CN106646393A - 一种模块化、积木式数字阵列雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化、积木式数字阵列雷达系统，包括：多个积木块数字有源收发子模块和数据融合服务器；积木块数字有源收发子模块分别安装于预设的天线阵面骨架上，且多个积木块数字有源收发子模块分别与数据融合服务器连接；积木块数字有源收发子模块包括都与一综合背板插卡式连接的天线辐射模块、数字T/R模块、数字波束形成单元、光功分器及阵面监测网络模块；天线辐射模块、数字T/R模块、数字波束形成单元、光功分器依次连接通信，光功分器与数据融合服务器连接，阵面监测网络模块分布与数字T/R模块连接、数据融合服务器连接。本发明具有多角度视角可以有效抗主瓣干扰；分布式排列接收站是无源的可以有效降低雷达被截获概率和被攻击概率。

Description

一种模块化、积木式数字阵列雷达系统

技术领域

本发明涉及数字阵列雷达技术领域，具体地，涉及一种模块化、积木式数字阵列雷达系统。

背景技术

雷达面临隐身目标和复杂电磁环境的挑战，传统单基地雷达生存效能受到严峻挑战。

隐身目标主要针对厘米波波段的主动雷达设计，使得易受攻击的正前方鼻锥方向上水平±45°、垂直±30°的RCS大幅减小，针对这些特点，米波等低频段雷达、被动无源定位系统等反隐身探测设备相继问世。这些设备在特定条件下具有较好的反隐身性能，但对静默突防、有源干扰等手段反隐身性能较差，同时在精度、低空探测、体积方面存在一定不足。

雷达需工作在复杂的电磁干扰环境中，现有抗干扰技术如旁瓣相消、旁瓣匿隐等，多针对旁瓣干扰，通过在旁瓣形成凹口，消除干扰影响，但此类方法的缺陷是，在主瓣干扰的情况下，会引起方向图畸变，无法解决主瓣干扰问题。

另外，传统雷达收发一体，容易暴露自身，从而大大增加了被追踪和攻击的概率，雷达生存受到严重威胁。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种全新的雷达系统架构，对传统数字阵列雷达采用模块化设计，并将多个积木块数字有源收发子模块积木式排布，形成可灵活满足不同需求的雷达系统。

所述雷达可采用密布式排布，多个积木块数字有源收发子模块组成一个大口径积木式数字阵列雷达系统，从而具备较小的波束宽度和测量精度；也可采用分布式排布，多个积木块数字有源收发子模块分布式排布的组成多基地积木式数字阵列雷达系统，采用收发分置的方式具备较强的隐身目标探测能力，分布排列具有多角度视角可以有效抗主瓣干扰；分布式排列接收站是无源的可以有效降低雷达被截获概率和被攻击概率。

根据本发明提供的一种模块化、积木式数字阵列雷达系统，包括：多个积木块数字有源收发子模块和数据融合服务器；

所述积木块数字有源收发子模块分别安装于预设的天线阵面骨架上，且所述多个积木块数字有源收发子模块分别与所述数据融合服务器连接；

所述积木块数字有源收发子模块包括都与一综合背板插卡式连接的天线辐射模块、数字T/R模块、数字波束形成单元、光功分器及阵面监测网络模块；所述天线辐射模块、数字T/R模块、数字波束形成单元、光功分器依次连接通信，所述光功分器与所述数据融合服务器连接，所述阵面监测网络模块分布与所述数字T/R模块连接、数据融合服务器连接；

所述阵面监测网络模块用于对所述数字T/R模块中信号的频率、相位、幅度进行监测并向所述数据融合服务器进行监测反馈；

所述数据融合服务器用于：

向所述积木块数字有源收发子模块的数字波束形成单元发送信号发射的控制命令及波控码，从而控制所述数字T/R模块产生相应频率、相位、幅度的射频信号，由天线辐射模块产生发射射频信号，和

根据自所述积木块数字有源收发子模块的光功分器接收数字接收信号和预设的工作方式控制字合成回波数据包，进行数字波束形成、信号检测获得目标探测信息，根据与多个积木块数字有源收发子模块对应的所述目标探测信息获得数据融合结果。

作为一种优化方案，所述数据融合服务器包括信号处理组合、光电转换交换机、显示与控制子系统、数据融合单元；

所述显示与控制子系统通过所述光电转换交换机分别与所述信号处理组合、所述数字波束形成单元相连，所述数据融合单元与所述显示与控制子系统相连；

所述信号处理组合包含与单个所述积木块数字有源收发子模块一一对应的数据处理单元，所属数据处理单元用于将所述波控码和自所述显示与控制子系统接收的所述控制命令发送给所述数字波束形成单元，和

对自所述光功分器接收的所述数字接收信号进行信号处理获得所述目标探测信息；

所述数据融合单元用于根据与多个积木块数字有源收发子模块对应的所述目标探测信息的自主式融合获得数据融合结果。

作为一种优化方案，所述数据融合服务器还包括资源调度子系统；

所述资源调度子系统用于根据驻留工作方式控制字的波束指向信息，计算每个积木块数字有源收发子模块的数字T/R模块的移相值，并将该移相值和工作方式控制字合成为指令包分发给每个数字T/R模块。

作为一种优化方案，所述数字T/R模块用于根据所述工作方式控制字和移相值产生相应的发射基带信号，经过上变频调制、放大等，形成所述射频信号。

作为一种优化方案，所述信号处理组合还通过光纤与所述显示与控制子系统相连。

作为一种优化方案，所述多个积木块数字有源收发子模块之间的收发时间同步、频率同步、相位同步。

作为一种优化方案，所述积木块数字有源收发子模块以密布式的安装方式分别安装于同一个固定的天线阵面骨架上；所述数据融合服务器控制所有所述积木块数字有源收发子模块进行同一空域探测，所述积木块数字有源收发子模块发射波束指向相同，且所述发射射频信号为相干信号，实现数字阵列雷达系统对同一目标的检测。

作为一种优化方案，所述积木块数字有源收发子模块以分布式的安装方式分别安装于分散排布的天线阵面骨架上，且所述数据融合服务器控制所述积木块数字有源收发子模块进行协同探测，所述积木块数字有源收发子模块发射波束指向不一定相同，且所述发射射频信号相互正交或完全相干，数字有源收发子模块分别从不同角度完成对目标探测。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、模块化、积木式数字阵列雷达系统具有多个灵活设置的积木块数字有源收发子模块，具有灵活性高、重塑性强、多功能的优点；

2、模块化、积木式数字阵列雷达系统通过对阵面骨架的设计可以灵活的形成特定空域覆盖；

3、模块化、积木式数字阵列雷达系统通过分布式地安装实现多角度的探测，且由于从多个积木块数字有源收发子模块进行信号发射，回波信号的主瓣干扰相互抵消，旁瓣干扰易于消除，由此可对抗由RCS起伏造成的信噪比损耗，多个方向的信号收发能够有效实现反隐身探测；

4、模块化、积木式数字阵列雷达系统可实现收发分置，有效对抗主副瓣干扰；

5、模块化、积木式数字阵列雷达系统可实现收发分置，通过分布式地安装实现多角度的探测能有效降低被截获概率和被攻击概率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1是数字阵列雷达原理图。

图2是积木块数字有源收发子模块结构示意图。

图3是模块化、积木式数字阵列雷达系统协同探测模型图。

图4是自主式融合过程示意图。

具体实施方式

下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

在本发明提供的一种模块化、积木式数字阵列雷达系统的实施例中，如图3所示，包括：多个积木块数字有源收发子模块和数据融合服务器；

所述积木块数字有源收发子模块分别安装于预设的天线阵面骨架上，且所述多个积木块数字有源收发子模块分别与所述数据融合服务器连接；

如图2所示，所述积木块数字有源收发子模块包括都与一综合背板插卡式连接的天线辐射模块、数字收发模块(数字T/R模块)、数字波束形成单元、光功分器及阵面监测网络模块；所述天线辐射模块、数字T/R模块、数字波束形成单元、光功分器依次连接通信，所述光功分器与所述数据融合服务器连接，所述阵面监测网络模块分布与所述数字T/R模块连接、数据融合服务器连接；

所述阵面监测网络模块用于对所述数字T/R模块中信号的频率、相位、幅度进行监测并向所述数据融合服务器进行监测反馈；

所述数据融合服务器用于：

向所述积木块数字有源收发子模块的数字波束形成单元发送信号发射的控制命令及波控码，从而控制所述数字T/R模块产生相应频率、相位、幅度的射频信号，由天线辐射模块产生发射射频信号，和

根据自所述积木块数字有源收发子模块的光功分器接收数字接收信号和预设的工作方式控制字合成回波数据包，进行数字波束形成、信号检测获得目标探测信息，根据与多个积木块数字有源收发子模块对应的所述目标探测信息获得数据融合结果。

积木块数字有源收发子模块采用固态有源数字相控阵体制，其原理如图1所示。采用二维收发DBF技术(Digital Beam Forming的缩写，译为数字波束形成,或数字波束合成)，每个积木块数字有源收发子模块可以独立收发。积木块数字有源收发子模块核心为数字T/R模块，数字T/R模块包括发射支路和接收支路。发射支路对信号进行放大移相，采用新型高效固态功放GaN器件能以脉冲方式输出稳定可靠的高功率发射信号；接收可对接收信号限幅、低噪声放大、滤波、数字移相，形成数字接收信号，通过光纤传输进入信号处理组合进行处理和检测，实现对单个积木块数字有源收发子模块的数据处理。

所述雷达每个积木块数字有源收发子模块采用模块化设计。模块化设计是在传统数字阵列雷达的基础上，将雷达阵面划分为多个积木块数字有源收发子模块，安装于按子阵尺寸设计成的网格结构阵面骨架上。每个子阵集成了天线辐射单元模块、数字T/R模块、数字波束形成模块、光功分器及阵面监测网络模块，其模型如图2所示。沿射频链路方向，模块化子阵由4层结构组成，分别是天线辐射单元层、数字单元组件层、功分设备层以及数字波束形成模块层，各层之间采取全盲插方式联接，阵面实现无电缆结构。采用子阵化设计的优点是高度集成，便于阵面稀疏与扩充。

整个积木式数字阵列雷达系统包含多个积木块数字有源收发子模块和一个数据融合服务器，积木块可采用密布式或分布式排列。

所述数据融合服务器包括信号处理组合、光电转换交换机、显示与控制子系统、数据融合单元；

所述显示与控制子系统通过所述光电转换交换机分别与所述信号处理组合、所述数字波束形成单元相连，所述数据融合单元与所述显示与控制子系统相连；

所述信号处理组合包含与单个所述积木块数字有源收发子模块一一对应的数据处理单元，所属数据处理单元用于将所述波控码和自所述显示与控制子系统接收的所述控制命令发送给所述数字波束形成单元，和

对自所述光功分器接收的所述数字接收信号进行信号处理获得所述目标探测信息；

所述数据融合单元用于根据与多个积木块数字有源收发子模块对应的所述目标探测信息的自主式融合获得数据融合结果。

所述数据融合服务器还包括资源调度子系统；

所述资源调度子系统用于根据驻留工作方式控制字的波束指向信息，计算每个积木块数字有源收发子模块的数字T/R模块的移相值，并将该移相值和工作方式控制字合成为指令包分发给每个数字T/R模块。

所述数字T/R模块用于根据所述工作方式控制字和移相值产生相应的发射基带信号，经过上变频调制、放大等，形成所述射频信号。

所述信号处理组合还通过光纤与所述显示与控制子系统相连。

所述多个积木块数字有源收发子模块之间的收发时间同步、频率同步、相位同步。

所述积木块数字有源收发子模块以密布式的安装方式分别安装于同一个固定的天线阵面骨架上；所述数据融合服务器控制所有所述积木块数字有源收发子模块进行同一探测，所述积木块数字有源收发子模块发射波束指向相同，且所述发射射频信号为相干信号，实现数字阵列雷达系统对同一目标的检测。

所述积木块数字有源收发子模块以分布式的安装方式分别安装于分散排布的天线阵面骨架上，且所述数据融合服务器控制所述积木块数字有源收发子模块进行协同探测，所述积木块数字有源收发子模块发射波束指向不一定相同，且所述发射射频信号相互正交或完全相干，数字有源收发子模块分别从不同角度完成对目标探测。

对于密布式排列:多个积木块数字有源收发子模块按设定的几何结构排列，构成具有一定规模且满足作战需求的雷达系统。整个系统采用数字相控阵体制，由多个积木块数字有源收发子模块通过统一的调度系统协同工作。每个积木块数字有源收发子模块具有独立的收发支路。系统发射波束产生方式如下：资源调度系统根据驻留工作方式控制字的波束指向信息，计算每个积木块数字有源收发子模块的数字T/R模块的移相值，并将移相值和工作方式控制字合成为指令包分发给每个数字T/R模块，在系统定时信号到来时刻，收发组件的发射支路DDS根据工作方式控制字和移相值产生相应的发射基带信号，经过上变频调制、放大等，形成发射射频信号，经过天线辐射单元向空间辐射，在指定方向形成发射探测信号。接收系统采用数字波束形成方式：回波信号进入每个积木块数字有源收发子模块的数字T/R模块接收支路，在接收支路完成放大、下变频、滤波、中频采样与数字正交处理，形成数字接收信号，数字接收信号和工作方式控制字合成为回波数据包，通过光纤传输系统输入信号处理器进行数字波束形成、信号检测等处理，从而完成数字阵列雷达对目标的检测。

对于分布式排列:多积木块数字有源收发子模块按一定规律分散排布，每个积木块数字有源收发子模块或由几个积木块数字有源收发子模块组成的组合成为协同探测网络中的一个节点，具有独立的收发、处理能力，积木式数字阵列雷达协同探测模型如图3。

各节点可发射相互正交或完全相干的信号。发射相互正交波形时，各节点间独立工作，分别从不同角度完成对目标的探测，探测结果通过数据融合服务器统一处理，完成目标探测；发射相干信号时，各节点波束指向相同区域，并通过中心控制处理系统进行联合相参工作，实现信号级相参合成，等效形成一部高性能大威力雷达，实现远距离搜索发现和高精度跟踪识别。

当多积木块数字有源收发子模块分布式协同工作时，数据融合单元的数据融合处理技术将对。本系统采用探测结果起到极大的优化作用。本实施例采用了自主式融合结构，如图4所示的是一种对目标航迹的探测和自主式融合的实施例。自主式融合结构的特点是信号处理组合对每个节点的积木块数字有源收发子模块都对应设置数据处理器，对本积木块的测量数据进行独立处理产生局部多目标跟踪航迹，再将节点积木块航迹传送到数据融合服务器，数据融合服务器根据各节点积木块数字有源收发子模块的航迹数据完成航迹相关和航迹融合，形成全局估计，得到融合航迹。

模块化、积木式相控阵雷达实现网络化雷达各个节点的协调工作，必须解决同步各个站点间同步问题，本系统站间采用接收高精度的GPS或者北斗授时信号，并用包括原子钟的高性能锁相环进行锁相，实现收发站点之间精确的时间相位同步。

本实施例中，整个雷达系统由多个积木块数字有源收发子模块和数据融合服务器组成，每个积木块数字有源收发子模块为采用模块化设计的小型数字阵列雷达，根据用户需求自由排布，采集目标数据，并通过数据融合服务器完成点迹航迹处理，其中：

所述数字阵列雷达原理可参见图1。接收和发射波束都采用数字波束形成技术，发射时，显示与控制子系统发出控制指令，经过光电转换传交换机输至信号处理组合，随后信号处理组合将系统控制命令及波控码传输给数字波束形成单元，控制数字T/R模块产生相应频率、相位、幅度的射频信号，由天线辐射单元产生发射射频信号，同时，阵面天线单元模块对数字T/R模块的相位、幅度等进行监测，接收时，数字T/R模块接收天线辐射单元接收到的微波信号，经过放大、下变频、滤波、中频采样与数字正交处理形成数字接收信号，经过光功分器将信号送入信号处理组合，信号处理组合对数字接收信号进行处理，完成目标探测、距离和角度信息测量等，

所述积木块数字有源收发子模块是在数字阵列雷达基础上将雷达阵列划分为积木块数字有源收发子模块，每个子阵集成了天线辐射单元、数字T/R模块、数字波束形成模块、光功分器及阵面监测网络模块，高度集成的积木块数字有源收发子模块采用综合背板技术安装于阵面骨架上，阵面实现无电缆结构，积木块数字有源收发子模块可以任意拼接，实现阵面的快速稀疏与扩充，满足用户搜索、跟踪、侦查等多功能需求，

所述积木式数字阵列雷达是，由多个积木块数字有源收发子模块组成，将多个积木块数字有源收发子模块采用密布式或分布式排列，密布式排列通过将多个积木块数字有源收发子模块排布在同一个天线阵面，通过统一调度协同工作；分布式排列将每个积木块数字有源收发子模块设为协同探测网络中一个节点，探测结果通过数据融合服务器统一处理，获得更优化的探测性能。

所述模块化、积木式数字阵列雷达每一个积木块具有独立收发能力，探测数据通过自主式融合结构实现数据融合，同时，为实现积木化雷达各个站点的协调工作，各个站点应实现时间同步、相位同步、频率同步。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、模块化、积木式数字阵列雷达系统具有多个灵活设置的积木块数字有源收发子模块，具有灵活性高、重塑性强、多功能的优点；

2、模块化、积木式数字阵列雷达系统通过对阵面骨架的设计可以灵活的形成特定空域覆盖；

3、模块化、积木式数字阵列雷达系统通过分布式地安装实现多角度的探测，且由于从多个积木块数字有源收发子模块进行信号发射，回波信号的主瓣干扰相互抵消，旁瓣干扰易于消除，由此可对抗由RCS起伏造成的信噪比损耗，多个方向的信号收发能够有效实现反隐身探测；

4、模块化、积木式数字阵列雷达系统可实现收发分置，有效对抗主副瓣干扰；

5、模块化、积木式数字阵列雷达系统可实现收发分置，通过分布式地安装实现多角度的探测能有效降低被截获概率和被攻击概率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模块化、积木式数字阵列雷达系统，其特征在于，包括：多个积木块数字有源收发子模块和数据融合服务器；

所述积木块数字有源收发子模块分别安装于预设的天线阵面骨架上，且所述多个积木块数字有源收发子模块分别与所述数据融合服务器连接；

所述积木块数字有源收发子模块包括都与一综合背板插卡式连接的天线辐射模块、数字收发模块(数字T/R模块)、数字波束形成单元、光功分器及阵面监测网络模块；所述天线辐射模块、数字T/R模块、数字波束形成单元、光功分器依次连接通信，所述光功分器与所述数据融合服务器连接，所述阵面监测网络模块分布与所述数字T/R模块连接、数据融合服务器连接；

所述阵面监测网络模块用于对所述数字T/R模块中信号的频率、相位、幅度进行监测并向所述数据融合服务器进行监测反馈；

所述数据融合服务器用于：

向所述积木块数字有源收发子模块的数字波束形成单元发送信号发射的控制命令及波控码，从而控制所述数字T/R模块产生相应频率、相位、幅度的射频信号，由天线辐射模块产生发射射频信号，和

根据自所述积木块数字有源收发子模块的光功分器接收数字接收信号和预设的工作方式控制字合成回波数据包，进行数字波束形成、信号检测获得目标探测信息，根据与多个积木块数字有源收发子模块对应的所述目标探测信息获得数据融合结果。

2.根据权利要求1所述的一种模块化、积木式数字阵列雷达系统，其特征在于，所述数据融合服务器包括信号处理组合、光电转换交换机、显示与控制子系统、数据融合单元；

所述显示与控制子系统通过所述光电转换交换机分别与所述信号处理组合、所述数字波束形成单元相连，所述数据融合单元与所述显示与控制子系统相连；

所述信号处理组合包含与单个所述积木块数字有源收发子模块一一对应的数据处理单元，所属数据处理单元用于将所述波控码和自所述显示与控制子系统接收的所述控制命令发送给所述数字波束形成单元，和

对自所述光功分器接收的所述数字接收信号进行信号处理获得所述目标探测信息；

所述数据融合单元用于根据与多个积木块数字有源收发子模块对应的所述目标探测信息的自主式融合获得数据融合结果。

3.根据权利要求1或2所述的一种模块化、积木式数字阵列雷达系统，其特征在于，所述数据融合服务器还包括资源调度子系统；

所述资源调度子系统用于根据驻留工作方式控制字的波束指向信息，计算每个积木块数字有源收发子模块的数字T/R模块的移相值，并将该移相值和工作方式控制字合成为指令包分发给每个数字T/R模块。

4.根据权利要求3所述的一种模块化、积木式数字阵列雷达系统，其特征在于，所述数字T/R模块用于根据所述工作方式控制字和移相值产生相应的发射基带信号，经过上变频调制、放大等，形成所述射频信号。

5.根据权利要求2所述的一种模块化、积木式数字阵列雷达系统，其特征在于，所述信号处理组合还通过光纤与所述显示与控制子系统相连。

6.根据权利要求1所述的一种模块化、积木式数字阵列雷达系统，其特征在于，所述多个积木块数字有源收发子模块之间的收发时间同步、频率同步、相位同步。

7.根据权利要求1所述的一种模块化、积木式数字阵列雷达系统，其特征在于，所述积木块数字有源收发子模块以密布式的安装方式安装于同一个固定的天线阵面骨架上；所述数据融合服务器控制所有所述积木块数字有源收发子模块进行同一空域探测，所述积木块数字有源收发子模块发射波束指向相同，且所述发射射频信号为相干信号，实现数字阵列雷达系统对同一目标的检测。

8.根据权利要求1所述的一种模块化、积木式数字阵列雷达系统，其特征在于，所述积木块数字有源收发子模块以分布式的安装方式分别安装于分散排布的天线阵面骨架上，且所述数据融合服务器控制所述积木块数字有源收发子模块进行协同探测，所述积木块数字有源收发子模块发射波束指向不一定相同，且所述发射射频信号相互正交或完全相干，数字有源收发子模块分别从不同角度完成对目标探测。