专利名称：飞机场地面探测雷达的制作方法
技术领域：
本发明涉及雷达领域，更具体地涉及使用高距离分辨率的飞机场地面探测雷达。
背景技术：
飞机场地面探测雷达是公知的并在美国已经使用了超过35年。这种系统将一个飞机场的雷达探测图形提供给控制人员，他将使用雷达图形来确定地面上飞机的位置及方向。通常，在空中的飞机不被这类雷达探测，除非当它们非常靠近地面的起飞和降落期间。
这类雷达对分辨率的要求是非常严格的，因为通常需要雷达上的飞机图形既能表示飞机的存在又能表示它的方位。因此，这些系统通常具有足够的分辨率表示机场上飞机的真实形状。此外，另外的运载工具，例如汽车也必须在显示屏上分辨出来。对该系统的另一要求是它们在雨天或雾天中工作，因为这通常是最需要它们的时候。在好天气时，对飞机场的视觉监视通常认为是足够的。
为了满足这些要求，它们转换成技术上的要求为非常窄的角度鉴别率(约0.1°-0.2°)及非常精确的距离鉴别率，就需要大功率Ku频带的毫微秒宽的脉冲。因此，通常需要非常大的天线(4至5米)及这些天线要以高速率旋转以提供短的更新周期。
角度鉴别率依赖于雷达天线的设计，所使用的频率及被探测目标的特性及类别。但是，可以理解，差的距离分辨率也会影响雷达系统区别其角度距离大于天线角度鉴别率的各物体的能力。在某些雷达应用中，例如跟踪孤立的目标，使用反射的单脉冲接收可以提高角度鉴别率。然而，在ASDR应用中被探测物体通常是非常靠近地布置的，由于从给定距离的上多个目标进行接收，单脉冲接收通常是不可靠的。
在本领域中公知了FM/CW雷达系统。例如FM/CW已用在霍克导弹系统的改进型CW雷达(ICWR)中。这种雷达发射CW信号，其频率是随时间线性地变化的。通过在给定时间上对发射信号与从物体接收到的信号之间的频率差的测量确定出物体的距离。如果频率变化的斜率是已知的(例如为Δf HZ/sec)，则得到的频率差δf将等效于(δ/Δ)*C的距离。
发明概述本发明某些方面的一个目的是提供一种雷达系统，它具有高角度及深度鉴别率。最好本发明使用FM/CW雷达系统。
本发明某些方面的一个目的是提供具有比现有系统更低的功率、改进的可靠性及更小尺寸的改进型飞机场地面探测雷达(ASDR)。
本发明是基于使用改进的高距离的分辨率的雷达、最好是FM/CW雷达来确定物体的位置及距离。因为ASDR的目标通常给出一个复杂的回波，本发明通过其非常高的位置鉴别率能够分离来自邻近物体的回波及识别来自同一物体的回波组。
FM/CW雷达作为本发明一个方面的主体，使用非常稳定、最好非常线性的FM/CW信号。这种信号是由数字合成器产生的。这产生出对来自物体回波的高距离分辨率。通过使用对反射的单脉冲接收提高了角度鉴别率。本雷达系统具有足够高的距离分辨率，因此可防止单脉冲角度鉴别率被给定距离上多个目标的回波弄差。这允许该系统使用比传统天线小的天线并工作在低功率上，产生出更小的、固态的、高可靠性的系统。
因此，根据本发明的一个优选实施例提供了一种飞机场地面探测雷达(ASDR)，它包括发射天线；发射器，它通过发射天线发射实质上线性频率调制的CW信号；单脉冲接收天线；及单脉冲接收器，它通过接收天线接收至少来自飞机场地面上一个目标的响应信号，产生方位和信号及差信号，并响应于瞬时和及差信号及天线的瞬时方向确定目标的位置。
在本发明的一个优选实施例中，ASDR包括一种直接数字合成器(DDS)的波形发生器。最好，该DDS波形发生器产生一个FM/CW信号，它被发射天线发射，以使得至少一个被单脉冲接收器接收的响应信号包括对FM/CW信号的响应信号。
在本发明的一个优选实施例中，单脉冲接收器具有优于约0.5度的角度鉴别率。附加地或替换地，单脉冲接收器具有的距离分辨率优于约4米，最好优于约2米。
此外，根据本发明的一个优选实施例，提供了一种FM/CW雷达，它包括直接数字合成器(DDS)波形发生器，它产生一个FM/CW信号；天线系统，它发射FM/CW信号；接收器，它接收来自目标的反射FM/CW信号；及信号分析器，它比较发射信号和接收信号的瞬时频率并由此确定目标的距离。
在本发明的一个优选实施例中，该信号分析器是一种单脉冲分析器，它接收来自接收器的和信号及差信号。
另外，根据本发明的一个优选实施例，提供了一种用于测绘预定视野中的目标的雷达系统，它包括发射天线；发射器，它通过发射天线发射信号；单脉冲接收天线；及单脉冲接收器，它通过接收天线接收至少来自视野中目标的一个响应信号，产生方位和信号及差信号，并响应于瞬时和及差信号及天线的瞬时方向确定目标的位置，其中目标的位置是以优于约4米的距离分辨率来确定的。
在本发明的一个优选实施例中，目标的位置是以优于约2米的距离分辨率来确定的。附加地或替换地，目标的位置是以优于约0.5度的方位角鉴别率来确定的。
在本发明的一个优选实施例中，预定视野包括飞机场地面。
在本发明的一个优选实施例中，由发射器发射的信号是频率调制的CW信号，最好是实质上线性的频率调制CW信号。
在本发明的一个优选实施例中，该雷达系统包括一个直接数字合成器(DDS)的波形发生器，它产生频率调制CW信号。
附图的简要说明从以下结合附图对本发明优选实施例的详细说明中，将会更好地理解本发明，附图为
图1A表示说明根据本发明的一个优选实施例的距离确定方法的线性FM/CW雷达中的发射和接收波形；图1B是表示根据本发明的一个优选实施例的FM/CW发射/接收雷达系统的简化框图；图1C表示由图1B的框图所示的系统的典型输出；图2是根据本发明一个优选实施例的飞机场地面探测雷达(ASDR)的简化框图；图3是根据本发明一个优选实施例的、使用在图2的ASDR中的基于DDS的振荡器的概要框图；及图4是根据本发明一个优选实施例的雷达信号及数据处理器的概要框图。
本发明的优选实施例的详细描述图1A以简化形式表示根据本发明的一个优选实施例的FM/CW雷达系统的发射波形及反射波形。具有以斜线方式变化的频率调制的CW信号通过天线被发射出去。该信号的频率变化在图1中用实线曲线100来表示。从一个位于距发射机给定距离上具有单返程的单目标反射信号的频率变化在图1中用虚线曲线102来表示。因为对于该简化例仅出现一次反射，接收的反射信号的频率将以一个时延δt＝2r/c跟踪发射信号的频率，式中r是物体的距离及c是光速。
如果将发射信号和反射信号的频率在任何时间点(除图示的不连续频率点附近外)上相比较，这两种信号之间的频率差为δf＝sδt，其中s是频率对时间的变化率，即图1A中曲线的斜率。
图1B表示根据图1A原理工作的一个FM/CW雷达系统的简单发射机/接收机。发生器110发生具有如图1A中所示频率变化的信号。该信号被功率放大器112放大并通过传感器114到发射天线116的直接通路被发射出去。
来自传感器114的发射信号的样本及由接收天线118接收的返回信号在一混频器120中被混频，并由带通滤波器(BPF)122滤波，该滤波器除去不需要的返回信号，如把给定物体距离范围外的物体返回的信号滤去。混频及滤波后的信号频纺基本上是依赖被测绘物体的距离线性变化的。来自BPF122的信号然后被一模数(A/D)转换器124数字化，该数字化信号包括来自发射信号及接收信号两者的LFM频率分量，并由快速傅里叶变换(FFT)或另外的频率分析器126进行分析，以产生出图1c中所示的频谱。
应当理解，图1B是一种FM/CW雷达极其简化的形式且可能有电路部分的许多变型。例如，可使用循环器及单天线来取代图1中所示的传感器和双天线的系统和/或在信号通路中较早地进行数字化或系统完全是模拟系统。此外，最好使用单脉冲接收器来改善接收天线的角度鉴别率，如以下所述。正如现有技术所公知的，图1中所示电路的其它变型也是可能的。
图1c表示用于图1A中所示简单反射的频率分析器126的输出。代表发射信号的信号输出被表示为相应于频率If(fo)时的尖峰信号125。该信号起到反射信号的参考信号的作用，反射信号中的一个在图中表示为大于参考信号频率δf处的一个尖峰信号127。如果从一个或多个目标同时接收到多于1个的反射，它们将由在相应于它们距离的各个频率上的分频谱分量来表示。
一种FM/CW雷达分辨所有反射中不同分量的能力依赖于系统的距离分辨率及角度鉴别率。如果角度鉴别率不够时，则角度上分开的两个目标的频率分量将重合并将不可能在它们之间进行鉴别。类似地，如果距离分辨率不够，则将不能鉴别径向分开的物体。
当测绘距离靠近的物体时，通常必须用非常大的天线来获得高的角度鉴别率，因为在此种情况下使用其它的鉴别技术、如单脉冲接收通常是不实际的。但是，本发明使用特别高的距离分辨率，以使得避免需用大天线便能由单脉接收器作角度鉴别，这将如以下详细描述的。这种系统在没有高距离分辨率时是不适用的。
本发明在上、下文中所描述的是一种FM/CW雷达系统，它是作为优选的例子。但是，应当理解，另外的方法和系统，例如短脉冲雷达系统也可替换使用来提供本发明所需的高距离分辨率。然而该FM/CW实施例为优选是因为它总地更简单和实施成本更低。
当使用FM/CW雷达时对高距离分辨率的基本要求是信号源110的极其精确的线性，或至少其随时间的变化是非常稳定且可预测的，以致对于频率扫描的任何非线性可以作出校正。如以下所展示的，该系统是根据本发明的一个方面来获得的。
如上所述，现有技术的系统没有将FM/CW系统用于ASDR系统，是由于ASDR系统的目标鉴别要求和FM/CW方法能力之间的表面不兼容性。这就导致了用于ASDR系统的高功率、通常不可靠的甚短脉冲的大系统。
根据本发明一优选实施例的ASDR系统的简化电路框图表示在图2中。以下要更全面描述的一个基于DDS的波形发生器130产生如图1中所示的基本FM/CW信号。该波形被一个例如传统方式的升频变换器132变换到Ku频带，该升频变换器通过导线136从一个激励器接收一个参考频率。激励器134还产生一个或多个固定频率信号，它被波形发生器130从导线138接收并与从导线142接收的来自控制器140的控制信号一起使用，以产生基本FM/CW信号。
升频变换器132的输出在被发射器146放大后从发射天线144发射出去。
从天线144探测中的目标反射的信号被单脉冲接收天线148接收，天线148以相对高的速率、如相应于更新频率为1HZ的速率60RPM与天线144一起旋转。被单脉冲天线148接收的信号被传统设计的前端部分150转换成和信号及差信号。该和信号及差信号被降频变换器152降频地转换为中间频率(IF)的信号，该降频变换器152经过导线154从升频变换器132接收参考信号。该IF和信号及差信号被IF变换器156变换成视频和信号及视频差信号，IF变换器156经过导线157从激励器134接收IF参考信号。该视频和及差信号被传统设计的视频单元158转换成高角度分辨率的反射信号并传送给处理器160。
前端部分150、降频变换器152、IF变换器156及视频单元158可全部以外差式接收机的方式来实施，正如现有技术中所公知的。
处理器160具有多个任务。首先，处理器分析反射信号并将其转换成距离信号，例如使用FFT。其次，处理器160与控制器140通信，提供给控制器一个时钟频率，例如现有技术中公知的24MHZ时钟频率。这些需要作为线162上的控制信号被发送给激励器134。
处理器160还经过支架控制器164控制天线的转动，例如以约60RPM旋转，并从轴编码器166接收关于天线角度位置的信息。在一优选实施例中，编码器166具有高分辨率及高精确度，最好为14位的分辨率和精确度。使用该信息和从视频单元158接收来的信号，处理器160在显示器165上显示来自地面上目标的反射图形。一个用户接口168允许操作者接通系统并改变一定参数，如系统的整体距离范围及旋转角度。
数字波形发生器130的一个优选实施例表示在图3中。在图3的该优选实施例中，波形发生器130包括直接数字合成器(DDS)170，例如PLESSEY SP2002，它受到一个算述逻辑单元(ALU)/计数器172的控制，后者经由母线174对DDS170提供控制信号。这些控制信号指示相对于经导线138由激励器134接收的信号的DDS170的瞬时频率输出。ALU/计数器172响应于一个指示DDS起动频率的FM起动信号及一个以每个时钟脉冲指示频率改变的FM速率信号来产生控制信号。这两个信号是ALU/计数器172经导线142从控制器140接收来的。
如上所指出的，如由发生器130所产生的稳定线性波形能够有细致的距离分辨率并由此能够产生相对低功率的、紧凑的全固态ASDR系统。具体地，发射器146可使用任何适合的固态放大器产生10瓦的输出功率。
在本发明的一个优选实施例中，激励器134对波形发生器130提供24MHZ及1.44GHZ的信号，对升频变换器132提供1.44GHZ及1.68MHZ的信号，对降频变换器152提供1.68GHZ的信号及对IF变换器156提供1.656GHZ的信号。所有这些频率是基于激励器中工作在240MHZ上的主晶体振荡器产生的。波形发生器130的输出在360MHZ的范围中并根据所需的分辨率在240MHZ及480MHZ的范围上摆动。升频变换器的输出在15,960MHZ上，因此发射信号在16GHZ的范围中并在±120MHZ的范围上摆动。天线144是具有水平范围0.4-0.6米及垂直范围1.2-1.5米的喇叭天线/抛物面天线。
在本发明的一个优选实施例中，接收天线148是一种类似尺寸的双重喇叭天线/抛物面天线，并具有约1度的固有角度鉴别率。作为单脉冲接收的结果，该鉴别率改善至0.3度或更多。该角度鉴别率产生了在500米距离上约2.5米的线性方位鉴别率。
该系统的范围通常在100米至4000米之间。这允许距离分辨率优于4米，通常为1-2米。天线系统的垂直探测宽度最好为25度数量级，例如在水平面及水平面下25度之间，这保证了将飞行物排除在外。
本发明的一个优选实施例使用了1,680MHZ的第一IF频率及24MHZ的第二IF频率。如上所述的基于DDS的波形发生器130最好使用如现有技术公知的一种精确晶体振荡器源，它可提供具有极其精确线性度的FM/CW信号，这对于本发明的距离分辨率的要求是能够满足的。
图4概要地表示根据本发明的一个优选实施例的雷达信号和数据处理器190的方框电路图，该处理器结合了视频单元158及处理器160的功能。和信号及差信号∑及Δ被双重A/D转换器192数字化并分别传送到两个FFT变换器194及196。例如，被FFT变换器194和196接收的数字化和及差信号输入包括10MHZ的信号，如图4中所示。FFT变换器194产生一个FFT变换的数字和信号，例如图4中所示的一个5MHZ信号，它被一个幅值门限器197滤波。FFT变换器196产生一个FFT变换的数字差信号，例如图4中所示的一个5MHZ信号，它被一个和-差比较器199滤波。滤波的和及差信号198及200分别被快速输入/输出接口单元202接收，该接口单元还接收一个来自轴编码器166的方位指示，并产生出一个方位信号204，它被送到一个快速计算机206、如DEC2100计算机。
计算机206将数字化视频信号从极座标转换到经度/纬度座标，并提供数字“敏感时间控制”等效能力，消除多通路信号，存储来自在先扫描的杂乱回波，建立动态类型的杂乱回波图以利于杂波抑制，提供视频编码、视频校正及视频综合，和提供用于大量目标的跟踪(即跟随)能力。应该理解，该计算机206可用于执行任何可能需要的其它所需功能。还应理解，赋于计算机206的功能也可以根据具体的设计用硬件、软件或两者的结合来实施，如现有技术中所公知的那样。
由计算机206产生的信息通过广播网传送给显示处理器及VME I/F208。雷达信号及数据处理器190的大多数单元通过VME母线210通信。基于计算机206产生的信息，显示处理器在显示器上加上数据特征位，发出跑道受侵的警报，报告警示及警报，有效跑道及进入通路上的运载工具的阻塞等。
对于本技术的熟练技术人员可以理解，本发明不限制在以上具体图解及描述的内容上。而本发明的范围仅被以下的权利要求书中所限定。
权利要求
1.一种飞机场地面探测雷达(ASDR)，包括发射天线；发射器，它通过发射天线发射实质上线性频率调制的CW信号；单脉冲接收天线；及单脉冲接收器，它通过接收天线接收至少来自飞机场地面上一个目标的响应信号，产生方位和信号及差信号，并响应于瞬时和及差信号及天线的瞬时方向确定目标的位置。
2.根据权利要求1的ASDR，包括一种直接数字合成器(DDS)的波形发生器。
3.根据权利要求2的系统，其中DDS波形发生器产生一个FM/CW信号，其中发射天线发射FM/CW信号及其中至少一个被单脉冲接收器接收的响应信号包括对FM/CW信号的响应信号。
4.根据权利要求1-3中任一项的ASDR，其中单脉冲接收器具有的角度鉴别率优于约0.5度。
5.根据以上权利要求中任一项的ASDR，其中单脉冲接收器具有的距离分辨率优于约4米。
6.根据权利要求5的ASDR，其中单脉冲接收器具有的距离分辨率优于2米。
7.一种用于测绘预定视野中的目标的雷达系统，包括发射天线；发射器，它通过发射天线发射信号；单脉冲接收天线；及单脉冲接收器，它通过接收天线接收来自视野中目标的至少一个响应信号，产生方位和信号及差信号，并响应于瞬时和及差信号及天线的瞬时方向确定目标的位置，其中目标的位置是以优于约4米的距离分辨率来确定的。
8.根据权利要求7的系统，其中目标的位置是以优于约2米的距离分辨率来确定的。
9.根据权利要求7或8的系统，其中目标的位置是以优于0.5度的方位角鉴别率来确定的。
10.根据权利要求7-9中任一项的系统，其中预定视野包括飞机场地面。
11.根据权利要求7-10中任一项的系统，其中由发射器发射的信号是频率调制的CW信号。
12.根据权利要求11的系统，包括直接数字合成器(DDS)的波形发生器，它产生频率调制的CW信号。
13.根据权利要求11或12的系统，其中频率调制的CW信号是实质上线性的频率调制CW信号。
14.一种飞机场地面探测雷达(ASDR)，包括直接数字合成器(DDS)波形发生器，它产生一个FM/CW信号；天线系统，它发射FM/CW信号；接收器，它接收来自目标的反射FM/CW信号；及信号分析器，它比较发射信号和接收信号的瞬时频率并由此确定目标的距离。
15.根据权利要求14的FM/CW雷达，其中信号分析器是一种单脉冲分析器，它接收来自接收器的和信号及差信号。
全文摘要
一种飞机场地面探测雷达(ASDR)包括:发射天线(116);发射器(110),它通过发射天线(116)发射实质上线性频率调制的CW信号;一个单脉冲接收天线(118)及一个单脉冲接收器,它通过接收天线(118)接收来自飞机场地面上一个目标的至少一个响应信号,产生方位和信号及差信号,并响应于瞬时和及差信号及天线的方向确定目标的位置。
文档编号G01S13/34GK1190466SQ96193823
公开日1998年8月12日 申请日期1996年5月8日 优先权日1995年5月9日
发明者戴维·朗曼 申请人:El－Ar电子技术公司