專利名稱：通過反射功率測量監(jiān)測雷達測高儀天線性能的制作方法
通過反射功率測量監(jiān)測雷達測高儀天線性能
背景技術：
雷達測高儀被飛行器用于確定該飛行器到地面的距離。形成于雷達測高儀天線上的冰或流體導致了雷達樣式成形的劣化，這使得雷達測高儀將危險的誤導信息提供給飛行器的機組人員和/或飛行計算機?；谏鲜龅脑蛞约跋旅姹惶峒暗钠渌颍瑢﹂喿x和理解本說明書的本領域技術人員而言顯而易見的是，在本領域中，存在對于提供一種用于監(jiān)測雷達測高儀天線性能的動態(tài)方式的系統(tǒng)和方法的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供了用于監(jiān)測雷達測高儀天線的性能的方法和系統(tǒng)，井能夠通過閱讀和研究下面的說明書而被理解。提供了通過反射功率測量，來監(jiān)測雷達測高儀天線性能的系統(tǒng)和方法。在ー個實施例中，單天線雷達測高儀包括天線；與該天線耦合的循環(huán)器；與該循環(huán)器耦合的發(fā)射機；與該循環(huán)器耦合的接收機；其中循環(huán)器在該發(fā)射機和該接收機之間提供隔離的同吋， 提供該發(fā)射機和該接收機到該天線的耦合；被置于該循環(huán)器和接收機之間的反射功率監(jiān)測儀；以及通過第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與該反射功率監(jiān)測儀耦合的處理器，該處理器被配置成根據(jù)自于由該反射功率監(jiān)測儀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來計算和跟蹤反射功率測量統(tǒng)計并提供性能輸出，該性能輸出指明該反射功率測量統(tǒng)計中的一個或多個何時超出預定的偏差閾值。


在基于優(yōu)選實施例的描述和下面的附圖考慮時，本發(fā)明的實施例能夠被更容易地理解，并且它的進ー步的優(yōu)點和用處更加顯而易見，其中圖I是說明本發(fā)明的一個實施例的雷達測高儀的方框圖；以及圖2是說明本發(fā)明的一個實施例的方法的流程圖。按照慣例，各種被描述的特征不是按比例被繪制的，而是為了強調(diào)與本發(fā)明相關的特征被繪制的。參考標記在全部附圖和文字中代表相同的元件。
具體實施例方式在下面的詳細描述中，參考了形成該詳細描述的一部分的附圖，并且在其中，通過本發(fā)明可以在其中被實施的特定說明性實施例的方式示出附圖。這些實施例被充分詳細地描述，以使得本領域技術人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且可以理解的是，在不背離本發(fā)明的范圍的前提下也可以使用其他實施例并且可以做出邏輯的、機械的和電氣的改變。因此，下面的詳細描述不應具有限制意義。本發(fā)明的實施例使用電壓駐波比(VSWR)的特性估計來監(jiān)測靜態(tài)和動態(tài)事件的發(fā)生，以評估單天線雷達測高儀(SARA)的運行情況。動態(tài)事件表征為本質(zhì)上的相對瞬態(tài)并包括外部事件(諸如水、雨、雪、沙等等飛沫降落于SARA天線罩上)。靜態(tài)事件表征為相對更長期的事件(諸如在SARA天線上的冰聚集，SARA電子設備的浸水以及其他的長期天線劣化)。VSWR在本領域中被理解為兩個數(shù)值的比率。在技術上，VSWR= (l+p)/(l-p), 其中P是反射系數(shù)，被定義為發(fā)射電壓與反射電壓的比率。在下面提出的實施例中，VSWR 測量的估計或代理是在不對VSWR進行完整計算的情況下，通過僅測量從天線反射的電壓而獲得的。通過獲知對于SARA天線的標稱反射功率范圍應當是什么以及什么樣的反射功率是不可接受的，能夠完成對天線劣化的檢測。通過監(jiān)測整個測量的這一部分，本發(fā)明的實施例能夠按如下所討論的那樣進行天線劣化確定。圖I是本發(fā)明的一個實施例的單天線雷達測高儀(SARA) 100的簡化框圖。SARA100 包括單天線150 (通常封裝在雷達罩151內(nèi))、各自與循環(huán)器152耦合的發(fā)射機156和接收機158。在這個實施例中，循環(huán)器152在提供發(fā)射機156和接收機158之間的隔離的同吋， 提供發(fā)射機156和接收機158到天線150的耦合。在這個實施例中，由可編程邏輯裝置166 驅(qū)動發(fā)射機156的運行。該接收機158與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 160耦合，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器160將接收機158所接收信號的數(shù)字樣本提供給外部組件132 (諸如，例如，導航處理器)以供進一歩信號處理。一般地，對本領域普通技術人員而言，關于單天線雷達測高儀運行的特定細節(jié)是能夠被獲得的，也正因為如此不再被重復。參見，在此處通過引證被合并的美國專利 7，161，527 和 7，239，266。如上所述，本發(fā)明的實施例引入了使用反射功率測量的特性的概念(作為獲得實際VSWR值的代理)，以識別、表征以及響應影響SARA運行的事件。因此，SARA 100進ー步包括耦合在循環(huán)器152和接收機158之間的反射功率監(jiān)測儀110。該反射功率監(jiān)測儀110的輸出被耦合到反射功率ADCl 12，該反射功率ADCl 12轉(zhuǎn)而與處理器114耦合。雖然循環(huán)器152隔離了接收機158不直接接收從發(fā)射機156發(fā)射的信號，但是由于來自天線150的反射功率，接收機158仍然接會接收到一定量的這種發(fā)射。也就是說，由于天線150與大氣不是100%阻抗匹配的，因此，被發(fā)射的信號的功率的一小部分不會被傳播到大氣中，而是朝著循環(huán)器152被反射回去。由于循環(huán)器152的功能是將從天線150接收的信號傳送給接收機158，被發(fā)射的信號的反射功率被接收機158接收。反射功率監(jiān)測儀 110觀察這個反射功率并輸出反射功率測量。在圖I的實施例中，該反射功率測量是由反射功率ADC112以數(shù)字形式采樣的模擬信號。正如在下面被更詳細地討論的那樣，處理器114 處理由反射功率ADC112產(chǎn)生的數(shù)字樣本。在一個實施例中，反射功率ADC112是6比特轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器提供具有64個可能輸出值的分辨率，該輸出值表示_20dBm到_2dBm的范圍 (-18dBm的動態(tài)范圍)。在其他實施例中，也可以使用其他的分辨率。在天線150正常運行時，朝著接收機158反射回去的功率的量應當是比由發(fā)射機 156發(fā)射的功率電平小的一致(consistent)反射功率電平(以dB為單位加以測量)。當流體、沙子或冰聚集在或沖擊在天線150上時，這些情況的發(fā)生將改變天線150向空間發(fā)射信號的能力，這影響了被天線150反射回去的發(fā)射信號功率的比例。利用本發(fā)明的實施例， 分析了反射功率電平中的偏差，以識別能夠影響SARA100的提供可靠高度測量的能力的故障或劣化。在一個實施例中，處理器114將反射功率dB測量的樣本收集進樣本組中。該樣本組包括ー組反射功率測量樣本，新這些樣本是在與由發(fā)射機156使用的雷達調(diào)制周期相等的采樣周期上被收集的。例如，當雷達調(diào)制周期是ImSec時，處理器114將在那個ImSec周期上收集的樣本作為樣本組。在一個實施例中，反射功率ADCl 12被計時，以對于每個ImSec 周期產(chǎn)生反射功率測量的256個樣本(也就是說，每個樣本組將包括反射功率測量的256 個樣本)，該周期是256KHz的采樣率。在其他實施例中，反射功率ADCl 12可以以其他的時鐘速率運行?；谡槐景l(fā)明使用的實施例的SARA的特別設計，本領域普通技術人員在閱讀完本說明書后能夠容易地確定用于獲取反射功率的樣本的時鐘速率。由于在調(diào)制周期上由發(fā)射機156發(fā)射的信號的形狀和功率電平都是已知的，并且由于在非事件條件下的來自天線150的反射功率是已知的(也就是說，該反射功率應當以可預測的方式作為在調(diào)制周期上的發(fā)射信號的函數(shù)而變化)，所以，為SARA100收集基準反射功率dB的功率統(tǒng)計是可能的，這些統(tǒng)計被存儲于處理器114的存儲器116中。在ー個實施例中，在一個采樣周期中為基準樣本組收集的基準反射功率dB功率統(tǒng)計包括以dB為單位的最大反射功率、以dB為單位的最小反射功率、以dB為單位的△反射功率max_min以及以 dB為單位的平均反射功率。隨后，當SARA100運行于曠野條件下吋，計算和跟蹤實時反射功率dB功率統(tǒng)計并與基準樣本組進行比較以識別異常的運行情況。舉例來說，在運行中的一個實施例中，處理器114對樣本組隨時間推移計算和跟蹤以dB為單位的最大反射功率、以dB為單位的最小V反射功率，以dB為單位的AV反射功率_-_以及以dB為單位的平均反射功率。對于這個例子，對基準情況而言，以dB為單位的期望的正常A反射功率max_minil.5dB，且平均反射功率為-15. 5dB。只要實時反射功率dB功率統(tǒng)計在這些值的預定的偏差閾值的范圍內(nèi)，就推定天線150是干燥的并且推定由 SARA100提供的測高儀讀數(shù)是有效的。動態(tài)事件(諸如流體沖擊天線150)并不會對平均反射功率測量產(chǎn)生明顯的影響， 但是可從A反射功率._min的突然増加以及從一個已測樣本組到下ー個樣本組的A反射功率_-_的變化被檢測出來。當隨機樣式的流體沖擊天線150吋，該流體會在某一刻引起和改進天線150與大氣的阻抗匹配(減少反射功率)，并且在另一刻減少天線150的阻抗匹配(増加該反射功率)。因為這個原因，可以期待樣本組內(nèi)的△反射功率__會在這種情況下相對基準有所増加，并且從一個樣本組到下ー個樣本組的A反射功率._min相互之間會有波動。在一個實施例中，在平均反射功率的偏差不超過閾值的情況下，當△反射功率 _-min超過預定的閾值(諸如，例如4. 5dB)時，處理器114標識該事件為介質(zhì)沖擊天線的事件。可選擇地，代替或者除了平均反射功率之外，能夠使用最大反射功率。例如，在ー個實施例中，在最大反射功率增加不超過閾值的前提下，當△反射功率超出預定閾值時， 處理器114將該事件標識為動態(tài)介質(zhì)沖擊事件。在一個實施例中，處理器114通過改變其信號處理對動態(tài)介質(zhì)沖擊事件起反應，以適應動態(tài)數(shù)據(jù)。如果該情況持續(xù)超過預定的時間周期，處理器114將輸出無計算數(shù)據(jù)(No Computed Data) (NCD)信號。一旦該事件情況過去了(即，反射功率統(tǒng)計返回到閾值以內(nèi))，處理器114就返回到正常處理。與動態(tài)事件不同，靜態(tài)事件(諸如在天線150 (或罩151)上的浸水或冰聚集)能夠被期待會顯著地影響平均反射功率測量和最大反射功率測量，但是并不一定會引起A反射功率_-_相對于基準數(shù)據(jù)的增加。例如，當冰凌在天線150上聚集時，隨著天線在大氣傳播功率的能力的降低，該反射功率將增加。因此，只要該情況存在，最大和平均反射功率都能夠被期望増加超過基準值。與A反射功率___增加超過基準值相對，被淹沒(flooded)的雷達天線罩將被表征為在調(diào)制周期的平坦反射功率響應。此外，因為雷達天線罩內(nèi)有水而使向大氣發(fā)射功率的能力下降，最大和平均反射功率測量將超過基準。在一個實施例中，當最大或平均反射功率中之一或二者超過閾值時，處理器114產(chǎn)生故障告警(FW)過載 (,override) 1目號。在可選的實施例中，發(fā)射功率的附加監(jiān)視能夠提供増加反射功率信息的測量。如圖I中所示，在一個實施例中，SARA100進ー步包括與發(fā)射功率ADC122耦合的發(fā)射功率監(jiān)測儀120，該發(fā)射功率ADC122與處理器114耦合。除了上述討論的情況，當發(fā)射功率測量可用時，表明附加故障模式的情況能夠被識別。例如，如果反射功率測量失敗，在反射功率監(jiān)測儀120處的功率損失就能夠確認發(fā)射機156發(fā)生故障。當在發(fā)射功率監(jiān)測儀120處的功率正常吋，反射功率測量的損失能夠指明循環(huán)器152故障(即，在天線150和接收機158 之間的信號路徑已經(jīng)發(fā)生故障)。當在發(fā)射機監(jiān)測儀120處的功率正常時，在反射功率監(jiān)測儀110處的功率増加也能夠指明循環(huán)器152故障(即，循環(huán)器152不再抑制發(fā)射機156到接收機158的漏電流)。圖2是說明本發(fā)明的一個實施例的方法的流程圖。該方法開始于210，測量來自于單天線雷達測高儀的天線的反射功率。如上面討論的那樣，通過獲得反射功率測量井隨時間推移來監(jiān)測它們，對靜態(tài)和動態(tài)事件的發(fā)生進行識別能被用于評估單天線雷達測高儀 (SARA)的運行狀態(tài)。該方法接著進行到212，根據(jù)來自天線的反射功率來計算和跟蹤反射功率測量統(tǒng)計。在一個實施例中，反射功率測量統(tǒng)計包括最大反射功率、最小反射功率和A 反射功率_-_。在一個實施例中，作為反射功率原始數(shù)據(jù)，該測量和統(tǒng)計由處理器進行計算并被存儲于存儲器中，使得隨著時間推移能夠監(jiān)測反射功率的變化。在一個實施例中，在方框處的“計算和跟蹤”包括在采樣周期上收集反射功率測量 (以dB為單位)的樣本作為樣本組，該采樣周期等于SARA所使用的雷達調(diào)制周期。在那種情況下，最大反射功率、最小反射功率和△反射功率_-_統(tǒng)計均描述了與特定樣本組有關的那些統(tǒng)計。例如，當SARA的雷達調(diào)制周期為ImSec的情況下，在方框212處的“計算和跟蹤”包括在那個ImSec周期上收集樣本做為樣本組。在一個實施例中，對耦合到反射功率監(jiān)測儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換器計時以在每個ImSec周期內(nèi)產(chǎn)生反射功率測量的256個樣本(也就是說，每個樣本組將包括反射功率測量的256個樣本)。在其他實施例中，其他時鐘速率也可以如上面提及的那樣被使用。由于在調(diào)制周期上的發(fā)射信號的形狀和功率電平都是已知的，所以在正常情況下的來自SARA天線的反射功率的樣式也是已知的。該反射功率將作為調(diào)制周期上的發(fā)射信號的函數(shù)以可預測的方式變化，建立了用于識別異常情況的基準反射功率dB功率統(tǒng)計。在一個實施例中，被收集的基準反射功率dB功率統(tǒng)計包括最大反射功率、最小反射功率以及 A反射功率._min(在一個實施例中它們都以dB為單位被測量)。在可選的實施例中，也可以計算和跟蹤其他統(tǒng)計(諸如平均反射功率)。該方法進行到218，評估反射功率測量統(tǒng)計的變化以識別靜態(tài)事件故障情況。當故障情況被識別(在方框220處)時，該方法進行到222，提供故障告警過載響應。與動態(tài)事件不同，靜態(tài)事件(諸如在SARA天線上的浸水或冰聚集)將會顯著地増加最大反射功率測量，因為來自天線的反射功率將隨著天線向大氣傳播功率的能力的降低而增加。需要注意的是，由于只要這種情況存在，最小和平均反射功率就也能被期待隨著基準值而被増加，因
6此，這類靜態(tài)事件并不一定會引起A反射功率._min的増加。例如，被淹沒(flooded)的雷達天線罩被表征為具有平坦反射功率響應(即，在調(diào)制周期內(nèi)具有小的A反射功率._min)。
因此，對于一些實施例，對反射功率測量統(tǒng)計的變化進行評估是基于樣本組的最大或平均反射功率相比于之前樣本組的増加。接著，當最大或平均反射功率之一或二者都超過閾值時，就會產(chǎn)生故障告警(FW)過載信號。該方法進行到224，評估A反射功率__min測量統(tǒng)計的變化以識別動態(tài)事件情況。 當故障情況被識別(方框226)時，該方法進行到228，提供無計算數(shù)據(jù)(NCD)過載。動態(tài)事件(諸如流體沖擊SARA的天線)將不會對平均反射功率測量產(chǎn)生顯著的影響，但是，可從 A反射功率._min的突然增加以及通過觀測從ー個測量的樣本組到下ー個樣本組的A反射功率_-_的變化而被檢測到。如上所述，這是因為，流體沖擊該天線的隨機樣式將會在引起天線與大氣的阻抗匹配的改善和減少之間交替。在這類情況下，樣本組內(nèi)的該△反射功率_-_能夠被期待會相對于該基準増加，并且從一個樣本組到下ー個樣本組的△反射功率也將相對于彼此波動。在一個實施例中，如果該動態(tài)事件情況在ー個預定的時間周期上持續(xù)，就產(chǎn)生無計算數(shù)據(jù)(NCD)信號。例如，在一個實施例中，SARA的正常A反射功率max_min小于I. 5dB。動態(tài)事件(諸如流體沖擊該天線罩)引起該△反射功率_-_超過4.5dB。在使用快速傅里葉變換來評估反射功率測量的情況下，需要在比較當前△反射功率_-_與歷史值時在樣本組的相應樣本上評估A反射功率._min。為了比較的目的，持續(xù)地超過最大閾值(該最大閾值可以基于SARA的基準統(tǒng)計)6dB的最大反射功率測量將是靜態(tài)事件(諸如流體滲透到天線罩) 的指示。這些值僅用于說明的目的。閱讀了本說明書的本領域的普通技術人員將能夠基于 SARA的特別設計參數(shù)確定基準和/或閾值，以實現(xiàn)本發(fā)明的實施例。若干方式都可以被像在本說明書中被討論的那樣用于實現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法。 這些方式包括，但不限于，數(shù)字計算機系統(tǒng)、微處理器、特定應用集成電路(ASIC)、通用計算機、可編程控制器和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，在此處一般地可將它們稱為“處理器”。例如，在一個實施例中，信號處理可以被FPGA或ASIC，或可選地被嵌入式或離散的處理器合井。因此，本發(fā)明的其他實施例是駐留在計算機可讀介質(zhì)上的程序指令，當其被這類方式實現(xiàn)時，使得它們能實施本發(fā)明的實施例。計算機可讀介質(zhì)包括任何形式的物理計算機存儲裝置。這類物理計算機存儲裝置的例子包括，但不限干，穿孔卡、磁盤或磁帶、光數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、快閃只讀存儲器(ROM)、非易失性ROM、可編程ROM(PROM)、可擦-可編程ROM(E-PROM)、 隨機存取存儲器(RAM)，或任何其他形式的永久、半永久，或臨時存儲系統(tǒng)或裝置。程序指令包括，但不限于由計算機系統(tǒng)處理器或硬件描述語言(諸如甚高速集成電路(VHSIC)硬件描述語言(VHDL))所執(zhí)行的計算機可執(zhí)行指令。雖然在這里已經(jīng)說明并描述了特定的實施例，但本領域普通技術人員將會理解的是用于達到同樣目的而被計算的任何布置都可以被替代用于所示的特定實施例。本應用意在覆蓋本發(fā)明的任何改編或者變體。因此，顯然期望的是，本發(fā)明僅受其中的權利要求及其等價物的限制。
權利要求
1.一種用于確定雷達測高儀天線性能的方法，該方法包括測量來自單天線雷達測高儀(100)的天線(150)的反射功率；根據(jù)來自天線(150)的反射功率來計算和跟蹤反射功率測量統(tǒng)計；評估反射功率測量統(tǒng)計中的變化，以識別靜態(tài)事件故障情況；當識別出靜態(tài)事件故障情況時，提供故障告警(FW)過載響應；評估反射功率測量統(tǒng)計中的變化，以識別動態(tài)事件故障情況；以及當識別出動態(tài)事件故障情況時，提供無計算數(shù)據(jù)(NCD)過載響應。
2.權利要求I的方法，其中計算和跟蹤反射功率測量統(tǒng)計包括至少計算和跟蹤該天線(150)的最大反射功率測量統(tǒng)計、該天線(150)的最小反射功率測量統(tǒng)計、以及該天線 (150)的A反射功率.__測量統(tǒng)計；并且其中測量反射功率反射功率進ー步包括收集反射功率測量樣本以作為在與該單天線雷達測高儀(100)的調(diào)制周期相等的周期上收集的樣本組。
3.權利要求I的方法，其中計算和跟蹤反射功率測量統(tǒng)計進一歩包括收集多個樣本組，該多個樣本組中的每ー個是在與該單天線雷達測高儀(100)的調(diào)制周期相等的周期上被收集的，以及其中為該多個樣本組的每ー個計算該反射功率測量統(tǒng)計。
4.一種單天線雷達測高儀(100)，該測高儀包括天線(150)；與該天線(150)耦合的循環(huán)器(152)；與該循環(huán)器(152) I禹合的發(fā)射機(156)；與該循環(huán)器(152)耦合的接收機(158);其中該循環(huán)器(152)在該發(fā)射機(156)和該接收機(158)之間提供隔離的同時，提供該發(fā)射機(156)和該接收機(158)到該天線(150) 的耦合；被置于該循環(huán)器(152)和接收機(158)之間的反射功率監(jiān)測儀(110);以及通過第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(112)與該反射功率監(jiān)測儀(110)耦合的處理器(114)，該處理器 (114)被配置成根據(jù)由該反射功率監(jiān)測儀(110)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來計算和跟蹤反射功率測量統(tǒng)計，并且提供性能輸出，該性能輸出指明該反射功率測量統(tǒng)計中的一個或多個何時超出預定的偏差閾值；其中該處理器(114)計算和跟蹤反射功率測量統(tǒng)計，該反射功率測量統(tǒng)計包括最大反射功率、最小反射功率、△反射功率max-min以及平均反射功率中的ー個或多個；以及其中該處理器(114)收集反射功率測量的樣本以作為多個樣本組，每個樣本組包括在與該發(fā)射機(156)使用的雷達調(diào)制周期相等的采樣周期上收集的樣本；以及該處理器(114)通過評估對于該多個樣本組的當前樣本組相對于該多個樣本組的至少ー個先前樣本組的反射功率測量統(tǒng)計中的變化，來評估反射功率測量統(tǒng)計中的變化。
全文摘要
提供了通過反射功率測量來監(jiān)測雷達測高儀天線性能的系統(tǒng)和方法。在一個實施例中，單天線雷達測高儀包括天線；與該天線耦合的循環(huán)器；與該循環(huán)器耦合的發(fā)射機；與該循環(huán)器耦合的接收機；其中該循環(huán)器在該發(fā)射機和該接收機之間提供隔離的同時，提供該發(fā)射機和該接收機到該天線的耦合；被置于該循環(huán)器和接收機之間的反射功率監(jiān)測儀；以及通過第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與該反射功率監(jiān)測儀耦合的處理器，該處理器被配置成根據(jù)該反射功率監(jiān)測儀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來計算和跟蹤反射功率測量統(tǒng)計并提供性能輸出，該性能輸出指明該反射功率測量統(tǒng)計中的一個或多個何時超出預定的偏差閾值。
文檔編號G01S7/40GK102608435SQ201110462510
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權日2010年12月10日
發(fā)明者A·H·盧克, D·C·瓦肯蒂 申請人:霍尼韋爾國際公司