專(zhuān)利名稱(chēng)：用于非線性fm波形的rf信道校準(zhǔn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及雷達(dá)，更具地說(shuō)，涉及天氣雷達(dá)校準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
一些天氣雷達(dá)系統(tǒng)，諸如Honeywell RDR-4000，發(fā)射脈沖壓縮波形，其所接收的信號(hào)在處理期間進(jìn)行脈沖壓縮。(脈沖壓縮波形的一些例子是線性或非線性FM丘普脈沖和巴克碼等。)處理所接收的數(shù)據(jù)要求所發(fā)射的脈沖壓縮波形和所接收的雷達(dá)信號(hào)都通過(guò)在脈沖帶寬上具有平滑幅度和線性相位的系統(tǒng)。在系統(tǒng)前端的相位和幅度誤差通過(guò)使所發(fā)射和接收的信號(hào)失真而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，由此增加了壓縮后的范圍旁瓣。為了實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)性能，這些誤差必須保持在固定水平。然而，模擬前端所要求的誤差預(yù)算太嚴(yán)格，無(wú)法保證在所有工作條件上進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)槟承┦д媸怯砂l(fā)射器上升時(shí)間的非線性產(chǎn)生的，因此傳統(tǒng)的只有頻率均衡技術(shù)不足以校正信道中的所有差錯(cuò)。對(duì)于不同的波形，誤差也會(huì)有所不同。
天氣雷達(dá)的硬件可改進(jìn)得更加強(qiáng)壯，并由此將失真降低到可接受的水平。然而，這種解決方案會(huì)產(chǎn)生實(shí)際上較大的天氣雷達(dá)系統(tǒng)，每個(gè)單元的成本都大大增加了。
因此，存在這樣一種需求降低脈沖壓縮天氣雷達(dá)系統(tǒng)中的失真，而不增加硬件復(fù)雜度，也不會(huì)大大增加每個(gè)單元的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種執(zhí)行所接收脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)自校準(zhǔn)的系統(tǒng)、方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。該系統(tǒng)包括天線、接收器、發(fā)射器和雷達(dá)信號(hào)處理器。在正常(非校準(zhǔn))操作下，雷達(dá)發(fā)射器生成脈沖壓縮波形，并通過(guò)天線發(fā)射它。來(lái)自此波形的任何反射由同一天線檢測(cè)，并由接收器進(jìn)行處理。前端處理接下來(lái)涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換，并還可包括幾個(gè)中間處理級(jí)。所得到的數(shù)字化、預(yù)處理的所接收雷達(dá)信號(hào)然后進(jìn)行脈沖壓縮，繼之以由雷達(dá)處理器執(zhí)行的更多的模式特定處理(風(fēng)切變、天氣、地形圖等)。
在校準(zhǔn)期間，雷達(dá)發(fā)射器生成類(lèi)似的脈沖壓縮波形(即，校準(zhǔn)脈沖)，但不是被發(fā)射到天線，校準(zhǔn)脈沖是通過(guò)內(nèi)置在硬件中的“校準(zhǔn)路徑”被直接發(fā)送到接收器。在本發(fā)明的一個(gè)方面，校準(zhǔn)脈沖通過(guò)天線發(fā)射，也可通過(guò)校準(zhǔn)路徑直接發(fā)送到接收器。校準(zhǔn)信號(hào)在被發(fā)送到雷達(dá)處理器之前也要經(jīng)過(guò)正常的前端預(yù)處理。所得到的校準(zhǔn)脈沖然后與之前定義的理想信號(hào)和校準(zhǔn)路徑噪聲水平的估計(jì)一起用于生成一組頻域加權(quán)因子。這些加權(quán)因子然后相對(duì)于噪聲增益進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以創(chuàng)建校準(zhǔn)濾波器。在本發(fā)明的一個(gè)方面，雷達(dá)處理器基于之前生成的相關(guān)校準(zhǔn)濾波器來(lái)修改校準(zhǔn)濾波器。
在脈沖壓縮之前或之后，在頻域向所接收的雷達(dá)信號(hào)應(yīng)用校準(zhǔn)濾波器。


下面參考以下附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選和備選實(shí)施例。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明形成的示范天氣雷達(dá)系統(tǒng)的框圖；圖2-5示出由圖1所示系統(tǒng)執(zhí)行的示范校準(zhǔn)過(guò)程；圖6示出校準(zhǔn)前的信號(hào)和校準(zhǔn)后的信號(hào)。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了脈沖壓縮天氣雷達(dá)系統(tǒng)10，它使用由雷達(dá)系統(tǒng)10產(chǎn)生的實(shí)際波形確定校準(zhǔn)濾波器，并在處理所接收的脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)時(shí)使用該濾波器。雷達(dá)系統(tǒng)10包括發(fā)射器11、天線12、接收器15以及具有存儲(chǔ)器18的雷達(dá)處理器17。
參考圖2，示出了由雷達(dá)系統(tǒng)10執(zhí)行的過(guò)程44。在步驟50和52，發(fā)射器11通常通過(guò)天線12將脈沖壓縮波形發(fā)送出去。在掃描過(guò)程中的某些時(shí)刻，發(fā)射器11而是通過(guò)校準(zhǔn)路徑53將一個(gè)或多個(gè)校準(zhǔn)波形直接發(fā)送到接收器15。在步驟56，接收器15檢測(cè)通過(guò)接收路徑54從天線12到來(lái)的信號(hào)，或通過(guò)校準(zhǔn)路徑53從發(fā)射器11到來(lái)的信號(hào)。這兩種類(lèi)型的信號(hào)都被發(fā)送到雷達(dá)處理器17，以在步驟58進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和前端預(yù)處理。在步驟60，然后根據(jù)正在處理的信號(hào)類(lèi)型，執(zhí)行附加的脈沖處理步驟。在接收器15接收校準(zhǔn)信號(hào)并將其發(fā)送到雷達(dá)處理器17的情況下，創(chuàng)建校準(zhǔn)濾波器，并在步驟62將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器18中。如果向信號(hào)應(yīng)用之前存儲(chǔ)的校準(zhǔn)濾波器，那么從存儲(chǔ)器18中進(jìn)行檢索。在接收器15接收雷達(dá)返回信號(hào)并將其發(fā)送到雷達(dá)處理器17的情況下，脈沖處理可包括脈沖壓縮和用所存儲(chǔ)的校準(zhǔn)濾波器進(jìn)行濾波。然后在步驟64，雷達(dá)返回信號(hào)還根據(jù)需要進(jìn)行模式處理和顯示處理。
因?yàn)槭褂糜衫走_(dá)系統(tǒng)10產(chǎn)生的實(shí)際脈沖壓縮波形創(chuàng)建校準(zhǔn)濾波器，所以雷達(dá)系統(tǒng)10不斷地適應(yīng)于其組件所經(jīng)歷的任何變化，諸如溫度和壓力變化，其可導(dǎo)致時(shí)域或頻域的信號(hào)失真。這還考慮了可能由發(fā)射器11的上升時(shí)間中的非線性或信道中的誤差所引起的任何失真，對(duì)于不同的波形這可能有所變化。校準(zhǔn)路徑13和接收路徑14必須被相位和幅度匹配到系統(tǒng)的所需最終精度內(nèi)。
圖3示出了由圖1所示發(fā)射器11所執(zhí)行的信號(hào)發(fā)射過(guò)程100。過(guò)程100在脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)10的正常操作期間執(zhí)行。由此，雷達(dá)系統(tǒng)10一被激活(即，開(kāi)始發(fā)射雷達(dá)脈沖)，過(guò)程100就在判斷框110開(kāi)始，在此確定是否是在雷達(dá)掃描中執(zhí)行校準(zhǔn)的合適時(shí)間或地點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，在掃描中執(zhí)行校準(zhǔn)的時(shí)間或地點(diǎn)是在每個(gè)雷達(dá)掃描周期的結(jié)尾處。在掃描期間可以執(zhí)行任何次校準(zhǔn)。如果確定不是要執(zhí)行校準(zhǔn)的時(shí)間或地點(diǎn)，則在步驟113去激活校準(zhǔn)路徑13，并在步驟114通過(guò)天線12發(fā)射脈沖壓縮波形。如果在判斷框110確定是要執(zhí)行校準(zhǔn)的時(shí)間或地點(diǎn)，那么在步驟111激活校準(zhǔn)路徑13，并在步驟112將校準(zhǔn)波形直接發(fā)射到接收器15。在一個(gè)實(shí)施例中，校準(zhǔn)波形通過(guò)天線12發(fā)射，也可直接發(fā)送到接收器15。
圖4示出了圖1中步驟60的過(guò)程。在步驟58進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和前端預(yù)處理之后，在判斷框170確定信號(hào)是校準(zhǔn)信號(hào)還是所接收的雷達(dá)信號(hào)。如果信號(hào)是校準(zhǔn)信號(hào)，則在步驟171計(jì)算校準(zhǔn)濾波器。在一個(gè)實(shí)施例中，新計(jì)算的、定義校準(zhǔn)濾波器的濾波器系數(shù)然后用于更新之前存儲(chǔ)的濾波器系數(shù)(見(jiàn)步驟172)，這使用公式諸如公式(1)所示的示范公式來(lái)完成UpdatedFilter＝A*Pr eviousFilter+(1-A)*NewFilter(1)式中A是0和1之間的標(biāo)量，并基于系統(tǒng)參數(shù)來(lái)確定。所得到的濾波器系數(shù)在步驟173存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器18中。
如果在判斷框170確定信號(hào)是所接收的脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)，則在步驟174信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮，繼之以在步驟175應(yīng)用最近存儲(chǔ)的校準(zhǔn)濾波器。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)將脈沖壓縮的雷達(dá)信號(hào)與校準(zhǔn)濾波器系數(shù)相乘來(lái)在頻域應(yīng)用濾波器。在另一實(shí)施例中，校準(zhǔn)濾波器可在時(shí)域應(yīng)用。在又一實(shí)施例中，可在雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮之前，在時(shí)域或頻域向雷達(dá)信號(hào)應(yīng)用校準(zhǔn)濾波器。
在脈沖壓縮和校準(zhǔn)濾波器應(yīng)用之后，在最終雷達(dá)顯示被呈現(xiàn)給空勤人員或其它用戶(hù)之前，根據(jù)其模式或類(lèi)型(天氣、風(fēng)切變等)進(jìn)一步處理雷達(dá)信號(hào)，步驟64。
圖5示出了在步驟171(圖4)執(zhí)行的校準(zhǔn)濾波器的計(jì)算。在步驟171，基于接收器15所接收的信號(hào)和之前確定的理想信號(hào)來(lái)確定校準(zhǔn)濾波器。理想信號(hào)是對(duì)理想脈沖執(zhí)行所有前端預(yù)處理級(jí)的期望結(jié)果。
在步驟1710，最好使用快速傅立葉變換(FFT)將所接收信號(hào)中的每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)換到頻域。在步驟1711，如果已經(jīng)接受到多個(gè)校準(zhǔn)脈沖，則在每個(gè)頻率對(duì)每個(gè)脈沖類(lèi)型的校準(zhǔn)脈沖求平均。接下來(lái)，在步驟1712，基于頻域中的理想信號(hào)確定一組校準(zhǔn)加權(quán)因子，見(jiàn)步驟1714。公式(2)是用于生成在圖5的步驟1712中所執(zhí)行的校準(zhǔn)加權(quán)因子的示范公式W=I·C*+NC·C*+N---(2)]]>式中W＝該組頻域校準(zhǔn)加權(quán)因子I＝理想信號(hào)(在頻域)C＝在每個(gè)頻率的校準(zhǔn)脈沖的平均值C*＝C的復(fù)共軛N＝校準(zhǔn)路徑噪聲功率的估計(jì)最后，在步驟1713，校準(zhǔn)加權(quán)因子相對(duì)于噪聲增益進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以創(chuàng)建校準(zhǔn)濾波器。公式(3)是用于相對(duì)于噪聲增益對(duì)校準(zhǔn)加權(quán)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的示范公式calFiltern=WnΣk=1k=fftsize|PCk|2Σk=1k=fftsize|PCk|2·|Wk|2,n=1,2,···,fftsize---(3)]]>式中W＝在公式(2)中所用的那組校準(zhǔn)加權(quán)因子PC＝用于此脈沖的頻域脈沖壓縮濾波器系數(shù)CalFilter＝所得到的標(biāo)準(zhǔn)化的頻域校準(zhǔn)濾波器系數(shù)圖6示出了未校準(zhǔn)的脈沖壓縮脈沖250、理想脈沖壓縮脈沖252和已經(jīng)使用校準(zhǔn)濾波器進(jìn)行校準(zhǔn)的脈沖壓縮脈沖254的圖示。未校準(zhǔn)的信號(hào)250包括許多不希望有的旁瓣，這些旁瓣通過(guò)應(yīng)用如上所述的校準(zhǔn)過(guò)程來(lái)去除。噪聲功率由256表示。
雖然如上所述，已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)可以進(jìn)行許多修改。因此，本發(fā)明的范圍并不受所公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施例的限制。而是，本發(fā)明應(yīng)完全參考如下權(quán)利要求書(shū)來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括基于在接收器從發(fā)射器接收的校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)、噪聲估計(jì)以及之前定義的理想信號(hào)，生成校準(zhǔn)濾波器；以及通過(guò)向在所述接收器從天線接收的反射脈沖壓縮信號(hào)應(yīng)用所生成的校準(zhǔn)濾波器，生成校準(zhǔn)信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)繞過(guò)所述天線。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中生成校準(zhǔn)濾波器還基于之前生成的相關(guān)校準(zhǔn)濾波器。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中生成所述校準(zhǔn)濾波器包括基于所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)生成數(shù)字信號(hào)；基于所生成的數(shù)字信號(hào)生成頻域信號(hào)；以及基于所述頻域信號(hào)、所述理想信號(hào)和所述噪聲估計(jì)，生成一組加權(quán)因子。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中生成校準(zhǔn)濾波器包括相對(duì)于噪聲增益對(duì)所述加權(quán)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)由雷達(dá)前端處理組件進(jìn)行處理。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括基于所述校準(zhǔn)信號(hào)顯示圖像。
8.一種裝置，包括用于基于在接收器從發(fā)射器接收的校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)、噪聲估計(jì)以及之前定義的理想信號(hào)生成校準(zhǔn)濾波器的部件；以及用于通過(guò)向在所述接收器從天線接收的反射脈沖壓縮信號(hào)應(yīng)用所生成的校準(zhǔn)濾波器生成校準(zhǔn)信號(hào)的部件。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)繞過(guò)所述天線。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中用于生成所述校準(zhǔn)濾波器的所述部件還基于之前生成的校準(zhǔn)濾波器生成所述校準(zhǔn)濾波器。
11.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中用于生成所述校準(zhǔn)濾波器的所述部件包括用于基于所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)生成數(shù)字信號(hào)的部件；用于基于所生成的數(shù)字信號(hào)生成頻域信號(hào)的部件；以及用于基于所述頻域信號(hào)、所述理想信號(hào)和所述噪聲估計(jì)生成一組加權(quán)因子的部件。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中用于生成所述校準(zhǔn)濾波器的所述部件包括用于相對(duì)于噪聲增益對(duì)所述加權(quán)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的部件。
13.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)由雷達(dá)前端處理組件進(jìn)行處理。
14.如權(quán)利要求8所述的裝置，還包括用于基于所述校準(zhǔn)信號(hào)顯示圖像的顯示器。
15.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，駐留在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上，所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括用于基于在接收器從發(fā)射器接收的校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)、噪聲估計(jì)以及之前定義的理想信號(hào)生成校準(zhǔn)濾波器的組件；以及用于通過(guò)向在所述接收器從天線接收的反射脈沖壓縮信號(hào)應(yīng)用所生成的校準(zhǔn)濾波器生成校準(zhǔn)信號(hào)的組件。
16.如權(quán)利要求15所述的產(chǎn)品，其中所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)繞過(guò)所述天線。
17.如權(quán)利要求15所述的產(chǎn)品，其中用于生成所述校準(zhǔn)濾波器的所述組件還基于之前生成的相關(guān)校準(zhǔn)濾波器生成所述校準(zhǔn)濾波器。
18.如權(quán)利要求15所述的產(chǎn)品，其中用于生成所述校準(zhǔn)濾波器的所述組件包括用于基于所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)生成數(shù)字信號(hào)的組件；用于基于所生成的數(shù)字信號(hào)生成頻域信號(hào)的組件；以及用于基于所述理想信號(hào)和所述噪聲估計(jì)生成所述頻域信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)加權(quán)因子的組件。
19.如權(quán)利要求18所述的產(chǎn)品，其中用于生成所述一個(gè)或多個(gè)加權(quán)因子的所述組件還包括用于相對(duì)于噪聲增益對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)加權(quán)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的組件。
20.如權(quán)利要求15所述的產(chǎn)品，其中所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)在由用于生成所述一個(gè)或多個(gè)加權(quán)因子的所述組件使用之前，由雷達(dá)前端處理組件進(jìn)行處理。
21.如權(quán)利要求15所述的產(chǎn)品，還包括用于準(zhǔn)備基于所述校準(zhǔn)信號(hào)顯示圖像的組件。
22.一種自校準(zhǔn)雷達(dá)系統(tǒng)，包含雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器，所述系統(tǒng)包括天線；接收器，與所述天線進(jìn)行信號(hào)通信；發(fā)射器，與所述天線、所述雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器和所述接收器進(jìn)行信號(hào)通信，所述發(fā)射器基于所述雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器發(fā)送的脈沖壓縮信號(hào)生成脈沖壓縮波形和校準(zhǔn)脈沖壓縮波形，其中所述脈沖壓縮波形被發(fā)射到所述天線，且所述校準(zhǔn)脈沖壓縮波形被發(fā)射到所述接收器，其中所述天線接收所發(fā)射的脈沖壓縮波形的反射，并將所發(fā)射的脈沖壓縮波形的反射發(fā)送到所述接收器；以及雷達(dá)處理器，與所述接收器進(jìn)行信號(hào)通信，所述雷達(dá)處理器包括配置為基于所述接收器接收的所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)、噪聲估計(jì)以及之前定義的理想信號(hào)生成校準(zhǔn)濾波器的組件；以及配置為通過(guò)向所述天線接收的反射脈沖壓縮信號(hào)應(yīng)用所生成的校準(zhǔn)濾波器生成校準(zhǔn)雷達(dá)信號(hào)的組件。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中配置為生成所述校準(zhǔn)濾波器的所述組件還基于之前生成的相關(guān)校準(zhǔn)濾波器生成所述校準(zhǔn)濾波器。
24.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中配置為生成所述校準(zhǔn)濾波器的所述組件包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器，配置為基于所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)生成數(shù)字信號(hào)；快速傅立葉變換組件，配置為基于所生成的數(shù)字信號(hào)生成頻域信號(hào)；以及配置為基于所述頻域信號(hào)、所述理想信號(hào)以及所述噪聲估計(jì)生成一個(gè)或多個(gè)加權(quán)因子的組件。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中配置為生成所述校準(zhǔn)濾波器的所述組件包括配置為相對(duì)于噪聲增益對(duì)所示一個(gè)或多個(gè)加權(quán)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的組件。
26.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述校準(zhǔn)脈沖壓縮信號(hào)由雷達(dá)前端處理組件進(jìn)行處理。
27.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，還包括用于基于所述校準(zhǔn)信號(hào)顯示圖像的顯示器。
全文摘要
提供了一種執(zhí)行脈沖壓縮雷達(dá)信號(hào)自校準(zhǔn)的系統(tǒng)、方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。該系統(tǒng)包括天線、接收器、發(fā)射器和雷達(dá)信號(hào)處理器。在正常(非校準(zhǔn))操作下，雷達(dá)發(fā)射器生成脈沖壓縮波形，并通過(guò)天線發(fā)射它。來(lái)自此波形的任何反射由同一天線檢測(cè)，并由接收器進(jìn)行處理。所接收的雷達(dá)信號(hào)然后進(jìn)行脈沖壓縮，繼之以由雷達(dá)處理器執(zhí)行的更多模式特定的處理(風(fēng)切變、天氣、地形圖等)。在校準(zhǔn)期間，雷達(dá)發(fā)射器生成類(lèi)似的脈沖壓縮波形(即，校準(zhǔn)脈沖)，但校準(zhǔn)脈沖繞過(guò)天線，通過(guò)內(nèi)置在硬件中的“校準(zhǔn)路徑”被直接發(fā)送到接收器。所得到的校準(zhǔn)脈沖用于生成校準(zhǔn)濾波器。在脈沖壓縮之前或之后，在頻域向所接收的雷達(dá)信號(hào)應(yīng)用校準(zhǔn)濾波器。
文檔編號(hào)G01S7/40GK101069103SQ200580012641
公開(kāi)日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2005年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者J·A·赫斯特, G·M·洛根, D·M·吉德納 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司