CN112363157B - 雷达信标和雷达测量系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种雷达信标和雷达测量系统。通过利用球形透镜将入射的电磁波折射到反射装置，利用反射装置将折射后的电磁波进行反射并经过球形透镜的折射后形成回波信号以实现雷达测量，其中，球形透镜焦点位于与所述球形透镜同心的曲面上，反射装置具有与所述曲面的曲率相同的反射面，设置在所述曲面上且所述反射面与所述曲面的一部分相重合。由此，可以使得雷达信标安装方便，降低雷达信标的成本，提高雷达信标的反射效率和雷达测量系统的测量精度。

Description

雷达信标和雷达测量系统
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种雷达信标和雷达测量系统。
背景技术
雷达信标是装在目标(飞机、导弹等)上能发射电磁信号并与雷达配合工作的电子设备，也称信标机或应答机。目前，雷达信标已广泛用于航空管制、无线电导航、导弹制导、外弹道测量、卫星测轨、雷达遥感等方面。根据是否直接使用信号发射方式可以将雷达信标分为有源信标和无源信标。
现有的无源信标通常通过角反射器实现，角反射器是通过金属板材根据不同用途做成的不同规格的雷达波反射器。当雷达电磁波扫描到角反射器后，电磁波会在金属角上产生折射放大，产生回波信号，以实现雷达测量。
但是，角反射器需要调整与雷达的合适反射角，只有雷达波能够平行入射角反射器时，雷达才能取得相应的强反射信号、以达成跟踪、测量的目的，安装过程比较繁琐。同时，角反射器的反射效率较低，距离越远，所需的角反射器面积也越大，当角反射器边长超过一定值时，因其金属材质特性、本身重量、面积均会给安装带来诸多不便。而且，由于角反射器的几何形状，使得角反射器对外界环境要求较高，例如，在有风作用的情况下，角反射器会形成抖动，进而造成测量误差，又例如，在角反射器到雷达通视距离范围内需要保持相对净空，不能出现植被、积水等。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种雷达信标和雷达测量系统，可以使得雷达信标安装方便，降低雷达信标的成本，提高雷达信标的反射效率和雷达系统的测量精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种雷达信标，所述雷达信标包括：
球形透镜，其焦点位于与所述球形透镜同心的曲面上；以及
反射装置，其具有与所述曲面的曲率相同的反射面，设置在所述曲面上且所述反射面与所述曲面的一部分相重合，用于对穿过所述球形透镜入射的电磁波进行反射。
优选地，所述球形透镜材质为聚四氟乙烯。
优选地，所述曲面与球形透镜表面的距离为0.4R-0.5R；
其中，R为所述球形透镜的半径。
优选地，所述雷达信标还包括：
至少一个固定件，连接在所述反射装置和所述球形透镜之间，用于固定所述反射装置和所述球形透镜的相对位置。
优选地，所述雷达信标还包括：
支撑件，设置在所述球形透镜下，用于支撑所述雷达信标。
优选地，所述反射装置的反射面采用镀铜工艺制成。
优选地，所述反射装置还包括反射底板，所述反射面附着在所述反射底板上。
优选地，所述反射底板的边沿外缘呈圆形。
优选地，所述反射装置为目标物体的一部分。
第二方面，本发明实施例提供了一种雷达测量系统，所述雷达测量系统包括：
测量雷达；以及
至少一个如第一方面所述的雷达信标。
本发明实施例的技术方案通过利用球形透镜将入射的电磁波折射到反射装置，利用反射装置将折射后的电磁波进行反射并经过球形透镜的折射后形成回波信号以实现雷达测量，其中，球形透镜焦点位于与所述球形透镜同心的曲面上，反射装置具有与所述曲面的曲率相同的反射面，设置在所述曲面上且所述反射面与所述曲面的一部分相重合。由此，可以使得雷达信标安装方便，降低雷达信标的成本，提高雷达信标的反射效率和雷达测量系统的测量精度。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的雷达测量系统的示意图；
图2是本发明实施例的测量雷达的示意图；
图3是本发明第一实施例的雷达信标的示意图；
图4是本发明实施例的球形透镜和球面的示意图；
图5是本发明实施例的反射装置的一个方向透视图；
图6是本发明实施例的反射装置的另一个方向透视图；
图7是本发明实施例的反射装置的示意图；
图8是本发明实施例的第二实施例的雷达信标的示意图；
图9是本发明一个实施例的测试结果对比图；
图10是本发明另一个实施例的测试结果对比图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则在说明书的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1是本发明实施例的雷达测量系统的示意图。如图1所示，本发明实施例的雷达测量系统包括测量雷达1和雷达信标2。其中，测量雷达1用于发射电磁波，并接受雷达信标2返回的回波信号。雷达信标2用于将所述测量雷达1发射的电磁波进行反射后形成回波信号发送至所述测量雷达1。
进一步地，所述雷达测量系统还包括服务器，与所述测量雷达通信连接，用于从所述测量雷达1接收回波信号，并对所述回波信号进行分析，以实现雷达测量。
图2是本发明实施例的测量雷达的示意图。如图2所示，本发明实施例的测量雷达包括射频信号源单元11、信号发射单元12、天线13、信号接收单元14和通信单元15。
在本实施例中，射频信号源单元11用于产生电磁波。
进一步地，所述电磁波的频率可以是现有的各种雷达的工作频率，例如，高频(HF)、甚高频(VHF)、超高频(UHF，也称作P)、L波段、S波段、C波段、X波段，Ku波段、K波段、Ka波段、U波段、V波段和W波段等。
在本实施例中，信号发射单元12发射电磁波。
在本实施例中，信号接收单元14用于接收回波信号。
进一步地，所述信号发射单元12和信号接收单元14与天线13连接。信号发射单元12被配置为通过所述天线13发射所述电磁波。信号接收单元14被配置为通过天线13接收回波信号。
进一步地，天线13可以是现有的各种雷达天线，例如喇叭天线和微带天线等。
在本实施例中，通信单元15用于与服务器进行通信，以向所述服务器发送回波信号，或者，接收所述服务器的控制信号。
进一步地，所述通信单元可以采用现有的各种有线通信或无线通信方式进行通信。
可选地，测量雷达1还包括控制单元，用于对信号进行实时处理，例如，对回波信号进行滤波、解析接收到的控制信号等操作。
进一步地，测量雷达1还包括供电单元，用于为测量雷达1中的各个模块供电。
由此，通过测量雷达即可实现信号的收发。
应理解，图2仅为本发明实施例的测量雷达的一种示例，本发明实施例对此不作限制，测量雷达可以通过现有的各种雷达装置实现。
图3是本发明第一实施例的雷达信标的示意图。如图3所示，本发明实施例的雷达信标2包括球形透镜21和反射装置22。
在本实施例中，球形透镜的焦点位于与所述球形透镜同心的曲面上。
具体地，图4是本发明实施例的球形透镜和曲面的示意图。如图4所示，实线圆表示球形透镜，虚线圆表示所述球形透镜在不同方向上的焦点形成的曲面，以下简称曲面。所述球形透镜与所述曲面具有共同的球心O。进一步地，所述曲面与所述球形透镜同心，且半径大于所述球形透镜的球面的半径。
在本实施例中，球面的半径如图中L，球形透镜的半径如图中R。
进一步地，球面的半径大于所述球形透镜的半径。
进一步地，所述球形透镜为单介质球形透镜。其中，所述单介质球形透镜是指由同一种材质制作形成的球形透镜。由此，可以使得所述球形透镜在不同方向上的焦点可以形成一个规则的球面，且所述球面与所述球形透镜具有相同的圆心。
进一步地，上述曲面为焦点形成的球面的一部分。
进一步地，图中示出了两组不同方向上的电磁波的传输路径。其中，第一组电磁波为W11和W12，电磁波W11和电磁波W12平行射入所述球形透镜，经过球形透镜折射后，焦点为A点。第二组电磁波为W21和W22，电磁波W21和电磁波W22平行射入所述球形透镜，经过球形透镜折射后，焦点为B点。
由图可知，任意方向的电磁波经过所述球形透镜后，最后焦点都会位于球面上。
在本实施例中，球形透镜的材质为聚四氟乙烯(PTFE，Poly tetrafluoroethylene)。聚四氟乙烯是一种以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物。形状为白色蜡状、半透明，具有耐热、耐寒性优良、成本低等特点，可在-180～260℃长期使用。
进一步地，本发明实施例基于聚四氟乙烯制作而成的球形透镜的介电常数为2.08。
进一步地，所述曲面与球形透镜表面的距离为0.4R-0.5R。其中，所述距离为所述曲面的半径L与所述球形透镜的半径R的差值。
具体地，通过原理计算与模拟仿真，当球形透镜的材质为聚四氟乙烯且介电常数为2.08时，球面到球形透镜表面的距离d为0.4R时，雷达信标的效率最高。当距离d为0.5R时，得到最平坦的口径相位；当d进一步增大时，口径效率和方向图都会变差。因此，对于本发明实施例的球形透镜来说，d在0.4R-0.5R之间时，雷达信标的效率最优。
由于现有技术中常用的角反射器是由三个相互垂直的平面镜组成的，形成的形状结构使得角反射器对风的阻力较大，当风力较大时，会使得角反射器出现晃动等现象，导致雷达测量系统不能测量或者测量结果精度不足。而本实施例中的球形透镜具有平滑而规则的表面，没有大的起伏和尖锐的棱角和凹槽，使得风可以绕过球形透镜，对风的阻力较小，不易受到风力的影响而导致测量误差。
在本实施例中，反射装置22设置在所述球面上且所述反射面与所述球面的一部分相重合，且具有与所述球面曲率相同的反射面。
进一步地，所述雷达信标还包括至少一个固定件，连接在所述反射装置和所述球形透镜之间，用于固定所述反射装置和所述球形透镜的相对位置。
图3中以所述雷达信标还包括两个固定件24a和24b为例进行说明，但本发明实施例对所述固定件的数量不作限制，也可以是一个或两个以上。
例如，以所述固定件包括8个为例进行说明，图5是本发明实施例的反射装置的透视图，图中小圆圈表示固定件，或者，固定件的连接位置。其中，从上到下的五个小圆圈中，最上边和最下边的小圆圈为一个固定件(或固定件的连接位置)，中间三个小圆圈为两个固定件(或固定件的连接位置)的重合位置。
进一步地，对于图5中的反射装置，从箭头方向的透视图如图6所示，图6中小圆圈表示固定件，或者，固定件的连接位置。
进一步地，所述固定件可以通过现有的各种方式将所述反射装置与球形透镜连接在一起，例如，所述固定件可以是以螺丝连接或者粘合连接等方式将所述反射装置与球形透镜连接在一起。
进一步地，所述反射装置22包括反射底板和反射面。其中，反射面用于反射电磁波，反射底板用于承载所述反射面。
具体地，以图5中虚线框部分C为例进行说明，放大后的结构如图7所示，其中，反射面22a附着在所述反射底板22b上。
进一步地，所述反射装置的反射面22a采用镀铜工艺制成，与所述球面的一部分重合。
进一步地，所述反射底板22b的边沿外缘呈圆形，由此，使得附着在所述反射底板上的反射面能够反射各个方向的电磁波。
进一步地，所述反射底板22b可以采用各种金属(汞除外)或非金属材料(例如塑料、石材、木材)等制成。
进一步地，本发明实施例的雷达信标还包括支撑件23，设置在所述球形透镜下21，用于支撑所述雷达信标。
由此，可以通过所述支撑件23将所述雷达信标摆放在合适的位置。
应理解，图3中以所述支撑件23为长方体为例进行说明，但本发明实施例对支撑件的形状不作限制，所述支撑件23也可以是其它形状，例如圆柱、棱柱(三棱柱、四棱柱等)等规则或不规则的柱体形状，也可以设置成架体，例如三脚架、四脚架等。
在一个可选的实现方式中，所述支撑件23与所述球形透镜21固定连接，具体固定方式可以通过螺丝固定或者粘合在一起。
在另一个可选的实现方式中，所述支撑件23与所述球形透镜21分离设置。具体地，当支撑件23为柱体形状时，可以在所述柱体的顶部设置圆形凹槽，所述凹槽与所述球形透镜至少一部分的边缘相吻合，以使得所述球形透镜21可以平稳放置所述支撑件上；或者，所述柱体的顶部设置为平面，对应的，所述球形透镜的底部也设置为平面。当支撑件23为架体形状时，可以在所述架体的顶部设置圆环，以使得所述球形透镜21可以平稳放置所述支撑件上。
雷达散射截面(Radar Cross-Section，RCS)是目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。具体地，雷达目标和散射的能量可以表示为一个有效面积和入射功率密度的乘积。这个面积通常称为雷达散射截面。雷达目标反射面积RCS可从电磁散射理论方面进行定义。定义为：单位立体角内目标朝接收方向散射的功率与从给定方向入射于该目标的平面波功率密度之比的4π倍。
由于目标物体的RCS随方位变化剧烈，故也常用dBsm(1平方米的分贝数)来表示，具体公式如下：
σ1＝10log10(σ2)
其中，σ1为每平方米的功率，σ2为每平方米的分贝数。
由上述公式可知，每平方米的分贝数减少10dBsm，回波功率只剩下1/10；每平方米的分贝数减少20dBsm，回波功率只剩下1/100；每平方米的分贝数减少30dBsm，回波功率只剩下1/1000。
进一步地，对于角反射器，雷达截面积的计算公式为：
Figure BDA0002756765450000081
其中，σ(max)为为最大雷达截面积，A为角反射器的正方形反射镜面的边长，λ为电磁波的波长。
进一步地，对于球形透镜，雷达截面积的计算公式为：
Figure BDA0002756765450000082
其中，σ(max)为最大雷达截面积，d为球形透镜的直径，λ为电磁波的波长。
根据对现有技术的角反射器和本发明实施例的雷达信标的实际测试结果可知：
角反射器在电磁波的照射方向变化在25°范围内时，可以保持雷达截面积基本不变。
本发明实施例的球形雷达信标在电磁波的照射方向变化在90°到180°范围内时，可以保持雷达截面积基本不变。
由此，可以使得本发明实施例的雷达信标在使用过程中，不需要将雷达信标精准的调整到与雷达合适反射角就可进行雷达测量，使得雷达信标安装方便。
本发明实施例通过利用球形透镜将入射的电磁波折射到反射装置，利用反射装置将折射后的电磁波进行反射并经过球形透镜的折射后形成回波信号以实现雷达测量，其中，球形透镜焦点位于与所述球形透镜同心的曲面上，反射装置具有与所述曲面的曲率相同的反射面，设置在所述曲面上且所述反射面与所述曲面的一部分相重合。由此，可以使得雷达信标安装方便，降低雷达信标的成本，提高雷达信标的反射效率和雷达测量系统的测量精度。
图8是本发明第二实施例的雷达信标的示意图。如图8所示，在本发明实施例中，反射装置为目标物体的一部分。
具体地，在一些测试场景中，例如对铁轨的形变进行测试等场景，需要将雷达信标放置在距离铁轨较近的位置，车辆经过铁轨时，可能会触碰到信标装置，或者，由于地面震动等原因导致信标装置失衡，此时，如果信标装置中存在坚固物件(例如金属等)时，可能影响车辆的正常行驶，进而导致严重的后果。由此，在本实施例中，在信标装置中不设置所述反射装置，将目标物体的一部分作为反射装置。也即，本实施例的信标装置只包括球形透镜，将目标物体作为反射装置，由此，可以比较精确地测量目标物体的形变。
进一步地，由于球形透镜是由聚四氟乙烯制成，在受到压力时，容易发生形变或者被破坏。由此，即使在测试过程中，球形透镜掉落在铁轨上，在受到车辆的压力时也会瞬间被破坏，不会影响车辆的正常行驶。
本发明实施例通过利用球形透镜将入射的电磁波折射到反射装置，利用反射装置将折射后的电磁波进行反射并经过球形透镜的折射后形成回波信号以实现雷达测量，其中，球形透镜焦点位于与所述球形透镜同心的曲面上，反射装置具有与所述曲面的曲率相同的反射面，设置在所述曲面上且所述反射面与所述曲面的一部分相重合。由此，可以使得雷达信标安装方便，降低雷达信标的成本，提高雷达信标的反射效率和雷达测量系统的测量精度。
进一步地，以X波段雷达为例进行说明，不同设置参数和目标距离下，球形雷达信标和角反射器的测试参数如图9所示，其中，设置参数为分辨率，目标距离为测量雷达到雷达信标的距离，角反尺寸为角反射器的正方形反射镜面的边长，球形雷达信标是指本发明实施例的雷达信标。其中，球形雷达信标的测试参数为直径为20cm的球形雷达信标的测试参数。根据图9的数据可知：
在目标距离小于80米时，角反尺寸为15cm时，球形雷达信标的信噪比比角反射器的信噪比强5-6dB。角反尺寸为20cm时，球形雷达信标的信噪比与角反射器的信噪比相差无几。
进一步地，以K波段雷达为例进行说明，正方形反射镜面的边长为20cm的角反射器和直径为20cm的球形雷达信标的测试参数如图10所示，其中，设置参数为分辨率，目标距离为测量雷达到雷达信标的距离，球形信标是指本发明实施例的雷达信标，对比图10球形雷达信标和角反射器的测试数据可知：
目标距离为38.5米时，角反射器的信噪比高于球形信标平均3dB。
目标距离为59米时，角反射器的信噪比低于球形信标平均3dB。
目标距离为80米时，角反射器的信噪比高于球形信标平均3dB。
目标距离为92米时，角反射器的信噪比高于球形信标平均3dB。
目标距离为116米时，球形信标已经无法添加目标，角反射器的信噪比为20dB。
由上述对比结果可知，在球形透镜的直径和角反射器的边长均为20cm时，在目标距离为59-80米时，球形信标的效率较高。由此，可以根据不同的应用场景设置本发明实施例的球形透镜的直径，以使得效率达到最高。
优选地，当球形透镜的半径长度为12或者21厘米时，能够在大多数的应用场景下保持较高的效率。
本发明实施例通过利用球形透镜将入射的电磁波折射到反射装置，利用反射装置将折射后的电磁波进行反射并经过球形透镜的折射后形成回波信号以实现雷达测量，其中，球形透镜焦点位于与所述球形透镜同心的曲面上，反射装置具有与所述曲面的曲率相同的反射面，设置在所述曲面上且所述反射面与所述曲面的一部分相重合。由此，可以使得雷达信标安装方便，降低雷达信标的成本，提高雷达信标的反射效率和雷达测量系统的测量精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理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 (8)

1.一种雷达信标，其特征在于，所述雷达信标包括：
球形透镜，其焦点位于与所述球形透镜同心的曲面上；以及
反射装置，其具有与所述曲面的曲率相同的反射面，设置在所述曲面上且所述反射面与所述曲面的一部分相重合，用于对穿过所述球形透镜入射的电磁波进行反射；
其中，所述雷达信标还包括：
至少一个固定件，连接在所述反射装置和所述球形透镜之间，用于固定所述反射装置和所述球形透镜的相对位置
其中，所述反射装置设置在球面上且所述反射面与所述球面的一部分相重合，且具有与所述球面曲率相同的反射面，所述球面由所述球形透镜在不同方向上的焦点确定，且所述球面与所述球形透镜具有相同的圆心，所述曲面与球形透镜表面的距离为0.4R-0.5R，R为所述球形透镜的半径，所述球形透镜为均质的单介质球形透镜，所述单介质球形透镜采用介电常数相同的材质制造。
2.根据权利要求1所述的雷达信标，其特征在于，所述球形透镜材质为聚四氟乙烯。
3.根据权利要求1所述的雷达信标，其特征在于，所述雷达信标还包括：
支撑件，设置在所述球形透镜下，用于支撑所述雷达信标。
4.根据权利要求1所述的雷达信标，其特征在于，所述反射装置的反射面采用镀铜工艺制成。
5.根据权利要求1所述的雷达信标，其特征在于，所述反射装置还包括反射底板，所述反射面附着在所述反射底板上。
6.根据权利要求5所述的雷达信标，其特征在于，所述反射底板的边沿外缘呈圆形。
7.根据权利要求1所述的雷达信标，其特征在于，所述反射装置为目标物体的一部分。
8.一种雷达测量系统，其特征在于，所述雷达测量系统包括：测量雷达；以及
至少一个如权利要求1-7中任一项所述的雷达信标。
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