CN107430186B - 幅度比较单脉冲雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了幅度比较单脉冲雷达系统。该系统包括用于耦合至相控阵天线的波束成形网络。波束成形网络被适配成改变相控阵天线中的天线单元之间的相位延迟，从而在通过空间的一角度范围上扫描单脉冲辐射图案。

Description

幅度比较单脉冲雷达系统
发明领域
本发明涉及需要扫描波束的RADAR系统。更具体地，本发明涉及能产生幅度比较单脉冲辐射图案的这样的雷达系统。
发明背景
定位或跟踪辐射源或雷达目标的能力对于许多通信、雷达和成像应用(诸如举例而言，军事和商业应用)是有益的。用于确定目标位置的一种常规方法是通过机械扫描技术，该技术涉及用于跟踪目标的天线的物理移动。已知的另一种常规方法是单脉冲雷达系统，该系统使用单个脉冲来检测目标。该系统可通过幅度比较或相位比较来实现。
在常规的幅度单脉冲系统中，两个不同天线的主波束以发送模式指向空间中不同却紧密分开的方向，如图1中所解说的。在此种系统中，当以接收模式操作时，测量斜视天线图案的收到信号功率的和与差，如图2中所示。收到信号功率的和提供与目标相关联的距离信息，而收到信号功率的差与和的比率被用于产生误差电压，该误差电压与该目标与瞄准线的角偏差成正比。将领会，当目标直接位于瞄准线上时，误差信号为零，因为该目标回波幅度在这两个天线波束中相同。回波的衰落将在两个波束中发生，并且因此这不会影响比较，除非对于具有低信噪比常见误差。
尽管此类单脉冲雷达系统提供了目标位置的高准确度的估计，但它们具有很窄的视场。机械扫描仪的电子等效物是真延时与相控阵天线。这些天线提供了在较宽的视场上连续扫描的能力。然而，它们遭受具有固有窄带宽的缺点，以及高成本和大组件尺寸和W波段频率处的损失。
由于更便宜、更简单以及更紧凑的设计、和通常较少的组件数量，波束成形网络能向真延时与相控阵天线提供有吸引力的替换方案。已知的一种类型的波束成形网络是Rotman透镜波导。Rotman透镜通常被用在需要扫描波束的实现中。图3示出了常规Rotman透镜的几何结构。它包括多个输入或波束端口、透镜腔或平行板区域、以及多个输出或阵列端口。出于解说目的，图3中示出的透镜具有5个波束端口和4个阵列端口，但应领会，可使用任何数量的端口。各波束端口位于透镜的平行板区域的一个边缘处的焦弧，而各阵列端口位于相对边缘上。各阵列端口通过不等长的相位校正线连接至辐射单元或天线阵列。在操作期间，各透镜依次地在各波束端口之一处被激发。当每个波束端口被激发时，信号传播通过平行板区域，由阵列端口采样，并经由相位校正线传送至阵列单元。阵列单元随后将该信号辐射到自由空间中。通过在波束端口之间切换，所辐射的波束能通过透镜的视场被扫描。
从在天线单元激发下的波束端口的传播路径长度提供了跨阵列的渐进的线性时间延迟。由于结构性的干扰，毗邻阵列单元(分开距离N)之间的Δτ的延迟相对于中心轴产生扫描角为θs的辐射图案，该角度由下式来定义：
Figure GDA0002889810090000021
其中c是自由空间中的光速。透镜是真延时波束形成器：c和N的值是不变的，并且波束扫描角仅取决于时间延迟Δτ。提供Δτ独立于频率或者对频率仅具有弱依赖性，扫描角不随频率而变化，因为是相控阵的情形。该透镜以三个焦点F1、G和F2为特征，这三个焦点在被激发时形成峰值分别在-α°、0°和α°的辐射图案。
为了在常规Rotman透镜的波束之间达成高角分辨率，需要大量的波束端口。这可导致对在透镜的输入侧上高组件数的需要，以及由于小的端口宽度而导致的高溢出损失。
美国专利第3,979,754揭示了采用堆叠的平行板透镜的射频阵列天线。然而，该天线不适于在W波段频率范围中操作。这是由于以下事实：在该系统中，交换网络位于波束成形网络与相控阵天线之间，这导致切换网络的复杂性，这种复杂性可能需要过大的W波段操作。
因此，本发明的目标是提供克服以上提及的问题中的至少一个问题的用于跟踪辐射源的系统和方法。
发明内容
根据本发明，如所附的权利要求书中阐述的，提供了一种幅度比较单脉冲雷达系统，其包括：
用于耦合至相控阵天线的波束成形网络；其中该波束成形网络被适配成改变相控阵天线中的天线单元之间的相位延迟，从而在通过空间的一角度范围上扫描单脉冲辐射图案。
该系统可进一步包括相控阵天线，其包括多个用于产生单脉冲辐射图案的天线单元。
波束成形网络可包括：
包括位于沿透镜的焦弧的多个波束端口的透镜腔，多个波束端口被分为多对波束端口，其中该系统被适配成激发每个波束端口对。
波束成形网络可进一步包括多个用于连接至多个天线单元的透镜阵列端口，其中各阵列端口被适配成对通过同时激发一个或多个所选波束端口对生成的信号进行采样，以及将经采样信号传送至天线单元以产生单脉冲辐射图案。
该系统可进一步包括连接至每个波束端口对的和差发生器，其中该和差发生器被适配成发送模式以用相等幅度和相位的信号同时激发所选波束端口对中每个波束端口，从而天线产生与从该波束端口对生成的两个信号之和对应的和辐射图案。
和差发生器可被进一步适配成接收模式以产生与来自所选波束端口对处接收的天线的两个传入信号的功率和对应的信号，以及产生与这两个信号的功率差对应的信号。
该系统可进一步包括连接在波束端口对中的每个波束端口与和差发生器之间的相位校正线，其中该相位校正线被适配成使得从波束端口对中的每个波束端口到阵列端口等高线中心的传播路径长度是相等的。
和辐射图案的峰值可在角度(θs1+θs2)/2处，其中θs1是波束端口对中的第一波束端口相对于天线的中心轴的扫描角，而θs2是波束端口对中的第二波束端口相对于天线的中心轴的扫描角；
Figure GDA0002889810090000041
且Δτ对应于分开距离N的毗邻天线单元之间的延迟，而c是自由空间中的光速。
和差发生器可包括传输线。
该传输线可包括微带、带状线、基片集成波导或四端口网络之一。
该传输线可包括四端口网络，并且其中四端口网络的第一端口连接至每个波束端口对中的第一波束端口而四端口网络的第二端口连接至每个波束端口对中的第二波束端口，并且其中四端口网络的第三端口对应于和端口而第四端口对应于Δ端口，其中和端口被适配成发送模式以经由四端口网络的第一端口同时激发所选波束端口对中的每个波束端口，而四端口网络的第二端口和和端口被适配成接收模式以产生与在所选波束端口处经由四端口网络的第一端口和四端口网络的第二端口接收到的两个信号的功率和对应的信号，并且其中Δ端口被适配成接收模式以产生与在所选波束端口对处经由四端口网络的第一端口和四端口网络的第二端口接收到的两个信号的功率差对应的信号。
四端口网络可包括以下之一：魔T波导、混合耦合器、或切换延迟线。
在所选波束端口对处接收到的两个信号的功率和可提供与目标相关联的距离信息以供由天线进行检测。
在所选波束端口对处接收到的两个信号的功率差与功率和的比率可提供与目标相关联的方向信息以供由天线进行检测。
多个波束端口可位于透镜的焦弧处并且多个阵列端口位于相对的波束端口。
多个波束端口可以是偶数。
每个波束端口可包括一对毗邻的波束端口。
该系统可进一步包括交换网络，用于激发一个或多个所选波束端口对。
波束成形网络可包括以下之一：Rotman透镜、RKR透镜、Butler矩阵或Blaas矩阵。
该系统可被适配成生成和接收射频RF信号。
RF信号可包括W波段频率范围中的RF信号。
信号可包括脉冲信号或FMCW信号。
在本发明的另一实施例中，提供了用于生成和接收W波段频率范围中的RF信号的幅度比较单脉冲雷达系统，其包括：
相控阵天线，其包括多个用于产生单脉冲辐射图案的天线单元；以及
耦合至相控阵天线的波束成形网络；其中该波束成形网络被适配成改变相控阵天线中的天线单元之间的相位延迟，从而在通过空间的一角度范围上扫描相控阵天线的单脉冲辐射图案。
在根据本发明的系统的一实施例中，波束成形网络直接耦合至相控阵天线。
附图说明
参照附图从仅藉由示例给出的本发明实施例的以下描述将可更清楚地理解本发明，附图中：
图1示出了幅度比较单脉冲系统所需的两个斜视天线波束；
图2示出了如何从幅度比较单脉冲系统中计算方向，其中(a)示出了个体收到图(b)示出了这些图的和与差(c)示出了误差区别曲线；
图3示出了常规Rotman透镜的几何结构；
图4示出了当在发送模式操作、并且波束端口对正产生单脉冲和辐射图案时的本发明的系统；
图5示出了当在接收模式操作、并且在从波束端口对馈送Δ端口时差图案为零时的本发明的系统；
图6示出了当‘魔T’四端口网络连接至一对波束端口时的本发明的实施例；以及
图7示出了利用交换网络的本发明的实施例。
附图的详细描述
本发明实现了幅度单脉冲雷达系统，其中可通过空间扫描和图案与差图案，这与常规的静态幅度单脉冲系统不同。本发明的系统因此包括波束成形网络，其用于耦合至相控阵天线并且被适配成改变相控阵天线中的天线单元之间的相位延迟，从而可通过空间在一角度范围上扫描单脉冲辐射图案。
现在将参照图4到7来描述该系统的一个实施例，其中波束成形网络包括Rotman透镜，并且其被示为耦合至相控阵天线。根据本发明，Rotman透镜的毗邻定位的波束端口是成双成对的，以便提供多个波束端口对。随后采用不等长的相位校正线以馈送波束端口对。这些相位校正线的长度是可变的以采用从该端口对中的每个波束端口到阵列端口等高线中心(0，0)的相等传播路径长度，如可从图4可见。
作为这种安排的结果，在系统在发送模式的操作期间，当用相等的幅度和相位来同时激发两个成对的波束端口时，添加相位校正线产生和辐射图案，其峰值在角度(θs1+θs2)/2处，是扫描角到对应于个体波束端口的中心轴(标记为θs1和θs2)的一半，如图4中所示。因此，这使得当顺序选择每对波束端口以供激发时，在角度和空间上移动单脉冲主波束方向。另外，通过在相位上激发两个毗邻波束端口，该信号在透镜阵列端口上的聚焦被增强，这降低了因一部分信号入射到透镜侧壁并被吸收所导致的功率损耗，这种现象称为溢出损耗。
根据本发明的该实施例，以发送和接收模式生成幅度单脉冲的和图案与差图案是通过使用魔T形式的四端口网络来促成的，如图6中所示。Rotman透镜波束端口对中的每一者通过相位校正线连接至魔T网络的端口1和2(在图6中，Rotman透镜的端口1被示为耦合至魔T的端口2，而Rotman透镜的端口2耦合至魔T的端口1。然而，将领会，Rotman透镜的端口1可耦合至魔T的端口1，而Rotman的端口2耦合至魔T的端口2)。魔T网络上的其余两个端口，端口3和4分别被标记为和(∑)和差(Δ)端口。在发送模式期间，在∑端口处激发魔T激发了端口1和2，其馈送具有相等相位和幅度的Rotman透镜波束端口对，从而产生其峰值针对角(θs1+θs2)/2的和辐射图案，如以上所说明的。
以相同方式，由于互换，在接收模式中，Rotman透镜的端口1和2激发魔T网络的端口1和2，从而在魔T的∑端口处产生作为两个成对波束端口处的波形之和的信号。此外，在接收模式中在Δ端口处产生的信号对应于从Rotman透镜波束端口对传送至魔T网络的两个波形之差。因此，对于由天线阵列接收的现在到达入射角(θs1+θs2)/2的信号而言，∑信号具有大幅度，而Δ信号具有幅度0。因为入射角从(θs1+θs2)/2移开，所以Δ变得大于0，其幅度和相位提供可被用于准确估计目标的角位置并且现在对应于距(θs1+θs2)/2的角的误差值，如图5中所示。循环器被用于将发送模式源信号与从天线阵列传入的接收模式信号解耦。
因此，通过使用魔T的∑和Δ端口组合在两个Rotman透镜成对波束端口处接收到的波形，并且进而按顺序分析每对波束端口，可达成幅度比较单脉冲。在所选波束端口对处接收到的两个信号的功率和提供了与目标相关联的距离信息以供由天线进行检测，而在所选波束端口对处接收到的两个信号的功率差与功率和的比率提供了与目标相关联的方向信息以供由天线进行检测。因为本发明在两个正交方向中实现，所以它能实现在目标能在方位角和仰角两个方向上保持跟踪目标。
由于多个Rotman透镜波束端口对，每个波束端口对具有分开和不同的对应扫描角(θs1+θs2)/2)(这取决于波束端口对沿圆形焦弧的角位置)，可在宽角度范围上扫描单脉冲波束方向，而不需要任何机械扫描或移相器。
应理解，相位校正线确保波束端口激发的恰当定相。因此，当用信号激发任何一个波束端口对时，由每个个体波束端口传送的波形始终在相位上到达阵列等高线的中心(0，0)。这对于在发送模式中产生正确形成的和辐射图案，并且确保在接收模式中在魔T的端口1和2处信号的正确相对定相(对于正确的∑和Δ输出是关键的)是必要的。另外，这具有通过增强信号在透镜阵列端口上的聚焦而降低溢出损耗的期望附加作用。
在图7中所示的本发明的实施例中，交换网络被用于在波束端口对之间进行切换。这使得将使用一个信号发送链和一个信号接收链，而非每对一个发送链和一个接收链。还将理解，本发明可同样用交换网络相对于魔T逆转的位置来实现。另外，本发明可通过使用交换网络以终止具有反射负载的波束端口而提供反向能力。反向功能性允许透镜在其源的方向上自动重传回收到信号。这可无源地通过使用具有幅度1的反射系数的或开路或短路负载终止波束端口来达成。例如，使用反射放大器作为波束端口处的负载的有源实现将允许经反射信号被调制并在功率上放大。在反向透镜的情形中，从每个波束端口到点(0，0)的距离将通过使用相位校正线平等地作出。
本发明的系统可被适配成生成和接收射频(RF)信号。该信号可以是脉冲信号或调频连续波(FMCW)信号。RF信号可以在W波段频率范围中，或者在任何其它期望的较低或较高频率范围中。在W波段频率处，波导由于其低损耗可被用作传输介质。然而，也可使用替换传输介质，诸如举例而言，在较低频率处，鉴于其相对容易和便宜的制造成本，微带、带线或基片集成波导。
尽管以上解释了本发明，其中使用Rotman透镜实现波束成形网络，应理解，可同样使用替换波束成形网络，一些波束成形网络可提供更广的视场。这些波束成形网络例如可包括RKR透镜(是圆形约束透镜)、Butler矩阵、以及Blaas矩阵。另外，应理解，可使用任何偶数个波束端口。就此，应理解，本发明可用具有奇数波束端口的Rotman透镜来实现，只要一个波束端口未被使用。增加波束端口的数量允许Rotman透镜视场内的较大数量的波束，并且由此增加了透镜的角分辨率。此外，尽管已经使用顺序激发的成对的毗邻波束端口来描述了本发明，但将领会，在本发明的替换实施例中，波束端口对可不彼此毗邻，和/或可同时激发一个以上波束端口对。也可使用任何数量的阵列端口。较大数量的阵列端口可导致溢出损耗的降低，增加辐射图案增益，以及提供较窄的波束，并且因此增加了角分辨率。然而，较小数量的阵列端口降低了透镜设计的复杂性，并且允许馈送该阵列的波导(或其它)相位校正线的更简单路由。还应领会，尽管已经使用魔T四端口网络描述了本发明，但可同样使用鼠笼式或混合环耦合器。此种耦合器可最好的适于具有平面传输线来实现。
与常规雷达系统相比，本发明提供了许多优势。与常规幅度单脉冲系统相反，Δ空与和峰值的位置可从瞄准线移开，以便提供更广的角目标跟踪。此外，这通过Rotman透镜的波束端口对之间的简单切换来达成，不需要趋于较大和有损耗的机械扫描或移相器。当与机械操纵的单脉冲系统相比，该系统还提供更快的宽角度单脉冲目标跟踪。
当与常规的Rotman透镜相比，作为成对地馈送波束端口的结果，本发明由于透镜侧壁上的降低信号溢出而另外在发送模式中提供输入与输出端口之间的改善耦合，以及降低的损耗。
此外，该系统在没有增加波束端口数量的情况下提供改善的角分辨率。还应注意，波束端口数量的增加需要增加和差模块组件的数量。
本发明中的参照附图描述的实施例包括一种计算机装置和/或在计算机装置中执行的过程。然而，本发明还延及计算机程序，尤其是存储在适配成把本发明付诸实践的载体之上或之中的计算机程序。该程序可以是以源代码、目标代码，或源代码与目标代码中间的代码的形式，诸如经部分编译的形式或适于在根据本发明的方法的实现中使用的任何其它形式。载体可包括存储介质，诸如例如CD ROM等的ROM，或者例如软盘或硬盘等的磁记录介质。载体可以是可经由电缆或光缆或者由无线电或其他手段传送的电或光信号。
在本说明书中，术语“包括”、“包含”、“含有”、和“具有”或其任何变体被认为是完全可互换的并且它们全都应被给予最宽的可能解释，反之亦然。本发明不限于本文中前述的诸实施例，而是可在构造和细节两者上有所变化。

Claims (11)

1.一种用于生成和接收W波段频率范围中的RF信号的幅度比较单脉冲雷达系统，包括：
相控阵天线，其包括用于产生单脉冲辐射图案的多个天线单元；以及
耦合至所述相控阵天线的波束成形网络，所述波束成形网络被适配成改变所述相控阵天线中的所述多个天线单元之间的相位延迟，从而在通过空间的一角度范围上扫描所述相控阵天线的所述单脉冲辐射图案；
其中，所述波束成形网络包括：
透镜，具有：
多个波束端口；
透镜腔；以及
多个阵列端口，用于连接至所述多个天线单元，
其中，所述多个波束端口包括多个波束端口对，并且在发送模式中，每个相应波束端口对中的所述波束端口被布置为被同时激发，
其中，所述多个阵列端口被适配成对通过同时激发一个或多个所选择的波束端口对而产生的信号进行采样，并将经采样信号发送至所述天线单元以产生所述单脉冲辐射图案；
多个和差发生器，所述多个和差发生器中的每个相应和差发生器被连接至所述波束端口对中的相应波束端口对；以及
多条相位校正线，每条相位校正线连接在波束端口对中的波束端口与所述相应和差发生器之间，其中，所述相位校正线被适配成使得从所述相应波束端口对中的每个波束端口到阵列端口等高线中心的传播路径长度是相等的。
2.如权利要求1所述的幅度比较单脉冲雷达系统，其特征在于，其中所述和差发生器被适配成发送模式以用相等幅度和相位的信号同时激发相应波束端口对中每个波束端口，从而所述天线产生与从所述相应波束端口对生成的两个信号之和对应的和辐射图案。
3.如权利要求2所述的幅度比较单脉冲雷达系统，其特征在于，所述和差发生器进一步被适配成接收模式以产生与来自所述相应波束端口对处接收的所述天线的两个传入信号的功率和对应的信号，以及产生与所述两个信号的功率差对应的信号。
4.如权利要求1所述的幅度比较单脉冲雷达系统，其特征在于，所述和辐射图案的峰值可在角度(θs1+θs2)/2处，其中θs1是波束端口对中的第一波束端口相对于所述天线的中心轴的扫描角，而θs2是波束端口对中的第二波束端口相对于所述天线的中心轴的扫描角；
Figure FDA0002889810080000021
且Δτ对应于分开距离N的毗邻天线单元之间的所述延迟，而c是自由空间中的光速。
5.如权利要求3所述的幅度比较单脉冲雷达系统，其特征在于，所述和差发生器包括传输线。
6.如权利要求5所述的幅度比较单脉冲雷达系统，所述传输线包括微带、带状线、基片集成波导或四端口网络之一。
7.如权利要求6所述的幅度比较单脉冲雷达系统，其特征在于，所述传输线包括四端口网络，并且其中所述四端口网络包括：
第一端口，连接至所述波束端口对中的第一波束端口；
第二端口，连接至所述波束端口对中的第二波束端口；
第三端口，对应于和端口；以及
第四端口，对应于Δ端口，
其中所述和端口被适配成发送模式以经由所述第一端口和所述第二端口同时激发所述波束端口对中的每个波束端口，以及所述和端口被适配成接收模式以产生与在所选波束端口处经由所述第一端口和所述第二端口接收到的两个信号的功率和对应的信号；以及
其中所述Δ端口被适配成接收模式以产生与在所选波束端口对处经由所述第一端口和所述第二端口接收到的两个信号的功率差对应的信号。
8.如权利要求7所述的幅度比较单脉冲雷达系统，其特征在于，所述四端口网络包括下述之一：
魔T波导、混合耦合器、或切换延迟线。
9.如权利要求3所述的幅度比较单脉冲雷达系统，其特征在于，在相应波束端口对处接收到的所述两个信号的功率和提供与目标相关联的距离信息以供由所述天线进行检测。
10.如权利要求3所述的幅度比较单脉冲雷达系统，其特征在于，在相应波束端口对处接收到的两个信号的功率差与功率和的比率提供与目标相关联的方向信息以供由所述天线进行检测。
11.如权利要求1所述的幅度比较单脉冲雷达系统，其特征在于，所述多个波束端口位于沿所述透镜的所述焦弧处并且所述多个阵列端口与所述波束端口相对定位。
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