CN107728137B - 一种多天线阵列切换的无源雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线阵列切换的无源雷达系统，该系统包含了多个阵列天线，联合覆盖方位360°空域。多通道射频切换装置按照时序在固定的时间段内选通其中一个阵列天线，将该阵列天线接收的信号送至多通道超外差接收机，将多路射频信号转换到固定中频，然后将中频信号送至多通道AD采集与预处理分机，完成对中频模拟信号的AD采集和数字下变频，之后交由高速并行数字信号处理分机完成杂波抑制、目标检测、定位和跟踪。系统按照一定的时序在多个天线阵列间轮流切换工作，实现了无源雷达的方位360°空域覆盖，与传统圆阵阵列天线相比天线副瓣低，杂波抑制能力强，低空目标探测能力强，同时系统的成本能够得到有效的控制。

Description

一种多天线阵列切换的无源雷达系统

技术领域

本发明涉及民用航空技术领域，尤其涉及到利用外辐射源照射，用于对空中目标监视的无源雷达系统组成结构。

背景技术

利用民用广播电视台作为照射源，接收空中目标反射的回波信号，实现对目标定位跟踪的无源雷达系统具有成本低、低空探测能力强、无电磁污染且电磁兼容性好的优点，在民用航空领域的应用前景十分广阔。

现有无源雷达系统通常采用数字阵列天线和数字波束形成技术，单个阵列天线瞬时能够覆盖较宽的空域范围。通常用于民航空中目标监视的雷达系统需要在方位方向实现360°的覆盖，为了实现360°方位空域覆盖，无源雷达系统常常采用圆形布阵的阵列天线，但是圆形布阵的阵列天线方位方向图副瓣通常较高，因此会影响系统的杂波抑制能力和低空慢速目标探测能力。如果一定要得到较低的副瓣，则必然要求增加阵列天线中单元天线的个数，由于采用了数字阵列天线体制，天线个数增加会导致系统成本直线上升。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种多天线阵列切换的无源雷达系统及其定位跟踪方法，实现360°空域覆盖，并且具有较好的天线副瓣性能，同时系统的成本能够得到有效的控制。

为实现上述目的，本发明提供了一种多天线阵列切换的无源雷达系统，包括若干个阵列天线、多通道射频切换装置、多通道超外差接收机、多通道AD采集与预处理分机、高速并行数字信号处理机以及显示与控制分机，所述若干个阵列天线、多通道射频切换装置、多通道超外差接收机、多通道AD采集与预处理分机、高速并行数字信号处理机依次连接，所述多通道射频切换装置、多通道超外差接收机、多通道AD采集与预处理分机、高速并行数字信号处理机均与显示与控制分机连接，其中：

所述若干个阵列天线，用于接收空中目标反射的回波射频信号；

所述多通道射频切换装置，用于按照时序在固定的时间段内选通其中一个阵列天线，将该阵列天线接收的射频信号送至多通道超外差接收机；

所述多通道超外差接收机，用于将多路射频信号转换到固定中频；

所述多通道AD采集与预处理分机，用于对中频模拟信号进行AD采集、数字下变频到基带、滤波与抽取，并将预处理后的数字基带信号交由高速并行数字信号处理分机；

所述高速并行数字信号处理机，用于对预处理后的数字基带信号进行杂波抑制、距离多普勒二维相关处理、目标检测、定位和跟踪；

所述显示与控制分机，用于雷达探测结果显示、人机交互以及系统控制。

优选的，所述多通道射频切换装置为开关矩阵。

优选的，所述阵列天线为若干个，每个阵列天线覆盖部分探测空域，所有阵列天线联合覆盖要求的探测空域。

一种多天线阵列切换的无源雷达系统的定位跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1、多通道射频切换装置按照时序在固定的时间段内选通其中一个阵列天线，将该阵列天线接收的信号送至多通道超外差接收机；

步骤2、由多通道超外差接收机将多路射频信号转换到固定中频，然后将中频信号送至多通道AD采集与预处理分机；

步骤3、多通道AD采集与预处理分机完成对中频模拟信号的AD采集、数字下变频到基带、滤波与抽取，并将预处理后的数字基带信号交由高速并行数字信号处理分机；

步骤4、高速并行数字信号处理分机完成杂波抑制、距离多普勒二维相关处理、目标检测、定位和跟踪；

步骤5、显示与控制分机完成雷达探测结果显示、人机交互以及系统控制。

本发明的有益效果是：

本发明可以通过射频切换的方式在多个天线阵列之间进行切换，每个阵列天线覆盖部分空域范围，多个天线阵列联合可以实现360°方位空域覆盖，满足民航对空中目标监视的空域覆盖要求。由于切换是在射频进行的，因此增加阵列天线，只会增加天线和前端的数量，变频和接收部分不会增加，因此系统总成本增加较少。另外，由于采用了平面阵列，因此阵列天线的副瓣可以做的较低，有利于提升系统性能。

附图说明

图1是本发明的多阵列天线切换无源雷达系统组成示意图

图2是本发明的多阵列天线空域覆盖和工作时序关系图

图3是本发明的阵列天线和多通道射频切换装置的详细结构示意图

图4是本发明的16元圆形阵列方向图

图5是本发明的10元一维线阵阵列方向图

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明提出的多阵列天线切换无源雷达系统组成如图1所示。系统由主要由若干个阵列天线、多通道射频切换装置、多通道超外差接收机、多通道AD采集与预处理分机、高速并行数字信号处理机以及显示与控制分机组成。系统在工作时，多通道射频切换装置按照一定的时序在固定的时间段内选通其中一个阵列天线，将该阵列天线接收的信号送至多通道超外差接收机，由多通道超外差接收机将多路射频信号转换到固定中频，然后将中频信号送至多通道AD采集与预处理分机，完成对中频模拟信号的AD采集、数字下变频到基带、滤波与抽取，并将预处理后的数字基带信号交由高速并行数字信号处理分机，完成杂波抑制、距离多普勒二维相关处理、目标检测、定位和跟踪。雷达探测结果显示、人机交互以及系统控制由显示与控制分机完成。

图2给出了一种由四个阵列天线覆盖整个空域的阵列天线布置和系统工作时序关系示意。在这个例子中，整个系统由四个阵列天线覆盖整个空域，每个阵列天线在方位方向上覆盖90°。整个系统在一个统一的系统时序下工作，该时序信号送给多通道射频切换装置、多通道超外差接收机、多通道AD采集与预处理分机和高速并行数字信号处理机等各个分机，控制各个分机按照统一的时序工作。在第一个脉冲触发下，多通道射频切换装置将阵列天线1接入整个处理系统，完成对预先设定长度的接收信号的下变频、放大、滤波、采集和处理；然后在第二个脉冲触发下，多通道射频切换装置将阵列天线2接入整个处理系统并完成所有接收处理工作；经过四个脉冲触发后，整个无源雷达系统就完成了一次对全空域的探测。探测的数据率为触发脉冲重复频率的1/4，或者说探测的数据刷新时间是触发脉冲重复周期的4倍。

多通道射频切换装置是一个开关矩阵，例如每个阵列天线有16个天线单元，一共四个阵列天线，则多通道射频切换装置就是由16个单刀四掷射频开关组成，由于开关矩阵有射频损耗，为了保证探测系统的作用距离，一般需要在天线后端加入低噪声放大器对信号放大后，再送入多通道射频切换装置，其结构如图3所示。

本发明提出使用多个阵列天线切换的方式来实现无源雷达系统对整个空域的覆盖，相比使用圆形阵列天线实现全空域覆盖的无源雷达系统，其主要效果有：

1)能够获得更好的天线方向图，从而提高了杂波抑制能力，提高了无源雷达系统整体性能。

设无源雷达系统工作中心频率为500MHz，波长为0.6m，天线方位向最大口径为3m，使用16个阵元的圆阵天线经过凸优化加权后形成的天线方向图如图4所示，其天线副瓣电平小于10dB。如果使用本项发明的多阵列天线切换方案，按照半波长进行布阵，则需要4个一维线阵阵列天线，每个阵列天线阵元个数为10，其天线方向图如图5所示，其中一维线阵阵列天线合成经过切比雪夫加权，其副瓣可以比较容易控制到30dB。显然，多阵列天线切换的方案可以获得更好的副瓣性能，从而提高了系统的杂波抑制能力和整体性能。

2)无源雷达系统的成本没有上升，甚至会部分降低。

还是以前面的例子进行分析。采用圆阵，需要阵列天线阵元个数为16个，不需要通道切换装置，后面的超外差接收机、AD采集与预处理、信号处理的通道数均为16；采用多阵列切换方案，阵列天线阵元个数为10×4＝40个，还需要增加40个低噪声放大器，一个4选1的10通道射频切换装置，但是后端的超外差接收机、AD采集与预处理、信号处理的通道数均为10，阵列天线和低噪声放大器的成本是比较低的，而后端接收机、AD采集和预处理的成本是比较高的，增加后端一个通道，整个系统成本会呈线性增加。因此，整体核算下来，采用多阵列切换方案，系统总体成本不会上升，甚至会部分下降。相比圆阵的方案，多阵列切换方案的数据刷新率会降低，但是由于无源雷达系统本身的刷新率就非常高，适当降低也可以满足系统的使用要求。

以数字电视信号作为照射源的无源雷达为例，说明本发明的一个实施实例。

中国国内数字电视采用DTMB体制，按照一次探测积累时间为两个超帧，积累时间284.4ms，接收机噪声系数7dB，数字信号处理损失3dB，检测门限13dB，则接收机灵敏度S_min＝-174+7+3+13+10*log10(1/0.2844)＝-145.5dBmW。

设数字广播电视发射台等效辐射功率(EIRP)为10kW，民航飞机的雷达反射截面积(RCS)为50m²，传输损耗L_p＝1dB，系统损耗L_s＝3dB，中心频率500MHz，每个天线阵方位向长度为3m，方位瞬时覆盖90°，采用10个天线阵元，单个天线增益为5dB，合成损失1dB，则天线增益为14dB。

根据雷达方程，等效单基地作用距离为：

工程上测角精度满足信噪比条件下，可以达到波束宽度的十分之一，按照波束宽度为

来计算，测角精度可以达到1.2°，其中λ为波长，D为天线方位向口径长度。

单次探测积累时间为284.4ms，4个阵列轮换一次，则系统最小数据刷新时间为284.4*4＝1.14秒，用于民航空中监视的无源雷达，一般情况下数据刷新率达到5秒就满足使用要求

从该实施实例来看，使用多天线阵列切换体制的无源雷达，对目标探测距离超过100公里，测角精度达到1.2度，数据刷新时间达到2秒以内，可以满足使用要求。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种多天线阵列切换的无源雷达系统，其特征在于：包括若干个阵列天线、多通道射频切换装置、多通道超外差接收机、多通道AD采集与预处理分机、高速并行数字信号处理机以及显示与控制分机，所述若干个阵列天线、多通道射频切换装置、多通道超外差接收机、多通道AD采集与预处理分机、高速并行数字信号处理机依次连接，所述多通道射频切换装置、多通道超外差接收机、多通道AD采集与预处理分机、高速并行数字信号处理机均与显示与控制分机连接，其中：

所述若干个阵列天线，用于接收空中目标反射的射频回波信号；

所述多通道射频切换装置，用于按照时序在固定的时间段内选通其中一个阵列天线，将该阵列天线接收的射频信号送至多通道超外差接收机；

所述多通道超外差接收机，用于将多路射频信号转换到固定中频；

所述多通道AD采集与预处理分机，用于对中频模拟信号进行AD采集、数字下变频到基带、滤波与抽取，并将预处理后的数字基带信号交由高速并行数字信号处理分机；

所述高速并行数字信号处理机，用于对预处理后的数字基带信号进行杂波抑制、距离多普勒二维相关处理、目标检测、定位和跟踪；

所述显示与控制分机，用于雷达探测结果显示、人机交互以及系统控制；

所述多通道射频切换装置为开关矩阵；

所述阵列天线为若干个，每个阵列天线覆盖部分探测空域，所有阵列天线联合覆盖要求的探测空域；

多天线阵列切换的无源雷达系统的定位跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1、多通道射频切换装置按照时序在固定的时间段内选通其中一个阵列天线，将该阵列天线接收的信号送至多通道超外差接收机；

步骤2、由多通道超外差接收机将多路射频信号转换到固定中频，然后将中频信号送至多通道AD采集与预处理分机；

步骤3、多通道AD采集与预处理分机完成对中频模拟信号的AD采集、数字下变频到基带、滤波与抽取，并将预处理后的数字基带信号交由高速并行数字信号处理分机；

步骤4、高速并行数字信号处理分机完成杂波抑制、距离多普勒二维相关处理、目标检测、定位和跟踪；

步骤5、显示与控制分机完成雷达探测结果显示、人机交互以及系统控制。

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