Verteidigung

PASSIVRADAR-SIGNALVERARBEITUNG ZUR VERFOLGUNG VON ZIELEN IM CLUTTER

Eine große Herausforderung in Passivradarsystemen ist nicht nur die Störung des Überwachungssignals durch das Direktsignal der genutzten Fremdbeleuchter sondern auch durch Bodenechos des gesendeten Signals. Diese Bodenechos können schwache Ziele maskieren und damit ihre Entdeckung und Verfolgung verhindern.

Experimentelles Passivradarsystem mit linearem Antennen-Array.
© Foto Fraunhofer FHR

Experimentelles Passivradarsystem mit linearem Antennen-Array.

Ungefilterte Range-Doppler-Karte.
© Foto Fraunhofer FHR

Ungefilterte Range-Doppler-Karte.

Range-Doppler-Karte mit Bodenecho-Unterdrückung durch ECA-CD.
© Foto Fraunhofer FHR

Range-Doppler-Karte mit Bodenecho-Unterdrückung durch ECA-CD.

In Passivradarsystemen wird die Anwesenheit von Zielen anhand der Verzögerung zwischen der Ankunft des Direktsignals eines Fremdbeleuchters und des vom Fremdbeleuchter am Ziel reflektierten Signals detektiert. Zur Bestimmung wird das Überwachungssignal sowohl mit dem direkten als auch mit Doppler-verschobenem Referenzsignal korreliert, so dass Ziele in der Range-Doppler-Domäne detektiert und lokalisiert werden können.

Im Allgemeinen enthält das Überwachungssignal nicht nur die Zielreflektionen, sondern auch das Direktsignal des Fremdbeleuchters und dessen Bodenechos, die die Detektion von Zielen stören. Bodenechos weisen kleine Doppler-Modulationen auf – ursächlich können sowohl schwache Schwingungen des Fremdbeleuchters als auch leichte Bewegungen von Bodenstrukturen sein, an denen die Bodenechos entstehen. Diese schwachen Modulationen der Bodenechos führen aufgrund von Korrelations-Nebenkeulen in der Range-Doppler-Domäne zu großen Störungen im Doppler-Bereich. Diese können schwache Ziele maskieren und deren Entdeckung in weiten Teilen der Range-Doppler-Domäne verhindern und damit die Zielverfolgung erschweren. Es ist eine Range-Doppler-Karte zu sehen, die mithilfe des FHR Passivradar-Systems ATLANTIS aufgenommen wurde. Die Bodenechos um Null Doppler sind im gesamten Entfernungsbereich vorhanden. Insbesondere in einer Entfernung von 4 km bis 5 km sind Nebenkeulen der Bodenechos erkennbar, die weit in den Doppler-Bereich ragen. Ein kooperatives Ziel, dessen GPS-Spur pink markiert ist, schneidet die Null-Doppler-Linie. Die Zielverfolgung, basierend auf Detektionen des Passivradarsystems, ist gelb markiert. Das Ziel startet mit positiver Doppler-Verschiebung (etwa 50 Hz) und verändert seine Bewegungsrichtung so, dass sich die Doppler-Verschiebung zu negativen Frequenzen ändert (etwa -100 Hz). Zusätzlich ist die Zielverfolgung eines nicht-kooperativen Zieles zu sehen, dass sich mit positiver Doppler-Verschiebung annähert. Die Zielverfolgung wird unterbrochen, sobald das kooperative Ziel die Null-Doppler-Linie kreuzt, da dort aufgrund der Bodenechos und ihrer Nebenkeulen keine Entdeckung des Ziels möglich ist. Die Zielverfolgung erfolgt erst wieder wenn das Ziel den Bereich um die Null-Doppler-Linie verlässt.

Es gibt verschiedene Ansätze zur Bodenecho-Unterdrückung; alle basieren auf dem Prinzip der Projektion des Überwachungssignals in einen zum Direktsignal orthogonalen Unterraum. Insbesondere der Extensive Cancellation Algorithm (ECA) ist in der Lage Störungen einzelner Bodenechos aus dem Überwachungssignal zu entfernen, indem dieses in einen orthogonalen Unterraum des Bodenechos projiziert wird.

Bei DVB-T-basierten Passivradaren zeigen sich aufgrund der relativ großen Bandbreite frequenzabhängige Effekte, wie beispielsweise frequenzabhängiges Fading durch Mehrwegeausbreitungen. Um diese Effekte zu berücksichtigen, wurde ein Verfahren entwickelt um die Projektion in der Frequenz-Domäne durchzuführen und so Bodenechos frequenzabhängig zu unterdrücken. Dies erlaubt die Unterdrückung sämtlicher Bodenechos in einem Schritt. Zusätzlich muss die Doppler-Modulation der Bodenechos berücksichtigt werden. Das Ergebnis ist der am Fraunhofer FHR entwickelte ECA-CD-Algorithmus (ECA by Carrier and Doppler Shift).