专利名称：通过反射功率测量监测雷达测高仪天线性能的制作方法
通过反射功率测量监测雷达测高仪天线性能
背景技术：
雷达测高仪被飞行器用于确定该飞行器到地面的距离。形成于雷达测高仪天线上的冰或流体导致了雷达样式成形的劣化，这使得雷达测高仪将危险的误导信息提供给飞行器的机组人员和/或飞行计算机。基于上述的原因以及下面被提及的其他原因，对阅读和理解本说明书的本领域技术人员而言显而易见的是，在本领域中，存在对于提供一种用于监测雷达测高仪天线性能的动态方式的系统和方法的需求。

发明内容
本发明的实施例提供了用于监测雷达测高仪天线的性能的方法和系统，井能够通过阅读和研究下面的说明书而被理解。提供了通过反射功率測量，来监测雷达测高仪天线性能的系统和方法。在ー个实施例中，单天线雷达测高仪包括天线；与该天线耦合的循环器；与该循环器耦合的发射机；与该循环器耦合的接收机；其中循环器在该发射机和该接收机之间提供隔离的同吋， 提供该发射机和该接收机到该天线的耦合；被置于该循环器和接收机之间的反射功率监测仪；以及通过第一模数转换器与该反射功率监测仪耦合的处理器，该处理器被配置成根据自于由该反射功率监测仪产生的数据来计算和跟踪反射功率測量统计并提供性能输出，该性能输出指明该反射功率測量统计中的一个或多个何时超出预定的偏差阈值。


在基于优选实施例的描述和下面的附图考虑时，本发明的实施例能够被更容易地理解，并且它的进ー步的优点和用处更加显而易见，其中图I是说明本发明的一个实施例的雷达测高仪的方框图；以及图2是说明本发明的一个实施例的方法的流程图。按照惯例，各种被描述的特征不是按比例被绘制的，而是为了强调与本发明相关的特征被绘制的。參考标记在全部附图和文字中代表相同的元件。
具体实施例方式在下面的详细描述中，參考了形成该详细描述的一部分的附图，并且在其中，通过本发明可以在其中被实施的特定说明性实施例的方式示出附图。这些实施例被充分详细地描述，以使得本领域技术人员能够实施本发明，并且可以理解的是，在不背离本发明的范围的前提下也可以使用其他实施例并且可以做出逻辑的、机械的和电气的改变。因此，下面的详细描述不应具有限制意义。本发明的实施例使用电压驻波比(VSWR)的特性估计来监测静态和动态事件的发生，以评估单天线雷达测高仪(SARA)的运行情況。动态事件表征为本质上的相对瞬态并包括外部事件(诸如水、雨、雪、沙等等飞沫降落于SARA天线罩上)。静态事件表征为相对更长期的事件(诸如在SARA天线上的冰聚集，SARA电子设备的浸水以及其他的长期天线劣化)。VSWR在本领域中被理解为两个数值的比率。在技术上，VSWR= (l+p)/(l-p), 其中P是反射系数，被定义为发射电压与反射电压的比率。在下面提出的实施例中，VSWR 测量的估计或代理是在不对VSWR进行完整计算的情况下，通过仅测量从天线反射的电压而获得的。通过获知对于SARA天线的标称反射功率范围应当是什么以及什么样的反射功率是不可接受的，能够完成对天线劣化的检测。通过监测整个测量的这一部分，本发明的实施例能够按如下所讨论的那样进行天线劣化确定。图I是本发明的一个实施例的单天线雷达测高仪(SARA) 100的简化框图。SARA100 包括单天线150 (通常封装在雷达罩151内)、各自与循环器152耦合的发射机156和接收机158。在这个实施例中，循环器152在提供发射机156和接收机158之间的隔离的同吋， 提供发射机156和接收机158到天线150的耦合。在这个实施例中，由可编程逻辑装置166 驱动发射机156的运行。该接收机158与模数转换器(ADC) 160耦合，该模数转换器160将接收机158所接收信号的数字样本提供给外部组件132 (诸如，例如，导航处理器)以供进一歩信号处理。一般地，对本领域普通技术人员而言，关于单天线雷达测高仪运行的特定细节是能够被获得的，也正因为如此不再被重复。參见，在此处通过引证被合并的美国专利 7，161，527 和 7，239，266。如上所述，本发明的实施例引入了使用反射功率测量的特性的概念(作为获得实际VSWR值的代理)，以识别、表征以及响应影响SARA运行的事件。因此，SARA 100进ー步包括耦合在循环器152和接收机158之间的反射功率监测仪110。该反射功率监测仪110的输出被耦合到反射功率ADCl 12，该反射功率ADCl 12转而与处理器114耦合。虽然循环器152隔离了接收机158不直接接收从发射机156发射的信号，但是由于来自天线150的反射功率，接收机158仍然接会接收到一定量的这种发射。也就是说，由于天线150与大气不是100%阻抗匹配的，因此，被发射的信号的功率的一小部分不会被传播到大气中，而是朝着循环器152被反射回去。由于循环器152的功能是将从天线150接收的信号传送给接收机158，被发射的信号的反射功率被接收机158接收。反射功率监测仪 110观察这个反射功率并输出反射功率測量。在图I的实施例中，该反射功率测量是由反射功率ADC112以数字形式采样的模拟信号。正如在下面被更详细地讨论的那样，处理器114 处理由反射功率ADC112产生的数字样本。在一个实施例中，反射功率ADC112是6比特转换器，该转换器提供具有64个可能输出值的分辨率，该输出值表示_20dBm到_2dBm的范围 (-18dBm的动态范围)。在其他实施例中，也可以使用其他的分辨率。在天线150正常运行时，朝着接收机158反射回去的功率的量应当是比由发射机 156发射的功率电平小的一致(consistent)反射功率电平(以dB为单位加以测量)。当流体、沙子或冰聚集在或冲击在天线150上时，这些情况的发生将改变天线150向空间发射信号的能力，这影响了被天线150反射回去的发射信号功率的比例。利用本发明的实施例， 分析了反射功率电平中的偏差，以识别能够影响SARA100的提供可靠高度测量的能力的故障或劣化。在一个实施例中，处理器114将反射功率dB测量的样本收集进样本组中。该样本组包括ー组反射功率测量样本，新这些样本是在与由发射机156使用的雷达调制周期相等的采样周期上被收集的。例如，当雷达调制周期是ImSec时，处理器114将在那个ImSec周期上收集的样本作为样本组。在一个实施例中，反射功率ADCl 12被计时，以对于每个ImSec 周期产生反射功率测量的256个样本(也就是说，每个样本组将包括反射功率测量的256 个样本)，该周期是256KHz的采样率。在其他实施例中，反射功率ADCl 12可以以其他的时钟速率运行。基于正被本发明使用的实施例的SARA的特别设计，本领域普通技术人员在阅读完本说明书后能够容易地确定用于获取反射功率的样本的时钟速率。由于在调制周期上由发射机156发射的信号的形状和功率电平都是已知的，并且由于在非事件条件下的来自天线150的反射功率是已知的(也就是说，该反射功率应当以可预测的方式作为在调制周期上的发射信号的函数而变化)，所以，为SARA100收集基准反射功率dB的功率统计是可能的，这些统计被存储于处理器114的存储器116中。在ー个实施例中，在一个采样周期中为基准样本组收集的基准反射功率dB功率统计包括以dB为单位的最大反射功率、以dB为单位的最小反射功率、以dB为单位的△反射功率max_min以及以 dB为单位的平均反射功率。随后，当SARA100运行于旷野条件下吋，计算和跟踪实时反射功率dB功率统计并与基准样本组进行比较以识别异常的运行情況。举例来说，在运行中的一个实施例中，处理器114对样本组随时间推移计算和跟踪以dB为单位的最大反射功率、以dB为单位的最小V反射功率，以dB为单位的AV反射功率_-_以及以dB为单位的平均反射功率。对于这个例子，对基准情况而言，以dB为单位的期望的正常A反射功率max_minil.5dB，且平均反射功率为-15. 5dB。只要实时反射功率dB功率统计在这些值的预定的偏差阈值的范围内，就推定天线150是干燥的并且推定由 SARA100提供的测高仪读数是有效的。动态事件(诸如流体冲击天线150)并不会对平均反射功率测量产生明显的影响， 但是可从A反射功率._min的突然増加以及从一个已测样本组到下ー个样本组的A反射功率_-_的变化被检测出来。当随机样式的流体冲击天线150吋，该流体会在某一刻引起和改进天线150与大气的阻抗匹配(減少反射功率)，并且在另一刻減少天线150的阻抗匹配(増加该反射功率)。因为这个原因，可以期待样本组内的△反射功率__会在这种情况下相对基准有所増加，并且从一个样本组到下ー个样本组的A反射功率._min相互之间会有波动。在一个实施例中，在平均反射功率的偏差不超过阈值的情况下，当△反射功率 _-min超过预定的阈值(诸如，例如4. 5dB)时，处理器114标识该事件为介质冲击天线的事件。可选择地，代替或者除了平均反射功率之外，能够使用最大反射功率。例如，在ー个实施例中，在最大反射功率增加不超过阈值的前提下，当△反射功率超出预定阈值时， 处理器114将该事件标识为动态介质冲击事件。在一个实施例中，处理器114通过改变其信号处理对动态介质冲击事件起反应，以适应动态数据。如果该情况持续超过预定的时间周期，处理器114将输出无计算数据(No Computed Data) (NCD)信号。一旦该事件情况过去了(即，反射功率统计返回到阈值以内)，处理器114就返回到正常处理。与动态事件不同，静态事件(诸如在天线150 (或罩151)上的浸水或冰聚集)能够被期待会显著地影响平均反射功率測量和最大反射功率測量，但是并不一定会引起A反射功率_-_相对于基准数据的增加。例如，当冰凌在天线150上聚集时，随着天线在大气传播功率的能力的降低，该反射功率将增加。因此，只要该情况存在，最大和平均反射功率都能够被期望増加超过基准值。与A反射功率___增加超过基准值相对，被淹没(flooded)的雷达天线罩将被表征为在调制周期的平坦反射功率响应。此外，因为雷达天线罩内有水而使向大气发射功率的能力下降，最大和平均反射功率测量将超过基准。在一个实施例中，当最大或平均反射功率中之一或二者超过阈值时，处理器114产生故障告警(FW)过载 (,override) 1目号。在可选的实施例中，发射功率的附加监视能够提供増加反射功率信息的測量。如图I中所示，在一个实施例中，SARA100进ー步包括与发射功率ADC122耦合的发射功率监测仪120，该发射功率ADC122与处理器114耦合。除了上述讨论的情況，当发射功率測量可用时，表明附加故障模式的情况能够被识别。例如，如果反射功率測量失败，在反射功率监测仪120处的功率损失就能够确认发射机156发生故障。当在发射功率监测仪120处的功率正常吋，反射功率测量的损失能够指明循环器152故障(即，在天线150和接收机158 之间的信号路径已经发生故障)。当在发射机监测仪120处的功率正常时，在反射功率监测仪110处的功率増加也能够指明循环器152故障(即，循环器152不再抑制发射机156到接收机158的漏电流)。图2是说明本发明的一个实施例的方法的流程图。该方法开始于210，測量来自于单天线雷达测高仪的天线的反射功率。如上面讨论的那样，通过获得反射功率測量井随时间推移来监测它们，对静态和动态事件的发生进行识别能被用于评估单天线雷达测高仪 (SARA)的运行状态。该方法接着进行到212，根据来自天线的反射功率来计算和跟踪反射功率测量统计。在一个实施例中，反射功率测量统计包括最大反射功率、最小反射功率和A 反射功率_-_。在一个实施例中，作为反射功率原始数据，该测量和统计由处理器进行计算并被存储于存储器中，使得随着时间推移能够监测反射功率的变化。在一个实施例中，在方框处的“计算和跟踪”包括在采样周期上收集反射功率測量 (以dB为单位)的样本作为样本组，该采样周期等于SARA所使用的雷达调制周期。在那种情况下，最大反射功率、最小反射功率和△反射功率_-_统计均描述了与特定样本组有关的那些统计。例如，当SARA的雷达调制周期为ImSec的情况下，在方框212处的“计算和跟踪”包括在那个ImSec周期上收集样本做为样本组。在一个实施例中，对耦合到反射功率监测仪的模数转换器计时以在每个ImSec周期内产生反射功率测量的256个样本(也就是说，每个样本组将包括反射功率测量的256个样本)。在其他实施例中，其他时钟速率也可以如上面提及的那样被使用。由于在调制周期上的发射信号的形状和功率电平都是已知的，所以在正常情况下的来自SARA天线的反射功率的样式也是已知的。该反射功率将作为调制周期上的发射信号的函数以可预测的方式变化，建立了用于识别异常情况的基准反射功率dB功率统计。在一个实施例中，被收集的基准反射功率dB功率统计包括最大反射功率、最小反射功率以及 A反射功率._min(在一个实施例中它们都以dB为单位被測量)。在可选的实施例中，也可以计算和跟踪其他统计(诸如平均反射功率)。该方法进行到218，评估反射功率测量统计的变化以识别静态事件故障情況。当故障情况被识别(在方框220处)时，该方法进行到222，提供故障告警过载响应。与动态事件不同，静态事件(诸如在SARA天线上的浸水或冰聚集)将会显著地増加最大反射功率测量，因为来自天线的反射功率将随着天线向大气传播功率的能力的降低而增加。需要注意的是，由于只要这种情况存在，最小和平均反射功率就也能被期待随着基准值而被増加，因
6此，这类静态事件并不一定会引起A反射功率._min的増加。例如，被淹没(flooded)的雷达天线罩被表征为具有平坦反射功率响应(即，在调制周期内具有小的A反射功率._min)。
因此，对于一些实施例，对反射功率测量统计的变化进行评估是基于样本组的最大或平均反射功率相比于之前样本组的増加。接着，当最大或平均反射功率之一或二者都超过阈值时，就会产生故障告警(FW)过载信号。该方法进行到224，评估A反射功率__min测量统计的变化以识别动态事件情況。 当故障情况被识别(方框226)时，该方法进行到228，提供无计算数据(NCD)过载。动态事件(诸如流体冲击SARA的天线)将不会对平均反射功率測量产生显著的影响，但是，可从 A反射功率._min的突然增加以及通过观测从ー个测量的样本组到下ー个样本组的A反射功率_-_的变化而被检测到。如上所述，这是因为，流体冲击该天线的随机样式将会在引起天线与大气的阻抗匹配的改善和減少之间交替。在这类情况下，样本组内的该△反射功率_-_能够被期待会相对于该基准増加，并且从一个样本组到下ー个样本组的△反射功率也将相对于彼此波动。在一个实施例中，如果该动态事件情况在ー个预定的时间周期上持续，就产生无计算数据(NCD)信号。例如，在一个实施例中，SARA的正常A反射功率max_min小于I. 5dB。动态事件(诸如流体冲击该天线罩)引起该△反射功率_-_超过4.5dB。在使用快速傅里叶变换来评估反射功率测量的情况下，需要在比较当前△反射功率_-_与历史值时在样本组的相应样本上评估A反射功率._min。为了比较的目的，持续地超过最大阈值(该最大阈值可以基于SARA的基准统计)6dB的最大反射功率测量将是静态事件(诸如流体滲透到天线罩) 的指示。这些值仅用于说明的目的。阅读了本说明书的本领域的普通技术人员将能够基于 SARA的特别设计參数确定基准和/或阈值，以实现本发明的实施例。若干方式都可以被像在本说明书中被讨论的那样用于实现本发明的系统和方法。 这些方式包括，但不限于，数字计算机系统、微处理器、特定应用集成电路(ASIC)、通用计算机、可编程控制器和现场可编程门阵列(FPGA)，在此处一般地可将它们称为“处理器”。例如，在一个实施例中，信号处理可以被FPGA或ASIC，或可选地被嵌入式或离散的处理器合井。因此，本发明的其他实施例是驻留在计算机可读介质上的程序指令，当其被这类方式实现时，使得它们能实施本发明的实施例。计算机可读介质包括任何形式的物理计算机存储装置。这类物理计算机存储装置的例子包括，但不限干，穿孔卡、磁盘或磁带、光数据存储系统、快闪只读存储器(ROM)、非易失性ROM、可编程ROM(PROM)、可擦-可编程ROM(E-PROM)、 随机存取存储器(RAM)，或任何其他形式的永久、半永久，或临时存储系统或装置。程序指令包括，但不限于由计算机系统处理器或硬件描述语言(诸如甚高速集成电路(VHSIC)硬件描述语言(VHDL))所执行的计算机可执行指令。虽然在这里已经说明并描述了特定的实施例，但本领域普通技术人员将会理解的是用于达到同样目的而被计算的任何布置都可以被替代用于所示的特定实施例。本应用意在覆盖本发明的任何改編或者变体。因此，显然期望的是，本发明仅受其中的权利要求及其等价物的限制。
权利要求
1.一种用于确定雷达测高仪天线性能的方法，该方法包括測量来自单天线雷达测高仪(100)的天线(150)的反射功率；根据来自天线(150)的反射功率来计算和跟踪反射功率測量统计；评估反射功率測量统计中的变化，以识别静态事件故障情况；当识别出静态事件故障情况时，提供故障告警(FW)过载响应；评估反射功率測量统计中的变化，以识别动态事件故障情況；以及当识别出动态事件故障情况时，提供无计算数据(NCD)过载响应。
2.权利要求I的方法，其中计算和跟踪反射功率測量统计包括至少计算和跟踪该天线(150)的最大反射功率測量统计、该天线(150)的最小反射功率測量统计、以及该天线 (150)的A反射功率.__测量统计；并且其中測量反射功率反射功率进ー步包括收集反射功率测量样本以作为在与该单天线雷达测高仪(100)的调制周期相等的周期上收集的样本组。
3.权利要求I的方法，其中计算和跟踪反射功率測量统计进一歩包括收集多个样本组，该多个样本组中的每ー个是在与该单天线雷达测高仪(100)的调制周期相等的周期上被收集的，以及其中为该多个样本组的每ー个计算该反射功率測量统计。
4.一种单天线雷达测高仪(100)，该测高仪包括天线(150)；与该天线(150)耦合的循环器(152)；与该循环器(152) I禹合的发射机(156)；与该循环器(152)耦合的接收机(158);其中该循环器(152)在该发射机(156)和该接收机(158)之间提供隔离的同时，提供该发射机(156)和该接收机(158)到该天线(150) 的耦合；被置于该循环器(152)和接收机(158)之间的反射功率监测仪(110);以及通过第一模数转换器(112)与该反射功率监测仪(110)耦合的处理器(114)，该处理器 (114)被配置成根据由该反射功率监测仪(110)产生的数据来计算和跟踪反射功率测量统计，并且提供性能输出，该性能输出指明该反射功率測量统计中的一个或多个何时超出预定的偏差阈值；其中该处理器(114)计算和跟踪反射功率測量统计，该反射功率測量统计包括最大反射功率、最小反射功率、△反射功率max-min以及平均反射功率中的ー个或多个；以及其中该处理器(114)收集反射功率测量的样本以作为多个样本组，每个样本组包括在与该发射机(156)使用的雷达调制周期相等的采样周期上收集的样本；以及该处理器(114)通过评估对于该多个样本组的当前样本组相对于该多个样本组的至少ー个先前样本组的反射功率測量统计中的变化，来评估反射功率測量统计中的变化。
全文摘要
提供了通过反射功率测量来监测雷达测高仪天线性能的系统和方法。在一个实施例中，单天线雷达测高仪包括天线；与该天线耦合的循环器；与该循环器耦合的发射机；与该循环器耦合的接收机；其中该循环器在该发射机和该接收机之间提供隔离的同时，提供该发射机和该接收机到该天线的耦合；被置于该循环器和接收机之间的反射功率监测仪；以及通过第一模数转换器与该反射功率监测仪耦合的处理器，该处理器被配置成根据该反射功率监测仪产生的数据来计算和跟踪反射功率测量统计并提供性能输出，该性能输出指明该反射功率测量统计中的一个或多个何时超出预定的偏差阈值。
文档编号G01S7/40GK102608435SQ201110462510
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月9日 优先权日2010年12月10日
发明者A·H·卢克, D·C·瓦肯蒂 申请人:霍尼韦尔国际公司