CN110208754A - 旋转场式全向天线、全向探测雷达系统和信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转场式全向天线、全向探测雷达系统以及相应的信号处理方法。所述全向天线包括三对对称偶极子；其中，所述三对对称偶极子配置成，各偶极子的尾部相交于一个公共的交点，各偶极子的首部等间距地分散在圆周上，并且各偶极子的馈电幅度相同以及相邻偶极子的相位差为60°。所述雷达系统包括所述全向天线、射频处理机和数字处理机以及显示控制终端。所述信号处理方法对所述全向天线的六个通道所接收的回波信号进行处理，基于所述全向天线的六个通道的方位指向构建空间方位坐标系和解算坐标系，根据空间方位坐标系与解算坐标系的映射关系计算目标方位角度，然后结合回波信号的幅值和信噪比确定目标的真实指向范围，进而确定目标的真实方位。

Description

旋转场式全向天线、全向探测雷达系统和信号处理方法

技术领域

本发明涉及无线电侦测技术领域，尤其涉及一种旋转场式全向天线、全向探测雷达系统和信号处理方法。

背景技术

20世纪70年代时，机械扫描的平面阵列体制天线已经被广泛应用于三坐标雷达和机载雷达中。自60年代中后期，电子扫描体制的相控阵天线开始应用于某些军用雷达领域，该体制天线是所有体制天线中应用最广泛的，但同时也是最昂贵和复杂的。(记载于《雷达系统导论》，电子工业出版社，第3版，2006年7月1日)在现有技术中，无论机械扫描体制天线还是相控阵体制天线，均为有一定方向性的窄波束定向天线。现有的探测距离20-30km范围内的低空近程雷达绝大多数工作于L波段或S波段，采用机械扫描或相控阵体制的天线，为车载机动或固定阵地架设。传统的低空近程雷达大部分采用阵面定向天线和机扫、或机扫-相扫结合体制，其结构复杂，天线的加工工艺要求高，增加了设计的复杂度、重量和成本；而采用多面阵、圆阵的全向探测技术，在方位上仍然需要数字波束扫描，存在波束多，通道数多，设计和处理比较复杂的问题。这些问题导致低空近程雷达不具备便携特性。

虽然现有技术中已有利用由两对对称放置的偶极子构成的雷达天线(其中相邻偶极子之间夹角90度，每对偶极子方向图为“8”字型)进行全向扫描探测的技术，但是在东北、西北、东南、西南等方向上，由于两个圆的相交覆盖边界，造成覆盖空域的减少，使得这种雷达天线的最终的实时空域覆盖率偏低。

此外，现有技术还存在探测概率低、存在方位角解算镜像以及方位角解算精度低等缺点。具体而言，目前常见的方法是首先将多个天线通道获取的回波信号进行左右旋合成，然后再进行脉冲压缩、相参积累和恒虚警检测等处理，此时若某一个天线通道获取的回波受到影响，则会降低合成后的左右旋通道的目标信噪比，最终影响目标的探测概率。而且，当两个通道通过和、差合成的时候，将使目标以一定概率分别出现在两个通道的指向上，从而失去目标的真实方位，即无法判断判断目标的真实方位。另外，左右旋探测解算是通过将多个天线通道获取的回波进行左右旋合成后再进行脉冲压缩、恒虚警检测等，此时若某一个天线通道获取的回波受到影响，则在左右旋解算时引入的可能是某通道的杂波信息(杂波幅值、杂波相位等)，从而造成最终解算的目标方位角度错误或大误差。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种新的旋转场式全向天线、全向探测雷达系统以及信号处理方法。

本发明首先提供了一种旋转场式全向天线，其包括三对对称偶极子；其中，所述三对对称偶极子设置成，各偶极子的尾部相交于一个公共的交点，各偶极子的首部等间距地分散在圆周上，并且各偶极子的馈电幅度相同以及相邻偶极子的相位差为60°。

根据本发明的实施例，上述各偶极子的天线方向图可以为余弦形式，每对对称偶极子组合后的天线方向图为“8”字形，以使所述三对对称偶极子稳态时的天线方向图成为能够覆盖整个探测空域的三对圆形。

根据本发明的实施例，所述全向天线的偶极子等间距排布。

优选地，所述全向天线的偶极子之间的间距等于雷达工作波长。

根据本发明的实施例，上述全向天线可以采取垂直面组阵方式布置和/或采取俯仰相扫方式工作。

本发明还提供了一种信号处理方法，其中，所述信号包括通过上述旋转场式全向天线接收的回波信号，所述方法包括以下步骤：

S100，对所述全向天线的六个通道接收的回波信号进行处理，以获得对应的六路基带信号，根据所述六路基带信号获得目标的距离和多普勒速度；

S200，构建左右旋解算坐标系，并根据所述全向天线安装时的空间方位先验信息，建立空间方位坐标系与左右旋解算坐标系之间的映射关系，根据所述映射关系在左右旋解算坐标系中求出目标的方位角；

S300，利用目标在不同通道中的回波信号的幅值、信噪比以及所述全向天线安装时的空间方位先验信息，确定目标的真实指向范围；

S400，将在左右旋解算坐标系中求出的目标的方位角映射回空间方位坐标系中，结合目标的真实指向范围确定目标的真实方位。

根据本发明的实施例，上述步骤S100主要包括以下步骤；

S110，对所述全向天线的六个通道接收的回波信号进行处理，以获得对应的六路基带信号；

S120，对所述六路基带信号中的每路基带信号进行脉冲压缩、相参积累和恒虚警检测；

S130，对所述六路基带信号经恒虚警检测后的点迹进行点迹匹配，确定同一距离门和多普勒速度处的六个通道的回波信号，将其构成一个目标的六通道回波信息组，所述回波信息组中包括各回波信号的幅值、信噪比信息；其中，对于六通道中未检测到回波信息的通道，其回波信号的信噪比设置为零。

根据本发明的实施例，在上述步骤S200中，优选六通道中检测到的回波信号的信噪比大于给定门限的通道参与构建左右旋解算坐标系，解算目标的方位角。

此外，本发明还提供了一种全向探测雷达系统，其特征在于，包括上述旋转场式全向天线、射频处理机和数字处理机以及显示控制终端；其中：

所述旋转场式全向天线耦接所述射频处理机，用于在所述射频处理机的控制下向全空域辐射射频信号并接收全空域的回波信号；

所述射频处理机连接所述数字处理机，用于产生所述射频信号以及将接收的回波信号传送给所述数字处理机；

所述数字处理机连接所述显示控制终端，用于对获得的回波信号进行处理，以得到全空域的点迹信息，并由此形成目标航迹，并将所述目标航迹传送给所述显示控制终端，以显示给用户。

根据本发明的实施例，上述显示控制终端还连接所述射频处理机，用于接收用户的系统控制命令，并将所述系统控制命令发送给所述数字处理机和所述射频处理机。

根据本发明的实施例，上述数字处理机包括中央处理器和存储器，所述中央处理器用于执行存储于所述存储器中的用于实现如上述信号处理方法的程序。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

1、提升实时全空域覆盖率

本发明提供的旋转场式全向天线包括三对对称偶极子，其中各偶极子的尾部相交于一个公共的交点，各偶极子的首部等间距地分散在圆周上，并且各偶极子的馈电幅度相同以及相邻偶极子的相位差为60度，其天线方向图能够形成三对圆，覆盖整个探测空域，相比于现有技术中的两对对称偶极子的天线，能够有效提升实时空域覆盖率，实时空域覆盖率可以由81.83％提升到91.35％。

2、提升了目标的探测概率

本发明提供的信息处理方法对各个通道获得的回波信号直接进行脉冲压缩、相参积累和恒虚警检测处理，然后再进行左右通道合成左右旋解算坐标系，相比于现有技术，能够在相同的探测门限下有效提升天线的探测概率。

3、解决角度解算镜像问题

本发明提供的信息处理方法利用各个通道获得的目标的回波信息(包括幅值和信噪比等)，以及各个通道方向的先验信息(安装时的方向信息)，确定目标的真实方向，从而能够消除目标镜像，解决现有技术中的角度解算镜像问题。

4、提升方位角的解算精度

本发明提供的信息处理方法在将空间方位坐标系映射到左右旋解算坐标系时，并优选信噪比佳的通道参与左右旋解算，从而避免信噪比差的通道参与左右旋解算，有效降低杂波或噪声噪声对最终解算结果的影响，提升目标方位角的解算精度。换言之，通过抛弃部分没有回波或回波信噪比低的通道，优选回波信号强的通道构建左、右旋通道，保证构建的左、右旋通道能够如实表示目标信息，提升解算目标方位信息的准确性。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本发明实施例的附图与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，但并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是本发明实施例的旋转场式全向天线的排布示意图；

图2是图1所示的旋转场式全向天线稳态时的天线方向图；

图3是本发明实施例的全向探测雷达系统的组成示意图；

图4是图3所示的全向探测雷达系统的信号处理方法的工作原理图；

图5是图3所示的全向探测雷达系统的信号处理方法的工作流程图；

图6是图1所示的旋转场式全向天线的空间方位坐标系的示意图；

图7是图1所示的旋转场式全向天线的左右旋解算坐标系的示意图；

图8是本发明实施例的利用图4所示信号处理方法求解目标方位的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本发明实施例以及实施例中的各个特征在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

如图1所示，本发明的旋转场式全向天线包括三对对称偶极子，其中各偶极子的尾部相交于一个公共的交点(圆心)，各偶极子的首部等间距地分散在圆周上，使得相邻偶极子之间的夹角为60度，各偶极子的馈电幅度相同且相邻偶极子的相位相差60度。在图1所示的实施例中，1、4通道天线为一对对称偶极子，2、5通道天线为一对对称偶极子，3、6通道天线为一对对称偶极子。

在具体实施时，每对对称偶极子的间距可以为雷达工作波长。进一步如图2所示，每个偶极子的天线方向图可以为cos形式，每对对称偶极子组合后的天线方向图为“8”字形，稳态方向图则是一个圆，使得三对对称偶极子稳态时的天线方向图为三对圆形，能够覆盖整个探测空域。

进一步地，上述天线还可以通过在垂直面组阵的方式提高天线增益，增加雷达作用距离；另外还可以通过俯仰相扫的方式，实现一定低空空域覆盖。

如图3所示，本发明的全向探测雷达系统包括图1所示的旋转场式全向天线10、射频处理机20和数字处理机30以及显示控制终端40；其中：

所述旋转场式全向天线10耦接所述射频处理机20，用于在所述射频处理机20的控制下向全空域辐射射频信号并接收全空域的回波信号；

所述射频处理机20连接所述数字处理机30，用于产生所述射频信号以及将接收的回波信号传送给所述数字处理机30；

所述数字处理机30连接所述显示控制终端40，用于对获得的回波信号进行处理，以获得全空域的点迹信息，并由此形成目标航迹，并将所述目标航迹传送给所述显示控制终端40，以显示给用户；

所述显示控制终端40还连接所述射频处理机20，用于接收用户的系统控制命令，并将所述系统控制命令发送给所述数字处理机30和所述射频处理机20。

具体地，图4示出了上述数字处理机40对旋转场式全向天线10的六个通道所接收的回波信号进行处理以确定目标方位的大致过程。

如图5所示，这种信号处理方法主要包括以下步骤：

S100，对所述全向天线的六个通道所接收的回波信号进行处理，以获得对应的六路基带信号，根据所述六路基带信号获得目标的距离和多普勒速度；

S200，构建左右旋解算坐标系，并根据所述全向天线安装时的空间方位先验信息，建立空间方位坐标系与左右旋解算坐标系之间的映射关系，根据所述映射关系在左右旋解算坐标系中求出目标的方位角；

S300，利用目标在不同通道中的回波信号的幅值、信噪比以及所述全向天线安装时的空间方位先验信息，确定目标的真实指向范围；

S400，将在左右旋解算坐标系中求出的目标的方位角映射回空间方位坐标系中，结合目标的真实指向范围确定目标的真实方位。

下面结合实例来说明运用上述信号处理方法确定雷达探测目标方位的详细过程。

如图4所示，通过对全向天线接收的六路回波信号进行模数转换(AD)和数字下变频(DDC)处理，得到相对应的六路基带信号，对六路基带信号同时进行脉冲压缩(PC)、相参积累和恒虚警检测(CFAR)处理，可以获得目标的距离和多普勒速度。

采用模板匹配的方法对六路信号基带经过恒虚警检测后的点迹进行点迹匹配，即针对获得的目标距离和多普勒速度信息，分别在其他通道相应的距离门和多普勒速度处获取回波信息。然后将同一距离门和多普勒速度处的六个通道的回波信息组合，构成一个目标的六通道回波信息组。应当说明的是，在本实施例中，所述回波信息组除了包括目标的距离和多普勒速度，还优选地包括各回波信号的幅值和信噪比；其中，对于六通道中未检测到回波信息的通道，其回波信号的信噪比设置为零。

以下表表1中的六个通道所获取的目标信息为例进行说明。

六个通道对空域进行检测时，有些目标在每个通道中的回波都能检测出来，此时以此目标的距离门和多普勒速度门为基准构成一个目标的六通道回波信息组。如表1所示，距离门为106，多普勒速度门为23的目标在每个通道都能检测到，于是以此距离门和多普勒速度门参数为匹配基准，将六个通道在此基准下的回波组合成一个目标的六通道回波信息组。

六个通道对空域进行检测时，有些目标只有在其中几个通道中的回波能够检测出来，而在其他通道中的回波检测不出来，此时仍然以此目标的距离门和多普勒速度门为基准构成一个目标的六通道回波信息组，对于没有检测出目标的通道，取相应距离门和多普勒速度门的回波信号幅值构成一个目标的六通道回波信息组，但是对于其中没有检测出目标的通道，其回波的信噪比数值设定为零。从表1中可以看出，距离门为306，多普勒速度门为57的回波既为此类目标。

对于六个通道获取的目标数量不相同的情况：某一个通道能够探测到目标，其他通道不能探测到目标。此时仍然以此目标的距离门和多普勒速度门为基准构成一个目标的六通道回波信息组，对于没有检测出目标的通道，取相应距离门和多普勒速度门的回波信号幅值构成一个目标的六通道回波信息组，但是对于其中没有检测出目标的通道，其回波的信噪比数值设定为零。

表1中的三个目标各自的六通道回波信息组请参见下表表2。

接着，根据六路通道的安装位置构建空间方位坐标系。如图6所示，将第一通道天线指向正北方向安装，此时第二、三、四、五、六通道天线方向按逆时针方向相隔60度等间距排列，依照天线安装方向定义第一通道天线为起始零位，逆时针构建空间方位直角坐标系。然后，利用第一通道天线、第四路通道天线构建解算坐标系的主通道，第一通道天线方向为主通道方向；利用第二路通道天线、第五路通道天线构建解算坐标系的左通道，第二通道天线方向为左通道方向；利用第六路通道天线、第三路通道天线构建解算坐标系的右通道，第六通道方向为右通道方向。图7为本实施例的包括主通道、左通道、右通道的左右旋解算坐标系。

然后，根据目标回波信息组，将一个目标的第一通道天线的回波减去第四通道天线的回波，以获得目标在解算坐标系中主通道的回波信息；将目标的第二通道天线的回波减去第五通道天线的回波，以获得目标在解算坐标系中左通道的回波信息；将目标的第六通道天线的回波减去第三通道天线的回波，以获得目标在解算坐标系中右通道的回波信息。

最后，在解算坐标系中通过比相求出目标的方位角信息。

在此需要注意的是，在本实施例中，由于1、4通道合成、2、5通道合成、6、3通道合成，此时解算的目标方位信息存在镜像。具体表现为：以图7的解算坐标系为例，当目标真实位置在北偏西15度时，由于通道合成，导致目标角度有时会解算成195度，即南偏东15度。

为了解决上述镜像问题，本发明提出利用目标回波信息组中目标在不同天线通道中的回波幅值、信噪比信息，以及天线通道安装时的方位指向信息(先验信息)，综合确定目标的真实指向范围，然后在将左右旋解算坐标系解算的目标角度映射到空间方位坐标系中时，结合目标的真实指向范围确定出目标的真实方位(在空间方位坐标系中的方位)，从而避免出现上述方位镜像问题。

在此，以表2中的目标1为例。目标1的回波在第三通道天线中幅值最大，信噪比最大，则依据空间方位坐标系大致判定目标为第三通道天线指向方向，即30度到210度之间，若目标1在解算坐标系中解算出为90度(正西)或270度(正东)，则通过解算坐标系向空间方位坐标系的映射，由此获得目标1的真实方位为90度(正西)。

优选地，本发明进一步提出利用目标回波信息组，从中选出目标回波信号幅值高、信噪比高的通道(即放弃回波信号信噪比低或信号被噪声淹没的通道)参与方位角解算，以进一步提高目标方位的解算精度。例如，不进行通道合成，直接利用获得的优选的回波信号在解算坐标系中进行解算，获取目标的方位角。

在此，以表2中的目标2为例。目标2的回波在第一、二、三号通道天线中被检测出来，而在四、五、六号通道天线中无法检测(原因1、目标回波信噪比低，没有超过检测门限而无法检测；原因2、目标回波完全被噪声所淹没而无法检测)。若由于原因1无法获取通道回波，虽然通过现有方法也能够解算出目标角度，但是解算精度下降；若由于原因2无法获取通道回波，即使通过现有方法也无法解算出正确目标方位，因为计算时引入的是噪声回波信息。然而，根据本发明提供的信号处理方法，仅仅利用1、2、3号通道天线的回波信息，就能够解算出目标方位信息并且能够确保解算精度。例如，可以设置：解算坐标系中主通道为1号通道天线回波，解算坐标系中左通道为2号通道天线回波，解算坐标系中右通道为3号通道天线回波，同时添加相应的符号。

总而言之，本发明提出的信号处理方法对所述全向天线的六个通道所接收的回波信号进行处理，基于所述全向天线的六个通道的方位指向构建空间方位坐标系和解算坐标系，根据空间方位坐标系与解算坐标系的映射关系计算目标方位角度，然后结合回波信号的幅值和信噪比确定目标的真实指向范围，进而确定目标的真实方位。以表2中的目标3为例，此时获取目标3的回波通道天线为第四、第五、第六号通道天线，则以第五通道天线指向建立解算坐标系的主通道，以第六通道天线的指向建立解算坐标系的左通道，以第四通道天线的指向建立解算坐标系的右通道，建立的解算坐标系如图8所示。此时解算坐标系以东偏南30度为零位，逆时针为正方向，在解算坐标系中解算出目标的方位角度信息，通过解算坐标系与空间方位坐标系的关系，将解算坐标系中解算的目标方位信息映射到空间方位坐标系中，获得目标真实方位信息。

总之，上述旋转场式全向天线、全向探测雷达系统和信号处理方法能够达到以下有益效果：

1、提升了空域覆盖率

通过增加一对偶极子天线，同时改变相邻通道天线的夹角，使得实时空域覆盖率由81.83％提升到91.35％。

2、提升了天线检测概率

通过对每个单独的天线通道进行脉冲压缩、恒虚警检测等，等效于在同一时刻增加了检测次数，从而实现检测概率的提升。

3、解决了方位镜像问题。

利用天线通道安装时的空间方位先验信息，结合左右旋解算通道的构建方式，实现对目标真实方位信息的确定。

4、提升了方位解算精度

通过合理利用以及优选天线通道信息，保证对目标方位解算的回波信息的有效真实性，从而实现对目标方位信息的高精度解算。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种旋转场式全向天线，其特征在于，包括：

三对对称偶极子；

其中，所述三对对称偶极子配置成，各偶极子的尾部相交于一个公共的交点，各偶极子的首部等间距地分散在圆周上，并且各偶极子的馈电幅度相同以及相邻偶极子的相位差为60度。

2.如权利要求1所述的旋转场式全向天线，其特征在于：

各偶极子的天线方向图为余弦形式，每对对称偶极子组合后的天线方向图为“8”字形，使得所述三对对称偶极子稳态时的天线方向图为能够覆盖整个探测空域的三个圆形。

3.如权利要求1所述的旋转场式全向天线，其特征在于：

所述全向天线采取垂直面组阵方式布置和/或采取俯仰相扫方式工作。

4.一种信号处理方法，其特征在于，所述信号包括通过如权利要求1-3中任一项所述的旋转场式全向天线所接收的回波信号，所述方法包括以下步骤：

S100，对所述全向天线的六个偶极子通道所接收的回波信号进行处理，以获得与六个回波信号分别对应的六路基带信号，根据所述六路基带信号获得目标的距离和多普勒速度；

S200，构建左右旋解算坐标系，并根据所述全向天线安装时的空间方位先验信息，建立空间方位坐标系与左右旋解算坐标系之间的映射关系，根据所述映射关系在左右旋解算坐标系中求出目标的方位角；

S300，利用目标在不同通道中的回波信号的幅值、信噪比以及所述全向天线安装时的空间方位先验信息，确定目标的真实指向范围；

S400，将在左右旋解算坐标系中求出的目标的方位角映射回空间方位坐标系中，结合目标的真实指向范围确定目标的真实方位。

5.如权利要求4所述的信号处理方法，其特征在于，所述步骤S100包括以下步骤；

S110，对所述全向天线的六个通道接收的回波信号进行处理，以获得与六个回波信号分别对应的六路基带信号；

S120，对所述六路基带信号中的每路基带信号进行脉冲压缩、相参积累和恒虚警检测；

S130，对所述六路基带信号经恒虚警检测后的点迹进行点迹匹配，确定同一距离门和多普勒速度处的六个通道的回波信号，将其构成一个目标的六通道回波信息组，所述回波信息组中包括各回波信号的幅值和信噪比；其中，对于六通道中未检测到回波信息的通道，其回波信号的信噪比设置为零。

6.如权利要求4所述的信号处理方法，其特征在于，在所述步骤S200中，选择六通道中检测到的回波信号的信噪比大于给定阈值的通道参与构建左右旋解算坐标系，解算目标的方位角。

7.一种全向探测雷达系统，其特征在于，包括如权利要求1-3中任一项所述的旋转场式全向天线、射频处理机和数字处理机以及显示控制终端；其中：

所述旋转场式全向天线耦接所述射频处理机，用于在所述射频处理机的控制下向全空域辐射射频信号并接收全空域的回波信号；

所述射频处理机连接所述数字处理机，用于产生所述射频信号以及将接收的回波信号传送给所述数字处理机；

所述数字处理机连接所述显示控制终端，用于对获得的回波信号进行处理，以获得全空域的点迹信息，并由此形成目标航迹，并将所述目标航迹传送给所述显示控制终端，以显示给用户。

8.如权利要求7所述的全向探测雷达系统，其特征在于：

所述显示控制终端还连接所述射频处理机，用于接收用户的系统控制命令，并将所述系统控制命令发送给所述数字处理机和所述射频处理机。

9.如权利要求7所述的全向探测雷达系统，其特征在于：

所述数字处理机包括中央处理器和存储器，所述中央处理器用于执行存储于所述存储器中的用于实现如权利要求4至6中任意一项所述的信号处理方法的程序。