CN108828546B - 一种天基多通道动目标雷达接收处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种天基多通道动目标雷达接收处理系统，属于雷达技术领域，主要解决隐身目标监视中强杂波对系统动态范围造成极大影响的问题。该系统包括矩阵沿卫星平台运动方向顺序布置的M个天线子阵、M个射频接收通道、M个第一实时延时器、M个第二实时延时器、M‑1个运算放大器，M≥2，每个天线子阵将接收到的回波信号发送至对应的射频接收通道，射频接收通道将回波信号下变频至中频，并将其分成两路，分别延时输出至运算放大器，两路延时差为

运算放大器将相邻通道相邻脉冲信号进行对消处理，降低进入数据采集系统的杂波强度，从而降低对高位数AD芯片的要求，保证了回波数据的有效精度，为天基预警雷达对微弱目标探测提供保障。

Description

一种天基多通道动目标雷达接收处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种天基多通道动目标雷达接收处理系统及方法，属于雷达技术领域。

背景技术

天基预警雷达处于下视工作状态，为探测空中高速隐身目标，特别是隐身微弱目标，需要极大的功率孔径积，以满足所需要的信噪比要求，同时由于天基预警雷达主瓣波束指向地球因此杂波回波功率也随之大幅提高，杂波能量远高于空中运动目标及基底噪声的回波能量(杂噪比可高达60dB以上)，而雷达系统设计过程中为降低对系统灵敏度的影响，AD转换器的输入噪声均方根一般需要大于其最低有效位的量化电平，此时强杂波容易会造成AD饱和，对AD转换器的量化有效位数提出严格要求。因此，天基预警雷达硬件系统动态范围要求更高。目前尚无在轨运行的天基预警雷达，公开文献资料主要集中在天基预警雷达概念体制研究、杂波分析及抑制等方面，根据调研尚无涉及雷达系统动态范围设计的资料。

对于地基预警雷达，为克服杂波对系统动态范围的影响，目前主要有三种解决方案，一种是在信号采集前加限幅器的方案，以防止AD终端饱和。但是限幅器也会带来不利因素：限幅会使得强杂波背景上的目标信号受到损失，产生波形失真，并妨碍后续的信号处理，严重时会导致运动目标无法检测。不仅如此，限幅作用还会使杂波的相关性减弱，杂波谱展宽。因此限幅器由于其非线性的特性，并不能从本质上降低杂波对系统动态范围的影响。第二种方案是先进入AD采集前先采用两脉冲或者三脉冲进行一次杂波对消，此时杂波强度通常可改善20分贝左右，然后进入AD采集系统，在数字上进行MTD处理。但是对于天基预警雷达由于平台的高度运动，导致杂波谱高度展宽，相同接收通道间前后杂波并不相关，因此如果直接采用以上脉冲间对消系统无法改善信杂比。第三种方案就是选用高位数的AD采集芯片，目前对于地基雷达军品级器件具有较大的芯片选择范围。但是对于星载雷达为适应空间环境，确保卫星寿命，需要采用更高等级的宇航级产品，因此高等级的芯片目前难以获得。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有天基预警雷达系统高位数AD采集芯片难以获取的问题，提出一种天基多通道动目标雷达接收处理系统及方法，降低地杂波功率，从而降低对高位数AD芯片的要求，保证了回波数据的有效精度，为天基预警雷达对微弱目标探测提供保障。

本发明的技术解决方案：一种天基多通道动目标雷达接收处理系统，该系统包括M个天线子阵、M个射频接收通道、M个第一实时延迟器、M个第二实时延迟器、M-1个运算放大器，M≥2，其中：

第1天线子阵至第M天线矩阵沿卫星平台运动方向顺序布置，每个天线子阵长度l、卫星平台速度V_卫星和雷达发射脉冲重复频率PRF满足条件：

每个天线子阵将接收到的回波信号发送至对应的射频接收通道，射频接收通道将回波信号下变频至中频，并将其分成两路，一路经过第一实时延迟器延时T_m,1，另一路经过第二实时延迟器延时T_m，2，

第1个第一实时延迟器和第M个第二实时延迟器输出端连接负载；第m个第二实时延迟器和第m+1个第一实时延迟器输出端连接第m个运算放大器，m∈[1,M-1]，运算放大器将相邻通道相邻脉冲信号进行对消处理，降低进入数据采集系统的杂波强度。

所述运算放大器将相邻通道相邻脉冲信号进行对消处理的具体方法为：

S_n+1,1(i+1)-S_n,2(i)，n＝1,2,...,M-1，i为正整数；

其中，S_n+1,1(i+1)表示第n+1个第一实时延迟器输出第i+1个脉冲的回波信号；S_n,2(i)表示第n个第二实时延迟器输出第i个脉冲的回波信号。

所述第一实时延迟器的延时参数T_m,1大于等于0。

所述射频接收通道包括下变频器、1分2功分器，其中：

下变频器，将合路器输出的射频信号进行下变频处理，得到中频信号，并将其输出至1分2功分器；

1分2功分器，将中频信号分成两路分别输出至第一实时延迟器和第二实时延迟器。

所述负载为50Ω射频负载。

本发明的另一个技术解决方案：一种天基多通道动目标雷达接收处理方法，该方法包括如下步骤：

(1)、沿卫星平台运动方向顺序布置的第1天线子阵至第M天线矩阵接收回波信号，M≥2，每个天线子阵长度l、卫星平台速度V_卫星和雷达发射脉冲重复频率PRF满足条件：

(2)、将每个天线子阵将接收到的回波信号通过射频接收通道下变频至中频，并将每个通道的中频信号分成两路，一路延时T_m,1，另一路延时T_m，2，

(3)、将第一通道的第一路延时信号和第M通道的第二路延时信号连接负载，将第一通道的第二路延时信号、第M通道的第一路延时信号以及其余通道的第一路延时信号和第二路延时信号，按照相邻通道相邻脉冲信号进行对消的方法处理，降低进入数据采集系统的杂波强度。

所述相邻通道相邻脉冲信号进行对消的方法为：

S_n+1,1(i+1)-S_n,2(i)，n＝1,2,...,M-1，i为正整数；

其中，S_n+1,1(i+1)表示第n+1个第一实时延迟器输出第i+1个脉冲的回波信号；S_n,2(i)表示第n个第二实时延迟器输出第i个脉冲的回波信号。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)、本发明采用基于相邻通道相邻脉冲的空时杂波数据对消方法，通过合理配置子阵间距、平台速度及脉冲重复周期之间的参数，显著降低了进入AD采集的杂波功率，提高了雷达系统的动态范围，从而有效降低对AD采集的动态需求，保证了回波数据的有效精度，为天基预警雷达对微弱目标探测提供保障。

(2)、本发明回波数据中杂波能量的降低有利于降低后续硬件处理模块的规模，结合空时自适应信号处理、目标检测跟踪等一系列数字信号处理实现对微弱目标预警监视，降低了系统的成本。

(3)、本发明空时杂波数据对消方法巧妙地利用了天线子阵的空间特性和延时器的特性，实现相邻通道相邻脉冲的空时杂波数据对消，运算简单，效果显著。

附图说明

图1为本发明提出的天基多通道动目标监视雷达系统组成。

具体实施方式

下面对本发明的实施方案及效果作进一步的详细描述。

为了解决强杂波对天基预警雷达接收系统造成饱和的问题，从而降低对系统动态范围影响，本发明提供了一种天基多通道动目标监视雷达系统。

如图1所示，一种天基多通道动目标监视雷达系统，该系统包括M个天线子阵、M个射频接收通道、M个第一实时延迟器、M个第二实时延迟器、M-1个运算放大器，M≥2，其中：

第1天线子阵至第M天线矩阵沿卫星平台运动方向顺序布置，每个天线子阵长度l、卫星平台速度V_卫星和雷达发射脉冲重复频率PRF满足条件：

假设雷达天线总长度为L米，分为M个天线子阵，因此每个天线子阵长度为L/M米，那么卫星平台速度V_卫星和雷达发射脉冲重复频率PRF满足条件：

每个天线子阵将接收到的回波信号发送至对应的射频接收通道，每个射频接收通道包括下变频器、1分2功分器，下变频器，将合路器输出的射频信号进行下变频处理，得到中频信号，并将其输出至1分2功分器；1分2功分器，将中频信号分成两路，分别输出至第一实时延迟器和第二实时延迟器，一路经过第一实时延迟器延时T_m,1，另一路经过第一实时延迟器延时T_m，2，

所述第一实时延迟器的延时参数T_m,1大于等于0。

每个天线子阵的回波信号分别在射频通道上进行合成，共M路，然后分别下变频至中频，假设第m个天线子阵接收到第k个脉冲的雷达回波表示为：S_m(k),m＝1,2,...,M，k为正整数。假设S_m,1(k)表示S_m(k)经过1分2功分器后并经过实时延迟器后的第1路信号；S_m,2(k)表示S_m(k)经过1分2功分器后并经过实时延迟器后的第2路信号。

第1个第一实时延迟器和第M个第二实时延迟器输出端连接负载，所述负载为50Ω射频负载。第m个第二实时延迟器和第m+1个第一实时延迟器输出端连接第m个运算放大器，m∈[1,M-1]，运算放大器将相邻通道相邻脉冲信号进行对消处理，降低进入数据采集系统的杂波强度。

令S_1,1(k),S_M,2(k)，k为正整数接50Ω射频负载。S_m+1,1(k),S_m,2(k)，k＝1,2,...,K-1,m＝1,2,...,M-1，进入一个运算放大器，所述运算放大器将相邻通道相邻脉冲信号进行对消处理的具体方法为：

S_n+1,1(i+1)-S_n,2(i)，n＝1,2,...,M-1，i为正整数；

其中，S_n+1,1(i+1)表示第n+1个第一实时延迟器输出第i+1个脉冲的回波信号；S_n,2(i)表示第n个第二实时延迟器输出第i个脉冲的回波信号。

令S_n(i)，n＝1,2,...,M-1，i为正整数，进入AD采集系统进行数据采集，最终获得M-1个通道的回波数据。

与此同时，本发明还提供了一种天基多通道动目标雷达接收处理方法，包括如下步骤：

(1)、沿卫星平台运动方向顺序布置的第1天线子阵至第M天线矩阵接收回波信号，M≥2，每个天线子阵长度l、卫星平台速度V_卫星和雷达发射脉冲重复频率PRF满足条件：

(2)、将每个天线子阵将接收到的回波信号通过射频接收通道下变频至中频，并将每个通道的中频信号分成两路，一路延时T_m,1，另一路延时T_m，2，

(3)、将第一通道的第一路延时信号和第M通道的第二路延时信号连接负载，将第一通道的第二路延时信号、第M通道的第一路延时信号以及其余通道的第一路延时信号和第二路延时信号，按照相邻通道相邻脉冲信号进行对消的方法处理，降低进入数据采集系统的杂波强度。

所述相邻通道相邻脉冲信号进行对消的方法为：

S_n+1,1(i+1)-S_n,2(i)，n＝1,2,...,M-1，i为正整数；

其中，S_n+1,1(i+1)表示第n+1个第一实时延迟器输出第i+1个脉冲的回波信号；S_n,2(i)表示第n个第二实时延迟器输出第i个脉冲的回波信号。

实施例：

本发明实施例的使用场景为：采用等距线阵的全发子收模式，全阵面发射，子阵级接收。其中子阵数目为M＝10，阵元间距为D＝4米，发射K＝100个线性调频脉冲，载频为1.2GHz。本发明首先将接收的各路信号进行下变频，中频输出进入一分二功分器，在利用程控延时器对其中的一路信号进行延迟，利用相邻通道相邻脉冲的数据相减即可显著降低杂波能量，从而降低对AD位数的要求。然后结合空时自适应信号处理对差信号进行处理，得到微弱目标的检测结果。其具体实现如下：

首先对系统的PRF进行设计，使其满足通道间杂波对消的条件。这里假定卫星平台的速度为7km/s，则按照下式可以得到系统的PRF为：

天线子阵接收的回波合路信号共10路，分别下变频至中频，假设第m个天线子阵接收到的第k个雷达回波表示为：S_m(k),m＝1,2,...,10，k为正整数。

中频信号S_m(k)经过1分2的功分器，分成2路，输出分别接可程控实时延迟器，假设T_m,1,m＝1,2,...,10表示第m个子阵经过1分2功分器后输出第1路信号实时延迟器的延迟时间，T_m,2表示第m个子阵经过1分2功分器后输出第2路信号实时延迟器的延迟时间，设计满足

假设S_m,1(k)表示S_m(k)经过1分2功分器后并经过实时延迟器后的第1路信号；S_m,2(k)表示S_m(k)经过1分2功分器后并经过实时延迟器后的第2路信号。则令S_1,1(k),S_10,2(k)，k为正整数，接负载；S_m+1,1(k),S_m,2(k)，k＝1,2,...,K-1,m＝1,2,...,9，进入一个运算放大器，二者相减输出信号为：

S_n(i)＝S_m+1,1(k+1)-S_m,2(k)

其中k＝1,2,...,K-1,n＝1,2,...,9。

令S_n(i)，i＝1,2,...,K-1,n＝1,2,...,M-1，进入AD采集系统进行数据采集，最终获得M-1个通道的回波数据。最后对采集的回波数据进行信号处理，完成对目标的检测。

经过计算可以得到上述天基多通道动目标监视雷达系统的杂波抑制能力，如下式所示：

其中Δa，Δφ为相邻通道相邻脉冲信号之间的幅度误差和相位误差。可以计算当幅度误差小于0.5dB，相位误差小于5°时，杂波强度降低19.3dB，从而显著降低进入采集系统的杂波强度，从而极大降低对AD位数的需求，确保回波数据质量。最后对回波数据进行空时自适应处理、目标检测跟踪等一系列数字信号处理实现对微弱目标预警监视。

本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种天基多通道动目标雷达接收处理系统，其特征在于包括M个天线子阵、M个射频接收通道、M个第一实时延迟器、M个第二实时延迟器、M-1个运算放大器，M≥2，其中：

第1天线子阵至第M天线子阵沿卫星平台运动方向顺序布置，每个天线子阵长度l、卫星平台速度V_卫星和雷达发射脉冲重复频率PRF满足条件：

每个天线子阵将接收到的回波信号发送至对应的射频接收通道，射频接收通道将回波信号下变频至中频，并将其分成两路，一路经过第一实时延迟器延时T_m,1，另一路经过第二实时延迟器延时T_m,2,

m∈[1,M]；

第1个第一实时延迟器和第M个第二实时延迟器输出端连接负载；第m个第二实时延迟器和第m+1个第一实时延迟器输出端连接第m个运算放大器，m∈[1,M-1]，运算放大器将相邻通道相邻脉冲信号进行对消处理，降低进入数据采集系统的杂波强度；

所述运算放大器将相邻通道相邻脉冲信号进行对消处理的具体方法为：

S_n+1,1(i+1)-S_n,2(i)，n＝1,2,...,M-1，i为正整数；

其中，S_n+1,1(i+1)表示第n+1个第一实时延迟器输出第i+1个脉冲的回波信号；S_n,2(i)表示第n个第二实时延迟器输出第i个脉冲的回波信号。

2.根据权利要求1所述的一种天基多通道动目标雷达接收处理系统，其特征在于所述第一实时延迟器的延时参数T_m,1大于等于0。

3.根据权利要求1所述的一种天基多通道动目标雷达接收处理系统，其特征在于所述射频接收通道包括下变频器、1分2功分器，其中：

下变频器，将合路器输出的射频信号进行下变频处理，得到中频信号，并将其输出至1分2功分器；

1分2功分器，将中频信号分成两路分别输出至第一实时延迟器和第二实时延迟器。

4.根据权利要求1所述的一种天基多通道动目标雷达接收处理系统，其特征在于所述负载为50Ω射频负载。

5.一种天基多通道动目标雷达接收处理方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、沿卫星平台运动方向顺序布置的第1天线子阵至第M天线子阵接收回波信号，M≥2，每个天线子阵长度l、卫星平台速度V_卫星和雷达发射脉冲重复频率PRF满足条件：

(2)、将每个天线子阵将接收到的回波信号通过射频接收通道下变频至中频，并将每个通道的中频信号分成两路，一路延时T_m,1，另一路延时T_m,2

m∈[1,M]；

(3)、将第一通道的第一路延时信号和第M通道的第二路延时信号连接负载，将第一通道的第二路延时信号、第M通道的第一路延时信号以及其余通道的第一路延时信号和第二路延时信号，按照相邻通道相邻脉冲信号进行对消的方法处理，降低进入数据采集系统的杂波强度；

所述相邻通道相邻脉冲信号进行对消的方法为：

S_n+1,1(i+1)-S_n,2(i)，n＝1,2,...,M-1，i为正整数；

其中，S_n+1,1(i+1)表示第n+1个第一实时延迟器输出第i+1个脉冲的回波信号；S_n,2(i)表示第n个第二实时延迟器输出第i个脉冲的回波信号。

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