CN1072267A - 观察与识别直升飞机的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明是利用具有发射机(1)、天线装置(2)及接 收机(3)的FM—CW雷达设备观测与识别直升飞机 的设备。由旋翼叶片引起的叶片闪烁被A/D转换 器(4)数字化并由傅立叶分析装置(5)处理器(6)处 理，以确定直升飞机到雷达装置的距离及旋翼对称性 特征。这些对称性特征与叶片闪烁频率一起产生一 个基本明确的直升飞机类型指示。

Description

本发明是关于多普勒雷达设备的，它包括与天线装置耦合的发射机和接收机以及与接收机耦合的处理器，该设备利用由直升飞机旋翼叶片引起的叶片闪烁（blade    flash）来监测直升飞机，并通过确定叶片闪烁的重量频率来识别直升飞机。
这种雷达设备示于美国专利说明书US-A-4，389，647中。在上述雷达设备中，多普勒雷达的输出信号被整流并通过一个高通滤波器。在直升飞机的情况里，所造成的叶片闪烁，也就是由短时间内垂直于雷达射束的直升飞机旋翼叶片产生一个信号。该信号的重复频率与叶片闪烁频率相对应，使得有可能就直升机类型得出结论。
这种方法的缺点在于与直升飞机类型有关的宝贵信息在整流过程中损失了。
根据本发明的雷达设备排除了这一缺点，其特点是对该雷达设备提供了对单个叶片闪烁确定多普勒谱的手段。
根据前面提到的专利说明书，多普勒雷达可以或者是脉冲型雷达或者是CW（连续波）型雷达。对于监测和识别直升飞机，这两种雷达类型都有缺点。为了观测每个单个叶片闪烁，脉冲雷达必须有高的脉冲重复频率。这使雷达比较昂贵和不灵敏，而且还会引起测距模糊（range    ambiguity）。CW雷达不提供测距信息。再有，CW雷达的一个众所周知的问题是发生1/f噪声，其结果是来自旋翼叶片的只有几千赫兹多普勒频移的反射信号难于被检测到。
本发明的雷达设备的一个最佳实施例没有这些缺点，其特点是所装0. 备的发射机用于发射周期性的线性频率调制信号;其接收机装备了混频装置，用于由代表被发射信号和被接收雷达反射的信号产生一个外差信号;其处理器装备了傅立叶分析装置，用于将源于连续周期的外差信号变换成连续频率谱，这里每一个谱由N个复数（N＝2，3，4…）表示。
这样实现的频谱使确定被观测直升机与雷达设备之间的距离成为可能，而且还揭示了直升机旋翼叶片的数目是奇数还是偶数。
现在将参考下列图件更详细地解释本发明，这些图是：
图1表示旋翼数目与相应的频谱;
图2表示根据本发明的雷达设备的一个可能实施例的方框图;
图3表示根据本发明的雷达设备的处理器的一个可能实施例的方框图;
图4表示根据二维窗口方法形成的二维数据场的一部分，用于表示CFAR。
在一个多普勒雷达中，静止的或慢运动的目标产生的反射被滤波器去掉了。按照这一观点，利用多普勒雷达探测一个悬空停留或缓慢运动的直升飞机机身是困难的。然而，观测高速旋转的旋翼叶片是可能的。已知一个短时间里垂直于雷达射束的旋转的直升机旋翼叶片会产生短时的强反射，即所谓叶片闪烁。叶片闪烁揭示了直升飞机的存在，而叶片闪烁频率与直升机类型有联系。以这一原理为基础，根据当今技术制成的雷达设备能在直升机飞向雷达设备时发出警报和类型识别。在这方面假定对于每一单个直升机而言，旋翼的rpm（每分钟转数）在某一狭窄的限度内变化。无任何含糊地对某种类型直升机赋予某个重复频率是不可能的。例如，有一系列叶片闪烁的重复频率为28赫兹，那么它可能由B105直升机产生，也可能由美国Bradley    2B直升机产生。考虑到这一点，为了增大类型识别的可靠性，寻找附加数据是可取的。
如图1所示，在叶片闪烁谱中可以发现一个附加数据。
图1A示意性表示出B105直升机的旋翼加上与叶片闪烁相关的频谱。谱的正值部分是由沿着撞击雷达幅射方向旋转的叶片引起的。最高频率是由尖端产生的，它通常以230米/秒的速度旋转。谱的负值部分是由沿相反方向运动的叶片引起的。该频谱基本上是对称的。
图1B示性表示出美国Bradley    213直升飞机上与叶片闪烁相关的频谱。只有朝向雷达运动的叶片垂直于雷达射束。所以，谱基本上只有正值部分。如果旋翼旋转穿过π/3弧度的一个角，我们则遇到图1C中所表示的情况，这里叶片闪烁谱基本上只有负值部分。图1指出的谱是基于直升机基本静止不动的假定，因此来自直升机机身的反射所产生的多普勒信号频率近似于零赫兹。如果直升机以某一速度向着雷达设备的方向运动，整个谱将沿正方向移动。因为直升机的速度基本上只是叶片尖端速度的一小部分，如图1A、B、C所示频谱的性质将保持不变。
图2表示根据本发明构成的雷达设备的一个可能实施例的方框图。利用天线装置2和发射机1向着直升机方向发射雷达辐射。通过天线装置2，反射信号被加到接收机3并与取自发射机的一个参考信号混合。这样得到的外差信号在A/D（模/数）转换器4中被数字化并送到傅立叶分析装置5，它通常是一个FFT（快速傅立叶变换）单元。处理器6检验这样得到的谱，以检验是否存在叶片闪烁，检验谱的形状以及相继叶片闪烁之间的间隔时间。这样便可能以大的测量概率来识别直升机类型并提供给指示装置7去显示。
在根据本发明构成的雷达设备的第一个具体实施例中，由发射机1发射出波长为23厘米的CW雷达辐射。假定一个通常的叶片尖端速度230米/秒，这产生一个频率范围可能是-2千赫兹至+2千赫兹的多普勒信号。A/D转换器4将把该信号数字化，其采样频率为4千赫兹，并将这一数字信号送到傅立叶分析装置5，它是一个4点FFT单元。这个FFT单元有四个输出信号，它们代表-2千赫、-1千赫、0千赫及1千赫。代表一1千赫和1千赫信号的模被送到处理器6，在这种情况下该处理器6有两个门限电路和一个组合电路。如果这些信号中至少有一个超过了预先设定的门限，便将产生一个叶片闪烁检测信号。如果两个信号的强度基本相等，则认为旋翼叶片数目为偶数。如果两个信号交替出现，则认为旋翼叶片数目为奇数。处理器6再进一步检查相叶片闪烁之间的间隔时间，在此之后便能以较大概率确认直升机的类型。
上述第一具体实施例能在几个方面进行相当大的改进。一个改进对被观测的直升机产生一个距离指示。第二个改进是减小由于l/f噪声引起的CW雷达固有的几乎不可避免的检测能力损失。所接收的多普勒频移信号必须与来自发射机1的l/f噪声作斗争，这种噪声从任何附近物体反射后进入接收机3。由于在上面描述的实施例中多普载频移信号只是从发射的CW信号偏移大约1千赫兹，可以预料会有严重的检测能力损失。
在第二个具体实施例中，发射机也发射波长大约23厘米的CW雷达能量，然而在这种情况下提供了FM-CW（频率调制一连续波）调制。一个锯齿频率调制可能是适宜的，这里以一个周期性间隔，其频率在500微秒时间内线性增大到2.5兆赫兹。利用这种众所周知的方法能使静止的目标产生外差信号，其频率取决于目标和雷达设备的距离。傅立叶分析装置5可以由有256个输出的FFT单元构成，用于将一个锯齿频率调制周期内得到的外差信号分成0.2千赫、4千赫、…，512千赫共256个频率段。这些频率段依次对应于0.60米、120米、…，15360米的距离。这样，便实现了从技术文献中众所周知的FM-CW雷达设备。如果这个雷达设备指向一架基本静止的直升机，所产生的频谱包含直升机机身引起的外差频率，这个频率对于每个周期是相同的，而在发生叶片闪烁期间则产生更复杂的频谱。这个谱对应于图1所表示的谱之一，只是在这种情况下它有一个频谱，其移动频率对应于机身反射引起的外差频率。
图3表示根据第二具体实施例的雷达设备的处理器6的方框图。与傅立叶分析装置5的N个输出相连的处理器6将首先去掉静止目标的所有反射信号。为此目的，处理器6有N个高通滤波器8.1、…，8.N，与傅立叶分析装置5的N个输出端C1、…、CN相连。通过选择滤波器的截止频率，使得例如来自轿车或其他车辆的反射也被阻止，只有由叶片闪烁引起的谱最终提供滤波器输出信号。这些滤波器输出信号被送到确定模值部件9.1、…、9N。它们的输出被送到门限电路10.1、…、10.N。通过门限（threshold）的数据被存储于中介存储器11，例如可以存储每个周期里发生通过门限电路个数。在一个周期内几个连续的数目可能指示直升飞机的存在。
与第一实施例完全相似，带有偶数个旋翼叶片的直升飞机将产生一个比较宽的频谱，它对相继的闪烁是相同的。带有奇数个旋翼叶片的直升机将产生较窄的频谱，而且从一次闪烁到下一次闪烁该谱发生变化，但对于偶数闪烁连续出现相同频谱，对于奇数闪烁也连续出现相同频谱。在上述第二具体实施例中，带有偶数个旋翼叶片的直升机产生的输出信号一般在每个周期里有连续四次通过门限。带有奇数个旋翼叶片的直升机产生的输入信号一般在每个周期里有连续二次通过门限，同时奇数和偶数闪烁频谱一般在不同的门限电路产生输出信号，例如交替出现在10.j、10.j+1及10.j+2、10.j+3。
中介存储器由第一组合装置12读取，该装置将来自一次闪烁的基本连续发生的通过门限数据组合成一组，它确定该组的频谱宽度，并对该组确定与该组对应的直升飞机到雷达设备的距离。根据频谱宽度，第一组合装置再努力去确定有关直升飞机的旋翼叶片个数的奇偶。在一个周期内多于五个连续通过门限的组或在一个周期内少于二个连续通过门限的组被第一组合装置排除。如果一次在所述波长的持续时间约为500微秒的叶片闪烁至少是基本上与锯齿频率调制的一个周期吻合，那么便有可能根据一次叶片闪烁确定叶片个数为奇数或偶数。如果一次叶片闪烁部分发生在一个周期，部分发生在另一个周期，那么这种情况是不够有利的。结果谱的加宽可能使根据这一单次叶片闪烁不可能得出结论。于是可能需要第二次测量。第一组合装置被设计成将二个或更多个连续周期内的通过门限数据组合成一组。
由第一组合装置确定的组合连同***时间一起被送到第二组合装置13。这一装置试图收集和组合连续发生的直升飞机中叶片闪烁。为此目的，将具有相等距离和相等谱宽度的各组组合起来并确定其延迟时间。第二组合装置提供图形信息，其中至少包含距离、叶片闪烁频率以及用于确定旋翼叶片个数奇偶的参数。这样得到的图形的可靠性和可再生性已达到如此程度，以至能在第二具体实施例基础上实现一个直升飞机搜索雷达设备。然而，对于该搜索雷达设备的一个先决条件是其天线装置2的尺度应对每种可能的直升飞机都能观测至少二次连续发生的叶片闪烁。这样，便有可能在任何时候确定旋翼叶片个数是奇数或偶数，并确定叶片闪烁频率。对于天线装置2，一种可能的选择是每分钟转动40圈，水平孔径角为π/6弧度。尽管由于水平孔径角宽使得搜索雷达设备的方位精度比较差，但方位分辨力是极好的，因为叶片闪烁一般只能在二个周期期间可以看到。
如果以第二实施例为基础实现一个搜索雷达设备，那么第二组合装置13根据连续数据组能够估计直升飞机的方位，它可以加到图形信息中。于是能在跟踪仪14中处理这些图形信息以产生目标踪迹，供指示装置7上显示。
跟踪仪有减低误报警率的优点。为此目的，跟踪仪14要求例如某种类型的直升飞机在至少连续二次天线转动期间在相似距离和相似方位被观测到。然而，这使得对弹跳（pop-up）的直升机作快速检测成为不可能。为了这一目的，第二组合装置13装备了一个资料库，用户可以从中指定三种认为有高度威协的直升飞机类型。如果一架这样指定的直升机被检测到，也就是说，如果产生的图形信息有类似的特征，该图形信息便立即通过导线15传送给指示装置7。
在第二具体实施例中，由l/f噪声造成的检测能力损失效应较小。例如，假定在7.5千米距离上被检测到一架直升机，该直升机的频谱将处在250千赫兹附近。如果搜索雷达设备是根据第一具体实施例实现的，那么同一直升机的频谱将在1千赫兹附近。关于l/f噪声的贡献，其结果是几乎为50分贝的改善。
然而，在雷达设备附近的具有大雷达截面的目标会增大噪声水平，甚至会达到使门限民路10.1、…、10.N启动的程度。为避免这种情况，对处理器6提供了一个常数误报警处理器：CFAR16。根据已知的与调整门限值D1、…、DN有关的方法，该处理器的目的在于使每单位时间内通过门限数目基本上保持为常数。由于在天线装置2转动过程中这样的目标是逐渐出现于天线射束中的，因此能得到有效的CFAR。
CFAR的另一实施例将门限功能和CFAR功能与第一组合装置12结合在一起。于是门限电路10.1、…10.N和CFAR消失了。由确定模值部件9.1、…、9.N产生的信号强度将立即以二维场形式存储于中介存储器11，它的一部分示于图4。连续的周期沿水平方向存储，由确定模值部件9.1、…、9.N产生的信号强度沿垂直方向存储。这个二维场由一个二维窗进行扫描以发现直升飞机的存在，在这一举例中，此二维窗是7个周期乘以7个信号强度。这里，中心区17的信号强度被送到门限电路并与周边区18计算出的平均信号强度比较。第一组合装置12可以设计成高速处理器，它首先用门限检查二维场中出现的信号强度，接下来将单个通过门限信号组合成组，最后检查相应于这些组的直升飞机旋翼叶片数目是奇数或是偶数。这个CFAR的另一实施例的优点是雷达设备对干扰不那么敏感，特别是对噪声干扰不那么敏感。
虽然对第一以及第二实施例，已选用了波长为23厘米的雷达辐射，但每种波长都适合于这里描述的发明。长波长的好处在于叶片闪烁有较长的持续时间并且只分布于频谱的一小部分上，从而对处理费用带来有利影响。另一方面，短波长会增大旋翼叶片的雷达截面并减小天线尺度。

Claims (13)

1、多普勒雷达设备，由耦合于天线装置的发射机和接收机及耦合接收机的处理器组成，用于利用直升飞机旋翼叶片引起的叶片闪烁来监测直升飞机通过确定叶片闪烁的重复频率来识别直升飞机，其特点在于对该雷达设备提供了对单个叶片闪烁确定多普勒谱的手段。
2、如权利要求1中的多普勒雷达设备，其特点在于：所装备的发射机用于发射周期性的线性频率调制信号;接收机装备有混频装置，用于从代表发射信号的信号和所接收的雷达反射信号产生一个外差信号;处理装置装备有傅立叶分析装置，用于将源于连续周期信号的外差信号变换成连续谱，这里每个谱由N个复数值（N＝2，3，4，…）表示。
3、如权利要求2中的多普勒雷达设备，其特点在于：对于连续的周期，将N个复数值加到N个高通滤波器，后接N个确定模值部件;N个门限电路连到N个确定模值部件输出端;通过门限数据存储于中介存储器供进一步。
4、如权利要求3中的多普勒雷达设备，其特点在于向处理器提供了一处常数误报警率装置，用于调整与门限电路相连系的门限值，从而使单位时间内通过门限数目基本上为常数。
5、如权利要求3或4中的多普勒雷达设备，其特点在于对处理器提供了第一组合装置，用于根据存储于中介存储器内的通过门限数据确定相应于单次叶片闪烁的通过门限组，还提供了一个装置用于确定对应于这些组的直升飞机的距离以及确定这些直升机的叶片数目是奇数或是偶数。
6、如权利要求2中的多普勒雷达设备，其特点在于：对于连续的各周期，将N个复数值送到N个高通滤波器，滤波器后接N个确定模值部件，这些部件的输出值存储于宽度为N的存储器场供进一步处理。
7、如权利要求6中的多普勒雷达设备，其特点在于：对处理器提供了对存储器场操作的确定门限值装置，用于按滑动窗法得到常数误报警率，对存储器场操作的门限装置;用于确定与单次叶片闪烁对应的通过门限组的组合装置;以及用于确定与这些组对应的直升机距离和确定这些直升机叶片数目是奇数或是偶数的装置。
8、如权利要求5或7中的多普勒雷达设备，其特点在于：由一架直升机对应组的一个频谱内的位置确定该直升机的距离，由该组的宽度确定棒旋翼的结构。
9、如权利要求8中的多普载雷达设备，其特点在于对处理器提供了第二组合装置，用于根据至少是基本对应的频谱特征将相继各组组合，以得到叶片闪烁频率。
10、如权利要求9中的多普勒雷达设备，其特点在于安装的天线装置用于绕着基本垂直的搜索轴转动并向处理器提供方位角信息。
11、如权利要求10中的多普勒雷达设备，其特点在于对第二组合装置提供了一个方位估计装置，用于在天线装置的已知天线射束宽度基础上确定与具有基本对应的频谱特征的相继组相关联的直升飞机的方位角。
12、如权利要求11中的多普勒雷达设备，其特点在于处理器还包括跟踪装置，用于将第二组合装置在天线装置至少旋转两周期间得到的输出信号组合起来，用以得到指示装置所需要的驱动信号，其中至少包括距离、方位及被检测到的直升飞机的类型信息。
13、如权利要求12中的雷达装置，其特点在于对第二组合装置提供了一个装置，如果具有基本对应的频谱特征的相继组之间的时间延迟满足给定数据，该装置便产生指示装置所需的驱动信号。
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