CN104133209B - 目标搜索和气象探测的一体化雷达系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种目标搜索和气象探测的一体化雷达系统及其方法。该方法包括以下步骤：接收m路射频回波信号；将每路射频回波信号分成n路，将n×m路射频回波信号经波束合成为在俯仰堆叠的n路波束信号；接收n路波束信号，将n路波束信号变为预定电平的n路中频信号；将每路中频信号功分放大且等电平分为两路信号；一路信号进行目标信号处理，另一路信号进行气象信号处理；将目标信号处理数据与气象信号处理数据在同时进行数据显示。通过俯仰上采用多波束同时扫描、方位上机扫的方案在实现探测飞机等目标的距离、方位、高度等坐标信息的同时，完成了气象信息的探测，大大提高了气象数据率。本发明还涉及能实现该方法的一体化雷达系统。

Description

目标搜索和气象探测的一体化雷达系统及其方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，涉及目标搜索和气象探测的一体化雷达系统及目标搜索和气象探测的一体化处理方法，具体涉及空中飞行目标的三维坐标定位和气象信息探测的一体化设计方法。
背景技术
目前，多数三坐标目标搜索雷达通常都不具备指定空域的气象探测能力，少数三坐标目标搜索雷达拥有气象探测能力，但为了保证雷达的目标搜索功能和气象探测功能的实现，采用独立的两个工作模式，两个模式只能进行分时工作，即在进行气象探测的时候不进行目标搜索，或在目标搜索的时候不进行气象探测，也就是说气象信息探测和目标搜索在同一时间内只能保留一个，也就是在对覆盖空域进行气象探测的同时丧失了对目标进行搜索的能力，在对目标进行搜索的同时丧失了对覆盖空域气象信息的探测能力。
在气候多变或重要飞行保障的区域，需要不间断地检测空中目标的飞行坐标信息和区域气象信息，目前普遍的方法是使用两台雷达，一台用于空中飞行目标搜索引导，一台用于对相应空域进行气象探测，使用这种方法可以解决空中目标三坐标信息和气象信息不能同时获取的问题。
但同时布置两套雷达设备也带来了3个新问题：一是增加了设备的购置和维护成本；二是两台雷达均需要配置操作维护人员增加了人力成本；三是两台雷达的阵地布置都需要一个无遮挡的空间，除了基地建设成本大幅度增加外，还要有足够的空间，以避免两个雷达互相遮挡和相互干扰问题。实际使用中，由于空间位置的限制，如舰船、岛礁等，难以同时部署两套雷达。
发明内容
本发明的目的在于提供一种目标搜索和气象探测的一体化雷达系统及目标搜索和气象探测的一体化处理方法，该一体化雷达系统及其一体化处理方法不但能够同时进行目标搜索和气象探测，而且不需要建设两个雷达阵地，避免了两个雷达间的互相影响，减少了人员配置和设备购置维护成本，解决了空间位置相对较小的区域不能同时进行目标搜索和气象探测的问题。
本发明是这样实现的，一种目标搜索和气象探测的一体化处理方法，其包括以下步骤：接收m路射频回波信号；将每路射频回波信号分成n路，将n×m路射频回波信号经波束合成为在俯仰堆叠的n路波束信号，该n路波束信号为n路射频信号，该n路波束信号按预定的波束指向和宽度覆盖整个仰角空域；接收该n路波束信号，将该n路波束信号变为预定电平的n路中频信号；将每路中频信号功分放大且等电平分为两路信号；一路信号进行目标信号处理，另一路信号进行气象信号处理；将目标信号处理数据与气象信号处理数据在同时进行数据显示。
作为上述方案的进一步改进，在每路射频回波信号分成n路之前，将每路射频回波信号进行限幅使信号电平在预定的范围内。优选地，将限幅后的每路射频回波信号进行低噪声放大。
作为上述方案的进一步改进，接收该n路波束信号时，先对该n路波束信号分别进行补偿再转变为该n路中频信号。优选地，该n路中频信号先进一步信号放大，再功分放大且等电平分为两路信号。
本发明还提供能实现上述目标搜索和气象探测的一体化处理方法的一种目标搜索和气象探测的一体化雷达系统，该一体化雷达系统包括阵列天线、波束形成模块、接收模块、功分放大模块、目标信号处理模块、气象信号处理模块、终端模块；其中，
该阵列天线接收m路射频回波信号；该波束形成模块将每路射频回波信号分成n路，将n×m路射频回波信号经波束合成为在俯仰堆叠的n路波束信号，该n路波束信号为n路射频信号，该n路波束信号按预定的波束指向和宽度覆盖整个仰角空域；该接收模块接收该n路波束信号，将该n路波束信号变为预定电平的n路中频信号；该功分放大模块将每路中频信号功分放大且等电平分为两路信号：一路信号传送至该目标信号处理模块进行目标信号处理，另一路信号传送至该气象信号处理模块进行气象信号处理；该终端模块将目标信号处理数据与气象信号处理数据在同时进行数据显示。
作为上述方案的进一步改进，该目标搜索和气象探测的一体化雷达系统还包括限幅放大模块，该限幅放大模块包括m组限幅器和m组低噪声放大器，该m组限幅器将m路射频回波信号进行限幅使信号电平在预定的范围内，该m组低噪声放大器将限幅后的每路射频回波信号进行低噪声放大后送给该波束形成模块。
作为上述方案的进一步改进，该波束形成模块包括波束合成器和m个1:n的分配器，该m个1:n的分配器将每路射频回波信号分成n路送给该波束合成器，该波束合成器将n×m路射频回波信号经波束合成为在俯仰堆叠的n路波束信号，该n路波束信号为n路射频信号，该n路波束信号按预定的波束指向和宽度覆盖整个仰角空域，该n路射频信号送给该接收模块。
作为上述方案的进一步改进，该接收模块包括n个补偿放大器、n个混频器和n个中频放大器，该n个补偿放大器对该n路射频信号分别进行补偿，补偿后的n路射频信号和一个预定的本振信号通过该n个混频器分别进行混频而变为n路中频信号，然后使用n个中频放大器分别对n个混频器产生的中频信号进一步放大并送给该功分放大模块。
作为上述方案的进一步改进，该功分放大模块包括n个功分器和n个放大器，该n路中频信号先由该n个功分器功分且等电平分为两路信号，然后再由该n个放大器放大。
本发明通过俯仰上采用多波束同时扫描、方位上机扫的方案在实现探测飞机等目标的距离、方位、高度等坐标信息的同时，完成了气象信息的探测，大大提高了气象数据率，在只增加了一个功分放大模块和信号处理模块的情况下，便实现了传统使用一台搜索雷达和一台气象雷达组合的功能。该一体化设计不仅能有效缩减制造成本，节省了额外的人员配置以及基地建设，还提高了指定空域的气象数据率。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式提供的目标搜索和气象探测的一体化雷达系统的硬件框图。
图2是图1中限幅放大模块的硬件框图。
图3是图1中波束形成网络模块的硬件示意图。
图4是图1中接收模块的硬件框图。
图5是图1中功分放大模块的硬件框图。
图6是图1中气象信号处理模块的软件框图。
图7是图1种目标信号处理模块的软件框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了实现在指定空域对目标进行搜索的同时还能实时探测该空域气象信息，本发明提出了一种目标搜索和气象探测的一体化处理方法。该一体化处理方法主要包括以下步骤：接收m路射频回波信号；将每路射频回波信号分成n路，将n×m路射频回波信号经波束合成为在俯仰堆叠的n路波束信号，该n路波束信号为n路射频信号，该n路波束信号按预定的波束指向和宽度覆盖整个仰角空域；接收该n路波束信号，将该n路波束信号变为预定电平的n路中频信号；将每路中频信号功分放大且等电平分为两路信号；一路信号进行目标信号处理，另一路信号进行气象信号处理；将目标信号处理数据与气象信号处理数据在同时进行数据显示。
在每路射频回波信号分成n路之前，可将每路射频回波信号进行限幅使信号电平在预定的范围内，并还可将限幅后的每路射频回波信号进行低噪声放大。在接收该n路波束信号时，可先对该n路波束信号分别进行补偿再转变为该n路中频信号，该n路中频信号还可先进一步信号放大，再功分放大且等电平分为两路信号。
该一体化处理方法的实现方式具体为采用目标搜索和气象探测的一体化雷达系统。该目标搜索和气象探测的一体化雷达系统采用阵列多波束三坐标雷达技术体制，即发射为赋形波束、接收时形成n个同时多波束覆盖相应的仰角。该目标搜索和气象探测的一体化雷达系统的硬件框图如图1所示。
如图1所示，该目标搜索和气象探测的一体化雷达系统包括阵列天线1、限幅放大模块2、波束形成模块3、接收模块4、功分放大模块5、目标信号处理模块6、气象信号处理模块7、终端模块8。通过功分放大模块5将接收模块4输出的中频信号分为两路信号分别送给目标信号处理模块6和气象信号处理模块7进行实时处理，最后把两个模块输出的数据送给一个终端模块8，终端模块8同时处理并显示气象和搜索目标信息。
阵列天线1接收m路射频回波信号，将接收到的该m路射频回波信号送给限幅放大模块2。
限幅放大模块2保证接收模块4收到的信号电平在一定的范围内，满足接收模块4动态范围的要求。当然，在其它实施方式中，限幅放大模块2也可以不设置。限幅放大模块2的硬件框图如图2所示，限幅放大模块2包括m组限幅器21和m组低噪声放大器22。
该m组限幅器21将m路射频回波信号进行限幅使信号电平在预定的范围内，该m组低噪声放大器22将限幅后的每路射频回波信号进行低噪声放大后送给该波束形成模块3。如果收到的回波信号电平过高将首先被限幅器21限幅以避免对后面器件的影响，通过限幅器21的信号经过低噪声放大器22放大后送给波束形成模块3。
波束形成模块3用于合成覆盖俯仰角的n个接收波束，波束形成模块3的硬件框图如图3所示，波束形成模块3包括波束合成器31和m个1:n的分配器32。
m个1:n的分配器32将每路射频回波信号分成n路送给波束合成器31，波束合成器31将n×m路射频回波信号经波束合成为在俯仰堆叠的n路波束信号，该n路波束信号为n路射频信号，该n路波束信号按预定的波束指向和宽度覆盖整个仰角空域，该n路射频信号送给该接收模块4。也就是说，限幅放大模块2将输出的m路射频回波信号送给波束形成模块3的m个分配器32，分配器32将每路射频回波信号分成n路送给波束合成器31，波束合成器31将n×m路射频回波信号合成为在俯仰堆叠的n路波束信号，波束形成模块3形成的n路射频信号送给接收模块4。
接收模块4主要功能是将射频信号下变频为预定电平的中频信号。接收模块4的硬件框图如图4所示，接收模块4包括n个补偿放大器41、n个混频器42和n个中频放大器43。n个补偿放大器41对该n路射频信号分别进行补偿，补偿后的n路射频信号和一个预定的本振信号通过n个混频器42分别进行混频而变为n路中频信号，然后使用n个中频放大器43分别对n个混频器42产生的中频信号进一步放大并送给功分放大模块5。也就是说，波束合成器31在合成每路波束信号时会有一定的损耗，在接收模块4中首先使用n个补偿放大器41对其分别进行补偿。补偿后的射频信号和本振信号通过混频器42变为中频信号，然后使用中频放大器43对混频器42产生的中频信号进一步放大。接收模块4将输出的n路中频信号送给功分放大模块5。
功分放大模块5主要功能是将接收模块4输出的中频信号等电平分为两路信号。功分放大模块5的硬件框图如图5所示，功分放大模块5包括n个功分器51和n个放大器52，该n路中频信号先由该n个功分器51功分且等电平分为两路信号，然后再由该n个放大器52放大。功分放大模块5将接收模块4输出的n路中频回波信号的每路功分放大为两路，为了保证较高的接收动态和通道间的隔离度，采用先功分再放大的设计方案，保持功分放大模块5的输入与输出接口电平等性能相同，然后一组中频回波信号送给气象信号处理模块6，另外一组同时送给目标信号处理模块7。
图6是气象信号处理模块6的软件框图，气象信号处理模块6处理从功分放大模块5输出的其中一路的中频信号，提取出气象数据。气象信号处理模块6包括以下步骤：模数变换(A/D)、脉冲压缩、滤波和气象信息提取。中频回波信号先经过模数变换将功分放大模块5送来的中频回波信号变为数字信号，随后经过数字脉冲压缩和数字滤波(对于气象信息的数字滤波主要是用于对地物抑制的信号滤波，通常使用有限脉冲响应(FIR)或无限脉冲响应(IIR)滤波器组)等过程处理后交给信息提取处理器进行信息提取处理。在信息提取处理中将回波信号经DVIP处理提取出气象目标强度，经PPP处理提取出气象速度及速度谱宽等信息，并能将提取的信息进行数据综合并通过光纤送给终端模块8。气象信号处理模块6将输出的信号传送给终端模块8的气象终端模块，气象终端模块进行后续的二次产品处理及显示。
图7是目标信号处理模块7的软件框图。目标信号处理模块7处理从功分放大模块5输出的另外一路的中频信号，提取出飞行目标的方位、距离和高度的原始数据信息。目标信号处理模块7的处理方式与气象信号处理模块6的处理方式类似，它也包括模数变换(A/D)、脉冲压缩、滤波和信息提取。回波信号首先通过正交采样，完成接收回波信号的A/D变换。回波信号经过A/D变换将功分放大模块5送来的中频回波信号变为数字信号，随后经过数字脉冲压缩和数字滤波等过程处理后交给信息提取处理器进行信息提取处理。在这里经过脉冲压缩后的回波信号分别送给了时变加权AMTI滤波器和谱分析器，AMTI滤波可以完成时变加权AMTI滤波，谱分析器可以完成回波谱特性的分析。经过时变加权AMTI滤波器滤波后的数据送给信息提取器。在信息提取器中经求模、取对数处理后送给恒虚警检测(CFAR)，恒虚警检测后的信号经过点迹凝聚最后输出送给终端模块8处理和显示。
两组信号分别通过气象信号处理模块6和目标信号处理模块7，将提取的目标和气象数据送给同一个终端模块8进行进一步的提取和显示。该终端模块8可包括多个显示设备，可同时对从两个通道处理和提取的数据进行进一步处理和显示。
本发明通过使用一个功分放大模块5将接收模块4输出的信号分为两路信号，分别输出到两个不同的信号处理模块，同时实现指定空域的气象信息探测和空中目标搜索，还大大提高了气象数据率。
该目标搜索和气象探测的一体化雷达系统采用阵列多波束三坐标雷达技术体制，即发射为赋形波束、接收时形成n个同时多波束覆盖相应的仰角。阵列天线1的天线阵面接收的射频回波信号经波束合成形成n个同时接收波束，按一定的波束指向和宽度覆盖整个仰角空域。接收模块4收到的n路回波信号经低损耗射频电缆传输至功分放大模块5，将每路射频回波功分放大为两路，一路送给气象信号处理模块6，另一路送给目标信号处理模块7。在气象处理模块6中对回波信号进行气象信息的提取和处理，将得到的气象目标强度、速度和谱宽等气象数据综合后送给终端模块8进行气象产品的生成和显示。在目标信号处理模块7中通过相关信号处理后的回波信号经求模、恒虚警处理形成n路过门限信号和目标幅度数据，点迹凝聚后送终端模块8进行数据处理和显示。
该目标搜索和气象探测的一体化雷达系统在接收时采用同时多波束，相对于普通气象雷达获得指定空域的气象信息方位上只需要进行一次扫描，极大的提高了数据率。假如使用相同的波束宽度，该目标搜索和气象探测的一体化雷达系统的数据率是普通气象雷达数据率的n倍。通过对接收模块4收到的n个波束的射频信号进行功分放大，分别送给气象信号处理模块6和目标信号处理模块7进行处理，最后把获得的原始数据在同一个终端模块8处理和显示，便能同时实现指定空域的气象信息探测和目标搜索。该目标搜索和气象探测的一体化雷达系统在只增加了一个功分放大模块5和信号处理模块的情况下，便实现了现有使用一台搜索雷达和一台气象雷达组合的功能。该一体化设计不仅能有效缩减制造成本，节省了额外的人员配置以及基地建设，还提高了指定空域的气象数据率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种目标搜索和气象探测的一体化处理方法，其特征在于：其包括以下步骤：
接收m路射频回波信号；
将每路射频回波信号分成n路，将n×m路射频回波信号经波束合成为在俯仰堆叠的n路波束信号，该n路波束信号为n路射频信号，该n路波束信号按预定的波束指向和宽度覆盖整个仰角空域；
接收该n路波束信号，将该n路波束信号变为预定电平的n路中频信号；
将每路中频信号功分放大且等电平分为两路信号；
一路信号进行目标信号处理，另一路信号进行气象信号处理；
将目标信号处理数据与气象信号处理数据在同时进行数据显示。
2.如权利要求1所述的目标搜索和气象探测的一体化处理方法，其特征在于：在每路射频回波信号分成n路之前，将每路射频回波信号进行限幅使信号电平在预定的范围内。
3.如权利要求2所述的目标搜索和气象探测的一体化处理方法，其特征在于：将限幅后的每路射频回波信号进行低噪声放大。
4.如权利要求1所述的目标搜索和气象探测的一体化处理方法，其特征在于：接收该n路波束信号时，先对该n路波束信号分别进行补偿再转变为该n路中频信号。
5.如权利要求4所述的目标搜索和气象探测的一体化处理方法，其特征在于：该n路中频信号先进一步信号放大，再功分放大且等电平分为两路信号。
6.一种目标搜索和气象探测的一体化雷达系统，其特征在于，其包括阵列天线、波束形成模块、接收模块、功分放大模块、目标信号处理模块、气象信号处理模块、终端模块；其中，
该阵列天线接收m路射频回波信号；
该波束形成模块将每路射频回波信号分成n路，将n×m路射频回波信号经波束合成为在俯仰堆叠的n路波束信号，该n路波束信号为n路射频信号，该n路波束信号按预定的波束指向和宽度覆盖整个仰角空域；
该接收模块接收该n路波束信号，将该n路波束信号变为预定电平的n路中频信号；
该功分放大模块将每路中频信号功分放大且等电平分为两路信号：一路信号传送至该目标信号处理模块进行目标信号处理，另一路信号传送至该气象信号处理模块进行气象信号处理；
该终端模块将目标信号处理数据与气象信号处理数据在同时进行数据显示。
7.如权利要求6所述的目标搜索和气象探测的一体化雷达系统，其特征在于：其还包括限幅放大模块，该限幅放大模块包括m组限幅器和m组低噪声放大器，该m组限幅器将m路射频回波信号进行限幅使信号电平在预定的范围内，该m组低噪声放大器将限幅后的每路射频回波信号进行低噪声放大后送给该波束形成模块。
8.如权利要求6所述的目标搜索和气象探测的一体化雷达系统，其特征在于：该波束形成模块包括波束合成器和m个1:n的分配器，该m个1:n的分配器将每路射频回波信号分成n路送给该波束合成器，该波束合成器将n×m路射频回波信号经波束合成为在俯仰堆叠的n路波束信号，该n路波束信号为n路射频信号，该n路波束信号按预定的波束指向和宽度覆盖整个仰角空域，该n路射频信号送给该接收模块。
9.如权利要求6所述的目标搜索和气象探测的一体化雷达系统，其特征在于：该接收模块包括n个补偿放大器、n个混频器和n个中频放大器，该n个补偿放大器对该n路射频信号分别进行补偿，补偿后的n路射频信号和一个预定的本振信号通过该n个混频器分别进行混频而变为n路中频信号，然后使用n个中频放大器分别对n个混频器产生的中频信号进一步放大并送给该功分放大模块。
10.如权利要求6所述的目标搜索和气象探测的一体化雷达系统，其特征在于：该功分放大模块包括n个功分器和n个放大器，该n路中频信号先由该n个功分器功分且等电平分为两路信号，然后再由该n个放大器放大。
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