CN103592646A - 相控阵非相干散射雷达系统 - Google Patents

相控阵非相干散射雷达系统 Download PDF

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Abstract

一种相控阵非相干散射雷达系统，数字接收机产生激励源信号，经功分器送入N个收发开关进行预放大，然后一定功率量级的每个收发开关的输出经功分器再馈往每组N个收发组件，这样N个收发开关驱动NxN个收发组件同时工作，对发射信号进行末级放大，然后NxN个收发组件将最终的输出功率馈往NxN个天线子阵，每个天线子阵内有天线单元，并经功分器驱动所有的天线单元，天线单元发射入射波，大气等离子体产生各向散射，天线单元将感应到的回波信号馈往接收通道，通过馈线系统的综合功能，经过收发组件放大和再次相参合成，最终形成一路回波信号，被依次送入数字接收机，信号处理机进行处理；并最终输出给主控计算机进行产品处理与生成。

Description

相控阵非相干散射雷达系统
技术领域
本发明涉及一种相控阵非相干散射雷达系统。
背景技术
单个自由电子对电磁波的散射称为非相干散射，也称为汤姆孙散射。1958年戈登 (W.E.Gordon)指出，电离层中的自由电子对无线电波的散射可以非相干叠加，而用地面大功率雷达有可能测到散射回波。这仅仅是可能性。同年 10月鲍尔斯(K.L.Bowles)测得了电离层的散射回波。从那时起，用大功率雷达探测电离层的这种方法称为非相干散射探测。然而，实践和理论都证实这个名称并不确切，因为真正的非相干散射要求雷达工作波长λ远小于等离子体德拜长度λD，实际探测中是λ大于或远大于λD。同时，鲍尔斯还发现接收信号的多普勒频移远小于根据电子随机热速度推算出来的预想值，这说明接收到的是等离子体热随机起伏引起的散射而不是自由电子散射。
在空间等离子体中，电子密度相对较低，所以德拜长度可以达到宏观的量级。如电离层的德拜长度为厘米级，磁层和太阳风的德拜长度为十米至百米量级。相对于p波段入射电磁波来说，前者已处在瑞利区的相对强反射区域，后两者更是进入了米散射区，所以用P波段探测电离层非相干散射是合适的。
非相干散射雷达利用高空大气中电子和等离子体热起伏的微弱散射信号，遥测高空大气的物理参数。由于这种热起伏引起的散射信号是非相干的，所以叫做非相干散射雷达。非相干散射雷达可以测量 60km 直至 2000km 甚至更高范围内的电子密度、离子成分、电子整体漂移速度、背景中性大气温度及空间电场等二十多个参量，具有测量高空大气物理参数多、精度高、测量高度范围大、距离分辨率高等突出优点，是目前地面探测空间大气环境参数最先进的手段。 
由于非相干散射雷达造价高昂，例如美国最先进的模块式非相干散射雷达单台造价约4000万美元，建造和维护起来都很不容易。因此目前全世界只有约十部非相干散射雷达，他们分别隶属于美国、欧盟、俄罗斯和日本，在整个东半球目前非常缺乏此类探测设备。另一个重要的问题是非相干散射雷达的功率很大（2兆瓦），运行费用也相当高，例如美国国家基金会支持的非相干散射雷达，每年每台雷达的运行费约为200万美元，而每台雷达的实际运行时间一般每年不超过两个月，存在设备庞大，结构复杂，维护运行费用也很高的缺陷。但是空间物理的研究需要电离层电场的连续测量。因此研究需求与非相干散射雷达建设运行成本之间的矛盾仍是困扰空间大气环境科学发展亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种相控阵非相干散射雷达系统，它具有长时间连续运行探测，建造成本低，运行费用低，工作模式可选，操作灵活等优点。
本发明是这样来实现的，它包括数字接收机、功分器、收发开关、收发组件、天线子阵、天线单元、馈线系统、信号处理机和主控计算机，其特征在于数字接收机产生激励源信号，经功分器送入N个收发开关进行预放大，其中N为正整数，然后一定功率量级的每个收发开关的输出经功分器再馈往每组N个收发组件，这样N个收发开关驱动NxN个收发组件同时工作，对发射信号进行末级放大，然后NxN个收发组件将最终的输出功率馈往NxN个天线子阵，每个天线子阵内有若干个天线单元，并经功分器驱动所有的天线单元，来自各个天线单元的等幅同相的功率信号最终在空间形成波束，沿着天线阵面的法线方向向天顶传输；空间等离子体在入射波的照射下，产生各向散射，其中部分散射能量回到雷达方向并被雷达天线所感应到，所有天线单元将感应到的微弱的回波信号馈往接收通道，通过馈线系统的综合功能，空间相参的信号得到了累加，回波信号信噪比得到提升，经过收发组件放大和再次相参合成，最终形成一路回波信号，被送入数字接收机，数字接收机对回波信号直接数字采样、数字下变频，形成中频数字信号送入信号处理机进行处理；信号处理机完成数字滤波、低通抽取、脉冲压缩、脉内相干、脉间相干、FFT和谱平均等，并最终输出结果给主控计算机进行产品处理与生成。
本发明的技术效果是：本发明采用了先进的软件雷达技术，相控阵技术以及模块化技术，并且采用小口径面阵进行原理实验，具有较好的可扩展性。它具备测量电离层的电子密度高度分布，三维离子速度，电场和风场等关键参量的能力。具备电离层电场连续测量能力。是既能够实现基本非相干散射探测功能，同时又可扩展至全功能探测的雷达系统。相比现有的非相干散射雷达，新型相控阵非相干散射雷达系统具有长时间连续运行探测，建造成本低，运行费用低，工作模式可选，操作灵活等优点。它具备测量电离层的电子密度高度分布，三维离子速度，电场和风场等关键参量的能力，具备电离层电场连续测量能力。并且采用小口径面阵进行原理实验，具有较好的可扩展性。这样既能满足当前研究的需求，同时也可满足日后扩展的需要。
附图说明
图1为本发明以64个天线子阵为例的原理方框图。
图2为本发明天线子阵的结构示意图。
图3为本发明全阵外观结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细阐述；
以64个天线子阵结构为例，并可扩展；
雷达系统原理方框图如图1所示，本雷达由数字接收机、功分器、收发开关、收发组件、天线子阵、天线单元、馈线系统、信号处理机和主控计算机等组成。天线结构上分成64个子阵，按8×8的方式排列。每个子阵含16个天线单元，按4×4的方式排列，形式参见图2。因此整个天线共有32行×32列共1024个天线单元。每个天线子阵含4×4共16个相同的天线单元，由一只收发组件（T/R）驱动。因此，整个系统一共使用64个收发组件（T/R）。
64个收发组件按行或列分为8组。每组8只经过1个功分器进行分配或合成，由1个收发开关（T/R）驱动。整个系统一共使用8个收发开关。系统采用全数字接收机作为收发核心。数字接收机输出8路激励驱动个收发开关。从8路收发开关回来的信号被送入接收机进行处理。接收机的数字中频输出送信号处理机进行进一步处理。信号处理控制整个系统的时序。主控计算机为一台工业控制计算机。完成人机交互，完成与信号处理的交互并显示、记录与回放数据与产品。整个系统的结构外形图参为图3。
本发明在实际操作中，其工作过程中雷达系统在500MHz±10MHz内选择固定频点工作。最多可用6频点。高度量程范围60km-1000km，其中：低模式：60km－160km；中模式：160km－700km；高模式：700km－1000km；天线口径在64子阵情况下为16m×16m ，并可扩展。天线体制为有源平面阵列天线。天线单元在64子阵情况下微32×32，并可扩展；波束宽度在64子阵情况下为1.9±0.1o，可扩展；天线增益在64子阵情况下为≥38Db,可扩展；发射机形式为分布式固态发射机系统；峰值发射功率在64子阵情况下为≥96KW，可扩展；功率脉冲宽度为4μS－5.2mS；工作比为最大37%；接收机形式为数字接收机；中频采样深度为16位ADC；中频采样速率为80MHz；脉冲编码方式为数字相位编码。有限重载。
本发明研制设计能够实现基本非相干散射探测功能的、同时又能扩展至全功能探测的简单雷达系统。满足当前课题研究的需求，同时满足日后扩展的需要。因此，将目前研制的系统定义为小面阵系统。未来可以将其扩展到8倍，16倍甚至更大的全阵。小面阵所有的部分均可用，不会浪费。
基于以上的原则，在设计时从研制成本出发尽量简化设计，力争实现基本的探测功能，同时考虑未来的兼容性。设计和实施中有如下考虑：
a)    每个天线单元具有2个极化方向，目前仅使用其中一个，另一个预留扩展。因此雷达仅进行单个线极化测试；
b)    首先实现沿天线法线方向的探测，未来扩展至扫描功能。因此目前首批安装的收发组件将不含移相器模块；
c)    多通道功能在单部数字接收机中实现，方式为脉间处理。未来可扩展至多通道并行处理能力；
d)    现阶段小面阵天线口径大小按照研制成本设计；
e)    小角度的俯仰扫描可通过手动机械方式实现；
f)    工艺满足长期使用要求；
g)    雷达模块化设计，可搬移和运输，于不同地点重新安装。
所述的相控阵非相干散射雷达系统拟用表1所示的信号模式工作。这些参数可根据最终需求更改。
表1　信号模式
序号 模式名称 脉冲宽度(us) 码元宽度(us) 重复周期(us) 通道
１ 低模式1 128 4 1200 1
2 低模式2 128 8 600 2
3 中模式1 512 16 5200 1
4 中模式2 512 16 2600 1
5 中模式3 512 16 2600 2
6 高模式1 1024 32 3854 2
7 高模式2 1024 64 3854 2
8 高模式3 512 32 1380 3
9 可重载模式 1024最大 4最小 5200 1

Claims (1)

1.一种相控阵非相干散射雷达系统，它包括数字接收机、功分器、收发开关、收发组件、天线子阵、天线单元、馈线系统、信号处理机和主控计算机，其特征在于数字接收机产生激励源信号，经功分器送入N个收发开关进行预放大，其中N为正整数，然后一定功率量级的每个收发开关的输出经功分器再馈往每组N个收发组件，这样N个收发开关驱动NxN个收发组件同时工作，对发射信号进行末级放大，然后NxN个收发组件将最终的输出功率馈往NxN个天线子阵，每个天线子阵内有若干个天线单元，并经功分器驱动所有的天线单元，来自各个天线单元的等幅同相的功率信号最终在空间形成波束，沿着天线阵面的法线方向向天顶传输；空间等离子体在入射波的照射下，产生各向散射，其中部分散射能量回到雷达方向并被雷达天线所感应到，所有天线单元将感应到的微弱的回波信号馈往接收通道，通过馈线系统的综合功能，空间相参的信号得到了累加，回波信号信噪比得到提升，经过收发组件放大和再次相参合成，最终形成一路回波信号，被送入数字接收机，数字接收机对回波信号直接数字采样、数字下变频，形成中频数字信号送入信号处理机进行处理；信号处理机完成数字滤波、低通抽取、脉冲压缩、脉内相干、脉间相干、FFT和谱平均，并最终输出结果给主控计算机进行产品处理与生成。
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