CN101029928B - 一种收发双波束天线星载扫描雷达散射计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种收发双波束天线星载扫描雷达散射计。该散射计包括：支架，第一馈源和第二馈源分别连接到一发射机和一接收机；第一馈源的接收天线波束与第二馈源的发射天线波束在沿扫描方向上以一定的夹角配置。本发明消除或减小了由于雷达天线扫描引起的波束偏移损耗，可以实现星载雷达的高分辨率扫描测量。

Description

一种收发双波束天线星载扫描雷达散射计

技术领域

本发明涉及一种雷达散射计，特别涉及一种收发双波束天线星载扫描雷达散射计。

背景技术

星载雷达是一种重要的对地观测仪器，通过雷达天线波束的扫描实现对观测刈幅范围内目标进行测量与成像是一种常用的测量方法。在现有技术中，雷达天线与所观测的目标或区域之间的距离引起雷达收到的目标回波信号到达时间与雷达发射信号的时间之间有一定的延迟。经过这一延迟，进行扫描的雷达天线的波束方向或照射区域会发生偏移，即发射时刻雷达波束在地面或海面的照射足印与接收时刻雷达波束的照射足印会发生偏离。如图1所示，方向S表示波束扫描方向，数字10表示接收时刻天线地面足印，数字11表示发射时刻天线地面足印，数字12表示收发波束重合足印，两个时刻的天线地面足印不能完全覆盖，造成天线的收发双程增益下降。

对于点目标，只要在收发延迟时间内，目标没有移出天线波束的照射范围，则雷达接收到的目标回波强度不会发生变化，天线波束的扫描损耗对雷达的测量不产生影响；当所测量的目标是连续分布的面目标，如星载雷达散射计对地面或海面后向雷达散射系数进行测量的情况，雷达接收到的回波信号直接决定于雷达天线波束照射足印的面积，波束扫描偏移引起发射和接收的波束照射足印偏移会引起收发双程有效照射面积的减小，从而减小雷达回波功率的大小，降低系统测量的精度。当波束扫描引起收发双程增益减小的幅度不大，可以通过增大发射功率来进行弥补，以保证系统的测量精度；当波束扫描引起的收发双程增益减小的幅度较大时，则需要增加的发射功率很大，对于有严格功率限制的星载雷达，可能会成为严重的技术问题。特别是对于天线波束较窄、扫描速度较快的雷达，可能会发生收发波束完全不能重合覆盖的情况，则雷达将不能接收到来自地面或海面的回波信号，造成雷达系统无法工作的严重后果。对于进行快速扫描的笔形波束高分辨率真实孔径雷达，如果采取措施减小或消除扫描引起的收发波束偏移，是必须解决的问题。

下面以笔形波束圆锥扫描的真实孔径雷达为例，对扫描引起的收发波束沿方位向(扫描方向)的偏移损耗进行定量分析。为了简化问题的讨论，只讨论一维方向图(方位方向)的情况。不失一般性，此处假定天线的单程方位方向的功率方向图为Gaussian函数，即

$G\left(\mathrm{\θ}\right)=\exp (-\frac{{\mathrm{\θ}}^2\ln 2}{{\mathrm{\Δ\θ}}_{-3\mathrm{dB}}^2})$

式中：Δθ_-3dB＜＜2π是天线的半功率波束宽度。当收发天线波束足印完全覆盖时，天线的收发双程功率方向图为

$G_2\left(\mathrm{\θ}\right)=G^2\left(\mathrm{\θ}\right)=\exp (-\frac{{\mathrm{\θ}}^2\·2\ln 2}{{\mathrm{\Δ\θ}}_{-3\mathrm{dB}}^2})---\left(2\right)$

如果天线波束扫描的角速度为ω，观测距离为R(从天线到照射足印的距离)，则天线收发波束的扫描偏移为

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2\mathrm{\ωR}}{c}$

式中：c为电磁波的传播速度，τ＝2R/c为收发延时。相应的双程功率方向图为G₂′(θ)＝G(θ-Δθ/2)·G(θ+Δθ/2)

$=(-\frac{({\mathrm{\θ}}^2+\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}^2}{4})\·2\ln 2}{{\mathrm{\Δ\θ}}_{-3\mathrm{dB}}^2})---\left(4\right)$

等效照射面积为乘积曲线下面积。

所以扫描引起的天线双程增益的损耗为

$L_s=\frac{G_2^{\′}}{G_2}=\exp (-\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}^2\ln 2}{{2\mathrm{\Δ\θ}}_{-3\mathrm{dB}}^2})---\left(5\right)$

即

$L_s=\exp (-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{R}^2\·2\ln 2}{c^2{\mathrm{\Δ\θ}}_{-3\mathrm{dB}}^2})---\left(6\right)$

显然，当扫描偏移远大于天线波束宽度，即Δθ＞＞Δθ_-3dB时，扫描偏移将造成收发双程天线功率增益的大大减小。

根据公式(6)，决定扫描损耗的要素包括：

·天线的波束宽度Δθ_-3dB：波束宽度越宽，扫描损耗越小；

·天线的扫描角速度ω：扫描角速度越快，扫描损耗越大；

·雷达的测量距离R：距离越大，扫描偏移越大，扫描损耗越大。

对于从空间对地观测的星载雷达，分辨率越高，波束宽度越窄，完成覆盖所要求的扫描速度也越快，扫描偏移引起的损耗越大；轨道越高，则对于同样的地面分辨率要求的波束宽度越窄，扫描损耗越大。

在陆基雷达散射计中通常采用窄波束发射、宽波束接收的方式，通过接收波束覆盖发射波束以减小扫描或收发角度偏离引起的损耗，但这种方式是以牺牲接收天线的增益为代价的。在星载真实孔径雷达中则主要通过降低轨道高度、牺牲角度分辨率或者降低覆盖要求，尽量减小扫描偏移和相应的收发偏移损耗。美国的QuickScat散射计卫星的Seawinds雷达是在800km的轨道高度上实现50km的分辨率，对应的天线波束宽度为1.7~1.8度，扫描速度为18rpm(转/分钟)，扫描损耗＜6dB。卫星轨道升高时，要保持同样的地面分辨率或获得更高的地面分辨率，必须缩小天线波束宽度；为了实现覆盖要求，则要求扫描的角速度提高，从而引起扫描损耗的增加。如果轨道高度从800km提高到960km，要保持50km的分辨率，波束宽度要减小为1.2~1.3度，扫描速度要增加为20rpm左右，如果采用收发同波束的体制，则扫描损耗将增加到10~12dB。

基于上述分析，对于高分辨率的星载扫描雷达，针对现有技术的不足，人们希望采取措施减小扫描损耗。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种通过收发双波束天线体制消除或减小扫描损耗的收发双波束天线星载扫描雷达散射计。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种收发双波束天线星载扫描雷达散射计，如图3所示，包括：支架30，其上安装有天线反射面31；其特征在于，还包括：第一馈源32和第二馈源33处于所述反射面31的前方位置，所述第一馈源32和第二馈源33分别连接到一发射机36和一接收机37。

在上述技术方案中，进一步地，所述第一馈源32为接收波束的馈源，所述第二馈源33为发射波束的馈源。

在上述技术方案中，进一步地，如图4所示，如果所述第一馈源32和第二馈源33与发射机36和接收机37之间需要射频旋转关节，那么本发明的星载扫描雷达收发双波束天线还包括：一用来实现收发分离和共用传输线的环形器34，环形器34与一收发开关35连接，该收发开关35分别与发射机36和接收机37相连实现雷达发射信号和接收信号到天线的连接。

在上述技术方案中，进一步地，第一馈源32的接收天线波束与第二馈源33的发射天线波束在沿扫描方向上以一定的夹角配置，以补偿天线波束扫描产生的波束偏移所引起的扫描损耗(Scanning Loss)。

进一步地，根据天线波束宽度、雷达测量距离和天线的扫描角速度，按如下公式计算天线收、发波束的指向偏移角：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2\mathrm{\ωR}}{c}$

其中c为电磁波的传播速度，ω为天线波束扫描的角速度，R为观测距离(从天线到照射足印的距离)；

进一步地，对于固定扫描角速度的星载扫描雷达，接收天线波束沿扫描方向滞后发射天线波束的夹角等于波束指向的扫描偏移角，即Δβ＝Δθ，则可以实现对扫描偏移及相应损耗的补偿；此处角度Δβ是接收波束和发射天线波束之间沿扫描方向的夹角；

进一步地，对于变扫描角速度的星载扫描雷达，接收天线波束沿扫描方向滞后发射天线波束夹角满足Δθ-Δθ_-3dB＜Δβ＜Δθ+Δθ_-3dB，则可以减小扫描偏移及相应损耗；Δθ_-3dB是天线的半功率波束宽度；Δθ_-3dB＜＜2π。

本发明根据天线波束宽度、测量距离(和对应的时间延迟)及扫描角速度，在扫描的方向上配置收发双波束，这两个波束的指向有一定的角度，该角度将可以补偿由于扫描引起的波束指向的偏移，从而可以消除或减小扫描引起的损耗。

本发明与已有的技术相比，具有以下的优点：

1)通过对接收、发射天线(或其接收、发射波束)的指向角设计，消除或减小由于雷达天线扫描引起的波束偏移损耗，提高发射功率利用率，减小对发射功率的要求；

2)可以实现在任意轨道、以任意角速度扫描的星载扫描雷达对地面、海面连续分布面目标的高分辨率观测，解决收发单波束天线星载雷达在轨道高度、扫描速度和地面分辨率之间的矛盾，可以实现星载雷达的高分辨率扫描测量。

附图说明

图1表示波束扫描引起的天线波束指向的偏移示意图；

图2表示采用本发明双波束减小波束扫描引起的偏移损耗示意图；

图3和图4表示本发明收发双波束天线星载扫描雷达散射计配置示意图；

图5表示本发明收发双波束天线星载扫描雷达散射计一实施例的配置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

为了便于理解本发明，图2表示出本发明所提出的补偿方法的原理示意，图中方向S表示波束扫描方向，角度Δβ是接收波束和发射天线波束之间沿扫描方向的夹角，角度Δθ表示天线波束指向的扫描偏移，数字21表示发射时刻接收天线的地面足印，数字22表示发射时刻发射天线的地面足印，数字23表示接收时刻接收天线的地面足印。当

Δβ＝Δθ                                        (7)时，波束扫描引起的偏移损耗可以被完全补偿：当|Δβ-Δθ|＜Δθ_-3dB，即当

Δθ-Δθ_-3dB＜Δβ＜Δθ+Δθ_-3dB                  (8)时，扫描损耗可以被部分补偿。补偿后的收发双向天线功率方向图和扫描损耗分别为

$G_2^{\′\′}\left(\mathrm{\θ}\right)=G\left(\mathrm{\θ}\right)\·G(\mathrm{\θ}+\mathrm{\Δ\θ}-\mathrm{\Δ\β})$

$=\exp (-\frac{({\mathrm{\θ}}^2+\mathrm{\θ}\·(\mathrm{\Δ\θ}-\mathrm{\Δ\β})+\frac{{(\mathrm{\Δ\θ}-\mathrm{\Δ\β})}^2}{4})\·2\ln 2}{{\mathrm{\Δ\θ}}_{-3\mathrm{dB}}^2})---\left(9\right)$

和

$L_s=\exp (-\frac{(4\mathrm{\θ}\·(\mathrm{\Δ\θ}-\mathrm{\Δ\β})+{(\mathrm{\Δ\θ}-\mathrm{\Δ\β})}^2)\·\ln 2}{{2\mathrm{\Δ\θ}}_{-3\mathrm{dB}}^2})---\left(10\right)$

根据天线的实现形式及波束扫描的方式，下面以两种实施方式来介绍本发明。

(1)星载扫描雷达的双波束机械扫描天线；

对于采用机械扫描天线的星载扫描雷达，在雷达天线设计上采用双波束设计，即发射和接收分别以具有固定夹角的两个天线波束实现。天线一般采用双波束分立馈源、共用反射面的形式。如图5所示，在支架30上安装有天线反射面31；第一馈源32和第二馈源33处于所述反射面31的前方位置，所述第一馈源32和第二馈源33分别连接到一用来实现收发分离和传输线共用的环形器34，环形器34与收发开关35连接，收发开关35分别与发射机36和接收机37相连实现雷达发射信号和接收信号到天线的连接。在环行器34和收发开关35之间连接一微波射频旋转关节(RJ)38，用来实现旋转扫描的天线与固定的收发信道之间的连接。

根据天线波束宽度、雷达测量距离和天线的扫描角速度根据如下公式计算天线收发波束的指向偏移：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2\mathrm{\ωR}}{c}$

其中c为电磁波的传播速度，ω为天线波束扫描的角速度，R为观测距离(从天线到照射足印的距离)。

对于固定扫描角速度的星载扫描雷达，接收天线波束沿扫描方向滞后发射天线波束夹角等于波束指向的扫描偏移，即Δβ＝Δθ，则可以实现对扫描偏移及相应损耗的补偿；角度Δβ是接收波束和发射天线波束之间沿扫描方向的夹角。

对于变扫描角速度的星载扫描雷达，接收天线波束沿扫描方向滞后发射天线波束夹角满足Δθ-Δθ_-3dB＜Δβ＜Δθ+Δθ_-3dB，则可以减小扫描偏移及相应损耗；Δθ_-3dB是天线的半功率波束宽度；Δθ_-3dB＜＜2π。

(2)双波束整机机械扫描天线；

对于整机机械扫描的情况，天线与发射机和接收机之间采取固定连接的方式，波束的扫描通过包括发射机和接收机的射频部分在内的整机的旋转实现，天线与发射机和接收机之间不需要射频旋转关节，天线馈源32和33到发射机36和接收机37之间不需要单路连接，则可以不需要环行器34和收发开关35，即接收馈源32直接与接收机37连接，发射馈源33直接与发射机36连接，系统的配置为图3所示。

根据天线波束宽度、雷达测量距离和天线的扫描角速度来确定接收天线波束沿扫描方向滞后发射天线波束夹角，方法同上。

(3)收发双波束电扫描或相控扫描天线；

本发明对于采用相控阵或其它合成波束的天线，可以通过发射和接收时不同的天线阵阵元的幅度或相位配置，实现发射和接收波束之间指向角的关系，使在接收时刻接收波束能够指向发射时刻发射波束的指向位置，以实现对天线扫描偏移及其损耗的补偿；结合上一实施例中机械扫描天线的双波束设计，本领域技术人员能够实现电扫描或相控扫描天线的收发双波束天线在接收时刻接收波束能够指向发射时刻发射波束的指向位置。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种收发双波束天线星载扫描雷达散射计，包括：支架(30)，其上安装有天线反射面(31)；其特征在于，还包括：第一馈源(32)、第二馈源(33)、发射机(36)和接收机(37)；所述第一馈源(32)和所述第二馈源(33)处于所述天线反射面(31)的前方位置，并且该第一馈源(32)为接收馈源，第一馈源(32)与所述接收机(37)相连，所述第二馈源(33)为发射馈源，该第二馈源(33)与所述发射机(36)相连；

其中，所述第一馈源(32)所对应的的接收天线波束与所述第二馈源(33)对应的发射天线波束在沿扫描方向上按照以下天线收、发波束的指向偏移角配置：

对于固定扫描角速度的星载扫描雷达，接收天线波束沿扫描方向滞后发射天线波束的夹角等于波束指向的扫描偏移角，该天线收、发波束的指向偏移角为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2\mathrm{\ωR}}{c}$

其中c为电磁波的传播速度，ω为天线波束扫描的角速度，R为观测距离。

对于变扫描角速度的星载扫描雷达，接收天线波束沿扫描方向滞后发射天线波束的夹角Δβ满足Δθ-Δθ_-3dB＜Δβ＜Δθ+Δθ_-3dB；其中Δθ_-3dB是天线的半功率波束宽度，且Δθ_-3dB＜＜2π，Δθ为天线收、发波束的指向偏移角。

2.根据权利要求1所述收发双波束天线星载扫描雷达散射计，采用整机扫描方式，其特征在于，还包括：一实现收发分离和传输线共用的环形器(34)、收发开关(35)；所述第一馈源(32)和所述第二馈源(33)分别连接到所述的环形器(34)上，该环形器(34)与所述的收发开关(35)连接，该收发开关(35)分别与所述的发射机(36)和所述的接收机(37)相连，实现雷达发射信号和接收信号到天线的连接；

3.根据权利要求1所述收发双波束天线星载扫描雷达散射计，采用天线机械扫描方式，其特征在于，还包括：一实现收发分离和传输线共用的环形器(34)、收发开关(35)，和一微波射频旋转关节(38)，所述微波射频旋转关节(38)连接在该环行器(34)和收发开关(35)之间，该微波射频旋转关节(38)用来实现旋转扫描的天线与固定的收发信道之间的连接。

4.根据权利要求1所述收发双波束天线星载扫描雷达散射计，其特征在于，还包括采用相控阵或合成波束天线，电扫描或相控扫描天线的收发双波束天线在接收时刻接收波束能够指向发射时刻发射波束的指向位置。

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