| WO/2008/016033 | RADAR |
| JP2002031681 | METEOROLOGICAL RADAR |
| WO/2009/158458 | STORM ADVECTION NOWCASTING |
| REIVINDICAÇÕES 1. SISTEMA DE DETEÇÃO E LOCALIZAÇÃO DE ALVOS PONTUAIS E DISTRIBUÍDOS, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos duas antenas fixas não direcionais com alta resolução em alcance utilizando teste de coerência para localização de alvos diferenciados. 2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de uma de ditas antenas fixas ser transmissora e receptora (TR-N, TR-L, TR-S, TR-O, B1, C1 , D1 , A2) , e a outra sendo somente receptora (RA-N, RB-N, RA- L, RB-L, RA-S, RB-S, RA-O, RB-O). 3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de ditas antenas (30) possuírem abertura (31) aproximada de 120 graus em azimute 4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de compreender um conjunto (32) de 4 antenas transmissoras/receptoras (TR- N, TR-L, TR-S, TR-O) direcionadas de 90 em 90 graus e 4 antenas receptoras (RA-N, RB-N, RA-L, RB-L, RA-S, RB-S, RA-O, RB-O) igualmente direcionadas de 90 em 90 graus, sendo ditas antenas receptoras distanciadas das respectivas antenas transmissoras/receptoras. 5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato das distâncias entre cada antena transmissora/receptora, e a correspondente antena receptora constituir a linha de base (β) para cálculo da localização dos alvos detectados. 6. MÉTODO de deteção e localização de alvos pontuais e distribuídos, utilizando o sistema definido pelas reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de ser o azimute do alvo calculado por método interferométrico quê utiliza os sinais de retorno (r-|A, Γ2Α, P|B, r2B) do dito alvo captados por ambas as antenas (41, 42) apontadas numa dada direção. 7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de ser verificada a coerência (Γ) dos sinais refletidos, dois a dois, pelos alvos, para identificação destes. 8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato da velocidade (Vr) do alvo ser determinada pela medida de frequência Doppler (fd ), através de uma análise espectral do sinal refletido por este. |
PONTUAIS E DISTRIBUÍDOS
Campo da invenção
Refere-se a presente invenção a um radar terrestre, composto por um conjunto de antenas fixas, que faz medidas de alcance, azimute, elevação e velocidade de alvos pontuais e distribuídos.
Descrição do estado da técnica
Usualmente os equipamentos de radar conhecidos, tais como exemplificado nas figuras 1-a, 1-b e 1-c, utilizam antenas rotativas 11 para efetuar a varredura da área de cobertura desejada. Tais antenas rotativas emitem um feixe direcional 16 de ondas de rádio que, ao atingir um obstáculo sólido 17, são refletidas pelo mesmo e captado de volta na mesma antena. Tal efeito é tratado por circuitos especiais 14 permitindo a visualização 15 do contorno e tamanho do objeto atingido, bem como sua localização e distancia da antena. No caso de objetos móveis, o sistema permite ainda captar informações sobre o trajeto e velocidade do mesmo.
Para varrer totalmente uma grande área de cobertura tais antenas 11 giram continuamente 360° em torno de seu eixo vertical 12. Para tanto, são dotadas de motores 13 e mecanismos de controle com uma mecânica complexa que, alem de permitir a movimentação assegura os contatos elétricos necessários ao funcionamento do equipamento rádio e sua conexão com os guias de onda e alimentadores da antena.
Quando os alvos se situam em altitudes diversas, é necessário prover mecanismos que modifiquem o ângulo de elevação do feixe. Isto se consegue mediante o provimento de um motor de elevação 18 que, conforme ilustrado na Fig. 1-c, movimenta a antena 1 segundo indicado pela seta, de modo a variar o ângulo vertical do feixe irradiado, o qual, numa direção 19, detecta o alvo 20 e noutra direção 21 detecta o alvo 22.
A complexidade mecânica de tal arranjo encarece o sistema e aumenta a vulnerabilidade a falhas e a ataques inimigos no caso de equipamentos militares envolvidos em conflitos armados. Np sentido de minimizar tais deficiências foram desenvolvidas antenas estáticas que não necessitam de movimentação e são especialmente indicadas para as atividades militares. Tais antenas são dotadas de inúmeros alimentadores em formato de elementos distribuídos espaçadamente em uma superfície cilíndrica ou poliédrica. Ditos alimentadores são acionados sequencialmente através de um circuito comutador obtendo assim o mesmo efeito de varredura das antenas rotativas.
Entretanto, para obter um resultado equivalente ao das antenas rotativas, a antena estática necessita de um grande número de elementos que é tanto maior quanto maior for a precisão de leitura desejada para o equipamento de radar. Considerando que cada elemento é na verdade um transceptor de rádio completo tal tecnologia resulta em antenas de custo ainda mais alto que as antenas rotatórias inviabilizando economicamente seu uso generalizado.
Neste sentido, torna-se atraente o desenvolvimento de antenas estáticas de custo mais baixo ou compatível corirr antenas convencionai rotativas desde que os requisitos de precisão confiabilidade e segurança não sejam afetados. Objetivos da invenção
Em vista do exposto, constitui o primeiro objetivo da presente invenção o provimento de um novo tipo de radar de baixo custo.
Constitui o segundo objetivo da invenção o provimento de um novo tipo de radar que, mesmo possuindo baixo custo, seja capaz de fazer medidas de alcance, azimute, elevação e velocidade de alvos pontuais ou distribuídos.
Constitui mais outro objetivo da invenção o provimento de um novo tipo de radar fixo que elimine completamente toda a complexidade mecânica dos radares convencionais.
Descrição resumida da invenção
Os objetivos enunciados, bem como outros, são atingidos pela invenção mediante o provimento de um novo tipo de radar composto por antenas fixas não direcionais, cada antena provendo a cobertura de um determinado ângulo vertical e horizontal.
Segundo outra característica da invenção, dito radar possui um conjunto minimizado e otimizado de antenas fixas.
De acordo com outra característica da invenção, a cobertura horiontal de 360 graus á obtida com um reduzido número de antenas fixas.
Segundo mais outra característica da invenção, dito radar permite calcular com precisão o alcance, azimute, elevação e velocidade de alvos pontuais ou distribuídos.
Vantajosamente, toda a complexidade mecânica dos radares móveis convencionais foi eliminada.
Segundo ainda outra característica da invenção, o referido radar utiliza uma sofisticada base computacional para efetuar os cálculos necessários na deteção de ditos alvos.
Descrição resumida das figuras
As características e vantagens da presente invenção serão melhor compreendidas através da descrição de uma concretização preferida, dada a título ilustrativo e não limitativo, e das figuras que a ela se referem, nas quais:
A figura 1 mostra o diagrama em blocos dos componentes de um sistema convencional (figura 1a) bem como vistas simplificadas horizontal (figura 1-b) e lateral (figura 1-c).
A figura 2-a ilustra o ângulo de cobertura horizontal de uma antena isolada do tipo utilizado na invenção, em comparação, com o ângulo de cobertura de uma antena conhecida, bem como conjunto principal de antenas fixas com cobertura horizontal de 360°, figura 2-b.
A figura 3 ilustra um exemplo de aplicação da invenção a um sistema típico de radares terrestres de uso aeroviário.
A figura 4 ilustra um exemplo de aplicação da invenção a um sistema típico de radar marítimo embarcado.
A figura 5 mostra um diagrama ilustrativo da triangulação de dois alvos diferentes, efetivada por duas antenas fixas, conforme realizada pela invenção.
A figura 6 mostra um diagrama ilustrativo do processamento do sinal através da emissão de pulsos emitidos pelas antenas transmissoras e captados pelas antenas transmissoras e receptoras.
As figuras 7-A e 7-B ilustram o fluxograma do processo.
A figura 8 ilustra a aplicação para um radar meteorológico.
Descrição detalhada da invenção As características e vantagens da presente invenção serão melhor compreendidas através da descrição de uma concretização preferida, dada a título ilustrativo e não limitativo, assim:
A presente invenção aplica-se em radares meteorológicos; radares de vigilância terrestre, marítima e aérea e, também, em radares de navegação marítima.
O sistema de radar objeto de solicitação desta patente é capaz de fazer uma representação bidimensional (alcance e azimute) ou tridimensional (alcance, azimute e elevação) de alvos pontuais e distribuídos.
Alvos pontuais são alvos isolados. Como exemplo temos as aeronaves em voo.
Alvos distribuídos, por outro lado, são exemplificados pela área que temos ao nosso redor: campos, áreas urbanas, mares, lagos e florestas.
Considerando-se primeiramente o caso de radares bidimensionais, exemplificados por radares marítimos, dito radar é composto por um primeiro conjunto de antenas transceptoras fixas e um segundo conjunto de antenas somente receptoras. Os conjuntos de antenas e são interligados a um módulo eletrônico dedicado que computa as informações recebidas das ditas antenas e apresenta o resultado na tela de um monitor.
Conforme mostrado na Fig. 2-a, o elemento básico do sistema é uma antena 30 cujo diagrama de radiação 31 cobre um ângulo 32 de aproximadamente 120 graus em azimute. Apenas para fins de comparação, o diagrama de radiação 33 de uma antena convencional usualmente utilizada nos sistemas de radar conhecidos, cobre um ângulo 34 substancialmente menor. No sistema proposto, o conjunto 35 de antenas fixas é .implementado por quatro antenas, cada uma das quais com diagrama de aproximadamente 120 graus em azimute, resultando o diagrama de radiação 36, o qual ilumina a totalidade do setor em questão, ou seja, os 360 graus, conforme mostra a Fig. 2-b.
Conforme mostrado na figura 3, num sistema de radar terrestre as quatro antenas transceptoras que formam o conjunto 32 são montadas num poste ou torre e designadas como TR-N, TR-L, TR-s e TR-O, estando voltadas, respectivamente para o Norte, Leste, Sul e Oeste. As quatro antenas do conjunto receptor são montadas em postes ou suportes diferentes a uma distância conveniente das antenas transceptoras de maneira a formar linhas de base β de comprimento suficiente para permitir uma boa triangulação dos alvos que se deseja detectar. As antenas transceptoras e receptoras trabalham em conjunto, duas a duas, como exemplificado na figura 3. Assim por exemplo, nessa figura, a linha de base βΑ é a distância entre a antena transceptora TR-S voltada para o Sul, do conjunto central, e a antena receptora RA-S, igualmente voltada para o Sul. O mesmo princípio se aplica aos conjuntos de antenas instaladas numa embarcação, conforme Fig. 4, onde a linha de base βΒ é a distância entre a antena transceptora B1 e a antena receptora B2, ambas voltadas para boreste.
Dita triangulação de alvos é ilustrada na figura 5. Duas antenas 41 e 42 trabalhando em conjunto podem rastrear com precisão dois alvos A e B através da triangulação do azimute desses alvos. A antena 41 què é transceptora emite pulsos de sinal de rádio que, ao atingir os alvos A e B, são refletidos pelos mesmos de volta para a mesma antena 41 e também à antena 42 que é apenas receptora.
Assim temos o sinal Sx recebido pela antena 41 (trajeto riA) e o sinal Sx' recebido pela antena 42 (trajeto r 2 A). Devido às diferenças entre os trajetos, ambos os sinais se apresentam nas respectivas antenas com diferentes tempos de retorno.
Desta forma, o ângulo Θ, mostrado na figura 5b, é determinado com precisão pois temos os valores Sx, Sx' e β. Sendo β a distancia ou linha de base entre as antenas 1 e 2.
Através da análise computacional da interferometria das diferenças do tempo que o sinal transmitido leva para atingir o alvo A e retomar até as duas antenas 1 e 2, efetivada pelo computador do módulo eletrôniço (não ilustrado nessa figura), temos a determinação do azimute do alvo A que pode ser visualizado na tela do monitor. O processo é descrito mais detalhadamente como segue.
Considera-se que cp= d. (-4π/λ), ou seja, um afastamento do alvo d em alcance causa uma mudança de fase de d. (-4π/λ). Considerando a geometria da Fig. 5, o triângulo formado entre a antena 1 , antena 2 e o alvo A é dado por: Γ|Α, r 2 A e β. β é precisamente conhecido, pois pode ser medido fisicamente. A diferença precisa entre Γ|Α e r 2 A, aqui chamada de ΔΓ, é determinada pela interferometria da seguinte forma:
i) é recebido o sinal da antena 2.
φ1 = (-4π/λ) . ria e q>2= (-4π/λ) . r2a
verifica-se se S1 e S2 são do mesmo alvo, calculando-se a coerência Γ de 4d.
ii) Caso a coerência seja baixa Γ ~ 0, ignora-se esse par de sinais.
Caso a coerência seja alta Γ ~ 1 , calcula-se a fase:
Δ φ = arctan (S1 - S2).
iii) Desenvolvendo:
S1 . S2 = A1e i<p1 . Α2^ φ2
S1 . S2 = A1 . A2. β·* 1 - ^
Δ φ = arctan (A1 . A2. e^ 1 " ç2) )
Δ φ = φ1 - φ2 de onde se chega a
Δ φ = (-4π/λ) (ria - r2a) = (-4π/λ) . ΔΓ
Assim, medindo-se Δφ através do arco tangente da multiplicação de S1 pelo complexo conjugado de S2, calcula-se a diferença ΔΓ entre P|A e r 2 A com precisão.
ΔΓ = -(λ/4ττ) . Δ φ
Construindo o triângulo com β, ΓιΑ e r 2 A = A + ΔΓ
iv) Com os três lados precisos do triângulo calcula-se o ângulo Ga, que é a medida do azimute, com a lei dos cosenos
A detecção da posição horizontal é então dada pelo alcance e o ângulo de azimute ΘΑ. Para isso foi necessária uma linha de base horizontal. Com riA e ΘΑ determinação a posição do alvo A tendo como conhecida a posição da antena 1.
A detecção da posição vertical é feita com o mesmo método utilizado na determinação da posição horizontal. Para isso é necessária uma linha de base vertical. O ângulo de elevação vertical é calculado da mesma maneira que o azimute horizontal. Conhecendo-se a altura da antena 1 e ria calcula-se a altura do alvo A.
A velocidade é determinada pelos seguintes passos:
i) Medida da frequência doppler fd, através de uma análise espectral do sinal do alvo.
i) Conversão de frequência para velocidade com
Vr = fd . λ / 2
Onde Vr é a velocidade radial do alvo.
As figuras 7-A e 7-B constituem o diagrama em blocos do algoritmo de localização. Consideramos que os sinais S1 e S2 estão sendo amostrados de forma correta, que tal forma que as medidas de coerência e fase possam ser feitas precisamente.
É gerada uma matriz bi-dimensional de sinal para S1 e S2, pois para ambos:
i) o sinal de retorno é amostrado em alcance e tem uma resolução dada por õr = cT/2.
ii) são transmitidos vários pulsos e seus retornos em alcance amostrados. Assim, temos várias linhas de sinal de retorno que formam a segunda dimensão.
No tocante à resolução proporcionada pelo sistema pode-se trabalhar com 300 MHz de largura de banda, que proporciona um pulso de 3,3 Ns. Este pulso fornece uma resolução em alcance de 50cm. Dependendo da aplicação a resolução pode ser maior ou menor que 50cm.
A Fig. 8 ilustra a aplicação para um radar meteorológico onde as antenas apontam nas direções norte, sul, leste e oeste.
Na aplicação ao radar terrestre não há necessidade de determinação de altura. Tem-se, portanto, o mesmo diagrama em blocos da Fig. 8.
Na aplicação em radar de navegação, o diagrama em blocos de sistema é o mesmo da Fig. 8.
Fazendo a comparação no estado da técnica, ficam evidentes as vantagens da invenção como segue: • Radar meteorológico
E.Técnica: Antenas móveis com controle em azimute e elevação com dimensões próximas a 2 metros. Por exemplo: uma antena parabólica com 2m de diâmetro.
Inovação: 4 antenas transmissoras/receptoras e 8 antenas só receptoras, todas fixas e com dimensões próximas a 10 cm X 10 cm. Linha de base horizontal próxima a 30m e linha de base vertical próxima a 30m. Assim, temos para um alcance de 20Km: õazimute = (0,5m/30m) ..20.000 = 333m
õelevação = (0,5m/30m) . 20.000 = 333m
que corresponde a larguras de feixes de:
9a = (333m/20.000m) . 57 = 1 o
Ge = (333m/20.000m) . 57 = 1 o
A grande vantagem da inovação é que 12 antenas fixas pequenas substituem uma antena grande, móvel, de 2m de diâmetro com resolução equivalente.
• Radar terrestre:
E.Técnica: antena móvel em azimute, de 1m.
Inovação: 4 antenas transmisspras/recepstoras, e 4 antenas só receptoras. Linha de base só horizontal de 15m, obtem-se:
õazimute = (0,5m/15m) . 20.000 = 666m
que corresponde a 2 o de largura de feixe, equivalente ao feixe da antena de 1m. · .
• Radar de navegação marítima:
E.Técnica: antena móvel em azimute de 0,5m.
Inovação: a mesma implementação do exemplo anterior, com linha de base de 7,5m, produzindo feixe .de ·4 Ρ igual aquele da antena de 0,5m.
Como mostrado na figura 5, podemos ter simultaneamente na área de cobertura das antenas mais de um alvo, no caso ilustrado os alvos A e B.
É imprescindível que o sistema possa diferenciar esses alvos um do outro. Esse objetivo é conseguido através da análise da coerência entre os sinais recebidos de alvos distintos. Sinais provenientes de alvos diferentes se apresentam numa mesma antena receptora com fases distintas.
O sinal recebido do alvo A se apresenta como:
Sx = Tx e i<px
Já o sinal proveniente do alvo B aparece como:
Sy zr Ty eW
Portanto as fases dos sinais são diferentes. Dividindo o conjugado pelo normalizado desses sinais, temos:
< Sx• Sy* >
r _ J< Sx * Sx* > * < Sy * Sy* >
E calculando a interferometria entre essas fases:
9interf = < ^ ^y* >
Desta forma, temos a identificação e a determinação da posição de diferentes alvos dentro da área de cobertura do sistema de antenas.
Portanto, a resolução em azimute é obtida através de um processamento interferométrico de duas ou mais antenas com linhas de base horizontais. Esse sistema é adequado para radares marítimos onde é suficiente a determinação do azimute dos alvos. A figura 4 ilustra a disposição típica das antenas em um barco capaz de detetar a posição e velocidade de alvos pontuais e distribuídos na superfície da água.
A informação da velocidade do alvo é obtida através da medida da frequência doppler de uma sequência de sinais de retorno do mesmo alvo.
No caso de radares aeronáuticos ou meteorológicos necessita-se determinar.também a elevação do alvò em relação ao solo. Para tanto, torna-se necessário um conjunto adicional de antenas receptoras montadas nos mesmos mastros do primeiro conjunto já descrito. Tais antenas adicionais são equipadas nos mastros a uma distância vertical conveniente para formar uma linha de base vertical com as ditas antenas do primeiro conjunto. Desta forma, utilizando a mesma metodologia de cálculo, o sistema é agora capaz de determinar a elevação dos alvos. Resumindo:
• A resolução em alcance é obtida por pulsos ou por modulação em CW.
• A resolução em azimute é obtida através de um processamento interferométrico de duas ou mais antenas com linhas de base horizontais.
• A resolução em elevação é obtida através de um processamento interferométrico de duas ou mais antenas com linhas de base verticais.
• A informação da velocidade do alvo é obtida através da medida da frequência doppler de uma sequência de sinais de retorno do mesmo alvo.
Se bem que a invenção tenha sido descrita com base em algumas concretizações exemplificativas preferidas, os técnicos no assunto poderão introduzir modificações dentro do conceito inventivo básico, particularmente em relação ao formato e dimensões da antena. De acordo, a invenção é definida pelo conjunto de reivindicações que se segue.
Next Patent: REACTOR DECONTAMINATION PROCESS AND REAGENT