CN109581367B - 一种天基预警雷达重频组优化设计方法 - Google Patents

一种天基预警雷达重频组优化设计方法 Download PDF

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Abstract

一种天基预警雷达重频组优化设计方法，属于雷达预警技术领域。本发明充分考虑了目标多普勒模糊、距离杂波模糊、距离盲区、空间填充时间、目标距离解模糊、速度解模糊等各个因素，在确保目标可靠检测的同时，最大限度降低了发射脉冲遮挡和星下点遮挡的影响，从而降低了距离模糊杂波和距离探测盲区。具体地，本发明通过最小重频的设计准则，在确保目标可靠检测的同时，最大限度降低了发射脉冲遮挡和星下点遮挡的影响，从而降低了距离模糊杂波和距离探测盲区。本发明通过约束重频组与占空比、保护窗长度的关系，天基雷达在不同重频之间切换时，无需进行空间时间填充，极大提升了雷达工作效率。

Description

一种天基预警雷达重频组优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种天基预警雷达重频组优化设计方法，属于雷达预警技术领域。
背景技术
目前尚无在轨运行的天基预警雷达，公开文献资料中的天基预警雷达相关资料主要集中在天基预警雷达概念体制研究、杂波分析及抑制等几个方面，根据调研尚无专门探讨天基预警雷达重频组设计的相关文献资料。
重频和载频都是脉冲雷达的发射信号属性。重频是指一秒钟内发射的脉冲个数，载频是实际发射信号的载波频率(如果发射信号为正弦信号，而脉冲宽度为1秒，则该值代表脉冲宽度内周期正弦信号的周期个数)。可以这样理解，重频是慢时间维度的，是考察信号发射/关断频率的参数，代表单位时间内所发射脉冲的个数；而载频是快时间维度的，是考察一个脉冲宽度内信号的波形波动情况
目前对于星载SAR系统，其脉冲重复频率设计主要考虑杂波谱宽度、距离幅宽、同时需要避开发射脉冲遮挡和星下点回波，重频属于低重频设计，这一点与高速目标探测雷达有本质不同，对于运动平台雷达而言，目标探测雷达的重频设计必须为中、高重频设计，否则目标会模糊到主瓣杂波区域，造成无法检测。
对于机载预警雷达，重频组设计可大致分为高重频PD雷达和中重频PD雷达两种，对于高重频设计相对简单：重频需要足够高以保证不会出现目标速度模糊，采用多重频设计解距离模糊，因此重频组设计主要考虑解距离模糊能力即可。高重频组设计的优点在于无盲速点，不需要解速度模糊，占空比通常较高，因此平均功率较高，适合于跟踪雷达。主要缺点在于发射脉冲遮挡严重，存在大量的距离盲区，和遮蔽损耗，此外距离杂波同样模糊严重，对于杂波抑制难度更高。目前的预警监视雷达采用中重频较多。中重频在距离和速度二维均存在模糊，可以避免低重频和高重频所具有的最严重问题，因而可以提供不错的整体性能，特别当需要获得目标的距离和速度信息，而对于目标情况未知且存在强杂波时，中重频设计时较好的全面解决方案，因此应用较为广泛。因此本专利提出的天基预警雷达重频组设计也将采用中重频组。
天基雷达作用距离与机载预警雷达更远、杂波覆盖区域更大、杂波更强、杂波谱更宽，以上均对重频组设计提出不同要求。天基雷达作用距离更远，按照传统重频设计，会导致需要更多的空间填充时间，极大降低雷达工作效率，因此需要采取措施降低空间填充时间；天基预警雷达杂波覆盖区域更大，意味着距离杂波模糊更加严重，对杂波抑制技术提出更高要求，因此重频设计应尽量降低距离模糊杂波；杂波谱更宽，同时考虑目标速度范围，天基雷达必须确保目标具有更多的多普勒可视区域；同时重频设计还需要尽量降低探测盲区和星下点回波的影响。因此天基预警雷达重频组的设计十分复杂。
目前空中高速目标的天基预警雷达重频组设计尚无相关公开文献。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种天基预警雷达重频组优化设计方法，充分考虑了目标多普勒模糊、距离杂波模糊、距离盲区、空间填充时间、目标距离解模糊、速度解模糊等各个因素，在确保目标可靠检测的同时，最大限度降低了发射脉冲遮挡和星下点遮挡的影响，从而降低了距离模糊杂波和距离探测盲区。
本发明的技术解决方案是：一种天基预警雷达重频组优化设计方法，包括如下步骤：
S1，根据天基雷达的平台的运动速度、波束宽度、波长，以及天基雷达相对观测目标之间的相对运动确定重频下限值；在不小于重频下限值的条件下，选择最小的重频作为第一重频，所述第一重频使得天基雷达的发射脉冲遮挡与星下点遮挡重合；
S2，根据天基雷达工作时的最大占空比和最小占空比，以及接收保护窗的宽度，在不大于第一重频以及满足频率条件和脉冲前沿时刻条件的基础上，选择最小的重频作为第二重频；
S3，判断所述第二重频是否满足重频约束条件；若满足，则将所述第二重频作为重频的设计值，将第二重频作为天基雷达的重频，并结束；若不满足，则改变所述接收保护窗的宽度，重复S2～S3。
进一步地，所述重频下限值为
Figure BDA0001912369970000031
其中，Vrmax为观测目标与天基雷达之间最大径向速度，θ为天基雷达方位向天线方向图的3dB波束宽度，λmin为对应波长的最小值，V为天基雷达运动速度。
进一步地，所述第一重频为
Figure BDA0001912369970000032
其中，R3dbmin、R3dbmax分别为天基雷达距离向3dB波束宽度对应的杂波近端斜距和杂波远端斜距，H为天基雷达轨道高度，c为光速。
进一步地，所述第二重频PRF2由
Figure BDA0001912369970000033
计算得到；其中，Tg为设置的天基雷达的接收保护窗时间，N为大于
Figure BDA0001912369970000034
的最小整数，D1和D2分别为天基雷达工作时的最大占空比和最小占空比。
进一步地，所述频率条件为|f2-f1|>B；其中，f1和f2分别为以PRF1和PRF2发射信号的载波中心频率，B为发射信号带宽。
进一步地，所述脉冲前沿时刻条件为
Figure BDA0001912369970000035
其中，t1和t2分别为以PRF1和PRF2发射首个脉冲的前沿时刻，M为以PRF1发射的脉冲总数。
进一步地，所述重频约束条件为
Figure BDA0001912369970000041
其中，k1为解模糊余量因子，
Figure BDA0001912369970000042
进一步地，所述改变所述接收保护窗的宽度的方法为：将新的接收保护窗的宽度赋值为T′g＝Tg+k2×PRF1×D1；其中，k2为接收保护窗迭代系数。
进一步地，所述k1＝1，k2＝0.2。
进一步地，所述Tg的初值为2μs。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过步骤2最小重频的设计准则，在确保目标可靠检测的同时，最大限度降低了发射脉冲遮挡和星下点遮挡的影响，从而降低了距离模糊杂波和距离探测盲区。
(2)本发明通过约束重频组与占空比、保护窗长度的关系，天基雷达在不同重频之间切换时，无需进行空间时间填充，极大提升了雷达工作效率。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图。
具体实施方式
如图1，本发明的技术解决方案为：
步骤1卫星轨道高度为H，卫星速度为V，雷达方位向天线方向图的3dB波束宽度为θ；雷达中心频率f范围为[fmin，fmax]，对应波长λ范围为[λmin,λmax]；脉冲重复频率表示为PRF，占空比为D，取值范围为[Dmin,Dmax]；探测目标与雷达之间最大径向速度为Vrmax。则可计算确定重频选择下限为：
Figure BDA0001912369970000043
根据上式可以看出，此时重频只允许目标发生一次速度模糊——速度方向模糊，并且不能模糊回主瓣杂波，这样进行杂波抑制时，不会造成目标的相消。
步骤2设计重频组的第一个脉冲重复频率PRF1：在满足步骤1约束的同时，选择的PRF1使得发射脉冲遮挡与星下点遮挡重合(参见《基于斑马图的天基雷达PRF设计》)；在满足上述约束条件下，选择最低的重频，这样所选择的PRF1最大程度减小距离探测盲区和模糊次数：
Figure BDA0001912369970000051
其中R3dbmin，R3dbmax分别表示雷达距离向3dB波束宽度对应的杂波近端斜距和远端斜距，当卫星轨道高度及雷达距离向3dB波束覆盖区域确定的情况下，R3dbmin，R3dbmax也随之确定。
步骤3重频PRF2发射信号的载波中心频率与PRF1发射信号载波中心频率须满足以下关系：
|f2-f1|>B
其中f1,f2分别为以PRF1和PRF2发射信号的载波中心频率；B为发射信号带宽，根据发射带宽可以计算雷达距离分辨率为
Figure BDA0001912369970000052
其中c为光速。
步骤4 PRF2发射首个脉冲前沿时刻与重频PRF1发射首个脉冲前沿时刻须满足以下关系：
Figure BDA0001912369970000053
其中t1表示重频PRF1发射首个脉冲的前沿时刻；t2表示重频PRF2发射首个脉冲的前沿时刻；M表示重频PRF1发射的脉冲总数目。
步骤5在步骤1至步骤4的基础上进一步设计重频PRF2，首先应满足：
Figure BDA0001912369970000054
其中Tg为系统设置的接收保护窗时间(参见《基于斑马图的天基雷达PRF设计》)，初值为2微秒；N表示以PRF1重频发射的脉冲回波出现在PRF2重频回波窗内的数目，N为大于
Figure BDA0001912369970000061
的最小整数；D1表示PRF1对应的占空比，取值为系统工作的最大占空比；D2表示PRF2对应的占空比，取值为系统工作的最小占空比。由上式可以选择PRF2取值。
步骤6判断步骤5选择重频PRF2是否满足：
Figure BDA0001912369970000062
如果不满足上式，则令Tg＝Tg+k2×PRF1×D1，其中k2典型值取为0.2，并返回步骤5；否则获得PRF2设计值，2-重频组设计结束。
此时系统改变重频，重频PRF1的回波不会受到重频PRF2的发射脉冲遮挡，因此不需要进行空间时间填充。
下面对本发明实施例及效果作进一步的详细描述，具体实施流程图如图1所示。
本发明的使用场景为：假设天基雷达工作轨道为1000km，卫星速度为7354m/s，天线方位方向图宽度为0.2°，俯仰波束宽度为5°，系统占空比范围为8％～15％，雷达入射角为50°(波束中心与地球法线的夹角)，观测目标与雷达之间最大径向速度为300m/s。重频组具体实现步骤如下：
步骤1卫星轨道高度为1000公里，卫星速度为7354m/s，雷达方位向天线方向图的3dB波束宽度为0.2°；雷达中心频率f范围为[1.2GHz，1.4GHz]，对应波长λ范围为[21.4cm,25cm]；脉冲重复频率表示为PRF，占空比为D，取值范围为[8％,15％]；探测目标与雷达之间最大径向速度为Vrmax。则可计算确定重频选择下限为：
Figure BDA0001912369970000063
根据上式可以看出，此时重频只允许目标发生一次速度模糊——速度方向模糊，并且不能模糊回主瓣杂波，这样进行杂波抑制时，不会造成目标的相消。
步骤2设计重频组的第一个脉冲重复频率PRF1：在满足步骤1约束的同时，选择的PRF1使得发射脉冲遮挡与星下点遮挡重合；在满足上述约束条件下，选择最低的重频，这样所选择的PRF1最大程度减小距离探测盲区和模糊次数：
Figure BDA0001912369970000071
H取值为1000km，雷达波束中心入射角为50°，俯仰波束宽度为5°时，R3dbmin为1370km，R3dbmax为1523km。可以计算PRF1应选择为3300Hz。
步骤3重频PRF2发射信号的载波中心频率与PRF1发射信号载波中心频率须满足以下关系：
|f2-f1|>B
其中f1,f2分别为以PRF1和PRF2发射信号的载波中心频率，实例中f1＝1.3GHz,f2＝1.4GHz；B为发射信号带宽，取值为5MHz。可以计算雷达距离分辨率为
Figure BDA0001912369970000072
其中c为光速。
步骤4 PRF2发射首个脉冲前沿时刻与重频PRF1发射首个脉冲前沿时刻须满足以下关系：
Figure BDA0001912369970000073
其中t1表示重频PRF1发射首个脉冲的前沿时刻；t2表示重频PRF2发射首个脉冲的前沿时刻；M表示重频PRF1发射的脉冲总数目，取值为64。
步骤5在步骤1至步骤4的基础上进一步设计重频PRF2，首先应满足：
Figure BDA0001912369970000074
其中Tg为系统设置的接收保护窗时间(参见《基于斑马图的天基雷达PRF设计》)，初值为2微秒；N表示以PRF1重频发射的脉冲回波出现在PRF2重频回波窗内的数目，N为大于
Figure BDA0001912369970000075
的最小整数，可以计算这里N取值为34；D1表示PRF1对应的占空比15％，取值为系统工作的最大占空比；D2表示PRF2对应的占空比，取值为系统工作的最小占空比8％。可以计算PRF2可取值为3292Hz。
步骤6判断步骤5选择重频PRF2是否满足下式：
Figure BDA0001912369970000081
可以计算，按照设计结果满足上式要求，完成重频设计PRF1，PRF2分别为3300Hz和3292Hz。
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 (7)

1.一种天基预警雷达重频组优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，根据天基雷达的平台的运动速度、波束宽度、波长，以及天基雷达相对观测目标之间的相对运动确定重频下限值；在不小于重频下限值的条件下，选择最小的重频作为第一重频，所述第一重频使得天基雷达的发射脉冲遮挡与星下点遮挡重合；
S2，根据天基雷达工作时的最大占空比和最小占空比，以及接收保护窗的宽度，在不大于第一重频以及满足频率条件和脉冲前沿时刻条件的基础上，选择最小的重频作为第二重频；
S3，判断所述第二重频是否满足重频约束条件；若满足，则将所述第二重频作为重频的设计值，将第二重频作为天基雷达的重频，并结束；若不满足，则改变所述接收保护窗的宽度，重复S2～S3；
所述频率条件为|f2-f1|>B；其中，f1和f2分别为以PRF1和PRF2发射信号的载波中心频率，B为发射信号带宽；
所述脉冲前沿时刻条件为
Figure FDA0002458750710000011
其中，t1和t2分别为以PRF1和PRF2发射首个脉冲的前沿时刻，M为以PRF1发射的脉冲总数；
所述重频约束条件为
Figure FDA0002458750710000012
其中，k1为解模糊余量因子，
Figure FDA0002458750710000013
2.根据权利要求1所述的一种天基预警雷达重频组优化设计方法，其特征在于：所述重频下限值为
Figure FDA0002458750710000014
其中，Vrmax为观测目标与天基雷达之间最大径向速度，θ为天基雷达方位向天线方向图的3dB波束宽度，λmin为对应波长的最小值，V为天基雷达运动速度。
3.根据权利要求2所述的一种天基预警雷达重频组优化设计方法，其特征在于：所述第一重频为
Figure FDA0002458750710000021
其中，R3dbmin、R3dbmax分别为天基雷达距离向3dB波束宽度对应的杂波近端斜距和杂波远端斜距，H为天基雷达轨道高度，c为光速。
4.根据权利要求3所述的一种天基预警雷达重频组优化设计方法，其特征在于：所述第二重频PRF2由
Figure FDA0002458750710000022
计算得到；其中，Tg为设置的天基雷达的接收保护窗时间，N为大于
Figure FDA0002458750710000023
的最小整数，D1和D2分别为天基雷达工作时的最大占空比和最小占空比。
5.根据权利要求1所述的一种天基预警雷达重频组优化设计方法，其特征在于，所述改变所述接收保护窗的宽度的方法为：将新的接收保护窗的宽度赋值为T′g＝Tg+k2×PRF1×D1；其中，k2为接收保护窗迭代系数。
6.根据权利要求5所述的一种天基预警雷达重频组优化设计方法，其特征在于：所述k1＝1，k2＝0.2。
7.根据权利要求5所述的一种天基预警雷达重频组优化设计方法，其特征在于：所述Tg的初值为2μs。
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