DE102017215397A1 - Für ozeanografische FMCW-HF-Radaranlagen optimierte Rufzeichen-Implementierung - Google Patents

Für ozeanografische FMCW-HF-Radaranlagen optimierte Rufzeichen-Implementierung Download PDF

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Abstract

Techniken werden beschrieben zur Implementierung der Anforderung der Resolution 612 der Internationalen Telekommunikationsunion, dass ozeanografische Radarsysteme ein Morse-codiertes Rufzeichen zur Stationsidentifizierung mindestens alle 20 Minuten senden.

Description

  • Daten verwandter Anmeldungen
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nummer 62/395 221 für für ozeanografische FMCW-HF-Radaranlagen optimierte Rufzeichen-Implementierung, die am 15. September 2016 eingereicht wurde (Anwalts-Aktenzeichen CODRP011P) und der US-Patentanmeldung Nummer 15/458 850 für für ozeanografische FMCW-HF-Radaranlagen optimierte Rufzeichen-Implementierung, die am 14. März 2017 eingereicht wurde (Anwalts-Aktenzeichen Nummer CODRP011), deren beider gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme für alle Zwecke eingebracht wird.
  • Anmerkung zum Copyright
  • Ein Teil der Offenbarung dieses Patentdokuments enthält Material, das Copyright-Schutz unterliegt. Der Eigner des Copyrights hat keine Einwände gegen die Faksimilewiedergabe des Patentdokuments oder der Patentoffenbarung, wie sie in den Akten oder Aufzeichnungen des Patent- und Markenamts erscheinen, durch jeden, behält sich aber alle anderen Copyrightrechte vor.
  • Hintergrund
  • Gegen Ende 2012 hat die ITU (International Telecommunications Union, ein Zweig der Vereinten Nationen) die Resolution 612 herausgegeben, die bestimmte sekundäre Funk-Spektralfenster ozeanografischen Küstenradaranlagen zuweist (3–50 MHz). Diese Radaranlagen werden in weltweiten Echtzeit-Betriebsnetzwerken verwendet, primär um Meeres-Oberflächenströme zu kartographieren, aber auch um den Meereszustand zu überwachen (Wellenhöhen), vor anlaufenden Tsunamis zu warnen und um Schiffe zu erfassen/verfolgen. Wegen des leitenden Meerwassers sind ihre Signale abhängig von der Frequenz in der Lage, sich hinter den sichtbaren und den Mikrowellenhorizont zu verbreiten. Es gibt etwa 500 solcher Radarsysteme die heutzutage rund um die Welt arbeiten.
  • Vor der Resolution 612 wurden diese Radaranlagen unter der ITU R4.4-Zuweisung als „experimentell” lizenziert. Als solche hatte die Betriebserlaubnis keine Priorität, und eine Klage hinsichtlich einer Interferenz mit irgendeinem lizenzierten Nutzer hätte zu einer Einstellung der Sendung geführt. Die neue Resolution, der durch Delegierte nach einer 5-jährigen WRC12 (Weltfunkkonferenz) zugestimmt wurde, wies wenige aber schmale sekundäre Lizenzbänder für den Betrieb der Radaranlagen zu, wodurch ihre „experimentelle” Ära beendet wurde.
  • Die schmalen Spektralfenster, denen unter der Resolution 612 zugestimmt wurde, erfordern, dass viele Radaranlagen sich denselben Kanal teilen. Dies bringt das Problem der gegenseitigen Interferenz mit sich, falls sie gleichzeitig betrieben werden müssen und nicht zu weit voneinander entfernt sind. Es gibt viele Gründe, warum gleichzeitiger Betrieb (anstatt „Zeit-multiplext”, d. h. Ein-Aus zu verwenden) erforderlich ist, hauptsächlich für Notfallanwendungen. Dies umfasst Tsunamiwarnung, Suchen und Retten, Ölunfall-Management und Schiffsnachverfolgung. Dieser Herausforderung wurde durch eine Erfindung begegnet, die für Radaranlagen von Belang ist, die Modulation mit frequenzmodulierten kontinuierlichen Wellen (FMCW) verwendet, die in dem US-Patent 6 856 276 beschrieben ist, dessen gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme eingebracht wird. FMCW-Modulation wird weltweit bei nahezu allen ozeanographischen HF-Radaranlagen verwendet. Sie verwendet einen langsamen linearen Durchlauf von Frequenzen über eine Periode von bis zu einer Sekunde und dann kontinuierliche Wiederholungen, wie es in dem US-Patent 5 361 072 beschrieben ist, dessen gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme eingebracht wird. Die Durchlauf-Bandbreite bestimmt die Bereichsauflösung, das heißt 50 kHz ergeben 3 km; ein typisches Szenario. Die in dem US-Patent 6 856 276 , dessen gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme eingebracht wird, beschriebene Erfindung überlappt die Signale von vielen Radaranlagen, versetzt aber ihre Durchlauf-Startzeiten, wodurch sichergestellt wird, dass die Informationsräume jedes Radars nicht überlappen, sodass sie nicht gegenseitig interferieren. Dies erfordert eine präzise Zeitstabilität, die von GPS-Signalen zur Synchronisation abhängt.
  • Ein Teil der Bedingung für eine autorisierte Verwendung dieser durch die ITU autorisierten Bänder ist das Erfordernis, dass jedes Radar ein Morse-kodiertes Rufzeichen sendet, das durch seine nationale Behörde herausgegeben wird (in den Vereinigten Staaten ist das die FCC – Federal Communication Commission). Das einzigartige Rufzeichen identifiziert den Sender. Der weltweite Vorgang seiner Implementierung hat begonnen.
  • Bis Mitte 2016 hat kein ozeanografische Radar, das in den MF-UHF-Spektralbereich arbeitet, begonnen, Rufzeichen zu senden. In Reaktion auf die ITU-Resolution 612 wird erwartet, dass dies in der nahen Zukunft kommt, wobei jedes Land die Erfüllung zu verschiedenen Zeiten fordert. Keine Richtlinie ist in der ITU-Resolution oder folgenden Regelungen gegeben, wie ein akzeptables Rufzeichenformat zu erzielen ist, auch müssen die Methodologien nicht identisch sein. Das einzige Erfordernis ist, dass das Rufzeichen für jedes Radar mindestens alle 20 Minuten gesendet werden muss; dass die normale universelle 6-Zeichen-Folge (alphanumerisch) in dem internationalen Morsecode und in einer Rate von etwa 15 Wörtern pro Minute gesendet wird. Die Software- und Firmware-Anforderungen für die Rufzeichen-Sendung sind für eine gegebene Marke spezifisch. Hier liegt es bei den kommerziellen Herstellern, dies für ihr eigenes FMCW-Radar zu implementieren. Da über 40 Länder Benutzer der ozeanographischen Küstenradaranlagen sind und es weniger als vier Anbieter gibt, ist es erforderlich, ihre Markenradaranlagen aufgrund der Anforderung durch die Eigner/Betreiber in unterschiedlichen Ländern herzustellen oder zu modifizieren.
  • Niederfrequente Rückstreuungs- und bistatische Radarsysteme, die in den MF-, HF-, VHF- und UHF-Bändern arbeiten, werden weit verbreitet zur Kartierung und zur Überwachung von Wasseroberflächenzielen wie Strömen, Schiffen und Wellen auf dem Meer oder Flüssen verwendet. Nahezu 150 solcher HF/VHF-Radaranlagen arbeiten momentan entlang der US-Küsten als Teil des integrierten US-Ozean-Überwachungssystem(IOOS)-Programms der nationalen Ozean- und Atmosphären-Administration (NOAA), und solche Systeme geben ihre Daten auf öffentlichen US-Webseiten aus (hfradar.ndbc.noaa.gov). Mehrere andere Länder haben nunmehr ähnliche Radarnetzwerke an ihren Küsten. Insgesamt mindestens 500 dieser ozeanographischen Radaranlagen sind eingesetzt und arbeiten weltweit.
  • Mindestens zwei Rückstreuradaranlagen werden normalerweise benötigt, um Ströme zu kartieren, da jede Radarmessung nur eine skalare radiale Vektorkomponente misst und eine Sicht aus zwei Richtungen erforderlich ist, um einen gesamten 2D-Vektor für eine Karte zu konstruieren. Diese skalaren Geschwindigkeiten basieren auf dem Dopplerprinzip nach der Trennung der bekannten Bragg-Wellengeschwindigkeit von der unbekannten Strömungsgeschwindigkeit. Für den Fall eines Schiffsziels werden seine Position und Radialgeschwindigkeit durch ein einzelnes Radar gemessen, aber eine Sicht von zwei Radaranlagen bietet den Vorteil der erhöhten Erfassungs- und Verfolgungrobustheit.
  • Der Bereich oder der Abstand zu dem Ziel oder der Streuzelle wird aus dem Zeitverzug zwischen dem Senden und den empfangenen Echos erhalten, wie es bei allen Radaranlagen der Fall ist. Nach einer Bereichsverarbeitung werden die komplexen (real und imaginär) Echo-Zeitfolgen für jede Bereichszelle Fourier-transformiert, um Dopplerspektren und/oder Kreuzspektren unter mehreren Empfangsantennen oder -elementen zu erhalten. Die Geschwindigkeit des Ziels (Strömung oder Schiff), das das Echo gibt, sowie sein Kurs werden an diesem Punkt aus den Signalen extrahiert. Ein geeigneter und weitverbreiteter Bestimmungsalgorithmus ist die multiple Signalklassifikation (MUSIC), eine richtungsfindende (DF) Technik, die in dem US-Patent 5 900 834 beschrieben ist, dessen gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme eingebracht wird. Dieses Rückstreuungsradar führt seine Messungen in einem Polarkoordinatensystem durch, bei dem die Radialströmungsgeschwindigkeit zu jedem Punkt in dem Abdeckungsbereich durch jedes Radar auf dem polaren Netz gemessen wird.
  • In Netzwerken von Küstenradaranlagen können eine größere Datenabdeckung und Robustheit für eine Zahl von Rückstreuradaranlagen durch Synchronisierung dieser Systeme auf eine stabile Zeitbasis und durch ihren multi-statischen Betrieb erzielt werden. Die Methodologie dafür ist in dem US-Patent 6 774 837 diskutiert, dessen gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme eingebracht wird. Der Transmitter des Rückstreuradars beleuchtet beispielsweise die Meeresoberfläche, wo es durch Wellen oder ein Schiffsziel gestreut wird und kehrt als Echo zu einem anderen Rückstreuempfänger zurück. Während er somit bistatisch arbeitet, empfängt der Radarempfänger weiter gleichzeitig Echos in seinem normalen Rückstreumodus. Ein bequemes und billiges multi-statisches Synchronisationsverfahren für gemeinsame Verwendung verwendet die stabile Zeitbasis von GPS-Satellitensignalen; vergleiche US-Patentnummer 6 856 276 , das hier durch Bezugnahme eingebracht wird.
  • Zusammenfassung
  • Systeme, Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt werden zur Umsetzung von Rufzeichen-Funktionalität in ozeanographischen Radarsystemen geschaffen.
  • Gemäß einer ersten Klasse von Umsetzungen wird ein Küstenradarsystem mit einem Netzwerk von frequenzmodulierten kontinuierlichen Wellen (FMCW) Radarsystemen geschaffen. Jedes FMCW-Radarsystem umfasst einen Funkfrequenz(RF)-Transmitter und Computerressourcen, die ausgebildet sind, um den Betrieb des RF-Transmitters zu steuern. Die Computerressourcen für jedes der FMCW-Radarsysteme sind ausgebildet, um den RF-Transmitter zu steuern, um periodisch eine erste RF-Energie in einem Radardaten-Fangmodus zu senden und periodisch eine zweite RF-Energie in einem Rufzeichenmodus zu senden. Die zweite RF-Energie ist unter Verwendung von Morsecode moduliert, um ein Rufzeichen für das entsprechende FMCW-Radarsystem zu repräsentieren. Die Rufzeichenmodi für die entsprechenden FMCW-Radarsysteme erscheinen zu unterschiedlichen Zeiten und interferieren mit den Radardaten-Fangmodi der anderen FMCW-Radarsysteme nicht.
  • In einer bestimmten Umsetzung der ersten Klasse von Umsetzungen für jedes der FMCW-Radarsysteme besetzt die erste RF-Energie ein erstes Frequenzband, und die zweite RF-Energie besetzt ein zweites Frequenzband. Das erste Frequenzband ist im Wesentlichen das gleiche wie das zweite Frequenzband. Bei einer spezifischeren Umsetzung für jedes der FMCW-Radarsysteme sind die erste RF-Energie und die zweite RF Energie durch im Wesentlichen die gleiche Intensität gekennzeichnet.
  • Bei einer bestimmten Implementierung der ersten Klasse von Implementierungen umfasst jedes der FMCW-Radarsysteme einen RF-Empfänger. Die Computerressourcen für jedes der FMCW-Radarsysteme sind ausgebildet, um den RF-Empfänger zu deaktivieren, während der RF-Transmitter in dem Rufzeichenmodus ist, und um Radardaten, die von dem RF-Empfänger während aufeinanderfolgenden Perioden des Radardaten-Fangmodus empfangen werden, zu interpolieren, um digitale Verarbeitungsartefakte abzuschwächen, die dem RF-Empfänger, der während des Rufzeichenmodus deaktiviert ist, zugeordnet sind. Gemäß einer spezifischeren Implementierung ist für jedes der FMCW-Radarsysteme der Radardaten-Fangmodus durch einen Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus gekennzeichnet, und der Rufzeichenmodus besetzt eine Lücke in dem Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus. Für jedes der FMCW-Radarsysteme sind die Computerressourcen ausgebildet, um die Radardaten, die durch den RF-Empfänger während der aufeinanderfolgenden Perioden des Radardaten-Fangmodus empfangen werden, durch Mittelung der Radardaten über einen Rest des Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus zu interpolieren. Gemäß einer weiteren spezifischeren Implementierung umfasst für jedes der FMCW-Radarsysteme des Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungszyklus eine Anzahl von Radar-Abtastperioden, und die Lücke, die dem Rufzeichenmodus entspricht, beginnt an einem Ende einer der Radar-Abtastperioden.
  • Gemäß einer zweiten Klasse von Implementierungen wird ein frequenzmoduliertes Radarsystem mit kontinuierlicher Welle (FMCW) geschaffen, das einen Funkfrequenz(RF)-Transmitter und Computerressourcen aufweist, die ausgebildet sind, um den Betrieb des RF-Transmitters zu steuern. Die Computerressourcen sind ausgebildet, um den RF-Transmitter zu steuern, um periodisch eine erste RF-Energie in einem ersten Frequenzband und in einem Radar-Datenfangmodus zu übertragen und um periodisch eine zweite RF-Energie in einem zweiten Frequenzband in einem Rufzeichenmodus zu übertragen. Die zweite RF-Energie ist unter Verwendung von Morsecode moduliert, um ein Rufzeichen für das FMCW-Radarsystem zu repräsentieren. Das erste Frequenzband ist im Wesentlichen das gleiche wie das zweite Frequenzband.
  • Bei einer bestimmten Implementierung der zweiten Klasse von Implementierungen sind die erste RF-Energie und die zweite RF-Energie durch im Wesentlichen die gleiche Intensität gekennzeichnet.
  • Bei einer bestimmten Implementierung der zweiten Klasse von Implementierungen umfasst das FMCW-Radarsystem einen RF-Empfänger. Die Computerressourcen sind ausgebildet, um den RF-Empfänger zu deaktivieren, während der RF-Transmitter in dem Rufzeichenmodus ist, und um Radardaten, die von dem RF-Empfänger während aufeinanderfolgenden Perioden des Radardaten-Fangmodus empfangen werden, zu interpolieren, um Artefakte der Digitalverarbeitung, die mit dem RF-Empfänger verbunden sind, der während des Rufzeichenmodus deaktiviert ist, abzuschwächen. Bei einer spezifischeren Implementierung ist der Radardaten-Fangmodus durch einen Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus gekennzeichnet, und der Rufzeichenmodus besetzt eine Lücke in dem Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus. Die Computerressourcen sind ausgebildet, um die Daten, die von dem RF-Empfänger während der aufeinanderfolgenden Perioden des Radardaten-Fangmodus empfangen werden, durch Mittelung der Radardaten über einen Rest des Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus zu interpolieren. Gemäß einer weiteren spezifischeren Implementierung umfasst der Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungszyklus eine Anzahl von Radar-Durchlaufperioden, und die Lücke, die dem Rufzeichenmodus entspricht, beginnt an einem Ende einer der Radar-Durchlaufperioden.
  • Bei einer dritten Klasse von Implementierungen wird ein frequenzmoduliertes Radarsystem mit kontinuierlicher Welle (FMCW) geschaffen, das einen Funkfrequenz(RF)-Transmitter, einen RF-Empfänger und Computerressourcen aufweist, die ausgebildet sind, um den Betrieb des RF-Transmitters und des RF-Empfängers zu steuern. Die Computerressourcen sind ausgebildet, um den RF-Transmitter zu steuern, um periodisch eine erste RF-Energie in einem Radardaten-Fangmodus zu übertragen und periodisch eine zweite RF-Energie in einem Rufzeichenmodus zu übertragen. Die zweite RF-Energie ist unter Verwendung des Morsecodes moduliert, um ein Rufzeichen für das RF-Radarsystem zu repräsentieren. Die Computerressourcen sind auch ausgebildet, um den RF-Empfänger zu deaktivieren, während der RF-Transmitter in dem Rufzeichenmodus ist, und um Radardaten, die von dem RF-Empfänger während aufeinanderfolgenden Perioden das Radardaten-Fangmodus empfangen werden, zu interpolieren, um Artefakte der Digitalverarbeitung aufgrund der Deaktivierung des RF-Empfängers in dem Rufzeichenmodus abzuschwächen.
  • Bei einer bestimmten Implementierung der dritten Klasse von Implementierungen ist der Radardaten-Fangmodus durch einen Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus gekennzeichnet, und der Rufzeichenmodus besetzt eine Lücke in dem Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus. Die Computerressourcen sind ausgebildet, um die Radardaten, die durch den RF-Empfänger während der aufeinanderfolgenden Perioden des Radardaten-Fangmodus empfangen werden, durch Mittelung der Radardaten über einen Rest des Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus zu interpolieren. Gemäß einer spezifischeren Implementierung umfasst der Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungszyklus eine Anzahl von Radar-Durchlaufperioden, und die Lücke, die dem Rufzeichenmodus entspricht, beginnt an einem Ende einer der Radar-Durchlaufperioden.
  • Bei einer vierten Klasse von Implementierungen wird ein Küstenradarsystem einschließlich eines Netzwerks von frequenzmodulierten Radarsystemen mit kontinuierlicher Welle (FMCW) geschaffen. Jedes FMCW-Radarsystem umfasst einen Funkfrequenz(RF)-Transmitter und Computerressourcen, die ausgebildet sind, um den Betrieb des RF-Transmitters zu steuern. Die Computerressourcen für jedes der FMCW-Radarsysteme sind ausgebildet, um den RF-Transmitter zu steuern, um periodisch eine erste RF-Energie in einem Radardaten-Fangmodus zu übertragen und periodisch eine zweite RF-Energie in einem Rufzeichenmodus zu übertragen. Die zweite RF-Energie ist unter Verwendung des Morsecodes moduliert, um ein Rufzeichen für das entsprechende FMCW-Radarsystem zu repräsentieren. Für jedes der FMCW-Radarsysteme besetzt die erste RF-Energie ein erstes Frequenzband, und die zweite RF-Energie besetzt ein zweites Frequenzband. Das erste Frequenzband ist im Wesentlichen das gleiche wie das zweite Frequenzband. Für jedes der FMCW-Radarsysteme sind die erste RF-Energie und die zweite RF-Energie durch im Wesentlichen die gleiche Intensität gekennzeichnet. Der Rufzeichenmodus für die jeweiligen RF-Radarsysteme tritt zu unterschiedlichen Zeiten auf und interferiert mit den Radardaten-Fangmodi der anderen FMCW-Radarsysteme nicht.
  • Gemäß einer bestimmten Implementierung der vierten Klasse von Implementierungen umfasst jedes der FMCW-Radarsysteme einen RF-Empfänger. Die Computerressourcen für jedes der FMCW-Radarsysteme sind ausgebildet, um den RF-Empfänger zu deaktivieren, während der RF-Transmitter in dem Rufzeichenmodus ist, und um Radardaten zu interpolieren, die von dem RF-Empfänger während aufeinanderfolgenden Perioden des Radardaten-Fangmodus empfangen werden, um Artefakte der Digitalverarbeitung aufgrund der Deaktivierung des RF-Empfängers während des Rufzeichenmodus abzuschwächen. Bei einer spezifischeren Implementierung ist für jedes der FMCW-Radarsysteme der Radardaten-Fangmodus durch einen Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus gekennzeichnet, und der Rufzeichenmodus besetzt eine Lücke in dem Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus. Für jedes der FMCW-Radarsysteme sind die Computerressourcen ausgebildet, um die Radardaten, die von dem RF-Empfänger während aufeinanderfolgender Perioden des Radardaten-Fangmodus empfangen werden, durch Mittelung der Radardaten über einen Rest des Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungs-Eingabezyklus zu interpolieren. Gemäß einer noch spezifischeren Implementierung umfasst für jedes der FMCW-Radarsysteme der Zeitfolgen-Dopplerverarbeitungszyklus eine Anzahl von Radar-Durchlaufperioden, und die Lücke, die dem Rufzeichenmodus entspricht, beginnt an einem Ende einer der Radar-Durchlaufperioden.
  • Ein weiteres Verständnis der Natur und der Vorteile der verschiedenen Implementierungen kann durch Bezugnahme auf die restlichen Teile der Beschreibung und der Zeichnungen realisiert werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein vereinfachtes Diagramm einer Radarstation, die entsprechend spezifischen Implementierungen aufgebaut ist.
  • 2 ist eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI), die eine Implementierung eines Verfahrens zur Eingabe von Rufzeicheninformationen und Sendeplanung repräsentiert.
  • 3 ist ein exemplarisches Diagramm einer Methodologie zur Erzeugung und Sendung eines Rufzeichens.
  • 4a und 4b erläutern ein Beispiel einer Signalausgabe einschließlich normaler Radarsignalsendung und einschließlich einer Zeitlücke, während der das Rufzeichen gesendet wird. Die 4a zeigt die Zeitfolgen von Signalen während eines normalen Verarbeitungsintervalls (d. h. 256 Sekunden), unterer Streifen, als Horizontalachse mit dem Bereich als Vertikalachse und der Helligkeitsintensität als Signalstärke. Der obere Streifen ist das entsprechende Dopplerspektrum des unteren Streifens, wobei die horizontale Achse die Dopplerfrequenz ist. 4b ist ähnlich der 4a mit der Ausnahme, dass in der Rufzeichenlücke eine kurative Interpolation angewendet wurde, um die maskierenden Seitenkeulen der 4a zu eliminieren, die durch das abrupte Ein-/Ausschalten an der Lücke erzeugt werden.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Nunmehr wird in größerem Detail auf bestimmte Implementierungen Bezug genommen. Beispiele dieser Implementierungen sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es soll festgestellt werden, dass diese Beispiele für erläuternde Zwecke beschrieben werden und nicht beabsichtigt sind, um den Umfang dieser Offenbarung zu beschränken. Stattdessen sind Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der beschriebenen Implementierungen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, eingeschlossen. Des Weiteren können bestimmte Details vorgesehen sein, um ein vollständiges Verständnis der beschriebenen Implementierungen zu fördern. Einige Implementierungen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung können ohne einige oder alle diese Details umgesetzt werden. Des Weiteren können wohlbekannte Merkmale aus Gründen der Klarheit nicht im Detail beschrieben sein.
  • Diese Offenbarung beschreibt viele Techniken zur Implementierung der Rufzeichenfunktionalität in ozeanographischen Radarsystemen in Weisen, die die Anforderungen der ITU-Resolution 612 erfüllen.
  • 1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Beispiels einer FMCW-HF-Küstenradarstation, die ausgebildet ist, um beispielsweise Oberflächenströmungen zu kartographieren, den Meereszustand zu überwachen und/oder Tsunamis zu erfassen. Nur eines der mehreren Beispiele, die typischerweise zusammenarbeiten, ist aus Klarheitsgründen dargestellt. Zwei der drei Signale 100, 110 und 120, die durch den Empfänger 12 empfangen werden, repräsentieren Signale, die durch die Transmitter der zugeordneten Stationen erzeugt werden. Signale 130 von einer Konstellation von GPS-Satelliten treffen auf eine GPS-Antenne 1 und werden zu dem GPS-Empfänger 2 geleitet. Der GPS-Empfänger 2 ist insbesondere ausgestaltet, um Zeitinformationen aus den GPS-Signalen zu extrahieren, im Gegensatz zu den weitaus gebräuchlicheren Positionsinformationen bei konventionellen GPS-Empfängern.
  • Der GPS-Empfänger 2 erzeugt ein sehr stabiles 10 MHz-Taktsignal, das in einen phasenverriegelten Oszillator (PLO) 3 gelangt, der als ein Tiefpassfilter wirkt, wodurch die Zeit-Positionsgenauigkeit des Taktsignals um Größenordnungen gesteigert wird. Der GPS-Empfänger erzeugt auch einen sehr stabilen Ein-Puls-pro-Sekunde-Datenstrom, der an die Radar-Zustandsmaschine 5 geliefert wird. Das 10 MHz-Signal, das an den phasenverriegelten Oszillator 3 geliefert wird, wird in 120 MHz-Zeitgebersignal gewandelt, das zur Erzeugung des Radarträgers und anderer interner Frequenzen verwendet wird. Dieses 120 MHz-Referenzsignal wird an den Taktgenerator 4 geliefert. Er dividiert das Bezugssignal herunter, um eine Anzahl von anderen Bezugsfrequenzen zu erzeugen, die von anderen Vorrichtungen benötigt werden, einschließlich eines 12 MHz-Signals, das an den Mikroprozessor 7 geliefert wird, eines 40 MHz-Signals, das an die Radar-Zustandsmaschine 5 geliefert wird und eines 60 oder 120 MHz-Signals, das an einen Direkt-Signalsynthetisierer (DSS) und seinen Oszillator 6 geliefert wird.
  • Die Radar-Zustandsmaschine 5 instruiert das Radar, was während der Zeit zu tun ist. Es erzeugt beispielsweise Signale, die die Ausgabe des Transmitters und die Eingangssignale des Empfängers ein- und ausschalten, sodass sie nicht gleichzeitig eingeschaltet sind. Sie schaltet auch Schalter oder Gatter ein und aus, wodurch das Übertragen oder Empfangen von Signalen in verschiedenen Punkten des Systems, wo sie unerwünscht sind, unterdrückt wird. Die Radar-Zustandsmaschine 5 bestimmt auch den Beginn und das Ende der linearen Frequenzdurchlaufmodulation. Unterschiedliche Durchlauf-Startzeiten in unterschiedlichen Radaranlagen, die über die gemeinsame GPS-Zeitgebung synchronisiert sind, trennen die lokalen Meeresechoinformationen voneinander, sodass sie nicht miteinander interferieren.
  • Der Mikroprozessor 7 (unterstützt durch einen Speicherchip 8) ist die Schnittstelle zu einer Computervorrichtung 10, die es einem menschlichen Bediener ermöglicht, das Radar zu steuern, und verarbeitet die empfangenen Echosignale in Echtzeit. Der Mikroprozessor 7 kommuniziert auch mit dem GPS-Empfänger 2 und einem Sende/Empfangs(T/R)-Schalter 9. Der letztere schaltet verschiedene Kanäle in dem Radartransmitter 11 und dem Empfänger 12 ein und aus, was ihre Signale zu angemessenen Zeiten während des Pulszyklus unterdrückt.
  • Die Funkfrequenz(RF)-Signale, die von dem Transmitter 11 gesendet werden, werden in dem DSS-Block 6 erzeugt. Diese Signale enthalten die Durchlauf- und Pulsmodulationen. Die Durchlaufspanne in der Frequenz, das Durchlauf-Wiederholungsintervall, Puls- und Leerperioden und die Trägerfrequenz werden alle digital repräsentiert und erzeugt, sodass sichergestellt ist, dass jede periodische Wiederholung der Wellenform im Wesentlichen identisch zu vorhergehenden Zyklen ist. Dies hat den Effekt der Verschiebung von Ausläufern und anderen Wellenformfehlern zu DC (der Null-Dopplerspektrenposition), sodass sie nicht mit den Doppler-verschobenen Meeresechoinformationen interferieren. Trägerfrequenzen zwischen 0 und 75 MHz werden durch das System des DSS-Blocks 6 erzeugt, dessen Ausgabesignale an den Transmitter 11 geliefert werden und über die Sendeantenne 13 abgestrahlt werden. Replikate dieser Signale zusammen mit ihren Quadraturversionen werden in dem Empfänger 12 mit dem eingehenden Echo, Rauschen und anderen Radarsignalen gemischt, die in das Antennensystem 14 gelangen.
  • Die Linear-Frequenzmodulationsdurchlauf-Startzeiten der mehreren Radartransmitter, die auf derselben Trägerfrequenz arbeiten, werden unter Verwendung desselben gemeinsamen GPS-Zeitgebersignals synchronisiert, beginnend bei präzise bezeichneten, aber leicht unterschiedlichen Zeiten. Die Startzeiten hängen von den Radarstationsgeometrien mit Bezug aufeinander ab.
  • In Abwesenheit von Richtlinien zur Konformität von der ITU haben wir Prozeduren entwickelt, die hier beschrieben sind. Einfaches Aussenden eines Rufzeichens genügt nicht, um dem beabsichtigten Geist des Gesetzes zu genügen. Gemäß einigen Implementierungen, die durch die vorliegende Offenbarung ermöglicht werden, kann somit das ausgesendete Rufzeichen durch jeden Funkempfänger, der das Radarsignal hört, gehört und decodiert werden. Da sich ihre Bandbreiten in großem Ausmaß unterscheiden (Funkbandbreiten sind deutlich schmaler als solche für Radar), ist dies ein Grund, warum ein Radio das Radarsignal hören kann, aber nicht das Rufzeichen, falls es eine zu schmale Bandbreite hat. Um diesem zu begegnen ist es wünschenswert, dass die Audiointensität des Rufzeichens, das innerhalb eines AM-demodulierten Funkempfängers gehört wird, mit dem Pegel des interferierenden Radarsignals vergleichbar ist. Zumindest einige Implementierungen, die durch die vorliegende Offenbarung ermöglicht sind, werden diesem beabsichtigten Geist gerecht.
  • Einige Implementierungen, die durch die vorliegende Offenbarung ermöglicht werden, stellen auch eine kontinuierliche Radardatenaufnahme während Rufzeichen-Sendeperioden sicher, sowohl durch das Radar selbst als auch durch benachbarte Radaranlagen auf derselben Frequenz mit wenigen oder keinen schädlichen Effekten auf die Ausgabeinformationen. Wir demonstrieren dies mit Radar-Dopplerspektren-Spannperioden der Rufzeichen-Übermittlung.
  • Eine bestimmte Klasse von Implementierungen bezieht sich auf ein Mehr-Stationen- oder multi-statisches Küstenradarsystem zur Überwachung von Wasseroberflächenzielen. Das Radarsystem umfasst ein erstes Radar, ein zweites Radar oder mehrere, eine Zustandsmaschine und einen Signalprozessor. Das erste und das zweite Radar umfassen jeweils einen Transmitter und einen Empfänger und sind an getrennten Orten positioniert und sind durch Verwendung von Zeitgebersignalen synchronisiert.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist für HF/VHF/UHF-Radaranlagen unter der U. N. ITU-Resolution 216 erforderlich, ein Morse-codiertes Rufzeichen zur Stationsidentifizierung mindestens alle 20 Minuten zu senden. Während der Periode der Rufzeichensendung unterbricht jedes Radar das Senden des normalen Radarsignals. Entsprechend verschiedener Implementierungen, die durch die vorliegende Offenbarung ermöglicht werden, arbeiten andere Radaranlagen auf derselben Frequenz ununterbrochen während der Rufzeichensendung eines anderen mit wenig oder keiner Verschlechterung der Echoinformationen, die empfangen werden. Spezifische Implementierungen umfassen zwei andere Merkmale für den beabsichtigten Rufzeichenzweck: (i) das Rufzeichen wird über dieselbe spektralen Spanne wie das Radarsignal gehört, obwohl betroffene Empfänger eine deutlich geringere Bandbreite von dem Signal des Radaranlagen haben, (ii) das Rufzeichen wird mit derselben Intensität wie das Radarsignal in einem typischen Funkempfänger gehört. Diese Merkmale versuchen Fairness bei dem beabsichtigten Zweck sicherzustellen und rechtliche Klagen zu vermeiden, dass das Radar nicht angemessen identifiziert wird, weil das Rufzeichen nicht gehört wird, während das Radarsignal gehört wird.
  • Einige Implementierungen folgen den ITU-Richtlinien, dass Morse-codierte Rufzeichen mit etwa 15 Wörtern pro Minute gesendet werden sollen. Mit dem Verständnis, dass zugewiesen Rufzeichen normalerweise sechs alphanumerische Zeichen aufweisen, variiert die typische Länge einer nicht wiederholten Sendung zwischen 5 und 10 Sekunden, da die Länge eines Zeichens sich auf die dem Zeichen zugewiesene Morse-Punkt-Strich-Sequenz bezieht. Beispielsweise ist das Zeichen „e” ein einzelner Punkt (die kürzeste mögliche Dauer); ein „o” ist drei Striche (eine lange Dauer).
  • Einige Implementierungen umfassen einen Durchlauf in einer deutlich höheren Rate. Mit der FMCW-Durchlaufbandbreite, die für den gewünschten Auflösungsbereich ausgewählt ist – und mit der konform ist, die durch die nationale Lizenzierungsbehörde erlaubt ist (das heißt die FCC in den USA) – ändert sich die Durchlauf-Wiederholungsrate während des Rufzeichens von 1–2 Hz, die für den Radarbetrieb verwendet wird, zu einem Audiowert, das heißt 640 Hz. Es wird mit den Punkt-Strich-Mustern mit dem Rufzeichen, dem sechs Zeichen zugeordnet sind, ein- und ausgeschaltet. Während der „Ein-Perioden” wird der Ton mit der Audiofrequenz gehört, die in einem einfachen Radioempfänger mit Standard-AM-Modulation (oder anderer) gehört würde. Beispielsweise sind 640 Hz nahe E der fünften Oktave auf der Musikskala. Details, um dies zu erzielen, werden unten gegeben. Die Ausgangsamplitude während der „Ein-Perioden” wird digital eingestellt, um zu der Audiostärke zu korrespondieren, die in einem Standard-AM-Radio gehört wird, das auf eine irgend eine Frequenz innerhalb der Radar-Signalbandbreite abgestimmt ist.
  • Bei einigen Implementierungen erlaubt es eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI) dem Nutzer, das Rufzeichen und die Zeiten seiner Sendung einzugeben. Diese werden typischerweise eingestellt, um Rufzeichen-Sendezeiten von anderen Radaranlagen auf derselben Frequenz zu vermeiden, die innerhalb des Hörbereichs des Radars sind. Die GUI erlaubt es einem Benutzer auch einzugeben, wie viele Male das Rufzeichen sequenziell zu senden ist – üblicherweise ein oder zwei. Nach der Rufzeichen-Sendeperiode wird der Radarempfänger zurück auf ein gestellt, und der normale Radar-Signalmodus beginnt erneut.
  • Bei einigen Implementierungen greift die Rufzeichenfunktion nur auf den Sendeabschnitt des Radars zu, obwohl alle grundlegende Signalerzeugung durch das DSS(Direkt-Digital-Synthese)-Modul oder dessen Äquivalent initiiert wird. Der Empfänger arbeitet während dieser einige Sekunden langen Periode weiter, aber seine digitale Ausgabe wird über diese Periode interpoliert, während es aus ist, was bedeutet, dass aktuelle Echo- und Rauschdaten von jeder Seite der Lücke verwendet werden, um das Interpolationssignal zu erzeugen.
  • Implementierungen zur Verwendung mit FMCW-Radaranlagen unterscheiden sich von Funkanwendungen. Bei und nahe HF arbeiten letzteren typischerweise mit einer zugewiesenen Bandbreite von 3–10 kHz, was normalerweise durch das Erfordernis bestimmt ist, Audioinformationen zu übertragen. Ozeanografische Radaranlagen müssen über Bandbreiten von typischerweise 25 kHz bis 1 MHz arbeiten, um eine nutzbare Zielbereichsauflösung zu realisieren. Das Rufzeichen sollte zugeschnitten sein, um an die Bandbreiten von Funkempfängern angepasst zu sein oder sie zu überlappen, die die meisten Nutzer des MF durch UHF-Bänder sind.
  • A. Rufzeichen-Einstellung-Menü/Eingabe
  • Die 2 und 3 zeigen den algorithmischen Ablauf einer bestimmten Implementierung eines ozeanografische Radarsystems, das für eine Rufzeichenübertragung ausgestaltet ist. Wie offensichtlich ist, können die Computerprogrammbefehle, die diesen Algorithmusablauf repräsentieren, in einer Computervorrichtung, d. h. der Vorrichtung 10 der 1, oder einer anderen bezüglichen Computervorrichtung gespeichert werden und zu ihrer Steuerung verwendet werden. Es soll auch festgestellt werden, dass unabhängig von irgendwelchen Bezügen auf bestimmte Computerparadigmen und Softwaretools hier, die Computerprogrammbefehle, auf denen verschiedene Implementierungen basieren, zu jedem einer großen Vielzahl von Programmiersprachen, Softwaretools und Datenformaten korrespondieren können, in jeder Art von nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedium oder Speichervorrichtung (Vorrichtungen) gespeichert sein können und durch eine Vielzahl von Computermodellen einschließlich beispielsweise einem Klienten/Server-Modell, einem Peer-zu-Peer-Modell und einer alleinstehenden Computervorrichtung oder entsprechend einem verteilten Computermodell ausgeführt werden können, bei denen viele Funktionalitäten bewirkt werden können oder an verschiedenen Orten eingesetzt sind. Geeignete Alternativen, die Fachleuten bekannt sind, können eingesetzt werden.
  • Eine durch Software eingegebene Einrichtung ist typischerweise erforderlich, um das Rufzeichenprotokoll für ein Radar zu initiieren. In einer nicht exklusiven Implementierung wird eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI) für diesen Zweck vorgesehen, ein Beispiel dafür ist in 2 dargestellt. Das Rufzeichen, das in dem zu sendenden Fenster eingefügt wird, kann von jeder Länge sein und alphanumerische Zeichen umfassen. In den USA und den meisten anderen Ländern beträgt die Länge momentan sechs Zeichen. Die Einstellungen in der GUI 200 zeigen, dass das Rufzeichen alle 20 Minuten zu senden ist (das heißt das maximale von der ITU geforderte Intervall), beginnend bei 1 Minute nach der Stunde. Durch Anklicken des „Senden”-Knopfs beginnt der Rufzeichenablauf unmittelbar und geht auf unbestimmte Zeit weiter, bis „Senden” ausgeklickt wird. Es besteht eine Option, das Rufzeichen mit sechs Zeichen nur einmal zu jeder geplanten Zeit zu senden oder es mehrere Male zu senden (d. h. zwei oder drei Male aufeinanderfolgend).
  • Die Einrichtung über die GUI 200 wird typischerweise ein Mal zu Beginn der Rufzeicheninstallation auf dem Radar durchgeführt, was dann zugänglich verbleibt, während das Radar arbeitet. Dieses Beispiel hat das Rufzeichen für das Radar, das alle 20 Minuten zu senden ist, beginnend eine Minute nach dem Beginn der Stunde. Es besteht eine Option, das Rufzeichen direkt nach der Sendung zu wiederholen (für eine bessere Chance des Einfangs); dieses Beispiel zeigt, dass das Rufzeichen nur ein einzelnes Mal gesendet wird. Die Sendelänge des Rufzeichens in Sekunden wird berechnet und angezeigt (5,8 Sekunden in diesem Fall, wobei das Rufzeichen K6HWJ1 ist).
  • Nachdem diese GUI-Tabelle eingerichtet ist, wird auf den „Speichern”-Knopf geklickt, um sie zu speichern. Wenn erwünscht ist, die Rufzeichenausstrahlung zu beginnen, ist der Knopf „Senden” zu drücken. Dies beginnt den Zyklus seiner kontinuierlichen Übertragung alle 20 Minuten. Es ist vorzuziehen, dass andere Radaranlagen, die auf derselben Frequenz arbeiten, die die Signale der anderen hören können, in ihrer Sendung gestaffelt sind (d. h. 1 Minute oder mehrere entfernt); anderenfalls könnten Rufzeichen von zwei Radaranlagen gleichzeitig gehört werden, was sie potenziell unlesbar macht. Um die Rufzeichenübertragung zu beenden ist unter dem „Senden”-Knopf „Beenden” unter den präsentierten Wahloptionen einzugeben.
  • Erneut ist hier die GUI-Einrichtung zur Offenbarung einer Implementierung gedacht und schließt andere Schemata, die für Fachleute offensichtlich sind, nicht aus.
  • B. Informations/Signalfluss während Rufzeichensausstrahlung
  • Für eine Implementierung des funktionellen Vorgangs während der Rufzeichenausstrahlung eines FMCW-Radars ist auf 3 Bezug zu nehmen. Die numerischen Bezeichnungen in den Kästen bezeichnen eine durchgeführte Softwarefunktion. Die buchstäblichen Bezeichnungen bezeichnen, dass die Information übertragen wird. Erneut ist die dargestellte Implementierung lediglich ein Beispiel eines Bereichs von Implementierungen, die durch die vorliegende Offenbarung ermöglicht werden. Wir verstehen, dass andere Implementierungen möglich sind und innerhalb des Bereichs dieser Offenbarung möglich sind, die für Fachleute offensichtlich sind.
  • Der Block 1 erzeugt eine digitale Repräsentation des Rufzeichens im Morsecode wie durch die GUI, die mit Bezug auf 2 beschrieben wurde. Dies umfasst Morse-Kodierung, die das Rufzeichen-Zeitmuster erzeugt. Die Speicherung, falls die resultierende Rufzeichennachricht (Bezeichnung A) durch den Block 2 repräsentiert ist. Um die von der ITU empfohlenen 15 Wörter pro Minute zu erzielen und basierend auf einer mittleren Rufzeichenlänge für eine einzelne Wiederholung von etwa 6 Sekunden ist das folgende ein Beispiel der Zeitsteuerung, die diese Anforderung erfüllt:
    • – Zeitdauer für jeden Punkt beträgt 62,5 ms (Millisekunden),
    • – Zeitdauer für jeden Strich beträgt 187,5 ms (3 × 62,5 ms),
    • – Zeitdauer für jeden Leerraum zwischen Punkt und Strich beträgt 62,5 ms,
    • – Zeitdauer für jeden Leerraum zwischen Zeichen beträgt 187,5 ms,
    • – Zeitdauer des Leerraums zwischen Wörtern (d. h. Wiederholung von Rufzeichen) beträgt 437,5 ms
  • Diese formatierten Informationen werden verwendet, um Pulse für das Rufzeichen zu erzeugen. Es wird weitergegeben (Bezeichnung B) an die Zustandsmaschine (Block 3) und dort gehalten, bis es für das Senden benötigt wird. Die Zustandsmaschine steuert das Schalten zwischen dem Radarsignal-Sendemodus und dem Rufzeichen-Sendemodus. Auch wird mit dem Rufzeichen-Codeformat die Zeitgebung, die in der GUI der 2 spezifiziert ist, gesendet.
  • Zusätzlich wird die formatierte Information, die verwendet wird und bei der konventionellen Radarkodierung (direkte digitale Synthese) des gepulsten FMCW-Signalformats (Bezeichnung C) an die Zustandsmaschine (Block 3) gesendet und dort, wie für die Erzeugung und Übertragung des Radarsignals benötigt, gehalten.
  • Zeitgebersignale (Bezeichnung D) von einem gemeinsamen GPS-stabilisierten Takt werden ebenfalls an die Zustandsmaschine gesandt (Block 3). Basierend auf den erforderlichen Zeitbeginnen für das Rufzeichen, das in der GUI der 2 spezifiziert ist, führt die Zustandsmaschine des Blocks 3 die folgenden Sequenzen oder Funktionen an der angezeigten Zeit für die Rufzeichenübertragung aus:
    • – Am Ende des nächsten normalen linearen FMCW-Signaldurchlaufs (alle 0,5 Sekunden oder 1 Sekunden) wird der Transmitter von seiner normalen Radarsignalausstrahlung ausgeschaltet.
    • – Der Empfänger wird ausgeblendet, was bedeutet, dass Signale von den Empfangsantennen abgeschnitten werden; der Empfänger antwortet dann nur auf internes Rauschen. Der A/D(Analog-Digital)-Wandler bei dem Empfängerausgang setzt seinen normalen Modus des Sendens von ausgegebenem Rauschen an den Computer zur Verarbeitung fort.
    • – Die SRF (Durchlauf-Wiederholungsfrequenz) wird von ihrer normalen Rate mit 1 oder 2 Hz auf 640 Hz (oder jede andere gewünschte Audiorate) geändert. Die Durchlauf-Bandbreite wird jedoch während Radar- und Rufzeichenvorgängen gleich gehalten, d. h. 50 kHz. Dies stellt sicher, dass das Rufzeichen und das Radarsignal über dieselben spektralen Bandbreiten gesendet und gehört werden.
    • – Beginn des Sendens des Rufzeichen-Punkt-Strich-Leer-Musters wie durch die digitalen sequenziellen Zeit- und Frequenzinstruktionen für das kombinierte Radarsignal und das Rufzeichensignal angegeben (Bezeichnung E), wie in der Zustandsmaschine gespeichert (Block 3). Bei einer bestimmten Implementierung wird während des Punkt oder des Strichs der 640 Hz FMCW-Durchlauf gesendet, und während der ausgeblendeten Lücken dazwischen wird kein Signal gesendet. Dies ermöglicht es, dass das Rufzeichen in einem AM-Radioempfänger (einschließlich oberes und unteres Seitenband) als das Morse-Ein/Aus-Codemuster oben am 640 Hz-Audioton gehört wird.
    • – Die FMCW-Signalerzeugung basierend auf der Überlagerung von Pulsierung/Auslastungsmodulation ist durch den Block 4 repräsentiert. Das resultierende Signal, das heißt das aktuelle digitale Muster der kombinierten gepulsten/ausgetasteten FMCW- und Rufzeichen-Radarsignale (Bezeichnung F) wird durch den Digital-Analog-Wandler in ein Analogsignal gewandelt (Block 5), wodurch ein analoges RF-Signal mit niedrigem Leistungspegel des kombinierten Radarsignals und des Rufzeichens erzeugt wird, das zu übertragen ist (Bezeichnung G).
    • – Das RF-Signal mit niedriger Leistung wird dann an den Sendeverstärker (Block 6) geliefert, und das resultierende RF-Signal mit voller Leistung (Bezeichnung H) wird durch die Sendeantenne des Radars übertragen (Block 7).
    • – Am Ende der Rufzeichensendung (einschließlich aller Wiederholungen) wird die Sendung der Radarwellenform wieder aufgenommen. Die digitale Verarbeitung des Radarsignals und des Rufzeichenintervalls wird ununterbrochen fortgesetzt, mit Ausnahme einer speziellen digitalen Interpolation für die Lückenperiode des Rufzeichens; dies wird in dem nächsten Abschnitt beschrieben.
  • Die Methodologie für diese Implementierung – und wie beispielhaft in 3 angegeben – stellt auch sicher, dass das Rufzeichen mit im Wesentlichen derselben Intensität wie das Radarsignal in einem Schmalband-AM-Radioempfänger gehört wird. Sowohl das Rufzeichen als auch das Standard-FMCW-Radarsignalformat haben im Wesentlichen dieselben Pegel wie auch Durchlauf-Bandbreiten in Kilohertz.
  • C. Sicherstellung kontinuierlicher Radardatenverarbeitung
  • Es soll festgestellt werden, dass die meisten Anwendungen für ozeanografische Echtzeit-Küstenradaranlagen kontinuierliche Datenströme ohne Lücken erfordern. Diese gesellschaftlich wichtigen Anwendungen umfassen Tsunamierfassung und -warnung, Suche und Rettung durch Küstenwache, Ölnotfall-Vorgänge etc. Das Anhalten der Übertragung und des Empfangs, während eine oder mehrere Stationen ein Rufzeichen anstatt eines normalen Radarsignals senden, ist genau die Art von Lücke, die zu vermeiden ist.
  • Der untere Streifen der 4a ist die empfangene 13 MHz-Meeresecho-Zeitfolge über Bereich zum Ziel (Vertikalachse) als eine Funktion der Zeit (Horizontalachse) über 256 Sekunden. Das vertikal ausgeblockte Stück ist die Lücke, während der das Rufzeichen übertragen wird und der Empfänger ausgeblendet ist (abgeschnitten), was bedeutet, dass ein Signal nahe bei Null die normalen Echodaten unterbrochen hat. Der obere Streifen der 4a ist das Dopplerspektrum des unteren Streifens, was die konventionelle Methode zum Erhalten von Strömungs-, Tsunami- und Wellendaten aus den starken Bragg-Echos ist. Die kurze Unterbrechung, die in dem unteren Streifen dargestellt ist, die erforderlich ist, um die Rufzeichenprozeduren zu übertragen, maskieren jedoch unakzeptabel die gewünschten Signale, wie durch die Streifen ersichtlich ist, die nach links in dem oberen Streifen der 4a geneigt sind.
  • D. h., der obere Streifen der 4a demonstriert das Problem einer Rufzeichenlücke. Dies ist ein Dopplerspektrum, das die erforderlichen Informationen enthält, nämlich Bragg-Echos von der Meeresoberfläche. Selbst eine Lücke von 10–20 Sekunden (wie in dem unteren Streifen der 4a dargestellt ist) erzeugt verschmierte geneigte Streifen über den Bereich und die Dopplerfrequenz (oberer Streifen). Die Rufzeichenlücke repräsentiert das Abschneiden des empfangenen Meeresechos während der Rufzeichenübertragung, wenn kein Radarsignal ausgestrahlt wird. Diese abrupte Änderung nahe Null in dem Meeresecho erzeugt diese maskierenden, interferierenden Streifen in dem Dopplerspektrum, obwohl es auf einer Meeresecho-Zeitfolge basiert, die deutlich länger (256 Sekunden) als die Lücke selbst ist (10–20 Sekunden).
  • Der untere Streifen der 4b ist die 13 MHz-Meeresecho-Zeitfolge über den Bereich zum Ziel (Vertikalachse) als eine Funktion der Zeit (Horizontalachse) über 256 Sekunden. Dies ist im Wesentlichen dasselbe wie der untere Streifen der 4a. In diesem Beispiel wird jedoch der vertikalen Streifen während der Rufzeichenübertragung durch Interpolationsdaten von dem Rest des Zielbereichs aufgefüllt (interpoliert) statt auf nahezu Null gesetzt. Der obere Streifen der 4b ist das Dopplerspektrum des unteren Streifens nach der Interpolation über die Rufzeichenlücke. Nun zeigt das Spektrum alle wesentlichen Echoinformationen. Insbesondere sind die beiden Bragg-Spitzen symmetrisch um das Zentrum positioniert, die die Meeresströmungs- und Tsunamiinformationen enthalten. Es gibt keine merkliche Verzerrung von diesen gegenüber dem, was beobachtet würde, falls die Rufzeichenlücke nicht aufgetreten wäre.
  • D. h., ein effektiv nicht kontaminiertes Dopplerspektrum des Meeresechos ist in dem oberen Streifen in 4b dargestellt. Die symmetrisch um die Zentralposition angeordneten Bragg-Spitzen sind klar erkennbar, und dies erzeugt gültige Strömungs-, Tsunami- etc. Daten, die erwünscht sind. Schiffsechos und sie Echos höherer Ordnung, die weiter entfernt von den Bragg-Spitzen sind – wenn vorhanden – sind in gleicher Weise von den kontaminierten Streifen unmaskiert. Dieser obere Streifen der 4b wurde durch Anwendung des Verfahrens, das hier dargelegt wird (was eine mögliche Implementierung ist), zum Auffüllen der Rufzeichenlücke erhalten.
  • Das hier offenbarte Verfahren zur Begegnung der Herausforderung wird durch die Erkenntnis erklärt, dass eine abrupte Lücke in dem empfangenen Signal (plus Rauschen), wenn es Fourier-transformiert wird, um das Dopplerspektrum zu erhalten, Seitenkeulen erzeugt, die nicht ausreichend klein sind. Falls man jedoch über die Lücke interpoliert, wodurch die abrupten Zeitfolgen-Lückenkanten-Sprünge eliminiert werden, tritt eine Befreiung von den maskierenden Streifen auf. Das von uns gefundene Verfahren ist eine effektive und robuste mögliche Implementierung der Interpolation. Es mittelt das komplexe Signal über den restlichen Bereich außerhalb der Lücke und füllt sie mit der Mittelung. Die Start- und Endzeiten der Lücke sind bekannt, da sie die programmierten Anfänge und Enden des Rufzeichens sind, wenn der Empfänger ausgeschaltet wird. Somit kann Interpolation verwendet werden, um das Kontaminationsproblem zu lösen, das durch die Rufzeichen-Übertragungslücke in dem Radar erzeugt wird. Wir stellen hier fest, dass andere Interpolationstechniken, die Fachleuten bekannt sind, eingesetzt werden können, um dieselbe Aufgabe zu erfüllen.
  • Da alle Radaranlagen ihr eigenes Rufzeichen senden müssen (zu unterschiedlichen Zeiten, um eine Fehlidentifizierung durch einen Empfänger, der auf der gemeinsamen Frequenz abhorcht), zu vermeiden, ist die zu stellende Frage: müssen naheliegende Partnerradaranlagen in dem Netzwerk, die das Signal des ersten Radars hören können, ebenfalls ihre Empfänger abschneiden? Falls dem so ist, würde dies eine Beeinträchtigung für den Nutzen des Netzwerks für Notfallanwendungen darstellen, wo kontinuierliche Daten erforderlich sind. Die Antwort ist nein. Durch Verwendung des Rufzeichen-Modulationsschemas, das wir früher beschrieben haben, haben wir bewiesen, dass benachbarte Radaranlagen ihre empfangenen Signale weiter verarbeiten können, während ein Rufzeichen durch einen Nachbarn gesendet wird. Das Rufzeichen ist ausreichend schwach, sodass es unterhalb des Rauschpegels des benachbarten Radars fällt. Dies ist ähnlich dem Konzept des auf gespreizten Spektrums, bei dem gegenseitigen Interferenz durch Halten von Signalen bei ausreichender geringer Leistung und spektrale Aufspreizung vermieden wird, sodass Signale aller anderen nicht interferieren.
  • Obwohl aus Gründen der Einfachheit bestimmte Komponenten und Prozesse im Singular beschrieben sind, ist es für Fachleute offensichtlich, dass mehrere Komponenten und wiederholte Prozesse verwendet werden können, um die hier beschriebenen Techniken zu praktizieren.
  • Es ist für Fachleute verständlich, dass Änderungen in der Form und den Details der Implementierung, die hier beschrieben sind, vorgenommen werden können, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Obwohl viele Vorteile, Aspekte und Aufgaben mit Bezug auf die verschiedenen Implementierungen beschrieben sind, soll desweiteren der Umfang dieser Offenbarung nicht durch Bezugnahme auf solche Vorteile, Aspekte und Aufgaben beschränkt werden. Stattdessen soll der Umfang dieser Offenbarung mit Bezug auf die beigefügten Ansprüche bestimmt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6856276 [0005, 0005, 0011]
    • US 5361072 [0005]
    • US 5900834 [0010]
    • US 6774837 [0011]

Claims (10)

  1. Küstenradarsystem mit einem Netzwerk aus frequenzmodulierten Radarsystemen mit kontinuierlicher Welle (FMCW), wobei jedes FMCW-Radarsystem einen Funkfrequenz(RF)-Transmitter und Computerressourcen aufweist, die ausgebildet sind, um den Betrieb des RF-Transmitters zu steuern, wobei die Computerressourcen jedes der FMCW-Radarsysteme ausgebildet sind, um den RF-Transmitter zu steuern, um periodisch eine erste RF-Energie in einem Radardaten-Fangmodus zu senden und periodisch eine zweite RF-Energie in einem Rufzeichenmodus zu senden, wobei die zweite RF-Energie unter Verwendung von Morsecode moduliert ist, um ein Rufzeichen für das entsprechende FMCW-Radarsystem zu repräsentieren, wobei die Rufzeichenmodi für die jeweiligen FMCW-Radarsysteme nicht mit den Radardaten-Fangmodi der anderen FMCW-Radarsysteme interferieren.
  2. Küstenradarsystem nach Anspruch 1, wobei die Rufzeichenmodi für die jeweiligen FMCW-Radarsysteme zu unterschiedlichen Zeiten auftreten.
  3. Küstenradarsystem nach Anspruch 1, wobei während des Rufzeichenmodus jedes der FMCW-Radarsysteme die anderen FMCW-Radarsysteme weiter in ihren jeweiligen Radardaten-Fangmodi mit wenig oder keiner Verschlechterung der empfangenen Radardaten arbeiten.
  4. Küstenradarsystem nach Anspruch 1, wobei jedes der FMCW-Radarsysteme einen RF-Empfänger aufweist und wobei die Computerressourcen für jedes der FMCW-Radarsysteme ausgebildet sind, um den RF-Empfänger zu deaktivieren, während der RF-Transmitter in dem Rufzeichenmodus ist, und um Radardaten, die durch den RF-Empfänger während aufeinanderfolgender Perioden des Radardaten-Fangmodus empfangen werden, zu interpolieren, um Artefakte der Digitalverarbeitung, die dem RF-Empfänger, der während des Rufzeichenmodus deaktiviert ist, zugeordnet sind, abzuschwächen.
  5. Küstenradarsystem nach Anspruch 4, wobei für jedes der FMCW-Radarsysteme der Radardaten-Fangmodus durch einen Zeitfolgen-Dopplerverarbeitung-Eingabezyklus gekennzeichnet ist, wobei der Rufzeichenmodus eine Lücke in dem Zeitfolgen-Dopplerverarbeitung-Eingabezyklus besetzt und wobei für jedes FMCW-Radarsystem die Computerressourcen ausgebildet sind, um die Radardaten, die von dem RF-Empfänger während aufeinanderfolgender Perioden des Radardaten-Fangmodus empfangenen Daten durch Mittelung der Radardaten über einen Rest des Zeitfolgen-Dopplerverarbeitung-Eingabezyklus zu interpolieren.
  6. Küstenradarsystem nach Anspruch 5, wobei für jedes der FMCW-Radarsysteme der Zeitfolgen-Dopplerverarbeitung-Zyklus eine Anzahl von Radar-Durchlaufperioden umfasst und wobei die Lücke, die dem Rufzeichenmodus entspricht, an einem Ende einer der Radar-Durchlaufperioden beginnt.
  7. Küstenradarsystem nach Anspruch 1, wobei für jedes der FMCW-Radarsysteme die erste RF-Energie ein erstes Frequenzband besetzt und die zweite RF-Energie ein zweites Frequenzband besetzt, wobei das erste Frequenzband im Wesentlichen das gleiche wie das zweite Frequenzband ist.
  8. Küstenradarsystem nach Anspruch 1, wobei für jedes der FMCW-Radarsysteme die erste RF-Energie und die zweite RF-Energie durch im Wesentlichen dieselbe Intensität gekennzeichnet sind.
  9. Küstenradarsystem nach Anspruch 1, wobei für jedes der FMCW-Radarsysteme die erste RF-Energie ein erstes Frequenzband besetzt und die zweite RF-Energie ein zweites Frequenzband besetzt, wobei das erste Frequenzband im Wesentlichen das gleiche wie das zweite Frequenzband ist, wobei für jedes der FMCW-Radarsysteme die erste RF-Energie und die zweite RF-Energie durch im Wesentlichen dieselbe Intensität gekennzeichnet sind.
  10. Küstenradarsystem nach Anspruch 1, wobei für jedes FMCW-Radarsystem der Rufzeichenmodus eine Lücke in einem Zeitfolgen-Dopplerverarbeitung-Eingabezyklus besetzt, wobei der Zeitfolgen-Dopplerverarbeitung-Zyklus eine Anzahl von Radar-Durchlaufperioden umfasst und wobei die Lücke, die dem Rufzeichenmodus entspricht, an einem Ende einer der Radar-Durchlaufperioden beginnt.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5361072A (en) 1992-02-28 1994-11-01 Codar Ocean Sensors, Ltd. Gated FMCW DF radar and signal processing for range/doppler/angle determination
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US6774837B2 (en) 2001-07-26 2004-08-10 Codar Ocean Sensors, Ltd. Ocean surface current mapping with bistatic HF radar
US6856276B2 (en) 2001-07-26 2005-02-15 Codar Ocean Sensors, Ltd. Multi-station HF FMCW radar frequency sharing with GPS time modulation multiplexing

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