CN109061573B - 干涉测量角拓展的实现方法及收发天线阵面、雷达系统 - Google Patents

干涉测量角拓展的实现方法及收发天线阵面、雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种干涉测角范围扩展的实现方法，包括：确定第一级接收天线的第一测角基线及初始不模糊测角范围；通过第一级接收天线的第一副瓣角度间隔确定拓展后的不模糊测角范围，通过所述不模糊测角范围确定第三测角基线，其中，所述不模糊测角范围大于初始不模糊测角范围；根据所述第三测角基线及第一测角基线确定第二级接收天线的第二测角基线。本发明通过增加两部接收天线，不增加接收通道硬件，采用时分开关切换实现接收通道分时复用的方法，通过新增的两部接收天线与原有的两部接收天线形成两条测角基线，组合处理两条基线引入的信号相位实现系统对近距目标测角范围的扩展，实现耗费低成本与硬件小改动条件下对目标稳定跟踪能力的提升。

Description

干涉测量角拓展的实现方法及收发天线阵面、雷达系统
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，尤其涉及一种干涉测量角拓展的实现方法及收发天线阵面、雷达系统。
背景技术
常用的无线电测角技术有比幅法测角、比相法测角、干涉仪测角、乌兰韦伯儿测角、空间谱估计测角等方法。受限于雷达的体积重量要求，天线数量不宜太多，因而无线电测角主要采用比幅法测角、比相法测角和干涉仪测角。就性能而言，比幅法测角与比相法测角系统相对简单，干涉仪测角灵敏度和精确度较高。但目前的干涉仪测角技术存在以下不足：
1)采用两个接收通道进行目标距离与角度的探测，最远探测距离与天线的口面大小成正比，最大不模糊测角范围与两部接收天线的相位中心间隔成反比；因而，在不增加通道数的前提下，保持测距指标的同时难以实现不模糊测角范围的扩大，因而不能通过旁瓣探测实现近距对目标测角范围的扩展。
2)如果增加接收通道，在扩大不模糊测角范围的同时，将引入较多的硬件，从而增加原有探测设备的体积、重量、成本，难以满足设备的轻小型化要求。
发明内容
本发明的目的是提供。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种干涉测角范围扩展的实现方法，所述方法包括：
确定第一级接收天线的第一测角基线及初始不模糊测角范围；
通过第一级接收天线的第一副瓣角度间隔确定拓展后的不模糊测角范围，通过所述不模糊测角范围确定第三测角基线，其中，所述不模糊测角范围大于初始不模糊测角范围；
根据所述第三测角基线及第一测角基线确定第二级接收天线的第二测角基线。
其中，所述第一副瓣角度间隔θ等于所述最终不模糊测角范围
Figure GDA0003785081630000021
其中，所述第三测角基线长度
Figure GDA0003785081630000022
式中：λ为波长，
Figure GDA0003785081630000023
为最终不模糊测角范围。
其中，还包括：
根据第一级接收天线的第一副瓣增益确定第二级接收天线的主瓣增益；
根据所述主瓣增益确定第二级接收天线的口面大小及TR组件单元数，其中，所述口面大小S＝La*Lr，Lr为平行于基线方向的长度，La为垂直于基线方向的长度。
其中，所述第二级接收天线的主瓣增益Gm不低于所述第一级接收天线的第一副瓣增益Gs。
其中，所述口面大小
Figure GDA0003785081630000024
式中：Gm为第二级接收天线的主瓣增益，λ为辐射波长。
其中，所述TR组件单元数
Figure GDA0003785081630000025
式中：N为TR组件单元数，Lo为TR组件单元边长；
其中，当lw+d1+dr＜d0，d2＝d1+d，
式中：lw为第三测角基线长度，d1为第一测角基线长度，lr为第二级接收天线平行于测角基线方向的长度，d2为第二测角基线长度，d0为两第一级接收天线外端面间隔。
其中，当lw+d1+Lr＞d0，d2＝d1-d，
式中：lw为第三测角基线长度，d1为第一测角基线长度，lr为第二级接收天线平行于测角基线方向的长度，d2为第二测角基线长度。
本发明还提供了一种可实现干涉测量角拓展的收发天线阵面，所述收发天线阵面包括：
一发射天线；
两第一级接收天线，所述发射天线与第一级接收天线间具有由收发信号隔离度确定的间隔，以及两第一级接收天线相位中心间具有由测角范围确定的第一测角基线，；以及
两第二级接收天线，两第二级接收天线以两第一级接收天线的中心线对称设置，以形成第二测角基线，
通过第一测角基线与第二测角基线的差值处理得到第三测角基线，以获得扩大的第三测角基线对应的不模糊测角范围。
其中，第二测角基线大于第一测角基线，以提高测角精度。
另外还本发明还提供了一种雷达系统，所述雷达系统包括上述的收发天线阵面，还包括两分时开关、单路发射通道、双路接收通道、下变频模块及处理单元，发射通道在处理单元发射激励信号的控制下，将射频信号通过发射天线辐射到空中；接收天线接收包含目标信息的回波信号，通过时分开关的作用分时实现第一级接收天线与第二级接收天线对信号的接收，通过接收通道与下变频模块将信号变换至基带传送给处理单元，经过相应的信号处理完成目标的探测与双基线测角。
本发明基于探测具有飞行高度低、运动速度慢、RCS小等物理特性的低小慢目标探测系统现有的测角性能，即采用一发双收、收发分置的调频连续波体制，俯仰向采用宽波束干涉测角方法、方位向采用窄波束扫描的方法实现对目标的二维角度定位。通过增加两部接收天线，不增加接收通道硬件，采用时分开关切换实现接收通道分时复用的方法，通过新增的两部接收天线与原有的两部接收天线形成两条测角基线，组合处理两条基线引入的信号相位实现系统对近距目标测角范围的扩展，实现耗费低成本与硬件小改动条件下对目标稳定跟踪能力的提升。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明中收发天线阵面正面示意图；
图2为本发明中第一级接收天线俯仰方向图；
图3为本发明中第二级接收天线俯仰方向图；
图4为本发明中另一实施例的第二级接收天线相位中心间隔设计示意；
图5为本发明中雷达系统结构示意图；
附图标记：
10-发射天线；
20-第一级接收天线，21-第一级接收天线A，22-第一级接收天线B；
30-第二级接收天线，31-第二级接收天线A，32-第二级接收天线B。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
本发明的干涉测角范围扩展的实现方法，通过由TR组件构成的有源或无源相控阵雷达，以及通过增加成对的第二级接收天线形成新增的测角基线，并通过时分开关的有序切换实现原有接收通道的分时复用，从而在降低硬件改动量与成本增加量的同时，实现近距探测条件下对目标在更大俯仰角范围的高精度不模糊测角。
本发明的干涉测角范围扩展的实现方法，主要实现以下四个目的：
1)根据第一级接收天线的第一副瓣增益Gs确定两部新增的第二级接收天线的口面大小与TR组件单元的数量，得到第二级接收天线的横向尺寸la和纵向尺寸lr，以实现不低于仅有第一级接收天线时的第一副瓣增益的接收增益；
上述内容中，副瓣增益指的是除主瓣增益外的其他增益，而第一副瓣增益指的是靠近主瓣的第一个副瓣所具有的增益。
2)根据扩展后的不模糊测角范围(即第一级接收天线的第一副瓣角度间隔，或称天线旁瓣俯仰向范围)、两部第一级接收天线的相位中心间隔(又称测角基线，即两接收天线相位中心间的间隔)、新增的第二级接收天线的口面大小、第二级接收天线的物理安装尺寸上限确定两部第二级接收天线的相位中心的间隔，以扩展近距不模糊测角范围；
3)根据两部新增的第二级接收天线的相位中心的间隔，确定积累时间，在保持测角精度的条件下，实现旁瓣探测条件下更远距离的俯仰不模糊测角；
4)确定雷达系统的时分开关时序。
下面以某Ku波段(波长λ为20mm)一发双收、收发分置的调频连续波体制低空小目标监视系统为例给出干涉测角范围拓展的实现方法：
1、第二级接收天线30的TR单元数和口面设计
低空小目标监视系统采用宽波束干涉测角方法实现对目标的俯仰向角度定位，其中天线俯仰向指的是发射天线10的水平方向，天线方位向指的是发射天线10的垂向方向。如图2所示的收发天线阵面的正面示意图，TR(Transmitter and Receiver)组件单元大小为13mm×13mm，第一级接收天线20(第一级接收天线A21和第一级接收天线B21)的横向尺寸la0和纵向尺寸lr0分别为222mm、58mm，主瓣增益Gm为26dB，俯仰3dB波束宽度θ0为19.75°，天线俯仰方向图如图3。两部第一级接收天线20的相位中心间隔d1为64mm，相应的不模糊测角范围
Figure GDA0003785081630000061
第一级接收天线20的第一副瓣增益Gs为6dB，第一副瓣角度间隔θ＝±19.75°；对应的最大探测距离为
Figure GDA0003785081630000062
通过计算得到单个TR组件单元可实现7.25dB的主瓣增益，因而设计的第二级接收天线30的TR组件单元数为1个实现(7.25dB＞6dB)，单个的第二级接收天线A31及第二级接收天线B32的尺寸la、lr均为13mm，俯仰3dB波束宽度为88°，第二级接收天线俯的仰方向图如图4所示。
图4中所示的第二级接收天线俯仰方向图，其第二级接收天线的方向图计算范围与第一级接收天线的方向图计算范围一致，第二级接收天线的主瓣增益与第一级接收天线的第一副瓣增益基本一致。
2、第二级接收天线30的相位中心间隔(第二测角基线)设计
保持原系统纵向硬件分布范围，得到两个第二级接收天线30的相位中心的最大间隔lmax为109mm(d0-lr＝d1+lr0-lr)，最小间隔为13mm(即两TR组件单元相靠)。为了实现俯仰向θ范围内不模糊测角，要求虚拟的第三测角基线长度lw小于29mm，考虑设计余量，选择lw＝23mm。
各长度间关系满足lr<lr0，lw<lr0，lr0<d1；根据lr、lw、d1+lw、d1-lw、lmax的关系，开展如下第二测角基线设计：
1)当d1+lw<lmax时，两个第二级接收天线30的相位中心间隔为d2＝d1+lw，通过第二测角基线d2与第一测角基线d1的差值形成虚拟基线满足不模糊测角，通过第二测角基线d2提高测角精度，基线越长测角精度越高。其中，第二测角基线d2与第一测角基线d1一雷达天线中心呈对称布局，得到图1所示的收发天线阵面正面示意。
2)当d1+lw>lmax时(即第二级接收天线30超过物理安装尺寸，无法安装)，两个第二级接收天线30的相位中心间隔为d2＝d1-lw，通过第一测角基线d1与第二测角基线d2的差值满足不模糊测角，通过第一测角基线d1提高测角精度。
其中，第二测角基线d2与第一测角基线d1一雷达天线中心呈对称布局，得到图2所示的收发天线阵面正面示意。
3、探测积累时间设计
根据对探测距离的要求，确定积累时间，以实现更远的旁瓣不模糊测角。
设原系统测角误差δθ，当第二测角基线长度d2＝d1+lw时，测角误差降低为
Figure GDA0003785081630000071
积累时间增量δT与原积累时间T0间关系为
Figure GDA0003785081630000072
从而可实现的副瓣最大探测距离与原有探测距离的比值为
Figure GDA0003785081630000073
本实施例中k为1.07。
当d2＝d1-lw时，测角精度由第一测角基线实现，积累时间与原系统保持一致，无需设计积累时间。
4、在原有低空小目标监视系统的硬件基础上设计得到如图5所示的雷达系统实现方案。
雷达系统包括上述的收发天线阵面(第一级接收天线20和第二级接收天线30)，还包括两分时开关41、单路发射通道42、双路接收通道43、下变频模块44及处理单元45，发射通道42在处理单元45的发射激励信号的控制下，将射频信号通过发射天线10辐射到空中；接收天线接收包含目标信息的回波信号，通过时分开关的作用分时实现第一级接收天线20与第二级接收天线30对信号的接收，通过接收通道43与下变频模块44将信号变换至基带传送给处理单元45，经过相应的信号处理完成目标的探测与双基线测角。
本发明的干涉测角范围扩展的实现方法，在系统硬件上增加两部接收天线和切换开关，通过控制开关的通断实现两个接收通道对四部天线回波信号的分时采集，组合形成长短两条基线；通过新增接收天线的口面设计实现不低于原有接收天线的副瓣增益与俯仰波束覆盖范围；通过新增接收天线相位中心间隔的优选，设计两条基线的长度，增加不模糊测角范围的同时保持测角精度。从而在维持原接收通道的前提下，仅通过增加两部接收天线与一个时分开关，将近距俯仰向不模糊测角范围由天线主瓣区域扩展至旁瓣，增大了近距对运动目标的稳定跟踪范围。本发明可用于地基、车载、船载等平台基础上的一发双收、收发分置的调频连续波体制探测设备的测角性能提升。
以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种干涉测角范围扩展的实现方法，其特征在于，所述方法包括：
确定第一级接收天线的第一测角基线及初始不模糊测角范围；
通过第一级接收天线的第一副瓣角度间隔确定拓展后的不模糊测角范围，通过所述不模糊测角范围确定第三测角基线，其中，所述不模糊测角范围大于初始不模糊测角范围；
根据所述第三测角基线及第一测角基线确定第二级接收天线的第二测角基线。
2.根据权利要求1所述的干涉测角范围扩展的实现方法，其特征在于，所述第一副瓣角度间隔范围θ即为最终的不模糊测角范围
Figure FDA0003959559380000014
3.根据权利要求1所述的干涉测角范围扩展的实现方法，其特征在于，所述第三测角基线长度
Figure FDA0003959559380000011
式中：λ为波长，
Figure FDA0003959559380000012
为最终不模糊测角范围。
4.根据权利要求1所述的干涉测角范围扩展的实现方法，其特征在于，还包括：
根据第一级接收天线的第一副瓣增益确定第二级接收天线的主瓣增益；
根据所述主瓣增益确定第二级接收天线的口面大小及TR组件单元数，其中，所述口面大小A＝La*Lr，Lr为平行于基线方向的长度，La为垂直于基线方向的长度。
5.根据权利要求4所述的干涉测角范围扩展的实现方法，其特征在于，所述第二级接收天线的主瓣增益Gm不低于所述第一级接收天线的第一副瓣增益Gs。
6.根据权利要求4所述的干涉测角范围扩展的实现方法，其特征在于，所述口面大小
Figure FDA0003959559380000013
式中：Gm为第二级接收天线的主瓣增益，λ为辐射波长。
7.根据权利要求4所述的干涉测角范围扩展的实现方法，其特征在于，所述TR组件单元数
Figure FDA0003959559380000021
式中：N为TR组件单元数，Lo为TR组件单元边长。
8.根据权利要求4所述的干涉测角范围扩展的实现方法，其特征在于，当lw+d1+lr＜d0，d2＝d1+d，
式中：lw为第三测角基线长度，d1为第一测角基线长度，lr为第二级接收天线平行于测角基线方向的长度，d2为第二测角基线长度，d0为两第一级接收天线外端面间隔。
9.根据权利要求4所述的干涉测角范围扩展的实现方法，其特征在于，当lw+d1+lr＞d0，d2＝d1-d，
式中：lw为第三测角基线长度，d1为第一测角基线长度，lr为第二级接收天线平行于测角基线方向的长度，d2为第二测角基线长度，d0为两第一级接收天线外端面间隔。
10.一种可实现干涉测量角拓展的收发天线阵面，其特征在于，所述收发天线阵面包括：
一发射天线；
两第一级接收天线，所述发射天线与第一级接收天线间具有由收发信号隔离度确定的间隔，以及两第一级接收天线相位中心间具有由测角范围确定的第一测角基线，；以及
两第二级接收天线，两第二级接收天线以两第一级接收天线的中心线对称设置，以形成第二测角基线，
通过第一测角基线与第二测角基线的差值处理得到第三测角基线，以获得扩大的第三测角基线对应的不模糊测角范围。
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