CN104820212A

CN104820212A - 多普勒雷达测试系统

Info

Publication number: CN104820212A
Application number: CN201410849960.5A
Authority: CN
Inventors: D·M·路易斯; W·L·库珀
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2015-08-05
Also published as: KR102320406B1; US9689969B2; JP2015148607A; JP6639782B2; KR20150091975A; EP2902799A1; BR102015001678A2; US20150219752A1; EP2902799B1; BR102015001678B1

Abstract

本发明的名称是多普勒雷达测试系统。提供系统(100)，其包括传送具有第一频率的第一电磁波(106)的多普勒雷达单元(102)，测试系统(104)转换该第一电磁波(106)为具有第一频率的第一电信号。测试系统(104)产生具有第二频率的第二电信号，并且混合第一和第二电信号以产生具有第三、和或差频率的第三电信号。第三频率代表由在离多普勒雷达单元(102)一定距离处的目标反射第一电磁波(106)产生的多普勒频移频率。测试系统(104)转换第三电信号为具有第三频率的第二电磁波(108)，并且传送第二电磁波(108)回到多普勒雷达单元(102)，以计算作为第一和第三频率的函数的代表目标速度的速度，从其可以校准/认证多普勒雷达单元(102)。

Description

多普勒雷达测试系统

技术领域

本公开内容一般地涉及多普勒雷达，以及特别地涉及多普勒雷达单元的测试系统。

背景技术

多普勒雷达是一种利用电磁波确定在离观察者一定距离处的目标的径向速度(朝向/远离观察者的速度)的雷达系统，并且它具有许多用途，包括确定飞行器下降速率、移动物体的速度等。多普勒雷达单元通常传输由目标反射并且返回雷达单元的电磁波(有时被称作雷达信号)。目标相对于雷达单元在径向方向的移动导致反射信号频率相对于传送信号的改变，通常被称作多普勒效应(或多普勒频移)。更具体地说，目标的径向移动改变了雷达信号的频率一个量，该量与目标的相对速度成比例，使得雷达信号频率的改变可用于确定移动目标的位置和速度。

为了校准和认证多普勒雷达单元而发展了许多技术，最显著地包含那些涉及振动音叉的使用。根据这种技术，音叉产生信号，该信号代表由目标反射雷达信号产生的信号(即，音叉产生代表反射信号的信号)，并且该信号与目标的预期速度具有已知关系。通过计算速度，雷达单元响应该信号，该速度可与预期速度比较以确定雷达单元的精确性。并且从这种比较，可以校准或以其他方式认证雷达单元以便使用。

尽管现有的音叉技术是适当的，但是它具有缺点。当前音叉技术方法通常仅测试单个点，即由音叉产生的单一频率的信号。音叉本身也可能容易由于温度而变化，以及由于在固体表面上过度猛烈击打音叉而容易受到物理损伤。其他的现有技术包括运载工具和固定反射器或移动物体的利用，但是这些技术通常是较不精确和较不稳定的。这些和其他相似现有技术通常也不适用于计算非常低的速度，特别在下降速率的情况。

因此，可能期望的是具有一种考虑了至少一些上述讨论的问题以及可能其他问题的系统和方法。

发明内容

本公开的实例实施方式通常涉及产生多普勒频移频率的改进的系统和方法，该多普勒频移频率代表由目标反射的雷达信号引起的频率，其可用于计算代表目标速度的速度，用于校准或认证多普勒雷达单元。根据实例实施方式，多普勒频移频率可由在多普勒雷达单元频率下的电信号、通过在第二频率下产生另一个第二电信号并且混合这两个电信号而产生。以这种方式，实例实施方式可产生更接近于多普勒雷达单元的更精确的第二频率，从而其可达到更低的多普勒频移频率。这又可以实现以更低的目标速度校准/认证多普勒雷达单元。并且在一些实例中，第二频率是可选择的，其可以进一步使实例实施方式能够以许多不同的目标速度校准/认证多普勒雷达单元。

根据实例实施方式的一个方面，提供一种系统，该系统包括多普勒雷达单元以及在离多普勒雷达单元一定距离处的测试系统。多普勒雷达单元配置为传送具有第一频率的第一电磁波。然后，测试系统配置为接收第一电磁波，并且转换第一电磁波为具有第一频率的第一电信号。

测试系统配置为产生具有第二频率的第二电信号，并且混合第一电信号和第二电信号以产生具有第三频率的第三电信号，该第三频率是第二频率与第一频率的和或者差。在一些实例中，测试系统可配置为产生正弦波音频信号作为第二电信号。并且在一些实例中，测试系统可配置为产生具有在一个频率范围内可选择的第二频率的第二电信号。

此处，第三电信号的第三频率代表由在离多普勒雷达单元一定距离处的目标反射第一电磁波产生的多普勒频移频率。测试系统可配置为然后转换第三电信号为具有第三频率的第二电磁波，并且传送第二电磁波回到多普勒雷达单元。然后多普勒雷达单元可配置为作为第一频率和第三频率的函数计算代表目标速度的速度。然后基于由多普勒雷达单元计算的速度与预期速度的比较，多普勒雷达单元是可以被校准的或被认证的。

多普勒雷达单元可包括配置为传送第一电磁波的第一天线，以及配置为接收第二电磁波的相同或另一个第一天线。类似地，测试系统可包括连接至它的平台并且配置为接收第一电磁波的第二天线，以及配置为传送第二电磁波的相同或另一个第二天线。在一些实例中，多普勒雷达单元和测试系统可包括雷达吸收剂材料，其布置在第一和第二天线的各自一个周围，并且配置为减少来自在其接收的第二和第一电磁波的各自一个的反射。

在实例实施方式的其他方面，提供一种测试系统和方法。本文讨论的特征、功能和优势可在不同的实例实施方式中单独实现或者可以在另外的其他实例实施方式中结合，其进一步细节可参考以下描述和附图理解。

附图说明

在如此以概括术语描述本公开的实例实施方式后，现在将参考附图，这些附图没有必要按照比例绘制，并且其中：

图1图解了根据本公开的一些实例实施方式的系统；

图2图解了测试系统的一个实例，在一些实例中该测试系统可对应于图1系统的测试系统；

图3图解了包括根据本公开的实例实施方式的方法中各种操作的流程图；以及

图4是一个图表，其图解了根据本公开的一些实例的在多普勒频率和目标飞行器的下降速率之间已知关系的一个实例。

具体实施方式

现在将参考附图在下文更全面地描述本公开的一些实施方式，附图中显示了一些但不是所有的本公开的实施方式。当然，可以以许多不同的形式体现本公开的各种实施方式并且不应当解释为对本文阐述的实施方式的限制；更确切地讲，提供这些实例实施方式以便本公开将是彻底的和完全的，并且将向本领域技术人员充分地传达本公开的范围。进一步地，尽管本文可提及许多测量值、阈值等，例如时间、距离、速度、百分率等——实例实施方式的各方面可以根据这些操作；但除非另有说明，任何或所有的测量值/阈值是可以配置的。相同的附图标记在全文中指代相同的元件。

图1图解根据本公开一些实例实施方式的系统100。如图所示，系统包括多普勒雷达单元102以及在离多普勒雷达单元一定距离处的测试系统104。多普勒雷达单元配置为传送具有第一频率的第一电磁波106。然后，测试系统配置为接收第一电磁波，并转换第一电磁波为具有第一频率的第一电信号。

测试系统104配置为产生具有第二频率的第二电信号，并混合第一电信号和第二电信号以产生具有第三频率的第三电信号，该第三频率是第二频率和第一频率的和或者差。在一些实例中，测试系统可配置为产生正弦波音频信号作为第二电信号。并且在一些实例中，测试系统可配置为产生具有在一个频率范围内可选择的第二频率的第二电信号。

不管测试系统104以何种方式配置来产生第二电信号，第三电信号的第三频率代表由在离多普勒雷达单元102一定距离处的目标反射第一电磁波106产生的多普勒频移频率。然后测试系统可配置为转换第三电信号为具有第三频率的第二电磁波108，并且传送第二电磁波回到多普勒雷达单元。在一些实例中，多普勒雷达单元可接收第二电磁波，并转换其为具有第三频率的适当的(例如第四)电信号以进一步处理，例如以计算代表目标速度的速度。

如还显示的，多普勒雷达单元102可包括平台110，该平台110带有配置为支持多普勒雷达单元各种功能的各种机载部件。多普勒雷达单元也可以包括连接至它的平台并且配置为传送第一电磁波106的第一天线112，并且相同的或另一个第一天线可配置为接收第二电磁波108。类似地，测试系统104可包括平台114，该平台114带有配置为支持测试系统各种功能的各种机载部件。并且测试系统可包括连接至它的平台并且配置为接收第一电磁波的第二天线116，并且相同的或另一个第二天线可配置为传送第二电磁波。

在一些实例中，多普勒雷达单元102可包括雷达吸收剂材料118，该雷达-吸收剂材料118布置在第一天线112周围并且配置为减少其接收的第二电磁波108的反射。类似地，测试系统104可包括雷达吸收剂材料120，该雷达吸收剂材料120布置在第二天线116周围并且配置为减少其接收的第一电磁波106的反射。

在接收具有第三频率的第二电磁信号108之后，多普勒雷达单元102可配置为计算代表目标速度的速度。更具体地，作为第一电磁信号106的第一频率、以及第二电磁信号的第三频率的函数，多普勒雷达单元可计算代表目标速度的速度。并且基于计算的速度与预期速度的比较，多普勒雷达单元可以被校准或被认证(或者是可校准的或可认证的)。例如，多普勒雷达单元的(第一)频率可以用标准频率来源调准。在这个实例中，然后可以调准多普勒雷达单元的计算回路以测量正确的返回(第三)频率。

在一些实例中，多普勒雷达单元102可配置为根据多普勒方程计算目标速度，该多普勒方程可接近于下式：

| f - f_{0} | = Δf \approx \frac{2 &upsi;}{c} f_{0}

在前面，f代表第三频率，该第三频率是第二频率和第一频率f₀的和或者差，并且Δf代表差频(多普勒频率)，该差频是第三频率f和第一频率f₀之间的差。也在前面，υ代表目标速度，并且c代表在天线112、116之间介质中电磁波的速率。然后这个方程可以改写为计算代表目标速度的速率υ，如下：

&upsi; \approx \frac{Δf}{2 f_{0}} c

如上所指出，因为第二频率来自测试系统104产生的电信号，它可以更精确并且设定更接近于多普勒雷达单元102的第一频率，从而其可以获得更低的多普勒频移(第三)频率。这又可以使系统100以更低的目标速度校准/认证多普勒雷达单元。并且在第二频率在一个频率范围内是可选择的实例中，系统可以能够在许多不同的目标速度校准/认证多普勒雷达单元。图2图解了测试系统200的一个实例，在一些实例中该测试系统可对应于图1的系统100的测试系统104。如所示，测试系统包括平台202(例如平台114)以及连接至该平台的天线204(例如天线116)。天线配置为接收具有第一频率的第一电磁波206，该第一电磁波206来自离测试系统200一定距离处的多普勒雷达单元，例如来自多普勒雷达单元102的第一电磁波106。该天线可配置为转换第一电磁波为具有第一频率的第一电信号208。

平台202可包括配置为支持测试系统200的各种功能的各种机载部件。例如，平台可包括信号发生器210和混频器212。信号发生器配置为产生具有第二频率的第二电信号214，并且混频器是一个配置为混合第一电信号208和第二电信号以产生具有第三频率的第三电信号216的混频器，该第三频率是第二频率和第一频率的和或差。在一些实例中，信号发生器可配置为产生正弦波音频信号作为第二电信号。并且在一些实例中，信号发生器可配置为产生具有在一个频率范围内可选择的第二频率的第二电信号。

类似于之前关于图1，第三电信号216的第三频率代表由在离多普勒雷达单元(例如多普勒雷达单元102)一定距离处的目标反射第一电磁波206产生的多普勒频移频率。天线204可进一步配置为转换第三电信号为具有第三频率的第二电磁波218，并且传送第二电磁波回到多普勒雷达单元，用于计算作为第一频率和第三频率的函数的代表目标速度的速度。再一次，基于计算的速度与预期速度的比较，可以校准或认证多普勒雷达单元。测试系统200可包括单独的天线204，其中之一可配置为接收第一电磁波206，并且另一个可配置为传送第二电磁波218。或者相同的天线可配置为既接收第一电磁波又传送第二电磁波。然后，在一些实例中，平台202可进一步包括双工机220，其可实施为或包括各种部件例如循环器、定向耦合器、单向器(isolator)等，并且其可配置为从天线向混频器212发送第一电信号208，并从混频器向天线发送第三电信号216。如还显示的，平台可包括放大器222，其配置为在通过天线变换第三电信号为第二电磁波之前放大第三电信号。并且在一些实例中，测试系统可进一步包括雷达吸收剂材料224，其布置在天线周围并且配置为减少通过天线接收的第一电磁波的反射。

图3图解了在根据本公开实例实施方式的方法300中包括各种操作的流程图。如方框302中所示，并且参考图1的系统100为例，该方法包括接收具有第一频率的第一电磁(EM)波106，并且转换第一电磁波为具有第一频率的第一电信号，第一电磁波在测试系统104中从离测试系统104一定距离处的多普勒雷达单元102接收。该方法也包括产生具有第二频率的第二电信号，并且混合第一电信号和第二电信号以产生具有第三频率的第三电信号，该第三频率是第二频率和第一频率的和或者差，如方框304、306所示。在此又一次地，第三频率代表由在离多普勒雷达单元一定距离处的目标反射第一电磁波产生的多普勒频移频率。并且该方法包括转换第三电信号为具有第三频率的第二电磁波，并且传送第二电磁波从测试系统回到多普勒雷达单元，以计算作为第一频率和第三频率的函数的代表目标速度的速度，如方框308所示。

为进一步阐述本公开的实例实施方式，图4阐述了一个图表，该图表显示多普勒或多普勒频移频率(第三频率)与目标飞行器的下降速度(预期速度)之间已知关系的一个实例。在这个实例中显示的关系假定多普勒雷达单元102具有频率f₀＝24.150GHz，并且在天线112、116之间的介质中的速率近似为光速c＝983,571,056.4ft/s。

根据实例实施方式，多普勒频移频率可以由在多普勒雷达单元频率下的电信号产生，这通过产生在第二频率的另一个、第二电信号并且混合这两个电信号。以这种方式，实例实施方式可产生设定接近于多普勒雷达单元频率的更精确的第二频率，从而其可以获得更低的多普勒频移频率并且以更低的目标速度校准/认证多普勒雷达单元。在图4的实例中，实例实施方式可以能够达到多普勒频移频率并且目标速度低至49Hz和10ft/s或者更低。并且在一些实例中，第二频率可以是可选择的，其可进一步地使实例实施方式能够针对许多不同目标速度例如在图4实例中的1至100ft/s的范围校准/认证多普勒雷达单元。

受益于前面描述和相关附图中提供的教导的本公开涉及本领域技术人员将想到本文阐明的本公开的许多修改和其他实施方式。因此，应理解本公开不限于所公开的具体实施方式并且修改和其他的实施方式旨在包括在所附权利要求书范围内。而且，尽管在元件和/或功能的某些示例性组合的背景中，前述描述以及相关附图描述了实例实施方式，但应当理解可以由替代的实施方式提供元件和/或功能的不同组合而不脱离所附权利要求书的范围。在这方面，例如，不同于以上明确描述的元件和/或功能的结合也被考虑，如可在一些所附权利要求中阐明的。尽管本文中使用了特定术语，但它们仅以一般的和描述性的意义使用，而且不是为了限制性目的。

Claims

1.一种测试系统(200)，其包括：

天线(204)，其配置为接收具有第一频率的第一电磁波(206)，并且转换所述第一电磁波为具有所述第一频率的第一电信号(208)，所述天线(204)配置为从在离所述测试系统(200)一定距离处的多普勒雷达单元(102)接收所述第一电磁波(206)；

信号发生器(210)，其配置为产生具有第二频率的第二电信号(214)；以及

混频器(212)，其配置为混合所述第一电信号(208)和第二电信号(214)以产生具有第三频率的第三电信号(216)，该第三频率是所述第二频率和第一频率的和或者差，所述第三频率代表由在离所述多普勒雷达单元(102)一定距离处的目标反射所述第一电磁波(206)产生的多普勒频移频率，

其中所述天线(204)进一步配置为转换所述第三电信号(216)为具有所述第三频率的第二电磁波(218)，并且传送所述第二电磁波(218)回到所述多普勒雷达单元(102)，以计算作为所述第一频率和第三频率的函数的代表所述目标的速度的速度。

2.根据权利要求1所述的测试系统(200)，其中所述信号发生器(210)是配置为产生正弦波音频信号作为所述第二电信号的音频信号发生器(210)。

3.根据权利要求1所述的测试系统(200)，其中所述信号发生器(210)配置为产生具有在一个频率范围内可选择的第二频率的所述第二电信号(214)。

4.根据权利要求1所述的测试系统(200)，进一步包括：

双工机(220)，其配置为从所述天线(204)向所述混频器(212)发送所述第一电信号(208)，并且从所述混频器(212)向所述天线(204)发送所述第三电信号(216)。

5.根据权利要求1所述的测试系统(200)，进一步包括：

放大器(222)，其配置为在通过所述天线(204)变换所述第三电信号(216)为所述第二电磁波(218)之前放大所述第三电信号(216)。

6.根据权利要求1所述的测试系统(200)，进一步包括：

雷达吸收剂材料(224)，其布置在所述天线(204)周围并且配置为减少从所述天线(204)接收的所述第一电磁波的反射。

7.根据权利要求1所述的测试系统(200)，进一步包括包含第一天线(112)的所述多普勒雷达单元(102)，该第一天线(112)配置为传送所述第一电磁波(206)以及接收所述第二电磁波(218)。

8.根据权利要求7所述的测试系统(200)，进一步包括包含雷达吸收剂材料(118)的所述多普勒雷达单元(102)，该雷达吸收剂材料(118)布置在所述第一天线(112)周围并且配置为减少其接收的所述第二电磁波(218)的反射，并且所述测试系统(200)包括布置在所述天线(204)周围并且配置为减少从其接收的所述第一电磁波(206)的反射的雷达吸附剂材料(120)。

9.根据权利要求1所述的测试系统(200)，其中基于通过所述多普勒雷达单元(102)计算的速度与预期速度的比较，所述多普勒雷达单元(102)是可校准的或可认证的。

10.一种方法(300)，包括：

接收具有第一频率的第一电磁波(106)，并且转换所述第一电磁波(106)为具有所述第一频率的第一电信号，所述第一电磁波(106)在测试系统(104)接收自离其一定距离的多普勒雷达单元(102)；

产生具有第二频率的第二电信号；

混合所述第一电信号和第二电信号以产生具有第三频率的第三电信号，该第三频率是所述第二频率和第一频率的和或者差，所述第三频率代表由在离所述多普勒雷达单元(102)一定距离处的目标反射所述第一电磁波(106)产生的多普勒频移频率；并且

转换所述第三电信号为具有所述第三频率的第二电磁波，并且传送所述第二电磁波(108)从所述测试系统(104)回到所述多普勒雷达单元(102)，以计算作为所述第一频率的第三频率的函数的代表所述目标的速度的速度。

11.根据权利要求10所述的方法(300)，其中产生所述第二电信号包括产生正弦波音频信号作为所述第二电信号。

12.根据权利要求10所述的方法(300)，其中产生所述第二电信号包括产生具有在一个频率范围内可选择的第二频率的所述第二电信号。

13.根据权利要求10所述的方法(300)，其针对多个具有不同的各自第二频率的第二电信号的每个进行。

14.根据权利要求10所述的方法(300)，进一步包括：

计算作为所述第一频率和第三频率的函数的所述目标的速度的速度，所述速度在所述多普勒雷达单元(102)计算。

15.根据权利要求14所述的方法(300)，进一步包括：

基于在所述多普勒雷达单元(102)计算的速度与预期速度的比较，校准或认证所述多普勒雷达单元(102)。