CN108051813A - 用于低空多目标分类识别的雷达探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于低空多目标分类识别的雷达探测系统及方法，该系统包括：波形发生器，用于根据所需探测的低空区域产生能量集中于指定阈值以下的探测波束；天线单元，用于将波形发生器输出的探测波束进行发射，以及接收目标回波信号；接收单元，用于将天线单元接收的目标回波信号下变频为中频信号输出；信号处理单元，用于根据接收单元输出的中频信号获取目标的位置信息以及进行目标识别，输出识别到的目标类别；该方法为实现低空多目标分类识别的方法。本发明能够实现低空多目标的实时检测以及分类识别，且具有识别效率及精度高、灵活性强等优点。

Description

用于低空多目标分类识别的雷达探测系统及方法

技术领域

本发明涉及低空目标雷达探测技术领域，尤其涉及一种用于低空多目标分类识别的雷达探测系统及方法。

背景技术

低空飞行目标即为在较低空域（如1km以下）中飞行的目标，主要包括鸟类、无人机、航模、热气球、滑翔伞、低空突防武器等。低空飞行目标会严重影响低空的安全性，如鸟击航班一直都是航空飞行安全的一大隐患，对机场近空鸟类的防范直接关系到飞行的安全，又如随着消费级无人机技术的成熟与成本下降，小型无人机异常活跃，也使得极大的威胁着低空的安全，因而对低空飞行目标进行有效探测十分必要。

低空飞行目标由于存在飞行高度低、飞行速度慢、RCS极小等特点，且存在利用地形、地物的遮蔽，目前还没有一种可靠的探测和跟踪方法，若直接采用传统的防空雷达体系进行低空目标探测，会存在以下问题：

（1）由于地球曲面、地形、地物遮蔽角等因素会影响雷达波束照射低空目标，非常容易造成漏检，而使得探测精度低；

（2）地海杂波对目标回波影响较大，会导致虚警率增大；

（3）低空检测中存在多径效应，会影响目标回波信号幅度，极大的影响了对目标检测和参数测量的精度。

因而传统的防空雷达体系甚至无法适用于低空目标的检测或跟踪，如何能够有效的探测到低空飞行目标，实现对低空飞行目标实时检测及识别是亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现简单、能够实现低空目标的实时探测及识别，识别效率及精度高且灵活性强的用于低空多目标分类识别的雷达探测系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于低空多目标分类识别的雷达探测系统，其特征在于，包括：

波形发生器，用于根据所需探测的低空区域产生能量集中于指定阈值以下的探测波束；

天线单元，用于将所述波形发生器输出的探测波束进行发射，以及接收目标回波信号；

接收单元，用于将所述天线单元接收的目标回波信号下变频为中频信号输出；

信号处理单元，用于根据所述接收单元输出的中频信号获取目标的位置信息以及进行目标识别，输出识别到的目标类别。

作为本发明系统的进一步改进：所述接收单元包括两条以上的接收支路，每条所述接收支路包括相互连接的用于将输入信号下变频为中频信号的接收机电路以及用于执行模数转换的模数转换电路，所述接收机电路的输入端连接所述天线单元的输出端，所述模数转换电路的输出端连接所述信号处理单元。

作为本发明系统的进一步改进：所述接收机电路包括依次连接的输入放大滤波电路、变频电路以及输出放大滤波电路；所述变频电路具体为二次变频电路，将所述目标回波信号经过两次下变频后输出所需中频信号。

作为本发明系统的进一步改进：所述波形发生器包括相互连接的波形产生模块、控制模块，通过所述控制模块控制所述波形产生模块生成能量集中在指定阈值以下的两种以上线性调频信号波形。

作为本发明系统的进一步改进：所述天线单元包括依次连接的阵列天线、多个T/R组件、用于检测俯仰和差强度的俯仰和差器，所述T/R组件接入所述波形发生器输出的探测波束进行移相放大后，通过所述天线阵列输出，以及从所述天线阵列接收目标回波信号进行移相放大后，输出给所述俯仰和差器；所述阵列天线采用方位机械扫描、以及俯仰相控阵扫描。

作为本发明系统的进一步改进：所述信号处理单元包括依次连接的用于检测三维空间坐标信息的雷达信号处理模块、用于识别目标类型的目标识别模块以及用于对检测到的目标进行跟踪的目标跟踪模块，所述目标识别模块包括特征数据库模块、特征提取子模块以及识别子模块，所述特征提取子模块接收所述接收单元输出的中频信号进行特征提取，输出提取到的特征给所述识别子模块，所述识别子模块将所述提取到的特征与所述特征数据库模块中预先建立的特征数据库进行匹配，识别出目标类型。

作为本发明系统的进一步改进：所述雷达信号处理模块具体包括依次连接的脉冲压缩电路、频域滤波器MTI(Moving Target Indication)、带通滤波器组MTD (MovingTarget Detector)，所述接收单元输出信号依次经过所述脉冲压缩电路进行脉冲压缩、所述频域滤波器MTI进行频域滤波、所述带通滤波器组MTD进行带通滤波后，输出处理后信号给所述目标识别模块。

作为本发明系统的进一步改进：还包括用于提供相参频率信号的频率综合器单元，所述频率综合器单元分别与所述波形发生器、天线单元、接收单元以及信号处理单元连接。

作为本发明系统的进一步改进：还包括与所述信号处理单元连接的伺服单元，用于驱动所述天线单元运动以及数据传输；还包括与所述信号处理单元连接的显控单元，用于显示所述信号处理单元输出的结果、以及接收控制指令并发送给所述信号处理单元。

本发明进一步提供一种用于低空多目标分类识别的雷达探测方法，步骤包括：

S1. 根据所需探测的低空区域产生能量集中于指定阈值以下的探测波束，通过天线单元进行发射；

S2. 通过所述通过天线单元接收目标回波信号；

S3. 将所述天线单元接收的目标回波信号下变频为中频信号输出；

S4. 用于根据所述步骤S3输出的中频信号获取目标的位置信息以及进行目标识别，输出识别到的目标类别。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明通过由波形发生器产生能量集中于指定阈值以下的探测波束，使得可以探测到低空区域内目标，结合天线单元、接收单元、信号处理单元，能够实时检测到低空区域的鸟类、无人机、直升机、地面人员、车辆等多种低空目标，且检测精度高，同时能够识别出目标类别，实现低空多目标分类识别，从而对低空能够实现全天时、全天候、大范围区域的侦察监视，有效获取到周边飞行器、鸟类等低空目标的活动信息。

2）本发明通过控制模块控制波形产生模块产生能量集中于1km以下的波束，使得可以探测到飞行高度在1km以下的低空飞行目标，同时通过灵活的控制波形产生模块产生不同能量大小的波形，可以灵活的实现不同高度低空目标的探测。

3）本发明进一步通过雷达信号处理模块可实时提供目标的方位、距离、高度（俯仰角）的三维空间坐标信息，结合目标识别模块可以准确的定位到低空目标，同时结合目标跟踪可以定时更新目标的位置坐标，实现目标实时跟踪。

4）本发明进一步雷达信号处理模块具体包括依次连接的脉冲压缩电路、MTI电路、MTD电路，通过对信号进行脉冲压缩、MTI、MTD，可以有效消除地面杂波对运动目标的干扰，提高低空多目标的发现概率，实时提供目标的方位、距离、高度（俯仰角）三维空间坐标信息，同时提高检测精度。

5）本发明进一步包括伺服单元、显控单元，可以对系统进行集中操作、监视和控制，实现与系统之间的人机交互，同时探测到的目标信息能够实时输出或进行上报。

附图说明

图1是本实施例用于低空多目标分类识别的雷达探测系统的结构示意图。

图2是本发明具体实施例中产生的发射波束的示意图。

图3是本发明具体实施例中实现低空多目标分类识别的结构原理示意图。

图例说明：1、波形发生器；2、天线单元；3、接收单元；31、接收机电路；32、模数转换电路；4、信号处理单元；5、频率综合器单元；6、伺服单元；7、显控单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例用于低空多目标分类识别的雷达探测系统，包括：

波形发生器1，用于根据所需探测的低空区域产生能量集中于指定阈值以下的探测波束；

天线单元2，用于将波形发生器1输出的探测波束进行发射，以及接收目标回波信号；

接收单元3，用于将天线单元2接收的目标回波信号下变频为中频信号输出；

信号处理单元4，用于根据接收单元3输出的中频信号获取目标的位置信息以及进行目标识别，输出识别到的目标类别。

本实施例通过上述雷达探测系统，由波形发生器1产生能量集中于指定阈值以下的探测波束，使得可以探测到低空区域内目标，结合天线单元2、接收单元3、信号处理单元4，能够实时检测到低空区域的鸟类、无人机、直升机、地面人员、车辆等多种低空目标，且检测精度高，同时能够识别出目标类别，实现低空多目标分类识别，从而对低空能够实现全天时、全天候、大范围区域的侦察监视，有效获取到周边飞行器、鸟类等低空目标的活动信息。

本实施例中，波形发生器1具体包括相互连接的波形产生模块、控制模块，通过控制模块控制波形产生模块生成能量集中在指定阈值以下的线性调频信号波形LFM。本实施例具体产生两种不同形式的线性调频信号波形LFM，每种形式的LFM后续分别进行接收处理，也可以为三种以上不同形式的线性调频信号波形LFM，以提高雷达探测的精度。本实施例波形发生器1、信号处理单元4具体通过一个模块实现，如通过FPGA等实现。

本实施例控制模块具体控制波形产生模块产生能量集中于1km以下的波束，使得可以探测到飞行高度在1km以下的低空飞行目标。通过控制模块可以灵活的控制波形产生模块产生不同能量大小的波形，从而可以灵活的实现不同高度低空目标的探测。

为实现能量集中于1km以下波束的产生，本实施例具体根据波束的覆盖范围、高度，调节波束宽度以及发射功率，以使得波束能量最终集中于1km以下。如要求波束的主要覆盖范围为距离5Km以内，高度1Km以内，而2Km距离1Km高度对应的俯仰角β=30°，因此对于1Km以内的作用区域俯仰角需要大于30°，且由于该段要求的作用距离降低较近，因此可以增大波束宽度并降低TR通道，即降低发射功率，实现波束能量集中于1km以下；本发明具体实施例中所产生的波束如图2所示，所产生的波束能量集中于1km以下。

在具体应用实施例中，波形发生器1采用FPGA实现，即FPGA中设置波形产生模块以产生指定形式的线性调频信号波形LFM，同时利用内部FPGA丰富的I/O口和便捷的时序编程，完成对波形产生模块的时序和状态控制、故障信息状态检测、控制TR开关、中频衰减等，实现频率码字选择、工作模式选择。FPGA还作为控制系统，控制整个雷达探测系统的时序，使得协调雷达全机同步工作。

本实施例中，天线单元2包括依次连接的阵列天线、多个T/R组件、用于检测俯仰和差强度的俯仰和差器，T/R组件接入波形发生器1输出的探测波束进行移相放大后，通过天线阵列输出，以及从天线阵列接收目标回波信号进行移相放大后，输出给俯仰和差器；阵列天线采用方位机械扫描、以及俯仰相控阵扫描，即采用方位机械扫描、俯仰相控阵扫描体制。由天线单元2发射和接收雷达信号，且在方位面进行机械扫描的同时，在垂直面进行相控波束扫描，并采用和差波束形成器采集目标回波幅度信息。

在具体应用实施例中，天线单元2还包括用于检测T/R的检测负载，阵列天线具体采用单脉冲介质波导缝隙阵列天线系统。

本实施例中，接收单元3具体包括两条接收支路，即为双通道接收支路，每条接收支路包括相互连接的用于将输入信号下变频为中频信号的接收机电路31以及用于执行模数转换的模数转换电路32，接收机电路31的输入端连接天线单元2的输出端，模数转换电路32的输出端连接信号处理单元4。当然接收单元3还可以采用三条以上接收支路的多通道接收支路，以分别对接收的目标回波信号进行下变频、模数转换处理。

本实施例中，接收机电路31包括依次连接的输入放大滤波电路、变频电路以及输出放大滤波电路；变频电路具体为二次变频电路，将目标回波信号经过两次下变频后输出所需中频信号给信号处理单元4。

在具体应用实施例中，接收机电路31的输入端还设置有限幅电路，每路接收支路依次连接有限幅电路、射频放大电路、输入滤波电路、二次变频电路、中频放大电路、中频滤波电路等，能够有效滤除信号干扰，进一步提高目标检测的精度。

本实施例中，信号处理单元4包括依次连接的用于检测三维空间坐标信息的雷达信号处理模块、用于识别目标类型的目标识别模块以及用于对检测到的目标进行跟踪的目标跟踪模块，目标识别模块包括特征数据库模块、特征提取子模块以及识别子模块，特征提取子模块接收来自接收单元3的中频信号进行特征提取，输出提取到的特征给识别子模块，识别子模块将提取到的特征与特征数据库模块中预先建立的特征数据库进行匹配，识别出目标类型。本实施例雷达信号处理模块具体检测包含方位、距离、高度（俯仰角）的三维空间坐标信息。

本实施例通过上述结构，可实时提供目标的方位、距离、高度（俯仰角）的三维空间坐标信息，结合目标识别模块可以准确的定位到低空目标，同时结合目标跟踪可以定时更新目标的位置坐标，实现目标实时跟踪。

本实施例中雷达信号处理模块具体包括依次连接的脉冲压缩电路、频域滤波器MTI、带通滤波器组MTD，通过对接收单元3输出的信号进行脉冲压缩、频域滤波（MTI）、带通滤波（MTD）后输出给目标识别模块，可以有效消除地面杂波对运动目标的干扰，提高低空多目标的发现概率，实时提供目标的方位、距离、高度（俯仰角）三维空间坐标信息，同时提高检测精度，对于目标集中的各类目标，平均识别概率可以达到80%以上。

如图3所示，本发明具体应用实施例中在FPGA中实现波形控制产生波形LFM、以及接收回波信号进行信号预处理功能，信号处理单元4使用高性能的DSP完成，由DSP对输入目标回波信号进行脉冲压缩、MTI、MTD后进行特征提取，再与预先建立的特征数据库进行匹配，实现对低空多目标的识别。

上述雷达探测系统工作时，从FPGA输出的发射信号输入至T/R组件，经移相放大后从天线口输出；目标回波信号由天线接收后，从天线口送入T/R组件进行移相，输出信号经过和差网络后进入双通道接收机，在双通道接收机中下变频为中频信号，变频后的中频信号进入FPGA进行数据预处理，处理后信号输出给DSP进行脉冲压缩、MTI、MTD后进行特征提取，再与预先建立的特征数据库进行匹配，识别出目标类型并进行目标跟踪。

本实施例中，还包括用于提供相参频率信号的频率综合器单元5，频率综合器单元5分别与波形发生器1、天线单元2、接收单元3以及信号处理单元4连接，为各个单元提供所需的相参频率以及为信号处理单元4提供相参时钟信号。频率综合器单元5的输出频率具体通过变频序列进行控制，产生全相参输出信号，实现低相位噪声、低杂散的发射激励信号产生功能，具体共设21个工作频点，频率间隔50MHz，工作频点的具体选择根据信号处理单元4进行控制。

本实施例中，还包括与信号处理单元4连接的伺服单元6，用于驱动天线单元2运动以及数据传输。伺服单元6具体包括伺服转台、电力/通信链路等，通过伺服转台驱动天线等负载做周扫或扇扫运动，电力/通信链路作为通信链路的一部分，用于实现雷达数据和其他控制信号与伺服平台之间的双向传递，以及上报伺服分系统本身的工作状态等。伺服分系统具体包括伺服控制器、方位伺服驱动器、方位驱动电机、测速机、方位测角装置、俯仰测角装置、光纤滑环、控保装置、伺服机构等。

本实施例中，还包括与信号处理单元4连接的显控单元7，用于显示信号处理单元4输出的结果、以及接收控制指令并发送给信号处理单元4。显控单元7具体采用显控终端，接收对信号处理单元4的数据进行处理，显示处理结果，同时接收外部输入的各种控制指令，控制系统完成规定的动作，实现与系统之间的人机交互，可以方便的实现对系统进行集中操作、监视和控制，同时探测到的目标信息能够实时输出给操作员，或通过通信设备上报至其它设备，完成目标信息引导。

本实施例雷达探测系统还包括外部电源，接入外部电源变换为二次电源后分别给上述各单元供电，

本实施例用于低空多目标分类识别的雷达探测方法，步骤包括：

S1. 产生能量集中于指定阈值以下的探测波束，通过天线单元2进行发射；

S2. 通过天线单元2接收目标回波信号；

S3. 将天线单元2接收的目标回波信号下变频为中频信号输出；

S4. 用于根据步骤S3输出的中频信号获取目标的位置信息以及进行目标识别，输出识别到的目标类别。

本实施例中，步骤S1中具体产生能量集中于1km以下的波束，使得可以探测到飞行高度在1km以下的低空飞行目标，产生方式具体如上所述。

本实施例中，步骤S2中具体采用方位机械扫描、俯仰相控阵扫描体制，由天线单元2发射和接收雷达信号，且在方位面进行机械扫描的同时，在垂直面进行相控波束扫描，并采用和差波束形成器采集目标回波幅度信息；通过T/R组件接入探测波束进行移相放大后，通过天线阵列输出，以及从天线阵列接收目标回波信号进行移相放大后，输出给俯仰和差器。

本实施例中，步骤S3中具体通过两条接收支路将目标回波信号依次已经输入放大滤波、二次变频、输出放大滤波后下变频为所需中频信号输出，每条接收支路将输入信号下变频为中频信号后，执行模数转换后输出。

本实施例中，步骤S4具体步骤为：

依次经过脉冲压缩、频域滤波MTI、带通滤波MTD后，输出目标的方位、距离、高度（俯仰角）三维空间坐标信息；

对步骤S3输出的中频信号进行特征提取，将提取到的特征与预先建立的特征数据库进行匹配，识别出目标类型，同时定时更新目标的位置坐标，实现目标实时跟踪。

本实施例上述方法与上述雷达探测系统的原理一致，在此不再进行赘述。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于低空多目标分类识别的雷达探测系统，其特征在于，包括：

波形发生器（1），用于根据所需探测的低空区域产生能量集中于指定阈值以下的探测波束；

天线单元（2），用于将所述波形发生器（1）输出的探测波束进行发射，以及接收目标回波信号；

接收单元（3），用于将所述天线单元（2）接收的目标回波信号下变频为中频信号输出；

信号处理单元（4），用于根据所述接收单元（3）输出的中频信号获取目标的位置信息以及进行目标识别，输出识别到的目标类别。

2.根据权利要求1所述的用于低空多目标分类识别的雷达探测系统，其特征在于：所述接收单元（3）包括两条以上的接收支路，每条所述接收支路包括相互连接的用于将输入信号下变频为中频信号的接收机电路（31）以及用于执行模数转换的模数转换电路（32），所述接收机电路（31）的输入端连接所述天线单元（2）的输出端，所述模数转换电路（32）的输出端连接所述信号处理单元（4）。

3.根据权利要求2所述的用于低空多目标分类识别的雷达探测系统，其特征在于，所述接收机电路（31）包括依次连接的输入放大滤波电路、变频电路以及输出放大滤波电路；所述变频电路具体为二次变频电路，将所述目标回波信号经过两次下变频后输出所需中频信号。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于低空多目标分类识别的雷达探测系统，其特征在于：所述波形发生器（1）包括相互连接的波形产生模块、控制模块，通过所述控制模块控制所述波形产生模块生成能量集中在指定阈值以下的两种以上线性调频信号波形。

5.根据权利要求1或2或3所述的用于低空多目标分类识别的雷达探测系统，其特征在于：所述天线单元（2）包括依次连接的阵列天线、多个T/R组件、用于检测俯仰和差强度的俯仰和差器，所述T/R组件接入所述波形发生器（1）输出的探测波束进行移相放大后，通过所述天线阵列输出，以及从所述天线阵列接收目标回波信号进行移相放大后，输出给所述俯仰和差器；所述阵列天线采用方位机械扫描、以及俯仰相控阵扫描。

6.根据权利要求1或2或3所述的用于低空多目标分类识别的雷达探测系统，其特征在于：所述信号处理单元（4）包括依次连接的用于检测三维空间坐标信息的雷达信号处理模块、用于识别目标类型的目标识别模块以及用于对检测到的目标进行跟踪的目标跟踪模块，所述目标识别模块包括特征数据库模块、特征提取子模块以及识别子模块，所述特征提取子模块接收所述接收单元（3）输出的中频信号进行特征提取，输出提取到的特征给所述识别子模块，所述识别子模块将所述提取到的特征与所述特征数据库模块中预先建立的特征数据库进行匹配，识别出目标类型。

7.根据权利要求6所述的用于低空多目标分类识别的雷达探测系统，其特征在于：所述雷达信号处理模块具体包括依次连接的脉冲压缩电路、频域滤波器MTI、带通滤波器组MTD，所述接收单元（3）输出信号依次经过所述脉冲压缩电路进行脉冲压缩、所述频域滤波器MTI进行频域滤波、所述带通滤波器组MTD进行带通滤波后，输出处理后信号给所述目标识别模块。

8.根据权利要求1或2或3所述的用于低空多目标分类识别的雷达探测系统，其特征在于，还包括用于提供相参频率信号的频率综合器单元（5），所述频率综合器单元（5）分别与所述波形发生器（1）、天线单元（2）、接收单元（3）以及信号处理单元（4）连接。

9.根据权利要求1或2或3所述的用于低空多目标分类识别的雷达探测系统，其特征在于，还包括与所述信号处理单元（4）连接的伺服单元（6），用于驱动所述天线单元（2）运动以及数据传输；还包括与所述信号处理单元（4）连接的显控单元（7），用于显示所述信号处理单元（4）输出的结果、以及接收控制指令并发送给所述信号处理单元（4）。

10.一种用于低空多目标分类识别的雷达探测方法，其特征在于，步骤包括：

S1. 根据所需探测的低空区域产生能量集中于指定阈值以下的探测波束，通过天线单元（2）进行发射；

S2. 通过所述通过天线单元（2）接收目标回波信号；

S3. 将所述天线单元（2）接收的目标回波信号下变频为中频信号输出；

S4. 用于根据所述步骤S3输出的中频信号获取目标的位置信息以及进行目标识别，输出识别到的目标类别。