NO342921B1

NO342921B1 - Radaranordning

Info

Publication number: NO342921B1
Application number: NO20074226A
Authority: NO
Inventors: Barry Wade
Original assignee: Kelvin Hughes Ltd
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2018-09-03
Also published as: WO2006123084A1; RU2413958C2; US20080018526A1; RU2007131434A; JP2008527391A; EP1839071B1; GB0501043D0; AU2006248845B2; ES2487490T3; NO20074226L; CA2587622C; CN101107539A; DK1839071T3; KR20070089789A; PL1839071T3; AU2006248845A1; EP1839071A1; CA2587622A1; SG161298A1; US7764223B2

Abstract

Marin radaranordning som sender ut grupper av tre pulser A, B, C med samme amplitude men forskjellige bredder, der den korteste pulsen gjør deteksjon mulig av mål pa 5 kort avstand og at de lengre pulsene gjør deteksjon mulig på lengre avstand. Pulsene er kodet forskjellig, der den korte pulsen A er et kontinuerlig bølgesignal og de lengre pulsene er modulert med en frekvensmodulert chirp, der den ene pulsen, C, er en oppover-chirp og den andre, B, er en nedover-chirp. Radarens effekt trenger bare å være omtrent 190 W.

Description

Denne oppfinnelsen vedrører radaranordning av typen som er anordnet til at grupper av energipulser forplanter seg mot mål og til å motta grupper av pulser med energi som reflekteres tilbake fra målene.

Marine radarer anvender vanligvis en høyeffekt-magnetron som en mikrobølgekilde for pulsede sendesignaler. I den hensikt å redusere mengden birefleks på radarskjermen forårsaket av retursignaler fra bølger, regn og tilsvarende, har apparatene terskelkretser som er satt til å utelukke signaler med lavere amplituder. Dette arrangementet opererer tilfredsstillende ved observasjon av større fartøyer, landmasser og tilsvarende, men reduserer muligheten for radaren til å presentere signaler fra mindre objekter av interesse, som for eksempel bøyer, fritidsbåter og raske angrepsfarkoster.

EP0389720 beskriver et radarsystem for deteksjon av mål på kort og langt område. Radarsystemet overfører pulser hvor hver puls består av to eller flere subpulser, idet minst en av subpulsene er vesentlig lengre enn minst en annen av subpulsene

Vossiek, M.; Kerssenbrock, T.V.; Heide, P. “Novel nonlinear FMCW radar for precise distance and velocity measurements”, Microwave Symposium Digest, 1998 IEEE MTT-S International, vol.2, side 511, 514, volum 2, 7.-12. juni 1998, beskriver ikke-lineær FMCW-radar ved hjelp av en Doppler/avstands tvetydighetsfunksjon for avstands- og hastighetsmålinger.

Naoki Ehara, et al. “Moving Target Detection by Quadrature Mirror Filter”, Electronics and Communications in Japan, Part 1, Vol.79, No.4, 1996, Vol.78-B-If, No. 5, Mai 1995, side 401-407, beskriver et system som avviser støy som har en iboende lav hastighet, samtidig deteksjon av høyhastighetsmål ved radar med anvendelse av en elektronisk skannet antenne. Et Quadrature Mirror Filter (QMF) er forut en 2-pulskaneller som er et høypassfilter og derved demper lave Doppler-frekvenser som mottas fra støy og lavhastighetsmål.

Moderne marinefartøyer er ofte konstruert for å gjøre dem mindre enkelt å detektere for fiendtlige styrker. Den høye effekten som kommer fra konvensjonelle radarer kan imidlertid relativt enkelt detekteres av andre fartøyer og er på denne måten en ulempe når et fartøy har behov for å forbli uobservert.

Selv om amplituden til den utsendte radarenergien kan reduseres, medfører dette en tilsvarende reduksjon i den effektive rekkevidden til utrustningen, og er derfor vanligvis ikke mulig. Pulsens amplitude kunne reduseres og dens energi opprettholdes ved å øke pulsens lengde. Problemet med lange pulser er imidlertid at det ikke er mulig å detektere nærliggende mål, fordi retursignalet som dannes av nærliggende mål vil mottas mens signalet sendes.

Det er en målsetting med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe alternative radaranordninger. Foreliggende oppfinnelsen fremgår av de selvstendige krav 1 og 17.

I henhold til ett aspekt ved den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringes det radaranordninger av ovenfor spesifiserte type, karakterisert ved at hver gruppe med energipulser innbefatter minst to pulser av ulik lengde, der den korteste pulsen muliggjør deteksjon av nærliggende mål og den lengste pulsen muliggjør deteksjon av mål i større avstand, og at pulsene med ulik lengde kodes forskjellig.

Fortrinnsvis innbefatter hver gruppe av pulser tre pulser, der hver av det tre pulsene har ulik bredde. Pulsene kan ha bredder på omtrent 0,1 µS, 5 µS eller 33 µS. Pulsene i hver gruppe har fortrinnsvis den samme amplituden. Radaranordningen er fortrinnsvis innrettet slik at pulsene komprimeres ved mottak. Pulsene blir fortrinnsvis kodet med frekvenskoding, som for eksempel en ikke-lineær frekvensmodulasjon. Hver gruppe av pulser kan innbefatte tre pulser, der den korteste er et kontinuerlig bølgesignal og de andre to har en frekvensmodulert chirp, der den ene er en oppover-chirp og den andre en nedover-chirp. Anordningens utgangseffekt kan være omtrent 190 W.

I henhold til et annet aspekt ved den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for å detektere mål, innbefattende trinnene med å sende en serie av pulser med radarenergi mot målene, og å motta radarenergi som reflekteres fra målene, karakterisert ved at serien av pulser innbefatter minst to pulser med ulik bredde, der den korteste pulsen egner seg til bruk i forbindelse med deteksjon av mål i nærheten, og der de lengre pulsene er egnet til bruk med deteksjon av mål i større avstand, og at de to pulsene er kodet forskjellig fra hverandre.

Marin radaranordning og dennes bruksmåte i henhold til den foreliggende oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i eksempelform, med referanse til den tilhørende tegningen der:

figur 1 er et skjematisk blokkdiagram av anordningen;

figur 2 illustrerer det sendte pulsmønsteret; og

figur 3 er et blokkdiagram av signalprosesseringen som blir utført i anordningen.

Anordningen innbefatter en konvensjonell radarantenne 1, som for eksempel en Kelvin Hughes LPA-A1. En bølgeformgenerator 2, som for eksempel å ta i bruk en direkte digital synteseanordning, kontrolleres av en overordnet oscillator- og timing-innretning 3 for å danne en ramme eller gruppe av pulser, som er den samme uansett rotasjonshastigheten til antenne 1 eller anordningens rekkeviddeinnstilling. Rammen, eller gruppen av pulser, repeteres kontinuerlig og innbefatter tre pulsrepetisjonsintervaller A, B og C, som vist i figur 2, men ikke i riktig målestokk. Pulsene A, B og C har samme amplitude men har ulike bredder eller lengder. Kun som et eksempel kunne puls A ha en lengde på 0,1 µS, puls B kunne ha en lengde på 5 µS og puls C kunne ha en lengde på 33 µS. Avstanden mellom pulsene A og B, og B og C, avhenger av radarens rekkevidde. Når bølgeformgenerator 2 mottar en trigger fra oscillator og tidskontrollinnretning 3, produserer den enten en smal puls med et portstyrt kontinuerlig bølgesignal eller en puls som inneholder en frekvensmodulert chirp med en sveipebåndbredde på omtrent 20 MHz. Den korteste pulsen A er et enkelt portstyrt CW-signal; den lengste av pulsene B og C inneholder den frekvensmodulerte chirpen, der én puls har en oppover-chirp og den andre har en nedover-chirp. På denne måten er de tre ulike pulsene A, B og C kodet forskjellig, slik at de kan adskilles fra hverandre ved mottak, der den korteste pulsen er kodet med fravær av chirp. FM-chirpen som er anvendt på de to lengre pulsene innenfor en ramme, er unike både i lengde og i koding.

Pulsene som dannes av bølgeformgenerator 2 er koherent pulsede klynger med lav effekt og med en mellomfrekvens på 60 MHz. Disse blir så tilført en mikser 4 med signaler fra en andre oscillator 5 for å omsettes til en radiofrekvens på mellom 2,9 og 3,1 GHz, som for eksempel 3,05 GHz. Laveffekt RF-utgangen til mikseren 4 blir ført til en flertrinns effektforsterker 6 for å danne en utgangseffekt på omtrent 190 W.

Utgangen fra forsterkeren 6 blir koblet til en dupleksinnretning 7 og føres derfra til det roterende tilkoblingspunktet 8 på antenne 1 for utsendelse.

I løpet av mottakstilstanden er forsterkeren 6 skrudd av for å hindre lekkasje. Signaler mottatt av antenne 1 passerer via dupleksinnretningen 7 til en lavstøymottager 8. På inngangsdelen til mottager 8 beskytter en halvleder-mottagerbeskyttelse 9 mottageren mot høyenergisignaler, som enten kan komme inn under sending eller fra eksterne strålekilder. Den lineære dynamiske rekkevidden til den overordnede mottageren 8 er fortrinnsvis 65 dB eller større. Dette dynamiske området blir økt av en følsom tidskontroll-innretning (STC) 10 umiddelbart etter mottageren 8, og realiseres med en svitsjet demper under kontroll av tidskontroll-innretningen 3. RF-signalene fra STC-en 10 går videre til en andre mikser 11, der de blir frekvensomformet til en mellomfrekvens på 60 MHz. IF-signalene blir tilført via et begrensnings- og båndbreddefilter 12 til en analog-til-digital-omformer 13, som samtidig digitaliserer og omsetter signalene til en IF på 20 MHz. Utgangen fra A/D-omformeren 13, blir ført til en signalprosessor 20 som vist i figur 3.

Som det vil forstås kan blokkene som representeres i figur 3 enten representere diskrete innretninger eller trinn i programmering. Det punktprøvede signalet fra A/D-omformeren 13 blir omformet til basebånd av en I/Q-splitterblokk 21, som utfører funksjonen som normalt assosieres med analog miksing og lavpassfiltrering. Fordi signalet nå er i basebånd, er punktprøvehyppigheten redusert innenfor blokken 21 med en faktor på to, til 40 MS/s. Innretningen 22 utfører pulskompresjon på punktprøvene som er mottatt fra mediet og lange pulser B og C, og utfører lavpassfiltrering på de korte pulsene. Pulskompresjon og lavpassfiltrering blir fortrinnsvis utført i frekvensdomenet ved å ta en fouriertransform av punktprøvene som er mottatt i løpet av pulsrepetisjonsintervallene, multiplisere det transformerte signalet med et lagret, forhåndskalkulert sett av vekter og så inverstransformere produktet tilbake til tidsdomenet. Punktprøvingshastigheten blir så ytterligere redusert med en faktor to, til 20 MS/s, med en desimeringsblokk 23. Derfra passerer signalet til en doppler-filterbank 24 som innbefatter en bank av båndpassfiltre, som dekker og deler opp den utvetydige målhastigheten i N kanaler, der N er antallet pulser som integrert henger sammen.

Doppler-filterbanken 24 dannes ved å omforme signalpunktprøvene som er samlet fra en rekke med celler i løpet av pulsklynge til frekvensdomenet ved å bruke en vektet fouriertransform. Utgangen av hver filterbank passerer så gjennom en CFAR (constant false alarm rate - ”konstant falsk alarm hyppighet") -prosess 25 før den ledes videre til en terskelinnretning 26 der signalene sammenlignes med en terskel og identifiseres som detekterte mål for tilførsel til en utnyttelsesform som for eksempel en visningsskjerm, på sedvanlig måte. Dopplerinformasjonen gjør det mulig for mål i ulike hastigheter å bli identifisert og derigjennom å hjelpe til å skjelne målinformasjon fra virvar fra nevnte sjø og regn, hvilket vil bli identifisert som å være stasjonær. Den iboende oppførselen til systemet gjør det videre mulig å redusere støy.

Anordningen som er beskrevet ovenfor gjør bruk av vesentlig mindre effekt enn det som har vært mulig tidligere, på grunn av den reduserte rekkevidden dette normalt medfører. Effekten fra en konvensjonell marin radar er typisk omtrent 30 kW sammenlignet med den til den foreliggende oppfinnelsen, som kan være rundt 190 W. Den lave effekten som benyttes reduserer risikoen for deteksjon av fartøyet som medbringer radaren fra fiendtlige krefter. Den foreliggende oppfinnelsens anordning muliggjør pålitelig operasjon ved lav effekt og lang rekkevidde ved å tilveiebringe energipulser som er lengre enn tidligere benyttet, som for eksempel opp til omtrent 22 µS, sammenlignet med konvensjonell radar som anvender relativt korte pulser på rundt 50 nS. I den hensikt å overvinne problemet med lengre pulser, som hindrer deteksjon i kortere avstand, frembringer det foreliggende arrangementet pulser av kortere varighet, i tillegg til de lengre pulsene. Selv om et system som tar i bruk pulser av kun to ulike lengder (en kort og en lang) ville hatt en viss fordel, har man funnet ut at det er bedre å benytte tre ulike pulslengder: kort, medium og lang, i den hensikt å tilveiebringe pålitelig deteksjon av mål i midlere område. Ved å kode pulsene er det mulig å korrelere de returnerte signalene med deres koding og derigjennom å redusere virkningen av interferens; dette muliggjør også en reduksjon av deteksjonen av ekkoer som mottas fra mål utenfor den vanlige rekkevidden.

Det vil forstås at den relative lengden av pulsene kan varieres og at ulike former for koding kunne anvendes, som for eksempel støykoding eller barkerkoder.

Claims

Patentkrav

1. Marinradaranordning som omfatter middel for å generere Dopplerinformasjon (24) for å gjøre det mulig å identifisere mål med ulik hastighet, der anordningen er anordnet til å forplante kontinuerlig repeterende grupper av pulser med energi mot mål og for å motta grupper av pulser med energi reflektert tilbake av målene,

k a r a k t e r i s e r t v e d at hver gruppe med energipulser innbefatter tre pulser (A, B, C) med ulike bredder, der den korteste pulsen (A) gjør det mulig å detektere mål i kort avstand og de lengre pulsene (B, C) gjør det mulig å detektere mål i større avstand, der pulsene med ulik lengde blir kodet forskjellig i forhold til hverandre.

2. Radaranordning ifølge krav 1, for å fremvise signaler fra mindre marine mål inkludert bøyer, fritidsbåter og raske angrepsfarkoster.

3. Radaranordning ifølge krav 1 eller 2, hvori hver gruppe av pulsene har pulsbredder mellom 0,1 µS og 33 µS.

4. Marinradaranordning ifølge et hvilket som helst tidligere krav, hvori den korte pulsen (A) har bredder på omtrent 0,1 µS.

5. Marinradaranordning ifølge et hvilket som helst tidligere krav, hvori den lengre pulsen (C) har bredder på omtrent 33 µS.

6. Marinradaranordning ifølge et hvilket som helst tidligere krav, hvori anordningen omfatter en signalprosessor som generer Dopplerinformasjon.

7. Marinradaranordning ifølge krav 6, hvori signalprosessoren omfatter en Doppler-filterbank.

8. Marinradaranordning ifølge krav 7, hvori Doppler-filterbanken omfatter en bank av båndpassfiltere.

9. Marinradaranordning ifølge krav 6 eller 7, hvori signalprosessoren videre omfatter en I/Q-splitterblokk, en pulskompressor, og en desimeringsblokk.

10. Marinradaranordning ifølge et hvilket som helst tidligere krav, hvori de lengre pulsene (B, C) er frekvenskodet.

11. Marinradaranordning ifølge krav 6, hvori de lengre pulsene (B, C) er frekvenskodet med en ikke-lineær frekvensmodulasjon.

12. Marinradaranordning ifølge et hvilket som helst tidligere krav, hvori den korteste pulsen (A) er et kontinuerlig bølgesignal og de andre to pulsene (B, C) har en frekvensmodulert chirp, der den ene er en oppover-chirp og den andre er en nedoverchirp.

13. Marinradaranordning ifølge et hvilket som helst tidligere krav, der anordningen er innrettet for utsendelse av de to lengre pulsene (B, C) i hver gruppe har samme amplitude.

14. Marinradaranordning ifølge et hvilket som helst tidligere krav, der pulsene (A, B, C) i hver gruppe har samme amplitude.

15. Marinradaranordning ifølge et hvilket som helst tidligere krav, for anvendelse på en farkost, hvor anordningen har en lav effektutgang for å redusere risikoen for deteksjon av farkosten som innehar radaranordningen.

16. Marinradaranordning til et marinefartøy i henhold til et hvilket som helst av de tidligere kravene, der anordningen omfatter en effektutgang på omtrent 190W.

17. Fremgangsmåte for deteksjon av marine mål innbefattende trinnene med å sende kontinuerlig repeterende grupper av pulser mot mål og å motta radarenergi reflektert fra målene,

k a r a k t e r i s e r t v e d at

gruppe av pulser innbefatter tre pulser (A, B, C) med ulike bredder med ulik avstand mellom hver av pulsene,

den korteste pulsen (A) muliggjør deteksjon av mål i kortere avstand og de lengste pulsene (B, C) muliggjør deteksjon av mål i lengre avstand, hvori de ulike lengdene

pulsene er kodet forskjellig fra hverandre, og omfatter videre trinnet å prosessere de mottatte signal og generere Dopplerinformasjon (24) for å muliggjøre identifisering av mål med ulik hastighet.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, for å motta reflektert radarenergi fra mindre marine mål inkludert bøyer, fritidsbåter og raske angrepsfarkoster.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 17 eller 18, omfatter trinnet å generere og sende en gruppe av pulser som har pulsbredde mellom 0,1 µS og 33 µS.

20. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst tidligere krav, der fremgangsmåten omfatter trinnet med å prosessere mottatt signal med en Doppler-filterbank.

21. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst tidligere krav, der de lengre pulsene (B, C) er frekvenskodet.

22. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst tidligere krav, der de lengre pulsene (B, C) er frekvenskodet med en ikke-lineær frekvensmodulasjon.

23. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst tidligere krav, der den korteste pulsen (A) er et kontinuerlig bølgesignal ogde andre to pulsene (B, C) har en frekvensmodulert chirp, der den ene er en oppover-chirp og den andre er en nedover-chirp.