BRPI0612978A2 - radar de malha de perìmetro de abertura sintética - Google Patents

Abstract

RADAR DE MALHA DE PERIMETRO DE ABERTURA SINTETICA. Uma malha de antena de perímetro para um radar, em particular um radar de monitoramento em inclinação, formado de um par de malhas lineares paralelas de elementos do receptor e um par de malhas lineares paralelas de elementos do receptor, formando juntas um retângulo de elementos de receptor e de transmissor. Sinais são comutados aos elementos do transmissor e recebidos pelos elementos receptores. Os sinais são processados para obter sinais para os elementos virtuais localizados eqúidístantes entre os elementos de transmissão e de recepção. Os sinais dos elementos virtuais são analisados para produzir uma imagem de radar.

Description

RADAR DE MALHA DE PERÍMETRO DE ABERTURA SINTÉTICA

Esta invenção relaciona-se a um radar de malha deperímetro de abertura sintética. Em particular, elarelaciona-se a uma malha de antena de perímetro para radarde elemento de perímetro útil para aplicações demonitoramento de inclinação.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO

Em nossa patente concedida anteriormente, a Patentedos Estados Unidos número 6850183, descrevemos um sistemade monitoramento de inclinação com base em medições deradar interferométricas. O radar emprega uma antena deprato varrida mecanicamente para atingir cobertura deazimute e de elevação. O radar descrito em nossa patenteanterior utilizou um prato parabólico de 0,92 m de diâmetromontado em um tripé sólido e controlado por motores eengrenagens separadas para o movimento de azimute e deelevação.

Foi verificado que a antena de prato de varreduramecânica é uma fonte de instabilidade mecânica, de modo queum sistema alternativo é necessário. Ademais, o equipamentode varredura mecânica possui um grande requisito de energiaque é fornecida por um gerador, assim aumentando o tamanhoe o custo do radar. Há limites práticos sobre o tamanho deum prato de varredura mecânica para aplicações demonitoramento de inclinação, assim para as aplicações delongo alcance ou aplicações de resolução mais altas umaalternativa é necessária.

Imagens de abertura sintética com malhas limitescirculares e elípticas foram analisadas para aplicaçõesacústicas por Kozick [Coarray Synthesis with Circular andElliptical Boundary Arrays(Síntese de Co-malhas com Malhasde Limites Circulares e Elípticos); IEEE Trans. ImageProcessing; Vol 1 No 3 Jul 1992] e Norton [SyntheticAperture Imaging with Arrays of Arbitrary Shape - Part II:The Annular Array; IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectricsand Frequeney Control; Vol 4 9 No 4 Apr 2 002] . Koziek eNorton ambos referenciam o trabalho anterior de Norton[Acoustic Holography with an Annular Aperture; J. Acoustic.Soe. Am. Vol 71 No 5 May 1982] . Também pode-se fazerreferência a um trabalho anterior de Milder & Wells[Acoustic Holography with Crossed Linear Arrays; IBM J.Res. Develop. Sep 1970] que descreve as vantagens dasmalhas lineares ortogonais de elementos de receptor e detransmissor.

Embora não diretamente aplicável à situação do radar,a análise teórica nesses trabalhos fornece um segundo planoútil para considerar a malha de perímetro como umaalternativa à antena de prato.

OBJETO DA INVENÇÃO

É um objeto da presente invenção fornecer uma malha deantena de perímetro para um radar de abertura sintética.

Outros objetos serão evidentes da descrição seguinte.

REVELAÇÃO DA INVENÇÃO

Em uma forma, embora ela não precise ser a única ou,em verdade, a forma mais ampla, a invenção reside em umamalha de antena de perímetro para um radar de aberturasintética que compreende:

Pelo menos uma malha linear de elementos transmissoresde radar;

Pelo menos uma malha linear de elementos receptores deradar ortogonais à malha linear de elementos transmissores;

Um ou mais comutadores de transmissores para comutaros sinais para uma seleção dos ditos elementos detransmissor de radar;

Um ou mais comutadores receptores para comutar sinaisrecebidos de uma seleção dos ditos elementos de recepção doradar; e

Um ou mais processadores para processar os sinaisrecebidos para sintetizar elementos virtuais eqüidistantesde pares dos elementos do transmissor e dos elementos doreceptor.

Adequadamente a malha de antena de perímetro é partede um radar e o um ou mais processadores também analisam ossinais associados aos ditos elementos virtuais paraproduzir imagens de radar.

Preferivelmente os elementos em cada malha linear sãoequi-espaçados mas o espaçamento entre os elementos dotransmissor poderão ser diferentes do espaçamento entre oselementos do receptor.

Preferivelmente os padrões de radiação dos elementosdas antenas casam com o ângulo de varredura desejado doradar.

O espaçamento dos elementos da antena sãoadequadamente escolhidos de maneira similar ao radar demalha faseado tradicional de modo a minimizar lobos dedissonância através do campo de visão do radar.

DETALHES SUCINTOS DOS DESENHOS

Para auxiliar na compreensão da invenção, versõespreferidas serão descritas agora com referência às Figurasseguintes, em que:A Figura 1 é um retrato esquemático de uma malha deantena de perímetro para radar de abertura sintética.

A Figura 2 retrata a geração de elementos virtuais.

A Figura 3 é um retrato esquemático de uma malha deantena de perímetro em escala maior com base na antena daFigura 1 e mostrando a eletrônica de canal e de cerne.

A Figura 4 mostra uma parte da eletrônica da Figura 3em maior detalhe.

A Figura 5 mostra uma versão da eletrônica de canal doreceptor em detalhe.

A Figura 6 mostra uma versão da eletrônica de canal dotransmissor em detalhe.

A Figura 7 mostra esquematicamente uma versão da.eletrônica de cerne.

A Figura 8 é um fluxograma das etapas em operação deum radar de abertura sintética que emprega a malha deantena de perímetro.

A Figura 9 mostra um esquema para o salteamento defreqüência através de uma banda de freqüência.

A Figura 10 mostra uma disposição para a calibração doradar.

A Figura 11 mostra parte da eletrônica de uma versãoalternativa de uma malha de antena de perímetro; e

A Figura 12 mostra uma imagem de radar tomada com amalha de antena de perímetro da Figura 11.

DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS

Ao descrever versões diferentes da presente invenção,números de referência comuns são utilizados para descrevercaracterísticas iguais.

Uma primeira versão de uma antena de malha deperímetro para um radar de abertura sintética é mostradaesquematicamente na Figura 1. A antena é construída de umnúmero de elementos receptores Rx e de elementostransmissores Tx. A versão particular da Figura 1 empregaelementos transmissores ao longo do lado superior 2 e dolado inferior 3 e elementos receptores ao longo do ladodireito 4 e do lado esquerdo 5. Uma malha escalável pequenatípica que seria utilizada para alcances de até váriascentenas de metros (nominalmente cerca de 650 m) teriadimensões de 0,9 m por 0,7 m e teria 55 elementostransmissores em cada um do lado superior 2 e do ladoinferior 3, e 32 elementos receptores em cada um do ladodireito 4 e do lado esquerdo 5. O número exato de elementosna malha dependerá de um número de fatores como o tamanhofísico, considerações de fabricação e proporção sinal aruído.

A versão é mostrada com elementos transmissores noslados horizontais e elementos receptores nos ladosverticais, mas não há qualquer razão particular para estaconformação que não a eletrônica receptora ser geralmentemais onerosa que a eletrônica transmissora. Em uma versãoalternativa descrita com referência à Figura 11, aeletrônica do transmissor é mais cara e assim os elementostransmissores estão dispostos no lado vertical e oselementos receptores no lado horizontal. Na verdade,elementos transceptores (capazes de receber e detransmitir) poderiam ser utilizados em cada localização.

Deve ser apreciado que a virtude da malha de perímetroretangular é que ela permite a separação dos elementostransmissores e receptores com os elementos transmissoresem um par de lados paralelos e os elementos receptores nooutro par. Com uma malha de perímetro circular ou elípticacada elemento é tanto um transmissor como receptor ou entãoos elementos transmissores precisam ser misturados comelementos receptores.

Ao transmitir em um elemento e receber em outroelemento, um elemento virtual é sintetizado equi-espaçadoentre cada elemento. Ao transmitir e receber em cada par deelementos, uma abertura enchida virtual é sintetizada deapenas elementos reais de perímetro. Não é prático tentarmostrar todos os elementos virtuais na antena da Figura 1.Para facilidade de descrição, referência é feita a umaantena simplificada mostrada na Figura 2.

A Figura 2 mostra um radar de malha de perímetro.pequena com três elementos transmissores superiores einferiores e dois elementos receptores esquerdo e direito.Todos os elementos transmissores e todos os elementosreceptores têm um subscrito singular. Cada elemento virtualestá a meio caminho entre um elemento de transmissão e umelemento de recepção. Cada elemento virtual tem doiscaracteres subscritos; o primeiro caractere identifica oelemento transmissor relevante e o segundo caractereidentifica o elemento receptor relevante. Assim V1B está ameio do caminho entre Ti e Rb.

Em qualquer tempo dado dois elementos transmissoresestarão em operação: um da parte superior e um da parteinferior. De modo similar, em qualquer tempo dado doiselementos receptores estarão em operação; um do ladosuperior e um do lado inferior.

Considere o caso de Ti e Ta estarem em uso. Versõesdeslocadas no tempo do mesmo código PN (Pseudo Ruído) sãotransmitidos em cada elemento repetitivamente. (O código PNé superimposto em um modulador bifásico em uma freqüênciatransmissora portadora.) Por exemplo, considere um códigoPN de 15 bits de comprimento.

Seqüência de código T1: 111010110010001Seqüência de código TA: 001000111101011Observe que a seqüência em Ta é avançada por 8 ciclosde relógio comparada com a seqüência em Ti.

Considere um dos receptores ativos; ele receberáenergia de radar de retorno de ambos os transmissores.Quando a energia recebida é apropriadamente comprimida,haverão dois picos, um devido a Ti e o outro devido a TA.Os dois picos serão separados pelo deslocamento de tempo,entre os dois códigos. Assim, para atingir um retardo detempo desambíguo de radar no geral de t, a seqüência decódigo precisa ser do período 2*t de comprimento. 0 retardode tempo desambíguo t vem do período de repetição do sinaltransmitido. Como no exemplo acima há efetivamente doisradares, o retardo de tempo desambíguo é metade do períodode repetição do sinal transmitido. A resolução de alcance,em contraste, é 1/(largura de banda).

Inicialmente enquanto transmite em Ti e Ta , Ri e Raestarão recebendo. Dado o deslocamento de tempo entre oscódigos em Ti e Ta explicado no parágrafo acima, é possíveldesmisturar a energia dos dois transmissores. Portanto, épossível identificar a energia recebida em Ra de Ti, porexemplo. Isto é identificado com o elemento virtual V1A. Oprocesso é repetido para Vn, VA1 e Vaa.

O processo é repetido mas sinais são, em vez disso,recebidos nos elementos R2 e Rb. Isto produz resultadospara V1B/ Vi2, VA2 e Vab.

Uma vez dados suficientes tenham sido coletados emtodos os receptores para o par transmissor Ti e TA, o par T2e Tb são utilizados. Com esses elementos transmissores emuso primeiro o par Ri e Ra serão utilizados e depois o parreceptor R2 e Rb. Tudo junto isto produz resultados para 8elementos virtuais.

Os últimos 8 elementos virtuais são obtidos aoutilizar o último par de transmissão T3 e Tc. Uma vezcoletado dados para todos os elementos virtuais o processointeiro é repetido a uma freqüência portadora recuada. Istoamplia a banda sobre a qual há dados capturados; e assim,aumenta a resolução do alcance.

Outra abordagem é utilizar um código pseudo-ruídolimitado por largura de banda e re-amostrado que é passadoatravés de um conversor digital para analógico antes decombinar com uma portadora e ser aplicado diretamente acada elemento. Esta abordagem permite que toda a largura debanda seja capturada de uma só vez. Esta abordagem édiscutida mais longamente abaixo com relação à eletrônicade canal e de cerne.

Os dados de todos os elementos virtuais juntos formamuma malha faseada sintética. Antes do processamento damalha faseada convencional, uma pequena correção de fase éaplicada aos elementos virtuais para corrigir os erros defase causados por alguns elementos virtuais estarem a meiodo caminho entre elementos transmissores e receptores bemseparados e outros elementos virtuais estando a meio docaminho entre elementos transmissores e receptoresespaçados próximos.

Um transforme em 3D (similar a um 3D-FFT) é aplicadoaos dados dos elementos virtuais para obter dados dealcance, azimute e elevação a alvos de imagem. Antes dotransforme, ponderações de amplitude poderão ser aplicadasaos elementos virtuais para controlar os feixes de loboslaterais. De modo similar a ponderação de fase poderá seraplicada, por exemplo, para focalizar o feixe no campopróximo. É importante apreciar que a malha de perímetroretangular permite que o processamento computacionalmenteeficiente transforme de dados de freqüência para cadaelemento virtual em voxels em 3D com eixos de alcance,azimute e elevação. As malhas de perímetro circular ouelíptica não são receptivas a tais transformaçõescomputacionalmente eficientes.

Além disso, pelo controle das ponderações de amplitudee de fase em cada elemento de abertura visual pode serconceitualizado como sendo varrido em azimute e elevação.

Um campo de visão de +/- 60 graus em azimute e +/- 3 0 grausem elevação enquanto a malha de perímetro permaneceestacionaria é facilmente obtida. Na realidade o radar nãoé varrido no sentido mecânico comum ou mesmo no sentidoeletrônico de uma malha faseada normal. Em vez disso, osdados do transforme em 3D contêm todas as combinaçõesválidas de ângulos de azimute e de elevação. As ponderaçõesde fase aplicadas durante o processamento do sinal corrigempela fase ligeiramente diferente de elementos sintéticosformados de elementos reais espaçados próximos comparadocom aqueles formados de elementos reais bem separados. Asponderações de fase também corrigem por erros de fase noselementos, na eletrônica e nos cabos. As ponderações defase também podem permitir a focalização de curto alcancedo radar de malha de perímetro de abertura sintética. Asponderações de amplitude podem corrigir os erros naeletrônica. As ponderações de amplitude e de fase juntaspodem otimizar o acerto entre resolução e escolher o nívelde lobo lateral mais desejável.

Para atingir o campo de visão para o radar de malha deperímetro de ±30° na elevação e de ±60° no azimute, os 3 dBpontos do padrão de radiação das antenas individuais deveser pref erivelmente em ±3 0° na elevação e de ±60° noazimute. Se o padrão de radiação do elemento é maisestreito do que isto, haverá retornos muito fracos noslimites do campo de visão. Se o padrão de radiação doelemento é mais amplo do que isto, a proporção sinal aruído será mais fraca do que ela poderia ser.

A malha de perímetro pequeno mostrada na Figura 1 só éútil para pequenas instalações a curto alcance. Uma malhamaior é mostrada na Figura 3 com eletrônica de controle.Uma malha de antena de perímetro típica para uma grandeinstalação terá 165 elementos transmissores superiores einferiores e 97 malhas receptoras a cada lado. Cada malhalinear é construída de um número de sub-malhas e, portanto,tem por base a malha pequena da Figura 1. Como é evidente,a malha grande utiliza três pequenos módulos de malha acada lado de modo que há três sub-malhas transmissoras 31ao longo do topo 32 e da parte inferior 33 e três sub-malhas receptoras 3 6 ao longo do lado direito 34 e do ladoesquerdo 35. A malha de antena de perímetro deste tamanhoterá um alcance medido em quilômetros (nominalmente 3,5 kmcom a tecnologia atual).

A malha de perímetro grande e a malha de perímetropequeno têm o mesmo campo de visão mas resoluçõesdiferentes a um dado alcance. A resolução desejada na faixaoperacional determina a abertura necessária da malha deperímetro. 0 número de elementos na malha de perímetro évariável dependendo em um número de fatores que incluem aescala de tempo dos efeitos atmosféricos. Por exemplo, otempo de varredura de 3 0 segundos é aceitável para a malhade perímetro grande descrita acima. 0 tempo de varredurapode ser reduzido ao reduzir o tamanho da abertura enquantomantém constante o espaçamento dos elementos. Isto tambémreduz a resolução.

A proporção sinal a ruído também precisa ser·considerada. A proporção sinal a ruído pode ser aprimoradapor operar transmissores e receptores em paralelo paraaumentar a coleta dos dados mas isto aumenta os custos dohardware.

Será apreciado que o número específico de elementos namalha é uma decisão de projeto que leva em conta váriasconsiderações competidoras incluindo aquelas mencionadasacima.

As sub-malhas são projetadas para serem facilmenteconectadas de modo que malhas de antena maiores poderão serfacilmente construídas e reparadas. A Figura 3 mostra aeletrônica cerne 37 e eletrônica de canal 38 como elementosdiscretos. Será apreciado que a localização específica dosvários componentes eletrônicos é de importância secundária.

O custo do circuito dos elementos receptores etransmissores é significativo o que poderia tornar a malhade perímetro não econômica para um sistema real. Contudo,os inventores percebem que eletrônica separada não énecessária para cada elemento pois os sinais de e para oselementos são processados de maneira controlada paracontrolar o campo de visão dos elementos virtuais.Portanto, é prático comutar elementos para um númeroreduzido de canais de processamento de sinal.

Os principais componentes de uma versão da eletrônicade canal são mostrados na Figura 4. Cada canal fornecesinais para uma sub-malha transmissora e recebe sinais deuma sub-malha receptora. Assim, tão claro como na Figura 3,uma antena com seus sub-malhas transmissoras e seis sub-malhas receptoras terá seus conjuntos duplicados de:eletrônica de canal 38.

Além disso, mais eletrônica de canal 39 poderá serfornecida para o dispositivo de calibragem. 0 dispositivo eo processo de calibragem são descritos em maior detalhe porreferência à Figura 11.

A Figura 4 mostra a eletrônica de canal para um canalde uma malha de antena de perímetro tendo 55 elementostransmissores, como 41 e 32 elementos receptores, como 51.Os elementos individuais estão dispostos em blocos de setecom um bloco tendo um elemento menos para dar o númerodesejado de elementos. 0 sinal da eletrônica cerne éalimentado através do amplificador 42 para umfragmentador/comutador 43. É desejável se o dispositivo écapaz de dirigir um sinal de entrada para qualquer uma oumais das oito saídas. Tal dispositivo é difícil de realizarpraticamente em um radar de modo que um fragmentador 1:8 éutilizado para fragmentar o sinal de entrada igualmente emoito canais equivalentes. Cada canal tem um atenuadorvariável e amplificador, como 44, para fixar a energiaentregue aos elementos transmissores individuais 41.

Um modulador de fase binária 4 5 é construído de umalinha de retardo de fase K/2 4 5a, um comutador de póloúnico e dois throws (SPDT) 45b e fragmentador bilateral45c. 0 SPDT é controlado ao aplicar o código binário paraescolher entre duas vias com uma diferença de comprimentoda via elétrica de K/2. Os comutadores SPDT sãoadequadamente controlados por uma malha de portalprogramável em campo 46, ou dispositivo similar.

Amplificadores de estágio final 4 7 condicionam o sinalantes da conexão a um fragmentador/comutador 48. Como édiscutido acima, para versatilidade máxima da operação édesejável que o fragmentador/comutador 4 8 seja capaz dedirigir um sinal de entrada para qualquer uma ou mais deoito saídas. Como isso é difícil de efetuar nas freqüênciasde radar um comutador de oito throw e pólo único (SP8T) éutilizado para selecionar qualquer uma das oito saídas.

Para um dispositivo prático apenas sete elementostransmissores estão conectados a cada comutador. A oitavasaída é utilizada para calibragem e finalidades demontagem. A combinação de comutadores e eletrônica mostradano lado transmissor da Figura 4 permite que um códigodeslocado por fase seja aplicado a um sinal de portadoraque é comutado simultaneamente a um elemento transmissor decada bloco de elementos transmissores. Ao trocar ofragmentador 1:8 43 e o SP8T 48 a eletrônica permitiria queo sinal codificado seja comutado seqüencialmente para cadabloco de elementos transmissores.A posição comutadora adicional em cada SP8T 4 8 podeser utilizada para selecionar uma porta sobressalente 49para fins de calibragem e de teste.

Os sinais recebidos nos elementos receptores 51 sãocomutados pelo SP8T 52 e amplificados 53 antes de seremselecionados pelo SP8T 54 e amplificados antes de maisprocessamento. Esta combinação de comutadores permite queelementos receptores individuais sejam selecionados paraprocessamento de sinal na eletrônica do receptor mostradana Figura 5.

0 sinal do elemento receptor é passado através de umportal receptor 60 que faz portal do sinal para assegurarque o radar não transmite e recebe ao mesmo tempo. Um,filtro de passagem de banda de 9,75 GHz 61 minimiza ossinais espúrios para o misturador 62. A detecção do sinal éum esquema heteródino usando o sinal DOWNLO gerado pelaeletrônica de cerne. A combinação de filtro de passagembaixa 83 e filtro de passagem de banda 64 processa o sinalantes da digitalização no ADC 66. Os sinais extraídos sãoanalisados em um processador da maneira descrita acima eexplicada em maior detalhe com referência à Figura 8.

A eletrônica do transmissor é mostrada em maiordetalhe na Figura 6. A detecção do sinal heteródino éempregada conforme indicado na Figura 6 com a geração de umsinal UPLO e D0WNL0. 0 sinal de 60 MHz de um relógio mestre80 (ver a Figura 7) é fornecido como uma referência desinal de relógio para o laço travado de fase UPLO 71. Asaída UPLO a 9,75 GHz é amplificada e passa o portal detransmissão 73. 0 portal de transmissão parcial 74 forneceseleção entre dois níveis de energia antes da amplificaçãofinal 75. Isto evita saturar o receptor quando o radar demalha de perímetro estiver sendo calibrado. A calibragem édescrita em maior detalhe abaixo.

0 sinal mestre de 60 MHz também é fornecido ao laçotravado de fase DOWNLO 76. 0 amplificador de estágio final79 fornece o condicionamento do sinal DOWNLO.

A esquemática de blocos da eletrônica cerne é mostradana Figura 7. 0 relógio mestre 80 gera um sinal mestre a 60MHz. Isto é dividido por seis para produzir um sinal de 10MHz 81 para travar instrumentos de teste. Um sintetizadordigital direto (DDS) 82 produz um sinal de relógio deportal para operação dos portais transmissores ereceptores.0 sinal mestre a 60 MHz também é utilizado comoentrada para outro processo de síntese digital 84 paragerar um relógio de modulação que é distribuído do FPGA 85.

A fonte de energia 86 poderá ser uma única fonte de energiapara toda a eletrônica ou poderá ser distribuída como umnúmero de elementos discretos.

A eletrônica mostrada nas Figuras 4 a 7 são um exemplode eletrônica adequada para a operação da malha de antenade perímetro. Como foi mencionado acima, o sinal detransmissão poderá ser gerado de um código pseudo-ruídolimitado de largura de banda e re-amostrado que éconvertido em um conversor digital-para-analógico emisturado com uma portadora antes da transmissão peloselementos transmissores. Esta abordagem não requer oatenuador variável e amplificador 44 ou o modulador de fasebinária 45 pois a fase e amplitude apropriadas do sinal detransmissão é gerado na eletrônica cerne. A eletrônica emcada elemento de malha é bem mais simples, como é observadona Figura 11.

Uma aplicação primária da malha de antena de perímetroé em um radar de estabilidade de inclinação como aqueledescrito em nossa patente anterior (Pedido de PatenteInternacional WO 02/46790; Patente dos Estados Unidosconcedida 6664914). 0 fluxograma da Figura 8 estabelece asetapas de nível superior de um método de utilizar a antenade perímetro em um radar de abertura sintética paramedições de estabilidade de inclinação.

Um sinal de portadora é gerado em uma banda defreqüência apropriada conforme ditado pelos requisitosfísicos e restrições legislativas. Uma freqüência adequadaestá em qualquer lugar na banda de radiolocação reconhecidapor muitos países entre 9,5 GHz e 10 GHz. A codificaçãobinária descrita acima é aplicada ao sinal de portadora comdeslocamento de fase apropriado para cada transmissoroperacional e os sinais são transmitidos no sentido dainclinação. Os sinais refletidos da inclinação sãorecebidos no radar e os sinais recebidos são lidos deelementos receptores selecionados.

Os sinais de elementos virtuais são extraídos dosdados recebidos e o processo é repetido até uma aberturasintética integral ser construída. Em geral, a invençãoterá uma proporção sinal a ruído bem mais baixa para umalvo dado do que uma malha faseada de resolução similar (ede energia de transmissão similar por elemento e piso deruído no receptor similar) pois há menos elementos reais atransmitir e menos elementos reais a receber.

Os elementos virtuais de abertura sintética sãoprocessados com ponderações de fase e de amplitudeadequadas. As ponderações de fase são primeiro aplicadaspara corrigir diferenças de fase entre elementos virtuaisde elementos transmissores e receptores amplamenteespaçados e elementos virtuais formados de elementostransmissores e receptores mais estreitamente espaçados. Ascalibragens de fase também poderão ser aplicadas paracorrigir os efeitos de temperatura nos elementos e cabos.

Ponderações de fase similares a uma lente também podem seraplicadas tal que o transforme em 3D pode produzir umaimagem focalizada em curto alcance. O processo é similar aodirecionamento de feixe em um radar de malha faseado.

Uma imagem 3D do campo de visão é construída aoaplicar um transforme de Fourier. Esta transformação é aabertura padrão para a transformação de campo distante. Asuperfície 2D da inclinação monitorada é extraída da imagem3dD de maneira similar àquela descrita em nossa patenteanterior referida acima. 0 processo é repetido paraconstruir uma seqüência de tempo de imagens de inclinação emapas de interferência são calculados da maneira descritaem nossa patente anterior.

Embora os inventores acreditem que a antena tenhavantagem particular para o radar de estabilidade deinclinação, eles percebem que a invenção não é limitadaàquela aplicação e, na realidade, encontrará aplicação emqualquer aplicação de imagem de alcance. Por exemplo, umradar semelhante poderia ser empregado para produzirimagens ao vivo de pistas de aeroportos, mesmo sob forteneblina. Nesta aplicação uma taxa de renovação de imagemmais alta seria necessária do que para a aplicação de radarde estabilidade de inclinação.A malha de antena de perímetro tem um número devantagens particulares para lidar com sinais espúrioscausados por várias perturbações no sinal de radar. Asperturbações poderão ser devidas a mudanças nas condiçõesatmosféricas ou na atividade física no campo de visão (porexemplo, um caminhão dirigido através do campo de visão doradar(. Essas perturbações tendem a espalhar ruído atravésde todo o sinal de radar. Uma abordagem para resolver esteproblema é retratado na Figura 9. A freqüência do sinalaplicado à antena é passado através da banda de freqüência.

Isto é, em uma ocasião uma certa freqüência de portadora(UPLO) é utilizada junto com uma certa modulação dafreqüência. Estas, em combinação, produzem, digamos, acurva mais à esquerda da Figura 9. Em uma ocasião posterioruma freqüência portadora ligeiramente mais alta é utilizadapara gerar a segunda curva da Figura 9. Isto é feitorepetidamente até informação ter sido coletada através dabanda inteira de interesse. Em cada freqüência de portadoratodas as combinações disponíveis de elementos Rx e Txpoderiam ser utilizados. Então os dados coletados em cadafreqüência portadora poderia ser considerado uma "olhada"separada na cena do radar. Cada olhada terá uma proporçãosinal a ruído reduzida e resolução de alcance reduzidocomparado com o caso do processamento junto de dadosobtidos em todas as freqüências portadoras. No entanto, oresultado da olhada única é obtido por período de tempomais curto do que aquele de combinar todas as freqüênciasportadoras e assim poderá ser útil rejeitar sinais de alvosque estão se deslocando com rapidez pelo tempo comocaminhões e vegetação. Esta abordagem de passo defreqüência também permite que larguras de bandaarbitrariamente grandes sejam cobertas com pouco aumento nacomplexidade eletrônica.

Uma abordagem alternativa é empregar múltiplas"olhadas no tempo" em vez de múltiplas "olhadas nafreqüência" . Nesta abordagem, o radar está em modo de curtoalcance e em modo de longo alcance. Para o radar queemprega a antena retratada na Figura 3, o curto alcancepoderá ser de até 625 m e o longo alcance poderá ser de 615m até 2500 m. Uma vantagem desta abordagem é que menoslargura de banda é necessária para o longo alcance poistenderá a haver mais espalhamento de alcance no alcancemais longo. Assim, é possível repetir varreduras de longo,alcance mais freqüentemente do que varreduras de curtoalcance e com isso melhorar a precisão. Uma razão principalpara a precisão reduzida e a precisão em alcance mais longoé que a atmosfera é a principal fonte de erro e há maisatmosfera a passar no alcance mais longo.

No modo de operação de alcance dual há quatrovarreduras de longo alcance tomadas para cada varredura decurto alcance. As quatro varreduras de longo alcance sãocombinadas para reduzir SNR e então combinadas com avarredura de curto alcance para produzir uma varreduraintegral para mais processamento, conforme descrito emnossa patente anterior.

Para alcançar o desempenho efetivo do radar éimportante equilibrar os elementos para corrigir porvariança na fase e na amplitude. Cada elemento, linha detransmissão ou componente eletrônico no radar de malha deperímetro de abertura sintética poderá afetar a fase e/ou aamplitude do sinal transmitido e recebido. Uma abordagem écalibrá-los utilizando um elemento (ou elementos) de antena101 posicionado a frente da malha de perímetro 100 como émostrado na Figura 10. O elemento 101 é seguro em umaestrutura leve 102 em frente e central à malha 100. 0elemento de antena 101 não interfere com o sinal recebidopela malha 100 em operação normal. Eletrônica de canalseparada 3 9 (ver a Figura 3) é utilizada para o canal decalibragem.

Para demonstrar a operação da malha de antena deperímetro, uma imagem de radar foi tomada utilizando umradar com uma malha de antena de perímetro similar àquelaretratada na Figura 11. A Figura 12 mostra a imagem de umrefletor assemelhado a cubo de canto que produz uma únicaimagem no campo de visão da antena. O refletor assemelhadoa cubo de canto é, em verdade, a interseção de três paredesde concreto planares. A imagem foi invertida para mudarespaço preto em espaço branco (embora a escala não foiinvertida). A antena utilizada para obter a imagem daFigura 12 difere da representação na Figura 11 apenas naomissão de amplificadores das sub-malhas.

Deve-se observar que, diferentemente da antena daFigura 3, a antena da Figura 11 tem apenas dois lados comuma única malha linear horizontal de elementos receptores110 e uma única malha linear vertical de elementostransmissores 111. Um comutador de oito throw e pólo único(SP8T) dirige os sinais de transmissão N através de umamplificador, como 113, para um dos cinco comutadores SP8T114 que comutam o sinal seqüencialmente através de umamplificador, como 115, até o elemento transmissor 111. Ossinais refletidos de um alvo são recebidos pelos elementos110 e amplificados pelos amplif icadores como 116. Cadaelemento é selecionado pelo comutador SP8T 117 e novamenteamplificado 118 antes de ser comutado para a eletrônicacerne pelo comutador SP8T 119. A antena da Figura 11 tem 35elementos transmissores e 49 elementos receptores.

Em operação, o radar, incluindo a malha de antena deperímetro da Figura 11, é operado conforme descrito acimacom referência à Figura 8 para gerar a imagem de radar daFigura 12.

O radar de malha de perímetro de abertura sintéticatem um número de vantagens quando comparado ao radar deprato convencional descrito em nossa patente anterior. Emnosso projeto, multiplexamos no tempo elementostransmissores para canais transmissores e fazemos o mesmopara os receptores para otimizar o custo do radar para asfaixas relativamente curtas em que operamos em comparaçãocom os radares de malha faseados militares. O radar atinge-75% melhor resolução no nadir do que com uma antena deprato de dimensão semelhante. A varredura inteira écapturada de uma vez em cerca de 3 0 segundos. 0 radar émais estável mecanicamente pois não há partes móveis para avarredura e o efeito do vento sobre a malha de perímetro émínimo.

Por toda a especificação a finalidade tem sido a dedescrever a invenção sem limitar a invenção a qualquercombinação particular de recursos alternativos.

Claims (19)

1. Malha de antena de perímetro para um radar deabertura sintética, caracterizado pelo fato de compreender:pelo menos uma malha linear de elementos transmissoresde radar;pelo menos uma malha linear de elementos receptores deradar ortogonais à malha linear de elementos transmissores;um ou mais comutadores transmissores para comutarsinais para uma seleção dos ditos elementos transmissoresdo radar;um ou mais comutadores receptores para comutar sinaisrecebidos de uma seleção dos ditos elementos receptores doradar; eum ou mais processadores para processar os sinaisrecebidos para sintetizar elementos virtuais eqüidistantesdos pares dos elementos transmissores e o receptor.

2. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender umpar de malhas lineares paralelas de elementos transmissoresdo radar.

3. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender umpar de malhas lineares paralelas de elementos receptores doradar.

4. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender umpar de malhas lineares paralelas de elementos transmissoresdo radar e um-par de malhas lineares paralelas de elementosreceptores do radar dispostos para formar substancialmenteum retângulo.

5. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de os elementos emcada malha linear serem equi-espaçados.

6. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 5, caracterizada pelo fato de o espaçamentoentre elementos transmissores ser diferente do espaçamentoentre elementos receptores.

7. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de os padrões deradiação dos elementos de antena casam com o ângulo devarredura desejada do radar.

8. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de o espaçamentodos elementos da antena são escolhidos para minimizar lobosde dissonância através do campo de visão do radar.

9. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de o sinalcomutado para cada elemento transmissor do radar é derivadode um código de pseudo-ruído.

10. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de o um ou maisprocessadores aplicam ponderações de fase e/ou de amplitudeaos sinais associados aos elementos virtuais antes deproduzir imagens de alcance.

11. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de as ponderaçõesde fase e/ou de amplitude são aplicadas para simular avarredura em azimute e/ou em elevação.

12. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 12, caracterizada pelo fato de o azimute servarrido em um campo de visão de ±60 graus.

13. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 12, caracterizada pelo fato de a elevação servarrida em um campo de visão de ±30 graus.

14. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de cada malhalinear ser formada de múltiplas sub-malhas lineares.

15. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de aindacompreender eletrônica de canal associada a cada malhalinear.

16. Malha de antena de perímetro, de acordo com areivindicação 1, caracterizada pelo fato de aindacompreender um elemento de calibragem localizado em umcampo de visão da malha de antena de perímetro.

17. Radar de monitoramento de inclinação caracterizadopelo fato de compreender uma malha de antena de perímetroque inclui:pelo menos uma malha linear de elementos transmissoresdo radar;pelo menos uma malha linear de elementos receptores doradar ortogonais à malha linear de elementos transmissores;um ou mais comutadores de transmissor para comutarsinais para uma seleção dos ditos elementos transmissoresdo radar;um ou mais comutadores de recepção para comutar sinaisrecebidos de uma seleção dos ditos elementos receptores doradar; eum ou mais processadores para processar os sinaisrecebidos para sintetizar elementos virtuais eqüidistantesde pares dos elementos transmissores e os elementosreceptores; eum ou mais processadores para analisar sinaisassociados aos ditos elementos virtuais para produzirimagens de radar.

18. Método de adquirir uma imagem de radar utilizandoum radar de abertura sintética tendo uma malha de antena deperímetro, caracterizado pelo fato de incluir as etapas de:gerar um sinal de portadora;misturar um sinal de código com o sinal de portadora eaplicar o sinal a cada elemento transmissor de uma ou maismalhas de elementos transmissores;receber sinais de retorno em elementos receptoresselecionados de uma ou mais malhas de elementos receptores;calcular sinais virtuais para uma malha de elementosvirtuais sintetizados dos elementos transmissores e doselementos receptores;calcular um transforme em 3dD dos elementos virtuaispara obter uma imagem de radar em 3D.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18,caracterizado pelo fato de ainda incluir a etapa de extrairuma imagem superficial em 2D da imagem de radar em 3D.