DE2650547A1 - Adaptive radio reception aerial system - has main reflector aerial and several reference radiators producing minimum sensitivity in noise source directions - Google Patents
Adaptive radio reception aerial system - has main reflector aerial and several reference radiators producing minimum sensitivity in noise source directionsInfo
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Abstract
Description
Adaptives EmpfangsantennensystemAdaptive receiving antenna system
Die Erfindung bezieht sich auf ein adaptives Empfangsantennensystem zur Minimisierung von aus diskreten Richtungen stammenden Rauschstörsignalen mit mehreren eine Gruppe bildenden Strahlerelementen und einem für jede Strahlrichtung die Amplituden- und Phasenbelegung der Strahlergruppe steuernden Korrelations- und Rückkopplungsnetzwerk, das zwischen den einzelnen signal empfangenden Strahlerelementen auf der einen Seite und einem die Signale zusammenfassenden Ausgang auf der anderen Seite angeordnet ist.The invention relates to an adaptive receiving antenna system to minimize noise interference signals originating from discrete directions several radiator elements forming a group and one for each beam direction the amplitude and phase occupancy of the radiator group controlling correlation and Feedback network between the individual signal receiving radiator elements on one side and an output summarizing the signals on the other Side is arranged.
Ein derartiges adaptives Antennensystem mit Störungsabweisung ist aus der Zeitschrift Proceedings of the IEEE, Band 61, Nr. 6, Juni 1973, Seiten 748 - 758, bekannt. Bei dieser Anordnung sind alle Strahlerelemente der Antennengruppe identisch.One such adaptive antenna system with interference rejection is from the journal Proceedings of the IEEE, Volume 61, No. 6, June 1973, pages 748 - 758, known. In this arrangement, all radiator elements are part of the antenna group identical.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Auswirkung eines oder mehrerer Rauschstörer in diskreten Winkelrichtungen auf die Azimutermittlung einer Rundsuchradarantenne zu minimi si eren oder gar zu eliminieren. Durch den Empfang des im allgemeinen zur Strahlungscharakteristik der Rundsuchantenne invers modulierten Störsignals über einen oder mehrere Nebenzipfel ist eine eindeutige Unterscheidung der azimutalen Winkelposition des Radarechos und der Rauschquelle nicht mehr möglich, insbesondere bei Vorhandensein mehrerer Rauschstörer.The object of the invention is the effect of one or more noise interferers in discrete angular directions on the azimuth determination of an omnidirectional radar antenna to be minimized or even eliminated. By receiving the in general For the radiation characteristics of the omnidirectional antenna, inversely modulated interference signal over one or more side lobes is a clear distinction between the azimuthal ones Angular position the radar echo and the noise source are no longer possible, especially if there are several noise interferers.
Bei Vorhandensein nur eines Störers gelingt zwar die Unterscheidung zwischen dem Radarecho und dem Rauschstörer bereits durch einen Schwellwertvergleich des von der Rundsuchradarantenne empfangenen Pegels mit dem Pegel einer Referenzantenne. Durch ein solches Ja-Nein-Verfahren ist jedoch die Elimination von mehreren Störern nicht möglich, sofern kein vorheriges Wissen über die Störstrategie vorliegt.If there is only one interferer, the distinction is successful between the radar echo and the noise interferer through a threshold comparison of the level received by the search radar antenna with the level of a reference antenna. Such a yes-no procedure, however, eliminates several interferers not possible if there is no prior knowledge of the disruption strategy.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß eines der Strahlerelemente eine stark bündelnde, rundsuchende Reflektorantenne ist und die anderen Strahlerelemente dieser zugeordnete Referenzstrahler sind, deren Anzahl mit der Zahl der verschiedenen unterdrilekbaren Störsignalquellen übereinstimmt und daß mittels des adaptiven Korrelations- und Rückkopplungsnetzwerkes eine Korrelation nur des Nebenzipfelpegels der Reflektorantenne mit dem Pegel von einer bzw. mehreren Referenzantennen erfolgt, so daß die resultierende Nebenzipfelcharakteristik der Reflektorantenne derart modifiziert ist, daß in Richtung des/der Rauschstörer ein Pegelminimum zu liegen kommt.According to the invention, the object is achieved in that one of the radiator elements is a strongly bundling, omnidirectional reflector antenna and the other radiator elements are associated with these reference radiators, their Number coincides with the number of different suppressible interference signal sources and that by means of the adaptive correlation and feedback network a correlation only the sidelobe level of the reflector antenna with the level of one or more Reference antennas takes place, so that the resulting side lobe characteristic of the The reflector antenna is modified in such a way that in the direction of the noise interferer Level minimum comes to rest.
Im folgenden wird anhand der Figuren 1 bis 3 das Prinzip der adaptiven Antennensteuerung, welches im Aufsatz von Riegler und Compton "An Adaptive Array for Interference ReJection" in der Zeitschrift Proceeding of the IEEE", Band 61, Nr. 6 Juni 1973, Seiten 748 - 758 beschrieben ist und auchbei der Erfindung angewendet wird, im einzelnen erläutert.In the following, the principle of the adaptive will be based on Figures 1 to 3 Antenna control, which is described in the article by Riegler and Compton "An Adaptive Array for Interference ReJection "in the journal Proceeding of the IEEE", Volume 61, No. 6 June 1973, pages 748-758 and is also used in the invention is explained in detail.
Grundlage für die Erläuterung dieses Prinzips sind die Gesetze der phasengesteuerten Antenne. Werden alle Strahlerelemente 1 bis 4 einer in Fig. 1 dargestellten linearen Gruppe mit gleicher Phase erregt, so ist das resultierende Strahlungsdiagramm mit einem zentralen Hauptblatt 5 und zu beiden Seiten symmetrischen Nebenzipfeln 6 bis 9 in Richtung der querstrahlenden Antenne orientiert. Die Büdelung des Haupt- blattes 5 und die Nebenzipfelcharakteristik werden durch die WichtungenW1 bis W4 der von den einzelnen Strahlerelementen 1 bis 4 empfangenen Amplitudenbeiträge vor der Zusammenführung in einem Summationsnetzwerk 10 bestimmt (reelle Amplidudenwichtung). Der Empfang des Störpegels eines Rauschsenders 11 über den Nebenzipfel 7 der Antennencharakteristik wird eliminiert, wenn es gelingt, in Richtung des Störsenders 11 ein Pegelminimum des Empfangsdiagramms zu realisieren. Eine Strahlschwenkung des gesamten Antennendiagramms ist ungeeignet, da sie auch die Winkelposition des Hauptblattes 5, mit welchem das Radarzielecho 12 empfangen werden soll, verändert.The basis for the explanation of this principle are the laws of phased antenna. If all radiator elements 1 to 4 become one in FIG. 1 shown linear group excited with the same phase, so is the resulting Radiation diagram with a central main leaf 5 and symmetrical on both sides Side lobes 6 to 9 oriented in the direction of the transverse antenna. The bundling of the main sheet 5 and the side lobe characteristic are through the weightings W1 to W4 received by the individual radiator elements 1 to 4 Determined amplitude contributions before the merging in a summation network 10 (real amplitude weighting). The reception of the interference level of a noise transmitter 11 via the side lobe 7 of the antenna characteristic is eliminated if it succeeds in Direction of the jammer 11 to realize a level minimum of the reception diagram. A beam swiveling of the entire antenna pattern is unsuitable because it also the angular position of the main blade 5 at which the radar target echo 12 is received should be changed.
Die Winkellage nur der Nebenzipfel 6 bis 9 ohne wesentliche Beeinflussung des Hauptblattes 5 zu verändern, ist grundsätzlich durch die Überlagerung eines in der zeitlichen Phase um 900 verschobenen Stördiagramms möglich. Im Prinzipbild nach Fig. 2 ist dem Netzwerk 13 bis 16 zur Wichtung (W2, W4, W6, W8) der Amplitudenbeiträge ein weiteres Wichtungsnetz-0 werk 17 bis 20 mit 90 -Phasenschiebern 21 bis 24 parallel geschaltet, das eine zusätzliche, um U verschobene, unabhängige Wichtung (W1, W3, W5, W7) ermöglicht. Diese Anordnung nach Fig. 2 ermöglicht somit eine komplexe Amplitudenwichtung.The angular position of only the secondary lobes 6 to 9 without any significant influence of the main sheet 5 can be changed by superimposing a Disturbance diagram shifted by 900 possible in the temporal phase. In principle according to Fig. 2 is the network 13 to 16 for weighting (W2, W4, W6, W8) of the amplitude contributions Another weighting network 17 to 20 with 90 phase shifters 21 to 24 in parallel switched, which has an additional, independent weighting shifted by U (W1, W3, W5, W7). This arrangement according to FIG. 2 thus enables complex amplitude weighting.
Die Wirkungsweise dieser Schaltung sei anhand von Fig. 3 am einfachen Beispiel einer Gruppe aus zwei Strahlern 25 und 26 im Abstand d = § demonstriert. Das Radarecho sei in Richtung der Gruppennormalen ß = 0° und der Störer in der Richtung =300 gelegen. Für einen maximalen Empfangspegel des Radarechos gilt dann W1 +W3 + j(W2 + W4) = 1, und gleichzeitig für minimalen Pegel des Rauschstörers W1 + jW2 S j (W3 + jW4) = 0.The mode of operation of this circuit is the simplest with reference to FIG. 3 Example of a group of two radiators 25 and 26 at a distance d = § demonstrated. Let the radar echo be in the direction of the group normal ß = 0 ° and the interferer in the direction = 300 located. W1 + W3 then applies to a maximum received level of the radar echo + j (W2 + W4) = 1, and at the same time for the minimum level of the noise interferer W1 + jW2 S j (W3 + jW4) = 0.
Daraus folgt: W1 = 2 W2 = 2 W3 7 4 W4 2 2 d.h. bei einer gegebenen Frequenz empfängt die gesamte Antenne maximalen Pegel aus der gewünschten Richtung 3 = 0o und minimalen Pegel aus der Richtung zu= 300.From this it follows: W1 = 2 W2 = 2 W3 7 4 W4 2 2 i.e. at a given frequency, the entire antenna receives maximum level from the desired Direction 3 = 0o and minimum level from the direction towards = 300.
Das Verfahren gleicht also der Lösung einer der Anzahl der Unbekannten entsprechenden Anzahl von Gleichungen. Für die Eliminierung von einem Störer sind zwei Strahler erforderlich und für n Störer n+1 Strahler. Ist die Anzahl der Störer größer als die Zahl der voneinander unabhängigen Teilsignale, ist das Gleichungssystem unterbestimmt und die Auswirkung der Rauschstörer nur minimisiert und nicht eliminiert.So the procedure is like solving one of the number of unknowns corresponding number of equations. Are for the elimination of a disruptor two emitters required and n + 1 emitters for n interferers. Is the number of interferers The equation system is greater than the number of mutually independent partial signals underdetermined and the effect of noise interferers is only minimized and not eliminated.
In der Praxis ist im allgemeinen die Richtung des Störers nicht bekannt, außerdem ist eine rechnerische Bestimmung der richtigen Wichtung vor allem in größeren Strahlergruppen und bei Anwesenheit einer größeren Anzahl von Störern technisch nicht sehr sinnvoll. Auf der Grundlage eines minimalen quadratischen Fehlers £2(t) zwischen dem korrelierten Antennenausgangssignal s(t) und einem Referenzsignal r(t) läßt sich ein Rückkopplungssystem definieren, das eine adaptive Wichtung ermöglicht. Es gilt nämlich mit Y 2n 1(t) ist die Amplitude des Einzelstrahlers n am Eingang des adaptiven Rückkopplungssystems.In practice, the direction of the interferer is generally not known; in addition, a computational determination of the correct weighting, especially in larger groups of radiators and when a large number of interferers are present, does not make much technical sense. On the basis of a minimum square error ε 2 (t) between the correlated antenna output signal s (t) and a reference signal r (t), a feedback system can be defined which enables adaptive weighting. It is true with Y 2n 1 (t) is the amplitude of the individual radiator n at the input of the adaptive feedback system.
Das Rückkopplungskriterium leitet sich von der stärksten Änderung der Fehlerfunktion E2 mit der Änderung der Wichtung der einzelnen Amplituden ab, also wobei Von (& 2) die n-te Komponante des Gradienten von t2bezüglich des Wichtungsvektors darstellt. k ist eine positive Konstante.The feedback criterion is derived from the greatest change in the error function E2 with the change in the weighting of the individual amplitudes, i.e. where Von (& 2) represents the nth component of the gradient of t2 with respect to the weighting vector. k is a positive constant.
Aus Gl.(1) folgt Vn (£2) = 2¼n = -2E>n G. (3) wird dann zu und damit ergibt sich für die Wichtung wn Gl. (5) läßt sich prinzipiell durch die Schaltung nach Fig. 3 realisieren. Das Signal vom Strahlerelement 25 gelangt unmittelbar zu einer Wichtungseinrichtung 27 sowie zu einem Multiplizierer 28. Das Signal vom Strahlerelement 25 gelangt auBer-0 dem um 90 in der Phase mittels eines Phasenschiebers-29 gedreht an eine andere Wichtungseinrichtung 30 und an einen anderen Multiplizierer 31. Die gewichteten Signale werden einem Summationsnetzwerk 32 zugeführt, an welchem das Ausgangssignal s(t) abgenommen und in Form einer Abzweigung einer Additionsschaltung 33 eingegeben wird, in die als zweites Signal das von einer Korrelations schaltung 34 abgenommene Referenzsignal r(t) eingespeist wird. Das mit einer Konstanten k multiplizierte Signal s (t) gelangt als zu multiplizierende Größe an die beiden Multiplikatoren 28 und 31, von denen die differenzierten Werte ddW1 und dW2 abgenommen und über Integratoren 35 -dt bzw. 36 als Stellgrößen den Wichtungseinrichtungen 27 bzw. 30 eingegeben werden. Die gleiche Schaltung ist für die Wichtung der vom Strahlerelement 26 abgenommenen Signale vorgesehen. Diese Schaltung arbeitet auf dasselbe Summationsnetzwerk 32. Die sich entsprechenden Teile enthalten in der Fig.3 an ihren Bezugszeichen einen Strich.From Eq. (1) follows Vn (£ 2) = 2¼n = -2E> n G. (3) then becomes and this results in wn for the weighting Eq. (5) can in principle be implemented by the circuit according to FIG. The signal from the radiator element 25 reaches a weighting device 27 and a multiplier 28 directly. The weighted signals are fed to a summation network 32, from which the output signal s (t) is taken and input in the form of a branch to an addition circuit 33, into which the reference signal r (t) taken from a correlation circuit 34 is fed as a second signal. The signal s (t) multiplied by a constant k reaches the two multipliers 28 and 31 as a variable to be multiplied, from which the differentiated values ddW1 and dW2 are taken and sent via integrators 35 -dt and 36 as manipulated variables to the weighting devices 27 and 30, respectively can be entered. The same circuit is provided for weighting the signals picked up by the radiator element 26. This circuit operates on the same summation network 32. The corresponding parts in FIG. 3 have a prime at their reference numerals.
Die Minimisierung des mittleren quadratischen Fehlersignals eZ(t) entspricht somit einer im Sinne des quadratischen Mittelwerts möglichst guten Anpassung des Antennenausgangssignals s(t) an das Referenzsignal r(t). Anteile des Signals s(t), die mit r(t) nicht korreliert werden können, führen über die Rückkopplungsschleife solange zu einer Veränderung von wn (t) bis die unerwunschte Signalkomponente entfernt ist. Der Empfang des korrelierbaren, d.h. erwünschten Signals wird dadurch optimiert und die nicht korrelierbare, d.h. unerwünschte Komponente des Signals minimisiert.The minimization of the mean square error signal eZ (t) thus corresponds to an adjustment that is as good as possible in terms of the root mean square value of the antenna output signal s (t) to the reference signal r (t). Portions of the signal s (t), which cannot be correlated with r (t), lead through the feedback loop as long as a change in wn (t) until the unwanted signal component away. The reception of the correlatable, i.e. desired signal, is thereby optimized and the non-correlable, i.e. undesired component of the signal minimized.
Zur Signalkorrelation ist es zweckmäßig, dem Radarsignal besondere Kenndaten zuzuordnen, die je nach der vorliegenden Störstrategie in Zeitabständen, die größer als die Einschwingzeit der Rückkopplungsschleife sind, geändert werden können.For signal correlation, it is useful to add special features to the radar signal To assign characteristic data, which, depending on the existing disruption strategy, at time intervals, that are greater than the settling time of the feedback loop can be changed can.
Bei Ortung von Festzielen kann die Korrelationszeit durch Anwendung von Zeitmultiplex verkürzt werden. Bei Bewegtzielen ist infolge der Dopplerverschiebung des empfangenen Signals das Zeitmultiplexverfahren jedoch nicht anwendbar.When locating fixed targets, the correlation time can be determined by applying be shortened by time division multiplex. With moving targets is due to the Doppler shift of the received signal, however, the time division multiplex method cannot be used.
In der vorangegangenen Diskussion des bekannten Systems wurden alle Strahlerelemente einer Antennengruppe identisch angenommen. Eine räumliche Korrelation ist nach der Erfindung mit einer stark bündelnden Reflektorantenne und einem oder mehreren Referenzstrahlern möglich. Da es gilt, diskrete Störer außerhalb des Winkelbereichs des Hauptblattes der Rundsuchantenne zu eliminieren, ist es ausreichend, nur deren Nebenzipfelcharakteristik durch Korrelation mit dem Strahlungsdiagramm der Zusatzantenne adaptiv zu verändern. Es ist daher erstrebenswert, die Charakteristik des Zusatzstrahlers bzw.In the previous discussion of the known system, all Radiator elements of one antenna group are assumed to be identical. A spatial correlation is according to the invention with a highly focused reflector antenna and one or several reference radiators possible. Since it applies, discrete interferers outside the angular range of the main sheet of the omnidirectional antenna, it is sufficient to only use their Side lobe characteristic through correlation with the radiation diagram of the additional antenna to change adaptively. It is therefore desirable to improve the characteristics of the additional radiator respectively.
der Zusatzstrahler an den Verlauf des mittleren Nebenzipfelpegels der Rundsuchradarantenne anzupassen. Im allgemeinen ist der maximale Abstand der Phasenzentren von zwei zu korrelierenden Antennen durch das Auftreten sekundärer Haupt- und Nebenmaxima bestimmt. In dem vorgeschlagenen adaptiven Antennensystem ist dieses Kriterium nicht unbedingt gültig, da es nur gilt, durch eine geeignete Wichtung der Teilamplituden in Richtung des Störers eine Null stelle der Nebenzipfelcharakteristik zu schaffen. Diese Forderung kann auch bei im Verhältnis zur Wellenlänge größeren Strahlerabständen befriedigt werden. Eine Rundsuchantenne mit einem viele Wellenlängen großen Reflektor kann also ohne weiteres mit einem oder mehreren seitlich angeordneten kleineren Zusatzstrahlern integriert werden. Um die Auswirkungen von Bodenreflexionen niedrig zu halten, sind die Phasenzentren der Antennen in der Elevationsebene jedoch möglichst identisch zu wählen.the additional radiator to the course of the mean secondary lobe level adapt to the omnidirectional radar antenna. In general, the maximum distance is the Phase centers of two antennas to be correlated due to the appearance of secondary ones Main and secondary maxima determined. In the proposed adaptive antenna system this criterion is not necessarily valid as it is only valid by an appropriate one Weighting of the partial amplitudes in the direction of the interferer a zero point of the side lobe characteristic to accomplish. This requirement can also be greater in relation to the wavelength Emitter distances are satisfied. An omnidirectional antenna with a multitude of wavelengths large reflector can easily be with an or several Laterally arranged smaller additional radiators can be integrated. To the effects To keep ground reflections low, the phase centers of the antennas are in the However, to choose the elevation plane as identical as possible.
Geeignete Zusatzstrahler seitlich am Reflektor der Rundsuchantenne sind Hornstrahler, Dipole in Winkelreflektoren, Leitscheibenantennen und kleinere Dipolgruppen, die in der Elevationsebene eine gewisse Anpassung an das Strahlungsdiagramm der Primärradarantenne und in der Azimutebene eine Annäherung an deren mittlere Charakteristik im Winkelbereich der Nebenzipfel ermöglichen.Suitable additional radiators on the side of the reflector of the round search antenna are horn antennas, dipoles in corner reflectors, guide disc antennas and smaller ones Dipole groups, which in the elevation plane have a certain adaptation to the radiation diagram the primary radar antenna and, in the azimuth plane, an approximation of its mean one Allow characteristics in the angular range of the side lobes.
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