DE60309006T2 - Rauschunterdrückungsvorrichtung und -verfahren für phasengesteuerte systeme - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Verringern von Rauschen in Phased-Array-Systemen und insbesondere ein System und Verfahren zum Verringern von Rauschen in Phased-Array-Systemen, die eine adaptive Anordnungsverarbeitung anwenden.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Hochfrequenz-Oberflächenwellenradar (High Frequency Surface Wave Radar; HFSWR) ist effektiv für die kontinuierliche Erfassung und Verfolgung von Schiffen, Flugzeugen, Eisbergen und anderen Oberflächenzielen von einer an einer Küste befindlichen Basis aus. HFSWR wird daher sowohl verwendet, um Such- und Rettungsaktivitäten zu unterstützen, als auch, um den Zustand der See, illegale Einwanderung, Drogentransport, illegales Fischen, Schmuggeln und Piratenaktivität zu überwachen.
  • Ein HFSWR-System ist entlangeiner Küstenlinie installiert und weist eine gerichtete Sendeantenne und eine omnidirektionale Empfangsantennengruppe, die beide auf den Ozean gerichtet sind, sowie die für den Betrieb des Systems benötigte Hardware und Software auf. Die Sendeantenne erzeugt eine Folge von elektromagnetischen (EM) Impulsen, die einen gewünschten Überwachungsbereich bestrahlen. Die Empfangsantennengruppe sollte bevorzugt eine hohe und gleiche Verstärkung über den gesamten Überwachungsbereich besitzen. Im Überwachungsbereich befindliche Objekte reflektieren dann die EM-Impulse auf die Empfangsantennengruppe hin, welche Radardaten sammelt. Einige der Objekte können zu erfassende Elemente sein (die Radarsignaturen von diesen Elementen werden als "Ziele" bezeichnet), während der Rest der Objekte Elemente sind, die nicht erfasst zu werden brauchen (die Radarsignaturen von diesen Elementen werden als "Clutter" bezeichnet, bei dem es sich um eine Art des Rauschens in einem Radarsystem handelt). Es können kompliziertere impulscodierte oder frequenzcodierte EM-Impulse verwendet werden, um Entfernungs-Wrap zu bekämpfen, der auftritt, wenn ein reflektierter EM-Impuls (im Ansprechen auf einen vorausgehend übertragenen EM-Impuls) von der Empfangsantennengruppe empfangen wird, nachdem darauf folgende EM-Impulse gesendet wurden.
  • Herkömmlicherweise werden die in der Empfangsantennengruppe gesammelten Radardaten von jedem Antennenelement oder Sensor daraufhin vorverarbeitet, indem die Daten durch ein Bandpassfilter geleitet werden, um externe ungewünschte Signale in den Radardaten auszufiltern, und daraufhin durch einen Heterodyn-Empfänger, der die Radardaten von dem RF-Band auf ein IF-Band demoduliert, wo eine analog-zu-digital-Umwandlung stattfindet. Die Radardaten werden dann auf das Basisband demoduliert, wo Tiefpassfiltern und Downsampling stattfindet. Die von der Empfangsantennengruppe gesammelten Radardaten sind komplex (d.h. sie enthalten reale und imaginäre Komponenten). Daher sind auch die dem Downsampling unterzogenen Radardaten komplex, und alle Signalverarbeitungskomponenten, die für die Durchführung der genannten Operationen erforderlich sind, sind für die Behandlung komplexer Daten ausgelegt.
  • Die dem Downsampling unterzogenen Radardaten werden dann durch ein abgestimmtes Filter verarbeitet, das eine Transferfunktion oder Impulsantwort aufweist, die zu dem gesendeten EM-Impuls in einer Beziehung steht. Die abgestimmten gefilterten Radardaten werden daraufhin für eine Analyse in Segmente aufgeteilt. Jedes Segment ist auf diesem Fachgebiet als eine kohärente Integrationszeit (Coherent Integration Time; CIT) oder eine Verweilzeit bekannt. Die abgestimmten gefilterten Radardaten in jeder CIT werden in der Entfernung ausgerichtet durch Verzeichnen des Zeitpunktes, an dem jeder Datenpunkt abgetastet wurde, relativ zu der Zeit, an der ein vorausgegangener EM-Impuls gesendet wurde. Die in der Entfernung ausgerichteten Daten werden daraufhin einer Kombination aus Tiefpassfiltern zum Verringern von Rauschen und einem Downsampling für eine effizientere Signalverarbeitung unterzogen. Der Ausgang von dieser Verarbeitung ist eine Mehrzahl von Zeitreihen von Entfernungsdaten, wobei jede Zeitreihe für einen gegebenen Entfernungswert gesammelt wird. Der maximale Entfernungswert, für den die Mehrzahl von Zeitreihen gesammelt wird, hängt von dem Impulswiederholintervall ab, das beim Senden der EM-Impulse verwendet wird (d.h. der Frequenz, mit der EM-Impulse gesendet werden).
  • Ein Ziel wird auf Grund von Entfernungs-, Doppler- und Azimutinformationen erfasst, die aus den vorbehandelten, aufgezeichneten Radardaten erzeugt werden. Die Entfernungsinformationen werden dazu verwendet, eine Schätzung der Distanz des Zieles von der Empfangsantennengruppe zu liefern. Die Azimutinformationen werden dazu verwendet, eine Schätzung des Winkels des Ortes des Zieles in Bezug auf den Mittelpunkt der Empfangsantennengruppe zu liefern, und die Dopplerinformationen werden dazu verwendet, eine Schätzung der radialen Geschwindigkeit des Zieles mittels Messung der Dopplerverschiebung des Zieles zu liefern. Die Dopplerverschiebung des Zieles steht in einer Beziehung zu der Änderung des Frequenzgehaltes des von dem Ziel reflektierten EM-Impulses hinsichtlich des ursprünglichen Frequenzgehaltes dieses EM-Impulses.
  • Wie vorausgehend erwähnt wurde, werden Entfernungsdaten erzeugt, indem die Zeit vermerkt wird, an der Daten abgetastet werden, relativ zu der Zeit, an der ein vorausgehender EM-Impuls gesendet wird. Die Dopplerverarbeitung entspricht der Erfassung eines sinusförmigen Signals der Frequenz Δf mit der Impulswiederholperiode (d.h. der Zeit zwischen aufeinander folgend gesendeten Impulsen in der kohärenten Impulskette). Somit werden Dopplerinformationen für einen gegebenen Entfernungswert erzeugt, indem die für diesen Entfernungswert erhaltene Zeitreihe einer Filterbankverarbeitung oder FFT-Verarbeitung unterzogen wird. Die Azimutdaten werden herkömmlicherweise durch digitales Strahlformen erhalten. Genauer gesagt, die Radardaten in einer gegebenen Entfernungszelle und einer gegebenen Dopplerzelle werden durch einen komplexen Exponenten für jedes Antennenelement der Empfangsantennengruppe gewichtet und dann über sämtliche Antennenelemente summiert. Die Phase des komplexen Exponenten steht in einer Beziehung zu dem Azimutwinkel, dem Antennenelementabstand und der Wellenlänge der gesendeten EM-Impulse, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist. Strahlformen ergibt die Erscheinung, dass die Antenneanordnung auf einen bestimmten Bereich des Überwachungsbereiches eingestellt ist, der durch den Azimutwert in den komplexen Exponentengewichtungen definert ist. Auf diese Weise können viele Strahlen geformt werden, um den gesamten Überwachungsbereich gleichzeitig abzudecken.
  • Um Entfernung, Azimut und Geschwindigkeit eines Zieles zu bestimmen, verarbeitet ein Detektor die erzeugten Entfernungs-, Azimut- und Dopplerinformationen für eine gegebene CIT. Im Allgemeinen sucht der Detektor nach Spitzen in einer gegebenen Zelle (d.h. einem Datenwert oder Pixel) in einer zweidimensionalen Darstellung, die als Entfernungs-Doppler-Diagramm bekannt ist. Die Zielerfassung umfasst für gewöhnlich den Vergleich der Amplitude in einer gegebenen Zelle mit der durchschnittlichen Amplitude in benachbarten Zellen. Die erfassten Ziele werden daraufhin an einen Diagrammextrahierer weitergeleitet, der die erfassten Ziele filtert, um all diejenigen Erfassungen zurückzuweisen, die nicht zu den für ein echtes Ziel erwarteten Entfernungs-, Doppler- und Azimuteigenschaften passen. Diese gefilterten Ziele werden dann an einen Verfolger weitergeleitet, der aufeinander folgende Erfassungen eines gegebenen Ziels miteinander verbindet, um einen Verfolgungsspur für das Ziel zu bilden. Auf diese Weise kann die Bewegung eines erfassten Ziels durch den gesamten Überwachungsbereich verfolgt werden.
  • Der Erfassungsvorgang wird durch die Hinzufügung von Rauschen behindert, das den vorausgehend erwähnten Clutter in jeder Zelle mit umfasst, was zu der erfolglosen Erfassung eines Ziels oder der Falscherfassung von Rauschen als ein Ziel führen kann. Das Rauschen ist insofern problematisch, als ein variierender Rauschpegel in verschiedenen Zellen sowie für Radardaten, die in verschiedenen C1Ts gesammelt wurden, in verschiedenen Meereszustandsbedingungen während verschiedener Tageszeiten und Jahreszeiten und an verschiedenen Orten vorhanden ist. Die hauptsächlichen Quellen von Radarrauschen umfassen Eigeninterferenz wie etwa Meeres-Clutter, Ionosphären-Clutter und Meteoroiden-Clutter, und äußere Störungen wie etwa Gleichkanalstörung, atmosphärische Störung und Impulsrauschen. Eigeninterferenz resultiert aus dem Betrieb des Radars, während äußere Störungen von dem Betrieb des Radars unabhängig sind.
  • Ionosphären-Clutter ist eine der bedeutsamsten Ursachen für eine Störung und in Folge seiner zielähnlichen Beschaffenheit und hohen Signalamplitude schwierig zu unterdrücken. Ionosphären-Clutter umfasst EM-Impulse, die von der Ionosphäre der Erde zurückgeworfen werden und direkt zum Radar zurückkehren (d.h. nahezu vertikal eintreffender Clutter), und EM-Impulse, die von der Ionosphäre zurückgeworfen werden, vom Ozean reflektiert werden, und auf dem umgekehrten Weg zum Radar zurückkehren (d.h. Entfernungs-Wrap-Clutter). Im Allgemeinen sammelt sich Ionosphären-Clutter in einem Ringband, das mehrere Entfernungszellen, alle Azimut Zellen und den Großteil des Schiffs-Dopplerbandes überspannt. Diese Entfernungszellen entsprechen der Höhe bzw. den mehreren Höhen der Ionosphärenschichten in Bezug auf den HFSWR-Aufstellungsort. Nahezu vertikal einfallender Ionosphären-Clutter ist auch dadurch gekennzeichnet, dass er sehr stark, in der Entfernung isoliert, und in der Doppler-Dimension über viele Millihertz verschmiert ist. Während der Nacht weist Ionosphären-Clutter seinen höchsten Pegel auf in Folge des Verschwindens der D-Schicht der Ionosphäre und der Verschmelzung der F1- und F2-Schichten der Ionosphäre.
  • Um Entfernungs-Wrap-Clutter zu bekämpfen, können komplementäre Frank-Codes verwendet werden, wie dem Fachmann bekannt ist. Eine weitere bekannte Lösung ist es, das Radarsystem mit einer höheren Frequenz zu betreiben, die keine Ausbreitung von Ionosphärenwellen unterstützt. Durch Erhöhen der Trägerfrequenz der gesendeten EM-Impulse über die schichtenkritische Frequenz durchdringen die gesendeten EM-Impulse die Ionosphärenschichten. Dieser Lösungsansatz kann jedoch die Leistungsfähigkeit des Radarsystems bei der Erfassung von Schiffen auf große Entfernung in Folge der stärkeren Ausbreitungsdämpfung, die bei höheren Sendefrequenzen auftritt, herabsetzen.
  • Meeres-Clutter resultiert aus EM-Impulsen, die von Meereswellen reflektiert werden, die Harmonische der Radar-Wellenlänge sind. Zwei große Spitzen, die Meeres-Clutter dominieren, werden als Bragg-Linien bezeichnet, welche als zwei Spalten von Spitzen in einem Entfernungs-Doppler-Diagramm entlang allen Entfernungszellen auf Dopplerfrequenzen auftreten, die von der Radarbetriebsfrequenz bestimmt werden. Die Bragg-Linien können die Radarerfassungsleistung auf ihren entsprechenden Dopplerfrequenzen verschmieren. Es gibt jedoch auch Scatter höherer Ordnung im Zusammenhang mit dem Meereszustand, der in zusätzlichen Spitzen und einem Kontinuum von Meeres-Clutter zwischen den Bragg-Linien resultiert. Dieses Kontinuum von Meeres-Clutter enthält Energie, die in einer Beziehung zu dem Meereszustand (d.h. Geschwindigkeit und Dauer von Oberflächenwind) steht und oftmals die Erfassung von kleinen, sich langsam bewegenden Zielen wie etwa Schiffen einschränkt.
  • Meteoroiden-Clutter resultiert aus Meteoroiden, bei denen es sich um kleine Meteorpartikel handelt, welche in die Erdatmosphäre eindringen und Ionisierungsspuren erzeugen, die vorübergehende Radarechos erzeugen. Ein vorübergehendes Meteoroiden-Radarecho erscheint normalerweise als eine große Spitze in einer bestimmten Entfernung. Meteoroiden-Clutter führt zu einer Zunahme des Hintergrundrauschpegels in Entfernungs-Doppler-Diagrammen.
  • Eine Gleichkanalstörung resultiert sowohl aus örtlichen als auch entfernten Anwendern des HFSWR-Frequenzbandes wie etwa Fernsehsendern. Diese Störung ist stark gerichtet, da sie von räumlich miteinander korrelierten Punktquellen stammt. Aufgrund mehrfacher Reflexionen in nicht-gleichförmigen Ionosphärenschichten ist jedoch die Einfallrichtung von Gleichkanalstörung breit, wie aus einer Probe realer Radardaten gemäß der Darstellung in 1 ersichtlich ist. Eine Gleichkanalstörung ist auch entfernungsunabhängig und tritt bei spezifischen Dopplerfrequenzen auf, wie aus einer anderen Probe realer Radardaten gemäß der Darstellung in 11a ersichtlich ist. Eine Gleichkanalstörung kann durch Auswahl alternierender Trägerfrequenzen zum Senden der EM-Impulse vermieden werden. Eine Gleichkanalstörung aus entfernten Quellen stellt jedoch eine ernsteres Problem dar, da diese Störung in Zeit und Frequenz zufälliger ist. Ferner gibt es typischerweise nachts eine stärkere Gleichkanalstörung als während des Tags wegen des Fehlens einer D-Schicht-Absorption während der Nacht.
  • Eine atmosphärische Störung ist räumlich weiß, mit einem Pegel, der in Abhängigkeit von Frequenz, Tageszeit, Jahreszeit und geografischem Ort variiert. Beispielsweise erhöht sich der Rauschpegel in Folge von atmosphärischer Störung am unteren Ende des HF-Bandes während der Nacht gegenüber Pegeln während des Tages um ca. 20 dB.
  • Impulsrauschen geht auf Blitze zurück und tritt als eine Sequenz schneller Impulse auf, die zufällig über die Zeit verteilt sind und eine Amplitude mit einem breiten dynamischen Bereich besitzen. Dies ist aus 2 ersichtlich, die eine Sequenz von Radar EM-Impulsechos über der gesendeten EM-Impulszahl (oder Impulsindex) für einen gegebenen Entfernungswert zeigt. Impulsrauschen ist nicht räumlich weiß und resultiert aus sowohl örtlichen als auch entfernten Gewittern. Impulsrauschen ereignet sich normalerweise täglich während des Betriebs eines HFSWR-Systems. Impulsrauschen weist eine Dopplerspreizung auf, die relativ kurzzeitig ist und einem manövrierenden Ziel ähneln kann. Impulsrauschen führt zu einer Zunahme des Hintergrundrauschpegels. Die Frequenzcharakteristiken von Impulsrauschen ändern sind in Abhängigkeit von der Stärke des lokalen Gewittergeschehens.
  • Selbsterzeugter Clutter kann erfolgreich vermindert werden durch die Verwendung aufwendiger Signalverarbeitungsverfahren, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung entwickelt wurden und in der ebenfalls anhängigen, gleichzeitig hinterlegten Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen PCT/LTS/03/06895 und der Bezeichnung "System and Method For Spectral Generation in Radar" beschrieben sind. Nach Anwendung dieser Signalverarbeitungsverfahren enthalten die Entfernungs-Doppler-Azimutdaten jedoch immer noch äußere Störungen, die in der Hauptsache aus Gleichkanalstörung und Impulsstörungen bestehen.
  • Verfahren zum Unterdrücken von äußeren Störungen im Stand der Technik nutzten die Richtungscharakteristiken von äußeren Störsignalen. Diese Verfahren wenden eine Hauptantenne oder Hauptantennengruppe an, um Radardaten zu erhalten, die mögliche Ziele wie auch äußere Störungen enthalten, und eine Hilfsantenne oder eine Hilfsantennengruppe, um nur die äußeren Störungen abzuschätzen. Diese Verfahren erfordern jedoch die zusätzliche Hardware einer Hilfsantenne oder Hilfsantennengruppe. Eine Lösung des Standes der Technik für dieses Problem beinhaltet die Verwendung einer Empfangsantennengruppe, bei der einige der Elemente der Gruppe als die Hauptantennengruppe und einige der Elemente der Gruppe als die Hilfsgruppe verwendet werden. Dies resultiert jedoch in einer Hauptantennengruppe mit einer kleineren Apertur (d.h. einer geringeren Anzahl von Antennenelementen), wodurch die Azimutalauflösung verschlechtert wird. Die WO 0030264 beschreibt eine Signalverarbeitungsvorrichtung für ein Phased-Array-Radar mit einem ersten adaptiven Filter zum Verstärken des Zielsignals und einem zweiten adaptiven Filter zum Unterdrücken unerwünschter Signal. Demzufolge besteht ein Bedarf nach einem System zum Verringern von Rauschen, das nicht die zusätzliche Hardware einer Hilfsantennengruppe benötigt und die Azimutalauflösung der Hauptantennengruppe nicht verschlechtert.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Rauschunterdrückungssystem entwickelt, das eine Kombination aus adaptiver Array-Verarbeitung und abgestimmter/nicht abgestimmter Filterung verwendet. Bei dem Rauschunterdrückungssystem werden die vorbehandelten Daten von einer Hauptsensorgruppe an abgestimmte und nicht abgestimmte Filtermodule übertragen. Das abgestimmte Filtermodul liefert abgestimmte Radardaten, die Radarechos von möglichen Zielen, Eigeninterferenz und äußere Störungen enthalten, während das nicht abgestimmte Filtermodul nicht abgestimmte Radardaten enthält, die nur äußere Störungen enthalten. Folglich werden die nicht abgestimmten Radardaten dazu verwendet, eine Schätzung der äußeren Störung in den abgestimmten Radardaten zu liefern.
  • Die abgestimmten Radardaten werden durch die Verwendung einer Strahlformung auf einen gewünschten Azimut abgestimmt, wie auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt ist, wodurch im Effekt ein Hauptstrahl erzeugt wird, der entlang eines gewünschten Azimut ausgerichtet ist. Die nicht abgestimmten Radardaten ermöglichen die Erstellung einer virtuellen Hilfssensorgruppe mit Sensoren, die aus der Hauptsensorgruppe ausgewählt werden, um auf adaptive Weise einen Hilfsstrahl zu bilden. Der Hilfsstrahl wird so abgestimmt, dass die äußere Störung im Hilfsstrahl eine Schätzung der äußeren Störung im Hauptstrahl liefert. Die adaptive Durchführung einer Strahlformung beinhaltet das Erzeugen eines adaptiven Gewichtungsvektors, bevorzugt gemäß der Wiener-Theorie, zum Abstimmen des Hilfsstrahls. Der adaptive Gewichtungsvektor wird so gewählt, dass der Fehler zwischen der von dem Hilfsstrahl gelieferten Schätzung der äußeren Störung und der äußeren Störung im Hauptstrahl im Sinne eines mittleren quadratischen Fehlers minimiert ist.
  • Die virtuelle Hilfssensorgruppe kann entweder alle Sensoren der Hauptsensorgruppe oder eine Untergruppe der Sensoren von der Hauptsensorgruppe umfassen. In beiden Fällen wird auf keinen der Sensoren von der Hauptsensorgruppe verzichtet, um nur eine Schätzung der äußeren Störung zu erstellen, wodurch eine azimutale Verschlechterung vermieden wird. Darüber hinaus wird auch die zusätzliche Hardware einer physisch separaten Hilfsgruppe vermieden.
  • Somit handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung bei einem Aspekt um ein Rauschunterdrückungssystem zum Unterdrücken äußerer Störungen in Radardaten, die durch eine Anzahl von Sensoren von einer Hauptsensorgruppe geliefert werden und die vorbehandelt sind. Das Rauschunterdrückungssystem enthält ein erstes Verarbeitungsmodul und ein zweites Verarbeitungsmodul. Das erste Verarbeitungsmodul empfängt die Radardaten und erzeugt abgestimmte Radardaten, während das zweite Verarbeitungsmodul die Radardaten empfängt und nicht abgestimmte Radardaten erzeugt. Das System enthält ferner einen Strahlformer, der in Verbindung mit dem ersten Verarbeitungsmodul steht, und einen adaptiven Strahlformer, der in Verbindung mit dem zweiten Verarbeitungsmodul und dem Strahlformer steht. Der Strahlformer empfängt die abgestimmten Radardaten und erzeugt strahlausgerichtete abgestimmte Radardaten. Der adaptive Strahlformer empfängt einen Teil der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten und einen Teil der nicht abgestimmten Radardaten und erzeugt eine Aussenstörungsabschätzung der äußeren Störung in dem Teil der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten. Das System enthält ferner einen Unterdrücker, der in Verbindung mit dem Strahlformer und dem adaptiven Strahlformer steht. Der Unterdrücker erzeugt einen Teil von einer Rauschunterdrückung unterzogenen, strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten auf der Basis des Teils der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten und der Aussenstörungsabschätzung.
  • Bei einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Rauschunterdrückungsverfahren zum Unterdrücken äußerer Störungen in Radardaten zur Verfügung, welche durch eine Anzahl von Sensoren aus einer Hauptsensorgruppe geliefert werden, wobei die Radardaten vorbehandelt sind. Das Verfahren umfasst:
    Verarbeiten der Radardaten zur Erzeugung abgestimmter Radardaten;
    Verarbeiten der Radardaten zur Erzeugung nicht abgestimmter Radardaten;
    Durchführen einer Strahlformung der abgestimmten Radardaten zur Erzeugung strahlausgerichteter abgestimmter Radardaten;
    Auswahl eines Teiles der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten und eines Teiles der nicht abgestimmten Radardaten und Durchführung einer adaptiven Strahlformung zur Erzeugung einer Aussenstörungsabschätzung der äußeren Störung in den strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten; und
    Erzeugen eines Teiles von rauschunterdrückten strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten durch Unterdrückung der Aussenstörungsabschätzung von dem Teil der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten.
  • Bei einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Rauschunterdrückungssystem zum Unterdrücken äußerer Störungen in Radardaten zur Verfügung, welche durch eine Anzahl von Sensoren aus einer Hauptsensorgruppe geliefert werden, wobei die Radardaten vorbehandelt sind. Das Rauschunterdrückungssystem enthält ein erstes Verarbeitungsmodul und ein zweites Verarbeitungsmodul. Das erste Verarbeitungsmodul empfängt die Radardaten und erzeugt abgestimmte Radardaten, während das zweite Verarbeitungsmodul die Radardaten und nicht abgestimmte Radardaten erzeugt. Das System enthält ferner einen Strahlformer, der in Verbindung mit dem ersten Verarbeitungsmodul steht, und ein Filtermodul geordneter Statistik, das in Verbindung mit dem Strahlformer steht. Der Strahlformer empfängt die abgestimmten Radardaten und erzeugt strahlausgerichtete abgestimmte Radardaten. Das Filtermodul geordneter Statistik empfängt die strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten und erzeugt nach geordneter Statistik gefilterte, strahlausgerichtete abgestimmte Radardaten. Das System enthält auch einen adaptiven Strahlformer, der mit dem zweiten Verarbeitungsmodul und dem Filtermodul geordneter Statistik in Verbindung steht. Der adaptive Strahlformer empfängt einen Teil der nach geordneter Statistik gefilterten, strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten und einen Teil der nicht abgestimmten Radardaten und erzeugt eine Aussenstörungsabschätzung der äußeren Störung in einem Teil von strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten. Das System enthält auch einen Unterdrücker, der mit dem Strahlformer und mit dem adaptiven Strahlformer in Verbindung steht. Der Unterdrücker erzeugt einen Teil von einer Rauschunterdrückung unterzogenen, strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten auf der Basis des Teiles der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten und der Aussenstörungsabschätzung.
  • Bei einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Rauschunterdrückungsverfahren zum Unterdrücken äußerer Störungen in Radardaten zur Verfügung, welche durch eine Anzahl von Sensoren aus einer Hauptsensorgruppe geliefert werden, wobei die Radardaten vorbehandelt sind. Das Verfahren umfasst:
    Verarbeiten der Radardaten zur Erzeugung abgestimmte Radardaten;
    Verarbeiten der Radardaten zur Erzeugung nicht abgestimmter Radardaten;
    Durchführen einer Strahlformung der abgestimmten Radardaten zur Erzeugung strahlausgerichteter abgestimmter Radardaten;
    Durchführen einer Filterung geordneter Statistik an den strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten zur Bildung von nach geordneter Statistik gefilterten strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten;
    Auswahl eines Teiles der nach geordneter Statistik gefilterten strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten und eines Teiles der nicht abgestimmten Radardaten und Durchführen einer adaptiven Strahlformung, um eine Aussenstörungsabschätzung der äußeren Störung in den strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten zu liefern; und
    Erzeugen eines Teiles von einer Rauschunterdrückung unterzogenen, strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten durch Unterdrückung der Aussenstörungsabschätzung von einem Teil der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung, und um klar zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, wird nun rein beispielhaft Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen; es zeigt:
  • 1 ein Diagramm der Amplitude über dem Azimut für das Strahlmuster einer Radarempfangsanordnung bei Vorhandensein einer äußeren Störung;
  • 2 ein Diagramm der Amplitude über dem Impulsindex, das den Effekt von Impulsrauschen auf die Radardaten auf eine gegebene Entfernung zeigt;
  • 3 ein Blockdiagramm eines Rauschunterdrückungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4a eine schematische Darstellung eines von einer Hauptsensorgruppe erzeugten Hauptstrahls;
  • 4b eine schematische Darstellung eines von einer virtuellen Hilfssensorgruppe erzeugten Hilfsstrahls;
  • 4c eine schematische Darstellung des Hilfsstrahls von 4b bei Überlagerung über den Hauptstrahl von 4a;
  • 5 ein Entfernungs-Doppler-Diagramm zur Veranschaulichung der Form eines Bereiches, über den korrelationsbasierende Berechnungen bevorzugt für eine Abschätzung einer äußeren Störung durchgeführt werden;
  • 6 eine detailliertere Ausführungsform des Rauschunterdrückungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 7a bis 7h die Radardaten an verschiedenen Knoten in dem Rauschunterdrückungssystem von 6;
  • 8 ein Ablaufdiagramm eines Rauschunterdrückungsverfahrens gemäß dem Rauschunterdrückungssystem von 6;
  • 9 eine alternative Ausführungsform des Rauschunterdrückungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 10 ein Ablaufdiagramm eines alternativen Rauschunterdrückungsverfahrens gemäß dem Rauschunterdrückungssystem von 9;
  • 11a ein Entfernungs-Doppler-Diagramm von beispielhaften Radardaten, welche Gleichkanalstörung und simulierte Ziele enthalten, wobei das Rauschunterdrückungsverfahren der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird;
  • 11b ein Entfernungs-Doppler-Diagramm der Radardaten von 11a, wobei das Rauschunterdrückungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 11c ein Diagramm, das eine Scheibe entlang der Doppler-Dimension des Entfernungs-Doppler-Diagramms von 11a bei einer Entfernung von 242 km zeigt;
  • 11d ein Diagramm, das eine Scheibe entlang der Doppler-Dimension des Entfernungs-Doppler-Diagramms von 11b bei einer Entfernung von 242 km zeigt;
  • 12a ein Entfernungs-Doppler-Diagramm von weiteren beispielhaften Radardaten, die Impulsrauschen und simulierte Ziele enthalten, wobei das Rauschunterdrückungsverfahren der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird;
  • 12b ein Entfernungs-Doppler-Diagramm der Radardaten von 12a, wobei das Rauschunterdrückungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 12c ein Diagramm, das ein Scheibe entlang der Doppler-Dimension des Entfernungs-Doppler-Diagramms von 12a bei einer Entfernung von 242 km zeigt;
  • 12d ein Diagramm, das ein Scheibe entlang der Doppler-Dimension des Entfernungs-Doppler-Diagramms von 12b bei einer Entfernung von 242 km zeigt;
  • 13a ein Entfernungs-Doppler-Diagramm von weiteren beispielhaften Radardaten, die eine schwache äußere Störung und ein reales Ziel enthalten, wobei das Rauschunterdrückungsverfahren der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird;
  • 13b ein Entfernungs-Doppler-Diagramm der Radardaten von 13a, wobei das Rauschunterdrückungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 13c zwei Diagramme der Daten von 13a und 13b entlang der Doppler-Dimension bei der Zielentfernung;
  • 13d zwei Azimutdiagramme der Daten von 13a und 13b auf dem Doppler- und Entfernungs-Index des Zieles;
  • 14a ein Entfernungs-Doppler-Diagramm weiterer beispielhafter Radardaten, die eine starke äußere Störung und eine reales Ziel enthalten, wobei das Rauschunterdrückungsverfahren der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird;
  • 14b ein Entfernungs-Doppler-Diagramm der Radardaten von 14a, wobei das Rauschunterdrückungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 14c zwei Diagramme der Daten von 14a und 14b entlang der Doppler-Dimension bei der Zielentfernung; und
  • 14d zwei Azimutdiagramme der Daten von 14a und 14b auf dem Doppler und Entfernungs-Index des Zieles.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Alle der vorliegend gezeigten experimentellen Daten stammen von dem SWR-503TM HFSWR-System, das sich in Cape Race, Neufundland, Kanada befindet. Das SWR-503 HFSWR-System wurden von Raytheon Canada Limited entwickelt. Das SWR-503 HFSWR-System weist eine Empfangsantennengruppe mit 16 Antennenelementen (d.h. eine Hauptsensorgruppe mit 16 Sensoren) auf.
  • Gemäß der vorliegenden Verwendung bezeichnen die Begriffe "Entfernungsdaten", "Doppler-Daten", "Azimutdaten", "Sensordaten" oder "Impulsdaten" eine eindimensionale Reihe von Datenpunkten in einem gegebenen Bereich. Des Weiteren bezeichnet der Begriff "Entfernungs-Doppler-Daten" zweidimensionale Daten für einen gegebenen Azimut oder für einen gegebenen Sensor, und der Begriff "Entfernungs-Sensordaten" bezeichnet zweidimensionale Daten für einen gegebenen Dopplerwert oder einen gegebenen Impulsindex. Zusätzlich bezeichnen die Begriffe "Entfernungsimpuls-Sensor", "Entfernungs-Doppler-Sensor" und "Entfernungs-Doppler-Azimutdaten" dreidimensionale Daten. Des Weiteren bedeutet der Ausdruck "ein Teil" von Daten, dass der Teil von Daten eine kleinere Dimension besitzt als die Daten, aus denen er erhalten wurde. Dem entsprechend kann ein Teil von Daten eindimensional oder zweidimensional sein, wenn der Teil von Daten einer Menge von dreidimensionalen Daten entnommen ist.
  • Wie vorausgehend erwähnt wurde, entsteht eine selbsterzeugte Interferenz als Reaktion auf die gesendeten EM-Impulse. Wenn die von der Empfangsantennengruppe aufgezeichneten Radardaten durch ein abgestimmtes Filter geleitet werden, das auf die gesendeten EM-Impulse abgestimmt ist, erscheinen daher die selbsterzeugte Interferenz wie auch die Radarechos von möglichen Ziele am Ausgang des abgestimmten Filters. Wenn die von der Empfangsantennengruppe aufgezeichneten Daten durch ein zweites Filter geleitet würden, das eine zu den gesendeten EM-Impulsen orthogonale Impulsantwort besitzt, würden die selbsterzeugte Interferenz und die Radarechos von möglichen Zielen nicht im Ausgang des zweiten Filters erscheinen. Eine äußere Störung ist jedoch vom Betrieb des Radars unabhängig und ist am Ausgang sowohl des abgestimmten Filters als auch des zweiten Filters vorhanden.
  • Das zweite Filter ist ein nicht abgestimmtes Filter. Ein abgestimmtes Filter besitzt eine Transferfunktion, welche die gleichen Frequenzkomponenten besitzt wie das Signal, auf das das abgestimmte Filter abgestimmt ist. Als Alternative besitzt ein nicht abgestimmtes Filter eine Transferfunktion, die zu derjenigen des abgestimmten Filters entgegengesetzt ist. Daher enthält die Transferfunktion eines nicht abgestimmten Filters keine Frequenzkomponenten in dem oben erwähnten Signal. Abgestimmte und nicht abgestimmte Filter besitzen gemäß Definition eine Kreuzkorrelation Null. Dies bedeutet, dass der Ausgang des nicht abgestimmten Filters mit dem Ausgang des abgestimmten Filters, das auf den gesendeten EM-Impuls abgestimmt ist, nicht korreliert sein sollte. Daher liefert das nicht abgestimmte Filter einen Ausgang, der als eine Beobachtung der im Ausgang des abgestimmten Filters vorhandenen äußeren Störung verwendet werden kann. Es ist daher möglich, eine einzelne Empfangsantennengruppe zu verwenden, um Radardaten für die Erfassung von Radarechos von möglichen Zielen sowie von Radardaten für die Abschätzung einer äußeren Störung zu liefern, ohne den Nachteilen von Rauschunterdrückungsmethoden des Standes der Technik zu begegnen (d.h. der Erfordernis zusätzlicher Empgangsantennenelemente oder der Verwendung einiger Elemente nur für die Empfangsantennengruppe zur Abschätzung einer äußeren Störung mit dem Verzicht auf azimutale Auflösung).
  • Unter Bezugnahme auf 3 ist dort ein Blockdiagramm eines Rauschunterdrückungssystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Es wird nun die Funktionalität der Komponenten des Rauschunterdrückungssystems 10 erörtert. Spezifische Ausführungsfragen werden im Nachfolgenden erörtert. Das Rauschunterdrückungssystem 10 steht in Verbindung mit einer Hauptsensorgruppe 12, die eine Anzahl von Sensoren S1, S2, ..., SK aufweist, um Entfernungsimpuls-Sensordaten zu liefern, was im Nachfolgenden ausführlicher erläutert wird. Jeder Sensor kann ein beliebiges, dem Fachmann bekanntes Empfangsantennenelement sein, das für den Empfang von Radarsignalen geeignet ist. Des Weiteren dürfte es für den Fachmann verständlich sein, dass die von der Hauptsensorgruppe 12 gesammelten Radardaten für eine Vorverarbeitung der Radardaten herkömmlichen Signalverarbeitungsoperationen unterzogen werden. Die herkömmlichen Signalverarbeitungsoperationen umfassen Bandpassfiltern, Heterodyn-Verarbeitung, A/D-Wandlung, Demodulation und Downsampling. Die Bauteile zum Durchführen dieser Signalverarbeitungsoperationen sind auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt und in den vorliegend enthaltenen Figuren nicht gezeigt. Des Weiteren dürfte es verständlich sein, dass alle Elemente der Erfindung die Verarbeitung von Daten ermöglichen, die komplex sind (d.h. die reale und imaginäre Teile aufweisen). Der Rest des Rauschunterdrückungssystems 10 arbeitet mit den vorbehandelten Radardaten.
  • Das Rauschunterdrückungssystem 10 enthält ein erstes Verarbeitungsmodul 14 mit einem abgestimmten Filtermodul 16, das in Verbindung mit der Hauptsensorgruppe 12 steht, und ein erstes Doppler-Verarbeitungsmodul 18, das in Verbindung mit dem abgestimmten Filtermodul 16 steht. Das abgestimmte Filtermodul 16 empfängt die vorbehandelten Radardaten, die von Radardaten abgeleitet sind, welche von der Hauptsensorgruppe 12 aufgezeichnet wurden, und führt ein abgestimmtes Filtern an den Daten zur Erzeugung abgestimmter Radardaten durch. Das erste Doppler-Verarbeitungsmodul 18 empfängt dann die abgestimmten Radardaten und führt eine Dopplerverarbeitung zur Erzeugung abgestimmter Entfernungs-Doppler-Daten an den Daten durch.
  • Das Rauschunterdrückungssystem 10 enthält ferner einen Strahlformer 20, der in Verbindung mit dem ersten Verarbeitungsmodul 14 steht, um die abgestimmten Entfernungs-Doppler-Daten zu empfangen. Der Strahlformer 20 erzeugt abgestimmte Entfernungs-Doppler-Azimutdaten für eine gewünschte Anzahl von Azimutwerten. Daher erzeugt der Strahlformer 20 für einen gegebenen Azimut θ einen Hauptstrahl MB, auf den die abgestimmten Entfernungs-Doppler Daten abgestimmt sind (s. 4a). Die Anzahl von Azimutwerten kann von einem Anwender des Rauschunterdrückungssystems 10 vorausgehend gewählt werden. Ein Teil der strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B wird dann für eine weitere Verarbeitung durch das Rauschunterdrückungssystem 10 gewählt, wie im Nachfolgenden beschrieben ist.
  • Das Rauschunterdrückungssystem 10 enthält auch ein zweites Verarbeitungsmodul 22 mit einem nicht abgestimmten Filtermodul 24, das in Verbindung mit der Hauptsensorgruppe 12 steht, ein zweites Doppler-Verarbeitungsmodul 26, das in Verbindung mit dem nicht abgestimmten Filtermodul 24 steht, und einen Hilfsgruppenwähler 28, der in Verbindung mit dem zweiten Doppler-Verarbeitungsmodul 26 steht. Das nicht abgestimmte Filtermodul 24 empfängt die vorbehandelten Radardaten, die von Radardaten abgeleitet sind, welche von der Hauptsensorgruppe 12 aufgezeichnet wurden, und führt ein nicht abgestimmtes Filtern zur Erzeugung nicht abgestimmter Radardaten durch. Das zweite Doppler-Verarbeitungsmodul 26 empfängt dann die nicht abgestimmten Radardaten und führt eine Dopplerverarbeitung zur Erzeugung nicht abgestimmter Entfernungs-Doppler-Daten durch. Der Hilfsgruppenwähler 28 empfängt dann die nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Daten und erstellt eine virtuelle Hilfssensorgruppe mit Sensoren A1, A2, ..., AL (nicht gezeigt), die aus der Hauptsensorgruppe 12 ausgewählt sind, von deren nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y ein Teil zur Erzeugung einer Interferenz-Schätzung verwendet wird, wie im Nachfolgenden beschrieben ist.
  • Die virtuelle Hilfssensorgruppe kann entweder alle oder eine Untergruppe der Sensoren S1, S2, ..., SK von der Hauptsensorgruppe 12 umfassen, die Radardaten zum Erzeugen des Hauptstrahls MB beigesteuert haben. Daher werden einige der Sensoren von der Hauptsensorgruppe 12 verwendet, um den Hauptstrahl MB zu erzeugen, und einen Hilfsstrahl AB, der von der virtuellen Hilfssensorgruppe erzeugt wird, wie im Nachfolgenden beschrieben ist. Daher gibt es keinen Verlust der azimutalen Auflösung für die Entfernungs-Doppler-Azimutdaten, die von dem Rauschunterdrückungssystem 10 erzeugt werden. Daher sollte die Erfassungsleistung für Radardaten, die von dem Rauschunterdrückungssystem 10 erzeugt werden, für Radardaten, die eine starke atmosphärische Störung und anderes räumliches weißes white Rauschen aufweisen, beibehalten werden. Des Weiteren besteht bei dem Rauschunterdrückungssystem 10 keine Notwendigkeit für eine physisch separate Hilfssensorgruppe, da das abgestimmte Filter und das nicht abgestimmte Filter nicht-korrelierte Radardaten liefern. Der Aufbau der virtuellen Hilfssensorgruppe wird im Nachfolgenden erläutert.
  • Das Rauschunterdrückungssystem 10 enthält ferner einen adaptiven Strahlformer 30, der in Verbindung mit dem Strahlformer 20 und dem zweiten Verarbeitungsmodul 22 steht. Der adaptive Strahlformer 30 empfängt den Teil von abgestimmten strahlgerichteten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B sowie den Teil von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y. Aus diesen Eingängen erzeugt der adaptive Strahlformer 30 einen adaptiven Gewichtungsvektor W = [W1 W2 ... WL], der auf den Teil von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y angewendet wird, um eine Schätzung I des Teiles von abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B zu erzeugen. Die Schätzung I wird für die gleichen Entfernungs-, Doppler- und Azimut-Zellen errechnet, denen der Teil von abgestimmten strahlgerichteten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B entnommen wurde. Daher erzeugt der adaptive Strahlformer 30 einen Hilfsstrahl AB, für den die nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten abgestimmt sind (s. 4b, die ein Beispiel für eine virtuelle Hilfssensorgruppe mit 3 Sensoren zeigt).
  • Der adaptive Gewichtungsvektor W wird so erzeugt, dass der Unterschied zwischen dem Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B und der Schätzung I minimiert ist. Da der Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B mögliche Radarzielechos zusammen mit selbsterzeugter Interferenz und einer äußeren Störung enthält, während die Schätzung I nur eine äußere Störung enthält, wird der Unterschied zwischen dem Teil von Radardaten B und der Schätzung I minimiert, wenn der adaptive Gewichtungsvektor W so gewählt wird, dass die äußere Störung in der Schätzung I die äußere Störung in dem Teil der Radardaten B annähert. Daher wird angenommen, dass die Schätzung I eine Schätzung der äußeren Störung in dem Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B ist. Daher stimmt der adaptive Strahlformer 30 den Hilfsstrahl AB für einen gegebenen Azimut θ so ab, dass die äußere Störung in dem Hilfsstrahl AB die äußere Störung in dem Hauptstrahl MB annähert (s. 4c). Wenn der Hilfsstrahl AB auf das Ziel ausgerichtet ist und Zielenergie enthält, kann das Ziel selbst unterdrückt werden. Diese Situation wird jedoch durch die nicht abgestimmte Filterung der Hilfssensordaten vermieden, wie vorausgehend beschrieben wurde.
  • Das Rauschunterdrückungssystem 10 enthält ferner einen Unterdrücker 32, der in Verbindung mit dem Strahlformer 20 und dem adaptiven Strahlformer 30 steht, um den Teil von Radardaten B und die Aussenstörungsabschätzung I zu empfangen. Der Unterdrücker 32 entfernt die Aussenstörungsabschätzung I aus dem Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B, um einen Teil von rauschunterdrückten strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten Br zu erzeugen. Der rauschunterdrückte Teil von Radardaten Br wird verwendet, um rauschunterdrückte Radardaten zu erstellen, die dann von den Verarbeitungskomponenten eines herkömmlichen Radarsystems wie etwa einem Erfassungsmodul und einem Verfolger verarbeitet werden können.
  • Das Rauschunterdrückungssystem 10 kann ferner ein Speichermittel 33 enthalten, das in Verbindung mit dem Unterdrücker 32 steht. Das Speichermittel 33 empfängt den rauschunterdrückten Teil von Radardaten BR und speichert diese Daten auf eine geeignete Weise, so dass rauschunterdrückte Radardaten gewonnen werden können, um ein rauschunterdrücktes Entfernungs-Doppler-Diagramm für einen gegebenen Azimut zu erzeugen. Das Speichermittel 33 kann eine jegliche geeignete Speichervorrichtung wie etwa eine Datenbank, eine Festplatte, eine CD-Rom und dergleichen sein.
  • Eine Vorgehensweise auf der Basis der Wiener-Theorie wird bevorzugt angewendet, um den adaptiven Gewichtungsvektor W so zu wählen, dass die Aussenstörungsabschätzung I die äußere Störung in dem Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B annähert. Daher wird der Hilfsstrahl AB für die virtuelle Hilfssensorgruppe so errechnet, dass der Unterschied zwischen der Aussenstörungsabschätzung I und dem Teil von Radardaten B im Sinne eines eines mittleren quadratischen Fehlers (MSE) minimiert ist.
  • Die Formulierung des adaptiven Gewichtungsvektors W auf der Basis der Wiener-Theorie ist wie folgt. Der Teil von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten in einer Momentaufnahme n (d.h. einer zeitbezogenen Beobachtung) ist dargestellt durch Y(n), und der Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten bei der Momentaufnahme n ist dargestellt durch B(n). Der Ausgang des adaptiven Strahlformers 30 bei der Momentaufnahme n ist angegeben durch Gleichung 1: I ^(n|Y(n)) = WHY(n) (1)wobei I ^(n)|Y(n) die Aussenstörungsabschätzung I(n) angesichts der Momentaufnahme der Radardaten Y(n) bezeichnet, und H den Hermitischen Operator bezeichnet, der die komplexe konjugierte Transponierte einer Matrix ist. Wie bereits erwähnt wurde, ist es erwünscht, dass die Störungsabschätzung I(n|Y(n)) eine Annäherung von B(n) darstellt. Der Fehler bei der Abschätzung von I(n|Y(n)) wird somit angegeben durch Gleichung 2. e(n) = B(n) – WHY(n) (2)
  • Daher wird der mittlere quadratische Fehler J(W) angegeben durch Gleichung 3.
    Figure 00190001
  • Unter der Annahme, dass der Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B(n) und der Teil von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y(n) für eine gegebene Momentaufnahme n gemeinsam stationär sind, lässt sich Gleichung 3 vereinfachen zu Gleichung 4.
    Figure 00190002
    wobei σd 2(n) die Varianz von B(n) ist, wenn man annimmt, dass sie ein Mittel Null besitzt und p(n) die Erwartung E[Y(n)H·B(n)] ist, bei der es sich um einen Vektor handelt, der aus der Kreuzkorrelation des Teiles von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y(n) und des Teiles von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B(n) handelt. Das Symbol R(n) bezeichnet die Erwartung E[YH(n)·Y(n)], bei der es sich um die Autokorrelationsmatrix des Teiles von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y(n) handelt. Die Kreuzkorrelation p(n) gibt den Grad der Ähnlichkeit zwischen dem Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B(n) und dem Teil von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y(n) an, während die Autokorrelation R(n) den Grad der Ähnlichkeit zwischen den Daten der virtuellen Hilfssensorgruppe angibt.
  • Die mittlere quadratische Fehlerfunktion Jn(W) ist eine Funktion zweiter Ordnung des adaptiven Gewichtungsvektors W, wenn man annimmt, dass der Teil von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y(n) und der Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B(n) gemeinsam stationär sind. Das Ziel ist es, die mittlere quadratische Fehlerfunktion Jn(W) durch Auswahl eines optimalen adaptiven Gewichtungsvektors W0 zu minimieren. Dem zufolge, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, wird der mittlere quadratische Fehler Jn(W) hinsichtlich des adaptiven Gewichtungsvektors W differenziert, und die Ableitung wird gleich Null gesetzt, wie in Gleichung 5 gezeigt ist.
    Figure 00200001
  • Die Auflösung der Gleichung 5 ergibt die optimale Menge von adaptiven Gewichtungen W0,n, die von Gleichung 6 angegeben wird.
    Figure 00200002
  • Um das Rauschunterdrückungssystem 10 auszuführen, wird eine Schätzung der Autokorrelationsmatrix R(n) und des Kreuzkorrelationsvektors p(n) benötigt. Der Erwartungswertoperator E[], der bei der Berechnung von R(n) und p(n) verwendet wird, kann mit dem Durchschnittbildungsoperator ersetzt werden, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist. Die Durchschnittbildung sollte jedoch über einen Teil von Daten ausgeführt werden, in dem der maximale Betrag der äußeren Störung vorliegt. Des Weiteren müssen R(n) und p(n) auf eine solche Weise abgeschätzt werden, dass die Energie möglicher Ziele in den Radardaten eine unbeträchtliche Rolle spielt. Dies ist erforderlich, weil sich die Hauptsensorgruppe 12 und die virtuelle Hilfssensorgruppe die gleichen Sensoren teilen.
  • Unter Bezugnahme auf 11a liegt eine Gleichkanalstörung über den gesamten Entfernungsraum für spezifische Dopplerfrequenzen vor, wie aus den Kämmen ersichtlich ist, die bei Dopplerfrequenzen zwischen –2 und 4 Hz auftreten. Umgekehrt verteilt sich bei Bezugnahme auf 12a das Impulsrauschen über den gesamten Entfernungs-Doppler-Raum. Eine gute Schätzung der äußeren Störung, die sowohl Gleichkanalstörung und Impulsrauschen umfasst, kann durch Bilden des Durchschnitts von Entfernungs-Doppler-Daten über Bereiche mit einer beträchtlichen Überdeckung sowohl mit Gleichkanalstörung als auch Impulsrauschen erhalten werden. Mit anderen Worten, die Form des Bereichs, über den eine Durchschnittbildung durchgeführt wird, wird bevorzugt so gewählt, dass er den Großteil der Störung enthält. Dies bedeutet eine Durchschnittbildung der Entfernungs-Doppler Daten entlang der Entfernungsdimension für eine gegebene Doppler-Frequenz, wie durch den in 5 gezeigten Streifen 34 dargestellt ist. Als Alternative kann dieser Streifen 34 eine andere Form besitzen (dies wird durch die Form der Interferenz vorgegeben). Daher kann der Kreuzkorrelationsvektor p(n) bei der Momentaufnahme n entlang der Entfernungsdimension für eine gegebene Doppler-Frequenz Di gemäß der Gleichung 7 abgeschätzt werden:
    Figure 00210001
    wobei r für den Entfernungs-Index steht, und N die Anzahl von Entfernungszellen in dem Durchschnittbildungsprozess ist. Auf ähnliche Weise kann die Autokorrelationsmatrix R(n) bei der Momentaufnahme n entlang der Entfernungsdimension für eine gegebene Doppler-Frequenz Di gemäß Gleichung 8 abgeschätzt werden.
    Figure 00210002
  • Um den Rest der Beschreibung zu vereinfachen, wird auf den Momentaufnahme-Index (n) verzichtet.
  • Unter Bezugnahme auf 6 ist dort eine detailliertere Ausführung des Rauschunterdrückungssystems 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bezug wird auch auf 7 genommen, welche die Radardaten an verschiedenen Knoten in dem Rausch unterdrückungssystem 10 zeigt, um die Erläuterung des Betriebs des Systems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Die Hauptsensorgruppe 12 liefert Radardaten, die als eine dreidimensionale Matrix der Entfernungs-Puls-Sensordaten (dargestellt durch die dicken Blocklinien in 6) aufgefasst werden kann. Die von der Hauptsensorgruppe 12 aufgezeichneten Radardaten wurden bevorzugt so kalibriert, dass bekannte Phasen- und Amplitudenfehler in jedem Sensor korrigiert werden. Die Kalibrierung wird bevorzugt vorgenommen, indem ein Sender an verschiedene bekannte Orte in dem Überwachungsbereich verbracht wird und EM-Impulse gesendet werden, die von der Hauptsensorgruppe 12 aufgezeichnet werden. Die Orte des Senders werden dann aus den aufgezeichneten Radardaten abgeleitet und mit den bekannten Orten des Senders verglichen, um einen Gewichtungsvektor zu liefern, der zum Kalibrieren der von der Hauptsensorgruppe aufgezeichneten Daten verwendet wird. Gewichtungsvektoren können für verschiedene Sendefrequenzen erzeugt werden. Diese Gewichtungsvektoren sind nicht mit dem adaptiven Gewichtungsvektor W zu verwechseln.
  • Die Organisation der Entfernungs-Puls-Sensordaten ist in 7a als ein dreidimensionaler Datenkubus 40 gezeigt, wobei sich die Entfernungsdimension entlang der z-Achse erstreckt, die Impulsdimension entlang der y-Achse erstreckt, und die Sensordimension entlang der x-Achse erstreckt, gemäß dem in 7a gezeigten x-y-z-Koordinatensystem. Bevorzugt werden die Radardaten gemäß einer CIT in Zeitsegmente segmentiert. Die CIT ist verschieden je nach verschiedenen Radar-Betriebsarten wie dem Schiffsmodus, in dem Schiffsziele überwacht werden, oder dem dem Luftmodus, in dem Flugzeuge überwacht werden. Wie bereits erwähnt wurde, wurden an den Radardaten 40 die Signalverarbeitungsoperationen vorgenommen, die für eine Vorverarbeitung verwendet werden, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist. Daher sind die Module für die Durchführung dieser Signalverarbeitungsoperationen in dem Blockdiagramm von 6 nicht gezeigt.
  • Im Hinblick auf den Entfernungsvektor 42 gibt es eine Reihe von Entfernungszellen mit Entfernungs-Index-Werten R1, R2, ..., RN, welche die EM-Werte enthalten, die von dem Sensor S im Ansprechen auf den ersten gesendeten EM-Impuls aufgezeichnet wurden, der durch den Impulsindex P1 dargestellt ist. Die Distanz, welche eine gegebene Entfernungszelle darstellt, wird durch Aufzeichnen der Zeit errechnet, bei der der EM-Wert für die Entfernungszelle abgetastet wurde in Bezug auf die Zeit, an der der entsprechende EM-Impuls gesendet wurde, Multiplizeren dieser Zeit mit der Geschwindigkeit von Licht und Teilen durch Zwei. Im Hinblick auf den Impuls vektor 44 gibt es eine Reihe von Impulszellen mit Impulsindexwerten P1, P2, ..., PM, die EM-Werte enthalten, welche von dem Sensor S1 an dem Entfernungswert für den Entfernungs-Index-Wert R1 für jeden Impuls aufgezeichnet wurden, der in der CIT gesendet wurde. Daher stellt der Impulsindex P1 den ersten gesendeten Impuls dar, der Impulsindex P2 stellt den zweiten gesendeten Impuls dar, usw. Die abgetasteten EM-Werte in dem Impulsvektor 44 wurden alle zu der gleichen Zeit nach dem Senden jedes EM-Impulses abgetastet (weshalb sie alle dem Entfernungswert entsprechen, der durch den Entfernungs-Index R1 dargestellt ist). Im Hinblick auf den Sensorvektor 46 gibt es eine Reihe von EM-Werten, die von jedem sensor S1, S2, ..., SK an dem Entfernungswert für den Entfernungs-Index R1 gemessen wurden, nachdem der durch den Impulsindex PM dargestellte EM-Impuls gesendet wurde. Daher wurde jeder der in dem Sensorvektor 46 enthaltenen EM-Werte zu der gleichen Zeit (daher der gleiche Entfernungs-Index R1) nach dem gleichen Impuls abgetastet (daher der gleiche Impulsindex PM). 7a zeigt auch Teile der Entfernungs-pulse zweidimensional Daten für einen gegebenen Sensor, um zu zeigen, wie die Radardaten 40 organisiert sind. Wie aus 7a hervor geht, gibt es eine Mehrzahl von Entfernungsvektoren 42, Impulsvektoren 44 und Sensorvektoren 46, aus denen die Entfernungs-Impuls-Sensor-Radardaten 40 bestehen.
  • Die Entfernungs-Impuls-Sensordaten 40 werden an das abgestimmte Filtermodul 16 geliefert, das eine abgestimmte Filterung an den Daten 40 vornimmt, um abgestimmte Entfernungs-Puls-Sensordaten 48 zu liefern. Das abgestimmte Filtermodul 16 ist bevorzugt ein digitales Filter mit einer Transferfunktion, die auf die gesendeten EM-Impulse abgestimmt ist. Das abgestimmte Filtermodul 16 kann ein einzelnes digitales Filter umfassen, das gemäß der Entfernungsdimension für einen gegebenen Impulsindex Pi und einen gegebenen Sensor Si arbeitet (d.h. das abgestimmte Filter arbeitet mit einem Entfernungsvektor 42 aus den Entfernungs-Puls-Sensordaten 40). Diese abgestimmte Filterungsoperation wird für jeden Impulsindex Pi und jeden Sensor Si vorgenommen. Das abgestimmte Filtern kann sequentiell durchgeführt werden, so dass sich die Transferfunktion des abgestimmten Filters in Abhängigkeit von dem zu verarbeitenden Impulsecho ändert (d.h. auf den EM-Impuls abgestimmt ist, der das aktuelle Impulsecho hervorgerufen hat). Als Alternative kann das abgestimmte Filtermodul 16 eine Bank von digitalen Filtern aufweisen, deren Transferfunktion jeweils auf einen der gesendeten EM-Impulse abgestimmt ist. Das System legt dann die eintreffenden Impulsechos auf das entsprechende abgestimmte Filter.
  • Die gesendeten EM-Impulse werden bevorzugt unter Verwendung von Frank-Codes entworfen, um Entfernungs-Wrap entgegen zu wirken (Frank R.L., IEEE Trans. On IT, Vol. 9, S. 43–45, 1963). Daher werden Frank-Codes auch verwendet, um die Filterkoeffizienten für das abgestimmte Filtermodul 16 zu erzeugen. Frank-Codes sind dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt. Frank-Codes werden verwendet, um eine Phasenmodulation an jedem erzeugten EM-Impuls durchzuführen. Daher wird ein gegebener EM-Impuls in Unterimpulse aufgeteilt, von denen jeder eine Phase gemäß einem Frank-Code besitzt. Die erzeugten EM-Impulse sind alle orthogonal zu einander, da die Zeilen einer Frank-Codematrix orthogonal sind. Frank-Codes werden aus der Frank-Codematrix erzeugt. Ein Beispiel für eine P4-Frank-Matrix ist P4 = [1 1 1 1; 1 j-1j; 1-11-1; 1-j-1j], wobei die Zeilen der Matrix durch einen Strichpunkt getrennt sind. Daher hätte ein EM-Impuls auf der Basis der vierten Zeile der Frank P4-Matrix z.B. vier sinusförmige Subimpulse mit Phasen von 0°, 270°, 180° bzw. 90°. Des Weiteren sind die Koeffizienten eines abgestimmten Filters, das auf diesen EM-Impuls abgestimmt ist, die gleichen Abtastproben wie der erzeugte EM-Impuls, die konjugiert und in der Reihenfolge umgekehrt sind. Dies kann für jede Zeile der Frank P4-Matrix wiederholt werden, so dass es 4 verschiedene EM-Impulse und 4 verschiedene abgestimmte Filter gibt. Daher würde das Senden dieser vier verschiedenen EM-Impulse wiederholt auf sequentielle Weise wie etwa EM1, EM2, EM3 und EM4 durchgeführt (wobei die Zahl eine Zeile in der P4-Matrix ist). Die Radarechos werden dann von dem entsprechenden abgestimmten Filter verarbeitet.
  • Es können auch andere Frank-Codes auf der Basis einer P8-, P16- oder P32-Matrix verwendet werden. Im Falle einer P32-Matrix müssten jedoch die für die Phasemmodulation erforderlichen Phasen präzise erzeugt werden, da sie näher bei einander liegen, was eine kostspieligere Hardware erfordert. Andere Codes, wie etwa Barker-Codes, können angesichts verschiedener Erfordernisse für die Bandbreite der erzeugten EM-Impulse verwendet werden.
  • Die abgestimmten Entfernungs-Impuls-Sensordaten 48 werden dann an das erste Doppler-Verarbeitungsmodul 18 geliefert, das die Daten verarbeitet, um abgestimmte Entfernungs-Doppler-Sensordaten 50 zu liefern. Das erste Doppler-Verarbeitungsmodul 18 führt eine Dopplerverarbeitung gemäß der Impulsdimension (bzw. Impulsdomäne) der abgestimmten Entfernungs-Impuls-Sensordaten durch, um die abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten 50 zu liefern. Eine Doppler-Verarbeitung umfasst bevorzugt die Durchführung einer FFT mit einer geeigneten Fensterfunktion an jedem Impulsvektor 44, um die Zeitreihendaten für jeden Entfernungs-Indexwert Ri in eine Frequenzreihe umzuwandeln. 7b veranschaulicht die Umwandlung der abgestimmten Entfernungs-Impuls-Sensordaten 40 in die abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten 50. Als Alternative kann an Stelle der Verwendung der FFT zum Ausführen der Doppler-Verarbeitung eine Bank aus Kammfiltern verwendet werden, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist.
  • Die abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten 50 werden daraufhin an den Strahlformer 20 geliefert, der strahlgerichtete abgestimmte Entfernungs-Doppler-Azimutdaten 52 erzeugt. Unter Bezugnahme auf 7c führt der Strahlformer 20 eine Reihe von FFT-Operationen in der Sensordimension durch, um die Sensordaten aus dem Raumbereich in den Winkel- oder Azimutbereich zu konvertieren. Daher wird eine FFT an jedem Sensorvektor 46 vorgenommen, um die abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten 52 zu erzeugen. Der Strahlformer 20 liefert auch einen Teil B der strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten 52 für eine weitere Verarbeitung, wie im Nachfolgenden beschrieben wird.
  • Die Entfernungs-Puls-Sensordaten 40 werden auch an das nicht abgestimmte Filtermodul 24 geliefert, das ein "nicht abgestimmtes" Filtern der Radardaten 40 durchführt, um nicht abgestimmte Entfernungs-Impuls-Sensordaten 54 zu liefern. Das nicht abgestimmte Filtermodul 24 ist bevorzugt ein digitales Filter mit einer Transferfunktion, das nicht auf die gesendeten EM-Impulse abgestimmt ist. Das nicht abgestimmte Filtermodul 24 kann an den Entfernungs-Puls-Sensordaten 40 auf die gleiche Weise ausgeführt und betrieben werden wie das abgestimmte Filtermodul 16 zur Erzeugung der nicht abgestimmten Entfernungs-Impuls-Sensor-Radardaten 54. In diesem Fall verwendet das nicht abgestimmte Filter jedoch eine Transferfunktion, die den gesendeten EM-Impuls zurückweist. Dem zufolge, wenn unter Verwendung des oben für das abgestimmte Filtermodul 16 gegebenen Beispiels der gesendete EM-Impuls auf der Basis der vierten Zeile der Frank P4-Matrix erzeugt wurde, dann würden die Phasen der sinusförmigen Subimpulse aus irgend einer anderen Reihe der Frank P4-Matrix als der vierten Zeile erhalten und in der Reihenfolge umgekehrt, um die Koeffizienten des nicht abgestimmten Filtermoduls 24 zu erhalten. Dem zufolge, da die Zeilen der P4-Matrix sequentiell verwendet werden, um wiederholt eine Reihe von EM-Impulsen zu liefern, dann würde eine Reihe von nicht abgestimmten Filtern in dem nicht abgestimmten Filtermodul 24 benötigt, um die Echos eines jeden dieser EM-Impulse so zu verarbeiten, dass der nicht abgestimmte Filterausgang nicht mit dem abgestimmten Filterausgang korreliert ist, der von dem abgestimmten Filtermodul 16 erzeugt wird.
  • Die nicht abgestimmten Entfernungs-Impuls-Sensordaten 54 werden dann an das zweite Doppler-Verarbeitungsmodul 26 geliefert, das die Daten verarbeitet, um nicht abgestimmte Entfernungs-Doppler-Sensordaten 56 zu erzeugen. Das zweite Doppler-Verarbeitungsmodul 26 ist auf ähnliche Weise wie das erste Doppler-Verarbeitungsmodul 18 ausgeführt und wird nicht weiter erörtert.
  • Das zweite Verarbeitungsmodul 22 enthält ferner den Hilfsgruppenwähler 28, der nicht abgestimmte Entfernungs-Doppler-Daten für die virtuelle Hilfssensorgruppe liefert. Unter Bezugnahme auf 7d bedeutet dies, dass die nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten 56 genommen werden, die Daten 56 in zweidimensionale Scheiben 58, 60, ..., 62 aufgeteilt werden, wobei jede Scheibe Entfernungs-Doppler-Daten für die Sensoren S1, S2, ..., SK der Hauptsensorgruppe 12 entspricht, und eine Untergruppe dieser Scheiben ausgewählt wird, die dann verkettet werden, um nicht abgestimmte Entfernungs-Doppler-Sensordaten 64 zu bilden. Die Anordnung von Sensoren, die zu den Daten 64 beitragen, wird als die virtuelle Hilfssensorgruppe mit Sensoren A1, A2, ..., AL (nicht gezeigt) bezeichnet. Der Hilfsgruppenwähler 28 liefert ferner einen Teil Y der nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler Sensor Daten 64 für eine weitere Verarbeitung, wie im Nachfolgenden weiter beschrieben ist.
  • Wie bereits erwähnt wurde, kann die virtuelle Hilfssensorgruppe eine Untergruppe der Sensoren von der Hauptsensorgruppe 12 aufweisen, die dazu verwendet werden, um Radardaten zu liefern, die zum Erstellen des Hauptstrahls MB verwendet werden, oder jeden Sensor von der Hauptsensorgruppe 12 aufweisen, die verwendet werden, um Radardaten zu liefern, die zum Erstellen des Hauptstrahls MB verwendet werden (wobei die Radardaten vorbehandelt und kalibriert wurden). Wenn die virtuelle Hilfssensorgruppe eine Untergruppe der Hauptsensorgruppe 12 aufweist, sollten bevorzugt zwei Bedingungen erfüllt sein. Die erste Bedingung ist, dass die Aperturgröße der virtuellen Hilfssensorgruppe gleich der Aperturgröße der Hauptsensorgruppe 12 sein sollte. Mit anderen Worten, der jeweils am weitesten links und am weitesten rechts räumlich ausgerichtete Sensor in der Hauptsensorgruppe 12, die Radardaten für den Hauptstrahl MB liefern, sollte auch der jeweils am weitesten links und am weitesten rechts räumlich ausgerichtete Sensor in der virtuellen Hilfssensorgruppe sein. Die zweite Bedingung ist, dass das Null-Phasenzentrum der virtuellen Hilfssensorgruppe bevorzugt weit entfernt vom Null-Phasenzentrum der Hauptsensorgruppe 12 liegen sollte. Hierbei handelt es sich um einen Versuch, die Überdeckung des Hauptstrahls MB und des Hilfsstrahls AB zu minimieren, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass ein Ziel verfehlt wird, wenn der Hilfsstrahl AB auf die Ankunftsrichtung eines Zieles gerichtet ist. Das Null-Phasenzentrum einer Sensoranordnung entspricht dem Schwerpunkt der Sensoranordung angesichts der räumlichen Verteilung der Sensoren in der Sensoranordung.
  • Das Null-Phasenzentrum für die Hauptsensorgruppe 12, bei der es sich um eine lineare Anordnung handelt, wenn alle Sensoren in Betrieb sind, liegt in der Mitte der Hauptsensorgruppe 12 (d.h. (1+ 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8)/8 = 4,5, wobei jeder Sensor durch seine Ordnung in der Hauptsensorgruppe 12 dargestellt ist). Da jedoch die Sensoren in der virtuelle Hilfssensorgruppe möglicherweise keine gleichmäßige räumliche Verteilung aufweisen, verschiebt sich das Null-Phasenzentrum der virtuellen Hilfssensorgruppe zu dem Ende der virtuellen Hilfssensorgruppe mit der größeren Sensorendichte hin. Um das zweite Kriterium zu erfüllen, kann der Hilfsgruppenwähler 28 die Schwerpunkte aller virtuellen Hilfsgruppen berechnen, die eine vorgegebene Anzahl von Sensoren aufweisen (gemäß dem oben gezeigten Beispiel). Die Sensoren in der virtuellen Hilfsgruppe, die sowohl das erste als auch das zweite Kriterium erfüllen, werden dann von dem Hilfsgruppenwähler 28 gewählt. Angesichts einer festgelegten Hauptsensorgruppe 12 kann der vorausgehend erwähnte Betrieb durchgeführt werden, indem eine wechselnde Anzahl von Sensoren für die virtuelle Hilfssensorgruppe verwendet wird, so dass die virtuelle Hilfssensorgruppe vor dem Betrieb des Rauschunterdrückungssystems 10 vorgegeben werden kann. Daher können die Sensoren in der virtuellen Hilfssensorgruppe während des Betriebs des Rauschunterdrückungssystems 10 durch eine Nachschlagetabelle zur Verfügung gestellt werden im Hinblick auf eine gewünschte Anzahl von Sensoren in der virtuellen Hilfssensorgruppe. Die Nachschlagetabelle gibt die Position jedes Hilfsgruppensensors Ai in der Hauptsensorgruppe 12 an.
  • Obgleich das Blockdiagramm in 6 zeigt, dass der Hilfsgruppenwähler 28 zwischen das zweite Doppler-Verarbeitungsmodul 26 und den adaptiven Strahlformer 30 geschaltet ist, kann die Position des Hilfsgruppenwählers 28 für eine wirkungsvollere Signalverarbeitung geändert werden. Beispielsweise kann der Hilfsgruppenwähler 28 zwischen dem nicht abgestimmten Filtermodul 24 und dem zweiten Doppler-Verarbeitungsmodul 26 angeordnet sein. Als Alternative kann der Hilfsgruppenwähler 28 vor dem nicht abgestimmten Filtermodul 24 angeordnet sein.
  • Das Rauschunterdrückungssystem 10 enthält ferner den adaptiven Strahlformer 30, der in Verbindung mit dem zweiten Verarbeitungsmodul 22 und dem Strahlformer 20 steht. Der adaptive Strahlformer 30 weist einen Autokorrelationsmatrixrechner 66, einen Matrixinverter 68, einen Kreuzkorrelator 70, einen Gewichtungsrechner 72 und einen Hilfsstrahlgenerator 74 auf, die gemäß der Darstellung in 6 verbunden sind.
  • Der Autokorrelationsmatrixrechner 66 empfängt den Teil der nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y von der virtuellen Hilfssensorgruppe und erzeugt die Autokorrelationsmatrix RY gemäß der Gleichung 8 (d.h. RY = YH·Y). Unter Bezugnahme auf 7e entspricht der Teil von Radardaten Y einer zweidimensionalen Scheibe von Entfernungssensor-Daten für einen gegebenen Doppler-Index Dj. Daher ist der Teil von Radardaten Y eine Matrix mit einer Dimension N-mal-L (d.h. N Entfernungszellen und L Sensoren). Daher erzeugt der Autokorrelationsmatrixrechner 66 die Autokorrelationsmatrix RY, indem er eine Matrixmultiplikation zwischen der Matrix Y und der Matrix YH durchführt. Die Dimension der Autokorrelationsmatrix RY ist L-mal-L (d.h. L Zeilen und L Spalten).
  • Der Matrixinverter 68 empfängt die Autokorrelationsmatrix RY und führt eine Matrixinvertierung durch, um die inverse Autokorrelationsmatrix P = RY –1 zu erhalten, unter Verwendung einer jeglichen Invertierungseinrichtung, die dem Fachmann geläufig ist. Falls der Teil von Radardaten Y nicht viel Rauschen enthält, kann die Autokorrelationsmatrix RY einen Rangfehler aufweisen. Dies kann bestimmt werden durch Errechnen der Bedingungsnummer der Autokorrelationsmatrix RY. In dieser Situation wird der pseudo-inverse Operator angewendet, um die inverse Autokorrelationsmatrix P zu erhalten. Die Dimension der inversen Autokorrelationsmatrix P ist L-mal-L. Die zum Erhalten der Bedingungsnummer und der Pseudo-Inversen von RY benötigten Gleichungen sind dem Fachmann vertraut.
  • Der Kreuzkorrelator 70 empfängt den Teil von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y von der virtuellen Hilfssensorgruppe sowie den Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B von der Hauptsensorgruppe 12 und errechnet den Kreuzkorrelationsvektor Q, der durch Gleichung 7 gegeben ist (d.h.P = YH·B). Unter erneuter Bezugnahme auf 7e ist der Teil von Radardaten B ein Entfernungsvektor für einen gegebenen Azimutindex Ai und den gleichen Doppler-Index D entsprechend dem Teil von Daten Y. Der Teil von Daten B besitzt eine Dimension von N-mal-1. Der Kreuzkorrelator 70 führt eine Matrixmultiplikation durch, um den Kreuzkorrelationsvektor Q mit einer Dimension von L-mal-1 zu erzeugen (d.h. L-mal-N N-mal-1 = L-mal-1).
  • Der Gewichtungsrechner 72 empfängt den Kreuzkorrelationsvektor Q und die inverse Autokorrelationsmatrix P und erzeugt den adaptiven Gewichtungsvektor W, indem er eine Matrixmultiplikation gemäß Gleichung 6 durchführt. Daher ist der adaptive Gewichtungsvektor W ein Zeilenvektor mit einer Dimension von L-mal-1. Der Hilfsstrahlgenerator 74 empfängt den adaptiven Gewichtungsvektor W und den Teil von Radardaten Y, um eine Schätzung der Interferenz I in dem Teil von Radardaten B gemäß Gleichung 9 zu erzeugen. I = WH·Y (9)
  • Daher ist die Interferenz-Schätzung I ein Vektor mit einer Dimension N-mal-1.
  • Das Rauschunterdrückungssystem 10 enthält ferner den Unterdrücker 32, der einen Subtrahierer 76 und einen mit dem Subtrahierer 76 in Verbindung stehenden Minimierer 78 aufweist. Der Subtrahierer 76 empfängt den Teil von Radardaten B und die Aussenstörungsabschätzung I und liefert einen Vektor bzw. ein Subtraktionssignal T gemäß Gleichung 10 (d.h. teilweise Subtraktion in den Vektoren B und 1). T = B – I (10)
  • Der Minimierer 78 empfängt den Vektor T und den Teil von Radardaten B und erzeugt einen Teil von rauschunterdrückten strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten BR gemäß Gleichung 11:
    Figure 00290001
    wobei der Operator min() definiert ist durch den Prozess des Anordnens der zwei Vektoren B und T, Nehmen eines Wertes aus einer Zelle in dem Vektor B, Nehmen eines Wertes aus der gleichen Zelle in dem Vektor T, und Anordnen des Minimums dieser zwei Werte in der gleichen Zelle in dem Vektor BR, wie in 7f gezeigt ist. Diese Operation wird für alle Zellen in den Vektoren B und T wiederholt.
  • Unter Bezugnahme auf 7g ist dort eine Reihe von Vektoren gezeigt (die auch als Datenserien oder -signale bezeichnet werden können), welche die Erläuterung der Funktion des Unterdrückers 32 unterstützen. Für einen gegebenen Teil von Radardaten B und eine Aussenstörungsabschätzung I wird der Vektor T durch elementweise Vektorsubtraktion erzeugt. Es besteht jedoch eine Möglichkeit, dass externes Rauschen 80 in der Aussenstörungsabschätzung I auftritt. Das externe Rauschen 80, das aus dem Betrieb des nicht abgestimmten Filtermoduls 24 resultiert, ist auch in dem Vektor T enthalten. Daher kann der Vektor T nicht unmittelbar als der Teil von rauschunterdrückten strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten BR verwendet werden. Statt dessen werden der Vektor T und der Teil von Radardaten B von dem Minimierer 78 verarbeitet, der die zwei Vektoren B und T anordnet und das Minimum dieser zwei Vektoren wählt, wenn er den Vektor BR erstellt, wie vorausgehend erörtert wurde. Wenn externes Rauschen 80 in der Aussenstörungsabschätzung I vorhanden ist, wird sie der Minimierer 78 also entfernen.
  • Unter Bezugnahme auf 7h wird der Vektor BR verwendet, um die rauschunterdrückten strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten 82 zu erstellen. Die Position des Vektors BR in den rauschunterdrückten Radardaten 82 ist gleich der Position des Vektors B in den Radardaten 52, die in 7e gezeigt sind. Daher werden die rauschunterdrückten Radardaten 82 Entfernungsvektor um Entfernungsvektor erstellt und entsprechend in dem Speichermittel 33 gespeichert. Auf diese Weise kann für einen gegebenen Doppler-Index der Teil von Daten B für einen gegebenen Azimutindex erhalten werden, und die Aussenstörungsabschätzung I für diesen gleichen Azimut-Index und Doppler-Index errechnet werden, um einen Teil von rauschunterdrückten Daten BR zu liefern, wie vorausgehend erörtert wurde. Diese Operation wird dann in der Azimut-Dimension (d.h. für jeden Azimut-Index) für den gewählten Doppler-Index wiederholt, bis alle Azimut-Indices verarbeitet sind. Der Doppler-Index wird dann um eine Position verschoben, und diese Operation wird erneut in der Azimut-Dimension wiederholt. Diese Operation wird dann entlang der Doppler-Dimension wiederholt, bis die rauschunterdrückten Radardaten 82 erstellt sind. Als Alternative können die rauschunterdrückten Radardaten 82 erstellt werden durch Auswählen eines Azimut-Index und dann Verschieben entlang der Doppler-Dimension. Sobald die Operation für alle Doppler-Indices durchgeführt wurde, wird der Azimut-Index um eine Position verschoben, und die Operation wird erneut entlang der Doppler-Dimension durchgeführt. Dies wird dann in der Azimut-Dimension wiederholt, bis die rauschunterdrückten Radardaten 82 erstellt sind.
  • Die Elemente des in 6 gezeigten Rauschunterdrückungssystems 10 können mit jeglichen Mitteln ausgeführt werden, die auf diesem Fachgebiet bekannt sind, obgleich die Verwendung spezialisierter Hardware wie etwa eines Digitalsignalprozessors bevorzugt sein kann. Als Alternative können auch diskrete Komponenten wie etwa Filter, Komparatoren, Multiplizierer, Schieberegister, Speicher und dergleichen verwendet werden. Des Weiteren können Komponenten des Rauschunterdrückungssystems 10 mit dem gleichen Aufbau ausgeführt werden. Beispielsweise können das erste Doppler-Verarbeitungsmodul 18 und das zweite Doppler-Verarbeitungsmodul 26 mit dem gleichen Hardware-Aufbau ausgeführt sein.
  • Als Alternative können die Elemente der vorliegenden Erfindung bevorzugt mittels eines Computerprogramms ausgeführt sein, das in Matlab, C, C++, LabviewTM oder jeglicher anderen geeigneten Programmiersprache geschrieben sein kann, die in einem von einem Computer lesbaren Medium auf einer Rechenplattform mit einem Betriebssystem und der dazu gehörigen Hardware und Software ausgeführt ist, die nötig ist, um das Rauschunterdrückungssystem 10 zu implementieren. Das Computerprogramm kann Computerbefehle enthalten, die dazu ausgelegt sind, die Schritte eines Rauschunterdrückungsverfahrens (weiter unten beschrieben) gemäß dem Rauschunterdrückungssystem 10 auszuführen. Die Computerprogramme können Module oder Klassen umfassen, die in der objektorientierten Programmierung bekannt sind, die gemäß dem Aufbau des Rauschunterdrückungssystems 10 ausgeführt und aufgebaut sind. Daher können separate Softwaremodule für jede Komponente des Rauschunterdrückungssystems 10 entworfen werden. Als Alternative kann die Funktionalität dieser Komponenten, falls geeignet, in eine kleinere Anzahl von Softwaremodulen zusammengefasst sein.
  • Unter Bezugnahme auf 8 ist dort ein Rauschunterdrückungsverfahren 100 zum Unterdrücken von Rauschen in Radardaten gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bevorzugt wurden die Radardaten von der Hauptsensorgruppe 12 während einer Zeitdauer gemäß einer CIT abgetastet und sind gemäß der vorausgegangenen Erläuterung vorbehandelt und kalibriert. Das Rauschunterdrückungsverfahren 100 beginnt bei Schritt 102, wo die vorbehandelten Entfernungs-Impuls-Sensor-Radardaten von der Hauptsensorgruppe 12 gemäß der vorausgegangenen Erläuterung abgestimmt gefiltert werden. Der nächste Schritt 104 ist die Durchführung einer Dopplerverarbeitung an den abgestimmten gefilterten Entfernungs-Puls-Sensordaten, um abgestimmte Entfernungs-Doppler-Sensordaten zu liefern. Wie bereits erwähnt wurde, kann die Dopplerverarbeitung das Durchführung einer FFT mit einer geeigneten Fensterfunktion oder die Verwendung einer Filterbankverarbeitung umfassen, wie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist. Der nächste Schritt 106 besteht in der Durchführung einer Strahlformung der abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten, um strahlgerichtete abgestimmte Entfernungs-Doppler-Azimutdaten zu liefern.
  • In Schritt 108 wird ein nicht abgestimmtes Filtern an den Entfernungsimpuls-Sensordaten von der Hauptsensorgruppe 12 durchgeführt. Der nächste Schritt 110 ist die Durchführung einer Dopplerverarbeitung an den nicht abgestimmten gefilterten Entfernungs-Puls-Sensordaten, um nicht abgestimmte Entfernungs-Doppler-Sensordaten zu liefern. Der nächste Schritt 112 ist die Auswahl einer virtuellen Hilfssensorgruppe im Hinblick auf die Sensoren von der Hauptsensorgruppe 12, die zum Erzeugen des Hauptstrahls MB verwendet werden. Daher können die Schritte 108 bis 112 zusammenfassend als das Liefern von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten für die virtuelle Hilfssensorgruppe im Hinblick auf die von der Hauptsensorgruppe erhaltenen Entfernungs-Puls-Sensordaten bezeichnet werden. Wie bereits erwähnt wurde, kann die Auswahl der virtuellen Hilfsgruppe für eine effizientere Signalverarbeitungvor dem Dopplerverarbeitungsschritt 110 oder dem nicht abgestimmten Filterschritt 108 durchgeführt werden.
  • In Schritt 114 werden Teile von Radardaten B und Y gewählt. Die Radardaten B werden aus den strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten gewählt und sind ein Entfernungsvektor für einen gegebenen Doppler-Index und einen gegebenen Azimut-Index. Die Radardaten Y werden von den nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten der virtuellen Hilfssensorgruppe gewählt und sind eine zweidimensional Scheibe von Entfernungs-Sensor-Daten für den gleichen Doppler-Index der Radardaten B.
  • Die nächste Reihe von Schritten 116 bis 124 des Rauschunterdrückungsverfahrens 100 führt eine adaptive Strahlformung an dem Teil von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y durch, um eine Schätzung I der äußeren Störung in dem Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B zu liefern. Das Strahlformen beginnt in Schritt 116, in dem die Autokorrelationsmatrix RY (RY = YH·Y) der Radardaten Y errechnet wird. In Schritt 118 wird die inverse Autokorrelationsmatrix P (P = RY –1) errechnet. Das Rauschunterdrückungsverfahren 100 geht dann weiter zu Schritt 120, in dem der Kreuzkorrelationsvektor Q (Q = YH·B) errechnet wird. Der adaptive Gewichtungsvektor W wird dann in Schritt 122 auf der Basis der inversen Autokorrelationsmatrix P und des Kreuzkorrelationsvektors Q (W = P·Q) errechnet. Die Schätzung der äußeren Störung I (I = WH·Y) in dem Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Daten B wird dann in Schritt 124 errechnet.
  • Das Rauschunterdrückungsverfahren 100 geht dann weiter zu den Schritten 126 und 128, in denen die Aussenstörungsabschätzung I und der Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B verwendet wird, um einen Teil von rauschunterdrückten strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten zu erhalten. In Schritt 126 wird die Aussenstörungsabschätzung I von dem Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B subtrahiert, um den Vektor oder das Subtraktionssignal T zu bilden. Als nächstes wird in Schritt 128 ein gegebenes Element in dem Teil von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B mit dem Element an der gleichen Stelle in dem Vektor T verglichen, und das Minimum dieser zwei Elemente wird an der gleichen Stelle in dem Teil von rauschunterdrückten strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten gespeichert. Dies wird für jedes Element in den Radardaten B wiederholt. Der Teil von rauschunterdrückten strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten BR wird dann in Schritt 129 gespeichert.
  • Der nächste Schritt 130 des Rauschunterdrückungsverfahrens 100 ist die Bestimmung, ob mehr Radardaten zu verarbeiten sind. Falls es keine weiteren Radardaten zu verarbeiten gibt, ist das Rauschunterdrückungsverfahren 100 abgeschlossen. Ansonsten ist der nächste Schritt 132 die Aktualisierung des Teils von strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten B und des Teils von nicht abgestimmten Entfernungs-Doppler-Sensordaten Y von der Hilfssensorgruppe. Das Aktualisieren wird gemäß der vorausgegangenen Erklärung durchgeführt. Die Schritte 116 bis 130 werden dann wiederholt.
  • Unter bestimmten Bedingungen kann starkes Ionosphärenrauschen in Form von horizontalen Streifen in den erzeugten Entfernungs-Doppler-Daten für einen gegebenen Azimutwert auftreten. Dies erscheint als eine Interferenz in einer Anzahl von Entfernungs-Doppler-Zellen bei einem gegebenen Entfernungs-Index. In dieser Situation ist es bevorzugt, die Radardaten aus diesen Entfernungs-Doppler-Zellen bei der Berechnung der Autokorrelationsmatrix RY und der Kreuzkorrelationsmatrix Q zu vermeiden, da diese kontaminierten Entfernungs-Doppler-Zellen der Leistungsfähigkeit des adaptiven Strahlformers 30 abträglich sein können. Ein Weg zum Entfernen der kontaminierten Daten aus der Berechnung ist die Verwendung eines Medianfilters, das den Medianwert (M) für einen Entfernungsvektor B' errechnet und einen Schwellwert (λ) gemäß Gleichung 12 erzeugt: λ = v·M (12)wobei ν für einen Konstantwert steht. Die Daten in dem Entfernungsvektor B' können dann gemäß Gleichung 13 mediangefiltert werden. OB(i) = B'(i) wenn B'(i) < λ OB(i) = 0 wenn B'(i) > λ (13)
  • Daher werden alle Werte in B', die über dem Schwellwert λ liegen, in dem Datenteil OB auf Null gesetzt.
  • Unter Bezugnahme auf 9 ist dort ein Rauschunterdrückungssystem 140 gezeigt, das ein Median-Filtermodul 142 enthält, das mit dem Strahlformer 20 und dem adaptiven Strahlformer 30 gekoppelt ist. Der Rest des Rauschunterdrückungssystems 140 ist ähnlich dem Rauschunterdrückungssystem 10 und wird nicht erörtert. Das Median-Filtermodul 142 führt eine Medianfilterung gemäß der vorausgegangenen Beschreibung an den strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten 58 durch. Das Median-Filtermodul 142 verwendet bevorzugt einen Wert von 1,75 für die Konstante ν. Dieser Wert wurde empirisch bestimmt und kann geändert werden, falls die Ergebnisse nicht zufriedenstellend sind. Beispielsweise kann es Situationen geben, in denen der Ionosphären-Clutter äußerst stark ist, wobei in diesem Fall der Wert der Konstante ν verringert werden muss, um mehr Ionosphären-Clutter zu entfernen. Das Median-Filtermodul 142 kann spaltenweise an jedem Entfernungsvektor operieren, der die strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten 58 darstellt, die von dem Strahlformer 20 erzeugt werden. Ein Vektor OB, der ein Teil der mediangefilterten strahlgerichteten abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten ist, wird an den adaptiven Strahlformer 30 geliefert, so dass die Aussenstörungsabschätzung gemäß der vorausgegangenen Erörterung erzeugt und von dem Teil von abgestimmten Radardaten subtrahiert werden kann.
  • Als Alternative können andere Filterverfahren geordneter Statistik an Stelle der Medianfilterung verwendet werden. Ein Beispiel dafür besteht in der Wahl einer konstanten ganzen Zahl g (d.h. z.B. 15), Ordnen der Werte in dem Vektor B', Entfernen der g höchsten und g niedrigsten Werte, Bilden des Durchschnitts für den Rest der Werte, um einen neuen Mittelwert zu erhalten, und dann Erzeugen eines Schwellwertes durch Multiplizieren des Mittelwertes mit einer Konstante. Im Allgemeinen kann ein Filter entworfen werden, um unerwünschte Signale zu verhindern, durch Berücksichtigen der Störungsstatistiken, Bandbreite und anderer Merkmale. Daher kann das Median-Filtermodul 142 im Allgemeinen durch ein Filtermodul geordneter Statistik dargestellt werden.
  • Unter Bezugnahme auf 10 ist dort ein alternatives Rauschunterdrückungsverfahren 144 gezeigt, das einen Medianfilterungsschritt 146 umfasst, um eine Medianfilterung an den abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten gemäß der vorstehenden Beschreibung durchzuführen. Der Rest des Rauschunterdrückungsverfahrens 144 ist mit dem Rauschunterdrückungsverfahren 100 identisch und wird nicht beschrieben. Wie bereits beschrieben wurde, kann ein Filterverfahren geordneter Statistik an Stelle der Medianfilterung verwendet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 11a ist dort ein Beispiel für ein Entfernungs-Doppler-Diagramm von realen Radardaten mit zwei simulierten Zielen gezeigt. Das Entfernungs-Doppler-Diagramm wird von dem Strahlformer 20 für einen gegebenen Azimutwert erhalten. Jedes Ziel befindet sich auf einer Entfernung von 245 km, wobei ein Ziel eine Doppler-Frequenz von 2 Hz und das andere Ziel eine Doppler-Frequenz von –2 Hz aufweist. Beide Ziele haben einen Azimut oder Peilwinkel von 60° in Bezug auf den Mittelpunkt der Hauptsensorgruppe. Die äußere Störung erscheint über die Entfernungsdimension bei einer Doppler-Frequenz-Entfernung von ca. –2 bis –4 Hz. Die äußere Störung überdeckt und verbirgt das Ziel mit einer Doppler-Frequenz von –2 Hz. Daher ist die Erfassung dieses Zieles auf Grund der äußeren Störung äußerst schwierig.
  • Unter Bezugnahme auf 11b ist dort ein Entfernungs-Doppler-Diagramm der in 11a gezeigten Radardaten nach Anwendung des Rauschunterdrückungsverfahrens 100 gezeigt. Es zeigt sich, dass die äußere Störung unterdrückt ist und das Ziel mit einer Doppler-Frequenz von –2 Hz, das zuvor in der äußeren Störung verborgen war, nun ohne ersichtlichen Verlust an Amplitude zu sehen ist.
  • Unter Bezugnahme auf die 11e und 11d ist eine Scheibe entlang der Doppler-Dimension der Entfernungs-Doppler-Diagramme aus 11a und 11b für eine Entfernung von 245 km gezeigt. Die Radardaten in 11c wurden dem Rausch unterdrückungsverfahren 100 nicht unterzogen, während die Radardaten in 11d dem Rauschunterdrückungsverfahren 100 unterzogen wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Rauschunterdrückungsverfahren 100 die äußere Störung um einen Faktor von 30 dB unterdrückt hat, ohne die Zielamplitude zu verschlechtern.
  • Die Leistungsfähigkeit des Rauschunterdrückungsverfahrens 100 wurde auch für den Fall bewertet, dass sowohl Impulsrauschen als auch Gleichkanalstörung unterdrückt werden. Unter Bezugnahme auf 12a ist ein Entfernungs-Doppler-Diagramm, das von dem Strahlformer 20 erzeugt wurde, für Radardaten gezeigt, die sowohl durch Impulsrauschen als auch äußere Störung korrumpiert sind. Die simulierten Ziele von den Radardaten der 11a bis 11d wurden zu diesen Radardaten hinzugefügt. Das Resultat nach Anwendung des Rauschunterdrückungsverfahrens 100 ist in 12b gezeigt. Dieses Resultat zeigt, dass sowohl das Impulsrauschen als auch die äußere Störung unterdrückt sind, während die Ziele bei einer Entfernung von ca. 245 km und Dopplerfrequenzen von 2 Hz und –2 Hz erfolgreich aus der äußeren Störung extrahiert wurden.
  • Unter Bezugnahme auf die 12c und 12d ist dort eine Scheibe entlang der Doppler-Dimension der Entfernungs-Doppler-Diagramme der 12a und 12b an der Entfernung der Ziele gezeigt. Die Daten in 12c wurden dem Rauschunterdrückungsverfahren 100 nicht unterzogen, während die Daten in 12d dem Rauschunterdrückungsverfahren 100 unterzogen wurden. Die Resultate zeigen, dass das Rauschunterdrückungsverfahren 100 die äußere Störung um einen Faktor von 20 bis 30 dB unterdrückt hat, ohne die Zielamplitude zu verschlechtern. Aus den Radardaten geht auch die Tatsache hervor, dass das Impulsrauschen in einer Zunahme des Störpegels resultiert (d.h. der Störpegel in 12c beträgt ca. 10 dB, während der Störpegel in 12d ca. –15 dB beträgt).
  • Das Rauschunterdrückungsverfahren 100 der vorliegenden Erfindung muss die Eintreffrichtung (Direction Of Arrival; DOA) (d.h. den Azimut oder Peilwinkel) eines Zieles in Gegenwart einer schwachen äußeren Störung beibehalten. Unter Bezugnahme auf 13a ist dort ein Entfernungs-Doppler-Diagramm für ein Beispiel von realen Radardaten mit einem realen Ziel 150 gezeigt. Diese Daten wurden dem Rauschunterdrückungsverfahren 100 der vorliegenden Erfindung nicht unterzogen. Das Ziel 150 befindet sich auf einem Entfernungs-Index von ca. 167 und einem Doppler-Index von ca. 80. Unter Bezugnahme auf 13b ist dort ein Entfernungs-Doppler-Diagramm der realen Radardaten von 13a nach Vornehmen des Rauschunter drückungsverfahrens 100 an den Entfernungs-Doppler-Daten gezeigt. Die Entfernungs-Doppler-Diagramme der 13a und 13b haben eine sehr ähnliche Erscheinung.
  • Unter Bezugnahme auf 13c sind dort Scheiben entlang der Doppler-Dimension der Entfernungs-Doppler-Diagramme von 10a und 10b auf der Entfernung des Zieles gezeigt. Die Resultate zeigen, dass das Rauschunterdrückungsverfahren 100 die Amplitude des Zieles in der Doppler-Dimension bei Vorhandensein einer schwachen äußeren Störung beibehält.
  • Unter Bezugnahme auf 13d sind dort Azimut-Diagramme der Radardaten von 13a und 13b für den Entfernungs-Index und den Doppler-Index des Zieles gezeigt. Die Resultate zeigen, dass das Rauschunterdrückungsverfahren 100 die DOA des Zieles bei einer schwachen äußeren Störung beibehält.
  • Unter Bezugnahme auf 14a ist dort ein Entfernungs-Doppler-Diagramm für ein weiteres Beispiel von realen Radardaten mit einem realen Ziel 152 gezeigt. Diese Radardaten wurden dem Rauschunterdrückungsverfahren 100 nicht unterzogen. Das Ziel 152 befindet sich auf einem Entfernungs-Index von ca. 36 und einem Doppler-Index von ca. 52. Die äußere Störung ist sehr stark, und das Ziel 152 ist nicht sichtbar. Unter Bezugnahme auf 14b ist dort ein Entfernungs-Doppler-Diagramm der realen Radardaten von 14a gezeigt, nachdem die Radardaten dem Rauschunterdrückungsverfahren 100 unterzogen wurden. Der Rauschpegel in Folge der äußeren Störung wurde um einen Faktor von 20 dB reduziert, und das Ziel 152 ist nun sichtbar.
  • Unter Bezugnahme auf die 14c und 14d zeigt 14c Scheiben entlang der Doppler-Dimension des Entfernungs-Doppler-Diagramms der 14a und 14b auf der Entfernung des Zieles, und 14d zeigt Azimut-Diagramme auf der Entfernung und Doppler-Frequenz des Zieles 152. Beide 14c und 14d zeigen die Radardaten vor und nach der Anwendung des Rauschunterdrückungsverfahrens 100. In beiden Fällen ist deutlich, dass das Rauschen um das Ziel 152 unterdrückt wurde, und dass die Amplitude und DOA des Zieles durch das Rauschunterdrückungsverfahren 100 beibehalten wurden.
  • Es wird angemerkt, dass verschiedene Modifikationen an den vorliegend beschriebenen und veranschaulichten bevorzugten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen, deren Schutzumfang in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Beispielsweise kann an Stelle des FFT-Operators beim Umwandeln der Entfernungs-Doppler-Sensordaten in Entfernungs-Doppler-Azimutdaten ein hochauflösender Spektralabschätzer wie der MUSIC-Spektralabschätzer verwendet werden. Des Weiteren kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch auf die eingangs erörterten Fälle des Standes der Technik angewendet werden, bei denen eine separate physische Hilfsantennengruppe verwendet wird, um eine Schätzung der Störung im Hauptstrahl zu liefern. In diesem Fall würde der Ausgang der Hilfsantenne durch nicht abgestimmtes Filtern verarbeitet, und der Ausgang der Hauptantennengruppe würde durch abgestimmtes Filtern verarbeitet. Das Verfahren kann auch auf die Situation erweitert werden, in der einige der Sensoren von der Hauptsensorgruppe nur für eine Abschätzung einer Störung verwendet werden. In diesem Fall würden die Daten von diesen Sensoren durch nicht abgestimmtes Filtern verarbeitet, während die Daten von Sensoren, die zum Erstellen des Hauptstrahls verwendet werden, durch abgestimmtes Filtern verarbeitet würden. Zusätzlich kann die Erfindung für jegliche Phased-Array-basierten Anwendungen anwendbar sein, die Impulse oder Wellenformen für eine Quellenidentifizierung aussenden, wie etwa Ultraschall-Abbildungssysteme, Geschwindigkeitserfassungsradar, Sidescan-Sonare, Aktivsonare, Unterwasservorrichtungen zum Auffinden von Fischen, und seismografische Anwendungen.

Claims (28)

  1. Rauschunterdrückungssystem (10) zum Unterdrücken äußerer Störungen in Radardaten, die durch eine Anzahl von Sensoren von einer Hauptsensorgruppe geliefert werden, wobei die Radardaten vorbehandelt sind und wobei das System folgendes enthält: a) ein erstes Verarbeitungsmodul (14) zum Empfangen der Radardaten und zum Erzeugen abgestimmter Radardaten; b) ein zweites Verarbeitungsmodul (22) zum Empfangen der Radardaten und zur Erzeugung nicht abgestimmter Radardaten; c) einen Strahlformer (20), der in Verbindung mit dem ersten Verarbeitungsmodul steht, um die abgestimmten Radardaten zu empfangen und strahlausgerichtete abgestimmte Radardaten zu erzeugen; d) einen adaptiven Strahlformer (30), der mit dem zweiten Verarbeitungsmodul (22) und dem genannten Strahlformer (20) in Verbindung steht, um einen Teil der genannten strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten und einen Teil der nicht abgestimmten Radardaten zu empfangen und eine Aussenstörungsabschätzung der äußeren Störung in dem Teil der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten zu erzeugen; und e) einen Unterdrücker (32), der in Verbindung mit dem Strahlformer (20) und dem adaptiven Strahlformer (30) steht, um einen Teil von einer Rauschunterdrückung unterzogenen, strahlausgerichteten abgestimmmten Radardaten auf der Basis des genannten Teils der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten und der genannten Außenstörungsabschätzung zu erzeugen.
  2. System nach Anspruch 1, bei welchem das genannte Verarbeitungsmodul (14) folgendes enthält: a) ein abgestimmtes Filtermodul (16) zum Empfangen der genannten Radardaten und zur Erzeugung abgestimmter Entfernungs-Impuls-Sensordaten; und b) ein erstes Dopplerverarbeitungsmodul (18), das in Verbindung mit dem angepassten Filtermodul steht, zum Empfangen der genannten abgestimmten Entfernungs-Impuls-Sensordaten und zur Erzeugung von abgestimmten Entfernungs-Doppler-Azimutdaten.
  3. System nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Verarbeitungsmodul folgendes enthält: a) ein nicht abgestimmtes Filtermodul (24) zum Empfangen der genannten Radardaten und zum Erzeugen von nicht abgestimmten Entfernungs-Impuls-Sensordaten; b) ein zweites Dopplerverarbeitungsmodul (26), das in Verbindung mit dem nicht angepassten Filtermodul steht, zum Empfangen der nicht angepassten Entfernungs-Impuls-Sensordaten und zur Erzeugung nicht angepasster Entfernungs-Doppler-Sensordaten; und c) einen Hilfsgruppenwähler (28), der in Verbindung mit dem zweiten Dopplerverarbeitungsmodul steht, um mindestens einen Teil der genannten Anzahl von Sensoren für den Aufbau einer virtuellen Hilfssensorgruppe und die Bildung nicht abgestimmter Entfernungs-Doppler-Sensordaten für die genannte virtuelle Hilfssensorgruppe auswählt.
  4. System nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Verarbeitungsmodul (26) folgendes enthält: a) ein nicht abgestimmtes Filtermodul (22) zum Empfangen der Radardaten und zum Erzeugen nicht abgestimmter Entfernungs-Impuls-Sensordaten; b) einen Hilfsgruppenwähler (28), der in Verbindung mit dem nicht abgestimmten Filtermodul (22) steht, um mindestens einen Teil der genannten Anzahl von Sensoren zum Aufbau einer virtuellen Hilfssensorgruppe und zur Erzeugung nicht abgestimmter Entfernungs-Impuls-Sensordaten für die genannte virtuelle Hilfssensorgruppe auszuwählen; und c) ein zweites Doppler-Verarbeitungsmodul (26), das in Verbindung mit dem genannten Hilfsgruppenwähler (28) steht, um die nicht abgestimmten Entfernungs-Impuls-Sensordaten von der virtuellen Hilfssensorgruppe zu empfangen und nicht abgestimmte Entfernungs-Doppler-Sensordaten für die virtuelle Hilfssensorgruppe zu erzeugen.
  5. System nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Verarbeitungsmodul (26) folgendes enthält: a) einen Hilfsgruppenwähler (28) zur Auswahl mindestens eines Teiles der Anzahl von Sensoren zum Aufbau einer virtuellen Hilfssensorgruppe und zur Erzeugung von Radardaten von der genannten virtuellen Hilfssensorgruppe; b) ein nicht abgestimmtes Filtermodul (24), welches in Verbindung mit dem Hilfsgruppenwähler steht, zum Empfangen der Radardaten von der virtuellen Hilfssensorgruppe und zur Erzeugung nicht angepasster Entfernungs-Puls-Sensordaten für die Hilfssensorgruppe; und c) ein zweites Dopplerverarbeitungsmodul (26), das in Verbindung mit dem nicht abgestimmten Filtermodul steht, um die nicht abgestimmten Entfernungs-Puls-Sensordaten zu empfangen und nicht abgestimmte Entfernungs-Doppler-Sensordaten für die Hilfssensorgruppe zu erzeugen.
  6. System nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Verarbeitungsmodul (22) einen Hilfsgruppenwähler (28) zum Aufbau einer virtuellen Hilfssensorgruppe aus jedem der Anzahl von Sensoren enthält.
  7. System nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Verarbeitungsmodul (22) einen Hilfsgruppenwähler (28) zum Auswählen eines Teiles der Anzahl von Sensoren enthält, wobei der Teil der Anzahl von Sensoren ein Null-Phasenzentrum hat, das weit entfernt von dem Null-Phasenzentrum der Hauptsensorgruppe ist.
  8. System nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Verarbeitungsmodul (22) einen Hilfsgruppenwähler (28) zum Auswählen eines Teiles der genannten Anzahl von Sensoren enthält, wobei der Teil der Anzahl von Sensoren eine Apertur hat, welche gleich der Apertur der Hauptsensorgruppe ist.
  9. System nach Anspruch 1, bei welchem der adaptive Strahlformer (30) folgendes enthält: a) einen Autokorrelationsmatrixrechner (66), der mit dem zweiten Verarbeitungsmodul (22) in Verbindung steht, um die Autokorrelationsmatrix des genannten Teiles der nicht abgestimmten Radardaten zu rechnen; b) einen Matrixinverter (68), der in Verbindung mit dem Autokorrelationsmatrixrechner (66) steht, um eine inverse Autokorrelationsmatrix zu liefern; c) einen Kreuzkorrelator (70), der in Verbindung mit dem Strahlformer (30) und dem zweiten Verarbeitungsmodul (22) steht, um die Kreuzkorrelation des genannten Teiles der nicht abgestimmten Daten und des genannten Teiles der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten zu liefern; d) einen Gewichtungsrechner (72), der in Verbindung mit dem Matrixinverter (68) und dem Kreuzkorrelator (70) steht, um einen adaptiven Gewichtungsvektor auf der Basis der inversen Autokorrelationsmatrix und der Kreuzkorrelation zu errechnen; und e) einen Hilfsstrahlgenerator (74), der in Verbindung mit dem zweiten Verarbeitungsmodul (22) und dem Gewichtungsrechner (72) steht, um die genannte Außenstörungsabschätzung auf der Basis des adaptiven Gewichtungsvektors und des genannten Teiles von nicht abgestimmten Radardaten zu erzeugen.
  10. System nach Anspruch 1, bei welchem der Unterdrücker (32) folgendes enthält: a) einen Subtrahierer (76), der in Verbindung mit dem Strahlformer (20) und dem adaptiven Strahlformer (30) steht, um die genannte Außenstörungsabschätzung von den genannten Teil der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten zu subtrahieren und ein Subtraktionssignal zu liefern; und b) einen Minimierer (78), der in Verbindung mit dem Unterdrücker und dem Strahlformer steht, um den genannten Teil von rauschunterdrückten strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten auf der Basis des genannten Subtraktionssignales und des genannten Teiles von strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten zu erzeugen.
  11. System nach Anspruch 1, bei welchem das System weiter ein Filtermodul geordneter Statistik in Verbindung mit dem Strahlformer und dem adaptiven Strahlformer zur Lieferung nach geordneter Statistik gefilterter, strahlausgerichteter abgestimmter Radardaten an den adaptiven Strahlformer enthält.
  12. System nach Anspruch 11, bei welchem das Filtermodul geordneter Statistik ein Median-Filtermodul oder Filtermodul mit Zentralwert ist.
  13. System nach Anspruch 11, bei welchem der adaptive Strahlformer (30) folgendes enthält: a) einen Autokorrelationsmatrixrechner (66), der in Verbindung mit dem zweiten Verarbeitungsmodul steht, um die Autokorrelationsmatrix des genannten Teiles der nicht abgestimmten Radardaten zu errechnen; b) einen Matrixinverter (68), der in Verbindung mit dem Autokorrelationsmatrixrechner steht, um eine inverse Autokorrelationsmatrix zu erzeugen; c) einen Kreuzkorrelator (70), der in Verbindung mit dem Filtermodul geordneter Statistik und dem zweiten Verarbeitungsmodul steht, um die Kreuzkorrelation des genannten Teiles der nicht abgestimmten Radardaten und eines Teiles der mit geordneter Statistik gefilterten strahlausgerichteten, abgestimmten Radardaten zu erzeugen; d) einen Gewichtungsrechner (72), der in Verbindung mit dem Matrixinverter und dem Kreuzkorrelator steht, um einen adaptiven Gewichtungsvektor basierend auf der inversen Autokorrelationsmatrix und der Kreuzkorrelation zu errechnen; und e) einen Hilfsstrahlgenerator (74), der in Verbindung mit dem zweiten Verarbeitungsmodul (22) und dem Gewichtungsrechner (72) steht, um die Außenstörungsabschätzung auf der Basis des adaptiven Gewichtungsvektors und des genannten Teiles der nicht abgestimmten Radardaten zu liefern.
  14. System nach Anspruch 1, welches weiter Speichermittel (33) zur Speicherung des Teiles von rauschunterdrückten strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten enthält.
  15. Rauschunterdrückungsverfahren zum Unterdrücken äußerer Störungen in Radardaten, welche durch eine Anzahl von Sensoren aus einer Hauptsensorgruppe geliefert werden, wobei die Radardaten vorbehandelt sind und das Verfahren folgendes umfasst: a) Verarbeiten der Radardaten zur Erzeugung abgestimmter Radardaten; b) Verarbeiten der Radardaten zur Erzeugung nicht abgestimmter Radardaten; c) Durchführen einer Strahlformung der abgestimmten Radardaten zur Erzeugung strahlausgerichteter abgestimmter Radardaten, d) Auswahl eines Teiles der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten und eines Teiles der nicht abgestimmten Radardaten und Durchführung einer adaptiven Strahlformung zur Erzeugung einer Außenstörungsabschätzung der äußeren Störungen in den strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten; und e) Erzeugen eines Teiles von rauschunterdrückten strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten durch Unterdrückung der Außenstörungsabschätzung von dem Teil der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt a) folgendes umfasst: i) abgestimmtes Filtern der Radardaten zur Erzeugung abgestimmter Entfernungs-Puls-Sensordaten; und ii) Dopplerverarbeiten der abgestimmten Entfernungs-Puls-Sensordaten zur Erzeugung abgestimmter Entfernungs-Doppler-Azimut-Daten.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt b) folgendes umfasst: i) Vornehmen einer nicht abgestimmten Filterung der Radardaten zur Erzeugung nicht abgestimmter Entfernungs-Puls-Sensordaten; ii) Dopplerverarbeiten der nicht abgestimmt gefilterten Entfernungs-Puls-Sensordaten zur Erzeugung nicht abgestimmter Entfernungs-Puls-Dopplerdaten; und iii) Aufbau einer virtuellen Hilfsgruppe aus mindestens einem Teil der Anzahl von Sensoren zur Erzeugung nicht abgestimmter Entfernungs-Doppler-Sensordaten für die virtuelle Hilfssensorgruppe.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt b) folgendes umfasst: i) Vornehmen einer nicht abgestimmten Filterung der Radardaten zur Erzeugung nicht abgestimmter Entfernungs-Puls-Sensordaten; ii) Aufbau einer virtuellen Hilfsgruppe aus mindesten einem Teil der Anzahl von Sensoren zur Erzeugung nicht abgestimmter Entfernungs-Puls-Sensordaten für die virtuelle Hilfssensorgruppe; und iii) Dopplerverarbeiten der nicht abgestimmten Entfernungs-Puls-Sensordaten von der virtuellen Hilfssensorgruppe zur Erzeugung nicht abgestimmter Entfernungs-Puls-Dopplerdaten für die virtuelle Hilfssensorgruppe.
  19. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt b) folgendes umfasst: i) Aufbau einer virtuellen Hilfsgruppe aus mindestens einem Teil der Anzahl von Sensoren zur Erzeugung von Radardaten für die virtuelle Hilfssensorgruppe; ii) Durchführung einer nicht abgestimmten Filterung der Radardaten von der virtuellen Hilfssensorgruppe zur Erzeugung nicht abgestimmter Entfernungs-Puls-Sensordaten für die virtuelle Hilfssensorgruppe; und iii) Dopplerverarbeitung der nicht abgestimmten Entfernungs-Puls-Sensordaten zur Erzeugung nicht abgestimmter Entfernungs-Puls-Dopplerdaten für die virtuelle Hilfssensorgruppe.
  20. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt b) den Aufbau einer virtuellen Hilfssensorgruppe durch Auswahl jedes Sensors aus der Anzahl von Sensoren umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt b) den Aufbau einer virtuellen Hilfssensorgruppe aus einem Teil der Anzahl von Sensoren umfasst, welcher ein Null-Phasenzentrum hat, das weit entfernt von dem Null-Phasenzentrum der Hauptsensorgruppe ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt b) vorsieht, dass ein Teil der Anzahl von Sensoren eine Apertur hat, welche gleich der Apertur der Hauptsensorgruppe ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt d) folgendes umfasst: i) Autokorrelieren des Teiles der nicht abgestimmten Radardaten zur Erzeugung einer Autokorrelationsmatrix; ii) Invertieren der Autokorrelationsmatrix zur Erzeugung einer inversen Autokorrelationsmatrix; iii) Kreuzkorrelieren des Teiles der nicht abgestimmten Radardaten und des genannten Teiles von strahlausgerichteten Radardaten zur Erzeugung eines Kreuzkorrelationsvektors; iv) Errechnen eines adaptiven Gewichtungsvektors; und v) Erzeugen eines Interferenzstrahles zur Bildung einer Außenstörungsabschätzung.
  24. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Schritt e) folgendes umfasst: i) Subtrahieren der Außenstörungsabschätzung von dem Teil der strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten zur Erzeugung eines Subtraktionssignales; und ii) Erzeugen des genannten Teiles von rauschunterdrückten strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten auf der Basis des genannten Subtraktionssignales und des genannten Teiles von strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten.
  25. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem das Verfahren weiter die Durchführung einer Filterung geordneter Statistik an den strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten zur Bildung von mit geordneter Statistik gefilterten strahlausgerichteten angepassten Radardaten umfasst.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, bei welchem die Filterung mit geordneter Statistik eine Medianfilterung mit geordneter Statistik eine Median-Filterung (Filterung mit Zentralwert) umfasst.
  27. Verfahren nach Anspruch 25, bei welchem der Schritt c) folgendes umfasst: i) Autokorrelieren des genannten Teiles von nicht abgestimmten Radardaten zur Erzeugung einer Autokorrelationsmatrix; ii) Invertieren der Autokorrelationsmatrix zur Erzeugung einer inversen Autokorrelationsmatrix; iii) Kreuzkorrelieren des genannten Teiles nicht angepasster Radardaten und eines Teiles der einer Filterung mit geordneter Statistik unterzogenen, strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten zur Erzeugung eines Kreuzkorrelationsvektors; iv) Errechnen eines adaptiven Gewichtungsvektors; und v) Erzeugen eines Interferenzstrahles zur Bildung einer Aussenstörungsabschätzung.
  28. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem dieses weiter folgendes enthält: f) Speichern des genannten Teiles von rauschunterdrückten strahlausgerichteten abgestimmten Radardaten.
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