CN112255600B - 一种基于收发共置多通道雷达仿机载运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于收发共置多通道雷达仿机载运动方法，包括如下步骤：步骤1，采用IDPCA技术：步骤2，基于IDPCA技术确定雷达天线系统：步骤3，俯仰向天线设计：步骤4，确定阵列雷达体制。本发明所公开的方法，基于逆相位中心偏置技术模拟机载运动，解决了因收发异置引起的系统复杂度问题，既设计了能实现仿机载功能的雷达系统，又降低了岸基雷达系统的设计复杂度。

Description

一种基于收发共置多通道雷达仿机载运动方法

技术领域

本发明属于模拟机载运动下杂波特性研究领域，特别涉及该领域中的一种基于收发共置多通道雷达仿机载运动方法。

背景技术

机载雷达对地探测时，雷达杂波的多普勒谱宽和频移由机载平台的运动引起，利用空时自适应处理技术可有效实现目标检测，但在机载雷达对海探测时，雷达杂波的多普勒谱宽和频移由机载平台和海面的运动引起，利用空时自适应处理技术无法检测到海面目标。为解决上述难题，需录取大量机载雷达海杂波测量数据，对其空时二维特性进行深入研究，但基于机载平台进行海杂波测量面临成本高、海况少、测量周期短等问题，利用地基雷达模拟机载运动是进行海杂波空时二维特性研究的关键技术。

美国国防高级计划研究署(Defense Advanced Research Projects Agency,DAPAR)在“山顶计划”中公开了一种基于逆相位中心偏置(Inverse Displaced PhaseCenter Antenna,IDPCA)技术模拟机载运动的方法，其构成是基于收发异置的岸基雷达实现仿机载运动，其中发射天线由16个子阵构成，机载运动由每个子阵沿着阵面轴线方向依次发射实现，接收天线是由14个子阵组成的阵面天线。DAPAR的仿机载雷达系统需要两套天线系统，其发射和接收控制系统复杂度高，收发通道的幅相校准难度高，后期数据处理面临诸多问题。

目前国内研究海杂波空时二维特性的学者大多采用基于理论模型的仿真数据，或采用仅限于特定海情和工作参数的实测数据。国内尚无包含多种海况、多种雷达工作参数且进行长时间系统观测的机载雷达海杂波数据，极大地限制了海杂波空时二维特性研究，降低了机载雷达对海探测的目标检测性能。因此，基于IDPCA原理的岸基雷达系统设计实现成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于收发共置多通道雷达仿机载运动方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于收发共置多通道雷达仿机载运动方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，采用IDPCA技术：

IDPCA技术的核心原理是多个发射天线相位中心在脉冲重复周期内等间隔移动，一个接收天线相位中心不动，具体步骤为：

步骤11，确定阵列天线中阵元间距：

设计发射子阵间距Δd不能超过

即

λ＝cf₀为雷达工作的中心频率对应的波长，c＝3×10⁸m/s为光速，f₀为雷达工作的中心频率，该中心频率按照天线频带宽度的中心频率确定；

步骤12，计算相邻发射子阵等效相位中心移动距离：

完整收发路径的等效相位中心近似等于发射相位中心和接收相位中心之间的中点位置，依此原理计算出第1个发射子阵的等效相位中心为

第2个发射子阵的等效相位中心为

两个相邻发射子阵等效相位中心移动距离为

步骤13，计算实现仿机载运动的脉冲重复周期：

假定机载平台沿阵列轴线以速度v匀速运动，计算脉冲重复周期PRI：

步骤14，标记首个发射子阵的回波脉冲：

仿机载模式下回波脉冲由多个相参脉冲串组成，需要标记首个发射子阵的回波脉冲，基于此标记，从仿机载回波脉冲中抽取完整的相参处理单元；

步骤2，基于IDPCA技术确定雷达天线系统：

基于步骤1中的IDPCA技术和收发共置设计原则，雷达天线系统设计具体步骤为：

步骤21，确定阵列长度：阵列天线包含的阵元数是发射子阵包含阵元数目和在相参处理单元中发射子阵移动数目的和，而阵列长度L大于阵列天线包含阵元数与子阵间距之积，L＞m*Δd，式中m代表阵列天线包含的阵元数，Δd为子阵间距；

步骤22，设计雷达发射天线系统的时序控制：设计雷达发射天线和接收天线的时序控制系统满足以下两个条件：(1)发射子阵随脉冲重复周期移动；(2)当发射子阵移至阵列末端时，需跳至阵列首端继续移动；

步骤23，采用收发开关实现收发共置天线系统：采用收发开关进行发射控制系统和接收控制系统转换；

步骤3，俯仰向天线设计：

在步骤2确定天线阵列长度的基础上，俯仰向天线需满足窄波束要求，且具备低副瓣性能，具体步骤为：

步骤31，采用多阵元合成技术实现俯仰向窄波束，即每列子阵都由许多独立的阵元组成，每个阵元采用半波阵子实现，且阵元间距不大于半个波长；

步骤32，在步骤31的基础上，对列子阵中的多个阵元进行加窗处理，得到具有低副瓣的俯仰向合成波束；

步骤4，确定阵列雷达体制：

基于步骤2和步骤3，仿机载雷达体制需满足以下两个要求：(1)每个发射子阵有独立的发射和接收通道；(2)完备的收发幅相校准系统，具体步骤为：

步骤41，采用数字阵列雷达体制：给每个子阵配备独立的收发组件，结合步骤22的收发时序控制系统，实现每个子阵的收发独立控制：在发射模式下，数字波束形成器给出发射波束所需的幅度和相位控制字，经过数字阵列控制模块产生预置信号的相位和幅度，经上变频与放大后由辐射单元发射出去在空间进行功率合成；在接收模式下，每个接收阵元接收的信号经过下变频与数字接收后，记录在数据文件后，以便后期进行处理；

步骤42，设计收发通道幅相校准系统：基于数字阵列雷达中的幅相校准网络，设计收发通道幅相校准控制系统，实现收发幅相的自检校准功能。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的方法，基于逆相位中心偏置技术模拟机载运动，解决了因收发异置引起的系统复杂度问题，既设计了能实现仿机载功能的雷达系统，又降低了岸基雷达系统的设计复杂度。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开方法的流程示意图；

图2是收发天线相位中心的示意图；

图3是雷达阵列天线的示意图；

图4是收发组件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种基于收发共置多通道雷达仿机载运动方法，基于逆相位中心偏置原理，设计仿机载雷达系统方案，解决雷达收发异置问题，简化雷达设计系统，降低仿机载雷达的设计复杂度，具体包括如下步骤：

步骤1，采用IDPCA技术：

IDPCA技术的核心原理是多个发射天线相位中心在脉冲重复周期内等间隔移动，一个接收天线相位中心不动，如图2所示，以12个发射子阵组成的阵列为例，其中发射天线的相位中心依次为

采用全阵接收信号，其接收天线相位中心为

IDPCA技术的具体实现分为以下4个步骤：

步骤11，确定阵列天线中阵元间距：

设计发射子阵间距Δd不能超过

即

避免天线阵列中出现栅瓣效应，λ＝cf₀为雷达工作的中心频率对应的波长，c＝3×10⁸m/s为光速，f₀为雷达工作的中心频率，该中心频率按照天线频带宽度的中心频率确定，如天线频率带宽为1.2GHz～1.4GHz，则中心频率为1.3GHz，则其对应的波长为0.23m，相应地阵元间距为0.115m；

步骤12，计算相邻发射子阵等效相位中心移动距离：

完整收发路径的等效相位中心近似等于发射相位中心和接收相位中心之间的中点位置，依此原理计算出第1个发射子阵的等效相位中心为

第2个发射子阵的等效相位中心为

两个相邻发射子阵等效相位中心移动距离为

步骤13，计算实现仿机载运动的脉冲重复周期：

假定机载平台沿阵列轴线以速度v(单位为m/s)匀速运动，计算脉冲重复周期PRI：

步骤14，标记首个发射子阵的回波脉冲：

如图2所示，第1个脉冲由编号为1的发射子阵发射，第2个脉冲由编号为2的发射子阵发射，依次类推，第12个脉冲由编号为12的发射子阵发射，这12个脉冲是由发射子阵在相同时间内移动相同距离得到，构成一个相参处理单元，而第13个脉冲又由编号为1的发射子阵发射，依次循环，可知仿机载模式下回波脉冲由多个相参脉冲串组成，需要标记首个发射子阵的回波脉冲，基于此标记，从仿机载回波脉冲中抽取完整的相参处理单元；

步骤2，基于IDPCA技术确定雷达天线系统：

基于步骤1中的IDPCA技术和收发共置设计原则，雷达天线系统设计具体步骤为：

步骤21，确定阵列长度：阵列天线包含的阵元数是发射子阵包含阵元数目和在相参处理单元中发射子阵移动数目的和，而阵列长度L大于阵列天线包含阵元数与子阵间距之积，L＞m*Δd，式中m代表阵列天线包含的阵元数，Δd为子阵间距；如图2所示，发射子阵包含的阵元数目为1，在相参处理单元中发射子阵移动数目为11，则阵列天线包含的阵元数是12，阵列长度大于阵元数与发射子阵间距的乘积；

步骤22，设计雷达发射天线系统的时序控制：设计雷达发射天线和接收天线的时序控制系统满足以下两个条件：(1)发射子阵随脉冲重复周期移动；(2)当发射子阵移至阵列末端时，需跳至阵列首端继续移动；

步骤23，采用收发开关实现收发共置天线系统：采用收发开关进行发射控制系统和接收控制系统转换；

步骤3，俯仰向天线设计：

在步骤2确定天线阵列长度的基础上，俯仰向天线需满足窄波束要求，且具备低副瓣性能，具体步骤为：

步骤31，采用阵列天线多阵元合成技术实现俯仰向窄波束，如图3所示，即每列子阵都由许多独立的阵元组成，每个阵元采用半波阵子实现，且阵元间距不大于半个波长；

步骤32，在步骤31的基础上，对列子阵中的多个阵元进行加窗处理，得到具有低副瓣的俯仰向合成波束；

步骤4，确定阵列雷达体制：

基于步骤2和步骤3，仿机载雷达体制需满足以下两个要求：(1)每个发射子阵有独立的发射和接收通道；(2)完备的收发幅相校准系统，具体步骤为：

步骤41，采用数字阵列雷达体制：如图4所示，给每个子阵配备独立的收发(T/R)组件，结合步骤22的收发时序控制系统，实现每个子阵的收发独立控制：在发射模式下，数字波束形成器给出发射波束所需的幅度和相位控制字，经过数字阵列控制模块产生预置信号的相位和幅度，经上变频与放大后由辐射单元发射出去在空间进行功率合成；在接收模式下，每个接收阵元接收的信号经过下变频与数字接收后，记录在数据文件后，以便后期进行处理；

步骤42，设计收发通道幅相校准系统：基于数字阵列雷达中的幅相校准网络，设计收发通道幅相校准控制系统，实现收发幅相的自检校准功能。

Claims (1)

1.一种基于收发共置多通道雷达仿机载运动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，采用IDPCA技术：

IDPCA技术的核心原理是多个发射天线相位中心在脉冲重复周期内等间隔移动，一个接收天线相位中心不动，接收天线相位中心为

第一个发射天线的相位中心为

第二个发射天线的相位中心为

具体步骤为：

步骤11，确定阵列天线中阵元间距：

设计发射子阵间距Δd不能超过

即

λ＝c/f₀为雷达工作的中心频率对应的波长，c＝3×10⁸m/s为光速，f₀为雷达工作的中心频率，该中心频率按照天线频带宽度的中心频率确定；

步骤12，计算相邻发射子阵等效相位中心移动距离：

完整收发路径的等效相位中心近似等于发射相位中心和接收相位中心之间的中点位置，依此原理计算出第1个发射子阵的等效相位中心为

第2个发射子阵的等效相位中心为

两个相邻发射子阵等效相位中心移动距离为

步骤13，计算实现仿机载运动的脉冲重复周期：

假定机载平台沿阵列轴线以速度v匀速运动，计算脉冲重复周期PRI：

步骤14，标记首个发射子阵的回波脉冲：

仿机载模式下回波脉冲由多个相参脉冲串组成，需要标记首个发射子阵的回波脉冲，基于此标记，从仿机载回波脉冲中抽取完整的相参处理单元；

步骤2，基于IDPCA技术确定雷达天线系统：

基于步骤1中的IDPCA技术和收发共置设计原则，雷达天线系统设计具体步骤为：

步骤21，确定阵列长度：阵列天线包含的阵元数是发射子阵包含阵元数目和在相参处理单元中发射子阵移动数目的和，而阵列长度L大于阵列天线包含阵元数与子阵间距之积，L＞m*Δd，式中m代表阵列天线包含的阵元数，Δd为子阵间距；

步骤22，设计雷达发射天线系统的时序控制：设计雷达发射天线和接收天线的时序控制系统满足以下两个条件：(1)发射子阵随脉冲重复周期移动；(2)当发射子阵移至阵列末端时，需跳至阵列首端继续移动；

步骤23，采用收发开关实现收发共置天线系统：采用收发开关进行发射控制系统和接收控制系统转换；

步骤3，俯仰向天线设计：

在步骤2确定天线阵列长度的基础上，俯仰向天线需满足窄波束要求，且具备低副瓣性能，具体步骤为：

步骤31，采用多阵元合成技术实现俯仰向窄波束，即每列子阵都由许多独立的阵元组成，每个阵元采用半波阵子实现，且阵元间距不大于半个波长；

步骤32，在步骤31的基础上，对列子阵中的多个阵元进行加窗处理，得到具有低副瓣的俯仰向合成波束；

步骤4，确定阵列雷达体制：

基于步骤2和步骤3，仿机载雷达体制需满足以下两个要求：(1)每个发射子阵有独立的发射和接收通道；(2)完备的收发幅相校准系统，具体步骤为：

步骤41，采用数字阵列雷达体制：给每个子阵配备独立的收发组件，结合步骤22的收发时序控制系统，实现每个子阵的收发独立控制：在发射模式下，数字波束形成器给出发射波束所需的幅度和相位控制字，经过数字阵列控制模块产生预置信号的相位和幅度，经上变频与放大后由辐射单元发射出去在空间进行功率合成；在接收模式下，每个接收阵元接收的信号经过下变频与数字接收后，记录在数据文件后，以便后期进行处理；

步骤42，设计收发通道幅相校准系统：基于数字阵列雷达中的幅相校准网络，设计收发通道幅相校准控制系统，实现收发幅相的自检校准功能。

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