觀察與識別直升飛機的設備的製作方法
2023-12-02 19:28:51
專利名稱：觀察與識別直升飛機的設備的製作方法
技術領域：
本發明是關於都卜勒雷達設備的，它包括與天線裝置耦合的發射機和接收機以及與接收機耦合的處理器，該設備利用由直升飛機旋翼葉片引起的葉片閃爍(bladeflash)來監測直升飛機，並通過確定葉片閃爍的重量頻率來識別直升飛機。
這種雷達設備示於美國專利說明書US-A-4，389，647中。在上述雷達設備中，都卜勒雷達的輸出信號被整流並通過一個高通濾波器。在直升飛機的情況裡，所造成的葉片閃爍，也就是由短時間內垂直於雷達射束的直升飛機旋翼葉片產生一個信號。該信號的重複頻率與葉片閃爍頻率相對應，使得有可能就直升機類型得出結論。
這種方法的缺點在於與直升飛機類型有關的寶貴信息在整流過程中損失了。
根據本發明的雷達設備排除了這一缺點，其特點是對該雷達設備提供了對單個葉片閃爍確定都卜勒譜的手段。
根據前面提到的專利說明書，都卜勒雷達可以或者是脈衝型雷達或者是CW(連續波)型雷達。對於監測和識別直升飛機，這兩種雷達類型都有缺點。為了觀測每個單個葉片閃爍，脈衝雷達必須有高的脈衝重複頻率。這使雷達比較昂貴和不靈敏，而且還會引起測距模糊(rangeambiguity)。CW雷達不提供測距信息。再有，CW雷達的一個眾所周知的問題是發生1/f噪聲，其結果是來自旋翼葉片的只有幾千赫茲都卜勒頻移的反射信號難於被檢測到。
本發明的雷達設備的一個最佳實施例沒有這些缺點，其特點是所裝0.備的發射機用於發射周期性的線性頻率調製信號;其接收機裝備了混頻裝置，用於由代表被發射信號和被接收雷達反射的信號產生一個外差信號;其處理器裝備了傅立葉分析裝置，用於將源於連續周期的外差信號變換成連續頻率譜，這裡每一個譜由N個複數(N＝2，3，4…)表示。
這樣實現的頻譜使確定被觀測直升機與雷達設備之間的距離成為可能，而且還揭示了直升機旋翼葉片的數目是奇數還是偶數。
現在將參考下列圖件更詳細地解釋本發明，這些圖是
圖1表示旋翼數目與相應的頻譜;
圖2表示根據本發明的雷達設備的一個可能實施例的方框圖;
圖3表示根據本發明的雷達設備的處理器的一個可能實施例的方框圖;
圖4表示根據二維窗口方法形成的二維數據場的一部分，用於表示CFAR。
在一個都卜勒雷達中，靜止的或慢運動的目標產生的反射被濾波器去掉了。按照這一觀點，利用都卜勒雷達探測一個懸空停留或緩慢運動的直升飛機機身是困難的。然而，觀測高速旋轉的旋翼葉片是可能的。已知一個短時間裡垂直於雷達射束的旋轉的直升機旋翼葉片會產生短時的強反射，即所謂葉片閃爍。葉片閃爍揭示了直升飛機的存在，而葉片閃爍頻率與直升機類型有聯繫。以這一原理為基礎，根據當今技術製成的雷達設備能在直升機飛向雷達設備時發出警報和類型識別。在這方面假定對於每一單個直升機而言，旋翼的rpm(每分鐘轉數)在某一狹窄的限度內變化。無任何含糊地對某種類型直升機賦予某個重複頻率是不可能的。例如，有一系列葉片閃爍的重複頻率為28赫茲，那麼它可能由B105直升機產生，也可能由美國Bradley2B直升機產生。考慮到這一點，為了增大類型識別的可靠性，尋找附加數據是可取的。
如圖1所示，在葉片閃爍譜中可以發現一個附加數據。
圖1A示意性表示出B105直升機的旋翼加上與葉片閃爍相關的頻譜。譜的正值部分是由沿著撞擊雷達幅射方向旋轉的葉片引起的。最高頻率是由尖端產生的，它通常以230米/秒的速度旋轉。譜的負值部分是由沿相反方向運動的葉片引起的。該頻譜基本上是對稱的。
圖1B示性表示出美國Bradley213直升飛機上與葉片閃爍相關的頻譜。只有朝向雷達運動的葉片垂直於雷達射束。所以，譜基本上只有正值部分。如果旋翼旋轉穿過π/3弧度的一個角，我們則遇到圖1C中所表示的情況，這裡葉片閃爍譜基本上只有負值部分。圖1指出的譜是基於直升機基本靜止不動的假定，因此來自直升機機身的反射所產生的都卜勒信號頻率近似於零赫茲。如果直升機以某一速度向著雷達設備的方向運動，整個譜將沿正方向移動。因為直升機的速度基本上只是葉片尖端速度的一小部分，如圖1A、B、C所示頻譜的性質將保持不變。
圖2表示根據本發明構成的雷達設備的一個可能實施例的方框圖。利用天線裝置2和發射機1向著直升機方向發射雷達輻射。通過天線裝置2，反射信號被加到接收機3並與取自發射機的一個參考信號混合。這樣得到的外差信號在A/D(模/數)轉換器4中被數位化並送到傅立葉分析裝置5，它通常是一個FFT(快速傅立葉變換)單元。處理器6檢驗這樣得到的譜，以檢驗是否存在葉片閃爍，檢驗譜的形狀以及相繼葉片閃爍之間的間隔時間。這樣便可能以大的測量概率來識別直升機類型並提供給指示裝置7去顯示。
在根據本發明構成的雷達設備的第一個具體實施例中，由發射機1發射出波長為23釐米的CW雷達輻射。假定一個通常的葉片尖端速度230米/秒，這產生一個頻率範圍可能是-2千赫茲至+2千赫茲的都卜勒信號。A/D轉換器4將把該信號數位化，其採樣頻率為4千赫茲，並將這一數位訊號送到傅立葉分析裝置5，它是一個4點FFT單元。這個FFT單元有四個輸出信號，它們代表-2千赫、-1千赫、0千赫及1千赫。代表一1千赫和1千赫信號的模被送到處理器6，在這種情況下該處理器6有兩個門限電路和一個組合電路。如果這些信號中至少有一個超過了預先設定的門限，便將產生一個葉片閃爍檢測信號。如果兩個信號的強度基本相等，則認為旋翼葉片數目為偶數。如果兩個信號交替出現，則認為旋翼葉片數目為奇數。處理器6再進一步檢查相葉片閃爍之間的間隔時間，在此之後便能以較大概率確認直升機的類型。
上述第一具體實施例能在幾個方面進行相當大的改進。一個改進對被觀測的直升機產生一個距離指示。第二個改進是減小由於l/f噪聲引起的CW雷達固有的幾乎不可避免的檢測能力損失。所接收的都卜勒頻移信號必須與來自發射機1的l/f噪聲作鬥爭，這種噪聲從任何附近物體反射後進入接收機3。由於在上面描述的實施例中多普載頻移信號只是從發射的CW信號偏移大約1千赫茲，可以預料會有嚴重的檢測能力損失。
在第二個具體實施例中，發射機也發射波長大約23釐米的CW雷達能量，然而在這種情況下提供了FM-CW(頻率調製一連續波)調製。一個鋸齒頻率調製可能是適宜的，這裡以一個周期性間隔，其頻率在500微秒時間內線性增大到2.5兆赫茲。利用這種眾所周知的方法能使靜止的目標產生外差信號，其頻率取決於目標和雷達設備的距離。傅立葉分析裝置5可以由有256個輸出的FFT單元構成，用於將一個鋸齒頻率調製周期內得到的外差信號分成0.2千赫、4千赫、…，512千赫共256個頻率段。這些頻率段依次對應於0.60米、120米、…，15360米的距離。這樣，便實現了從技術文獻中眾所周知的FM-CW雷達設備。如果這個雷達設備指向一架基本靜止的直升機，所產生的頻譜包含直升機機身引起的外差頻率，這個頻率對於每個周期是相同的，而在發生葉片閃爍期間則產生更複雜的頻譜。這個譜對應於圖1所表示的譜之一，只是在這種情況下它有一個頻譜，其移動頻率對應於機身反射引起的外差頻率。
圖3表示根據第二具體實施例的雷達設備的處理器6的方框圖。與傅立葉分析裝置5的N個輸出相連的處理器6將首先去掉靜止目標的所有反射信號。為此目的，處理器6有N個高通濾波器8.1、…，8.N，與傅立葉分析裝置5的N個輸出端C1、…、CN相連。通過選擇濾波器的截止頻率，使得例如來自轎車或其他車輛的反射也被阻止，只有由葉片閃爍引起的譜最終提供濾波器輸出信號。這些濾波器輸出信號被送到確定模值部件9.1、…、9N。它們的輸出被送到門限電路10.1、…、10.N。通過門限(threshold)的數據被存儲於中介存儲器11，例如可以存儲每個周期裡發生通過門限電路個數。在一個周期內幾個連續的數目可能指示直升飛機的存在。
與第一實施例完全相似，帶有偶數個旋翼葉片的直升飛機將產生一個比較寬的頻譜，它對相繼的閃爍是相同的。帶有奇數個旋翼葉片的直升機將產生較窄的頻譜，而且從一次閃爍到下一次閃爍該譜發生變化，但對於偶數閃爍連續出現相同頻譜，對於奇數閃爍也連續出現相同頻譜。在上述第二具體實施例中，帶有偶數個旋翼葉片的直升機產生的輸出信號一般在每個周期裡有連續四次通過門限。帶有奇數個旋翼葉片的直升機產生的輸入信號一般在每個周期裡有連續二次通過門限，同時奇數和偶數閃爍頻譜一般在不同的門限電路產生輸出信號，例如交替出現在10.j、10.j+1及10.j+2、10.j+3。
中介存儲器由第一組合裝置12讀取，該裝置將來自一次閃爍的基本連續發生的通過門限數據組合成一組，它確定該組的頻譜寬度，並對該組確定與該組對應的直升飛機到雷達設備的距離。根據頻譜寬度，第一組合裝置再努力去確定有關直升飛機的旋翼葉片個數的奇偶。在一個周期內多於五個連續通過門限的組或在一個周期內少於二個連續通過門限的組被第一組合裝置排除。如果一次在所述波長的持續時間約為500微秒的葉片閃爍至少是基本上與鋸齒頻率調製的一個周期吻合，那麼便有可能根據一次葉片閃爍確定葉片個數為奇數或偶數。如果一次葉片閃爍部分發生在一個周期，部分發生在另一個周期，那麼這種情況是不夠有利的。結果譜的加寬可能使根據這一單次葉片閃爍不可能得出結論。於是可能需要第二次測量。第一組合裝置被設計成將二個或更多個連續周期內的通過門限數據組合成一組。
由第一組合裝置確定的組合連同系統時間一起被送到第二組合裝置13。這一裝置試圖收集和組合連續發生的直升飛機中葉片閃爍。為此目的，將具有相等距離和相等譜寬度的各組組合起來並確定其延遲時間。第二組合裝置提供圖形信息，其中至少包含距離、葉片閃爍頻率以及用於確定旋翼葉片個數奇偶的參數。這樣得到的圖形的可靠性和可再生性已達到如此程度，以至能在第二具體實施例基礎上實現一個直升飛機搜索雷達設備。然而，對於該搜索雷達設備的一個先決條件是其天線裝置2的尺度應對每種可能的直升飛機都能觀測至少二次連續發生的葉片閃爍。這樣，便有可能在任何時候確定旋翼葉片個數是奇數或偶數，並確定葉片閃爍頻率。對於天線裝置2，一種可能的選擇是每分鐘轉動40圈，水平孔徑角為π/6弧度。儘管由於水平孔徑角寬使得搜索雷達設備的方位精度比較差，但方位分辨力是極好的，因為葉片閃爍一般只能在二個周期期間可以看到。
如果以第二實施例為基礎實現一個搜索雷達設備，那麼第二組合裝置13根據連續數據組能夠估計直升飛機的方位，它可以加到圖形信息中。於是能在跟蹤儀14中處理這些圖形信息以產生目標蹤跡，供指示裝置7上顯示。
跟蹤儀有減低誤報警率的優點。為此目的，跟蹤儀14要求例如某種類型的直升飛機在至少連續二次天線轉動期間在相似距離和相似方位被觀測到。然而，這使得對彈跳(pop-up)的直升機作快速檢測成為不可能。為了這一目的，第二組合裝置13裝備了一個資料庫，用戶可以從中指定三種認為有高度威協的直升飛機類型。如果一架這樣指定的直升機被檢測到，也就是說，如果產生的圖形信息有類似的特徵，該圖形信息便立即通過導線15傳送給指示裝置7。
在第二具體實施例中，由l/f噪聲造成的檢測能力損失效應較小。例如，假定在7.5千米距離上被檢測到一架直升機，該直升機的頻譜將處在250千赫茲附近。如果搜索雷達設備是根據第一具體實施例實現的，那麼同一直升機的頻譜將在1千赫茲附近。關於l/f噪聲的貢獻，其結果是幾乎為50分貝的改善。
然而，在雷達設備附近的具有大雷達截面的目標會增大噪聲水平，甚至會達到使門限民路10.1、…、10.N啟動的程度。為避免這種情況，對處理器6提供了一個常數誤報警處理器CFAR16。根據已知的與調整門限值D1、…、DN有關的方法，該處理器的目的在於使每單位時間內通過門限數目基本上保持為常數。由於在天線裝置2轉動過程中這樣的目標是逐漸出現於天線射束中的，因此能得到有效的CFAR。
CFAR的另一實施例將門限功能和CFAR功能與第一組合裝置12結合在一起。於是門限電路10.1、…10.N和CFAR消失了。由確定模值部件9.1、…、9.N產生的信號強度將立即以二維場形式存儲於中介存儲器11，它的一部分示於圖4。連續的周期沿水平方向存儲，由確定模值部件9.1、…、9.N產生的信號強度沿垂直方向存儲。這個二維場由一個二維窗進行掃描以發現直升飛機的存在，在這一舉例中，此二維窗是7個周期乘以7個信號強度。這裡，中心區17的信號強度被送到門限電路並與周邊區18計算出的平均信號強度比較。第一組合裝置12可以設計成高速處理器，它首先用門限檢查二維場中出現的信號強度，接下來將單個通過門限信號組合成組，最後檢查相應於這些組的直升飛機旋翼葉片數目是奇數或是偶數。這個CFAR的另一實施例的優點是雷達設備對幹擾不那麼敏感，特別是對噪聲幹擾不那麼敏感。
雖然對第一以及第二實施例，已選用了波長為23釐米的雷達輻射，但每種波長都適合於這裡描述的發明。長波長的好處在於葉片閃爍有較長的持續時間並且只分布於頻譜的一小部分上，從而對處理費用帶來有利影響。另一方面，短波長會增大旋翼葉片的雷達截面並減小天線尺度。
權利要求
1.都卜勒雷達設備，由耦合於天線裝置的發射機和接收機及耦合接收機的處理器組成，用於利用直升飛機旋翼葉片引起的葉片閃爍來監測直升飛機通過確定葉片閃爍的重複頻率來識別直升飛機，其特點在於對該雷達設備提供了對單個葉片閃爍確定都卜勒譜的手段。
2.如權利要求1中的都卜勒雷達設備，其特點在於所裝備的發射機用於發射周期性的線性頻率調製信號;接收機裝備有混頻裝置，用於從代表發射信號的信號和所接收的雷達反射信號產生一個外差信號;處理裝置裝備有傅立葉分析裝置，用於將源於連續周期信號的外差信號變換成連續譜，這裡每個譜由N個複數值(N＝2，3，4，…)表示。
3.如權利要求2中的都卜勒雷達設備，其特點在於對於連續的周期，將N個複數值加到N個高通濾波器，後接N個確定模值部件;N個門限電路連到N個確定模值部件輸出端;通過門限數據存儲於中介存儲器供進一步。
4.如權利要求3中的都卜勒雷達設備，其特點在於向處理器提供了一處常數誤報警率裝置，用於調整與門限電路相連繫的門限值，從而使單位時間內通過門限數目基本上為常數。
5.如權利要求3或4中的都卜勒雷達設備，其特點在於對處理器提供了第一組合裝置，用於根據存儲於中介存儲器內的通過門限數據確定相應於單次葉片閃爍的通過門限組，還提供了一個裝置用於確定對應於這些組的直升飛機的距離以及確定這些直升機的葉片數目是奇數或是偶數。
6.如權利要求2中的都卜勒雷達設備，其特點在於對於連續的各周期，將N個複數值送到N個高通濾波器，濾波器後接N個確定模值部件，這些部件的輸出值存儲於寬度為N的存儲器場供進一步處理。
7.如權利要求6中的都卜勒雷達設備，其特點在於對處理器提供了對存儲器場操作的確定門限值裝置，用於按滑動窗法得到常數誤報警率，對存儲器場操作的門限裝置;用於確定與單次葉片閃爍對應的通過門限組的組合裝置;以及用於確定與這些組對應的直升機距離和確定這些直升機葉片數目是奇數或是偶數的裝置。
8.如權利要求5或7中的都卜勒雷達設備，其特點在於由一架直升機對應組的一個頻譜內的位置確定該直升機的距離，由該組的寬度確定棒旋翼的結構。
9.如權利要求8中的多普載雷達設備，其特點在於對處理器提供了第二組合裝置，用於根據至少是基本對應的頻譜特徵將相繼各組組合，以得到葉片閃爍頻率。
10.如權利要求9中的都卜勒雷達設備，其特點在於安裝的天線裝置用於繞著基本垂直的搜索軸轉動並向處理器提供方位角信息。
11.如權利要求10中的都卜勒雷達設備，其特點在於對第二組合裝置提供了一個方位估計裝置，用於在天線裝置的已知天線射束寬度基礎上確定與具有基本對應的頻譜特徵的相繼組相關聯的直升飛機的方位角。
12.如權利要求11中的都卜勒雷達設備，其特點在於處理器還包括跟蹤裝置，用於將第二組合裝置在天線裝置至少旋轉兩周期間得到的輸出信號組合起來，用以得到指示裝置所需要的驅動信號，其中至少包括距離、方位及被檢測到的直升飛機的類型信息。
13.如權利要求12中的雷達裝置，其特點在於對第二組合裝置提供了一個裝置，如果具有基本對應的頻譜特徵的相繼組之間的時間延遲滿足給定數據，該裝置便產生指示裝置所需的驅動信號。
全文摘要
本發明是利用具有發射機(1)、天線裝置(2)及接收機(3)的FM—CW雷達設備觀測與識別直升飛機的設備。由旋翼葉片引起的葉片閃爍被A/D轉換器(4)數位化並由傅立葉分析裝置(5)處理器(6)處理，以確定直升飛機到雷達裝置的距離及旋翼對稱性特徵。這些對稱性特徵與葉片閃爍頻率一起產生一個基本明確的直升飛機類型指示。
文檔編號G01S13/34GK1072267SQ9211165
公開日1993年5月19日 申請日期1992年10月15日 優先權日1991年10月16日
發明者理察·埃居阿得斯·瑪麗·傑拉德·拉·格蘭格, 威廉·安德裡斯·霍爾 申請人:荷蘭塞納拉帕拉塔公司