專利名稱：雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達(dá)，特別涉及用于商用機(jī)場和軍事空軍基地中的空中交通管制的這種雷達(dá)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本地空中交通管制初級雷達(dá)的目的是檢測機(jī)場附近位于所有操作高度的和位于多達(dá)大約70海里(大約130km)范圍內(nèi)的配合和不配合的空運(yùn)目標(biāo)。這樣的雷達(dá)始終如一地操作，以便處理回波信號的頻率擴(kuò)展來確定是否存在由目標(biāo)回波的徑向運(yùn)動導(dǎo)致的多普勒頻移的跡象。如果不存在多普勒頻移，則回波被假定來自于靜態(tài)雜波，因此能夠被消除，然而那些具有顯著多普勒回波的回波被假定來自于飛行器目標(biāo)且通過濾波系統(tǒng)、被檢測并被輸出為雷達(dá)圖。這樣的處理系統(tǒng)可以具有不同程度的精密度和分辨率，并且通過像運(yùn)動目標(biāo)指示(MTI)、運(yùn)動目標(biāo)檢測(MTD)或者脈沖多普勒(Pulse-DoppIe )這樣的名字來描述。這些布置，與使用等高線圖和雜波圖來對超過多普勒濾波器的偶發(fā)多余雜波回波進(jìn)行濾波一起，到現(xiàn)在一直工作良好，并且其有可能以高確定度辨別飛行器和背景雜波。然而，近來為了減少對石油燃料的依賴，使用風(fēng)力渦輪機(jī)作為動力源已變得普遍。這樣的風(fēng)力渦輪機(jī)通常包括高度達(dá)180m的支撐機(jī)艙的塔和直徑多達(dá)80m的被轉(zhuǎn)成與主導(dǎo)風(fēng)向垂直的轉(zhuǎn)子。風(fēng)力渦輪機(jī)可以單獨(dú)或者以多達(dá)200或200以上個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的大陣列形式存在于風(fēng)電場中。這樣的風(fēng)電場如果出現(xiàn)在飛機(jī)場或空軍基地的區(qū)域中，那么將對空中交通管制措施造成相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，因?yàn)轱L(fēng)電場將具有顯著大于必須檢測的大多數(shù)目標(biāo)的雷達(dá)截面積(RCS)的雷達(dá)截面積。例如，靜態(tài)塔可能具有大約100，OOOm2的RCS，并且葉片的RCS可能大約是1000m2，而大型客機(jī)的RCS正常情況下僅是IOOm2并且軍用噴氣式飛機(jī)的RCS可能僅是Im2的數(shù)量級。此外，風(fēng)力渦輪機(jī)可能產(chǎn)生不同量的多普勒。例如，如果轉(zhuǎn)動渦輪機(jī)使得雷達(dá)天線在轉(zhuǎn)子的平面內(nèi)查看渦輪機(jī)，那么轉(zhuǎn)子葉片將在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)移向雷達(dá)和移離雷達(dá)，這將在來自于渦輪機(jī)的回波信號中產(chǎn)生顯著的多普勒頻移。在特定的情況下，這可能表現(xiàn)為雷達(dá)回波信號中非常高強(qiáng)度的一系列閃爍，因?yàn)椴煌~片瞬時(shí)從雷達(dá)天線垂直于風(fēng)力渦輪機(jī)的方向(通常在不同葉片豎直時(shí))。這樣的結(jié)果是來自于分布式風(fēng)電場的雷達(dá)回波被視作大量雜波，在這些雜波中不能將真實(shí)目標(biāo)與源自風(fēng)電場的雜波區(qū)分開。如果使用相控陣天線，則有可能將目標(biāo)與風(fēng)電場雜波區(qū)分開，但是這樣的相控陣天線對除了軍事應(yīng)用以外的任何應(yīng)用是過于昂貴的。例如，軍事相控陣?yán)走_(dá)可能花費(fèi)大約3千萬歐元，然而空中交通管制雷達(dá)可能花費(fèi)僅3百萬歐元左右。大多數(shù)基本的本地空中交通管制雷達(dá)僅具有單個(gè)主束，該主束通常補(bǔ)充有次高級近距離波束，使得由風(fēng)電場占用的區(qū)域?qū)⑸踔猎陲w行器在渦輪機(jī)正上方的高度飛行時(shí)也對來自飛行器的回波“不起作用“。而且，雖然已經(jīng)提出通過改進(jìn)風(fēng)力渦輪機(jī)本身來減輕風(fēng)力渦輪機(jī)的影響，但是這一般是不切實(shí)際的，因?yàn)橐苍S不可能接近渦輪機(jī)。實(shí)際上，渦輪機(jī)甚至可能位于不同地區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供對現(xiàn)有雷達(dá)的改進(jìn)或升級，該改進(jìn)或升級相對便宜且能夠減輕由風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)電場引起的干擾。優(yōu)選地，該升級可以以低廉的成本幾乎安裝在任何空中交通管制雷達(dá)(通常是那種不具有以電子方式導(dǎo)向的波束的雷達(dá))中。根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種用于雷達(dá)系統(tǒng)的組件，所述雷達(dá)系統(tǒng)包括可操作以沿方位角方向運(yùn)動來掃描區(qū)域的主天線、用于從天線發(fā)射脈沖的發(fā)射器以及用于接收回波信號的接收器，所述組件可操作來使所述雷達(dá)系統(tǒng)能夠在位于所述區(qū)域內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)存在的情況下檢測目標(biāo)；所述組件包括多個(gè)輔助天線和用于處理所述回波信號的處理器，所述處理器可操作以根據(jù)在訓(xùn)練過程中由所述主天線和所述輔助天線接收的多個(gè)回波信號生成所述風(fēng)力渦輪機(jī)的標(biāo)志，生成或接收目標(biāo)的模型數(shù)據(jù)，針對目標(biāo)的存在性使用所述標(biāo)志和所述模型數(shù)據(jù)來測試回波數(shù)據(jù)，以及如果檢測到目標(biāo)，則生成代表所檢測到的目標(biāo)的數(shù)據(jù)。本發(fā)明還提供一種雷達(dá)系統(tǒng)，該雷達(dá)系統(tǒng)包括:天線，可操作以沿方位角方向運(yùn)動來掃描區(qū)域；發(fā)射器，用于從所述天線發(fā)射脈沖；和接收器，用于接收回波信號；以及根據(jù)本發(fā)明第一方面的包括輔助天線和處理器的組件。下面在描述本發(fā)明的各個(gè)方面時(shí)，可以將本發(fā)明稱為雷達(dá)系統(tǒng)，但是將理解，本發(fā)明在所有情況下不一定局限于包括雷達(dá)系統(tǒng)的像主天線這樣的傳統(tǒng)特征，并且可以僅指上面規(guī)定的可以與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)合來升級傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)的組件。根據(jù)本發(fā)明的組件具有如下優(yōu)勢:當(dāng)主發(fā)射波束掃描整個(gè)區(qū)域時(shí)，處理有效地布置接收波束空位(receive beam null)來使風(fēng)力潤輪機(jī)最小化或掩蓋掉風(fēng)力潤輪機(jī)，同時(shí)使來自真實(shí)目標(biāo)的回波最大化。該處理能夠自校準(zhǔn)(也就是說，輔助天線的準(zhǔn)確定位可能是不必要的)并且能夠在風(fēng)力渦輪機(jī)的已知距離和方位角下產(chǎn)生高程和多普勒的有效空位。附加天線可以是簡單的碟狀天線或平板印刷天線，這些天線對于批量制造來說是便宜的，并且能夠遠(yuǎn)程地配置成適合于應(yīng)用。雖然輔助天線將需要附加的接收器信道，但是這能夠容易地通過使用現(xiàn)代數(shù)字接收器來提供。所述輔助天線可以能夠與所述主天線一起旋轉(zhuǎn)或者被固定至風(fēng)力渦輪機(jī)方向上的點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的最廣方面，單個(gè)輔助天線具有的缺點(diǎn)是，在回波信號中可能存在多個(gè)空位(null)，使得回波可能在多個(gè)不同的高程處被最小化。因此，優(yōu)選的是使用多個(gè)輔助天線來生成處于不同高程的多個(gè)重疊旁瓣，使得僅在少量高程處生成空位，優(yōu)選地僅在與渦輪機(jī)的高程對應(yīng)的一個(gè)高程處生成空位。如果需要，所述組件可以包括兩個(gè)以上的輔助天線，并且可以具有任何數(shù)量的輔助天線，例如多達(dá)10個(gè)，但是優(yōu)選不超過四個(gè)固定天線，因?yàn)檫^多輔助天線可能產(chǎn)生太重的計(jì)算負(fù)擔(dān)。附加的輔助天線可以位于為天線提供的位于主天線下方或上方的結(jié)構(gòu)上，并且可以是固定的或者可以與主天線一起旋轉(zhuǎn)。在回波信號中生成空位的一種形式的設(shè)備和方法中，處理器可操作來在具有風(fēng)力渦輪機(jī)特征的噪聲背景中實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)信號匹配的檢測濾波器。在檢測測試期間接收的雷達(dá)信號被限定為向量a，該向量a的分量是在掃描波束停留時(shí)間內(nèi)來自于所有天線(在測試中的方位角的方向上)的測試中的所有脈沖的距離單元(range cell)的復(fù)振幅。該數(shù)據(jù)的測試統(tǒng)計(jì)由下式給出:
CiR-1S*其中，a是限定測試中的回波信號的向量，IT1是來自于風(fēng)力渦輪機(jī)的雷達(dá)信號的協(xié)方差矩陣估計(jì)的逆，并且s*是待檢測的目標(biāo)信號向量的復(fù)共軛。閾值h被施加于該測試統(tǒng)計(jì)，以確定回波信號是否應(yīng)被視為包含目標(biāo)。風(fēng)力渦輪機(jī)噪聲的協(xié)方差矩陣的估計(jì)可以從信號向量V中獲得，該信號向量V是具有與上面的a相同分量的、從風(fēng)力渦輪機(jī)接收的雷達(dá)信號，協(xié)方差矩陣的估計(jì)如下:R=VVh其中，H表示厄米特轉(zhuǎn)置。通常關(guān)于V的許多樣本對R求平均，以提高R的估計(jì)的精度。因此，R=<VVh>其中，括號〈> 表不平均。不需要針對在回波信號中生成的整組距離值生成回波信號的被估計(jì)的協(xié)方差矩陣R，因?yàn)檫@將需要很大的計(jì)算負(fù)擔(dān)。作為替代，有可能且優(yōu)選地使處理器僅針對回波中具有與從雷達(dá)天線至風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)電場的間隔對應(yīng)的延遲的那些值生成估計(jì)。類似地，不需要針對所有方位角生成協(xié)方差矩陣。因此，處理器可操作來僅針對與風(fēng)力渦輪機(jī)或每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的距離和方位角對應(yīng)的回波信號生成協(xié)方差矩陣R，并且優(yōu)選地可操作來針對與形成風(fēng)電場的風(fēng)力渦輪機(jī)的距離和方位角對應(yīng)的回波信號生成協(xié)方差矩陣R。在操作時(shí)，一旦雷達(dá)系統(tǒng)的操作被啟動，處理器就可以根據(jù)回波信號V的外積VVh的滑動平均(running average)來生成協(xié)方差矩陣的估計(jì)。如果可能,這可以通過單獨(dú)地針對風(fēng)力渦輪機(jī)生成估計(jì)來執(zhí)行。在主天線是反射器天線的這種情況下，來自每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的回波向量V會關(guān)于天線的每個(gè)完整轉(zhuǎn)動被采樣一次，并且該樣本可以添加至協(xié)方差矩陣的滑動平均。然而，這種過程可能具有的缺點(diǎn)是，如果在天線的每轉(zhuǎn)中從每個(gè)渦輪機(jī)僅獲得單個(gè)樣本，那么該過程可能花費(fèi)過長時(shí)間來關(guān)于每個(gè)值生成具有足夠樣本的協(xié)方差矩陣的良好估計(jì)。在此情況下，可能優(yōu)選的是對風(fēng)電場中的多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的回波取平均，或者可替代地對來自于風(fēng)電場中的所有風(fēng)力渦輪機(jī)的回波取平均?？商娲?，也許可能在訓(xùn)練過程中關(guān)于渦輪機(jī)的每個(gè)取向和測試任務(wù)以前的速度對來自于所有風(fēng)力渦輪機(jī)的回波進(jìn)行采樣，并且將協(xié)方差矩陣放入查找表中以與后來的測試條件一起使用。如果渦輪機(jī)的“閃爍”時(shí)序能夠使用來自于輔助天線之一的發(fā)射來預(yù)測，那么也許可能生成兩個(gè)協(xié)方差矩陣，一個(gè)協(xié)方差矩陣對應(yīng)于在“閃爍”期間來自于風(fēng)力渦輪機(jī)的密集回波信號，而另一個(gè)協(xié)方差矩陣對應(yīng)于在缺少“閃爍”的情況下的回波信號，并且所述處理器可操作來根據(jù)是否觀測到閃爍而生成多個(gè)匹配濾波器。該過程可以通過減少由閃爍引起的虛警的數(shù)量而提高性能。根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種在風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)電場存在的情況下檢測目標(biāo)位置的方法，該方法包括從沿方位角方向運(yùn)動的主天線發(fā)射雷達(dá)脈沖，以及處理由所述主天線和多個(gè)輔助天線接收的回波信號，該方法包括下列步驟:根據(jù)在訓(xùn)練過程中由所述主天線和所述輔助天線接收的多個(gè)回波信號生成風(fēng)力渦輪機(jī)的標(biāo)志，生成目標(biāo)的模型數(shù)據(jù)或從存儲器接收目標(biāo)的模型數(shù)據(jù)，以及針對飛行器的存在性使用標(biāo)志和模型數(shù)據(jù)測試回波信號。該方法優(yōu)選地包括下列步驟:(I)生成由天線接收的來自于風(fēng)力渦輪機(jī)的回波信號的協(xié)方差矩陣R的估計(jì)；(2)生成由下式給出的匹配濾波器a R1S*這里a是限定回波信號的向量，IT1是協(xié)方差矩陣估計(jì)的逆，并且s*是待檢測的目標(biāo)信號的復(fù)共軛；(3)將濾波器輸出與閾值相比較；以及(4)根據(jù)與所述閾值比較的濾波器輸出值，確定是否應(yīng)將回波信號視為目標(biāo)。本發(fā)明還提供一種攜帶計(jì)算機(jī)程序的載體，該計(jì)算機(jī)程序包括多個(gè)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令用于使計(jì)算機(jī)被如此編程以執(zhí)行本發(fā)明的方法。


現(xiàn)在將參照附圖通過示例描述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和雷達(dá)系統(tǒng)的一種形式，附圖中:圖1是示出傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)的示意圖；圖2示出由一種形式的雷達(dá)使用的雷達(dá)脈沖的形式；圖3示出在風(fēng)電場存在時(shí)來自這種雷達(dá)系統(tǒng)的雷達(dá)圖；圖4示意性示出可能由雷達(dá)引起的從風(fēng)力渦輪機(jī)上反射的多個(gè)閃爍；圖5示意性示出根據(jù)本發(fā)明的雷達(dá)系統(tǒng)的一種形式；圖6是根據(jù)本發(fā)明的組件和雷達(dá)的輸出的示意圖；圖7示出根據(jù)圖6中示出的雷達(dá)系統(tǒng)的輸出形成的協(xié)方差矩陣估計(jì)；以及圖8是示出在根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中使用的主要過程步驟的示意圖。
具體實(shí)施例方式參考附圖，圖1示出在飛機(jī)場或軍事空軍基地附近地區(qū)用于空中交通管制的雷達(dá)系統(tǒng)的典型形式。這種形式的雷達(dá)系統(tǒng)I一般包括:天線2 ;和用于生成和發(fā)射雷達(dá)脈沖以及用于接收、處理和顯示脈沖的電子電路。天線通常是傳統(tǒng)的拋物面反射器天線，在此拋物面反射器天線中，所發(fā)射的脈沖被送往碟形天線(dish)，碟形天線發(fā)射呈一系列脈沖形式的信號并且接收由目標(biāo)10 (在此情況下是飛機(jī))以及任何其它能夠反射信號的目標(biāo)反射后的信號。所發(fā)射的信號通常呈重復(fù)的短脈沖序列形式并且由發(fā)射器3生成，發(fā)射器3包括波形發(fā)生器4、激勵器6以及功率放大器8，激勵器6用于將所生成的波形混頻直至雷達(dá)頻率。然后，信號經(jīng)由雙工器12被發(fā)送至天線2。在信號被目標(biāo)10反射以后，所反射的信號(被稱為回波信號(returnedsignal)或回波)由天線2接收并且經(jīng)由雙工器12發(fā)送至接收器13，接收器13具有作為其第一級的低噪聲放大器14。雙工器的作用是允許天線在發(fā)射和接收時(shí)對信號進(jìn)行時(shí)間共享以及在發(fā)射器開啟時(shí)保護(hù)接收器不受損害。在回波信號被放大器14放大后，信號被發(fā)送至混頻器和放大部分16，混頻器和放大部分16通常是接著將信號與兩個(gè)本地振蕩器17的輸出混合的超外差接收器，接下來信號由脈沖壓縮器20、MTI (運(yùn)動目標(biāo)指示)消除器22和CFAR (恒虛警率)閾值24處理，并且被顯示在顯示器25上，例如顯示所檢測的圖的距離和角度的平面位置指示器(PPI)顯示器。由于天線構(gòu)造的原因，雷達(dá)將在從天線延伸出的波瓣26中表現(xiàn)出對目標(biāo)的回波信號的最大靈敏度，這樣的結(jié)果是天線將以可變的靈敏度檢測從地平面到任何給定海拔的任何高度處的目標(biāo)并且在顯示器25上生成所檢測的圖。圖2示出在一種形式的雷達(dá)中可以使用的脈沖的一般形式，但是將理解這僅是示例并且可以使用其它脈沖。對于以4秒每轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)并且具有1.5° (即1/240轉(zhuǎn))的波束寬度(這在空中交通管制雷達(dá)中是典型的)的雷達(dá)天線而言，波束將對地面上的任何位置具有大約16ms的停留時(shí)間。為了使雷達(dá)具有大約70海里(130km)的最大距離,對脈沖設(shè)置大約IkHz的脈沖頻率(PRF)，這提供Ims的脈沖間隔。圖2中示出兩個(gè)這樣的脈沖30。每個(gè)脈沖通常具有25 y s的持續(xù)時(shí)間，并且可能是偽隨機(jī)序列或者可能是用于脈沖壓縮技術(shù)的通常2MHz帶寬的啁啾(chirp)，此后是更長的時(shí)間段直到脈沖時(shí)隙結(jié)束，在此時(shí)間段期間雷達(dá)系統(tǒng)等待來自目標(biāo)的回波。該時(shí)隙可能對每個(gè)脈沖都不同，以便允許在寬的速度范圍內(nèi)檢測運(yùn)動目標(biāo)。當(dāng)將不能利用長的脈沖檢測很短距離內(nèi)的目標(biāo)時(shí)，為了能夠檢測這些目標(biāo)，還可能存在與長的脈沖交織的較短脈沖。圖3中示出了在平面位置指示器(PPI)顯示器中看到的風(fēng)電場附近的雷達(dá)系統(tǒng)的典型雷達(dá)圖。在指示器中央，能夠看見大量雜波40，這些雜波40來自于風(fēng)電場。除了此雜波以外，還能夠看見來自于目標(biāo)的一對軌跡42和43，目標(biāo)沿在雜波區(qū)域內(nèi)彼此相交的路線飛行。目標(biāo)的軌跡通過多個(gè)回波形成的處于在天線的每轉(zhuǎn)期間獲得的稍不同位置處的線來觀測。然而，由于無論目標(biāo)和風(fēng)力渦輪機(jī)的高度如何都針對每個(gè)目標(biāo)且針對風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的雜波40觀測單個(gè)回波，所以飛行器的圖簡單地消失到整塊的雜波40內(nèi)，以至于一旦飛行器離開風(fēng)電場的區(qū)域就再次出現(xiàn)。當(dāng)飛行器處于風(fēng)電場的區(qū)域內(nèi)時(shí)，不可能準(zhǔn)確跟蹤飛行器。來自于風(fēng)力渦輪機(jī)的回波將根據(jù)多種條件變化，尤其根據(jù)渦輪機(jī)相對于天線的取向變化。例如，渦輪機(jī)的塔將生成大的靜態(tài)回波，而葉片將生成具有不同尺寸和多普勒頻移的回波。在一種極端情況下，當(dāng)天線的方向與機(jī)艙對準(zhǔn)并且因此垂直于渦輪機(jī)葉片的平面時(shí)，在來自于渦輪機(jī)的回波中存在很少的多普勒頻移，而如果渦輪機(jī)取向成使得天線的方向垂直于機(jī)艙且因此位于渦輪機(jī)葉片的平面內(nèi)，那么回波如圖4所示那樣并且形成密集的信號50和一系列“閃爍”52，密集的信號50處于零多普勒頻移狀態(tài)且由風(fēng)力渦輪機(jī)上的距離不變化的桅桿(mast)或其它部分引起，一系列“閃爍”52以渦輪機(jī)葉片(假設(shè)每個(gè)渦輪機(jī)上有三個(gè)葉片)轉(zhuǎn)速的六倍速率出現(xiàn)并且具有交替的正多普勒頻移和負(fù)多普勒頻移。這些閃爍是在每個(gè)葉片瞬時(shí)移向(正頻移)或移離(負(fù)頻移)天線時(shí)由來自渦輪機(jī)葉片邊緣的反射引起的。甚至在對來自不表現(xiàn)多普勒效應(yīng)的靜態(tài)目標(biāo)(例如風(fēng)力渦輪機(jī)塔)的反射進(jìn)行抑制的MTI雷達(dá)系統(tǒng)的情況下，對源自于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的并且能夠使來自目標(biāo)的回波變渺小的雜波塊進(jìn)行觀測。圖5示意性示出根據(jù)本發(fā)明的雷達(dá)系統(tǒng)的一種形式。為了清楚起見，形成發(fā)射器3的產(chǎn)品(例如波形發(fā)生器、功率放大器和激勵器)已被移除，同樣移除了接收器13的組件(例如低噪聲放大器14、混頻器和放大部分16以及脈沖壓縮器20)。在圖5所示的系統(tǒng)中，主天線2可以是能夠發(fā)射例如圖2所示的脈沖并且能夠接收回波和處理回波以在PPI顯示器25上顯示的傳統(tǒng)反射器天線。該天線通常將具有窄的波束寬度(例如0.5°至2° )并且將圍繞豎直軸旋轉(zhuǎn)以便獲得天線周圍所有方位角度下的回波。除了主天線以外，在支撐主天線的桅桿上存在多個(gè)輔助天線62和64。這些輔助天線可以是固定的并且指向由風(fēng)力渦輪機(jī)66代表的鄰近的風(fēng)電場。可替代地，如上文所示的，輔助天線可以與主天線一起旋轉(zhuǎn)并且可以與主天線同步或者被門控(gated)，使得輔助天線僅“看到”風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)電場。雖然主天線可以具有相對窄的波束寬度，但是輔助天線可以具有較寬的波束寬度，例如具有4°至16°的波束寬度，優(yōu)選具有6°至12°的波束寬度。通常，固定的輔助天線具有大約8°的波束寬度，使得每個(gè)輔助天線能夠看見整個(gè)風(fēng)電場而不是僅看見單個(gè)渦輪機(jī)。此外，雖然圖5中示出兩個(gè)輔助天線，但是在一些情況下可以僅采用單個(gè)輔助天線，或者如果需要可以使用兩個(gè)以上的天線來提高由主天線60以及輔助天線62和64形成的天線陣列的方向性。在操作中，脈沖由發(fā)射器3生成和放大，并且被發(fā)送至雙工器12，雙工器12允許脈沖被發(fā)射給主天線2并由所有天線接收。脈沖被發(fā)送給天線2，然后脈沖被發(fā)射到蒼穹內(nèi)，并且通過天線2、62和64中的每個(gè)天線接收回波信號。來自于天線2的回波信號被送往雙工器12且然后被送往與圖1所示的接收器13對應(yīng)的接收器13a，接收器13a確定每個(gè)脈沖回波的每個(gè)距離的復(fù)振幅(具有所接收的信號的幅度和相位的復(fù)數(shù))。來自于天線62和64的回波信號分別被直接送往接收器13b和13c，在接收器13b和13c這里確定來自于天線62和64的回波信號的復(fù)振幅。接收器13b和13c也包括低噪聲放大器14、混頻器和放大部分16以及脈沖壓縮器20。不必經(jīng)由雙工器12發(fā)送來自于天線62和64的回波，因?yàn)檫@些天線不發(fā)射任何脈沖。圖6示出來自三個(gè)天線2、62和64的輸出在由接收器處理后的形式。對于主天線在每個(gè)方位角的停留時(shí)間期間發(fā)送的16個(gè)脈沖中每個(gè)脈沖的2000個(gè)不同延遲值(對應(yīng)于接收器的0.5 ii s的距離庫(range bin))，來自接收器13a的輸出形成具有32，000 (2000乘16)個(gè)元素的二維矩陣66。每個(gè)元素是與每個(gè)距離庫處相關(guān)脈沖的回波雷達(dá)信號的復(fù)振幅對應(yīng)的復(fù)數(shù)'至￥16。為了清楚，僅標(biāo)記了與風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)電場的距離對應(yīng)的第n個(gè)距離庫的復(fù)振幅，但是記錄了每個(gè)距離庫的數(shù)據(jù)。除了源自于主天線的輸出矩陣66以外，根據(jù)來自輔助天線62和64的回波分別生成輸出矩陣68和70。針對除了與風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)電場的距離對應(yīng)的距離值以外的所有距離值，抑制來自輔助天線的輸出，使得除了這兩個(gè)矩陣的第n個(gè)距離庫以外，這兩個(gè)矩陣是空的。當(dāng)然，在天線60旋轉(zhuǎn)360°時(shí)，將關(guān)于天線60的每個(gè)方位角生成天線的輸出。然而，如果輔助天線是固定的則僅對于輔助天線指向的方位角或者如果輔助天線與主天線一起運(yùn)動則對于輔助天線指向風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)電場的時(shí)隙，生成來自輔助天線的輸出。處理回波的設(shè)備通常將使來自于輔助天線的回波的處理與來自主天線的處理同步，使得僅在主天線指向風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)電場時(shí)處理來自輔助天線的回波。因此，雷達(dá)系統(tǒng)具有方位角門(azimuth gate)，該方位角門導(dǎo)致僅為渦輪機(jī)糾正那些來自風(fēng)電場或風(fēng)力渦輪機(jī)的回波，并且以傳統(tǒng)方式處理來自其它方位角的回波。然后，將來自主天線2和每個(gè)輔助天線62和64的輸出傳送給處理器74以進(jìn)一步處理。雖然在附圖中僅示出且在本發(fā)明中僅引用單個(gè)處理器，但是將理解該處理器可以由多個(gè)分離的處理器提供，多個(gè)分離的處理器可以由硬件或軟件提供并且可以包括多個(gè)分離的處理器自己 的存儲器等。
圖8示意性示出處理器74的操作。在圖8中，將數(shù)據(jù)示出為進(jìn)入判決框80的單個(gè)流，該單個(gè)流可以通過將來自接收器13a至13c的輸出合并為單個(gè)串行流來獲得，或者來自每個(gè)接收器的數(shù)據(jù)可以被并行處理。在框80中，確定進(jìn)入的數(shù)據(jù)的距離和方位角是否對應(yīng)于風(fēng)電場或風(fēng)力渦輪機(jī)。如果不對應(yīng)，則通過將數(shù)據(jù)傳送至運(yùn)動目標(biāo)指示(MTI)消除器單元22、恒虛警率(CFAR)單元24以及由此傳送至顯示器25，來以傳統(tǒng)方式處理數(shù)據(jù)。如果距離和方位角對應(yīng)于風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)電場，則形成回波的向量V的元素Vi的數(shù)據(jù)(其中i對于主天線2取I至16的值，對于輔助天線62取17至32的值，并且對于輔助天線64取33至48的值)被發(fā)送至訓(xùn)練器單元82。在訓(xùn)練任務(wù)期間，訓(xùn)練器單元生成向量V的元素與元素的復(fù)共軛之間的叉積ViV/,以形成協(xié)方差矩陣R的估計(jì)。關(guān)于V的許多示例對叉積求平均，以提高估計(jì)精度。這在圖7中示出，其中括號〈> 指叉積的平均值。V的許多示例可以從多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)中或者從多次天線掃描時(shí)的單個(gè)渦輪機(jī)中獲得。明顯地，用來形成叉積的樣本的數(shù)量越大，協(xié)方差矩陣R的精度將越高。優(yōu)選地使用至少10個(gè)樣本，特別地使用至少100個(gè)樣本，但是用來形成協(xié)方差矩陣的估計(jì)的樣本的數(shù)量不應(yīng)當(dāng)過大，以致花費(fèi)10分鐘以上，特別地花費(fèi)不超過5分鐘。如果使用明顯更多樣本，那么在能夠獲得測試數(shù)據(jù)以前所花費(fèi)的時(shí)間可能過大，或者來自風(fēng)力渦輪機(jī)的反射可能例如由于風(fēng)向變化的原因而變化。除了將形成向量的元素的數(shù)據(jù)發(fā)送至訓(xùn)練器單元82以外，形成向量的元素的數(shù)據(jù)可以在測試過程期間(也就是說當(dāng)使用雷達(dá)檢測飛行器時(shí))發(fā)送至檢測器單元84。在測試任務(wù)期間從接收器13a至13d輸入的復(fù)振幅數(shù)據(jù)被表示為a i，而不是檢測器單元84從訓(xùn)練器單元82接收形成協(xié)方差矩陣R的數(shù)據(jù)并且通過標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法生成逆矩陣R—1，雖然逆矩陣明顯可以由訓(xùn)練器單元82生成而不是由檢測器單元84生成。檢測器單元還接收形成其想要觀測的目標(biāo)的模型回波86的向量s或者向量s的復(fù)值共軛s'然后，檢測器單元84通過形成由下式提供的值h測試目標(biāo)的存在:h= a R-1S*高于指定閾值的h值可以被視為真實(shí)目標(biāo)。然后，將來自于檢測器的輸出連同來自MTI單元22和CFAR單元24的數(shù)據(jù)輸出一起傳送至顯示器25以由顯示單元顯示。以此方式，處理單元74可操作來確定:(i)所檢測到的方位角是否清楚地具有所有風(fēng)力渦輪機(jī)的已知包絡(luò)；或者(ii)所檢測到的距離是否清楚地具有所有風(fēng)力渦輪機(jī)的已知包絡(luò)；或者(iii)所接收到的數(shù)據(jù)是否超過匹配渦輪機(jī)的濾波器檢測閾值。如果這些測試中的任一測試是真的，那么假定目標(biāo)是真實(shí)的并且生成雷達(dá)圖。用來形成協(xié)方差矩陣R的復(fù)值向量V的樣本是從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中給出的，訓(xùn)練數(shù)據(jù)可以在使用系統(tǒng)以前或者在系統(tǒng)處于操作時(shí)(例如當(dāng)與測試數(shù)據(jù)同時(shí)生成滑動平均值時(shí))獲得。雖然在理想情況下，用來形成協(xié)方差矩陣的訓(xùn)練數(shù)據(jù)不應(yīng)當(dāng)包括任何目標(biāo)數(shù)據(jù)，使得在缺少目標(biāo)數(shù)據(jù)的條件下生成值R和R'但是實(shí)際上，目標(biāo)數(shù)據(jù)與來自于風(fēng)力渦輪機(jī)的回波相比不顯著，使得甚至在目標(biāo)存在的條件下獲得訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)，也獲得協(xié)方差矩陣的良好估計(jì)。因此，當(dāng)獲得測試數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過生成滑動平均來獲得訓(xùn)練數(shù)據(jù)?？商娲?，可以預(yù)先獲得數(shù)據(jù)并且值可以存儲在查找表中，查找表可以包括例如在風(fēng)力渦輪機(jī)的每個(gè)方向和/或速度值下的回波的值。如果根據(jù)單個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)獲得協(xié)方差矩陣，那么可能有必要使系統(tǒng)運(yùn)行一段相當(dāng)長的時(shí)間來獲得足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，因?yàn)榭赡苄枰魈炀€的一次旋轉(zhuǎn)來獲得每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。然而，如果輔助天線是固定的并且具有充分寬的波束寬度來觀測整個(gè)風(fēng)電場而不是單個(gè)渦輪機(jī)，那么可以在主天線的每次掃描中記錄整個(gè)風(fēng)電場的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。雖然輔助天線通常將是完全被動的并且不會被用來發(fā)射信號，但是在輔助天線不旋轉(zhuǎn)時(shí)有可能主動地使用輔助天線來減輕來自葉片的大RCS閃爍的影響。如果使用低功率發(fā)射器來從固定的輔助天線之一照亮風(fēng)力渦輪機(jī)并且使低功率發(fā)射器與主天線的旋轉(zhuǎn)同步，使得僅在主天線指向別處時(shí)照亮風(fēng)力渦輪機(jī)，那么渦輪機(jī)反射可以由不同的固定的輔助天線接收并且用來檢測來自于每個(gè)渦輪機(jī)的高RCS閃爍序列。該數(shù)據(jù)可以用來預(yù)測在旋轉(zhuǎn)天線照亮?xí)r間段內(nèi)何時(shí)會發(fā)生閃爍并且用來相應(yīng)地調(diào)整處理。例如，處理可以被改變成估計(jì)兩個(gè)協(xié)方差矩陣，這兩個(gè)協(xié)方差矩陣之一是在閃爍出現(xiàn)的條件下，另一個(gè)是在缺少閃爍的條件下。施加于h以將回波識別為目標(biāo)的閾值可以相應(yīng)地被調(diào)整，以便減少虛警率。與上面描述的匹配濾波器不同的其它處理方式可以應(yīng)用于來自主天線和輔助天線的信號，以辨別單獨(dú)來自風(fēng)力渦輪機(jī)的回波以及來自風(fēng)力渦輪機(jī)和飛行器目標(biāo)的組合的回波。例如，協(xié)方差矩陣估計(jì)可能出現(xiàn)故障并且可能需要對直接轉(zhuǎn)換的可替代處理。以處理來自主天線和輔助天線的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的所有辨別算法構(gòu)成本發(fā)明的一部分?？梢越Y(jié)合上述所進(jìn)行的處理使用其它處理技術(shù)。例如，可以使用“檢測前跟蹤(track before detect)”技術(shù),在該技術(shù)中檢測初步的圖并且建立初步的策略(tack)。僅當(dāng)初步的圖與之前建立的初步的策略相兼容時(shí)，輸出經(jīng)驗(yàn)證的圖，并且如果在風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)電場周圍的空位內(nèi)掃描時(shí)目標(biāo)丟失，則生成并輸出估計(jì)的圖。如此生成的圖優(yōu)選地不允許系統(tǒng)超過任何規(guī)定的虛圖率。如上所述，處理器單元74可操作來同時(shí)使用多普勒頻移和在回波信號中包含的高程信息來辨別飛行器和風(fēng)力渦輪機(jī)。然而，處理器單元74有可能順序地使用多普勒頻移和高程信息進(jìn)行辨別。這通過下面步驟實(shí)現(xiàn):在所有接收器信道中將傳統(tǒng)的MTI處理器用于多普勒信息，然后在所有天線上形成MTI的輸出的協(xié)方差矩陣，接著對高程進(jìn)行匹配濾波。該方法可能具有較差性能，但是實(shí)現(xiàn)起來較簡單。根據(jù)本發(fā)明的組件和雷達(dá)可以與其它傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)減輕方法一起使用，例如改進(jìn)的接收器動態(tài)范圍、降低的脈沖壓縮旁瓣、標(biāo)準(zhǔn)處理信道中的改進(jìn)的運(yùn)動目標(biāo)檢測和CFAR (恒虛警率)閾值化以及高級跟蹤技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于雷達(dá)系統(tǒng)的組件，所述雷達(dá)系統(tǒng)包括: 主天線，可操作以沿方位角方向運(yùn)動來掃描區(qū)域； 發(fā)射器，用于從天線發(fā)射脈沖；以及 接收器，用于接收回波信號， 所述組件可操作來使所述雷達(dá)系統(tǒng)能夠在位于所述區(qū)域內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)存在的情況下檢測目標(biāo)，并且包括多個(gè)輔助天線和用于處理所述回波信號的處理器， 所述處理器可操作以根據(jù)在訓(xùn)練過程中由所述主天線和所述輔助天線接收的多個(gè)回波信號生成所述風(fēng)力渦輪機(jī)的標(biāo)志，生成目標(biāo)的模型數(shù)據(jù)或者從存儲器接收所述目標(biāo)的模型數(shù)據(jù)，并且針對目標(biāo)的存在性來測試回波數(shù)據(jù)，以及如果檢測到目標(biāo)，則生成代表所檢測到的目標(biāo)的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，包括與所述主天線一起布置的多個(gè)輔助天線，以形成垂直陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的組件，其中所述處理器可操作來在具有所述風(fēng)力渦輪機(jī)的特征的噪聲背景中實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)信號匹配的檢測濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述處理器可操作以根據(jù)來自于所述風(fēng)力渦輪機(jī)的回波信號生成風(fēng)力渦輪機(jī)噪聲的協(xié)方差矩陣R的估計(jì)，這里R被限定為:R=<VVh>, 其中V是來自于所述風(fēng)力渦輪機(jī)的回波信號的復(fù)振幅，Vh是V的厄米特共軛，并且括號〈>代表平均。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的組件，其中所述處理器可操作來產(chǎn)生下列值: a IT1s* 這里a是限定測試中的所述回波信號的向量； IT1是來自于所述風(fēng)力渦輪機(jī)的雷達(dá)信號的協(xié)方差矩陣估計(jì)的逆；以及 s*是待檢測的目標(biāo)信號向量的模型數(shù)據(jù)的復(fù)共軛。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的組件，其中所述處理器可操作來向值aIT1S*施加閾值，以便確定所述回波信號是否應(yīng)被視作包含目標(biāo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述處理器可操作來僅針對與所述風(fēng)力渦輪機(jī)的距離對應(yīng)的回波信號生成所述協(xié)方差矩陣R。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述處理器可操作來僅針對與所述風(fēng)力渦輪機(jī)的方位角對應(yīng)的回波信號生成所述協(xié)方差矩陣R。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述處理器可操作以根據(jù)在測試任務(wù)中獲得的回波信號的滑動平均來生成所述協(xié)方差矩陣。
10.根據(jù)權(quán)利要求4至9中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述處理器可操作以根據(jù)回波信號的至少10個(gè)樣本的平均來生成所述協(xié)方差矩陣。
11.根據(jù)權(quán)利要求4至10中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述處理器可操作以根據(jù)花費(fèi)多達(dá)10分鐘接收的回波信號的多個(gè)樣本來生成所述協(xié)方差矩陣。
12.根據(jù)權(quán)利要求4至11中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述處理器可操作以根據(jù)單獨(dú)來自于每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的回波信號的平均來生成所述協(xié)方差矩陣。
13.根據(jù)權(quán)利要求4至12中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述處理器可操作以根據(jù)來自于多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的回波信號的平均來生成所述協(xié)方差矩陣。
14.根據(jù)權(quán)利要求4至13中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述處理器可操作以根據(jù)來自于系統(tǒng)附近所有風(fēng)力渦輪機(jī)的回波信號的平均來生成所述協(xié)方差矩陣。
15.根據(jù)權(quán)利要求4至12中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述主天線是反射器天線，該反射器天線被布置成旋轉(zhuǎn)通過整周來掃描所述區(qū)域，并且所述處理器可操作以對從每次掃描中獲得的所述回波信號的值求和來形成所述協(xié)方差矩陣。
16.根據(jù)權(quán)利要求4至15中任一項(xiàng)所述的組件，其中所述處理器可操作來生成兩個(gè)協(xié)方差矩陣，一個(gè)協(xié)方差矩陣對應(yīng)于在“閃爍”期間來自于所述風(fēng)力渦輪機(jī)的密集回波信號，而另一個(gè)協(xié)方差矩陣對應(yīng)于在缺少“閃爍”的情況下的回波信號。
17.根據(jù)前面的任一權(quán)利要求所述的組件，其中所述輔助天線或每個(gè)輔助天線具有比所述主天線的波束寬度大的波束寬度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的組件，其中所述輔助天線或每個(gè)輔助天線具有6°至12°范圍內(nèi)的波束寬度。
19.一種雷達(dá)系統(tǒng),包括: 主天線，可操作以沿方位角方向運(yùn)動來掃描區(qū)域， 發(fā)射器，用于從天線發(fā)射脈沖， 接收器，用于接收回波信號，以及 如前面任一權(quán)利要求中所述的組件。
20.一種在風(fēng)力渦輪機(jī)存在的情況下 檢測目標(biāo)位置的方法，包括從沿方位角方向運(yùn)動的主天線發(fā)射雷達(dá)脈沖，以及處理由所述主天線和多個(gè)輔助天線接收的回波信號，所述方法包括下列步驟: 根據(jù)在訓(xùn)練任務(wù)中由所述主天線和所述輔助天線接收的多個(gè)回波信號來生成所述風(fēng)力渦輪機(jī)的標(biāo)志， 生成目標(biāo)的模型數(shù)據(jù)或者從存儲器接收目標(biāo)的模型數(shù)據(jù)，以及 針對飛行器的存在性使用所述標(biāo)志和所述模型數(shù)據(jù)測試所述回波信號。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括下列步驟: (1)生成由天線接收的來自于風(fēng)力渦輪機(jī)的回波信號的協(xié)方差矩陣R的估計(jì)； (2)生成由下式給出的匹配濾波器: a R-1S* 這里a是限定所述回波信號的向量，IT1是協(xié)方差矩陣估計(jì)的逆，以及s*是待檢測的目標(biāo)信號的復(fù)共軛； (3)將濾波器輸出與閾值相比較；以及 (4)根據(jù)與所述閾值相比較的濾波器輸出值，確定是否應(yīng)將回波信號視為目標(biāo)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中僅針對與所述風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)力渦輪機(jī)組的距離和方位角對應(yīng)的回波信號生成所述協(xié)方差矩陣R。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或權(quán)利要求22所述的方法，包括在測試任務(wù)期間根據(jù)所述回波信號的滑動平均來生成所述協(xié)方差矩陣。
24.根據(jù)權(quán)利要求21至23中任一項(xiàng)所述的方法，包括: 從輔助天線照亮所述風(fēng)力渦輪機(jī)，并且生成兩個(gè)協(xié)方差矩陣，一個(gè)協(xié)方差矩陣對應(yīng)于在“閃爍”期間來自所述風(fēng)力渦輪機(jī)的密集回波信號，而另一協(xié)方差矩陣對應(yīng)于在缺少“閃爍”的情況下的回波信號，以及根據(jù)是否觀測到閃爍，生成多個(gè)匹配濾波器。
25.一種攜帶計(jì)算機(jī)程序的載體，所述計(jì)算機(jī)程序包括處理器可執(zhí)行的指令，所述處理器可執(zhí)行的指令導(dǎo)致計(jì)算機(jī)被如此編程以執(zhí)行權(quán)利要求20至24中任一項(xiàng)所述的方法。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的載體， 所述載體是電信號。
全文摘要
公開一種用于雷達(dá)系統(tǒng)的組件，該組件包括主天線，可操作以沿方位角方向運(yùn)動來掃描區(qū)域；發(fā)射器，用于從天線發(fā)射脈沖；以及接收器，用于接收回波信號。該組件可操作來使雷達(dá)系統(tǒng)能夠在位于區(qū)域內(nèi)的風(fēng)力渦輪機(jī)存在的情況下檢測目標(biāo)。該組件包括多個(gè)輔助天線和用于處理回波信號的處理器，該處理器可操作以根據(jù)在訓(xùn)練過程中由主天線和輔助天線接收的回波信號生成風(fēng)力渦輪機(jī)的標(biāo)志，生成目標(biāo)的模型數(shù)據(jù)或者從存儲器接收目標(biāo)的模型數(shù)據(jù)，并且針對目標(biāo)的存在測試回波數(shù)據(jù)，以及如果檢測到目標(biāo)則生成代表所檢測到的目標(biāo)的數(shù)據(jù)。還描述了一種使用雷達(dá)系統(tǒng)在風(fēng)力渦輪機(jī)存在的情況下檢測目標(biāo)位置的方法。
文檔編號G01S13/91GK103210319SQ201180053548
公開日2013年7月17日 申請日期2011年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者基思·道格拉斯·沃爾德 申請人:Tmd技術(shù)有限公司