CN110109072A - 一种多基地海上小目标雷达探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多基地雷达海上小目标探测方法，包括以下步骤：岸基发射单元向目标海域发射电磁波信号；多个机载接收单元分别从不同方向上接收目标反射的回波信号；各机载接收单元对回波信号进行处理，检测目标并生成目标位置信息。本发明的多基地雷达海上小目标探测方法采用岸基发射单元发射电磁波信号、多部机载接收单元从不同方向接收目标反射的电磁波。发射单元布置在岸基上可以提供足够大的发射功率以提高探测距离，接收单元采用多个机载平台可以解决小目标RCS随观测角度剧烈起伏问题、保证目标RCS不会同时处于极小值，提高海上小目标的检测概率。
Description
技术领域
本发明涉及雷达探测技术领域，具体地说，是涉及一种岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法。
背景技术
在雷达探测领域中，潜艇排气孔、潜望镜、掠海导弹等海上小目标危险程度非常高，属于具有重要价值的探测目标。但是海上小目标探测是雷达探测领域中的一个难点，以下因素的存在使得海上小目标很难被探测到：
①海上小目标雷达反射电磁波能力弱，且海杂波背景强；
②小目标RCS值随观测角度起伏剧烈，目标姿态扰动容易使目标RCS很容易处于极小值；
③视距限制使得岸基和舰载雷达的探测距离非常有限。
岸基雷达、舰载雷达、机载雷达都可以实现对海上目标的探测，采用的技术包括动目标显示(MTI)、横虚警、非相参脉冲积累等技术。岸基雷达、舰载雷达由于天线架设高度有限，对海探测受视距影响，探测距离有限；机载雷达平台飞行高度高，受视距影响小，但是雷达设备体积、重量、功率受限，发射机不能提供足够的发射功率，对小目标的探测距离有限。
双基地(或多基地)雷达为使用处于不同位置的天线进行发射和接收的雷达，对隐身目标探测具有一定的优势。双基地雷达应由三大单元组成，它们是发射机、接收机及同步分系统。同步分系统一般包括数传机、分别设置在发射和接收两站的时钟以及同步控制单元等。从功能构成上比较双基地雷达比单基地雷达多了一个同步分系统，以实现天线协同与时间同步，其它部分与单基地雷达一致。
现有的双基地雷达一般采用发射单元和接收单元同为岸基或同为机载的形式，并且多采用1部发射单元和1部接收单元的形式，现有模式存在以下问题：
(1)当双基地雷达采用岸基形式时，由于雷达天线架高有限，对低空目标进行探测受到视距限制，作用距离有限；
(2)当双基地雷达采用机载平台时可以解决视距限制，但是发射机功率有限，对小目标和隐身目标探测距离有限；
(3)采用1部接收单元的双基地雷达，由于小目标RCS值随观测角度起伏距离， RCS值容易处于极小值而无法探测到目标。
发明内容
本发明为了解决现有雷达探测小目标受到距离限制以及探测精度低的技术问题，提出了一种多基地海上小目标雷达探测方法，可以解决上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法，包括以下步骤：
岸基发射单元向目标海域发射电磁波信号；
多个机载接收单元分别从不同方向上接收目标反射的回波信号；
各机载接收单元对回波信号进行处理，检测目标并生成目标位置信息。
进一步的，所述岸基发射单元的发射天线采用水平宽波束定向辐射的方式发射电磁波信号。
进一步的，所述发射天线波束形状为水平面宽波束、垂直面余割平方的赋形波束。
进一步的，所述发射天线为波导缝隙天线、阵列天线或者喇叭天线。
进一步的，所述发射天线为波导裂缝天线时，应采用窄边斜开缝波导阵面，其中水平方位孔径为4倍波长，俯仰口径为20倍波长。
进一步的所述发射天线为阵列天线时，天线元间距小于0.5倍波长，方位口径为4倍波长，俯仰口径为20倍波长。
进一步的，所述发射天线为喇叭天线时，为抛物盒喇叭的形式，其方位口径为4.5倍波长，俯仰有效口径为25倍波长。
进一步的，所述岸基发射单元的发射天线采用水平宽波束定向辐射的方式发射电磁波信号，所述机载接收单元的接收天线采用窄波束接收天线对探测区域扫描，实现发射波束和接收波束同时对准目标。
进一步的，所述机载接收单元的接收天线采用窄波束对探测区域进行扇形扫描的方式接收目标反射的回波信号。
所述机载接收单元的接收天线采用窄波束对关心区域扇形扫描方式接收目标反射的回波信号。
进一步的，还包括对各接收单元生成的目标位置信息进行融合的步骤，得到融合目标位置信息。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的多基地海上小目标雷达探测方法采用岸基发射单元发射电磁波信号、多部机载接收单元从不同方向接收目标反射的电磁波。发射单元布置在岸基上可以提供足够大的发射功率以提高探测距离，接收单元采用多个机载平台可以解决小目标RCS随观测角度起伏问题、保证目标RCS不会同时处于极小值，提高海上小目标的检测概率。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提出的岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法的一种实施例流程图；
图2是本发明所提出的岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法的一种实施例中发射接收示意图；
图3是本发明所提出的岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测系统的原理方框图；
图4是本发明所提出的岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法的一种实施例中发射天线与接收天线扫描协同实现原理图；
图5是本发明所提出的岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法的一种实施例中发射天线垂直面波束形状；
图6是本发明所提出的岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法的一种实施例中波导缝隙天线的结构示意图；
图7是本发明所提出的岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法的一种实施例中阵列天线的结构示意图；
图8是本发明所提出的岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法的一种实施例中抛物盒喇叭天线结构示意图；
图9是本发明所提出的岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法的一种实施例中机载接收单元空间配置示意图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，本实施例提出了一种岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法，如图1所示，包括以下步骤：
岸基发射单元向目标海域发射电磁波信号；通过将发射单元布置在岸基上可以提供足够大的发射功率以提高探测距离。
小目标是指反射截面积RCS较小的目标，一般小于0.5平方米。
多个机载接收单元分别从多个方向上接收目标反射的回波信号；接收单元采用多个机载平台可以解决小目标RCS(Radar-Cross Section，雷达散射截面积)随观测角度起伏问题、保证目标RCS不会同时处于极小值，提高海上小目标的检测概率。
各机载接收单元对回波信号进行处理，检测目标并生成目标位置信息。
本发明的多基地海上小目标雷达探测方法采用岸基发射单元发射电磁波信号、多部机载接收单元从不同方向接收目标反射的电磁波，基本工作过程为：岸基发射单元向关心海域发射大功率电磁波信号，能够保证发射单元具有足够大的发射功率，以提高小目标的探测距离；当海面上存在小目标时，雷达发射的电磁波会被反射到不同方向上。只要机载接收单元的接收天线在雷达照射该目标时对准该目标，就会收到该目标反射的回波信号，如图2所示。虽然小目标反射截面积随机起伏剧烈，单个接收单元观测目标容易处于目标RCS极小值，从而无法发现目标。通过设置机载接收单元，一方面在距离上可以离探测目标更近，尤其对于海上小目标雷达反射电磁波能力弱，且海杂波背景强的情况下，距离近更容易从较强的海杂波背景中探测到小目标，提高小目标的探测能力，通过采用多个接收单元从多个方向上接收目标反射的电磁波，目标RCS同时处于极小值的概率将会变得很小。每个机载接收单元对回波信号进行处理，只要有一个接收单元能够检测出目标，目标就会被发现，提高小目标的探测概率。
其中，岸基发射单元向关心海域发射的大功率电磁波信号的平均功率达到1kW 以上。
岸基发射-机载接收多基地雷达系统的发射平台为岸基雷达发射机，接收单元平台为多架飞机上的雷达接收机。如图3所示，发射装置由发射机、发射天线、同步设备组成。其中发射机提供符合功率、波形等要求的射频信号，天线完成向覆盖空域的电磁波辐射，同步设备用于完成发射单元与各接收单元的同步。
该系统的发射单元采用岸基的形式，可以不受空间、载重、能耗的限制，功率可以做的更大。一般的机载雷达发射工作在kW级，而岸基雷达发射功率可以达到 MW级，采用岸基形式发射功率可提高近1000倍。根据雷达距离方程式(1)，对相同RCS目标的作用距离可以提高为原来的5.62倍。
其中：Rmax表示最大探测距离，Pt发射功率，G表示天线增益，λ表示波长，σ表示反射截面积，Simin表示接收机灵敏度。
目标能否被检测到的本质取决于回波信号跟杂波/噪声功率比值的大小，而目标回波的强弱在距离一定的情况下取决于目标的反射截面积。目标反射截面积的大小随电磁波入射角度即雷达视角的不同剧烈变化，下图为美国B26轰炸机，由图可以看出当角度变化1度时，RCS值可能变化几十个分贝。
考虑到RCS随视角剧烈起伏的特性，本发明采用多基地雷达的方式，采用一个发射单元，从多个方向接收目标发射的电磁波，保证了目标RCS不会处于极小值，提高了目标的发现概率。以雷达系统的典型值-发现概率为0.5为例，单部雷达对目标的发现概率为50％，采用两部接收天线的发现概率为75％，采用3部接收天线的发现概率为87.5％。
另外，岸基发射-机载接收多基地雷达还具有接收单元静默、不容易被发现，平台机动性好的优点，在战场上幸存概率要远大于传统雷达。
接收装置的搭载平台为处于不同位置的前出飞机，可以在离目标较近的距离从不同的方向上接收目标反射的回波信号，保证了回波信号的强度。如图3、图4所示，每个接收设备都包括接收天线12、接收机、信号处理机、显示器、同步设备组成，整个接收系统还有一部综合处理机。同步设备用于实现时间上的同步，综合处理机用于完成不同接收单元的数据融合。接收装置对回波信号的处理过程的前半部分与普通雷达相同，处理流程为低噪声放大、混频、中频放大、检波，然后通过检测判断目标是否存在，并测量出目标的距离和方位等位置信息。每个接收单元得到目标的位置信息后都送往综合处理机，综合处理机对各接收单元送来的位置信息进行融合，从而提高位置信息的精度。
岸基发射-机载接收多基地雷达是一个复杂的系统，涉及到1个发射单元和多个接收单元协同工作，该系统能正常运作需要解决如下几个问题：
(1)对于收发分离的双基地雷达，当发射天线对准目标辐射时接收天线也对准该目标才能接收到目标反射的回波信号。当存在多部接收天线时，保证在同一时刻所有的接收天线都能与发射天线对准同一个位置是非常困难的；一部发射天线和多部接收天线同时对准同一个位置时，此时所有接收单元能够接收到该位置的目标回波；当只有1部接收天线与发射天线对准目标位置时，即无法探测到该位置的目标。
(2)接收单元以飞机作为平台，本身运动而不能悬停，需要对多个接收平台在工作过程的运动轨迹进行合理的规划，才能覆盖对关心区域目标的探测。
为了解决由于目标位置的不确定性，接收天线12无法调整波束角度对准目标。特别是存在多个接收单元时，无法保证多个接收单元同时对准同一个目标，导致的技术问题，如图4所示，岸基发射单元的发射天线11采用水平宽波束定向辐射的方式发射电磁波信号，保证关心区域内的目标在系统工作时间内一直处于被照射状态。如图5所示，为发射天线垂直面波束形状，垂直天线方向图采用余割形状，使天线电磁波辐射能量集中向海面辐射。宽波束是指天线辐射角度范围，一般天线辐射角度不小于20°。
发射天线波束形状为水平面宽波束、垂直面余割平方的赋形波束。赋形波束天线辖射方向图在一定的空间立体角范围内符合给定的函数形状，优点：1.仅在所需要的方向，有效地使用最合适的电平福射的微波功率。2.减少不必要的地面或环境的反射以及减小相邻天线间的相互干扰。3.在复合天线(CompoundAntenna)的主口径面上产生一个最优化的照射分布。
满足上述波束形状要求的雷达天线可由波导缝隙天线、阵列天线或者喇叭天线实现。
其中，波导缝隙天线根据发射天线水平面和垂直面天线方向图的要求，当采取波导裂缝天线时应采用窄边斜开缝波导阵面，其中水平方位孔径为4个波长，俯仰口径为20个波长，如图6所示。采用波导缝隙天线的优点是成本低、系统简单。
天线辐射特性方位覆盖与俯仰覆盖差异大，决定了方位口径与俯仰口径相差较大，方位口径较小，应采用抛物盒喇叭的形式，指标要求为方位口径4.5个波长，俯仰有效口径为25个波长，设计图如图8所示。抛物盒喇叭天线优点是损耗小，带宽较宽。
发射天线为阵列天线时，天线元间距小于0.5倍波长，方位口径为4倍波长，俯仰口径为20倍波长。如图7所示。阵列天线的优点是带宽比较宽，适用于宽带系统。
发射天线为喇叭天线时，为抛物盒喇叭的形式，其方位口径为4.5倍波长，俯仰有效口径为25倍波长。
由于接收单元平台很难实现悬停，为了解决机载平台运动轨迹进行合理的规划的问题，如图9所示，多个机载接收单元在同一巡航路线上等间隔等速巡航，巡航路线应覆盖目标区域，保证接收单元能够在不同方向上接收目标回波、从不同角度实现对目标的观测，接收单元所在平台在空间上均匀布置。
岸基发射单元的发射天线采用水平宽波束定向辐射的方式发射电磁波信号，机载接收单元的接收天线采用窄波束接收天线对探测区域扫描，实现发射波束和接收波束同时对准目标。窄波束是指天线辐射角度不大于2°。
机载接收单元的接收天线采用窄波束对探测区域采用扇形扫描的方式接收目标反射的回波信号，保证足够的测角精度，当接收天线扫描到目标所在方位时，就会接收到目标回波信号。
还包括对各接收单元生成的目标位置信息进行融合的步骤，得到融合目标位置信息。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种岸基发射、机载接收多基地雷达海上小目标探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
岸基发射单元向目标海域发射电磁波信号；
多个机载接收单元分别从不同方向上接收目标反射的回波信号；
各机载接收单元对回波信号进行处理，检测目标并生成目标位置信息。
2.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述岸基发射单元的发射天线采用水平宽波束定向辐射的方式发射电磁波信号。
3.根据权利要求2所述的探测方法，其特征在于，所述发射天线波束形状为水平面宽波束、垂直面余割平方的赋形波束。
4.根据权利要求3所述的探测方法，其特征在于，所述发射天线为波导缝隙天线、阵列天线或者喇叭天线。
5.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于，所述发射天线为波导裂缝天线时，应采用窄边斜开缝波导阵面，其中水平方位孔径为4倍波长，俯仰口径为20倍波长。
6.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于，所述发射天线为阵列天线时，天线元间距小于0.5倍波长，方位口径为4倍波长，俯仰口径为20倍波长。
7.根据权利要求4所述的探测方法，其特征在于，所述发射天线为喇叭天线时，为抛物盒喇叭的形式，其方位口径为4.5倍波长，俯仰有效口径为25倍波长。
8.根据权利要求1-7任一项所述的探测方法，其特征在于，所述岸基发射单元的发射天线采用水平宽波束定向辐射的方式发射电磁波信号，所述机载接收单元的接收天线采用窄波束接收天线对探测区域扫描，实现发射波束和接收波束同时对准目标。
9.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，所述机载接收单元的接收天线采用窄波束对探测区域进行扇形扫描的方式接收目标反射的回波信号。
10.根据权利要求1-7任一项所述的探测方法，其特征在于，还包括对各接收单元生成的目标位置信息进行融合的步骤，得到融合目标位置信息。
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