向雷達系統添加糾錯及編碼的製作方法
2023-07-09 13:21:01
專利名稱：向雷達系統添加糾錯及編碼的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及雷達領域，特別涉及將檢錯及糾錯技術和/或編碼技術應用於雷達系統。
背景技術：
雷達(這是無線電探測和測距(RAdio Detection And Ranging)的首字母縮寫詞)是用於通過電磁能(通常在RF或微波頻率上)的傳輸檢測遠處物體的技術。雷達系統用於廣泛的目的，包含氣象目的(例如NEXRAD系統)，例如檢測風暴系統。雷達為軍事和商業應用，用於在飛機和船上檢測並跟蹤水面和空中的物體。這種系統的應用示例包含Northrop Grumman Norden Systems有限公司的AN/SPQ-9(b)海軍雷達系統，該系統用於檢測水面船隻和低空飛行的小物體例如飛彈，以及Raytheon公司的Pathfinder商業船隻雷達系統，該系統用於檢測其他船隻以及用於航海目的。雷達還用於汽車防撞。還知道使用雷達進行空中及地面物體的成像。例如，協同監視目標襲擊雷達系統(JointSurveillance Target Attack Radar Systems)(JSTARS)使用安裝在改造707機身下腹的合成孔徑雷達(SAR)，來形成地面圖像以揭示軍事車輛例如坦克的存在。
雷達系統可以是連續波或脈衝類型。在兩種類型的系統中，由發射天線向物體發射的部分能量被反射到接收天線以提供關於物體的信息。在連續波雷達系統中，連續發射電磁能(一般在RF或微波頻率上)，而在脈衝雷達系統中，在被稱為脈衝重複頻率或prf的頻率上，以短脈衝或脈衝發射電磁能。通常基於需要進行目標檢測的最大期望距離來選擇prf。該距離稱為不模糊距離(unambiguous range)。在這種脈衝系統中，脈衝具有周期或脈衝寬度，它通常與脈衝之間的周期(這是prf的倒數)相比較短。在發射一個脈衝之後，接收機「傾聽」物體所反射的發射脈衝的回波。如果接收到回波，就檢測到物體。
在脈衝系統中，通過確定發射脈衝和接收回波之間的時間，能夠確定物體的距離(假設該距離小於不模糊距離)。如果發射和/或接收天線(同一個天線通常用於兩個功能)具有方向性，涉及目標的方位信息還可以由回波揭示。
雷達還可以用於確定物體相對於雷達系統的相對速度。例如，在都卜勒雷達系統中，回波中頻率和/或相位的偏移能夠揭示物體與系統之間的相對速度。在這種脈衝雷達系統中，從幾個脈衝接收到的回波通常是「成批的(batched)」並且是組合的(例如被相加和被平均)。以此方式組合的來自多個脈衝的回波通常被稱為批(batch)。在監視雷達應用中，其中使用波束寬度為大約5-10度且旋轉率為大約1-10秒的旋轉定向天線，具有2-16個脈衝的批是典型的，而對於具有非旋轉天線的高解析度雷達系統，例如用於汽車防撞的類型，具有50-250脈衝的批更常見。分批不僅用於增加回波的信噪比，而且降低所需的處理量。
利用雷達系統，正如任何通信系統一樣，希望以儘可能的最低成本和最高速度發送信息。雷達系統，仍如其他任何通信系統一樣，還經受幹擾和噪聲引起的性能下降。對於雷達系統例如汽車上的防撞雷達系統來說尤其如此，其中該系統中的每個發送機/接收機不僅經受系統中和/或車輛上的其他發送機的幹擾，而且潛在地經受附近的其他多個車輛的幹擾。提高雷達系統面臨幹擾和噪聲時的性能，已經成為雷達系統工程師的目標。自從雷達存在起已經進行了大約60年的努力，這方面的改進仍然是需要且必要的。
所需要的是用於減少雷達系統中幹擾和噪聲影響的系統和方法。
發明內容
本發明最大程度滿足上述需要，其中將已知的編碼/糾錯技術應用於雷達系統以提高性能。在本發明的一個極優選實施例中，尤其適用於脈衝雷達系統，採用了直接序列擴頻技術(也被稱為碼分多址或CDMA)。在本實施例中，一批脈衝被看作一個碼元(symbol)。該碼元由偽噪聲(PN)碼進行調製，其中碼的每個碼片對應於與單個脈衝相關的周期(即碼片率對應於prf)。調製技術最好是雙相移鍵控(BPSK)；但是，也可以採用多相編碼(例如QPSK)。來自碼元中每個脈衝的接收回波被組合或相關，作為PN碼的函數。接收機可以採用Viterbi解碼。PN碼可以是通常用於其他通信系統中的任何類型，例如Gold碼、Walsh碼、Turbo碼等。在一個優選實施例中，系統也採用脈衝編碼。
通過參照以下藉助附圖進行的詳細描述，將會更好地理解本發明及其很多附屬特徵和優點，從而更容易獲得對上述內容的更完整的評價，其中圖1是說明傳統過程中包括批的多個脈衝和脈衝間周期的示意圖。
圖2是示出根據傳統過程的根據7元素Barker碼的雙相調製的單個脈衝時域表示。
圖3是說明根據本發明實施例由偽噪聲碼調製之後的圖1的批中的脈衝的示意圖。
圖4是根據本發明實施例的採用圖2的調製方案的雷達系統的硬體方框圖。
具體實施例方式
將參照本發明的優選實施例來論述本發明。將闡述特定細節，例如調製方案的類型和碼長等，以便提供對本發明的透徹理解。這裡論述的優選實施例不應被理解為對本發明的限制。而且，為便於理解，將某些方法步驟描述為分離的步驟；但是，這些步驟不應被看作從屬於其性能的必要的差別或次序。
圖1說明了一系列脈衝110被處理為具有周期TB的批100。圖1的脈衝110是時際脈衝的符號表示。每個脈衝110表示雷達系統發送電磁能的時間周期。在脈衝之間的時間周期中，稱為脈衝間周期，雷達系統傾聽物體所反射的脈衝回波。每個脈衝110具有周期TP，有時被稱為脈衝寬度。剪切部分120中示出了脈衝110的展開時基圖。如從部分120所見，每個脈衝已經經過調製。
圖2A是圖1的脈衝110的符號表示圖，而圖2B是相應波形的表示。現在參照圖2A，可以看出已經以本領域公知的方式將脈衝編碼(也被稱為脈衝調製)應用於脈衝。脈衝寬度TP已經被劃分成數個次脈衝，稱為碼片(chip)，每個碼片具有相同的次脈衝周期，或次脈衝寬度，TC。每個次脈衝周期TC與+或-碼元相關聯。正如參照圖2B可見，如果相應的次脈衝與+碼元相關聯，就不發生信號220的相位調製，而對於那些與-碼元相關聯的次脈衝周期TC，則發生180度相移。+s和-s的模式被稱為碼(在本例中為7比特Barker碼)，並且根據碼調製脈衝的過程被稱為脈衝編碼或脈衝調製。這裡將利用碼進行單個脈衝的調製稱為脈衝內編碼(intrapulse coding)。雖然圖2示出7比特Barker碼，也可以使用Barker碼或例如不同長度的其他碼。圖2示出了雙相編碼/調製(也被稱為BPSK或二進位相移鍵控)。但是，也可以採用多相(超過兩個相位)編碼，例如Frank編碼或正交相移鍵控(QPSK)。正如M.Skolnik的雷達手冊(Radar Handbook)1990年第二版第10.15到10.26頁所更詳細論述的，其全部內容以引用方式包含在本文的內容中，相位編碼是一種脈衝壓縮的形式，與未經壓縮的脈衝相比，這允許附加的功率傳輸和/或距離解析度。
再次參照圖1，可以看出在批周期TB期間多次發送完全相同的脈衝110。如上所述，批中脈衝的數量可以改變，但是在用於汽車的防撞系統中，一般為每批大約200個脈衝。圖1的批100中的脈衝可以被看作是信息單位，即碼元。使用擴頻技術，通過對該信息單位/碼元進行編碼，可以提高通信(雷達)系統的性能。特別地，能夠使用直接序列擴頻技術對碼元/批進行編碼，直接序列擴頻技術能夠通過使用為此目的的已知的任何碼對碼元進行調製來執行，包含偽噪聲(PN)碼，例如通常用於CDMA應用中的那些碼。
將一系列脈衝(例如批中的一系列脈衝)看作碼元，並且根據碼對批中的每個脈衝進行調製，本文將這些稱為脈衝間調製(interpulse modulation)(與脈衝內調製不同，脈衝內調製指對單個脈衝進行編碼)。這些碼最好是正交的；即它們具有高自相關性(與其自身相關)和低互相關性(與其他碼相關)。這意味著當使用除用於調製碼元的相同碼之外的任何碼執行去相關(decorrelation)時，輸出近似為零。可以使用例如Gold碼、Walsh碼和Turbo碼等碼。當批中的脈衝數量大到足以提供足夠數量的唯一碼時，可以使用短碼方案(shortcode scheme)，其中碼長等於碼元長度。也可以使用長碼方案(long codescheme)，尤其在批中的脈衝數量較小的情況下，其中碼長超過碼元長度。可以使用任何類型的調製，但是在雷達系統的極優選實施例中，尤其是那些採用BPSK脈衝內調製的系統，由於其利用系統中現有的雙相調製器，因此優選BPSK調製。
圖3說明了一種根據本發明一個實施例的示例調製系統，該系統對批/碼元300採用脈衝內和脈衝間調製。批300包括多個脈衝310，311。以與圖1所脈衝110相同的方式對一些脈衝310進行脈衝內調製；即脈衝已經被劃分成次脈衝(或碼片)，每個碼片或者未被改變或者根據7比特Barker碼被相移180度。以180度的相移，對其他脈衝311移相脈衝310的模式。於是，就對批300中的脈衝進行了脈衝間調製。由與系統相關的碼來表示脈衝310，311被移相或未被移相的模式。使用相同碼對接收回波進行去相關(解擴頻)。
實踐中，以與典型的CDMA系統中每個蜂窩式便攜無線電話被分配給不同PN碼非常相似的方式，每個雷達發射機被分配給不同的PN碼。這些雷達發射機可以位於單個車輛上，或者可以位於多個車輛上。於是，當本發明被用於汽車防撞雷達系統中時，可以用於減少同一個汽車上的雷達發射機之間的幹擾以及來自其他車輛的幹擾。如果使用短碼方案，不同的可能碼的數量依賴於碼元中「碼片」的數量，在本例中是批中脈衝的數量。在以200個脈衝為批的系統中，大量正交碼可用於單個發射機的分配。
圖4說明了根據本發明一個實施例的系統400實施例的方框圖，它與上述聯合解決的(co-pending)應用的圖1相似。在圖4中，微波源10由FM調製模塊11進行穩定。微波源的輸出由緩衝放大器12進行放大並且緩衝(以防止頻率牽引)。緩衝放大器12的輸出被輸入到脈衝形成器414，它由開關驅動器15控制以形成具有所需脈衝寬度的脈衝。來自脈衝形成器414的脈衝被輸入到雙相調製器16中，它執行脈衝內和脈衝間雙相調製。雙相調製器16由異或(XOR)門401的輸出控制。到異或門401的一個輸入被連接到脈衝調製器驅動器17，它負責提供與用於脈衝內調製(脈衝壓縮)目的的Barker碼相對應的波形。於是，脈衝調製器驅動器17的波形輸出相應於圖2A的波形。到異或門401的另一個輸入被連接到批調製器驅動器402，它使用存儲在PN碼存儲器403中的PN碼來輸出波形，該波形在批周期中根據PN碼而改變以執行脈衝間調製功能。於是，異或門401組合由脈衝調製器驅動器17和批調製器驅動器402所產生的波形，以便控制雙相調製器16產生圖3所符號表示的經過脈衝間和脈衝內調製的輸出。接著，將雙相調製器的輸出輸入到發送/接收開關18，它由開關驅動器28控制以便雙相調製器16的輸出被連接到放大器25和26，從而在發送周期中通過天線30進行發送，並且在接收周期中被輸入到接收機的I和Q混合器44和45的本地振蕩器輸入端。
在極優選實施例中，由虛線409所包圍的元件15，17，28，401，402和403所執行的功能被實施在單個集成電路，例如可編程門陣列或ASIC中。但是，也可以使用離散組件來實施虛線409中的元件。
通過天線31接收的信號被放大器40，41放大，接著被劃分並且被輸入到混合器44，45中，它將輸入信號分別與發送脈衝的複製脈衝和經過90度相移的發送脈衝的複製脈衝進行混合(以形成接收信號的正交部分)。接著，混合器44，45的下變頻輸出被連接到積分器47，48，它執行與脈衝內調製相對應的去相關功能。接著，積分器47，48的輸出由濾波器49，50進行都卜勒濾波。都卜勒濾波器49，50的輸出被連接到開關52，54，它由採樣器51控制以執行本領域公知的積分和累加(integrate-and-dump)處理。開關52，54的輸出分別被連接到第二級積分器53，55。
在圖4中所示的實施例中，所接收的信號被直接下變頻到基帶。在其它的實施例中，也可以併入中頻(IF)振蕩器以最初地將所接收的信號下變頻到中頻。在這種方案中，可以在IF上執行雙相調製，而不是圖4所示的發送頻率上。而且，圖4所示的去相關方案僅僅是用於對接收信號進行去相關的一種方法。也可以採用其他形式的去相關，包含Viterbi解碼。
雖然已經說明了脈衝間調製，並且已經闡述了採用脈衝間調製方案的雷達系統的優選實施例。顯然，根據上述說教，對本發明進行各種修改和改變是可能的。因此，應該理解，在所附權利要求所限定的範圍內，本發明可以被實現為除本文所具體描述的形式之外的其他形式。
權利要求
1.一種用於發送雷達信號的方法，包括如下步驟發送一系列脈衝，每個脈衝被以脈衝間周期在時間上進行分離，所述系列中的每個脈衝被根據第一碼的不同符號進行調製。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述調製是二進位相位調製。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述一系列脈衝包括批。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述第一碼的長度等於所述批中的脈衝數量。
5.如權利要求1所述的方法，其中脈衝與所述第一碼中的符號之間存在一對一的對應性。
6.如權利要求1所述的方法，還包括如下步驟在所述系列中的脈衝之間的多個脈衝間周期中接收電磁能；以及根據所述第一碼對接收電磁能進行去相關。
7.如權利要求1所述的方法，還包括如下步驟通過用脈衝碼調製每個脈衝，來對所述系列中的每個脈衝進行編碼，所述脈衝碼包括多個脈衝碼符號，每個脈衝的一部分被根據脈衝碼符號進行調製。
8.如權利要求7所述的方法，其中使用與用於根據所述第一碼調製每個脈衝的調製類型相同的調製類型，來執行用脈衝碼調製每個脈衝的所述步驟。
9.一種用於操作彼此相似的多個雷達發射機的方法，包括如下步驟將第一碼分配給多個雷達發射機的每一個，被分配給每一個雷達發射機的所述第一碼不同於被分配給所述多個雷達發射機中的其他雷達發射機的第一碼；以及從所述每個發射機發送一系列脈衝，由發射機所發送的所述一系列脈衝的每一個被根據分配給該發射機的各自的第一碼進行脈衝間調製。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述脈衝間調製是二進位相位調製。
11.如權利要求9所述的方法，其中所述一系列脈衝的每一個包括批。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述第一碼的長度等於所述批中的脈衝數量。
13.如權利要求9所述的方法，其中每個脈衝與所述第一碼中的單一符號之間存在一對一的對應性。
14.如權利要求9所述的方法，還包括如下步驟在每個所述發射機中，在所述系列中的脈衝之間的多個脈衝間周期中接收電磁能；以及在每個所述發射機中，根據各自的第一碼對接收步驟中接收的電磁能進行去相關。
15.如權利要求9所述的方法，還包括如下步驟採用脈衝內調製方案對所述系列中的每個脈衝進行編碼。
16.如權利要求15所述的方法，其中使用相同類型的調製來執行所述脈衝內調製和所述脈衝間調製。
17.一種雷達系統，包括發射機，所述發射機可被連接到天線，所述發射機被構造成發送一系列脈衝，所述一系列脈衝被根據第一碼進行脈衝間調製；和接收機，所述接收機可被連接到所述天線，所述接收機被構造成從所述天線接收來自所述一系列脈衝的回波，並且根據所述第一碼對所述回波進行去相關。
18.如權利要求17所述的雷達系統，其中所述接收機被構造成將從所述一系列脈衝接收的所述回波分批處理。
19.如權利要求18所述的雷達系統，其中所述第一碼的長度等於由所述接收機分批處理的脈衝數量。
20.如權利要求17所述的雷達系統，其中所述第一碼的長度大於由所述接收機分批處理的脈衝數量。
21.如權利要求17所述的雷達系統，其中所述發射機還被構造成根據脈衝碼對每個脈衝進行脈衝內調製。
22.如權利要求21所述的雷達系統，其中使用與所述脈衝間調製相同類型的調製來執行所述脈衝內調製。
23.一種雷達發射機，包括振蕩器；脈衝形成器，被連接到所述振蕩器，所述脈衝形成器被構造成在輸出端提供一系列脈衝，所述脈衝在時間上被分離；和調製器，被連接到所述脈衝形成器的所述輸出端，所述調製器被構造成根據第一碼對所述一系列脈衝進行脈衝內調製。
24.如權利要求23所述的雷達發射機，其中所述調製器還被構造成根據脈衝碼對所述系列的每個脈衝進行脈衝內調製。
全文摘要
一種用於發送雷達信號的方法，包括如下步驟發送一系列脈衝，每個脈衝被以脈衝間周期在時間上進行分離，並且所述系列中的每個脈衝被根據第一碼的不同符號進行調製。
文檔編號G01S13/28GK1530666SQ20041002870
公開日2004年9月22日 申請日期2004年3月10日 優先權日2003年3月11日
發明者艾倫·詹金斯, 艾倫 詹金斯 申請人:M/A-Com公司