障礙物檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種線檢測(cè)設(shè)備，包括帶有發(fā)射器和接收器的天線裝置，如此設(shè)計(jì)以形成脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，還包括用于控制通過天線裝置發(fā)射的波和/或接收的波的極化的極化控制裝置，以及用于根據(jù)線的特征極化回波識(shí)別來自線的反射的處理裝置。發(fā)射的波具有比要被檢測(cè)和識(shí)別的線的直徑更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。發(fā)射的波優(yōu)選具有比超過要被檢測(cè)和識(shí)別的線的直徑的6倍更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。該設(shè)備如此設(shè)計(jì)是為了檢測(cè)懸掛在空中的線。
【專利說明】障礙物檢測(cè)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于線和塔架的檢測(cè)的系統(tǒng)，并且更具體地涉及使用極化的無線電波的此類系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]本申請(qǐng)要求由本 申請(qǐng)人:障礙物檢測(cè)雷達(dá)有限公司在2012年5月2日在以色列提交的專利申請(qǐng)?zhí)枮?19547的優(yōu)先權(quán)益。迄今為止，設(shè)計(jì)了各種系統(tǒng)用于檢測(cè)懸掛的線，對(duì)于直升機(jī)和低空飛行輕型飛行器來說懸掛的線構(gòu)成障礙物。這些線可包括高壓電纜、中壓
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電細(xì)、電訪電細(xì)寺寺。
[0003]直升機(jī)可能與這些線碰撞，并伴隨致命的后果。問題在于很難從空中看到這些以黑色的地面為背景的線。這在白天好天氣的時(shí)候是很難做到的。幾乎不可能在晚上或者惡劣天氣下看到這些線。
[0004]對(duì)于直升機(jī)來言，懸掛的線比其他地面障礙物更危險(xiǎn)。地面障礙物通常具有相對(duì)小的寬度和高度，然而，因?yàn)榫€的位置較高并且跨度很寬，所以與線碰撞的危險(xiǎn)高得多。因此將懸掛的線與其他地面反射體區(qū)分開并相應(yīng)地向飛行員發(fā)出警報(bào)是很重要的。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)的傳感器系統(tǒng)顯然不能有效地檢測(cè)線。這些現(xiàn)有技術(shù)的傳感器系統(tǒng)包括，例如，毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、FLIR等等。這些現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)是復(fù)雜、笨重、且昂貴的，并且在檢測(cè)這些線的方面只實(shí)現(xiàn)了有限的成功。
[0006]有對(duì)用于線檢測(cè)和向飛行員發(fā)出警報(bào)的輕質(zhì)、低廉、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的需要。
[0007]授予給本 申請(qǐng)人:之一的現(xiàn)有專利(美國(guó)專利6，278，409)，公開了一種用于使用極化來檢測(cè)線的系統(tǒng)。主要地，此現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)包括用于發(fā)射多極化波的發(fā)射器、用于接收從目標(biāo)反射的波的裝置、以及用于分析反射的波的極化的裝置，用以檢測(cè)線的線性極化的回波特征的裝置、以及用以發(fā)布這些線存在的警示的裝置。發(fā)射的波的波長(zhǎng)大于將被檢測(cè)的線的直徑。
[0008]該系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式中的可能問題是關(guān)于要求將線與地面雜波區(qū)分開的低操作頻率和要求減少要求大帶寬的地面雜波反射的高分辨率的矛盾需求。
[0009]換言之，若雷達(dá)被如此設(shè)計(jì)以在低頻操作，則它將很難或不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率。
[0010]另一可能的問題是，在一些現(xiàn)實(shí)情形中，可能不會(huì)存在如圖1A示出的垂直于線的寬面反射(broadside return)。在另一,清況中，如圖1B,所期望的寬面反射將是可得的。
[0011]在如圖1A示出的情況下，存在來自塔架18的雷達(dá)反射。可以有利地使用此反射來直接指示區(qū)域中可能存在線的危險(xiǎn)；但是只有當(dāng)所述反射可以識(shí)別為來自塔架的反射才行。若使用的波長(zhǎng)比塔架的寬度更小，則塔架會(huì)反射處于所有極化(all polarizat1n)狀態(tài)的波，從而可能無法將它與其他地面反射體區(qū)分開。
[0012]為區(qū)分塔架，需要更低的發(fā)射頻率:然而，對(duì)于線的識(shí)別來說，波長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)比約2.5厘米(cm)的線直徑更大，而對(duì)于塔架的識(shí)別來說，波長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)比1-2米(m)更大。
[0013]如此長(zhǎng)的波長(zhǎng)(低的頻率)要求大的發(fā)射/接收天線，這在直升機(jī)或者輕型飛行器中明顯是不期望的情形。并且，低操作頻率還降低了雷達(dá)分辨率。
[0014]以下是用于線檢測(cè)的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的說明。
[0015]Thurlow的編號(hào)為5，264，856的美國(guó)專利，公開了一種用于檢測(cè)由一定長(zhǎng)度的線反射的輻射能量的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)具有以兩個(gè)固定的極化發(fā)射和接收的兩個(gè)天線。
[0016]Kennedy的編號(hào)為4，737，788的美國(guó)專利，公開了一種使用脈沖多普勒雷達(dá)的直升機(jī)障礙物檢測(cè)器。發(fā)射/接收天線被安裝在直升機(jī)旋翼葉片的末端附近以用于感測(cè)障礙物。
[0017]—種空中障礙物碰撞避免設(shè)備由Izhak Saban等公開在編號(hào)為5，448, 233的美國(guó)專利中。該設(shè)備包括用于在飛行器視野內(nèi)感測(cè)物體的物體傳感器和飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)。以色列專利號(hào)為104542。
[0018]轉(zhuǎn)讓給諾斯羅普.格魯曼公司(Northrop Grumman Corporat1n)的編號(hào)為109392的以色列申請(qǐng)，公開了一種用于感測(cè)處于飛行器飛行路徑中的物體的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括激光雷達(dá)子系統(tǒng)形式的裝置，其用于發(fā)出一束激光能、接收來自物體的反射、以及處理這些反射。
[0019]轉(zhuǎn)讓給聯(lián)合技術(shù)公司(United Technologies Corporat1n)的以色列申請(qǐng)?zhí)?10741，公開了一種具有空氣動(dòng)力學(xué)的、微波能量吸收的整流罩的對(duì)線進(jìn)行切割的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括線切割裝置以及用于覆蓋該線切割裝置的整流罩。
[0020]Krumes等人的美國(guó)專利號(hào)5，465，142，公開了一種用于感測(cè)處于飛行器飛行路徑上的物體并警告飛行員這些物體的存在的系統(tǒng)。
[0021]該系統(tǒng)包括用于發(fā)出一束激光能、接收來自物體的反射、以及處理這些反射的激光雷達(dá)子系統(tǒng)。
[0022]Wangler等人的美國(guó)專利號(hào)5，371，581，公開了一種直升機(jī)障礙物警報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括來自激光測(cè)距儀的水平旋轉(zhuǎn)束，該激光測(cè)距儀檢測(cè)并測(cè)量與可能危及到盤旋、起飛以及降落過程中的直升機(jī)的地面物體的距離。
[0023]Trampnau的美國(guó)專利號(hào)4，528，564,公開了一種用于帶有尾槳的直升機(jī)的警報(bào)機(jī)構(gòu)及其機(jī)械保護(hù)機(jī)構(gòu)。該警報(bào)機(jī)構(gòu)包括帶有發(fā)射/接收天線的安裝在直升機(jī)尾槳上以生成測(cè)高束的高度測(cè)定器。
[0024]Ludger等人的美國(guó)專利號(hào)5，210，586，公開了一種用于為低空飛行飛行器的飛行員鑒別障礙物的設(shè)置。該系統(tǒng)包括脈沖激光測(cè)距儀，以用于掃描給定視野以及用于圖像表示所感知的障礙物的過程。
[0025]Giul1等人的EP391328A2，公開了一種尤其適合直升機(jī)應(yīng)用的障礙物檢測(cè)和警報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括通過聲光偏轉(zhuǎn)器裝置掃描周圍空間的激光發(fā)射體。
[0026]Klausing的美國(guó)專利號(hào)5，451，957，公開了一種用于障礙物警報(bào)的雷達(dá)機(jī)構(gòu)。雷達(dá)機(jī)構(gòu)具有基于優(yōu)選用于直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)天線的合成孔徑，該雷達(dá)裝置在毫米波范圍內(nèi)操作并且它主要用作障礙物雷達(dá)。
[0027]Jehle等人的美國(guó)專利號(hào)4，695，842，公開了一種特定地用于直升機(jī)的飛行器雷達(dá)設(shè)置。雙頻系統(tǒng)使用60GHz的第一頻率用于障礙物警報(bào)，以及使用50GHz的第二頻率用于移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和導(dǎo)航。
[0028]Koechner的美國(guó)專利號(hào)4，902，126,公開了一種用于直升機(jī)的線障礙物避免系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在近紅外波長(zhǎng)區(qū)發(fā)出輻射的固態(tài)激光發(fā)射器。將反射信號(hào)與所發(fā)射的激光波瓣(laser lobes)比較。將距離信息展示給飛行員，飛行員然后做出避碰動(dòng)作。
[0029]Silverman等人的美國(guó)專利號(hào)4，572，662，公開了一種線及線狀物體的檢測(cè)系統(tǒng)。一種在紅外光譜區(qū)操作并且有效地補(bǔ)充檢測(cè)如線的細(xì)長(zhǎng)目標(biāo)的光雷達(dá)。優(yōu)選地被動(dòng)地Q切換脈沖發(fā)射器并且生成在一個(gè)方向上偏振的光脈沖。
[0030]轉(zhuǎn)讓給西屋電氣公司(Westinghouse Electric Corp)的美國(guó)專利號(hào)4，417，248，公開了一種自適應(yīng)碰撞威脅評(píng)估器，該自適應(yīng)碰撞威脅評(píng)估器包括帶有一種根據(jù)代表其測(cè)量的相對(duì)方位而自適應(yīng)地評(píng)估所檢測(cè)的威脅的系統(tǒng)的單脈沖雷達(dá)。
[0031]這些被使用以使用雷達(dá)來確定潛在的碰撞威脅。在每一個(gè)選定數(shù)字的時(shí)間增量處進(jìn)行比較測(cè)試。
[0032]Raven等人的美國(guó)專利號(hào)4，638，315,公開了一種旋翼末端合成孔徑雷達(dá),其包括旋翼、位于旋翼中的雷達(dá)接收器，并且其用于將接收到的信號(hào)中繼到如直升機(jī)駕駛室的第二位置。
[0033]Fazi等人的美國(guó)專利號(hào)5，296，909，公開了一種用于航空電子應(yīng)用的懸掛電纜檢測(cè)器。該系統(tǒng)包括具有噪聲發(fā)生器和掃描集中器的掃描系統(tǒng)、LIDAR系統(tǒng)以及提取器系統(tǒng)。
[0034]Young等人的美國(guó)專利號(hào)4，362，992，公開了一種檢測(cè)接近如從電力傳輸電纜發(fā)出的交變磁場(chǎng)的方法和系統(tǒng)。
[0035]Kleider的美國(guó)專利號(hào)4，068，124，公開了一種線障礙物警報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括線性CCD傳感器陣列，該線性CCD傳感器陣列包括在選通光雷達(dá)中，尤其適用于允許在如直升機(jī)或類似物在雷達(dá)平臺(tái)的低空飛行過程中對(duì)線或線狀障礙物的模式識(shí)別。
[0036]Hulderman的美國(guó)專利號(hào)5，486，832，公開了一種雷達(dá)設(shè)備，該雷達(dá)設(shè)備包括毫米波雷達(dá)發(fā)射器，該毫米波雷達(dá)發(fā)射器包括泛波束天線和用于處理雷達(dá)反射信號(hào)以生成雷達(dá)輸出信號(hào)的雷達(dá)信號(hào)處理器。
[0037]包括接收天線的RF傳感器包括多個(gè)天線元件、多個(gè)分別耦合到所述多個(gè)天線元件的輸出端及耦合到發(fā)射器的。
[0038]Hager的美國(guó)專利號(hào)5，047，779，公開了一種帶有多目標(biāo)追蹤能力的飛行器雷達(dá)高度表。該雷達(dá)包括許可同時(shí)有效地追蹤至少兩個(gè)目標(biāo)的編程的微控制器，以便例如可以同時(shí)追蹤地面和地面上的障礙物，這樣避免了撞機(jī)。
[0039]Boyes等人的美國(guó)專利號(hào)5，442，556，公開了一種飛行器地形和障礙物避免系統(tǒng)。該系統(tǒng)在當(dāng)飛行器處于潛在的危險(xiǎn)事件中時(shí)生成飛行器警報(bào)信號(hào)。該系統(tǒng)涉及上升軌跡的計(jì)算，飛行器可以在當(dāng)前飛行路徑上在參考點(diǎn)處進(jìn)行該計(jì)算。
[0040]發(fā)明的公開內(nèi)容
[0041]本發(fā)明公開了一種用于使用極化雷達(dá)波進(jìn)行線的檢測(cè)的新型系統(tǒng)。這些線是懸掛的線，特別是塔架之間的電線。也可檢測(cè)電話線和其他懸掛的線。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，該系統(tǒng)發(fā)射多極化波，該多極化波為具有多于一個(gè)線性極化分量的波。對(duì)于每個(gè)發(fā)射的極化，系統(tǒng)中的收發(fā)器分析收到的回波以檢測(cè)作為線的特征的線性極化波。
[0043]在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射線性極化的波并且測(cè)量接收的波的極化。線性極化的回波表示在區(qū)域中的線。
[0044]在另一實(shí)施例中，發(fā)射線性極化波并且使用相同的極化來接收反射波。反射波相對(duì)于發(fā)射/接收極化的變化，可以表示線的存在。
[0045]使用具有極化控制能力的天線，所述天線能夠與雷達(dá)發(fā)射器裝置和接收器裝置一起在期望的極化處發(fā)射并接收波。
[0046]在優(yōu)選的實(shí)施例中，雷達(dá)發(fā)射線性極化的波并接收有相同極化取向的波。這實(shí)現(xiàn)了更好的極化選擇性。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，帶有極化控制能力的天線被安置在直升機(jī)或飛機(jī)中以提供前向檢測(cè)能力并且，此外，提供了橫向檢測(cè)能力。
[0048]該系統(tǒng)使用具有比要檢測(cè)的線的直徑更長(zhǎng)的波長(zhǎng)的波，以激發(fā)和利用細(xì)線的極化特性。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，使用了更加較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，其比塔架的直徑(或?qū)挾?更長(zhǎng)。這樣的信號(hào)引起從塔架反射的極化的波反射，因此允許將塔架與背景區(qū)分開。
[0050]雙頻系統(tǒng)可使用較高頻率以用于檢測(cè)線，其中波長(zhǎng)由線的直徑確定；并且使用較低頻率以用于檢測(cè)塔架，其中波長(zhǎng)由塔架寬度確定。為檢測(cè)到其中一個(gè)預(yù)期的目標(biāo):線和塔架，優(yōu)化每種結(jié)合(頻率、發(fā)射信號(hào)波形以及信號(hào)處理)。
[0051]該新型系統(tǒng)可交替地執(zhí)行線和塔架檢測(cè)的周期；結(jié)果可能被結(jié)合和關(guān)聯(lián)，以用于給飛行員提供完整的威脅評(píng)估和報(bào)警發(fā)布。
[0052]信號(hào)處理還可將線和塔架根據(jù)它們的極化取向而區(qū)分開，線的極化取向接近水平而塔架的極化取向接近垂直。
[0053]干涉儀裝置可改進(jìn)對(duì)線和塔架的方向的測(cè)量；可使用多個(gè)元件以形成寬的或全方位的發(fā)射方向圖，以及在接收方向上的窄波束。方向可是一個(gè)維度(方位角)或者二個(gè)維度(方位角和仰角)。
[0054]從干涉儀到線的方向可以與相對(duì)于直升機(jī)的速度測(cè)量的多普勒相關(guān)聯(lián)，相對(duì)于直升機(jī)的速度測(cè)量的多普勒也表明到線的角度；可以使用此相關(guān)來減少虛警率。
[0055]由具有以下新的、特別的特點(diǎn)的組合的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的性能:
[0056]a.步進(jìn)頻率波形，以改善雷達(dá)分辨率。
[0057]b.高脈沖重復(fù)頻率(PRF)，其進(jìn)一步在本具體應(yīng)用涉及的短程中獲得無歧義的檢測(cè)。
[0058]c.比半波長(zhǎng)更小的天線元件；可相應(yīng)地補(bǔ)償不期望的有抗阻抗部件，并且以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配或盡可能地接近它。
[0059]在每個(gè)發(fā)射頻率中，將施加足夠的補(bǔ)償。
[0060]d.低發(fā)射功率，因?yàn)橐陨?a)-(c)的結(jié)合，其是可獲得的。
[0061]e.低成本的、快速的、固態(tài)元件，由于低發(fā)射功率，其可能用于(C)中的阻抗補(bǔ)償。
[0062]f.適度的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍要求。
[0063]g.低成本的、輕質(zhì)的雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，其是由于低發(fā)射功率和適度的靈敏度以及動(dòng)態(tài)范圍要求而實(shí)現(xiàn)的；該系統(tǒng)可與天線集成到一個(gè)單元，方便在直升機(jī)或輕型飛行器中安置，以及從其上卸下。
[0064]適度的靈敏度要求:頻率越低，雷達(dá)反射越高(目標(biāo)區(qū)域以與波長(zhǎng)的平方成正比的速率增加)；來自線的寬面反射表現(xiàn)出大的橫截面。塔架可認(rèn)為是單極子，一半偶極子另一半從地面反射；它是以更低的頻率被檢測(cè)到的，因此表示更大的區(qū)域。
[0065]這些考慮同樣引起適度的動(dòng)態(tài)范圍要求。
[0066]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)以兩個(gè)頻率中的每個(gè)交替操作，每個(gè)頻率適用于兩類目標(biāo)(線和塔架)的其中之一的有效檢測(cè)和識(shí)別。
[0067]在另一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)以較高頻率操作以檢測(cè)線；當(dāng)接收到非線性極化的大雜波反射時(shí)(因此不是線)，則該系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)成較低頻率，以檢查在該頻率是否出現(xiàn)極化特點(diǎn)；若是肯定的，并且極化是垂直的，則這表明是塔架；較低頻率可適用于識(shí)別例如高達(dá)I米厚的塔架。
[0068]若為否定，則該系統(tǒng)可選擇地轉(zhuǎn)成更低的頻率，以識(shí)別例如厚度為3米的塔架。
[0069]此系統(tǒng)的益處為:即使是以較高頻率操作，塔架仍然具有強(qiáng)的雷達(dá)反射；在該較高頻率，較高的分辨率是可能的，以減少干擾，從而測(cè)量向目標(biāo)等接近的速度。
[0070]既在高頻又在低頻的操作允許將多于一個(gè)頻率的極化特性相關(guān)聯(lián)，因此若其根本就是塔架的話，則評(píng)估塔架的厚度。
[0071]極化測(cè)量可能面臨的問題是地面雜波本身可展示一些極化效應(yīng)(在水平極化和垂直極化中的不同散射)。為校正此效應(yīng)，可使用附加信號(hào)處理以測(cè)量雜波的平均極化并使用這些測(cè)量作為關(guān)于線存在的判斷的閥值。即，預(yù)期線在雷達(dá)距離單元中的存在將導(dǎo)致其極化特征不同于周圍單元中的極化特征。
[0072]可使用數(shù)字信號(hào)處理以計(jì)算預(yù)期的碰撞時(shí)間，若該時(shí)間比預(yù)設(shè)定的閥值小則向飛行員報(bào)警。例如，若離碰撞只有5秒或時(shí)間更少則激活報(bào)警。
[0073]可使用線或塔架的反射的多普勒以計(jì)算接近的速度(這可不同于直升機(jī)速度)；此速度，與線和塔架的距離一起，可以被用來計(jì)算預(yù)期的碰撞時(shí)間。
[0074]可使用接收的信號(hào)的快速傅立葉變換(FFT)來計(jì)算多普勒。
[0075]相應(yīng)地，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在閱讀了以下的詳細(xì)說明和附圖之后，本發(fā)明的其他目的將變得明顯。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0076]本發(fā)明的若干實(shí)施例將通過示例和參考附圖的方式進(jìn)行公開，其中:
[0077]圖1A(現(xiàn)有技術(shù))示出了帶有反射的空間方向性的線的波反射特征，以及
[0078]圖1B (現(xiàn)有技術(shù))示出了線的極化特征；
[0079]圖2A和圖2B示出了包括反射線和塔架的可能場(chǎng)景；
[0080]圖3詳細(xì)描繪了天線在直升機(jī)上的可能的安置和每個(gè)元件的天線方向圖；
[0081]圖4示出了當(dāng)鄰近的天線元件被用于干涉儀配置中時(shí)的定向接收方向圖；
[0082]圖5A示出了一種帶有發(fā)射極化控制(線性極化)的系統(tǒng)；
[0083]圖5B示出了一種帶有發(fā)射圓極化的系統(tǒng)(公共單元既可以實(shí)現(xiàn)圖5A的線性極化又可以實(shí)現(xiàn)圖5B的圓極化)；
[0084]圖6示出了帶有極化控制的接收器系統(tǒng)，IF信號(hào)可以在IF處結(jié)合或在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中為數(shù)字形式；
[0085]圖7示出了雷達(dá)系統(tǒng)的框圖；
[0086]圖8示出了用于二維干涉儀系統(tǒng)的天線元件；
[0087]圖9示出了在直升機(jī)上安置多元件天線陣列；
[0088]圖10示出了共形模塊天線/雷達(dá)單元。
[0089]具體實(shí)施本發(fā)明的方式
[0090]現(xiàn)在將通過示例和參考相應(yīng)附圖的方式來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0091 ] 在本公開中，雷達(dá)系統(tǒng)或線檢測(cè)設(shè)備是可互換使用的。
[0092]圖1A(現(xiàn)有技術(shù))示出了帶有反射的空間方向性的線的波反射特征，并且圖1B(現(xiàn)有技術(shù))示出了線的極化特征。
[0093]對(duì)于懸掛的線11而言，來自具有廣角天線方向圖144的電磁波發(fā)射器14的波，在垂直于線11的方向上具有強(qiáng)的寬面反射12，并且在其他方向上具有旁瓣13。
[0094]直升機(jī)中的極化雷達(dá)可以有利地檢測(cè)來自線11的部分119的強(qiáng)的寬面反射。
[0095]在另一實(shí)施例中，可能有發(fā)射器14的窄方向圖。
[0096]在優(yōu)選的實(shí)施例中，發(fā)射的波具有比超過要檢測(cè)和識(shí)別的線的直徑的6倍更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。這實(shí)現(xiàn)了在來自線的回波中的極化效應(yīng)，對(duì)于具有在波的方向上的極化的波更強(qiáng)的反射。
[0097]對(duì)于使用波極化的塔架的檢測(cè)和識(shí)別而言，線檢測(cè)設(shè)備使用比塔架的寬度或直徑更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。
[0098]該系統(tǒng)可包括雙頻雷達(dá)，其使用第一頻率用于檢測(cè)和識(shí)別線，而使用第二頻率用于檢測(cè)和識(shí)別塔架；第二頻率比第一頻率低。
[0099]優(yōu)選地，在步進(jìn)頻率雷達(dá)中實(shí)現(xiàn)線檢測(cè)設(shè)備。此外，該設(shè)備可使用高PRF雷達(dá)以用于短程檢測(cè)。
[0100]圖2A和圖2B示出了包括反射線和塔架的可能場(chǎng)景。
[0101]在圖2A中，存在著垂直于直升機(jī)17的線11的節(jié)段，這導(dǎo)致在垂直于線11的方向上的強(qiáng)的寬面反射。
[0102]然而，在圖2B中，懸掛的線11不具有垂直于直升機(jī)17的部分；因此來自線11的反射的波121、122被遠(yuǎn)離直升機(jī)17反射。
[0103]在這個(gè)場(chǎng)景中,塔架18可回向著(back toward)該直升機(jī)反射反射波123,所以允許較早的檢測(cè)和報(bào)警；例如將塔架與普通地面雜波區(qū)分開來是可期望的。
[0104]直升機(jī)前進(jìn)速度V(168)和接近線的速度Vw(169)之間的比值可以表明到線的角度167——到線的方向；角度167可以使用已知的三角關(guān)系進(jìn)行計(jì)算:
[0105]角度167 = arc (cos (Vw/V))。
[0106]可將這個(gè)值與其他結(jié)果比較，比如，干涉值；這可以增加雷達(dá)精度并減少虛警率。
[0107]此外，有可能將線與塔架區(qū)分開；方法是使用以下準(zhǔn)則:
[0108]來自線的反射導(dǎo)致了為常量的角度167的值，然而，隨著直升機(jī)17向前移動(dòng)，塔架的角度167隨時(shí)間變化。
[0109]因?yàn)橹鄙龣C(jī)17—般向前移動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)較早發(fā)警報(bào)的特定時(shí)間(在與線預(yù)期的碰撞之前)需要比較長(zhǎng)的距離。所以前向天線2具有相對(duì)窄的方向圖或波瓣21。
[0110]圖3詳細(xì)描述了在直升機(jī)上可能的天線安置和天線元件281、282、283、284中的每個(gè)的天線方向圖以及它們相應(yīng)的方向圖291、292、293、294。
[0111]這些是當(dāng)每個(gè)元件被使用于單獨(dú)發(fā)射時(shí)的天線元件的發(fā)射圖。
[0112]線檢測(cè)設(shè)備可包括用于在二維探知干涉方向的裝置，其中二維包括方位角和仰角。該設(shè)備可包括具有用于在天線陣列的鄰近元件之間實(shí)現(xiàn)干涉的具有二維天線陣列的天線裝置。在優(yōu)選的實(shí)施例中，天線陣列元件被安裝在曲凸面上，以便允許天線元件指向不同方向。
[0113]圖4示出了當(dāng)鄰近天線元件被用于干涉儀配置中時(shí)的定向接收方向圖。在此示出性的例子中，存在形成的定向接收方向圖296 (在元件281和元件282之間)、定向接收方向圖297(在元件282和元件283之間)、定向接收方向圖298(在元件283和元件284之間)。
[0114]圖5A示出了一種帶有發(fā)射極化控制(線性極化)的系統(tǒng)；
[0115]圖5B示出了一種帶有發(fā)射圓極化的系統(tǒng)(公共單元既可以實(shí)現(xiàn)圖5A的線性極化又可以實(shí)現(xiàn)圖5B的圓極化)。
[0116]將發(fā)射器31和兩個(gè)增益控制單元32和33 —起使用。每個(gè)增益控制單元可以分別通過增益控制輸入端321、增益控制輸入端331與RF放大器一起實(shí)現(xiàn)，其利用來自計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制的增益。
[0117]因?yàn)楸纠走_(dá)的獨(dú)特結(jié)構(gòu):在步進(jìn)頻率雷達(dá)配置中低范圍(優(yōu)選地比500米小)，且同時(shí)使用若干天線元件和寬帶系統(tǒng)，所以低功率單元31、低功率單元32、低功率單元33可以被使用。
[0118]具有極化能力的天線單元可包括具有垂直極化25以及水平極化24的線性天線元件(即偶極子)。
[0119]相移單元34在一個(gè)輸出(例如在所示出的實(shí)施例中的垂直輸出信號(hào))中引起90度的相移。
[0120]圖5A、圖5B的RF電路實(shí)際上是一個(gè)RF單元/發(fā)射的部分，在不同軟件控制下可以實(shí)現(xiàn)不同的配置。圖6示出了帶有極化控制的雷達(dá)系統(tǒng)的接收器單元，其中IF信號(hào)可以在IF處結(jié)合、或?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理器(DSP)中的數(shù)字形式。
[0121]若在相位上結(jié)合這些IF信號(hào)，則它們形成線性極化前端；若一個(gè)IF信號(hào)相移90度，則是圓極化。
[0122]在優(yōu)選的實(shí)施例中，接收器單元可包括:天線元件24、天線元件25 ;每個(gè)天線元件連接到RF放大器35、RF混頻器36 (第一混頻器)、IF放大器37、以及一對(duì)IF混頻器38 (第二混頻器)、相干檢測(cè)器I/Q?；祛l器38的基帶信號(hào)輸出被傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)41，并且被傳輸?shù)綌?shù)字信號(hào)處理器42。
[0123]發(fā)射/接收(T/R)開關(guān)(未示出)將圖5A、5B的發(fā)射器31或者圖6的接收器連接到天線元件24、25 ;如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)在本領(lǐng)域是公知的，為清楚起見，在此就不再詳細(xì)描述。
[0124]實(shí)際上，在系統(tǒng)中可存在更多的天線元件。
[0125]圖7示出了雷達(dá)系統(tǒng)的框圖。
[0126]該圖出了完整的系統(tǒng)，其中有部分在前面詳細(xì)描述過。該系統(tǒng)可包括，例如:發(fā)射器31、極化控制單元61、T/R開關(guān)3、天線元件22、天線元件23、天線元件24、天線元件25、接收器66、例如使用DSP的信號(hào)處理器4、計(jì)算機(jī)67、電源68。
[0127]在優(yōu)選的實(shí)施例中，發(fā)射器31生成步頻波形的脈沖。這可以用以實(shí)現(xiàn)高分辨率雷達(dá)。
[0128]圖8示出了用于二維干涉儀系統(tǒng)的天線元件。元件210-219中的每個(gè)都具有如在本公開其他地方詳細(xì)描述的極化控制。
[0129]根據(jù)任何特定情況的要求，可以單獨(dú)使用每個(gè)元件來發(fā)射寬的方向圖，或可以結(jié)合兩個(gè)或多于兩個(gè)元件來發(fā)射指向性更好的方向圖。例如，在高速時(shí)，較窄的前向波束可能是有利的，以檢測(cè)在更遠(yuǎn)距離的線。這可以在碰撞之前的合理的時(shí)間實(shí)現(xiàn)發(fā)警報(bào)，從而使飛行員做出回避行為；在較低的速度時(shí)，橫向檢測(cè)可能變得更重要。
[0130]可在發(fā)射時(shí)結(jié)合一個(gè)在另一個(gè)之上的兩個(gè)元件(即元件211、元件216)以增加在該方向上的增益。
[0131]在接收時(shí)，可結(jié)合元件以實(shí)現(xiàn)在方位角上的方向性，以及同樣可選擇地實(shí)現(xiàn)在仰角上的方向性?？稍赗F、IF或在DSP中結(jié)合元件。在DSP中的處理是有利的，這是因?yàn)樗`活和更精準(zhǔn)，并且可以按需要被使用以實(shí)現(xiàn)各種波束。
[0132]該DSP可以處理與各種信號(hào)的振幅和相位相關(guān)的相量。
[0133]可以使用稀疏陣列；該陣列可包括僅僅兩個(gè)元件,例如212+213或者212+217 ;或者3個(gè)元件，例如212+213+217等。
[0134]圖9示出了在直升機(jī)上的多元件天線陣列的安置；天線元件211-219中的每個(gè)都具有極化控制能力。為了實(shí)現(xiàn)在水平(方位角)平面上增強(qiáng)的線檢測(cè)能力，天線元件可安裝在直升機(jī)17的機(jī)體周圍，如圖所示。
[0135]圖10示出了共形模塊天線/雷達(dá)單元。
[0136]在優(yōu)選的實(shí)施例中，該天線/雷達(dá)單元7可包括:適用于直升機(jī)機(jī)體(或飛機(jī)機(jī)體)的發(fā)射/接收天線孔徑71、雷達(dá)電路和殼體72、功率輸入端73、數(shù)據(jù)/信號(hào)輸入端和輸出端74、緊固裝置75、以及共形表面76。
[0137]該線檢測(cè)系統(tǒng)可被安置在例如直升機(jī)或輕型飛行器中，以提供防止與線或塔架的碰撞的警報(bào)。
[0138]一種線和塔架的檢測(cè)方法
[0139]a.發(fā)射RF波，該RF波具有受控的極化；
[0140]b.使用受控的極化的天線裝置接收RF反射(回波)；
[0141]c.處理接收的信號(hào)以識(shí)別線或塔架的回波特征；
[0142]d.若以第一頻率接收到不能被識(shí)別為線的大回波，則使用第二(更低)頻率來識(shí)別塔架。
[0143]在上述方法中，可使用高PRF雷達(dá)發(fā)射用于短程檢測(cè)。
[0144]可以理解的是，前述只是在本發(fā)明的范圍內(nèi)的設(shè)備和方法的一個(gè)例子，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀本文此前所陳述的公開內(nèi)容后，將能想到各種修改。
[0145]工業(yè)實(shí)用性
[0146]本發(fā)明涉及一種用于使用極化的無線電波來檢測(cè)懸掛的線的新穎的系統(tǒng)。
[0147]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，該系統(tǒng)發(fā)射多極化波，所述多極化波為具有多于一個(gè)線性極化分量的波。對(duì)于每個(gè)發(fā)射的極化，系統(tǒng)中的接收器分析收到的回波以檢測(cè)作為線的特征的線性極化波。
[0148]在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射線性極化的波并且測(cè)量接收的波的極化。線性極化的回波表明在區(qū)域中有懸掛的線。
【權(quán)利要求】
1.一種線檢測(cè)設(shè)備，其包括帶有發(fā)射器裝置和接收器裝置的天線裝置，如此被設(shè)計(jì)以形成脈沖雷達(dá)系統(tǒng)，還包括極化控制裝置和處理裝置，所述極化控制裝置用于控制通過所述天線裝置所發(fā)射的波和/或所接收的波的極化，并且所述處理裝置用于根據(jù)線的特征極化回波來識(shí)別來自線的反射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線檢測(cè)設(shè)備，其中所發(fā)射的波具有比要被檢測(cè)和識(shí)別的線的直徑更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線檢測(cè)設(shè)備，其中所發(fā)射的波具有比超過要被檢測(cè)和識(shí)別的線的直徑的6倍更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線檢測(cè)設(shè)備，還包括使用波極化進(jìn)行塔架檢測(cè)和識(shí)別的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的線檢測(cè)設(shè)備，其中進(jìn)行塔架檢測(cè)和識(shí)別的所述裝置使用具有比要被檢測(cè)的所述塔架的直徑或?qū)挾雀L(zhǎng)的波長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的線檢測(cè)設(shè)備，還包括用于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)頻率雷達(dá)的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的線檢測(cè)設(shè)備，還包括用于實(shí)現(xiàn)雙頻雷達(dá)的裝置，所述用于實(shí)現(xiàn)雙頻雷達(dá)的裝置包括用于檢測(cè)和識(shí)別線的第一頻率，以及用于檢測(cè)和識(shí)別塔架的第二頻率，并且其中所述第二頻率比所述第一頻率更低。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的線檢測(cè)設(shè)備，還包括用于實(shí)現(xiàn)用于短程檢測(cè)的高PRF雷達(dá)的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要1-8中任一項(xiàng)所述的線檢測(cè)設(shè)備，還包括用于在二維中進(jìn)行干涉方向探知的裝置，其中所述二維包括方位角和仰角。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任一項(xiàng)所述的線檢測(cè)設(shè)備，其中所述天線裝置包括二維天線陣列，所述二維天線陣列用于在天線陣列的鄰近元件之間實(shí)現(xiàn)干涉測(cè)量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的線檢測(cè)設(shè)備，其中所述天線陣列元件被安裝在曲凸面上，以便允許所述天線元件指向不同的方向。
12.—種線和塔架的檢測(cè)方法，所述方法包括: a.發(fā)射RF波，所述RF波具有受控的極化； b.使用受控的極化的天線裝置接收RF反射，即回波； c.處理所接收的信號(hào)以識(shí)別線或塔架的回波特征； d.若以第一頻率接收到不能被識(shí)別為線的大回波，則使用第二頻率，即更低的頻率來識(shí)別塔架。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的線和塔架的檢測(cè)方法，還使用高PRF雷達(dá)發(fā)射用于短程檢測(cè)。
【文檔編號(hào)】G01S7/02GK104272136SQ201380022962
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2013年5月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月2日
【發(fā)明者】海姆·尼夫, 艾倫·斯拉帕克, 馬克·祖塔 申請(qǐng)人:雷達(dá)障礙檢測(cè)有限公司