CN112505669B - 脉内空域扫描雷达系统及其接收和处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种脉内空域扫描雷达系统及其接收和处理方法，包括：脉内扫描发射模块，被配置为通过多样化阵元发射信号，进行阵列天线的脉内扫描发射；回波信号接收模块，被配置为通过多波束接收进行覆盖空域内目标回波信号的接收；以及回波信号处理模块，被配置为通过多脉冲相参积累检测，对目标回波信号进行处理。

Description

脉内空域扫描雷达系统及其接收和处理方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种脉内空域扫描雷达系统及其接收和处理方法。
背景技术
常规雷达的空域扫描方式可以被称为脉间扫描。常规雷达工作时，为了在较大空域范围内探测目标，雷达的波束通常要进行空域扫描。为完成一次空域扫描，雷达需要在每一个方向上至少发射一个脉冲，直到覆盖所有的空域范围。由于空域扫描是通过在多个不同方向上发射雷达脉冲实现的，这种空域扫描方式可以被称为脉间扫描，即在脉冲之间完成空域扫描，其单个发射脉冲时间内的波束主瓣指向固定在某一方向上。
脉间扫描雷达需要在每一个方向上至少发射一个脉冲，直至完成覆盖空域的扫描，扫描能耗大，扫描的方法较复杂；另外由于单个发射脉冲的能量集中到一个很窄的空域范围，脉间扫描雷达的发射信号容易被干扰机截获，防截获性能差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脉内空域扫描雷达系统及其接收和处理方法，以解决现有的脉间扫描雷达扫描的方法较复杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种脉内空域扫描雷达系统，包括：
脉内扫描发射模块，被配置为通过多样化阵元发射信号，进行阵列天线的脉内扫描发射；
回波信号接收模块，被配置为通过多波束接收进行覆盖空域内目标回波信号的接收；以及
回波信号处理模块，被配置为通过多脉冲相参积累检测，对目标回波信号进行处理。
可选的，在所述的脉内空域扫描雷达系统中，在所述脉内扫描发射模块中，N个天线阵元按照一维线性均匀阵列排列，则每个阵元的发射信号为：
sk(t)＝wk(t)exp{jφk(t)}，
其中k为阵元编号，wk(t)为信号幅度，φk(t)为信号相位。
可选的，在所述的脉内空域扫描雷达系统中，信号相位φk(t)具有如下形式：
φk(t)＝f(t)+gk(t)，
其中f(t)＝2πf0t为载频f0引起的相位项，f(t)中包含发射信号波形。
可选的，在所述的脉内空域扫描雷达系统中，当发射线性调频信号时，
其中B为发射信号带宽，T为发射信号时宽，gk(t)为附加信号引起的相位项：
其中d为阵元间距，λ0＝c/f0为信号波长，c为光速，θD(t)为发射脉冲时间内发射波束主瓣指向，θD(t)根据期望的发射波束主瓣指向扫描方式进行设定。
可选的，在所述的脉内空域扫描雷达系统中，当期望发射波束主瓣指向在发射脉冲时间内从-45度线性扫描到+45度时，所述发射脉冲时间内发射波束主瓣指向为：
本发明还提供一种如上所述的脉内空域扫描雷达系统的接收和处理方法，包括：
各阵元的接收信号分路到多个同时多波束接收通道中，多波束接收通道的个数取决于单个波束的波束宽度和扫描空域范围；
在不同的多波束接收通道中，每个阵元的接收信号经过不同的相位加权和累加，以实现某一波束指向上的匹配接收；
每个阵元的接收信号与不同的中心频率进行混频，形成基带信号；
采用匹配滤波处理基带信号，形成脉冲的回波信号，将所述脉冲的回波信号进行压缩，提高脉冲的回波信号的距离分辨率和信号强度；
对多个脉冲的回波信号进行距离多普勒处理，在多普勒域再次增强脉冲的回波信号；
采用二维CFAR方法在距离-多普勒域进行目标检测；
根据目标检测的结果对检测到的目标进行参数估计，给出目标的角度、距离和径向速度的估计结果。
可选的，在所述的脉内空域扫描雷达系统的接收和处理方法中，还包括：
波形产生器产生发射信号f(t)，分路到各个天线阵元通道，每个通道通过信号控制子系统在发射信号f(t)上增加频率偏移gk(t)，通过各个天线阵元发射。
可选的，在所述的脉内空域扫描雷达系统的接收和处理方法中，多个接收波束在波束最大幅度的-3dB处交叠，波束覆盖发射波束的空域扫描范围。
可选的，在所述的脉内空域扫描雷达系统的接收和处理方法中，目标的角度为10度，距离为10km，径向速度为-24m/s。
在本发明提供的脉内空域扫描雷达系统及其接收和处理方法中，通过脉内扫描发射模块通过多样化阵元发射信号，进行阵列天线的脉内扫描发射，回波信号接收模块通过多波束接收进行覆盖空域内目标回波信号的接收，以及回波信号处理模块通过多脉冲相参积累检测，对目标回波信号进行处理，实现了脉内扫描雷达是指在单个发射脉冲内，即完成覆盖空域扫描的雷达。与脉间扫描不同，它可以让雷达在一个发射脉冲内实现对期望空域范围的扫描，其单个发射脉冲的波束指向可以从某一角度扫描到另一角度，比如从-45度扫描到+45度。脉内扫描雷达通过多脉冲相参积累实现对目标的探测。
本发明中的脉内扫描雷达可以在单个发射脉冲内，即完成覆盖空域的扫描，由于单个发射脉冲的能量分散到一个较宽的空域范围，脉内扫描雷达的发射信号具有低截获特性，不容易被干扰机截获；并且脉内扫描雷达是通过设置发射阵列天线各阵元的发射信号形式来实现脉内扫描发射，因此脉内扫描雷达同相控阵雷达具有兼容性，可以拓展相控阵雷达的工作模式。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的脉内扫描雷达的发射机原理框图；
图2为本发明一实施例提供的脉内扫描雷达的发射波束方向图；
图3为本发明一实施例提供的脉内扫描雷达的接收和处理框图；
图4为本发明一实施例提供的脉内扫描雷达的距离多普勒处理后结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的脉内空域扫描雷达系统及其接收和处理方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
本发明的核心思想在于提供一种脉内空域扫描雷达系统及其接收和处理方法，以解决现有的脉间扫描雷达扫描的方法较复杂的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种脉内空域扫描雷达系统及其接收和处理方法，包括：脉内扫描发射模块通过多样化阵元发射信号，进行阵列天线的脉内扫描发射；回波信号接收模块通过多波束接收进行覆盖空域内目标回波信号的接收；以及回波信号处理模块通过多脉冲相参积累检测，对目标回波信号进行处理。
由背景技术可知，常规雷达的发射天线方向图的波束主瓣是固定指向的，在脉冲与脉冲之间，通过调整波束主瓣指向来完成覆盖空域的扫描。本发明提供了可以在单个发射脉冲内进行覆盖空域扫描的脉内扫描雷达，并且本发明所提供的脉内扫描方式可以根据需要灵活调整。
在本发明的一个实施例中，以N个天线阵元按照一维线性均匀阵列排列为例(二维排列的天线阵列可以根据一维排列进行扩展，在此不再详述)，每个阵元的发射信号为：
sk(t)＝wk(t)exp{jφk(t)} (1)
其中k为阵元编号，wk(t)为信号幅度，φk(t)为信号相位，具有如下形式：
φk(t)＝f(t)+gk(t) (2)
其中f(t)＝2πf0t为载频f0引起的相位项，f(t)中可以包含发射信号波形，当发射线性调频信号时，
其中B为发射信号带宽，T为发射信号时宽，gk(t)为附加信号引起的相位项：
其中d为阵元间距，λ0＝c/f0为信号波长，c为光速，θD(t)为发射脉冲时间内发射波束主瓣指向，θD(t)可以根据期望的发射波束主瓣指向扫描方式进行设定。一个实例中，当期望发射波束主瓣指向在发射脉冲时间内从-45度线性扫描到+45度时，
其发射机框图如图1所示。波形产生器产生发射信号f(t)，再分路到各个天线阵元通道，每个通道通过信号控制子系统在发射信号f(t)上增加频率偏移gk(t)，最后通过各个天线阵元发射出去(框图中的幅度加权控制可以为放大器，并且通过幅度加权控制天线副瓣或实现方位调零)。
本发明的一个实例中，N＝50，f0＝8GHz，wk(t)为海明权，T＝100μs。
脉内扫描雷达发射天线方向图如图2所示。从图2中可直观看出，波束的主瓣指向按照设定的方式在发射脉冲时间内从-45度扫描到+45度。
接收和处理框图如图3所示。接收和处理的步骤如下：
各阵元的接收信号分路到多个同时多波束接收通道中，通道的个数取决于单个波束的波束宽度和扫描空域范围；
在不同的接收通道中，每个阵元的接收信号首先要经过不同的相位加权和累加，以形成某一波束指向上的匹配接收；
然后再同不同的中心频率进行混频，将信号混频到基带信号；
再采用匹配滤波处理，将接收到的脉冲信号进行压缩，提高距离分辨率和信号强度；
然后对多个脉冲的回波信号进行距离多普勒处理，在多普勒域再一次增强信号；
然后在距离-多普勒域进行目标检测，可以采用二维CFAR方法；
最后根据检测结果对检测到的目标进行参数估计，给出目标的角度、距离和速度估计结果。
本发明的一个实例中，目标角度为10度，距离为10km，径向速度为-24m/s。匹配滤波和距离多普勒处理后的结果如图4所示，目标参数可以得到有效估计。
本发明提供了一种实现脉内空域扫描的雷达发射与接收处理方法。本发明所提供的脉内扫描雷达通过多样化的阵元发射信号实现阵列天线的脉内扫描发射，通过同时多波束接收实现覆盖空域内目标回波信号的接收，通过多脉冲相参积累检测实现对目标回波的信号处理。
具体的，所述脉内扫描发射的阵列天线每个阵元的发射信号为sk(t)＝wk(t)exp{jφk(t)}，其中k为阵元编号，wk(t)为信号幅度，φk(t)为信号相位。
通常，φk(t)＝f(t)+gk(t)，其中f(t)＝2πf0t为载频f0引起的相位项，f(t)中可以包含发射信号波形，当发射线性调频信号时，
其中B为发射信号带宽，T为发射信号时宽，
为附加信号引起的相位项，
其中d为阵元间距，λ0＝c/f0为信号波长，c为光速，θD(t)为发射脉冲时间内发射波束主瓣指向，θD(t)可以根据期望的发射波束主瓣指向扫描方式进行设定，当期望发射波束主瓣指向在发射脉冲时间内从-45度线性扫描到+45度时，
另外，脉内扫描雷达的接收采用同时多波束接收来实现，多个接收波束在波束最大幅度的-3dB处交叠，波束覆盖发射波束的空域扫描范围。脉内扫描雷达的信号处理首先进行匹配滤波处理，再对多个脉冲的回波信号进行距离多普勒相参处理，最后再进行目标检测和参数估计。
本发明的优点包括：本发明中的脉内扫描雷达可以在单个发射脉冲内，即完成覆盖空域的扫描，由于单个发射脉冲的能量分散到一个较宽的空域范围，脉内扫描雷达的发射信号具有低截获特性，不容易被干扰机截获；并且脉内扫描雷达是通过设置发射阵列天线各阵元的发射信号形式来实现脉内扫描发射，因此脉内扫描雷达同相控阵雷达具有兼容性，可以拓展相控阵雷达的工作模式。
综上，上述实施例对脉内空域扫描雷达系统及其接收和处理方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种脉内空域扫描雷达系统，其特征在于，包括：
脉内扫描发射模块，被配置为通过多样化阵元发射信号，进行阵列天线的脉内扫描发射，其中：
在所述脉内扫描发射模块中，N个天线阵元按照一维线性均匀阵列排列，则每个阵元的发射信号为：
sk(t)＝wk(t)exp{jφk(t)}，
其中k为阵元编号，wk(t)为信号幅度，φk(t)为信号相位；
其中信号相位φk(t)具有如下形式：
φk(t)＝f(t)+gk(t)，
其中f(t)＝2πf0t为载频f0引起的相位项，f(t)中包含发射信号波形；
其中当发射线性调频信号时，
其中B为发射信号带宽，T为发射信号时宽，gk(t)为附加信号引起的相位项：
其中d为阵元间距，λ0＝c/f0为信号波长，c为光速，θD(t)为发射脉冲时间内发射波束主瓣指向，θD(t)根据期望的发射波束主瓣指向扫描方式进行设定；
其中当期望发射波束主瓣指向在发射脉冲时间内从-45度线性扫描到+45度时，所述发射脉冲时间内发射波束主瓣指向为：
回波信号接收模块，被配置为通过多波束接收进行覆盖空域内目标回波信号的接收；以及
回波信号处理模块，被配置为通过多脉冲相参积累检测，对目标回波信号进行处理。
2.一种如权利要求1所述的脉内空域扫描雷达系统的接收和处理方法，其特征在于，包括：
各阵元的接收信号分路到多个同时多波束接收通道中，多波束接收通道的个数取决于单个波束的波束宽度和扫描空域范围；
在不同的多波束接收通道中，每个阵元的接收信号经过不同的相位加权和累加，以实现某一波束指向上的匹配接收；
每个阵元的接收信号与不同的中心频率进行混频，形成基带信号；
采用匹配滤波处理基带信号，形成脉冲的回波信号，将所述脉冲的回波信号进行压缩，提高脉冲的回波信号的距离分辨率和信号强度；
对多个脉冲的回波信号进行距离多普勒处理，在多普勒域再次增强脉冲的回波信号；
采用二维CFAR方法在距离-多普勒域进行目标检测；
根据目标检测的结果对检测到的目标进行参数估计，给出目标的角度、距离和径向速度的估计结果，其中：
在所述脉内扫描发射模块中，N个天线阵元按照一维线性均匀阵列排列，则每个阵元的发射信号为：
sk(t)＝wk(t)exp{jφk(t)}，
其中k为阵元编号，wk(t)为信号幅度，φk(t)为信号相位；
其中信号相位φk(t)具有如下形式：
φk(t)＝f(t)+gk(t)，
其中f(t)＝2πf0t为载频f0引起的相位项，f(t)中包含发射信号波形；
其中当发射线性调频信号时，
其中B为发射信号带宽，T为发射信号时宽，gk(t)为附加信号引起的相位项：
其中d为阵元间距，λ0＝c/f0为信号波长，c为光速，θD(t)为发射脉冲时间内发射波束主瓣指向，θD(t)根据期望的发射波束主瓣指向扫描方式进行设定；
其中当期望发射波束主瓣指向在发射脉冲时间内从-45度线性扫描到+45度时，所述发射脉冲时间内发射波束主瓣指向为：
3.如权利要求2所述的脉内空域扫描雷达系统的接收和处理方法，其特征在于，还包括：
波形产生器产生发射信号f(t)，分路到各个天线阵元通道，每个通道通过信号控制子系统在发射信号f(t)上增加频率偏移gk(t)，通过各个天线阵元发射。
4.如权利要求2所述的脉内空域扫描雷达系统的接收和处理方法，其特征在于，多个接收波束在波束最大幅度的-3dB处交叠，波束覆盖发射波束的空域扫描范围。
5.如权利要求2所述的脉内空域扫描雷达系统的接收和处理方法，其特征在于，目标的角度为10度，距离为10km，径向速度为-24m/s。
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