendungen und Radartypen . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1-3
1.4 Aufbau eines Rundsuchradars und Störsignale . . . . . . . . . . . .. 1-5
1.5 Aufgaben der Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1-7
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1-10
2 Grundlagen und Radargleichung 2-1
2.1 Übersicht...................................... 2-1
2.2 R"-Gesetz und Rückstrahlquerschnitt .................. 2-2
2.3 Empfängerrauschen und Systemrauschen . . . . . . . . . . . . . . .. 2-4
2.4 Empfänger-Empfindlichkeit und -Dynamik . . . . . . . . . . . . . .. 2-11
2.5 Radarantennen: ein Überblick ....................... 2-16
2.6 Pulsradar und Wahl der Pulsfolgefrequenz ............... 2-21
2.7 Matched Filter-Prinzip ............................ 2-31
2.8 Pulsintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2-33
2.9 Die endgültige Radargleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2-39
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2-43
3 Entdeckung konstanter und fluktuierender Echos
im Rauschen 3-1
3.1 Übersicht...................................... 3-1
3.2 Prinzip des automatischen Zieldetektors . . . . . . . . . . . . . . . .. 3-2
3.3 CFAR-Zieldetektor............................... 3-4
3.4 Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen radartypischer Zufallssignale 3-5
3.5 Einzelpulsentdeckung............................. 3-10
3.6 Wahl der Falschalarmwahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . .. 3-12
3.7 Zielfluktuation .................................. 3-14
3.8 Die 4 Zielmodelle nach Swerling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3-17
3.9 Frequenz-Agilität und Frequenz-Diversity . . . . . . . . . . . . . . .. 3-18
3.10 Entdeckung nach kohärenter Integration. . . . . . . . . . . . . . . .. 3-20
3.11 Entdeckung nach nicht kohärenter Integration . . . . . . . . . . . .. 3-21
3.12 Entdeckung nach binärer Integration. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3-34
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3-40
VIII Inhaltsverzeichnis
4 Referenzradar und Verlustbilanz 4-1
4.1 Übersicht...................................... 4-1
4.2 Referenzradar................................... 4-1
4.3 Verlustbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4-5
4.4 Zielverweilzeit.................................. 4-10
4.5 Beispiel eines Radarentwurfs ........................ 4-12
4.6 Formelsammlung ................................ 4-19
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4-22
5 Grundlagen der Filterung von Radarsignalen 5-1
5.1 Übersicht...................................... 5-1
5.2 Die Spektren von Radarechos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5-2
5.3 Filterung von Einzelpuls und Pulsfolge .................. 5-10
5.4 Tiefpaßfilterung von Bandpaßsignalen .................. 5-14
5.5 Radarkopf und Sendesignalaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . .. 5-22
5.6 Allgemeine Struktur der kohärenten Radarsignalverarbeitung .. 5-27
5.7 Fehler und Verluste bei der I/Q- und A/D-Umsetzung ....... 5-32
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5-40
6 Matched Filter, Likelihood Ratio Filter und
Prewhitening Filter 6-1
6.1 Übersicht...................................... 6-1
6.2 Matched Filter für Einze1puls bei weißem Störsignal. . . . . . . .. 6-2
6.3 Beispiele für Einzelpuls-Matched Filter ................. 6-7
6.4 Das Matched Filter als Korrelator ..................... 6-13
6.5 Matched Filter für farbige Störsignale ... . . . . . . . . . . . . . .. 6-15
6.6 Matched Filter für eine Pulsfolge bei weißem Störsignal . . . . .. 6-18
6.7 Likelihood Ratio Filter ............................ 6-23
6.8 Numerische Berechnung von Operationen mit komplexen
Matrizen und Vektoren .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6-31
6.9 Vergleich von Matched Filter und Likelihood Ratio Filter. . . .. 6-34
6.10 Prewhitening Filter für eine Pulsfolge .................. 6-36
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6-39
7 Dopplerverarbeitung 7-1
7.1 Übersicht...................................... 7-1
7.2 Das MTI-Prinzip ................................ 7-2
7.3 Klassifizierung der Dopplerverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . .. 7-4
7.4 Clutter-Eigenschaften............................. 7-6
Inhaltsverzeichnis IX
7.5 Kenngrößen der Dopplerverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7-10
7.6 MTI-Radar.................................... 7-20
7.7 PRF-Staffelung bei MTI-Radaren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7-29
7.8 Improvementfaktor-Bilanz und SCV eines MTI-Radars. . . . . .. 7-44
7.9 Das MTD-Radar oder Puls doppler-Radar . . . . . . . . . . . . . . .. 7-46
7.10 Dopplerfilterbank mit komplexen FIR-Filtern . . . . . . . . . . . .. 7-52
7.11 Dopplerfilterbank mit FFT (DFT) .................... 7-67
7.12 SIR-Improvement-Bilanz und SCV eines MTD-Radars ....... 7-71
7.13 Auswirkungen von Geräteinstabilitäten . . . . . . . . . . . . . . . .. 7- 78
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7-91
8 Pulskompression 8-1
8.1 Übersicht...................................... 8-1
8.2 Allgemeine Aspekte der Pulskompression . . . . . . . . . . . . . . .. 8-2
8.3 Die Ambiguity-Funktion ........................... 8-6
8.4 Lineare Frequenzmodulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8-10
8.5 Nichtlineare Frequenzmodulation ..................... 8-16
8.6 Biphasenmodulation.............................. 8-23
8.7 Polyphasenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8-28
8.8 Ein allgemeines Verfahren zur Nebenkeulen-Reduktion . . . . . .. 8-34
8.9 Realisierungsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8-39
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8-48
9 CFAR-Methoden 9-1
9.1 Übersicht...................................... 9-1
9.2 Cell-Averaging-CFAR (CA-CFAR) .................... 9-2
9.3 Ordered Statistic-CFAR (OS-CFAR) . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9-8
9.4 Eine Näherungsformel für den CFAR-Verlust der CA-CFAR
und OS-CFAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9-15
9.5 CFAR-Methoden bei Boden-Restclutter ................. 9-17
9.6 Zusammenschaltung verschiedener CFAR-Schwellen . . . . . . . .. 9-24
9.7 Unterdrückung von Straßenverkehrsechos . . . . . . . . . . . . . . .. 9-25
9.8 Unterdrückung von Angelclutter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9-26
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9-27
10 Parameterschätzung 10-1
10.1 Übersicht...................................... 10-1
10.2 Grundlagen der Parameterschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10-2
10.3 Rauschbedingte Fehler bei der Entfernungsmessung . . . . . . . .. 10-4
x
Inhaltsverzeichnis
10.4 Rauschbedingte Fehler bei der Winkelmessung ............ 10-10
10.5 Rauschbedingte Fehler bei der Dopplermessung ............ 10-12
10.6 Reduktion oder Auflösung von Mehrdeutigkeiten ........... 10-15
10.7 Meßfehler durch Glint und Szintillation ................. 10-17
10.8 Begrenzung der Azimutmeßgenauigkeit durch
Szintillation (Fluktuation) .......................... 10-20
10.9 Beispiel zur Parameterschätzung: MTD-Radar ............ 10-20
10.10 Zielauflösung ................................... 10-23
Literaturverzeichnis ............................... 10-24
Anhang:
A Determinierte Signale und lineare Systeme A-l
A.1 Übersicht ....................... . A-1
A.2 Fourier-Reihe in reeller Schreibweise .................. . A-2
A.3 Komplexe Darstellung von Sinus signalen ......... . A-4
A.4 Fourier-Reihe in komplexer Schreibweise ................ . A-6
A.5 Fourier-Transformation . . . . . . . . . . . . . . A-7
A.6 Dirac-Impuls oder Dirac-Stoß .................... . A-13
A.7 Kontinuierliche lineare Systeme. . . . . . . . . A-16
A.8 Das Faltungsintegral ............... . A-20
A.9 Laplace-Transformation ............. . A-26
A.10 Die beiden Abtasttheoreme .......... . A-28
A.ll Diskrete Systeme und z-Transformation ................. A-34
A.12 Diskrete Fourier-Transformation (DFT) ................. A-47
A.13 Diskrete Faltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-55
A.14 Korrelation determinierter Signale ..................... A-69
A.15 Formelsammlung ................................ A-82
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-92
B Formelzeichen und Abkürzungen B-l
B.1 Liste der wichtigsten Formelzeichen .. B-1
B.2 Abkürzungen und Begriffe ....... . B-7
Sachwortverzeichnis