CN103698760B - 一种分布式高频超视距雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达系统、无线电物理学等技术领域，尤其涉及一种分布式高频超视距雷达系统，包括岸基高频地波雷达组网分系统、其它形式固定/移动地波超视距雷达分系统（浮标式、车载以及船载地波雷达）、高频天波发射分系统、环境保障分系统、控制分系统和数据处理分系统。本发明可工作在地波组网协同天-地波混合组网模式，通过分布式地波雷达组网、天-地波一体化组网探测，在突破了传统地波雷达仅能沿海岸线布设的限制的同时，通过多种工作模式的有机融合和相互补充，它在原始信号层面即获取了较为全面的物理量信息，能较大程度提高风、浪、流探测的准确性，并大幅度提高高频雷达系统的探测距离，实现远岸海洋动力学要素探测和近岸精细化探测。

Description

一种分布式高频超视距雷达系统

技术领域

本发明涉及雷达系统、无线电物理学等技术领域，尤其涉及一种分布式高频超视距雷达系统。

背景技术

随着海洋经济活动以及防灾减灾需求的增长，高频地波雷达在探测距离、探测要素的精度以及适用性等方面存在明显的不足，主要表现在雷达有效覆盖范围不足、探测信息量不足带来的结果准确性和可靠性不高的问题、雷达系统抗干扰能力不足、频率利用率不高、探测方式过于单一以至于无法获取精细化探测结果等方面。现有的天地波一体化系统中，地波雷达仅仅是工作在单站模式，并且仅仅接收天波超视距雷达的信号，并不能充分满足探测距离和探测精度的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于组网模式的分布式高频超视距雷达系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种分布式高频超视距雷达系统，包括控制分系统、高频天波发射分系统、

岸基高频地波雷达组网分系统、固定/移动地波超视距雷达分系统、环境保障分系统、数据处理分系统；控制分系统分别与高频天波发射分系统、岸基高频地波雷达组网分系统、固定/移动地波超视距雷达分系统、环境保障分系统连接；岸基高频地波雷达组网分系统、固定/移动地波超视距雷达分系统分别与数据处理分系统连接。

所述的岸基高频地波雷达组网分系统是由位于不同地点的两部以上的岸基

高频地波雷达雷达通过相参的方式组合成的，每部雷达均工作在双／多频工作模式，在自发自收的同时也接收其他地波雷达以及上述高频天波发射分系统中天波发射站的海洋回波，通过组网实现“多发多收”。

所述的高频天波发射分系统、岸基高频地波雷达、固定/移动地波超视距雷达

分系统均包括GPS同步控制模块，由GPS同步控制模块来实现各个雷达站间的波形同步；所述的控制分系统协调岸基高频地波雷达组网分系统和高频天波发射分系统的联合运行，控制分系统通过网络实现GPS同步控制模块的参数统一配置，形成一体化结构协同工作，实现对发射分系统以及各雷达分系统的参数配置；整个分布式高频超视距雷达系统工作于地波组网协同天-地波混合组网模式。

所述的固定/移动地波超视距雷达分系统包括浮标式地波雷达、车载地波雷

达、船载地波雷达；固定/移动地波超视距雷达分系统通过接收天-地混合路径回波实现探测。

所述的高频天波发射分系统包括用户终端、激励源、发射机、天线；用户终

端和激励源的输入端相连，通过用户终端控制激励源的参数设置，激励源的输出端与发射机的输入相连，发射机的输出端与天线的输入端相连，天线发射的电磁波经电离层反射后投射到远方的海面；由用户终端利用网络从控制分系统读取工作参数进行配置，激励源按照配置输出波形，该信号波形在发射机中经过整形功率放大后，再经过发射天线阵辐射出去，天线发射的电磁波经电离层反射后投射到远方的海面，由所述的岸基高频地波雷达组网分系统和其它形式固定/移动地波超视距雷达分系统的接收天线阵分别接收到回波信号，从而实现天-地波混合组网。

所述的环境保障分系统包括电磁环境监测模块和电离层实时诊断与保障模

块；采用后向散射探测、高频段频谱监测、斜向探测和垂直探测等技术，通过监测电离层的实时状态信息，实时的选择最佳的雷达工作频率并将相关的信息传递给所述的控制分系统，使传播信道的信噪比最佳、电波通过单一模式传播且接收到的回波污染最小。

所述的数据处理分系统包括数据库服务器模块、收发模块、信号处理模块、

数据融合模块、显示模块、应用交互模块；数据处理分系统对所述的岸基高频地波雷达组网分系统和其它形式固定/移动地波超视距雷达分系统的数据进行处理，实现分布式高频雷达海面动力学要素精细化反演以及多站、多频、天地波一体化探测条件下的数据融合和数据质量控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明通过分布式地波雷达组网、天-地波一体化组网探测，突破了传统地波雷达仅能沿海岸线布设的限制，可以大幅度提高高频雷达系统的探测距离，是拓展海洋监测雷达探测距离的有效途径。

2．本发明不是简单的多部单站雷达反演结果的综合，而是多种工作模式的有机融合和相互补充，它在原始信号层面即获取了较为全面的物理量信息，能较大程度提高风、浪、流探测的准确性，通过多种方式，实现近岸精细化观测；

3．本发明同一海区的所有雷达都使用同一频率，提高了频率利用率，极大地节省了雷达网的频率占用，同时也降低了被干扰的可能性。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明中控制分系统的软件处理流程图。

图3为本发明中数据处理分系统的结构示意图。

图4为本发明中一个典型的分布式高频超视距雷达系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

本发明的目的是提供一种分布式高频超视距雷达系统，用于提升雷达对远海的探测能力和沿岸海洋要素探测的精细化程度。

如图1所示，本发明提供的一种基于组网模式的分布式高频超视距雷达系统，包括：岸基高频地波雷达组网分系统、其它形式固定/移动地波超视距雷达分系统、高频天波发射分系统、环境保障分系统、控制分系统、数据处理分系统；控制分系统分别与高频天波发射分系统、岸基高频地波雷达组网分系统、固定/移动地波超视距雷达分系统、环境保障分系统连接；岸基高频地波雷达组网分系统、固定/移动地波超视距雷达分系统分别与数据处理分系统连接；本发明可工作在地波组网协同天-地波混合组网模式。

岸基高频地波雷达组网分系统由位于不同地点的多部雷达通过相参的方式组合成一个大的雷达系统，每部雷达均包括发射机、接收机和天馈线部分，均可工作在双／多频工作模式。在自发自收的同时，多部分布式地波雷达与天波发射台同步组网，通过组网的方式接收其他地波雷达以及上述天波发射站的海洋回波，通过组网实现“多发多收”，通过多种方式，实现近岸200km精细化观测。岸基高频地波雷达系统的所有工作参数，包括工作频率、发射功率、波形设计、组网方式等，都通过网络从控制分系统读取，由控制分系统统一调配。雷达系统接收回波信号，回波信号经过低噪声放大器放大后，再经过A/D采样、滤波、放大、正交相位检测、数据抽取，数据送入信号处理机进行时域相干积累，经过相干积累的时域信号，经过全相关分析，获得初步的海洋表面动力学参数，并将其初级结果数据发送至数据处理分系统。

其它形式固定/移动地波超视距雷达分系统可为浮标式地波雷达、车载地波雷达、船载地波雷达等。它可以灵活部署，突破传统地波雷达仅能沿海岸线布设的限制，通过接收天-地混合路径回波，对其周边海域的海洋动力学参数进行实时监测，将探测范围扩展至远海区域。该系统均配置GPS同步模块实现各站雷达间的同步，各站雷达的所有工作参数也是通过网络从控制分系统读取，由控制分系统统一调配，其得到的初步的海洋状态参数数据统一发送至数据处理分系统。

高频天波发射分系统利用高频电磁波经过电离层折射下视探测传播机理和目标与地表面后向散射传播原理，按照设定的工作方式和工作参数定向发射电磁波，覆盖一定体积空间以提供海洋参数数据评估。它包括天线、发射机、激励源、用户终端，利用发射波束控制及实时反馈技术来消除各发射机之间通道幅相一致性误差以及电离层的不稳定物理现象所导致的工作信道参数随着时间的变化，确保发射波束的指向性和稳定性。系统工作时，首先通过网络从控制分系统读取工作参数，由用户终端控制激励源产生探测脉冲信号，该信号在发射机中经过整形功率放大后，再经过发射天线阵辐射出去。电磁波信号遇到电离层对电磁波的进行反射，并投射到远方的海面，处于海岸线上的地波雷达分系统以及海上的固定/移动地波雷达分系统接收天线阵分别接收到回波信号，送给数字接收机。

环境保障分系统包括电磁环境监测和电离层实时诊断与保障两部分。电磁环境监测的主要任务是利用频谱监测模块为分布式高频雷达系统各组成部分当前使用的频段进行电磁环境监测，自适应选择有源干扰（环境噪声）最小的工作信道，保障分布式雷达各组成部分能正常工作。当前工作频段被干扰要换频时，系统可从预先准备好的备用频段中实时选出工作频率参数，并在规定时段内储备好新的备用频段。电离层实时诊断与保障利用电离层探测仪和电离层参数分析模块对当前电波传播路径特性进行监测，直接得到设备所在子区内最高可用频率、最佳工作频率、电离层传播模式，以及导出电离层参数，用于修正电离层模型。通过这些过程，环境保障分系统实时的选择最佳的雷达工作频率并将相关的信息传递给控制分系统。

控制分系统协调地波雷达组网分系统和天波发射分系统的联合运行，实现对发射分系统以及各雷达分系统的参数配置，其处理流程见图2。系统可选择的工作模式包括地波雷达同步组网模式、天发地收模式、天地波混合组网模式。控制分系统需综合考虑地波组网分系统的探测距离、距离分辨率、时间分辨率、风浪反演要求之间的关系，对各部雷达进行组网模式选择，同步、自适应频率分配，设置雷达各项参数，并监控整个雷达系统的工作状态。

数据处理分系统包括数据库服务器模块、收发模块、信号处理模块、数据融合模块、显示模块、应用交互模块，其结构示意图见图3。它的主要功能是对各个雷达系统传送的初步海洋状态数据进行融合和处理，实现分布式高频雷达海面动力学要素精细化反演以及多站、多频、天地波一体化探测条件下的数据融合和数据质量控制。信号处理模块从单站数据库提取原始数据，计算通道校准信息，然后计算径向海流、椭圆海流、风、波浪等海洋动力学参数，存储进服务器。数据融合模块对各个单站节点的信息进行融合，以统一的标准进行管理和调度，完成数据质量控制、海流信息融合、风信息融合、海浪信息融合。

图4给出了一个分布式高频超视距雷达系统的例子。该系统由三部具有“多发多收”工作模式的双／多频岸基高频地波雷达、一部浮标地波雷达和一个高频天波发射站构成等组成，通过卫星同步组成可协同工作的天-地波综合海洋环境探测网。浮标地波雷达直接布置在海上，位于天波发射站的照射范围内。三个岸基高频地波雷达站相距约50公里，天波发射站距地波雷达站约900公里。天波发射频率为6～20MHz，地波工作频率为6～13.5MHz。各站通过GPS实现时钟同步。根据电磁环境监测系统和电离层实时诊断与保障系统得到的频率和电离层参数信息进行波形设计。系统可工作于多种探测模式，由控制分系统统一配置。

（1）地波雷达组网线性调频中断连续波（FMICW）体制探测模式：三部同时双频分布式地波雷达组网探测，通过GPS卫星同步和频率偏置技术,三部雷达同时双频工作，两频率分别工作在高低频段，采用FMICW体制，后向散射和非后向散射回波显示在同一幅距离谱图上，通过后续处理，每部雷达便得到一组后向散射和两组非后向散射多普勒谱数据。于是每部雷达可得到6组数据，在三部雷达共同覆盖区可获得18组数据，在两部雷达的共同覆盖区可获得12组数据，实现200公里范围内的海洋动力学参数的精细探测。

（2）地波雷达组网线性调频连续波（FMCW）体制探测模式：三部同时双频分布式地波雷达组网探测，采用FMCW体制，其中一部雷达同时双频发射，另两部雷达同时双频接收非后向散射回波，通过后续处理，每部雷达便得到一组非后向散射数据。每部雷达同时双频工作，两频率分别工作在高低频段。于是每部雷达可得到2组数据，在三部雷达共同覆盖区可获得4组数据。由于线性调频连续波体制可提高3dB系统增益，无距离混叠问题，工作参数设计简单、约束条件少，雷达回波的信噪比高，对200公里范围内的海洋动力学参数的精细探测有利，但非后向散射覆盖范围小些。

（3）天发-地收远距离探测模式：采用FMCW体制。天波发射FMCW波，经电离层反射照射到海面上，其海洋回波被三个雷达站接收。地波雷达不发射电波，只同频接收天波发射信号，实现海面400公里的远距离探测，三部地波雷达共得到3组数据。地波雷达扫频起点提前一定时间（如2ms），将地波雷达的最大探测距离设定在450公里内。

（4）天-地波混合组网FMCW远距离探测模式：天波单频发射FMCW信号，一个地波雷达发射双频信号FMCW信号(其中一个频率与天波的发射频率相同)，另外两部地波雷达双频接收，采用时间偏置和频率偏置技术实现多组雷达回波信号的采集和处理。一部地波雷达可获得1组天波海面后向散射数据和2组地波非后向散射数据。两部地波雷达共获得6组数据。

（5）天-地波混合组网远距离探测模式：天波单频发射FMCW信号，三部地波雷达按FMICW体制工作，只是参数设计受到较多的约束条件，采用时间偏置和频率偏置技术实现多组雷达回波信号的采集和处理。一部雷达可得到一组天波散射数据、一组地波后向散射数据、2组地波非后向散射数据，3部雷达地波双频探测数据18组，加3组天波数据合计21组。也可以关掉一个地波雷达发射信号，这样更方便将天波信号放在一幅距离谱图上，共有18组数据。

控制分系统完成探测模式的选取以及参数设计，数据处理分系统完成相关的数据处理，最终实现近岸200km精细化观测、岸基350km探测、海上地波雷达条件下远至离岸1000km的范围的海洋表面动力学要素信息的快速获取。

以上内容是结合最佳实施方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的情况下，可以在细节上进行各种修改，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种分布式高频超视距雷达系统，其特征在于：包括控制分系统、高频天波发射分系统、岸基高频地波雷达组网分系统、固定/移动地波超视距雷达分系统、环境保障分系统、数据处理分系统；控制分系统分别与高频天波发射分系统、岸基高频地波雷达组网分系统、固定/移动地波超视距雷达分系统、环境保障分系统连接；岸基高频地波雷达组网分系统、固定/移动地波超视距雷达分系统分别与数据处理分系统连接；

所述的岸基高频地波雷达组网分系统是由位于不同地点的两部以上的岸基高频地波雷达通过相参的方式组合成的，每部雷达均工作在双/多频工作模式，在自发自收的同时也接收岸基高频地波雷达组网分系统中的其他地波雷达以及上述高频天波发射分系统中天波发射站的海洋回波，通过组网实现“多发多收”；

所述的高频天波发射分系统、岸基高频地波雷达、固定/移动地波超视距雷达分系统均包括GPS同步控制模块，由GPS同步控制模块来实现各个雷达站间的波形同步；所述的控制分系统协调岸基高频地波雷达组网分系统和高频天波发射分系统的联合运行，控制分系统通过网络实现GPS同步控制模块的参数统一配置，形成一体化结构协同工作，实现对高频天波发射分系统以及岸基高频地波雷达组网分系统、固定/移动地波超视距雷达分系统的参数配置；整个分布式高频超视距雷达系统工作于地波组网协同天-地波混合组网模式。

2.根据权利要求1所述的分布式高频超视距雷达系统，其特征在于：所述的固定/移动地波超视距雷达分系统包括浮标式地波雷达、车载地波雷达、船载地波雷达；固定/移动地波超视距雷达分系统通过接收天-地混合路径回波实现探测。

3.根据权利要求2所述的一种分布式高频超视距雷达系统，其特征在于：所述的高频天波发射分系统包括用户终端、激励源、发射机、天线；用户终端和激励源的输入端相连，通过用户终端控制激励源的参数设置，激励源的输出端与发射机的输入相连，发射机的输出端与天线的输入端相连，天线发射的电磁波经电离层反射后投射到远方的海面。

4.根据权利要求1所述的一种分布式高频超视距雷达系统，其特征在于：所述的环境保障分系统包括电磁环境监测模块和电离层实时诊断与保障模块。

5.根据权利要求1所述的一种分布式高频超视距雷达系统，其特征在于：所述的数据处理分系统包括数据库服务器模块、收发模块、信号处理模块、数据融合模块、显示模块、应用交互模块。