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Doppler- Filter

Σ
Σ-Kanal
ΔAz
ΔAz-Kanal
ΔEl
ΔEl-Kanal
Multiplexer

Bild 1: Blockschaltbild des MTI- Systems in einem Radargerät mit Monopulsantenne und digitalem Empfänger

Σ
Σ-Kanal
ΔAz
ΔAz-Kanal
ΔEl
ΔEl-Kanal
Clutter-
Doppler-Filter
Zero-
Doppler-Filter
Doppler-Filter
Bank
Multiplexer

Bild 1: Blockschaltbild des MTI- Systems in einem Radargerät mit Monopulsantenne und digitalem Empfänger

Σ
Σ-Kanal
ΔAz
ΔAz-Kanal
ΔEl
ΔEl-Kanal
Multiplexer

Bild 1: Blockschaltbild des MTI- Systems in einem Radargerät mit Monopulsantenne und digitalem Empfänger (interaktives Bild)

Inhaltsverzeichnis « Doppler–Filter »
  1. Doppler-Filter als Tiefpass
  2. Doppler-Filterbank
  3. Multiplexverfahren
  4. Jet Engine Modulation (JEM)

Was sind Dopplerfilter?

Doppler–Filter

Die Größe der Doppler-Frequenz eines Echosignals wird durch verschiedene Doppler-Filter bewertet. Diese Doppler-Filter können sowohl hardwaremäßig durch Resonanzfilter realisiert sein, oder aber nach der Digitalisierung der empfangenen Signale als Software-Routine ablaufen.

Bei einem voll-kohärenten Radargerät mit digitalem Empfänger und einer Monopulsverarbeitung ist das MTI-System etwas aufwändiger als bei pseudo-kohärenten Radargeräten. Man spricht dann auch nicht mehr nur von einer Moving Target Indikation (MTI), als einer Anzeige von Bewegtzielen, sondern von einem Moving Target Detector (MTD), einer Erkennung von beweglichen Zielen. Der Unterschied ist, dass MTD auch Ziele als beweglich erkennen kann, die sich momentan gerade nicht oder nur sehr geringfügig bewegen. Bei sehr hohen Sendefrequenzen (im Terahertzbereich: ab 0,1 THz) kann das Radar zum Beispiel sogar ein stehendes Fahrzeug nur durch die leichte Vibration als beweglich erkennen, welche durch den laufenden Fahrmotor verursacht wird.

Die Effektivität der verschiedenen Filtervarianten ist oft abhängig von der Größe der Doppler-Frequenz. Deshalb werden meist alle Filtermöglichkeiten parallel genutzt und dann wird erst ausgewählt, welches Filterergebnis genutzt wird. Das Gesamtsystem ist somit nicht nur ähnlich aufgebaut, wie bei einem optimalen (matched) Filter mit dem Ziel, ein möglichst großen Abstand zwischen Nutzsignal und den Störsignalen herzustellen (Signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR), sondern es ist gemäß Definition ein Optimalfilter. Zusätzlich muss das MTD-System für mindestens drei identische Kanäle (Σ, ΔAz und ΔEl) aufgebaut werden.

Eine Synchronisation des Kohärentoszillators ist nicht mehr nötig. Das Bauteil, welches hier noch Kohärentoszillator genannt wird, ist im Wesentlichen nur noch ein Frequenzteiler, der die Frequenz des Muttergenerators auf die gewünschte Zwischenfrequenz (ZF) umsetzt.

fD < fcut ⇒ vr20 kn , 40 kn
zero-
doppler
filter
clutter-
doppler
filter
Amplitude
fD
1 kHz
2 kHz

Bild 2: Doppler-Filter als Tiefpass

fD < fcut ⇒ vr20 kn , 40 kn
zero-
doppler
filter
clutter-
doppler
filter
Amplitude
fD
1 kHz
2 kHz

Bild 2: Doppler-Filter als Tiefpass, angegebene Frequenzen für ein L-Band Radar

Doppler-Filter als Tiefpass oder Hochpass

Das Clutter-Doppler-Filter und das Zero-Doppler-Filter arbeiten nach den Prinzipien der bekannten Zwischenperiodenkompensation: es werden aus mindestens zwei Impulsperioden die Phasenlagen der Echosignale miteinander verglichen. Diese beiden Schaltungen haben für die Störsignalerkennung ein Tiefpassverhalten ab einem bestimmten Bereich der Zielgeschwindigkeit.

Das Zero-Doppler-Filter kann als digitaler Tiefpass arbeiten und erkennt Signale mit einer kleineren Doppler-Frequenz als von Zielen, die mit einer Radialgeschwindigkeit von etwa 20 Knoten fliegen. Das nächste Doppler-Filter hat dann eine Grenzfrequenz entsprechend einer Radialgeschwindigkeit von 40 Knoten. Beide Filter verwenden unterschiedlich optimierte Schwellwerte um auch schwache Zielechos erkennen zu können. Beide Filterarten gehören eigentlich auch zum Komplex kohärente Pulsintegration, da die Zielzeichen mehrerer Impulsperioden bereits auf ZF-Ebene (also mit Phaseninformation) verknüpft werden.

Die Bezeichnung „Tiefpassverhalten“ ist hier mit Vorsicht zu betrachten. Es werden hier ja keine Frequenzen, sondern Phasenlagen betrachtet. Es ist nur eine logische Bezeichnung für ein Ergebnis auf die Frage, ob das jeweilige Echosignal eine Störung ist. Ob es ein Tiefpass oder ein Hochpass ist dann von der konkreten Schaltung oder Softwareroutine abhängig. Wenn die mittels Tiefpass erkannten Störungen in einer Subtraktionsstufe vom Gemisch der Eingangssignale subtrahiert werden, bleibt eigentlich ein Hochpassverhalten übrig.

Das Zero-Doppler-Filter ist oft ein Filter zweiter Ordnung und erkennt nur Festziele bzw. Ziele ohne Doppler-Frequenz. Das Clutter-Doppler-Filter ist weiter gefasst und erkennt zusätzlich auch Regenwolken, die sich mit einer durch Wind verursachten Radialgeschwindigkeit zwischen 20 und 40 Knoten bewegen. Das ist ein Geschwindigkeitsbereich zwischen 37 und 74 km/h, was sehr viel langsamer ist, als ein normales Flugzeug. Für eine normale Anzeige sollten die Ergebnisse die in beiden Filtern erkannt werden nicht auf dem Sichtgerät angezeigt werden. Wenn das Ergebnis im Clutter-Doppler-Filter vorliegt, aber im Zero-Doppler-Filter nicht, sollte untersucht werden, ob die Ziele ein Volumenziel oder ein Punktziel sind. Das heißt, die Anzeige ist abhängig von dem Inhalt der Nachbarzellen dieses Echosignals.

Doppler-Filterbank
negative
Doppler shift
positive
Doppler shift
Frequenz
Target signal
Doppler filter
fZF
fD
Amplitude

Bild 3: Frequenzverteilung einer Doppler-Filterbank mit hier nur 8 eingezeichneten Dopplerfiltern.

Doppler-Filterbank
negative
Doppler shift
positive
Doppler shift
Frequenz
Target signal
Doppler filter
fZF
fD
Amplitude

Bild 3: Frequenzverteilung einer Doppler-Filterbank mit hier nur 8 eingezeichneten Dopplerfiltern.

Doppler-Filterbank

Prinzip der Doppler-Filter ist, dass das mit einer Doppler-Frequenz behaftete Echosignal von der Mittenfrequenz der ZF-Verstärker abweichen muss. Es ist praktisch eine direkte Frequenzmessung durch ein Filter mit Bandpassverhalten, die jedoch nicht nur ungenauer ist als die Phasenmessung im Zero- oder Clutter-Dopplerfilter, sie benötigt durch Einschwingvorgänge auch mehr Zeit. Die Werte aus der Zwischenperiodenkompensation würden hier alle auch durch die beiden Filter nahe der ZF, also mit der Doppler-Frequenz von Null erfasst.

Die verschiedenen Doppler-Filter sind als Doppler-Filterbank zusammengefasst. Es werden oft Filterbanken aus 8, 16 oder bis zu 32 identischen Dopplerfiltern mit jeweils versetztem Frequenzgang parallel betrieben. Die im Bild 1 gezeichneten Dopplerfilter sind alle ungefähr gleich aufgebaut. Jedes Dopplerfilter zeigt eine Resonanz für eine bestimmte Frequenz. Viele Ziele haben durch die sogenannte jet engine modulation (siehe Bild 5) mehrere sich überlagernde Doppler-Frequenzen. Diese verschiedenen Doppler-Frequenzen alle zu erkennen ist ein wichtiger Schritt in der Zielidentifikation.

Leider können durch die Filter nur eine begrenzte Anzahl von Zielen erkannt werden. Jedes Ziel verursacht möglicherweise mehrere verschiedene Doppler-Frequenzen. Bei mehreren Zielen in der gleichen Entfernung kann nicht unterschieden werden, welche der erkannten Doppler-Frequenzen zu welchem Ziel gehört.

Da diese Frequenzmessung auf der Zwischenfrequenz geschieht, müssen Filter symmetrisch oberhalb und unterhalb der fZF angeordnet werden. Die Doppler-Frequenz von Null ist dann genau die fZF. Somit ist auch eine Richtungsbestimmung der Radialgeschwindigkeit möglich: vom Radar wegfliegende Objekte haben eine fZF von weniger als der Sollfrequenz, auf das Radar zufliegende Objekte haben eine fZF größer als die Sollfrequenz. Die Dopplerfrequenz von Null sollte in den beiden nahegelegenen Filtern oberhalb und unterhalb der fZF gleich große Signale erzeugen. Schon geringe Abweichungen (also sehr kleine Dopplerfrequenzen nahe der Null) bewirken einen markanten Amplitudenunterschied in den beiden Filtern. Dadurch ist diese Filterbank besonders empfindlich auch für kleinste Bewegungen.

Multiplexverfahren

Festziel-Störungen können bei Land- und Seegestützten Radargeräten wegen der Krümmung der Erdoberfläche nur im Nahbereich auftreten. Deswegen ist eine Festzielunterdrückung nur im short-range nötig. Wenn das Radar also drei MTI- Impulsperioden in eine Richtung aussendet, dann werden diese drei Impulsperioden nacheinander im MTI- System verarbeitet. Durch die unterschiedliche Arbeitsweise der Filter liegen deren Ergebnisse zu unterschiedlichen Zeiten an. Für die Schnittstelle zum Computer bietet sich so ein Multiplexer an.

long range
long range
short range

Bild 4: Radar- Time- Line mit drei Shortrange- Impulsperioden für die MTI- Verarbeitung.

long range
long range
short
range
short
range
short
range

Bild 4: Radar- Time- Line mit drei Shortrange- Impulsperioden für die MTI- Verarbeitung.

long range
long range
short
range
short
range
short
range

Bild 4: Radar- Time- Line mit drei Shortrange- Impulsperioden für die MTI- Verarbeitung.

Die Dopplerfilter ergeben sofort während der laufenden Impulsperiode ein Ausgangssignal. Diese Filter sind somit auch im long range mit nur einer Impulsperiode pro Antennenrichtung wirksam. Sie dienen dann der Messung der Doppler-Frequenz und somit direkt der Messung der Radialgeschwindigkeit des Zieles, die dann in eine sogenannte range rate als Maß der Veränderung der Zielposition umgerechnet werden kann. Diese range rate ist wichtig für den Plotextraktor für dessen Erwartungsfenster für dieses Ziel in der nächsten Antennenumdrehung.

Das Clutter-Doppler-Filter nach dem integrate and dump Verfahren kann so organisiert werden, dass es bereits nach der zweiten Impulsperiode Ergebnisse liefert.

Das Zero-Doppler-Filter ist ebenfalls ein Clutter-Doppler-Filter. Dieses Filter vergleicht die Phasenlagen des Echosignals aus drei oder mehr Impulsperioden miteinander und kann erst während der letzten Impulsperiode (dann aber sehr viel genauere) Ergebnisse liefern.

Der Multiplexer kann damit rein zeitlich durch die Impulsperioden-Nummer gesteuert werden: In jeder der drei Impulsperioden wird ein anderes Filterergebnis zum Radarsignalprozessor geführt. Dieser vergleicht und bewertet alle drei Ergebnisse miteinander und wählt das beste davon zur Weiterverarbeitung aus. Die Information darüber, welches der Filter das beste Ergebnis erbrachte, wird ebenfalls gespeichert.

Bild 5: Die Dopplerspektren von einem Flugzeug und einem Windkraftwerk mit deren jet engine modulation.

Jet Engine Modulation (JEM)

Eine Doppler-Frequenz ensteht nicht nur durch Reflexion an den Hauptflächen eines Flugzeuges. Da wegen der Tendenz zu “Stealth”- Flugzeugen die Radargeräte immer empfindlicher werden, können auch kleinste Flächen wie zum Beispiel die Verdichterschaufeln der Turbinen ein ausreichend großes Echosignal erzeugen. Die haben dann jeweils eine ganz andere Radialgeschwindigkeit, als das Flugzeug insgesamt und erzeugen als Echosignal einen eigenen Impuls. Die Lage dieser JEM-Impulse sind auch abhängig vom Aspektwinkel und können als mathematisches Modell in einer Datenbank gespeichert werden. Wie ein Fingerabdruck können sie zur Identifikation des Flugzeugtyps verwendet werden. Dazu müssen aber alle Doppler-Frequenzen gemessen und mit dem Abbild in der Datenbank korreliert werden.

Da aber die Doppler-Frequenz abhängig ist von der Trägerfrequenz des Senders und das Radar möglicherweise mehrere verschiedene Sendefrequenzen verwendet, müssen die Doppler-Frequenzen normiert werden. Das heißt, der Einfluss der Sendefrequenz muss herausgerechnet werden. Das geht am einfachsten, indem die gemessene Doppler-Frequenz durch die aktuelle Sendefrequenz geteilt und dann mit einer Normfrequenz multipliziert wird.

Bild 5: Die Dopplerspektren von einem Flugzeug und einem Windkraftwerk mit deren jet engine modulation.

Beschreibung der Baugruppen im Blockschaltbild