CN103064080B - 一种连续波目标引导雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续波目标指示雷达，包括发射天线和接收天线、高频电子单元、俯仰机构、方位驱动机构、低频电子单元和计算机组成，天线阵列背面中部与高频电子单元固定连接；高频电子单元安装在俯仰机构上，俯仰机构与方位驱动机构连接；阵列天线、高频电子单元和俯仰机构组成的整体在方位驱动机构的驱动下随同俯仰机构运动；发射机分别与频率综合器、发射天线通过信号线缆连接，接收机分别与频率综合器、接收天线和信号处理机通过信号线缆连接；天线采用阵列天线，接收天线可接收形成三个不同指向的俯仰波束，接收机采用三路分别放大和过滤目标回波，采用中频采样的工作方式，由接收机产生中频信号，实现对空中目标的三坐标测量。

Description

一种连续波目标引导雷达

技术领域

本发明属于电子工程领域，具体涉及一种情报指挥雷达，特别是一种连续波目标引导雷达。

背景技术

目前，连续波目标引导雷达由于发射功率小，频率和功率可调，在复杂的电子对抗环境中具有一定的低截获抗干扰能力，具有体积小重量轻，可便携，可机动使用的技术优势特点。在解决雷达目标仰角和高度测量中，一般是利用单脉冲内差测角的原理来实现仰角的测量，这种测角方式属于同时波束的多波束技术，由于是同时波束制，同一回波信号同时被上下两个波束接收到，角度信息只保留在两个回波的比值中，与回波的强弱无关，避免了回波起伏对精度带来的误差，所以其测角得到的精度比较高，但这种方式下，测角的范围受波束宽度和两波束形成的偏离角的限制，测角范围理论上限制在上下波束的两个外3dB点之间。为了扩大波束覆盖范围，基于两波束不能有效满足波束覆盖范围的要求，采用多波束是有效的解决方法，但是波束越多，其技术实现就越复杂，相应的硬件成本也变得很高。

综上，研究一种能够克服波束限制，测角范围较大的且实现简单的连续波目标引导雷达来测量目标仰角和高度是很有必要的。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种连续波目标引导雷达，该雷达采用线性调频连续波三波束体制，阵列天线和接收天线可接收形成三个不同指向的俯仰波束，接收机采用三路分别放大和过滤目标回波，采用中频采样的工作方式，由接收机产生中频信号，全相干多普勒处理方式，单脉冲比幅测高和单脉冲内差测俯仰角方式，实现对空中目标的三坐标测量。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种利用三波束测量目标的连续波目标引导雷达，包括发射天线、接收天线、高频电子单元、低频电子单元、俯仰机构、方位驱动机构和计算机；

所述发射天线和接收天线组成阵列天线，其中，发射天线用于接收由发射机通过馈线送来的发射信号，并将发射信号向空间辐射形成赋形波束；接收天线用于接收空中目 标反射回来的回波信号，并将接收到的回波信号经过其连接的低噪声放大器放大、功分合成形成三波束回波信号，发送到接收机；

所述高频电子单元包括发射机和接收机，其中，发射机用于将频率综合器发来的射频激励信号放大到设计功率的发射信号，然后由馈线送到发射天线；接收机用于通过接收由接收天线发送的三波束的回波信号和由频率综合器发送的相参基准信号，并对这些信号进行选频，通过其连接的低噪声放大器放大，产生中频信号和目标的差频信号并发送给信号处理机；

低频电子单元包括频率综合器和信号处理机，其中，频率综合器用于产生满足设计要求的频率点的射频激励信号，在扫频状态实现正向锯齿波线性调频信号，经上变频后送到发射机；二是产生满足设计要求的相参采样时钟信号和相参基准信号并将其输出到接收机；

信号处理机用于接收中频信号和目标的差频信号，经处理后获得目标的距离、高度和仰角等信息，并将目标信息传送给操控计算机；

所述计算机用于接收信号处理机发送的目标信息进行信号处理运算，建立目标航迹、显示目标信息并输出目标信息；同时完成对其他各模块的控制；

所述方位驱动机构用于驱动俯仰机构完成对发射天线、接收天线、高频电子单元整体进行扫瞄；

所述俯仰机构是用于调整安装于其上的部件的俯仰角度的机械机构；

上述各部件的安装及连接关系如下：所述天线阵列背面中部与高频电子单元固定连接；所述高频电子单元安装在俯仰机构上，俯仰机构与方位驱动机构连接；阵列天线、高频电子单元和俯仰机构组成的整体在方位驱动机构的驱动下在水平方向360度同步运动；所述低频电子单元和计算机均置于方位驱动机构下方；所述发射机分别与频率综合器、发射天线通过信号线缆连接，接收机分别与频率综合器、接收天线和信号处理机通过信号线缆连接；信号处理机的输出端通过信号线缆连接计算机；计算机连接发射机、频率综合器和方位驱动机构。

本发明还包括如下其他技术特征：

所述发射天线采用波导阵列天线。

所述接收天线采用波导阵列天线，其多口网络有三个输出端口：端口A、端口B和端口C。

所述接收机采用超外差接收机，频率采样采用中频采样。

与现有的雷达系统相比，本发明的优点如下：

（1）本发明的雷达采用连续波三波束体制，具有发射功率小，频率和功率可调，在复杂的电子对抗环境中具有低截获抗干扰能力，具有俯仰方向波束覆盖范围宽，测角范围较大，具有仰角和高度测量精度高的技术优势。

（2）本发明在仰角测量过程中，不引入接收通道的相位信息，只利用信号的幅度，因而减少了接收通道设计的难度。

（3）本发明体积小重量轻，可便携，方便机动使用，且实现简单，硬件成本低。

附图说明

图1为本发明的采用三波束测量目标的连续波目标引导雷达的结构框图。

图2为本发明的采用三波束测量目标的连续波目标引导雷达的原理框图。

图3为接收机的组成结构框图。

图4为连续波三波束仰角测量框图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的连续波目标引导雷达，包括发射天线、接收天线、高频电子单元、低频电子单元、俯仰机构、方位驱动机构和计算机；

所述发射天线和接收天线组成阵列天线，其中：

发射天线用于接收由发射机通过馈线送来的发射信号，并将发射信号向空间辐射形成赋形波束。本实施例中，发射天线采用波导阵列天线，按赋形设计，通过调整各个波导之间的相位使天线在俯仰面形成余割平方特性。

接收天线用于接收空中目标反射回来的回波信号，并将接收到的回波信号经过其连接的低噪声放大器放大、微带功分网络合成形成三波束回波信号，该三波束回波信号上下交叠分三路分别输出到接收机的三路接口。本实施例中，接收天线采用波导阵列天线，其多口网络有三个输出端口：端口A、端口B和端口C。接收天线的馈电网络利用多口网络与波导阵列连接，以减少功率损耗和简化馈电网络的结构形式。天线阵面的缝隙波导接收到的回波通过多口网络送到A、B、C三路接收机，天线阵面的缝隙波导由俯仰波束宽度决定。

所述高频电子单元包括发射机和接收机，其中：

发射机用于将频率综合器发来的射频激励信号放大到设计功率的发射信号，该功率在设计指标范围间可调，然后由馈线送到发射天线。本实施例中，发射机由自身的微波 放大链路的四级微波级联功率放大器将射频激励信号放大。

接收机用于通过接收由接收天线发送的三波束的回波信号和由频率综合器发送的相参基准信号，并对这些信号进行选频，滤波，产生中频信号和目标的差频信号并发送给信号处理机进行中频采样处理。如图3所示，接收机由三路接收电路、本振电路、射频模拟电路、电源及BITE电路组成，其中，三路接收电路分别是A路接收电路、B路接收电路和C路接收电路；本振电路连接三路接收电路，射频模拟电路连接接收天线，电源通过BITE电路连接其他电路。微波接收机采用超外差接收机（传统的在连续波雷达中发射的信号波形一般采用调频连续波，接收机一般采用差拍检波，也就是本振信号与发射信号相同，或者从发射信号直接耦合一部分能量作为本振信号，这种接收机的缺点是动态范围小）。而本实施例采用超外差接收机，由于超外差接收机的本振信号比发射信号高一个中频，该信号可以用发射信号的一部分与频率等于中频的信号，进行单边带混频产生本振信号。三波束的回波信号分别通过混频器与本振信号下变频产生中频信号，通过中频放大器进行中频放大后，通过滤波器进行匹配滤波，按设计频点提取中频信号，正交解调后产生I、Q基带信号，将此I、Q基带信号通过A/D转换器转换为数字量发送到信号处理机进行中频采样处理。

低频电子单元包括频率综合器和信号处理机，其中：

频率综合器两个作用：一是用于产生满足设计要求的频率点的射频激励信号，在扫频状态实现正向锯齿波线性调频信号，经上变频后送到发射机放大链；二是产生满足设计要求的相参采样时钟信号和相参基准信号并将其输出到接收机。本实施例中，频率综合器是由其自身的晶体振荡器产生基准频率信号，经倍频器对基准频率进行倍频，一部分信号产生线性调频信号经上变频后由馈线输出到发射机放大链。另一部分信号送到数字合成器（DDS）产生线性调频基准信号输出到接收机。

信号处理机用于接收中频信号和目标的差频信号，完成回波目标的信息检测：具体是通过信号处理芯片完成信号的模拟数字变换（A/D）；时间/频率转换；动目标处理；求模及和差归一；恒虚警CFAR；距离测量；方位测量；仰角测量。对所处理的结果经恒虚警（CFAR）后进行自动门限判决，获得目标的距离、高度和仰角等信息，并将目标信息传送给操控计算机。

所述计算机用于接收信号处理机发送的目标信息进行信号处理运算，建立目标航 迹、显示目标信息并输出目标信息。同时完成对其他各模块的控制。

所述方位驱动机构用于驱动俯仰机构完成对发射天线、接收天线、高频电子单元整体进行360度扫瞄。方位驱动机构可以采用电机。

所述俯仰机构是用于调整安装于其上的部件的俯仰角度的机械机构。俯仰机构可以采用与电机连接的齿轮，以及与齿轮连接的竖直、水平方向的两个旋转轴，通过电机驱动齿轮传动两个旋转轴带动安装架上的发射天线、接收天线、高频电子单元进行全方位运动。

上述本发明的各部件的安装及连接关系如下：

所述天线阵列背面中部与高频电子单元固定连接；高频电子单元与天线阵列的紧密连接有利于减小高频信号衰减，提高雷达威力和测量精度。所述高频电子单元安装在俯仰机构上，俯仰机构与方位驱动机构连接；阵列天线、高频电子单元和俯仰机构组成的整体在方位驱动机构的驱动下随同俯仰机构运动；安装时保持天线发射波束和接收波束指向与水平方向满足设计仰角要求，确保在俯仰方向对空的发射和接收波束的覆盖范围；所述低频电子单元和计算机均置于方位驱动机构下方，有利于减轻方位驱动负载，提高雷达可靠性。所述发射机分别与频率综合器、发射天线通过信号线缆连接，接收机分别与频率综合器、接收天线和信号处理机通过信号线缆连接；信号处理机的输出端通过信号线缆连接计算机。计算机连接发射机、频率综合器、方位驱动机构。

如图2所示，本发明雷达的整体工作原理如下：

由频率综合器产生射频激励信号，经发射机放大后，由馈线送到发射天线，由发射天线经方位驱动机构在360度水平方向驱动下，向空间360度水平方向辐射，同时由接收天线接收由空中目标反射回来的回波信号，经过低噪声放大器放大、功分合成形成三波束回波信号，由接收天线多口网路按3个输出口传送给接收机的三路接口，由接收机通过对三波束回波信号和由频率综合器送入的相参基准信号进行选频、放大，产生中频信号和目标的差频信号，传送给信号处理机进行中频采样处理，目标的距离、高度和仰角信息处理，由信号处理机将处理的目标信息送入操控计算机进行信号处理运算，建立目标航迹、显示目标信息并向指挥系统输出目标信息。

本发明的各部件均采用的是常规器件。

本发明利用比幅测高原理，在接收天线阵的俯仰面中生成三个波束：上波束、中间波束和下波束，其中，上波束和中间波束呈镜像分布双波束，中间波和下波束也呈镜像分布双波束，每对双波束上下有一定的分离角，双波束在3dB点相交，波束由同一 口径的接收阵面产生，口径利用率高。

目标仰角测量过程如图4所示，接收天线的信号从多口网络连接到A路接收机，多口网络1的端口A、端口B和端口C分别连接三路接收机，在接收机的设计和安装中，应严格保证三路的连接波导和电缆的长度一致，接收机采用超外差接收机，三路接收电路接到的三波束回波信号分别经放大混频，变为中频，每一对双波束经滤波、放大、正交解调后产生I、Q基带信号，将此I、Q基带信号进行处理。

I、Q基带信号通过A/D转换成数字量，在信号处理模块中进行求模运算，并利用和差器求出定向值，然后以定向值为地址，从单脉冲表或多项式拟合得到仰角的数值；

由A路和B路双波束的目标仰角及高度测量过程如下：

第A路的模值和第B路模值的求模公式如下：

$\stackrel{\‾}{A}=\sqrt{({I_1}^2+{Q_1}^2)}---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{B}=\sqrt{(I_2^2+Q_2^2)}---\left(2\right)$

式中，I₁是第1路输出的正弦分量；

Q₁是第1路输出的余弦分量；

I₂是第2路输出的正弦分量；

I₂是第2路输出的余弦分量；

输出的模值和送到和差器求按下式求取定向值D：

$D=\frac{\stackrel{\‾}{A}-\stackrel{\‾}{B}}{\stackrel{\‾}{A}+\stackrel{\‾}{B}}---\left(3\right)$

定向值D是一个归一化的仰角定向因子，当时，D＝0，时，D为正值，时，D为负值；归一化就意味定向值D不随距离远近和目标大小的影响，它仅仅是目标入射角相对于天线电轴的函数；

单脉冲表可以是基于实测产生的定向值和相对于电轴的俯仰偏离角的函数表，利用实测的天线波束方向图的函数直接制作单脉冲表可以获得比较高精度，仰角测角的函数关系可用下式表示：

ε＝θ_A+θ_C+f_θ(D)    （4）

式中：f_θ(D)是定向值与仰角的函数关系，即单脉冲表；

θ_A天线安装的仰角；

θ_C电轴的指向角；

ε是目标仰角。

如果对仰角的测角精度要求不高时，定向值与俯仰角度的对应数据或者用“最小二乘法”拟合一个代数多项式来替代差单脉冲表；

f_θ(D)＝a+bD+cD²+dD³    （5）

式中，系数a，b，c，d由“最小二乘法”求出；

将结果代入公式（4），求出目标的仰角，即：

目标高度的计算：对于很近距离的目标，平面地表近似可以由下式给出的目标高度：

h_T＝h_a+R_TSinθ    （6）

式中：h_a为雷达天线的高度；R_T为被测目标的距离；θ为被测目标的仰角；；

用抛物线近似为：

$h_T=h_a+R_T\mathrm{Sin\θ}+R_T^2/2R_0---\left(7\right)$

其中：R₀为地球半径； 

准确的目标高度计算：

$h_T={[{(R_0+h_a)}^2+R_T^2+2(R_0+h_a)R_T\mathrm{Sin\θ}]}^{1/2}-R_0---\left(8\right)$

雷达在测量得到目标仰角数据之后，根据不同雷达的测量距离选择公式（6）～（8）解算成目标的高度，其中，近距离目标用公式（6），远距离目标用公式（7），对远距离又要求精确高度的目标选用公式（8）。

由B路和C路双波束的目标仰角和高度测量过程和计算同上。

Claims (3)

1.一种连续波目标引导雷达，其特征在于，包括发射天线、接收天线、高频电子单元、低频电子单元、俯仰机构、方位驱动机构和计算机；

所述发射天线和接收天线组成阵列天线，其中，发射天线用于接收由发射机通过馈线送来的发射信号，并将发射信号向空间辐射形成赋形波束；接收天线用于接收空中目标反射回来的回波信号，并将接收到的回波信号经过其连接的低噪声放大器放大、功分合成形成三波束回波信号，发送到接收机；

所述高频电子单元包括发射机和接收机，其中，发射机用于将频率综合器发来的射频激励信号放大到设计功率的发射信号，然后由馈线送到发射天线；发射机由自身的微波放大链路的四级微波级联功率放大器将射频激励信号放大；接收机用于通过接收由接收天线发送的三波束的回波信号和由频率综合器发送的相参基准信号，并对这些信号进行选频，通过其连接的低噪声放大器放大，产生中频信号和目标的差频信号并发送给信号处理机；接收机由三路接收电路、本振电路、射频模拟电路、电源及BITE电路组成，其中，三路接收电路分别是A路接收电路、B路接收电路和C路接收电路；本振电路连接三路接收电路，射频模拟电路连接接收天线，电源通过BITE电路连接其他电路；所述接收机采用超外差接收机，频率采样采用中频采样；该超外差接收机的本振信号比发射信号高一个中频，该信号用发射信号的一部分与频率等于中频的信号，进行单边带混频产生本振信号；三波束的回波信号分别通过混频器与本振信号下变频产生中频信号，通过中频放大器进行中频放大后，通过滤波器进行匹配滤波，按设计频点提取中频信号，正交解调后产生I、Q基带信号，将此I、Q基带信号通过A/D转换器转换为数字量发送到信号处理机进行中频采样处理；

低频电子单元包括频率综合器和信号处理机，其中，频率综合器用于产生满足设计要求的频率点的射频激励信号，在扫频状态实现正向锯齿波线性调频信号，经上变频后送到发射机；二是产生满足设计要求的相参采样时钟信号和相参基准信号并将其输出到接收机；频率综合器是由其自身的晶体振荡器产生基准频率信号，经倍频器对基准频率进行倍频，一部分信号产生线性调频信号经上变频后由馈线输出到发射机放大链；另一部分信号送到数字合成器产生线性调频基准信号输出到接收机；

信号处理机用于接收中频信号和目标的差频信号，完成回波目标的信息检测：具体是通过信号处理芯片完成信号的模拟数字变换；时间/频率转换；动目标处理；求模及和差归一；恒虚警CFAR；距离测量；方位测量；仰角测量；对所处理的结果经恒虚警后进行自动门限判决，获得目标的距离、高度和仰角等信息，并将目标信息传送给操控计算机；

所述计算机用于接收信号处理机发送的目标信息进行信号处理运算，建立目标航迹、显示目标信息并输出目标信息；同时完成对其他各模块的控制；

所述方位驱动机构用于驱动俯仰机构完成对发射天线、接收天线、高频电子单元整体进行扫瞄；

所述俯仰机构是用于调整安装于其上的部件的俯仰角度的机械机构；该俯仰机构采用与电机连接的齿轮，以及与齿轮连接的竖直、水平方向的两个旋转轴，通过电机驱动齿轮传动两个旋转轴带动安装架上的发射天线、接收天线、高频电子单元进行全方位运动；

上述本发明的各部件的安装及连接关系如下：

所述天线阵列背面中部与高频电子单元固定连接；所述高频电子单元安装在俯仰机构上，俯仰机构与方位驱动机构连接；阵列天线、高频电子单元和俯仰机构组成的整体在方位驱动机构的驱动下随同俯仰机构运动；所述低频电子单元和计算机均置于方位驱动机构下方；所述发射机分别与频率综合器、发射天线通过信号线缆连接，接收机分别与频率综合器、接收天线和信号处理机通过信号线缆连接；信号处理机的输出端通过信号线缆连接计算机；计算机连接发射机、频率综合器和方位驱动机构；

所述发射天线采用波导阵列天线；

所述接收天线采用波导阵列天线，其多口网络有三个输出端口：端口A、端口B和端口C；接收天线的馈电网络利用多口网络与波导阵列连接；天线阵面的缝隙波导接收到的回波通过多口网络送到A、B、C三路接收机，天线阵面的缝隙波导由俯仰波束宽度决定。

2.如权利要求1所述的连续波目标引导雷达，其特征在于，所述高频电子单元安装在俯仰机构之上。

3.如权利要求1所述的连续波目标引导雷达，其特征在于，所述低频电子单元安置在方位驱动机构之下。