CN103885038A - 星载微波雷达系统功耗优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种星载微波雷达系统功耗优化方法，根据检测概率、虚警概率与可见度系数的对应关系，确定检测信噪比阈值D，信号处理机实时监测回波信号的信噪比D0，然后信号处理机根据检测信噪比的变化调节发射机中的DDS改变发射信号脉宽。本发明有效降低发射机的平均功耗，同时兼顾较远的作用距离，并根据不同的工作距离，自适应地调整脉冲宽度来完成目标探测和跟踪，达到星载微波雷达系统功耗的自适应优化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及航天领域，尤其涉及一种星载微波雷达系统功耗优化方法。
背景技术
星载微波雷达作为星上重要的有效载荷，需要在太空环境中长时间工作，其系统主要采用太阳能电池阵和蓄电池供电，因此对星载微波雷达的功耗有着严格的要求。
经过专利检索，共检索出相关发明专利一项，发明专利申请号为201110143931.3，发明专利名称为对微波信号进行发信功率控制的方法、装置和系统。该发明专利提供了一种对微波信号进行发信功率调节的方法，需要合作目标作为收信端测量接收信号的电平强弱，并将电平值发送给发信端，发信端将电平值与阈值比较后调节发送功率，实现减少发信端的功耗。而星载微波雷达要求在规定的探测范围内实现对非合作目标的全时段自主捕获、持续跟踪与测量，不存在合作目标作为收信端，因此上述专利无法用于星载微波雷达的系统功耗优化。
文献《X波段便携式战场侦察雷达收发系统低功耗设计》（“火控雷达技术”，Vol. 39 No.2，Jun. 2010）从雷达收发系统体制和单元电路两方面论述了低功耗设计方法，包括采用相参体制、二相编码信号、全固态发射激励、锁相频率源、模拟中频接收、集成模块化接收前端等设计技术降低系统功耗，并从波形产生、频率源、固态发射激励和接收通道的单元电路进行低功耗考虑。目前，上述微波雷达体制的设计技术在星载微波雷达中已得到成熟应用，单元电路中也广泛采用低功耗的模拟和数字芯片，因此通过系统体制和单元电路设计很难进一步降低雷达系统功耗。
发明内容
本发明提供一种星载微波雷达系统功耗优化方法，为了有效降低发射机的平均功耗，同时兼顾较远的作用距离，选择脉冲压缩法测距，并根据不同的工作距离，自适应地调整脉冲宽度来完成目标探测和跟踪，达到星载微波雷达系统功耗的自适应优化的目的。
为了达到上述目的，本发明提供一种星载微波雷达系统功耗优化方法，该优化方法包含以下步骤：
步骤1、根据检测概率、虚警概率与可见度系数的对应关系，确定检测信噪比阈值D；
步骤2、信号处理机实时监测回波信号的信噪比D 0；
步骤3、信号处理机根据检测信噪比的变化调节发射机中的DDS改变发射信号脉宽；
在给定的目标反射面积σ的条件下，当目标的相对距离R处于星载微波雷达作用距离远界时，增大发射信号脉宽τ，保证回波信号的信噪比D 0大于检测信噪比D，降低系统对发射功率P t的要求，解决对目标的远距探测问题；
当目标的相对距离R逐渐减小时，回波信号信噪比D 0会随之增强，此时减小发射信号脉宽τ，一方面改变发射信号占空比降低发射机的平均功率，另一方面保证回波信号信噪比大于检测信噪比，并减小雷达系统收发隔离引起的盲区范围。
所述的步骤2包含如下步骤：
步骤2.1、形成距离-频率二维平面；
步骤2.2、在距离-频率二维平面内，沿距离维每一列查找频谱能量最大的点，逐列比较后获得整个平面内回波信号的频谱能量最大的点作为目标单元T，其所在的距离单元即目标的相对距离，所在的频率单元即目标的相对速度，目标单元T的频谱能量作为目标的回波信号功率P s；
步骤2.3、在目标单元T周围8×8的单元内设立保护单元G，在保护单元的四角分别选取8×8的单元作为参考单元R，而参考单元R的平均频谱能量作为噪声功率P n；
步骤2.4、以回波信号功率P s与噪声功率P n的比值，来表示回波信号的信噪比D 0，即D 0=P s/P n。
所述的步骤2.1中，星载微波雷达对每个周期的回波信号采集M个点，并且进行N个周期的相参积累，对距离维的每个采样点沿频率维进行N点的离散傅里叶变换，获得距离维每一列内不同频率单元的频谱能量，形成M列×N行的距离-频率二维平面。
本发明还提供一种星载微波雷达系统功耗优化系统，该系统包含：
天线101、环形器102、发射机103、高频头104、中频接收机105和信号处理机106，天线101连接环行器102和高频头104，中频接收机105连接高频头104，发射机103连接环形器102和高频头104，信号处理机106连接发射机103和中频接收机105；
所述的发射机103包含直接数字式频率合成器DDS，该直接数字式频率合成器DDS在信号处理机106的控制下，根据回波信号的实时信噪比来调节发射信号的脉冲宽度，形成负反馈的闭环控制。
本发明还提供一种雷达回波信号信噪比的计算方法，该方法包含如下步骤：
步骤1、形成距离-频率二维平面；
步骤2、在距离-频率二维平面内，沿距离维每一列查找频谱能量最大的点，逐列比较后获得整个平面内回波信号的频谱能量最大的点作为目标单元T，其所在的距离单元即目标的相对距离，所在的频率单元即目标的相对速度，目标单元T的频谱能量作为目标的回波信号功率P s；
步骤3、在目标单元T周围8×8的单元内设立保护单元G，在保护单元的四角分别选取8×8的单元作为参考单元R，而参考单元R的平均频谱能量作为噪声功率P n；
步骤4、以回波信号功率P s与噪声功率P n的比值，来表示回波信号的信噪比D 0，即D 0=P s/P n。
所述的步骤1中，星载微波雷达对每个周期的回波信号采集M个点，并且进行N个周期的相参积累，对距离维的每个采样点沿频率维进行N点的离散傅里叶变换，获得距离维每一列内不同频率单元的频谱能量，形成M列×N行的距离-频率二维平面。
本发明具有以下优点：
1、便于实现
充分利用星载微波雷达自身的系统架构，通过信号处理机实时监控回波信号的信噪比，调整发射机调制脉冲的脉冲宽度，从而降低发射机功率，实现系统功耗优化，无需增加额外的硬件。
2、通用性强
适用于各种工作波段的星载微波雷达，可以根据系统的功能性能需求，选择相应工作频段的射频收发组件，并且在不同的作用距离上，都能实现星载微波雷达的系统功耗优化。
3、自适应性
星载微波雷达可以自动监测当前回波信号的信噪比，并根据既定的控制策略，自适应地实时调整发射信号的脉冲宽度，实现星载微波雷达对不同的目标特性和作用距离的自适应功耗优化。
附图说明
图1是本发明提供的星载微波雷达系统的优化结构示意图。
图2是雷达系统检测概率、虚警概率与可见度系数关系图。
图3是距离-频率二维参考单元示意图。
具体实施方式
以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。
本发明通过自适应调节发射信号脉宽优化星载微波雷达的系统功耗。星载微波雷达在轨工作时，必须在规定的探测范围、检测概率和虚警概率下，实现对目标的全时段自主捕获、持续跟踪与测量，输出本星与非合作目标之间的距离、距离变化率、视线角（俯仰角和航向角）、视线角变化率等相对运动参数。
因此，在改变发射信号脉宽优化星载微波雷达功耗的同时，必须保证星载微波雷达的作用距离、检测概率、虚警概率和测量精度满足设计要求。
图1为星载微波雷达系统功耗优化示意图。该星载微波雷达功耗优化系统充分利用星载微波雷达自身的系统框架，无需额外的硬件成本，该系统包含天线101、环形器102、发射机103、高频头104、中频接收机105和信号处理机106，天线101连接环行器102和高频头104，中频接收机105连接高频头104，发射机103连接环形器102和高频头104，信号处理机106连接发射机103和中频接收机105。
首先，由发射机103中的晶振产生两路信号，一路经放大后提供给DDS（直接数字式频率合成器），DDS根据信号处理机106输出的发射信号脉宽调制产生相应宽度的中频信号；另一路经频率合成和多级放大后形成本振信号，本振信号再分成两路，一路与DDS输出的中频信号混频后经功率放大形成发射信号送至环形器102，另一路送至高频头104。环形器102作为收发隔离器件，将发射信号送至天线101并辐射出去。
然后，天线101接收目标的回波信号，经天线101内的和差器形成和、方位、俯仰三路射频信号通过射频开关进入高频头104，经过低噪声放大器，将射频信号混频至中频信号，再经过前置中频放大器将三路射频信号转换成三路中频信号；中频接收机105对三路中频信号进行进一步的调理，采用自动增益控制（AGC）动态调整三路中频信号的输出幅值，使其适合信号处理机A/D采样的动态范围。
最后，由信号处理机106采集三路中频信号，实时计算回波信号的信噪比。如果回波信号的信噪比超过阈值，说明此时回波信号能量较强，可以通过信号处理机106控制发射机103中的DDS减小发射信号的脉冲宽度，这样一方面降低了微波雷达发射信号的平均功耗，达到了星载微波雷达系统功耗自适应优化的目的，另一方面随着发射信号平均功耗的降低，回波信号能量也随之减弱，使得回波信号的信噪比回到阈值范围内，从而形成一个负反馈的闭环控制。
本发明提供的一种星载微波雷达系统功耗优化方法，包含以下步骤：
步骤1、根据检测概率和虚警概率确定检测信噪比阈值D；
图2为雷达手册给出的微波雷达的检测概率、虚警概率与可见度系数的对应关系。其中，可见度系数由电气与电子工程师协会（IEEE）定义为“在脉冲雷达中，能提供规定检测概率和虚警概率的单个脉冲信号能量与单位带宽噪声功率之比，在中频放大器中测量，使用与单个脉冲匹配的中频滤波器，并且中频滤波器后为最佳的视频积累。”
可见度系数（即，检测信噪比阈值）可用下面的数学式子表示为：
D （1）
式中，D为可见度系数；E r是接收到的脉冲能量；N 0是单位带宽噪声功率；P t为发射功率；τ为发射脉宽；k为波尔兹曼常数，k = 1.38×10-23 (JW/K)；T 0 = 290 K。
可以根据检测概率、虚警概率与可见度系数的对应关系，得到检测信噪比阈值。
若检测概率P d = 98%，虚警概率P fa = 10e-6，由图2可以得出检测目标信号所需的最小输入信噪比即检测信噪比阈值D = 12 dB。
因此，在自适应改变发射信号脉宽时，必须保证星载微波雷达的回波信号信噪比始终大于12 dB。
步骤2、信号处理机实时监测回波信号的信噪比D 0；
星载微波雷达通常采用脉冲多普勒处理技术实现目标相对距离和速度的测量，因此可通过距离-频率二维平面进行回波信号信噪比的实时监测。
假设星载微波雷达对每个周期的回波信号采集M个点，并且进行N个周期的相参积累，对距离维的每个采样点沿频率维进行N点的离散傅里叶变换，获得距离维每一列（即每个距离单元）内不同频率单元的频谱能量，从而形成图3所示的脉冲多普勒雷达二维恒虚警检测中常用的M列×N行的距离-频率二维平面，图中，横坐标表示距离分辨单元，纵坐标表示频率分辨单元，在距离-频率二维平面内，沿距离维每一列查找频谱能量最大的点，逐列比较后获得整个平面内回波信号的频谱能量最大的点作为目标单元T，其所在的距离单元即目标的相对距离，所在的频率单元即目标的相对速度，而目标单元T的频谱能量作为目标的回波信号功率P s，一般在目标单元T周围8×8的单元内设立保护单元G，在保护单元的四角分别选取8×8的单元作为参考单元R，而参考单元R的平均频谱能量可作为噪声功率，而目标单元T邻近的保护单元G不参与噪声均值估计，以免目标跨越邻近单元形成自身干扰。
以回波信号功率P s与噪声功率P n的比值，来表示回波信号的信噪比D 0，即D 0=P s/P n。
步骤3、信号处理机根据检测信噪比的变化调节发射机中的DDS改变发射信号脉宽；
根据雷达系统作用距离方程：
式中：R max为雷达作用距离；P t为发射脉冲峰值功率；τ为发射信号脉宽；G t为天线增益；λ为工作波长；σ为目标反射面积；M为相参积累数；F 0为接收机噪声系数；L为系统损耗；c B为带宽校正因子；D 0为回波信号信噪比；k为波尔兹曼常数；T 0为温度。
由雷达系统作用距离方程（2）可得：
发射脉冲峰值功率
（3）
从公式（3）可以明显看出，在给定的目标反射面积σ的条件下，当目标的相对距离R max处于星载微波雷达作用距离远界时，为了保证回波信号的信噪比D 0大于检测信噪比D，可以通过相应增大发射信号脉宽τ来降低系统对发射功率P t的要求，解决对目标的远距探测问题，而随着目标相对距离R逐渐减小，回波信号信噪比D 0会随之增强，此时可通过减小发射信号脉宽τ，一方面改变发射信号占空比降低发射机的平均功率，另一方面保证回波信号信噪比大于检测信噪比，并减小雷达系统收发隔离引起的盲区范围。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (6)
1.一种星载微波雷达系统功耗优化方法，其特征在于，该优化方法包含以下步骤：
步骤1、根据检测概率、虚警概率与可见度系数的对应关系，确定检测信噪比阈值D；
步骤2、信号处理机实时监测回波信号的信噪比D 0；
步骤3、信号处理机根据检测信噪比的变化调节发射机中的DDS改变发射信号脉宽；
在给定的目标反射面积σ的条件下，当目标的相对距离R处于星载微波雷达作用距离远界时，增大发射信号脉宽τ，保证回波信号的信噪比D 0大于检测信噪比D，降低系统对发射功率P t的要求，解决对目标的远距探测问题；
当目标的相对距离R逐渐减小时，回波信号信噪比D 0会随之增强，此时减小发射信号脉宽τ，一方面改变发射信号占空比降低发射机的平均功率，另一方面保证回波信号信噪比大于检测信噪比，并减小雷达系统收发隔离引起的盲区范围。
2.如权利要求1所述的星载微波雷达系统功耗优化方法，其特征在于，所述的步骤2包含如下步骤：
步骤2.1、形成距离-频率二维平面；
步骤2.2、在距离-频率二维平面内，沿距离维每一列查找频谱能量最大的点，逐列比较后获得整个平面内回波信号的频谱能量最大的点作为目标单元T，其所在的距离单元即目标的相对距离，所在的频率单元即目标的相对速度，目标单元T的频谱能量作为目标的回波信号功率P s；
步骤2.3、在目标单元T周围8×8的单元内设立保护单元G，在保护单元的四角分别选取8×8的单元作为参考单元R，而参考单元R的平均频谱能量作为噪声功率P n；
步骤2.4、以回波信号功率P s与噪声功率P n的比值，来表示回波信号的信噪比D 0，即D 0=P s/P n。
3.如权利要求2所述的星载微波雷达系统功耗优化方法，其特征在于，所述的步骤2.1中，星载微波雷达对每个周期的回波信号采集M个点，并且进行N个周期的相参积累，对距离维的每个采样点沿频率维进行N点的离散傅里叶变换，获得距离维每一列内不同频率单元的频谱能量，形成M列×N行的距离-频率二维平面。
4.一种星载微波雷达系统功耗优化系统，其特征在于，该系统包含：
天线101、环形器102、发射机103、高频头104、中频接收机105和信号处理机106，天线101连接环行器102和高频头104，中频接收机105连接高频头104，发射机103连接环形器102和高频头104，信号处理机106连接发射机103和中频接收机105；
所述的发射机103包含直接数字式频率合成器DDS，该直接数字式频率合成器DDS在信号处理机106的控制下，根据回波信号的实时信噪比来调节发射信号的脉冲宽度，形成负反馈的闭环控制。
5.一种雷达回波信号信噪比的计算方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：
步骤1、形成距离-频率二维平面；
步骤2、在距离-频率二维平面内，沿距离维每一列查找频谱能量最大的点，逐列比较后获得整个平面内回波信号的频谱能量最大的点作为目标单元T，其所在的距离单元即目标的相对距离，所在的频率单元即目标的相对速度，目标单元T的频谱能量作为目标的回波信号功率P s；
步骤3、在目标单元T周围8×8的单元内设立保护单元G，在保护单元的四角分别选取8×8的单元作为参考单元R，而参考单元R的平均频谱能量作为噪声功率P n；
步骤4、以回波信号功率P s与噪声功率P n的比值，来表示回波信号的信噪比D 0，即D 0=P s/P n。
6.如权利要求5所述的雷达回波信号信噪比的计算方法，其特征在于，所述的步骤1中，星载微波雷达对每个周期的回波信号采集M个点，并且进行N个周期的相参积累，对距离维的每个采样点沿频率维进行N点的离散傅里叶变换，获得距离维每一列内不同频率单元的频谱能量，形成M列×N行的距离-频率二维平面。
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