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为远程和短程目标检测提供多个波形的雷达系统.pdf

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远程 短程 目标 检测 提供 波形 雷达 系统
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摘要
申请专利号:

CN201280071024.5

申请日:

2012.12.27

公开号:

CN104160293A

公开日:

2014.11.19

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 7/03申请日:20121227|||公开
IPC分类号: G01S7/03; G01S13/10; G01S13/34; G01S13/87 主分类号: G01S7/03
申请人: 菲力尔系统公司
发明人: S·约翰逊; R·雅利斯; S·马奇; L·约曼斯; C·弗里曼; S·劳顿; S·托?#22266;?#25991;
地址: 美国俄勒冈州
优?#28909;ǎ?/td> 2011.12.30 US 61/581,989; 2012.12.21 US 13/724,439
专利代理机构: 北京安信方达知识产权代理有限公司 11262 代理人: 张春媛;阎娬斌
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法律状态
申请(专利)号:

CN201280071024.5

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2016.11.23|||2015.01.07|||2014.11.19

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

公开了用于提供雷达系统的各种技术。在一个例子中,这样的雷达系统包括适于广播雷达信号和接收响应于此的返回信号的雷达单元。所述雷达单元包括:波形发生器,其适于提供不同的脉冲宽度的脉冲波形和频率调制连续波(FMCW)的波形,其中所述波形彼?#31169;?#38169;以为雷达信号提供传输序列,以供检测远程和短程的目标;功率放大器,其适于?#36816;?#36848;雷达信号进行放大以进行广播;?#32422;?#22825;线,其适于广播所述雷达信号并接收所述返回信号。还公开了雷达系统的其他例子及相关的方法。

权利要求书

权利要求书
1.  一种雷达系统,包括:
雷达单元,其适于广播雷达信号并响应于?#31169;?#25910;返回信号,所述雷达单元包括:
波形发生器,其适于提供不同脉冲宽度的脉冲波形和频率调制连续波(FMCW)波形,其中所述波形彼?#31169;?#38169;以为雷达信号提供传输序列,以用于检测远程和短程目标;
功率放大器,其适于?#36816;?#36848;雷达信号进行放大以进行广播;?#32422;?#22825;线,其适于广播所述雷达信号并接收所述返回信号。

2.  根据权利要求1所述的雷达系统,其中,所述传输序列包括用于传输第一长度的脉冲波形中的一个的第一脉冲传输期、用于传输第二长度的脉冲波形中的一个的第二脉冲传输期?#32422;?#29992;于传输FMCW波形的多个FMCW传输期。

3.  根据权利要求2所述的雷达系统,其中,所述雷达单元适于根据检测序列检测返回信号,该检测序列包括所述第一脉冲传输期之后的第一脉冲检测期、所述第二脉冲传输期之后的第二脉冲检测期?#32422;?#19982;所述FMCW传输期交错的多个FMCW检测期。

4.  根据权利要求1所述的雷达系统,还包括适于调整波形的上升和下降时间?#30446;?#21046;单元。

5.  根据权利要求4所述的雷达系统,其中所述控制单元是可变增益放大器,其适于响应于控制信号,调整波形的上升和下降时间?#32422;?#23567;旁瓣并限制所述雷达信号的发送的频谱图形。

6.  根据权利要求4所述的雷达系统,其中所述控制单元由所述波形发生器实现。

7.  根据权利要求1所述的雷达系统,其中,所述功率放大器适于响应于控制信号而随着波形?#26723;?#20854;增益,以防止信号泄露使所述雷达单元的其他电路超载。

8.  根据权利要求1所述的雷达系统,其中,所述功率放大器是氮化镓(GaN)固态功率放大器。

9.  根据权利要求1所述的雷达系统,其中,波形发生器包括上变频器,其适于转换基带信号以提供雷达信号,以供所述功率放大器放大;
其中所述雷达单元还包括下变频器,其适于根据所述返回信号生成数据信号;?#32422;?BR>其中所述上变频器和所述下变频器由共享的?#38236;?#25391;荡器信号同步,以保持所述上变频器和所述下变频器之间的相位相干。

10.  根据权利要求1所述的雷达系统,其中波形发生器包括:
适于提供FMCW波形的锁相环(PLL)电路和振荡器;?#32422;?BR>基带信号发生器,其适于提供脉冲波形。

11.  根据权利要求1所述的雷达系统,其中所述雷达系统还包括处理器,该处理器适于根据返回信号进行多普勒处理,以确定反射返回信号的目标的速度。

12.  根据权利要求11所述的雷达系统,其中所述雷达系统还包括基站,所述基站与雷达单元分离并包括处理器。

13.  根据权利要求12所述的雷达系统,其中,所述雷达单元和所述基站都适于位于船舶上,其中,可由用户从所述船舶选择性地拆?#31471;?#36848;雷达单元。

14.  一种操作雷达系统的方法,所述方法包括:
利用波形发生器生成雷达信号,以提供不同的脉冲宽度的脉冲波形和频率调制连续波(FMCW)波形,其中所述波形彼?#31169;?#38169;以为雷达信号提供传输序列,以用于检测远程和短程的目标;
利用功率放大器?#36816;?#36848;雷达信号进行放大以进行广播;
利用天线广播所述雷达信号;
响应于所述雷达信号,在所述天线接收返回信号;?#32422;?BR>其中,所述波形发生器、功率放大器和天线是雷达单元的一部分。

15.  根据权利要求14所述的方法,其中,所述传输序列包括用于传输第一 长度的脉冲波形中的一个的第一脉冲传输期、用于传输第二长度的脉冲波形中的一个的第二脉冲传输期?#32422;?#29992;于传输FMCW波形的多个FMCW传输期。

16.  根据权利要求15所述的方法,还包括根据检测序列检测返回信号,该检测序列包括所述第一脉冲传输期之后的第一脉冲检测期、所述第二脉冲传输期之后的第二脉冲检测期?#32422;?#19982;所述FMCW传输期交错的多个FMCW检测期。

17.  根据权利要求14所述的方法,还包括利用控制单元调整波形的上升和下降时间。

18.  根据权利要求17所述的方法,其中所述控制单元是可变增益放大器,其适于响应于控制信号,调整波形的上升和下降时间?#32422;?#23567;旁瓣并限制所述雷达信号的发送的频谱图形。

19.  根据权利要求17所述的方法,其中所述控制单元由所述波形发生器实现。

20.  根据权利要求14所述的方法,还包括响应于控制信号并随着所述波形?#26723;?#21151;率放大器的增益,以防止信号泄露使所述雷达单元的其他电路超载。

21.  根据权利要求14所述的方法,其中,所述功率放大器是氮化镓(GaN)固态功率放大器。

22.  根据权利要求14所述的方法,还包括:
利用波形发生器的上变频器转换基带信号以提供雷达信号,以供所述功率放大器放大;
利用所述雷达单元的下变频器根据所述返回信号生成数据信号;?#32422;?BR>由共享的?#38236;?#25391;荡器信号使所述上变频器和所述下变频器同步,以保持所述上变频器和所述下变频器之间的相位相干。

23.  根据权利要求14所述的方法,其中所述生成包括:
利用锁相环(PLL)电路和振荡器生成FMCW波形;?#32422;?BR>利用基带信号发生器生成脉冲波形。

24.  根据权利要求14所述的方法,还包括根据返回信号进行多普勒处理以确定反射返回信号的目标的速度。

25.  根据权利要求24所述的方法,其中由与雷达单元分离的基站的处理器进行多普勒处理。

26.  根据权利要求25所述的方法,其中,所述雷达单元和所述基站都适于位于船舶上,其中,可由用户从所述船舶选择性地拆?#31471;?#36848;雷达单元。

说明书

说明书为远程和短程目标检测提供多个波形的雷达系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年12月30日提交的,题为“RADAR SYSTEM PROVIDING MULTIPLE WAVEFORMS FOR LONG RANGE AND SHORT RANGE TARGET DETECTION”的美国临时专利申请No.61/581,989的权益,通过引用的方式将其作为整体合并于此。
技术领域
本发明的一个或者多个实施例总体上涉及雷达系统,更具体的涉及例如固态雷达技术。
背景技术
雷达系统通常用于检测靠近船舶、飞机、车辆或固定位置的目标(例如,对象、地理特征或其他类型的目标)。传统的雷达系统通常采用磁控管来产生雷达信号。不幸的是,磁控管及与其相关的微波?#24067;?#32467;构通常昂贵、体型笨重并且要求大型电源来操作。因此,基于磁控管的雷达系统可能不特别适用于小型或便携式雷达系统中。
某些雷达系统采用具有设置在其中的一个或多个波导的旋转接?#38450;吹家?#26059;转雷达天线和其他部件之间的信号。然而,这种旋转接头通常设计、构造和制造都比较复杂。因此,这些部件会显著地增加与它们相关联的天线系统的成本。另外,传统的旋转接头可能呈现出雷达系统无意检测到的旋转噪声。
很多现有的雷达系统使用一般有助于短程或远程目标检测的信令方案,而短程或远程目标检测中的一个会损害另一个。例如,脉冲雷达信令方案可以提供期望的远程目标检测。然而,发送的脉冲雷达信号可能会使短程的返回信号模糊。该问题不是令人?#19981;?#30340;,但是脉冲雷达信令方案却通常容忍该问题,这是因为其他远程检测技术通常具有较高的功率要求并且可能要求高度专业的部件。相反,调频连续波(FMCW)信令方案可以提供期望的短程目标检测,但是不能提供有 效的远程目标检测。
可以利用微型?#36828;?#38647;达标绘仪(MARPA)部件来实现各种雷达系统,其中,可以选择检测到的目标进行追踪。然而,现有的MARPA实现通常会受到不准确的目标识别的妨碍。特别的,该实现可能不正确地将海面杂波识别为可追踪的目标,从而可能?#26723;?#30456;关的雷达系统的精确度。
发明内容
本文公开了用于提供雷达系统的各种技术。例如,在某些实施例中,可以节省成本的方式实现该雷达系统,并且该雷达系统具有高度的功能性。
在一个实施例中,可以利用放大雷达信号以进行广播的氮化镓(GaN)功率放大器来实现雷达系统。该放大器可以用于例如代替磁控管,以允许以紧凑的形状因数?#32422;?#30456;对?#31995;?#30340;功耗来实现雷达系统。在另一个实施例中,可以使用砷化镓(GaAs)功率放大器。当适用时,其他放大器实现可用在各种实施例中。
在另一个实施例中,可以利用将来自旋转天线的雷达数据提供给基站的无线发射器来实现雷达系统。该无线发射器可用于例如无需通过复杂的旋转接?#38450;?#20256;递检测到的信号即可提供雷达数据。
在另一个实施例中,可以利用被配置为在单个雷达系统中执行脉冲和FMCW信令的信令方案来实现雷达系统。该信令方案例如可用于利用单个雷达系统来执行短程和远程检测。
在另一个实施例中,雷达系统可以实现为对雷达返回信号执行多普勒处理,以确定检测到的目标的速度。该处理例如可用于提供准确可靠的船舶目标追踪、海杂波识别,并且有助于目标识别。
在另一个实施例中,雷达系统包括适于广播雷达信号和接收响应于此的返回信号的雷达单元,所述雷达单元包括:波形发生器,其适于提供不同脉冲宽度的脉冲波形和频率调制连续波(FMCW)的波形,其中波形彼?#31169;?#38169;以为雷达信号提供传输序列,以供检测远程和短程的目标;功率放大器,其适于?#36816;?#36848;雷达信号进行放大以进行广播;?#32422;?#22825;线,其适于广播所述雷达信号并接收所述返回信号。
在另一个实施例中,一种操作雷达系统的方法包括:利用波形发生器提供不同脉冲宽度的脉冲波形和频率调制连续波(FMCW)的波形,其中波形彼?#31169;?#38169; 以为雷达信号提供传输序列,以供检测远程和短程的目标;利用功率放大器?#36816;?#36848;雷达信号进行放大以进行广播;?#32422;埃?#20854;中,所述波形发生器、功率放大器和天线是雷达单元的一部分。
本发明的?#27573;?#30001;权利要求书限定,通过引用的方式将权利要求书的内容并入到本部分。通过考虑下面对一个或多个实施例的详?#35813;?#36848;,本领域技术人员将会更加完整地理解本发明的实施例并意识到本发明附加的优点。下面将参考首先要简要描述的附图。
附图说明
图1示出了根据本公开实施例的、包括雷达单元和基站的雷达系统?#30446;?#22270;。
图2示出了根据本公开实施例的、以半透明的形式示出以显示内部部件的、具有罩的雷达单元的透视图。
图3和4示出了根据本公开实施例的、去除了罩的雷达单元的透视图。
图5示出了根据本公开实施例的、去除了罩的雷达单元的顶视图。
图6示出了根据本公开实施例的、去除了罩的雷达单元的正视图。
图7示出了根据本公开实施例的、沿着图5的线7-7的去除了罩的雷达单元的截面图。
图8示出了根据本公开实施例的、沿着图6的线8-8的雷达单元的截面图。
图9A示出了根据本公开实施例的雷达单元?#30446;?#22270;。
图9B示出了根据本公开实施例的雷达单元的另一个框图。
图10示出了根据本公开实施例的雷达单元的又一个框图。
图11示出了根据本公开实施例的雷达单元的时序图。
图12示出了根据本公开实施例的操作雷达系统的流程。
图13示出了根据本公开实施例的雷达单元的另一个框图。
通过参考下面的详细说明,会最好的理解本发明的实施例和它们的优点。应当理解的是,相同的参考标记用于标识在一个或多个附图中示出的相同的元件。
具体实施方式
图1示出了根据本公开实施例的、包括雷达单元110和基站111的雷达系统100?#30446;?#22270;。在各种实施例中,雷达系统100可以被配置为用在船舶、飞机、车 辆或者固定位置上或者其他环?#25345;校?#24182;且可以用于各种应用,举例?#27492;擔?#20363;如,休?#26800;?#33322;、商业导航、军事导航或其他类型的导航。在一个实施例中,雷达单元110可以实现为便于由用户安装的相对紧凑的便携式单元。
如本文进一步描述的,雷达单元110可以实现为广播雷达信号105并接收响应于此反射的返回信号108。雷达单元110可以通过无线信号109与基站111无线通信,以将例如对应于返回信号108的雷达数据提供给基站111。可以根据各种无线技术实现该无线通信,所述无线技术包括:例如,Wi-FiTM、蓝牙TM、或者其他标准或专有的无线通信技术。
基站111可以用于接收、处理并显示从雷达单元110接收到的雷达数据。在一个实施例中,可以将基站111安装在固定位置。在另一个实施例中,基站111可以是便携式设备,例如,个人电子设备(例如,蜂窝电话、个人数?#31181;?#29702;、膝上?#22270;?#31639;机、照相机或其他设备)。在一个实施例中,基站111可以用作通过无线信号109将控制信号提供给雷达单元110以控制雷达单元110的操作?#30446;?#21046;单元。基站111包括通信接口101、处理器102、存储器103、机器可读介质104、显示器106和其他部件107。
通信接口101可以通过例如无线信号109和/或有线信号(例如,以太网和/或其他有线通信介质传递的有线信号)与雷达单元110通信。处理器102可以实现为任何合适的处理设备(例如,微控制器、处理器、专用集成电路(ASIC)、逻辑设备、现场可编程门阵列(FPGA)、电路或其他设备),基站111可以使用所述处理设备来执行合适的指令,例如,存储在机器可读介质104上并存入存储器103中的?#19988;资?#24615;机器可读指令(例如,软件)。例如,处理器102可以配置为接收、处理或操纵通信接口101接收的雷达数据,将结果存储到存储器103中并提供结果给显示器106以呈现给用户。
显示器106可用于呈?#21482;?#31449;111接收到的或处理的雷达数据、图像、或者信息。例如,在一个实施例中,雷达系统100的用户可以观看显示器106。在一个实施例中,显示器106可以是多功能显示器,其具有被配置为接收用户输入以控制基站111的触摸屏。
基站111可以包括可用于实现其他功能(举例?#27492;擔?#20363;如,其他用户控制,与其他设备或其他部件通信)的各种其他部件107。例如,在一个实施例中,通信接口101可以与具备基站111的某些或者全部特征的另一个设备通信。可以通 过合适的有线或无线信号(例如,Wi-FiTM、蓝牙TM、或者其他标准或专有的无线通信技术)进行这种通信。例如,基站111可以位于第一位置(例如,在一个实施例中,位于船舶的舰桥上)并可以与位于第二位置(例如,与用户共同位于船舶的另一个位置)的个人电子设备(例如,在一个实施例中,为蜂窝电话)通信。就这方面而言,用户的个人电子设备可?#28304;?#22522;站111和/或雷达单元110接收雷达数据和/或其他信息。因此,即使当用户不靠近基站111时,用户仍然可以方便地接收相关信息(例如,雷达图像、警报或其他信息)。
在各种实施例中,可以在雷达单元110中实?#21482;?#31449;111的一个或多个部件。在一个实施例中,可以由合适的处理器和雷达单元110的相关部件来执行处理器102执行的在此描述的操作,反之亦然。
图2-8示出了雷达单元110的各种视图。具体的,图2示出了根据本公开实施例的、以半透明的形式示出以显示内部部件的、具有罩112的雷达单元110的透视图。图3和4示出了根据本公开实施例的、去除了罩112的雷达单元110的透视图。图5示出了根据本公开实施例的、去除了罩112的雷达单元110的顶视图。图6示出了根据本公开实施例的、去除了罩112的雷达单元110的正视图。图7示出了根据本公开实施例的、沿着图5的线7-7的去除了罩112的雷达单元110的?#36866;?#22270;。图8示出了根据本公开实施例的、沿着图6的线8-8的雷达单元110的?#36866;?#22270;。
现在参考图2-8,雷达单元110包括通过联接器134安装?#20132;?#26495;114并由罩112封闭的主组件150。在一个实施例中,罩112和基板114可以是模制部件。
主组件150包括雷达救生火箭(Radar flare)116、前板118、散热器120、接收器印刷电路板(PCB)122、接收器罩124、无线接口125(例如,传输接口)、电源罩126、循环器127、电源PCB 128、贴片天线130、低噪声转换器PCB 132、集电环136、滚珠轴承140、发动机142(例如,在一个实施例中,为电动机)、驱动衬套144和主支撑板148。
主组件150可以被配置为相对于基板114旋转。就这方面而言,驱动衬套144可以与基板114和发动机142的轨道146接触或与轨道146相结合。在一个实施例中,轨道146可以是环绕主组件150的转动轴线(例如,转动轴线可?#36828;?#24212;于联接器134)的基本上为圆形的轨道。就这方面而言,轨道146的位置可以靠近主组件150的边界(例如,外边缘)并且远离联接器134。可以将发动机142和/ 或驱动衬套144定位得基本上靠近轨道146,以允许驱动衬套144和轨道146接触或与轨道146相结合。在操作中,发动机142可以使驱动衬套144相对于轨道146旋转,从而使主组件150通过使用滚珠轴承140相对于基板114旋转。因此,贴片天线130可以与主组件150的其余部分一起旋转,以在360度的旋转?#27573;?#20869;发送雷达信号105并检测返回信号108。
集电环136可?#28304;?#20301;于雷达单元110外部的电源(例如,电池、发电机、引擎或其他电源)接收电功率,并将电功率发送到主组件150的各种电动部件。因此,当主组件150相对于基板114旋转时,可?#36828;?#20027;组件150进行供电。在另一个实施例中,雷达单元110可以包括可再充电的电源(例如,在一个实施例中,为设置在或连接到电源PCB 128上的电池),以在将雷达单元110安装到船舶或其他位置之前或之后,允许用户对雷达单元110进行充电。其他实施例中可以使用其他电源。
主支撑件148可用于为主组件150的各种部件提供物理安装结构。例如,雷达救生火箭116、贴片天线130和低噪声转换器PCB 132可以安装到前板118,所述前板118可以安装到主支撑件148。
贴片天线130可以发送雷达信号105并接收返回信号108。雷达救生火箭116可以?#23478;?#21457;送的雷达信号105和接收到的返回信号108。散热器120可?#36828;?#38647;达单元110产生的热量进行散热。
电源PCB 128可用于提供用于放大雷达信号105和将电源分配给雷达单元110的各种部件。例如,在一个实施例中,电源PCB 128可以通过集电环136接收电能。在另一个实施例中,电源PCB 128可以包括电源,例如,可充电的电池或其他电源。
接收器PCB 122和低噪声转换器PCB 132可以提供用于放大和/或转换雷达单元110使用的返回信号108的各种部件。
在一个实施例中,雷达单元110的各种部件可以实现在非气密的装置中。接收器罩124和电源罩126可用于分别保护接收器PCB 122和电源PCB 128免受环?#31243;?#20214;的损害。
无线接口125可用于通过无线信号109与通信接口101通信,以将例如对应于如所讨论的返回信号108的雷达数据提供给基站111。有利的是,无线接口125的使用可以允许无需复杂的旋转接头即可实现(例如,不具有一个或多个波导或 数据通信电缆,例如,连接?#20132;?#31449;111的以太网电缆或其他电缆)的雷达单元110。例如,在一个实施例中,雷达单元110可以不接收任何有线或波导信号通信,而可以只通过集电环136接收电能。在另一个实施例中,雷达单元110可以包括电源并且可以不接收外部电能,并且不接收有线或波导信号通信。
在某些实施例中,任何类型的传输接口(例如,有线接口(例如,以太网和/或其他有线接口)、无线接口、和/或有线和无线接口的组合)可用于替代或额外地执?#24418;?#32447;接口125的各种操作。
循环器127可用于选择性地?#23478;?#21435;往贴边天线130的雷达信号105和来自贴片天线130的返回信号108。在一个实施例中,循环器127可以是被配置为安装到雷达单元110后侧的表面上。在其他实施例中可以使用其他类型的循环器。
图9A示出了根据本公开实施例的雷达单元110?#30446;?#22270;900。框图900标识了可用于提供一个实施例中的雷达单元110的各种特征的部件。可以通过图2-8和10中标识的电路板或雷达单元110的其他部件中的?#25105;?#19968;个来实现框图900中标识的各种部件。
框图900包括波形发生器910、放大器930、932和940、带通滤波器950、循环器960、天线970、带通滤波器980、限幅器982和下变频器990。可以由一个或多个控制单元提供用于调整雷达单元110的各种部件的操作的各种控制信号915、917、933和947。在一个实施例中,基站110或者与基站111或雷达单元110通信的另一个设备可以用作这样?#30446;?#21046;单元(例如,一个或多个控制信号可以由基站111生成并通过无线信号109或合适的有线通信提供给雷达单元110)。在另一个实施例中,雷达单元110的合适的部件可以用作这样?#30446;?#21046;单元。
波形发生器910提供可以在雷达信号105中实现的各种波形,例如,各种长度的脉冲(例如,不同的脉冲宽度)和FMCW信号。例如,可以生成用于远程目标检测的长和短脉冲波形。作为另一个例子,可以生成用于短程目标检测的FMCW信号(例如,线性频率变化信号也称作线性调频脉冲信号)。该FMCW信号可以实现为例如如同上升、下降、或上升/下降频率扫描(例如,上升线性调频脉冲、下降线性调频脉冲、或者上升/下降线性调频脉冲)。在其他实施例中可以使用其他类型的脉冲、FMCW信号和其他波形。
波形发生器910包括参考信号发生器912、直接数字合成器(DDS)914、锁相环(PLL)电路916、振荡器918、耦合器920和上变频器922。参考信号发生 器912(例如,在一个实施例中,为晶体振荡器)产生提供给DDS 914和PLL电路916的参考信号913(例如,在一个实施例中,为10MHz的参考信号)。
DDS 914提供基带信号919(例如,在一个实施例中,基带信号为I和Q信号形式)。在一个实施例中,基带信号919可以具有40MHz的标?#30772;?#29575;,其具有高达32MHz的附加频率偏移(例如,提供的频率?#27573;?#20174;40MHz到72MHz)。在一个实施例中,基带信号919的频率偏移和脉冲长度可?#36816;?#30528;响应于控制信号915的雷达单元110的?#27573;?#35774;置而变化(例如,这样,当将雷达单元110设置为最小?#27573;?#26102;,在发送雷达信号105?#22791;?#38647;达信号105不超过显示的?#27573;?#21051;度的5%)。在一个实施例中,可以通过FPGA和数模转换器(DAC)来实现DDS 914。参考信号913为DDS 914提供时钟,以保持雷达信号105提供的多个雷达脉冲之间的相位相干性。
PLL电路916利用振荡器918(例如,在一个实施例中,振荡器运行在9.36GHz)工作,以基于参考信号913和控制信号917提供?#38236;?#25391;荡器(LO)信号923(例如一个实施例中的微波X波段信号,例如9.36GHz信号)。上变频器922通过耦合器920接收LO信号923。
上变频器922将基带信号919转换到X波段频率?#27573;?#20197;提供上变频信号925。在一个实施例中,上变频信号925可以是位于海事雷达微波信号?#27573;?.3GHz到9.5GHz的X波段信号。在一个实施例中,上变频器922可以实现为I/Q上变频器(例如,单边带混频器),以符合国际电信联盟(ITU)频谱发射标准或其他标准。在一个实施例中,基带信号919的I和Q信号的使用可以抑制高达50dB的不希望的边带。在一个实施例中,上变频信号925可以具有的频率?#27573;?#20026;9.36GHz到9.4GHz(例如,对应于由基带信号919的32MHz频率偏移扫描的LO信号923的9.36GHz)。
放大器930、932和940对上变频信号925进行放大以提供雷达信号105。在一个实施例中,放大器930可以是固定增益放大器。
在一个实施例中,放大器932可以是可变增益放大器(例如,在一个实施例中,具有约为30dB?#30446;?#24102;增益),可以响应于一个或多个控制信号933(例如,在一个实施例中,为调幅(AM)信号)而快速调整所述可变增益放大器以限定并控?#21697;?#36865;的雷达脉冲(例如,对应于波形发生器910提供的波形)的上升和下降时间,?#32422;?#23569;距离旁瓣(例如,与脉冲抑制技术相关)并限?#21697;?#36865;的频谱图形 以符合ITU频谱发射标准或其他标准。在一个实施例中,可以由控制DDS 914的输出的波形发生器910的FPGA增加或取代放大器932提供的增益控制。
在一个实施例中,放大器940可以包括一个或多个驱动器942、944和946,由一个或多个阶段中的一个或多个氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)实现所述一个或多个驱动器942、944和946,以基于一个或多个控制信号947(例如,在一个实施例中,为偏压切换信号)提供简洁高效的放大。因此,放大器940还可以指功率放大器。在一个实施例中,放大器940可以实现为具有匹配电路的陶瓷基板上的二级或三级GaN设备。在一个实施例中,可以使用多个集成电路(例如,多芯片模块)来实?#22336;?#22823;器940,所述多个集成电路使用具有GaN和/或GaAs驱动器的GaN高电子迁移?#39135;?#25928;应管(HEMT)晶片。在一个实施例中,可以将放大器940的输入端和输出端标称地匹配到50?#32442;貳?
在一个实施例中,通过将放大器940实现为固态GaN设备,雷达系统100与传统的基于磁控管的系统相比可以表现出制造成品?#35797;?#21152;、寿命延长、预热时间减少、功率效?#35797;?#21152;(例如,?#32771;?#22823;于35%)、尺寸和重量减小(例如,在一个实施例中,重量减轻超过100倍)、峰值功率?#26723;汀?#21151;耗?#26723;汀?#23492;生射频(RF)发射减少?#32422;?#25104;本?#26723;汀?#22914;所讨论的,GaAs和其他放大器的实现也是可以预期的。
在一个实施例中,放大器940在9.3GHz到9.5GHz的海事雷达传输带上操作,其标?#21697;?#20540;输出为20瓦特或更多,+15dBm输入电平的增益大于20dB。在一个实施例中,雷达单元110可以包括用于过滤不期望的信号和谐波(例如,放大器940的二次和三次谐波)的附加滤波器(例如,作为放大器940的一部?#21482;?#32773;与放大器940相分离)。
在一个实施例中,放大器940工作在低占空比(例如,在各种实施例中,少于5%或少于10%),而非是连续波实现。通过使用低占空比,放大器940可以表现出平均功耗?#26723;停?#21487;以以?#32479;?#26412;进行封装,并且可以表现出比其他系统更好的热效率(例如,在各种实施例中,比一些基于磁控管的系统改进约10倍,并?#20918;?#22522;于一些砷化镓(GaAs)的系统改进约2倍)。
在一个实施例中,可以响应于控制信号947而切换各级放大器940的漏极和栅极偏置电流,并且该漏极和栅极偏置电流和波形发生器910提供给的波形一致(例如,相关联或在一定程度上同步),以便当不期望发送雷达信号105的波形 时,关闭放大器940(例如,表现出最小增益和最大隔离)(例如,以在当不存在期望的信号时,防止载波信号泄露使雷达单元110的接收部件超载)。
带通滤波器950过滤雷达信号105?#36816;?#20943;指定的海事雷达传输频带之外的任何不期望的频率。在一个实施例中,带通滤波器950可以实现为微带耦合滤波器。循环器960(例如,在一个实施例中,其可用于实现循环器127)选择性地?#23478;?#21435;往天线970(例如,在一个实施例中,其可以用于实现贴片天线130)的雷达信号105和来自天线970的返回信号108。带通滤波器980过滤返回信号108?#36816;?#20943;指定的海事雷达传输频带之外的任何不期望的频率。
在一个实施例中,放大器940、循环器960和雷达系统110的各种其他部件可以实现为低功率表面安?#23433;?#20214;(例如,具有与部件的下侧共面的连接端子以允许?#36828;?#32452;装,而不使用插入式封装模式、法兰安装或用引线接合的芯片)。就这方面而言,该部件的下侧可提供接地,并可提供适于?#38454;?#21040;一个或多个PCB的焊料并为该PCB散热的散热表面。
限幅器982限?#21697;?#22238;信号108的幅度。例如,在天线970无意地检测到雷达信号105(例如,具有的幅度远大于返回信号108的幅度的雷达信号105)的情况下(例如,在发送雷达信号105期间发生的泄?#31471;?#23548;致的),限幅器982可以防止雷达信号105使下游电路超载。限幅器982还可以防止其他信号(举例?#27492;擔?#20363;如,可能在雷达单元110附近的其他传统的脉冲雷达信号)的类似的超载。在一个实施例中,可以使用一个或多个二极管来实现限幅器982。
下变频器990将返回信号108转换为中频(IF)的I和Q信号991(例如,也称作数据信号)以进一步地对其进行处理。下变频器包括放大器992,994和996、缓冲器998和混合器999。在一个实施例中,放大器992和996可以是固定增益放大器,而放大器994可以是可变增益放大器。
放大器992、994和996对返回信号108进行放大,并?#19968;?#20914;器998从耦合器920接收LO信号923。混合器999对返回信号108和LO信号923进行操作,对返回信号108进行下变频以提供40MHz到72MHz?#27573;?#20013;的I和Q信号991。
通过在上变频器922和下变频器990中使用LO信号923,可以将它们同步并保持相互之间的相位一致。在一个实施例中,该相位一致提高了可在对I和Q信号991的数字信号处理中获得的处理增益和信噪比。
在一个实施例中,非零频率可用于I和Q信号991以消除DC偏移问题,同 时所述非零频率还允许通过设置在下变频器990的输出端后面的合适的模数转换器(ADC)(未示出)以相对?#31995;?#30340;频?#35782;訧和Q信号991进行采样。就这方面而言,可以通过雷达单元110或基站111的合适部件对I和Q信号991进行采样并作进一步的处理。在一个实施例中,可以通过无线信号109将I和Q信号991从雷达单元110的无线接口125发送?#20132;?#31449;111的通信接口101。
在图9A中,PLL电路916和振荡器918通过耦合器920向上变频器922反馈。在某些实施例中,这种配置可以?#35272;?#20110;DDS 914来提供脉冲波形和FMCW波形,并且可以?#35272;?#20110;PLL电路916和振荡器918来提供上变频器922使用的LO信号923,以将DDS 914提供的波形上变频。
图9B示出了根据本公开实施例的雷达单元110的另一个框图901。如所示出的,以与图9A?#30446;?#22270;900示出的相同、相似和/或不同的方式实现框图901示出的各种部件。在某些实施例中,可以利用图9B中的附加特征来实现波形发生器910。
在某些实施例中,DDS 914可用于提供上变频为信号922的基带信号919中的脉冲波形(例如,在脉冲操作模式期间),并且PLL电路916和振荡器918可用于提供上变频为信号922的LO信号923中(例如,在FMCW操作模式期间)的FMCW波形(例如,通过基于控制信号917中的变化扫描LO信号923的频率)。在该实施例中,可以由DDS 914和PLL电路/振荡器916/918独立地提供不同类型的波形。
在某些实施例中,在脉冲操作模式期间,DDS 914可以提供基带信号919中的脉冲波形,并且PLL电路/振荡器916/918可以为LO信号923提供基本固定的频率。
在某些实施例中,在FMCW操作模式期间,DDS 914可以同时与PLL电路916和振荡器918一起使用以提供上变频信号925中的FMCW波形。例如,DDS914可以为基带信号919提供基本固定(例如,在一个实施例中,约为32MHz)的频率,并且PLL电路/振荡器916/918可以扫描LO信号923的频率。因此,上变频信号925可以显示出FMCW波形(例如,与LO信号919的扫描相关)。如所示出的,下变频器990的混合器999接收可用于将反射的返回信号108下变频为I和Q信号991(例如,中频信号)的LO信号923。因此,在某些实施例中,I和Q信号991的频率可以以DDS 914提供的基本固定的频率为中心(例如,在 一个实施例中,约为32MHz)。
在某些实施例中,与I和Q信号991的频率以基本上0MHz为中心的其他方法相比,这?#22336;?#27861;可以?#26723;?#25509;收器侧的?#20102;冈?#22768;。在某些实施例中,该方法还可?#32422;?#23569;频带宽度,从而与仅由来自DDS 914的调制的基带信号919提供FMCW信号的其他方法相比,可以?#26723;虸和Q信号919和/或991的采样率。在某些实施例中,该方法还可以允许由DDS 914、直接由DAC(例如,如图9B标识的)、和/或任何其他合适的类型的基带信号生成器来生成基带信号919。
图10示出了根据本公开实施例的雷达单元110的又一个框图1000。框图1000标识可用于提供一个实施例中的雷达单元110的各种特征的部件。可以通过图2-9B标识的电路板或雷达单元110的其他部件中的?#25105;?#19968;个来实现在框图1000中标识的各种部件。
框图1000包括放大器1030、1032和1040、偏压电路板1042、循环器1060、限幅器1082、放大器1084、偏压电路板1086、发动机1088和下变频器1090。
放大器1030,1032和1040可用于分别实现图9A的放大器930,932和940。在一个实施例中,放大器1030接收上变频信号925(例如,从图9A的波形发生器910接收),并且放大器1040将雷达信号105提供给循环器1060(例如,在一个实施例中,如图9A所标识的,可以进一步地对雷达信号105进行滤波)。
偏压控制电路板1042可用作将控制信号1031、933和947提供给放大器1030、1032和1040?#30446;?#21046;单元。功率信号1044(例如,由雷达单元110内部或外部的合适的电源提供)通过集电环136为放大器1040和/或雷达单元110的其他部件供电。发动机1088可用于实现一个实施例中的发动机142。
循环器1060、限幅器1082和下变频器1090可用于分别实现图9A的循环器960、限幅器982和下变频器990。在一个实施例中,循环器1060从天线(例如,在各种实施例中,为贴片天线130或天线970)接收返回信号108并将返回信号108传送到限幅器1082。在一个实施例中,可以如图9A所标识的对返回信号108进行进一步的滤波。限幅器1082将返回信号108提供给下变频器1090。
下变频器1090提供I和Q信号991。如关于图9A所述,下变频器1090接收LO信号923。放大器1084和偏压电路板1086响应于增益控制信号1085,通过偏压信号1087来控制下变频器1090的操作。
图13示出了根据本公开实施例的雷达单元110的另一个框图1300。在框图 1300中,循环器127/960/1060已经由单?#31471;?#25527;(SPDT)开关962/964(例如,发送/接收开关)和定向耦合器966代替。可以由?#38706;?#22120;或如描述的其他合适的机制来操作开关962/964。在各种实施例中,使用开关962/964和定向耦合器966的配置与基于循环器的实现相比,可以具有改进的性能和/或?#26723;统?#26412;,并且仍然可以与脉冲压缩和FMCW信令技术相兼容。在各种实施例中,开关962/964和定向耦合器966可用于代替循环器127/960/1060,或除?#25628;?#29615;器127/960/1060之外还可以使用开关962/964和定向耦合器966。因此,可以根据需要在特定实施方式中使用任何期望的类型的信号?#23478;?#35774;备(例如,循环器127/960/1060、开关926/964、定向耦合器966和/或其他合适的部件的?#25105;?#32452;合)。
图11示出了根据本公开实施例的雷达单元110的时序图1110和1112。如所讨论的,波形发生器910提供可以在雷达信号105中实现的各种波形,例如,各种长度的脉冲和FMCW波形。
时序图1110示出了发?#25176;?#21015;的例子,其中,在时间段1120到1142期间,利用各种类型的波形发送雷达信号105。时序图1112示出了检测(例如,侦听)的示例,其中,雷达单元110可以响应于时序图1110的发?#25176;?#21015;而检测返回信号108。
在时间段1120,1124,1136和1140期间,利用短脉冲(s)波形发送雷达信号105。在时间段1128期间,利用长脉冲(l)波形发送雷达信号105。
时间段1120、1124、1128、1136和1140也称作主脉冲(mb)信号期间和发送期间。在主脉冲信号期间,雷达单元110可以发送可有效检测远程对象的高幅度脉冲雷达信号105(例如,具有短脉冲或长脉冲)。然而,在发送期间,高幅度脉冲雷达信号105可能模糊?#25105;?#36820;回信号108的接收。因此,在主脉冲期间(例如,在一个实施例中,在此之后不久),雷达单元110可以不检测任何返回信号108。
紧随时间段1120、1124、1128、1136和1140之后,雷达单元110进入到相应的检测时间段1122、1126、1130、1138和1142,在上述检测时间段中,响应于各?#22336;?#36865;的短脉冲波形和长脉冲波形,检测返回信号108。
在时间段1132期间,重复发送具有FMCW波形的雷达信号105并检测到相应的返回信号108。在一个实施例中,可以以比在其他时间段提供的脉冲波形的幅度?#31995;?#30340;幅度来广播FMCW波形的雷达信号105。该FMCW信令技术?#36828;?#31243; 目标检测?#27492;?#26159;有效的。在一个实施例中,雷达单元110可以在时间段1132期间在FMCW发送和接收之间快速切换,以在时间段1132内提供短发?#25176;?#21015;和检测周期。
紧随时间段1132之后,雷达单元110进入时间段1134(例如,中断FMCW检测周期),在该时间段期间,雷达单元110中止发送其他雷达信号105,而响应于之前发送的低幅度FMCW雷达信号105继续检测返回信号108。
如图11所示,不同的短脉冲、长脉冲和FMCW波形可?#36816;?#30528;时间相互交替并可以重复(例如,示出的短脉冲波形序列、短脉冲波形、长脉冲波形和FMCW波形可?#28304;?#26102;序图1110右侧示出的短脉冲波形开始重复)。在其他实施例中可以使用其他发送周期序列。
通过发?#36879;?#31181;脉冲和FMCW雷达信号105,并且通过检测产生的返回信号108,雷达单元110可用于执行远程目标检测(例如,在一个实施例中,检测诸如陆地、大型巡航船、或在远至约12海里或以上的?#27573;?#20869;的其他对象的大对象)和短程目标检测(例如,在一个实施例中,在远至约6海里或以上的?#27573;?#20869;的高分?#23195;?#26816;测)。此外,与传统的脉冲信号雷达系统相比,可以以?#31995;?#30340;峰值功率来执行该检测。
根据脉冲压缩技术,可?#28304;?#29702;和/或组合(例如,在一个实施例中,通过处理器102来处理和/或组合)各?#22336;?#22238;信号108。多普勒处理技术和/或其他技术可提供一个或多个?#26149;?#22270;像或目标缓冲器。在一个实施例中,不同短脉冲、长脉冲和FMCW雷达信号105的交替允许返回信号108与特定发送的雷达信号105相关联,允许有效地识别多普勒信号,并?#20197;?#35768;与检测到的对象相关的距离速度分?#23195;?#27169;糊。
尽管图11示出了发送和检测周期序列和波形的特定例子,但是在其他实施例中可以使用其他发送和检测周期序列和波形。此外,可以根据特定实现的需要调整与图11标识的各种时间段相关的脉冲重复频率(PRF)和脉冲重复间隔(PRI)。
图12示出了根据本公开实施例的操作雷达系统100的流程。尽管图12的各个框主要描述为由雷达单元110或基站111执行,然而,可以由雷达单元110、基站111和/或其他部件的任何期望的组合来执行各个框的其他实施例也是可以考虑的。
在框1210,在雷达单元1210由电池供电并且可?#28304;?#20854;安装位置拆卸的实施 例中,雷达单元110可以充电。例如,如果雷达单元110配有可充电的电源(例如,可充电电池),那么雷达单元110就可以在使用前充电。在另一个实施例中,雷达单元110不需要充电,从而可以省略框1210。
在框1220,安装雷达单元110以进行操作。例如,在一个实施例中,雷达单元110可以是可安装到船舶、飞机、车辆或固定位置的便携式单元。在雷达单元110从外部电源接收电能的实施例中,块1220可以包括将电源连接到雷达单元110以通过集电环136提供电能。
在框1230,可?#36828;?#38647;达单元110进?#20449;?#32622;以进行操作。该配置可以包括:例如,设置一个或多个?#27573;?#21442;数或者雷达单元110的其他操作参数。在一个实施例中,可以通过操作雷达单元110上的一个或多个实体控制来执行该配置。在另一个实施例中,可以通过用户与基站111交互来执行该配置,所述基站111通过无线信号109将配置信息发送到雷达单元110。
在框1240,激活雷达单元110以进行操作。因此,在框1250,雷达单元110生成并发送雷达信号105。在一个实施例中,可以根据本文描述的各种脉冲和FMCW波形来发送雷达信号105。在其他实施例中可以使用其他类型的雷达信号105和其他波形。
在框1260,雷达单元110检测返回信号108。在一个实施例中,可以根据本文描述的各种脉冲和FMCW检测周期来检测返回信号108。在其他实施例中可以使用其他类型的返回信号108和其他检测周期。
在框1270,雷达单元110基于返回信号108将雷达数据提供给基站111。在一个实施例中,该数据可以是通过无线信号109从雷达单元110的无线接口125发送?#20132;?#31449;111的通信接口101的采样的I和Q信号991。在另一个实施例中,该雷达数据可以是通过雷达单元110和基站111之间的无线或有线通信提供的其他信号。
在框1280,由雷达单元110、基站111和/或其他部件的?#25105;?#26399;望的组合来处理框1270提供的数据。在一个实施例中,该处理可以包括:例如,脉冲压缩处理、多普勒处理、MARPA处理、和/或生成图像、文本和/或其他形式的结果信息的其他处理技术。在一个实施例中,通过执行多普勒处理,雷达系统100可以确定检测到的目标的速度以向用户提供态势感知能力。在一个实施例中,雷达系统100可以被配置为提供MARPA特征,以允许对检测到的目标的准确可靠的标识 和追踪(例如,在一个实施例中,使用速度向量)、允许海杂波识别和海杂波抑制。可以增强该MARPA特征以执行?#36828;?#30446;标捕获。
在框1290,向用户显示生成的结果信息。在一个实施例中,在基站111的显示器106上提供结果信息。例如,在一个实施例中,可以以不同的颜色显示移动的目标以描述靠近的或后退的目标。
鉴于本公开,应当理解的是,与传统的雷达系统相比,根据本文提出的各种实施例实现的雷达系统100可以提供各种优点。例如,使用固态GaN放大器替代磁控管允许以紧凑的形状因数和外形?#32422;?#30456;对?#31995;?#30340;功耗来实现雷达系统100。作为另一个例子,无线接口125的使用允许在没有复杂的旋转接?#38450;?#20256;递返回信号108的情况下即可实现雷达系统100。作为另一个例子,脉冲和FMCW信令的使用允许雷达系统100使用单个雷达系统来执行短程和远程检测。作为另一个例子,雷达系统100可?#36828;?#36820;回信号108执行多普勒处理,以提供准确可靠的船舶目标追踪、海杂波识别?#32422;?#30456;关的目标识别。
适用时,可以利用?#24067;?#36719;件或?#24067;?#21644;软件的结合来实现本公开提供的各种实施例。同样的当适用时,在不背离本公开的精神的情况下,本文提出的各种?#24067;?#37096;件和/或软件部件可以结合为包括软件、?#24067;?#21644;/或软件和?#24067;?#20108;者的?#26149;?#37096;件。适用时,在不背离本公开的精神的情况下,本文提出的各种?#24067;?#37096;件和/或软件部件可以分离为包括软件、?#24067;?#21644;/或软件和?#24067;?#20108;者的子部件。此外,适用时,可以理解的是,软件部件可以实现为?#24067;?#37096;件,反之亦然。
根据本公开的软件(例如,?#19988;资?#24615;指令、程序代码和/或数据)可?#28304;?#20648;到一个或多个?#19988;资?#24615;机器可读介质中。还应?#24065;?#35782;到的是,可以使用一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统、网络和/或其他设备来实现本文提到的软件。适用时,可以改变本文描述的各种步骤的顺序、将其组合成?#26149;?#27493;骤和/或分解为子步骤,以提供本文描述的特征。
以上所述的实施例示出但不限制本发明。应当理解的是,根据本发明的原理,很多修改和改变是可能的。因此,本发明的?#27573;?#30001;所附的权利要求书限定。

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本文标题:为远程和短程目标检测提供多个波形的雷达系统.pdf
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