Verteidigung

Modellierung des Wasserechos zur mehrkanaligen Signalverarbeitung bei maritimen Radarsystemen

Experiment über der Nordsee.
© Foto Fraunhofer FHR

Experiment über der Nordsee.

Normierter STAP-Filtergewinn von realen (oben) und simulierten (unten) mehrkanaligen Landdaten.
© Foto Fraunhofer FHR

Normierter STAP-Filtergewinn von realen (oben) und simulierten (unten) mehrkanaligen Landdaten.

Normierter STAP-Filtergewinn von realen (oben) und simulierten (unten) mehrkanaligen Seedaten.
© Foto Fraunhofer FHR

Normierter STAP-Filtergewinn von realen (oben) und simulierten (unten) mehrkanaligen Seedaten.

Zur Bewegtzielentdeckung mit maritimen Radarsystemen wird eine fortgeschrittene mehrkanalige Signalverarbeitung benötigt. Die Detektionsleistung solch einer Verarbeitung kann nur berechnet werden, wenn die mehrkanaligen Eigenschaften des Wasserechos bekannt sind. Am Fraunhofer FHR wurde solch ein Modell entwickelt und mit realen Daten validiert.

Maritime Radarsysteme – früher und heute

Das erste Radar, das 1904 von Christian Hülsmeyer auf der Hohenzollernbrücke in Köln demonstriert wurde, sollte Schiffe auf dem Rhein entdecken. Heute sind maritime Radarsysteme auf stationären oder schiffsgetragenen Plattformen immer noch von Bedeutung und die Detektion von großen Schiffen kann ohne komplizierte Signalverarbeitung erfolgen. Zusätzlich interessiert man sich aber auch für die Entdeckung von kleinen und agilen Booten von luftgetragenen Plattformen aus. Somit können Bedrohungen, die zum Beispiel durch Piraterie oder illegale Fischerei entstehen, auf weiträumigen Gebieten überwacht werden. Da jedoch von kleinen Booten nur ein niedriges Signal empfangen wird, welches durch die gewünschte Geometrie aus einem starken Wasserecho heraus detektiert werden muss, ist eine fortgeschrittene Signalverarbeitung nötig.

Lieber vorher berechnen als später bereuen

Am Fraunhofer FHR wurde gezeigt, dass für eine zuverlässige Entdeckung von kleinen Booten das sogenannte Space-Time Adaptive Processing (STAP) gebraucht wird. Bei STAP wird ausgenutzt, dass störende Echos eine bestimmte Beziehung zwischen der Einfallsrichtung und der Radialgeschwindigkeit aufweisen, um einen verbesserten Filter zur Unterdrückung dieser Rückstreuung zu schätzen. Es ist wichtig, für ein bestimmtes Radarsystem die theoretische Detektionsleistung zu kennen, damit zum Beispiel die optimalen Radarparameter berechnet werden können oder damit eine Ermittlung möglich ist, ob die zusätzlichen Kosten eines mehrkanaligen Systems im Vergleich zu einem einkanaligen sinnvoll sind.

Um die Leistungsfähigkeit von STAP modellieren zu können, müssen die mehrkanaligen Eigenschaften der störenden Echos, des sogenannten Clutters, bekannt sein. Die mehrkanaligen Eigenschaften von Landclutter sind zwar erfasst, aber weitestgehend statisch und somit für maritime Radarsysteme nicht verwendbar. Der Seeclutter wird von einer bewegten Szene erzeugt und auch Streuer von brechenden Wellen müssen berücksichtigt werden. 

Am Fraunhofer FHR wurde ein Modell zum Simulieren und Berechnen des mehrkanaligen Wasserechos und der damit verbundenen wichtigen Kenngrößen für STAP entwickelt. Zur Validierung des Modells wurden mehrere Messkampagnen mit dem Multifunktionsradarsystem PAMIR durchgeführt. Dabei flog die Trägerplattform Transall C-160 über der Nordsee in der Nähe von Helgoland, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Modell des Landechos hilft bei Wasser nicht weiter

Zur Bestimmung der Detektionsleistung ist es entscheidend den STAP-Filter zu kennen, da dieser zwar den Clutter beseitigt, aber auch das Signal des Ziels dämpfen oder sogar unterdrücken kann. Dieser Filter wird adaptiv aus den Daten geschätzt und kennzeichnet, um wie viel Leistung ein Ziel in Abhängigkeit des Richtungskosinus und der Radialgeschwindigkeit gedämpft wird. In Abbildung 2 ist der normierte Gewinn solch eines Filters von einem realen und simulierten Landdatensatz dargestellt. Man kann erkennen, dass dieser Filter einer Diagonalen entspricht, das Ziel also bei jeder Blickrichtung nur für eine bestimmte Radialgeschwindigkeit dämpft.

Abbildung 3 zeigt den normierten Filtergewinn eines realen und simulierten Seedatensatzes. Dieser Filter unterscheidet sich deutlich von dem Filter aus Abbildung 2 durch die breitere und asymmetrische Kerbe. Die Verbreiterung des Filters findet aufgrund der Bewegung des Wassers statt, und die Asymmetrie wird durch Streuer von brechenden Wellen verursacht. Mit diesem Filter ist es schwieriger, ein Ziel mit einem niedrigen Signal zu entdecken, vor allem für negative Radialgeschwindigkeiten. Der reale Filter des Seedatensatzes zeigt, dass das Modell des Landclutters nicht verwendet werden kann, um die Detektionsleistung über Wasser zu bestimmen, denn das würde zu fehlerhaften Ergebnissen führen. Der Filtergewinn der simulierten Daten lässt erkennen, dass das entwickelte Modell die realen mehrkanaligen Eigenschaften gut wiedergibt und daher zur Bestimmung der Detektionsfähigkeit von potenziellen maritimen Zielen angewandt werden kann.