CN108519586A - 一种分布式无源雷达系统及其目标定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式无源雷达系统及其目标定位方法，涉及对空中目标监视的雷达探测技术领域，该系统包括中心站和接收站；该系统的目标定位方法包括以下步骤：(1)接收站接收数字广播电视台的直达信号；(2)接收站对直达信号进行解调，然后再调制重构出参考信号；(3)接收站使用参考信号完成目标检测和时差提取信号处理工作，并将处理结果上报中心站；(4)中心站利用多个接收站得到的对同一目标的多个时差，完成对目标的定位；(5)中心站完成对空中目标的跟踪，形成目标航迹。本发明采用多个接收站分布式工作，对低空空域的覆盖性好，在复杂地形和城市区域中对低空目标探测效果好；接收站工作时不辐射电磁信号，对环境和人员无污染和伤害；接收站与有源雷达相比大规模部署和使用成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及对空中目标监视的雷达探测技术领域，特别是涉及一种分布式无源雷达系统及其目标定位方法。
背景技术
随着通用航空产业和民用无人机产业的发展，对通航飞行器、消费级无人机等低空空域飞行器的探测和监视显得越来越重要。低空空域飞行器飞行高度低、速度慢、雷达反射面积小，简称低慢小目标。低慢小目标飞行高度低，受地球曲率和地形的影响大，很容易被遮挡；速度慢、反射面积小，其回波信号混杂在强地物杂波信号中，加大了雷达探测的难度。
目前，对低慢小目标的探测和监视是现有雷达很难处理好的一个问题。受地球曲率、地形地貌和各类高层建筑等的影响，常规有源雷达对于低空空域飞行器的探测距离较近，要想无缝监视城市区域的低空飞行器，就需要部署多部雷达才能够满足要求。常规有源雷达在工作时会辐射高功率微波信号，势必对周围电子设备产生较强的干扰，长期大功率的微波辐射也会对周围人员的健康产生较大的影响；常规有源雷达价格昂贵，部署和使用维护的成本会很高。这些因素都大大限制了常规雷达在对低空空域飞行器监视方面的规模化应用。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种分布式无源雷达系统及其目标定位方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种分布式无源雷达系统，该系统包括中心站和接收站，所述中心站与接收站之间通过无线链路或有线链路相连接，接收站的数量不少于2个，接收站对目标回波时差和目标回波多普勒进行测量，中心站对目标进行定位、跟踪和航迹的形成。
优选的，所述有线链路为网线或光纤。
优选的，所述接收站包括天线、低噪声放大器、变频通道、AD采集、数字信号处理机和通信模块，接收站收到数字广播电视站的直达信号、多径信号以及目标反射回波信号后，经过低噪声放大器放大后，送入变频通道下变频到固定中频，AD采集模块对固定中频模拟信号进行AD量化采集后，送入数字信号处理机，数字信号处理机将数字中频信号变为基带信号。
一种分布式无源雷达系统的目标定位方法，包括以下步骤：
(1)在地理位置上相邻的多个接收站接收数字广播电视站的直达信号；
(2)多个接收站收到直达信号后，对直达信号进行解调，并以解调后的数字信号为基础，通过再调制重构出不含有多径信号和回波信号的参考信号；
(3)接收站使用参考信号完成对地面强直达和多径信号的对消、相关处理、目标检测、目标回波时差测量和目标回波多普勒测量的信号处理工作，并将处理结果上报中心站；
(4)中心站利用多个接收站上报的同一目标回波信号到达时差后，利用这些信息完成对目标的定位；
(5)通过一段时间的探测，中心站完成对空中目标的跟踪，形成目标航迹。
优选的，所述步骤(1)中的信号包括数字广播电视台的直达信号、多径信号和空中目标反射数字广播电视台的回波信号。
优选的，所述目标回波时差是某个特定的接收站收到的目标回波信号与直达信号相比的时间差，目标回波多普勒是某个特定的接收站收到的目标回波信号与直达信号相比的频率差。
优选的，所述各个接收站完成目标回波时差和目标回波多普勒测量后，将测量结果发送到中心站，由中心站完成对目标的定位、跟踪和航迹的形成。
优选的，所述某一个接收站检测到目标后，会测量得到目标回波信号与中心站直达信号的时间差，利用该时间差，可以确定目标位于以中心站和该接收站为焦点的椭圆上，如果不考虑测量目标的高度信息，两个接收站形成的椭圆相交，就可以确定目标的位置，如果需要测量目标的高度信息，则需要三个接收站相交才能够确定目标的位置。
本发明的有益效果在于：本发明采用多个接收站分布式工作，以蜂窝状方式分布式部署在一个区域中，对低空空域的覆盖性好，在复杂地形和城市区域中对低空目标探测效果好；接收站无源方式工作时不辐射电磁信号，对环境和人员无污染和伤害，便于大规模部署使用，可以实现在城市等复杂地形环境、人员密集区域对低空无人机的探测和跟踪，可以有效解决目前面临的对低空飞行器的探测和监视问题；接收站结构简单，价格低廉，与有源雷达相比大规模部署和使用成本较低。
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图；
图2为本发明的分布式无源雷达系统组成框图；
图3为本发明的接收站组成框图；
图4为本发明的目标定位示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图2所示，本发明的系统包括中心站和接收站，中心站与接收站之间通过无线链路或有线链路相连接，有线链路为网线或光纤，本实施例中有线链路采用光纤连接，接收站的数量不少于2个。接收站对目标回波时差和目标回波多普勒进行测量。如图3所示，接收站包括天线、低噪声放大器、变频通道、AD采集、数字信号处理机和通信模块。接收站收到数字广播电视站的直达信号、多径信号以及目标反射回波信号后，经过低噪声放大器放大后，送入变频通道下变频到固定中频，AD采集模块对固定中频模拟信号进行AD量化采集后，送入数字信号处理机，数字信号处理机将数字中频信号变为基带信号，对该基带信号按照照射源的协议进行解调，并以解调后的信号重构出不含有多径信号和目标回波信号的直达信号，以该直达信号作为参考信号，完成对接收信号中的直达和多径杂波信号对消，对目标回波信号的检测，对回波信号时差、多普勒信息的提取，并将提取得到的目标回波时差、多普勒信息通过通信模块上报到中心站，然后由中心站完成对目标的定位、跟踪等处理。
如图1所示，本发明还包括对目标的定位方法，该方法包括以下步骤：(1)在地理位置上相邻的多个接收站接收数字广播电视站的直达信号，直达信号包括数字广播电视台的直达信号、多径信号和空中目标反射数字广播电视台的回波信号；(2)多个接收站收到直达信号后，对直达信号进行解调，并以解调后的数字信号为基础，通过再调制重构出不含有多径信号和回波信号的参考信号；(3)接收站使用参考信号完成对地面强直达和多径信号的对消、相关处理、目标检测、目标回波时差测量和目标回波多普勒测量的信号处理工作，并将处理结果上报中心站，目标回波时差是指某个特定的接收站收到的目标回波信号与直达信号相比的时间差，目标回波多普勒是指某个特定的接收站收到的目标回波信号与直达信号相比的频率差；(4)中心站利用多个接收站上报的同一目标回波信号到达时差后，利用这些信息完成对目标的定位；(5)通过一段时间的探测，中心站完成对空中目标的跟踪，形成目标航迹。各个接收站完成目标回波时差和目标回波多普勒测量后，将测量结果发送到中心站，由中心站完成对目标的定位、跟踪和航迹的形成。
如图4所示，某一个接收站检测到目标后，会测量得到目标回波信号与数字广播电视站直达信号的时间差，利用该时间差，可以确定目标位于以数字广播电视站和该接收站为焦点的椭圆上，如果不考虑测量目标的高度信息，两个接收站形成的椭圆相交，就可以确定目标的位置，如果需要测量目标的高度信息，则需要三个接收站相交才能够确定目标的位置。
实施例一
按照标准，国内数字广播电视信号频段为470～860MHz，信号带宽为8MHz，因此无源雷达工作频段为470～860MHz，接收系统瞬时带宽为8MHz。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，则接收机灵敏度为Smin＝-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，民用消费级无人机的雷达反射截面积(RCS)为0.05m2，传输损耗Lp＝1dB，系统损耗Ls＝3dB，中心频率500MHz，接收站采用杆状天线，方位覆盖360度，俯仰覆盖60度，其天线增益为2dB，根据雷达方程，等效单基地作用距离为：
为了保证多个接收站能够同时观测到同一个目标，我们选择站间距离为5km，这样可以保证一个目标能够至少被三个接收站观测到。一个大型城市的城区大约是700平方公里，则需要布置28个接收站就可以实现对整个城区的监视。单次探测积累时间为284.4ms，则系统最小数据刷新时间为0.2844m，一秒钟可以刷新接近4次，这个刷新率对于监视无人机是足够了。
本发明采用多个接收节点，接收节点以蜂窝状方式分布式部署在一个区域中，覆盖该区域的低空空域，每个接收节点独立工作，接收该节点附近低空飞行器反射数字广播电视的回波信号，并提取出回波信号的到达时间差，多个节点联合，可实现对低空目标的探测、定位和跟踪。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围。本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形。本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种分布式无源雷达系统，其特征在于：该系统包括中心站和接收站，所述中心站与接收站之间通过无线链路或有线链路相连接，接收站的数量不少于2个，接收站对目标回波时差和目标回波多普勒进行测量，中心站对目标进行定位、跟踪和航迹的形成。
2.根据权利要求1所述的一种分布式无源雷达系统，其特征在于：所述有线链路为网线或光纤。
3.根据权利要求1或2所述的一种分布式无源雷达系统，其特征在于：所述接收站包括天线、低噪声放大器、变频通道、AD采集、数字信号处理机和通信模块，接收站收到数字广播电视站的直达信号、多径信号以及目标反射回波信号后，经过低噪声放大器放大后，送入变频通道下变频到固定中频，AD采集模块对固定中频模拟信号进行AD量化采集后，送入数字信号处理机，数字信号处理机将数字中频信号变为基带信号。
4.一种如权利要求1所述的分布式无源雷达系统的目标定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在地理位置上相邻的多个接收站接收数字广播电视站的直达信号；
(2)多个接收站收到直达信号后，对直达信号进行解调，并以解调后的数字信号为基础，通过再调制重构出不含有多径信号和回波信号的参考信号；
(3)接收站使用参考信号完成对地面强直达和多径信号的对消、相关处理、目标检测、目标回波时差测量和目标回波多普勒测量的信号处理工作，并将处理结果上报中心站；
(4)中心站利用多个接收站上报的同一目标回波信号到达时差后，利用这些信息完成对目标的定位；
(5)通过一段时间的探测，中心站完成对空中目标的跟踪，形成目标航迹。
5.根据权利要求4所述的一种分布式无源雷达系统的目标定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中的信号包括数字广播电视台的直达信号、多径信号和空中目标反射数字广播电视台的回波信号。
6.根据权利要求4所述的一种分布式无源雷达系统的目标定位方法，其特征在于：所述目标回波时差是某个特定的接收站收到的目标回波信号与直达信号相比的时间差，目标回波多普勒是某个特定的接收站收到的目标回波信号与直达信号相比的频率差。
7.根据权利要求4所述的一种分布式无源雷达系统的目标定位方法，其特征在于：所述各个接收站完成目标回波时差和目标回波多普勒测量后，将测量结果发送到中心站，由中心站完成对目标的定位、跟踪和航迹的形成。
8.根据权利要求4-7任一项所述的一种分布式无源雷达系统的目标定位方法，其特征在于：所述某一个接收站检测到目标后，会测量得到目标回波信号与中心站直达信号的时间差，利用该时间差，可以确定目标位于以中心站和该接收站为焦点的椭圆上，如果不考虑测量目标的高度信息，两个接收站形成的椭圆相交，就可以确定目标的位置，如果需要测量目标的高度信息，则需要三个接收站相交才能够确定目标的位置。
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