CN106546973A - 相控阵雷达及其全空域目标搜索方法 - Google Patents

相控阵雷达及其全空域目标搜索方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相控阵雷达，包含：电子舱，电子舱内设置有信号处理机及与之连接的微波源和多通道接收机；自旋机构，设置在电子舱的上方，并与信号处理机通信连接；相控阵，包含相控阵TR组件及与之连接的天线和波控机，波控机与信号处理机通信连接；一维伺服机构，设置在自旋机构的上方，并分别与信号处理机及相控阵TR组件通信连接；一向相控阵TR组件供电的TR组件电源，设置在自旋机构与一维伺服机构之间；一向信号处理机、微波源、多通道接收机、自旋机构及一维伺服机构供电的二次电源，设置在电子舱的下方。本发明还公开了一种全空域目标搜索方法。本发明解决了时间资源少及系统资源的紧张与搜索空域大、目标RCS小等因素相互矛盾的问题。

Description

相控阵雷达及其全空域目标搜索方法
技术领域
本发明涉及相控阵全空域快速搜索技术领域，具体涉及一种相控阵雷达及其全空域目标搜索方法。
背景技术
现代雷达技术发展和用户需求的提高，对雷达系统的捷变能力和快速响应能力提出了更高的要求。相控阵雷达作为现代电子技术和信息处理技术的产物，具有传统机械雷达无法比拟的波束指向捷变能力和多样的波形选择能力。同时，相控阵雷达工作参数自由度的增加，也给雷达参数设定提出了更高的要求。相控阵搜索雷达往往需要对半球形的全空域进行目标探测预警，搜索范围非常大，而在雷达系统资源受限的情况下，相控阵搜索雷达的搜索空域大小与搜索时间的长短是相互矛盾的。因此，在进行系统设计的时候，需要通过对相控阵雷达目标检测算法和波束空间堆叠方法等多方面参数的优化，在有限搜索时间内，完成全空域的目标搜索和预警。
授权公告号为CN101615721B的专利文献公开了一种平面结构的相控阵移动卫星接收天线，采用二维的相控阵电扫描跟踪与机械跟踪相结合的跟踪方式，实现快速搜索卫星和无间断的跟踪接收卫星信号；但其应用于移动通信领域，无大空域快速搜索的需求，不涉及大空域快速搜索的方法。
授权公告号为CN102680968B的专利文献公开了一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法，通过在俯仰维采用相位扫描、在方位维采用机械扫描，实现不同搜索方式互补混合的星载雷达相扫机扫相结合的空域搜索方法，它可以有效克服两维机械扫描方式的不足，具有搜索速度快，耐冲击、震动性能好、研制成本低，研制难度小，重量轻，功耗低，易于工程实现，非常适合在资源有限的星载平台上使用的空域搜索技术；但是其只涉及机扫和相扫相结合的搜索方式的设计，其相控阵为一维相控阵，无目标检测算法优化、空域优化、波束堆积优化等方面的技术信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相控阵雷达及其全空域目标搜索方法，解决了时间资源少及系统资源的紧张与搜索空域大、目标RCS小等因素相互矛盾的问题。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种相控阵雷达，其特征在于，包含：
电子舱，所述的电子舱内设置有信号处理机及与之连接的微波源和多通道接收机；
自旋机构，设置在所述电子舱的上方，并与所述的信号处理机通信连接；
相控阵，所述的相控阵包含相控阵TR组件及与之连接的天线和波控机，所述的波控机与所述的信号处理机通信连接；
一维伺服机构，设置在所述自旋机构的上方，并分别与所述的信号处理机及相控阵TR组件通信连接，还用于驱动所述的天线，所述的自旋机构旋转时带动所述的一维伺服机构转动；
一向所述的相控阵TR组件供电的TR组件电源，设置在所述的自旋机构与一维伺服机构之间；
一向所述的信号处理机、微波源、多通道接收机、自旋机构及一维伺服机构供电的二次电源，设置在所述的电子舱的下方。
所述的一维伺服机构在俯仰向0°～90°的范围内转动，所述的自旋机构带动一维伺服机构及安装在一维伺服机构上方的天线在方位向0°～360°的范围内转动，自旋机构每旋转到一个方位角，则天线波束快速完成该方位向预设区间内的俯仰向0°～90°扫描，然后自旋机构继续旋转到下一个方位角，以此类推进行搜索。
所述的一维伺服机构在相控阵雷达搜索期间，俯仰向预定于45°。
所述的相控阵的天线波束的俯仰指向与阵面法线的夹角在相控阵坐标系中的范围为-45°～45°。
所述的一维伺服机构在相控阵雷达目标跟踪期间，俯仰向预定目标所在的俯仰角位置。
所述的相控阵雷达在目标搜索过程中，相控阵的天线波束在给定的俯仰角下，方位向覆盖0°～360°一周所需要的最少波位数应满足：
式中，Nb表示俯仰指向为时方位向覆盖方位向0°～360°所需的波位数，θ3dB表示相控阵的天线波束的波束宽度，η表示相控阵的天线波束的波束重叠度，表示给定的俯仰角。
所述的相控阵的天线波束的波束重叠度为25％。
所述的相控阵雷达的搜索空域需覆盖住典型目标活动范围的包络，所述的典型目标活动范围的包络由目标的飞行高度h和雷达最远作用距离R所形成。
一种全空域目标搜索方法，其特点是，应用于相控阵雷达目标搜索过程中，该全空域目标搜索方法包含以下步骤：
S1、目标搜索阶段：对每个波位均采用1判1检测准则进行目标检测，所述的1判1检测准则为在每个波位上仅驻留1帧，若该帧未检测到目标，则直接对下一个波位进行搜索；若该帧检测到目标，再立即进入步骤S2；
S2、初步确认阶段：采用3判2准则对该波位进行目标检测，所述的3判2准则为在每个搜索波位上均驻留3帧的时间，若3帧信号中，有2帧或3帧检测到目标，则认为该波位上存在目标，初步确认阶段检测到目标存在后，相控阵雷达才认为该目标真实存在，而非虚警，对该目标进行初步确认后，再进入步骤S1目标搜索，直至所有波位搜索完毕后，进入步骤S3；
S3、回扫确认阶段：对所有通过初步确认的目标再进行回扫确认，采用3判2准则，实现对步骤S2中已探测到的的目标的再次探测。
所述的相控阵雷达为相控阵预警雷达、相控阵搜索跟踪一体化雷达、及星载相控阵雷达中的一种。
本发明一种相控阵雷达及全空域目标搜索方法与现有技术相比具有以下优点：本发明可实现在微波雷达体积、功率等资源受限的情况下，实现对远距离的小目标探测；本发明可实现在无目标指示信息的条件下，在较短时间内快速完成对大空域的搜索和目标探测预警；本发明中所设计的相控阵微波雷达系统设计思想可应用于具有大空域快速搜索需求的微波雷达系统中，可显著提升系统的探测效率和性能，使得微波雷达系统具备搜索跟踪一体化功能；本发明能够在雷达发射功率、天线口径等系统资源受限的条件下，在没有任何目标指示信息的情况下，通过优化搜索策略和目标检测方法，使得相控阵微波雷达在指定的时间内完成方位向0°～360°、俯仰向0°～90°的大空域内的小RCS目标的探测。
附图说明
图1A为本发明一种相控阵雷达的整体结构示意图；
图1B为本发明一种相控阵雷达的结构框图；
图2A为现有技术中波位排布示意图；
图2B为优化后相控阵波位排布示意图；
图3A典型目标活动范围的空域立体包络示意图(俯仰向剖面)；
图3B现有技术中雷达俯仰角与距离覆盖之间的关系示意图；
图3C为优化后距离覆盖示意图(俯仰向剖面)；
图4为本发明一种全空域目标搜索方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。本发明所解决的核心问题是在较短的时间内实现无目标指示条件下的大空域搜索和目标探测。影响搜索时间的直接因素主要有两个，一个是搜索期间的总波位数；另一个是每一个波位数上驻留的帧数。因此，相控阵全空域快速搜索优化算法的核心思想是在满足系统性能的条件下，最大程度的减少总波位数和每一个波位上平均驻留的帧数。具体的实施方式从以下几个方面进行。
如图1A及图1B所示，一种相控阵雷达，该相控阵雷达为相控阵预警雷达、相控阵搜索跟踪一体化雷达、及星载相控阵雷达中的一种。该相控阵雷达包含：电子舱100，所述的电子舱100内设置有信号处理机101及与之连接的微波源102和多通道接收机103；自旋机构200，设置在所述电子舱100的上方，并与所述的信号处理机101通信连接；相控阵300，所述的相控阵300包含相控阵TR组件301及与之连接的天线302和波控机303，所述的波控机303与所述的信号处理机101通信连接；一维伺服机构400，设置在所述自旋机构200的上方，并分别与所述的信号处理机101及相控阵TR组件301通信连接，还用于驱动所述的天线302，所述的自旋机构200旋转时带动所述的一维伺服机构400转动；一向所述的相控阵TR组件301供电的TR组件电源500，设置在所述的自旋机构200与一维伺服机构400之间；一向所述的信号处理机101、微波源102、多通道接收机103、自旋机构200及一维伺服机构400供电的二次电源600，设置在所述的电子舱100的下方。
如图1B所示，信号处理机101负责处理多通道接收机103所输出的信号并进行目标检测，同时可控制自旋机构200和一维伺服机构400的转动角度，信号处理机101还可通过波控机303实现控制天线302的波束指向的功能；相控阵内的波控机303将信号处理机101内的波束指向指令转化为具体的波控码传给相控阵TR组件301，实现对波束指向的控制。
在本实施例中，如图1A所示，相控阵雷达采用一维伺服机构+平面相控阵+自旋机构相结合的方式，使得平面相控阵具备对方位向0°～360°、俯仰向0°～90°的大空域内的搜索能力；一维伺服机构400在俯仰向0°～90°的范围内转动，所述的自旋机构200带动一维伺服机构400及安装在一维伺服机构400上方的天线302在方位向0°～360°的范围内转动，自旋机构200每旋转到一个方位角，则天线波束快速完成该方位向的俯仰向0°～90°扫描，然后自旋机构200继续旋转到下一个方位角，以此类推进行搜索，波位间有25％的重叠度，实现方位向0°～360°、俯仰向0°～90°的大空域无缝搜索。
在本实施例中，较佳地，一维伺服机构400在相控阵雷达搜索期间，俯仰向预定于45°，使得位于其上方的平面相控阵俯仰向倾斜45°。
在本实施例中，较佳地，所述的相控阵的天线波束的俯仰指向与阵面法线的夹角在相控阵坐标系中的范围为-45°～45°，以此实现在大地坐标系下俯仰向0°～90°范围的目标搜索。
在本实施例中，较佳地，所述的一维伺服机构400在相控阵雷达目标跟踪期间，俯仰向预定目标所在的俯仰角位置，使得相控阵天线波束的俯仰指向角与相控阵阵面法线的夹角在0°附近，此时天线增益最大，波束性能最优，以保证相控阵雷达对目标的跟踪性能。
在本实施例中，在相控阵搜索波位排布方面，相控阵天线在自旋机构的转动下实现方位向的搜索，俯仰向，通过减少高俯仰角度的波位数，以减少搜索时间。常规的波位排布方法，在每一个方位角度上，俯仰上扫描的波位数均相同，则波束的空间堆积如图2A所示，可见，高俯仰角度上的波位重叠度非常高。对搜索波位排布进行优化，确保空域无缝覆盖的基础上，减少高俯仰角的波位数，如图2B所示，则在可实现节省搜索波位，减少搜索时间的目的。
在本实施例中，较佳地，相控阵雷达在目标搜索过程中，波束的俯仰角指向的按照波束重叠度为25％来设计，确定具体的俯仰向波位数，确保无缝覆盖俯仰向0°～90°的范围，相控阵的天线波束在给定的俯仰角下，方位向覆盖0°～360°一周所需要的最少波位数应满足：
式中，Nb表示俯仰指向为时方位向覆盖方位向0°～360°所需的波位数，θ3dB表示相控阵的天线波束的波束宽度，η表示相控阵的天线波束的波束重叠度，一般取25％，表示给定的俯仰角。
采取波束优化后，自旋机构处于不同的方位角时，所对应的俯仰向波位的数和波位俯仰指向是不同的，方位角也会在自旋机构所处的基准上有所微调，以确保搜索波位按照所设计的波位排布进行，这一过程增加了相控阵雷达搜索过程的波束控制的复杂度，但是提高了空域搜索的效率，降低了目标搜索的时间。
在本实施例中，较佳地，在相控阵雷达距离覆盖方面，严格根据目标活动的空域范围确定不同俯仰角下的距离门模式，减少高空区域的距离工作模式。考虑目标的飞行高度h和雷达最远作用距离R形成一个空域包络，类似倒扣碗状立体包络，R对应于倒扣碗状包络的最大口径，h对应于倒扣碗状的深度，如图3A所示，只要确保能够覆盖住典型目标活动范围的包络即可。如图3B所示，现有技术中的雷达一般具有目标指示信息，无搜索时间约束的苛刻条件限制，其距离门覆盖范围在不同的俯仰向均是等距离覆盖；图3C是考虑了目标活动范围后，经过了优化后的距离覆盖优化示意图，在高俯仰角上，所需的距离门数量少，而低俯仰角，所需的距离门数量多。图3C中网格状阴影部分表示节省的搜索空域，可见，距离覆盖优化设计后，可节省数量可观的搜索距离门，以减少搜索所需的时间。节省的波位数与h和R的具体数值有关。
在满足目标检测概率和虚警概率的条件下，现有技术中的雷达在目标搜索过程中，往往采用3判2检测准则，即每个搜索波位上均驻留3帧的时间，若3帧信号中，有2帧检测到目标，即认为该波位上存在目标。实施3判2检测准则需要3个帧周期的时间。
为了减少搜索时间，本发明采用了“三阶段”目标检测方法实现全空域目标搜索，应用于相控阵雷达目标搜索过程中，该全空域目标搜索方法包含以下步骤：
S1、目标搜索阶段：对每个波位均采用1判1检测准则进行目标检测，所述的1判1检测准则为在每个波位上仅驻留1帧，若该帧未检测到目标，则直接对下一个波位进行搜索；若该帧检测到目标，再立即进入步骤S2。
S2、初步确认阶段：采用3判2准则对该波位进行目标检测，所述的3判2准则为在每个搜索波位上均驻留3帧的时间，若3帧信号中，有2帧或3帧检测到目标，则认为该波位上存在目标，初步确认阶段检测到目标存在后，相控阵雷达才认为该目标真实存在，而非虚警，对该目标进行初步确认后，再进入步骤S1目标搜索，直至所有波位搜索完毕后，进入步骤S3。
S3、回扫确认阶段：对所有通过初步确认的目标再进行回扫确认，采用3判2准则，实现对步骤S2中已探测到的的目标的再次探测。
由于目标是稀疏分布的，在整个搜索空域，可以认为有目标的波位数量是比较少的。假设共有M个波位需要搜索，整个空域有k个目标，k远小于M，信号帧周期为Tf，则采用传统的3判2目标检测方法，共需要的搜索时间Ts1为：
Ts1＝3M Tf
而采用“三阶段”检测方法，在每个波位进行搜索时均只需要1帧时间，仅在存在目标的波位上，需要进行初步确认，需耗费3帧时间，则采用双阶段检测方法的总搜索耗时：
Ts2＝M Tf+3k Tf
由于k远小于M，可知Ts2远小于Ts1，大大节省了搜索时间，节省时间约66％。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种相控阵雷达，其特征在于，包含：
电子舱，所述的电子舱内设置有信号处理机及与之连接的微波源和多通道接收机；
自旋机构，设置在所述电子舱的上方，并与所述的信号处理机通信连接；
相控阵，所述的相控阵包含相控阵TR组件及与之连接的天线和波控机，所述的波控机与所述的信号处理机通信连接；
一维伺服机构，设置在所述自旋机构的上方，并分别与所述的信号处理机及相控阵TR组件通信连接，还用于驱动所述的天线，所述的自旋机构旋转时带动所述的一维伺服机构转动；
一向所述的相控阵TR组件供电的TR组件电源，设置在所述的自旋机构与一维伺服机构之间；
一向所述的信号处理机、微波源、多通道接收机、自旋机构及一维伺服机构供电的二次电源，设置在所述的电子舱的下方。
2.如权利要求1所述的相控阵雷达，其特征在于，所述的一维伺服机构在俯仰向0°～90°的范围内转动，所述的自旋机构带动一维伺服机构及安装在一维伺服机构上方的天线在方位向0°～360°的范围内转动，自旋机构每旋转到一个方位角，则天线波束快速完成该方位向预设区间内的俯仰向0°～90°扫描，然后自旋机构继续旋转到下一个方位角，以此类推进行搜索。
3.如权利要求1所述的相控阵雷达，其特征在于，所述的一维伺服机构在相控阵雷达搜索期间，俯仰向预定于45°。
4.如权利要求1所述的相控阵雷达，其特征在于，所述的相控阵的天线波束的俯仰指向与阵面法线的夹角在相控阵坐标系中的范围为-45°～45°。
5.如权利要求1所述的相控阵雷达，其特征在于，所述的一维伺服机构在相控阵雷达目标跟踪期间，俯仰向预定目标所在的俯仰角位置。
6.如权利要求1所述的相控阵雷达，其特征在于，所述的相控阵雷达在目标搜索过程中，相控阵的天线波束在给定的俯仰角下，方位向覆盖0°～360°一周所需要的最少波位数应满足：
式中，Nb表示俯仰指向为时方位向覆盖方位向0°～360°所需的波位数，θ3dB表示相控阵的天线波束的波束宽度，η表示相控阵的天线波束的波束重叠度，表示给定的俯仰角。
7.如权利要求1或6所述的相控阵雷达，其特征在于，所述的相控阵的天线波束的波束重叠度为25％。
8.如权利要求1所述的相控阵雷达，其特征在于，所述的相控阵雷达的搜索空域需覆盖住典型目标活动范围的包络，所述的典型目标活动范围的包络由目标的飞行高度h和雷达最远作用距离R所形成。
9.一种全空域目标搜索方法，其特征在于，应用于相控阵雷达目标搜索过程中，该全空域目标搜索方法包含以下步骤：
S1、目标搜索阶段：对每个波位均采用1判1检测准则进行目标检测，所述的1判1检测准则为在每个波位上仅驻留1帧，若该帧未检测到目标，则直接对下一个波位进行搜索；若该帧检测到目标，再立即进入步骤S2；
S2、初步确认阶段：采用3判2准则对该波位进行目标检测，所述的3判2准则为在每个搜索波位上均驻留3帧的时间，若3帧信号中，有2帧或3帧检测到目标，则认为该波位上存在目标，初步确认阶段检测到目标存在后，相控阵雷达才认为该目标真实存在，而非虚警，对该目标进行初步确认后，再进入步骤S1目标搜索，直至所有波位搜索完毕后，进入步骤S3；
S3、回扫确认阶段：对所有通过初步确认的目标再进行回扫确认，采用3判2准则，实现对步骤S2中已探测到的的目标的再次探测。
10.如权利要求9所述的全空域目标搜索方法，其特征在于，所述的相控阵雷达为相控阵预警雷达、相控阵搜索跟踪一体化雷达、及星载相控阵雷达中的一种。
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