ES2219157B1 - Sistema para evaluar las señales del codificador de posicion de un radar. - Google Patents

Abstract

El sistema para evaluar las señales del codificador de posición de un radar es un dispositivo autónomo, que monitoriza, mide y evalúa, de forma continua y en tiempo real, los pulsos procedentes del codificador de posición de la antena de un radar. Esta medición se realiza contabilizando mediante circuitos lógicos el número de pulsos generados por un oscilador patrón contenidos en los semiperiodos de los pulsos procedentes del codificador de posición de antena a lo largo de un ciclo completo. Entre otras, una de las aplicaciones sería comparar los valores reales obtenidos con los valores teóricos esperados y estableciendo un perfil de las desviaciones permitidas evaluar el estado de los pulsos generados por el codificador de posición y alertar cuando el sistema de giro o de codificación deben ser revisados.

Description

Sistema para evaluar las señales del codificador de posición de un radar.

Sector de la técnica

La invención se encuadra dentro del sector técnico de los sistemas que utilizan la reflexión o la reradiación de ondas de radio, mas concretamente dentro del sector de los radares de navegación y dentro de este sector en lo relativo a medios de monitorización, supervisión, análisis de la fiabilidad y estado de servicio de los mismos y en particular de los codificadores de posición utilizados por ellos.

Estado de la técnica

Se ha realizado una búsqueda (Orden 21997) centrada en la localización de documentos de patentes que permitan establecer el estado de la técnica correspondiente a los "sistemas de evaluación de las señales del codificador de posición de un radar" que en especial, faciliten la cuantificación de las variaciones no periódicas (jitter) de la posición de la antena respecto a la teórica esperada. Para ello se ha realizado una búsqueda en bases de datos nacionales e internacionales siguiendo los perfiles *G01 S 13+: , *G01 S7/40, y *H01Q+: relativos respectivamente a, Sistemas que utilizan la reflexión o la reradiación de ondas radio p. Ej. Sistemas de radar, detalles de sistemas según el grupo 13/00, medios de monitorización o de calibración y Antenas según la Clasificación Internacional de Patentes en su 7ª Edición, tomando como palabras clave aquellas que tienen referencia con el proceso y su entorno: Radar, azimut, ACP, ARP, error, sensor, codificador, antena, posición, monitorización, supervisión, etc.

Del resultado de la búsqueda se ha constatado que en la actualidad existen documentos de patentes de sistemas para generar, mejorar, o aumentar la resolución de las señales (ACP/ARP) generadas por el codificador de giro de la antena y caracterizadoras de la orientación instantánea del eje de rotación de una antena como es el caso del documento de patente americano US 3,895,365 donde se detalla un circuito electrónico para la generación de dichas señales a partir de las señales del sincro del sistema de giro o el documento de patente americano U 3,660,842 donde se detalla un circuito para aumentar la resolución azimutal mediante la interpolación de pulsos para aumentar el número de pulsos por vuelta (ACP's) incrementando así dicha resolución.

Se han localizado sistemas para convertir las señales sincro de giro en dos señales seno/coseno para su utilización en unidades de presentación como es el caso del documento de invención americano 3,769,489 a para convertir las señales ACP/ARP del codificador de giro en señales seno/coseno con el mismo fin que el anterior como es el caso de los documentos de invención americanos 3,761,928 y 3,731,300.

En definitiva circuitos destinados a generar a partir del sistema de giro de la antena los impulsos de referencia acimutal de posición necesarios para fijar la posición de la antena y por tanto del blanco, a mejorar la resolución mediante la interpolación de impulsos entre los impulsos generados por el codificador de giro o bien a generar las señales requeridas por los sistemas de deflexión de las unidades de presentación de la información a partir de los impulsos del codificador.

Se han localizado equipos de medida que permiten analizar la precisión mecánica del sistema de giro de un radar basados en la instalación de un giróscopo sobre la propia antena que proporciona la posición exacta de la antena y orientados por tanto a medir la precisión tras una instalación o substitución de alguno de los elementos del sistema de transmisión tras una tarea de mantenimiento aún cuando su propia operativa les relega a utilizaciones temporales.

No se ha encontrado sin embargo información referente a documentos de invención referentes a sistemas autónomos e independientes tanto del sistema de giro como del radar utilizados y destinados a evaluar de forma continua la calidad de los pulsos generados basados en su monitorización y comparación con el valor teórico esperado que permitan especificar un perfil de tolerancia libremente elegido por el usuario que le permita en función de la precisión requerida por la aplicación para alertar cuando el sistema debe ser sometido a revisión mecánica o eléctrica antes de que dicho perfil sea sobrepasado poniendo riesgo las estimaciones efectuadas de las pantallas de presentación del sistema radar.

Explicación de la invención

Esta invención trata de un circuito electrónico para monitorizar en tiempo real, medir, registrar y suministrar local y remotamente unos indicadores instantáneos y globales del estado de las señales (ACP, ARP) generadas por el codificador de las unidades de giro de antena de los radares de navegación.

Las señales de posicionamiento de la antena de un radar son generadas por unos sensores especiales, llamados "Encoder" incorporados al Sistema de Giro de la Antena, los cuales nos informan de la posición que ocupa la antena del radar en cada momento y son referenciales para fijar la posición acimutal del blanco.

Cuando la antena del radar esta girando, el Encoder envía un tren de pulsos continuos llamados ACP y un pulso por vuelta llamado ARP. La cantidad de pulsos ACP generados por el Encoder de un sistema radar pueden variar, por ejemplo en algunos radares el Encoder genera 4.096 pulsos ACPs vuelta, así como en otros 16.384.

A menudo estos pulsos presentan jitter (variaciones no periódicas de su posición respecto de la teórica esperada), debido a vibraciones mecánicas producidas por el juego mecánico entre los dientes de los engranajes usados para mover el eje de giro del Encoder, o porque los dientes de la caja de engranajes de la unidad de giro de la propia antena tiene los rodamientos desgastados. Si el jitter es substancial, la información proporcionada por el Encoder será inestable.

Para cuantificar la magnitud del jitter es necesario monitorizar y medir todos los pulsos ACPs, generados por el Encoder durante un giro completo de la antena, puesto que la magnitud del jitter depende de la posición de la antena.

En el sistema de presentación radar, estos jitter indeseados pueden manifestarse como errores de posicionamiento de los blancos en la pantalla de presentación, errores que de producirse han de mantenerse en todo momento debidamente acotados.

Este sistema pretende cuantificar estos errores y preestablecer un perfil de funcionamiento seguro para detectar cuando es sobrepasado permitiendo alertar de tal situación para que el sistema de giro sea revisado permitiendo así que estas revisiones se optimicen realizándose únicamente cuando el sistema realmente las requiere y no en función de una periodicidad preestablecida que en modo alguno nos asegura su fiabilidad a lo largo del intervalo entre dos revisiones consecutivas contribuyendo a mejorar la seguridad sistema en su conjunto.

Principio de medida

Esta invención basa su idea en una monitorización y medida de forma continua y en tiempo real de las señales procedentes del codificador de giro y realizando las medidas referidas a periodos de tiempo, partiendo de un oscilador de alta precisión estabilizado en temperatura.

Para medir las características de los pulsos procedentes del codificador de giro de la antena se digitaliza su duración mediante un circuito lógico según se muestra conceptualmente en la Figura 1 y que se describe en ella. El sistema realiza el conteo de la frecuencia patrón durante cada semiperiodo para lo cual el contador estará controlado por los pulsos de ACP de forma que se obtengan dos palabras por periodo (\tau).

Supuesta para la facilidad de la explicación una frecuencia nominal del oscilador patrón de 100 MHz. se obtendrán muestras correspondientes a 10 ns.

Se cuenta el número de pulsos que se generan entre cada cambio de nivel del tren de pulsos ACP. De esta forma se mide alternativamente la duración de cada pulso de ACP y del tiempo entre el fin de cada pulso y el comienzo del siguiente según se muestra en el diagrama de señales de la Figura 3 y en su descripción.

Durante el primer semiperiodo (\tau1) la cuenta comenzará con el flanco de subida del ACP y terminará con el flanco de bajada del ACP. Llamaremos al número de salida del contador n1 .Durante el segundo semiperiodo (\tau2) la cuenta comenzará con el flanco de bajada del pulso ACP y terminará con el flanco de subida del ACP siguiente. Llamaremos al número de salida del contador n2.

Supuesta una frecuencia

La duración del pulso ACP será por tanto:

\tau1 = n1 \cdot 10 ns.

La duración del periodo entre ACPs consecutivos será:

\tau= \tau1 + \tau2 = (n1+n2) \cdot 10 ns.

En cada vuelta de antena el Encoder genera 16.384 impulsos o lo que es igual 32.768 semiperiodos.

Si llamamos T al periodo de rotación de antena y N a número de ACPs por vuelta. Tenemos que, nominalmente:

\tau=\frac{T}{N}

Por tanto la duración de un semiperiodo podrá tener un valor entre 91.55 µs. (para periodo de giro de 3 seg.) y

\hbox{366  \mu s}

(12 seg./vuelta).

La resolución para la frecuencia patrón supuesta de 100 MHz. es de 2 dígitos decimales sobre la unidad de microsegundo; es decir una resolución de 10 ns.

\newpage

Los limites de medida serían:

Valor mínimo: n1 = n2 = 1 \Rightarrow \tau = 20 ns

Valor máximo: n1 = n2 = 216 \Rightarrow \tau = 2x65.536 x 10ns = 1,31 ms.

Las medidas obtenidas para cada periodo se almacenan. Para almacenar cada semiperiodo son necesarios 16 bits, es decir 2 bytes. Para almacenar los datos de un barrido de antena completo es necesario almacenar los valores correspondientes a 32.768 semiperiodos. Ciertos cálculos estadísticos se realizan sobre los valores de 1 vuelta completa por lo que siempre deberá existir al menos 1 vuelta almacenada y la vuelta en curso. Por tanto el sistema deberá ser capaz de almacenar al menos 128 Kbyte para el análisis en tiempo real de los impulsos ACP. El sistema descrito procesa matemáticamente las señales y realiza los siguientes cálculos instantáneos.

A partir de los datos de medidas de pulsos ACP y ARP descritos anteriormente se calcula:

\bullet

Duración de pulso de ACP (\tau1) en \mus.

\bullet

Duración del periodo de ACP (\tau = \tau1 + \tau2) en \mus.

\bullet

Ciclo de trabajo. Calculado para cada periodo de ACP como:

\delta =\frac{\tau_{1}}{\tau} \cdot 100%

\bullet

Error de acimut. El error de acimut (\varphie) se calculará como la diferencia entre el azimut calculado por el monitor de Encoder (\varphim) y el acimut que debería tener considerando un giro constante de la antena (\varphic). Es decir, el error de azimut para el ACP número n sería:

\varphi e[n] = \varphi c[n]- \varphi m[n]

donde:

\varphi_{m} [n] = \frac{\sum\limits_{i=0}^{i=n}\tau[i]}{T}\cdot 360^{o}

\varphi_{c} [n] = n\cdot \frac{360^{o}}{N}

El sistema descrito a partir de los datos instantáneos elaborados realizará por cada vuelta de antena los siguientes cálculos globales:

\bullet

Número de pulsos ACP recibidos. Será la mitad del número de palabras almacenadas por vuelta de antena.

\bullet

Periodo de vuelta de antena en segundos y en rpm. Se calculará a partir de las medidas de ARP.

\bullet

Valores máximo, mínimo, medio y desviación típica para los siguientes parámetros.

\bullet

Duración de pulso de ACP (\taul) en µs.

\bullet

Duración del periodo de ACP en \mus.

\bullet

Ciclo de trabajo

\bullet

Valores máximo, mínimo y su diferencia para el error en acimut.

Descripción de los dibujos Figura 1

En ella se describe simplificadamente la lógica que implementa la cuantificación de los impulsos ACP. La parte positiva del impulso (\tau1) y la parte negativa (\tau2) negada por un inversor (INV-1) validan (CE) respectivamente las entradas (CK) del reloj de 100 MHz a sendos contadores binarios de 16 bits (CONT- n1 1 y CONT-n2) que respectivamente almacenan temporalmente los n1 y n2 pulsos de reloj correspondientes a cada semiperiodo del pulso. Los 16 bits de salida nl y n2 de los contadores CONT-n 1 y CONT-n2 se llevan a un bloque lógico captador cuya función es almacenar transitoriamente ambas cantidades y ofrecerlas a su salida de acuerdo con el valor binario del terminal SEL. Los contadores binarios CONT-n1 y CONT-n2 son puestos a cero tras asegurar el registro de sus valores en el captador lógico.

Sendos circuitos de retardo digital (RET-n1 y RET-n2), detallados y descritos en la Figura 2, ponen a cero los contadores 12 microsegundos después de haber sido cargado su contenido respectivo en el captador lógico.

Dos circuitos lógicos, a partir de los pulsos ACP y ARP generan sus respectivos niveles indicadores IND-ACP e IND-ARP, así como el indicador común de que los valores n1 y n2 están en el captador lógico y listos para ser seleccionados y leídos (CONT-DISP). Estos indicadores permanecen activados hasta que el valor es leído y reconocido por sus respectivas señales REC-ACP y REC-ARP

Figura 2

En ella se describe el retardo digital que genera la señal de borrado de los contadores binarios. El flanco final negado respectivo de cada uno de los semiperiodos valida es convertido en una señal de nivel (CE) que valida el conteo de una señal de un reloj auxiliar de 4 MHz. La detección del estado 60H por puesta a 1 de QC4 y QC5 levanta el pulso de salida por activación del Preset PRE de un biestable de salida 12 µseg. después del flanco y el estado BOH por puesta a 1 de QC5 y QC6 lo deja caer a los 24 \museg por activación del Clear (CLR) del biestable de salida generado un pulso de borrado de 12 \museg generado 12 \museg después de haber sido registrado su contenido en el captador lógico, al tiempo que pone a cero el circuito convertidor de nivel a través de CLR y este a su vez al contador a través de una puerta inversora a través de CLR.

Figura 3

En ella se describe el secuenciamiento en el tiempo de las señales.

La subida del pulso ACP levanta la validación del contador n1 a través de CE-n1 . La bajada del pulso ACP negada activa la señal CLK-n1 que traspasa el valor n1 del contador a la primera célula del circuito de captación. Esta bajada negada genera 12 \museg después la señal CLR-n1 que borra el contenido del contador CONT-n1.

La bajada negada del pulso ACP levanta la validación del contador n2 a través de CE-n2. La subida negada del pulso ACP negada nuevamente activa la señal CLK-n2 que traspasa el valor n2 del contador a la segunda célula del circuito de captación. Esta subida genera 12 \museg después la señal CLR-n2 que borra el contenido del contador CONT-n2.

La siguiente subida del puso ACP repite el ciclo anterior y además levanta el indicador de que los valores de cuenta n1 y n2 están en el circuito captador. Poniendo un "0" o un "1" en el terminal de selección SEL se extrae secuencialmente los valores binarios de 16 bits n1 y n2 contenidos en ambas células del circuito de captación.

Modo de realización

La invención anteriormente descrita solo precisa para su realización práctica de la correcta captación de las señales sin depender ni afectar para nada al sistema monitorizado, una cuantificación del perfil de los pulsos ACP en tiempo real con una precisión asegurada, de un procesamiento matemático para comparar los valores reales obtenidos con los teóricos esperados de acuerdo con el perfil de desviaciones permitidas y del suministro de la información al usuario para su explotación.

La monitorización de las señales del Encoder que se requieren desde el radar para el análisis interno de las mismas debe realizarse en alta impedancia garantizando así su disponibilidad aún en las condiciones más adversas de funcionamiento. Buscando el máximo aislamiento del equipo frente a las señales del pedestal, la muestra de los impulsos debería realizarse mediante optoacopladores con separación galvánica.

La medición de los impulsos se puede implementar mediante un circuito de lógica programable (CPLD) que se encarga de contabilizar los pulsos del oscilador patrón de alta estabilidad contenidos dentro de los semiperiodos positivo y negativo de los pulsos ACP sintetizando las funciones y diagramas de señales contenidos en las Figuras 1, 2 y 3.

En cada pulso ACP el circuito de lógica programable genera una señal para el procesador matemático y le ofrece dos palabras (16 bits) que corresponden a la duración de cada uno de los semiperiodos de la señal. A partir de esta información el procesador matemático (DSP) realiza los cálculos necesarios para el establecimiento de todas las variables requeridas por el sistema (ancho de pulso, periodo, error de acimut, etc.).

La información obtenida de la evaluación de los pulsos ACP/ARP puede ponerse a disposición del usuario mediante interfaces para red Ethernet para la transferencia de los datos resultado del proceso. Conviene prever una transferencia bajo petición de todo el paquete de datos relativos a 1 vuelta para su representación gráfica (modo manual) y una transferencia de los datos estadísticos de cada vuelta para la función BITE (generación de alarmas) de los puestos de operación LOCAL y REMOTA.

Aplicación industrial

El concepto descrito y el principio de medida y realización propuestos son susceptibles de aplicación industrial.

De hecho en la actualidad y en fase de evaluación se encuentran unos prototipos realizados según la forma propuesta y ejecutados sobre una tarjeta electrónica alojada en el interior de un subbastidor estándar de 19''.

Claims (3)

1. Sistema para evaluar las señales del codificador de posición de un radar caracterizado por medir mediante circuitos lógicos de forma continua y en tiempo real los semiperiodos de dichas señales contando el número de pulsos de un oscilador patrón de alta estabilidad contenidos en ellos.

2. Sistema para evaluar las señales del codificador de posición de un radar según la reivindicación 1 caracterizado por realizar dicha evaluación calculando para cada giro completo de la antena el número total de pulsos ACP recibidos, el periodo de vuelta de la antena en segundos y rpm y los valores máximo, mínimo y de desviación típica para la duración, periodo, ciclo de trabajo y error acimutal de posición a partir de los valores instantáneos para cada pulso recibido de su duración, periodo y ciclo de trabajo calculando el error acimutal de posición

3. Sistema para evaluar las señales del codificador de posición de un radar según la reivindicación 1 caracterizado por lleva a cabo sus funciones de monitorización, registro, evaluación y comunicación de forma autónoma sin necesidad de procesamiento externo.