BR112016000434B1

BR112016000434B1 - Aparelho de radar, método para detectar propagação de sinal de múltiplos trajetos

Info

Publication number: BR112016000434B1
Application number: BR112016000434-5A
Authority: BR
Inventors: Marcus Edward Clark
Original assignee: Bae Systems Plc
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2022-07-26
Also published as: CL2016000035A1; ES2701326T3; WO2015004426A1; BR112016000434A2; AU2014288997A1; AU2014288997B2; EP3019888A1; PL3019888T3; US20160161604A1; EP3019888B1; US10459075B2

Abstract

APARELHO DE RADAR, MÉTODO PARA DETECTAR PROPAGAÇÃO DE SINAL DE MÚLTIPLOS TRAJETOS, E, APARELHOS DE ANTENA. Um aparelho de radar (5) para detectar propagação de sinal de múltiplos trajetos ao determinar um ângulo de elevação de um objeto compreendendo uma rede de antena com o qual o aparelho de radar é arranjado para formar pelo menos três feixes de antena separados (11, 12, 13) compreendendo um primeiro feixe de antena (11) tendo um ângulo de elevação acima da horizontal, e um segundo feixe de antena separado (12) tendo um ângulo de elevação na, ou acima da, horizontal que é menor do que o do primeiro feixe de antena, e um terceiro feixe de antena separado (13) tendo um ângulo de elevação abaixo da horizontal. O aparelho é arranjado para transmitir impulsos de rádio a partir da rede de antenas; para receber sinais de rádio de retorno dentro do primeiro, segundo e terceiro feixes de antena; para calcular uma medida da amplitude de um sinal de rádio de retorno recebido dentro do terceiro feixe de antena usando todos os ditos sinais de rádio recebidos coletivamente; e, para detectar a propagação de sinal de múltiplos trajetos usando dita medida.

Description

[001] A presente invenção refere-se a sistemas, aparelhos e métodos de radar e, particularmente, embora não exclusivamente, ao rastreamento de objetos por radar.

[002] Rastreamento por radar de objetos distantes pode empregar uma metodologia de acordo com a qual dois feixes/lobos de um radar parcialmente sobrepostos de uma antena de radar são direcionados na direção de um objeto alvo. Sinais de rádio de retorno que compreendem ondas de rádio originadas a partir de um primeiro dos feixes e refletidas de volta pelo objeto são subsequentemente detectados pela antena de radar. Também, sinais de rádio de retorno provenientes de um segundo dos feixes refletidos de volta pelo objeto são detectados pela antena de radar. Quando o objeto estiver posicionado no meio do trajeto entre a separação angular dos dois feixes, os dois sinais de retorno têm amplitude igual, caso contrário, eles não têm. A direção do feixe do radar pode ser ajustada para manter os dois sinais de retorno iguais em amplitude e, desse modo, rastrear o objeto. Em alguns sistemas da técnica anterior, este ajuste pode ser feito pelo ajuste da direção da própria antena.

[003] Múltiplos trajetos é o fenômeno de propagação de acordo com o qual sinais de radar alcançam o receptor do aparelho de radar por meio de inúmeros diferentes trajetos de propagação. Os mecanismos de múltiplos trajetos dominantes são reflexo e difração a partir do solo e outras estruturas nas proximidades, por exemplo, prédios, vegetação ou veículos. Este tipo de múltiplos trajetos é uma das causas mais significativas de erros de ajuste do alcance do radar. Tipicamente, múltiplos trajetos se manifestam no sinal recebido como inúmeras réplicas atenuadas, deslocadas em fase e atrasadas (já que o trajeto indireto é sempre mais longo) do sinal da linha de visão somado em conjunto. Quando o atraso de múltiplos trajetos for grande, um receptor pode prontamente resolver os múltiplos trajetos e não irá sofrer significativos efeitos no desempenho. Atrasos mais curtos, provenientes de reflexos rasantes e estruturas close-in, são muito menos fáceis de distinguir e renderizam erros de múltiplos trajetos significativos.

[004] A invenção visa a abordar estas questões.

[005] Em um primeiro aspecto, a invenção provê um aparelho de radar para detecção da propagação de sinal de múltiplos trajetos durante a determinação de um ângulo de elevação de um objeto, que compreende uma rede de antena com a qual o aparelho de radar é preparado para formar pelo menos três feixes de antena separados que compreendem um primeiro feixe de antena tendo um ângulo de elevação acima da horizontal, e um segundo feixe de antena separado tendo um ângulo de elevação na, ou acima da, horizontal que é menor do que o do primeiro feixe de antena, e um terceiro feixe de antena separado tendo um ângulo de elevação abaixo da horizontal. O aparelho é preparado para transmitir impulsos de rádio a partir da rede de antena, para receber sinais de rádio de retorno no primeiro, no segundo e no terceiro feixes de antena, para calcular uma medida da amplitude de um sinal de rádio de retorno recebido no terceiro feixe de antena usando todos os sinais de rádio recebidos coletivamente, e, para detectar a propagação de sinal de múltiplos trajetos usando a medida.

[006] A medida é, preferivelmente, a amplitude de um valor próprio da matriz de correlação cruzada dos sinais de rádio de retorno recebidos nos pelo menos três feixes de antena separados.

[007] O aparelho de radar pode ser adicionalmente preparado para determinar uma elevação de um objeto usando vetores próprios da matriz de correlação cruzada que não sejam um vetor próprio da mesma associada com o valor próprio se a amplitude do valor próprio exceder um valor de limiar.

[008] O aparelho de radar pode ser adicionalmente preparado para forma de feixe, um ou mais dos feixes de antena para localizar um nulo no padrão de feixe da rede de antena na localização angular associada com a propagação de sinal de múltiplos trajetos detectada se a amplitude do valor próprio exceder um valor de limiar.

[009] A separação angular em elevação entre o primeiro e o segundo feixes de antena é, preferivelmente, substancialmente a mesma que a separação angular em elevação entre o segundo e o terceiro feixes de antena.

[0010] Preferivelmente um, alguns ou cada um do primeiro, do segundo e do terceiro feixes do radar é um feixe estreito.

[0011] A rede de antena pode compreender uma primeira unidade de antena preparada para formar independentemente o primeiro feixe de antena, uma segunda unidade de antena preparada para formar independentemente o segundo feixe de antena e uma terceira unidade de antena preparada para formar independentemente o terceiro feixe de antena.

[0012] A rede de antena pode compreender uma rede faseada de antenas que controlou coletivamente para formar o primeiro feixe de antena, o segundo feixe de antena e o terceiro feixe de antena.

[0013] Em um segundo aspecto, a invenção provê um aparelho de radar de mono impulso que compreende o aparelho de radar acima descrito.

[0014] Em um terceiro aspecto, a invenção provê um método para detecção da propagação de sinal de múltiplos trajetos durante a determinação de um ângulo de elevação de um objeto usando radar, que compreende, com uma rede de antena, formar pelo menos três feixes de antena separados que compreendem um primeiro feixe de antena tendo um ângulo de elevação acima da horizontal, e um segundo feixe de antena separado tendo um ângulo de elevação na, ou acima da, horizontal que é menor do que o do primeiro feixe de antena, e um terceiro feixe de antena separado tendo um ângulo de elevação abaixo da horizontal, transmitir impulsos de rádio a partir da rede de antena, receber sinais de rádio de retorno no primeiro, no segundo e no terceiro feixes de antena, calcular uma medida da amplitude de um sinal de rádio de retorno recebido no terceiro feixe de antena usando todos os sinais de rádio recebidos coletivamente, e, detectar a propagação de sinal de múltiplos trajetos usando a medida.

[0015] A medida é, preferivelmente, a amplitude de um valor próprio da matriz de correlação cruzada dos sinais de rádio de retorno recebidos nos pelo menos três feixes de antena separados.

[0016] O método pode incluir determinar uma elevação de um objeto usando vetores próprios da matriz de correlação cruzada que não sejam um vetor próprio da mesma associada com o valor próprio se a amplitude do valor próprio exceder um valor de limiar.

[0017] O método pode incluir forma de feixe, um ou mais dos feixes de antena para localizar um nulo no padrão de feixe da rede de antena na localização angular associada com a propagação de sinal de múltiplos trajetos detectada se a amplitude do valor próprio exceder um valor de limiar.

[0018] O método pode incluir formar os feixes de antena de maneira tal que a separação angular em elevação entre o primeiro e o segundo feixes de antena seja substancialmente a mesma que a separação angular em elevação entre o segundo e o terceiro feixes de antena.

[0019] O método pode incluir formar um, alguns ou cada um do primeiro, do segundo e do terceiro feixes do radar como um feixe estreito.

[0020] Agora, segue um exemplo não limitante de uma modalidade preferida da invenção em relação aos desenhos anexos, dos quais: As figuras 1(a), 1(b) e 1(c) ilustram os princípios de rastreamento por radar usando mono impulso (formação de lobos simultâneos) e propagação de sinal de múltiplos trajetos; A figura 2 ilustra graficamente um aparelho de radar de acordo com uma modalidade preferida da invenção, que detecta a propagação de sinal de múltiplos trajetos; A figura 3 ilustra graficamente uma representação gráfica de sensibilidades angulares de três feixes de antena em coordenadas retangulares; A figura 4 ilustra graficamente uma vista ampliada de uma região do gráfico da figura 3; A figura 5 ilustra esquematicamente as amplitudes de valores próprios da matriz de correlação cruzada de dados de sinal de retorno para o aparelho de radar da figura 2; A figura 6 ilustra esquematicamente um aparelho de radar da figura 2 com detalhes.

[0021] Nos desenhos, a itens iguais são atribuídos símbolos de referência iguais.

[0022] Em relação às figuras 1(a) até (c), rastreamento por radar mono impulso opera pela transmissão simultaneamente, a partir de uma antena de radar (5), de dois impulsos de radar (1, 2) em um par de feixes do radar parcialmente sobrepostos (3, 4) direcionados na direção de um objeto distante (6) que é rastreado. Sinais de rádio de retorno (7A) que compreendem ondas de rádio originadas a partir de um primeiro dos feixes parcialmente sobrepostos (3) e refletidos diretamente de volta pelo objeto são subsequentemente detectados pela antena de radar. Simultaneamente, sinais de rádio de retorno (8A) que compreendem ondas de rádio originadas a partir de um segundo dos feixes parcialmente sobrepostos (4) e refletidos diretamente de volta pelo objeto também são subsequentemente detectados pela antena de radar. Quando o objeto estiver posicionado no meio do trajeto entre a separação angular dos dois feixes, os dois sinais de retorno têm amplitude igual, da forma mostrada na figura 1(a), caso contrário, eles não têm, da forma mostrada na figura 1(b). A direção do feixe pode ser ajustada para manter os dois sinais de retorno iguais em amplitude e, desse modo, rastrear o objeto.

[0023] A figura 1(c) mostra o fenômeno de propagação de sinal de múltiplos trajetos em sinais de radar de retorno. Um trajeto de retorno direto (D) conduz sinais refletidos diretamente para a antena de radar sem reflexos intermediários, o que mudaria a direção recebida do sinal de retorno na antena. Entretanto, um trajeto indireto (R) refletido também existe no qual sinais retornados passam por um reflexo intermediário a partir da superfície do solo (9). O comprimento de trajeto do trajeto indireto excede aquele do trajeto direto e o sinal de retorno, por meio do trajeto indireto, é recebido depois da recepção do sinal de retorno a partir do trajeto direto, quando ambos se originarem a partir do mesmo impulso de saída, da forma mostrada na figura 1(c).

[0024] Esta separação temporal é uma indicação, em um padrão do sinal de retorno, que propagação de múltiplos trajetos existe. Entretanto, isto não é inequívoco, já que o subsequente sinal de retorno adicional (R) pode ser interpretado mostrando a presença de um segundo objeto (não mostrado) localizado em um alcance maior que o primeiro objeto (6).

[0025] Para resolver esta ambiguidade, pode-se tentar detectar o ângulo de altitude no qual o subsequente sinal de retorno foi recebido. Isto exige os dois feixes do radar (3, 4) para poder resolver este ângulo, se comparado com o ângulo de detecção determinado para o trajeto direto (D). Quando um objeto (6) que é rastreado estiver próximo do horizonte, a diferença no ângulo no qual os sinais de retorno direto e indireto são recebidos pode ser muito pequena, e pode ser impossível de resolver com o usual método de dois feixes ilustrado na figura 1. Assim, pode não ser possível distinguir entre o sinal de retorno direto e aquele indireto de forma inequívoca.

[0026] A figura 2 mostra uma modalidade da invenção que compreende unidade de radar (5) para detecção da propagação de sinal de múltiplos trajetos (R) durante a determinação de um ângulo de elevação de um objeto (6) próximo do horizonte. O aparelho de radar inclui três antenas separadamente acionadas (14) preparadas em uma rede vertical, igualmente espaçadas vizinha a vizinha. A unidade de radar é preparada para acionar as antenas mais superior e do meio para transmitir impulsos de rádio em um primeiro feixe de antena (11) e em um segundo feixe de antena separado (12), respectivamente. O feixe do meio (12) é direcionado em um ângulo de elevação que é menor do que o do primeiro feixe de antena (11), entretanto, o segundo feixe de antena (12) sobrepõe parcialmente o primeiro feixe de antena (11).

[0027] A unidade de radar é preparada para receber simultaneamente os reflexos de sinais transmitidos a partir das antenas superior e do meio, como sinais de rádio de retorno no primeiro e no segundo feixes de antena (11, 12) quando refletidos a partir do objeto (6).

[0028] A unidade de radar também inclui uma terceira e mais inferior antena da rede de três antenas (14) que também é preparado para receber sinais de rádio de retorno. Esta terceira define um terceiro feixe de antena (13) direcionado em um ângulo de elevação que é menor do que o do primeiro e do segundo feixes de antena. O ângulo de elevação de cada um do primeiro e do segundo feixes de antena (11, 12) é de maneira tal que cada um do primeiro e do segundo feixes de antena seja direcionado acima da horizontal, e o ângulo de elevação do terceiro feixe de antena é de maneira tal que o terceiro feixe de antena (13) seja direcionado abaixo da horizontal.

[0029] O aparelho de radar é preparado para determinar uma elevação do objeto (6) coletivamente usando sinais de rádio de retorno (D) recebidos em todos do primeiro, do segundo e do terceiro feixes de antena (11, 12, 13) e para detectar a propagação de sinal de múltiplos trajetos usando um sinal de rádio de retorno (R) recebido em todos os três feixes de antena. Em particular, a unidade de radar é preparada para detectar a propagação de sinal de múltiplos trajetos se sinal de rádio de retorno suficiente for recebido no terceiro feixe de antena, o que é, desse modo, determinado como recebido a partir de uma direção abaixo da horizontal.

[0030] A rede de três antenas (14) que forma a rede sensor mostrado na figura 2 é uma representação esquemática que é simplificada para auxiliar na objetividade. Entende-se que pode haver muito mais do que três antenas que preparam uma rede maior, desde que duas ou mais formem respectivos feixes acima da horizontal e uma ou mais antenas definam respectivos feixe(s) abaixo da horizontal.

[0031] Considere a rede de antenas que opera em modo de recepção como três sensores separados em uma rede sensor. Para uma rede sensor como este, os dados de sinal de retorno medidos podem ser representados como um vetor do sinal de retorno:

[0032] Aqui, a variável t representa tempo e gi (i = 1, 2, 3) representa os dados de sinal de retorno no i-ésimo elemento/sensor de antena. Os dados de sinal de retorno representam as amplitudes e as fases de sinais de rádio recebidos nos elementos de antena da rede (14), juntamente com algum ruído. Quando houver mais de três elementos sensores de antena (por exemplo, M elementos de antena), haverá mais de três componentes g no vetor do sinal dos dados de retorno (por exemplo, M componentes, um para cada sensor). A matriz de correlação cruzada ou matriz de covariância deste vetor do sinal de retorno é dada por:

em que T representa a transposta conjugada. Esta matriz é uma matriz 3 x 3 no presente exemplo, mas será uma matriz M x M quando houver M elementos/sensores de antena na rede de antena. Os vetores próprios, Vj(t), de H(t) e seus valores próprios associados Xj (j = 1, 2, 3) são definidos por:

de maneira tal que,

em que I é a matriz identidade. Esta decomposição de valor próprio da matriz de correlação cruzada define um conjunto de coordenadas ortogonal, ou vetores de base (os vetores próprios), em que a variância dos dados de sinal de retorno é mais alta em um eixo geométrico definido por um vetor de base e mais baixa em um eixo geométrico ortogonal definido por um outro vetor de base. Estes eixos geométricos são conhecidos como os componentes principais do conjunto de dados. Pode-se ver que:

[0033] Isto significa que a variância dos dados projetados em um dado vetor próprio é igual a seu valor próprio. Estes valores próprios podem ser considerados como uma medida de energia ou potência e a energia total no sensor sistema é a soma de todos os M valores próprios:

[0034] No exemplo da figura 2, M = 3. O componente da energia total que é projetada sobre qualquer dado vetor próprio corresponde ao valor próprio para este vetor próprio. O par de valor próprio/vetor próprio (Vi, Xi) é associado com os dados de sinal de retorno g1 provenientes de um primeiro elemento de antena da rede de antena que é mais superior na rede e tem a mais alta elevação acima da horizontal dos três. O par de valor próprio/vetor próprio (V2, X2) é associado com os dados de sinal de retorno g2 provenientes de um segundo elemento de antena da rede de antena que fica imediatamente abaixo do primeiro elemento de antena e tem um menor ângulo de elevação acima da horizontal. O par de valor próprio/vetor próprio (V3, X3) é associado com os dados de sinal de retorno g3 provenientes de um terceiro elemento de antena mais inferior da rede de antena que tem um ângulo de elevação abaixo da horizontal. Note, entretanto, que cada um destes três pares de valor próprio/vetor próprio é calculado usando dados de sinal de retorno de toda a rede. A associação de um dado par de valor próprio/vetor próprio com um certo elemento de antena se torna possível pelo fato de que aquele valor próprio associado com um dado sinal de retorno, para um dado elemento de antena, aparece na mesma linha na matriz; {H(t) — XjI} como a linha (j) do vetor do sinal de retorno g(t) na qual os dados de sinal de retorno gj(t) aparecem. O sistema de antena é preparado para calcular os valores próprios e os vetores próprios da matriz de correlação cruzada/de covariância formada a partir dos dados de retorno para todos os elementos na rede de antena (três, neste exemplo, mas, tipicamente, mais do que isto) e para identificar o valor próprio X3 associado com o terceiro elemento de antena com elevação abaixo da horizontal. A amplitude deste terceiro valor próprio X3 é, então, comparada com um valor de limiar (ÀTH) que é escolhido para ser representativo da máxima amplitude do ruído de sinal esperado no sistema de antena. Se a amplitude deste terceiro valor próprio X3 não for maior que o valor de limiar, ele é considerado associado com ruído do sistema e esta propagação de sinal de múltiplos trajetos não está presente. Entretanto, se a amplitude do terceiro valor próprio exceder o valor de limiar (isto é, X3 > À.TH), então, é concluído que o terceiro elemento de antena recebeu um sinal de retorno causado pela propagação de sinal de múltiplos trajetos.

[0035] O terceiro valor próprio é desse modo usado como uma medida da amplitude do sinal de retorno recebido no terceiro elemento de antena, e o limiar é usado para determinar se o sinal de retorno é suficientemente significativo para ser considerado como devido à propagação de sinal de múltiplos trajetos em vez disto somente ruído. O valor de limiar pode ser escolhido conforme apropriado para um dado sistema de antena e modo operacional do mesmo, mas puramente como um exemplo, o valor de limiar pode ser um valor que corresponde a sinais de retorno não mais altos que -10dB. Outros valores de limiar podem ser usados conforme apropriado ou desejado.

[0036] Isto é descrito em relação às figuras 3 a 5 a seguir.

[0037] A figura 3 ilustra graficamente uma representação gráfica de sensibilidades angulares de três feixes de antena em coordenadas retangulares. A figura 4 ilustra graficamente uma vista ampliada de uma região do gráfico da figura 3. Em relação à figura 3, a separação angular dos centros do primeiro e do segundo feixes do radar (11, 12) é muito pequena. A sensibilidade de pico do primeiro feixe ocorre em uma direção angular muito próxima daquela na qual o pico na sensibilidade do segundo feixe ocorre. Este posicionamento próximo dos feixes em ângulo de elevação é desejável para permitir a precisão na determinação da elevação de um objeto distante (6). Entretanto, flutuações na sensibilidade de cada feixe, tal como ocorrerá devido ao ruído no sistema de circuitos receptor da unidade de radar e em níveis de sinal do ambiente, colocam limitações na precisão com a qual um nível do sinal de retorno pode ser determinado de forma confiável. A caixa retangular “margem de erro” (15) da figura 3 representa esta limitação graficamente sobre as sensibilidades do feixe de antena. A extensão vertical da caixa retangular de margem de erro representa a variância ou o erro na sensibilidade do primeiro e do segundo feixes, e a extensão horizontal da caixa da margem de erro representa o correspondente incertamente na posição angular (dθerror) que é determinável usando os dois feixes do radar da maneira acima descrita em relação à detecção de mono impulso. Isto representa uma limitação de resolução angular. Percebe-se que as dimensões da caixa da margem de erro (15) são enormemente exageradas para melhor ilustração dos princípios envolvidos.

[0038] A figura 4 mostra uma vista ampliada da caixa da margem de erro (15) e das regiões de pico do primeiro, do segundo e do terceiro feixes do radar (11, 12, 13). Um sinal de retorno direto (D) é mostrado como recebido tanto pelo primeiro quanto pelo segundo feixes do radar em um ângulo de elevação positivo. O ângulo corresponde à sensibilidade de pico do segundo feixe (17). Um sinal de retorno no segundo feixe do radar (17) excede aquele no primeiro feixe do radar (18). Se isto for resolúvel usando apenas o primeiro e o segundo feixes, a unidade de radar determinará que o objeto estava em uma elevação correspondente à elevação do segundo feixe. Entretanto, como ambos os sinais de retorno caem na caixa da margem de erro, esta resolução não é possível e o resultado será que a elevação do objeto pode ser dita como em algum local em dθerror. O mesmo resultado se mantém verdadeiro em relação ao sinal de retorno indireto (R) recebido no primeiro e no segundo feixes e resultando em respectivos sinais de retorno (19, 20) que também caem na caixa da margem de erro. Assim, os sinais diretos e indiretos podem não ser resolvidos.

[0039] Entretanto, pela provisão de um terceiro feixe do radar direcionado em uma elevação abaixo da horizontal, a unidade de radar pode gerar um sinal de retorno (16) em relação ao sinal de retorno indireto. O aparelho de radar emprega este sinal de retorno no terceiro feixe do radar para determinar a presença da propagação de sinal de múltiplos trajetos (isto é, identifica sinais do trajeto indireto (R)) usando o método do valor próprio acima descrito.

[0040] A figura 5 ilustra graficamente os três valores próprios (X1, X2, À3) associados com os sinais de radar de retorno recebidos no primeiro, no segundo e no terceiro feixes do radar (11, 12, 13) respectivamente, da figura 3. Um valor de limiar XTH também é mostrado. A unidade de radar é preparada para detectar que a propagação de sinal de múltiplos trajetos está presente se o terceiro valor próprio associado com um sinal de rádio de retorno no terceiro feixe de antena (13) exceder o valor de limiar XTH.

[0041] Subsequentes etapas podem, então, ser tomadas para mitigar os efeitos indesejáveis da propagação de sinal de múltiplos trajetos. Por exemplo, o terceiro vetor próprio associado com este terceiro valor próprio pode ser deletado, removido ou de outra forma não usado na subsequente determinação da elevação do alvo (6), para a qual o espaço próprio definido pelos restantes vetores próprios é usado. Desta maneira, os efeitos da propagação de sinal de múltiplos trajetos podem ser removidos dos dados de sinal de retorno definidos para toda a rede, desse modo, aumentando a precisão deste conjunto de dados.

[0042] Alternativamente, ou além do mais, um nulo pode ser formado e localizado na posição angular na qual o sinal de retorno indireto (R) é recebido pela rede de antena. Um exemplo de como isto pode ser alcançado é dado a seguir. Considere uma antena com M canais (elementos de antena, por exemplo, M = 3). Então, os padrões de ganho complexo dos canais em uma direção θ são dados por:

[0043] O fator y(θ) é usado para permitir o uso do vetor normalizado

em que:

[0044] Para formar um feixe na direção α, as saídas do canal são combinadas usando um conjunto de ponderações a dado por:

[0045] De forma que o padrão de antena seja, então,

isto é, o valor de yα(θ) na direção α é unidade, e o valor em qualquer outra direção não pode exceder unidade.

[0046] Para formar um nulo na direção β, correspondente à direção do sinal de retorno (tal como sinal R detectado no terceiro feixe de antena 13) associado com a propagação de sinal de múltiplos trajetos, as saídas do canal são combinadas usando um conjunto de ponderações normalizadas dadas por:

em que Qβ é definido por:

[0047] Os coeficientes no vetor b podem ser escolhidos conforme desejado. O padrão de antena é, então, yp(0):

[0048] Note que apenas o componente de b que é ortogonal a g(β) contribui para yp(0). Desta maneira, um nulo pode ser colocado na localização angular do sinal de retorno da propagação de múltiplos trajetos para mitigar contra os efeitos deste sinal de retorno.

[0049] A figura 6 ilustra esquematicamente um aparelho de radar (5) da figura 2 com detalhes.

[0050] Um primeiro elemento de antena mais superior (20), um segundo (21) elemento de antena no meio e terceiro (22) elemento de antena mais inferior da rede vertical (14) são conectados em comum em um alojamento de antena (23), que pode ser dirigível. Percebe-se que um sistema que compreende apenas três elementos de antena é aqui mostrado com propósitos ilustrativos, e pode ser desejável usar mais elementos de antena localizados acima do primeiro elemento de antena (20) que podem, cada qual, ser definidos em ângulos de elevação sucessivamente crescentes. Cada um do primeiro, do segundo e do terceiro elementos de antena é conectado em um respectivo duplexador de sinal (24) que é preparado para receber sinais de transmissão a partir de uma unidade transmissora (25) que serve a cada um dos elementos de antena em comum, e para passar as transmissões para os elementos de antena para transmissão. Cada duplexador também é preparado para passar sinais de retorno recebidos para uma respectiva unidade receptora (26) e, desde então, para uma respectiva unidade conversora analógico para digital (28) para converter os sinais de retorno recebidos em forma digital.

[0051] Todas as três unidades conversoras digital para analógico (28) são conectadas em um processador de sinal digital preparado para processar os sinais de retorno a fim de determinar um ângulo de elevação do objeto que está sendo rastreado e para detectar sinais de propagação de múltiplos trajetos da maneira acima descrita. O detalhe do processamento de sinal digital pode ser tal como seria prontamente aparente aos versados na técnica.

[0052] A saída do processador de sinal digital é conectada em uma unidade de controle de antena (30) e em uma estação do usuário (31), e inclui dados que indicam o ângulo de elevação detectado do objeto que está sendo rastreado. Os dados também podem incluir informação que identifica quais dos dados de sinal de retorno é o resultado dos sinais de propagação de múltiplos trajetos, de maneira tal que este possa ser identificado por uma estação do usuário (31). A estação do usuário pode identificar os sinais de propagação de múltiplos trajetos para um usuário como tal, ou pode descartar os mesmos, ou de outra forma adequadamente processar os mesmos para uso conforme desejado.

[0053] Deve-se entender que pretende-se que as modalidades acima descritas sejam para ilustração para auxiliar no entendimento da invenção, e que modificações, variantes ou equivalentes dos elementos das modalidades, tal como seria prontamente aparente aos versados na técnica, são abrangidas no escopo da invenção, por exemplo, tal como é definido pelas reivindicações.

[0054] A presente invenção refere-se a sistemas, aparelhos e métodos de radar e, particularmente, embora não exclusivamente, ao rastreamento de objetos por radar.

[0055] Rastreamento por radar de objetos distantes pode empregar uma metodologia de acordo com a qual dois feixes/lobos de radar parcialmente sobrepostos de uma antena de radar são direcionados na direção de um objeto alvo. Sinais de rádio de retorno que compreendem ondas de rádio originadas a partir de um primeiro dos feixes e refletidas de volta pelo objeto são subsequentemente detectados pela antena de radar. Também, sinais de rádio de retorno provenientes de um segundo dos feixes refletidos de volta pelo objeto são detectados pela antena de radar. Quando o objeto estiver posicionado no meio do trajeto entre a separação angular dos dois feixes, os dois sinais de retorno têm amplitude igual, caso contrário, eles não têm. A direção do feixe do radar pode ser ajustada para manter os dois sinais de retorno iguais em amplitude e, desse modo, rastrear o objeto. Em alguns sistemas da técnica anterior, este ajuste pode ser feito pelo ajuste da direção da própria antena.

[0056] Múltiplos trajetos é o fenômeno de propagação de acordo com o qual sinais de radar alcançam o receptor do aparelho de radar por meio de inúmeros diferentes trajetos de propagação. Os mecanismos de múltiplos trajetos dominantes são reflexo e difração a partir do solo e outras estruturas nas proximidades, por exemplo, prédios, vegetação ou veículos. Este tipo de múltiplos trajetos é uma das causas mais significativas de erros de ajuste do alcance do radar. Tipicamente, múltiplos trajetos se manifestam no sinal recebido como inúmeras réplicas atenuadas, deslocadas em fase e atrasadas (já que o trajeto indireto é sempre mais longo) do sinal da linha de visão somado em conjunto. Quando o atraso de múltiplos trajetos for grande, um receptor pode prontamente resolver os múltiplos trajetos e não irá sofrer significativos efeitos no desempenho. Atrasos mais curtos, provenientes de reflexos rasantes e estruturas close-in, são muito menos fáceis de distinguir e renderizam erros de múltiplos trajetos significativos.

[0057] A invenção visa a abordar estas questões.

[0058] Em um primeiro aspecto, a invenção provê um aparelho de radar para detecção da propagação de sinal de múltiplos trajetos durante a determinação de um ângulo de elevação de um objeto, que compreende uma rede de antena com a qual o aparelho de radar é preparado para formar pelo menos três feixes de antena separados que compreendem um primeiro feixe de antena tendo um ângulo de elevação acima da horizontal, e um segundo feixe de antena separado tendo um ângulo de elevação na, ou acima da, horizontal que é menor do que o do primeiro feixe de antena, e um terceiro feixe de antena separado tendo um ângulo de elevação abaixo da horizontal. O aparelho é preparado para transmitir impulsos de rádio a partir da rede de antena, para receber sinais de rádio de retorno no primeiro, no segundo e no terceiro feixes de antena, para calcular uma medida da amplitude de um sinal de rádio de retorno recebido no terceiro feixe de antena usando todos os sinais de rádio recebidos coletivamente, e, para detectar a propagação de sinal de múltiplos trajetos usando a medida.

[0059] A medida é, preferivelmente, a amplitude de um valor próprio da matriz de correlação cruzada dos sinais de rádio de retorno recebidos nos pelo menos três feixes de antena separados.

[0060] O aparelho de radar pode ser adicionalmente preparado para determinar uma elevação de um objeto usando vetores próprios da matriz de correlação cruzada que não sejam um vetor próprio da mesma associada com o valor próprio se a amplitude do valor próprio exceder um valor de limiar.

[0061] O aparelho de radar pode ser adicionalmente preparado para forma de feixe, um ou mais dos feixes de antena para localizar um nulo no padrão de feixe da rede de antena na localização angular associada com a propagação de sinal de múltiplos trajetos detectada se a amplitude do valor próprio exceder um valor de limiar.

[0062] A separação angular em elevação entre o primeiro e o segundo feixes de antena é, preferivelmente, substancialmente a mesma que a separação angular em elevação entre o segundo e o terceiro feixes de antena.

[0063] Preferivelmente um, alguns ou cada um do primeiro, do segundo e do terceiro feixes do radar é um feixe estreito.

[0064] A rede de antena pode compreender uma primeira unidade de antena preparada para formar independentemente o primeiro feixe de antena, uma segunda unidade de antena preparada para formar independentemente o segundo feixe de antena e uma terceira unidade de antena preparada para formar independentemente o terceiro feixe de antena.

[0065] A rede de antena pode compreender uma rede faseada de antenas que controlou coletivamente para formar o primeiro feixe de antena, o segundo feixe de antena e o terceiro feixe de antena.

[0066] Em um segundo aspecto, a invenção provê um aparelho de radar de mono impulso que compreende o aparelho de radar acima descrito.

[0067] Em um terceiro aspecto, a invenção provê um método para detecção da propagação de sinal de múltiplos trajetos durante a determinação de um ângulo de elevação de um objeto usando radar, que compreende, com uma rede de antena, formar pelo menos três feixes de antena separados que compreendem um primeiro feixe de antena tendo um ângulo de elevação acima da horizontal, e um segundo feixe de antena separado tendo um ângulo de elevação na, ou acima da, horizontal que é menor do que o do primeiro feixe de antena, e um terceiro feixe de antena separado tendo um ângulo de elevação abaixo da horizontal, transmitir impulsos de rádio a partir da rede de antena, receber sinais de rádio de retorno no primeiro, no segundo e no terceiro feixes de antena, calcular uma medida da amplitude de um sinal de rádio de retorno recebido no terceiro feixe de antena usando todos os sinais de rádio recebidos coletivamente, e, detectar a propagação de sinal de múltiplos trajetos usando a medida.

[0068] A medida é, preferivelmente, a amplitude de um valor próprio da matriz de correlação cruzada dos sinais de rádio de retorno recebidos nos pelo menos três feixes de antena separados.

[0069] O método pode incluir determinar uma elevação de um objeto usando vetores próprios da matriz de correlação cruzada que não sejam um vetor próprio da mesma associada com o valor próprio se a amplitude do valor próprio exceder um valor de limiar.

[0070] O método pode incluir forma de feixe, um ou mais dos feixes de antena para localizar um nulo no padrão de feixe da rede de antena na localização angular associada com a propagação de sinal de múltiplos trajetos detectada se a amplitude do valor próprio exceder um valor de limiar.

[0071] O método pode incluir formar os feixes de antena de maneira tal que a separação angular em elevação entre o primeiro e o segundo feixes de antena seja substancialmente a mesma que a separação angular em elevação entre o segundo e o terceiro feixes de antena.

[0072] O método pode incluir formar um, alguns ou cada um do primeiro, do segundo e do terceiro feixes do radar como um feixe estreito.

[0073] Agora, segue um exemplo não limitante de uma modalidade preferida da invenção em relação aos desenhos anexos, dos quais: As figuras 1(a), 1(b) e 1(c) ilustram os princípios de rastreamento por radar usando mono impulso (formação de lobos simultâneos) e propagação de sinal de múltiplos trajetos; A figura 2 ilustra graficamente um aparelho de radar de acordo com uma modalidade preferida da invenção, que detecta a propagação de sinal de múltiplos trajetos; A figura 3 ilustra graficamente uma representação gráfica de sensibilidades angulares de três feixes de antena em coordenadas retangulares; A figura 4 ilustra graficamente uma vista ampliada de uma região do gráfico da figura 3; A figura 5 ilustra esquematicamente as amplitudes de valores próprios da matriz de correlação cruzada de dados de sinal de retorno para o aparelho de radar da figura 2; A figura 6 ilustra esquematicamente um aparelho de radar da figura 2 com detalhes.

[0074] Nos desenhos, a itens iguais são atribuídos símbolos de referência iguais.

[0075] Em relação às figuras 1(a) até (c), rastreamento por radar mono impulso opera pela transmissão simultaneamente, a partir de uma antena de radar (5), de dois impulsos de radar (1, 2) em um par de feixes do radar parcialmente sobrepostos (3, 4) direcionados na direção de um objeto distante (6) que é rastreado. Sinais de rádio de retorno (7A) que compreendem ondas de rádio originadas a partir de um primeiro dos feixes parcialmente sobrepostos (3) e refletidos diretamente de volta pelo objeto são subsequentemente detectados pela antena de radar. Simultaneamente, sinais de rádio de retorno (8A) que compreendem ondas de rádio originadas a partir de um segundo dos feixes parcialmente sobrepostos (4) e refletidos diretamente de volta pelo objeto também são subsequentemente detectados pela antena de radar. Quando o objeto estiver posicionado no meio do trajeto entre a separação angular dos dois feixes, os dois sinais de retorno têm amplitude igual, da forma mostrada na figura 1(a), caso contrário, eles não têm, da forma mostrada na figura 1(b). A direção do feixe pode ser ajustada para manter os dois sinais de retorno iguais em amplitude e, desse modo, rastrear o objeto.

[0076] A figura 1(c) mostra o fenômeno de propagação de sinal de múltiplos trajetos em sinais de radar de retorno. Um trajeto de retorno direto (D) conduz sinais refletidos diretamente para a antena de radar sem reflexos intermediários, o que mudaria a direção recebida do sinal de retorno na antena. Entretanto, um trajeto indireto (R) refletido também existe no qual sinais retornados passam por um reflexo intermediário a partir da superfície do solo (9). O comprimento de trajeto do trajeto indireto excede aquele do trajeto direto e o sinal de retorno, por meio do trajeto indireto, é recebido depois da recepção do sinal de retorno a partir do trajeto direto, quando ambos se originarem a partir do mesmo impulso de saída, da forma mostrada na figura 1(c).

[0077] Esta separação temporal é uma indicação, em um padrão do sinal de retorno, que propagação de múltiplos trajetos existe. Entretanto, isto não é inequívoco, já que o subsequente sinal de retorno adicional (R) pode ser interpretado mostrando a presença de um segundo objeto (não mostrado) localizado em um alcance maior que o primeiro objeto (6).

[0078] Para resolver esta ambiguidade, pode-se tentar detectar o ângulo de altitude no qual o subsequente sinal de retorno foi recebido. Isto exige os dois feixes do radar (3, 4) para poder resolver este ângulo, se comparado com o ângulo de detecção determinado para o trajeto direto (D). Quando um objeto (6) que é rastreado estiver próximo do horizonte, a diferença no ângulo no qual os sinais de retorno direto e indireto são recebidos pode ser muito pequena, e pode ser impossível de resolver com o usual método de dois feixes ilustrado na figura 1. Assim, pode não ser possível distinguir entre o sinal de retorno direto e aquele indireto de forma inequívoca.

[0079] A figura 2 mostra uma modalidade da invenção que compreende unidade de radar (5) para detecção da propagação de sinal de múltiplos trajetos (R) durante a determinação de um ângulo de elevação de um objeto (6) próximo do horizonte. O aparelho de radar inclui três antenas separadamente acionadas (14) preparadas em uma rede vertical, igualmente espaçadas vizinha a vizinha. A unidade de radar é preparada para acionar as antenas mais superior e do meio para transmitir impulsos de rádio em um primeiro feixe de antena (11) e em um segundo feixe de antena separado (12), respectivamente. O feixe do meio (12) é direcionado em um ângulo de elevação que é menor do que o do primeiro feixe de antena (11), entretanto, o segundo feixe de antena (12) sobrepõe parcialmente o primeiro feixe de antena (11).

[0080] A unidade de radar é preparada para receber simultaneamente os reflexos de sinais transmitidos a partir das antenas superior e do meio, como sinais de rádio de retorno no primeiro e no segundo feixes de antena (11, 12) quando refletidos a partir do objeto (6).

[0081] A unidade de radar também inclui uma terceira e mais inferior antena da rede de três antenas (14) que também é preparado para receber sinais de rádio de retorno. Esta terceira define um terceiro feixe de antena (13) direcionado em um ângulo de elevação que é menor do que o do primeiro e do segundo feixes de antena. O ângulo de elevação de cada um do primeiro e do segundo feixes de antena (11, 12) é de maneira tal que cada um do primeiro e do segundo feixes de antena seja direcionado acima da horizontal, e o ângulo de elevação do terceiro feixe de antena é de maneira tal que o terceiro feixe de antena (13) seja direcionado abaixo da horizontal.

[0082] O aparelho de radar é preparado para determinar uma elevação do objeto (6) coletivamente usando sinais de rádio de retorno (D) recebidos em todos do primeiro, do segundo e do terceiro feixes de antena (11, 12, 13) e para detectar a propagação de sinal de múltiplos trajetos usando um sinal de rádio de retorno (R) recebido em todos os três feixes de antena. Em particular, a unidade de radar é preparada para detectar a propagação de sinal de múltiplos trajetos se sinal de rádio de retorno suficiente for recebido no terceiro feixe de antena, o que é, desse modo, determinado como recebido a partir de uma direção abaixo da horizontal.

[0083] A rede de três antenas (14) que forma a rede sensor mostrado na figura 2 é uma representação esquemática que é simplificada para auxiliar na objetividade. Entende-se que pode haver muito mais do que três antenas que preparam uma rede maior, desde que duas ou mais formem respectivos feixes acima da horizontal e uma ou mais antenas definam respectivos feixe(s) abaixo da horizontal.

[0084] Considere a rede de antenas que opera em modo de recepção como três sensores separados em uma rede sensor. Para uma rede sensor como este, os dados de sinal de retorno medidos podem ser representados como um vetor do sinal de retorno:

[0085] Aqui, a variável t representa tempo e gi (i = 1, 2, 3) representa os dados de sinal de retorno no i-ésimo elemento/sensor de antena. Os dados de sinal de retorno representam as amplitudes e as fases de sinais de rádio recebidos nos elementos de antena da rede (14), juntamente com algum ruído. Quando houver mais de três elementos sensores de antena (por exemplo, M elementos de antena), haverá mais de três componentes g no vetor do sinal dos dados de retorno (por exemplo, M componentes, um para cada sensor). A matriz de correlação cruzada ou matriz de covariância deste vetor do sinal de retorno é dada por:

em que T representa a transposta conjugada. Esta matriz é uma matriz 3 x 3 no presente exemplo, mas será uma matriz M x M quando houver M elementos/sensores de antena na rede de antena. Os vetores próprios, Vj(t), de H(t) e seus valores próprios associados Àj (j = 1, 2, 3) são definidos por:

de maneira tal que,

[0086] Isto significa que a variância dos dados projetados em um dado vetor próprio é igual a seu valor próprio. Estes valores próprios podem ser considerados como uma medida de energia ou potência e a energia total no sensor sistema é a soma de todos os M valores próprios:

[0087] No exemplo da figura 2, M = 3. O componente da energia total que é projetada sobre qualquer dado vetor próprio corresponde ao valor próprio para este vetor próprio. O par de valor próprio/vetor próprio (Vi, Xi) é associado com os dados de sinal de retorno g1 provenientes de um primeiro elemento de antena da rede de antena que é mais superior na rede e tem a mais alta elevação acima da horizontal dos três. O par de valor próprio/vetor próprio (V2, X2) é associado com os dados de sinal de retorno g2 provenientes de um segundo elemento de antena da rede de antena que fica imediatamente abaixo do primeiro elemento de antena e tem um menor ângulo de elevação acima da horizontal. O par de valor próprio/vetor próprio (V3, X3) é associado com os dados de sinal de retorno g3 provenientes de um terceiro elemento de antena mais inferior da rede de antena que tem um ângulo de elevação abaixo da horizontal. Note, entretanto, que cada um destes três pares de valor próprio/vetor próprio é calculado usando dados de sinal de retorno de toda a rede. A associação de um dado par de valor próprio/vetor próprio com um certo elemento de antena se torna possível pelo fato de que aquele valor próprio associado com um dado sinal de retorno, para um dado elemento de antena, aparece na mesma linha na matriz; {H(t) — XjI} como a linha (j) do vetor do sinal de retorno g(t) na qual os dados de sinal de retorno gj(t) aparecem. O sistema de antena é preparado para calcular os valores próprios e os vetores próprios da matriz de correlação cruzada/de covariância formada a partir dos dados de retorno para todos os elementos na rede de antena (três, neste exemplo, mas, tipicamente, mais do que isto) e para identificar o valor próprio X3 associado com o terceiro elemento de antena com elevação abaixo da horizontal. A amplitude deste terceiro valor próprio X3 é, então, comparada com um valor de limiar (ÀTH) que é escolhido para ser representativo da máxima amplitude do ruído de sinal esperado no sistema de antena. Se a amplitude deste terceiro valor próprio X3 não for maior que o valor de limiar, ele é considerado associado com ruído do sistema e esta propagação de sinal de múltiplos trajetos não está presente. Entretanto, se a amplitude do terceiro valor próprio exceder o valor de limiar (isto é, X3 > À.TH), então, é concluído que o terceiro elemento de antena recebeu um sinal de retorno causado pela propagação de sinal de múltiplos trajetos.

[0088] O terceiro valor próprio é desse modo usado como uma medida da amplitude do sinal de retorno recebido no terceiro elemento de antena, e o limiar é usado para determinar se o sinal de retorno é suficientemente significativo para ser considerado como devido à propagação de sinal de múltiplos trajetos em vez disto somente ruído. O valor de limiar pode ser escolhido conforme apropriado para um dado sistema de antena e modo operacional do mesmo, mas puramente como um exemplo, o valor de limiar pode ser um valor que corresponde a sinais de retorno não mais altos que -10dB. Outros valores de limiar podem ser usados conforme apropriado ou desejado.

[0089] Isto é descrito em relação às figuras 3 a 5 a seguir.

[0090] A figura 3 ilustra graficamente uma representação gráfica de sensibilidades angulares de três feixes de antena em coordenadas retangulares. A figura 4 ilustra graficamente uma vista ampliada de uma região do gráfico da figura 3. Em relação à figura 3, a separação angular dos centros do primeiro e do segundo feixes do radar (11, 12) é muito pequena. A sensibilidade de pico do primeiro feixe ocorre em uma direção angular muito próxima daquela na qual o pico na sensibilidade do segundo feixe ocorre. Este posicionamento próximo dos feixes em ângulo de elevação é desejável para permitir a precisão na determinação da elevação de um objeto distante (6). Entretanto, flutuações na sensibilidade de cada feixe, tal como ocorrerá devido ao ruído no sistema de circuitos receptor da unidade de radar e em níveis de sinal do ambiente, colocam limitações na precisão com a qual um nível do sinal de retorno pode ser determinado de forma confiável. A caixa retangular “margem de erro” (15) da figura 3 representa esta limitação graficamente sobre as sensibilidades do feixe de antena. A extensão vertical da caixa retangular de margem de erro representa a variância ou o erro na sensibilidade do primeiro e do segundo feixes, e a extensão horizontal da caixa da margem de erro representa o correspondente incertamente na posição angular (dθerror) que é determinável usando os dois feixes do radar da maneira acima descrita em relação à detecção de mono impulso. Isto representa uma limitação de resolução angular. Percebe-se que as dimensões da caixa da margem de erro (15) são enormemente exageradas para melhor ilustração dos princípios envolvidos.

[0091] A figura 4 mostra uma vista ampliada da caixa da margem de erro (15) e das regiões de pico do primeiro, do segundo e do terceiro feixes do radar (11, 12, 13). Um sinal de retorno direto (D) é mostrado como recebido tanto pelo primeiro quanto pelo segundo feixes do radar em um ângulo de elevação positivo. O ângulo corresponde à sensibilidade de pico do segundo feixe (17). Um sinal de retorno no segundo feixe do radar (17) excede aquele no primeiro feixe do radar (18). Se isto for resolúvel usando apenas o primeiro e o segundo feixes, a unidade de radar determinará que o objeto estava em uma elevação correspondente à elevação do segundo feixe. Entretanto, como ambos os sinais de retorno caem na caixa da margem de erro, esta resolução não é possível e o resultado será que a elevação do objeto pode ser dita como em algum local em dθerror. O mesmo resultado se mantém verdadeiro em relação ao sinal de retorno indireto (R) recebido no primeiro e no segundo feixes e resultando em respectivos sinais de retorno (19, 20) que também caem na caixa da margem de erro. Assim, os sinais diretos e indiretos podem não ser resolvidos.

[0092] Entretanto, pela provisão de um terceiro feixe do radar direcionado em uma elevação abaixo da horizontal, a unidade de radar pode gerar um sinal de retorno (16) em relação ao sinal de retorno indireto. O aparelho de radar emprega este sinal de retorno no terceiro feixe do radar para determinar a presença da propagação de sinal de múltiplos trajetos (isto é, identifica sinais do trajeto indireto (R)) usando o método do valor próprio acima descrito.

[0093] A figura 5 ilustra graficamente os três valores próprios (X1, X2, A3) associados com os sinais de radar de retorno recebidos no primeiro, no segundo e no terceiro feixes do radar (11, 12, 13) respectivamente, da figura 3. Um valor de limiar XTH também é mostrado. A unidade de radar é preparada para detectar que a propagação de sinal de múltiplos trajetos está presente se o terceiro valor próprio associado com um sinal de rádio de retorno no terceiro feixe de antena (13) exceder o valor de limiar XTH.

[0094] Subsequentes etapas podem, então, ser tomadas para mitigar os efeitos indesejáveis da propagação de sinal de múltiplos trajetos. Por exemplo, o terceiro vetor próprio associado com este terceiro valor próprio pode ser deletado, removido ou de outra forma não usado na subsequente determinação da elevação do alvo (6), para a qual o espaço próprio definido pelos restantes vetores próprios é usado. Desta maneira, os efeitos da propagação de sinal de múltiplos trajetos podem ser removidos dos dados de sinal de retorno definidos para toda a rede, desse modo, aumentando a precisão deste conjunto de dados.

[0095] Alternativamente, ou além do mais, um nulo pode ser formado e localizado na posição angular na qual o sinal de retorno indireto (R) é recebido pela rede de antena. Um exemplo de como isto pode ser alcançado é dado a seguir. Considere uma antena com M canais (elementos de antena, por exemplo, M = 3). Então, os padrões de ganho complexo dos canais em uma direção θ são dados por:

[0096] O fator y(θ) é usado para permitir o uso do vetor normalizado

em que:

[0097] Para formar um feixe na direção α, as saídas do canal são combinadas usando um conjunto de ponderações a dado por:

[0098] De forma que o padrão de antena seja, então, yα(θ):

[0099] Para formar um nulo na direção β, correspondente à direção do sinal de retorno (tal como sinal R detectado no terceiro feixe de antena 13) associado com a propagação de sinal de múltiplos trajetos, as saídas do canal são combinadas usando um conjunto de ponderações normalizadas dadas por:

em que Qβ é definido por:

e: QβQβ = Qβ.

[00100] Os coeficientes no vetor b podem ser escolhidos conforme desejado. O padrão de antena é, então, yp(0):

[00101] Note que apenas o componente de b que é ortogonal a g(β) contribui para yp(0). Desta maneira, um nulo pode ser colocado na localização angular do sinal de retorno da propagação de múltiplos trajetos para mitigar contra os efeitos deste sinal de retorno.

[00102] A figura 6 ilustra esquematicamente um aparelho de radar (5) da figura 2 com detalhes.

[00103] Um primeiro elemento de antena mais superior (20), um segundo (21) elemento de antena no meio e terceiro (22) elemento de antena mais inferior da rede vertical (14) são conectados em comum em um alojamento de antena (23), que pode ser dirigível. Percebe-se que um sistema que compreende apenas três elementos de antena é aqui mostrado com propósitos ilustrativos, e pode ser desejável usar mais elementos de antena localizados acima do primeiro elemento de antena (20) que podem, cada qual, ser definidos em ângulos de elevação sucessivamente crescentes. Cada um do primeiro, do segundo e do terceiro elementos de antena é conectado em um respectivo duplexador de sinal (24) que é preparado para receber sinais de transmissão a partir de uma unidade transmissora (25) que serve a cada um dos elementos de antena em comum, e para passar as transmissões para os elementos de antena para transmissão. Cada duplexador também é preparado para passar sinais de retorno recebidos para uma respectiva unidade receptora (26) e, desde então, para uma respectiva unidade conversora analógico para digital (28) para converter os sinais de retorno recebidos em forma digital.

[00104] Todas as três unidades conversoras digital para analógico (28) são conectadas em um processador de sinal digital preparado para processar os sinais de retorno a fim de determinar um ângulo de elevação do objeto que está sendo rastreado e para detectar sinais de propagação de múltiplos trajetos da maneira acima descrita. O detalhe do processamento de sinal digital pode ser tal como seria prontamente aparente aos versados na técnica.

[00105] A saída do processador de sinal digital é conectada em uma unidade de controle de antena (30) e em uma estação do usuário (31), e inclui dados que indicam o ângulo de elevação detectado do objeto que está sendo rastreado. Os dados também podem incluir informação que identifica quais dos dados de sinal de retorno é o resultado dos sinais de propagação de múltiplos trajetos, de maneira tal que este possa ser identificado por uma estação do usuário (31). A estação do usuário pode identificar os sinais de propagação de múltiplos trajetos para um usuário como tal, ou pode descartar os mesmos, ou de outra forma adequadamente processar os mesmos para uso conforme desejado.

[00106] Deve-se entender que pretende-se que as modalidades acima descritas sejam para ilustração para auxiliar no entendimento da invenção, e que modificações, variantes ou equivalentes dos elementos das modalidades, tal como seria prontamente aparente aos versados na técnica, são abrangidas no escopo da invenção, por exemplo, tal como é definido pelas reivindicações.

Claims

1. Aparelho de radar para detectar propagação de sinal de múltiplos trajetos (R) ao determinar um ângulo de elevação de um objeto (6), caracterizado pelo fato de que compreende uma rede de antena (14) com o qual o aparelho de radar é arranjado: para formar pelo menos três feixes de antena separados (11, 12, 13) compreendendo um primeiro feixe de antena (11) tendo um ângulo de elevação acima da horizontal, e um segundo feixe de antena separado (12) tendo um ângulo de elevação na, ou acima da, horizontal que é menor do que o primeiro feixe de antena (11), e um terceiro feixe de antena separado (13) tendo um ângulo de elevação abaixo da horizontal; em que o aparelho é arranjado para transmitir impulsos de rádio a partir da rede de antena (14); para receber sinais de rádio de retorno (D) dentro dos primeiro, segundo e terceiro feixes de antena (11, 12, 13); para calcular uma medida da amplitude de um sinal de rádio de retorno (D) recebido dentro do terceiro feixe de antena (13) usando todos os ditos sinais de rádio recebidos coletivamente; e, para detectar propagação de sinal de múltiplos trajetos ® usando a medida.

2. Aparelho de radar de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a medida é a amplitude de um valor próprio da matriz de correlação cruzada de sinais de rádio de retorno (D) recebidos dentro de pelo menos três feixes de antena separados (11, 12, 13).

3. Aparelho de radar de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que é adicionalmente arranjado para determinar uma elevação de um objeto (6) usando vetores próprios da matriz de correlação cruzada que não seja um vetor próprio da mesma associada com o valor próprio, se a amplitude do valor próprio exceder um valor de limiar.

4. Aparelho de radar de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que é adicionalmente arranjado para forma de feixe, um ou mais dos feixes de antena (11, 12, 13) para localizar um nulo no padrão do feixe da rede de antena (14) na localização angular associada com a propagação de sinal de múltiplos trajetos (R) detectada se a amplitude do valor próprio excede um valor de limiar.

5. Aparelho de radar de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a separação angular em elevação entre o primeiro e segundo feixes de antena (11, 12) é a mesma que a separação angular em elevação entre os segundo e terceiro feixes de antena (12, 13).

6. Aparelho de radar de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que um, alguns ou cada um dos primeiro, segundo e terceiro feixes de radar (11, 12 ,13) é um feixe estreito.

7. Aparelho de radar de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a rede de antena (14) compreende uma primeira unidade de antena arranjada para formar o primeiro feixe de antena (11) de forma independente, uma segunda unidade de antena (12) arranjada para formar independentemente o segundo feixe de antena (12), e uma terceira unidade de antena arranjada para formar independentemente dito terceiro feixe de antena (13).

8. Aparelho de radar de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a rede de antena (14) compreende uma rede faseada de antenas, cujo aparelho de antena é arranjado para controlar coletivamente para formar o primeiro feixe antena (11), o segundo feixe de antena (12), e o terceiro feixe de antena (13).

9. Aparelho de radar de mono impulso, caracterizado pelo fato de que compreende o aparelho de radar como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 8.

10. Método para detectar propagação de sinal de múltiplos trajetos (R) ao determinar um ângulo de elevação de um objeto (6) usando o radar, caracterizado pelo fato de que compreende: com uma rede de antena, formar pelo menos três feixes de antena separados (11, 12, 13) compreendendo um primeiro feixe de antena (11) tendo um ângulo de elevação acima da horizontal, e um segundo feixe de antena (12) separado tendo um ângulo de elevação na, ou acima da, horizontal que é menor do que o do primeiro feixe de antena (11), e um terceiro feixe de antena (13) separado tendo um ângulo de elevação abaixo da horizontal; transmitir pulsos de rádio a partir da rede de antena (14); receber sinais de rádio de retorno (D) dentro dos primeiro, segundo e terceiro feixes de antena (11, 12, 13); calcular uma medida da amplitude de um sinal de rádio de retorno (D) recebido dentro do terceiro feixe de antena (13) usando todos os ditos sinais de rádio recebidos coletivamente; e, detectar propagação de sinal de múltiplos trajetos (R) usando a medida.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a medida é a amplitude de um valor próprio da matriz de correlação cruzada de sinais de rádio de retorno recebidos dentro de pelo menos três feixes de antena separados (11, 12, 13).

12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que inclui a determinação de uma elevação de um objeto (6) usando vetores próprios da matriz de correlação cruzada que não seja um vetor próprio da mesma associada ao vetor próprio, se a dita amplitude do valor próprio excede um valor de limiar.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que inclui formação de feixes de um ou mais dos feixes de antena (14) para localizar um nulo no padrão de feixe da rede de antena na localização angular associada à propagação de sinal de múltiplos trajetos (R) detectada se a amplitude do valor próprio excede um valor de limiar.

14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 13, caracterizado pelo fato de que inclui a formação dos feixes de antena (11, 12 ,13) de modo que a separação angular em elevação entre os primeiro e segundo feixes de antena (11, 12) seja a mesma que a separação angular em elevação entre os segundo e terceiro feixes de antena (12, 13).

15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 14, caracterizado pelo fato de que inclui a formação de um, alguns ou cada um dos primeiro, segundo e terceiro feixes de radar (11, 12, 13) como um feixe estreito.