CN108732562B - 一种相控阵雷达 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种相控阵雷达，所述雷达包括：后端信号处理模块以及一个或多个阵列单元；所述阵列单元与所述后端信号处理模块连接；其中，所述阵列单元包括：TR模拟前端单元以及与所述TR模拟前端单元对应的一个或多个天线单元；所述TR模拟前端单元与所述天线单元通过快速接插件装置连接。在本发明实施例中，阵列单元可以是相控阵雷达探测阵面最小的基础组成单元，设备具有体积小，配置灵活，成本低廉。可以根据不同的雷达业务需要实现紧密布阵和稀疏布阵，实现了相控阵雷达阵列阵元的瓦片式集成。同时，雷达功能的调整可以通过基本的阵列单元的重构来实现系列化产品，极大的节约雷达系统构建的周期和成本。

Description

一种相控阵雷达

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种相控阵雷达。

背景技术

雷达，是英文Radar的音译(radio detection and ranging，无线电探测和测距)，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位角、高度角等信息。

数字阵列雷达也是相控阵雷达，但是与传统相控阵雷达相比，它摒弃了传统无源相控阵雷达大量采用的功率分配器、移相器和衰减器以及大量的电源电缆和控制电缆。采用高集成度的收发一体的软件无线电芯片实现每个雷达天线单元的发射和接收。数字阵列雷达是一种接收和发射都采用数字波束形成技术的数字化相控阵雷达，一方面，使系统资源调度和波束指向控制更加灵活，易于实现多功能和多任务；信号接收处理动态范围大，抗干扰能力强；可形成各种特殊赋形的照射波束，以实现可控的空间功率分配；通过同时形成多个波束，可以实现宽角空域覆盖和对多个目标的同时高数据率搜索、跟踪等特点。

但是目前的数字阵列雷达由于数字发射/接收(T/R)组件中变频电路的复杂性，想要更换雷达的探测频段时，需要重新进行设计电路以及雷达；同时如果雷达出现故障，维护或更换的过程增加难度和成本，这些都会造成雷达使用过程中的诸多不便以及高成本。

发明内容

本发明提供一种相控阵雷达，降低了雷达的低成本以及使用和维护过程的复杂度。

本发明实施例提供了一种相控阵雷达，所述雷达包括：后端信号处理模块以及一个或多个阵列单元；所述阵列单元与所述后端信号处理模块连接；

其中，所述阵列单元包括：TR模拟前端单元以及与所述TR模拟前端单元对应的一个或多个天线单元；所述TR模拟前端单元与所述天线单元通过快速接插件装置连接。

进一步的，所述阵列单元还包括：固定装置，用于支撑和固定所述TR模拟前端单元以及所述天线单元。

进一步的，所述快速接插件装置为射频快速连接装置。

进一步的，所述TR模拟前端单元包括软件无线电芯片。

进一步的，所述雷达还包括：固定架装置，用于支撑和固定所述阵列单元以及后端处理器模块。

进一步的，所述固定架装置上带有定位孔和/或标尺，相应的，所述阵列单元通过所述定位孔固定于所述固定装置上；所述标尺用于标度和定位，以方便将所述阵列单元安装在设定的定位孔中。

进一步的，所述定位孔之间的间距根据雷达的配置参数以及探测频率设计。

进一步的，所述定位孔之间的间距为雷达最高探测频率波长四分之一的整数倍。

进一步的，所固定架装置为开放或封闭结构。

进一步的，所述阵列单元还包括：定位销钉，相应的，所述阵列单元通过所述定位销钉安装到固定装置上的定位孔中。

本发明实施通过提供一种相控阵雷达，所述雷达包括：后端信号处理模块以及一个或多个阵列单元；所述阵列单元与所述后端信号处理模块连接；其中，所述阵列单元包括：TR模拟前端单元以及与所述TR模拟前端单元对应的一个或多个天线单元；所述TR模拟前端单元与所述天线单元通过快速连接插件装置连接，解决了现有技术中雷达更换过程难度和成本较高，同时不够灵活的问题。在本发明实施例中，阵列单元可以是相控阵雷达探测阵面最小的基础组成单元，设备具有体积小，配置灵活，成本低廉。可以根据不同的雷达业务需要实现紧密布阵和稀疏布阵，实现了相控阵雷达阵列阵元的瓦片式集成。同时，雷达功能的调整可以通过基本的阵列单元的重构来实现系列化产品，极大的节约雷达系统构建的周期和成本。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种相控阵雷达的结构示意图；

图2是本发明实施例一中的一种阵列单元的结构示意图；

图3是本发明实施例二中的一种相控阵雷达的结构示意图；

图4是本发明实施例二中的一种雷达的固定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种相控阵雷达的结构示意图，本实施例可适用于雷达构建的情况，如图1所示，该雷达具体包括：后端信号处理模块12以及一个或多个阵列单元10；所述阵列单元10与所述后端信号处理模块12连接；其中，所述阵列单元10包括：TR模拟前端单元101(T是transmit，发射；R是receiving，接收)以及与所述TR模拟前端单元101对应的一个或多个天线单元102。天线单元102的个数可以根据对雷达具体的要求进行设计，比如可以根据雷达覆盖的频段和系统综合指标进行调整设计。

其中，后端信号处理模块11主要用于对信号进行处理和对阵列单元10中的具体参数进行配置。具体的，后端信号处理模块11可以与阵列单元10中的TR前端单元通过快速接插件装置进行连接，快速接插件装置可用于各种电气线路中，起着连接或断开电路的作用，可以实现部件或设备之间的快速插拔，比如通过蜂窝状的快速接插件装置。TR模拟前端单元101通过可快速插装的连接方式与后端的信号处理模块相连，可以实现相控阵雷达阵列单元与后端信号处理模块进行数据交换的需求，同时操作过程更加方便快捷。后端信号处理模块11可以有一个或多个，一个后端信号处理模块11可以控制对应的一个或多个阵列单元10。

图2是本发明实施例一中提供的一种阵列单元的结构示意图，如图2所示，所述TR模拟前端单元101与所述天线单元102通过快速接插件装置103连接，可以节省安装空间和安装时间，并降低了可能的传导损耗，相比现有技术中的射频电缆连接，可以提高整个相控阵雷达阵列单元的功耗效率。

可选的，所述快速连接插件装置103为射频快速连接装置，示例性的，现有的射频连接器或射频接插件，具有低驻波、低损耗的功能，利用射频连接器连接TR模拟前端单元101和与所述TR模拟前端单元101对应的一个或多个天线单元102，可以减小阵列单元的体积且不易损坏。当然，本发明实施例对TR模拟前端单元和天线单元的连接方式并不作限制，具体可以根据雷达自身的要求进行配置不同种类或型号的连接器。

可选的，所述阵列单元10还包括：固定装置104，用于支撑和固定所述TR模拟前端单元101以及所述天线单元102。利用固定装置104可以防止阵列单元中的天线单元102和TR模拟前端单元101出现移动，影响连接以及射频传输的情况。示例性的，固定装置104可以采用安装柱，利用安装柱分别与TR模拟前端单元101和天线单元102连接，进行支撑和固定。

可选的，所述TR模拟前端单元101包括软件无线电芯片。具体的，TR模拟前端单元101采用以软件无线电芯片为核心来实现，示例性的，可以采用以AD9361芯片为代表的一系列芯片，可以实现IQ调制和解调(I是in-phase，同相；Q是quadrature，正交)，以及微波信号的生成和接收。相应的，还需要设计专用的辅助电路以及具体针对雷达应用编写的信号处理程序，可以实现数字化的相控阵阵列单元。同时，基于软件无线电芯片的TR模拟前端单元可以从米波段一直覆盖到C波段，增加雷达的工作频率波段范围。

示例性的，后端信号处理模块11可以采用通用化构架，包括DSP和FPGA协同完成数字运算，这种构架下可以只要求后端信号处理模块有足够的数字接口即可，并不要求其他特殊的接口形式，可以灵活的重构和根据系统复杂程度进行堆叠。具体的，后端信号处理模块11可以包括多级信号处理单元对信号进行分级处理。例如，如果包括两级，则第一级信号处理单元可以通过采集对应阵列单元中传输的与时序有关的信号并进行预处理，然后将处理后的信号传输至第二级信号处理单元进行可以不考虑时序，做综合处理。这样的分级处理方式可以缓解处理器对大量与时序相关的数据进行统一处理的压力，同时提高信号的处理效率。多个阵列阵元的集合配合后端的信号处理模块和数字波束形成算法，构建了整个雷达系统。

可选的，相控阵雷达还可以包括相应的操作显示模块，用于采集工作人员的操作信息以及显示相应的数据结果。通过在操作显示模块进行操作，利用后端信号处理模块控制TR模拟前端单元的具体参数配置，比如具体可以控制每个阵列单元的信号的收发，同时与时钟配合，完成收发时序的控制。

本发明实施例提供的技术方案可以针对不同的雷达系统设计的体量、威力或频段等要求，可以在不更换后端信号处理模块和操作显示模块，时钟模块和TR模拟前端单元的条件下，仅仅更换天线单元就可以实现不同类型和需求的雷达。示例性的，比如对与TR模拟前端单元连接的天线单元进行增减，同时由于通过其快速接插件连接，也可以灵活方便的进行更换，也进一步实现了阵列单元的重构。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供TR模拟前端单元在相控阵雷达中的具体工作过程：

首先，初始化及自检。

雷达系统开机上电后，后端信号处理模块对所有TR模拟前端单元进行复位。具体的，复位完成后通过控制接口对软件无线电芯片进行初始化配置，完成初始化配置后，读取TR模拟前端单元的状态，可以上报给平台或服务器，以确认每一个阵列单元中的TR模拟前端单元是否正常，完成TR模拟前端单元的初始化及自检。

其次，配置校准参数。

在初始化自检完成后，后端信号处理模块根据发射功率等级分别通过相应的接口读取每一个阵列单元中的TR模拟前端单元的非易失性存储器(例如EEPROM)中保存的相应功率等级下的功率校准参数、载波泄露校准参数、镜像校准参数再通过控制接口配置给响应的软件无线电芯片，进一步完成校准数据的加载。

最后，进行目标探测过程。

上述过程全部完成后，TR模拟前端单元进入工作状态，由后端信号处理模块对每一个阵列单元中的TR模拟前端单元进行收发控制。后端数字信号处理单元发送调制数据给软件无线电芯片，经过DAC、滤波、上变频、功率放大、切换开关切换(或环形器)到发射端口，通过天线单元发射出去。远处待探测目标物将发射电磁波信号反射回来。前段开关切换到接收端口，经LNA、下变频、放大、滤波和采样后，将数字IQ数据通过连接器送给后端信号处理模块进行处理，完成一次探测过程。具体的，天线单元接收空间目标反射回来的电磁波，经环形器后传输至TR模拟前端单元，由软件无线电芯片直接完成从射频到零频数字IQ信号的变换后传输给后端信号处理模块。后端信号处理模块对目标回波进行自适应波束形成、数字脉冲压缩、动目标处理、恒虚警检测，提取目标信息(距离、方位、速度、幅度等)，形成点迹数据和杂波图数据，传输至显示操作模块和数据处理模块，比如可以进行显控和数据处理计算机进行处理。相应的显控和数据处理软件对后端信号处理模块传输的点迹数据进行处理，比如进行扫描间的滤波处理，形成目标航迹，同时也可以将原始点迹信息和航迹信息在显示器上显示。根据对探测物具体的要求，可以设置为搜索工作状态或跟踪工作状态，并进一步进行分配及调度能量资源。

本发明实施例的技术方案构成的相控阵雷达设备体积小，配置灵活，成本低廉，并且设备易实现。基于此设计，可灵活构建2D和3D形式的相控阵雷达，比如可以灵活构建搜索雷达或跟踪雷达，利用相位扫描来实现雷达大的方位或俯仰角度的覆盖，可灵活实现雷达的数字阵列重构和收发多波束的形成，雷达系统功能的调整可通过基本单元的重构来实现系列化产品。同时，阵列单元的可重构意味着基于可重构的雷达阵列单元可以实现相控阵雷达的柔性设计和制造工艺，其中，阵列单元的数量和几何排布可以直接与相控阵雷达的威力、体制和性能相关。所以，实现可重构的相控阵雷达阵列在相控阵雷达的设计和制造中有着深渊的意义。进一步的，该技术方案也可以极大的节约系统构建的周期和成本，可应用于民用、军用等多种不同用途的雷达的构建。

实施例二

图3是本发明实施例二提供的一种相控阵雷达的结构示意图，如图3所示，在上述实施例的基础上，可选的，所述雷达还包括：固定架装置13，用于支撑和固定所述阵列单元10以及后端处理器模块11。其中，该雷达的具体结构包括：阵列单元10以及后端处理器模块11均可以固定在固定架装置13上，尤其当雷达需要包括多个阵列单元10构建时，可以在固定装置上13排列安装多个阵列单元10。其中，后端处理器模块11与TR模拟前端单元101可以通过快速插接装置105连接进行数据传输。根据对雷达设计的体量、威力和频段要求等，通过计算可以得知对阵列单元的个数以及安装位置等信息。

图4是本发明实施例二提供的一种雷达的固定装置的结构示意图，如图4所示，可选的，所述固定架装置13上带有定位孔131和/或标尺132，相应的，所述阵列单元10通过所述定位孔131固定于所述固定装置13上；所述标尺132用于标度和定位，以方便将所述阵列单元安装在设定的定位孔中或从定位孔中拆卸。即通过以上的方式，本发明实施例可以实现相控阵雷达阵列阵元的瓦片式集成，每一个阵列单元10和后端信号处理模块11均可以安装在固定装置13上的设定位置的定位孔131中。

可选的，所述阵列单元10还包括：定位销钉141，如图2所示，相应的，所述阵列单元10通过所述定位销钉安装到固定装置13上的定位孔131中。可选的，所固定架装置13为开放或封闭结构。比如，可以采用绗架，即阵列单元10通过一个可定位的绗架可以构成数字化相控阵雷达的阵面，当然可根据不同的雷达业务需要实现紧密布阵和稀疏布阵。示例性的，基于本发明实施例提供的阵列单元，相控阵雷达阵面可有N×M的阵列单元构成，其中N或M是≥1的正整数。构成的数量和雷达的功能(搜索或跟踪雷达)以及雷达的威力(雷达最大峰值功率)和雷达的性能(雷达的方位、俯仰角的分辨率等功能指标)。软件无线电技术提供不同雷达探测频率的统一化设计，再配合满足相控阵定位精度的绗架的相控阵雷达阵面即可以实现阵列单元的柔性布阵。与传统数字相控阵雷达阵面相比，本发明实施例实现了阵列单元的一体化设计，即整个数字相控阵雷达阵面可以以阵列单元为核心进行集成设计。

在本发明实施例中，如果要更换雷达的对雷达设计的体量、威力或频段要求等时，可以通过直接进行对阵列单元的增加或减少，在对应位置的定位孔中进行插入或拔出相应的阵列单元。另外，如果某一个阵列单元出现故障，可以直接拔出进行维修，并将替换的阵列单元插入定位孔，对雷达的更换和维护更加简便，同时减少成本。

可选的，所述定位孔131之间的间距根据雷达的配置参数以及探测频率设计。即定位孔之间的间距并非是限定的，可以根据雷达的实际情况进行计算，以实现在更换或调整雷达的参数时，能够灵活配置阵列单元安装到相应的位置。可选的，所述定位孔之间的间距为雷达最高探测频率波长四分之一的整数倍。四分之一的整数倍可以兼具在对不同雷达进行构建时，阵列单元集成的灵活性和高效性，优选的，可以为最高探测频率波长四分之一进行设计。

本发明实施例的技术方案，由于相控阵雷达阵列单元是相控阵雷达探测阵面最小的基础组成单元。阵列单元的可重构意味着基于可重构的雷达阵列单元可以实现相控阵雷达的柔性设计和制造工艺，阵列单元的数量和几何排布直接标志着相控阵雷达的威力、体制和性能，再配合满足相控阵定位精度的绗架的相控阵雷达阵面即可以实现阵列单元的柔性布阵。即整个数字相控阵雷达阵面可以以阵列单元为核心进行集成设计。其中，实现可重构的相控阵雷达阵列在相控阵雷达的设计和制造中有着深渊的意义的重大的影响。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种相控阵雷达，其特征在于，所述雷达包括：后端信号处理模块以及一个或多个阵列单元；所述阵列单元与所述后端信号处理模块连接；

其中，所述阵列单元是相控阵雷达探测阵面最小的基础组成单元，所述阵列单元包括：TR模拟前端单元以及与所述TR模拟前端单元对应的一个或多个天线单元；所述TR模拟前端单元与所述天线单元通过快速接插件装置连接。

2.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述阵列单元还包括：固定装置，用于支撑和固定所述TR模拟前端单元以及所述天线单元。

3.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述快速接插件装置为射频快速连接装置。

4.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述TR模拟前端单元包括软件无线电芯片。

5.根据权利要求2所述的雷达，其特征在于，所述雷达还包括：固定架装置，用于支撑和固定所述阵列单元以及后端处理器模块。

6.根据权利要求5所述的雷达，其特征在于，所述固定架装置上带有定位孔和/或标尺，相应的，所述阵列单元通过所述定位孔固定于所述固定装置上；所述标尺用于标度和定位，以方便将所述阵列单元安装在设定的定位孔中。

7.根据权利要求6所述的雷达，其特征在于，所述定位孔之间的间距根据雷达的配置参数以及探测频率设计。

8.根据权利要求7所述的雷达，其特征在于，所述定位孔之间的间距为雷达最高探测频率波长四分之一的整数倍。

9.根据权利要求5所述的雷达，其特征在于，所述固定架装置为开放或封闭结构。

10.根据权利要求6所述的雷达，其特征在于，所述阵列单元还包括：定位销钉，相应的，所述阵列单元通过所述定位销钉安装到固定装置上的定位孔中。

Images