Albrecht Ludioff. Handbuch Radar ud Radarsignalverarbeitung

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1 Albrecht Ludioff Handbuch Radar ud Radarsignalverarbeitung

2 Albrecht Ludioff Handbuch Radar und RadarsignaIverarbeitung Mit 153 Bildern und 22 Tabellen 11 Vleweg

3 Aile Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 1993 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1993 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1993 Der Verlag Vieweg ist ein Untemehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. Das Werk einscbliebiicb alter seiner Teile ist urbeberrecbtlicb gescbutzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urbeberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzullissig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfliltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektroniscben Systemen. Gedruckt auf sliurefreiem Papier ISBN ISBN (ebook) DOI /

4 v Vorwort Den Anstoß zu diesem Buch gab der in der Industriepraxis beobachtete Mangel an solcher Radar-Literatur, die den Systemplaner, den Entwicklungsingenieur und den interessierten Anwender theoretisch ausreichend tief, aber zugleich praxisorientiert mit der Radarsignalverarbeitung und dem Entwurf des Sendesignals, dem sogenannten "Waveform Design", vertraut macht. Denn diese bestimmen wesentlich die "Intelligenz" des Radars, das heißt seine Fähigeit, einerseits gesuchte Zielobjekte zu entdecken und zu vermessen und andererseits Falschmeldungen durch andere Objekte zu vermeiden. Die Radarsignalverarbeitung ist - begünstigt durch die rasante Entwicklung der Mikro-Elektronik und hier besonders der Speicher und der sehr schnellen Rechenwerke - immer komplexer und damit leistungsfähiger geworden. Eine Grenze ist nicht abzusehen. Allerdings finden sich die Beschreibungen neuerer Verfahren oder Algorithmen der Radarsignalverarbeitung oft nur verstreut in Publikationen der Fachzeitschriften und in Tagungsberichten. Auch hat sich der Aufgabenbereich des auf diesem Gebiet tätigen Entwicklungsingenieurs erweitert. Er ist erstens stärker als früher am Waveform Design beteiligt. Zweitens muß er neben seiner Hauptaufgabe, der Entwicklung von Hardware und Software für die Subsysteme, in steigendem Maße Monte-Carlo Simulationen zum Entwurf und zur Optimierung von Signalverarbeitungsalgorithmen und zur Ermittlung von Performance-Parametern einsetzen. Alle diese Tätigkeiten erfordern eine theoretisch gut fundierte Kenntnis sowohl der Grundlagen als auch der praktischen Verfahren der Radarsignalverarbeitung. Hier eine gewisse Lücke zu füllen, ist Sinn des vorliegenden Buches. Natürlich ist dabei eine Beschränkung der Stoffauswahl erforderlich, bei einem einzelnen Autor schon aus Gründen des Arbeitspensums. Das Buch behandelt daher vorwiegend Suchradare vom Typus des MTI- und des MTD- oder Pulsdoppler-Radars. Ihre Prinzipien finden jedoch auch in anderen Radartypen, zum Beispiel in Multifunktions-Radaren, vielfältige Anwendungen. Auf die Gliederung des Buches wird in Abschnitt 1.5 der Einführung eingegangen. Der mehr praktisch orientierte Leser wird theoretische Passagen überspringen und nur an deren Endergebnissen in Form von Endformeln oder Kurven interessiert sein. Die Mehrzahl der Kurven wurde mit Turbo-Pascal-Programmen unter Verwendung einer Bibliothek für mathematische Routinen auf einem PC berechnet. Das Buch basiert in wesentlichen Teilen auf einem Manuskript für eine vierwöchige Vorlesung zu je 8 Wochenstunden über Radar und Radarsignalverarbeitung. Meiner ehemaligen Firma, der Deutschen Aerospace (Dasa), vormals Fachbereich Ortung der AEG-Telefunken AG, bin ich für die seinerzeitige Gelegenheit zu dieser Vorlesung dankbar. Dies gilt insbesondere auch für H. Dr. Gerhard Boucke, der auf diese Weise indirekt den Anstoß zu diesem Buche gab. Ihm danke ich auch für die laufende Unterstützung bei diesem Vorhaben.

5 VI Vorwort Besonders meinem langjährigen Kollegen, H. Dipl.-Ing. Manfred Minker, verdanke ich viele interessante Diskussionen und Anregungen im Rahmen gemeinsamer Radarentwicklungen, die ihren Niederschlag in diesem Buch gefunden haben. Zu besonderem Dank bin ich H. Dr. Johannes Schmid verpflichtet. Er half mit wertvoller Kritik, dem Korrekturlesen des Manuskripts und der Entwicklung der Pascal-Programme zur Berechnung der SIN =!(P d, Pra)-Kurvenscharen in Kapitel 3 sowie zur Erstellung von 3D-Grafiken wie in Kapitel 8. Ebenso möchte ich mich bei den Herren Dipl.-Ing. Wolfgang Manz, Dipl.-Ing. Hans-Georg Kölle, Dr. Peter Schmitt, Dr. Dieter Nagel und Dipl.-Math. Franz-Xaver Hofeie für Diskussionen und Anregungen bedanken. In der Anfangsphase des Buches war mir H. Dr. Dieter Pross mit seinen Vorschlägen zum Inhalt und zur Gestaltung eine wertvolle Hilfe, dafür sei ihm an dieser Stelle gedankt. H. Edgar Klementz vom Vieweg-Verlag danke ich für die Zusammenarbeit und das Eingehen auf meine Wünsche. Nicht zuletzt gebührt meiner Frau ein Dankeschön für ihr Verständnis und den Verzicht auf manche gemeinsame Freizeitunternehmung. Ulm, im Mai Albrecht Ludioff

6 VII Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Radarprinzip Zur Geschichte des Radars Radaranwendungen und Radartypen Aufbau eines Rundsuchradars und Störsignale Aufgaben der Signalverarbeitung Literaturverzeichnis Grundlagen und Radargleichung Übersicht R"-Gesetz und Rückstrahlquerschnitt Empfängerrauschen und Systemrauschen Empfänger-Empfindlichkeit und -Dynamik Radarantennen: ein Überblick Pulsradar und Wahl der Pulsfolgefrequenz Matched Filter-Prinzip Pulsintegration Die endgültige Radargleichung Literaturverzeichnis Entdeckung konstanter und fluktuierender Echos im Rauschen Übersicht Prinzip des automatischen Zieldetektors CFAR-Zieldetektor Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen radartypischer Zufallssignale Einzelpulsentdeckung Wahl der Falschalarmwahrscheinlichkeit Zielfluktuation Die 4 Zielmodelle nach Swerling Frequenz-Agilität und Frequenz-Diversity Entdeckung nach kohärenter Integration Entdeckung nach nicht kohärenter Integration Entdeckung nach binärer Integration Literaturverzeichnis

7 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Referenzradar und Verlustbilanz Übersicht Referenzradar Verlustbilanz Zielverweilzeit Beispiel eines Radarentwurfs Formelsammlung Literaturverzeichnis Grundlagen der Filterung von Radarsignalen Übersicht Die Spektren von Radarechos Filterung von Einzelpuls und Pulsfolge Tiefpaßfilterung von Bandpaßsignalen Radarkopf und Sendesignalaufbereitung Allgemeine Struktur der kohärenten Radarsignalverarbeitung Fehler und Verluste bei der I/Q- und A/D-Umsetzung Literaturverzeichnis Matched Filter, Likelihood Ratio Filter und Prewhitening Filter Übersicht Matched Filter für Einze1puls bei weißem Störsignal Beispiele für Einzelpuls-Matched Filter Das Matched Filter als Korrelator Matched Filter für farbige Störsignale Matched Filter für eine Pulsfolge bei weißem Störsignal Likelihood Ratio Filter Numerische Berechnung von Operationen mit komplexen Matrizen und Vektoren Vergleich von Matched Filter und Likelihood Ratio Filter Prewhitening Filter für eine Pulsfolge Literaturverzeichnis Dopplerverarbeitung Übersicht Das MTI-Prinzip Klassifizierung der Dopplerverarbeitung Clutter-Eigenschaften

8 Inhaltsverzeichnis IX 7.5 Kenngrößen der Dopplerverarbeitung MTI-Radar PRF-Staffelung bei MTI-Radaren Improvementfaktor-Bilanz und SCV eines MTI-Radars Das MTD-Radar oder Puls doppler-radar Dopplerfilterbank mit komplexen FIR-Filtern Dopplerfilterbank mit FFT (DFT) SIR-Improvement-Bilanz und SCV eines MTD-Radars Auswirkungen von Geräteinstabilitäten Literaturverzeichnis Pulskompression Übersicht Allgemeine Aspekte der Pulskompression Die Ambiguity-Funktion Lineare Frequenzmodulation Nichtlineare Frequenzmodulation Biphasenmodulation Polyphasenmodulation Ein allgemeines Verfahren zur Nebenkeulen-Reduktion Realisierungsmöglichkeiten Literaturverzeichnis CFAR-Methoden Übersicht Cell-Averaging-CFAR (CA-CFAR) Ordered Statistic-CFAR (OS-CFAR) Eine Näherungsformel für den CFAR-Verlust der CA-CFAR und OS-CFAR CFAR-Methoden bei Boden-Restclutter Zusammenschaltung verschiedener CFAR-Schwellen Unterdrückung von Straßenverkehrsechos Unterdrückung von Angelclutter Literaturverzeichnis Parameterschätzung Übersicht Grundlagen der Parameterschätzung Rauschbedingte Fehler bei der Entfernungsmessung

9 x Inhaltsverzeichnis 10.4 Rauschbedingte Fehler bei der Winkelmessung Rauschbedingte Fehler bei der Dopplermessung Reduktion oder Auflösung von Mehrdeutigkeiten Meßfehler durch Glint und Szintillation Begrenzung der Azimutmeßgenauigkeit durch Szintillation (Fluktuation) Beispiel zur Parameterschätzung: MTD-Radar Zielauflösung Literaturverzeichnis Anhang: A Determinierte Signale und lineare Systeme A.1 Übersicht.... A.2 A.3 A.4 A.5 A.6 A.7 A.8 Fourier-Reihe in reeller Schreibweise.... Komplexe Darstellung von Sinus signalen.... Fourier-Reihe in komplexer Schreibweise.... Fourier-Transformation Dirac-Impuls oder Dirac-Stoß.... Kontinuierliche lineare Systeme Das Faltungsintegral.... A-l A-1 A-2 A-4 A-6 A-7 A-13 A-16 A-20 A-26 A-28 A.9 Laplace-Transformation.... A.10 Die beiden Abtasttheoreme.... A.ll Diskrete Systeme und z-transformation... A-34 A.12 Diskrete Fourier-Transformation (DFT)... A-47 A.13 Diskrete Faltung A-55 A.14 Korrelation determinierter Signale... A-69 A.15 Formelsammlung... A-82 Literaturverzeichnis A-92 B Formelzeichen und Abkürzungen B.1 Liste der wichtigsten Formelzeichen.. B.2 Abkürzungen und Begriffe.... B-l B-1 B-7 Sachwortverzeichnis