TWI331225B - Radar, method of radar processing, and method of processing radar signals in a radar - Google Patents

Description

1331225 η) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明大致關係於雷達，更明確地說，有關於具有多 數天線的雷達系統。 【先前技術】 . 於雷達系統技術領域中，持續需要對較小剖面及較長 範圍目標有較佳的處理能力。過去，此需要係藉由發展更 j 大及更靈敏（因此更高成本）雷達加以完成。 【發明內容〕 本發明特徵在於一組合多重雷達，以增加靈敏度及範 圍的技術。 因此’於一態樣中’雷達處理方法包含：在目標方向 中’由第一雷達天線發射第一信號波束；在目標方向中， 由第二雷達天線發射第二信號；在第一及第二雷達，接收 · 來自第一信號波束的回音信號，在第一及第二雷達，接收 來自第二信號波束的回音信號；處理在第一雷達所接收的 回音信號’以產生第一雷達處理回音信號；處理在第二雷 達所接收之回音信號，以產生第二雷達處理回音信號；及 - 組合第一及第二雷達處理回音信號，以形成一聚合値。 ^ 本發明之特定實施例可以提供一或多數以下優點。 本發明針對處理未來出現的較小剖面及較長範圍目標，增 加範圍及靈敏度的需要，而在短期中，不必建立大雷達。 -5 - (2) (2)1331225 所增加之靈敏度係輯由組合具有小修正之多數低靈敏度' 低成本雷達加以完成，以完成較高靈敏度及增加之範圍。 本發明之特性及優點將由以下詳細說明及申請專利範 圍加以了解。 【實施方式】 相同參考數將用以表示相似元件。 參考第1圖，顯示一組合雷達以完成加強能力，特別 是增加範圍與靈敏度的多重雷達組合系統1 0。系統1 0包 含在所示實施例中爲兩雷達12a及12b的多重雷達】2。 於此雷達12b爲“主機”，但角色也可以相反。雷達12a及 12b均包含一發射器，其分別被顯示爲發射器Ma及]4b 。發射器]4 a及1 4 b的輸出被輸送至個別天線]6 a及1 6 b ，用以以朝向目標（以參考數1 8表示）的發射波束的形 式發射。於所示實施例中=天線1 6 a、1 6 b爲旋轉天線； 然而一固定式天線也可以使用。天線1 6a、1 6b收集來自 目標的回音信號，及回音信號（其可以被組合爲單脈衝接 收信號）被個別接收器20a ' 20b所處理，以檢測目標的 出現，並決定其位置的範圍與角度。於雷達12a中’—連 接至發射器14a '接收器20a及天線1“的雙工器22a允 許天線以分時爲基礎被使用發射及接收。連接至發射器 I4b、接收器20b及天線16b的雙工器22b提供（與雙工 器2 2 a )相同的功能給雷達1 2 b。 仍參考第】圖，接收器2 0 a及2 0 b分別包含一低雜訊 (3) (3)1331225 放大器（LNA ) 23a及LNA23b。（接收器20a之） LNA23a被連接至一降頻轉換器24a-]及24a-2，及（接收 器20b之）LNA23b係連接至一降頻轉換器24b-l及24b-2。降頻轉換器24a-I、24a-2、24b-l及24b-2(統稱降頻 轉換器2 4 )執行RF至IF轉換。每—接收器包含—接收 激勵器（REX) ’在接收器20a中爲REX25a及在接收器 20b中爲REX25b。主機雷達12b之REX25b.(主機REX) 提供兩發射載波頻率fi及5，與其調變，及本地振盪信 號LCh及L〇2( —起以參考數26表示）給雷達〗2a及 12b。於所示例子中，雷達12b服務主機雷達，雷達]2a 的REX25a呈“旁路”模式’即，其並不操作爲rex，但僅 在雷達12a內分佈爲REX25b所產生的信號。於接收器 20a中’降頻轉換器24a-l及降頻轉換器24a-2係分別被 連接至一信號處理機27a-l及信號處理機27a-2。於接收 器20b中，降頻轉換器24b-]及降頻轉換器24b-2分別連 接至一信號處理機27b-l及信號處理機27b-2。信號處理 機2 7a-I ' 27a-2、27b-l及27b-2 (統稱信號處理27 )執 行濾波、可能包含脈衝壓縮濾波。信號處理機2 7更連接 至波封檢測器，更明確地說，信號處理機2 7 a ·]及信號處 理機27a-2係分別被連接至波封檢測器28a_】與波封檢測 器28a-2’而信號處理機27b-l與信號處理機27b-2係分 別連接至波封檢測器28b-]及波封檢測器28 b-2。四個波 封檢測信號係爲一組合器3 0所加入（視訊整合）並傳送 至一用於檢測的臨限檢測器3 2。臨限檢測器3 2連接並提 -7 - (4) 1331225 供檢測資訊給其他傳統雷達系統元件，例如所示之 3 4及顯示器3 6。 如上所示，系統1 0組合雷達]2 a '] 2 b的接收 以完成較大靈敏度增益及增加之範圍。配合第1圖 第2圖，予以組合之雷達12a '] 2b係定位爲彼此 近。（分別於雷達12a及I2b之）天線16a及天線 相位中心係被分隔開距離“D”。距離D爲一彈性參 於D的小値可以選擇，以簡化回音信號的處理。 大距離，則可能需要延遲，使得回音信號可以在處 正確地加在一起（在一脈衝寬度的分數內）。同時 用連貝整合（f I = f 2 )’則當在兩雷達間有太大間隔 涉波瓣的影響變成一考量。若距離D爲略大於天結 寬度，則當在接收處使用同調組合（如下所討 ，形成一大千涉基線，其結果將於部份例子中，改 準確度一數量級。 再次參考第1圖，多重雷達的天線旋轉係爲一 伺服機37b (於雷達12b中）至方位伺服機37a ( ]2 a中）所提供的同步信號所同步化，使得雷達的 相同方向監看在波寬的分數之內。雷達標稱地在同 發射相同發射信號波束（對於雷達12a及12b分別 4〇及42)。然而，波束也可以不同。載波頻率 不同，其中使用不同調發射操作及不同調接收組合 要對於所有信號有同調發射操作及同調接收組合， 所述，載波頻率h及f2將會相同。當載波頻率fj 追蹤器 信號， ，參考 相當接 1 6b的 數。用 若選擇 理時， ，若使 ，則干 I 16的 論）時 良角度 由方位 於雷達 波束在 一時間 爲波束 及ί2係 。若想 則如後 曼『2不 -8- (5) (5)1331225 同時，它們可以足夠地不同，使得它們並不會彼此干擾， 並可以在雷達接收器中彼此分離，同時，也足夠接近以允 許用於相位陣列天線的相同相位移命令。同時，它們可以 足夠地不同以提供頻率多樣性，即回音振幅然後被獨立在 兩頻率上。另外，使用不同載波頻率也協助避免干涉波瓣 ，這在搜尋時所不想要的（並且如果雷達分離太遠，也不 適用於追蹤）。來自兩雷達的發射信號之回音係爲兩雷達 所接收。 第2圖顯示用於兩雷達的回音信號的路徑。仍參考第 1及2圖，來自雷達1 2a之天線所發射向目標1 8之發射 波束的回音在雷達12a被接收，如同參考數50a所表示（ 回音信號eu)，並在雷達I2b所接收並以參考數50b表 示（回音信號e12)。同樣地，來自雷達12b之發射信號 的回音在雷達12b接收，如參考數5 2a所表示（回音信號 e2i)，並在雷達 12b接收，如參考數52b所表示（回音 信號e22)。四個回音50a、50b' 52a、52b在適當信號處 理機2 7中被脈衝壓縮及脈衝都卜勒處理（若適當的話） ，以產生處理之回首信號s!]54a、 s]254b、 S2i56a、 S2256b ，如於第】圖所示。四個已處理回音然後被波封檢測及視 訊整合，以分別產生視訊整合信號v , , 5 7 a、v , 2 5 7 b、 V2〗5 8 a、V” 5 8 b。這四個信號被組合，以產生—聚合値5 9 。可以由圖看出’雷達]2a之接收器處理信號50a及 ei252a，以分別產生V]157a及v2l58a，而雷達12b之接收 器處理信號e"50b' e2252b，以分別產生V|257b& v2258b (6) (6)1331225 於第1圖所示之實施例中，四個回音被不同調地組合 於雷達接收器中。也可以使用其他技術組合回音信號。一 例子被顯示於第3圖中。參考第3圖，接收器的組合器 3〇被適當地適用以允許具有相同載波頻率之處理信號， 例如S ,】及S , 2被同調地相加。因此，S , !及s , 2可以爲第 一加法器6 0 a所同調地相加，及S 2,及S 2 2可以爲第二加 法器 6 0 b所同調地相加。所得和信號s , ! + s ! 2 ( S ,)及 S2i + s22(S2)均可以爲個別之波封檢測器62a、62b所波 封檢測。波封檢測値v】及v 2係被第三加法器6 0 c所組合 ’以形成最終聚合値5 9。 —般而言，對於搜尋模式，可以發現，上述參考第3 圖所述之同調類型加法對視訊整合（不同調）之檢測力並 未提供重大之改良。這是因爲已處理回音信號SlI及s12( 及s 2 1及S 2 2 )的相位爲未知，因此，如後述，信號必須以 一排具有不同相對相位移的加法器相加。對於追蹤模式， 同調加法可以提供較佳SNR » 當載波頻率^及f2相等時，已處理回音信號可以使 用不同技術加以組合。例如，四個已處理回音信號可以同 調地組合（追蹤模式），或使用同調及不同調整合（追蹤 或搜尋模式）。當f 1 = f 2時，也必要令每一雷達有一混波 器。如第1圖所示之實施例中，對於，可以只使用 —對混波器，例如24a-]及24b-](或者，24a-2及24b-2 )。如後所討論，f,將被設定等於f2，大致上只用於追蹤 -10 - (7) (7)1331225 模式。 使用同調整合之可能優點爲對追蹤模式，提供改良之 靈敏度（約另—3dB至約9dB )。因爲當來自雷達12a及 12b的信號被同時發射’對於f,=f2，在目標造成來自雷達 12a及12b的波束之同調加法，所以實現了改良之靈敏度 。在發射端產生一干涉圖案。若兩雷達的相位中心並未知 道爲波長的分數，則將需要來自雷達12a及12b之信號的 一個以上之同時發射，以在每一發射之信號間有不同的相 對相位移’以確保在目標的同調加法（換句話說，確保目 標接近發射干涉峰的峰値）。將試第一個0度相對相位移 。若未檢測出目標（或SNR並未如期待），則將使用一 180度的相位移。若目標仍未檢出（或SNR未足夠大）， 則將可使用90度的相位移，隨後，最後，以2 7 0度的相 對相位移。 在接收端，因爲離開雷達1 2 a及]2 b之信號的相位一 般爲未知的，所以同調組合將使用一排並聯通道加以執行 ，每一通道將兩信號與一不同相對相位移相加。例如，可 使用八相位移，以每4 5度爲步階，由0度移至3 1 5度。 在接收端之最佳相對相位移由八個可能相位移找出後，信 號可以以更小相位步階加以再處理，以決定哪一個給出最 佳SNR，以最後在追蹤模式的一雷達中，取得在SNR中 之9 d B的改良。 若兩雷達的相位中心已知爲波長的一分數，則將不必 用具有不同相位移的多重傳輸，以自兩雷達取得並在目標 -11 - (8) 1331225 同調相加，即在目標上輸出一發射干涉波瓣。相反 要以在目標上發射及接收之干涉波瓣的相位移將由 置的知識而決定爲波束寬的一分數。目標角度決定 自操作於h # f2的雷達之一般單脈衝通道所取得。 子中，雷達12a及12b之標準單脈衝輸出將以相同 用於和信號輸出的方式加以處理（參考第3圖）， 是評估目標角度。若藉由使用由單脈衝量測所取得 及接收上之啓始相位移，則發射及接收端的同調加 進一步加以改良然後，搜尋發射及接收之更佳相位 以f! = f 2，有可能藉由在時間上依序發射來自雪 及1 2 b之信號，以在發射或接收上時間不重疊，而 發射上具有干涉圖案。當在接收上適當延遲時，回 然可以同調地相加。依序發射免除了在每一雷達上 接收器的情形。以本技術所完成在靈敏度上之改良 〇 一旦目標被檢出，則可能很準確地評估目標方 或仰角）。對於，可能決定目標位置的角度 收干涉波瓣寬度的一分數。此決定可以藉由量測S 於S】2的相位，同樣地，S 2 !對S 2 2的相位加以決定 這些相位提供目標角的很準確評估，明確地說至接 波瓣寬度的一分數，其係遠窄於每一雷達波束的寬 關於目標所在哪一波瓣的含糊度係藉由使用以上述 所取得之一般單脈衝量測加以免除。 對於f 1 = G，藉由量測由接收器2 2 a及2 2 b離 地，需 目標位 係由來 於此例 於上述 但現在 在發射 法可以 移。 『達12a 避免在 音信號 需要兩 約 6 d B 位角（ *爲接 j >相對 。知道 收干涉 度。有 f| # f2 開之信 -12 - (9) (9)1331225 號間之相位，而無關於是否該等信號係同時或依序由雷達 1 2a及1 2b發射’而可以準確地評估目標角。 雷達]2a及12b之其他實施法也是可能的。雖然第1 圖之方塊圖傾向於槪念上’但其描述雷達]2a' l2b之所 有類比實施法。然而，可以了解的是，雷達接收器可以被 設計用於數位信號處理，如同第4圖所示。 現參考第4圖，系統1 0包含一數位信號處理機70， 其接收來自每一降頻轉換器24的回音信號。於第4圖之 例示數位處理實施法中，信號對應於同相（I )及正交（Q )通道。數位信號處理機7 0以數位方式，執行如第1圖 所繪之系統1 0的單元2 7、2 8及3 0單元所執行之功能。 數位信號處理機7 0的輸出，即聚合値可以如前地提供給 臨限檢測器3 2。 雖然如同單元27' 28及30的數位信號處理機70可 以與雷達12a及12b分離’及此電路可以內藏在雷達之— 或兩雷達中。若包含在兩雷達中，則在操作時，只使用在 —雷達中之數位處理機7 0操作爲主機。臨限檢測3 2 '追 縱器34及顯示器36也可以適用。於第4圖中，如第I圖 般’雷達12b作爲主機。可能存在於雷達12a中之數位信 號處理 '臨限檢測、追蹤及顯示能力爲了簡化圖式，已經 加以省略。 雖然在第1及4圖之系統例中只有兩雷達，但可以了 解的是’其中加入多重雷達組合槪念也可以延伸至兩個以 上之雷達。同時，雷達]2a、12b雖然被說明爲旋轉雷達 -13 - (10) (10)1331225 ，但於此所述之技術同時也適用至非旋轉之相位陣列。 第5圖顯示一表，提供組合兩雷達的不同技術之信雜 比（SNR)靈敏度改良（以dB表示）。對於非起伏目標 ，組合雷達的靈敏度增益（相對於單一雷達）不管是使用 同調或不同調整合（於發射及/或接收端）用於搜尋約 6dB。對於追蹤模式，當在發射使用同調整合及兩雷達都 有相同頻率（即f, =f2 )時，在目標上之信號強度係大於 3dB，使得對於9dB的總增益，SNR是3dB大於單目標者 〇 對於起伏目標（Swernngll型），假設如上述組合之 兩雷達使用足夠不同之載波頻率，以提供頻率多樣性。對 於90 %之單看Pd，在靈敏度之所得增加爲8.7dB優於不 使用頻率多樣性之單一雷達者。 其他實施例仍在以下申請專利範圍內。 【圖式簡單說明】 第]圖爲多重雷達組合系統之方塊圖。 第2圖爲多重雷達組合系統的槪念圖，其顯示發射信 號波束及用於兩雷達的對應回音信號的路徑。 第3圖爲系統的一部份方塊圖，以同調地組合相同載 波頻率的回音信號及組合使用視訊整合的結果（不同載波 頻率）。 第4圖爲多重雷達組合系統之例示數位實施法方塊圖 -14 - (11) (11)1331225 第5圖爲一表，顯示基於組合兩雷達的不同技術之用 以搜尋及追蹤模式的靈敏度改良。 【主要元件符號說明〕 10 多重雷達組合系統 12 多重雷達 1 2 a，b 雷達 14a. b 發射器 ]6 a. b 天線 ]8 目標 2 0 a，b 接收器 22a, b 雙工器 23a, b 低雜訊放大器 24a-1 > 24a-2 降頻轉換器 2 4 b - a > 2 4 b - 2 降頻轉換器 25a: b 接收器激勵器 2 6 本地振盪信號 27a-1 ， 27a-2 信號處理機 2 7b-1，2 7b-2 信號處理機 2 8 a - 1，2 8 a - 2 波封檢測器 28b-] ， 28b-2 波封檢測器 3 0 組合器 3 2 臨限檢測器 3 4 追蹤器 -15- 1331225 (12) 3 6 顯 示 器 3 7a， b 方 位 伺 服 機 40 信 號 波 束 42 信 號 波 束 5 0a, b 回 音 信 號 5 2 a, b 回 音 信 號 54a， b 處 理 回 音 信 號 5 6a. b 處 理 回 音 信 號 5 7a: b 視 訊 整 合 信 號 5 8 a， b 視 訊 整 合 信 號 5 9 聚 合 値 6 0a, b: c 加 法 □ □ 6 2 a . b 波 封 檢 測 器 7 0 數 位 信 號 處 理機

Claims (1)

1331225 十、申請專利範圍 附件5: 第93 1 3 0273號專利申請案 中文申請專利範圍替，本―一―. 民^冶年眉2序！2修·(更藤革 1. 一種雷達處理的方法，包含步、驟: 由第一雷達的天線，朝目標方向發射第一信號波束； 由第二雷達的天線，朝目標方向發射第二信號波束； 在第一及第二雷達，接收來自第一信號波束的多數回 音信號； 在第一及第二雷達，接收來自第二信號波束的多數回 音信號； 處理在第一雷達所接收之多數回音信號，以產生多數 第一雷達處理回音信號； 處理在第二雷達所接收之多數回音信號，以產生多數 第二雷達處理回音信號；及 在以臨限檢測器檢測到較未組合該第一與第二雷達處 理回音信號値所能完成者爲大的信雜比（SNR)靈敏度之前 ，組合多數第一及第二雷達處理回音信號値，以形成一聚 合値。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等第一 及第二信號波束具有不同的個別第一及第二載波頻率。 3 .如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該組合步 驟包含不同調地組合所有第一及第二雷達處理回音信號。 4.如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該組合步 1331225 驟包含： 同調組合第一及第二雷達處理回音信號中具有第一載 波頻率者； 同調組合第一及第二雷達處理回音信號中具有第二載 波頻率者；及 不同調組合用於第一及第二載波頻率的同調組合的結 果。 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等第一 及第二信號波束具有相同之載波頻率。 6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該組合步 驟包含： 同調組合第一及第二雷達處理回音信號中，來自第一 信號波束者，以產生一第一結果； 同調組合第一及第二雷達處理回音信號中，來自第二 信號波束者，以產生一第二結果：及 同調組合第一及第二結果。 7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該組合步 驟包含： 同調組合第一及第二雷達處理回音信號中，來自第一 信號波束者，以產生一第一結果； 同調組合第一及第二雷達處理回音信號中，來自第二 信號波束者，以產生一第二結果；及 不同調組合第一及第二結果。 8 .如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該組合步 1331225 驟包含： 不同調組合第一及第二雷達處理回音信號中’來自第 一信號波束者，以產生一第一結果； 不同調組合第一及第二雷達處理回音信號中’來自第 二信號波束者，以產生一第二結果；及 不同調組合第一及第二結果。 9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第〜及 第二信號波束係於時間上，依序加以傳送。 10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等天 線爲同步旋轉天線。 1 1.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該等天 線包含非旋轉相位陣列。 12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含： 藉由量測來自該第一信號波束的該第一與第二雷達處 理回音信號間之相位以及量測來自該第二信號波束的該第 一與第二雷達處理回音信號間之相位，而評估該目標的角 度爲接收的干涉波瓣寬度的分數。 13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，對於 使用相同載波頻率的該第一與第二雷達的追蹤模式，當該 等信號波束被依序發射時，該組合提供信雜比靈敏度改良 ，及當該等信號波束被同時發射時，該組合提供較沒有該 組合所能完成者爲更高之信雜比靈敏度改良。 14. —種雷達，包含： 一發射器，提供信號至一天線，以朝目標方向，發射 -3- 1331225 一第一信號； 一接收器，接收來自該第一信號波束的回音信號及爲 第二雷達之第二天線所發射朝向目標方向之第二信號波束 的回音信號；及 電路，處理爲該接收器所接收之來自第一及第二信號 波束的回音信號，並在以臨限檢測器檢測到較未組合該第 一與第二雷達處理回音信號値所能完成者爲大的信雜比 (SNR)靈敏度之前，組合已處理回音信號與爲該第二雷達 之接收器所接收與所處理的來自第一及第二信號波束的回 音信號，以形成一聚合値。 15. 如申請專利範圍第14項所述之雷達，其中該電路 包含一數位信號處理機。 16. 如申請專利範圍第14項所述之雷達，其中該電路 包含類比電路。 17. 如申請專利範圍第14項所述之雷達，更包含電路 ，用以同步化天線與第二雷達天線的旋轉。 18. 如申請專利範圍第14項所述之雷達，其中該第一 及第二信號波束具有不同之個別第一與第二載波頻率。 1 9 .如申請專利範圍第1 8項所述之雷達，其中該電路 使用不同調整合，以組合已處理之回音信號。 20. 如申請專利範圍第18項所述之雷達，其中該電路 使用同調與不同調整合，以組合已處理之回音信號。 21. 如申請專利範圍第14項所述之雷達，其中該第一 與第二信號波束具有相同之個別第一與第二載波頻率。 -4- 1331225 22. 如申請專利範圍第21項所述之雷達，其中該電路 使用同調整合來組合已處理的回音信號。 23. 如申請專利範圍第21項所述之雷達，其中該電路 使用不同調整合’來組合已處理的回音信號。 24. 如申請專利範圍第21項所述之雷達，其中該電路 使用同調及不同調整合，來組合已處理的回音信號。 25. 如申請專利範圍第14項所述之雷達，其中，對於 使用相同載波頻率的該第一與第二雷達的追蹤模式，當該 等信號波束被依序發射時，該組合提供信雜比靈敏度改良 ’及當該等信號波束被同時發射時，該組合提供較沒有該 組合時所能完成者爲高之信雜比靈敏度改良。 26· —種在雷達處理雷達信號的方法，包含： 傳送信號至一天線，以朝目標方向，發射第一信號波 束； 接收來自該第一信號波束的回音信號與爲第二雷達之 第二天線所發射朝向目標方向的第二信號波束的回音信號 ， 處理來自該第一與第二信號波束的該等回音信號；及 在以臨限檢測器檢測到較未組合該第一與第二雷達處 理回音信號値所能完成者爲大的信雜比（SNR)靈敏度之前 ，組合該已處理回音信號與已經爲該第二雷達接收器所接 收與處理之來自第一及第二信號波束的回音信號，以形成 一予以提供給臨限檢測器的聚合値。