CN113267771A - 宽带调频连续波雷达系统及提升低速目标分辨能力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带调频连续波雷达系统及提升低速目标分辨能力的方法。在传统经典调频连续波雷达系统基础上，增设了点频连续波下变频通道开关；扫频源增加一个点频源，输出点频连续波，增加一个点频连续波下变频通道，数据送信号处理机，点频源和点频连续波下变频通道仅在点频连续波下变频通道开关开启时启动；信号处理机对点频连续波下变频通道数据做FFT求多普勒频移，求解速度数据，将和、差通道处理结果中，速度为0的目标，以求解点频连续波下变频通道数据得到的数据赋值。本发明能够提高系统对低速目标的分辨能力，且能够根据需要切换工作模式以适应测试分辨率和测试距离的需求。

Description

宽带调频连续波雷达系统及提升低速目标分辨能力的方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种宽带调频连续波雷达系统，以及一种宽带调频连续波雷达提升低速目标分辨能力的方法。
背景技术
现代调频连续波雷达通常采用DDS产生锯齿调频信号+回波二维FFT方式求解距离和速度。但对于宽带调频连续波雷达而言，DDS带宽不足，且有近端杂散问题，在宽带工作时尤为突出，故而通常采用DDS+锁相环方式扩展带宽，但此时系统只能发射三角调频信号。信号处理方式如下：在正调频斜率周期/负调频斜率周期内分别做FFT，目标的多普勒频移在两个扫频周期内的目标回波频谱有不同方向的偏移，静态目标则没有偏移，以此区分动/静目标以及解速度。
如图1所示为经典调频连续波雷达系统，包括扫频源、发射天线、接收天线、接收机和信号处理机，扫频源为宽带扫频源。宽带扫频源输出的宽带扫频信号经功分器后，一路经滤波后经发射天线发出，一路经滤波后送到和通道混频单元，还有一路经滤波后送到差通道混频单元。接收天线接收的信号经接收机送信号处理机处理，其中，接收机将接收天线接收的信号分别经和通道、差通道送信号处理机。进入和通道的信号经滤波、放大后，在和通道混频单元与一路宽带扫频信号混频，再进行低通滤波；进入差通道信号同样经滤波、放大后，在差通道混频单元与一路宽带扫频信号混频，再进行低通滤波。信号处理机分别对和通道、差通道来的信号进行处理，求解出速度数据。
采用以上方式，系统可辨别的最低速度推导如下：
FFT频谱分辨率
Figure BDA0003065866860000021
其中
Figure BDA0003065866860000022
其中fs为采样频率，N为FFT点数，Ts为采样周期，T为一个扫频周期的时间(观察时间)，故有：
Figure BDA0003065866860000023
固定站雷达多普勒频移：
Figure BDA0003065866860000024
其中Vr是目标速度，λ为波长。
可分辨判据：
fdoppler>Δ
故而目标速度必须满足下式(式1)：
Figure BDA0003065866860000025
由上式，在雷达波段确定后，此类系统对低速目标的分辨能力仅取决于信号持续时间(观察时间)。
实际上，由于对空雷达需要尽可能提高空域扫描速度，观察时间及其有限。通常来说小于数个mS，例如在Ka波段，最低可分辨的速度仍然难以达到3m/S。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种宽带调频连续波雷达系统，以提高对低速目标的分辨能力。
本发明采用的技术方案如下：
一种宽带调频连续波雷达系统，包括扫描源、发射天线、接收天线、接收机和信号处理机；所述扫频源至少包括点频源，所述点频源输出的点频连续波信号由所述发射天线输出；所述接收天线接收的信号经所述接收机送所述信号处理机处理，其中，所述接收机将所述接收天线接收的信号至少经点频连续波下变频通道送信号处理机；所述信号处理机至少对点频连续波下变频通道来的信号进行处理，求解出速度数据。
进一步的，信号处理机对点频连续波下变频通道来的信号进行处理，求解出速度数据，包括：对点频连续波下变频通道来的信号做FFT求解多普勒频移，求解速度数据。
进一步的，对于相控阵系统，进入所述点频连续波下变频通道的信号，从进入所述和通道的信号分路而来。
进一步的，所述接收机将所述接收天线接收的信号经点频连续波下变频通道送信号处理机，包括：将所述接收天线接收的信号经放大、滤波后，与点频连续波信号进行混频，经低通滤波后送所述信号处理机。
进一步的，还包括点频连续波模式开关，仅在所述点频连续波模式开启时，所述点频源和点频连续波下变频通道才开启。
为解决上述全部或部分问题，本发明还提供了一种宽带调频连续波雷达提升低速目标分辨能力的方法，应用于经典调频连续波雷达系统，所述经典调频连续波雷达系统包括扫频源、发射天线、接收天线、接收机和信号处理机；所述扫频源输出的信号经所述发射天线发射，所述接收天线接收的信号经所述接收机中的数据通道送所述信号处理机；所述方法包括：
改造扫频源：增加点频源，该点频源输出点频连续波信；
改造接收机：增加点频连续波下变频通道，数据送信号处理机；
改造信号处理机：对点频连续波下变频通道数据进行处理，求解速度数据。
进一步的，所述对点频连续波下变频通道数据进行处理，求解速度数据，包括：对点频连续波下变频通道数据做FFT求解多普勒频移，求解速度数据。
进一步的，所述接收机将所述接收天线接收的信号至少经点频连续波下变频通道送信号处理机，进入所述点频连续波下变频通道的信号，从所述接收机的其他数据通道的信号分路而来。
进一步的，经所述点频连续波下变频通道的信号的处理过程包括：将所述接收天线接收的信号经放大、滤波后，与点频连续波信号进行混频，经低通滤波后送所述信号处理机。
进一步的，对所述扫频源的改造还包括：设置点频连续波模式开关，在该点频连续波模式开关开启后，点频源和点频连续波下变频通道才开启。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明对于宽带雷达而言，点频源可以选择最高频点，从而减小波长，即减小式1中的λ，显著增加多普勒频移，从而提高对低速目标的分辨能力。
2、经典体制提高速度分辨率必须要求信号处理机增加单周期观察时间。然而经典体制单周期观察时间受限于雷达数据刷新率指标和累积周期数量。本发明中点频连续波下变频通道是持续观察的，可以跨越多个调频周期，故而成倍增加了式1中的T，提高了对低速目标的分辨能力。
3、本发明在设计或改造雷达系统时，设计了模式开关，可以根据对分辨率或测试距离的需求，切换工作模式，来对应保证系统的速度分辨率或测试距离。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是经典调频连续波雷达系统射频通道示意图。
图2是宽带调频连续波雷达系统射频通道示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明的宽带调频连续波雷达系统，包括扫描源、发射天线、接收天线、接收机和信号处理机。扫频源至少包括点频源，点频源输出的点频连续波信号由发射天线输出；扫频源还包括其他信号源时，各信号源输出的信号经合路后，由发射天线输出。接收天线接收的信号经接收机送信号处理机处理，其中，接收机将接收天线接收的信号至少经点频连续波下变频通道送信号处理机；信号处理机至少对点频连续波下变频通道来的信号进行处理，求解出速度数据。接收机还包括其他数据通道时，接收天线接收的信号分别经各数据通道送信号处理机进行处理，分别求解出对应的速度数据。
实施例一
本实施例的宽带调频连续波雷达系统以应用于相控阵系统为例进行说明，宽带调频连续波雷达系统包括扫频源、发射天线、接收天线、接收机和信号处理机。扫频源包括宽带扫频源和点频源。宽带扫频源输出的宽带扫频信号和点频源输出的点频连续波信号经合路后，由发射天线发射。接收天线接收的信号经接收机送信号处理机处理，其中，接收机将接收天线接收的信号分别经和通道、差通道和点频连续波下变频通道送信号处理机。信号处理机分别对和通道、差通道和点频连续波下变频通道来的信号进行处理，求解出对应速度数据，将对和、差通道处理结果中速度为0的目标，赋值对点频连续波下变频通道数据求解的速度数据。
经典调频连续波雷达系统结构如图1所示，如图2所示为本发明设计的宽带调频连续波雷达系统结构。实际来讲，本设计的设计要点在于，在经典调频连续波雷达系统基础上，分别对扫频源、接收机和信号处理机进行了改造：
改造扫频源：增加一个点频源，其输出点频连续波信。
改造接收机：增加一个点频连续波下变频通道，数据送信号处理机。
改造信号处理机：对点频连续波下变频通道数据做FFT求解多普勒频移，解速度。对和、差通道处理结果中，速度为0的目标，赋值对点频连续波下变频通道数据求解的速度。
由于采用多频点发射方式时，雷达作用距离有一定的降低，在一些实施例中，系统设计了点频连续波模式开关，仅在点频连续波模式开启时，点频源和点频连续波下变频通道才开启。
对于和通道、差通道的硬件设计，以及信号处理机对和通道数据、差通道数据的处理方法，均与经典调频连续波雷达系统相同，本申请不再对此相同部分内容进行详细介绍。对于改造部分，点频源输出的点频连续波信号经功分器后，一路与宽带扫频源输出的宽带扫频信号(经滤波后)合路，由发射天线输出，一路经滤波后，送到点频连续波下变频通道混频单元。进入点频连续波下变频通道的信号经滤波、放大后，与一路点频连续波信号混频，再进行低通滤波，送信号处理机。信号处理机对点频连续波下变频通道数据做FFT求解多普勒频移，解速度。
本系统中增加了点频源，点频源可以选择最高频点，显著增加多普勒频移，即将式1中的λ减小，从而提高对低速目标的分辨能力。经典体制需要降低数据刷新率或者牺牲目标发现概率才能达到的速度分辨率指标。本系统中的点频连续波下变频通道可以持续对信号进行观察，即增大扫描周期的时间T，同样也能够提高对低速目标的分辨能力。
实施例二
本实施例仍以应用于相控阵系统为例，公开了一种宽带调频连续波雷达系统，包括扫频源、发射天线、接收天线、接收机和信号处理机。扫频源包括宽带扫频源和点频源。优选的，扫频源上设计有点频连续波模式开关，仅在该开关开启后，点频源开启。宽带扫频源输出的宽带扫频信号经三功分器后，一路经滤波后送合路器，一路经滤波后送和通道混频单元，还有一路经滤波后送差通道混频单元。点频源输出的点频连续波信号经二功分器后，一路送到所述合路器，与宽带扫频信号合路后由发射天线发射出，另一路经滤波后，送点频连续波下变频通道混频单元。接收天线接收的信号，分别经接收机的和通道、差通道和点频连续波下变频通道送信号处理机处理。进入和通道的信号经放大后，进入二功分器，二功分器一路输出经滤波、放大后，在和通道混频单元与宽带扫频信号混频，再进行低通滤波，得到和通道I信号和和通道Q信号，二功分器另一路输出送点频连续波下变频通道。进入点频连续波下变频通道的信号经滤波后，在点频连续波下变频通道混频单元与点频连续波信号混频，再进行低通滤波，得到点频连续波下变频通道I信号和点频连续波下变频通道Q信号。进入差通道的信号经放大、滤波后，在差通道混频单元与宽带扫频信号混频，再进行低通滤波，得到差通道I信号和差通道Q信号。信号处理机根据和通道I信号、和通道Q信号、差通道I信号、差通道Q信号求解出第一速度数据，根据点频连续波下变频通道I信号和点频连续波下变频通道Q信号求解出第二速度数据，求解过程包括对调频连续波下变频通道I信号和点频连续波下变频通道Q信号做FFT求多普勒频移，解速度。对第一速度数据为0的目标，赋值对应求解的第二速度数据。
实施例三
本实施例本实施例的宽带调频连续波雷达系统以应用于非相控阵系统为例进行说明，宽带调频连续波雷达系统包括扫频源、发射天线、接收天线、接收机和信号处理机。扫频源包括点频源，点频源输出的点频连续波信号由所述发射天线输出。扫频源上可以设计点频连续波模式开关，仅在该开关开启后，点频源开启。接收天线接收的信号经接收机送信号处理机处理，其中，接收机将接收天线接收的信号经点频连续波下变频通道送信号处理机；信号处理机对点频连续波下变频通道来的信号做FFT求解多普勒频移，解速度。
在一些具体实施方式中，点频源输出的点频连续波信号经二功分器后，一路送发射天线输出，另一路经滤波后，送点频连续波下变频通道混频单元。接收天线接收的信号经点频连续波下变频通道送信号处理机，进入点频连续波下变频通道的信号经滤波后，在点频连续波下变频通道混频单元与点频连续波信号混频，再进行低通滤波，得到点频连续波下变频通道I信号和点频连续波下变频通道Q信号。信号处理机根据点频连续波下变频通道I信号和点频连续波下变频通道Q信号求解出第二速度数据，求解过程包括对调频连续波下变频通道I信号和点频连续波下变频通道Q信号做FFT求多普勒频移，解速度。
实施例四
本实施例公开了一种宽带调频连续波雷达提升低速目标分辨能力的方法，应用于经典调频连续波雷达系统，经典调频连续波雷达系统包括扫频源、发射天线、接收天线、接收机和信号处理机；扫频源输出的信号经发射天线发射，接收天线接收的信号经接收机中的数据通道送信号处理机。所述方法包括：
改造扫频源：增加点频源，该点频源输出点频连续波信；
改造接收机：增加点频连续波下变频通道，数据送信号处理机；
改造信号处理机：对点频连续波下变频通道数据进行处理，求解速度数据。
实施例五
本实施例以应用于相控阵系统为例，公开了一种宽带调频连续波雷达提升低速目标分辨能力的方法，应用于经典调频连续波雷达系统，如图1所示，该经典调频连续波雷达系统包括扫频源、发射天线、接收天线、接收机和信号处理机，扫频源为宽带扫频源。宽带扫频源输出的宽带扫频信号经功分器后，一路经滤波后经发射天线发出，一路经滤波后送到和通道混频单元，还有一路经滤波后送到差通道混频单元。接收天线接收的信号经接收机送信号处理机处理，其中，接收机将接收天线接收的信号分别经和通道、差通道送信号处理机。进入和通道的信号经滤波、放大后，再和通道混频单元与一路宽带扫频信号混频，再进行低通滤波；进入差通道信号同样经滤波、放大后，在差通道混频单元与一路宽带扫频信号混频，再进行低通滤波。信号处理机分别对和通道、差通道来的信号进行处理，求解出速度数据。
本方法通过以下方式提升低速目标分辨能力：
改造扫频源：增加一个点频源，其输出点频连续波信。
改造接收机：增加一个点频连续波下变频通道，数据送信号处理机。
改造信号处理机：对点频连续波下变频通道数据做FFT求解多普勒频移，解速度。对和、差通道处理结果中，速度为0的目标，赋值对点频连续波下变频通道数据求解的速度。
如图2所示，在一些实施例中，增加的点频源输出的点频连续波信经二功分器后，一路与宽带扫频源输出的宽带扫频信号(经滤波后)合路，由发射天线输出，一路经滤波后，送到点频连续波下变频通道混频单元。进入点频连续波下变频通道的信号经滤波、放大后，与一路点频连续波信号混频，再进行低通滤波，送信号处理机。信号处理机对点频连续波下变频通道数据做FFT求解多普勒频移，解速度。
在一些实施例中，对扫频源的改造还包括：设置点频连续波模式开关，在该点频连续波模式开关开启后，点频源和点频连续波下变频通道才开启。
本实施例是以相控阵系统为例进行举例说明，本设计的方法也可应用于非相控阵系统，对于非相控阵系统，则扫频源仅包括点频源，接收机仅包括点频连续波下变频通道。对于接收机，可以还设计其他数据通道已提高通用性，对此，点频连续波下变频通道的信号可由其他数据通道分路而来。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种宽带调频连续波雷达系统，其特征在于，包括扫描源、发射天线、接收天线、接收机和信号处理机；所述扫频源至少包括点频源，所述点频源输出的点频连续波信号由所述发射天线输出；所述接收天线接收的信号经所述接收机送所述信号处理机处理，其中，所述接收机将所述接收天线接收的信号至少经点频连续波下变频通道送信号处理机；所述信号处理机至少对点频连续波下变频通道来的信号进行处理，求解出速度数据。
2.如权利要求1所述的宽带调频连续波雷达系统，其特征在于，信号处理机对点频连续波下变频通道来的信号进行处理，求解出速度数据，包括：对点频连续波下变频通道来的信号做FFT求解多普勒频移，求解速度数据。
3.如权利要求1所述的宽带调频连续波雷达系统，其特征在于，对于相控阵系统，进入所述点频连续波下变频通道的信号，从进入和通道的信号分路而来。
4.如权利要求1所述的宽带调频连续波雷达系统，其特征在于，接收机将所述接收天线接收的信号经点频连续波下变频通道送信号处理机，包括：将所述接收天线接收的信号经放大、滤波后，与点频连续波信号进行混频，经低通滤波后送所述信号处理机。
5.如权利要求1～4任一所述的宽带调频连续波雷达系统，其特征在于，还包括点频连续波模式开关，仅在所述点频连续波模式开启时，所述点频源和点频连续波下变频通道才开启。
6.一种宽带调频连续波雷达提升低速目标分辨能力的方法，应用于经典调频连续波雷达系统，所述经典调频连续波雷达系统包括扫频源、发射天线、接收天线、接收机和信号处理机；所述扫频源输出的信号经所述发射天线发射，所述接收天线接收的信号经所述接收机中的数据通道送所述信号处理机；其特征在于，所述方法包括：
改造扫频源：增加点频源，该点频源输出点频连续波信；
改造接收机：增加点频连续波下变频通道，数据送信号处理机；
改造信号处理机：对点频连续波下变频通道数据进行处理，求解速度数据。
7.如权利要求6所述的宽带调频连续波雷达提升低速目标分辨能力的方法，其特征在于，所述对点频连续波下变频通道数据进行处理，求解速度数据，包括：对点频连续波下变频通道数据做FFT求解多普勒频移，求解速度数据。
8.如权利要求6所述的宽带调频连续波雷达提升低速目标分辨能力的方法，其特征在于，所述接收机将所述接收天线接收的信号至少经点频连续波下变频通道送信号处理机，进入所述点频连续波下变频通道的信号，从所述接收机的其他数据通道的信号分路而来。
9.如权利要求6所述的宽带调频连续波雷达提升低速目标分辨能力的方法，其特征在于，经所述点频连续波下变频通道的信号的处理过程包括：将所述接收天线接收的信号经放大、滤波后，与点频连续波信号进行混频，经低通滤波后送所述信号处理机。
10.如权利要求6～9任一所述的宽带调频连续波雷达提升低速目标分辨能力的方法，其特征在于，对所述扫频源的改造还包括：设置点频连续波模式开关，在该点频连续波模式开关开启后，点频源和点频连续波下变频通道才开启。
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