CN111983602A - 一种微小目标探测雷达装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小目标探测雷达装置，包括发射机、天线和收发开关，所述发射机的输出端与收发开关的输入端连接，所述收发开关与天线连接，所述收发开关的输出端与接收机的输入端连接，所述接收机的输出端与模数转换模块的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与信号处理计算机的输入端连接，所述信号处理计算机的输出端与通用计算机的输入端连接，所述通用计算机的输出端分别与用户显控模块的输入端和数据记录模块的输入端连接。本发明，雷达通过测量动目标的位置，可以得到目标轨迹，从而可以判定目标的运动方向，可以对未来位置做出预测。

Description

一种微小目标探测雷达装置

技术领域

本发明涉及探测雷达技术领域，具体是一种微小目标探测雷达装置。

背景技术

随着科技的发展，无人机在民用领域的应用越来越广泛，无人机已应用于电力线路巡视、地质勘测、地理测绘、自然灾害监测、农林监测、无人物流投送等许多领域。由于民用无人机在各领域内的大量使用，使得其使用成本大大降低，民用无人机进而走了飞速发展的快车道。当然，新事物的大量涌现不仅仅是繁荣的标志，还往往伴随着无序与混乱，无人机这个“新宠儿”也不可避免。大批量低成本的“低小慢”无人机进入市场带来的后果之一是：从首相官邸到总统驻地、从军事禁区到机场要塞，都成为了“黑飞”无人机“闯祸”的舞台；除此之外，“低小慢”无人机在城市上空拍摄进而失控撞击地面设施与人员，影响公共安全、造成人身伤害的事件也屡见不鲜。伴随媒体的聚焦使得防范“低小慢”无人机的需求显得尤为紧迫，加强无人机规范化管理的呼声也越来越高。国家已颁布的《民用无人机飞行交通管理办法》中对民用无人机的飞行活动做出了规定，以加强对民用无人机飞行活动的管理、保证民用航空活动的安全。而在未来无人机数量随着成本的迅速降低、无人物流投送的普及，“低小慢”无人机的数量将会迅速的增加，伴随着在城市上空随时随地出现的各种“低小慢”无人机的，和以往一样继续单独为无人机划定飞行空域将很难做到，以往所采用的隔离运行方式来管控无人机将难以满足日益增长的无人机应用需求，因此在需要警戒的区域内对“低小慢”无人机的探测防范就成了军民各领域的急需。

综上，随着“低小慢”无人机的日益广泛应用，大量低成本无人机的普及虽然是经济社会发展的必须，但客观上使得在军民领域中，需要防范的突发事故和失密事件的难度极大提升，无人机三维立体的突防突击使得传统的地面人防手段显得落后和失效；因此，基于上述需求，对需要防范的区域进行雷达布控警戒搜索，及时发现危险，提早报警处置就是社会发展的必需必备的系统需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微小目标探测雷达装置，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种微小目标探测雷达装置，包括发射机、天线和收发开关，所述发射机的输出端与收发开关的输入端连接，所述收发开关与天线连接，所述收发开关的输出端与接收机的输入端连接，所述接收机的输出端与模数转换模块的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与信号处理计算机的输入端连接，所述信号处理计算机的输出端与通用计算机的输入端连接，所述通用计算机的输出端分别与用户显控模块的输入端和数据记录模块的输入端连接。

优选的，所述发射机包括波形生成模块和功率放大模块，所述波形生成模块的输出端与功率放大模块的输入端连接，所述功率放大模块的输出端与收发开关的输入端连接。

优选的，所述信号处理计算机包括脉冲压缩模块和杂波抑制模块，所述脉冲压缩模块的输出端与杂波抑制模块的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与脉冲压缩模块机的输入端连接。

优选的，所述通用计算机包括检测模块、门限判决模块、参数估计模块和跟踪模块，所述检测模块的输出端与门限判决模块的输入端连接，所述门限判决模块的输出端与参数估计模块的输入端连接，所述参数估计模块的输出端与跟踪模块的输入端连接，所述跟踪模块的输出端分别与用户显控模块的输入端和数据记录模块的输入端连接，所述杂波抑制模块的输出端与检测模块的输入端连接。

优选的，所述接收机获取的信号包括和信号、方位差信号和俯仰差信号，和信号主要用于距离和速度的动目标检测，方位差信号和俯仰差信号通过比幅测角算法来计算目标的方位角误差和俯仰角误差。

优选的，所述信号处理计算机包括脉冲压缩模块、杂波抑制模块、恒虚警检测模块、点迹凝聚模块和单脉冲测角模块。

优选的，探测雷达的信号处理包括以下步骤：

S1：接收回波信号；

S2：通过信号通道将和信号、方位差信号和俯仰差信号分别输送给相对应的脉冲压缩模块；

S3：方位差信号的脉冲压缩模块通过杂波抑制模块与单脉冲测角模块连接；俯仰差信号的脉冲压缩模块通过杂波抑制模块与单脉冲测角模块连接；和信号的脉冲压缩模块通过杂波抑制模块与恒虚警检测模块连接，恒虚警检测模块与点迹凝聚模块连接，点迹凝聚模块与单脉冲测角模块连接

S4：单脉冲测角模块形成并输出目标信息到数据处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：当雷达发射一特定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率；根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离；同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号；所以全固态全相参脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标；全固态全相参脉冲多普勒雷达采用可编程序信号处理机，以增大雷达信号的处理容量、速度和灵活性，提高设备的复用性，从而使雷达能在跟踪的同时进行搜索并能改变或增加雷达的工作状态，使雷达具有对付各种干扰的能力和超视距的识别目标的能力；基于全固态全相参脉冲多普勒雷达探测的区域监控系统可以全天候24小时工作，并且不受雨、雪、雾以及黑夜的影响，雷达可以监控很远的距离，可以监控大角度、甚至360°监控；雷达是一种电磁传感器，用来对反射性物体检测和定位，雷达通过天线辐射电磁能量，目标反射回的电磁波被雷达截获后，经过处理检测出目标的距离、速度和方位等信息；雷达通过测量动目标的位置，可以得到目标轨迹，从而可以判定目标的运动方向，可以对未来位置做出预测。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的原理图。

图2为本发明的流程图。

图3为本发明信号处理的结构示意图。

图4为本发明恒虚警检测模块的结构示意图。

图5为本发明目标过滤前的结构示意图。

图6为本发明目标过滤后的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明实施例中，一种微小目标探测雷达装置，包括发射机、天线和收发开关，所述发射机的输出端与收发开关的输入端连接，所述收发开关与天线连接，所述收发开关的输出端与接收机的输入端连接，所述接收机的输出端与模数转换模块的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与信号处理计算机的输入端连接，所述信号处理计算机的输出端与通用计算机的输入端连接，所述通用计算机的输出端分别与用户显控模块的输入端和数据记录模块的输入端连接。

优选的，所述发射机包括波形生成模块和功率放大模块，所述波形生成模块的输出端与功率放大模块的输入端连接，所述功率放大模块的输出端与收发开关的输入端连接。

优选的，所述信号处理计算机包括脉冲压缩模块和杂波抑制模块，所述脉冲压缩模块的输出端与杂波抑制模块的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与脉冲压缩模块机的输入端连接。

优选的，所述通用计算机包括检测模块、门限判决模块、参数估计模块和跟踪模块，所述检测模块的输出端与门限判决模块的输入端连接，所述门限判决模块的输出端与参数估计模块的输入端连接，所述参数估计模块的输出端与跟踪模块的输入端连接，所述跟踪模块的输出端分别与用户显控模块的输入端和数据记录模块的输入端连接，所述杂波抑制模块的输出端与检测模块的输入端连接。

优选的，所述接收机获取的信号包括和信号、方位差信号和俯仰差信号，和信号主要用于距离和速度的动目标检测，方位差信号和俯仰差信号通过比幅测角算法来计算目标的方位角误差和俯仰角误差。

优选的，所述信号处理计算机包括脉冲压缩模块、杂波抑制模块、恒虚警检测模块、点迹凝聚模块和单脉冲测角模块。

优选的，探测雷达的信号处理包括以下步骤：

S1：接收回波信号；

S2：通过信号通道将和信号、方位差信号和俯仰差信号分别输送给相对应的脉冲压缩模块；

S3：方位差信号的脉冲压缩模块通过杂波抑制模块与单脉冲测角模块连接；俯仰差信号的脉冲压缩模块通过杂波抑制模块与单脉冲测角模块连接；和信号的脉冲压缩模块通过杂波抑制模块与恒虚警检测模块连接，恒虚警检测模块与点迹凝聚模块连接，点迹凝聚模块与单脉冲测角模块连接

S4：单脉冲测角模块形成并输出目标信息到数据处理。

我们针对低慢小目标杂波抑制难点，一方面采用杂波对消的方法，在MTD之前初步的抑制杂波，将MTI+FFT形成级联滤波器，MTI一次对消在多普勒零频附近形成凹口，实现了对杂波近似白化滤波，将有色高斯噪声杂波变成高斯白噪声，然后通过FFT形成的多普勒窄带滤波器组，能有效提高信杂比，另一方面增加目标回波的积累时间，并且较长的驻留时间能够提高多普勒分辨率，从而容易在频域中将低慢小目标和杂波区分开，根据低慢小目标的速度假设范围(1m/s～50m/s)以及多普勒分辨率，人工设置多普勒最大通道和最小置零通道参数，在多普勒滤波器组中丢弃范围外的通道，排除其他高速目标的干扰，同时降低处理计算量；同时针对低慢小目标特点，本项目先在单元平均恒虚警(CA－CFAR)中采用了距离维和多普勒维的二维CFAR处理，然后在利用杂波先验信息和历史信息，根据多次扫描周期回波数据在距离单元和方位上估计得到杂波幅度起伏背景的统计表，并在某固定长度的滑动窗口中更新数据形成动态杂波图，实时分析杂波特性，根据杂波与目标特征不同进行自适应目标CFAR检测；

动态杂波图实时更新的计算量非常大，因此我们对算法也进行了改进，一是采用二级检测门限判断，先以信号平均功率为门限，启动滑窗过滤一遍以降低计算量。二是拉宽更新周期间隔，在杂波图变化趋于稳定状态后，降低更新频率。三是采用变遗忘因子来迭代更新杂波图中的数据，更新公式如下

Emn(k)＝wDmn(k)+(1-w)Emn(k-1)

其中k表示当前天线扫描周期，k-1表示上一次天线扫描周期，w为变遗忘因子，相当于加权系数，可随(0,1)区间变化Dmn(k)为mn网格中当前周期的杂波幅度，Emn(k-1)为mn网格中上一个周期的杂波单元统计值，Emn(k)为mn网格中更新后的杂波单元统计值；

根据图5和图6，对比目标过滤前后图可看出，在方位-10°～5°之间的5个明显移动的目标运动轨迹不再清晰，认为这些目标是地面运动目标而被过滤。而在方位7°～10°范围内，有目标在2km左右做明显的往复运动，这与实测数据场景中的“低小慢”无人机目标相符；通过以上分析仿真数据表明，在复杂环境的杂波和噪声干扰情况下，本项目雷达信号处理算法是正确有效的，能够满足指南中对“低慢小”目标信号的检测、测距、测角、测速功能需求。

建立雷达多脉冲编码组合的探测模型，通过采用分频带脉冲编码方法，可以使雷达信号采样率突破奎斯特采样定理限制，降低系统的实现难度，改善信噪比，提高目标成像的分辨率，针对“低小慢”目标，脉冲编码方法需要改进研究；脉冲压缩是雷达数据处理的一个重要环节，脉冲压缩性能则主要是对脉冲压缩副瓣和脉冲压缩过程中信噪比损耗的要求；脉冲多普勒雷达中，对脉冲压缩副瓣有较为严格的要求，一般在25dB以下，主要原因是，脉冲多普勒雷达的观测空域广，威力大，在这么大的范围内很有可能在同一波束内同时出现大目标和小目标，若脉冲压缩性能不好，副瓣较高，大目标的副瓣可能接近或超过小目标的副瓣，从而使小目标丢失；总所周知，线性调频信号经过匹配滤波器直接得到的脉冲压缩输出信号效果并不理想，特别是脉冲压缩输出信号的主副瓣比只有13.2dB，在许多情况下是不能满足使用要求的；因为大的副瓣(也可称为距离副瓣)会在主瓣周围形成虚假目标，而且大目标的距离副瓣也会掩盖其邻近距离上的小目标，造成小目标丢失，所以必须研究必要的措施，以降低脉冲压缩输出信号的副瓣；常用的降低线性调频信号脉冲压缩输出信号副瓣的方法是加权方法；加权方法就是在脉冲压缩滤波器后面级联一个频率响应具有某种锥削函数的副瓣抑制滤波器，称这种锥削函数为加权函数；常用的加权函数有余弦函数，汉明函数，泰勒函数和切比雪夫加权函数等；加权方法在降低线性调频信号脉冲压缩输出信号副瓣，提高主副瓣比的同时，也带来了信噪比损失和主瓣展宽的问题，信噪比损失会降低

雷达最大作用距离，这种损耗也是系统损耗的一部分，必须受到严格控制，而主瓣展宽会降低雷达距离的分辨能力；为了提高探测雷达的测距精度和距离分辨力，要求信号具有大的带宽；而测速精度和速度分辨力则取决于信号的时域结构，为了提高测速精度和速度分辨力，要求信号具有大的时宽；除此之外，为提高雷达系统的发现能力，要求信号具有大的能量；由此可见，为了提高雷达系统的发现能力、测量精度和分辨能力，要求雷达信号具有大的时宽、带宽、能量乘积，为了解决这一问题，我们采用了雷达脉冲线性压缩技术，而线性调频脉冲波形的诸多优点使其称为脉冲压缩波形的首选，对于“低小慢”的雷达目标。

本发明的工作原理是：当雷达发射一特定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率；根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离；同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号；所以全固态全相参脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标；全固态全相参脉冲多普勒雷达采用可编程序信号处理机，以增大雷达信号的处理容量、速度和灵活性，提高设备的复用性，从而使雷达能在跟踪的同时进行搜索并能改变或增加雷达的工作状态，使雷达具有对付各种干扰的能力和超视距的识别目标的能力；基于全固态全相参脉冲多普勒雷达探测的区域监控系统可以全天候24小时工作，并且不受雨、雪、雾以及黑夜的影响，雷达可以监控很远的距离，可以监控大角度、甚至360°监控；雷达是一种电磁传感器，用来对反射性物体检测和定位，雷达通过天线辐射电磁能量，目标反射回的电磁波被雷达截获后，经过处理检测出目标的距离、速度和方位等信息；雷达通过测量动目标的位置，可以得到目标轨迹，从而可以判定目标的运动方向，可以对未来位置做出预测。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微小目标探测雷达装置，包括发射机、天线和收发开关，其特征在于：所述发射机的输出端与收发开关的输入端连接，所述收发开关与天线连接，所述收发开关的输出端与接收机的输入端连接，所述接收机的输出端与模数转换模块的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与信号处理计算机的输入端连接，所述信号处理计算机的输出端与通用计算机的输入端连接，所述通用计算机的输出端分别与用户显控模块的输入端和数据记录模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种微小目标探测雷达装置，其特征在于：所述发射机包括波形生成模块和功率放大模块，所述波形生成模块的输出端与功率放大模块的输入端连接，所述功率放大模块的输出端与收发开关的输入端连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种微小目标探测雷达装置，其特征在于：所述信号处理计算机包括脉冲压缩模块和杂波抑制模块，所述脉冲压缩模块的输出端与杂波抑制模块的输入端连接，所述模数转换模块的输出端与脉冲压缩模块机的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种微小目标探测雷达装置，其特征在于：所述通用计算机包括检测模块、门限判决模块、参数估计模块和跟踪模块，所述检测模块的输出端与门限判决模块的输入端连接，所述门限判决模块的输出端与参数估计模块的输入端连接，所述参数估计模块的输出端与跟踪模块的输入端连接，所述跟踪模块的输出端分别与用户显控模块的输入端和数据记录模块的输入端连接，所述杂波抑制模块的输出端与检测模块的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的一种微小目标探测雷达装置，其特征在于：所述接收机获取的信号包括和信号、方位差信号和俯仰差信号，和信号主要用于距离和速度的动目标检测，方位差信号和俯仰差信号通过比幅测角算法来计算目标的方位角误差和俯仰角误差。

6.根据权利要求1所述的一种微小目标探测雷达装置，其特征在于：所述信号处理计算机包括脉冲压缩模块、杂波抑制模块、恒虚警检测模块、点迹凝聚模块和单脉冲测角模块。

7.根据权利要求6所述的一种微小目标探测雷达装置，其特征在于：探测雷达的信号处理包括以下步骤：

S1：接收回波信号；

S2：通过信号通道将和信号、方位差信号和俯仰差信号分别输送给相对应的脉冲压缩模块；

S3：方位差信号的脉冲压缩模块通过杂波抑制模块与单脉冲测角模块连接；俯仰差信号的脉冲压缩模块通过杂波抑制模块与单脉冲测角模块连接；和信号的脉冲压缩模块通过杂波抑制模块与恒虚警检测模块连接，恒虚警检测模块与点迹凝聚模块连接，点迹凝聚模块与单脉冲测角模块连接

S4：单脉冲测角模块形成并输出目标信息到数据处理。

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