CN105866746A - 一种数字相控阵中fmcw体制t/r单元的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字相控阵中FMCW体制T/R单元的应用，该T/R单元包括射频收发模块、数字波形发生器、数字中频接收机、光纤通信模块以及电源模块；其应用是在系统的波控指令下，通过对多路DDS信号的幅度和相位进行控制，上变频得到射频信号，并通过天线辐射出去，在空中形成定向收发波束；接收机下变频为中频信号，数字中频接收机通过IF对消处理技术，抑制FMCW的发射泄漏信号，实现FMCW雷达体制收发隔离功能，目标信号通过IF数字采样得到接收信号数据流，通过光纤接口汇总到终端处理计算机，得到数字接收波束，实现相控阵雷达功能，将FMCW体制T/R组件与数字阵列雷达结合，将获得FMCW雷达体制所固有的，良好的距离分辨率和多普勒测速性能，可以极大地提高发射机平均功率，从而提高数字相控阵雷达的探测性能。

Description

一种数字相控阵中FMCW体制T/R单元的应用
技术领域
本发明涉及相控阵雷达技术领域，具体涉及一种数字相控阵中FMCW体制T/R单元的应用。
背景技术
相控阵雷达(英文：PhasedArrayRadar，PAR)即相位控制电子扫描阵列雷达，利用大量可控的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的开关控制，基于惠更斯原理通过控制各天线元件发射的时间差，就能合成不同相位(指向)的主波束，而且在两个轴向上均可进行相位变化；与托马斯·杨的双缝实验相似，相控阵各移相器发射的电磁波以建设性干涉原理强化并合成一个接近笔直的雷达主波瓣，而旁瓣则由于干涉相消而大幅减低。
相控阵分为“被动无源式”(PESA)与“主动有源式”(AESA)，其中技术门槛较低的“被动无源式”在上世纪80年代已有较成熟的系统部署于舰艇及中/小型飞机上，而性能更优异、发展前景更好但技术门槛较高的“主动有源式”则到了90年代末期才开始有实用的战机用与舰载系统开始服役。
相控阵雷达虽然性能优异，但因为造价昂贵，操作成本高，多用于军事用途，比较著名的相控阵雷达例如美国伯克级驱逐舰的AN/SPY-1无源相控阵雷达、中国052D型驱逐舰的364A型有源相控阵雷达、美国AN/FPS-115“铺路爪”远程预警雷达、美国F-22战斗机的AN/APG-77有源相控阵雷达等。
其原理为：相控阵雷达的天线阵面也由许多个辐射单元和接收单元(称为阵元)组成，单元数目和雷达的功能有关，可以从几百个到几万个。这些单元有规则地排列在平面上，构成阵列天线。利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位，就可以改变波束的方向进行扫描，故称为电扫描。辐射单元把接收到的回波信号送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。每个天线单元除了有天线振子之外，还有移相器等必须的器件。不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流，从而在空间辐射出不同方向性的波束。天线的单元数目越多，则波束在空间可能的方位就越多。这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线，“相控阵”由此得名。相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干辐射单元即为线阵，在两维上排列若干辐射单元称为平面阵。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上.这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点，能以一部天线实现全空域电扫。通常的共形阵天线有环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等。综上所述，相控阵雷达因其天线为相控阵型而得名。
相控阵雷达广泛应用于现代武器装备和民用领域，数字阵列雷达是采用数字化技术，实现发射波束和接收波束(DBF)的数字化控制，无需独立的数控移相器和数控衰减器，是有源相控阵雷达的最新发展方向。
相控阵雷达广泛应用于现代武器装备和民用领域，数字阵列雷达是采用数字化技术，实现发射波束和接收波束(DBF)的数字化控制，无需独立的数控移相器和数控衰减器，是有源相控阵雷达的最新发展方向。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种数字相控阵中FMCW体制T/R单元的应用，将FMCW体制T/R组件与数字阵列雷达相结合，将获得FMCW雷达体制所固有的，良好的距离分辨率和多普勒测速性能，通过相控阵阵列组合，可以极大地提高发射机平均功率，从而提高数字相控阵雷达的探测性能，可以有效解决背景技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种数字相控阵中FMCW体制T/R单元的应用，该T/R单元包括射频收发模块、数字波形发生器、数字中频接收机、光纤通信模块以及电源模块；
其应用是在系统的波控指令下，通过对多路DDS信号的幅度和相位进行控制，上变频得到射频信号，并通过天线辐射出去，在空中形成定向收发波束；接收机下变频为中频信号，数字中频接收机通过IF对消处理技术，抑制FMCW的发射泄漏信号，实现FMCW雷达体制收发隔离功能，目标信号通过IF数字采样得到接收信号数据流，通过光纤接口汇总到终端处理计算机，得到数字接收波束，从而实现相控阵雷达功能。
作为本发明一种优选的技术方案，通过设计IF对消电路实现FMCW雷达体制收发隔离功能，IF对消电路通过应用锁相环技术对发射泄漏信号幅度和相位进行跟踪，得到幅度相等、相位相反的信号，再进行叠加处理，从而得到发射信号对消不小于40dB的抑制，在保证数字中频接收机不包和的情况下，系统得到38dB～42dB的增益，剩余发射泄漏信号抑制处理由数字中频接收机完成，其对消抑制不小于80dB。
作为本发明一种优选的技术方案，所述IF对消电路由对消网络、放大器、滤波器以及限幅器组成，所述对消网络由耦合器、合路器、对消检测装置、IF检测装置对消信号发生器以及MCU组成，IF信号通过耦合器分为两路，一路通过IF检测装置进行信号的幅度及相位检测，通过指令控制MCU，使得对消信号发生器根据检测结果，发出对消信号，并通过合路器传输给对消检测装置，另一路直接通过合路器传输给对消检测装置，如果检测通过，则依次通过放大器、滤波器、放大器、限幅器、滤波器输出IF信号，若检测不通过，则通过MCU重新控制IF信号的输入。
作为本发明一种优选的技术方案，所述FMCW体制T/R单元通过光纤通信模块将发射和接收同时进行，实现宽脉冲发射，增大雷达的平均发射功率，并通过波形设计和信号处理技术，增强目标的探测能力和多目标跟踪性能。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用独特的波形设计和射频对消电路设计，解决了FMCW雷达单天线收发隔离问题(发射功率小于1W)，从而扩展了FMCW雷达的优良性能；
(2)本发明用FMCW模块作为相控阵的数字T/R单元，可以较大地提高T/R单元平均发射功率。与脉冲雷达相比，FMCW雷达具有较大时宽特性，平均发射功率可以提高成百上千倍；
(3)本发明平均发射功率的大幅增加，其探测灵敏度也将得到较大地提高，尤其对隐身目标的探测尤为显著；
(4)本发明减少相控阵雷达的波束扫描驻留时间，由于平均发射功率的较大，可以在较短的时间内获得较高SNR的目标特征，同时扩展了更多目标的跟踪能力；
(5)本发明在相同的时空分辨率条件下，可以减小阵列天线尺寸。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明IF对消电路的原理框图。
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。
实施例：
一种数字相控阵中FMCW体制T/R单元的应用，该T/R单元包括射频收发模块、数字波形发生器、数字中频接收机、光纤通信模块以及电源模块；
其应用是在系统的波控指令下，通过对多路DDS信号的幅度和相位进行控制，上变频得到射频信号，并通过天线辐射出去，在空中形成定向收发波束；接收机下变频为中频信号，数字中频接收机通过IF对消处理技术，抑制FMCW的发射泄漏信号，实现FMCW雷达体制收发隔离功能，目标信号通过IF数字采样得到接收信号数据流，通过光纤接口汇总到终端处理计算机，得到数字接收波束，从而实现相控阵雷达功能；通过设计IF对消电路实现FMCW雷达体制收发隔离功能，IF对消电路通过应用锁相环技术对发射泄漏信号幅度和相位进行跟踪，得到幅度相等、相位相反的信号，再进行叠加处理，从而得到发射信号对消不小于40dB的抑制，在保证数字中频接收机不包和的情况下，系统得到38dB～42dB的增益，剩余发射泄漏信号抑制处理由数字中频接收机完成，其对消抑制不小于80dB。
其中IF对消电路由对消网络、放大器、滤波器以及限幅器组成，所述对消网络由耦合器、合路器、对消检测装置、IF检测装置对消信号发生器以及MCU组成，IF信号通过耦合器分为两路，一路通过IF检测装置进行信号的幅度及相位检测，通过指令控制MCU，使得对消信号发生器根据检测结果，发出对消信号，并通过合路器传输给对消检测装置，另一路直接通过合路器传输给对消检测装置，如果检测通过，则依次通过放大器、滤波器、放大器、限幅器、滤波器输出IF信号，若检测不通过，则通过MCU重新控制IF信号的输入；所述FMCW体制T/R单元通过光纤通信模块将发射和接收同时进行，实现宽脉冲发射，增大雷达的平均发射功率，并通过波形设计和信号处理技术，增强目标的探测能力和多目标跟踪性能。
本发明是首次将FMCW体制T/R组件与数字阵列雷达相结合，将获得FMCW雷达体制所固有的，良好的距离分辨率和多普勒测速性能，通过相控阵阵列组合，可以极大地提高发射机平均功率，从而提高数字相控阵雷达的探测性能，FMCW体制T/R模块在数字阵列雷达中成功应用，即将产生深远意义。
基于上述，本发明的优点在于，本发明采用独特的波形设计和射频对消电路设计，解决了FMCW雷达单天线收发隔离问题(发射功率小于1W)，从而扩展了FMCW雷达的优良性能；用FMCW模块作为相控阵的数字T/R单元，可以较大地提高T/R单元平均发射功率。与脉冲雷达相比，FMCW雷达具有较大时宽特性，平均发射功率可以提高成百上千倍；平均发射功率的大幅增加，其探测灵敏度也将得到较大地提高，尤其对隐身目标的探测尤为显著；减少相控阵雷达的波束扫描驻留时间，由于平均发射功率的较大，可以在较短的时间内获得较高SNR的目标特征，同时扩展了更多目标的跟踪能力；在相同的时空分辨率条件下，可以减小阵列天线尺寸。
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 (4)

1.一种数字相控阵中FMCW体制T/R单元的应用，其特征在于，该T/R单元包括射频收发模块、数字波形发生器、数字中频接收机、光纤通信模块以及电源模块；
其应用是在系统的波控指令下，通过对多路DDS信号的幅度和相位进行控制，上变频得到射频信号，并通过天线辐射出去，在空中形成定向收发波束；接收机下变频为中频信号，数字中频接收机通过IF对消处理技术，抑制FMCW的发射泄漏信号，实现FMCW雷达体制收发隔离功能，目标信号通过IF数字采样得到接收信号数据流，通过光纤接口汇总到终端处理计算机，得到数字接收波束，从而实现相控阵雷达功能。
2.根据权利要求1所述的一种数字相控阵中FMCW体制T/R单元的应用，其特征在于：通过设计IF对消电路实现FMCW雷达体制收发隔离功能，IF对消电路通过应用锁相环技术对发射泄漏信号幅度和相位进行跟踪，得到幅度相等、相位相反的信号，再进行叠加处理，从而得到发射信号对消不小于40dB的抑制，在保证数字中频接收机不包和的情况下，系统得到38dB～42dB的增益，剩余发射泄漏信号抑制处理由数字中频接收机完成，其对消抑制不小于80dB。
3.根据权利要求2所述的一种数字相控阵中FMCW体制T/R单元的应用，其特征在于，所述IF对消电路由对消网络、放大器、滤波器以及限幅器组成，所述对消网络由耦合器、合路器、对消检测装置、IF检测装置对消信号发生器以及MCU组成，IF信号通过耦合器分为两路，一路通过IF检测装置进行信号的幅度及相位检测，通过指令控制MCU，使得对消信号发生器根据检测结果，发出对消信号，并通过合路器传输给对消检测装置，另一路直接通过合路器传输给对消检测装置，如果检测通过，则依次通过放大器、滤波器、放大器、限幅器、滤波器输出IF信号，若检测不通过，则通过MCU重新控制IF信号的输入。
4.根据权利要求1所述的一种数字相控阵中FMCW体制T/R单元的应用，其特征在于，所述FMCW体制T/R单元通过光纤通信模块将发射和接收同时进行，实现宽脉冲发射，增大雷达的平均发射功率，并通过波形设计和信号处理技术，增强目标的探测能力和多目标跟踪性能。
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