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Space-Time Adaptive Processing (STAP)

Bewegtziel:
Festziele
SNR [dB]
normiertes Doppler
sin (Azimuth)
Störsender

Bild 1: Raum-Zeit Spektrum

Bewegtziel:
Festziele
SNR [dB]
normiertes Doppler
sin (Azimuth)
Störsender

Bild 1: Raum-Zeit Spektrum

Space-Time Adaptive Processing (STAP)

Von modernen luftgestützten Radarsystemen wird erwartet, dass sie die gewünschten Ziele auch unter dem Einfluss von Festzielen (Clutter) und Störstrahlungen (Jamming) erkennen. Durch die Eigenbewegung der Flugzeuges weisen die Echos von Clutter ebenfalls eine Dopplerverschiebung auf. Diese Dopplerfrequenz verhält sich proportional zur jeweiligen radialen Komponente der Relativgeschwindigkeit und ist vom Winkel zur Bewegungsachse abhängig. Die Dopplerfrequenz von langsam bewegten Zielen liegt in der Regel innerhalb des Hauptkeulenanteils des Clutterspektrums, so dass eine Trennung allein über die Dopplerfrequenz wie bei bodengestützten Radargeräten, nicht möglich ist.

Die Trennung solcher Clutter-Echos von Bewegtzielechos kann mit Hilfe der Space-Time Adaptive Processing (STAP) (auf Deutsch etwa: adaptive Raum-Zeit-Verarbeitung oder -Filterung) vollzogen werden. Mit Hilfe des STAP können dann langsam fliegende Objekte aus dem Cluttergemisch und sogar unter Störbedingungen erkannt werden, deren Echosignal sonst in den Störsignalen untergehen würde. Werden mehrere Subaperturen benutzt, die längs der Flugrichtung versetzt sind, so wird das vom Boden zurückgeworfene Wellenfeld durch die einzelnen Subaperturen zeitversetzt abgetastet, die Signale in den einzelnen Kanälen unterscheiden sich im Idealfall nur durch diesen Zeitversatz. Bewegte Ziele mit einer radialen Geschwindigkeitskomponente ändern jedoch innerhalb dieser Zeitspanne ihren Abstand zu Sensor, so dass die Signale einer Phasenverschiebung unterliegen und von den Cluttersignalen unterschieden werden können. Dieses Ziel wird durch die Verarbeitung der Empfangssignale in einer Raum- und einer Zeitebene erreicht. Die Umgebung des Echosignales eines Zieles wird nicht mehr nur zeitlich linear betrachtet, sondern wird auch in einer zweiten Dimension (hier: die räumliche Änderung) verglichen. (In manchen Publikationen wird dieses Verfahren deshalb als zweidimensionaler Prozessor bezeichnet.

Technische Voraussetzung sind empfangsseitig mehrere Sensoren (Antennengruppen), die längs der Flugrichtung angebracht sind und die mit parallelen Empfangskanälen ausgestattet sind. Idealerweise ist die Eigenbewegung des Flugzeuges auch auf die Impulsfolgeperiode abgestimmt. Ist dieses nicht möglich, kann durch eine Wichtung der Eingangssignale das Ergebnis angenähert werden. Ausgangssignal ist dann entweder eine lineare Kombination oder die Summe der gewichteten Eingangssignale.

Die durch STAP durch Stichproben berechneten angepassten Wichtungen werden in einer die Rausch- und Festzielumgebung präsentierenden inversen Kovarianzmatrix verwendet. Die Genauigkeit der Werte dieser Matrix sind jedoch abhängig davon, dass sich die Struktur der Clutterechos während der Bearbeitung (also über mehrere Impulsperioden) nicht ändert.

Erläuterungen

Bild 2: Darstellung der Ausgangssituation

Bild 2: Darstellung der Ausgangssituation

Als Ausgangssituation gehen wir davon aus, dass es sich immer um ein Radar mit synthetischer Apertur handeln muss. Dieses funktioniert praktisch so, wie ein virtuelles Radar mit einer Phased-Array Antenne mit der Größe der synthetischen Apertur (oft mehrere Kilometer lang). Deren Einzelstrahler arbeiten jedoch nicht parallel und gleichzeitig, sondern zeitlich hintereinander (entsprechend den jeweiligen Positionen des Flugzeuges oder Satelliten auf dessen Flugweg). Die Rohdaten werden zwischengespeichert und erst verarbeitet, wenn alle Daten vorliegen.

Diese Situation ist dargestellt im Bild 2. Als Ergebnis würde im Bild 1 nur das blau eingefärbte Diagramm entstehen. Es wird als normiertes Doppler bezeichnet, weil die Einflüsse durch Frequenzänderungen des Sendesignals (Frequenzdiversity und Intrapulsmodulation) schon herausgerechnet wurden. Irgendwo da drin ist dann das Zielzeichen des bewegten Zieles, allerdings in einer falschen Entfernung. Seine richtige Entfernung wäre, wenn es genau im Maximum des Diagramms läge: aber dann hätte es keine Eigenbewegung und wäre auch ein Festziel.
 

Bild 3: Zwischenschritt für das Verständnis

Bild 3: Zwischenschritt für das Verständnis

Angenommen, dass, wie im Bild 3 gezeigt, das gesamte synthetische Antennenfeld in zwei unabhängige Antennen aufgeteilt wird. Jetzt entstehen praktisch zwei Radarbilder zeitlich nacheinander von der gleichen Situation am Boden. Die Festziele sollten sich dabei immer noch an der selben Stelle befinden und ein Echosignal mit konstanter Phasenlage erzeugen. Nur ein sich langsam bewegendes Ziel hat seine Position geringfügig geändert. Oft nur so wenig, dass es sich anscheinend trotzdem am gleichen Ort befindet. Aber die Phasenlage des errechneten Zielzeichens hat sich gegenüber der vorherigen Antennenposition geändert.

Aus dieser geänderten Phasenlage kann eine Festzielunterdrückung durchgeführt werden, wie bereits im Kapitel „Radar Clutter in Kohärenten Radarsystemen” beschrieben wird. Allerdings würde sich bei dieser angenommenen Konstruktion die nutzbare synthetische Apertur verkleinern, was zu einer signifikanten Verschlechterung des Auflösungsvermögen führen würde.
 

Bild 4: Zwei virtuelle Antennenpositionen über die gesamte synthetische Apertur

Bild 4: Zwei virtuelle Antennenpositionen über die gesamte synthetische Apertur

Aber da es sich aber virtuell um eine Phased-Array Antenne handelt, kann in der weiteren Signalverarbeitung den Rohdaten zu jeder Strahlerposition rechnerisch eine Phasenverschiebung hinzugefügt werden. Damit würde die Phased-Array Antenne ihr Diagramm elektronisch schwenken. Jetzt können beide virtuellen Antennenpositionen gleichzeitig berechnet werden und bei maximaler Länge der synthetischen Apertur eine Festzielunterdrückung ermöglichen. Die Impulsfolgefrequenz sollte auf die Fluggeschwindigkeit angepasst sein, damit die Abstände zwischen den als virtuelle Einzelstrahler gezeichneten Positionen ein Optimum für Gruppenantennen erhalten. Wie bei einer realen Phased-Array Antenne werden die einzelnen Rohdatensätze nicht alle mit der vollen Leistung verwendet. Von der Mitte bis hin zum Rand der synthetischen Apertur werden die Leistungen zum Beispiel gemäß einer Gauss-Funktion abnehmen. Durch diese Wichtung wird erreicht, dass ein scharfes Antennendiagramm entsteht mit geringen Nebenkeulen.

Was jetzt hier als Beispiel mit nur zwei virtuellen Antennenpositionen dargestellt wurde, lässt sich mit den gleichen Rohdaten für jede hier im Bild 2 bis Bild 4 angenommene Position der Einzelstrahler durchführen. Das ist praktisch für jede Impulsfolgeperiode des Radars! Somit entsteht die zweite Dimension im Bild 1, die als Azimut bezeichnet ist.