CN112816961B

CN112816961B - 一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统

Info

Publication number: CN112816961B
Application number: CN202110287110.0A
Authority: CN
Inventors: 笪良龙; 王超; 袁猛; 张延厚; 张奇; 张龙峰
Original assignee: PLA Navy Submarine College
Current assignee: PLA Navy Submarine College
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: CN112816961A

Abstract

本发明提供了一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统，本发明包括的雷达阵列天线阵面通过行波耦合馈线与T/R组件连接，T/R组件连接有波控分机与校正前端，波控分机连接有伺服分机及显控分机，校正前端与T/R组件、行波耦合馈线连接，校正前端连接有发射信道及接收信道，发射信道与接收信道连接，接收信道与信号处理分机连接，信号处理分机分别与波控分机、伺服分机及显控分机连接，显控分机与波控分机连接，模块化电源为检测系统提供电源。本发明的检测系统体积小，能实时感知载体姿态信息且自适应波束稳定。

Description

一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其是涉及一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统。

背景技术

雷达作为一种重要的无线电导航设备，能够实时探测出水面目标的距离信息和方位信息；但在如波浪滑翔器等水上平台在海上航行时，会受到海浪、海风、潮汐等气象环境的影响，造成载体本身发生横滚和俯仰运动，导致雷达对目标的探测能力和方位分辨能力大大降低，甚至造成雷达系统跟踪目标的失败。因此，在不同海况下，通过不同方式保持雷达探测波束稳定，并在小体积情况下，提升雷达的方位分辨力和探测稳定性，一直是研究的火热课题。

目前，为了保证在水面载体上雷达工作性能的稳定性，一般采用隔离载体纵横摇摆的方法，为雷达设备增加稳定平台。稳定平台通过姿态感知传感器检测载体的姿态信息，通过系统控制与机械结构配合，驱动执行元件进行抵消，以达到消除扰动的目的。稳定平台可在不同的海况情况下，根据载体运动规律，补偿载体横滚和俯仰运动的影响，保证雷达在载体纵横摇摆的情况下，具有相对稳定的工作能力，保证目标探测性能。

但该方法的缺点是：需要在载体上新增稳定平台，且随着稳定姿态纬度的增多，稳定平台的重量增加；随着稳定负载的重量及稳定的角度范围增大，稳定平台自身的结构尺寸及用电功耗增加；因此，在中小型载体上，安装稳定平台，易受到空间尺寸、载体负荷重量、用电功耗的制约。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于针对如波浪滑翔器等一系列中小型观测平台的应用需求，提供一种体积小、可感知载体姿态信息并进行自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：

本发明提供的一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统，包括雷达阵列天线阵面、行波耦合馈线、T/R组件、校正前端、波控分机、伺服分机、发射信道、接收信道、信号处理分机、显控分机和模块化电源；

雷达阵列天线阵面用于完成电磁波的对外功率辐射照射目标，并接收返回的目标散射信号，雷达阵列天线阵面通过行波耦合馈线与T/R组件连接，雷达阵列天线阵面通过行波耦合馈线与校正前端连接；

行波耦合馈线把T/R组件各个通道的发射耦合信号叠加输出或者把输入的射频信号耦合至T/R组件的各个通道，用于校准各个发射信道/接收信道的幅度与相位；

T/R组件分别与波控分机及校正前端连接，T/R组件用于完成Ku波段射频脉冲信号的放大、接收信号的放大及信号收发切换，并根据波控分机指令完成对收发信号的幅度和相位控制；

波控分机分别与T/R组件、伺服分机及显控分机连接，波控分机根据伺服分机实时获得的载体姿态信息及当前雷达波束方位及俯仰指向按照显控分机预定要求的波束控制指向，自适应的计算相位及幅度控制码并发送给T/R组件以完成自适应俯仰波束稳定；

伺服分机带动雷达阵列天线阵面旋转并实时获取角度信息发送给波控分机进行实时自适应波束稳定下的幅相控制码计算并纠正补偿载体姿态对波束指向的影响；

校正前端的一端与T/R组件、行波耦合馈线连接，校正前端的另一端与发射信道及接收信道相连；校正前端根据工作模式完成激励信号/接收信号和信号放大/信号切换；

发射信道与接收信道连接，接收信道与信号处理分机连接；

信号处理分机分别与波控分机、伺服分机及显控分机连接，信号处理分机用于处理信号，获得检测后的雷达目标信息，并接收伺服分机的雷达波束当前角度以传输到显控分机；

显控分机与波控分机连接，显控分机提供人机界面，用于接收信号处理分机的雷达目标信息，进行目标信息显示或目标信息叠加显示，同时处理目标数据以输出目标航迹和发出工作指令；

模块化电源为检测系统提供电源分别与雷达阵列天线阵面、行波耦合馈线、T/R组件、校正前端、波控分机、伺服分机、发射信道、接收信道、信号处理分机及显控分机连接。

进一步的，雷达阵列天线阵面包括若干水平微带线阵，水平方向采用中心对称、左右阵元反向馈电的微带线阵，水平微带线阵的垂直方向按阵元间距进行分布。

进一步的，伺服分机包括电机及传动结构、姿态传感器、编码器和通信控制单元，电机及传动结构、姿态传感器、编码器均与通信控制单元连接，电机及传动结构与雷达阵列天线阵面连接，通信控制单元与波控分机连接，通信控制单元解析波控分机传送的雷达工作指令并发送给电机及传动结构，控制单元控制电机及传动结构带动雷达阵列天线阵面进行旋转，并实时获取姿态传感器及编码器返回的角度信息，将载体的角度信息及当前波束指向的角度信息综合发送给波控分机，供波控分机进行实时自适应波束稳定下的幅相码计算以纠正补偿载体姿态对波束指向的影响。

进一步的，波束稳定范围为-35°～+35°。

结合以上技术方案，本发明达到的有益效果在于：

(1)本发明所述的一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统，采用小型化设计，且具有高方位分辨力；本发明采用Ku频段信号，相比于常用的X波段雷达，因本发明发射频率更高，在同样方位分辨力指标要求下，尺寸更小；同时采用水平机械360°扫描，俯仰相扫相结合的方式，在天线罩尺寸固定的情况下，相比于同频率下多个水平相扫拼接360度范围覆盖的方式，本发明的天线尺寸更长，方位分辨力更高；

(2)本发明所述的一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统，具有盲区小、近距离分辨力高的特点；本发明采用固态功放组合脉冲发射体制，发射信号采用点频脉冲窄信号与宽带线性调频信号组合发射的方式，以提高距离分辨率，减小距离盲区，降低雷达辐射功率，提升全量程下的目标检测性能；

(3)本发明所述的一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统，能够实时感知载体姿态信息，且自适应波束稳定；本发明在伺服分机内部集成了姿态传感器，可实时获得载体的横滚及纵摇运动信息；波控分机按照要求的俯仰波束指向角度，结合工作频率、幅相校正参数以及实时的载体平台的实时姿态数据，实时计算或查表确定T/R组件各通道的幅相控制码，实现自适应俯仰波束扫描，或者适中指向固定指向(如大地坐标系的0度)，从而保证目标检测性能；

(4)本发明所述的一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统，具备搜索和跟踪功能，以及良好的抗干扰能力和高可靠性能；本发明采用固态功放体制，采用Ku波段发射，可按需进行发射频点切换，有效提高了了对X波段雷达的抗干扰能力和高可靠性性能，同时采用边扫描边跟踪技术，实现了多目标检测和跟踪能力。该系统既可单独工作，亦可融入现有“综合判情系统”。系统带有与其他系统相连的固定接口，通过对目标信息的融合处理，可获得更优的目标状态及属性判别。

附图说明

为了更清楚的说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的系统框图；

图2为本发明实施例提供的工作原理框图；

图3为本发明实施例中发射信道产生的组合脉冲发射的信号示意图；

图4为本发明实施例中基于行波馈线的幅相校正方法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的目的、技术方案和优点进行清楚、明白、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、 “下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供了一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统，包括雷达阵列天线阵面、行波耦合馈线、T/R组件、校正前端、波控分机、伺服分机、发射信道、接收信道、信号处理分机、显控分机和模块化电源。

雷达阵列天线阵面采用多个水平微带线阵组成，水平采用中心对称、左右阵元反向馈电的微带线阵，水平微带线阵的垂直方向按阵元间距进行分布，雷达阵列天线阵面通过行波耦合馈线与T/R组件连接，雷达阵列天线阵面通过行波耦合馈线与校正前端连接；雷达阵列天线阵面用于完成电磁波的对外功率辐射照射目标，并接收返回的目标散射信号。行波耦合馈线用于进行多通道的幅相位校正，保证天线发射与接收波束满足方向性、增益与副瓣等指标要求；俯仰方向的行波耦合馈线把T/R组件各个通道的发射耦合信号叠加输出或把输入的射频信号耦合至T/R组件的各个通道以校准各个发射信道/接收信道的幅度与相位。

T/R组件分别与波控分机与校正前端连接，T/R组件为半双工工作方式，主要完成Ku波段射频脉冲信号的放大、同频段接收信号的放大及收发切换，并根据波控分机指令，完成对收发信号的幅度和相位控制。

其中，波控分机主要根据伺服分机实时获得的载体姿态信息及当前雷达波束方位及俯仰指向，按照显控分机预定要求的波束控制指向，自适应的计算相位及幅度控制码，发送给T/R组件，完成自适应俯仰波束稳定，波束稳定范围为-35°～+35°，波控分机分别与T/R组件、伺服分机及显控分机连接。

伺服分机主要解析波控分机工作指令，带动雷达阵列天线阵面进行水平360°方位旋转，并实时获取姿态传感器及当前波束指向的角度信息，传送给波控分机。伺服分机包括电机及传动、姿态传感器、编码器以及通信控制单元，电机及传动结构、姿态传感器、编码器均与通信控制单元连接，电机及传动结构与雷达阵列天线阵面连接，通信控制单元与波控分机连接。通信控制单元解析波控分机传送的雷达工作指令，通过电机及传动结构，带动雷达阵列天线阵面进行水平360°方位旋转，并实时获取姿态传感器及编码器返回的角度信息，将载体横滚、俯仰的角度信息及当前波束指向的角度信息综合打包发送给波控分机，供波控分机进行实时自适应波束稳定下的幅相码计算，纠正补偿载体姿态对波束指向的影响。

校正前端的一端与T/R组件、行波耦合馈线连接，另一端与发射信道、接收信道连接；校正前端根据工作模式(校正模式及正常工作模式) 完成激励信号及接收和信号的放大切换，在该检测系统中作为激励源和接收源的通道切换。

发射信道用于产生点频脉冲激励信号与线性调频脉冲激励信号，同时提供整机相参频率基准、信号处理分机时钟等信号；接收信道用于接收和信号的放大、滤波变频等，同时控制发射信号工作频点、完成增益控制，并为整机产生时统时钟，以及主触发等各种时统信号，控制收发信道及T/R组件正常工作，发射信道与接收信道连接，接收信道与信号处理分机相连。

信号处理分机分别与波控分机、伺服分机及显控分机连接，信号处理分机对接收信道变频滤波后的中频模拟信号进行AD采集，并进行数字下变频、脉冲压缩、干扰抑制、杂波抑制、横虚警检测等信号处理，获得检测后的目标信息(距离信息、幅度信息)；并接收伺服分机的雷达波束当前俯仰角度以及方位角度，综合合并成检测目标检测结果(方位、距离、幅度)，以1000Mbps以太网口发送到显控分机。

显控分机与波控分机连接，主要为雷达系统工作提供人机界面，具有目标检测结果显示、目标跟踪等功能。显控分机对雷达的工作参数和工作模式进行控制以适应变化的环境，同时显控分机接收来自信号处理分机的雷达目标信息，基于海图、其他传感器(AIS、GPS、罗经)等数据完成目标的建航、编号、预测等任务，进行目标信息显示(或叠加显示)；同时处理目标数据，完成点迹合并，坐标变换，完成目标跟踪，输出目标航迹。

本发明的检测系统工作原理如下：

如图2所示，本发明的检测系统的雷达包含待机模式、幅相校正模式及正常探测模式。待机模式是系统上电后的默认模式；根据工作要求，显控分机给雷达各个分机、单元发出工作指令；首先进入多通道接收、发射幅相一致性校正，校正完成后，雷达进入正常探测模式。雷达发射时伺服分机带动微带天线阵面在水平360°方位旋转扫描，将载体姿态信息传送给波控分机，波控分机按照要求的波束控制指向和载体姿态信息计算相位及幅度控制码发送给T/R组件。发射信道产生发射激励信号，通过功分合成网络馈送给T/R组件，功率放大后馈送至雷达阵列天线阵面后向空间辐射，在空间实现发射功率合成满足规定的俯仰波束指向。目标后向散射的回波信号经天线接收，T/R组件进行低噪声放大，幅度相位控制，并经过功分合成网络得到和波束信号送至接收信道。接收信道完成变频滤波后，输出低中频信号给信号处理分机；信号处理分机完成中频采样量化，数字下变频、脉冲压缩、横虚警检测后，将目标信息发送给显控分机。显控分机接收来自信号处理分机输出的雷达目标信息，在显示器显示目标点迹，同时根据工作指令对信号处理分机输出的目标信息(方位、距离，幅度)进行点迹合并，坐标变换，完成目标跟踪，输出目标航迹。

如图3所示，本发明采用固态功放组合脉冲发射体制，发射信号采用点频脉冲窄信号与宽带线性调频信号组合发射的方式，以提高距离分辨率，减小距离盲区，降低雷达辐射功率。近量程条件下，要满足探测盲区、距离分辨率指标要求，雷达发射时宽40ns的点频脉冲。中等距离量程和远距离量程时，采用宽窄脉冲组合的方式，以窄脉冲发射来完成宽脉冲发射形成的盲区探测，完成全量程覆盖并减小距离盲区。

本发明中，根据采用固态功放组合脉冲发射体制，发射信号采用点频脉冲窄信号与宽带线性调频信号组合发射的方式，以提高距离分辨率，减小距离盲区，降低雷达辐射功率，本发明中的脉冲宽度根据量程进行设定，最小40ns，最大100us。近量程条件下，要满足探测盲区、距离分辨率指标要求，雷达发射时宽40ns的点频脉冲。中等距离量程和远距离量程时，采用宽窄脉冲组合的方式，以窄脉冲发射来完成宽脉冲发射形成的盲区探测，完成全量程覆盖并减小距离盲区。

由于不同量程采用多种发射信号，利用接收信号和发射信号的时差计算目标距离，水平面内360°全方位扫描，俯仰自适应保持波束稳定。信号处理分机对每个发射信号负责的区域进行距离分段处理、分段检测，对检测得到的结果进行拼接处理；对相同距离的检测结果，通过对比两个相邻脉冲的检测结果，取最大输出，形成最终的检测结果。

如图4所示，本发明采用基于行波耦合馈线的幅相校正方法完成各通道幅相校正，在T/R组件和雷达阵列天线阵面之间，插入一根行波耦合馈线。雷达阵列天线发射时，各个T/R组件的功率耦合一部分在行波馈线上线性叠加，通过校正前端、接收信道与A/D，得到发射校正的数据。雷达阵列天线阵面接收时，校正前端从行波耦合馈线输入激励信号，T/R 组件接收，在功分合成网络里面形成和波束，从A/D得到接收校正的数据。

本发明中，幅相校准算法在显控分机完成。显控分机控制波控分机，使波束指向某方向，信号处理分机采集合成信号，计算得到每个脉冲的幅相信息，得到E_fst，发送给显控分机；显控分机然后向波控分机发出指令，改变1#通道的移相值，信号处理分机再采集合成信号，得到E_fst。

根据移相值与两次采集的信号之差，就可以计算1#通道的幅相值。

如果移相值为

1#通道该频点下的幅相值就是差值的一半。

式中，c_k是耦合系数，可测量得到。在经过多次重复测量后，可计算出全部通道的真实幅相分布，然后得出幅相校正值。在该校正值条件下，重复上述过程，直至幅相校正值收敛，完成幅相校正。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统，其特征在于：包括雷达阵列天线阵面、行波耦合馈线、T/R组件、校正前端、波控分机、伺服分机、发射信道、接收信道、信号处理分机、显控分机和模块化电源；

伺服分机包括电机及传动结构、姿态传感器、编码器和通信控制单元，电机及传动结构、姿态传感器、编码器均与通信控制单元连接，电机及传动结构与雷达阵列天线阵面连接，通信控制单元与波控分机连接，通信控制单元解析波控分机传送的雷达工作指令并发送给电机及传动结构，控制单元控制电机及传动结构带动雷达阵列天线阵面进行旋转，并实时获取姿态传感器及编码器返回的角度信息，将载体的角度信息及当前波束指向的角度信息综合发送给波控分机，供波控分机进行实时自适应波束稳定下的幅相码计算以纠正补偿载体姿态对波束指向的影响；

发射信道与接收信道连接，接收信道与信号处理分机连接；

2.根据权利要求1所述的一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统，其特征在于：雷达阵列天线阵面包括若干水平微带线阵，水平方向采用中心对称、左右阵元反向馈电的微带线阵，水平微带线阵的垂直方向按阵元间距进行分布。

3.根据权利要求1所述的一种自适应波束稳定的Ku波段相控阵水面目标检测系统，其特征在于：波束稳定范围为-35°～+35°。