CN112526512A - 大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统及成像方法，应用于毫米波相控阵雷达领域，针对现有的大功率毫米波雷达系统不具备大范围的电子波束扫描能力和同时多目标观测能力的技术问题，本发明的雷达系统天线阵列采用空馈方式馈电，减小天线损耗和提高孔径效率，降低大规模相控阵天线的实现难度；并采用步进频信号的宽带空馈相控阵雷达体制，减小雷达系统的瞬时工作带宽，使相控阵的天线波束具有大的电子扫描范围，并且通过对步进频回波脉冲的宽带合成处理获得对目标的距离高分辨率。

Description

大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统及成像方法

技术领域

本发明属于毫米波相控阵雷达领域，特别涉及一种用于远程目标观测与成像的毫米波空馈相控阵雷达技术。

背景技术

随着航天科学技术的迅速发展和载人航天活动的日益频繁，对从地面观测轨道空间中的航天器、空间碎片以及陨石等宇宙天体的活动与状态的需求越来越迫切，性能要求越来越高。同光学系统相比，雷达具有全天候、全天时、观测范围大的优势，并且能够实现探测、跟踪、精密测量以及雷达成像等多种功能。尤其是，毫米波雷达系统的工作频率高，可提供的带宽大，可对空间目标进行高精度的参数测量和高分辨率的雷达成像，相比微波雷达系统具有更好的性能和应用价值。

典型的空间观测应用要求毫米波雷达至少能够提供百千瓦(kW)至兆瓦(MW)的峰值发射功率，数吉赫兹(GHz)级的信号带宽，米级以上的大口径天线，以及具有大空间覆盖范围和同时多目标观测的能力，这些要求对现有的毫米波雷达技术，及其系统设计与实现带来了严格的限制和巨大的挑战。受毫米波固态功率器件技术水平的限制，大口径固态相控阵成本巨大，功率和作用距离难以满足要求，现有的大功率毫米波雷达系统主要采用高功率集中式电真空发射机加机械扫描天线的方式构建。例如，美国的MMW雷达(MillimeterWave Radar，文献“J.J.Stambaugh,R.K.Lee,and W.H.Cantrell.The 4GHz BandwidthMillimeter-Wave Radar[J].Lincoln Laboratory Journal,vol.19,no.2,2012,pp.64-76.”)和HUSIR雷达(Haystack Ultrawideband Satellite Imaging Radar，文献“M.G.Czerwinski and J.M.Usoff.Development of the Haystack UltrawidebandSatellite Imaging Radar[J].Lincoln Laboratory Journal,vol.21,no.1,2014,pp.28-44.”)分别使用大功率行波管和回旋速调管+大口径抛物面天线的方式实现，其机械扫描速率低，均只能观测单个空间目标；而俄罗斯的RUZA雷达虽然采用大功率回旋速调管+大口径毫米波相控阵的方式构建(文献“A.A.Tolkachev,and B.A.Levitan,et al.A megawattpower millimeter-wave phased-array radar[J].IEEE Aerospace and ElectronicSystems Magazine,vol.15,no.7,2000,pp.25-31.)，但是其天线波束的电子扫描范围很窄(不超过0.85°)，对空间的大范围扫描(方位±135°内，俯仰0°～180°内)仍然依靠机械扫描方式实现，因此存在雷达数据率低、可同时观测的目标数量少等缺点。因此，虽然这些雷达的天线口径大和具有大的瞬时工作带宽，但是它们均不具备大范围的电子波束扫描能力和同时多目标观测能力，因而不能很好地完成空间观测任务。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统，天线阵列采用空馈方式馈电，减小天线损耗和提高孔径效率，降低大规模相控阵天线的实现难度；提供一种采用步进频信号的宽带空馈相控阵雷达体制，减小雷达系统的瞬时工作带宽，使相控阵的天线波束具有大的电子扫描范围，并且通过对步进频回波脉冲的宽带合成处理获得对目标的距离高分辨率。

本发明采用的技术方案为：一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统，包括：空馈相控阵天线、雷达信号产生器、雷达发射机、雷达接收机、雷达信号处理器、雷达综合信息处理器以及波控器；所述空馈相控阵天线与雷达接收机的输入端相连，空馈相控阵天线与雷达发射机的输出端相连，空馈相控阵天线还与波控器的输出端相连；雷达接收机的输出端与雷达信号处理器的输入端相连，雷达信号处理器的输出端与雷达综合信息处理器的输入相连；雷达综合信息处理器的输出端分别与雷达信号产生器的输入端、波控器的输入端相连；雷达信号产生器的输出分别与雷达接收机、雷达发射机、雷达信号处理器的输入端相连；

所述空馈相控阵天线包括：空间馈电分系统与天线阵列系统，所述空馈分系统包括至少一个喇叭馈源，喇叭馈源通过收发开关分别与雷达发射机和雷达接收机相连接，所述天线阵列系统包括：辐射单元阵列、移相器阵列以及相位配置网络；所述辐射单元阵列用于接收或发射信号，所述相位配置网络用于把波控器送来的相位码分配给对应的移相器，移相器用于调整辐射单元阵列指向方向。

喇叭馈源使用多喇叭口天线，通过对应喇叭口的组合，形成和通道、方位差通道和俯仰差通道；具体地，雷达发射机的射频信号输出口与和通道相连，雷达接收机的射频信号输入口分别与和通道、方位差通道和俯仰差通道相连。

所述天线阵列系统的天线阵面结构为透射阵，包括：置于馈源同侧的收集阵面、置于收集阵面背面的辐射阵面，所述收集阵面用于接收从馈源送来的发射信号或者把天线收到的回波信号送回馈源，所述辐射阵面用于发射探测信号或者接收回波信号。

所述移相器位于收集阵面和辐射阵面之间。

所述天线阵列系统的天线阵面结构为反射阵，包括天线阵面与反射面，发射时天线阵面先接收馈源送来的发射信号，经过阵列移相和反射面反射后，再由天线阵面向空间辐射；接收时，天线阵面先从空间接收散射回波信号，经过阵列移相和反射面反射后，再由天线阵面向馈源辐射。

移相器位于每个辐射单元和反射面之间。

所述雷达信号产生器包括参考振荡器、波形产生模块、频综模块和时钟发生器，参考振荡器为频综模块和时钟发生器提供参考频率信号，时钟发生器为波形产生模块提供参考时钟，波形产生模块产生指定带宽的中频雷达波形，频综模块产生步进频捷变信号和多个点频信号。

所述点频信号同时送给雷达发射机和雷达接收机，作为收发共用的稳定本振信号。

所述波形产生模块包括：数字频率合成器、倍频器，数字频率合成器用于产生指定带宽的中频雷达波形，当数字频率合成器输出信号不能达到宽带要求时，用倍频器提高数字频率合成器输出信号的频率和带宽。

本发明还提供一种基于上述系统的目标高分辨成像方法，包括：低分辨率处理过程与高分辨处理过程；所述低分辨处理过程具体包括以下分步骤：

A1.对常规或调制脉冲信号进行匹配滤波或脉冲压缩处理，得到的处理结果表示雷达回波沿低分辨率距离单元的分布；

A2.对每个距离单元进行多普勒处理，得到的处理结果表示当前距离单元上的回波沿多普勒单元的分布；

A3.根据步骤A1与A2的处理结果，得到雷达回波在距离-多普勒平面上的分布；

A4.对于每一个距离-多普勒单元，进行目标检测；

A5.当判决有目标时，选通和-差测角模块，利用和通道、方位差通道及俯仰差通道的数据，测量出目标的方位角和俯仰角；

A6.对于存在目标的单元，解算目标的距离、速度和角度，并形成目标的点迹；

A7.雷达综合信息处理器根据目标的点迹进行目标运动参数估计和目标跟踪；

所述高分辨处理过程包括以下分步骤：

B1.沿步进频方向，对基带信号进行IFFT处理，把雷达数据映射到高分辨距离域，映射结果可划分成杂波区和无杂波区；

B2.杂波抑制处理，把对应杂波区的距离单元数据置零；

B3.对经步骤B2处理后的数据进行FFT处理，把距离域数据重新映射回原始数据域；

B4.根据步骤A7获得的目标运动参数，对经步骤B3处理后的雷达数据进行运动补偿处理；

B5.对经步骤B4运动补偿后的数据进行IFFT处理，产生目标的高分辨率距离像。

本发明的有益效果：本发明的系统具备以下优点：

1、所提出的雷达系统使用空馈相控阵体制，无强制馈电网络，馈线损耗小，天线效率高，能够发挥毫米波电真空器件的功率优势，因此能够实现大功率的远程毫米波相控阵雷达系统；

2、所提出的空馈阵加步进频雷达波形的系统结构，阵面实现结构简单，能够在天线阵面上集成数量更多的尺寸很小的毫米波辐射单元，因此有利于构建超大口径、超大规模的宽带毫米波相控阵天线；

3、所提出的大功率毫米波空馈相控阵雷达系统可采用步进频雷达波形，可发射和接收瞬时带宽窄的信号，避免了常规宽带大口径相控阵实现存在的孔径渡跃问题，使空馈阵的天线波束能够进行大范围的电子扫描；

4、所提出的空馈阵用相位法进行波束形成与扫描，由移相器实现对各辐射单元信号的移相，不需要使用延时器进行延时；

5、所提出的空馈阵系统能够产生多种雷达波形，实现窄带、宽带和步进频率雷达信号的发射和接收，能够进行低分辨率和高分辨率的雷达信号处理，可用于构建多功能相控阵雷达系统；

6、所提出的空馈阵雷达系统具备对远程目标的搜索、跟踪和距离高分辨能力，可用其构建空间监视雷达、成像雷达以及精密测量雷达等雷达系统。

7、所提出的空馈阵雷达系统采用电子波束扫描方式，波束指向切换快速且灵活，能够同时执行对多个空间目标的探测任务。

附图说明

图1为本发明提供的空馈阵雷达的系统组成结构框图；

图2为本发明提供的空馈相控阵天线透射阵结构图；

图3为本发明提供的空馈相控阵天线反射阵结构图；

图4为本发明提供的雷达信号产生器结构图；

图5为本发明提供的雷达发射机结构图；

图6为本发明提供的雷达接收、雷达信号处理和雷达综合信息处理的实现过程；

图7为本发明提供的空馈相控雷达系统在空间监视应用中的典型工作场景。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

为解决现有大带宽、大功率、大口径毫米波雷达系统的波束电子扫描范围过窄的问题以及实现集成大规模天线单元的毫米波相控阵雷达，本发明提供一种毫米波空馈相控阵雷达系统，天线阵列采用空馈方式馈电，减小天线损耗和提高孔径效率，降低大规模相控阵天线的实现难度；提供一种采用步进频信号的宽带空馈相控阵雷达体制，减小雷达系统的瞬时工作带宽，使相控阵的天线波束具有大的电子扫描范围，并且通过对步进频回波脉冲的宽带合成处理获得对目标的距离高分辨率。

本发明的大功率毫米波空馈阵雷达的系统组成结构框图如图1所示，其包含了：一个大口径的空馈相控阵天线，一个能够产生多种规格雷达波形以及作为点频频率源和步进频捷变频率源的雷达信号产生器，一个能够发射大功率的常规脉冲和步进频率脉冲信号的毫米波宽带雷达发射机，一个包含三个接收通道的毫米波宽带雷达接收机，一个能够进行低分辨率处理和高分辨率处理的雷达信号处理器，一个用于目标跟踪、雷达资源调度与管理以及指令控制的雷达综合信息处理器，以及一个专门用于计算相控阵天线移相器编码的波控器。

大口径空馈相控阵天线包括空间馈电(简称空馈)分系统，以及包含辐射单元阵列、移相器阵列和相位配置网络的天线阵列系统。

所述空馈分系统可以只有一个喇叭馈源，此时喇叭馈源通过收发开关分别与雷达发射机和雷达接收机相连接。

也可以有两个喇叭馈源，此时一个喇叭馈源与发射机相连接，另一个喇叭馈源与接收机相连接。

喇叭馈源使用多喇叭口天线，通过对应喇叭口的组合，形成和通道、方位差通道和俯仰差通道。具体地，雷达发射机的射频信号输出口只与和通道相连，雷达接收机的射频信号输入口分别与和通道、方位差通道和俯仰差通道相连。

优选地，本实施例中一个喇叭馈源的喇叭口数量有五个，使天线阵能够形成一个和波束∑、一个方位差波束Δ_AZ，以及一个俯仰差波束Δ_EL。

通过对应喇叭口的组合，形成和通道、方位差通道和俯仰差通道为现有技术，本实施例中不做详细阐述。

天线阵列系统的结构可以是透射阵，也可以是反射阵，天线阵面用辐射单元阵列实现。

如图2所示，透射阵含有两个天线阵面：一个收集阵面，其置于馈源的同侧，用于接收从馈源送来的发射信号或者把天线收到的回波信号送回馈源；一个辐射阵面，其置于收集阵面的背面，用于发射探测信号或者接收回波信号。

如图3所示，反射阵只含有一个天线阵面，发射时天线阵面先接收馈源送来的发射信号，经过阵列移相和反射面反射后，再由天线阵面向空间辐射；接收时，天线阵面先从空间接收散射回波信号，经过阵列移相和反射面反射后，再由天线阵面向馈源辐射。为了减小漏过损失，馈源方向图的照射范围与阵面的形状和大小是匹配的。

移相器阵列位于阵面辐射单元之后。具体地，对透射阵，其位于收集阵面和辐射阵面之间，每对收集单元和辐射单元之间有一个移相器；对反射阵，其天线阵面的每个辐射单元和反射面之间有一个移相器。移相器可使用分离的毫米波铁氧体移相器，也可以使用与天线辐射单元集成在一起的亚波长结构移相器(超表面)实现。所述相位配置网络用于把波控器送来的相位码分配给对应的移相器，相位码决定了移相器的相位调整量，当所有移相器根据指定编码完成配相和调相后，天线阵波束指向设定的方向。

雷达信号产生器用于产生中频雷达波形、上/下变频所需要的稳定本振信号以及步进频捷变信号，如图4所示，主要包括参考振荡器、波形产生模块、频综模块和时钟发生器。高稳定恒温晶振(参考振荡器)为频综模块和时钟发生器提供参考频率信号。波形产生模块能够产生指定带宽的中频雷达波形，如简单脉冲、线性调频脉冲和相位编码脉冲，雷达波形的类型、带宽、脉宽和脉冲重复频率等参数由雷达综合信息处理与控制器提供。频综模块产生步进频捷变信号和多个点频信号。步进频捷变信号与经过上变频的中频雷达波形进行混频，可以产生步进频率脉冲信号；点频信号被同时送给雷达发射机和接收机，作为收发共用的稳定本振信号；时钟信号送给波形产生模块、模拟-数字转换器(ADC)、数字-模拟转换器(DAC)和其它数字电路模块作为时钟信号或定时参考信号。

波形产生模块由直接数字频率合成器(DDS)和倍频器组成。DDS产生要求带宽的中频雷达信号波形。当DDS输出信号仍然不能达到宽带要求时，用倍频器提高DDS输出信号的频率和带宽，产生大宽带的中频雷达信号。

所述大功率雷达发射机是主振放大式结构的宽带毫米波真空管发射机，如图5所示，其主要由射频激励器、毫米波放大链、高压电源、冷却分系统和监控模块组成。

射频激励器对输入的中频信号(中频宽带信号、中频窄带信号)进行上变频，通过多级上变频，获得毫米波段的射频激励信号。激励信号被送给毫米波放大链进行功率放大。射频激励器上变频时的本振信号与接收机下变频时的本振信号是对应的。

毫米波放大链使用固态放大器作为驱动放大级，大功率真空管放大器作为末级(功率)放大器。真空管放大器可以采用单只真空管实现，也可以采用多只真空管并联实现。高压电源为真空管放大器提供馈电。

冷却分系统用于降低发射机主要发射部件的温度。监测模块含有声、光、电、气传感器，能够监视和测量系统的工作状态和参数，进行故障定位与隔离，并与总系统通信。具体地，所述的毫米波真空管放大器可以是速调管、行波管、回旋速调管、回旋行波管等。

大功率雷达发射机的发射信号记为

如图6所示为雷达接收、雷达信号处理和雷达综合信息处理的实现过程，以下分别对雷达接收、雷达信号处理和雷达综合信息处理的实现过程进行详细介绍：

雷达接收机包含三个接收通道，分别为和通道∑_R、方位差通道Δ_AZ和俯仰差通道Δ_EL，并分别与喇叭馈源的和波束端口、方位差波束端口和俯仰差波束端口相连接。接收通道采用超外差式接收结构，由模拟处理模块和数字处理模块两部分组成。模拟处理模块对输入的射频模拟信号

进行滤波、放大、下变频与自动增益控制等处理，其中下变频时所用的稳定本振信号是与发射机上变频时共用的。模拟处理模块把其产生的中频信号送给数字处理模块。数字处理模块先对输入信号(中频

)进行模拟-数字(A/D)转换，然后进行数字下变频(DDC)，最后得到同相支路(I路)和正交支路(Q路)的数字基带信号。和通道、方位差通道和俯仰差通道各产生一对(I路和Q路)数字基带信号，它们

被作为雷达信号处理器的输入信号。

当发射步进频信号时，发射机中的射频激励器先对输入的中频信号进行多级上变频，把信号的载频提升至要求的高中频频率，然后把它与步进频捷变信号进行混频，产生步进频的射频激励信号，再对其进行功率放大；当接收步进频信号时，先用与发射时相同的步进频捷变信号与接收信号进行混频，把接收信号的频率下变频到与发射机相同的高中频频率，再对其进行多级下变频处理。

所述雷达信号处理器提供两种类型的信号处理，即：用于常规脉冲(非步进频的线性调频、相位编码及简单脉冲)的低分辨率处理和用于步进频脉冲的高分辨率处理。低分辨率处理把潜在的感兴趣目标看作是点目标，其基本任务是进行目标存在判决和测量目标的距离、速度、角位置等参数；高分辨率处理把感兴趣目标看作是分布式目标，其基本任务是对已检测目标或所跟踪目标形成高分辨率距离(HRR)像。进一步地，由低分辨率处理得到的目标信息及其参数被处理为点迹，点迹被送给雷达综合信息处理与控制器进行目标运动参数估计和目标跟踪等处理。为了得到正确和聚焦的目标HRR像，高分辨率处理需要使用已测量到的目标运动参数。

低分辨率信号

处理模块包括脉冲压缩(或匹配滤波)模块、多普勒处理模块、目标检测模块以及和-差测角模块。低分辨率处理的具体步骤为：

S_LR1：对常规或调制脉冲信号

进行匹配滤波或脉冲压缩处理，得到信号

处理结果表示雷达回波沿低分辨率距离单元的分布；

S_LR2：对每个距离单元进行多普勒处理，得到信号

处理结果表示当前距离单元上的回波沿多普勒单元的分布；

S_LR3：根据前面两步的处理结果，形成雷达回波在距离-多普勒平面上的分布；

S_LR4：对于和通道的每一个距离-多普勒单元(Σ⁽²⁾)，进行目标检测，判决是否有目标存在；

S_LR5：当判决有目标时，选通和-差测角模块，利用和通道、方位差通道及俯仰差通道的数据

测量出目标的方位角和俯仰角；

S_LR6：对于存在目标的单元，解算目标的距离、速度和角度，并形成目标的点迹，将其提供给雷达综合信息处理与控制器。

高分辨率信号

处理模块包括距离域映射(IFFT)模块、杂波抑制模块、数据域映射(FFT)模块及目标运动补偿模块。高分辨率处理的具体步骤为：

S_HR1：沿步进频方向，对和通道基带信号

进行IFFT处理，把雷达数据映射到高分辨距离域，映射结果可划分成杂波区和无杂波区；

S_HR2：杂波抑制处理，把对应杂波区的距离单元数据Z_R置零，得到

S_HR3：对数据

进行FFT处理，把距离域数据重新映射回原始数据域，得到

S_HR4：根据已获得的目标运动参数，对雷达数据进行运动补偿处理；

S_HR5：对运动补偿后的数据进行IFFT处理，产生目标的HRR像。

所述雷达综合信息处理器主要包括目标跟踪模块、雷达资源调度与管理模块，以及指令控制与配置模块组成。目标跟踪模块对雷达信号处理器送来的点迹进行数据处理，基本处理步骤有：目标位置与运动参数估计、航迹起始、数据凝聚、跟踪滤波、航迹终结，以及目标位置预测等。雷达资源调度与管理模块负责排列雷达任务序列，管理目标搜索、捕获、跟踪和测量等任务，分配与管理雷达系统的能量和时频资源，通过指令控制与配置模块修改各分系统的工作参数。具体地，雷达资源调度与管理器的主要工作有：

1)维护与管理当前雷达观测空间的目标数据库，编排与管理雷达任务队列，执行目标搜索、捕获、跟踪、测量以及再捕获等任务，分析跟踪目标的运动规律；

2)根据雷达任务和观测性能要求，确定雷达发射波形参数，将其发给雷达信号产生器，生成相应的发射雷达波形；

3)根据系统收到的引导信息或已跟踪目标的预测位置，确定下一次雷达发射的天线波束指向，并将其发送给波控器，以计算空馈阵各移相器的相位编码；

4)根据2)和3)，产生修改雷达发射机、雷达接收机和雷达信号处理器的工作状态的控制与配置命令字，并通过指令控制与配置模块调整各分系统的工作状态；

5)收集当前雷达任务的执行结果，更新目标数据库和雷达任务队列，转入执行下一个雷达任务；

6)接收各分系统或模块返回的状态与监测信息，向系统产生和提交上报信息。

所述波控器根据雷达综合信息处理器传来的下一次雷达发射的天线波束指向，计算阵列天线内各移相器的移相量，并将其转换为相位编码，再把相位码发送给阵列天线进行配相。

以下结合具体数据对本发明的内容做进一步阐述：

本发明所提出的毫米波空馈相控雷达系统在空间监视应用中的典型工作场景如图7所示。该部雷达能够执行针对多类空间目标的观测任务。雷达能够发射大功率的毫米波信号，并且天线孔径大、增益高，其最大作用距离可达到千公里量级。

雷达天线使用空馈相控阵体制，不需要使用强制馈电网络，馈电损耗小，孔径效率高，并且阵列实现结构简单，使阵面能够集成大量的小尺寸的辐射单元，并保证了波束栅瓣不会出现在雷达感兴趣的观测空域内。空馈阵波束扫描采用电扫方式，其波束指向控制灵活、快速，使雷达能够以时分方式执行同时多目标观测任务。

具体地，所提出的雷达系统能够执行目标搜索、捕获、跟踪、测量和高分辨率距离成像等任务。雷达波形由其对应的雷达任务决定。雷达能够产生无调制的简单脉冲，也能够产生线性调频脉冲和相位编码脉冲。具体地，雷达波形的参数根据雷达任务、目标雷达截面积大小、目标尺寸以及其运动特性等因素确定。

雷达发射的脉冲串信号的载频可以是固定频率的，也可以是沿脉冲发射周期频率步进增大的，即步进频脉冲信号。进一步地，是发射固定频率的，还是步进频率的信号，是由雷达任务对空馈阵波束的扫描角度(波束指向和天线法向之间的夹角)要求和信号带宽要求决定地。具体地，雷达任务可划分为以下三类：

1)当执行大范围的目标搜索和跟踪任务时，要求空馈相控阵进行大角度的波束扫描，雷达信号发生器产生窄带或中等带宽的脉冲波形，雷达系统发射和接收固定中心频率的脉冲串信号，雷达信号处理器进行低分辨率信号处理；

2)当目标接近空馈阵天线的法向区域时，且执行目标精细观测和高精度参数测量任务时，所要求的空馈阵波束扫描角度小，雷达系统可用固定载频的宽带脉冲串信号作为任务波形；

3)当执行大范围的高精度目标跟踪、测量以及目标HRR成像任务时，要求空馈阵进行大角度的波束扫描，雷达信号发生器产生窄带的脉冲波形，雷达发射和接收步进频脉冲串信号，雷达信号处理器进行高分辨率信号处理，可以合成大带宽的信号，并且得到目标的HRR像。

假设雷达系统要执行对某空间目标的观测任务，目标与雷达之间的距离为800km，其雷达截面积(RCS)约为1m²。

雷达系统的工作频率为f₀＝40GHz(对应λ＝7.5mm)，雷达搜索该空间目标时，发射窄带线性调频脉冲串信号，信号带宽为10MHz，脉冲长度为100μs，脉冲重复频率为150Hz，雷达发射机的峰值发射功率为100kW，接收机噪声系数为2dB。空馈阵的阵面为正方形，孔径尺寸为3m×3m，阵面法向指向天顶点，监视区域为雷达系统正上方的球冠区域，最大扫描角度为60°，辐射单元按照均匀正方形网格排列，则最大单元间距为4mm，天线阵面总共含有52.25万个单元，天线波束主瓣宽度约为0.13°，天线最大增益为63dB(天线法向)。根据雷达方程，可计算出雷达能够得到的单个脉冲的信噪比约为7dB，若对回波信号进行16个脉冲的相参积累，需要的相参积累时间约为107ms，则相参积累后的信噪比为19dB。显然采用本发明的雷达系统能够探测到距离为800km的目标

当雷达任务是获取空间目标的HRR像时，雷达发射步进频脉冲串信号，脉冲波形为简单脉冲，脉冲长度为0.1μs，频率步进量为10MHz，步进频脉冲数为512个，脉冲重复频率为100kHz，步进频脉冲串的时间长度为5.1ms，相参积累20次，积累时间长度为102ms。进行带宽合成处理后，合成的总带宽为5.12GHz，距离分辨率约为3cm，无模糊的距离窗口长度为15m，实际等效脉冲重复频率为195Hz。因此，本发明通过发射步进频率信号能够获得目标的高分辨距离(HRR)像。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统，其特征在于，包括：空馈相控阵天线、雷达信号产生器、雷达发射机、雷达接收机、雷达信号处理器、雷达综合信息处理器以及波控器；所述空馈相控阵天线与雷达接收机的输入端相连，空馈相控阵天线与雷达发射机的输出端相连，空馈相控阵天线还与波控器的输出端相连；雷达接收机的输出端与雷达信号处理器的输入端相连，雷达信号处理器的输出端与雷达综合信息处理器的输入相连；雷达综合信息处理器的输出端分别与雷达信号产生器的输入端、波控器的输入端相连；雷达信号产生器的输出分别与雷达接收机、雷达发射机、雷达信号处理器的输入端相连；

所述空馈相控阵天线包括：空间馈电分系统与天线阵列系统，所述空馈分系统包括一个喇叭馈源，喇叭馈源通过收发开关分别与雷达发射机和雷达接收机相连接，所述天线阵列系统包括：辐射单元阵列、移相器阵列以及相位配置网络；所述辐射单元阵列用于接收或发射信号，所述相位配置网络用于把波控器送来的相位码分配给对应的移相器，移相器用于调整辐射单元阵列指向方向。

2.根据权利要求1所述的一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统，其特征在于，所述空馈分系统包括两个喇叭馈源，一个喇叭馈源与发射机相连接，另一个喇叭馈源与接收机相连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统，其特征在于，喇叭馈源使用多喇叭口天线，通过对应喇叭口的组合，形成和通道、方位差通道和俯仰差通道；具体地，雷达发射机的射频信号输出口与和通道相连，雷达接收机的射频信号输入口分别与和通道、方位差通道和俯仰差通道相连。

4.根据权利要求3所述的一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统，其特征在于，所述天线阵列系统的天线阵面结构为透射阵，包括：置于馈源同侧的收集阵面、置于收集阵面背面的辐射阵面，所述收集阵面用于接收从馈源送来的发射信号或者把天线收到的回波信号送回馈源，所述辐射阵面用于发射探测信号或者接收回波信号。

5.根据权利要求3所述的一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统，其特征在于，所述天线阵列系统的天线阵面结构为反射阵，包括天线阵面与反射面，发射时天线阵面先接收馈源送来的发射信号，经过阵列移相和反射面反射后，再由天线阵面向空间辐射；接收时，天线阵面先从空间接收散射回波信号，经过阵列移相和反射面反射后，再由天线阵面向馈源辐射。

6.根据权利要求4所述的一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统，其特征在于，所述雷达信号产生器包括参考振荡器、波形产生模块、频综模块和时钟发生器，参考振荡器为频综模块和时钟发生器提供参考频率信号，时钟发生器为波形产生模块提供参考时钟，波形产生模块产生指定带宽的中频雷达波形，频综模块产生步进频捷变信号和多个点频信号。

7.根据权利要求6所述的一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统，其特征在于，所述点频信号同时送给雷达发射机和雷达接收机，作为收发共用的稳定本振信号。

8.根据权利要求7所述的一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统，其特征在于，所述波形产生模块包括：数字频率合成器、倍频器，数字频率合成器用于产生指定带宽的中频雷达波形，当数字频率合成器输出信号不能达到宽带要求时，用倍频器提高数字频率合成器输出信号的频率和带宽。

9.基于权利要求6-8任一项权利要求所述的一种大功率大口径宽带毫米波空馈相控阵雷达系统的目标高分辨成像方法，其特征在于，包括：低分辨率处理过程与高分辨处理过程；所述低分辨处理过程具体包括以下分步骤：

A1.对常规或调制脉冲信号进行匹配滤波或脉冲压缩处理，得到的处理结果表示雷达回波沿低分辨率距离单元的分布；

A2.对每个距离单元进行多普勒处理，得到的处理结果表示当前距离单元上的回波沿多普勒单元的分布；

A3.根据步骤A1与A2的处理结果，得到雷达回波在距离-多普勒平面上的分布；

A4.对于每一个距离-多普勒单元，进行目标检测；

A5.当判决有目标时，选通和-差测角模块，利用和通道、方位差通道及俯仰差通道的数据，测量出目标的方位角和俯仰角；

A6.对于存在目标的单元，解算目标的距离、速度和角度，并形成目标的点迹；

A7.雷达综合信息处理器根据目标的点迹进行目标运动参数估计和目标跟踪；

所述高分辨处理过程包括以下分步骤：

B1.沿步进频方向，对回波信号进行IFFT处理，把雷达数据映射到高分辨距离域，映射结果可划分成杂波区和无杂波区；

B2.杂波抑制处理，把对应杂波区的距离单元数据置零；

B3.对经步骤B2处理后的数据进行FFT处理，把距离域数据重新映射回原始数据域；

B4.根据步骤A7获得的目标运动参数，对经步骤B3处理后的雷达数据进行运动补偿处理；

B5.对经步骤B4运动补偿后的数据进行IFFT处理，产生目标的高分辨率距离像。

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