CN1184570A - 辅助监视雷达 - Google Patents

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Abstract

一种辅助监视雷达,比如一种S－方式雷达,拥有这样一个可控的功率源,其中由一个功率分配器(11)从一个源(6)获得第一和第二同相射频信号,并且一个移相器(32)选择性地调节这两个信号的相对相位,使得经诸主放大器(21、22)放大及功率合成器(23)合并之后,所得的功率电平能被移相器(32)所产生的相移控制。

Description

辅助监视雷达
本发明涉及一种辅助监视雷达，并且对于决定飞机的位置与标识的S-方式雷达具有特殊的但不专有的应用。
在主雷达系统中，从天线发射的雷达信号被若干远程目标比如飞机反射以产生回波。与天线连接的接收机处理诸回波以决定诸目标的距离和方位。在一部辅助雷达中，诸目标比如飞机的标识是利用每架飞机上的应答器(transponder)确定的，这些应答器受到所发射的雷达信号的询问。例如，常规地将辅助监视雷达(SSR)用来提供紧临的机场近域——典型地在100海里的半径——内的所有飞机的位置与标识的图形。地面雷达站，称为询问器，在1030MHz的射频上发射一个询问信号，该询问信号询问若干个这样的应答器，这些应答器在1090MHz射频上向询问器发射应答。
询问器借助于一种具有旋转定向方向图的天线发射射频能量，这种旋转定向方向图通常由一个机械旋转天线形成，但它可以包括静止的电子控制相控阵天线，它拥有宽仰角和窄方位角。根据询问器天线定向方向图的指向的知识，当它从飞机接收一个应答时，获得飞机的方位。此外，基于从询问器的发射到接收到应答结果之间的时间计算飞机的距离。因此，获得飞机的距离和方位。对于SSR技术的更完整的评述，可参考＂Radar Systems＂Paul.Lynn，Macmillan 1987，第6章，pp 109-119。
飞机的常规SSR应答器所提供的应答包含有限数量的数据，通常为飞机高度和它的本地标识。前不久，提出在被询问飞机与询问器之间引入一条更宽广的双向高容量数字数据链路，被称为S-方式，其中S表示＂选择性的＂。
国际民用航空组织(ICAO-International Civil AviationOrganisation)文件＂Aeronautical Telecommunications，Annex 10＂，第3.8节中定义了国际认同的辅助监视雷达标准技术特点。3.8.1节概括了常规SSR，而且3.8.1节概括了S-方式SSR。
根据以上所提及的标准，S-方式SSR包括两个主要特征。第一个特性允许给每个飞机应答器一个世界范围唯一的25比特的地址。因此，询问能针对一架特定的飞机且因而是选择性的，而飞机应答亦包含其唯一地址。该特征允许询问器对应答信号的信号处理得以增强。
第二个特征允许通常由甚高频声音通信在空中交通管制(Air TrafficControl)与领航员之间传送的大量数据的地对空及空对地的自动传输。这样，S-方式SSR中，地面与飞机之间的自动传输可以包含来自地面的飞行控制信息和本地天气形势的传输，以及来自空中的有关燃料储备、发动机性能和天气的数据的传输。
另外，一部SSR，尤其是S-方式SSR的询问器，应具备在天线定向方向图的旋转周期内改变其发射功率的能力。询问距离是所发射雷达信号的功率的函数，于是通过改变功率，就距离而论系统可以是选择性的。所要求的功率变化典型地是这样一个范围，即以2dB为增量，自最大发射功率起12dB的范围。每个功率电平的设定精度典型地是±1dB，而任何功率电平之间的转换时间典型地在10至50微秒范围内。
迄今为止，实现SSR的有效、快速功率转换仍是困难的，而本发明对这个问题提供解决方法。
根据本发明提供这样一种辅助监视雷达，它包含：用以发射用于询问远程目标上的应答器的雷达信号的发射机装置：用以从目标上的被询问的应答器接收答复的接收机装置；以及一个用于为发射机装置产生射频信号的可控功率源，它包括用于产生具有预定相位关系的第一和第二射频信号的装置；用于选择性地设定第一和第二信号之间的相位关系的相位设定装置；用以分别放大第一和第二信号的第一和第二功率放大器装置；以及用以合并诸功率放大器装置所放大的第一和第二信号从而提供这样一个放大的射频输出信号的装置，该信号的功率依赖于由相位设定装置设定的相位关系。
借助于本发明，通过改变第一和第二信号的相位关系，有可能快速并精确地改变发射功率。这能借助于一个电子控制的移相器来完成。结果，根据本发明，能足够快速地控制发射功率以满足以上所提及的S-方式SSR的要求。
本发明也扩展至这样一种操作辅助监视雷达的方法，该方法包含：发射雷达信号以便询问若干远程目标上的诸应答器；从目标上的被询问的诸应答器接收答复；以及控制发射机装置所产生的诸信号的功率，包括产生第一和第二射频信号；选择性地设定第一与第二信号之间的相位关系，分别放大第一和第二信号；合并功率放大器装置所放大的第一和第二信号，从而提供一个功率依赖于所设定的相位关系的放大的射频输出信号；以及将该输出信号馈送至发射装置。
为使本发明可被更充分地理解，现将参看若干个附图以示例方式描述一个实施方式，附图中：
图1是根据本发明的被S-方式SSR询问的飞机的示意图；
图2是根据本发明的一个S-方式SSR的电路的示意方框图；以及
图3是描述图2所示的第一和第二通道的相位矢量V的矢量图。
参看图1，地面的S-方式SSR询问器1装有这样一付旋转天线2，该天线发射雷达信号3以询问飞机比如飞机4上的诸应答器。天线2还用于接收来自诸被询问应答器的答复5，这些答复传送至询问器1中的一个接收机。询问器典型地通过一条地面线路与控制台(未示出)连接。
使用中，天线2拥有这样一个定向方向图，该天线旋转，并且在图1所示的实施方式中，该天线是一个机械旋转阵列。然而，将被理解的是，亦可利用电子可导控(steerable)静止阵列。图1所示的系统利用单脉冲发射技术。利用两种波束，包括产生一般通称为和方向图的方向图的主波束与这样一种进一步的波束，这种波束产生一般通称为差方向图的方向图。和方向图包括一个安排在天线孔径视轴(boresight)上的主瓣而差方向图包括若干个对称布置在孔径视轴对面的旁瓣，该差方向图在其零点呈180度相位倒转。该方向图允许对飞机上的应答器的偏离孔径视轴方位进行精确估计，这是通过比较从两方向图所获得的信号的幅度与相位来实现的。至于更详尽解释，可参考以上的＂Radar Systems＂。
图2中显示用于给和天线波束的天线提供射频功率的诸电路。将被理解的是，如同在常规SSR中，也将提供无方向天线波束的一个相应电路，但为简明起见图2中它未被完整示出。
更详细地参看图2，可控功率源包含这样一个射频源与调制器电路6，该电路在1030MHz的射频产生一个连续波询问信号，该信号在监控与控制模块7的控制下被脉冲调制。该脉冲调制根据S-方式SSR协议用将要向飞机4传输的数据编码询问信号。在线路8上将脉冲调制输出提供至示于虚线框内的主驱动放大器电路9。主驱动放大器控制馈送向主波束的功率。调制器也在线路10上提供一个输出，该输出在提供无方向方向图时被用一个不同的数据流调制，且功率由类似于放大器9(未示出)的另一个驱动放大器控制。因为无方向方向图的电路类似于主波束方向图的诸电路，故将不进一步予以描述。
主驱动放大器9包括功率分配器11，该功率分配器拥有一个输入12以接收来自线路8的信号，并且拥有这样的第一和第二输出13、14，它们在第一和第二通道上提供振幅和相位相等的信号Va和Vb。信号Va和Vb通过各自的预放大器15、16和驱动放大器17、18并随后通过隔离器19、20被馈入各自的第一和第二主功率放大器21、22。
第一和第二主功率放大器21、22的输出被馈送至一个功率合成器23，其输出通过一个带通滤波器24和一个环行器25被馈送至主天线波束的一个端口26。因此，使用中，线路8上的脉冲调制信号在各自的通道a、b内被放大——起初由放大器15和17，以及放大器16和18放大，并随后利用功率放大器21和22放大，所得到的放大信号在功率合成器23中被合并，并被馈送至端口26以起到对诸飞机应答器的询问信号的作用。来自诸应答器的答复由天线接收并被馈送至端口26。环行器25将线路27的诸答复导向这样一个接收机电路28，该接收机电路使用频率通过线路29锁定于射频源6的一个本机振荡器(未示出)解调诸答复。同样，接收机28接收线路30上来自差方向图的以及线路40上的来自无方向方向图的诸相应天线答复，并且以本质上众知的方式处理诸信号以便获得飞机应答器所发送的飞机标识及其它操作数据。并且，以一种本质上众知的方式，根据初始发射询问脉冲与从应答器所接到的相应答复之间的延迟，结合涉及天线定向方向图的旋转角的数据计算飞机距离和方位。这样的信号处理本质上是众知的并且这里将不再进一步描述。来自接收机28的结果数据(通过未示出的装置)被馈入若干个这样的雷达控制计算机31，它们使得飞机能够被跟踪。同样，通过经由控制与监测电路7来控制源6的脉冲调制，诸计算机确定发飞机的数据。
图2所示的诸放大器典型地在端口26提供1950瓦的最大峰值脉冲功率，对应于62.9dBm。S-方式SSR指标要求端口26处的功率从最大值起以2dB为步长减小至最大值以下12dB，即减小至50.9dBm。
根据本发明，这是通过这样一个移相器32来完成的，该移相器改变信号Vb相对于信号Va的相位。这一点被示意性地显示于图3中。
当相位向量Va和Vb同相时，即移相器32不产生相移时，如虚线所示，两相位向量对准，使得两信号在功率合成器23中合并产生的结果相位向量为2V。相反，当两相位向量呈反相时，所得功率下降至零。通过借助于移相器32引入一个相移，如图3所示的，能改变Va与Vb之间的相位角θ，结果信号VR由下式给出 V R 2 = 2 V 2 ( 1 + cos θ ) - - - - - - - - - - ( 1 ) 公式(1)中假设通道a和b中的信号幅度相同，即Va＝Vb＝V。
因此，通过借助移相器32选择性地改变相位角θ，功率合成器23所产生的结果合并幅度VR能在0与2V之间变化。
在雷达计算机31经由监测与控制电路7的控制之下，控制电路33设定移相器32所产生的相位角θ。因此，通过改变移相器32所产生的相移，控制端口26处所产生的输出功率，雷达计算机31能设定想得到的雷达操作距离。能够在10至50微秒的范围内迅速执行移相，以2dB的递增步长可达到±1dB的精度，以便允许在天线定向方向图旋转的过程中选择距离。
实用中，移相器32可由KDI/Triangle Electronics Inc.，East Hanover，New Jersey 07936，USA所制造的一个QQ-1668型构成。
另外，提供若干个电路以动态监测功率电平并动态地将其控制到一个特定的设定值。为达此目的，将一个功率监测器连接至端口26，该端口将指示线路35上的动态输出功率的若干个信号提供至监测与控制电路7。将这若干个信号与指示雷达计算机31所确定的所需功率电平的诸参考值加以比较，以对移相器32所产生的相移产生一个小的调节，以便使输出功率电平返回至所需值。将被理解的是，在天线定向方向图的旋转期间输出功率的所需值将动态变化，并且所描述的反馈环路将使输出功率保持在所需值上。
提供若干个附加控制环路以便在操作中监测信号Va和Vb。为达此目的，功率监测器36、37和38分别与功率分配器11的输入12、驱动放大器17、18的输出耦连。监测器36、37和38提供至控制电路33的相应输入，使得能操作移相器32以补偿各自的监测信号的幅度和/或相位的操作变化。
同样，一个温度监测器电路39监测驱动电路9的操作温度，并且控制放大器17、18的增益以补偿增益变化，不然温度变化将导致这些增益变化。
至于图2的各种电路元件的进一步讨论，可参看“Radio FrequencyTransistors”N.Dye&H.Granberg Butterworth-Heinemann 1993.USA.
于是，根据本发明，当天线定向方向图旋转时可动态改变端口26处的传输功率，以便允许动态距离选择。参考S-方式SSR以示例形式描述了本发明的同时，将被理解的是，本发明可被用于因其它操作原因而需要快速和精确的功率控制的诸其它辅助监视雷达，比如为了在若干个这样的特定方位扇区内减小发射功率——在这些扇区内全功率将干扰其它雷达或电子设备。

Claims (22)

1.一种辅助监视雷达，它包含：
发射机装置，用以发射用于询问远程目标上的应答器的雷达信号；
接收机装置，用以从目标上的被询问的应答器接收答复；以及
一个可控功率源，用于为发射机装置产生射频信号，它包括用于产生具有预定相位关系的第一和第二射频信号的装置；用于选择性地设定第一和第二信号之间的相位关系的相位设定装置；用以分别放大第一和第二信号的第一和第二功率放大器装置；以及用以合并诸功率放大器装置所放大的第一和第二信号，从而提供这样一个放大的射频输出信号的装置，该信号的功率依赖于由相位设定装置设定的相位关系。
2.根据权利要求1的辅助监视雷达，其中可控功率源包含供第一和第二信号用的第一和第二通道，提供一个射频源的装置，以及分别从第一和第二通道内的射频源提供第一和第二信号的装置。
3.根据权利要求2的辅助监视雷达，其中射频源包括一个射频振荡器，并且包括这样的功率分离装置，该功率分离装置拥有一个与振荡器耦连的输入以及分别与诸所述通道连接的第一和第二输出。
4.根据权利要求2或3的辅助监视雷达，包含分别处在第一和第二通道内的第一和第二驱动放大器。
5.根据权利要求4的辅助监视雷达包含温度监测装置，以及用于作为所监测温度的函数控制诸驱动放大器的增益的装置。
6.根据权利要求4或5的辅助监视雷达，包含诸驱动放大器的第一和第二预放大器，它们分别处在第一和第二通道内。
7.根据权利要求2至6的任何一项的辅助监视雷达，其中相位设定装置在诸所述通道的一个上包括一个移相器。
8.根据权利要求2至7的任何一项的辅助监视雷达，包含功率监测装置，用于分别监测第一和第二通道内的功率电平，以及驱动控制装置，用于控制由相位设定装置依据诸所述监测功率电平设定的相位关系。
9.根据权利要求2至8的任何一项的辅助监视雷达，包含用于监测由射频源馈送给分离装置的输入功率的装置，以及用于控制由相位设定装置依据所监测的输入功率设定的相位关系的驱动控制装置。
10.根据前述任何权利要求的辅助监视雷达，包含用于监测来自功率合并装置的被放大的射频输出信号的功率的装置，以及用于控制由相位设定装置依据所监测的输入功率设定的相位关系的控制装置。
11.根据前述任何权利要求的辅助监视雷达，包含用于调制可控功率源的调制器装置。
12.根据权利要求11的辅助监视雷达，其中调制器装置使用将向诸目标传输的数据脉冲来调制发射机装置的诸射频信号。
13.根据前述任何权利要求的辅助监视雷达，其中接收机装置可解调来自诸被询问应答器的答复以便从中获得数据。
14.根据前述任何权利要求的辅助监视雷达，其中发射机装置包含一付具有旋转定向方向图的天线。
15.根据前述任何权利要求的辅助监视雷达，其中发射机装置与接收机装置使用一付公用天线。
16.根据前述任何权利要求的辅助监视雷达，包含用于控制相位设定装置以控制发射机装置的输出功率的距离选择装置。
17.一种根据前述任何权利要求的S-方式SSR。
18.一种操作辅助监视雷达的方法，它包含：
发射雷达信号以便询问诸远程目标上的应答器；从目标上的被询问的应答器接收答复；以及控制发射机装置所产生的诸信号的功率，包括用于产生第一和第二射频信号；选择性地设定第一和第二信号之间的相位关系，分别放大第一和第二信号；合并诸功率放大器装置所放大的第一和第二信号，从而提供这样一个放大的射频输出信号，该信号的功率依赖于由相位设定装置设定的相位关系。
19.根据权利要求18的方法，包含监测诸发射雷达信号的输出功率并在给定时期内通过控制所述相位关系保持其功率不变。
20.根据权利要求18或19的方法，包含使用将向诸目标传输的数据调制所发射的雷达信号。
21.根据权利要求18、19或20的方法，包含对目标所发射的数据进行解码。
22.根据权利要求18至21操作S-方式SSR的一种方法。
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