CN110187332B - 基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统及方法 - Google Patents

基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统，包括：雷达主机、伺服转台和控制模块，其中，雷达主机，包含：有源天线模块，用于发射宽带调频连续波信号以及同时进行回波信号的接收；以及数字模块，用于对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台的扫描角度范围和转速进行控制，将接收的回波信号进行DBF加权处理得到多路和差波束信号，并利用该多路和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理获取检测结果，该和差波束信号为和‑方位差‑俯仰差的单脉冲信号。该系统可同时大范围内实现“低慢小”目标的实时监测，能够高精度测量目标的距离、角度、速度等，大幅提高雷达的空域覆盖能力。

Description

基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统及方法
技术领域
本公开属于雷达技术领域，涉及一种基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统及方法。
背景技术
“低慢小”目标主要包括各类无人机、航空模型、热气球等航空器，具有低空飞行(1000m以下)、速度缓慢(小于200km/h)、小型化(雷达散射截面积小于2m2)的特征。这类目标成本低廉、携带方便且操作简便，使得它们起飞要求低、升空突然性强，使其在违法飞行作业时发现处置困难，极易对国家空防安全、社会公共安全和人身财产安全构成威胁。目前，每年均有因无人机等“低慢小”目标的违法飞行对机场、国家政要府邸以及公众聚集区域等重大安全场所造成重大安全问题的事件发生，并且事件数量逐年提升，造成严重的安全隐患与经济损失。
目前，国内出台了一系列法律法规，以规范“低慢小”航空器的应用和管理，一定程度上确保低空空域安全。除此之外，还需要开展对“低慢小”航空器的探测技术研究。当前用于“低慢小”航空器探测的手段主要有低空监视雷达、光电探测、声学探测和无线电信号侦测等。光电探测易受环境光线干扰，厚云层或多云时目标红外特性不明显，逆光时目标与背景对比度低，目标特性受大气衰减、湍流影响大，加之“低慢小”航空器光电信号较弱、信噪比较低，使光电探测难度进一步增大。声学探测受环境中声音杂波影响较大，且“低慢小”航空器声音幅度较小，使得采用声学探测的作用距离不大。无线电信号侦测采用被动探测技术，受无线电发射信号位置的影响，不同位置空域的检测精度会有较大差异。
因此，亟需提出一种能够克服上述技术缺陷的探测手段，实现对“低慢小”的高精度实时探测。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种基于数字波束形成(DBF)技术的低空防御雷达系统，包括：雷达主机1、伺服转台2和控制模块5，其中，雷达主机1，包含：有源天线模块11，用于发射宽带调频连续波信号以及同时进行回波信号的接收；以及数字模块12，用于对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台2的扫描角度范围和转速进行控制，将接收的回波信号进行DBF加权处理得到多路和差波束信号，并利用该多路和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理获取检测结果，该和差波束信号为和-方位差-俯仰差的单脉冲信号；伺服转台2，与雷达主机1固定并电气连接，用于根据数字模块12的控制信号实现雷达主机的扫描角度和转速变化；控制模块5，与雷达主机1和伺服转台2均电气连接，用于给雷达主机1和伺服转台2配置参数，并接收和显示雷达主机1传输的检测结果。
在本公开的一些实施例中，雷达系统工作于Ku频段，能进行方位向360°机械扫描与俯仰向±20°范围内的多波位电扫描，其中，利用宽带线性调频连续波信号去调频接收后脉压的方式实现距离向测距；采用左右波束单脉冲测角的方式实现方位向测角；采用俯仰向DBF形成的多波束进行比幅单脉冲测角的方式实现俯仰向测角；以及采用多脉冲相干累积多普勒锐化的方式实现目标径向速度测量。
在本公开的一些实施例中，雷达主机1还包含：机壳、天线罩、风扇以及尾罩，其中，有源天线模块11、数字模块12和尾罩固定于机壳上；风扇固定于尾罩上，用于对雷达主机1进行散热；天线罩罩于有源天线模块的阵面外侧，该天线罩的材料为透波材料。
在本公开的一些实施例中，有源天线模块11集成有收发天线阵面111、收发射频组件112和频率源模块113，其中，所述收发天线阵面111包括发射天线与接收天线，发射天线为1个阵面，对应1组发射通道，与收发射频组件112中的发射射频组件连接，用于将发射信号辐射出去；接收天线为m×n个阵面，m≥2，n≥2，m，n均为整数，按照方位向m列和俯仰向n行的方式组成阵列，每个阵面分别对应1组接收通道，与收发射频组件112中的接收射频组件连接，用于接收目标的回波信号；所述收发射频组件包括1组发射射频组件与m×n组接收射频组件，其中发射射频组件用于对线性调频连续波信号进行上变频和功率放大处理，并对末级功率放大具有功率检测的功能；功率放大后的发射信号分成两路，一路与发射天线阵面连接向外辐射，另一路定向耦合至1分m×n功分器，与m×n组接收射频组件的混频器连接，作为混频器的参考信号输入；每组接收射频组件与对应接收天线阵面连接，将接收的回波信号经限幅、放大和增益控制，与参考信号混频、滤波和幅度调整，最后输出信号至数字模块进行采样处理，并对输出信号具有平均输出功率检波输出功能；所述频率源模块包括：晶振、AD采样时钟子模块、DA采样时钟子模块，其中晶振与AD采样时钟子模块、DA采样时钟子模块连接，提供10MHz的稳定频率；AD采样时钟子模块与数字模块AD端连接，为其提供50MHz的稳定采样时钟；DA采样时钟子模块与数字模块DA端连接，为其提供2GHz的稳定采样时钟；
作为优选，m＝2，n＝8。
在本公开的一些实施例中，数字模块12包括：数据形成与接口控制子模块125，与有源天线模块11、伺服转台12连接，用于产生DA信号，对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台的扫描角度范围和转速进行控制，同时进行射频增益控制及与控制模块5之间的控制信号交互；DA子模块122，与有源天线模块11的发射射频组件连接，将该DA信号传送至发射射频通道控制发射线性调频连续波信号；AD子模块121，与有源天线模块11的接收射频组件连接，将回波信号量化采集；DBF子模块123，与AD子模块121连接，将m×n路量化采集的回波信号进行DBF加权处理，获得不同俯仰角度的和差波束信号；以及数据处理子模块124，与DBF子模块123连接，对和差波束信号进行目标检测处理，获取检测结果。
在本公开的一些实施例中，伺服转台2包括：角度编码器、伺服转台控制模块和转台电机及传动机构，其中，角度编码器，用于反馈角度信息；伺服转台控制模块，用于接收来自所述角度编码器的角度信息，并用于接收数字模块的控制信号以控制转台电机及传动机构，并将转速和位置信息回传给雷达主机。
在本公开的一些实施例中，雷达主机1和伺服转台2通过整机线缆进行电气连接；雷达主机1和伺服转台2通过一转接结构3进行固定连接，其中，转接结构3下方与伺服转台2连接，上方与雷达主机1连接，根据应用场景需求设计该转接结构3的固定角度，使得雷达主机以特定的俯仰角安装并扫描。
在本公开的一些实施例中，控制模块5与雷达主机1及伺服转台2均通过整机线缆电气连接；
可选的，该控制模块5为一控制计算机。
在本公开的一些实施例中，低空防御雷达系统，还包括：配电模块4，该配电模块4与雷达主机1及伺服转台2通过整机线缆电气连接，负责将供电线缆传输而来的220VAC市电转换为雷达主机1与伺服转台2所需要的各路电压，以提供有效的电源供应。
根据本公开的另一个方面，提供了一种基于本公开提及的任一种低空防御雷达系统进行低空防御的方法，包括：整个雷达系统上电后，通过控制模块5为雷达主机1及伺服转台2进行参数配置；待雷达主机1及伺服转台2开启后，伺服转台2按照配置的转角范围与转速进行扫描；雷达主机1产生并向外发射宽带调频连续波信号以及同时进行回波信号的接收，将接收的回波信号进行DBF加权处理得到多路和差波束信号，并利用该多路和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理获取检测结果；其中，该和差波束信号为和-方位差-俯仰差的单脉冲信号，该检测结果包括：目标的距离、方位角度、俯仰角度和径向速度信息；以及由控制模块5将检测结果接收汇总并显示在显示界面上，并向上级控制端传输，用于后续处置；
可选的，进行参数配置采用预置默认参数。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统及方法，具有以下有益效果：
1、通过利用雷达主机实现宽带信号的产生、发射与回波信号的接收，在接收方位采用和差波束，俯仰向采用数字波束形成技术(DBF)，通过测量不同角度的和差波束(和波束-方位差波束-俯仰差波束)信号，用该和差波束信号结合采集信号时刻的伺服角度信息进行信号处理便可实现低慢小目标的探测，可同时大范围内多波束实现“低慢小”目标的实时监测，提高雷达的空域覆盖能力，具备高精度提取被检测“低慢小”目标的距离、角度、速度参数的能力，同时具备杂波抑制、干扰目标去除、以及实时处理能力，能够为后续的“低慢小”目标跟踪与打击提供设备支持及数据支持，克服光电、声学、以及无线电探测的不足，可全天时、全天候、无间断工作，并且具有高精度。
2、采用Ku波段调频连续波体制进行参数设置，其中，利用宽带线性调频连续波信号去调频接收后脉压的方式，距离向测距精度与距离向分辨率保持一致，实现距离向高精度测距。
3、参数设置中，采用左右波束单脉冲测角的方式实现方位向测角。工程上，单脉冲和差波束测角精度接近于15％波束宽度，由于收发天线阵面的方位向波束宽度为3°，故方位向测角精度为0.45°，可实现方位向高精度测角。
4、参数设置中，采用俯仰向DBF形成的多波束进行比幅单脉冲测角的方式实现俯仰向测角。工程上，单脉冲和差波束测角精度接近于15％波束宽度。在俯仰向形成4个合成波束的情况下，接收天线阵面形成的俯仰向合成波束宽度为12°，此时俯仰向测角精度为1.8°，可实现俯仰向高精度测角。
5、参数设置中，采用多脉冲相干累积多普勒锐化的方式实现目标径向速度测量，目标测速精度与雷达信号的脉冲重复频率、累积脉冲数，以及雷达信号波长有关。在一个实例中，当脉冲重复频率为2000Hz，累积脉冲数为128，雷达信号波长为0.0206m时，目标测速精度为0.16m/s，可实现高精度测速。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统的组成框图。
图2为根据本公开一实施例所示的基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统的有源天线模块收发系统框图。
图3为根据本公开一实施例所示的基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统的接收天线布局示意图。
图4是根据本公开一实施例所示的基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统的数字模块功能组成框图。
图5是本公开基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统的使用流程图。
图6是本公开基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统进行低空防御的方法流程图。
【符号说明】
1-雷达主机；
11-有源天线模块；
111-收发天线阵面； 112-收发射频组件；
113-频率源模块；
12-数字模块；
121-AD子模块； 122-DA子模块；
123-DBF子模块； 124-数据处理子模块；
125-数据形成与接口控制子模块；
2-伺服转台； 3-转接结构；
4-配电模块； 5-控制模块。
具体实施方式
数字波束形成的概念自1959年提出以来，数字波束形成(DBF)技术是阵列信号处理的重要内容之一，已广泛应用于雷达系统中，数字波束形成技术的主要优点是相移和阵列加权通过数字化数据实现，在接收端，波束形成是在数据处理中而不是在空间中实现，其本质是空域滤波器。
本公开中，基于数字波束形成技术提出一种能够检测“低慢小”的低空防御雷达系统。基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统通过利用雷达主机实现宽带信号的产生、发射与回波信号的接收，在接收方位采用和差波束，俯仰向采用数字波束形成技术(DBF)，通过测量不同角度的和差波束(和波束-方位差波束-俯仰差波束)信号，用该和差波束信号结合采集信号时刻的伺服角度信息进行信号处理便可实现低慢小目标的探测，可同时大范围内多波束实现“低慢小”目标的实时监测，提高雷达的空域覆盖能力，具备高精度提取被检测“低慢小”目标的距离、角度、速度参数的能力，同时具备杂波抑制、干扰目标去除、以及实时处理能力，能够为后续的“低慢小”目标跟踪与打击提供设备支持及数据支持，克服光电、声学、以及无线电探测的不足，可全天时、全天候、无间断工作，并且具有高精度。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开中，“宽带信号”的含义是指：当相对带宽(信号带宽与中心频率之比)小于1％为窄带，在1％到25％之间为宽带，大于25％为超宽带。
第一实施例
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统。
图1为根据本公开一实施例所示的基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统的组成框图。
参照图1所示，本公开的基于数字波束形成(DBF)技术的低空防御雷达系统，包括：雷达主机1、伺服转台2和控制模块5，其中，雷达主机1，包含：有源天线模块11，用于发射宽带调频连续波信号以及同时进行回波信号的接收；以及数字模块12，用于对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台2的扫描角度范围和转速进行控制，将接收的回波信号进行DBF加权处理得到多路和差波束信号，并利用该多路和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理获取检测结果，该和差波束信号为和-方位差-俯仰差的单脉冲信号；伺服转台2，与雷达主机1固定并电气连接，用于根据数字模块12的控制信号实现雷达主机的扫描角度和转速变化；控制模块5，与雷达主机1和伺服转台2均电气连接，用于给雷达主机1和伺服转台2配置参数，并接收和显示雷达主机1传输的检测结果。
下面结合附图分别介绍本实施例中该低空防御雷达系统的装配关系、硬件设计以及系统参数设置的内容。
(一)装配关系
本实施例中，该低空防御雷达系统包括：雷达主机1、伺服转台2、配电模块4、控制计算机(控制模块)5、转接结构3、整机线缆以及供电线缆。
本实施例中，雷达主机1和伺服转台2通过整机线缆进行电气连接；雷达主机1和伺服转台2通过一转接结构3进行固定连接，其中，转接结构3下方与伺服转台2连接，上方与雷达主机1连接，根据应用场景需求设计该转接结构3的固定角度，使得雷达主机1以特定的俯仰角安装并扫描。
本实施例中，控制模块5为一控制计算机，该控制计算机5与雷达主机1及伺服转台2均通过整机线缆电气连接。
本实施例中，配电模块4与雷达主机1及伺服转台2均通过整机线缆电气连接，配电模块4通过供电线缆与220VAC市电电源连接，配电模块4负责将供电线缆传输而来的220VAC市电转换为雷达主机1与伺服转台2所需要的各路电压，以提供有效的电源供应。
在一实例中，每个设备(包括雷达主机1、伺服转台2、控制计算机5以及配电模块4)与线缆(包括整机线缆和供电线缆)之间采用航空插头连接。在一实例中，雷达主机1与转接结构3通过螺钉固联，转接结构3与伺服转台2通过螺钉固联；控制计算机5与雷达主机1之间通过整机线缆引出的网口连接，用于控制指令与数据传输。
在本公开的一些实施例中，雷达主机1包含：有源天线模块11、数字模块12、机壳、天线罩、风扇以及尾罩，其中，有源天线模块11、数字模块12和尾罩固定于机壳上；风扇固定于尾罩上，用于对雷达主机1进行散热；天线罩罩于有源天线模块的阵面外侧，该天线罩的材料为透波材料。
图1中的箭头示意了雷达主机的信号传输路径，连接线示意了主要连接关系，在一实例中，有源天线模块11通过螺钉固定于机壳的正面，天线罩采用透波材质，罩于有源天线模块11的阵面(收发天线阵面111)外侧，并通过螺钉固定在机壳的正面，防止有源天线收发雷达信号时受外界环境变化的影响。数字模块12通过螺钉固定于机壳的背面，并通过射频SMP电缆与有源天线模块11之间进行信号互传；风扇通过螺钉固定在尾罩内侧，直吹尾罩表面从而给雷达主机散热；尾罩通过螺钉固定在机壳背面，并将数字模块12罩在里面，数字模块中数字板上的FPGA、DSP等发热芯片通过导热胶垫与尾罩紧密贴合，从而有助于对芯片散热。
(二)硬件设计
本实施例中，有源天线模块11主要完成调频连续波体制下宽带微波信号的产生、发射与接收。具体功能包括：1)将基带发射信号上变频到Ku波段；2)将Ku波段发射激励信号经功率放大器放大之后由天线辐射出去；3)在发射信号的同时由16路接收通道接收目标反射的回波，经由天线接收、低噪声放大之后与发射参考信号进行混频得到视频信号，最终输出视频信号给数字模块12。
图2为根据本公开一实施例所示的基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统的有源天线模块收发系统框图。如图2所示，本实施例中，中频激励信号(1.5GHz±200MHz)经过滤波和放大，通过本振信号上变频至Ku波段(15.2GHz±200MHz)，经过高功率放大器后通过发射天线向外辐射；16路接收射频通道通过16个接收天线阵元接收回波信号，经过限幅、放大及增益控制与定向耦合的发射信号混频获取视频信号，经过滤波、增益控制、放大滤波后输出至数字模块。其中，发射射频通道包含功率检测模块，即在链路末级采用检波器和比较器实现功率检测输出功能；接收射频通道包含视频信号检波模块，即将视频信号通过检波与放大后输出。
在本公开的一些实施例中，参照图2所示，有源天线模块11集成有收发天线阵面111、收发射频组件112和频率源模块113。
其中，收发天线阵面111包括发射天线与接收天线，发射天线为1个阵面，对应1组发射通道，与收发射频组件112中的发射射频组件连接，用于将发射信号辐射出去；接收天线为m×n个阵面，m≥2，n≥2，按照方位向m列和俯仰向n行的方式组成阵列，每个阵面分别对应1组接收通道，与收发射频组件112中的接收射频组件连接，用于接收目标的回波信号。图3示意了接收天线布局，如图3所示，本实施例中，m＝2，n＝8，接收天线为16个阵面，按照方位向2列和俯仰向8行的方式组成阵列。
收发射频组件包括1组发射射频组件与m×n组接收射频组件，其中发射射频组件用于对线性调频连续波信号进行上变频和功率放大处理，并对末级功率放大具有功率检测的功能；功率放大后的发射信号分成两路，一路与发射天线阵面连接向外辐射，另一路定向耦合至1分m×n功分器，与m×n组接收射频组件的混频器连接，作为混频器的参考信号输入；每组接收射频组件与对应接收天线阵面连接，将接收的回波信号经限幅、放大和增益控制，与参考信号混频、滤波和幅度调整，最后输出信号至数字模块进行采样处理，并对输出信号具有平均输出功率检波输出功能。本实施例中，对应有16组接收射频组件。
频率源模块包括：晶振、AD采样时钟子模块、DA采样时钟子模块，其中晶振与AD采样时钟子模块、DA采样时钟子模块连接，提供10MHz的稳定频率；AD采样时钟子模块与数字模块AD端连接，为其提供50MHz的稳定采样时钟；DA采样时钟子模块与数字模块DA端连接，为其提供2GHz的稳定采样时钟。
图4是根据本公开一实施例所示的基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统的数字模块功能组成框图。参照图4所示，在本公开的一些实施例中，数字模块12包括：DA122、AD 121、DBF 123、数据处理124、数据形成与接口控制125等子模块。
其中，数据形成与接口控制子模块125，与有源天线模块11、伺服转台12连接，用于产生DA信号，对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台的扫描角度范围和转速进行控制，同时进行射频增益控制及与控制模块5之间的控制信号交互；DA子模块122，与有源天线模块11的发射射频组件连接，将该DA信号传送至发射射频通道控制发射线性调频连续波信号；AD子模块121，与有源天线模块11的接收射频组件连接，将回波信号量化采集；DBF子模块123，与AD子模块121连接，将m×n路量化采集的回波信号进行DBF加权处理，获得不同俯仰角度的和差波束信号；以及数据处理子模块124，与DBF子模块123连接，对和差波束信号进行目标检测处理，获取检测结果。
本实施例中，伺服转台2包括：角度编码器、伺服转台控制模块和转台电机及传动机构，其中，角度编码器，用于反馈角度信息；伺服转台控制模块，用于接收来自所述角度编码器的角度信息，并用于接收数字模块12的控制信号以控制转台电机及传动机构，并将转速和位置信息回传给雷达主机1。
(三)系统参数设置
在一优选实施例中，考虑到成本、处理数据量、快速响应、低功耗小型化等方面的因素，采用Ku波段调频连续波体制进行参数设置，该雷达系统工作于Ku频段，能进行方位向360°机械扫描与俯仰向±20°范围内的多波位电扫描。其中，利用宽带线性调频连续波信号去调频接收后脉压的方式实现距离向测距；采用左右波束单脉冲测角的方式实现方位向测角；采用俯仰向DBF形成的多波束进行比幅单脉冲测角的方式实现俯仰向测角；以及采用多脉冲相干累积多普勒锐化的方式实现目标径向速度测量。
1)距离向测距精度
使用本公开的低空防御雷达系统进行“低慢小”目标探测中，采用宽带线性调频连续波信号去调频接收后脉压的方式实现距离向高精度测距，根据距离向分辨率ρr的计算公式：
Figure BDA0002060386370000111
其中，c＝3×108m/s为光速，Br为线性调频连续波信号的带宽。
当Br＝400MHz时，可使距离向分辨率ρr＝0.375m。距离向测距精度与距离向分辨率保持一致，因此可满足距离向高精度测距。
2)方位向测角精度
使用本公开的低空防御雷达系统进行“低慢小”目标探测中，采用左右波束单脉冲测角的方式实现方位向测角。工程上，单脉冲和差波束测角精度接近于15％波束宽度。由于收发天线阵面的方位向波束宽度为3°，故方位向测角精度为0.45°，可实现方位向高精度测角。
3)俯仰向测角精度
使用本公开的低空防御雷达系统进行“低慢小”目标探测中，采用俯仰向DBF形成的多波束进行比幅单脉冲测角的方式实现俯仰向测角。工程上，单脉冲和差波束测角精度接近于15％波束宽度。在俯仰向形成4个合成波束的情况下，接收天线阵面形成的俯仰向合成波束宽度为12°，此时俯仰向测角精度为1.8°，可实现俯仰向高精度测角。
4)径向速度测量精度
使用本公开的低空防御雷达系统进行“低慢小”目标探测中，采用多脉冲相干累积多普勒锐化的方式实现目标径向速度测量。目标测速精度与雷达信号的脉冲重复频率、累积脉冲数，以及雷达信号波长有关。在本公开的一个实例中，当脉冲重复频率为2000Hz，累积脉冲数为128，雷达信号波长为0.0206m时，目标测速精度为0.16m/s，可实现高精度测速。
第二实施例
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于本公开提及的任一种低空防御雷达系统进行低空防御的方法。
图5是本公开基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统的使用流程图。图6是本公开基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统进行低空防御的方法流程图。
结合图5和图6所示，本公开的基于低空防御雷达系统进行低空防御的方法，包括：整个雷达系统上电后，通过控制模块5为雷达主机1及伺服转台2进行参数配置；待雷达主机1及伺服转台2开启后，伺服转台2按照配置的转角范围与转速进行扫描；雷达主机1产生并向外发射宽带调频连续波信号以及同时进行回波信号的接收，将接收的回波信号进行DBF加权处理得到多路和差波束信号，并利用该多路和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理获取检测结果；其中，该和差波束信号为和-方位差-俯仰差的单脉冲信号，该检测结果包括：目标的距离、方位角度、俯仰角度和径向速度信息；以及由控制模块5将检测结果接收汇总并显示在显示界面上，并向上级控制端传输，用于后续处置。
具体的，参照图5所示，雷达系统上电后，进行连接网络判断，连接成功后进入系统待机状态；然后在系统开始工作后，进行参数配置，可以是采用预置默认参数或者根据实际需要在控制模块5中进行参数配置，参数配置成功后，雷达主机和伺服转台按照设置开启进行工作。
待雷达主机1及伺服转台2开启后，伺服转台2按照配置的转角范围与转速进行扫描。雷达主机1的数字模块12的DA端(DA子模块)产生DA信号，控制发射射频通道变频、放大、生成线性调频连续波信号，在发射天线阵面发射宽带信号，同时在接收天线阵面接收多路回波信号，接收射频通道经过混频、放大、滤波生成多路中频信号，数字模块12的AD端(等同于AD子模块)实现多路数据采集，将接收的回波信号进行DBF加权处理得到多路和差波束信号，并利用该多路和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理，例如采用目标检测算法，以获取检测结果。
综上所述，本公开提供了一种基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统，通过利用雷达主机实现宽带信号的产生、发射与回波信号的接收，在接收方位采用和差波束，俯仰向采用数字波束形成技术(DBF)，通过测量不同角度的和差波束信号，用该和差波束信号结合采集信号时刻的伺服角度信息进行信号处理便可实现低慢小目标的探测，可同时大范围内多波束实现“低慢小”目标的实时监测，提高雷达的空域覆盖能力，具备高精度提取被检测“低慢小”目标的距离、角度、速度参数的能力，同时具备杂波抑制、干扰目标去除、以及实时处理能力，能够为后续的“低慢小”目标跟踪与打击提供设备支持及数据支持，克服光电、声学、以及无线电探测的不足，可全天时、全天候、无间断工作，并且具有高精度。
需要说明的是，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
本领域技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种基于数字波束形成(DBF)技术的低空防御雷达系统，其特征在于，包括：雷达主机(1)、伺服转台(2)和控制模块(5)，
其中，雷达主机(1)，包含：
有源天线模块(11)，用于根据数字模块(12)的控制信号发射宽带调频连续波信号以及同时进行多路回波信号的接收，并根据宽带调频连续波信号和多路回波信号获取多路视频信号；以及
数字模块(12)，用于对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台(2)的扫描角度范围和转速进行控制，将接收的多路视频信号进行DBF加权处理得到多路不同俯仰角度的和差波束信号，并利用该不同俯仰角度的多路和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理获取检测结果，该和差波束信号为和-方位差-俯仰差的单脉冲信号；该检测结果包括：目标的距离、方位角度、俯仰角度和径向速度信息；
伺服转台(2)，与雷达主机(1)固定并电气连接，用于根据数字模块(12)的控制信号实现雷达主机的扫描角度和转速变化；
控制模块(5)，与雷达主机(1)和伺服转台(2)均电气连接，用于给雷达主机(1)和伺服转台(2)配置参数，并接收和显示雷达主机(1)传输的检测结果；
其中，所述有源天线模块(11)集成有收发天线阵面(111)、收发射频组件(112)和频率源模块(113)，
所述收发天线阵面(111)包括发射天线与接收天线，发射天线为1个阵面，对应1组发射通道，与收发射频组件(112)中的发射射频组件连接，用于将发射信号辐射出去；接收天线为m×n个阵面，m≥2，n≥2，按照方位向m列和俯仰向n行的方式组成阵列，每个阵面分别对应1组接收通道，与收发射频组件(112)中的接收射频组件连接，用于接收目标的回波信号；
所述收发射频组件包括1组发射射频组件与m×n组接收射频组件，其中发射射频组件用于对线性调频连续波信号进行上变频和功率放大处理，并对末级功率放大具有功率检测的功能；功率放大后的发射信号分成两路，一路与发射天线阵面连接向外辐射，另一路定向耦合至1分m×n功分器，与m×n组接收射频组件的混频器连接，作为混频器的参考信号输入；每组接收射频组件与对应接收天线阵面连接，将接收的回波信号经限幅、放大和增益控制，与参考信号混频、滤波和幅度调整，最后输出信号至数字模块进行采样处理，并对输出信号具有平均输出功率检波输出功能。
2.根据权利要求1所述的低空防御雷达系统，其特征在于，所述雷达系统工作于Ku频段，能进行方位向360°机械扫描与俯仰向±20°范围内的多波位电扫描，
其中，利用宽带线性调频连续波信号去调频接收后脉压的方式实现距离向测距；
采用左右波束单脉冲测角的方式实现方位向测角；
采用俯仰向DBF形成的多波束进行比幅单脉冲测角的方式实现俯仰向测角；以及
采用多脉冲相干累积多普勒锐化的方式实现目标径向速度测量。
3.根据权利要求1所述的低空防御雷达系统，其特征在于，所述雷达主机(1)还包含：机壳、天线罩、风扇以及尾罩，
其中，所述有源天线模块(11)、数字模块(12)和尾罩固定于所述机壳上；
所述风扇固定于尾罩上，用于对雷达主机(1)进行散热；
所述天线罩罩于有源天线模块的阵面外侧，该天线罩的材料为透波材料。
4.根据权利要求1所述的低空防御雷达系统，其特征在于，
所述频率源模块包括：晶振、AD采样时钟子模块、DA采样时钟子模块，其中晶振与AD采样时钟子模块、DA采样时钟子模块连接，提供10MHz的稳定频率；AD采样时钟子模块与数字模块AD端连接，为其提供50MHz的稳定采样时钟；DA采样时钟子模块与数字模块DA端连接，为其提供2GHz的稳定采样时钟。
5.根据权利要求1所述的低空防御雷达系统，其特征在于，m＝2，n＝8。
6.根据权利要求1所述的低空防御雷达系统，其特征在于，所述数字模块(12)包括：
数据形成与接口控制子模块(125)，与有源天线模块(11)、伺服转台(12)连接，用于产生DA信号，对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台的扫描角度范围和转速进行控制，同时进行射频增益控制及与控制模块(5)之间的控制信号交互；
DA子模块(122)，与有源天线模块(11)的发射射频组件连接，将该DA信号传送至发射射频通道控制发射线性调频连续波信号；
AD子模块(121)，与有源天线模块(11)的接收射频组件连接，将回波信号量化采集；
DBF子模块(123)，与AD子模块(121)连接，将m×n路量化采集的回波信号进行DBF加权处理，获得不同俯仰角度的和差波束信号；以及
数据处理子模块(124)，与DBF子模块(123)连接，对和差波束信号进行目标检测处理，获取检测结果。
7.根据权利要求1所述的低空防御雷达系统，其特征在于，所述伺服转台(2)包括：角度编码器、伺服转台控制模块和转台电机及传动机构，
其中，角度编码器，用于反馈角度信息；
伺服转台控制模块，用于接收来自所述角度编码器的角度信息，并用于接收数字模块的控制信号以控制转台电机及传动机构，并将转速和位置信息回传给雷达主机。
8.根据权利要求1所述的低空防御雷达系统，其特征在于，
所述雷达主机(1)和伺服转台(2)通过整机线缆进行电气连接；
所述雷达主机(1)和伺服转台(2)通过一转接结构(3)进行固定连接，其中，所述转接结构(3)下方与伺服转台(2)连接，上方与雷达主机(1)连接，根据应用场景需求设计该转接结构(3)的固定角度，使得雷达主机以特定的俯仰角安装并扫描。
9.根据权利要求1所述的低空防御雷达系统，其特征在于，所述控制模块(5)与雷达主机(1)及伺服转台(2)均通过整机线缆电气连接。
10.根据权利要求9所述的低空防御雷达系统，其特征在于，该控制模块(5)为一控制计算机。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的低空防御雷达系统，其特征在于，还包括：配电模块(4)，该配电模块(4)与雷达主机(1)及伺服转台(2)通过整机线缆电气连接，负责将供电线缆传输而来的220VAC市电转换为雷达主机(1)与伺服转台(2)所需要的各路电压，以提供有效的电源供应。
12.一种基于权利要求1至11中任一项所述的低空防御雷达系统进行低空防御的方法，其特征在于，包括：
整个雷达系统上电后，通过控制模块(5)为雷达主机(1)及伺服转台(2)进行参数配置；
待雷达主机(1)及伺服转台(2)开启后，伺服转台(2)按照配置的转角范围与转速进行扫描；
雷达主机(1)产生并向外发射宽带调频连续波信号以及同时进行多路回波信号的接收，并根据宽带调频连续波信号和多路回波信号获取多路视频信号；
将多路视频信号进行DBF加权处理得到多路不同俯仰角度的和差波束信号，并利用该多路不同俯仰角度的和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理获取检测结果；其中，该和差波束信号为和-方位差-俯仰差的单脉冲信号，该检测结果包括：目标的距离、方位角度、俯仰角度和径向速度信息；以及
由控制模块(5)将检测结果接收汇总并显示在显示界面上，并向上级控制端传输，用于后续处置。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，进行参数配置采用预置默认参数。
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