輔助監視雷達的製作方法
2023-05-26 05:47:21
專利名稱：輔助監視雷達的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種輔助監視雷達，並且對於決定飛機的位置與標識的S-方式雷達具有特殊的但不專有的應用。
在主雷達系統中，從天線發射的雷達信號被若干遠程目標比如飛機反射以產生回波。與天線連接的接收機處理諸回波以決定諸目標的距離和方位。在一部輔助雷達中，諸目標比如飛機的標識是利用每架飛機上的應答器(transponder)確定的，這些應答器受到所發射的雷達信號的詢問。例如，常規地將輔助監視雷達(SSR)用來提供緊臨的機場近域——典型地在100海裡的半徑——內的所有飛機的位置與標識的圖形。地面雷達站，稱為詢問器，在1030MHz的射頻上發射一個詢問信號，該詢問信號詢問若干個這樣的應答器，這些應答器在1090MHz射頻上向詢問器發射應答。
詢問器藉助於一種具有旋轉定向方向圖的天線發射射頻能量，這種旋轉定向方向圖通常由一個機械旋轉天線形成，但它可以包括靜止的電子控制相控陣天線，它擁有寬仰角和窄方位角。根據詢問器天線定向方向圖的指向的知識，當它從飛機接收一個應答時，獲得飛機的方位。此外，基於從詢問器的發射到接收到應答結果之間的時間計算飛機的距離。因此，獲得飛機的距離和方位。對於SSR技術的更完整的評述，可參考＂Radar Systems＂Paul.Lynn，Macmillan 1987，第6章，pp 109-119。
飛機的常規SSR應答器所提供的應答包含有限數量的數據，通常為飛機高度和它的本地標識。前不久，提出在被詢問飛機與詢問器之間引入一條更寬廣的雙向高容量數字數據鏈路，被稱為S-方式，其中S表示＂選擇性的＂。
國際民用航空組織(ICAO-International Civil AviationOrganisation)文件＂Aeronautical Telecommunications，Annex 10＂，第3.8節中定義了國際認同的輔助監視雷達標準技術特點。3.8.1節概括了常規SSR，而且3.8.1節概括了S-方式SSR。
根據以上所提及的標準，S-方式SSR包括兩個主要特徵。第一個特性允許給每個飛機應答器一個世界範圍唯一的25比特的地址。因此，詢問能針對一架特定的飛機且因而是選擇性的，而飛機應答亦包含其唯一地址。該特徵允許詢問器對應答信號的信號處理得以增強。
第二個特徵允許通常由甚高頻聲音通信在空中交通管制(Air TrafficControl)與領航員之間傳送的大量數據的地對空及空對地的自動傳輸。這樣，S-方式SSR中，地面與飛機之間的自動傳輸可以包含來自地面的飛行控制信息和本地天氣形勢的傳輸，以及來自空中的有關燃料儲備、發動機性能和天氣的數據的傳輸。
另外，一部SSR，尤其是S-方式SSR的詢問器，應具備在天線定向方向圖的旋轉周期內改變其發射功率的能力。詢問距離是所發射雷達信號的功率的函數，於是通過改變功率，就距離而論系統可以是選擇性的。所要求的功率變化典型地是這樣一個範圍，即以2dB為增量，自最大發射功率起12dB的範圍。每個功率電平的設定精度典型地是±1dB，而任何功率電平之間的轉換時間典型地在10至50微秒範圍內。
迄今為止，實現SSR的有效、快速功率轉換仍是困難的，而本發明對這個問題提供解決方法。
根據本發明提供這樣一種輔助監視雷達，它包含用以發射用於詢問遠程目標上的應答器的雷達信號的發射機裝置用以從目標上的被詢問的應答器接收答覆的接收機裝置；以及一個用於為發射機裝置產生射頻信號的可控功率源，它包括用於產生具有預定相位關係的第一和第二射頻信號的裝置；用於選擇性地設定第一和第二信號之間的相位關係的相位設定裝置；用以分別放大第一和第二信號的第一和第二功率放大器裝置；以及用以合併諸功率放大器裝置所放大的第一和第二信號從而提供這樣一個放大的射頻輸出信號的裝置，該信號的功率依賴於由相位設定裝置設定的相位關係。
藉助於本發明，通過改變第一和第二信號的相位關係，有可能快速並精確地改變發射功率。這能藉助於一個電子控制的移相器來完成。結果，根據本發明，能足夠快速地控制發射功率以滿足以上所提及的S-方式SSR的要求。
本發明也擴展至這樣一種操作輔助監視雷達的方法，該方法包含發射雷達信號以便詢問若干遠程目標上的諸應答器；從目標上的被詢問的諸應答器接收答覆；以及控制發射機裝置所產生的諸信號的功率，包括產生第一和第二射頻信號；選擇性地設定第一與第二信號之間的相位關係，分別放大第一和第二信號；合併功率放大器裝置所放大的第一和第二信號，從而提供一個功率依賴於所設定的相位關係的放大的射頻輸出信號；以及將該輸出信號饋送至發射裝置。
為使本發明可被更充分地理解，現將參看若干個附圖以示例方式描述一個實施方式，附圖中
圖1是根據本發明的被S-方式SSR詢問的飛機的示意圖；圖2是根據本發明的一個S-方式SSR的電路的示意方框圖；以及圖3是描述圖2所示的第一和第二通道的相位矢量V的矢量圖。
參看圖1，地面的S-方式SSR詢問器1裝有這樣一付旋轉天線2，該天線發射雷達信號3以詢問飛機比如飛機4上的諸應答器。天線2還用於接收來自諸被詢問應答器的答覆5，這些答覆傳送至詢問器1中的一個接收機。詢問器典型地通過一條地面線路與控制臺(未示出)連接。
使用中，天線2擁有這樣一個定向方向圖，該天線旋轉，並且在圖1所示的實施方式中，該天線是一個機械旋轉陣列。然而，將被理解的是，亦可利用電子可導控(steerable)靜止陣列。圖1所示的系統利用單脈衝發射技術。利用兩種波束，包括產生一般通稱為和方向圖的方向圖的主波束與這樣一種進一步的波束，這種波束產生一般通稱為差方向圖的方向圖。和方向圖包括一個安排在天線孔徑視軸(boresight)上的主瓣而差方向圖包括若干個對稱布置在孔徑視軸對面的旁瓣，該差方向圖在其零點呈180度相位倒轉。該方向圖允許對飛機上的應答器的偏離孔徑視軸方位進行精確估計，這是通過比較從兩方向圖所獲得的信號的幅度與相位來實現的。至於更詳盡解釋，可參考以上的＂Radar Systems＂。
圖2中顯示用於給和天線波束的天線提供射頻功率的諸電路。將被理解的是，如同在常規SSR中，也將提供無方向天線波束的一個相應電路，但為簡明起見圖2中它未被完整示出。
更詳細地參看圖2，可控功率源包含這樣一個射頻源與調製器電路6，該電路在1030MHz的射頻產生一個連續波詢問信號，該信號在監控與控制模塊7的控制下被脈衝調製。該脈衝調製根據S-方式SSR協議用將要向飛機4傳輸的數據編碼詢問信號。在線路8上將脈衝調製輸出提供至示於虛線框內的主驅動放大器電路9。主驅動放大器控制饋送向主波束的功率。調製器也在線路10上提供一個輸出，該輸出在提供無方向方向圖時被用一個不同的數據流調製，且功率由類似於放大器9(未示出)的另一個驅動放大器控制。因為無方向方向圖的電路類似於主波束方向圖的諸電路，故將不進一步予以描述。
主驅動放大器9包括功率分配器11，該功率分配器擁有一個輸入12以接收來自線路8的信號，並且擁有這樣的第一和第二輸出13、14，它們在第一和第二通道上提供振幅和相位相等的信號Va和Vb。信號Va和Vb通過各自的預放大器15、16和驅動放大器17、18並隨後通過隔離器19、20被饋入各自的第一和第二主功率放大器21、22。
第一和第二主功率放大器21、22的輸出被饋送至一個功率合成器23，其輸出通過一個帶通濾波器24和一個環行器25被饋送至主天線波束的一個埠26。因此，使用中，線路8上的脈衝調製信號在各自的通道a、b內被放大——起初由放大器15和17，以及放大器16和18放大，並隨後利用功率放大器21和22放大，所得到的放大信號在功率合成器23中被合併，並被饋送至埠26以起到對諸飛機應答器的詢問信號的作用。來自諸應答器的答覆由天線接收並被饋送至埠26。環行器25將線路27的諸答覆導向這樣一個接收機電路28，該接收機電路使用頻率通過線路29鎖定於射頻源6的一個本機振蕩器(未示出)解調諸答覆。同樣，接收機28接收線路30上來自差方向圖的以及線路40上的來自無方向方向圖的諸相應天線答覆，並且以本質上眾知的方式處理諸信號以便獲得飛機應答器所發送的飛機標識及其它操作數據。並且，以一種本質上眾知的方式，根據初始發射詢問脈衝與從應答器所接到的相應答覆之間的延遲，結合涉及天線定向方向圖的旋轉角的數據計算飛機距離和方位。這樣的信號處理本質上是眾知的並且這裡將不再進一步描述。來自接收機28的結果數據(通過未示出的裝置)被饋入若干個這樣的雷達控制計算機31，它們使得飛機能夠被跟蹤。同樣，通過經由控制與監測電路7來控制源6的脈衝調製，諸計算機確定發飛機的數據。
圖2所示的諸放大器典型地在埠26提供1950瓦的最大峰值脈衝功率，對應於62.9dBm。S-方式SSR指標要求埠26處的功率從最大值起以2dB為步長減小至最大值以下12dB，即減小至50.9dBm。
根據本發明，這是通過這樣一個移相器32來完成的，該移相器改變信號Vb相對於信號Va的相位。這一點被示意性地顯示於圖3中。
當相位向量Va和Vb同相時，即移相器32不產生相移時，如虛線所示，兩相位向量對準，使得兩信號在功率合成器23中合併產生的結果相位向量為2V。相反，當兩相位向量呈反相時，所得功率下降至零。通過藉助於移相器32引入一個相移，如圖3所示的，能改變Va與Vb之間的相位角θ，結果信號VR由下式給出VR2=2V2(1+cos)----------(1)]]>公式(1)中假設通道a和b中的信號幅度相同，即Va＝Vb＝V。
因此，通過藉助移相器32選擇性地改變相位角θ，功率合成器23所產生的結果合併幅度VR能在0與2V之間變化。
在雷達計算機31經由監測與控制電路7的控制之下，控制電路33設定移相器32所產生的相位角θ。因此，通過改變移相器32所產生的相移，控制埠26處所產生的輸出功率，雷達計算機31能設定想得到的雷達操作距離。能夠在10至50微秒的範圍內迅速執行移相，以2dB的遞增步長可達到±1dB的精度，以便允許在天線定向方向圖旋轉的過程中選擇距離。
實用中，移相器32可由KDI/Triangle Electronics Inc.，East Hanover，New Jersey 07936，USA所製造的一個QQ-1668型構成。
另外，提供若干個電路以動態監測功率電平並動態地將其控制到一個特定的設定值。為達此目的，將一個功率監測器連接至埠26，該埠將指示線路35上的動態輸出功率的若干個信號提供至監測與控制電路7。將這若干個信號與指示雷達計算機31所確定的所需功率電平的諸參考值加以比較，以對移相器32所產生的相移產生一個小的調節，以便使輸出功率電平返回至所需值。將被理解的是，在天線定向方向圖的旋轉期間輸出功率的所需值將動態變化，並且所描述的反饋環路將使輸出功率保持在所需值上。
提供若干個附加控制環路以便在操作中監測信號Va和Vb。為達此目的，功率監測器36、37和38分別與功率分配器11的輸入12、驅動放大器17、18的輸出耦連。監測器36、37和38提供至控制電路33的相應輸入，使得能操作移相器32以補償各自的監測信號的幅度和/或相位的操作變化。
同樣，一個溫度監測器電路39監測驅動電路9的操作溫度，並且控制放大器17、18的增益以補償增益變化，不然溫度變化將導致這些增益變化。
至於圖2的各種電路元件的進一步討論，可參看「Radio FrequencyTransistors」N.DyeH.Granberg Butterworth-Heinemann 1993.USA.
於是，根據本發明，當天線定向方向圖旋轉時可動態改變埠26處的傳輸功率，以便允許動態距離選擇。參考S-方式SSR以示例形式描述了本發明的同時，將被理解的是，本發明可被用於因其它操作原因而需要快速和精確的功率控制的諸其它輔助監視雷達，比如為了在若干個這樣的特定方位扇區內減小發射功率——在這些扇區內全功率將幹擾其它雷達或電子設備。
權利要求
1.一種輔助監視雷達，它包含發射機裝置，用以發射用於詢問遠程目標上的應答器的雷達信號；接收機裝置，用以從目標上的被詢問的應答器接收答覆；以及一個可控功率源，用於為發射機裝置產生射頻信號，它包括用於產生具有預定相位關係的第一和第二射頻信號的裝置；用於選擇性地設定第一和第二信號之間的相位關係的相位設定裝置；用以分別放大第一和第二信號的第一和第二功率放大器裝置；以及用以合併諸功率放大器裝置所放大的第一和第二信號，從而提供這樣一個放大的射頻輸出信號的裝置，該信號的功率依賴於由相位設定裝置設定的相位關係。
2.根據權利要求1的輔助監視雷達，其中可控功率源包含供第一和第二信號用的第一和第二通道，提供一個射頻源的裝置，以及分別從第一和第二通道內的射頻源提供第一和第二信號的裝置。
3.根據權利要求2的輔助監視雷達，其中射頻源包括一個射頻振蕩器，並且包括這樣的功率分離裝置，該功率分離裝置擁有一個與振蕩器耦連的輸入以及分別與諸所述通道連接的第一和第二輸出。
4.根據權利要求2或3的輔助監視雷達，包含分別處在第一和第二通道內的第一和第二驅動放大器。
5.根據權利要求4的輔助監視雷達包含溫度監測裝置，以及用於作為所監測溫度的函數控制諸驅動放大器的增益的裝置。
6.根據權利要求4或5的輔助監視雷達，包含諸驅動放大器的第一和第二預放大器，它們分別處在第一和第二通道內。
7.根據權利要求2至6的任何一項的輔助監視雷達，其中相位設定裝置在諸所述通道的一個上包括一個移相器。
8.根據權利要求2至7的任何一項的輔助監視雷達，包含功率監測裝置，用於分別監測第一和第二通道內的功率電平，以及驅動控制裝置，用於控制由相位設定裝置依據諸所述監測功率電平設定的相位關係。
9.根據權利要求2至8的任何一項的輔助監視雷達，包含用於監測由射頻源饋送給分離裝置的輸入功率的裝置，以及用於控制由相位設定裝置依據所監測的輸入功率設定的相位關係的驅動控制裝置。
10.根據前述任何權利要求的輔助監視雷達，包含用於監測來自功率合併裝置的被放大的射頻輸出信號的功率的裝置，以及用於控制由相位設定裝置依據所監測的輸入功率設定的相位關係的控制裝置。
11.根據前述任何權利要求的輔助監視雷達，包含用於調製可控功率源的調製器裝置。
12.根據權利要求11的輔助監視雷達，其中調製器裝置使用將向諸目標傳輸的數據脈衝來調製發射機裝置的諸射頻信號。
13.根據前述任何權利要求的輔助監視雷達，其中接收機裝置可解調來自諸被詢問應答器的答覆以便從中獲得數據。
14.根據前述任何權利要求的輔助監視雷達，其中發射機裝置包含一付具有旋轉定向方向圖的天線。
15.根據前述任何權利要求的輔助監視雷達，其中發射機裝置與接收機裝置使用一付公用天線。
16.根據前述任何權利要求的輔助監視雷達，包含用於控制相位設定裝置以控制發射機裝置的輸出功率的距離選擇裝置。
17.一種根據前述任何權利要求的S-方式SSR。
18.一種操作輔助監視雷達的方法，它包含發射雷達信號以便詢問諸遠程目標上的應答器；從目標上的被詢問的應答器接收答覆；以及控制發射機裝置所產生的諸信號的功率，包括用於產生第一和第二射頻信號；選擇性地設定第一和第二信號之間的相位關係，分別放大第一和第二信號；合併諸功率放大器裝置所放大的第一和第二信號，從而提供這樣一個放大的射頻輸出信號，該信號的功率依賴於由相位設定裝置設定的相位關係。
19.根據權利要求18的方法，包含監測諸發射雷達信號的輸出功率並在給定時期內通過控制所述相位關係保持其功率不變。
20.根據權利要求18或19的方法，包含使用將向諸目標傳輸的數據調製所發射的雷達信號。
21.根據權利要求18、19或20的方法，包含對目標所發射的數據進行解碼。
22.根據權利要求18至21操作S-方式SSR的一種方法。
全文摘要
一種輔助監視雷達,比如一種S－方式雷達,擁有這樣一個可控的功率源,其中由一個功率分配器(11)從一個源(6)獲得第一和第二同相射頻信號,並且一個移相器(32)選擇性地調節這兩個信號的相對相位,使得經諸主放大器(21、22)放大及功率合成器(23)合併之後,所得的功率電平能被移相器(32)所產生的相移控制。
文檔編號G01S13/78GK1184570SQ9619386
公開日1998年6月10日 申請日期1996年5月3日 優先權日1995年5月11日
發明者傑爾米·裡·尼烏·福思特, 格福芮·莫裡斯 申請人:費爾南電子設備有限公司