CN104914430A - 一种根据目标距离自适应选择发射阵元的阵列雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种根据目标距离自适应选择发射阵元的阵列雷达系统，包括天线反馈分系统、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；监控分系统根据重点目标距离，自适应地选择赋形码，并划定重点目标相邻区域；时序控制器产发射信号；发射机将发射信号放大、滤波产生发射射频信号，并根据各个阵元的位置产生移相码；天线反馈分系统发射射频信号序列并接收射频反射信号序列；接收机将射频反射信号序列进行混频处理得到基带正交双路信号序列，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、高度以及方位偏差信息反馈至终端分系统。

Description

一种根据目标距离自适应选择发射阵元的阵列雷达系统

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发射阵元的阵列雷达系统，适用于实际工程应用。

背景技术

阵列信号处理是信号处理领域的重要分支，它将多个传感器设置在空间的不同位置组成传感器阵列，并利用这一阵列对空间信号场进行接收(多点并行采样)和处理。阵列信号处理与一般的信号处理方式不同，阵列是按一定方式布置在空间不同位置上的传感器组，主要利用信号空域特征来增强信号，并有效提取信号空域信息，因此阵列信号处理也称为空域信号处理。

一直以来，对于阵列雷达，发射阵元(发射天线)的位置和数量对其性能的影响是巨大的。阵列信号处理相当于空域滤波，类比于时域滤波，发射阵元类比于时域中的采样点。空域采样点的选择直接影响了阵列雷达的滤波及采样特性，所以发射阵元的选择对于提高雷达性能具有重要意义。

工程上发射阵元选择时常用的是固定阵元的方法。该方法中，阵列雷达使用固定阵元发射射频信号，其波束宽度只与发射阵元间距以及发射波长有关，且发射阵元的数量是固定的。对于这种具有固定发射阵元的雷达，每次发射射频信号都是集中雷达全部能量探测，即用全部阵元进行探测，波束较窄，波束指向性准确，在探测远程目标时是必要的。但是在搜索中近程目标时，相比较于波束指向性准确，对目标的搜索时间更为重要，雷达需要尽快完成一个仰角区的搜索以发现危险目标；在跟踪中近程目标时，如果波束较窄，则很难使目标落在主波束内。所以对于固定阵元的方法，其波束较窄，搜索一个仰角区所需时间较长，难以使目标落在主波束内，不利于对中近程目标进行搜索或跟踪。

发明内容

本发明的目的在于提出一种根据目标距离自适应选择发射阵元的阵列雷达系统，以提高阵列雷达对中近程目标的的跟踪能力。

本发明的根据目标距离自适应选择发射阵元的阵列雷达系统，基于自适应选择阵元法来实现。由于远程目标主要集中于低空，中近程目标主要集中于中高空，为提高雷达的搜索和跟踪能力，自适应选择阵元法对远程低空目标集中雷达全部能量进行探测；对中近程中高空目标使用赋形码控制发射阵元的数量来进行探测。该方法使雷达探测目标的灵活性大大提高，在搜索跟踪中近程目标时，节省了能量；而且该方法使波束变宽，探测一个仰角区的时间大大减少，在跟踪中近程目标时，发现目标的概率也变大。

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发射阵元的阵列雷达系统，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，建立重点目标队列管理功能，在低空域搜索或中高空域跟踪时，将威胁最大的目标在其显示终端上设置为重点目标，将接收到的信号处理分系统的重点目标距离发送至监控分系统；

(2)监控分系统，根据重点目标距离，自适应地选择不同的赋形码；并将时序码和波形码发送至时序控制器；监控分系统根据重点目标距离划定重点目标相邻区域；

(3)时序控制器，根据接收到的时序码、波形码产生具有对应发射脉宽和脉冲重频的发射信号，然后将发射信号发送至发射机；

(4)发射机，将发射信号经过大功率放大器放、滤波，产生发射射频信号；根据各个阵元间的位置选定各个阵元的相位偏移，即移相码；然后将发射射频信号和移相码发送至天线反馈分系统；

(5)天线反馈分系统，根据赋形码和移相码选择发射阵元的数量和位置，然后，设定各个发射阵元发射具有相同发射脉宽和脉冲重频的发射射频信号，则天线反馈分系统发射了一个发射射频信号序列，在遇到目标或杂波时，天线反馈分系统接收射频反射信号序列，并发送射频反射信号序列至接收机；

(6)接收机，将射频反射信号序列混频、滤波，得到中频信号序列；接着，将该中频信号序列进行模/数转换(A/D)，获得中频离散信号序列；然后，使用数字正交相位检波器对中频离散信号序列进行数字正交变换，经过低通滤波器滤除高频分量，得到基带正交双路信号序列；最后，将基带正交双路信号序列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序列进行波束合成和脉冲压缩，得到合成基带正交双路信号；然后，根据参差码提取动目标显示/自适应动目标显示滤波器(MTI/AMTI)系数，对合成基带正交双路信号进行滤波，提高目标信杂比；只在重点目标相邻区域内，根据合成基带正交双路信号，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)本发明对阵列雷达的发射阵元实现了自适应控制，使雷达发射控制变得灵活，在跟踪中近程目标时，节省了能量。

2)本发明在探测中近程目标时更具有优势。探测中近程目标时，本发明使用较少的阵元发射脉冲，使波束变宽，探测范围变大，天线在每扫描周期都能接收到足够多的目标回波脉冲数，从而提高了发现目标的概率。

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为本发明的根据目标距离自适应选择发射阵元的阵列雷达系统的流程图；

图2为实验中使用第9～16行发射阵元时的天线方向图；

图3为实验中使用第1～24行发射阵元时的天线方向图；

图4为本发明系统对民航的跟踪显示终端图；

图5为本发明系统对军用直升机的跟踪显示终端图。

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发射阵元的阵列雷达系统，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，建立重点目标队列管理功能，在低空域搜索或中高空域跟踪时，将威胁最大的目标在其显示终端上设置为重点目标，将接收到的信号处理分系统的重点目标距离发送至监控分系统。

(2)监控分系统，根据重点目标距离，自适应地选择不同的赋形码；并将时序码和波形码发送至时序控制器；监控分系统根据重点目标距离划定重点目标相邻区域。

具体地，监控分系统根据重点目标距离将探测空域分为小仰角区、中仰角区以及大仰角区；每个仰角区对应一种赋形码，不同的赋性码具有不同的发射阵元(发射天线)的数量和位置；重点目标位于小仰角区时选择赋形码0对其进行探测；重点目标位于中仰角区时选择赋形码1对其进行探测；重点目标位于大仰角区时选择赋形码2对其进行探测。

其中，赋形码选择发射阵元的规则为：远、中、近程的重点目标的仰角范围依次变大，探测用波束依次由窄变宽，探测时需要的阵元数依次由多变少。

下表1为本发明实例中不同赋形码对应的发射阵元和仰角探测范围表。在本发明实例中，设定小仰角区为0°～6°；中仰角区为6°～22°；大仰角区为22°～55°。本发明实例中发射天线总共有24行。赋形码0使用可探测小仰角区的全部发射阵元，即第1-24行发射天线；赋形码1使用可探测中仰角区的部分发射阵元，即第8-17行发射天线；赋形码2使用可探测大仰角区的部分发射阵元，即第9-16行发射天线。

表1 为本发明实例中不同赋形码对应的发射阵元和仰角探测范围表

赋形码	发射天线行数	仰角探测范围(度)
			0	1-24	2-6
1	8-17	7-22
			2	9-16	24-55

其中，赋性码0选择发射阵元的过程为：在本发明实例中，一个仰角区被分为6个波位，第1波位为最低波位，第6波位为最高波位。重点目标在第1波位和第2波位内时，第1波位和第2波位的发射波束的角度分别为2.5度和5度，这时使用第1-24行发射天线进行探测；根据第1-24行发射天线所形成的的波束宽度(该波束较窄)可知，第1波位可探测的目标的仰角范围为2～3度，第2波位可探测的目标的仰角范围为4～6度。

其中，赋性码1选择发射阵元的过程为：重点目标在第3波位和第4波位内时，第3波位和第4波位的发射波束的角度分别为9度和18度，这时使用第8-17行发射天线进行探测；根据第8-17行发射天线所形成的的波束宽度可知，第3波位可探测的目标的仰角范围为7～13度，第4波位可探测的目标的仰角范围为16～22度。

其中，赋性码2选择发射阵元的过程为：重点目标在第5波位和第6波位内时，第5波位和第6波位的发射波束的角度分别为29度和44度，这时使用第9-16行发射天线进行探测；根据第9-16行发射天线所形成的的波束宽度(该波束较宽)可知，第5波位可探测的目标的仰角范围为24～36度，第6波位可探测的目标的仰角范围为38～55度。

(3)时序控制器，根据接收到的时序码、波形码产生具有对应发射脉宽和脉冲重频的发射信号，然后将发射信号发送至发射机。

其中，发射信号x(t)是一个载频为f₀的线性调频脉冲信号，可表示为

$x\left(t\right)=\mathrm{rect}\left(t\right)\·\mathrm{Aexp}\left[j(2\mathrm{\π}{f}_{0}t+\frac{1}{2}{\mathrm{\μt}}^2)\right]$

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：

$\mathrm{rect}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}1,|t\±{\mathrm{NT}}_r|\≤\mathrm{\τ}/2\\ 0,|t\±{\mathrm{NT}}_r|>\mathrm{\τ}/2\end{array}\right.$

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...，T_r为脉冲重复周期，即为脉冲重频的倒数。

(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；根据各个阵元间的位置选定各个阵元的相位偏移，即移相码；然后将发射射频信号和移相码发送至天线反馈分系统。

其中，发射机一般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，根据赋形码和移相码选择发射阵元的数量和位置，然后，设定各个发射阵元发射具有相同发射脉宽和脉冲重频的发射射频信号，则天线反馈分系统发射了一个发射射频信号序列，在遇到目标或杂波时，天线反馈分系统接收射频反射信号序列，并发送射频反射信号序列至接收机。

(6)接收机，将射频反射信号序列混频、滤波，得到中频信号序列；接着，将该中频信号序列进行模/数转换(A/D)，获得中频离散信号序列；然后，使用数字正交相位检波器对中频离散信号序列进行数字正交变换，经过低通滤波器滤除高频分量，得到基带正交双路信号序列；最后，将基带正交双路信号序列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序列进行波束合成和脉冲压缩，得到合成基带正交双路信号；然后，根据参差码提取动目标显示/自适应动目标显示滤波器(MTI/AMTI)系数，对合成基带正交双路信号进行滤波，提高目标信杂比；只在重点目标相邻区域内，根据合成基带正交双路信号，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选择阵元法的控制方法；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)实验内容及分析

通过对比使用不同行数发射阵元时的天线方向图，来验证本发明在探测中近程目标时的良好效果。参考图2，为实验中使用第9～16行发射阵元时的天线方向图。参考图3，为实验中使用第1～24行发射阵元时的天线方向图。图2和图3中，横坐标为发射阵元与天线法线方向的夹角，单位为度，纵坐标为归一化天线增益。对比图2和图3可知，使用可探测大仰角的部分发射阵元探测近程目标时，波束主瓣展宽，主副瓣比值较小，主瓣所占能量较少；而使用全部发射阵元探测近程目标时，主副瓣比值较大，主瓣所占能量较多，所以使用可探测大仰角的部分发射阵元探测近程目标时节约了能量。

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4，为本发明系统对民航的跟踪显示终端图。从图4中可以清楚看到民航的航迹，效果良好。参考图5，为本发明系统对军用直升机的跟踪显示终端图。从图5可以看出，基于自适应选择阵元方法的本发明系统使杂波对消干净，对目标成功跟踪，实验效果良好。

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 (3)

1.一种根据目标距离自适应选择发射阵元的阵列雷达系统，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，建立重点目标队列管理功能，在低空域搜索或中高空域跟踪时，将威胁最大的目标在其显示终端上设置为重点目标，将接收到的信号处理分系统的重点目标距离发送至监控分系统；

(2)监控分系统，根据重点目标距离，自适应地选择不同的赋形码；并将时序码和波形码发送至时序控制器；监控分系统根据重点目标距离划定重点目标相邻区域；

(3)时序控制器，根据接收到的时序码、波形码产生具有对应发射脉宽和脉冲重频的发射信号，然后将发射信号发送至发射机；

(4)发射机，将发射信号经过大功率放大器放、滤波，产生发射射频信号；根据各个阵元间的位置选定各个阵元的相位偏移，即移相码；然后将发射射频信号和移相码发送至天线反馈分系统；

(5)天线反馈分系统，根据赋形码和移相码选择发射阵元的数量和位置，然后，设定各个发射阵元发射具有相同发射脉宽和脉冲重频的发射射频信号，则天线反馈分系统发射了一个发射射频信号序列，在遇到目标或杂波时，天线反馈分系统接收射频反射信号序列，并发送射频反射信号序列至接收机；

(6)接收机，将射频反射信号序列混频、滤波，得到中频信号序列；接着，将该中频信号序列进行模/数转换，获得中频离散信号序列；然后，使用数字正交相位检波器对中频离散信号序列进行数字正交变换，经过低通滤波器滤除高频分量，得到基带正交双路信号序列；最后，将基带正交双路信号序列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序列进行波束合成和脉冲压缩，得到合成基带正交双路信号；然后，根据参差码提取动目标显示/自适应动目标显示滤波器系数，对合成基带正交双路信号进行滤波，提高目标信杂比；只在重点目标相邻区域内，根据合成基带正交双路信号，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发射阵元的阵列雷达系统，其特征在于，所述监控分系统根据重点目标距离将探测空域分为小仰角区、中仰角区以及大仰角区；每个仰角区对应一种赋形码，不同的赋性码具有不同的发射阵元的数量和位置；重点目标位于小仰角区时选择赋形码0对其进行探测；重点目标位于中仰角区时选择赋形码1对其进行探测；重点目标位于大仰角区时选择赋形码2对其进行探测；

所述赋形码选择发射阵元的规则为：远、中、近程的重点目标的仰角范围依次变大，探测用波束依次由窄变宽，探测时需要的阵元数依次由多变少。

3.如权利要求2所述的根据目标距离自适应选择发射阵元的阵列雷达系统，其特征在于，所述小仰角区为0°～6°；中仰角区为6°～22°；大仰角区为22°～55°。