用于利用以准动态或动态方式对要监控的空间进行分区化来接收二次雷达信号的设备及用于此的方法

摘要

对于雷达辅助的目标追寻、例如导弹，已知使用天线雷达，其中，为一个物体分别仅使用一个波束。为了构造用于接收二次雷达信号的设备或二次雷达系统，使得实现尤其是在观察空间内有大量物体的情况下对物体的更好的分离并且因此也实现相对于干扰信号的较高的鲁棒性以及还实现对多径传播的更好的分离，所述设备具有权利要求的特征。

说明书

技术领域

本发明根据权利要求1涉及一种用于利用准动态或动态方式对要监控的空间进行分区化来接收二次雷达信号的设备以及根据权利要求12涉及一种用于此的方法。

背景技术

一次雷达称为雷达设备，所述雷达设备仅仅并且直接实施雷达原理，也就是说，分析先前辐射出的高频脉冲的直接(被动)回波。该概念用于界定如下技术的二次雷达，在所述技术中使用主动由所检测的物体产生的回波。在实践中经常使用两种方法的组合(例如在有地面雷达的情况下的空中交通管制中)。对于一次雷达设备(一次监视雷达PSR)未指定：物体主动产生信号，以便可以检测该物体。这例如在空中交通管制的领域内具有意义，因为飞机即使在飞行无线电应答器有故障的情况下也必须是可检测的。在所使用的频率被干扰时，一次雷达设备可毫无问题地变换到其他频率上。在二次雷达设备(二次监视雷达SSR)中，这种变换只有在其也由要采集的物体实施时才可能成功地执行。一次雷达可以仅确定能从所反射的回波求得的量(例如方向、距离和速度)，而在二次雷达中的接收器可以将其他说明数据集成到其应答中(例如识别标志)。与可比较的二次雷达设备SSR相比，一次雷达设备PSR需要高得多的发送频率，以便能够实现相同的有效范围。

二次雷达原理是带有运行时间测量的定位法，与常规的雷达技术不同，所述定位法不是利用在目标上反射的能量、即目标的被动回波来工作，而是在所述定位法中在目标的机身上存在主动的应答装备(应答器)。在二次雷达中，目标利用发出相同或其他频率的应答来主动对所接收的雷达信号作出应答。对此，雷达脉冲利用天线来接收并且经由相同的天线触发辐射有代表性的“回波”。该应答可以是有代表性的调制或者数据包。相对于一次雷达，二次雷达的主要优点是其明显更大的有效范围和识别目标的可能性。利用一次雷达并且完全独立于目标地获得关于目标的方向、高度和距离的可靠的信息。二次雷达提供附加的信息，例如目标的识别标志、识别信息以及还有高度。然而，为此需要目标的协作。如果没有所述协作，例如因为应答器有缺陷，那么二次雷达不能工作并且识别不了该飞行物体。因此，大多数二次雷达设备以与一次雷达组合的方式工作。在1953年，撰写了国际标准Mark X(该系统结构还非常简单并且在12个不同的、频率间隔为17MHz的通道上以950MHz至1150MHz的频宽来工作)并且利用很多扩展直到2008年将其限定为空中交通管制中二次雷达民用的基础。在较老的文献中，还使用“超级信标(Super Beacon)”和“离散地址信标系统(DABS)”的概念作为S模式法在标准Mark XII中的以前的名称。

一般地，二次雷达系统由两种设备组成：询问设备(询问器，Interrogator)和应答设备(应答器，Transponder)。在飞行中，询问设备部分地是地面工作站，询问器可以部分地像应答器那样布置在飞机中。询问器依赖于相应的调制类型(所谓的模式)发送出例如利用不同脉冲来编码的询问。这些脉冲由应答器来接收和评估。根据询问的内容，产生应答，又对应答进行编码和评估。通过测量在发送脉冲与应答电报之间的运行时间，可以算出询问设备与应答设备之间的距离。由于在应答器中由译码和编码造成的延迟，这种距离计算只有在该附加的延迟时间已知时才是准确的。

在根据所谓的Uplink路径的传输协议中(询问由地面工作站升高至飞机)，该传输协议通常在1030MHz上发送，简单询问(模式A和模式C)可以区别于选择性询问(模式S)，在所述简单询问中，在P6脉冲之内利用带有差分移相键控(DPSK)的脉冲调制。在较简单的模式(A和C)中，在频率1090MHz上传输的应答电报为20.3μs长，由脉冲持续时间分别为0.45μs(±0.1μs)的2至15个脉冲组成并且通过所使用的四位的八进制代码仅具有一个不同于4096的识别码(模式A)或飞行高度(模式C)的值储量。这两个间隔20.3μs的帧脉冲F1和F2必须至少存在，以便由接收器将这些脉冲识别为有效的应答。这在波传播中相应于3km的距离。在帧脉冲之间，以1.45μs的间隔总计有13个用于编码脉冲的位置。在模式A和模式C中，这些位置中仅最多12个用于在八进制代码内传输所希望的信息。三个空位禁止由脉冲占用，这是因为否则有些译码器将整个应答解读为干扰并因此丢弃。但应答电报决不包含关于模式的信息。二次雷达的译码器的出发点总是在于，所接收的应答匹配于最后被询问的模式。帧脉冲之间的脉冲包含如下代码，所述代码依赖于询问模式地含有作为八进制数的所希望的信息。通过12个可能的脉冲的数量，将明确的信息的值储量限于4096。附加于这12个信息脉冲，可以为此在空中交通管制中使用所谓的SPI脉冲(特定目的识别)，以使用于识别的应答在领航员的显示器上特别突出。根据地面人员的要求，飞行员在应答器的操作台上按压一按钮，于是对于一段确定的时间(18±1s)将SPI脉冲附加到应答电报上。由于出于历史性原因在帧脉冲之外选择的位置，在进一步处理中出现一些问题。根据ICAO(国际民航组织)，SPI脉冲仅在应答模式A时产生。

相对于模式A/C应答，对模式S中的选择性询问的应答包含较大量的信息，这些信息以脉冲位置调制(PPM)的形式来传输。

根据Downlink路径(应答从飞机至询问者)不利的是，像在Uplink中那样使用差分移相键控(DPSK)，因为传输安全性受到应答器在很大的飞行高度中所遭受的极限温度波动的不利影响。能实现模式S的应答器的特点是所谓的断续振荡器模式(Squitter-Mode)，在该断续振荡器模式中，应答器独立于询问地并且以有规律的间隔自动地发送例如GPS位置和识别信息作为广播消息(ADS-B，广播式自动相关监视)。

概念“窜扰(Garbling)”在二次雷达技术中用于特殊类型的接收干扰。它涉及两个或多个应答器的发送的重叠，这些应答器的同时的接收可能歪曲所传输的信息。如果两个或多个飞行目标处于清晰聚束的雷达接收天线的检测区域中，这些飞行目标的径向距离小于3km，那么在模式A/C中应答电报部分地彼此混杂。更频繁地出现在接收ADS-B电报(模式S)时的叠加，这是因为一方面应答器在时间上不协调地发送并且一般使用弱聚束或者不聚束的天线，这相应地提高了接收射束之内的可能的应答器的数量。

如果两个发送彼此交叠，使得其时间标度线不全等地重合，那么称为不同步的窜扰。这些发送可以至少在模式A/C的情况下经常分离并且被单个地正确地译码。但如果两个发送彼此交叠，使得它们具有相同的时间标度线，那么指的是同步窜扰。在译码中不再能够确定单个脉冲是属于一个电报还是属于另一个电报或者甚至是两个电报。由此会导致对全新的和错误的电报进行译码，这些电报与原始的发送不再有关系，因此必须将这些多义的电报阻断。最后在模式A/C中，即使在正确地应答的情况下所述帧的顺带存在的C2和SPI脉冲仍出现第二次。这种特殊情况被称为假窜扰。

将错误的或多义的电报与正确的电报分开的过程被称为“消除窜扰”。在消除窜扰中，问题在于识别出窜扰的可译码的和不可译码的变型。用于通过使干扰信号隐没或减小而有效利用接收信号(该接收信号一般为最大的接收到的信号)的机理例如在RTCA标准DO-260A中对于二次雷达接收器(Mode-S/ADS-B)进行了描述，并且被设计用于发送器与接收器之间的通道，也就是说在分别仅使用一个发送和接收天线的情况下。为了识别出所描述的窜扰情况并且可以相应地加以处理，使用特殊的窜扰消除电路。

在模式A/C中，在这些电路中的技术流程例如在于存储所接收的脉冲模型和与帧脉冲的比较中。带有截取量(Abgriff)为1.45μs(应答脉冲光栅的时钟脉冲)的在窜扰消除电路中需要的延迟线路也可以作为移位寄存器实现。整个过程同样可以在受处理器控制的电路中运行或者作为程序来运行。该功能流程在此包括下列处理步骤：首先通过第一延迟线路识别出帧脉冲，然后在第二处理步骤中通过第二延迟线路延迟所识别出的帧脉冲，在第三处理步骤中检验帧脉冲是否彼此混杂(例如通过第三延迟线路和随后的“或”运算)，并且最后(在识别到帧脉冲未彼此混杂时(在时钟脉冲为15.95μs的情况下))触发译码。在出现假窜扰的情况下，所述时钟脉冲正好就不用了。

在空中交通管制中，为了减小叠加概率(也就是说作为消除窜扰的变型方案)，在二次雷达系统中经常使用相控阵列天线(Phased Array(相控阵列)＝相位受控的场)，所述相控阵列天线是具有很强方向作用的分组天线，所述分组天线通过各单个辐射器的布置和配线实现辐射能量的聚束。在一个空间方向上的聚束越强，天线在该方向上的横向延展就越大。因此，雷达天线一般水平地布置，以便在水平的方向图(Richtdiagramm)中实现聚束。对这些天线的原理来说重要的是干涉，也就是说两个或者(大多数情况下)多个辐射器的依赖于相位的叠加。在此要注意的是，同相位的信号增强而反相位的信号彼此削弱。如果两个辐射器以相同的时钟脉冲发送信号，那么实现叠加，信号在主方向上得以增强而在次方向上得以削弱。如果对各单个辐射器不同地加以操控，也就是说，信号例如由一个(例如下部的)辐射器以与另一个(例如上部的)辐射器相比相位移动10°的方式(这里即为较早地)发送，那么共同发射出的信号的主方向相应地(例如在这里向上)移动。如果对各单个辐射器的相位移动的操控能够以电子的方式改变，那么因此天线的天线图也能够以电子的方式摆动。

相控阵列天线还利用布置在矩阵中的发送元件的相位移动，以便通过干涉实现聚束。发送能量在所期望的方向上增强，而在不期望的方向上通过破坏性的干涉得以抹去。通过相位的有针对性的偏移，可以不对称地影响方向图，以便例如使侦察雷达设有也向斜上方扩展的方向图，但它也向下受到限制。为此为了使出射/接收角向上移动，只须下部元件的相位角较早地开始，上部元件的相位角相应地滞后地开始。由于运行时间差，下部辐射器的能量不再在天线中心、而是进一步在上面与上部辐射器的能量具有同相位。由此，波前相对于天线面弯成角度，并且出射角向上倾斜。辐射器之间的相位差在天线元件之间是恒定的并且输入线路中的可能的运行时间差必须予以考虑。

如果不同的相位差以如下方式得到调整，即例如外部元件的相位角向后调、而内部元件的相位角向前调，那么整个天线的聚束得以改变，这就是说，天线图形状发生变化。这种方法在多模式雷达中使用，以便从较宽的用于搜索目标的图变换到很窄的用于精确地伴随目标的图上。

对于很窄的天线图需要非常多的单个辐射器，这些单个辐射器的相位差在辐射器之间朝向天线组的边缘累加。移相器必须实现高达360°的相位移动。在实践中，例如使用不同的定相线/迂回线路，这些定相线在4Bit的移相器中以22.5°的间距连接到馈电线路中。虽然出射角理论上可以为几乎±90°。但在实践中一般最大仅达到±60°，这是因为天线图的聚束随着出射角的变大而迅速地变差。对于在围绕天线的全圆内的搜索，在实践中三个天线组以120°的角度分布。更有效的是以90°角间隔的四个组，就像例如在APAR、海军的一种雷达设备中使用的那样。

任何天线结构都可以用作天线场中的单个辐射器。对于相控阵列天线来说决定性的是，利用受调节的相移来操控各个辐射器并因此改变出射的主方向。为了既水平地又竖直地实现聚束，在多维的天线场中使用非常多的辐射器。RRP-117的天线例如由1584个辐射器组成。相对于传统的旋转式雷达天线的优点是，一方面成本较低的实施方式(没有由于旋转引起的机械负载和与此相关联的昂贵的以免受环境影响的防护)以及对当前入射角的灵活且快速的调整，这是因为不需要机械的跟随，而是纯粹以电子的方式调整该入射角。

依赖于频率的射束摆动是相控阵列天线的特殊情况，其中，射束摆动完全不带电子移相器地通过发送频率来控制，并且射束摆动是频率的函数。例如，竖直的天线组被串行地供应，并且所有辐射器在基频上都通过结构相同的定相线获得相同相位的功率，这些定相线引起n·360°的相移。亦即，所有辐射器以相同的相位在相同的时间进行辐射，并且所产生的射束因此与天线平面垂直。如果发送频率被提高几个百分点，则定相线的在结构上规定的长度不再相称，因为定相线现在可能太长了。从一个辐射器到另一辐射器出现相移，其中，第一辐射器比下一个相邻辐射器早百分之几地辐射，以此类推，从而所产生的射束向上摆动。

对于断续振荡器电报的接收，一般可以不使用清晰聚束的天线，这是因为大多数情况下事先不知道在什么时候哪架飞机发送(信号)，并因此也不知道可以从哪个接收方向等待入射信号，这使得无法使很窄的天线图精确地取向。在这里，用于消除窜扰的可能性在于使用分区天线，这些分区天线将整个要观察的空间划分成(一般4至12个)较小的分区。由此导致在各个分区中叠加的频率减少。为了实现分区天线，一般使用机械上固定取向的定向天线。

此外，在通信技术领域中几年来都在谋求方案，以便通过灵巧地使用多天线系统来提高通道的传输容量。最初与关键词SDMA(空分复用接入)和MIMO系统(多输入多输出)相关联的方案目的是，通过在多个配属的接收器单元内对多个天线的信号进行相应的信号处理，分别在一个确定的空间分区上产生一个聚焦。但在这期间，人们绝大部分地又放弃了，或者说追求具有其他优化标准并因此具有对数据的其他解释的基本方案，其中，优化不再通过几何划分成分区来实现，而是例如在使错误率最小化方面实现。

在根据现有技术的二次雷达系统中，可能会出现下列问题或有问题的情况：

随着在观察空间内的发送器(飞机)的数量增加，从多个发送器向一个接收器的发送的碰撞概率也增大。当每个应答器不仅能接收一个或几个询问器并对此作出应答、而且能接收大量询问器并对此作出应答时，所述概率一方面再次提高，由此应答器的发送频率明显增大。接下来还要应答的断续振荡器发送(例如对于ADSB)再一次提高发送频率。如果由此在接收器上出现多个应答器发送的叠加，那么这导致各个数据包受损或者在最有利的情况下仅导致对最强的接收信号的探测。

另一问题是由于应答器信号在不同物体上的反射而出现多径接收，该反射在接收器上会导致不同路径(直接路径和/或反射路径)不利地叠加。由此，信号可能出现强烈的失真、直至消失。这尤其是在机场陆地或者在机场附近出现，在那里有大量的反射物体处于发送器与接收器之间的直接路径附近。

由EP 1 953 565 A1已知一种用于分析对于二次监控雷达系统的应答的二次监控雷达系统和方法，其中，基于不同的模式来改善模式A/C目标报告的去除能力。在此，模式被划分为模式A、模式C和模式S。模式A用于获得飞机的识别信息，而模式C用于获得高度信息。模式S具有带有ID(标志，24位地址)的单个选择的命名功能，所述ID配属于每个飞机。除了上面提及的类型(识别信息和高度信息)之外，借助模式S还可以获得飞行路径信息和速度信息。二次监控雷达系统以这样的方式识别飞机，即：它将询问传输给安装在飞机内的应答器，它接收与询问相应的应答并且它对应答的内容进行分析。为此，根据EP 1 953 565 A1的二次监控雷达系统具有布置在地面上的询问设备和能水平地360度旋转的天线以及安装在飞机中的应答器和天线。询问设备包括传输单元、接收单元、信号处理单元和组合器。传输单元和接收单元连接到地面侧的天线上，而信号处理单元连接到传输单元上并且连接到接收单元上。在此，询问设备的询问周期包括五个不同的询问，并且应答器将与这些询问相应的应答发送回去。这些应答由天线接收并输入给接收单元。其上连接的信号处理单元解释每个所收到的应答的内容并且基于该评估产生模式S目标报告和模式A/C目标报告。当飞机可以通过模式S目标报告被识别时，组合器拒绝模式A/C目标报告(在评价根据位置的变换关系和迄今的飞行走向的情况下)，该模式A/C目标报告涉及该被识别的飞机。

此外，由US 2004/0234016A1已知一种在接收宽带无线电信号、尤其是GPS信号时实现抗窜扰的方法和设备，其中，借助空间组合器来执行对信号的空间滤波，所述组合器在信号的幅值和相位中产生天线的不同辐射元件的加权的总和。具体来说，在那里应用的方法基于CSLC(相干旁瓣消除法)抗窜扰技术，所述CSLC抗窜扰技术带有辐射元件的不同的独立的接收路径的静态布置、在接收路径(主要接收路径和辅助接收路径)中的选择和所谓的“消除窜扰的”接收路径的动态影响，也就是说，向主要接收路径的信号添加辅助接收路径的信号的线性组合，这些辅助接收路径的信号在幅值和相位上借助能动态调整的系数得以加权。CSLC抗窜扰技术的效率依赖于求得和调整系数(幅值权重和相位权重)的精度。在这里，US 2004/0234016A1的主题是一种特殊的测试信号发生器，所述测试信号发生器被校准并且产生至少两种版本的测试信号、优选是一种被展开的(gespreizt)测试信号，并且进行接收的分组天线设有平行放置的相同的处理链。空间抗窜扰滤波器实施信号的线性组合，所述信号由天线的不同的辐射元件来接收。其工作原理基于如下假设，即，有用信号和干扰信号不是从相同的方向被接收的。CSLC技术在雷达技术领域内提出的问题之一是，在宽频有用信号(被展开的频带信号)的范围内确定空间抗窜扰滤波器的系数，这是因为并行的相同的处理链非常敏感，这些处理链提供主要接收路径的信号和辅助接收路径的信号。该问题由测试信号发生器结合一列自动矫正器(可调整的矫正-滤波器，该矫正-滤波器由数字滤波器来编程)以及两个频谱分析器(求得自相关和快速傅里叶变换)和减法器得以解决，其中，减法器减去所测量的传输函数。在此还规定：将自动矫正器列在校准工作的过程中借助伪随机的二进制代码调准作为测试信号，所述二进制代码与在GPS系统中应用的伪随机的二进制代码正交。

最后，由US 2006/0055586A1已知一种二次雷达系统，该二次雷达系统带有用于询问信号的发送装置、用于所接收的应答信号的接收装置以及处理装置，其中，将用于传输询问的预先确定的角度范围与天线的射束宽度(天线波瓣)进行比较，并且在每个所谓的点名(roll-call)周期期间使在方位角的方向上的询问减少，这些询问几乎没有接收应答的可能性。为此，处理装置将天线的射束宽度与预报位置区域进行比较，当预报位置区域比射束宽度窄时，在每个点名周期中继续进行选择性的询问，而当预报角度区域比射束宽度宽时，在每个点名周期上选择性的询问减少。还规定：将用于ATCRBS(空中交通管制雷达信标系统)的应答器的询问周期划分成两个时间段(用于ATCRBS或模式S应答)，尤其是以便使用于传输询问的角度范围与预报一致地变化。在此，在二次监视雷达(SSR)模式S中，扩大了无线电通道的占用时间，因为当目标在短距离内定位时，用于传输询问的方位角范围扩大了。此外，将最高优先权分配给在天线的射束宽度之内的用于传输询问的方位角范围，而将第二最高的优先权分配给远程范围内的目标。总之，由此可以通过询问减少无线电通道的占用持续时间。

如上面对现有技术的评价所表明的那样，一般在已知的二次雷达系统中对目标的识别基于在不同模式中、也就是在评估应答电报时对窜扰(接收时的干扰)的可译码和不可译码的变型的识别中对所接收的二次雷达信号的相应分析。在此，对民用空中交通的雷达监控一般利用可转动的定向天线来实现、对断续振荡器发送的接收用定向天线或者机械固定放置的分区天线来实现。在军用领域中，也将机械固定放置的多天线系统用在雷达技术中，其中，入射角不是通过机械限界和旋转来预先给定，而是通过对各个天线信号的相位控制来实现，并且电子移相器在此用于匹配HF信号的相位。控制通过如下方式来实现，即，通过各单个天线的信号的匹配的叠加，“整个天线”的产生的特性分别仅使入射角的一定范围成为焦点并且因此引起“射束”的电子摆动。在这种情况下，应用例如是雷达辅助的目标跟踪，例如在导弹中。在这里还使用天线阵列，其中，仅为一个物体使用一个波束(Beam)，也就是说，(一般)不使用多波束。相对于传统的旋转式雷达天线的优点是，一方面成本较低的实施方式(没有由于旋转引起的机械负载和与此相关联的昂贵的以免受环境影响的防护)以及对当前入射角的灵活且快速的调整，这是因为不需要机械的跟踪，而是纯粹以电子的方式调整该入射角。

发明内容

因此，本发明的目的在于，以如下方式构造一种用于接收二次雷达信号的二次雷达系统或设备，即，实现尤其是在观察空间内有大量物体的情况下对物体的更好的分离，并且因此也实现相对于干扰信号的较高的鲁棒性以及还实现对多径传播的更好的分离。

下面(说明书和权利要求书)，所发送的二次雷达信号既可以理解为对询问的应答、又可以理解为断续振荡器发送。

根据权利要求1，该目的通过一种用于利用以准动态或动态方式对要监控的空间进行分区化来接收二次雷达信号的设备得以实现，所述设备具有：

·至少一个由N个天线元件组成的天线系统，用于接收所发送的二次雷达信号；

·连接到相应天线元件的接点上的信号处理单元，所述信号处理单元带有耦合矩阵，所述耦合矩阵具有能调整的系数，以便通过借助所接收到的天线信号的倍增相加的运算使所述天线信号叠加来对要监控的空间进行分区化，以及

·至少一个与耦合矩阵连接的接收器m，

从而每个接收器m在对于每个接收电报进行动态分区化时获得天线信号的利用确定的耦合系数加权的另一叠加，其中，在准动态情况下，能调整的系数在较长的时间上是固定的。

此外，根据本发明，该目的在一种用于在使用一种用于接收二次雷达信号的设备的情况下以准动态或动态方式对要监控的空间进行分区化的方法中得以实现，所述设备具有至少一个由N个天线元件组成的用于接收由物体发送的二次雷达信号的天线系统、连接到所述天线系统上的带有耦合矩阵的信号处理单元以及至少一个与所述耦合矩阵(K)连接的接收器，在所述方法中：

·以准动态的方式通过参数化或者以动态的方式在运行中并按照分区的相应关注的物体的有用信号和/或在考虑可能存在的干扰信号的条件下来求得所述耦合矩阵的系数，以及

·所述耦合矩阵为所述接收器m分别提供借助所接收到的天线信号的倍增相加的运算而使信号的利用确定的耦合系数加权的叠加，其中，所述接收器m在对于每个接收电报进行动态分区化时能够获得天线信号的利用确定的耦合系数加权的另一叠加，并且在准动态的情况下，能调整的系数在较长的时间上是固定的。

在用于利用以准动态或动态方式对要监控的空间进行分区化来接收二次雷达信号的根据本发明的设备或二次雷达系统中或者在根据本发明的方法中，中央处理单元以有利的方式借助耦合矩阵使天线信号叠加，并且分别为m个接收器单元提供信号的利用确定的耦合系数加权的叠加。输入给各个接收器单元的信号可以由这些接收器单元以相同的方式来处理，就像在常规的单天线系统中那样。由此，在根据本发明的二次雷达系统或方法中还可以有利地使用迄今的单通道接收器或在其中执行的算法。在此，每个接收器一般获得耦合系数的其他组合，由此各个接收器可以根据不同的发送器或不同的接收器特性(波束)得以优化。尤其是由于发送器(飞机)的持续变化的位置，接收器特性的动态匹配是特别有利的。然而这不是强制必需的，因为耦合系数也可以一次性地求得并且然后静态地(准动态地)得以应用。本发明的这种简单的变型方案与以电子的方式实现多个固定地取向的分区天线在耗费方面相当。

在此，以如下方式来选择所述系数，即，对于每个接收器使要监控的空间的一个确定的分区(还有波束)成为焦点。在此，分区不必要一定是单个的连续的空间区域，而是可以是多个空间区域的或多或少任意的组合。如果在运行中动态地实现波束形状的匹配(通过系数的匹配)，则这些波束形状可以随时匹配于空域中的当前要求或当前状况。

在此，对波束的优化优选以如下方式来实现，即，所述波束的最大值尽可能处于所关注的物体(对于相应的接收器)之上。此外，对波束的优化还能够优选这样来实现，即，使得(对于相应的接收器)波束的零位置于要隐没的物体之上。在另一优选的构造方式中，对波束的优化也可以在两个前面所提及的目标(在所关注的物体之上的最大值和在要隐没的物体之上的零位)方面共同实现。当关于其他物体(例如其他飞机的应答器)的位置的信息基于如下事实已经存在时，即，与张角相比这些位置仅相对缓慢地变化，这些优化可能性尤其是可以有利地应用。此外，所述位置还可以通过物体的连续运动短时间地简单地预报，通过跟踪物体的轨道(轨迹)。

在此，优选一方面形成固定的分区，另一方面形成动态地根据当前要求被跟踪的分区。通过这种组合可以既实现高的可靠性(也就是说，不利的、动态的分区/系数选择的可能情况的影响可以通过附加的固定的分区得以减少)，又可以实现系统的高的动态性(通过在最大值和/或零位方面的动态优化，就像已经说明的那样)。

配属于天线的信号在中央处理单元中的组合既能够基于ECB信号(ECB：等效复基带)、又能够基于HF信号或ZF信号(HF：高频，ZF：中频)实现。在本发明的范围内，也可以实现对HF信号的直接AD转换(不带混频器)。优选地，配属于天线的信号在中央处理单元中的组合当然也基于ECB信号实现。这具有如下优点，即，ECB信号允许紧凑的数字代表，并且因此能够在技术上简单地实现必要的信号处理。

在本发明的改进方案中，根据权利要求7，天线系统构成为线形的或圆周形的阵列或者构成为矩阵式的系统。

本发明的该改进方案具有如下优点，即，在几何上简单的系统中，尤其是对于固定的分区，所述系数的计算可以特别简单地实现，这是因为在这种情况下计算能够以几何的方式实现。原则上，本发明可以利用任意的天线系统来实施。

在本发明的一种优选的构造方式中，根据权利要求8，天线系统构成为具有相对彼此在多维系统中的天线元件。

本发明的该构造方式具有如下优点，即，尤其是在接收器内对较远的物体的探测、尤其是在窜扰的情况下变得容易，这是因为信号强度依赖于距离。因此，根据本发明的构思也可以被考虑作为“空间上消除窜扰”，因为由此在空间内的分离和多个信号、即使较弱的信号(即不仅是最强的信号)在接收器上的接收是可能的。

优选地，根据权利要求9，为了既在水平分区内、又在竖直分区内对空间进行划分，天线系统构造成带有水平布置和竖直布置的天线元件。

由此，除了在水平分区内对空间进行划分，还可以附加地通过考虑不同的仰角来实现对空间的竖直划分(→水平分区和竖直分区)。这能够在通常基本上类似的飞行高度(旅行飞行高度)的情况下以距接收器不同的距离将物体分开。

在本发明的改进方案中，根据权利要求10，为了事后集成到存在的带有单通道接收器的系统中，在天线与接收器之间的相应的信号路径分隔开并且信号处理单元连接在中间，所述信号处理单元通过使用耦合矩阵对输入的天线信号进行预处理并因此划分成分区，并且又将产生的信号提供给单通道接收器。

本发明的该改进方案可以具有优点地特别简单地实现，这是因为要添加的多天线处理不要求匹配单通道接收器的处理/算法。在该改进方案中，用于处理各个分区的计算功率不必有利地集中地提供，因为计算负荷又分布到各单通道接收器上。

附图说明

其他优点和细节可以参考附图由对本发明的优选实施形式的下列描述得知。在附图中：

图1示出带有三个定向波瓣的多天线接收装置的原理；

图2示出以用于四根天线和两个分区的接收器为例用于形成分区的信号处理的实施方式；

图3示出带有系数组和干扰物D隐没的定向特性的设计方式；

图4示出定向特性和多个干扰物隐没的设计方式；

图5示出在应用圆周形的天线系统的情况下分区划分的示例性设计方式；

图6示出现有技术中接收特性的设计方式；

图7示出对于集成到存在的单接收器系统中的实施方式；

图8示出以同样的线性天线阵列为例的系数的形成方式；

图9示出根据图2利用对ECB信号的处理来进行信号处理的另一实施方式；以及

图10示出用于机场区域的分区的准动态匹配的示例。

具体实施方式

为了识别和传送在飞行物、地面车辆与空中交通管制之间的通常的航空数据，使用1090MHz的二次雷达。图1示出带有三个定向波瓣的多天线接收装置的原理。为了以准动态或者动态方式对要监控的空间进行分区化，根据本发明的二次雷达系统具有至少一个由N个天线元件AE1、2、3、...、N组成的用于接收所发送的二次雷达信号的天线系统A、连接到相应天线元件AE1、2、3、...、N的接点S上的带有耦合矩阵K的信号处理单元SV以及至少一个与耦合矩阵K相连接的接收器m(m＝1、2、...、M)，所述耦合矩阵具有能调整的系数(α₁₁、α₁₂、...、α₂₁、α₂₂...，见图2)，以便通过叠加天线信号对要监控的空间进行分区化。根据在图1中所示的带有三个示出的定向波瓣的示例，真正的接收器单元RX1、...、RX3为配属的系数组“提供”相应的信号，其中附图中未示出的控制装置操控(例如α₁₁＝1相应于“接通”，α₁₁＝0相应于“打开”，α₁₁＜1相应于“衰减”或者α₁₁＞相应于“放大”)耦合矩阵K的耦合点(α₁₁、α₁₂、...、α₂₁、α₂₂...，见图2)或者通过耦合矩阵K并且经由至少一个加法器/加法电路向接收器m开关天线信号的路径。加法器/加法电路可以在外部布置在耦合矩阵K的输出端上或者集成在耦合矩阵K中。这同样适用于衰减环节或放大器，所述衰减环节或放大器优选集成在耦合矩阵K的耦合点中。各个虚拟的分区在图2中用1、2...来标记。

图2示出以用于四根天线和两个分区的接收器为例用于形成分区的信号处理的实施方式。信号处理单元SV在此以下列顺序具有模块：

·连接到相应天线元件AE1、2、3、...、N的接点S上的第一线性放大器-带通滤波器组合(FV1)，用于对所接收的二次雷达信号进行放大和频带限制；

·连接到第一放大器-带通滤波器组合FV1上的混频器M，用于在ZF范围内进行频率转换；

·连接到混频器输出端上的第二线性放大器FV2，用于对ZF范围内的信号进行放大；

·连接到第二线性放大器FV2上的模/数转换器AD，用于对该模/数转换器的输入信号进行采样和量化；以及

·与模/数转换器AD相连接的耦合矩阵K，该耦合矩阵的系数α₁₁、α₁₂、...、α₂₁、α₂₂...可以为了对要监控的空间进行分区化而借助控制或参数化来调整。

优选地，第二线性放大器FV2具有带通滤波器，用于对ZF范围内的信号进行频带限制。

在根据图2的附图中未示出的实施方式中规定：信号处理单元SV以如下顺序至少具有模块：

·连接到相应天线元件AE1、2、3、...、N的接点S上的第一线性放大器-带通滤波器组合FV1，用于对所接收的二次雷达信号进行放大和频带限制；

·连接到第一放大器-带通滤波器组合FV1上的混频器M，用于将频率转换成复基带；

·连接到混频器M上的模/数转换器AD，用于对该模/数转换器的输入信号进行采样和量化，以及

·与模/数转换器AD相连接的耦合矩阵K，该耦合矩阵的系数α₁₁、α₁₂、...、α₂₁、α₂₂...可以为了对要监控的空间进行分区化而借助控制或参数化来调整。

图2示出在用于四根天线和多个(在图2中：2个)分区的接收器上的分区形成的实施方式。在这里，首先在FV1中对天线A的信号进行滤波和放大，然后利用混频器将该信号混合到中频上。在FV2中进行进一步的中频滤波和放大之后，在AD中对信号进行模/数转换。为了在模拟信号处理中避免频率差和相位差，在此为了混合所有天线信号而使用一个中央混频振荡器CK1以及所有ADC都由一个中央采样频率发生器CK2供给。为了产生用于分区1的信号，此外利用系数α₁₁、α₁₂、α₁₃和α₁₄对信号x₁、x₂、x₃和x₄进行加权。类似地也适用于利用系数α_m1、α_m2、α_m3、α_m4产生其他的分区m(m＝2、3、4...)。

图9示出利用对ECB信号的处理来进行信号处理的另一实施方式。在此，在AD中对信号进行模/数转换之后，在ECB中进行(数字)混合和低通滤波(低通滤波器未在图9中示出)。图9示出对所有天线信号的特殊的数字混合，其中，可以使用相同的混频器表格(用于正弦、余弦)，并且在本发明的范围内也可以将其他的混频器用于产生ECB信号x₁、x₂、x₃和x₄。

图3示出虚拟分区的接收特性的设计方式的示例，其中，耦合矩阵的系数这样来选择，使得对于来自干扰物D方向的信号产生消失或者至少强烈的衰减。对来自确定的方向的信号的这种抑制也称为在定向特性中适当地置于零位。

图4示出虚拟分区的接收特性的另一示例，其中，通过对耦合系数的其他选择来实现在接收物体2时使多个物体1、3和4隐没。相应地，在这里与图3相比，在定向特性中存在多个零位。

图5和图6说明了通过虚拟的分区化所实现的、不同发送器的信号叠加概率较小的优点。在图5和图6两者中，在空间内围绕接收器分布有一定数量的发送器，其中，在图5和图6两者中都采用相同的分布。

现在，图6示出现有技术中在使用带有圆形接收特性的接收天线情况下的接收情况。通过这种全方向接收，很多发送器的信号可能潜在地发生叠加，因为所有被观察的发送器处在接收器的接收区域中。

现在，图5与此相反地示出在使用圆周形的天线系统情况下具有在不同空间方向上的不同发送器密度的分区分布(在这里带有8个分区)的设计方式的示例。如在这里可看出的那样，现在仅有少量发送器位于各个分区中，由此叠加的概率有利地相应地得以大大降低。此外在图5中可看出，将各个虚拟分区的灵活的设计可能性用于使分区的大小匹配于在相应空间区域中存在的发送器密度。因此，在发送器分布不均匀时，在相同的分区数量的情况下叠加概率仍得以进一步降低。在接收二次雷达信号的在这里所关注的应用中，这种不均匀的分布甚至是规则。

图7示出事后集成到存在的带有单通道接收器的系统中，其中，在天线与接收器之间的相应的信号路径分隔开并且信号处理单元连接在中间，该信号处理单元通过使用耦合矩阵实现对所输入的天线信号的预处理并因此实现划分成分区并且又将所产生的信号提供给单通道接收器。

图8示出在借助4个固定的、同等的分区仅观察/监控一个半平面的情况下以均匀线性天线阵列(ULA)为例的系数形成(附注：在这里为了简化地图示在仅一个半平面上，出发点是，天线由于其机械结构而相对于另一个半平面被屏蔽)。

等式

Y＝K^TX

描述了天线信号与由此产生的用于各个接收器的分区信号之间的耦合关系。在此，X是各个天线信号(例如配属的ECB信号)的矩阵，Y是用于各个分区/接收器的输出信号的矩阵并且

K＝[k₁ k₂ k₃...，k_M]

是带有各个耦合向量

k_m＝[α_m1 α_m2...α_mN]^T

的耦合矩阵，用于描述分区m(m＝1、2、...、M)上的N个天线信号，由系数α_mn组成。所述系数例如可以由入射的波前的有益叠加来计算。

作为示例，在这里对于天线以半个波长的间距、即δ＝λ/2的特殊布置对系数进行了说明。在此得出耦合矩阵为

$K=\left(\begin{array}{cccc}1& 1& 1& 1\\ e^{\mathrm{j\pi }\sin \left({\beta }_1\right)}& e^{\mathrm{j\pi }\sin \left({\beta }_2\right)}& e^{\mathrm{j\pi }\sin \left({\beta }_3\right)}& e^{\mathrm{j\pi }\sin \left({\beta }_4\right)}\\ e^{j2\pi \sin \left({\beta }_1\right)}& e^{j2\pi \sin \left({\beta }_2\right)}& e^{j2\pi \sin \left({\beta }_3\right)}& e^{j2\pi \sin \left({\beta }_4\right)}\\ e^{j3\pi \sin \left({\beta }_1\right)}& e^{j3\pi \sin \left({\beta }_2\right)}& e^{j3\pi \sin \left({\beta }_3\right)}& e^{j3\pi \sin \left({\beta }_4\right)}\\ e^{j4\pi \sin \left({\beta }_1\right)}& e^{j4\pi \sin \left({\beta }_2\right)}& e^{j4\pi \sin \left({\beta }_3\right)}& e^{j4\pi \sin \left({\beta }_4\right)}\end{array}\right)$

其中，β_i是相应波束的入射角。

作为该示例成为动态系统的扩展方案可以包含其他接收器，这些接收器的波束动态地跟踪所关注的物体。根据本发明的系统通常绑定在规模较大的总系统中(例如为了监控空域)。如果基于在该总系统中的其他机构或分系统(多边性、方向估计(角度测量)、ADS-B(GPS坐标)、(一次)雷达等)已经了解到所观察空间内的物体的大致位置，那么这种了解可以由中央信号处理单元加以应用，以便以这种方式跟踪波束和/或匹配波束的形状(例如通过插入零位以使(干扰的)物体隐没)，即动态地匹配相应波束的系数。

图10示出使分区准动态地匹配于带有起飞跑道和降落跑道的机场区域的示例。在此使飞机的用于降落过程的飞往方向匹配于当前的风向，其中，飞机在一种从左边或西边(子图a)的情况下和另一种从右边或东边(子图b)的情况下着陆。与此相应地，对监控来说相关的区域也变化。在子图b中出现监控系统从东方观察的大多数的飞行运动，从而在该方向上需要更高的分辨率(即划分成更大数量的分区)，而在西方少量分区就足够。相反，在子图a中与此相对地在西方也出现明显更多的飞行运动，因此虚拟分区朝该方向偏移。

因为风向仅相对缓慢地改变并且因此飞往方向通常在较长的时间段(典型的是数秒)内都保持不变，所以在最简单的情况下用于监控的虚拟分区在该时间段内也可以保持恒定并且例如仅在飞往方向重新变化的情况下分区化从情况a向情况b的变换或相反的变换才发生。

本发明也能够以有利的方式在申请人的未在先公开的德国专利申请102008010882.0-55中以组合的方式得以应用，该德国专利申请涉及一种用于估计二次雷达信号的方向的设备和方法。

为了通过如下方式构造基于无线电的定位系统，即，一方面能够实现方向估计和/或另一方面能够实现对二次雷达信号的译码，所述设备具有：

·至少一个由M个天线元件组成的阵列；

·连接到相应天线元件的插接装置上的低噪音的线性放大器，所述放大器将所接收的二次雷达信号在电平中提高；

·与低噪音的放大器连接的第一带通滤波器，在该第一带通滤波器的滤波器输出端上连接有用于放大频带有限的信号的第一线性放大器；

·连接到第一线性放大器上的混频器，用于在ZF范围内进行频率转换；

·连接到混频器输出端上的第二线性放大器，用于对ZF范围内的信号进行放大；

·连接到第二线性放大器上的第二带通滤波器，用于对ZF范围内的信号进行频带限制；

·连接到第二带通滤波器上的第一模/数转换器，用于对滤波器输出信号进行采样和量化；

·与第一模/数转换器连接的、可配置的信号处理器，所述信号处理器为了调节混频器频率而与PLL-VCO电路连接并且接收数据用于处理；

·与可配置的信号处理器连接的中央处理单元，所述中央处理单元从所有的天线元件收集数据，并且一方面借助基于子空间的方法实施方向估计且另一方面通过应用耦合矩阵以及接收器算法对于各个分区实施分区化，

从而在连接到M个天线元件上的模拟的输入级中的不同的放大、相位差和变换的噪音数量既在估计方向时、又在探测所接收的无线电数据时加以考虑。

在申请人的未在先公开的德国专利申请10 2008 010 882.0-55中描述的、用于如下二次雷达系统的方法——所述二次雷达系统带有至少一个由M个天线元件组成的阵列和连接到M个天线元件上的模拟输入级，所述模拟输入级带有线性放大器、带通滤波器、混频器、模/数转换器、可配置的信号处理器和处理单元——使对二次雷达信号的方向估计和/或译码的目的得以解决，方式是：

·信号处理器中的一个信号处理器产生第一时钟信号和第二时钟信号作为用于混频器和A/D转换器的时间标准；

·在与信号处理器连接的处理单元中实施相关联的模拟和数字的信号处理，所述处理单元从所有天线元件收集数据并且借助基于子空间的方法来实施方向估计；以及

·在连接到M个天线元件上的模拟的输入级中，既在估计方向时按照交叉探向又在探测所接收的无线电数据时考虑不同的放大、相位差和变换的噪音数量。

在此，相对于现有技术，尤其是以下内容是新的：

·应用到二次雷达技术上；

·在运行中动态地匹配(借助系数的匹配)波束形状(代替静态配置)。

相对于现有技术的优点是：

·系统能实现在确定的空间区域内对飞机集聚进行动态调整；

·由飞机或者其他干扰发送器引起的干扰可以被隐没(而根据现有技术的系统在那里是盲的)；

·通过使相应的空间方向隐没使多径传播(反射)隐没是可能的，并因此改善探测；

·原则上，有益地利用多径传播也是可能的；例如，为了探测如下飞机信号，该飞机信号的直接路径以与干扰物很差分离的方式叠加，可使直接路径并因此也可使干扰物隐没，并且取而代之使发送器的反射路径成为焦点和得以利用。这在本发明的范围内能够实现。

本发明不限于局限于所示出和描述的实施例，而是也包括所有在本发明的意义上效果相同的实施方式。在本发明的范围内，可以实现用于系数调整的如下标准：

·通过对系数的适配调整来优化信号与干扰的比例；

·把有用信号幅值最大化；

可以像如下所示的那样进行信号处理：

·转变成ECB；

·将N个天线信号描述成向量；

·将信号向量与耦合矩阵进行向量-矩阵乘法；

·将输出向量拆分/分解成M个接收器信号；

·本发明原则上适用于所有类型的二次雷达信号(现在这是：S/A/C模式，还有断续振荡器/ADS-B)；

“空间上的消除窜扰”也可以已经在划分成水平分区的条件下实现；分区化也可以一次性地确定并且然后不被动态地跟踪，耦合矩阵K可以级联地构建，耦合矩阵K可以远程配置和/或远程诊断等等。此外，本发明迄今也不局限于在权利要求1或12中限定的特征组合，而是还可以通过所有的总共公开的单一特征的确定特征的各种任意其他组合来限定。这意味着，权利要求1或12的每个单一特征可以略去或者由至少一个在本申请的其他位置处公开的单一特征来代替。