CN102759733A

CN102759733A - 一种测速脉冲雷达及其测速方法

Info

Publication number: CN102759733A
Application number: CN2011101060580A
Authority: CN
Inventors: 何子述; 胡进峰; 刘立东; 严济鸿; 李会勇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2012-10-31

Abstract

本发明涉及雷达通信技术领域，本发明公开了一种脉冲测速雷达，包括第一光纤延时器、第一光/电转换装置、双工装置、放大器、相参处理器、天线；所述第一光纤延时器通过第一光/电转换装置连接相参处理器，所述第一光纤延时器用于产生延迟脉冲信号；所述双工装置连接天线和放大器，所述双工装置一方面将信号通过天线发射出去，另外一方面将接收的脉冲信号送入放大器进行放大；所述放大器连接相参处理器，所述放大器放大后的脉冲信号送入相参处理器，每个发射脉冲的回波只与该脉冲的延迟复制脉冲相参。使用光延迟器将脉冲信号进行延迟，每个发射脉冲的回波只与该脉冲的延迟复制脉冲相参，获得理想的相参。

Description

一种测速脉冲雷达及其测速方法

技术领域

本发明属于雷达通信技术领域，尤其涉及一种测速脉冲雷达及其测速方法。

背景技术

现有技术中一般通过目标回波波形特征来识别目标，但作为在目前得到广泛研究和应用的基于雷达回波波形特征的目标识别中，由于目标外形通常相似，且回波随目标姿态、信号照射角度等变化很大，因此利用目标回波特征实现目标的准确识别尚有难度。但不同目标固有的机械振动或速度不同，因此用高精度速度测量信息进行目标识别是可行的途径之一。特别是真假弹头，它们体积、形状完全相同，可根据其速度的细微差别来进行识别。但常规雷达的测速精度难以满足目标识别的要求，特别是远距离探测时测速精度更差，所以远距离高精度测速研究迫在眉睫。此外，降低雷达造价是雷达的发展方向之一，也是军事应用中的急切需求；在预警雷达等应用中，希望雷达威力范围大；机载、星载雷达中，迫切希望雷达发射机效率高、体积小；然而，传统PD雷达难以解决这些问题。 PD雷达，又称脉冲多普勒雷达,顾名思义它是一种利用多普勒效应检测目标信息的脉冲雷达。脉冲多普勒雷达的基本特点之一，是在频域—时域存在着分布相当宽广和功率相当强的背景杂波中检测出有用的信号。这通常是通过雷达的自动检测来完成的，雷达将待扫描的区域分为若干个单元，通过滑窗的移动扫描所有的单元，每次扫描后，雷达都会实时的接收本次扫描所返回的信号，这些信号只是来源于正在扫描的单元窗口。然后雷达根据一定的判决原理对接收到的信号作出处理，确定该单元中是否存在目标。传统PD雷达要求发射机是全相参发射机，常采用行波管、固态组件等，但全相参发射机的成本高、功率小、效率低、体积大。而具有成本低、功率大、效率高、体积小的自激振荡式发射机（磁控管）则不能测速。

发明内容

针对现有技术中的PD雷达需要全相参发射机、行波管、固态组件等，而全相参发射机的成本高、功率小、效率低、体积大。而具有成本低、功率大、效率高、体积小的自激振荡式发射机（磁控管）则不能测速。因此有必要提供一种测速脉冲雷达及其测速方法。本发明的的测速脉冲雷达及其测速方法可以应用在民用雷达上，也可以应用在军用国防等领域，如果本发明的技术方案涉及到国防等国家重大利益，申请人非常愿意将本申请转为保密专利。

本发明公开了一种一种脉冲测速雷达，包括第一光纤延时器、第一光/电转换装置、双工装置、放大器、相参处理器、天线；所述第一光纤延时器通过第一光/电转换装置连接相参处理器，所述第一光纤延时器用于产生延迟脉冲信号；所述双工装置连接天线和放大器，所述双工装置一方面将信号通过天线发射出去，另外一方面将接收的脉冲信号送入放大器进行放大；所述放大器连接相参处理器，所述放大器放大后的脉冲信号送入相参处理器，每个发射脉冲的回波只与该脉冲的延迟复制脉冲相参。

优选地，上述光纤延时器包括光纤延迟线和光纤环，所述光纤延迟线和光纤环连接；所述光纤环依序连接可切换耦合器、光放大器、光频隔离器、环开关，所述可切换耦合器用于将光脉冲耦合进光纤环，或者将光脉冲从光纤环中耦合出来；光放大器用于维持光脉冲的强度；光频隔离器用于使光脉冲在一个方向上循环；环开关用于清空光纤环，以便接收新的脉冲。

优选地，上述测速脉冲雷达包括第二光纤延时器、第一电/光转换装置，所述第一电/光转换装置连接第二光纤延时器，所述第一电/光转换装置用于将接收到的脉冲信号进行电/光转换后一部分送入天线，另一部分送入第一光纤延时器。

本发明还公开了一种测速脉冲雷达的测速方法，其包含以下步骤：

步骤一、第一光纤延时器接收脉冲信号后进行延时，得到延时后的脉冲信号，延时后的脉冲信号送入第一光/电转换装置进行光/电转换，转换后的信号送入相参处理器；

步骤二、双工装置一方面将信号通过天线发射出去，另外一方面将接收的脉冲信号送入放大器进行放大，所述放大器放大后的脉冲信号送入相参处理器；

步骤三、相参处理器将来自步骤一和步骤二的信号进行相参处理，每个发射脉冲的回波只与该脉冲的延迟复制脉冲相参，相参处理后得到基带多普勒信号。

优选地，上述步骤一中的延时具体包含以下步骤：

步骤1.可切换耦合器将光脉冲耦合进光纤环，耦合后的光脉冲送入光放大器；

步骤2.光放大器放大输出的信号送入光频隔离器，使光脉冲在一个方向上循环；

步骤3. 光频隔离器输出的信号通过环开关后输出给可切换耦合器，可切换耦合器将光脉冲从光纤环中耦合出来。

优选地，在进行步骤一的延时前由信号源产生一个脉冲，该脉冲进入第二光纤延迟器产生脉冲串，该脉冲串中每个脉冲的相位、频率、幅度都完全一样，是完全相干的，所述脉冲串一方面通过天线发射出去，另外一方面送入步骤一中的第一光纤延迟器进行延迟。

本发明的有益效果为：通过使用光延迟器将脉冲信号进行延迟，每个发射脉冲的回波只与该脉冲的延迟复制脉冲相参，获得理想的相参。本发明的技术方案解决了现有技术中的PD雷达难以获得理想相干的技术问题，同时本发明的技术方案成本低，易于实现和推广应用。

附图说明

图1为可控光纤延迟器的结构图。

图2为可控光纤延迟器示意图。

图3为基于光纤延迟器的接收机原理。

图4高精度测速脉冲雷达原理。

图5为非相干高精度测速脉冲雷达原理。

图6为低成本测速脉冲雷达系统构成。

图7为高精度测速脉冲雷达系统构成。

图8为低成本测速脉冲雷达仿真。

图9为传统PD雷达与高精度测速脉冲雷达对比。

具体实施方式

下面结合说明书附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明公开的测速脉冲雷达，包括第一光纤延时器、第一光/电转换装置、双工装置、放大器、相参处理器、天线；所述第一光纤延时器通过第一光/电转换装置连接相参处理器，所述第一光纤延时器用于产生延迟脉冲信号，所述延迟脉冲信号通过第一光/电转换装置转换后送入相参处理器；所述双工装置连接天线和放大器，所述双工装置一方面将信号通过天线发射出去，另外一方面将接收的脉冲信号送入放大器进行放大，所述放大器连接相参处理器，所述放大器放大后的脉冲信号送入相参处理器，每个发射脉冲的回波只与该脉冲的延迟复制脉冲相参。如图3所示，本雷达的接收机中，每个发射脉冲的回波只与该脉冲的延迟复制脉冲相参，因此可获得理想的相参。与之相比，传统PD雷达难以获得理想相干：传统PD雷达中，接收回波脉冲先和本振源相参，然后进行匹配滤波（实现脉冲压缩）。由于本振不可避免地存在频率不稳定（相位噪声），因而难以获得理想相干。

上述放大器为LNA，所述LNA即低噪声放大器，是噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器（比如手机、电脑或者iPAD里面的WiFi），以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。因为所有后面的处理都是基于LNA放大后的信号进行的，所以一个低噪声的模拟放大器是至关重要的。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数 F来表示。理想放大器的噪声系数 F＝1（0分贝），其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。

优选地，如图1所示，本发明中提到的光纤延时器包括光纤延迟线和光纤环，所述光纤延迟线和光纤环连接；所述光纤环依序连接可切换耦合器、光放大器、光频隔离器、环开关，所述可切换耦合器用于将光脉冲耦合进光纤环，或者将光脉冲从光纤环中耦合出来；光放大器用于维持光脉冲的强度；光频隔离器用于使光脉冲在一个方向上循环；环开关用于清空光纤环，以便接收新的脉冲。光脉冲进入可变长度光纤延迟线，然后经过光纤环可以获得一串延迟脉冲。可控光纤延迟器的示意图如图2所示。

优选地，为了获得更好的测速效果，本发明的测速脉冲雷达还包括第二光纤延时器、第一电/光转换装置，所述第一电/光转换装置连接第二光纤延时器，所述第一电/光转换装置用于将接收到的脉冲信号进行电/光转换后一部分送入天线，一部分送入第一光纤延时器。高精度测速脉冲雷达原理如图如图4所示，由信号源产生一个脉冲，该脉冲进入第二光纤延迟器产生脉冲串，该脉冲串中每个脉冲的相位、频率、幅度都完全一样，是完全相干的。该脉冲串进行功率放大后发射出去。在接收端，一部分发射脉冲经过可控光纤延迟器后，与接收的脉冲回波信号混频、滤波后直接得到基带的多普勒信号，经过FFT处理，最后进行距离－速度解算并显示。该雷达中，两处用到可控光纤延迟器，其作用分别是：在发射机端，实现射频脉冲的复制，将脉冲源产生的单个脉冲复制成一串相同的脉冲，于是可获得理想的相干脉冲串用作发射信号；在接收机端，实现对发射脉冲的延迟，延迟后的脉冲用作参考脉冲，参考脉冲可以与接收信号实现理想的相参。由于发射脉冲串是由同一个脉冲复制产生的，因此发射脉冲的脉间是完全相参、高度稳定的；每个脉冲的延迟信号与自己的回波信号相参，因此可以实现理想相参。

优选地，所述步骤一中的延时具体包含以下步骤：

优选地，为了获得更好的测速效果，本发明在进行步骤一的延时前由信号源产生一个脉冲，该脉冲进入第二光纤延迟器产生脉冲串，该脉冲串中每个脉冲的相位、频率、幅度都完全一样，是完全相干的，所述脉冲串一方面通过天线发射出去，另外一方面送入步骤一中的第一光纤延迟器进行延迟。

下面以磁控管发射机发射的信号及雷达射频脉冲产生的信号为例，详细说明本发明的具体应用和有益效果。

如图5所示的测速脉冲雷达的原理图，磁控管发射机产生非相干的N个脉冲，该脉冲串的一部分能量耦合进可控光纤延迟器，产生延迟脉冲串。延迟脉冲串与回波混频后直接得到基带信号，这些基带信号通过滤波、FFT变换进行相参积累可获得目标的速度信息。如图6所示的测速脉冲雷达的结构图，磁控管发射机产生不相干的脉冲串，该非相干脉冲串的一部分经过功率放大后进入天线发射出去，另一部分耦合进入第二个可控光纤延迟器产生延迟脉冲信号，延迟后的脉冲与接收的脉冲信号进行相参处理，相参处理后直接得到基带多普勒信号。该雷达的特点是，磁控管产生非相干脉冲，但是将每个脉冲延迟，延迟后的脉冲只与该脉冲的回波相参，因而仍然能实现理想的相参。传统的基于磁控管的脉冲雷达中，磁控管的频率不稳定，特别是磁控管发射脉冲间不相干，导致该类脉冲雷达不能测速。然而，在本发明中，由于每个脉冲的回波都只与该脉冲的延时脉冲进行理想相参，因此磁控管的不稳定性对测速性能的影响非常小，可以进行目标速度测量。

为了得到更好的测速效果，本发明还优选使用图7的方案，雷达射频脉冲源产生的单个脉冲经过E/O模块转换成一个光脉冲，这个光脉冲进入可控光纤延迟器，该可控光纤延迟器原理如图1。如果光纤环长度为，可变长度光纤延迟线最长长度为，该可变长度光纤延迟线是

bit，则延迟产生的脉冲串的脉冲间隔为：，

为无穷大正常数)从可控光纤延迟器出来的是一个光脉冲串，该光脉冲串中每个脉冲都完全相同。该脉冲串经过O/E模块转换成电脉冲串，一部分经过功率放大后发射出去，另一部分进入第二个可控光纤延迟器产生延迟脉冲信号，延迟后的脉冲与接收的脉冲信号进行相参处理，相参处理后直接得到基带多普勒信号。相对于常规的电延迟器件,光延迟具有延迟时间长、时间带宽积大(10⁶ ) 、工作频率高( > 100 GHz) 、损耗小、尺寸小、质量轻、不存在电磁干扰等优点。这些优点与多普勒雷达结合起来，可获得新型的低成本高精度测速脉冲雷达。

假设每个周期发射相同的脉冲，用光纤延迟器延迟每个周期的发射信号作为参考信号。

发射脉冲：

（1）

其中

为信号幅值，

为角频率，

为初相。

则第n个延迟后的参考脉冲为：

（2）

其中

为脉冲时间间隔，

为参考脉冲串第一个脉冲延迟时间。

目标反射的第n个回波脉冲为：

（3）

其中

为接收脉冲串第一个脉冲延迟时间，为多普勒频率，

为相位。

则将参考信号与接收回波信号进行平方律检波：

（4）

其中

为一个脉冲宽度。

通常：

，积分后去掉近似为零的项，就只剩下交叉项，交叉项为：

（5）

积化和差后，角度和的项积分近似为零，只剩下差频项：

（6）

上式中，

取

，则上式成为：

(7)

由于

，上式可进一步写成：

（8）

从式（5）－（8）可以看出：本发明中提供的高精度测速脉冲雷达中，由于发射脉冲与自身的延时脉冲相参，因此在式（5）中计算差频项的时候，可以将

完全对消掉，即平方律检波后可以完全消掉；若每次回波初始相位为常数,则

为常数，由式（8）可知，

的幅度与脉冲数n和多普勒频率有关，因此对

进行FFT可高精度测量多普勒频率。

传统的PD雷达中，回波脉冲先和本振源相参，然后再进行匹配滤波。由于本振源有一定的频率漂移，因此在式（5）中计算差频项时候，不能将

完全对消掉，该残余项将直接转换成多普勒频率

的测量误差。因此传统PD雷达需要很高的频率稳定度，否则不可能高精度测速。

雷达工作在L波段，发射脉冲中心频率

，重复周期

，磁控管产生的脉间频率差为10MHz，FFT点数

；两目标速度分别为100m/s和120m/s，采用本发明提供的测速方法，如图8所示，可清晰地测出两目标速度。

雷达工作在对L波段，中心频率

，重复周期

，FFT点数

，对于传统PD雷达，设相干频率源相位噪声每重复周期引入的频率误差是标准差为1Hz的高斯随机频率。设目标径向速度

，则目标的多普勒频率为：

根据上述雷达工作参数，仿真结果如图9。图中对两个速度分别为100m/s和100.5m/s的目标，用本发明提供的高精度速度测量方法可清晰分辨，如图中实线所示；而用传统的多普勒测量方法已不能区分两个不同速度的目标，如图中虚线所示。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种脉冲测速雷达，其特征在于包括第一光纤延时器、第一光/电转换装置、双工装置、放大器、相参处理器、天线；所述第一光纤延时器通过第一光/电转换装置连接相参处理器，所述第一光纤延时器用于产生延迟脉冲信号；所述双工装置连接天线和放大器，所述双工装置一方面将信号通过天线发射出去，另外一方面将接收的脉冲信号送入放大器进行放大；所述放大器连接相参处理器，所述放大器放大后的脉冲信号送入相参处理器，每个发射脉冲的回波只与该脉冲的延迟复制脉冲相参。

2.如权利要求1所述的测速雷达，其特征在于所述光纤延时器包括光纤延迟线和光纤环，所述光纤延迟线和光纤环连接；所述光纤环依序连接可切换耦合器、光放大器、光频隔离器、环开关，所述可切换耦合器用于将光脉冲耦合进光纤环，或者将光脉冲从光纤环中耦合出来；光放大器用于维持光脉冲的强度；光频隔离器用于使光脉冲在一个方向上循环；环开关用于清空光纤环，以便接收新的脉冲。

3.如权利要求2所述的测速雷达，其特征在于所述测速脉冲雷达包括第二光纤延时器、第一电/光转换装置，所述第一电/光转换装置连接第二光纤延时器，所述第一电/光转换装置用于将接收到的脉冲信号进行电/光转换后一部分送入天线，另一部分送入第一光纤延时器。

4.一种测速脉冲雷达的测速方法，其包含以下步骤：

5.如权利要求4所述的测速方法，其特征在于所述步骤一中的延时具体包含以下步骤：

6.如权利要求5所述的测速方法，其特征在于在进行步骤一的延时前由信号源产生一个脉冲，该脉冲进入第二光纤延迟器产生脉冲串，该脉冲串中每个脉冲的相位、频率、幅度都完全一样，是完全相干的，所述脉冲串一方面通过天线发射出去，另外一方面送入步骤一中的第一光纤延迟器进行延迟。