CN1063268C - 雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本雷达装置的组成：带有大量发射和接收模块的相控阵天线、控制单元及视频处理单元。在每一方位角-仰角方向上，控制单元发出许多脉冲串，它们都表现出微小的载频差。对于每个脉冲串，视频处理器确定一种多普勒频谱，并且比较连续的频谱。作为频差的结果，杂波几乎不能受到频移，而在频域中受到反向折迭的目标却表现出一个相当大的频移。因而一个基于平均谱的门限使探测成为可能。

Description

雷达装置
本发明涉及一种用于高速目标探测的雷达装置，其组成为：天线设备；发射设备，它在每一天线方向上，产生至少N个发射脉冲中的至少M个脉冲串，这里，M=2，3，……，N=2，3，…；接收设备，对于每一发射脉冲，用于每一距离单位的雷达回波信号的接收；连接于接收设备上的视频处理器，包括一个N-点(快速傅立叶变换)多普勒滤波器组，用来将每一脉冲串和每一距离单位上的雷达回波信号处理为一个N-通频带(bin)多普勒频谱，及一个门限电路，对于每一距离单位，当至少一个距离单位上的至少一个门限出现超出(crossing)时，提供用于告警产生的N个门限值。
这种雷达装置见于美国专利说明5,049,889。该专利说明揭示了一种通过分为距离－方位角单元的N个杂波图来产生N个门限的方法。
现代雷达系统通常为三维型式。依杂波图确定门限将要求距离－方位角－仰角单元的划分，它除了需要相当大的硬件投资外，为了刷新杂波图的内容，亦要求(占用)雷达系统的有效工作时间和功率预算的相当大的一部分。特别地讲，如果雷达系统是一种有源相控阵类型雷达，那么全部的搜索空间就不再被周期性地扫描，故基于杂波图的门限不再有吸引力了。
本发明克服了这个缺点，其特征在于：门限电路由门限产生器组成，它在每一距离单位上根据M个多普勒频谱实现N个门限值的产生。
根据本发明的第一个实施例，有可能通过采用技术上著名的波瓣效应来检测高速目标。波瓣效应将引起目标周期性地消失，其原因是：根据上面的方法，从距离和频率上考虑，在目标确定中占优势的门限将成为极其小的。因为多路效应的衰减不再出现，只要目标突然一出现，就将出现门限超出(threshold crossing)，同时目标将被探测到。
这个解决办法完全符合相控阵雷达的搜索行为，它在一个通常选定的方向上发射许多脉冲串。然而，如果其它系统允许在一预定方向上发射足够数量的脉冲串，这个解决办法也可用于其它雷达系统中。因为门限值的确定不要求同时采用所有M个多普勒频谱。相反，有可能根据由P个连续的脉冲串得到的P个多普勒频谱来产生门限值，这里，P=2，…，M，一般采用最新产生的多普勒频谱。
本发明的一个最佳的实施例，其特征在于：门限产生器包括根据P个多普勒频谱来产生一个平均多普勒频谱的累加器。
为了得到一个预置的虚警率，门限电路可以包括一个加法器，用来增加由决定于每一多普勒频率的附加门限值而得到的平均多普勒频谱。
由于目标以极高的速度到达，本发明应该被进一步深化。作为一种规律，一些有着非常小的雷达(散射)截面的目标以0.5马赫至3马赫的速度接近雷达装置。首先，应该选定一个脉冲重复频率(PRF)。传统上，为了能在不出现反向折迭(fold-back)的情况下确定多普勒频谱，这个PRF被选择得较高。随之而来的该多普勒频谱的门限对各种类型的杂波产生优良的抑制作用，如地杂波、海杂波、雨、飞鸟及箔条干扰。然而，高PRF的一个缺点是当反向折迭(fold-back)出现在距离域(range domain)的情况下，不再能无模糊地确定目标距离。这个缺点在技术上是众所周知的，通过附加处理建立一个无模糊目标距离这种解决方案也是公知的。
再者，反向折迭(fold-back)的一个缺点是一个远处的小目标与(与之)很近的极强的杂波源恰好重合的可能性。这个问题在原理上也是可解决的，但是它对雷达装置的稳定性提出了较高的要求。
距离域上的反向折迭的另一个相当大的缺点是当前雷达技术发展的结果。雷达技术上，特别是在相控阵雷达领域，一个一般的发展趋势是采用具有大工作比(large duty cycles)的脉冲。一方面，这是源于固态发射机不适于产生高频脉冲的事实，另一方面在于一个广泛持有的观念：低峰值功率不太容易被监视设备探测到，如电子支援措施(ESM－Electronic Support Measures)接收机。对于有源相控阵天线，建议采用30％以上的工作比。这意味着在无模糊雷达距离的第一个30％期间，雷达装置处于盲态，或者至少它的功能不很理想，这个距离的目标回波看上去部分重叠于发射脉冲。无模糊雷达距离功能的最后30％次优化地工作，是由于部分与下一个发射脉冲重叠的回波。实际上，仅仅理想地得到了无模糊雷达距离的40％。在这种情况下，探测概率最小，并且，目标距离的无模糊确定是几乎不可能的。
根据本发明的雷达装置，其特征在于：如此选择PRF，以使在预定的探测距离内有可能无模糊地确定目标距离。这样做的直接结果是具有一个超过PRF/2的多普勒频率的目标将反向折迭，并且将被杂波掩盖。根据本发明，这个可以被看成一个缺点的结果被用来增加探测概率。本发明的最佳的实施例，其特征在于：至少N个发射脉冲中的连续脉冲串具有不同的雷达频率。特别来讲，如果从脉中串到脉冲串都已经选择了雷达频率，以使一个多普勒频率在大多数两个多普勒通频带(dopplerbins)间不受到反向折迭改变，从而得到了一种极好的探测(效果)。与属于慢速运动的目标在不同的频率几乎不改变的情况相反，以高速接近的目标在多普勒频谱上将表现出明显的改变。这引起了一个偏离上面的确定频谱或平均频谱的含有目标的频谱，这样实现了目标探测，并且阻止了目标连续地被杂波淹没。
同样的效果可以通过在不同的PRF上发射连续的脉冲串来得到。然而，这带来缺点，即第二跟踪杂波将在多普勒频谱的不同位置连续地出现，它取决于所选的PRF。这可能增加虚警率。根据本发明的雷达装置的特征在于：M个连续脉冲串有着同样的脉冲重复频率。
在一个固定的PRF和不同的雷达发射频率点上，目标将不总是引起一个门限超出。这样，作为一个引起目标被淹没的规律，举例来讲，一个受到反向折迭的目标可能与一个极强的杂波重合。在本发明的一个最佳实施例中，门限电路的组成为：比较器电路－在每一多普勒频率点上将前面得到的多普勒频谱与门限值进行比较；警报产生器－如果L个连续多普勒频谱中的至少K个显示至少一个门限超出(crossing)时，产生警报，这里，K=1，2，…，L=1，2，…，K＜L。
现在将参考下面这些插图进一步地解释本发明：
图1表示了根据本发明的雷达装置的一个实施例；
图2表示了视频处理器的一个实施例的方框图；
图3A表示了一个包含噪声、海杂波、雨杂波和一个目标的多普勒频谱；
图3B表示了这一具有微小雷达频率改变的多普勒频谱。
图1表示了一个根据本发明的雷达装置的实施例，包括由大量发射和接收模块2组成的有源相控阵天线1，这些模块在一起组成了发射设备和接收设备。相控阵天线1由控制单元3来控制，它以一种技术上已知的方式决定了天线的方位角-仰角方向，并且产生了控制着发射和接收模块2的脉冲和本地振荡器信号的脉冲串。接收到的雷达回波信号通常是以数字化的形式，用于被设计用来检测高速目标的视频处理器4。在这里，高速与以0.5至3马赫的速度接近的目标有关，例如导弹。这些具有大约0.01平方米的(雷达散射)横截面积的目标必须在允许一种武器(来得及)被运用的距离被探测到。这点考虑引出了一个所希望的雷达距离，例如20公里。一个有源相控阵能够传递的有限的峰值功率提供具有一很大工作比－例如必需的33％的发射脉冲的应用。鉴于很大的工作比和在距离上的反向折迭情况下所遇到的相关问题，采用了无模糊地确定目标距离的脉冲串。作为一个由发射脉中引起的重叠的结果的无模糊雷达距离的第一个33％和作为一个由下一个发射脉冲引起的重叠的结果的最后的33％，在上述两者中都允许了一个降低的敏感度，这导致了一个66.6微秒的最佳脉冲长度和一个200微秒的脉冲重复时间。这使在10-20公里距离范围内的目标能够无模糊和无探测损失地被探测到。
图2表示了视频处理器的一个可能的实施例的方框图。接收到的雷达回波信号应用于多普勒滤波器组5。对于一个例如10Ghz的雷达发射频率，由该滤波器组得到的谱覆盖-2.5KHz到+2.5KHz的范围，它对应于一个-37.5米/秒到+37.5米/秒的无模糊速度范围。这意味着杂波实际上将在整个频谱范围内出现。另外，一个在该频谱内可能包含目标的频谱却不能被从杂波中区分开来。当比较几个以同样雷达频率和同样PRF注册的连续频谱时，目标的强度似乎明显地变化，同时杂波强度似乎保持不变。目标强度的变化由来自著名的出现在10-20km范围内的多径效应导致的波瓣效应所引起，它在所选择的雷达频率上是极其明显的。
这引出了本雷达装置的第一个最佳的实施例，视频处理器4也带有一个累加器6和一个加法器7，累加器用于根据几个连续谱确定平均谱，加法器用于用附加的门限值来增加平均的频谱，该门限值可以在每个多普勒频率上选择并且取决于特定的虚警率和连续谱的统计规律。这样得到的平均谱和例如由多普勒滤波器组5产生的第一频谱一起被应用于门限电路8。对于一个在强度上有增益的目标，例如一个出现于两个波瓣间零点处的目标，这导致了一个门限超出。因为准确地知道了每一方位角-仰角方向上的所有零点的位置，所以总有可能选择一个雷达波束静止时间，以使探测概率是最佳的。
本雷达装置的第二个最佳的实施例可以采用上面描述的、可参考图2的视频处理器4。该实施例利用了目标的极高的速度，达到了最大限度的优化。将通过图3A和图3B来阐明该原理，图3A中显示了一个含有噪声9、海杂波10、雨杂波11和一个目标12的多普勒频谱，同时图3B显示了一个在微小的雷达频率差得到的比较谱。这些频谱已经利用多普勒滤波器5得到了，把它当作一个64一点滤波器来产生64-通频带(BIN)多普勒频谱，每一个有着1。15m/sec的宽度。在图3A所示的频谱中如果雷达频率是10Ghz，那么在图3B中就被固定在了10。31Ghz。因为雷达频率的这种改变甚至对于有着37.5米/秒径向速度的物体，也引起不超过一个通频带(bin)的频移，所以两个图中的杂波谱至少在本质上是一致的。这也需要一个由累加器6确定的平均谱，它在雷达频率有微小改变时，本质上保持不变并且这样一个平均谱仍适合于产生上述的门限。这两个图都表明了在雷达频率的较小变化的影响下目标的明显的改变。这样，从上面描述的由频率反向折迭导致的雷达频率上的改变来看，一个以300米/秒的速度接近雷达装置的目标，将大约移动8个距离单位。如果一个利用多普勒滤波器组5得到的频谱与一个由累加器6确定和加法器7的增加的一个平均谱进行比较，门限电路8就可以产生一个门限超出。
提出由几个连续的频谱代替一个频谱来产生门限超出的要求可以得到较低的虚警率。但是，鉴于一个频谱内的目标在某些情况下可能与较强的杂波，如海杂波10重合的情况，这样做可能降低了探测概率。通过采用带有一个告警产生器的门限电路8，如果L中的K个(K=1，2，…，L=1，2，…，K＜L)连续多普勒频谱产生一个门限超出时告警产生器就产生告警，就得到了一个最佳的探测。在这方面，一个优化的结果是K=2，L=3。

Claims (9)

1．一种用于高速目标探测的雷达装置，其组成为：天线设备；发射设备，它在每一天线方向上，产生至少N个发射脉冲中的至少M个脉冲串，这里，M=2，3，……，N=2，3，…；接收设备，对于每一发射脉冲，用于每一距离单位的雷达回波信号的接收；连接于接收设备上的视频处理器，包括一个N-点(快速傅立叶变换)多普勒滤波器组，用来将每一脉冲串和每一距离单位上的雷达回波信号处理为一个N-通频带多普勒频谱，及一个门限电路，对于每一距离单位，当至少一个距离单位上的至少一个门限出现超出(cro-ssing)时，提供用于告警产生的N个门限值，其特征在于：门限电路包括一个在每一距离单位上，根据M个多普勒频谱，用来产生N个门限值的门限产生器。
2．如权利要求1所述的雷达装置，其特征在于：根据由P个连续脉冲串得到的P个多普勒频谱来产生门限值，这里，P=2，…，M。
3．如权利要求2所述的雷达装置，其特征在于：门限产生器包括一个用于在P个多普勒频谱基础上产生一个平均多普勒频谱的累加器。
4．如权利要求3所述的雷达装置，其特征在于：门限电路包括一个加法器，为了得到一个预定的虚警概率，它用于通过在每一多普勒频率上确定的附加门限值来增加平均多普勒频谱。
5．如权利要求4所述的雷达装置，其特征在于：为了能在预定探测范围内完成目标距离的非模糊确定，应该选定发射脉冲的脉冲重复频率(PRF)。
6．如权利要求5所述的雷达装置，其特征在于：至少N个发射脉冲的连续脉冲串具有不同的雷达频率。
7．如权利要求6所述的雷达装置，其特征在于：从脉冲串到脉冲串，都已经选择了雷达频率，以使在大多数两个多普勒通频带间(at most two doppler bins)，多普勒频率不会有反向折迭改变。
8．如权利要求7所述的雷达装置，其特征在于：M个脉冲串有同样的脉冲重复频率(PRF)。
9．如权利要求7或8所述的雷达装置，其特征在于：门限电路的组成为：比较器电路－在每一多普勒频率点上将最新得到的多普勒频谱与门限值进行比较；告警产生器－如果L个连续多普勒频谱中的至少K个显示至少一个门限超出(thresholdcrossing)时，产生告警，这里，K=1，2，…，L=1，2，…，K＜L＜M。
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