CN109613525A - 一维转动一维mimo雷达的快速全空域告警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一维转动一维MIMO雷达的快速全空域告警方法及系统；在雷达近距工作模式下，MIMO雷达天线发射宽波束，覆盖方位或俯仰维度。俯仰或方位维度通过一维机构转动，扫描覆盖全空域。所述一维机构包含机座、Y轴框架、轴承和驱动组件。这种MIMO雷达天线宽波束与一维机构相结合的方式，使搜索速度非常快，成本低，搜索方式简单，尤其适合近距快速全空域搜索。

Description

一维转动一维MIMO雷达的快速全空域告警方法及系统

技术领域

本发明涉及航天领域，尤其涉及一种一维转动一维MIMO雷达的快速全 空域告警方法及系统，可应用于近距离模式全空域的快速搜索领域。

背景技术

雷达在近距搜索模式下，多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达全向发射相互正交的信号，使得多发射波形在空间不能同相位 叠加，这样发射波束无法形成高增益的窄波束，而是形成低增益的宽波束， 因此发射波束能够覆盖很宽的扇区。MIMO雷达在接收时，采用数字延时或 波束形成(Digital Beam Forming,DBF)技术形成多个高增益的数字接收波束， 多波束将覆盖发射宽波束所照射的空域范围，由于发射宽波束照射一个角度 很宽的扇区，这使MIMO雷达几乎可以始终探测到很广的区域范围。因此， 在近距搜索条件下，满足搜索威力的情况，MIMO雷达结合一维机构能够实 现全空域的快速搜索。

一种基于星载雷达的相扫机扫结合的空域搜索方法(CN102680968A)， 在俯仰维采用相位扫描、在方位维采用机械扫描的搜索方法。一种基于全空 域预警一维旋转相控阵雷达的快速搜索方法(CN106249230A)中，方位维 采用机械扫描，俯仰维采用相位扫描的搜索同步进行的方法。两种方法在空 域搜索的过程中都需要进行相位波位扫描，扫描速度相对较慢，扫描方式复 杂，并且专利一在搜索的过程中需要停机构。

通过MIMO雷达天线发射宽波束覆盖整个方位维度，方位维不需要扫 描，俯仰维为结合一维机构扫描覆盖整个空域。因此，本发明扫描速度非常 快，扫描方式简单，在搜索全空域的过程中机构不需要停止，便于实现，成 本低。

发明内容

本发明的目的在于提供一维转动一维MIMO雷达的快速全空域告警方 法及系统，利用MIMO雷达发射的宽波束能够覆盖很宽的空域范围，同时结 合一维机构在俯仰维的机动特性，达到近距全空域快速搜索的目的。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种一维转动一维MIMO 雷达系统，在雷达近距工作模式下，MIMO雷达天线发射宽波束，覆盖第一 维度；并且，通过一维机构在第二维度转动，扫描覆盖全空域；第一维度是 方位维度，第二维度是俯仰维度；或者，第一维度是俯仰维度，第二维度是 方位维度。

可选地，所述一维机构包含机座、Y轴框架、轴承和驱动组件；对应于 第二维度的搜索范围为[-α_max,α_max]，搜索角速度为Δθ°/s，Y轴的转动带动 MIMO雷达天线在第二维度的运动，以及送出天线指向角度信息，实时获得 天线位置角度信息。

可选地，所述轴承是真空镀钼角接触球轴承，同时承受径向和轴向载荷。

可选地，所述驱动机构包含步进电机、谐波减速器和旋转变压器，对一 维机构的转动速度与转动角度进行控制。

可选地，所述MIMO雷达天线为线性布阵，在第二维度的方向以每一列 M个阵元为一个阵列，在空间形成窄波束，构成阵列数为N的一维MIMO， 子阵之间没有重叠；各个子阵均发射覆盖相同范围的低增益宽波束；同一子 阵内的各个阵元间发射的信号相同，而每个子阵之间发射的信号是相互正交 的。

可选地，MIMO天线阵元为收发共用的，阵元间距为d；阵元数目为M ×N，第二维度对应方向的阵元数目为M，第一维度对应方向的阵元数目为 N。

可选地，MIMO雷达天线在空间发射宽波束覆盖空间的一维度，阵元间 距为d，阵元间发射的波形相互正交；MIMO雷达天线接收窄波束，并通过 数字波束形成实现同时多波束，以覆盖发射宽波束所照射的整个区域。

可选地，各个子阵的发射正交信号集：

S_n＝[s_n(1),s_n(2),...,s_n(M)]^T (6)

其中，n＝1，2，…，N；

子阵的加权矢量：

W＝[w₁,w₂,...,w_N]^T (7)

以相位加权方式：

构建的发射导向矢量：

A(θ)＝[a₁(θ),a₂(θ),...,a_N(θ)]^T (9)

其中，m＝1,2,...,N，λ为波长，θ为发射波束与 阵面法线方向的夹角；

MIMO雷达天线的发射方向图基于下式获得：

本发明的另一个技术方案在于提供一种一维转动MIMO雷达的快速全 空域告警方法，适用于上述任意一种一维转动一维MIMO雷达系统；

所述快速全空域告警方法，包括以下的快速搜索过程：

通过MIMO雷达阵列天线，在第一维度和第二维度产生固定形状的搜索 波束，在第二维发射宽度为θ_e的波束，结合一维机构在第二维度对应方向转 动实现空间第二维度的覆盖；在第一维发射波束宽度为θ_a的宽波束，覆盖空 间第一维度；

一维机构在第二维度对应的方向从起始位置-α_max开始搜索，在波束指 向的当前位置接收回波；一维机构每隔Δθ转动一次，一维机构转动到下一 位置，并处理前一位置的回波，检测目标；

如果搜索到达终点位置α_max，则结束搜索，全空域搜索完毕，一维机构 停止转动；期间，如果搜索到目标，转入跟踪状态，并结束全空域搜索。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、扫描速度快

与公开号CN102680968A和公开号CN106249230A的专利比较，本发明 在方位维度通过MIMO雷达发射宽波束覆盖方位向(或俯仰向)，俯仰(或 方位)维度通过一维机构扫描覆盖整个空域。因此，本发明在通过MIMO雷 达天线发射宽波束覆盖空间的一维度，并且扫描整个空域的过程中不需要停 一维机构，扫描速度快，扫描方式简单。

2、一维机构设计简单

本发明一维机构组成简单，扫描方式简单，并且在扫描整个空域过程中 不需要停止机构，增加了一维机构的使用寿命。

3、MIMO雷达天线通用性强

由于MIMO雷达天线发射的波束形状可以是全向波束、宽波束和多波 束。因此，可以根据实际需求选择一种合适的波形。同时MIMO雷达天线发 射方向图可控自由度远大于一般的相控阵天线，而且MIMO雷达阵列布阵方 式多样，因此可以通过设计合适的阵元间距与布阵方式实现全空域。

4、重量轻

由于MIMO雷达天线在近距离模式下实现全空域搜索时，可以用很少的 阵元即可以实现，同时MIMO雷达天线阵元间距可以比一般相控阵天线阵元 间距大。因此，与一般相控阵天线相比MIMO雷达天线重量要轻。

5、便于实现

一维机构与MIMO雷达相结合，其中，一维机构组成简单，便于设计； MIMO雷达天线由M×N个阵元组成，阵列之间相互正交，只需要N个接收 通道。因此，本发明的一维转动一维MIMO雷达系统组成简单，无需额外硬 件，便于实现。

6、成本低

一般的MIMO雷达实现全空域搜索，至少需要两个MIMO雷达天线实 现全空域搜索。因此，本发明通过一维机构与MIMO雷达相结合成本要低。

附图说明

图1是MIMO雷达与一维机构结合示意图；

图2是MIMO雷达天线示意图；

图3是MIMO雷达天线发射宽波束示意图；

图4是MIMO雷达天线接收窄波束示意图；

图5是天线俯仰波束方向图；

图6是天线方位波束方向图；

图7是本发明全空域搜索流程图；

图8是波束扫描方式图。

具体实施方式

本发明提供一维转动一维MIMO雷达的快速全空域告警方法及系统，在 雷达近距工作模式下，MIMO雷达天线发射宽波束，覆盖方位(或俯仰)维 度。俯仰(或方位)维度通过一维机构转动，扫描覆盖全空域。这种MIMO 雷达天线宽波束与一维机构相结合的方法，搜索速度非常快，成本低，搜索 方式简单，尤其适合近距快速全空域搜索。

一维转动一维MIMO雷达系统主要包含两个部分，一维机构的设计和 MIMO雷达天线的设计。其中，一维机构的设计，包括机构布局的设计，转 动方式的设计，驱动方式的设计和机构参数的设计。MIMO雷达天线的设计， 包括布阵方式的设计、阵元间距的设计和MIMO雷达天线方向图的设计。 MIMO雷达天线方向图的设计，MIMO雷达天线发射宽波束接收窄波束。

下文以方位维度通过MIMO雷达天线发射宽波束覆盖整个方位向，俯仰 维度通过一维机构扫描覆盖整个空域为例来说明。

如图1所示的一维机构，主要包含机座1、Y轴框架6、轴承和驱动组件。 轴承是指向机构传动的重要部件，选用真空镀钼角接触球轴承，能够同时承 受径向和轴向载荷。

转动方式的设计，是使本发明的一维机构Y轴框架在俯仰维度做转动， 实现俯仰维度的空域覆盖。驱动方式的设计，是使驱动机构主要由步进电机 3、谐波减速器4和旋转变压器5集成在一起，实现一维机构的转动速度与转 动角度的控制。

机构参数的设计包括俯仰维搜索范围的设计和搜索角速度的设计。俯仰 搜索范围设计为[-a_max,α_max]，在综合控制器的控制下，驱动Y轴转动。搜索 角速度设计为Δθ°/s，Y轴的转动带动MIMO雷达天线2在俯仰维的运动。 并送出天线指向角度信息，实时获得天线位置角度信息。

如图2所示，MIMO雷达天线为线性布阵，在俯仰方向以每一列M个阵 元为一个阵列，阵列数为N，子阵之间没有重叠。各个子阵均发射覆盖相同 范围的低增益宽波束。同一子阵内的各个阵元间发射的信号相同，而每个子 阵之间发射的信号是相互正交的。因发射波形相互正交，所以各子阵发射波 束在空间中不会产生相互干扰。

本发明的MIMO天线阵元为收发共用的，阵元间距为d。阵元数目为M ×N，俯仰向阵元数目为M，方位向阵元数目为N。

MIMO雷达天线方向图的设计是，MIMO雷达天线发射宽波束接收窄波 束，如图3和图4所示。其中，图3MIMO雷达天线发射宽波束示意图，MIMO 雷达天线在空间发射宽波束覆盖空间的一维度，阵元间距为d，阵元间发射 的波形相互正交。图4MIMO雷达天线接收窄波束示意图，MIMO雷达天线 接收窄波束，并通过数字波束形成实现同时多波束，以覆盖发射宽波束所照 射的整个区域。

本发明以方位向发射宽波束为例进行MIMO雷达天线发射方向图的设 计。构建各个子阵的发射正交信号集：

S_n＝[s_n(1),s_n(2),...,s_n(M)]^T (11)

其中，n＝1，2，…，N。

构建子阵的加权矢量：

W＝[w₁,w₂,...,w_N]^T (12)

本发明以相位加权方式：

构建发射导向矢量：

A(θ)＝[a₁(θ),a₂(θ),...,a_N(θ)]^T (14)

其中，m＝1,2,...,N，λ为波长，θ为发射波束与阵面法线 方向的夹角。

天线发射方向图基于下式获得：

如图7所示，本发明的一维转动MIMO雷达的快速全空域告警方法，包 括以下的快速搜索步骤：

步骤一、如图5和图6所示，在方位维和俯仰维通过MIMO雷达阵列天 线设计，产生固定形状的搜索波束，在俯仰维发射宽度为θ_e的波束，在方位 维发射波束宽度为θ_a的宽波束，覆盖空间方位维度。

图5是天线俯仰波束方向图，MIMO雷达天线在俯仰维度发射宽度为θ_e的波束，结合一维机构在俯仰方向转动实现空间俯仰维度的覆盖。图6是天 线方位波束方向图，在方位向阵列之间相互正交，在方位维MIMO雷达天线 发射波束宽度为θ_a的宽波束。因此，在方位向通过宽波束实现空间方位维度 覆盖。

步骤二、一维机构在俯仰方向，机构从搜索起始位置-α_max开始搜索，波 束指向位置1，并在位置1处接收回波1。

步骤三、一维机构每隔Δθ转动一次，MIMO雷达波束扫描示意图如图8 所示。一维机构转动到下一位置，即位置2，波束指向位置2，并在位置2 处接收回波2。同时信号处理机处理回波1，并检测目标，记录检测结果。此 时将回波2送入信号处理机。

根据图8的波束扫描方式图，在方位维度通过MIMO雷达天线发射宽波 束覆盖整个方位向感兴趣的区域，一维机构在俯仰向从起始位置开始搜索， 直到搜索终点位置结束搜索。

步骤四、判断全空域搜索是否结束，如果搜索到终点位置α_max处，则结 束搜索，全空域搜索完毕，一维机构停止转动。如果全空域搜索没有结束， 则进入下一步。

步骤五、如果位置1没有检测到目标，则返回步骤三，继续进入下一位 置搜索；如果位置1搜索到目标，转入跟踪状态，并结束全空域搜索。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识 到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述 内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的 保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种一维转动一维MIMO雷达系统，其特征在于，

在雷达近距工作模式下，MIMO雷达天线发射宽波束，覆盖第一维度；并且，通过一维机构在第二维度转动，扫描覆盖全空域；第一维度是方位维度，第二维度是俯仰维度；或者，第一维度是俯仰维度，第二维度是方位维度。

2.如权利要求1所述一维转动一维MIMO雷达系统，其特征在于，

所述一维机构包含机座、Y轴框架、轴承和驱动组件；对应于第二维度的搜索范围为[-α_max,α_max]，搜索角速度为Δθ°/s，Y轴的转动带动MIMO雷达天线在第二维度的运动，以及送出天线指向角度信息，实时获得天线位置角度信息。

3.如权利要求1所述一维转动一维MIMO雷达系统，其特征在于，

所述MIMO雷达天线为线性布阵，在第二维度的方向以每一列M个阵元为一个阵列，在空间形成窄波束，构成阵列数为N的一维MIMO，子阵之间没有重叠；各个子阵均发射覆盖相同范围的低增益宽波束；同一子阵内的各个阵元间发射的信号相同，而每个子阵之间发射的信号是相互正交的。

4.如权利要求1所述一维转动一维MIMO雷达系统，其特征在于，

MIMO天线阵元为收发共用的，阵元间距为d；阵元数目为M×N，第二维度对应方向的阵元数目为M，第一维度对应方向的阵元数目为N。

5.如权利要求1所述一维转动一维MIMO雷达系统，其特征在于，

MIMO雷达天线在空间发射宽波束覆盖空间的一维度，阵元间距为d，阵元间发射的波形相互正交；MIMO雷达天线接收窄波束，并通过数字波束形成实现同时多波束，以覆盖发射宽波束所照射的整个区域。

6.如权利要求3所述一维转动一维MIMO雷达系统，其特征在于，

各个子阵的发射正交信号集：

S_n＝[s_n(1),s_n(2),...,s_n(M)]^T (1)

其中，n＝1，2，…，N；

子阵的加权矢量：

W＝[w₁,w₂,...,w_N]^T (2)

以相位加权方式：

构建的发射导向矢量：

A(θ)＝[a₁(θ),a₂(θ),...,a_N(θ)]^T (4)

其中，λ为波长，θ为发射波束与阵面法线方向的夹角；

MIMO雷达天线的发射方向图基于下式获得：

7.一种一维转动一维MIMO雷达的快速全空域告警方法，适用于权利要求1-6中任意一项所述的一维转动一维MIMO雷达系统，其特征在于，所述快速全空域告警方法，包括以下的快速搜索过程：

通过MIMO雷达阵列天线，在第一维度和第二维度产生固定形状的搜索波束，在第二维发射宽度为θ_e的波束，结合一维机构在第二维度对应方向转动实现空间第二维度的覆盖；在第一维发射波束宽度为θ_a的宽波束，覆盖空间第一维度；

一维机构在第二维度对应的方向从起始位置-α_max开始搜索，在波束指向的当前位置接收回波；一维机构每隔Δθ转动一次，一维机构转动到下一位置，并处理前一位置的回波，检测目标；

如果搜索到达终点位置α_max，则结束搜索，全空域搜索完毕，一维机构停止转动；期间，如果搜索到目标，转入跟踪状态，并结束全空域搜索。