NO152189B - Radarsystem for overvaakning av lufttrafikk - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedører et radarsystem

for overvåking av lufttrafikk, omfattende en primær-

radar sender/mottaker, en sekundær sender/mottaker,

en reflektor, en primærmater som står overfor reflek-

toren og omfatter i rekkefølge en rektangulær bølge-

leder som er forbundet med den primære radarens sender/ mottaker for å føre høyfrekvent bølgeenergi mellom disse, en tilpasningsbølgeleder, en sirkulær bølge-

leder med et sirkulært tverrsnitt, og et rektangulært horn som forløper fra nevnte sirkulære bølgeleder mot nevnte reflektor, to sonder anordnet på diametralt mot-

satte steder i nevnte sylindriske seksjon, idet nevnte sonder har en felles akse som inneslutter en vinkel av høyst ca. 45o med planene for det rektangulære hornets største sider, idet nevnte sonder er koblet til sekundær-radarens sender/mottaker for utspørringsutveksling, to hjelpekilder som vender mot den nevnte reflektoren i symmetriske stillinger på motsatte sider av det rektangulære hornet, og en effektdeler som er innført mellom sekundærradaren og nevnte hjelpekilder for å tilføre de samme med fasemotsatte styresignaler som skal utstråles mot nevnte reflektor for transmisjon til et luftfartøy sammen med nevnte utspørringssignaler.

Fra fransk patent nr. 2.243.532 er kjent et radarsystem

som angitt ovenfor.

Ved overvåkingsstasjoner for lufttrafikken er formålet med primærradaren å detektere tilstedeværelsen i luftrommet av en gjenstand og gi informasjoner vedrørende størrelser som objektets avstand, asimut, og/eller dets beliggenhet og eventuelt dets hastighet, alt etter den anvendte antenne type .

Den sekundær-radar som i en stasjon er tilknyttet primær-radaren, kan for dette objekt gi informasjon om identitet og eventuelt kjennskap til dets høyde når det er utstyrt med en responder beregnet på dette.

Antennene i en slik radarstasjon omfatter en antenne for primær-radaren og en eller to antenner for sekundær-radaren. De aktuelle sekundær-radarer må nemlig kunne sende og motta to forskjellige signaler. Det første kalles spørresignal, det sendes og mottas av en første antenne, og det andre kalles kontrollsignal. Hensikten med dette er å utelukke alle spørsmål som blir stilt i andre retninger enn retningen av hovedloben i spørre-antennens strålingsdiagram.

Der er da en antenne for å sende og motta spørresignaler, og denne antennen oppviser et strålingsdiagram med en hovedlob og sekundærlober. Kontrollsignalene sendes og mottas enten av en annen antenne eller av samme antenne som spørreantennen. Strålingsdiagrammet for kontrollan-tennen, i asimutplanet, kan være av den rundstrålende type eller differansetypen. I alle tilfeller dekker kontrolldiagrammet spørrediagrammet unntatt i et lite område sentrert på sprørreantennens hovedlobe, og som kalles spørrebuen.

En overvåkingsstasjon for lufttrafikk omfattende en se-kundærradar hvis antenne svarer til den ovenfor beskrevne, dvs. som i asimut utstråler et diagram av differansetypen, virker på en måte som anses tilfredsstillende. Det må imidlertid bemerkes at en slik radars oppløsningsevne i asimut, dvs. dens evne til å skille to objekter som er forholdsvis nær hverandre, ikke er meget fin. Dermed risikerer man at stasjonens radaroperatører får besvær-ligheter med å identifisere de spurte objekter eller mål, særlig i nærområdet. Denne manglende oppløsnings-evne skyldes hovedsakelig bredden av den påtvungne spør-rebuen, som det er vanskelig å påvirke.

Denne svakhet i oppløsningsevnen i asimut gir således opphav til problemer med identifiseringen av de spurte mål, hovedsakelig når disse befinner seg i en kryssende konfigurasjon, parallelle baner eller ventefiler.

En løsning som for tiden er godtatt består i å godta normer for mellomrom (spredning) som prohibitivt er til skade for avvikling av trafikken, og det så meget mer som det antall apparater som man må regne med for en stasjon fortsetter å øke.

Et formål med oppfinnelsen er å bøte på denne mangel og finne midler på nivå med sekundær-radaren til å oppnå en større oppløsningsevne i asimut enn den som er gitt av kontrollkanalen.

Ifølge oppfinnelsen omfatter det innledningsvis nevnte radarsystemet dessuten kombinasjonen av en monopulskanal som fører innkommende signaler fra transpondere ombord i det utspurte luftfartøyet, idet nevnte monopulskanal omfatter et hjelpekildepar som flankerer nevnte horn, og står overfor nevnte reflektor, i et felles asimutmessig plan med førstnevnte to hjelpematere og vinkelavviks målingsmiddel med inngang tilkoblet nevnte hjelpekilder og tilkoblet nevnte sonder for henholdsvis å motta derfra et differansesignal og et sumsignal fra nevnte monopulskanal.

Ifølge ytterligere trekk ved oppfinnelsen er nevnte hjelpekiIdepar anbragt mellom nevnte rektangulære horn og de førstnevnte to hjelpekildene. Hjelpekildeparet kan bestå av dipoler som er parallelle med og ligger tett opptil nevnte største sider. Videre vil det være fordelaktig at nevnte vinkelavviks-målemiddel er koblet til hjelpekildeparet ved hjelp av en ytterligere effektdeler. Dessuten kan vinkelavviks-målings-middelet være tilkoblet sekundærradarens sender/mottaker.

Andre fordeler og trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av følgende beskrivelse av en utformning av oppfinnelsen ved hjelp av figurene.

Fig. 1 viser en utformning av primærkilden for en an-

tenne ifølge oppfinnelsen som arbeider med rettlinjet polarisasjon. Fig. 2 viser en annen utformning av en antenne ifølge oppfinnelsen, som arbeider med sirkulær polarisasjon.

Fig. 3 viser et skjema av en diplekser.

Fig. 4 viser formen av strålingsdiagrammene for de forskjellige baner for den tilknyttede sekundær-radar.

Slik det fremgår av beskrivelsens innledning, oppnås en forbedring av en sekundær-radars oppløsningsevne i asimut ved at man, på nivå med sekundær-radaren, danner en monopulskanal som tillater mellomromsmåling (spredningsmåling) av de spurte mål som operatøren ikke kan atskille på den indikator som er knyttet til kontrollkanalen og som derfor ikke kan identi-fiseres eller bli spurt.

Fig. 1 viser en utformning av en sekundær-radarantenne omfattende kanalen for mellomromsmåling ifølge oppfinnelsen.

Denne antennen er en såkalt integrert antenne til primær-radaren, en løsning som synes å være fremherskende for tiden. Generelt sett omfatter denne antennen et visst antall elemen-ter hvis kombinasjon fremgår av det som er kjent i faget,

men som det skal minnes om nedenfor.

Det skal først bemerkes at det fokuserende element, dvs. reflektoren, som er felles for antennens fire funksjoner, primær-radar, spørring og kontroll, monopuls, ikkei er vist på tegningen, som under disse forhold viser primærkilden for primær-radaren, som er modifisert slik at den også sender de signaler som vedrører sekundær-radarens funksgon. Denne primærkilde omfatter suksessivt en rektangulær bølgelederdel forbundet til primær-radarens sender-mottager 2, en over-gangs-bølgeleder 4, en sirkulær bølgelederdel 5 og et horn 6. Forbindelsen mellom primær-kilden og sender-mottageren 2 er antydet med pilene 3.

Primærkilden består egentlig av en viss lengde bølgeleder utstyrt med et dreieledd for å tillate rotasjon av antennen om en vertikal akse.

De radarbølger hvis polarisasjon er vist av pilen 7 på sende-siden, passerer kilden fra den rektangulære bølgeleder 1 mot hornet 6, der de blir strålt ut mot reflektoren. Ved mottag-ningen foregår bølgeforplantningen i motsatt retning.

Antennen omfatter midler som tillater realisering av sekundær-radarens funksjon. I det valgte eksempel av antenne disponerer man, for å sende og motta spørresignalene, hvis polarisasjon vist ved vektoren 10 er perpendikulær på polarisasjonen av primær-radarens bølger, to sonder 8 og 9 anbragt i den sirkulære bølgeleder 5 og som er forbundet til sekundær-radarens sender-mottager 15. De mates i motfase fra en hybride-kobling 13 omfattende en effektdeler og et filter. Kretsen 13 er forbundet til sender-mottageren 15 over en koaksiallinje 14, og sondene 8 og 9 er forbundet til hybride-koplingen 13 over henholdsvis koaksiallinjene 12 og 11. Filteret i hybride-koplingen 13 har til hensikt å sperre spørresignalene og utelukke signaler på primær-radarens frekvens. Hornet 6 og den sirkulære bølgeleder 5 er nemlig felles for primær-radarens og sekundær-radarens bølger, og derfor kan signalene fra primær-radaren overføres til sekundær-radarens sender-mottager ved hjelp av sondene. Disse signaler blir eliminert i hybride-koplingen 13.

Dimensjonene av bølgelederen 5 bestemmes for korrekt funksjon av kilden med primær-radarens frekvens. Da sekundær-radarens arbeidsfrekvens vanligvis er lavere enn primær-radarens, klipper bølgelederen 5 sekundær-radarens bølger. En dielek-trikumskive 22 er da anbragt inne i denne bølgelederen. Denne skivens form er bestemt slik at den ikke endrer forholdene for primærkilden med primær-radarens frekvens. De store flatene på denne skiven er således perpendikulære på radar-bølgenes polarisasjonsvektor, slik at den tykkelsen de må passere blir minimum. Derimot er tykkelsen av skiven mak-simum for spørresignalene. På den siden som vender mot hornet 6 er skiven elliptisk tilskåret, og på den siden som vender mot bølgelederen 4 er den slipt skrå. Skiven er laget av polypropylen, et materiale for hvilket tangens til taps-vinkelen er liten.

Primær-radarsignalene og spørresignalene blir således utstrålt av samme horn 6, som bestråler reflektoren (ikke vist på figuren) , men som for eksempel er av typen med dobbelt krumming. Den oppviser stor direktivitet i asimut, og et vertikaldiagram nær en kurve for kosekant i annen potens. Virkemåten under spørring drar da nytte av den felles reflektors karakteri-stikker for vinning (gain) og direktivitet, hvilket med de samme ytelser som de kjente systemer tillater en mindre ytelse av sender-mottageren.

Kontrollsignalene sendes og mottas av to hjelpekilder 16 og 17 anbragt på hver side av hornet 6. Disse kildene er forbundet til sekundær-radarens sender-mottager 15 via en effektdeler-krets 20 og koaksiale forbindelseslinjer 18 og 19 mellom kildene og effektdeleren på den ene side og en koaksiallinje 21 mellom effektdeleren og sender-mottageren 15 på den annen side .

For at strålingsdiagrammet for kontrollsignalene skal være av differansetypen, dvs. at det skal oppvise null vinning i aksen for spørrediagrammets hovedlob, mates kilden 16 og 17 i motfase. Selvsagt ligger aksene for de to kildene i samme ho-risontalplan. Samme reflektor i radarantennen blir da frem-deles opplyst av kontrollkildene. Kontrollstrålingsdiagrammet er da av differansetypen i asimut og av typen kosekant i annen potens i vertikalplanet, takket være reflektorens egen-skaper.

Hver kilde 16 og 17 består av en gruppe dipoler anbragt i en tett kasse. Kassens metallbunn tjener som reflekterende plan. Lokket på kassen, som er gjennomtrengelig for bølgene, er laget av f.eks. glass-polyester.

Effektdeleren består f.eks. av en eller flere hybrideringer.

Ifølge oppfinnelsen er kontrollkanalens strålingsdiagram, som er av differansetypen i asimut og som oppviser en for bred spørrebue til at det alltid skal være mulig å atskille forskjellige mål, hovedsakelig i nærområdet, forsterket med et annet strålingsdiagram som også er av differansetypen i asimut, og som tillater atskillelse av mål i nærområdet, og hvis oppløsningsevne i asimut med andre ord er finere.

Under ddlsse omstendigheter er sekundær-radarens antenne,

som allerede oppviser en spørrekanal og en kontrollkanal, forsterket med en monopulskanal, dvs. at foruten de allerede beskrevne strålingsdiagrammer har den et nytt differansediagram. Mer nøyaktig danner man, på linje med monopuls-funksjonen en sumkanal og en dicfferansekanal på transponder-nes responsfrekvens, som i det betraktede eksempel er 1090 MHz. Sumsignalet oppnås ved utgangen av hybride-koplingen 13 hvor det er blitt skilt fra primær-radarsignalet. Dette signal er forøvrig ikke annet enn responssignalet fra transponderne. For å tilveiebringe differansediagrammet med stor oppløsnings-evne i asimut, bruker man ifølge oppfinnelsen en ny hjelpekilde i form av to dipoler 23 og 24 anbragt på hver side av strålingsåpningen for radarens primærkilde 6 og i samme plan som kildene 16 og 17 som brukes for å danne kontrollkanalen for den til primær-radaren knyttede sekundær-radar.

De sum- og differansesignaler som oppnås i denne nye monopulskanal, behandles i en spredningsmålende mottager 27. Kildene 23 og 24 er for å dirigere differansesignalene til

den spredningsmålende mottager forbundet til en effektdeler 26 gjennom kablene 25 og 30. Effektdeleren er over forbindelsen 28 koplet til mottageren 27. Denne mottager er gjennom kabelen 29 forbundet til sekundær-radarens allerede ek-

sisterehde sender-mottager 15, som til den spredningsmålende mottager sender sumsignalet i den nye ifølge oppfinnelsen dannede kanal, slik som nevnt.

Det skal bemerkes, og det ses tydelig på figuren, at kildene

23 og 24 som bidrar til dannelsen av den nye differansekanal er anbragt nærmere primærkildens 6 strålingsåpning enn sekundær-radarens kontrollkanalkilder 16 og 17. Denne anbringelse er diktert av nødvendigheten av å ha en stor helning på spred-ningsmålerkurven, som er funksjon av den avstand som eksisterer mellom kildene på hver side av antennens brehnakse.

Fig. 2 viser en variant av primær-radar-sekundær-radar-antennen ifølge oppfinnelsen for det tilfelle der primærkilden arbeider med sirkulær polarisasjon.

De forskjeller som eksisterer mellom denne figuren og fig. 1, for hvilken primærkilden arbeider med horisontal projeksjon, er ikke meget store, men bør likevel fremheves.

Den egentlige primærkilde omfatter en rektangulær bølgeleder 1, en oyergangsbølgeleder 4, en sirkulær bølgeleder 5 og hornet 6, som inneholder et polariserende element 60. Sondenes 8 og 9 akser helder 45° i forhold til en vertikal akse. Disse sondene, som tillater oppfangning av de bølger som reflekteres fra hornets forre flate under sending, og som så forbrukes i absorberende belastninger forbundet til sondene, er nødvendige for at denne polarisasjonsmåte skal virke godt. For spørring brukes sondene 8 og 9 som i fig. 1. For å

oppnå denne dobbeltvirkningen er det mellom sender-mottageren 15 og sondene anbragt en diplekserkrets 130 omfattende filtre og en effektdeler. Koaksiallinjer 110, 120 og 140 sikrer hyperfrekvensforbindelsen mellom sondene og diplekseren på den ene side og mellom diplekseren på sender-mottageren 15

på den annen side. Diplekseren atskiller signalene fra primær-radaren og spørreradaren. Signalene fra primær-radaren forbrukes i resistive belastninger 131 og 132.

En dielektrisk skive 22 er også anbragt i den sirkulære bølge-leder 5. Sondenes akse ligger i skivens médianplan. Polari-sasjonsplanet for primær-radarens bølge er perpendikulær på den dielektriske skiven.

I spørrefunksjon eksisterer den sirkulære bølgeleder 5 symmetrisk av oppfangningssondene 8 og 9. Etter å ha passert pol-arisatoren 60 og hornet 6 stråles spørresignalene ut med elliptisk polarisasjon.

De respondere som er montert ombord i fly, er anordnet for

å sende og motta bølger med vertikal lineær polarisasjon.

Det faktum at polarisasjonen av den bølge som utstråles av sekundær-radaren er elliptisk, er ingen mangel. I beregninger av rekkevidden virker det hele som om man disponerte en antenne hvis vinning (gain) er ca. 3 dB mindre enn dens nomi-nelle vinning. Tar man hensyn til den økning av vinningen som bruken av primær-radarens reflektorantenne bevirker,

er dette tapet uten betydning.

På samme måte som i fig. 1 oppnås kontrollfunksjonen ved hjelp av to kilder 16 og 17 forbundet til sender-mottageren 15 ved hjelp av forbindelseslinjer 18 og 19, effektdeleren

20 og forbindelseslinjen 21.

Som i fig. 1 omfatter hver hjelpekilde en gruppe dipoler anbragt på en metallbunn som tjener som reflektor. Dipolene er av halvbølgetypen. Dipolenes forskjellige parametere

(dimensjoner, avstander til det reflekterende plan o.s.v.)

bestemmes slik. at man oppnår god tilpasning og et korrekt strålingsdiagram.

Som i fig. 1 består den monopulskanal som er- knyttet til sekundær-radarens spørre- og kontrollkanaler foruten av sondene, som avgir sumsignalet, av to hjelpekilder,' dipolene 23 og 24, som er anbragt på hver side av primærkilden 6. En spredningsmålende mottager 27 er på den ene side forbundet til sekundær-radarens sender-mottager 15 og på den annen side til effektdeleren 26 som i sin tur er forbundet til dipolene 23 og 24 gjennom kablene 25 og 30.

Fig. 3 er et skjema av en diplekser som brukes i anordningen ifølge oppfinnelsen. Den sørger for forbindelse fra sondene 8 og 9 til på den ene side tilpasningsbelastningene 131 og 132 for primær-radarens signaler og på den annen side til sender-mottageren 15 for spørresignalene.

Diplekseren omfatter to båndpassfiltre 133 og 134 sentrert på primær-radarens arbeidsfrekvens og to båndpassfiltre 13 5 og 136 sentrert på spørrefrekvensen, som henholdsvis er forbundet til to sonder 9 og 8 gjennom forbindelseslinjer 120 og 110. Utgangene fra filtrene 133 og 134 er forbundet til de tilpassede belastninger 131 og 132 som opptar den energi som reflekteres fra hornets 6 åpning. Utgangene fra dé andre filtre 135 og 136 er forbundet til to klemmer på

en effektdeler 137 hvis tredje klemme er forbundet til sender-mottageren 15 gjennom forbindelseslinjen 140.

Anbringelsen av sondene, diametralt motsatt i den sirkulære bølgeleder 5, krever en faseforskyvning på 180° mellom de to kanaler som mater sondene. Denne faseforskyvning oppnås i effektdeleren. Effektdeleren er en klassisk hybridekopling. Hybridekoplingen 130 kan realiseres av en fotogravert tre-platekrets som derpå innstøpes for å sikre at den er tett.

For antennen ifølge oppfinnelsen viser fig. 4 strålingsdiagrammene i asimut for spørrekanalen, kontrollkanalen og den til disse tilføyde monopulskanal.

Kontrollkanalens differansediagram A er vist med heltrukket linje. B er spørrekanalens sumdiagram som også er diagrammet for den tilføyde monopulskanal. Skjæringen mellom diagram-mene A og B definerer spørrebuen i CD. Strekpunkteringen E viser differansediagrammet for den til sekundær-radaren knyttede monopulskanal, hvis skjæring med sumdiagrammet B definerer spredningsmålebuen GH.

Disse diagrammer anskueliggjør visse fordeler med oppfinnel-" sen: høyt skjæringsnivå mellom monopulsens sum- og differansediagram, hvilket gjør at man oppnår den helning av spredningsmålingen som svarer til den evne til diskiimine-ring mellom de forskjellige mål som brukeren ønsker, bredden av spørrebuen og korrekt dekning av kontrollkanalen over spørrekanalens lober.

Man vil også bemerke andre fordeler med løsningen ifølge oppfinnelsen for å bøte på spørrebuens mangel på tilstrek-kelig oppløsningsevne, særlig enkelheten av den løsning som består i å tilføye en monopulskanal til en integrert primær-radarantenne og en sekundær-radar, ved å bruke en del av de allerede eksisterende midler, en løsning som har ført til en optimalisering av differanse-,kontroll- og mono-pulskanalene.

Man har på denne måten beskrevet en kombinert antenne for primær- og sekundær-radar som spesielt tillater en derav følgende forbedring av sekundær-radarens funksjon.

Claims (5)

1. Radarsystem for overvåkning av lufttrafikk, omfattende en primærradar sender/mottaker (2) , en sekundær sender/ mottaker (15), en reflektor, en primærmater som står overfor reflektoren og omfatter i rekkefølge en rektangulær bølgeleder (1) som er forbundet med den primære"radarens sender/mottaker (2) for å føre høyfrekvent bølgeenergi mellom disse, en tilpasningsbølgeleder (4), en sirkulær bølgeleder med et sirkulært tverrsnitt (5) og et rektangulært horn (6) som forløper fra nevnte sirkulære bølge-leder mot nevnte reflektor, to sonder (8,9) anordnet på diametralt motsatte steder i nevnte sylindriske seksjon, idet nevnte sonder har en felles akse som inneslutter en vinkel av høyst ca. 45° med planene for det rektangulære hornets største sider, idet nevnte sonder er koblet til sekundærradarens sender/mottaker (15) for utspørrings-utveksling, to hjelpekilder (16, 17) som vender mot den nevnte reflektoren i symmetriske stillinger på motsatte sider av det rektangulære hornet, og en effektdeler (20) som er innført mellom sekundærradaren og nevnte hjelpekilder for å tilføre de samme med fasemotsatte styresignaler som skal utstråles mot nevnte reflektor for transmisjon til et luftfartøy sammen med nevnte utspørrings-signaler, karakterisert ved at radarsystemet dessuten omfatter kombinasjonen av en monopulskanal som fører innkommende signaler fra transpondere ombord i det utspurte luftfartøyet, idet nevnte monopulskanal omfatter et hjelpekildepar (23, 24) som flankerer nevnte horn ( 6 ) og står overfor nevnte reflektor, i et felles asimutmessig plan med førstnevnte to hjelpematere (16,

17) og vinkelavviks målingsmiddel (27) med inngang tilkoblet nevnte hjelpekilder (23, 24) og tilkoblet nevnte sonder (8, 9) for henholdsvis å motta derfra et differansesignal og et sumsignal fra nevnte monopulskanal.

2. Radarsystem som angitt i krav 1, karakterisert ved at hjelpekildepar (23, 24) er anbragt mellom nevnte rektangulære horn (6) og førstnevnte to hjelpekilder (16, 17) .

3. Radarsystem som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte hjelpekildepar utgjøres av dipoler som er parallelle med og ligger tett opptil nevnte største sider.

4. Radarsystem som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at nevnte vinkelavviks målemiddel (27) er koblet til nevnte hjelpekildepar (23, 24) ved hjelp av en ytterligere effektdeler (26).

5. Radarsystem som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at nevnte vinkelaviks målingsmiddel (27) er tilkoblet sekundærradarens sender/mottaker (15).