CN104914429B - 一种根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统 - Google Patents

一种根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统，包括天线反馈分系统、接收机、信号处理分系统、终端分系统、监控分系统、时序控制器以及发射机。终端分系统发送重点目标距离至监控分系统；监控分系统将目标距离划分为3个距离区域，并根据重点目标距离自适应地判断其所在的距离区域，得到最佳时序码；时序控制器产生发射信号x(t)；发射机将发射信号x(t)放大滤波后产生发射射频信号；天线反馈分系统发送发射射频信号并接收回波射频信号；接收机将回波射频信号进行混频处理得到基带正交双路信号，发送至信号处理分系统进行波束合成和脉冲压缩，识别出重点目标后，将重点目标距离、高度、仰角和方位偏差发送至终端分系统。

Description

一种根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统
技术领域
本发明属于雷达系统发射控制技术领域，特别涉及一种根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统，适用于实际工程应用。
背景技术
一直以来，雷达性能与波形参数中的脉冲重复周期及发射脉冲宽度息息相关，脉冲重复周期、发射脉宽(发射脉冲宽度)的选择与变化直接影响到诸如杂波抑制、信号检测等雷达功能的实现。传统意义的雷达无论是在搜索模式还是跟踪模式下，一般都具有固定时序，即在同一工作模式、同一波位的情况下，使用的脉冲重复周期是固定不变的，这类雷达因为工程实现简单，操作人员易于操作和分析而在实际工程中得到广泛应用。但在实际环境中，与雷达距离不同的目标和杂波往往具有不同的性质，使用固定重频搜索或跟踪目标就会使得部分区域的杂波抑制性能不够好；另一方面雷达在近距离处跟踪时需要发射的能量较少，若使用宽脉冲信号则造成了能量的浪费。
发明内容
基于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统，兼顾雷达低空搜索和中高空跟踪两种情况，以更好地提高雷达杂波抑制和信号检测的性能，同时节省发射能量。
本发明的根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统基于自适应时序法来实现。自适应时序法是指雷达可以根据目标自适应地选择发射脉宽和脉冲重复周期来产生时序。该方法具有很大的灵活性，对于不同距离单元的杂波使用不同的脉冲重频产生对应的滤波器进行抑制，这样对杂波的抑制功能会大大增强，提高了信杂比，并且确保在跟踪近距离目标时，发射窄脉冲，使用小能量信号，在搜索远距离目标时，发射宽脉冲，使用大能量信号。
本发明的实现思路是：为了能够根据目标自适应地选择发射脉宽和脉冲重复频率(脉冲重频)，在雷达系统中增加时序控制器。首先雷达系统中的终端分系统将重点目标距离发送给监控分系统；监控分系统产生最佳时序码并发送给时序控制器；时序控制器根据协议规定产生相应的发射信号发送至发射机；发射机将发射信号放大滤波后产生发射射频信号并发送至天线反馈系统；天线反馈系统接收到的回波射频信号由接收机进行混频处理后，得到基带正交双路信号；信号处理分系统对基带正交双路信号先进行波束合成和脉冲压缩，在重点目标相邻区域内识别出重点目标后，将重点目标的距离、高度、仰角和方位偏差信息反馈回终端分系统。
为了达到上述目的，本发明采用以下具体技术方案予以实现。
一种根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统，包括天线反馈分系统，与天线反馈分系统的接收输入端依次连接的接收机、信号处理分系统、终端分系统、监控分系统、时序控制器以及发射机，所述发射机的发射端电连接所述天线反馈分系统的发射输入端。
(1)终端分系统，设置重点目标队列管理功能，在低空搜索或中高空跟踪时，将威胁最大的目标在其显示终端上设置为重点目标，将重点目标距离信息发送至监控分系统；
(2)监控分系统，根据接收到的重点目标距离自适应地判断重点目标所在的距离区域，得到最佳时序码，并将最佳时序码发送至时序管理器；并根据雷达参数和重点目标距离划定重点目标相邻区域；
(3)时序控制器，接收到最佳时序码，产生具有与最佳时序码对应的发射脉宽和脉冲重频的发射信号；
(4)发射机，将发射信号经过大功率放大器放大滤波，产生发射射频信号，并发送至天线反馈分系统；
(5)天线反馈分系统，将发射射频信号进行发射，在遇到目标或杂波时，天线反馈分系统接收到回波射频信号，并发送回波射频信号至接收机；
(6)接收机，将回波射频信号进行混频、滤波至中频信号xif(t)；接着，将该中频信号xif(t)进行模/数转换(A/D)，获得中频离散信号x(n)；然后，使用数字正交相位检波器对中频离散信号x(n)进行数字正交变换，并经过低通滤波器滤除高频分量，得到基带正交双路信号；最后，将基带正交双路信号发送至信号处理分系统；
(7)信号处理分系统，将基带正交双路信号进行波束合成和脉冲压缩；为了提高信号处理效率，只在重点目标相邻区域内，根据波束合成和脉冲压缩后的基带正交双路信号，识别出重点目标；将重点目标距离、高度以及方位偏差信息反馈至终端分系统。
本发明的有益效果为：
1)本发明可以自适应地选择脉冲重频，增强了雷达的杂波抑制和信号检测功能，使信杂比增大，提高了雷达性能。
2)本发明使得雷达发射能量自适应化，对不同距离的目标进行跟踪或搜索时使用不同发射脉宽的发射脉冲，灵活的控制了发射能量，在近距离跟踪时节省了能量。
附图说明
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的一种根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统的流程图；
图2为本发明系统使用固定时序时的跟踪显示终端图。
图3为本发明系统使用自适应时序时的跟踪显示终端图。
图4为本发明系统使用时序码1时发射信号的频谱图。
图5为本发明系统使用固定时序(选用最大能量，即时序码3)时发射信号的频谱图。
具体实施方式
参照图1，本发明的一种根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统，包括天线反馈分系统，与天线反馈分系统的接收输入端依次连接的接收机、信号处理分系统、终端分系统、监控分系统、时序控制器以及发射机，所述发射机的发射端电连接所述天线反馈分系统的发射输入端。
(1)终端分系统，设置重点目标队列管理功能，在低空搜索或中高空跟踪时，将威胁最大的目标在其显示终端上设置为重点目标，将重点目标距离信息发送至监控分系统。
(2)监控分系统，根据接收到的重点目标距离自适应地判断重点目标所在的距离区域，得到最佳时序码，并将最佳时序码发送至时序管理器；并根据雷达参数和重点目标距离划定重点目标相邻区域。
具体地，监控分系统将目标距离划分为3个距离区域，每个距离区域对应一种时序码，每种时序码具有特定的发射脉宽和脉冲重频(脉冲重复周期的倒数)；第一距离区域为近距离区域，对应时序码1；第二距离区域为中距离区域，对应时序码2；第三距离区域为远距离区域，对应时序码3；监控分系统根据接收到的重点目标距离判断重点目标所在的距离区域，将该距离区域对应的时序码设定为最佳时序码。
所述第三距离区域的划分过程为：
第三距离区域的目标距离、发射脉宽和脉冲重频由该区域的最大不模糊测距距离s3决定；由计算出第三距离区域脉冲重复周期Tr3，其中，c为电磁波传输速率；在第三距离区域发射脉宽τ3满足时，由计算出第三距离区域的盲区距离计算值留出第三距离区域盲区距离余量Δsd3，第三距离区域的盲区距离实际值对应的目标距离应避开该盲区，取第三距离区域的目标距离S3＞sd3。
所述第二距离区域的划分过程为：
第二距离区域的目标距离、发射脉宽和脉冲重频由该区域的最大不模糊测距距离s2和第三距离区域的盲区距离实际值sd3决定；由计算出其中第二距离区域脉冲重复周期Tr2，其中，c为电磁波传输速率；在第二距离区域发射脉宽τ2满足时，由计算出第二距离区域的盲区距离计算值留出第二距离区域的盲区距离余量Δsd2，第二距离区域的盲区距离实际值对应的目标距离应在第三距离区域盲区内避开第二距离区域盲区，取第二距离区域的目标距离sd2＜S2≤sd3。
所述第一距离区域的划分过程为：
第一距离区域的目标距离S1由第二距离区域的盲区距离实际值sd2决定，取S1≤sd2；第一距离区域的发射脉宽和脉冲重频由该区域的最大不模糊测距距离s1决定，由计算出第一距离区域脉冲重复周期Tr1，其中，c为电磁波传输速率；同时要求第一距离区域发射脉宽τ1满足
下表1为本发明实施例中雷达系统使用的时序表。在本发明实例中，监控分系统将目标距离划分为3个距离区域。目标距离小于30公里的第一距离区域对应时序码1，其发射脉宽为60us，脉冲重复周期为1100us；目标距离为30公里到80公里之间的第二距离区域对应时序码2，其发射脉宽为150us，脉冲重复周期为2160us；目标距离大于80公里的第三距离区域对应时序码3，其发射脉宽为500us，脉冲重复周期为2500us。
表1本发明实例中雷达系统使用的时序表
其中，第三距离区域的目标距离、发射脉宽和脉冲重频由该区域的最大不模糊测距距离s3决定；本发明实例中s3为375km，由其中，c为电磁波传输速率，可计算出第三距离区域脉冲重复周期Tr3＝2500us；第三距离区域发射脉宽τ3应满足这样既保证了发射能量不会太低，也使接收回波的时间足够，取τ3＝500us；由于发射脉宽的影响，雷达在发射信号的时候不能接收回波，所以存在接收盲区，由计算出第三距离区域的盲区距离计算值为75km，需要留出第三距离区域的盲区距离余量Δsd3，Δsd3为5km，由计算出第三距离区域的盲区距离实际值sd3为80km；对应的目标距离应避开该盲区，取第三距离区域的目标距离S3＞sd3，即S3＞80km。
其中，第二距离区域的目标距离、发射脉宽和脉冲重频由该区域的最大不模糊测距距离s2和第三距离区域的盲区距离实际值sd3决定；本发明实例中s2为324km，由其中，c为电磁波传输速率，可计算出第二距离区域脉冲重复周期Tr2＝2160us；第二距离区域发射脉宽τ2应满足这样既保证了发射能量不会太低，也使接收回波的时间足够，取τ2＝150us；由于发射脉宽的影响，雷达在发射信号的时候不能接收回波，所以存在接收盲区，由计算出第二距离区域盲区距离为22.5km，需要留出第二距离区域的盲区距离余量Δsd2，Δsd2为7.5km，由计算出第二距离区域的盲区距离实际值sd2为30km；对应的目标距离应在第三距离区域盲区内避开第二距离区域盲区，取第二距离区域的目标距离sd2＜S2≤sd3，即30km＜S2≤80km。
其中，第一距离区域的目标距离由第二距离区域的盲区距离实际值sd2决定，取第一距离区域的目标距离S1≤sd2，即S1≤30km；第一距离区域的发射脉宽和脉冲重频由该区域的最大不模糊测距距离s1决定；本发明实例中s1为165km，由其中，c为电磁波传输速率，可计算出第一距离区域脉冲重复周期Tr1＝1100us；第一距离区域发射脉宽τ1应满足这样既保证了发射能量不会太低，也使接收回波的时间足够，取τ2＝60us。
(3)时序控制器，接收到最佳时序码，产生具有与最佳时序码对应的发射脉宽和脉冲重频的发射信号。
其中，发射信号的产生过程为：雷达发射一个载频为f0的线性调频脉冲信号x(t)为
其中，μ为调频斜率，t为距离上快时间，A和f0分别为线性调频脉冲信号x(t)的振幅和频率，rect(t)为周期矩形函数：
其中，τ为矩形宽度，在雷达系统中即为脉冲宽度，N为重复周期数，N＝0,1,2,3...，Tr为脉冲重复周期。
线性调频脉冲信号x(t)的初相选为0，由于监控分系统已经选出最佳时序码，所以对应该最佳时序码的线性调频脉冲信号x(t)即为发射信号。
(4)发射机，将发射信号经过大功率放大器放大滤波，产生发射射频信号，并发送至天线反馈分系统。
其中，发射机选用主振放大式发射机，这样不仅可以使发射射频号具有很高的频率稳定性，而且发射相参信号(即两个脉冲重复周期之间雷达发射的信号相位之间确定存在着的信号)，这样可以使雷达进行脉冲多普勒测速。
(5)天线反馈分系统，将发射射频信号进行发射，在遇到目标或杂波时，天线反馈分系统接收到回波射频信号，并发送回波射频信号至接收机。
(6)接收机，将回波射频信号进行混频、滤波至中频信号xif(t)；接着，将该中频信号xif(t)进行模/数转换(A/D)，获得中频离散信号x(n)；然后，使用数字正交相位检波器对中频离散信号x(n)进行数字正交变换，并经过低通滤波器滤除高频分量，得到基带正交双路信号；最后，将基带正交双路信号发送至信号处理分系统。
接收机的具体处理步骤为：
6.1接收机将回波射频信号混频、滤波至中频信号xif(t)；
6.2将中频信号xif(t)进行模/数转换(A/D)，获得中频离散信号x(n)；
其中，模/数转换(A/D)的实现过程为：将中频信号xif(t)用等时间间隔的窄脉冲串进行采样，采样过程需要遵守奈奎斯特采样定律，即采样频率fs必须大于信号频谱中最大频率fM的两倍，这样才能使采样后的频谱不发生混叠现象，将采样后得到的离散中频信号通过幅度量化后用各种方式进行编码，本发明中使用二进制编码，设模/数转换后的中频离散信号x(n)可表示为
其中，是一个r位的二进制数，或1(i＝0,1,...,r-1)。ΔA为A/D转换器的幅度量化单位值，即为量化间隔，n表示第n次采样。
6.3使用数字正交相位检波器对中频离散信号x(n)进行数字正交变换，并经过低通滤波器滤除高频分量，得到基带正交双路信号，将其发送至信号处理分系统；
其中，数字正交变换的实现过程为：用数字正交相位检波器，对中频离散信号x(n)进行数字混频，即将中频离散信号x(n)与和分别相乘，其中，f0为带限信号的中心频率，fs为采样频率，数字混频等同于在频域上将频谱左移π/2，这样就将正频谱的中心移到了零频，中频离散信号x(n)也就相应的分解为实部和虚部。
(7)信号处理分系统，将基带正交双路信号进行波束合成和脉冲压缩；为了提高信号处理效率，只在重点目标相邻区域内，根据波束合成和脉冲压缩后的基带正交双路信号，识别出重点目标；将重点目标距离、高度以及方位偏差信息反馈至终端分系统。
本发明的效果通过以下实验作进一步说明：
(1)实验条件
以本发明系统为硬件平台，该系统采用的是基于自适应时序法的控制方法；信号处理模块包括终端分系统、监控分系统、时序控制器、发射机、接收机、天线反馈分系统和信号处理分系统；对消方式使用自适应动目标显示。
(2)实验内容及结果分析
通过显示终端的杂波抑制及目标航迹来验证本发明在雷达实际工作中的良好效果。参考图2，为本发明系统使用固定时序时的跟踪显示终端图。从图2可以看出，有部分杂波(黄色部分)未对消干净；参考图3，为本发明系统使用自适应时序时的跟踪显示终端图。从图3可以看出，使用自适应时序的本发明系统可将杂波对消干净，对目标成功跟踪，实验效果良好；
通过比较本发明系统使用不同时序码时发射信号的频谱图，来验证本发明在雷达实际工作中的良好效果。参考图4为本发明系统使用时序码1时发射信号的频谱图。参考图5为本发明系统使用固定时序(选用最大能量，即时序码3)时发射信号的频谱图。图4和图5中，横坐标为距离波束法线方向的采样点，纵坐标为归一化功率。从图4和图5可以看出，图4的副瓣更低，即主瓣能量更少，节省了能量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统，其特征在于，包括天线反馈分系统，与天线反馈分系统的接收输入端依次连接的接收机、信号处理分系统、终端分系统、监控分系统、时序控制器以及发射机，所述发射机的发射端电连接所述天线反馈分系统的发射输入端；
(1)终端分系统，设置重点目标队列管理功能，在低空搜索或中高空跟踪时，将威胁最大的目标在其显示终端上设置为重点目标，将重点目标距离信息发送至监控分系统；
(2)监控分系统，根据接收到的重点目标距离自适应地判断重点目标所在的距离区域，得到最佳时序码，并将最佳时序码发送至时序管理器；并根据雷达参数和重点目标距离划定重点目标相邻区域；
所述监控分系统，根据接收到的重点目标距离自适应地判断重点目标所在的距离区域，得到最佳时序码，具体包括：
所述监控分系统将目标距离划分为3个距离区域，其中每个距离区域对应一种时序码，每种时序码具有特定的发射脉宽和脉冲重频；第一距离区域为近距离区域，对应时序码1；第二距离区域为中距离区域，对应时序码2；第三距离区域为远距离区域，对应时序码3；
所述监控分系统根据接收到的重点目标距离判断重点目标所在的距离区域，将该距离区域对应的时序码设定为最佳时序码；
(3)时序控制器，接收到最佳时序码，产生具有与最佳时序码对应的发射脉宽和脉冲重频的发射信号；
(4)发射机，将发射信号经过大功率放大器放大滤波，产生发射射频信号，并发送至天线反馈分系统；
(5)天线反馈分系统，将发射射频信号进行发射，在遇到目标或杂波时，天线反馈分系统接收到回波射频信号，并发送回波射频信号至接收机；
(6)接收机，将回波射频信号进行混频、滤波至中频信号xif(t)；接着，将该中频信号xif(t)进行模/数转换，获得中频离散信号x(n)；然后，使用数字正交相位检波器对中频离散信号x(n)进行数字正交变换，并经过低通滤波器滤除高频分量，得到基带正交双路信号；最后，将基带正交双路信号发送至信号处理分系统；
(7)信号处理分系统，将基带正交双路信号进行波束合成和脉冲压缩；只在重点目标相邻区域内，根据波束合成和脉冲压缩后的基带正交双路信号，识别出重点目标；将重点目标距离、高度以及方位偏差信息反馈至终端分系统。
2.如权利要求1所述的根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统，其特征在于，所述第三距离区域的划分过程为：第三距离区域的目标距离、发射脉宽和脉冲重频由该区域的最大不模糊测距距离s3决定；由计算出第三距离区域脉冲重复周期Tr3，其中，c为电磁波传输速率；在第三距离区域发射脉宽τ3满足时，由计算出第三距离区域的盲区距离计算值留出第三距离区域盲区距离余量Δsd3，第三距离区域的盲区距离实际值对应的目标距离应避开该盲区，取第三距离区域的目标距离S3＞sd3。
3.如权利要求1所述的根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统，其特征在于，所述第二距离区域的划分过程为：第二距离区域的目标距离、发射脉宽和脉冲重频由该区域的最大不模糊测距距离s2和第三距离区域的盲区距离实际值sd3决定；由计算出其中第二距离区域脉冲重复周期Tr2，其中，c为电磁波传输速率；在第二距离区域发射脉宽τ2满足时，由计算出第二距离区域的盲区距离计算值留出第二距离区域的盲区距离余量Δsd2，第二距离区域的盲区距离实际值对应的目标距离应在第三距离区域盲区内避开第二距离区域盲区，取第二距离区域的目标距离sd2＜S2≤sd3。
4.如权利要求1所述的根据目标距离自适应选择波形的目标指示雷达系统，其特征在于，所述第一距离区域的划分过程为：第一距离区域的目标距离S1由第二距离区域的盲区距离实际值sd2决定，取S1≤sd2；第一距离区域的发射脉宽和脉冲重频由该区域的最大不模糊测距距离s1决定，由计算出第一距离区域脉冲重复周期Tr1，其中，c为电磁波传输速率；同时要求第一距离区域发射脉宽τ1满足
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