CN108832938B - 一种增益可调的雷达和通信侦察一体化接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增益可调的雷达和通信侦察一体化接收系统及方法，采用数个天线单元，构成雷达和通信侦察一体化接收阵列，每个天线单元后接一路射频输出连接至射频交换网络。根据侦收到不同类型、不同功率强度的目标辐射源，由辅助测量支路完成带宽和功率的初步测量，在门限比较单元进行简单运算，自适应调整一体化接收阵列子阵射频合路，改变侦察接收增益，使得一体化接收阵列输出到下变频接收信道输入口的电平始终处于一个相对合理的范围内，减轻一体化侦察接收机对大动态范围的要求，满足了对极强功率雷达和极弱功率通信信号的统一接收，显著提升了一体化侦察系统的截获概率和参数测量性能。

Description

一种增益可调的雷达和通信侦察一体化接收系统及方法

技术领域

本发提出了一种增益可调的雷达和通信侦察一体化接收系统及方法，适用于侦干探通多功能一体化载荷实现，属于雷达通信电子战一体化实现领域。

背景技术

在未来的信息化战争中，随着技术的发展，作战平台面临的威胁日益增多，其工作的电磁环境也日渐复杂。为提高生存率，作战平台不得不配备越来越多的电子设备。雷达、通信及电子对抗设备的增加不但要消耗大量的能源，占据更多的空间，而且削弱了作战平台的机动能力，增加了雷达目标的反射面积，降低了现代电磁环境中的抗干扰能力和现代武器装备系统的作战效能。解决上述问题的一个有效途径，就是实现雷达侦察与通信侦察的一体化。

常规的雷达侦察、通信侦察均由独立设备组成，软硬件资源由设备单独使用，条块分割界限明显，资源调度使用受限。采用多幅频段有交叠的天线覆盖广域频段，从而造成复杂的电磁兼容问题。由于通信信号和雷达信号在信号形式、功率大小、传输带宽等方面具有一定的差异，尤其是远程预警雷达和低速率的小型化通信终端，在相同距离条件下，辐射功率差异可达80dB甚至更高。现存的雷达侦察、通信侦察一体化设备为了实现大动态的接收，通常在射频前端第一级设置限幅放大器或者直通/衰减器，实现对雷达和通信信号的一体化接收，以避免接收到强功率的雷达信号时，导致射频前端饱和而无法工作。这样做存在以下不足：前端采用限幅操作将导致接收大信号时产生削波失真，使得对信号参数的测量误差变大；采用直通/衰减器后，会造成整个接收链路噪声系数急剧上升，造成接收机输出信噪比下降，同样使得信号参数测量性能下降。而且这样做并不能解决雷达强功率信号和通信弱功率信号的一体化接收处理，目前通常针对几种重点目标，采用固定增益的侦收天线，保证其有效侦收处理。这样，对于辐射功率极强的远程预警雷达信号或者极低速率极弱功率的通信信号无法实现统一的有效侦收，只能丢之弃之，严重弱化了侦收系统的性能。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种增益自适应可调的雷达和通信侦察一体化接收系统，完成对于辐射功率极强的远程预警雷达信号或者极低速率极弱功率的通信信号实现统一高截获概率侦收。

本发明的技术解决方案是：一种增益可调的雷达和通信侦察一体化接收系统，包括一体化接收阵列、射频交换网络、射频交换网络控制单元、辅助接收支路、下变频接收信道、门限比较单元，其中：

一体化接收阵列，由m×n个尺寸为a×a的天线单元组成，每个天线单元的射频输出端连接至射频交换网络，m和n均为大于等于1的正整数，a为大于0的实数；

射频交换网络，为射频开关矩阵，在射频交换网络控制单元的控制下，选通射频开关，将多路射频输入进行合路输出至辅助接收支路或者下变频接收信道输入端；

射频交换网络控制单元，控制射频开关矩阵状态，上电初始选通第u行至v行、第p列至q列Au,p，…，Au,q，…，Av,p，…，Av,q天线单元，构成接收子阵列，将接收子阵列各天线单元输出的射频信号合路后发送至辅助接收支路，之后，根据输出开关切换指令将合路之后的射频信号切换至下变频接收信道；

辅助接收支路，测量收到的射频信号功率和带宽，将测量结果输出至门限比较单元；

门限比较单元，将辅助接收支路测量得到的射频信号功率测量值与相应带宽对应的典型功率阈值比较，如果射频信号功率测量值与该典型功率阈值之差在预设范围内时，则输出开关切换指令至下变频接收信道；否则，根据计算结果，调整接收子阵列中天线单元合路数量，给出需要合路的天线单元编号，并将其发送至射频交换网络控制单元；

下变频接收信道，将接收到的射频信号进行下变频，转换为中频信号输出。

所述门限比较单元调整接收子阵列中天线单元合路数量的原则是：

当射频信号功率测量值与门限比较单元预置的对应带宽的功率阈值的差值为负时，增加接收子阵列天线单元合路数量；如果差值为正时，且在预设范围内，接收子阵列天线单元合路数量不做更改，超出预设范围，则减少接收子阵列天线单元合路数量。

所述预设范围为0dB～L_maxdB。

所增加或减少的子阵合路数量的具体计算方法为：

若差值为-ΔdB，将接收子阵列的天线单元数量扩展至原接收子阵列天线单元数量倍，ceil(·)表示向上取整，若差值为+ΔdB，且0≤Δ≤L_max，接收子阵列的天线单元数量不做更改，否则，将接收子阵列的天线单元数量缩小至原接收子阵列天线单元数量倍，floor(·)表示向下取整。

所述门限比较单元预置的典型带宽对应的典型功率阈值P_rmin可以经过如下计算获得：

P_rmin(dBm)＝kT(dBm)+Fn(dB)+10log₁₀(B/MHz)+RF_SNR(dB)。

式中，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J/K,T为标准温度，T＝290K，RF_SNR为接收系统后续信号处理所需信噪比，B为下变频接收信道的带宽，Fn为下变频接收信道的噪声系数。

所述一体化接收阵列采用平面相控阵天线实现，所述天线单元为相控阵子阵单元。

本发明的技术解决方案是：一种增益自适应可调的雷达和通信侦察一体化接收方法，该方法包括如下步骤：

(1)、从由m×n个尺寸为a×a的天线单元构成的一体化接收阵列中，选通第u行至v行、第p列至q列天线单元Au,p，…，Au,q，…，Av,p，…，Av,q构成接收子阵列，将接收子阵列中各天线单元的射频输出合成一路，输出至辅助接收支路；

(2)、辅助接收支路测量收到的射频信号功率和带宽，将测量结果输出至门限比较单元；

(3)、将辅助接收支路测量得到的射频信号功率测量值与相应带宽对应的典型功率阈值比较，如果射频信号功率测量值与该典型功率阈值之差在预设范围内，则进入步骤(4)；否则，调整一体化接收阵列相控阵天线单元合路数量，给出需要合路的相控阵天线单元编号，重新回到步骤(1)；

(4)、将合路之后的射频信号发送至下变频接收信道，由下变频接收信道将接收到的射频信号进行下变频转换为中频信号输出。

所述门限比较单元预置的典型带宽对应的典型功率阈值P_rmin可以经过如下计算获得：

P_rmin(dBm)＝kT(dBm)+Fn(dB)+10log₁₀(B/MHz)+RF_SNR(dB)。

式中，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J/K,T为标准温度，T＝290K，RF_SNR为接收系统后续信号处理所需信噪比，B为下变频接收信道的带宽，Fn为下变频接收信道的噪声系数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明根据侦收到不同类型、不同功率强度的目标辐射源，自适应调整一体化接收阵列子阵组合，改变侦察接收增益，使得射频合路输出到下变频接收信道输入口的电平始终处于一个相对合理的范围内，减轻一体化侦察接收机对大动态范围的要求，满足了对极强功率雷达和极弱功率通信信号的统一接收。

(2)、本发明采用增加辅助测量支路，在门限比较单元进行简单运算，完成侦察接收天线增益自适应调整，实现对极强功率雷达和极弱功率通信信号的大动态一体化接收，回避了常规手段导致的削波失真、链路噪声系数增大及弱信号漏检等不足，该方法显著提升了一体化侦察系统的截获概率和参数测量性能，具有很强的实用性。

附图说明

图1是一种增益自适应可调的雷达和通信侦察一体化接收原理框图；

图2是一种增益自适应可调的雷达和通信侦察一体化接收流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种增益自适应可调的雷达和通信侦察一体化接收系统，所述系统包括一体化接收阵列、射频交换网络、射频交换网络控制单元、辅助接收支路、下变频接收信道、门限比较单元，其中：

一体化接收阵列，由m×n个尺寸为a×a的天线单元组成，每个天线单元的射频输出端连接至射频交换网络，m和n均为大于等于1的正整数，a为大于0的实数；雷达侦察和通信侦察可以共用一幅平面相控阵天线，所述天线单元为相控阵天线单元。

射频交换网络，为射频开关矩阵，在射频交换网络控制单元的控制下，选通射频开关，将多路射频输入进行合路输出至辅助接收支路或者下变频接收信道输入端；

射频交换网络控制单元，控制射频开关矩阵状态，上电初始选通第u行至v行、第p列至q列Au,p，…，Au,q，…，Av,p，…，Av,q天线单元，构成接收子阵列，将接收子阵列各天线单元输出的射频信号合路后发送至辅助接收支路，之后，根据输出开关切换指令将合路之后的射频信号切换至下变频接收信道；

辅助接收支路，测量收到的射频信号功率和带宽，将测量结果输出至门限比较单元；

门限比较单元，将辅助接收支路测量得到的射频信号功率测量值与相应带宽对应的典型功率阈值比较，如果射频信号功率测量值与该典型功率阈值之差在预设范围内时，则输出开关切换指令至下变频接收信道；否则，根据计算结果，调整接收子阵列中天线单元合路数量，给出需要合路的天线单元编号，并将其发送至射频交换网络控制单元；所述预设范围为0dB～L_maxdB。调整接收子阵列中天线单元合路数量的原则是：当射频信号功率测量值与门限比较单元预置的对应带宽的功率阈值的差值为负时，增加接收子阵列天线单元合路数量；如果差值为正时，且在预设范围内，接收子阵列天线单元合路数量不做更改，超出预设范围，则减少接收子阵列天线单元合路数量，使得射频合路输出到达其输入口的信号电平始终处于一个相对合理的范围内，减轻一体化侦察接收机对大动态范围的要求，满足了对极强功率雷达和极弱功率通信信号的统一接收。

所述门限比较单元预置的典型带宽对应的典型功率阈值P_rmin可以经过如下计算获得：

P_rmin(dBm)＝kT(dBm)+Fn(dB)+10log₁₀(B/MHz)+RF_SNR(dB)。

式中，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K,T为标准温度，T＝290K，RF_SNR为接收系统后续信号处理所需信噪比，B为下变频接收信道的带宽，Fn为下变频接收信道的噪声系数。

所增加或减少的子阵合路数量的具体计算方法为：

若差值为-ΔdB，将接收子阵列的天线单元数量扩展至原接收子阵列天线单元数量倍，ceil(·)表示向上取整，若差值为+ΔdB，且0≤Δ≤L_max，接收子阵列的天线单元数量不做更改，否则，将接收子阵列的天线单元数量缩小至原接收子阵列天线单元数量倍，floor(·)表示向下取整。

下变频接收信道，将接收到的射频信号进行统一下变频接收，保证了接收机输出功率保持在一个变化较小且合理的范围内，保证了信号不失真、中频输出信噪比高、动态范围小，传递至后端信号采集处理单元，减轻了后端处理压力，保证了优良的参数测量性能。

如图2所示，基于上述增益自适应可调的雷达和通信侦察一体化接收系统，本发明还提供了一种增益自适应可调的雷达和通信侦察一体化接收方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、从由m×n个尺寸为a×a的天线单元构成的一体化接收阵列中，选通第u行至v行、第p列至q列天线单元Au,p，…，Au,q，…，Av,p，…，Av,q构成接收子阵列，将接收子阵列中各天线单元的射频输出合成一路，输出至辅助接收支路；其中，u和v、p和q为正整数，且满足1≤u≤v≤n、1≤p≤q≤m；u,v的初值根据接收信号类型取经验值确定。

(2)、辅助接收支路测量收到的射频信号功率和带宽，将测量结果输出至门限比较单元；

(3)、将辅助接收支路测量得到的射频信号功率测量值与相应带宽对应的典型功率阈值比较，如果射频信号功率测量值与该典型功率阈值之差在预设范围内，则进入步骤(4)；否则，调整一体化接收阵列相控阵天线单元合路数量，给出需要合路的相控阵天线单元编号，重新回到步骤(1)；

(4)、将合路之后的射频信号发送至下变频接收信道，由下变频接收信道将接收到的射频信号进行下变频转换为中频信号输出。

所述门限比较单元预置的典型带宽对应的典型功率阈值P_rmin可以经过如下计算获得：

P_rmin(dBm)＝kT(dBm)+Fn(dB)+10log₁₀(B/MHz)+RF_SNR(dB)。

式中，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J/K,T为标准温度，T＝290K，RF_SNR为接收系统后续信号处理所需信噪比，B为下变频接收信道的带宽，Fn为下变频接收信道的噪声系数。

本发明采用增加辅助测量支路，在门限比较单元进行简单运算，完成侦察接收天线增益自适应调整，实现对极强功率雷达和极弱功率通信信号的大动态一体化接收，回避了常规手段导致的削波失真、链路噪声系数增大及弱信号漏检等不足，该方法显著提升了一体化侦察系统的截获概率和参数测量性能，具有很强的实用性。

本发明可以根据侦收到不同类型、不同功率强度的目标辐射源，自适应调整接收阵列子阵组合，改变侦察接收增益，使得射频合路输出到下变频接收信道输入口的电平始终处于一个相对合理的范围内，减轻一体化侦察接收机对大动态范围的要求，满足了对极强功率雷达和极弱功率通信信号的统一接收。

实施例：

如图1所示，给出了一种增益自适应可调的雷达和通信侦察一体化接收具体实施案例，具体按如下步骤实施：

(1)由30×30个尺寸为0.0953m×0.0953m的平面相控阵天线单元，构成尺寸为2.859m×2.859m的雷达和通信侦察一体化接收阵列；

(2)在一体化接收阵列，选择第5行、第5列天线单元A_5,5构成初始接收阵列，设置射频交换网络控制单元，选通A_5,5射频输出，通过射频交换网络在射频上合成一路，由射频开关选通送至辅助接收支路；

(3)假定侦收到某雷达辐射信号，其峰值功率为5MW、发射天线增益为41.6dB，设定侦收距离为38500km，传播路径衰减、大气、降雨、极化和馈线损耗后，A_5,5射频输出功率约为-49dBm，考虑到35dB的主副瓣比，经功率测量单元测量得到A_5,5输出功率变化范围为-84dBm～-49dBm，经带宽测量单元测得其信号带宽约为400MHz，门限比较单元400MHz带宽对应的功率阈值为-71dBm，0dB≤-49dBm-(-71dBm)＝22dB≤Lmax＝40dB，接收子阵列的天线单元数量不做更改，使用A5,5对该雷达辐射信号的主瓣实现有效侦收。将副瓣接收功率与门限阈值做差，-84dBm-(-71dBm)＝-13dB，一体化接收阵列扩展至接收子阵列的倍，即由射频交换网络控制单元控制射频交换网络，选通A_3,3，…，A_3,7，…，A_7,3，…，A_7,7等天线单元，将其射频合成一路输出送至下变频接收信道，便可对该雷达信号副瓣进行有效侦收处理。若侦收到某通信辐射源，其发射EIRP约为15.5dBW，侦收距离仍为38500km，经传播路径衰减、大气、降雨、极化和馈线损耗后，经功率测量单元测量得到A_5,5输出功率约为-142dBm，经带宽测量单元测得其信号带宽约为25KHz，门限比较单元25KHz对应的门限阈值为-113dBm。将A_5,5输出功率与门限阈值做差，-142dBm-(-113dBm)＝-29dB，将一体化接收阵列扩展至接收子阵列的倍，即由射频交换网络控制单元控制射频交换网络，选通A_1,1，…，A_1,29，…，A_29,1，…，A_29,29等天线单元，将其射频合成一路输出送至下变频接收信道，便可对该通信信号有效侦收处理。

本实施案例仅仅是本发明的一种具体实现方式，可根据侦收目标辐射特性及侦收系统功能指标要求，选择不同类型的平面相控阵天线，增大或者减少侦察阵面，动态规划最小侦收单元尺寸。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种增益可调的雷达和通信侦察一体化接收系统，其特征在于包括一体化接收阵列、射频交换网络、射频交换网络控制单元、辅助接收支路、下变频接收信道、门限比较单元，其中：

一体化接收阵列，由m×n个尺寸为a×a的天线单元组成，每个天线单元的射频输出端连接至射频交换网络，m和n均为大于等于1的正整数，a为大于0的实数；

射频交换网络，为射频开关矩阵，在射频交换网络控制单元的控制下，选通射频开关，将多路射频输入进行合路输出至辅助接收支路或者下变频接收信道输入端；

射频交换网络控制单元，控制射频开关矩阵状态，上电初始选通第u行至v行、第p列至q列Au,p，…，Au,q，…，Av,p，…，Av,q天线单元，构成接收子阵列，将接收子阵列各天线单元输出的射频信号合路后发送至辅助接收支路，之后，根据输出开关切换指令将合路之后的射频信号切换至下变频接收信道；

辅助接收支路，测量收到的射频信号功率和带宽，将测量结果输出至门限比较单元；

门限比较单元，将辅助接收支路测量得到的射频信号功率测量值与相应带宽对应的典型功率阈值比较，如果射频信号功率测量值与该典型功率阈值之差在预设范围内时，则输出开关切换指令至下变频接收信道；否则，根据计算结果，调整接收子阵列中天线单元合路数量，给出需要合路的天线单元编号，并将其发送至射频交换网络控制单元；

下变频接收信道，将接收到的射频信号进行下变频，转换为中频信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种增益可调的雷达和通信侦察一体化接收系统，其特征在于所述门限比较单元调整接收子阵列中天线单元合路数量的原则是：

当射频信号功率测量值与门限比较单元预置的对应带宽的功率阈值的差值为负时，增加接收子阵列天线单元合路数量；如果差值为正时，且在预设范围内，接收子阵列天线单元合路数量不做更改，超出预设范围，则减少接收子阵列天线单元合路数量。

3.根据权利要求1所述的一种增益可调的雷达和通信侦察一体化接收系统，其特征在于所述预设范围为0dB～L_maxdB。

4.根据权利要求3所述的一种增益可调的雷达和通信侦察一体化接收系统，其特征在于所增加或减少的子阵合路数量的具体计算方法为：

若差值为-ΔdB，将接收子阵列的天线单元数量扩展至原接收子阵列天线单元数量倍，ceil(·)表示向上取整，若差值为+ΔdB，且0≤Δ≤L_max，接收子阵列的天线单元数量不做更改，否则，将接收子阵列的天线单元数量缩小至原接收子阵列天线单元数量倍，floor(·)表示向下取整。

5.根据权利要求1所述的一种增益可调的雷达和通信侦察一体化接收系统，其特征在于所述门限比较单元预置的典型带宽对应的典型功率阈值P_rmin可以经过如下计算获得：

P_rmin(dBm)＝kT(dBm)+Fn(dB)+10log₁₀(B/MHz)+RF_SNR(dB)

式中，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J/K,T为标准温度，T＝290K，RF_SNR为接收系统后续信号处理所需信噪比，B为下变频接收信道的带宽，Fn为下变频接收信道的噪声系数。

6.根据权利要求1所述的一种增益可调的雷达和通信侦察一体化接收系统，其特征在于所述一体化接收阵列采用平面相控阵天线实现，所述天线单元为相控阵子阵单元。

7.一种增益自适应可调的雷达和通信侦察一体化接收方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、从由m×n个尺寸为a×a的天线单元构成的一体化接收阵列中，选通第u行至v行、第p列至q列天线单元Au,p，…，Au,q，…，Av,p，…，Av,q构成接收子阵列，将接收子阵列中各天线单元的射频输出合成一路，输出至辅助接收支路；

(2)、辅助接收支路测量收到的射频信号功率和带宽，将测量结果输出至门限比较单元；

(3)、将辅助接收支路测量得到的射频信号功率测量值与相应带宽对应的典型功率阈值比较，如果射频信号功率测量值与该典型功率阈值之差在预设范围内，则进入步骤(4)；否则，调整一体化接收阵列相控阵天线单元合路数量，给出需要合路的相控阵天线单元编号，重新回到步骤(1)；

(4)、将合路之后的射频信号发送至下变频接收信道，由下变频接收信道将接收到的射频信号进行下变频转换为中频信号输出。

8.根据权利要求7所述的一种增益自适应可调的雷达和通信侦察一体化接收方法，其特征在于所述门限比较单元预置的典型带宽对应的典型功率阈值P_rmin可以经过如下计算获得：

P_rmin(dBm)＝kT(dBm)+Fn(dB)+10log₁₀(B/MHz)+RF_SNR(dB)

式中，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J/K,T为标准温度，T＝290K，RF_SNR为接收系统后续信号处理所需信噪比，B为下变频接收信道的带宽，Fn为下变频接收信道的噪声系数。