CN107831474B - 沿海雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种沿海雷达系统，沿海雷达系统，包括调频连续波雷达系统的网络，每个调频连续波雷达系统包括射频发射机和被配置为控制射频发射机的操作的计算资源，用于所述调频连续波雷达系统中的每一个的所述计算资源被配置为控制所述射频发射机以雷达数据捕获模式周期性地发射第一射频能量，并且以呼号模式周期性地发射第二射频能量，所述第二射频能量使用摩尔斯码进行调制以表示用于相应的所述调频连续波雷达系统的呼号，其中，用于相应的所述调频连续波雷达系统的所述呼号模式不会干扰所述调频连续波雷达系统中的其他调频连续波雷达系统的数据捕获模式。本申请解决了雷达系统中呼号存在的问题，具有优化呼号的效果。

Description

沿海雷达系统
相关申请数据
本申请要求于2016年9月15日提交的优化FMCW HF海洋雷达的呼号实现的美国临时专利申请号62/395,221和2017年3月14日提交的优化FMCW HF海洋雷达的呼号实现的美国专利申请号15/458,850的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文用于所有目的。
技术领域
本申请涉及雷达系统，尤其涉及用于FMCW HF海洋雷达的优化的呼号实现。
背景技术
在2012年底，ITU(国际电信联盟，联合国分支机构)发布了第612号决议，该决议为沿海海洋雷达(3-50MHz)分配了指定的次级无线电频谱时隙(spectral slots)。这些雷达用于全球范围内的实时操作网络，主要测绘海洋表面水流，但也用于监测海洋状态(波高)；警告接近海啸；并检测/跟踪船只。由于导电的海水，雷达的信号根据频率能够传播到可见地平线和微波地平线之外。目前全球运行的这种雷达系统约有500种。
在第612号决议之前，根据ITU R4.4指定(designation)，将这些雷达许可为“实验性”。因此，经营许可不得先行，对任何许可用户的干扰的投诉将导致停止广播。代表经过五年WRC12(全球无线电会议)批准的新决议，为雷达操作分配了几个但狭窄的二级许可频带，结束了它们的“实验性”时代。
根据第612号决议批准的窄频谱时隙要求许多雷达共享相同的信道。如果它们必须在同一时间操作并且彼此不是太远，这将存在相互干扰的挑战。存在为什么需要同时操作(不是“时间复用”，即打开-关闭)的许多原因(主要用于紧急应用)。这包括海啸警报、搜索和救援、溢油管理和船舶跟踪。这个挑战已经由与使用美国专利号6,856,276中描述的调频连续波(FMCW)调制的雷达有密切关系的发明来解决，其全部内容通过引用并入本文。几乎全球范围内的所有HF海洋雷达都使用FMCW调制。它在长达一秒的时间段内采用慢的频率线性扫描，然后连续重复，如美国专利号5,361,072所述，其全部内容通过引用并入本文。扫描带宽确定距离分辨率，例如50kHz给出3km；典型的情形。在美国专利号6,856,276中描述的发明(其全部公开内容通过引用并入本文)将来自多个雷达的信号重叠，但偏置其扫描开始时间，从而确保每个雷达的信息空间不重叠，因此它们不相互干扰。这需要精确的时序稳定性(取决于GPS信号以同步)。
授权使用这些ITU授权频带的条件的一部分是要求每个雷达必须发射由其国家主管部门(例如在美国，这是FCC-联邦通信委员会)发布的摩尔斯编码的呼号。唯一的呼号标识发射机。已经开始全球实施进程。
截至2016年中期，在MF-UHF频谱区域内操作的海洋雷达尚未开始广播呼号。响应于ITU第612号决议，预计将在不久的将来开始，每个国家要求在不同时期遵守。在ITU决议中或以后的裁决中没有指导如何实现可接受的呼号格式，方法也不定相同。唯一的要求是每个雷达的呼号必须至少每20分钟广播一次；以国际摩尔斯码广播普通的通用6字符串(字母数字)，速度约为每分钟15个字。呼号广播的软件和固件要求特定于某个品牌。因此，商业制造商将为他们自己的FMCW雷达实现这一点。由于超过40个国家将是沿海海洋雷达的用户，并且有不到四个供应商，所以将要求供应商应不同国家的所有者/运营商的要求制造或修改他们的品牌雷达。
在MF、HF、VHF以及UHF频带内操作的低频反向散射和双基地雷达系统广泛地用于测绘和监控水面目标，例如，海洋或者河流上的水流、船舶以及波浪。作为美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的综合海洋观测系统(IOOS)计划的一部分，目前大约150个这样的HF/VHF雷达沿着美国海岸运行，并且这种系统将它们的数据输出至美国公众网站(hfradar.ndbc.noaa.gov)。现在，其他几个国家在其海岸上具有类似的雷达网络。总共至少有500个这些海洋雷达部署并操作在全球范围内。
通常需要至少两个反向散射雷达来测绘水流，这是因为每个雷达仅测量标量径向矢量分量，并且需要来自两个方向的视图来为地图构造整个2D矢量。在将已知的布拉格波浪速度与未知的水流速度分开之后，这些标量速度基于多普勒原理。在船舶目标的情况下，由单个雷达测量其位置和径向速度，但是来自两个雷达的视图提供了增强的检测和跟踪稳健性的优点。
如在所有雷达中的情况一样，根据发射与接收回波间的时间延迟来获得与目标或散射单元的范围或距离。在距离处理之后，对每个距离单元的复数(实数和虚数)回波时间序列进行傅里叶变换，以在几个接收天线或元件间获得多普勒频谱和/或交叉频谱。此时，从信号中提取回波目标(水流或船舶)的速度及其方位。一种适用且广泛使用的方位确定算法是美国专利号5,900,834中描述的多信号分类(MUSIC)、测向(DF)技术，其全部内容通过引用并入本文。该反向散射雷达在极坐标系中进行其测量，其中，在覆盖范围内的每个点处的径向水流速度由极坐标网格(polar grid)上的各雷达测量。
在沿海雷达的网络中，通过将这些系统同步到稳定时基并且多基地运行这些系统，可以获得给定数量的反向散射雷达的更大数据覆盖和稳健性。美国专利号6,774,837中讨论了这种方法，其全部内容通过引用并入本文。一个反向散射雷达的发射机照亮(例如)由波浪或船舶目标散射的海洋表面，并且作为回波返回到一个不同的反向散射接收机中。虽然因此双基地进行运行，但是每个雷达接收机继续在其正常的反向散射模式下接收回波。常用的便利且廉价的多静态同步方法采用GPS卫星信号的稳定时基；参见上文通过引用并入本文的美国专利号6,856,276。
发明内容
提供了系统、方法、装置和计算机程序产品，用于在海洋雷达系统中实现呼号功能。
根据第一类实现，提供了具有调频连续波(FMCW)雷达系统网络的沿海雷达系统。每个FMCW雷达系统包括射频(RF)发射机和被配置为控制RF发射机的操作的计算资源。用于每个FMCW雷达系统的计算资源被配置为控制RF发射机以雷达数据捕获模式周期性地发射第一RF能量，并且以呼号模式周期性地发射第二RF能量。使用摩尔斯码对第二RF能量进行调制以表示相应的FMCW雷达系统的呼号。相应的FMCW雷达系统的呼号模式发生在不同的时间，并且不会干扰FMCW雷达系统中的其他FMCW雷达系统的数据捕获模式。
根据第一类实现的具体实现，对于FMCW雷达系统中的每个，第一RF能量占据第一频带，第二RF能量占据第二频带。第一频带基本上与第二频带相同。根据更具体的实现，对于每个FMCW雷达系统，第一RF能量和第二RF能量由基本上相同的强度表征。
根据第一类实现的具体实现，FMCW雷达系统中的每一个包括RF接收机。用于FMCW雷达系统的每一个的计算资源被配置为在RF发射机处于呼号模式时禁用RF接收机，并且内插由RF接收机在雷达数据捕获模式的连续周期期间接收的雷达数据，以减轻与在呼号模式期间禁用的RF接收机相关联的数字处理伪影。根据更具体的实现，对于FMCW雷达系统的每一个，雷达数据捕获模式由时间序列多普勒处理输入周期表征，并且呼号模式在时间序列多普勒处理输入周期中占据一个间隙。对于FMCW雷达系统中的每一个，计算资源被配置为通过平均在时间序列多普勒处理输入周期的剩余周期中的雷达数据，来内插由RF接收机在雷达数据捕获模式的连续周期期间接收的雷达数据。根据更具体的实施方案，对于FMCW雷达系统的每一个，时间序列多普勒处理周期包括多个雷达扫描周期，并且对应于所述呼号模式的所述间隙在所述雷达扫描周期之一的结束时开始。
根据第二类实现，提供了一种调频连续波(FMCW)雷达系统，其包括射频(RF)发射机和被配置为控制RF发射机的操作的计算资源。计算资源被配置为控制RF发射机以雷达数据捕获模式在第一频带上周期性地发射第一RF能量，并且以呼号模式在第二频带上周期性地发射第二RF能量。使用摩尔斯码对第二RF能量进行调制，以表示FMCW雷达系统的呼号。第一频带基本上与第二频带相同。
根据第二类实现的具体实现，第一RF能量和第二RF能量由基本上相同的强度表征。
根据第二类实现的具体实现，FMCW雷达系统包括RF接收机。计算资源被配置为在RF发射机处于呼号模式时禁用RF接收机，并且内插由所述射频接收机在雷达数据捕获模式的连续周期期间接收的雷达数据，以减轻与在呼号模式期间禁用的RF接收机相关联的数字处理伪影。根据更具体的实现，雷达数据捕获模式由时间序列多普勒处理输入周期表征，并且呼号模式在时间序列多普勒处理输入周期中占据一个间隙。计算资源被配置为通过平均在时间序列多普勒处理输入周期的剩余周期中的雷达数据，来内插由RF接收机在雷达数据捕获模式的连续周期期间接收的雷达数据。根据更具体的实现，时间序列多普勒处理周期包括多个雷达扫描周期，并且对应于所述呼号模式的所述间隙在所述雷达扫描周期之一的结束时开始。
根据第三类实现，提供了一种调频连续波(FMCW)雷达系统，其包括射频(RF)发射机、RF接收机、和被配置为控制RF发射机和RF接收机的操作的计算资源。计算资源被配置为控制RF发射机以雷达数据捕获模式周期性地发射第一RF能量，并且以呼号模式周期性地发射第二RF能量。使用摩尔斯码对第二RF能量进行调制以表示FMCW雷达系统的呼号。计算资源还被配置为在RF发射机处于呼号模式时禁用RF接收机，并且内插由RF接收机在雷达数据捕获模式的连续周期期间接收的雷达数据，以减轻由于在呼号模式期间禁用的RF接收机导致的数字处理伪影。
根据第三类实现的具体实现，雷达数据捕获模式由时间序列多普勒处理输入周期表征，并且呼号模式在时间序列多普勒处理输入周期中占据一个间隙。计算资源被配置为通过平均在时间序列多普勒处理输入周期的剩余周期中的雷达数据，内插由RF接收机在雷达数据捕获模式的连续周期期间接收的雷达数据。根据更具体的实现，时间序列多普勒处理周期包括多个雷达扫描周期，并且对应于所述呼号模式的所述间隙在所述雷达扫描周期之一的结束时开始。
根据第四类实现，提供了包括调频连续波(FMCW)雷达系统网络的沿海雷达系统。每一个FMCW雷达系统包括射频(RF)发射机和被配置为控制RF发射机的操作的计算资源。用于FMCW雷达系统的每一个的计算资源被配置为控制RF发射机以雷达数据捕获模式周期性地发射第一RF能量，并且以呼号模式周期性地发射第二RF能量。使用摩尔斯码对第二RF能量进行调制以表示相应的FMCW雷达系统的呼号。对于FMCW雷达系统的每一个，第一RF能量占据第一频带并且第二RF能量占据第二频带。第一频带基本上与第二频带相同。对于FMCW雷达系统的每一个，第一RF能量和第二RF能量由基本上相同的强度表征。相应的FMCW雷达系统的呼号模式发生在不同的时间，并且不会干扰FMCW雷达系统中的其他FMCW雷达系统的雷达数据捕获模式。
根据第四类实现的具体实现，FMCW雷达系统中的每一个包括RF接收机。用于FMCW雷达系统的每一个的计算资源被配置为在RF发射机处于呼号模式时禁用RF接收机，并且内插由RF接收机在雷达数据捕获模式的连续周期期间接收的雷达数据，以减轻与在呼号模式期间禁用的RF接收机相关联的数字处理伪影。根据更具体的实现，对于FMCW雷达系统的每一个，雷达数据捕获模式由时间序列多普勒处理输入周期表征，并且呼号模式在时间序列多普勒处理输入周期中占据一个间隙。对于FMCW雷达系统中的每一个，计算资源被配置为通过平均在时间序列多普勒处理输入周期的剩余周期中的雷达数据，内插由RF接收机接收的在雷达数据捕获模式的连续周期期间的雷达数据。根据更具体的实施方案，对于FMCW雷达系统的每一个，时间序列多普勒处理周期包括多个雷达扫描周期，并且对应于所述呼号模式的所述间隙在所述雷达扫描周期之一的结束时开始。
通过引用说明书的剩余部分以及附图，可以实现各个实现的性质和优点的进一步理解。
附图说明
图1是根据具体实现配置的雷达站点的简图。
图2是表示用于输入呼号信息并且广播调度的方法的一个实现方式的图形用户界面(GUI)。
图3是创建并且广播呼号的方法的示例性图。
图4a和4b示出信号输出的实例，包括正常雷达信号广播并且包括广播呼号期间的时间间隙。图4a示出在正常处理间隔(例如，256秒)期间的信号的时间序列，下部条带作为水平轴，距离为垂直轴以及亮度强度为信号强度。上部条带是下部条带的对应的多普勒频谱，水平轴线是多普勒频率。图4b与图4a类似，除了呼号间隙具有固化插值之外，还应用该固化插值以消除图4a的突变间隙开/关产生的屏蔽旁瓣。
具体实施方式
现在将详细地参考具体实现。在附图中示出了这些实现的实例。应注意这些实例出于说明性的目的描述并且不旨在限制本公开内容的范围。相反，所描述的实现的替代方案、修改和等同物包括在由所附权利要求限定的本公开内容的范围内。此外，可以提供具体细节以促进对所述实现的透彻理解。可以在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践本公开内容的范围内的一些实现。此外，为了清楚起见，可能未详细描述众所周知的特征。
本公开内容描述了以符合ITU第612号决议的要求的方式在海洋雷达系统中实现呼号功能的各种技术。
图1示出了沿海FMCW HF雷达站点的一个实例的简图，其被配置为例如测绘表面水流、监视海况和/或检测海啸。为了清楚起见，仅示出通常一起运行的多个实例中的一个。由接收机12接收的三个信号100、110及120中的两个信号表示由相关联的站点的发射机生成的信号。来自GPS卫星群的信号130撞击(impinge)GPS天线1，并被传送到GPS接收机2。与常规的GPS接收机的更常见的位置信息相比，GPS接收机2具体被设计为从GPS信号中提取时间信息。
GPS接收机2生成非常稳定的10MHz时钟信号，该时钟信号进入到用作低通滤波器的锁相振荡器(PLO)3，从而提高时钟信号的时间位置精度的数量级。GPS接收机还生成馈送到雷达状态机5的非常稳定的每秒一个脉冲的数据流。馈送至锁相振荡器3的10MHz信号被转换为用于生成雷达载波及其他内部频率的120MHz定时信号。该120MHz参考信号进入到时钟发生器4。它将参考信号分频降低以生成其他设备所需的多个其他参考频率，包括馈送到微处理器7的12MHz信号；馈送到雷达状态机5的40MHz信号；以及传送到直接信号合成器(DSS)及其振荡器6的60或120MHz信号。
雷达状态机5指示雷达相对时间做什么。例如，其生成打开和关闭发射机输出的信号及接收机输入信号，以使它们不在同一时间。它也可以在不需要时打开或关闭在系统中的各个点处抑制发射信号或接收信号的开关或门控。雷达状态机5还确定线性频率扫描调制的开始和结束。在经由公共GPS定时同步的不同雷达中的不同的扫描开始时间将本地海洋回波信息彼此分开，以使它们不彼此干扰。
微处理器7(由存储器芯片8支持)是计算装置10的接口，该接口允许操作员控制雷达，并且实时地处理所接收的回波信号。微处理器7也与GPS接收机2以及发射/接收(T/R)开关9进行通信。后者在脉冲周期期间的适当时间打开和关闭雷达发射机11和接收机12中的抑制它们的信号的各个信道。
由发射机11发射的射频(RF)信号在DSS框6中生成。这些信号包含扫描和脉冲调制。频率的扫描范围、扫描重复间隔、脉冲和空白周期以及载波频率都是数字化表示和生成，确保波形的每个周期性重复与前一个周期基本相同。这具有将杂散(spurs)和其他波形缺陷转移到DC(零多普勒频谱位置)的作用，以便不干扰使发生多普勒频移(Doppler-shifted)的海洋回波信息。系统经由DDS框6生成0到75MHz之间的载波频率，DDS框6的输出信号提供给发射机11，并通过发射天线13辐射。这些信号的副本及其正交版本在接收机12中与进入其天线系统14的输入回波、噪声和其他雷达信号混合。
使用相同的GPS公共定时信号对在相同载波频率上运行的多台雷达发射机的线性频率调制扫描开始时间进行同步，从精确指定但略有不同的时间开始。开始时间取决于相对于彼此的雷达站点几何形状。
在没有ITU建议以遵从的情况下，我们制定了本文所述的流程。只广播呼号不足以确保它符合预期的法律精神。因此，根据本公开实现的一些实现方式，广播呼号能够被正在收听雷达信号的任何无线电接收机听到和解码。由于它们的带宽差异很大(无线电带宽比雷达更窄)，所以这是无线电可以听到雷达信号而不是呼号的一个原因(如果无线电的带宽太窄)。为了解决这个问题，希望在AM解调的无线电接收机内听到的呼号的音频强度与干扰雷达信号的级别相当。至少由本公开内容实现的一些实现方式公正地遵循该预期的精神。
由本公开内容实现的一些实现方式还确保在呼号广播周期期间通过雷达本身以及相同频率上的相邻雷达连续捕获雷达数据，而对输出信息几乎没有有害影响。我们用横跨呼号发射周期的雷达多普勒频谱表明该情况。
特定类别的实现方式涉及用于监测水面目标的多地点或多基地沿海雷达系统。雷达系统包括：第一雷达、第二雷达或更多；状态机；以及信号处理器。第一雷达和第二雷达均包括位于分离的位置并且使用定时信号来同步的发射机和接收机。每个雷达被配置为发射雷达信号并且从另一个雷达或者独立的发射机接收雷达信号的回波。状态机被配置为使用定时信号确定每个雷达的射频信号调制的开始时间和结束时间，第二雷达的射频信号调制的开始时间偏离第一雷达的射频信号调制的开始时间。信号处理器被配置为基本上同时接收和处理在第一雷达和第二雷达处接收的雷达信号的回波，以确定监测的水面目标的位置和速度矢量，其中，根据第二雷达发射的雷达信号(在第一雷达处接收到)的回波确定第一组位置和速度矢量，并且其中，根据第一雷达发射的雷达信号(在第二雷达处接收到)的回波确定第二组位置和速度矢量。
如上所述，根据联合国ITU第612号决议，HF/VHF/UHF雷达现在需要至少每20分钟广播一次摩尔斯编码的电台识别呼号。在呼号广播期间，每个雷达中断正常雷达信号的发射。根据本公开内容实现的各种实现方式，在另一个呼号广播期间，同一频率上的其他雷达不间断地继续运行，接收到的回波信息很少劣化或几乎没有劣化。具体实现方式包括用于预期呼号目的的另外两个特征：(i)尽管受影响的接收机可能具有比雷达信号更小的带宽，但在与雷达信号相同的频谱范围内听到呼号；(ii)在典型的无线电接收机中以与雷达信号相同的强度听到呼号。这些特征试图确保预期目的的公平性，并避免因为在听到雷达信号时没有听到呼号而没有正确识别雷达的法律投诉。
一些实现方式遵循ITU的指导：摩尔斯编码的呼号应以每分钟约15字进行广播。理解所分配的呼号通常具有六个字母数字字符，因为字符的长度与分配给每个字符的摩尔斯点-划线(dot-dash)顺序有关，所以不重复广播的典型长度将在5到10秒之间变化。例如，字符“e”是单个点(最短可能的持续时间)；“o”是三条划线(长持续时间)。
一些实现方式涉及更高速率的扫描。利用针对所期望的距离分辨率(rangeresolution)所选的FMCW扫描带宽——其符合国家许可授权机构(例如美国的FCC)所允许的，呼号期间的扫描重复率从用于雷达操作的1-2Hz变为音频值，例如640Hz。根据所分配的六字符呼号，打开和关闭点划线模式。在“打开”期间，在具有标准AM(或其他)解调的简单无线电接收机中将听到的音频处听到音调。例如，640Hz在音阶的第五个八度音阶E附近。实现其的详细说明如下。将在“打开”期间的输出幅度数字地调整为对应于被调谐到雷达信号带宽内的任何频率的标准AM无线电中听到的音频强度。
根据一些实现方式，图形用户界面(GUI)允许用户输入呼号及其广播的定时。通常将呼号及其广播的定时设置为避开在雷达的听力范围内的相同频率上的其他雷达的呼号广播时间。GUI还允许用户输入呼号要顺序地广播多少次(通常是一次或两次)。在呼号广播周期后，重新打开雷达接收机，并且再次开始正常雷达信号模式。
根据一些实现方式，尽管在接收机的DDS(直接数字合成)模块或等效物中启动所有基本信号生成，但是呼号功能仅与雷达的发射部分相关。接收机在这几秒钟的周期内继续运行，但是它的数字输出整个周期内被有效地内插虽然该周期是关闭(off)的，这意味着来自间隙每侧的实际回波和噪声数据被用来构造内插信号。
与FMCW雷达一起使用的实现方式与无线电应用不同。在HF处和HF附近，后者通常在分配的3-10kHz带宽内运行，该带宽通常由发射音频信息的要求所决定。海洋雷达典型地必须在从25kHz至1MHz的带宽内工作，才能实现有用的目标范围分辨率。呼号应该被定制成与无线电接收机的带宽匹配或重叠，无线电接收机是MF通过UHF频段的最常见的用户。
A、呼号设置菜单/输入
图2和图3示出了配置用于呼号发射的海洋雷达系统的特定实现的算法流程。如将理解的，表示该算法流程的计算机程序指令可以存储在计算设备(例如，图1的设备10或另一相关的计算设备)上并用于控制计算设备的操作。还应当注意，尽管在本文中涉及特定计算范例和软件工具，但是各种实现方式所基于的计算机程序指令可以对应于任何多种编程语言、软件工具及数据格式，可以存储在任何类型的非暂时计算机可读存储介质或存储设备中，并且可以根据包括例如客户端/服务器模型、对等模型的各种计算模型在独立计算设备上执行，或者根据可以在不同的位置实现或采用各种功能的分布式计算模型执行。可以采用本领域技术人员已知的合适的替代方案。
通常需要软件输入的设置来发起雷达的呼号协议。在一个非排他的实现方式中，为此提供图形用户界面(GUI)，其实例在图2中示出。插入到待广播的窗口中的呼号可以是由字母数字字符组成的任何长度。在美国和大部分其他国家，该长度目前是六个字符。GUI200中的设置表示，从小时后1分钟开始，每20分钟广播一次呼号(即，ITU要求的最大间隔)。通过点击“发射”按钮，呼号流程立即开始并无限期地继续，直到点击关掉“发射”。存在在每个预定的时间只发射一次六个字符的呼号，或者多次(例如连续两次或三次)发射的选项。
通过GUI200的设置通常在雷达上的呼号安装开始时完成一次，然后在雷达运行时将保持可用。该实例具有从小时开始后一分钟开始、每20分钟广播一次的雷达的呼号。存在在广播后立即重复呼号(更好的捕获机会)的选项；该实例示出呼号仅广播单次。计算并显示呼号的以秒为单位的广播长度(呼号为K6HWJ1的情况下为5.8秒)。
设置该GUI表后，点击“保存”按钮进行存储。当需要开始呼号辐射时，点击“发射”按钮。这将每20分钟开始其持续发射的周期。优选地，在相同频率上运行的能够听到彼此信号的其他雷达在其广播中交错(例如，相隔一分钟或更长)；否则，可以同时听到来自两个雷达的呼号，可能会使每个雷达都难以理解。要终止呼号发射，在“发射”按钮下，在显示的选项选择下输入“终止”。
再次，这里的呼号的GUI设置旨在揭示一个实现方式，并且不排除本领域技术人员显而易见的其他方案。
B、呼号辐射期间的信息/信号流
参考图3，图3用于在FMCW雷达的呼号辐射期间的功能操作的一个实现方式。框中的数字标签表示执行的软件功能。字母标签表示正在传送的信息。再次，所描绘的实现仅仅是由本公开内容所允许的实现范围的一个实例。我们理解，其他实现方式是可能的并且包括在本公开内容的范围内，这对于本领域技术人员是显而易见的。
框1根据参考图2描述的GUI创建摩尔斯码的呼号的数字表示。这包括创建呼号时序模式(call-sign timing pattern)的摩尔斯编码。如果产生的呼号消息(标签A)由框2表示，则存储。为了实现ITU推荐的每分钟15个字，并且基于大约六秒钟的单次重复的平均呼号长度，以下是将达到该目标的时序(timing)的实例：
·每个点的持续时间是62.5ms(毫秒)；
·每个划线的持续时间是187.5ms(3x62.5ms)；
·点与划线之间的死区(dead space)的持续时间是62.5ms；
·字符之间的死区的持续时间是187.5ms；
·字之间的死区的持续时间(例如，呼号的重复)是437.5ms。
这种格式化的信息将用于创建呼号的脉冲。信息沿(标签B)传送到状态机(框3)，并保留在那里，直到需要发射。状态机控制雷达信号发射模式和呼号发射模式之间的切换。也以呼号代码格式发送的是图2的GUI中指定的时序。
另外，将在脉冲FMCW信号格式(标签C)的常规雷达编码(直接数字合成)中使用和存储的格式化信息被发送到状态机(框3)，并且还根据需要保留在那用于生成和发射雷达信号。
还将来自公共GPS稳定时钟的定时信号(标签D)发送至状态机(框3)。基于在图2的GUI中指定的所请求的呼号时间开始，在指定的呼号发射时间，框3的状态机执行以下功能序列：
·在下一个正常的FMCW信号线性扫描(例如，每0.5秒或1秒)结束时，发射机从其正常的雷达信号辐射被关闭。
·接收机被消隐，意味着来自接收天线的信号被阻断；然后接收机只响应内部噪声。接收机输出端的A/D(模拟数字)转换器继续它的正常模式，向计算机发送用于处理的输出噪声。
·SRF(扫描重复频率)从其正常1或2Hz速率改变为640Hz(或任何其他所需音频速率)。然而，在雷达和呼号操作期间，扫描带宽保持相同(例如，50kHz)。这确保了在相同的频谱带宽上广播和听到呼号和雷达信号。
·开始广播按照存储在状态机(框3)中的用于组合雷达信号和呼号信号(标签E)的数字顺序时间和频率指令所指定的呼号点-划线-空白模式。根据特定的实现方式，在点或划线期间，将广播640Hz FMCW扫描，并且在其间的空白间隙期间，将不广播信号。这允许在AM(包括上边带和下边带)无线电接收机中听到呼号(作为640Hz音频音调之上的摩尔斯开/关码模式)。
·基于脉冲/门控调制叠加的FMCW信号生成由框4表示。所产生的信号，即组合雷达脉冲/门控FMCW和呼号信号(标签F)的实际数字模式通过数模转换器转换为模拟信号(框5)，由此生成组合的雷达信号和要发射的呼号(标签G)的模拟低功率级RF信号。
·然后将低功率RF信号提供给发射放大器(框6)，并且通过雷达的发射天线发射所产生的全功率RF信号(标签H)(框7)。
·在呼号广播(包括任何重复)结束时，恢复雷达波形发射。雷达信号和呼号间隔的数字处理继续不间断，除了呼号的间隙周期的特殊数字插值；这将在下一节中描述。
该实现方式的方法(在图3中举例说明的)也确保在窄带AM无线电接收机中以与雷达信号基本上相同的强度听到呼号。呼号和标准FMCW雷达信号格式都具有基本相同的等级，以及以kHz为单位的扫描带宽。
C、确保连续的雷达数据处理
已注意到，实时沿海海洋学雷达的大多数应用需要没有间隙的连续数据流。这些重要的社会应用包括海啸检测和警告、沿海警卫队搜索和救援，溢油减轻操作等。当一个或多个站点发射呼号而不是正常的雷达信号时，停止发射和接收正是那种要避免的间隙。
图4a的下部条带是256秒内所接收的13MHz海洋回波时间序列与作为时间函数(水平轴)的至目标的距离(垂直轴)。垂直阻塞的部分是呼号发射并且接收机消隐(阻断)的间隙，意味着近零信号已经中断了正常的回波数据。图4a的上部条带是下部条带的多普勒频谱，其是从强布拉格回波获得水流、海啸和波数据的常规方法。然而，如图4a的上部条带中向左倾斜的条纹所示，下部条带中示出的发射呼号所必需的短暂中断产生了所期望信号的不可接受的掩蔽。
即，图4a的上部条带表明呼号间隙的问题。这是包含所需信息(即来自海面的布拉格回波)的多普勒频谱。甚至10-20秒的间隙(如图4a的下部条带所示)在距离和多普勒频率(上部条带)上会产生涂抹的(smeared)倾斜条纹。呼号间隙表示在不辐射雷达信号时切断呼号发射期间所接收的海洋回波。即使其基于比间隙本身(10-20秒)的长度更长(256秒)的海洋回波时间序列，海洋回波的这种接近零的突然变化产生了多普勒频谱中的这些掩蔽、干扰条纹。
图4b的下部条带是256秒内所接收的13MHz海洋回波时间序列与作为时间函数(水平轴)的目标距离(垂直轴)。这与图4a的下部条带基本相同。然而，在该实例中，通过从该目标范围的余数内插数据，而不是将其设置为接近零，填充(内插)在呼号发射期间的垂直条带。图4b的上部条带是跨呼号间隙内插之后的下部条带的多普勒频谱。现在频谱显示全部必需的回波信息。即，两个布拉格峰对称地位于中心附近，包含海流和海啸信息。如果没有出现呼号间隙，就不会有将观察到的这些的扭曲。
即，作为图4b中的上部条带示出有效的未受污染的海洋回波多普勒频谱。清楚地看到围绕中心位置对称排列的布拉格峰，这些将产生期望的有效的水流、海啸等数据。远离布拉格峰的船舶回波和高阶海洋回波(当存在时)将同样从污染(contaminating)条纹中被去除。图4b中的该上部条带是通过使用本文揭示的方法(这是一个可能的实现)填充呼号间隙而获得的。
通过认识到当傅里叶变换获得多普勒频谱时、接收信号(加噪声)中的突发间隙会产生不足够低的旁瓣(side lobes)来解释本文揭示的解决挑战的方法。但是，如果插入间隙，消除突发的时间序列间隙边缘跳跃，则会从掩蔽条带获得救济。我们发现有效和鲁棒的方法是插值的一种可能的实现方式。它对间隙之外的剩余区域的复信号进行平均，并利用该平均值填充。间隙开始和结束时间是已知的，因为它们是在接收机关闭时呼号的编程开始和结束。因此，可以使用插值来解决由该雷达中的呼号发射间隙产生的污染问题。我们指出，可以采用本领域技术人员已知的其他内插技术来实现相同的目的。
因为所有的雷达都必须广播自己的呼号(在不同的时间，以避免接收机在共同频率上侦听的错误识别)，所以要问的问题是：在网络中附近的可以听到第一雷达信号的伴随雷达也需要把它们的接收机阻断？如果是这样，那么对于需要连续数据的紧急应用来说，这将对网络的效用造成障碍。答案是不。使用前面已经描述的呼号调制方案，我们已经验证了相邻的雷达可以在邻居广播呼号的同时继续处理它们的接收信号。呼号足够弱，使其低于相邻雷达的噪声水平。这类似于扩频概念，其中通过在功率和频谱扩展中保持信号足够低来避免相互干扰，从而彼此的信号是不干扰的。
虽然为了方便起见，上面用单数形式描述了某些元件和处理，但是本领域的技术人员要理解的是，多个元件和重复的处理也可以用于实践本文描述的技术。
本领域技术人员应当理解，在不背离本公开内容的范围的情况下，可在本文描述的实现的形式和细节上做出各种变化。另外，虽然已经参考各种实现描述了各种优点、方面和目的，但本公开内容的范围不应受参考这些优点、方面和目的的限制。相反地，应参照所附权利要求，确定本公开内容的范围。

Claims (10)

1.一种沿海雷达系统，包括调频连续波雷达系统的网络，每个调频连续波雷达系统包括射频发射机和被配置为控制所述射频发射机的操作的计算资源，用于所述调频连续波雷达系统中的每一个的所述计算资源被配置为控制所述射频发射机以雷达数据捕获模式周期性地发射第一射频能量，并且以呼号模式周期性地发射第二射频能量，所述第二射频能量使用摩尔斯码进行调制以表示用于相应的所述调频连续波雷达系统的呼号，其中，用于相应的所述调频连续波雷达系统的所述呼号模式不会干扰所述调频连续波雷达系统中的其他调频连续波雷达系统的雷达数据捕获模式。
2.根据权利要求1所述的沿海雷达系统，其中，用于相应的所述调频连续波雷达系统的所述呼号模式在不同时间发生。
3.根据权利要求1所述的沿海雷达系统，其中，在所述调频连续波雷达系统中的每一个的呼号模式期间，所述调频连续波雷达系统中的其他调频连续波雷达系统继续在它们各自的雷达数据捕获模式下运行。
4.根据权利要求1所述的沿海雷达系统，其中，所述调频连续波雷达系统中的每一个包括射频接收机，并且其中，用于所述调频连续波雷达系统中的每一个的所述计算资源被配置为在所述射频发射机处于所述呼号模式时禁用所述射频接收机，并且内插由所述射频接收机在所述雷达数据捕获模式的连续周期期间接收的雷达数据，以减轻与在所述呼号模式期间禁用的所述射频接收机相关联的数字处理伪影。
5.根据权利要求4所述的沿海雷达系统，其中，对于所述调频连续波雷达系统的每一个，所述雷达数据捕获模式由时间序列多普勒处理输入周期表征，其中，所述呼号模式在所述时间序列多普勒处理输入周期中占据一个间隙，并且其中，对于所述调频连续波雷达系统中的每一个，所述计算资源被配置为通过在所述时间序列多普勒处理输入周期的剩余周期中平均由所述射频接收机在所述雷达数据捕获模式的连续周期期间接收的所述雷达数据来内插所述雷达数据。
6.根据权利要求5所述的沿海雷达系统，其中，对于所述调频连续波雷达系统的每一个，所述时间序列多普勒处理输入周期包括多个雷达扫描周期，并且其中，对应于所述呼号模式的所述间隙在所述雷达扫描周期之一的结束处开始。
7.根据权利要求1所述的沿海雷达系统，其中，对于所述调频连续波雷达系统的每一个，所述第一射频能量占据第一频带，并且所述第二射频能量占据第二频带，所述第一频带与所述第二频带相同。
8.根据权利要求1所述的沿海雷达系统，其中，对于所述调频连续波雷达系统的每一个，所述第一射频能量和所述第二射频能量由相同的强度表征。
9.根据权利要求1所述的沿海雷达系统，其中，对于所述调频连续波雷达系统的每一个，所述第一射频能量占据第一频带，并且所述第二射频能量占据第二频带，所述第一频带与所述第二频带相同，其中，对于所述调频连续波雷达系统的每一个，所述第一射频能量和所述第二射频能量由相同的强度表征。
10.根据权利要求1所述的沿海雷达系统，其中，对于所述调频连续波雷达系统的每一个，所述呼号模式占据时间序列多普勒处理输入周期中的一个间隙，所述时间序列多普勒处理输入周期包括多个雷达扫描周期，并且其中，对应于所述呼号模式的所述间隙在所述雷达扫描周期之一的结束处开始。
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