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专利名称：雷达系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及雷达，特别涉及用于商用机场和军事空军基地中的空中交通管制的这种雷达系统。
背景技术：
本地空中交通管制初级雷达的目的是检测机场附近位于所有操作高度的和位于多达大约70海里(大约130km)范围内的配合和不配合的空运目标。这样的雷达始终如一地操作，以便处理回波信号的频率扩展来确定是否存在由目标回波的径向运动导致的多普勒频移的迹象。如果不存在多普勒频移，则回波被假定来自于静态杂波，因此能够被消除，然而那些具有显著多普勒回波的回波被假定来自于飞行器目标且通过滤波系统、被检测并被输出为雷达图。这样的处理系统可以具有不同程度的精密度和分辨率，并且通过像运动目标指示(MTI)、运动目标检测(MTD)或者脉冲多普勒(Pulse-DoppIe )这样的名字来描述。这些布置，与使用等高线图和杂波图来对超过多普勒滤波器的偶发多余杂波回波进行滤波一起，到现在一直工作良好，并且其有可能以高确定度辨别飞行器和背景杂波。然而，近来为了减少对石油燃料的依赖，使用风力涡轮机作为动力源已变得普遍。这样的风力涡轮机通常包括高度达180m的支撑机舱的塔和直径多达80m的被转成与主导风向垂直的转子。风力涡轮机可以单独或者以多达200或200以上个风力涡轮机的大阵列形式存在于风电场中。这样的风电场如果出现在飞机场或空军基地的区域中，那么将对空中交通管制措施造成相当大的挑战，因为风电场将具有显著大于必须检测的大多数目标的雷达截面积(RCS)的雷达截面积。例如，静态塔可能具有大约100，OOOm2的RCS，并且叶片的RCS可能大约是1000m2，而大型客机的RCS正常情况下仅是IOOm2并且军用喷气式飞机的RCS可能仅是Im2的数量级。此外，风力涡轮机可能产生不同量的多普勒。例如，如果转动涡轮机使得雷达天线在转子的平面内查看涡轮机，那么转子叶片将在转子旋转时移向雷达和移离雷达，这将在来自于涡轮机的回波信号中产生显著的多普勒频移。在特定的情况下，这可能表现为雷达回波信号中非常高强度的一系列闪烁，因为不同叶片瞬时从雷达天线垂直于风力涡轮机的方向(通常在不同叶片竖直时)。这样的结果是来自于分布式风电场的雷达回波被视作大量杂波，在这些杂波中不能将真实目标与源自风电场的杂波区分开。如果使用相控阵天线，则有可能将目标与风电场杂波区分开，但是这样的相控阵天线对除了军事应用以外的任何应用是过于昂贵的。例如，军事相控阵雷达可能花费大约3千万欧元，然而空中交通管制雷达可能花费仅3百万欧元左右。大多数基本的本地空中交通管制雷达仅具有单个主束，该主束通常补充有次高级近距离波束，使得由风电场占用的区域将甚至在飞行器在涡轮机正上方的高度飞行时也对来自飞行器的回波“不起作用“。而且，虽然已经提出通过改进风力涡轮机本身来减轻风力涡轮机的影响，但是这一般是不切实际的，因为也许不可能接近涡轮机。实际上，涡轮机甚至可能位于不同地区。

发明内容
本发明的目的是提供对现有雷达的改进或升级，该改进或升级相对便宜且能够减轻由风力涡轮机或风电场引起的干扰。优选地，该升级可以以低廉的成本几乎安装在任何空中交通管制雷达(通常是那种不具有以电子方式导向的波束的雷达)中。根据一个方面，本发明提供一种用于雷达系统的组件，所述雷达系统包括可操作以沿方位角方向运动来扫描区域的主天线、用于从天线发射脉冲的发射器以及用于接收回波信号的接收器，所述组件可操作来使所述雷达系统能够在位于所述区域内的风力涡轮机存在的情况下检测目标；所述组件包括多个辅助天线和用于处理所述回波信号的处理器，所述处理器可操作以根据在训练过程中由所述主天线和所述辅助天线接收的多个回波信号生成所述风力涡轮机的标志，生成或接收目标的模型数据，针对目标的存在性使用所述标志和所述模型数据来测试回波数据，以及如果检测到目标，则生成代表所检测到的目标的数据。本发明还提供一种雷达系统，该雷达系统包括:天线，可操作以沿方位角方向运动来扫描区域；发射器，用于从所述天线发射脉冲；和接收器，用于接收回波信号；以及根据本发明第一方面的包括辅助天线和处理器的组件。下面在描述本发明的各个方面时，可以将本发明称为雷达系统，但是将理解，本发明在所有情况下不一定局限于包括雷达系统的像主天线这样的传统特征，并且可以仅指上面规定的可以与传统雷达系统结合来升级传统雷达系统的组件。根据本发明的组件具有如下优势:当主发射波束扫描整个区域时，处理有效地布置接收波束空位(receive beam null)来使风力润轮机最小化或掩盖掉风力润轮机，同时使来自真实目标的回波最大化。该处理能够自校准(也就是说，辅助天线的准确定位可能是不必要的)并且能够在风力涡轮机的已知距离和方位角下产生高程和多普勒的有效空位。附加天线可以是简单的碟状天线或平板印刷天线，这些天线对于批量制造来说是便宜的，并且能够远程地配置成适合于应用。虽然辅助天线将需要附加的接收器信道，但是这能够容易地通过使用现代数字接收器来提供。所述辅助天线可以能够与所述主天线一起旋转或者被固定至风力涡轮机方向上的点。根据本发明的最广方面，单个辅助天线具有的缺点是，在回波信号中可能存在多个空位(null)，使得回波可能在多个不同的高程处被最小化。因此，优选的是使用多个辅助天线来生成处于不同高程的多个重叠旁瓣，使得仅在少量高程处生成空位，优选地仅在与涡轮机的高程对应的一个高程处生成空位。如果需要，所述组件可以包括两个以上的辅助天线，并且可以具有任何数量的辅助天线，例如多达10个，但是优选不超过四个固定天线，因为过多辅助天线可能产生太重的计算负担。附加的辅助天线可以位于为天线提供的位于主天线下方或上方的结构上，并且可以是固定的或者可以与主天线一起旋转。在回波信号中生成空位的一种形式的设备和方法中，处理器可操作来在具有风力涡轮机特征的噪声背景中实现与目标信号匹配的检测滤波器。在检测测试期间接收的雷达信号被限定为向量a，该向量a的分量是在扫描波束停留时间内来自于所有天线(在测试中的方位角的方向上)的测试中的所有脉冲的距离单元(range cell)的复振幅。该数据的测试统计由下式给出:
CiR-1S*其中，a是限定测试中的回波信号的向量，IT1是来自于风力涡轮机的雷达信号的协方差矩阵估计的逆，并且s*是待检测的目标信号向量的复共轭。阈值h被施加于该测试统计，以确定回波信号是否应被视为包含目标。风力涡轮机噪声的协方差矩阵的估计可以从信号向量V中获得，该信号向量V是具有与上面的a相同分量的、从风力涡轮机接收的雷达信号，协方差矩阵的估计如下:R=VVh其中，H表示厄米特转置。通常关于V的许多样本对R求平均，以提高R的估计的精度。因此，R=<VVh>其中，括号〈> 表不平均。不需要针对在回波信号中生成的整组距离值生成回波信号的被估计的协方差矩阵R，因为这将需要很大的计算负担。作为替代，有可能且优选地使处理器仅针对回波中具有与从雷达天线至风力涡轮机或风电场的间隔对应的延迟的那些值生成估计。类似地，不需要针对所有方位角生成协方差矩阵。因此，处理器可操作来仅针对与风力涡轮机或每个风力涡轮机的距离和方位角对应的回波信号生成协方差矩阵R，并且优选地可操作来针对与形成风电场的风力涡轮机的距离和方位角对应的回波信号生成协方差矩阵R。在操作时，一旦雷达系统的操作被启动，处理器就可以根据回波信号V的外积VVh的滑动平均(running average)来生成协方差矩阵的估计。如果可能,这可以通过单独地针对风力涡轮机生成估计来执行。在主天线是反射器天线的这种情况下，来自每个风力涡轮机的回波向量V会关于天线的每个完整转动被采样一次，并且该样本可以添加至协方差矩阵的滑动平均。然而，这种过程可能具有的缺点是，如果在天线的每转中从每个涡轮机仅获得单个样本，那么该过程可能花费过长时间来关于每个值生成具有足够样本的协方差矩阵的良好估计。在此情况下，可能优选的是对风电场中的多个风力涡轮机的回波取平均，或者可替代地对来自于风电场中的所有风力涡轮机的回波取平均。可替代地，也许可能在训练过程中关于涡轮机的每个取向和测试任务以前的速度对来自于所有风力涡轮机的回波进行采样，并且将协方差矩阵放入查找表中以与后来的测试条件一起使用。如果涡轮机的“闪烁”时序能够使用来自于辅助天线之一的发射来预测，那么也许可能生成两个协方差矩阵，一个协方差矩阵对应于在“闪烁”期间来自于风力涡轮机的密集回波信号，而另一个协方差矩阵对应于在缺少“闪烁”的情况下的回波信号，并且所述处理器可操作来根据是否观测到闪烁而生成多个匹配滤波器。该过程可以通过减少由闪烁引起的虚警的数量而提高性能。根据另一方面，本发明提供一种在风力涡轮机或风电场存在的情况下检测目标位置的方法，该方法包括从沿方位角方向运动的主天线发射雷达脉冲，以及处理由所述主天线和多个辅助天线接收的回波信号，该方法包括下列步骤:根据在训练过程中由所述主天线和所述辅助天线接收的多个回波信号生成风力涡轮机的标志，生成目标的模型数据或从存储器接收目标的模型数据，以及针对飞行器的存在性使用标志和模型数据测试回波信号。该方法优选地包括下列步骤:(I)生成由天线接收的来自于风力涡轮机的回波信号的协方差矩阵R的估计；(2)生成由下式给出的匹配滤波器a R1S*这里a是限定回波信号的向量，IT1是协方差矩阵估计的逆，并且s*是待检测的目标信号的复共轭；(3)将滤波器输出与阈值相比较；以及(4)根据与所述阈值比较的滤波器输出值，确定是否应将回波信号视为目标。本发明还提供一种携带计算机程序的载体，该计算机程序包括多个计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机被如此编程以执行本发明的方法。


现在将参照附图通过示例描述根据本发明的设备和雷达系统的一种形式，附图中:图1是示出传统雷达系统的示意图；图2示出由一种形式的雷达使用的雷达脉冲的形式；图3示出在风电场存在时来自这种雷达系统的雷达图；图4示意性示出可能由雷达引起的从风力涡轮机上反射的多个闪烁；图5示意性示出根据本发明的雷达系统的一种形式；图6是根据本发明的组件和雷达的输出的示意图；图7示出根据图6中示出的雷达系统的输出形成的协方差矩阵估计；以及图8是示出在根据本发明的设备中使用的主要过程步骤的示意图。
具体实施例方式参考附图，图1示出在飞机场或军事空军基地附近地区用于空中交通管制的雷达系统的典型形式。这种形式的雷达系统I一般包括:天线2 ;和用于生成和发射雷达脉冲以及用于接收、处理和显示脉冲的电子电路。天线通常是传统的抛物面反射器天线，在此抛物面反射器天线中，所发射的脉冲被送往碟形天线(dish)，碟形天线发射呈一系列脉冲形式的信号并且接收由目标10 (在此情况下是飞机)以及任何其它能够反射信号的目标反射后的信号。所发射的信号通常呈重复的短脉冲序列形式并且由发射器3生成，发射器3包括波形发生器4、激励器6以及功率放大器8，激励器6用于将所生成的波形混频直至雷达频率。然后，信号经由双工器12被发送至天线2。在信号被目标10反射以后，所反射的信号(被称为回波信号(returnedsignal)或回波)由天线2接收并且经由双工器12发送至接收器13，接收器13具有作为其第一级的低噪声放大器14。双工器的作用是允许天线在发射和接收时对信号进行时间共享以及在发射器开启时保护接收器不受损害。在回波信号被放大器14放大后，信号被发送至混频器和放大部分16，混频器和放大部分16通常是接着将信号与两个本地振荡器17的输出混合的超外差接收器，接下来信号由脉冲压缩器20、MTI (运动目标指示)消除器22和CFAR (恒虚警率)阈值24处理，并且被显示在显示器25上，例如显示所检测的图的距离和角度的平面位置指示器(PPI)显示器。由于天线构造的原因，雷达将在从天线延伸出的波瓣26中表现出对目标的回波信号的最大灵敏度，这样的结果是天线将以可变的灵敏度检测从地平面到任何给定海拔的任何高度处的目标并且在显示器25上生成所检测的图。图2示出在一种形式的雷达中可以使用的脉冲的一般形式，但是将理解这仅是示例并且可以使用其它脉冲。对于以4秒每转的速度旋转并且具有1.5° (即1/240转)的波束宽度(这在空中交通管制雷达中是典型的)的雷达天线而言，波束将对地面上的任何位置具有大约16ms的停留时间。为了使雷达具有大约70海里(130km)的最大距离,对脉冲设置大约IkHz的脉冲频率(PRF)，这提供Ims的脉冲间隔。图2中示出两个这样的脉冲30。每个脉冲通常具有25 y s的持续时间，并且可能是伪随机序列或者可能是用于脉冲压缩技术的通常2MHz带宽的啁啾(chirp)，此后是更长的时间段直到脉冲时隙结束，在此时间段期间雷达系统等待来自目标的回波。该时隙可能对每个脉冲都不同，以便允许在宽的速度范围内检测运动目标。当将不能利用长的脉冲检测很短距离内的目标时，为了能够检测这些目标，还可能存在与长的脉冲交织的较短脉冲。图3中示出了在平面位置指示器(PPI)显示器中看到的风电场附近的雷达系统的典型雷达图。在指示器中央，能够看见大量杂波40，这些杂波40来自于风电场。除了此杂波以外，还能够看见来自于目标的一对轨迹42和43，目标沿在杂波区域内彼此相交的路线飞行。目标的轨迹通过多个回波形成的处于在天线的每转期间获得的稍不同位置处的线来观测。然而，由于无论目标和风力涡轮机的高度如何都针对每个目标且针对风力涡轮机产生的杂波40观测单个回波，所以飞行器的图简单地消失到整块的杂波40内，以至于一旦飞行器离开风电场的区域就再次出现。当飞行器处于风电场的区域内时，不可能准确跟踪飞行器。来自于风力涡轮机的回波将根据多种条件变化，尤其根据涡轮机相对于天线的取向变化。例如，涡轮机的塔将生成大的静态回波，而叶片将生成具有不同尺寸和多普勒频移的回波。在一种极端情况下，当天线的方向与机舱对准并且因此垂直于涡轮机叶片的平面时，在来自于涡轮机的回波中存在很少的多普勒频移，而如果涡轮机取向成使得天线的方向垂直于机舱且因此位于涡轮机叶片的平面内，那么回波如图4所示那样并且形成密集的信号50和一系列“闪烁”52，密集的信号50处于零多普勒频移状态且由风力涡轮机上的距离不变化的桅杆(mast)或其它部分引起，一系列“闪烁”52以涡轮机叶片(假设每个涡轮机上有三个叶片)转速的六倍速率出现并且具有交替的正多普勒频移和负多普勒频移。这些闪烁是在每个叶片瞬时移向(正频移)或移离(负频移)天线时由来自涡轮机叶片边缘的反射引起的。甚至在对来自不表现多普勒效应的静态目标(例如风力涡轮机塔)的反射进行抑制的MTI雷达系统的情况下，对源自于风力涡轮机叶片的并且能够使来自目标的回波变渺小的杂波块进行观测。图5示意性示出根据本发明的雷达系统的一种形式。为了清楚起见，形成发射器3的产品(例如波形发生器、功率放大器和激励器)已被移除，同样移除了接收器13的组件(例如低噪声放大器14、混频器和放大部分16以及脉冲压缩器20)。在图5所示的系统中，主天线2可以是能够发射例如图2所示的脉冲并且能够接收回波和处理回波以在PPI显示器25上显示的传统反射器天线。该天线通常将具有窄的波束宽度(例如0.5°至2° )并且将围绕竖直轴旋转以便获得天线周围所有方位角度下的回波。除了主天线以外，在支撑主天线的桅杆上存在多个辅助天线62和64。这些辅助天线可以是固定的并且指向由风力涡轮机66代表的邻近的风电场。可替代地，如上文所示的，辅助天线可以与主天线一起旋转并且可以与主天线同步或者被门控(gated)，使得辅助天线仅“看到”风力涡轮机或风电场。虽然主天线可以具有相对窄的波束宽度，但是辅助天线可以具有较宽的波束宽度，例如具有4°至16°的波束宽度，优选具有6°至12°的波束宽度。通常，固定的辅助天线具有大约8°的波束宽度，使得每个辅助天线能够看见整个风电场而不是仅看见单个涡轮机。此外，虽然图5中示出两个辅助天线，但是在一些情况下可以仅采用单个辅助天线，或者如果需要可以使用两个以上的天线来提高由主天线60以及辅助天线62和64形成的天线阵列的方向性。在操作中，脉冲由发射器3生成和放大，并且被发送至双工器12，双工器12允许脉冲被发射给主天线2并由所有天线接收。脉冲被发送给天线2，然后脉冲被发射到苍穹内，并且通过天线2、62和64中的每个天线接收回波信号。来自于天线2的回波信号被送往双工器12且然后被送往与图1所示的接收器13对应的接收器13a，接收器13a确定每个脉冲回波的每个距离的复振幅(具有所接收的信号的幅度和相位的复数)。来自于天线62和64的回波信号分别被直接送往接收器13b和13c，在接收器13b和13c这里确定来自于天线62和64的回波信号的复振幅。接收器13b和13c也包括低噪声放大器14、混频器和放大部分16以及脉冲压缩器20。不必经由双工器12发送来自于天线62和64的回波，因为这些天线不发射任何脉冲。图6示出来自三个天线2、62和64的输出在由接收器处理后的形式。对于主天线在每个方位角的停留时间期间发送的16个脉冲中每个脉冲的2000个不同延迟值(对应于接收器的0.5 ii s的距离库(range bin))，来自接收器13a的输出形成具有32，000 (2000乘16)个元素的二维矩阵66。每个元素是与每个距离库处相关脉冲的回波雷达信号的复振幅对应的复数'至￥16。为了清楚，仅标记了与风力涡轮机或风电场的距离对应的第n个距离库的复振幅，但是记录了每个距离库的数据。除了源自于主天线的输出矩阵66以外，根据来自辅助天线62和64的回波分别生成输出矩阵68和70。针对除了与风力涡轮机或风电场的距离对应的距离值以外的所有距离值，抑制来自辅助天线的输出，使得除了这两个矩阵的第n个距离库以外，这两个矩阵是空的。当然，在天线60旋转360°时，将关于天线60的每个方位角生成天线的输出。然而，如果辅助天线是固定的则仅对于辅助天线指向的方位角或者如果辅助天线与主天线一起运动则对于辅助天线指向风力涡轮机或风电场的时隙，生成来自辅助天线的输出。处理回波的设备通常将使来自于辅助天线的回波的处理与来自主天线的处理同步，使得仅在主天线指向风力涡轮机或风电场时处理来自辅助天线的回波。因此，雷达系统具有方位角门(azimuth gate)，该方位角门导致仅为涡轮机纠正那些来自风电场或风力涡轮机的回波，并且以传统方式处理来自其它方位角的回波。然后，将来自主天线2和每个辅助天线62和64的输出传送给处理器74以进一步处理。虽然在附图中仅示出且在本发明中仅引用单个处理器，但是将理解该处理器可以由多个分离的处理器提供，多个分离的处理器可以由硬件或软件提供并且可以包括多个分离的处理器自己 的存储器等。
图8示意性示出处理器74的操作。在图8中，将数据示出为进入判决框80的单个流，该单个流可以通过将来自接收器13a至13c的输出合并为单个串行流来获得，或者来自每个接收器的数据可以被并行处理。在框80中，确定进入的数据的距离和方位角是否对应于风电场或风力涡轮机。如果不对应，则通过将数据传送至运动目标指示(MTI)消除器单元22、恒虚警率(CFAR)单元24以及由此传送至显示器25，来以传统方式处理数据。如果距离和方位角对应于风力涡轮机或风电场，则形成回波的向量V的元素Vi的数据(其中i对于主天线2取I至16的值，对于辅助天线62取17至32的值，并且对于辅助天线64取33至48的值)被发送至训练器单元82。在训练任务期间，训练器单元生成向量V的元素与元素的复共轭之间的叉积ViV/,以形成协方差矩阵R的估计。关于V的许多示例对叉积求平均，以提高估计精度。这在图7中示出，其中括号〈> 指叉积的平均值。V的许多示例可以从多个风力涡轮机中或者从多次天线扫描时的单个涡轮机中获得。明显地，用来形成叉积的样本的数量越大，协方差矩阵R的精度将越高。优选地使用至少10个样本，特别地使用至少100个样本，但是用来形成协方差矩阵的估计的样本的数量不应当过大，以致花费10分钟以上，特别地花费不超过5分钟。如果使用明显更多样本，那么在能够获得测试数据以前所花费的时间可能过大，或者来自风力涡轮机的反射可能例如由于风向变化的原因而变化。除了将形成向量的元素的数据发送至训练器单元82以外，形成向量的元素的数据可以在测试过程期间(也就是说当使用雷达检测飞行器时)发送至检测器单元84。在测试任务期间从接收器13a至13d输入的复振幅数据被表示为a i，而不是检测器单元84从训练器单元82接收形成协方差矩阵R的数据并且通过标准的计算方法生成逆矩阵R—1，虽然逆矩阵明显可以由训练器单元82生成而不是由检测器单元84生成。检测器单元还接收形成其想要观测的目标的模型回波86的向量s或者向量s的复值共轭s'然后，检测器单元84通过形成由下式提供的值h测试目标的存在:h= a R-1S*高于指定阈值的h值可以被视为真实目标。然后，将来自于检测器的输出连同来自MTI单元22和CFAR单元24的数据输出一起传送至显示器25以由显示单元显示。以此方式，处理单元74可操作来确定:(i)所检测到的方位角是否清楚地具有所有风力涡轮机的已知包络；或者(ii)所检测到的距离是否清楚地具有所有风力涡轮机的已知包络；或者(iii)所接收到的数据是否超过匹配涡轮机的滤波器检测阈值。如果这些测试中的任一测试是真的，那么假定目标是真实的并且生成雷达图。用来形成协方差矩阵R的复值向量V的样本是从训练数据中给出的，训练数据可以在使用系统以前或者在系统处于操作时(例如当与测试数据同时生成滑动平均值时)获得。虽然在理想情况下，用来形成协方差矩阵的训练数据不应当包括任何目标数据，使得在缺少目标数据的条件下生成值R和R'但是实际上，目标数据与来自于风力涡轮机的回波相比不显著，使得甚至在目标存在的条件下获得训练数据时，也获得协方差矩阵的良好估计。因此，当获得测试数据时，可以通过生成滑动平均来获得训练数据。可替代地，可以预先获得数据并且值可以存储在查找表中，查找表可以包括例如在风力涡轮机的每个方向和/或速度值下的回波的值。如果根据单个风力涡轮机获得协方差矩阵，那么可能有必要使系统运行一段相当长的时间来获得足够的训练数据，因为可能需要主天线的一次旋转来获得每个风力涡轮机的训练数据。然而，如果辅助天线是固定的并且具有充分宽的波束宽度来观测整个风电场而不是单个涡轮机，那么可以在主天线的每次扫描中记录整个风电场的训练数据。虽然辅助天线通常将是完全被动的并且不会被用来发射信号，但是在辅助天线不旋转时有可能主动地使用辅助天线来减轻来自叶片的大RCS闪烁的影响。如果使用低功率发射器来从固定的辅助天线之一照亮风力涡轮机并且使低功率发射器与主天线的旋转同步，使得仅在主天线指向别处时照亮风力涡轮机，那么涡轮机反射可以由不同的固定的辅助天线接收并且用来检测来自于每个涡轮机的高RCS闪烁序列。该数据可以用来预测在旋转天线照亮时间段内何时会发生闪烁并且用来相应地调整处理。例如，处理可以被改变成估计两个协方差矩阵，这两个协方差矩阵之一是在闪烁出现的条件下，另一个是在缺少闪烁的条件下。施加于h以将回波识别为目标的阈值可以相应地被调整，以便减少虚警率。与上面描述的匹配滤波器不同的其它处理方式可以应用于来自主天线和辅助天线的信号，以辨别单独来自风力涡轮机的回波以及来自风力涡轮机和飞行器目标的组合的回波。例如，协方差矩阵估计可能出现故障并且可能需要对直接转换的可替代处理。以处理来自主天线和辅助天线的数据为基础的所有辨别算法构成本发明的一部分。可以结合上述所进行的处理使用其它处理技术。例如，可以使用“检测前跟踪(track before detect)”技术,在该技术中检测初步的图并且建立初步的策略(tack)。仅当初步的图与之前建立的初步的策略相兼容时，输出经验证的图，并且如果在风力涡轮机或风电场周围的空位内扫描时目标丢失，则生成并输出估计的图。如此生成的图优选地不允许系统超过任何规定的虚图率。如上所述，处理器单元74可操作来同时使用多普勒频移和在回波信号中包含的高程信息来辨别飞行器和风力涡轮机。然而，处理器单元74有可能顺序地使用多普勒频移和高程信息进行辨别。这通过下面步骤实现:在所有接收器信道中将传统的MTI处理器用于多普勒信息，然后在所有天线上形成MTI的输出的协方差矩阵，接着对高程进行匹配滤波。该方法可能具有较差性能，但是实现起来较简单。根据本发明的组件和雷达可以与其它传统的风力涡轮机减轻方法一起使用，例如改进的接收器动态范围、降低的脉冲压缩旁瓣、标准处理信道中的改进的运动目标检测和CFAR (恒虚警率)阈值化以及高级跟踪技术。
权利要求
1.一种用于雷达系统的组件，所述雷达系统包括: 主天线，可操作以沿方位角方向运动来扫描区域； 发射器，用于从天线发射脉冲；以及 接收器，用于接收回波信号， 所述组件可操作来使所述雷达系统能够在位于所述区域内的风力涡轮机存在的情况下检测目标，并且包括多个辅助天线和用于处理所述回波信号的处理器， 所述处理器可操作以根据在训练过程中由所述主天线和所述辅助天线接收的多个回波信号生成所述风力涡轮机的标志，生成目标的模型数据或者从存储器接收所述目标的模型数据，并且针对目标的存在性来测试回波数据，以及如果检测到目标，则生成代表所检测到的目标的数据。
2.根据权利要求1所述的组件，包括与所述主天线一起布置的多个辅助天线，以形成垂直阵列。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的组件，其中所述处理器可操作来在具有所述风力涡轮机的特征的噪声背景中实现与目标信号匹配的检测滤波器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其中所述处理器可操作以根据来自于所述风力涡轮机的回波信号生成风力涡轮机噪声的协方差矩阵R的估计，这里R被限定为:R=<VVh>, 其中V是来自于所述风力涡轮机的回波信号的复振幅，Vh是V的厄米特共轭，并且括号〈>代表平均。
5.根据权利要求4所述的组件，其中所述处理器可操作来产生下列值: a IT1s* 这里a是限定测试中的所述回波信号的向量； IT1是来自于所述风力涡轮机的雷达信号的协方差矩阵估计的逆；以及 s*是待检测的目标信号向量的模型数据的复共轭。
6.根据权利要求5所述的组件，其中所述处理器可操作来向值aIT1S*施加阈值，以便确定所述回波信号是否应被视作包含目标。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的组件，其中所述处理器可操作来仅针对与所述风力涡轮机的距离对应的回波信号生成所述协方差矩阵R。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的组件，其中所述处理器可操作来仅针对与所述风力涡轮机的方位角对应的回波信号生成所述协方差矩阵R。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的组件，其中所述处理器可操作以根据在测试任务中获得的回波信号的滑动平均来生成所述协方差矩阵。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的组件，其中所述处理器可操作以根据回波信号的至少10个样本的平均来生成所述协方差矩阵。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的组件，其中所述处理器可操作以根据花费多达10分钟接收的回波信号的多个样本来生成所述协方差矩阵。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的组件，其中所述处理器可操作以根据单独来自于每个风力涡轮机的回波信号的平均来生成所述协方差矩阵。
13.根据权利要求4至12中任一项所述的组件，其中所述处理器可操作以根据来自于多个风力涡轮机的回波信号的平均来生成所述协方差矩阵。
14.根据权利要求4至13中任一项所述的组件，其中所述处理器可操作以根据来自于系统附近所有风力涡轮机的回波信号的平均来生成所述协方差矩阵。
15.根据权利要求4至12中任一项所述的组件，其中所述主天线是反射器天线，该反射器天线被布置成旋转通过整周来扫描所述区域，并且所述处理器可操作以对从每次扫描中获得的所述回波信号的值求和来形成所述协方差矩阵。
16.根据权利要求4至15中任一项所述的组件，其中所述处理器可操作来生成两个协方差矩阵，一个协方差矩阵对应于在“闪烁”期间来自于所述风力涡轮机的密集回波信号，而另一个协方差矩阵对应于在缺少“闪烁”的情况下的回波信号。
17.根据前面的任一权利要求所述的组件，其中所述辅助天线或每个辅助天线具有比所述主天线的波束宽度大的波束宽度。
18.根据权利要求17所述的组件，其中所述辅助天线或每个辅助天线具有6°至12°范围内的波束宽度。
19.一种雷达系统,包括: 主天线，可操作以沿方位角方向运动来扫描区域， 发射器，用于从天线发射脉冲， 接收器，用于接收回波信号，以及 如前面任一权利要求中所述的组件。
20.一种在风力涡轮机存在的情况下 检测目标位置的方法，包括从沿方位角方向运动的主天线发射雷达脉冲，以及处理由所述主天线和多个辅助天线接收的回波信号，所述方法包括下列步骤: 根据在训练任务中由所述主天线和所述辅助天线接收的多个回波信号来生成所述风力涡轮机的标志， 生成目标的模型数据或者从存储器接收目标的模型数据，以及 针对飞行器的存在性使用所述标志和所述模型数据测试所述回波信号。
21.根据权利要求20所述的方法，包括下列步骤: (1)生成由天线接收的来自于风力涡轮机的回波信号的协方差矩阵R的估计； (2)生成由下式给出的匹配滤波器: a R-1S* 这里a是限定所述回波信号的向量，IT1是协方差矩阵估计的逆，以及s*是待检测的目标信号的复共轭； (3)将滤波器输出与阈值相比较；以及 (4)根据与所述阈值相比较的滤波器输出值，确定是否应将回波信号视为目标。
22.根据权利要求21所述的方法，其中仅针对与所述风力涡轮机或风力涡轮机组的距离和方位角对应的回波信号生成所述协方差矩阵R。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，包括在测试任务期间根据所述回波信号的滑动平均来生成所述协方差矩阵。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，包括: 从辅助天线照亮所述风力涡轮机，并且生成两个协方差矩阵，一个协方差矩阵对应于在“闪烁”期间来自所述风力涡轮机的密集回波信号，而另一协方差矩阵对应于在缺少“闪烁”的情况下的回波信号，以及根据是否观测到闪烁，生成多个匹配滤波器。
25.一种携带计算机程序的载体，所述计算机程序包括处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令导致计算机被如此编程以执行权利要求20至24中任一项所述的方法。
26.根据权利要求25所述的载体， 所述载体是电信号。
全文摘要
公开一种用于雷达系统的组件，该组件包括主天线，可操作以沿方位角方向运动来扫描区域；发射器，用于从天线发射脉冲；以及接收器，用于接收回波信号。该组件可操作来使雷达系统能够在位于区域内的风力涡轮机存在的情况下检测目标。该组件包括多个辅助天线和用于处理回波信号的处理器，该处理器可操作以根据在训练过程中由主天线和辅助天线接收的回波信号生成风力涡轮机的标志，生成目标的模型数据或者从存储器接收目标的模型数据，并且针对目标的存在测试回波数据，以及如果检测到目标则生成代表所检测到的目标的数据。还描述了一种使用雷达系统在风力涡轮机存在的情况下检测目标位置的方法。
文档编号G01S13/91GK103210319SQ201180053548
公开日2013年7月17日 申请日期2011年10月10日 优先权日2010年10月12日
发明者基思·道格拉斯·沃尔德 申请人:Tmd技术有限公司