全保真雷达接收机数字视频的分发与处理的制作方法

专利名称：全保真雷达接收机数字视频的分发与处理的制作方法
技术领域：
本公开文本大体涉及雷达系统和雷达信号处理，尤其是涉及一种用于全保真 (full fidelity)雷达接收机数字视频的分发与处理的方法和系统。
背景技术：
雷达是一种使用电磁波识别移动目标和固定目标(例如飞行器、舰船和地形等) 的距离、高度、方向或速度的系统。雷达系统具有发射微波信号或无线电波信号的发射机， 上述信号能被目标反射并由接收机检测到。雷达信号可以分发到多个雷达显示器上。雷达信号的分发已经由中央模拟雷达切换盘实施，该雷达切换盘接收来自于多个雷达的模拟信号并且向大量专用雷达显示终端提供输出。在海事环境中，模拟信号从雷达接收机传送到舰船的基站(base)以进行数字化。这种安排方式要求使用几条贯穿舰船的模拟电缆，并且在每一显示终端中使用特定电子设备以对信息进行数字化。

发明内容
根据以上描述，可以理解的是，需要一种雷达分发系统，该系统允许将全保真数字雷达视频分发至多个显示终端，且每个显示终端中不需要特殊电子设备，同时保持获取未经处理的、全保真雷达视频的优点。根据本发明公开的实施例，一种用于向局域网(LAN)提供雷达数据的处理设备包括模数转换器，用于用于接收来自于天线的模拟雷达数据，所述模数转换器用于将所述模拟雷达数据转换为数字雷达数据。干扰抑制器，用于从所述数字雷达数据中去除其他天线的雷达信号。距离单元抽取器，用于将所述数字雷达数据限定为阈值数量的距离单元。触发脉冲至方位角转换器，用于将所述数字雷达数据与天线旋转的特定方位角相关联。局域网管理器，用于将所述数字雷达数据输入到局域网。所述处理设备能够设置在所述天线的基座中。与多个天线相关的多个处理设备能够向所述局域网提供数字雷达数据。多个计算机能够连接至局域网，并且每个计算机能处理来自于一个或多个处理设备的数字雷达数据，以在显示器上显示雷达图像。本发明的一些实施例的潜在的技术优点是能够使舰船上安装多个导航雷达和显示器的成本最小化。本发明的一些实施例的其他潜在的技术优点是能够提供全保真数字信号至每个雷达显示终端，以允许每个显示终端有能力感测和调谐雷达信号。本领域技术人员能够从以下的说明书、附图以及权利要求中容易地得出其他有益的技术效果。


从结合随附附图的详细说明书中能够容易地对本发明实施例进行更完整的理解， 其中，相同的附图标记表示相同部件，其中图1示出用于全保真雷达接收机数字视频的分发和处理的雷达系统的一个实施例的运行环境；
图2示出用于全保真雷达接收机数字视频分发和处理的雷达系统中特定天线110 的主要流程块和数据流的实施例的示意图；图3示出收发机和模拟至局域网处理器的实施例，该模拟至局域网处理器将雷达收发机信息格式化为能被雷达系统中的COTS计算机和显示器处理的数字型数据流；图4示出数字脉冲处理器的实施例，该处理器能够格式化能被雷达系统中的COTS 计算机和显示器处理的雷达收发机信息；图5示出显示处理器的实施例，该处理器显示在雷达系统中的COTS计算机和显示器上处理的雷达收发机信息。
具体实施例方式图1示出用于全保真雷达接收机数字视频的分发和处理的雷达系统的一个实施例运行的环境。大体而言，雷达系统100包括发射电磁信号的天线110，该电磁信号随后由多个收发机接收。每个收发机将所接收的模拟信号传送至雷达扫描转换器120，该雷达扫描转换器120数字化和处理用于通过数字网络140分发至多个商用现有(C0TQ计算机以及监控器130的信号。雷达扫描转换器执行最小限度的预处理，以便每个COTS计算机和监控器接收全保真数字雷达视频。天线110发送多个脉冲微波信号或无线电波信号，上述信号由目标反射并由收发机检测到。从目标到收发机的距离与反射波返回到收发机所花费的时间相关联。能够将天线设计成在多个定时间隔以被称为是脉冲重复频率(PRF)的脉冲类型发射信号。为了最大化检测离收发机很远的距离的目标的能力，能够在脉冲之间使用较长的定时间隔。类似地， 能够使用短距离雷达，以脉冲之间较短的定时间隔运行。天线110能够作为雷达、相控阵列或类似装置的一部分。按照国际海事组织(IMO) 的标准，天线能够不少于12转/每分钟(RPM)的速率进行360度扫描。为了符合自动雷达标绘仪(ARPA)的标准，天线的旋转速率必须至少20转/每分钟。为了符合高速船舶(HSC) 的标准，天线的旋转速率必须至少40转/每分钟。很多军事表面(surface)搜索雷达天线使用的扫描速率达到60转/每分钟。因此，需要考虑不同的天线扫描速率。雷达系统100能够支持一组为以二倍增加或以二分之一减小的等比级数的距离标尺(range scale)。典型的距离标尺是1. 5、3、6、12、24、48海里，并且该组距离标尺可在两端扩展。在显示器上，由每一像素所表示的距离随着距离标尺而改变，雷达图像(PPI)的物理尺寸保持不变。雷达扫描转换器120通过将天线接收的雷达信号提供给数字网络140，以允许将信号处理迁移到COTS计算机上和显示器130。雷达扫描转换器120通过大量的COTS计算机和显示器130提供用于同步使用的基于广播网络的高带宽信息或图像。将视频信号通过数字网络140从每一个雷达扫描转换器120传送至COTS计算机和显示器130。数字网络140可以是支持雷达扫描转换器120与COTS计算机和显示器130 之间通信的组件的任何合适的组合和安排。例如，数字网络140可以是局域网(LAN)中的以太网或在其他合适的通信网络中的组件。为了全保真，使用精度为12比特频率为20MHz 的模数转换器(ADC)产生数字信号。这是由IMO雷达天线的最短脉冲宽度所决定的，因为该最短脉冲宽度处于50纳秒到100纳秒之间。通常，对应于最短脉冲宽度的PRF大约是3kHz，提供大约27海里的确定距离或6662个ADC采样(距离单元(range bin))/每0.333毫秒。为了观察到斑点，电子设备被校准来使用一些用于接收机噪声的低ADC比特。例如，3比特用于平均噪声，以便5西格玛(sigma)噪声级别大约在ADC级别48 (大于5比特) 处。为了防止海面杂波造成的饱和状态以及短距离目标检测的丢失，在每个ADC采样中需要大于8比特。当10或11比特足够时，采样标准是12比特。如果5西格玛噪声级别被减弱为4比特以下，则噪声和长距离的小目标将是不可检测的。通过以太网发送全保真信号每秒钟会产生1&20兆比特的040Mbps)流量。尽管标准千兆比特以太网能轻松处理这种网络负荷，然而众所周知以太网在网络负荷超过其自身标称处理能力50%时不能进行有效处理。此外，需要为通信协议开销(overhead)保留20%的网络负荷。因此，千兆比特以太网的可用带宽是1000Mbps-500Mbps-100Mbps = 400Mbps。因此，输入到单个显示器的全保真雷达信号要适配到千兆比特以太网提供的带觅ο然而，在一艘具有两到三个天线以及多达10个显示器的舰船上，用于单个天线/ 显示器系统的网络将被乘以天线数量和显示器数量。每个显示器可能需要合并来自各天线的信号，这导致需要用于3x10x240Mbps = 7. 2Gbps全保真信号的网络带宽使用。这超出了 10千兆比特以太网的可用带宽。每个显示器的网络负荷可以是3x(l. 2x240Mbps)= 864Mbps，并且超过了普通千兆比特以太网的能力。通过在如此处提供的天线上执行数据处理，大大降低了对于网络带宽的要求。每个COTS计算机和显示器130能够从几个雷达扫描转换器130获取信号。例如， COTS计算机和显示器130a能够在一特定周期时间内从雷达扫描转换器120a获取信号，并且能够在其他特定周期时间内从雷达扫描转换器120b获取信号。COTS计算机和显示器130 能够不需要专门的电子设备来处理从雷达扫描转换器120接收的信号。此外，COTS计算机和显示器130能够接收未经处理的雷达视频，以便每个COTS计算机和显示器130能以任何距离标尺、目标灵敏度以及期望的虚警率(false alarm rate)来处理雷达信号。每个COTS 计算机和显示器130能够仅仅需要软件在显示器上表现雷达视频，以及接收和发送操作员控制指令至收发机。在一些实施例中，一个COTS计算机和显示器130可以是单独的雷达控制器。在这样的实施例中，一个COTS计算机和显示器130能够激活雷达并且改变脉冲宽度模式。然而，其他COTS计算机和显示器130仍然能以期望的距离标尺处理数据。每个COTS计算机和显示器130预设支持IMO关于距离和方位角分辨率的标准。 在PPI的显示区域需要足够多的像素以支持这种标准。典型的超级视频图形阵列(SVGA) 图像能支持显示区域为102^10 像素的PPI，这能满足IMO标准。视频强烈颜色或绿色阴影(SOG)的范围也增强了在显示器上辨识目标的能力。常规配色方案使用8位或16位 SOG (每像素3比特或4比特)。图2示出用于全保真雷达接收机数字视频分发和处理的雷达系统100中的特定天线Iio的实施例的主要流程块和数据流的示意图。天线110接收的雷达信号由收发机120 处理，该收发机向雷达扫描转换器120提供模拟信号。雷达扫描转换器120包括模拟至局域网(Analog to LAN)处理器220、数字脉冲处理器230、显示处理器对0、以及追踪处理器 250。模拟至局域网处理器220执行模拟至局域网处理并且输出数字信号到数字网络140。数字脉冲处理器230执行杂波衰减(clutter reduction)处理，合并来自于多个天线的数据，并且将雷达视频格式化为颜色代码。显示处理器240提供在COTS计算机和显示器130 上显示雷达数据的呈现能力。大体上，雷达扫描转换器120提供在天线110和COTS计算机和显示器130之间的摘取数据的能力(abstraction)。摘取数据的能力是由组合模拟预处理器实现，该组合模拟预处理器使天线110的收发机210适配数字脉冲处理器220。追踪处理器250提供追踪所检测的目标的能力。模拟至局域网处理器220被耦接以接收来自于收发机210的模拟信号，并且将雷达收发机信息格式化为用于分发至多个COTS计算机和监视器的数字型数据流。每个模拟至局域网处理器220在对数据经过最小限度处理后输出数字化信号。模拟至局域网处理器 220能够使用组合电路板来适配雷达收发机输出，以便于为坐标变换而格式化信号所需的数字处理。模拟至局域网处理器220输出与每一数字方位角相关联的连续的数字矢量流。在一个实施例中，每个模拟至局域网处理器220能够设置在具有现场可编程门阵列(FPGA)的数字电路板上。FPGA能够以高速集成电路(VHSIC)硬件描述语言(VHDL)来执行数字处理。每一模拟至局域网处理器220的输入可以是海事雷达收发机模拟信号，例如视频、触发脉冲(trigger)以及方位角。方位角代表天线位置并且指示雷达脉冲的方向。触发脉冲指示何时发射雷达脉冲，并且雷达视频的幅度表示雷达回波返回信号的测量值。每个雷达扫描转换器120的输出是数字雷达信号。每个模拟至局域网处理器220预设为FPGA，所述FPGA被包括在对应天线的发送机 /接收机上桅杆(TR-Up)雷达基座中，并且仅仅安装有两条电缆，一条用于连接电源并且一条用于数字网络140。尽管信令(signalling)能够被合并到数字网络140中，但也能够使用用以控制信令的控制接口串口线。尽管示出数字脉冲处理器230和显示处理器240的功能作为雷达扫描转换器120的一部分预设为在COTS计算机和显示器130上执行，但也能够在雷达系统100中的其他处的FPGA上实施。图3示出收发机210和模拟至局域网处理器220的实施例，该模拟至局域网处理器将雷达收发机信息格式化为能被COTS计算机和显示器130处理的数字型数据流。收发机210包括射频(RF)信道选择器和射频放大器310、下行转换器(down converter)和带通滤波器320、以及对数放大型(log-amp)检波器330。模拟至局域网处理器220可以包括增益放大器和直流(DC)偏置(bias)控制器340、模数转换器(ADC) 350、干扰抑制器360、距离单元抽取器370、触发脉冲至方位角(trigger-to-azimuth)转换器380、以及局域网接口管理器390。根据由天线110处的收发机210发射的每个脉冲，收发机210接收将被转换为雷达视频信号的回波。雷达视频信号是快速起伏的电压信号，其较大的电压峰值代表目标或某种形式的杂波。收发机210的每个脉冲与通过天线的方位角(方位)测量装置得到的方向相关联。脉冲速率或脉冲重复间隔(PRI触发脉冲)与天线运动异步，导致天线的每个方位角步长(st印)的多个PRI触发脉冲之间形成任意关系。能够使用12比特以二进制编码的角度来测量天线方向，使得在针对4096个步长的天线的代码中的每个方位角步长是 360/4096 = 0. 087890625。脉冲重复频率(PRF)在长距离监控中能够在3khz到750khz之间变化。从收发机210提供给模拟至局域网处理器220的输入可以包括复合(composite)触发脉冲、天线方位角以及对数放大信号。该输入也可以包括一组开始/停止方位角，其中该组方位角中设置有扇形匿影(sector blanking)。收发机210还能够提供控制、增益和偏置信号。模拟至局域网处理器220会在接收触发脉冲时产生PRI估算值。当接收方位角数据时，模拟至局域网处理器220会估算天线转动速率。基于这些测量的参数能够做出处理数据的决定。如果这些参数在操作员的控制下，则能够基于测量值和指令值之间的显著差异产生消息。增益放大器和偏置控制器340能够准备雷达收发机信号使其适配在ADC 350的范围内。增益和偏置设置取决于雷达收发机210的模式，或这种设置针对特定雷达收发机210 能够保持恒定，也能够根据雷达收发机的类型改变。在一些实施例中，信号被准备为适配以 40MHh运行的12比特精度ADC 350。在模数转换前进行增益和偏置控制对于小目标检测很重要。增益和偏置设置过低，以致能够在ADC输出中观察到接收机噪声起伏，这会错过小目标的检测。为了提供小目标检测功能，增益和偏置应当设置为使得在大约ADC级别8输出最小噪声级别。ADC 350从增益放大器和偏置控制器340接收模拟信号，并且将模拟信号转换为数字信号。通过天线的每个触发脉冲，能够为ADC提供新的缓冲区，并向该缓冲区内输出多达64，000个采样。到雷达扫描转换器的后续功能模块的输出是以距离单元来索引的方位角列表。随着天线的每次旋转，ADC350能够产生以距离和方位角来索引的12比特整数的二维阵列。在一些实施例中，ADC 350能够运行在40MHz，这可以允许全保真雷达信号进入到单个COTS计算机和显示器，以适配由标准千兆比特以太网提供的带宽。由ADC 350产生的示例性的输出可以是来自于运行在40MHz的视频的模数转换采样信号的12比特无符号整数，这会产生大小为3. 75米的初始距离单元。选择40MHz的模数转换速率能使在建立零距离时的触发脉冲抖动误差最小化。如果PRF大于3500Hz，则会以这种分辨率将第一组8000 个距离单元处理为最大距离为8000x3. 75/1852 = 16海里，这可能会修短(clipped)到确定距离的一定百分比，以便提供用于处理的开销。如果PRF小于3500Hz，则在进行干扰抑制前，使用相邻的距离单元对(pair)执行最小两个数据的下采样(down-sampling)。然后，将信号传送至干扰抑制器360。干扰抑制器360过滤非期望的信号，例如来自另一个雷达天线的那些信号。由于雷达天线的脉冲之间的时间能够改变，来自于另一个雷达天线的大脉冲将会在ADC 350的数字距离单元中展示为大的异常值。干扰抑制器360 逐个脉冲地过滤信号。将数字距离单元的三个在前的PRI进行缓冲，以处理当前正到达的 PRI0使用可选择的阈值来确定中间返回值是否是异常值。如果超过阈值，该异常返回值由其相邻值的中间值替代。如果未超过阈值，不执行替代操作。距离单元抽取器370接收来自于干扰抑制器360的信号并且削减待处理的数据量。距离单元抽取器370能够用于限定所处理的数据为8000个距离单元/每方位角。雷达具有多种脉冲宽度模式，根据脉冲宽度模式雷达发送波信号的脉冲，并且每个距离单元的距离范围是使用中的脉冲宽度模式的函数。如果使用长脉冲宽度模式，距离单元抽取器 370将一组距离单元压缩成一个大的距离单元，这样仅仅处理8000个距离单元/每方位角。如果PRF小于1600hz，则使用距离单元的最大相邻对来执行另一下采样。如果PRF小于800hz，则使用距离单元的最大相邻对来执行另一数据下采样。由于距离单元的大小从 3. 75米开始，对应于最大距离16、32、64、128或256海里，有可能产生多达8000个大小为3. 75米、7. 5米、15米、30米以及60米的距离单元。距离单元的实际数量是所测量的确定距离的百分比，并且小于这些确定距离。触发脉冲至方位角转换器380接收来自于距离单元抽取器370的信号，并且，由于在天线触发脉冲和天线方位角步长之间不是必然存在关系，因此将返回脉冲数据重构为方位角。由于每个天线旋转会发送10000个脉冲，然而在一个天线旋转中会产生不超过4096 个步长，雷达能够在高脉冲范围(pulse range)频率处产生冗余数据。另一方面，在低脉冲范围频率处，在触发脉冲之间会产生多个方位角步长。因此，触发脉冲至方位角转换器380 能够用于为以低脉冲范围频率运行的雷达天线复制数据，并且为以高脉冲范围频率运行的雷达天线削减数据。进所增加的复杂情况来自于匿影扇形(blanking sector)，在匿影扇形中，天线仍然旋转，但收发机210并不产生触发脉冲。在匿影扇形期间，即使没有触发脉冲被接收，输出距离/方位角缓冲区也被填充。在匿影扇形期间，零值幅度被置入缓冲区。只要检测到方位角发生改变时(距离单元的由新的方位角标识的PRI到达)，与在前方位角相关联的在前方位角的数据被传送至下一个处理阶段，并且为新的方位角存储距离单元的当前rai。如果方位角的改变量是所选择的方位角增量的m倍，则以与输出的每个副本相关联的一个方位角步长作为人为增量将旧数据写出m次。如果随后的PRI触发脉冲与作为在前PRI触发脉冲的存储数据的相同的方位角相关联，则执行平均操作。这种方法注重所接收的最后的rai，但并不必期望在任何给定的方位角会接收多少PRI触发脉冲。局域网接口管理器390接收来自于触发脉冲至方位角转换器380的信号，并且处理该信号以将其传输至数字网络140。执行有效封装以最小化协议开销以及在COTS计算机和显示器130处的消息中断。在经模拟至局域网处理器220处理后，针对天线转速为M转 /每分钟，到数字网络140最差情况下的输出带宽是12比特x4096方位角x8000单元/2. 5 =未经压缩的158Mbps。天线处于较高速旋转速度时，每次扫描使用较少的方位角。如果需要，只要在COTS计算机和显示器130处进行有效的解压缩，就能够实施数据压缩。为了处理在主计算机上的网络中断或改变，能够使用UDP/IP协议来多播雷达数据，以避免知道有多少客户端正从数字网络140获取数据。以下是由模拟至局域网处理器220产生并且输入到数字网络140中的示例性的输出。雷达相对方位角是范围值从0到4096的12比特字，该范围值指示天线相对于方向改变脉冲(Bearing Change Pulse)、船头闪光灯或船头的位置。距离采样是12比特无符号整数，该整数表示来自于每个方位角步长的雷达视频的ADC采样的阵列。状态符是指示有效数据与“心跳(heartbeat) ”的描述符。距离单元大小是数值范围在3. 75米至60米之间的无符号整数，该整数指示每个ADC采样的距离步长。N是数值范围为100至8000的无符号整数，该整数表示每个PRI的距离单元数量。方位角模式是指示12比特、11比特或10比特方位角的2比特描述符。平均PRI是数值范围为20至200的无符号整数，该整数指示在触发脉冲之间的低通滤波时间。方位角速率(AZ Rate)是8比特无符号整数，该整数表示方位角步长之间的低通滤波时间。图4示出数字脉冲处理器230的实施例，该处理器能够格式化雷达收发机信息以使其能被COTS计算机和显示器130处理。数字脉冲处理器230执行杂波衰减处理，例如，灵敏度时间控制(STC)，合并来自多个天线的视频，以及将雷达数据格式化为颜色代码。数字脉冲处理器230包括传感器数据管理器410、灵敏度时间控制器420、快速时间常数(FTC)处理器430、扫描至扫描(scan-to-scan)相关器440、恒虚警率(CFAR)数据提取器450、以及颜色阈值和数据压缩器460。传感器数据管理器410接收由每个模拟至局域网处理器220产生的输出。其他由传感器数据管理器410接收的输入包括船速、航向、脉冲宽度模式、STC和FTC控制。在处理过程中能够为丢弃的UCP/IP数据包设置容许度。能够利用在模拟至局域网处理器220中执行的触发脉冲到方位角的转换来填充丢弃的方位角数据包。当模拟至局域网处理器220 指示数据无效时，数据脉冲处理器230能够继续处理该数据，但会警告显示器处理240该数据不适合正常操作。通过将来自于合适天线的方位角数据写入极坐标数据缓冲区的合适位置，传感器数据管理器410还能够合并来自于多个天线的数据。由于天线不是彼此叠置，因此传感器数据管理器410执行距离/方位角调整，以便在极坐标数据缓冲区中的数据与共同参考数据一致。在确定将何种数据输入到极坐标数据缓冲区中时，能够针对不同的天线分配不同的优先级。如果第二天线具有来自于特定区域的最新更新数据，则传感器数据管理器410能够使用来自于第二天线的数据以重写来自于第一天线的数据。当天线在数据格式方面存在巨大不同时，传感器数据管理器510也能够提供方位角编码、距离单元大小/数量、幅度编码、以及杂波过滤调整功能。灵敏度时间控制器420基于操作员控制来执行STC处理，该操作员控制指示海面状态、与海面状态相关联的杂波模式、以及衰减器硬件。能够分析数据以提供自动的STC调整，而将杂波滤波的图像提供给显示器。自动STC调整的问题是检测雨滴杂波或地面杂波， 其中所述雨滴杂波或地面杂波会损坏估算的海面杂波轮廓。偏离最佳适配的巨大偏差能警示操作员重新借助于手动STC。两种可执行的STC类型包括乘法STC和减法STC。乘法STC 削减近距离杂波起伏，同时也能够降低平均杂波级别。减法STC消除平均杂波偏置，但不削减杂波起伏。然而，在数字领域，减法STC不是处理器密集的(processor intensive) 0FTC处理器430执行滑动窗口平均信号估算器的减法操作。采样索引不需要一次增加一个距离单元，以在估算器中得到独立采样，但需要传送的脉冲宽度与距离单元大小的比例信息来执行减法操作。用于FTC处理的信号采样能够在修改距离单元之前开始。在某些距离处，最好是经常改变位置(switch around)以便上升的海岸线的前端不会被FTC 抑制。通过在STC处理后执行FTC处理，能够补偿在STC处理中的错误设置。FTC处理在扫描至扫描相关联之前进行，这是因为，扫描至扫描相关联中的非线性效果会使得FTC处理使目标从初始留下的残余杂波中显现的效率降低，其中所述残余杂波如此之高以致于使很多扫描相关联。在STC和FTC处理后，扫描至扫描相关联是削减海面杂波的最重大贡献因素。在传统雷达系统中，扫描至扫描相关联发生在坐标变换之后。在此，当数据是极坐标格式时， 在坐标变换之前设置扫描至扫描相关器440 (在显示处理器240中)。结果是，当信号还不稳定时，必须考虑舰船移动。舰船以均勻速度行驶，均勻速度有助于在笛卡尔坐标中的线性处理但不利于极坐标中的非线性处理。通过在极坐标中执行扫描至扫描相关联，能够避免舰船转弯中的图像拖尾现象。增加每次扫描的航向更新的数量有助于消除在舰船快速转弯期间的拖尾现象。能够精确计算用于合并来自于分离位置的极坐标格式化后的数据的调整值，并且也能够通过简单方程式估算该调整值。为了节省处理时间，不能在超过天线的地平线下执行扫描至扫描相关联。特别地，不能在超过到自然地平线的距离、以及海面杂波反射低于噪声水平的距离中的较小距离下执行扫描至扫描相关联。能够设置阈值以便高处的新视频反射不会被相关联处理所减弱。颜色阈值处理和数据压缩器460提供了从ADC级别到颜色级别的转换函数。颜色阈值处理确定要在显示器上使用的绿色阴影。查找表用于将ADC级别转为像素颜色，并且针对在每个方位角的每个距离单元执行简单的查找表。通过从代表平均噪声的信号的底部丢弃比特、以及从操作员的增益设置确定最小的非黑颜色(视为高于平均噪声)，来建立该查找表。操作员的增益设置确定最小的ADC级别以得到非黑颜色。然后，操作员的增益设置被线性地映射在最小值和最大值之间。在由于针对颜色的信号阈值处理所导致的任何信号保真度丢失前，CFAR数据提取器450针对追踪器执行数据提取。对于每一方位角，数据提取针对每一连续检测而产生16 比特整数对的列表。每一整数对代表接触的阈值交叉(contact，s threshold crossing) 的起始的距离单元索引和高于阈值的连续距离单元的数量。每个方位角的这种整数对的最大数量能够配置为保持处理能力。在CFAR数据提取器450中能够使用用于阈值产生的恒定虚警率技术。图像区域的输入是允许的，其中在该图像区域中该阈值能够任意地修改得更高或更低。由于海面杂波起伏比噪声起伏更尖锐，因此，数据提取阈值的微小上升有利于靠近平均海面杂波低于噪声的距离。CFAR数据提取器450向追踪处理器250提供大量整数对。追踪处理器250以连续方位角的分组方式和重叠检测距离的方式处理数字对，在所处理的分组太小或太大时允许削减一些虚警(false alarm)。对数字对取质心 (centroiding)，并且将质心转换为追踪坐标且将该质心与追踪滤波更新相关联。真实目标会与超过10个方位角或更多方位角相关联。例如，每方位角100次检测导致每束波多达 100次接触、或每次扫描中多达36000个待处理质心。为了控制用于相关联的数据的数量以及保持检测处理能力，限制用于避免碰撞的最大追踪距离和用于海岸监视的最小追踪距离。通过设置用于处理最小/最大距离单元索引、或人为提高针对超过无意义的距离的最大允许值的阈值，就能够实现这种控制。数字脉冲处理器230输出指示数据有效状态和输出的方位角参考的状态字，方位角步长代码指示方位角处理是12比特、11比特还是10比特，距离单元大小指示每个采样在3. 5米到60米之间的一个距离大小、由距离单元和真实/相对方位角索引的颜色二维阵列、以及指示距离开始以及超过CFAR的阈值的视频运行长度的数据提取数字对。将这些输出(提取数字对除外)提供给显示处理器对0。图5示出显示处理器240的实施例，其中，该处理器在COTS计算机和显示器130上呈现处理的雷达收发机信息。显示处理器240考虑例如偏移PPI、真实/相对运动、图像持久性(persistence)或余辉(afterglow)、以及来自于分离安装的天线的视频的组合信号之类的呈现能力。假设坐标变换中的像素数量足够使PPI在一个方向比其相反方向扩展得更远一些，则通过指定PPI中心点(而不是指定相应于监视器中心点的像素)，能够在坐标变换中完成PPI中的固定偏移。大的PPI偏移是用以判断雷达安装的校准的有用的能力。 通过针对余辉为一天中的每个时刻选择颜色方案来实现图像持久性。每个PPI更新引起低通滤波器对颜色进行操作。低通滤波器的时间常数确定余晖在显示器上持续的时间。直到无限大的时间限制是用的，这样明亮返回就停留在PPI上，直到手工控制重置(reset)整个显示器。实际上，通过杂波中的泄漏痕迹(tell-tale wake)，能够在具有无限图像持久性的PPI上观察到原本检测不到的目标。快速移动目标能在显示器上留下直线痕迹，即使是它们对于追踪相关联而言速度过快。显示处理器240包括模式管理器510、坐标变换器520以及缓冲区和绘图管理器 530。显示处理器240接收由数字脉冲处理器230提供的输入，也接收指示由像素代表的距离的显示距离标尺以及显示模式，其中所述显示模式指示例如北向上、头顶上、路线上之类的方位、图像持久性以及颜色方案。模式管理器510知道针对来自于任何数量的数字脉冲处理器230的每个天线输入的显示模式设置。在图像处理中，根据每个天线已知的经纬度，模式管理器510确定多个天线图像的像素位置相对于电子海图显示与信息系统(ECDIS)、或相对于舰船的中心参考点 (CRP)的显示器的共同参考点的位置。模式管理器510处理来自于舰船参考点的天线输入的偏移量。基于由于最后的监视器更新数据的时间差，模式管理器510根据舰船速度和路线来确定像素偏移。模式管理器510能够将距离单元颜色幅度转换为基本扫描颜色和图像持续性、或余辉时间颜色。模式管理器510提供天线罩，以将来自于多个天线的多个图像合并为具有期望的显示优先级的单一图像。坐标变换器520处理两种类型的方位角，即，如果不执行扫描至扫描相关联时的相对方位角、以及如果执行扫描至扫描相关联时的真实方位角。为显示器所要求的稳定模式进行调整。坐标变换器520将距离和方位角的普通雷达坐标(即极坐标)变换为显示器像素的笛卡尔坐标。坐标变换器520采用由距离单元和方位角索引的二维颜色阵列，并且将每个颜色分配到相应的像素行和列。坐标变换器520产生具有状态符的像素强度的时间戳(time-tagged)阵列，其中该状态符指示距离标尺、方向、以及与天线位置相关的PPI中心的大地坐标。该阵列以相对像素坐标来索引，这样显示器上的位置会取决于一些参考点 (例如中心或左上角)的像素坐标的和。缓冲区和绘图管理器530负责在显示监视器上绘制PPI。缓冲区和绘图管理器530 针对单个天线系统以天线旋转的速率在显示器上产生光滑的PPI扫掠旋转的效果。通过使用作用于图像的像素坐标的低通滤波器、以及通过调整尾迹的颜色选择以提供与最新扫描的对比，缓冲区和绘图管理器530为显示器提供图像持久性或余辉时间。为了合并来自于地理上相隔很多英里的天线的数据，缓冲区和绘图管理器530使用像素掩罩(mask)以确定在每个像素上会写上哪个天线的数据。包括软件、硬件、其它逻辑的任何合适的逻辑结构，或前述结构的任何合适的组合能够实施雷达系统100的功能以及雷达系统100中的元件。这种逻辑能够在电路板上或计算机可读介质上实现，并且能够在一个或多个计算机上运行。此外，虽然本公开文本提供了特定数字或参数，但这种特定性仅仅是出于举例的目的，本领域技术人员能够容易地理解， 其它数值也能够用于雷达系统100的实施。虽然已经对本公开文本及其优势进行了详细描述，但可以理解的是，在不脱离由随附的权利要求所限定的公开文本的保护范围下，本领域技术人员能够容易地明确地做出各种改变、替换和转换。
权利要求
1.一种用于向局域网提供雷达数据的处理设备，包括模数转换器，用于响应于产生的脉冲，用于接收来自于天线的模拟雷达数据，所述模数转换器用于将所述模拟雷达数据转换为数字雷达数据；干扰抑制器，用于从所述数字雷达数据中去除其他天线的雷达信号；距离单元抽取器，用于将所述数字雷达数据限定为阈值数量的距离单元；触发脉冲至方位角转换器，用于将所述数字雷达数据与所述天线旋转的特定方位角相关联；局域网管理器，用于将所述数字雷达数据输入到局域网。
2.如权利要求1所述的处理设备，其中所述模数转换器以至少20MHz的频率使用12比特数据的精度产生所述数字雷达数据。
3.如权利要求1或2所述的处理设备，进一步包括增益放大器和偏置控制器，用于设置增益和偏置参数，以允许针对小目标检测时在数字雷达数据中观察到噪声起伏。
4.如前述任一权利要求所述的处理设备，其中所述距离单元抽取器用于执行下采样以进一步削减距离单元的数量。
5.如前述任一权利要求所述的处理设备，其中基于频率脉冲如何从所述天线发射来执行下采样。
6.如前述任一权利要求所述的处理设备，其中根据频率脉冲如何从所述天线发射来多次执行下采样。
7.如前述任一权利要求所述的处理设备，其中所述局域网管理器在所述局域网上提供所述数字雷达数据，所述数字雷达数据作为极坐标中由距离和方位角索引的数值二维阵列。
8.如前述任一权利要求所述的处理设备，其中所述处理设备设置在所述天线的基座中。
9.如前述任一权利要求所述的处理设备，其中所述触发脉冲至方位角转换器用于检测天线的方位角的变化。
10.如前述任一权利要求所述的处理设备，其中所述触发脉冲至方位角转换器将与特定方位角相关联的每个脉冲的数字雷达数据进行平均。
11.一种用于向局域网提供雷达数据的系统，包括多个天线，每个天线包括如权利要求1所述的处理设备；多个计算机和显示单元，用于处理和显示由所述处理设备产生的数字雷达数据；局域网，将所述处理设备与所述多个计算机和显示单元进行耦接。
12.如权利要求11所述的系统，其中每个计算机和显示单元用于使用来自于一个或多个所述处理设备的数字雷达数据来产生雷达图像。
13.如权利要求11或12所述的系统，其中每个计算机和显示单元选择性地存储来自于所述多个处理设备的数字雷达数据。
14.如权利要求11至13任意一项所述的系统，其中每个计算机和显示单元对所述多个处理设备产生的所选择的数字雷达数据执行灵敏度时间控制、快速时间常数、扫描至扫描相关联、以及颜色阈值处理。
15.如权利要求11至14任意一项所述的系统，其中每个计算机和显示单元执行坐标变换和绘图管理，以呈现所述数字雷达数据的雷达图像。
16.一种用于向局域网提供雷达数据的方法，包括 从天线接收模拟雷达数据；将所述模拟雷达数据转换为数字雷达数据； 从所述数字雷达数据中去除其他天线的雷达信号； 将所述数字雷达数据限定为阈值数量的距离单元； 将所述数字雷达数据与天线旋转的特定方位角相关联； 将所述数字雷达数据输入到局域网。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括设置增益和偏置参数，以允许针对小目标检测时在数字雷达数据中观察到噪声起伏。
18.如权利要求16或17所述的方法，进一步包括 执行下采样，以进一步削减距离单元的数量。
19.如权利要求16至18任意一项所述的方法，其中在所述局域网中提供所述数字雷达数据，所述数字雷达数据作为极坐标中由距离和方位角索引的数值二维阵列。
20.如权利要求16至19任意一项所述的方法，进一步包括 检测所述天线的方位角的变化。
21.一种用于雷达视频分发的系统，包括 一个或多个显示器；一个或多个检测设备，每个检测设备用于产生模拟信号；一个或多个雷达处理器，每个雷达处理器用于接收来自于分离的检测设备的模拟信号，其中每个雷达处理器包括模数转换器，用于将所述模拟信号转换为代表所述模拟信号的数字信号； 网络，耦接在所述雷达处理器和所述显示器之间，其中所述网络用于传送所述数字信号至所述显示器，其中传送至所述显示器的所述数字信号是未经处理的并且所述数字信号代表全保真雷达视频。
22.如权利要求21所述的系统，其中每个雷达处理器进一步包括 预处理器，用于执行所述数字信号的最小限度的预处理。
23.如权利要求21或22所述的系统，其中所述预处理器包括 干扰抑制器，用于过滤非期望的信号；以及距离单元抽取器，用于削减待处理的数字信号的数量。
24.如权利要求21至23所述的系统，其中每个显示器是个人计算机的显示器。
25.如权利要求21至M任意一项所述的系统，其中每个显示器用于接收来自于一个或多个雷达处理器中任何一个的数字信号。
26.如权利要求21至25任意一项所述的系统，其中所述检测设备是雷达天线。
27.如权利要求21至沈任意一项所述的系统，其中所述检测设备是相控阵列。
28.—种包括用于雷达视频分发的逻辑的计算机可读介质，所述逻辑用于执行以下步骤检测代表目标位置的模拟信号；将所述模拟信号转换为代表所述模拟信号的数字信号；传送所述数字信号至一个或多个显示器，其中传送至所述显示器的所述数字信号是未经处理的并且所述数字信号代表全保真雷达视频。
29.如权利要求观所述的计算机可读介质，所述逻辑进一步用于 执行所述数字信号的最小限度的预处理。
30.如权利要求观或四所述的计算机可读介质，所述逻辑进一步用于 过滤非期望的信号；以及削减待处理的数字信号的数量。
31.如权利要求观至30任意一项所述的计算机可读介质，其中每个显示器是个人计算机的显示器。
32.如权利要求观至31任意一项所述的计算机可读介质，其中每个显示器用于接收来自于一个或多个雷达处理器中任意一个的数字信号。
33.一种用于雷达视频分发的方法，所述方法包括 检测代表目标位置的模拟信号；将所述模拟信号转换为代表所述模拟信号的数字信号；将所述数字信号传送至一个或多个显示器，其中传送至所述显示器的所述数字信号是未经处理的并且所述数字信号代表全保真雷达视频。
34.如权利要求33所述的方法，进一步包括 执行所述数字信号的最小限度的预处理过程。
35.如权利要求33或34所述的方法，进一步包括 过滤非期望的信号；以及削减待处理的数字信号的数量。
36.如权利要求33至35任意一项所述的方法，其中每个显示器是个人计算机的显示ο
37.如权利要求33至36任意一项所述的方法，其中每个显示器用于接收来自于一个或多个雷达处理器中任意一个的数字信号。
全文摘要
一种用于向局域网提供雷达数据的处理设备，包括模数转换器，用于接收来自于天线的模拟雷达数据，所述模数转换器用于将所述模拟雷达数据转换为数字雷达数据。干扰抑制器，用于从所述数字雷达数据中去除其他天线的雷达信号。距离单元抽取器，用于将所述数字雷达数据限定为阈值数量的距离单元。触发脉冲至方位角转换器，用于将所述数字雷达数据与天线旋转的特定方位角相关联。局域网管理器，用于将所述数字雷达数据输入到局域网。所述处理设备能够设置在所述天线的基座中。与多个天线相关的多个处理设备能够向所述局域网提供数字雷达数据。多个计算机能够连接至局域网并且每个计算机能处理来自于一个或多个处理设备的数字雷达数据，以在显示器上呈现雷达图像。
文档编号G01S13/00GK102439476SQ200980159299
公开日2012年5月2日 申请日期2009年5月12日 优先权日2009年5月12日
发明者卡斯腾·赖特尔, 斯特芬·克罗格, 汤玛斯·爱德华·伍德, 迈因哈德·沃尔格穆特 申请人:雷松安修斯有限公司