Verteidigung

Wissensbasierte Bewegtzielentdeckung

Vom Radarsystem empfangene Clutterleistung einer Küstenszene mit Unterteilung.
© Foto Fraunhofer FHR

Vom Radarsystem empfangene Clutterleistung einer Küstenszene mit Unterteilung.

Ergebnis der adaptiven Clutterunterdrückung ohne Verwendung von Karteninformation.
© Foto Fraunhofer FHR

Ergebnis der adaptiven Clutterunterdrückung ohne Verwendung von Karteninformation.

Ergebnis der adaptiven Clutterunterdrückung mit Verwendung von Karteninformation.
© Foto Fraunhofer FHR

Ergebnis der adaptiven Clutterunterdrückung mit Verwendung von Karteninformation.

Eine Hauptaufgabe luftgetragener Radarsysteme ist die Bewegtzielentdeckung. Die Leistungsfähigkeit der hierfür verwendeten Signalverarbeitung lässt sich durch Berücksichtigung zusätzlicher Informationen über die beobachtete Szene wesentlich verbessern.

Hintergrund

Die Entdeckung und Ortung bewegter Objekte (moving target indication, MTI) in der Luft, am Erdboden oder auf See ist eine Kernaufgabe von Multifunktionsradargeräten auf fliegender Plattformen. Insbesondere die Entdeckung und Ortung bewegter Objekte am Erdboden (ground moving target indication, GMTI) wird jedoch durch störende Rückstreuungen von der Erdoberfläche, den sogenannten Clutter, erschwert. Wenn das Radarsystem über mehrere parallel angeordnete Empfangskanäle verfügt, lassen sich diese störenden Radarechos mit Verfahren der mehrkanaligen Signalverarbeitung unterdrücken und somit auch sehr langsam bewegte Objekte entdecken.

Von den Verfahren der mehrkanaligen Signalverarbeitung ist die adaptive Raum-Zeit-Verarbeitung (space-time adaptive processing, STAP) besonders gut für die Clutterunterdrückung geeignet. Sie verwendet räumlich-zeitliche Clutterfilter, deren Koeffizienten aus Radarechos geschätzt werden, die aus anderen Entfernungszellen kommen als der auf das Vorhandensein eines Bewegtziels zu untersuchenden Testzelle. Je besser die Eigenschaften des Clutters in diesen sogenannten Sekundärdaten mit denen des Clutters in der Testzelle übereinstimmen, umso wirksamer ist die Clutterunterdrückung durch solch ein adaptives Filter – und desto besser sind Entdeckungswahrscheinlichkeit und Ortungsgenauigkeit.

Wissensbasiertes STAP-GMTI

Sind die Eigenschaften des Clutters – mit Ausnahme der Leistung – entfernungsunabhängig, so können die Sekundärdaten beliebig gewählt werden. Anders ist die Situation bei inhomogenem Clutter, dessen Eigenschaften sich über der Entfernung und mit der Zeit ändern. In diesem Fall hat die Wahl der Sekundärdaten einen entscheidenden Einfluss auf die GMTI-Leistungsfähigkeit des Radarsystems.

Die bestmögliche Performance wird erzielt, wenn die Eigenschaften des Clutters in den Sekundärdaten denen des Clutters in der Testzelle möglichst ähnlich sind. Um dies zu erreichen, kann man entweder aus den Radardaten selbst abgeleitete Informationen oder weitere, externe Daten zur Auswahl der Sekundärdaten nutzen. In beiden Fällen spricht man von wissensbasierter Signalverarbeitung.

Am Fraunhofer FHR werden Verfahren zur wissensbasierten Signalverarbeitung vergleichend untersucht und weiterentwickelt. Die hierfür erforderlichen Daten werden mit Hilfe des am Institut entwickelten SAR/GMTI-Demonstratorsystems PAMIR erflogen. Im Folgenden wird anhand eines Beispiels der Vorteil einer wissensbasierten Signalverarbeitung illustriert.

Verwendung von Karten

Eine mögliche Quelle zur Bestimmung geeigneter Sekundärdaten sind Karten. Mit ihrer Hilfe kann die vom Radar beleuchtete Szene in Bereiche unterschiedlicher Rückstreueigenschaften unterteilt werden. Die Karte kann dabei eine so genannte Clutterkarte sein, also ein mehr oder weniger hoch aufgelöstes Radarbild der Szene, aber auch eine übliche digitale Karte des Gebietes. Im letztgenannten Fall ist es von Vorteil, wenn sie auch Informationen über die Landbedeckung enthält.

Wenn eine Szene sowohl Gewässer als auch Boden enthält, ist eine Aufteilung besonders vielversprechend. Grund hierfür ist die sehr unterschiedliche Rückstreuung über Land und über Wasser. Hinzu kommt die Tatsache, dass durch die besonders starke Reflexion an Wasser-Land-Übergängen alle Uferlinien, die nicht in bzw. parallel zur Blickrichtung des Radars verlaufen, im Radarbild deutlich hervortreten.

Die Abbildungen illustrieren den Vorteil einer wissensbasierten Signalverarbeitung. Abbildung 1 zeigt die vom Radarsystem empfangene Clutterleistung einer Küstenszene. Die gestrichelten Linien markieren den Übergangsbereich vom Meer (unten) zum Land. Abbildungen 2 und 3 zeigen das Ergebnis der adaptiven Clutterunterdrückung mit STAP, wobei die Wahl der Sekundärdaten einmal ohne Wissen über die Szene und einmal nach Aufteilung derselben in die drei Bereiche Meer, Uferzone und Land erfolgte. Die weißen Kreise markieren dabei jeweils verbleibende Inhomogenitäten, die potentielle Falschalarme darstellen. Bei Verwendung der Karteninformation reduziert sich die Zahl der potentiellen Falschalarme deutlich. Sie sind in diesem Fall auf die Echos bewegter Bäume im Wind zurückzuführen.