CN107229035A - 能够检测高仰角处目标的二次雷达 - Google Patents

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Abstract

雷达配备有主天线(1，12)，该主天线(1，12)具有三个辐射模式：总和、差分以及控制，三个辐射模式与所述天线(1，12)相对应，所述雷达还包括固定在所述天线(1，12)上方的辅助天线设备(41，42)和耦接装置，辅助天线设备(41，42)由天线(41)和位于所述天线(41)后部的后部辐射元件(42)组成，所述辅助天线设备(41，42)：‑具有三个辐射模式：总和、差分以及控制，由所述后部辐射元件针对与天线(1)相反的方向来确保所述控制模式；‑使天线(41)倾斜，以便保证其总和模式在仰角域(60°‑90°)中的最大增益。

Description

能够检测高仰角处目标的二次雷达
背景技术
本发明涉及能够检测高仰角处目标的二次雷达。
空中交通管制雷达通常不能覆盖处于地平线方向和天顶方向之间的所有仰角。雷达天线的相位中心以上的非覆盖区域形成一个被称为静锥的锥体。该静锥可以影响若干空中交通管制雷达的功能。
“En-route”雷达的特征在于在其最大辐射方向上有很长的射程。通过使“En-route”雷达不受地势障碍的约束，在高空地点安装该雷达保证了其利用这种低仰角射程性能的能力。对于这些雷达来说，静锥可能被视为太大(例如，在25km处商业航班(FL 330)的巡航高度对应于25°的仰角)。静锥也可能对机场雷达造成问题。实际上，在这两种情况下，静锥包括这样的差距：
-高空长时间飞行(En-route配置)；
-没有这么长的时间但针对中空的机动飞行(机场配置)。
通常，原则上空中交通管制雷达(也被称为ATC雷达)的天线因此是具有以下四个目的的LVA(大垂直孔径)型的天线：
-“En-route”使用的大的最大增益(远程)，在5°和10°的仰角之间典型地为27dB，
-方位角的细长主波束(对应于8m的天线宽度常规为2.5°)，以用于确保精度并限制污染的影响。
-大幅下降到地面，以用于在机场配置中保护自身免受邻近建筑物的反射(例如几十米的塔)，例如，针对从0°到-10°的仰角具有每度2dB的增益下降。
-最后是发送或接收的水平，对于长途航班(高度稳定)来说具有准恒定的目标，通常为5°至40°。
由于民用空中交通管制(ATC)部门的天线适于空中监控，所以其示出余割平方辐射模式：这样的模式使得可以在垂直平面上分布在方位角量子的单次探测中所辐射的能量。该辐射模式使得可以获得描述恒定高度轨迹的目标的相对恒定幅度的接收信号。图1示出了使用这种类型的天线的ATC雷达的天线的典型增益。更具体地，图1通过曲线10示出了由仰角参数化并被投射到距离-高度图中的天线增益。
对于例如这样的余割平方模式，并且在根据恒定高度轨迹穿过的区域中，天线增益G基本上变化为仰角β的余割平方，即G(β)≈cosec2β，也就是说，该增益的变化补偿了关闭影响，以便在这一部分轨迹上保持恒定的接收信号水平。此外，在高于飞行器飞行上限的高度对空域进行监控是无用的。
实际上，确切地说，静锥20被设想为用于设计天线的自由度。特别地，确切地说需求将涉及超过大约50°的仰角的保证衰减。图2示出了常规LVA天线的总和通路21和控制通路22(每个关于其相应的最大值成比例)的仰角图。该图示出在高仰角处(角度超过50°)天线增益直线下降。
因此，ATC领域当前使用的天线显然不能用于处理静锥中的目标。
因此，用于减轻ATC雷达常见的这种事件的状态的系统级的解决方案在于使用双雷达覆盖。这两个雷达相当紧靠，使得可以各自确保在另一个雷达的静锥中进行检测。
发明内容
本发明的目的尤其在于减轻该缺陷。出于这个目的，本发明的主题是能够检测静锥中的高仰角处的目标的二次雷达，其配备有具有三个辐射模式(总和模式、差分模式以及分配给控制功能的模式)的主天线，该三个辐射模式与所述天线相对应，所述雷达还包括：
-固定在所述天线上方的辅助天线设备，其由天线和位于所述天线后部的后部辐射元件组成；
-以及耦接装置，所述辅助天线设备：
o具有三个辐射模式：总和模式、差分模式以及分配给控制
功能的模式，由所述后部辐射元件来确保所述控制模式；
o被倾斜，以便保证其总和模式在表征所述静锥的仰角域
(例如，在60°与90°之间)中的最大增益；
由所述后部元件确保的所述控制模式以90°的仰角示出与辅助天线设备的所述天线的总和模式的增益相等的增益，并且然后示出超过90°的仰角最大增益，所述耦接装置确保所述天线的三个辐射模式与所述辅助天线设备的三个辐射模式的耦合。
例如，辅助天线设备的所述天线是悬臂型。
例如，通过分别改变所述天线的倾斜度和这两个天线之间的耦合系数，在仰角和增益上相对所述主天线的模式对辅助天线设备的所述天线的总和模式的位置进行调整。
例如，通过改变仰角元件的数量来对辅助天线设备的所述天线的总和模式的侧翼的陡度进行调整。
例如，通过在垂直平面上改变所述后部元件的倾斜度在仰角上对由所述后部元件确保的控制模式的位置进行调整。
例如，所述主天线由具有宽垂直孔径的LVA型天线和后部辐射元件组成。
附图说明
借助于接下来提供的关于附图的描述，本发明的其它特性和优点将变得显而易见，附图表示：
-图1是已经描述了的ATC雷达天线增益的示例性基本模式；
-图2是已经描述了的LVA天线的仰角的相对辐射的典型模式；
-图3是以S模式操作的二次雷达的示例性当前架构；
-图4是根据本发明的雷达天线的结构及其与所述雷达的耦合；
-图5是根据本发明的天线的示例性实施例；
-图6是构成根据本发明的天线的天线仰角的绝对辐射的典型模式。
具体实施方式
图3示出了以S模式操作的二级监视雷达的示例性当前架构，随后该雷达将被称为SSR雷达，其通常包括：
-SSR天线1(一般为LVA型)，确保SSR/S模式的辐射以1030MHz的频率进行询问，并以1090MHz的频率来捕获由飞行器上的应答器产生的响应，标准旋转接头2具有三个RF晶片，以用于SSR功能的L波段的三个通路：总和通路Σ、差分通路Δ以及控制通路Ω；
-所谓的MSSR机柜3，其特别地包括确保被动冗余的两个独立系统(仅一个被表示)，每个系统实现专用于SSR/S模式处理的各种功能。
MSSR机柜3包括RF单元31，RF单元31用于将发射器33的RF信号传送到天线1的Σ、Δ、Ω模式，并相互地将这些模式传送到接收机34。每个机柜3包括：
-时空管理32，其在主瓣中存在预测的目标的情况下根据待执行的任务来产生询问；
-发射机33，其将频率为1030MHz的待由天线辐射的询问转换为高功率RF信号；
-接收机34，其对由天线接收的频率为1090MHz的RF信号进行解调；
-信号处理35，其确保对在天线的主瓣中接收到的响应进行检测和解码；
-提取器36，其形成基于基本检测(响应)所提取的光点，提取器是用于管理天线波束的组件37的一部分。
传统上，MSSR机柜3还可以包括主要处理和次要处理所共有的冗余资源，特别是：
-在扫描管理组件38内的主要光点和次要光点的关联和跟踪；
-特别是偏移和监控的管理。
机柜还包括具有客户端链接的冗余接口39。辅助功能允许由客户端通过示出监控、光点偏移和跟踪、主要PSR和次要SSR/S模式的参数以及偏移功能来对雷达进行管理。
在S模式下，主要通过以下操作来控制飞行器的动态管理：
-关于与方位角波束有关的活动的波束管理37(在图3中被带箭头的线30穿过)，其特别包括时空管理32和光点提取36；
-关于与天线转动有关的活动的扫描管理38(在图3中被带箭头的线300穿过)，其特别地包括针对每个飞行器在下一次波束扫描时对活动进行跟踪和预测。
图4示出了根据本发明的ATC雷达的天线结构及其与雷达的耦合。有利地，根据本发明将例如由图3所示的架构的类型的适配套件添加到ATC雷达的现有架构中，以使得可以确保无论协议如何都可以对静锥中的所有次要目标进行跟踪。更具体地说，该套件被应用于航空。可以使用应用于提取光点36的模块的软件部分对该套件进行补充。
该套件包括至少一个可以具有诸如2至4米的小的宽度尺寸的悬臂天线41(包括几个元件，典型地为1至3个高度方向的辐射元件)、后部辐射元件42以及耦接装置43。悬臂天线41通过耦接装置43耦合到相同的已存在的接入孔上的SSR天线1(标准LVA型)。
不一定必须修改以下水平高度：
-天线(机构、转动接点、发动机...)的水平高度；
-或者传送链和接收链的水平高度。
因此，实现本发明是简单且经济的。
图5(作为图4的补充)通过透视图示出了根据本发明的雷达的天线组件的示例性实施例。该组件包括：
-形成主天线的SSR天线1及其后部辐射元件12；
-形成辅助天线设备的悬臂天线41及其后部辐射元件42；
如接下来将要描述的，给后部辐射元件12、42分配控制功能。
悬臂天线41固定在SSR天线1上方，悬臂天线41具有与SSR天线1相同的方向，更准确地说，其朝向SSR天线1的前方，相对于SSR天线1的方向倾斜。
SSR天线1通常由辐射棒51的阵列组成。该LVA型的天线1可以是用于SSR监控的ATC市场的标准天线，其以三个辐射模式操作：总和、差分以及控制。
位于由辐射棒组成的前面板的后部的辐射元件12能够执行SSR模式/S模式的控制功能，特别是关于应答器所获得的地理情况。
例如，悬臂天线41是通常用作军用雷达的IFF天线的悬臂天线，因此具有与LVA型的主天线1相同类型的辐射模式：总和、差分以及控制。
优选地，下文所描述的，悬臂天线41包括至少两个仰角元件，以如图6中所示的悬臂天线41的总和模式63所示的通过使主瓣的任一侧上的侧翼陡化而使得零增益值接近其主瓣。侧翼的这种陡度取决于仰角天线元件的数量。
天线41在垂直平面中倾斜，以便在静锥中取向其最大增益，并保证其增益的最小值正好高于90°的仰角并且也低于40°的仰角。
它还包括位于后部(专用于其图6所示的控制模式Ω66)、同样在仰角上倾斜的辐射元件42，以便示出超过90°的仰角的最大增益。此外，悬臂天线41和辐射元件42的相互倾斜使得它们的增益针对90°的仰角而接近。因此，这使得可以阻挡不在悬臂天线41的方位角方向上的应答器，并且因此可以避免在天线背面产生寄生响应。
在耦合系数典型地等于25dB(根据悬臂天线41的总和通路的模式63的最大增益的值进行调整)，SSR天线1的三个模式为总和Σ、差分Δ以及控制Ω的情况下，以保证静锥中的总和模式的最大增益低于SSR天线的总和增益稳定阶段大约20dB(如图6所示，稳定阶段从20°的仰角延伸到40°的仰角)为目的，耦接装置43执行悬臂天线的三个模式，总和Σ、差分Δ以及控制Ω，的耦合。
已经引用过的图6示出了在横坐标表示仰角的角度而纵坐标表示绝对天线增益的坐标轴系统中，针对SSR天线1的总和通路61、针对SSR天线1的控制通路62、针对悬臂天线41的总和通路63、以及针对辅助天线设备的后部辐射元件42的控制通路66的上文所描述的天线的仰角辐射模式。
如这些模式所示出的，目的在于确保即使在90°的仰角处(处于高仰角的飞行器的距离方向必须紧靠，对其进行检测所需要的天线增益显著地小于对远程飞行器进行检测所需要的天线增益，典型地为35至40dB)，最大增益也要低于最大值大约35至40dB。通过使悬臂天线41倾斜来实现该目的，这样做的影响是平移其仰角模式，并且特别地平移其总和模式(沿横坐标轴平移)。通过改变增益，悬臂天线41和SSR天线1之间的耦合系数的值使得还可以沿着纵轴对模式进行调整。因此，通过沿纵轴的平移来补充对模式位置的调整。
因此，耦合系数的值被定义为：
-用于避免由悬臂天线41污染SSR天线1，即，例如低于40°的仰角的高于25dB的增益差异：
o传输方面和检测方面引起的非常低的损耗；
o以及方位角方面几乎没有波束修改；
-用于在检测到高仰角处的目标时避免由“混淆”较低的低于40°的仰角处的接近的目标(典型地为机场雷达)而造成的污染。
SSR天线1和悬臂天线41之间的总和通路的增益等效的区域64典型地位于55°的仰角周围。超过该仰角值，悬臂天线的增益63取代SSR天线1的增益61，以确保总和通路的期望最小增益达到最高点。可以验证在悬臂天线41的总和通路63的模式上发送的水平高度远远大于SSR天线1的控制通路62的模式的水平高度，以保证在60°至超过90°的高仰角处的目标响应雷达的询问。与SSR天线1的后部元件12相关联的控制通路62通常允许通过泄漏用于90°至180°的仰角的天线的总和辐射模式61来阻挡应答器接收询问。
优选地，悬臂天线的总和辐射模式63不必太宽，以便不干扰静锥外部的主天线的辐射模式61。与位于悬臂天线41的后部的辐射元件42相关联的控制通路66使得可以避免接收到超过90°的仰角(在图6中由线65标记)的目标响应。通过沿横坐标轴进行平移，通过改变后部辐射元件42的倾斜度，来针对SSR天线1的控制模式62，对控制模式66的仰角方面的位置进行调整。
因此，当主天线1处于与该目标的方位相反的方向时，由雷达经由后部元件42发送的信号使得能够阻挡目标的应答器。该辐射元件42的辐射模式和朝向适于此目的，特别是最佳设定应该能够使得阻挡向前91°的应答器。
在与SSR天线1和悬臂天线41的总和通路的增益等效的区域64周围，相位方面的不受控制的信号重组可以在大约+/-5°的跨度上(即，从+50°至+60°)引起检测损耗，在该图6的示例中为仰角方面。为了限制这些引起的影响，由两个总和模式61和63来确保以1030MHz发送的信号的相位可能是有用的。

Claims (6)

1.一种能够检测静锥中的高仰角处的目标的二次雷达，所述二次雷达配备有主天线(1，12)，所述主天线(1，12)具有三个辐射模式：总和模式(61)、差分模式以及分配给控制功能的模式(62)，所述三个辐射模式与所述天线(1，12)相对应，其特征在于所述雷达还包括：
-固定在所述天线(1，12)上方的辅助天线设备(41，42)，所述辅助天线设备(41，42)由朝向所述主天线的前方的天线(41)和位于所述天线(41)后部的后部辐射元件(42)组成；
-以及耦接装置(43)，所述辅助天线设备(41，42)：
o具有三个辐射模式：总和模式(63)、差分模式以及分配给控制功能的模式(66)，由所述后部辐射元件(42)来确保所述控制模式(66)；
o被倾斜，以便保证其总和模式(63)在表征所述静锥的仰角域中的最大增益；
由所述后部元件(42)确保的所述控制模式(66)在90°的仰角示出与所述辅助天线设备的所述天线(41)的总和模式(63)的增益相等的增益，并且然后示出超过90°的仰角的最大增益，所述耦接装置(43)确保所述天线(1，12)的三个辐射模式与所述辅助天线设备(41，42)的三个辐射模式的耦合。
2.根据权利要求1所述的二次雷达，其特征在于，所述辅助天线设备(41，42)的所述天线(41)是悬臂型的。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的二次雷达，其特征在于，通过分别改变所述天线(41)的倾斜度和这两个天线(41，1)之间的耦合系数，在仰角和增益上相对所述主天线(1)的所述模式(61)对所述辅助天线设备的所述天线(41)的总和模式(63)的位置进行调整。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的二次雷达，其特征在于，通过改变仰角元件的数量来对所述辅助天线设备的所述天线(41)的总和模式(63)的侧翼的陡度进行调整。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的二次雷达，其特征在于，通过在垂直平面上改变所述后部元件的倾斜度在仰角上对由所述后部元件(42)确保的控制模式(66)的位置进行调整。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的二次雷达，其特征在于，所述主天线(1，12)由具有宽垂直孔径的LVA型天线(1)和后部辐射元件(12)组成。
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