專利名稱：飛機場地面探測雷達的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及雷達領域，更具體地涉及使用高距離分辨率的飛機場地面探測雷達。
背景技術：
飛機場地面探測雷達是公知的并在美國已經(jīng)使用了超過35年。這種系統(tǒng)將一個飛機場的雷達探測圖形提供給控制人員，他將使用雷達圖形來確定地面上飛機的位置及方向。通常，在空中的飛機不被這類雷達探測，除非當它們非?？拷孛娴钠痫w和降落期間。
這類雷達對分辨率的要求是非常嚴格的，因為通常需要雷達上的飛機圖形既能表示飛機的存在又能表示它的方位。因此，這些系統(tǒng)通常具有足夠的分辨率表示機場上飛機的真實形狀。此外，另外的運載工具，例如汽車也必須在顯示屏上分辨出來。對該系統(tǒng)的另一要求是它們在雨天或霧天中工作，因為這通常是最需要它們的時候。在好天氣時，對飛機場的視覺監(jiān)視通常認為是足夠的。
為了滿足這些要求，它們轉(zhuǎn)換成技術上的要求為非常窄的角度鑒別率(約0.1°-0.2°)及非常精確的距離鑒別率，就需要大功率Ku頻帶的毫微秒寬的脈沖。因此，通常需要非常大的天線(4至5米)及這些天線要以高速率旋轉(zhuǎn)以提供短的更新周期。
角度鑒別率依賴于雷達天線的設計，所使用的頻率及被探測目標的特性及類別。但是，可以理解，差的距離分辨率也會影響雷達系統(tǒng)區(qū)別其角度距離大于天線角度鑒別率的各物體的能力。在某些雷達應用中，例如跟蹤孤立的目標，使用反射的單脈沖接收可以提高角度鑒別率。然而，在ASDR應用中被探測物體通常是非?？拷夭贾玫模捎趶慕o定距離的上多個目標進行接收，單脈沖接收通常是不可靠的。
在本領域中公知了FM/CW雷達系統(tǒng)。例如FM/CW已用在霍克導彈系統(tǒng)的改進型CW雷達(ICWR)中。這種雷達發(fā)射CW信號，其頻率是隨時間線性地變化的。通過在給定時間上對發(fā)射信號與從物體接收到的信號之間的頻率差的測量確定出物體的距離。如果頻率變化的斜率是已知的(例如為Δf HZ/sec)，則得到的頻率差δf將等效于(δ/Δ)*C的距離。
發(fā)明概述本發(fā)明某些方面的一個目的是提供一種雷達系統(tǒng)，它具有高角度及深度鑒別率。最好本發(fā)明使用FM/CW雷達系統(tǒng)。
本發(fā)明某些方面的一個目的是提供具有比現(xiàn)有系統(tǒng)更低的功率、改進的可靠性及更小尺寸的改進型飛機場地面探測雷達(ASDR)。
本發(fā)明是基于使用改進的高距離的分辨率的雷達、最好是FM/CW雷達來確定物體的位置及距離。因為ASDR的目標通常給出一個復雜的回波，本發(fā)明通過其非常高的位置鑒別率能夠分離來自鄰近物體的回波及識別來自同一物體的回波組。
FM/CW雷達作為本發(fā)明一個方面的主體，使用非常穩(wěn)定、最好非常線性的FM/CW信號。這種信號是由數(shù)字合成器產(chǎn)生的。這產(chǎn)生出對來自物體回波的高距離分辨率。通過使用對反射的單脈沖接收提高了角度鑒別率。本雷達系統(tǒng)具有足夠高的距離分辨率，因此可防止單脈沖角度鑒別率被給定距離上多個目標的回波弄差。這允許該系統(tǒng)使用比傳統(tǒng)天線小的天線并工作在低功率上，產(chǎn)生出更小的、固態(tài)的、高可靠性的系統(tǒng)。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例提供了一種飛機場地面探測雷達(ASDR)，它包括發(fā)射天線；發(fā)射器，它通過發(fā)射天線發(fā)射實質(zhì)上線性頻率調(diào)制的CW信號；單脈沖接收天線；及單脈沖接收器，它通過接收天線接收至少來自飛機場地面上一個目標的響應信號，產(chǎn)生方位和信號及差信號，并響應于瞬時和及差信號及天線的瞬時方向確定目標的位置。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，ASDR包括一種直接數(shù)字合成器(DDS)的波形發(fā)生器。最好，該DDS波形發(fā)生器產(chǎn)生一個FM/CW信號，它被發(fā)射天線發(fā)射，以使得至少一個被單脈沖接收器接收的響應信號包括對FM/CW信號的響應信號。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，單脈沖接收器具有優(yōu)于約0.5度的角度鑒別率。附加地或替換地，單脈沖接收器具有的距離分辨率優(yōu)于約4米，最好優(yōu)于約2米。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，提供了一種FM/CW雷達，它包括直接數(shù)字合成器(DDS)波形發(fā)生器，它產(chǎn)生一個FM/CW信號；天線系統(tǒng)，它發(fā)射FM/CW信號；接收器，它接收來自目標的反射FM/CW信號；及信號分析器，它比較發(fā)射信號和接收信號的瞬時頻率并由此確定目標的距離。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，該信號分析器是一種單脈沖分析器，它接收來自接收器的和信號及差信號。
另外，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，提供了一種用于測繪預定視野中的目標的雷達系統(tǒng)，它包括發(fā)射天線；發(fā)射器，它通過發(fā)射天線發(fā)射信號；單脈沖接收天線；及單脈沖接收器，它通過接收天線接收至少來自視野中目標的一個響應信號，產(chǎn)生方位和信號及差信號，并響應于瞬時和及差信號及天線的瞬時方向確定目標的位置，其中目標的位置是以優(yōu)于約4米的距離分辨率來確定的。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，目標的位置是以優(yōu)于約2米的距離分辨率來確定的。附加地或替換地，目標的位置是以優(yōu)于約0.5度的方位角鑒別率來確定的。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，預定視野包括飛機場地面。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，由發(fā)射器發(fā)射的信號是頻率調(diào)制的CW信號，最好是實質(zhì)上線性的頻率調(diào)制CW信號。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，該雷達系統(tǒng)包括一個直接數(shù)字合成器(DDS)的波形發(fā)生器，它產(chǎn)生頻率調(diào)制CW信號。
附圖的簡要說明從以下結(jié)合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細說明中，將會更好地理解本發(fā)明，附圖為
圖1A表示說明根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的距離確定方法的線性FM/CW雷達中的發(fā)射和接收波形；圖1B是表示根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的FM/CW發(fā)射/接收雷達系統(tǒng)的簡化框圖；圖1C表示由圖1B的框圖所示的系統(tǒng)的典型輸出；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的飛機場地面探測雷達(ASDR)的簡化框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的、使用在圖2的ASDR中的基于DDS的振蕩器的概要框圖；及圖4是根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的雷達信號及數(shù)據(jù)處理器的概要框圖。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細描述圖1A以簡化形式表示根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的FM/CW雷達系統(tǒng)的發(fā)射波形及反射波形。具有以斜線方式變化的頻率調(diào)制的CW信號通過天線被發(fā)射出去。該信號的頻率變化在圖1中用實線曲線100來表示。從一個位于距發(fā)射機給定距離上具有單返程的單目標反射信號的頻率變化在圖1中用虛線曲線102來表示。因為對于該簡化例僅出現(xiàn)一次反射，接收的反射信號的頻率將以一個時延δt＝2r/c跟蹤發(fā)射信號的頻率，式中r是物體的距離及c是光速。
如果將發(fā)射信號和反射信號的頻率在任何時間點(除圖示的不連續(xù)頻率點附近外)上相比較，這兩種信號之間的頻率差為δf＝sδt，其中s是頻率對時間的變化率，即圖1A中曲線的斜率。
圖1B表示根據(jù)圖1A原理工作的一個FM/CW雷達系統(tǒng)的簡單發(fā)射機/接收機。發(fā)生器110發(fā)生具有如圖1A中所示頻率變化的信號。該信號被功率放大器112放大并通過傳感器114到發(fā)射天線116的直接通路被發(fā)射出去。
來自傳感器114的發(fā)射信號的樣本及由接收天線118接收的返回信號在一混頻器120中被混頻，并由帶通濾波器(BPF)122濾波，該濾波器除去不需要的返回信號，如把給定物體距離范圍外的物體返回的信號濾去。混頻及濾波后的信號頻紡基本上是依賴被測繪物體的距離線性變化的。來自BPF122的信號然后被一模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器124數(shù)字化，該數(shù)字化信號包括來自發(fā)射信號及接收信號兩者的LFM頻率分量，并由快速傅里葉變換(FFT)或另外的頻率分析器126進行分析，以產(chǎn)生出圖1c中所示的頻譜。
應當理解，圖1B是一種FM/CW雷達極其簡化的形式且可能有電路部分的許多變型。例如，可使用循環(huán)器及單天線來取代圖1中所示的傳感器和雙天線的系統(tǒng)和/或在信號通路中較早地進行數(shù)字化或系統(tǒng)完全是模擬系統(tǒng)。此外，最好使用單脈沖接收器來改善接收天線的角度鑒別率，如以下所述。正如現(xiàn)有技術所公知的，圖1中所示電路的其它變型也是可能的。
圖1c表示用于圖1A中所示簡單反射的頻率分析器126的輸出。代表發(fā)射信號的信號輸出被表示為相應于頻率If(fo)時的尖峰信號125。該信號起到反射信號的參考信號的作用，反射信號中的一個在圖中表示為大于參考信號頻率δf處的一個尖峰信號127。如果從一個或多個目標同時接收到多于1個的反射，它們將由在相應于它們距離的各個頻率上的分頻譜分量來表示。
一種FM/CW雷達分辨所有反射中不同分量的能力依賴于系統(tǒng)的距離分辨率及角度鑒別率。如果角度鑒別率不夠時，則角度上分開的兩個目標的頻率分量將重合并將不可能在它們之間進行鑒別。類似地，如果距離分辨率不夠，則將不能鑒別徑向分開的物體。
當測繪距離靠近的物體時，通常必須用非常大的天線來獲得高的角度鑒別率，因為在此種情況下使用其它的鑒別技術、如單脈沖接收通常是不實際的。但是，本發(fā)明使用特別高的距離分辨率，以使得避免需用大天線便能由單脈接收器作角度鑒別，這將如以下詳細描述的。這種系統(tǒng)在沒有高距離分辨率時是不適用的。
本發(fā)明在上、下文中所描述的是一種FM/CW雷達系統(tǒng)，它是作為優(yōu)選的例子。但是，應當理解，另外的方法和系統(tǒng)，例如短脈沖雷達系統(tǒng)也可替換使用來提供本發(fā)明所需的高距離分辨率。然而該FM/CW實施例為優(yōu)選是因為它總地更簡單和實施成本更低。
當使用FM/CW雷達時對高距離分辨率的基本要求是信號源110的極其精確的線性，或至少其隨時間的變化是非常穩(wěn)定且可預測的，以致對于頻率掃描的任何非線性可以作出校正。如以下所展示的，該系統(tǒng)是根據(jù)本發(fā)明的一個方面來獲得的。
如上所述，現(xiàn)有技術的系統(tǒng)沒有將FM/CW系統(tǒng)用于ASDR系統(tǒng)，是由于ASDR系統(tǒng)的目標鑒別要求和FM/CW方法能力之間的表面不兼容性。這就導致了用于ASDR系統(tǒng)的高功率、通常不可靠的甚短脈沖的大系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施例的ASDR系統(tǒng)的簡化電路框圖表示在圖2中。以下要更全面描述的一個基于DDS的波形發(fā)生器130產(chǎn)生如圖1中所示的基本FM/CW信號。該波形被一個例如傳統(tǒng)方式的升頻變換器132變換到Ku頻帶，該升頻變換器通過導線136從一個激勵器接收一個參考頻率。激勵器134還產(chǎn)生一個或多個固定頻率信號，它被波形發(fā)生器130從導線138接收并與從導線142接收的來自控制器140的控制信號一起使用，以產(chǎn)生基本FM/CW信號。
升頻變換器132的輸出在被發(fā)射器146放大后從發(fā)射天線144發(fā)射出去。
從天線144探測中的目標反射的信號被單脈沖接收天線148接收，天線148以相對高的速率、如相應于更新頻率為1HZ的速率60RPM與天線144一起旋轉(zhuǎn)。被單脈沖天線148接收的信號被傳統(tǒng)設計的前端部分150轉(zhuǎn)換成和信號及差信號。該和信號及差信號被降頻變換器152降頻地轉(zhuǎn)換為中間頻率(IF)的信號，該降頻變換器152經(jīng)過導線154從升頻變換器132接收參考信號。該IF和信號及差信號被IF變換器156變換成視頻和信號及視頻差信號，IF變換器156經(jīng)過導線157從激勵器134接收IF參考信號。該視頻和及差信號被傳統(tǒng)設計的視頻單元158轉(zhuǎn)換成高角度分辨率的反射信號并傳送給處理器160。
前端部分150、降頻變換器152、IF變換器156及視頻單元158可全部以外差式接收機的方式來實施，正如現(xiàn)有技術中所公知的。
處理器160具有多個任務。首先，處理器分析反射信號并將其轉(zhuǎn)換成距離信號，例如使用FFT。其次，處理器160與控制器140通信，提供給控制器一個時鐘頻率，例如現(xiàn)有技術中公知的24MHZ時鐘頻率。這些需要作為線162上的控制信號被發(fā)送給激勵器134。
處理器160還經(jīng)過支架控制器164控制天線的轉(zhuǎn)動，例如以約60RPM旋轉(zhuǎn)，并從軸編碼器166接收關于天線角度位置的信息。在一優(yōu)選實施例中，編碼器166具有高分辨率及高精確度，最好為14位的分辨率和精確度。使用該信息和從視頻單元158接收來的信號，處理器160在顯示器165上顯示來自地面上目標的反射圖形。一個用戶接口168允許操作者接通系統(tǒng)并改變一定參數(shù)，如系統(tǒng)的整體距離范圍及旋轉(zhuǎn)角度。
數(shù)字波形發(fā)生器130的一個優(yōu)選實施例表示在圖3中。在圖3的該優(yōu)選實施例中，波形發(fā)生器130包括直接數(shù)字合成器(DDS)170，例如PLESSEY SP2002，它受到一個算述邏輯單元(ALU)/計數(shù)器172的控制，后者經(jīng)由母線174對DDS170提供控制信號。這些控制信號指示相對于經(jīng)導線138由激勵器134接收的信號的DDS170的瞬時頻率輸出。ALU/計數(shù)器172響應于一個指示DDS起動頻率的FM起動信號及一個以每個時鐘脈沖指示頻率改變的FM速率信號來產(chǎn)生控制信號。這兩個信號是ALU/計數(shù)器172經(jīng)導線142從控制器140接收來的。
如上所指出的，如由發(fā)生器130所產(chǎn)生的穩(wěn)定線性波形能夠有細致的距離分辨率并由此能夠產(chǎn)生相對低功率的、緊湊的全固態(tài)ASDR系統(tǒng)。具體地，發(fā)射器146可使用任何適合的固態(tài)放大器產(chǎn)生10瓦的輸出功率。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，激勵器134對波形發(fā)生器130提供24MHZ及1.44GHZ的信號，對升頻變換器132提供1.44GHZ及1.68MHZ的信號，對降頻變換器152提供1.68GHZ的信號及對IF變換器156提供1.656GHZ的信號。所有這些頻率是基于激勵器中工作在240MHZ上的主晶體振蕩器產(chǎn)生的。波形發(fā)生器130的輸出在360MHZ的范圍中并根據(jù)所需的分辨率在240MHZ及480MHZ的范圍上擺動。升頻變換器的輸出在15,960MHZ上，因此發(fā)射信號在16GHZ的范圍中并在±120MHZ的范圍上擺動。天線144是具有水平范圍0.4-0.6米及垂直范圍1.2-1.5米的喇叭天線/拋物面天線。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，接收天線148是一種類似尺寸的雙重喇叭天線/拋物面天線，并具有約1度的固有角度鑒別率。作為單脈沖接收的結(jié)果，該鑒別率改善至0.3度或更多。該角度鑒別率產(chǎn)生了在500米距離上約2.5米的線性方位鑒別率。
該系統(tǒng)的范圍通常在100米至4000米之間。這允許距離分辨率優(yōu)于4米，通常為1-2米。天線系統(tǒng)的垂直探測寬度最好為25度數(shù)量級，例如在水平面及水平面下25度之間，這保證了將飛行物排除在外。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例使用了1,680MHZ的第一IF頻率及24MHZ的第二IF頻率。如上所述的基于DDS的波形發(fā)生器130最好使用如現(xiàn)有技術公知的一種精確晶體振蕩器源，它可提供具有極其精確線性度的FM/CW信號，這對于本發(fā)明的距離分辨率的要求是能夠滿足的。
圖4概要地表示根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的雷達信號和數(shù)據(jù)處理器190的方框電路圖，該處理器結(jié)合了視頻單元158及處理器160的功能。和信號及差信號∑及Δ被雙重A/D轉(zhuǎn)換器192數(shù)字化并分別傳送到兩個FFT變換器194及196。例如，被FFT變換器194和196接收的數(shù)字化和及差信號輸入包括10MHZ的信號，如圖4中所示。FFT變換器194產(chǎn)生一個FFT變換的數(shù)字和信號，例如圖4中所示的一個5MHZ信號，它被一個幅值門限器197濾波。FFT變換器196產(chǎn)生一個FFT變換的數(shù)字差信號，例如圖4中所示的一個5MHZ信號，它被一個和-差比較器199濾波。濾波的和及差信號198及200分別被快速輸入/輸出接口單元202接收，該接口單元還接收一個來自軸編碼器166的方位指示，并產(chǎn)生出一個方位信號204，它被送到一個快速計算機206、如DEC2100計算機。
計算機206將數(shù)字化視頻信號從極座標轉(zhuǎn)換到經(jīng)度/緯度座標，并提供數(shù)字“敏感時間控制”等效能力，消除多通路信號，存儲來自在先掃描的雜亂回波，建立動態(tài)類型的雜亂回波圖以利于雜波抑制，提供視頻編碼、視頻校正及視頻綜合，和提供用于大量目標的跟蹤(即跟隨)能力。應該理解，該計算機206可用于執(zhí)行任何可能需要的其它所需功能。還應理解，賦于計算機206的功能也可以根據(jù)具體的設計用硬件、軟件或兩者的結(jié)合來實施，如現(xiàn)有技術中所公知的那樣。
由計算機206產(chǎn)生的信息通過廣播網(wǎng)傳送給顯示處理器及VME I/F208。雷達信號及數(shù)據(jù)處理器190的大多數(shù)單元通過VME母線210通信?；谟嬎銠C206產(chǎn)生的信息，顯示處理器在顯示器上加上數(shù)據(jù)特征位，發(fā)出跑道受侵的警報，報告警示及警報，有效跑道及進入通路上的運載工具的阻塞等。
對于本技術的熟練技術人員可以理解，本發(fā)明不限制在以上具體圖解及描述的內(nèi)容上。而本發(fā)明的范圍僅被以下的權利要求書中所限定。
權利要求
1.一種飛機場地面探測雷達(ASDR)，包括發(fā)射天線；發(fā)射器，它通過發(fā)射天線發(fā)射實質(zhì)上線性頻率調(diào)制的CW信號；單脈沖接收天線；及單脈沖接收器，它通過接收天線接收至少來自飛機場地面上一個目標的響應信號，產(chǎn)生方位和信號及差信號，并響應于瞬時和及差信號及天線的瞬時方向確定目標的位置。
2.根據(jù)權利要求1的ASDR，包括一種直接數(shù)字合成器(DDS)的波形發(fā)生器。
3.根據(jù)權利要求2的系統(tǒng)，其中DDS波形發(fā)生器產(chǎn)生一個FM/CW信號，其中發(fā)射天線發(fā)射FM/CW信號及其中至少一個被單脈沖接收器接收的響應信號包括對FM/CW信號的響應信號。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項的ASDR，其中單脈沖接收器具有的角度鑒別率優(yōu)于約0.5度。
5.根據(jù)以上權利要求中任一項的ASDR，其中單脈沖接收器具有的距離分辨率優(yōu)于約4米。
6.根據(jù)權利要求5的ASDR，其中單脈沖接收器具有的距離分辨率優(yōu)于2米。
7.一種用于測繪預定視野中的目標的雷達系統(tǒng)，包括發(fā)射天線；發(fā)射器，它通過發(fā)射天線發(fā)射信號；單脈沖接收天線；及單脈沖接收器，它通過接收天線接收來自視野中目標的至少一個響應信號，產(chǎn)生方位和信號及差信號，并響應于瞬時和及差信號及天線的瞬時方向確定目標的位置，其中目標的位置是以優(yōu)于約4米的距離分辨率來確定的。
8.根據(jù)權利要求7的系統(tǒng)，其中目標的位置是以優(yōu)于約2米的距離分辨率來確定的。
9.根據(jù)權利要求7或8的系統(tǒng)，其中目標的位置是以優(yōu)于0.5度的方位角鑒別率來確定的。
10.根據(jù)權利要求7-9中任一項的系統(tǒng)，其中預定視野包括飛機場地面。
11.根據(jù)權利要求7-10中任一項的系統(tǒng)，其中由發(fā)射器發(fā)射的信號是頻率調(diào)制的CW信號。
12.根據(jù)權利要求11的系統(tǒng)，包括直接數(shù)字合成器(DDS)的波形發(fā)生器，它產(chǎn)生頻率調(diào)制的CW信號。
13.根據(jù)權利要求11或12的系統(tǒng)，其中頻率調(diào)制的CW信號是實質(zhì)上線性的頻率調(diào)制CW信號。
14.一種飛機場地面探測雷達(ASDR)，包括直接數(shù)字合成器(DDS)波形發(fā)生器，它產(chǎn)生一個FM/CW信號；天線系統(tǒng)，它發(fā)射FM/CW信號；接收器，它接收來自目標的反射FM/CW信號；及信號分析器，它比較發(fā)射信號和接收信號的瞬時頻率并由此確定目標的距離。
15.根據(jù)權利要求14的FM/CW雷達，其中信號分析器是一種單脈沖分析器，它接收來自接收器的和信號及差信號。
全文摘要
一種飛機場地面探測雷達(ASDR)包括:發(fā)射天線(116);發(fā)射器(110),它通過發(fā)射天線(116)發(fā)射實質(zhì)上線性頻率調(diào)制的CW信號;一個單脈沖接收天線(118)及一個單脈沖接收器,它通過接收天線(118)接收來自飛機場地面上一個目標的至少一個響應信號,產(chǎn)生方位和信號及差信號,并響應于瞬時和及差信號及天線的方向確定目標的位置。
文檔編號G01S13/34GK1190466SQ96193823
公開日1998年8月12日 申請日期1996年5月8日 優(yōu)先權日1995年5月9日
發(fā)明者戴維·朗曼 申請人:El－Ar電子技術公司