CN114755632A - 一种收发分置连续波相控阵雷达系统及其波束控制方法 - Google Patents

一种收发分置连续波相控阵雷达系统及其波束控制方法 Download PDF

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CN114755632A CN202210465494.5A CN202210465494A CN114755632A CN 114755632 A CN114755632 A CN 114755632A CN 202210465494 A CN202210465494 A CN 202210465494A CN 114755632 A CN114755632 A CN 114755632A
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Abstract

本发明公开了一种收发分置连续波相控阵雷达系统及其波束控制方法，该系统的阵列天线结构布局选择四阵列结构布局，每一阵列方位覆盖90°范围，且收发阵面分置，间隔45°交替设置；方法为：根据阵列天线结构布局，确定相控阵雷达空间坐标系下的阵列方位向扫描范围；根据相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围，确定最佳阵面倾角以及阵列天线几何构型；确定阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距；确定阵列天线方位向单元数和俯仰向单元数；在正弦空间坐标系下确定波位编排；在相控阵雷达球坐标系下确定波束分布；控制阵列天线单元幅度和相位，形成发射波束和接收波束。本发明解决了连续波雷达泄露信号抑制问题，提高了连续波雷达探测性能。

Description

一种收发分置连续波相控阵雷达系统及其波束控制方法
技术领域
本发明涉及雷达系统设计技术领域，特别是一种收发分置连续波相控阵雷达系统及其波束控制方法。
背景技术
相控阵雷达能够完成目标搜索、跟踪、探测和识别等多种任务，能同时监视和跟踪多个目标，因而在防空警戒、多目标弹道测量等领域得到了广泛的应用。传统脉冲调制相控阵雷达，发射机采用磁控管结构，存在体积大、效率低、且脉冲宽度和调制带宽难以调节等缺点。
近年来，随着先进固态器件技术的发展，采用全固态发射机的有源相控阵雷达具有体积小、重量轻、可靠性高和成本低等特点。基于收发分置连续波调制的有源相控阵雷达可发射灵活易变的大占空比波形，能够大大降低雷达峰值辐射功率，具有良好的低截获性能，同时可消除距离盲区，其关键在于连续波雷达泄露信号抑制技术。
目前，连续波雷达泄露信号抑制采用射频对消和空间隔离技术。射频对消技术通过耦合发射机的输出信号作为对消信号，可防止强泄露信号造成雷达接收前端饱和。该技术仅对消发射泄露信号，而不能抑制发射信号边带噪声。泄露到接收机内的发射信号边带噪声功率Nleak(dBW)可表示为Nleak＝PCW+η+Bn-Dg，式中，PCW(dBW)表示发射信号功率，η(dBc/Hz)表示发射信号相位噪声，Bn(dBHz)表示检测带宽，即傅里叶变换后子滤波器带宽，Dg(dB)表示收发天线隔离度。例如，当PCW＝20dBW，η＝-120dBc/Hz，为防止发射信号边带噪声抬高接收机噪底，要求发射信号边带噪声功率低于接收机噪声功率，即要求：20dBW-120dBc/Hz+Bn-Dg≤-204dBW/Hz+Bn，得到Dg≥104dB，表明收发天线隔离度至少为104dB才能满足系统设计要求。因此，提高收发天线隔离度成为连续波雷达泄露信号抑制的关键，现有的连续波相控阵雷达系统存在的问题为：收发天线隔离度较低，制约了连续波雷达探测能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种收发分置连续波相控阵雷达系统及其波束控制方法，利用45°间隔放置的收发阵面增加收发天线空间距离，实现发射信号和接收信号的高隔离度，解决连续波雷达泄露信号抑制问题，提高连续波雷达探测性能。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种收发分置连续波相控阵雷达系统，该系统的阵列天线结构布局选择四阵列结构布局，每一阵列方位覆盖90°范围，并且收发阵面分置，发射阵、接收阵间隔45°交替设置；
阵列天线的最佳阵面倾角以及阵列天线几何构型，根据相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围确定；
阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距，根据最佳阵面倾角以及相控阵雷达空间坐标系下方位向扫描范围和俯仰向扫描范围确定；
阵列天线方位向单元数和俯仰向单元数，根据阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距以及方位向波束宽度和俯仰向波束宽度的要求确定；
正弦空间坐标系下的波位编排，根据相控阵雷达正弦空间扫描区域范围，在正弦空间坐标系下确定；
相控阵雷达球坐标系下的波束分布，根据相控阵雷达正弦空间坐标系下的波位编排，在相控阵雷达球坐标系下确定；
发射波束和接收波束，根据相控阵雷达球坐标系下波束分布，控制阵列天线单元幅度和相位而形成。
一种收发分置连续波相控阵雷达系统的波束控制方法，系统的阵列天线结构布局选择四阵列结构布局，每一阵列方位覆盖90°范围，并且收发阵面分置，发射阵、接收阵间隔45°交替设置，波束控制方法步骤如下：
步骤1、根据阵列天线结构布局，确定相控阵雷达空间坐标系下的阵列方位向扫描范围；
步骤2、根据相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围，确定最佳阵面倾角以及阵列天线几何构型；
步骤3、根据步骤2中确定的最佳阵面倾角以及相控阵雷达空间坐标系下方位向扫描范围和俯仰向扫描范围，确定相控阵雷达正弦空间扫描区域范围以及阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距；
步骤4、根据步骤3中确定的阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距以及方位向波束宽度和俯仰向波束宽度的要求，确定阵列天线方位向单元数和俯仰向单元数；
步骤5、根据步骤3中确定的相控阵雷达正弦空间扫描区域范围，在正弦空间坐标系下确定波位编排；
步骤6、根据步骤5中相控阵雷达正弦空间坐标系下确定的编排波位，在相控阵雷达球坐标系下确定波束分布；
步骤7、根据步骤6中相控阵雷达球坐标系下波束分布，控制阵列天线单元幅度和相位，形成发射波束和接收波束。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)收发天线高隔离度：收发阵面45°间隔放置，同时在俯仰位置上错开，在有限的空间范围内可以实现大间距的空间隔离，可在收发天线阵面之间灵活开设扼流槽、铺设吸波材料等措施来进一步提高收发天线阵面之间的隔离度，解决了连续波雷达探测能力受收发天线隔离度制约的问题；
(2)降低双程波束扫描损耗波动：波束在扫描过程中，偏离阵列法线的扫描角越大，波束扫描损耗越大，传统收发阵列共面，双程波束扫描损耗是单程波束扫描损耗的2倍，导致远离阵列法线的扫描角波束损耗比法线方向多达3～4dB左右；而本方法收发波束45°互补，波束损耗波动在0.8～1dB左右，可保证波束在扫描范围内获得相对恒定的探测威力，有利于切向运动目标的检测。
附图说明
图1是本发明的总流程图。
图2是本发明所使用的阵列天线结构布局图。
图3是本发明所使用的天线阵列在笛卡尔坐标系中的几何模型图。
图4是本发明方法得到的阵列法线方向三维波束方向图。
图5是本发明方法得到的相控阵雷达正弦空间坐标系下确定的编排波位图。
图6是本发明方法得到的相控阵雷达正弦空间坐标系下的波束指向图。
图7是本发明方法得到的相控阵雷达空间坐标系下的波束指向图。
图8是本发明方法得到的相控阵雷达正弦空间坐标系下的发射波束和接收波束指向图。
图9是本发明方法得到的相控阵雷达波束扫描过程中产生的扫描损耗图。
具体实施方式
本发明针对收发天线隔离度较低的问题，采用收发分置天线，提高发射信号和接收信号隔离度，其中关键在于增加收发天线空间距离。因此，设计收发阵面45°间隔放置的有源相控阵雷达系统。当天线阵面位置固定，收发波束控制是实现相控阵雷达空间扫描的关键，因此本发明还针对收发分置连续波相控阵雷达系统设计了波束控制方法。
本发明一种收发分置连续波相控阵雷达系统，该系统的阵列天线结构布局选择四阵列结构布局，每一阵列方位覆盖90°范围，并且收发阵面分置，发射阵、接收阵间隔45°交替设置；
阵列天线的最佳阵面倾角以及阵列天线几何构型，根据相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围确定；
阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距，根据最佳阵面倾角以及相控阵雷达空间坐标系下方位向扫描范围和俯仰向扫描范围确定；
阵列天线方位向单元数和俯仰向单元数，根据阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距以及方位向波束宽度和俯仰向波束宽度的要求确定；
正弦空间坐标系下的波位编排，根据相控阵雷达正弦空间扫描区域范围，在正弦空间坐标系下确定；
相控阵雷达球坐标系下的波束分布，根据相控阵雷达正弦空间坐标系下的波位编排，在相控阵雷达球坐标系下确定；
发射波束和接收波束，根据相控阵雷达球坐标系下波束分布，控制阵列天线单元幅度和相位而形成。
作为一种具体示例，相控阵雷达空间坐标系下的每一阵列方位向扫描范围为az＝[-45°,45°]，以发射阵1法线方向为0°，顺时针方向为正，发射阵1方位扫描区域为(315°，360°)和(315°，45°)，发射阵2方位扫描区域为(45°，135°)，发射阵3方位扫描区域为(135°，225°)，发射阵4方位扫描区域为(225°，315°)；接收阵面相比于发射阵面错开45°，接收阵1方位扫描区域为(0°，90°)，接收阵2方位扫描区域为(90°，180°)，接收阵3方位扫描区域为(180°，270°)，接收阵4方位扫描区域为(270°，360°)。
作为一种具体示例，所述阵列天线的最佳阵面倾角以及阵列天线几何构型，通过以下过程确定：
记相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围为el，为使给定的扫描范围内波束的最大扫描角最小，确定最佳阵面倾角满足
Figure BDA0003623840060000041
其中elmax表示俯仰向最大扫描角，elmin表示俯仰向最小扫描角；
阵列天线几何构型选用矩形栅格，天线单元位置等间隔排列。
作为一种具体示例，所述阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距，通过以下过程确定：
根据相控阵雷达空间坐标系到正弦空间坐标系的转换公式，确定相控阵雷达正弦空间扫描区域范围：
α＝cos(el)×sin(az)
β＝sin(el)×cos(θT)-cos(el)×cos(az)×sin(θT)
其中α表示相控阵雷达正弦空间横坐标，β表示正弦空间纵坐标；az、el分别为相控阵雷达空间坐标系下方位向扫描范围和俯仰向扫描范围；θT为最佳阵面倾角；
参照阵列天线在笛卡尔坐标系中的几何模型，阵列天线排布在x-y平面内，阵列天线方位向单元间距记为dx，根据方位向扫描范围内不出现栅瓣条件，确定方位向单元间距满足
Figure BDA0003623840060000051
其中λmin表示最小工作波长；
阵列天线俯仰向单元间距记为dy，根据俯仰向扫描范围内不出现栅瓣条件，确定俯仰向单元间距满足
Figure BDA0003623840060000052
作为一种具体示例，所述阵列天线方位向单元数和俯仰向单元数，通过以下过程确定：
根据确定的方位向单元间距以及方位向波束宽度要求，阵列天线方位向单元数Ns满足
Figure BDA0003623840060000053
其中λmax表示最大工作波长，θ3dB表示方位向3dB波束宽度；
根据确定的俯仰向单元间距以及俯仰向波束宽度要求，阵列天线俯仰向单元数Ms满足
Figure BDA0003623840060000054
Figure BDA0003623840060000055
表示俯仰向3dB波束宽度。
作为一种具体示例，所述正弦空间坐标系下的波位编排，波束编排方式选用交错波束，方位向3dB波束宽度间隔排布，俯仰向2.2dB波束宽度间隔排布，确定正弦空间坐标系下编排波位的坐标(αij,βij)，其中αij表示第i行第j个波位的正弦空间横坐标，βij表示第i行第j个波位的正弦空间纵坐标；
相控阵雷达球坐标系下波束指向
Figure BDA0003623840060000061
为：
Figure BDA0003623840060000062
Figure BDA0003623840060000063
其中θij表示相控阵雷达球坐标系下第i行第j个波束方位指向，
Figure BDA00036238400600000610
表示第i行第j个波束俯仰指向；
相控阵雷达空间坐标系下波束指向(azij,elij)为：
Figure BDA0003623840060000064
Figure BDA0003623840060000065
其中azij表示相控阵雷达空间坐标系下第i行第j个波束方位指向，elij表示第i行第j个波束俯仰指向。
作为一种具体示例，所述发射波束和接收波束，根据相控阵雷达球坐标系下波束分布，控制阵列天线单元幅度和相位而形成，其中：
发射阵列天线单元相位控制为：
Figure BDA0003623840060000066
其中，
Figure BDA0003623840060000067
Figure BDA0003623840060000068
n＝0,1,…,Ns-1表示第n行天线单元，Ns表示方位向天线单元数，m＝0,1,…,Ms-1表示第m列天线单元，Ms表示俯仰向天线单元数；
接收阵列天线单元相位控制为：
Figure BDA0003623840060000069
其中，
Figure BDA0003623840060000071
Figure BDA0003623840060000072
Figure BDA0003623840060000073
Figure BDA0003623840060000074
Figure BDA0003623840060000075
Figure BDA0003623840060000076
θT表示最佳阵面倾角。
本发明收发分置连续波相控阵雷达系统的波束控制方法，系统的阵列天线结构布局选择四阵列结构布局，每一阵列方位覆盖90°范围，并且收发阵面分置，发射阵、接收阵间隔45°交替设置，波束控制方法步骤如下：
步骤1、根据阵列天线结构布局，确定相控阵雷达空间坐标系下的阵列方位向扫描范围；
步骤2、根据相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围，确定最佳阵面倾角以及阵列天线几何构型；
步骤3、根据步骤2中确定的最佳阵面倾角以及相控阵雷达空间坐标系下方位向扫描范围和俯仰向扫描范围，确定相控阵雷达正弦空间扫描区域范围以及阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距；
步骤4、根据步骤3中确定的阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距以及方位向波束宽度和俯仰向波束宽度的要求，确定阵列天线方位向单元数和俯仰向单元数；
步骤5、根据步骤3中确定的相控阵雷达正弦空间扫描区域范围，在正弦空间坐标系下确定波位编排；
步骤6、根据步骤5中相控阵雷达正弦空间坐标系下确定的编排波位，在相控阵雷达球坐标系下确定波束分布；
步骤7、根据步骤6中相控阵雷达球坐标系下波束分布，控制阵列天线单元幅度和相位，形成发射波束和接收波束。
作为一种具体示例，步骤5中波束编排方式选用交错波束，方位向3dB波束宽度间隔排布，俯仰向2.2dB波束宽度间隔排布，确定正弦空间坐标系下编排波位的坐标(αij,βij)，其中αij表示第i行第j个波位的正弦空间横坐标，βij表示第i行第j个波位的正弦空间纵坐标。
作为一种具体示例，所述步骤7具体如下：
(7.1)控制发射阵列天线单元幅度和相位，在空间完成发射波束合成，形成发射波束，发射阵列天线单元相位控制公式如下：
Figure BDA0003623840060000081
其中，
Figure BDA0003623840060000082
Figure BDA0003623840060000083
n＝0,1,…,Ns-1表示第n行天线单元，Ns表示方位向天线单元数，m＝0,1,…,Ms-1表示第m列天线单元，Ms表示俯仰向天线单元数；
(7.2)控制接收阵列天线单元幅度和相位，在阵列天线接收端合成形成接收波束，接收阵列天线单元相位控制公式如下：
Figure BDA0003623840060000084
其中，
Figure BDA0003623840060000085
Figure BDA0003623840060000086
Figure BDA0003623840060000087
Figure BDA0003623840060000088
Figure BDA0003623840060000091
Figure BDA0003623840060000092
θT表示最佳阵面倾角。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
实施例
本发明提供一种收发分置连续波相控阵雷达系统及其波束控制方法，其实现步骤如图1所示。
步骤1、根据阵列天线结构布局，确定相控阵雷达空间坐标系下的阵列方位向扫描范围。
(1.1)探测海/地面和低空目标，360°全方位搜索，为减小口径损耗和天线单元失配，选择四阵列结构布局，每一阵列方位覆盖90°范围，即相控阵雷达空间坐标系下的阵列方位向扫描范围为az＝[-45°,45°]；
(1.2)参照图2，收发阵面分置，间隔45°放置。以发射阵1法线方向为0°，顺时针方向为正，发射阵1方位扫描区域为(315°，360°)和(315°，45°)，发射阵2方位扫描区域为(45°，135°)，发射阵3方位扫描区域为(135°，225°)，发射阵4方位扫描区域为(225°，315°)；接收阵面相比于发射阵面错开45°，接收阵1方位扫描区域为(0°，90°)，接收阵2方位扫描区域为(90°，180°)，接收阵3方位扫描区域为(180°，270°)，接收阵4方位扫描区域为(270°，360°)。
步骤2、根据相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围，确定最佳阵面倾角以及阵列天线几何构型。
(2.1)记相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围为el，为使给定的扫描范围内波束的最大扫描角最小，确定最佳阵面倾角满足
Figure BDA0003623840060000101
其中elmax表示俯仰向最大扫描角，elmin表示俯仰向最小扫描角；
(2.2)阵列天线几何构型选用矩形栅格，天线单元位置等间隔排列。
步骤3、根据步骤2中确定的最佳阵面倾角θT以及相控阵雷达空间坐标系下方位向扫描范围az和俯仰向扫描范围el，确定阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距。
(3.1)根据相控阵雷达空间坐标系到正弦空间坐标系的转换公式，确定相控阵雷达正弦空间扫描区域范围，求解步骤如下：
α＝cos(el)×sin(az)
β＝sin(el)×cos(θT)-cos(el)×cos(az)×sin(θT)
其中α表示相控阵雷达正弦空间横坐标，β表示正弦空间纵坐标；
(3.2)参照图3阵列天线在笛卡尔坐标系中的几何模型，阵列天线排布在x-y平面内，阵列天线方位向单元间距记为dx。根据方位向扫描范围内不出现栅瓣条件，确定方位向单元间距满足
Figure BDA0003623840060000102
其中λmin表示最小工作波长；
(3.3)阵列天线俯仰向单元间距记为dy，根据俯仰向扫描范围内不出现栅瓣条件，确定俯仰向单元间距满足
Figure BDA0003623840060000103
步骤4、根据步骤3中确定的阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距以及方位向波束宽度和俯仰向波束宽度的要求，确定阵列天线方位向单元数和俯仰向单元数。
(4.1)根据步骤(3.2)确定的方位向单元间距以及方位向波束宽度要求，阵列天线方位向单元数满足
Figure BDA0003623840060000104
其中λmax表示最大工作波长，θ3dB表示方位向3dB波束宽度；
(4.2)根据步骤(3.3)确定的俯仰向单元间距以及俯仰向波束宽度要求，阵列天线俯仰向单元数满足
Figure BDA0003623840060000105
Figure BDA0003623840060000106
表示俯仰向3dB波束宽度。
步骤5、根据步骤(3.1)中确定的相控阵雷达正弦空间扫描区域范围，在正弦空间坐标系下确定波位编排，具体为：
(5.1)令俯仰向扫描角最小，方位向扫描变化，得到相控阵雷达正弦空间扫描区域的下边界，确定下边界最小值βmin＝min(sin(elmin)×cos(θT)-cos(elmin)×cos(az)×sin(θT))，左边界最小值αmin＝min(cos(elmin)×sin(az))，右边界最大值αmax＝max(cos(elmin)×sin(az))，其中min(·)表示取最小值，max(·)表示取最大值；
(5.2)令俯仰向扫描角最大，方位向扫描变化，得到相控阵雷达正弦空间扫描区域的上边界，确定上边界最大值βmax＝max(sin(elmax)×cos(θT)-cos(elmax)×cos(az)×sin(θT))；
(5.3)根据步骤(5.1)和(5.2)中确定的扫描区域边界确定编排的波束个数，求解步骤如下：
(5.3a)波束编排方式选用交错波束，方位向3dB波束宽度间隔排布，俯仰向2.2dB波束宽度间隔排布；
(5.3b)以扫描区域的下边界开始编排波位，记为第1行波位，则最大波位行数确定为
Figure BDA0003623840060000111
其中round(·)表示四舍五入取整；
(5.3c)进行奇数行波位编排，纵坐标为
Figure BDA0003623840060000112
其中i≤row，i＝1,3,…表示奇数行，横坐标初始选为
Figure BDA0003623840060000113
在αmin和αmax范围内间隔θ3dB左右排布；
(5.3d)进行偶数行波位编排，纵坐标为
Figure BDA0003623840060000114
其中i≤row，i＝2,4,…表示偶数行，横坐标初始选为0，在αmin和αmax范围内间隔θ3dB左右排布。
步骤6、根据步骤5中相控阵雷达正弦空间坐标系下确定的编排波位，在相控阵雷达球坐标系下确定波束分布，求解步骤如下：
记步骤5中相控阵雷达正弦空间坐标系下确定的编排波位为(αij,βij)，其中i＝1,2,…表示第i行，j＝1,2,…表示第j个波位，则相控阵雷达球坐标系下波束指向
Figure BDA0003623840060000121
为：
Figure BDA0003623840060000122
Figure BDA0003623840060000123
其中θij表示相控阵雷达球坐标系下第i行第j个波束方位指向，
Figure BDA0003623840060000128
表示第i行第j个波束俯仰指向。
相控阵雷达空间坐标系下波束指向(azij,elij)为：
Figure BDA0003623840060000124
Figure BDA0003623840060000125
其中azij表示相控阵雷达空间坐标系下第i行第j个波束方位指向，elij表示第i行第j个波束俯仰指向。
步骤7、根据步骤6中相控阵雷达球坐标系下波束分布，控制阵列天线单元幅度和相位，形成发射波束和接收波束，具体包括：
(7.1)控制发射阵列天线单元幅度和相位，在空间完成发射波束合成，形成发射波束；
参照图3，以(0,0)位置阵列天线单元作为参考单元，控制(n,m)位置阵列天线单元相位为：
Figure BDA0003623840060000126
其中n＝0,1,…,Ns-1表示第n列天线单元，m＝0,1,…,Ms-1表示第m行天线单元。空间合成的发射波束为：
Figure BDA0003623840060000127
其中Y表示发射频率-波束响应函数，f(w)表示发射信号的频谱，Anm表示发射阵列天线单元信号幅度加权。
(7.2)控制接收阵列天线单元幅度和相位，在阵列天线接收端合成形成接收波束；
由于收发阵面45°间隔放置，方位向波束指向错开45°接收，控制(n,m)位置接收阵列天线单元相位为：
Figure BDA0003623840060000131
其中
Figure BDA0003623840060000132
Figure BDA0003623840060000133
Figure BDA0003623840060000134
Figure BDA0003623840060000135
合成的接收波束为：
Figure BDA0003623840060000136
其中Y′表示接收频率-波束响应函数，f′(w)表示回波信号的频谱，An′m表示接收阵列天线单元信号幅度加权。
本发明的效果通过以下仿真实验进一步说明：
1.实验条件：根据某X波段宽带数字阵列雷达要求，方位向扫描范围为-45°～45°，俯仰向扫描范围为0°～30°，阵列法线方向方位波束宽度≤3.5°，俯仰波束宽度≤5.5°，选择均匀矩形阵列，阵面倾角10°，方位向单元数32，单元间距选择为0.56λmin，俯仰向单元数16，单元间距选择为0.7λmin，其中λmin表示最小工作波长。
2.仿真内容：
仿真1，基于上述仿真参数，图4给出了本发明方法得到的阵列法线方向三维波束方向图，方位向3dB波束宽度为2.9°，俯仰向3dB波束宽度为4.64°，满足指标要求。其中，x-轴表示正弦空间横坐标，
Figure BDA0003623840060000137
y-轴表示正弦空间纵坐标，
Figure BDA0003623840060000138
z-轴表示正弦空间归一化波束增益。
仿真2，基于上述仿真参数，图5给出了本发明方法得到的相控阵雷达正弦空间坐标系下确定的编排波位，图6给出了本发明方法得到的相控阵雷达正弦空间坐标系下的波束指向，图7给出了本发明方法得到的相控阵雷达空间坐标系下的波束指向。为减少编排波位的数量，节省时间资源，剔除了波束指向在扫描空域之外的波位。从图中可以看出，本发明方法编排的波位可覆盖所需空域，说明本发明所提出方法是正确可行的。
仿真3，基于上述仿真参数，以发射波束空间方位扫描范围[0°,45°]为例，则对应的接收波束空间方位扫描范围为[-45°,0°]。图8给出了本发明方法得到的相控阵雷达正弦空间坐标系下的发射波束和接收波束指向，其中，*表示发射波束指向，o表示接收波束指向。
仿真4，基于上述仿真参数，图9给出了本发明方法得到的相控阵雷达波束扫描过程中产生的扫描损耗。从图中可以看出，扫描损耗在0.7dB～1.6dB之间波动，波动范围0.9dB。作为对比，图中也给出了传统的共面收发阵列在波束扫描过程中产生的扫描损耗。从图中可以看出，扫描损耗在0～3dB之间波动，波动范围3dB。因此，本发明方法可有效降低双程波束扫描损耗波动，可保证波束在扫描范围内获得相对恒定的探测威力，有利于切向运动目标的检测。
本发明公开了一种收发分置连续波相控阵雷达系统及其波束控制方法，主要解决现有连续波雷达信号泄露降低探测威力的问题，其实现步骤是：1.根据阵列天线结构布局，确定相控阵雷达空间坐标系下的阵列方位向扫描范围，选择四阵列结构布局，发射阵面和接收阵面间隔45°排布；2.根据相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围，确定最佳阵面倾角以及阵列天线几何构型，选用矩形栅格；3.确定阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距；4.确定阵列天线方位向单元数和俯仰向单元数；5.在正弦空间坐标系下确定波位编排；6.在相控阵雷达球坐标系下确定波束分布；7.控制阵列天线单元幅度和相位，形成发射波束和接收波束。
本发明利用45°间隔放置的收发阵面增加收发天线空间距离，实现发射信号和接收信号的高隔离度，解决了连续波雷达探测能力受收发天线隔离度制约的问题，提高了连续波雷达探测威力，结合脉冲压缩信号处理技术，实现了高信号处理增益，获得目标远距离探测性能，同时可有效降低双程波束扫描损耗波动，有利于切向运动目标的检测，可广泛用于空海警戒、战场侦察等三坐标雷达。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种收发分置连续波相控阵雷达系统，其特征在于，该系统的阵列天线结构布局选择四阵列结构布局，每一阵列方位覆盖90°范围，并且收发阵面分置，发射阵、接收阵间隔45°交替设置；
阵列天线的最佳阵面倾角以及阵列天线几何构型，根据相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围确定；
阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距，根据最佳阵面倾角以及相控阵雷达空间坐标系下方位向扫描范围和俯仰向扫描范围确定；
阵列天线方位向单元数和俯仰向单元数，根据阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距以及方位向波束宽度和俯仰向波束宽度的要求确定；
正弦空间坐标系下的波位编排，根据相控阵雷达正弦空间扫描区域范围，在正弦空间坐标系下确定；
相控阵雷达球坐标系下的波束分布，根据相控阵雷达正弦空间坐标系下的波位编排，在相控阵雷达球坐标系下确定；
发射波束和接收波束，根据相控阵雷达球坐标系下波束分布，控制阵列天线单元幅度和相位而形成。
2.根据权利要求1所述的收发分置连续波相控阵雷达系统，其特征在于，相控阵雷达空间坐标系下的每一阵列方位向扫描范围为az＝[-45°,45°]，以发射阵1法线方向为0°，顺时针方向为正，发射阵1方位扫描区域为(315°，360°)和(315°，45°)，发射阵2方位扫描区域为(45°，135°)，发射阵3方位扫描区域为(135°，225°)，发射阵4方位扫描区域为(225°，315°)；接收阵面相比于发射阵面错开45°，接收阵1方位扫描区域为(0°，90°)，接收阵2方位扫描区域为(90°，180°)，接收阵3方位扫描区域为(180°，270°)，接收阵4方位扫描区域为(270°，360°)。
3.根据权利要求1所述的收发分置连续波相控阵雷达系统，其特征在于，所述阵列天线的最佳阵面倾角以及阵列天线几何构型，通过以下过程确定：
记相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围为el，为使给定的扫描范围内波束的最大扫描角最小，确定最佳阵面倾角满足
Figure FDA0003623840050000011
其中elmax表示俯仰向最大扫描角，elmin表示俯仰向最小扫描角；
阵列天线几何构型选用矩形栅格，天线单元位置等间隔排列。
4.根据权利要求3所述的收发分置连续波相控阵雷达系统，其特征在于，所述阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距，通过以下过程确定：
根据相控阵雷达空间坐标系到正弦空间坐标系的转换公式，确定相控阵雷达正弦空间扫描区域范围：
α＝cos(el)×sin(az)
β＝sin(el)×cos(θT)-cos(el)×cos(az)×sin(θT)
其中α表示相控阵雷达正弦空间横坐标，β表示正弦空间纵坐标；az、el分别为相控阵雷达空间坐标系下方位向扫描范围和俯仰向扫描范围；θT为最佳阵面倾角；
参照阵列天线在笛卡尔坐标系中的几何模型，阵列天线排布在x-y平面内，阵列天线方位向单元间距记为dx，根据方位向扫描范围内不出现栅瓣条件，确定方位向单元间距满足
Figure FDA0003623840050000021
其中λmin表示最小工作波长；
阵列天线俯仰向单元间距记为dy，根据俯仰向扫描范围内不出现栅瓣条件，确定俯仰向单元间距满足
Figure FDA0003623840050000022
5.根据权利要求4所述的收发分置连续波相控阵雷达系统，其特征在于，所述阵列天线方位向单元数和俯仰向单元数，通过以下过程确定：
根据确定的方位向单元间距以及方位向波束宽度要求，阵列天线方位向单元数Ns满足
Figure FDA0003623840050000023
其中λmax表示最大工作波长，θ3dB表示方位向3dB波束宽度；
根据确定的俯仰向单元间距以及俯仰向波束宽度要求，阵列天线俯仰向单元数Ms满足
Figure FDA0003623840050000024
Figure FDA0003623840050000025
表示俯仰向3dB波束宽度。
6.根据权利要求5所述的收发分置连续波相控阵雷达系统，其特征在于，所述正弦空间坐标系下的波位编排，波束编排方式选用交错波束，方位向3dB波束宽度间隔排布，俯仰向2.2dB波束宽度间隔排布，确定正弦空间坐标系下编排波位的坐标(αij,βij)，其中αij表示第i行第j个波位的正弦空间横坐标，βij表示第i行第j个波位的正弦空间纵坐标；
相控阵雷达球坐标系下波束指向
Figure FDA0003623840050000031
为：
Figure FDA0003623840050000032
Figure FDA0003623840050000033
其中θij表示相控阵雷达球坐标系下第i行第j个波束方位指向，
Figure FDA0003623840050000034
表示第i行第j个波束俯仰指向；
相控阵雷达空间坐标系下波束指向(azij,elij)为：
Figure FDA0003623840050000035
Figure FDA0003623840050000036
其中azij表示相控阵雷达空间坐标系下第i行第j个波束方位指向，elij表示第i行第j个波束俯仰指向。
7.根据权利要求1所述的收发分置连续波相控阵雷达系统，其特征在于，所述发射波束和接收波束，根据相控阵雷达球坐标系下波束分布，控制阵列天线单元幅度和相位而形成，其中：
发射阵列天线单元相位控制为：
Figure FDA0003623840050000037
其中，
Figure FDA0003623840050000038
Figure FDA0003623840050000039
n＝0,1,…,Ns-1表示第n行天线单元，Ns表示方位向天线单元数，m＝0,1,…,Ms-1表示第m列天线单元，Ms表示俯仰向天线单元数；
接收阵列天线单元相位控制为：
Figure FDA0003623840050000041
其中，
Figure FDA0003623840050000042
Figure FDA0003623840050000043
Figure FDA0003623840050000044
Figure FDA0003623840050000045
Figure FDA0003623840050000046
Figure FDA0003623840050000047
θT表示最佳阵面倾角。
8.一种收发分置连续波相控阵雷达系统的波束控制方法，其特征在于，系统的阵列天线结构布局选择四阵列结构布局，每一阵列方位覆盖90°范围，并且收发阵面分置，发射阵、接收阵间隔45°交替设置，波束控制方法步骤如下：
步骤1、根据阵列天线结构布局，确定相控阵雷达空间坐标系下的阵列方位向扫描范围；
步骤2、根据相控阵雷达空间坐标系下的俯仰向扫描范围，确定最佳阵面倾角以及阵列天线几何构型；
步骤3、根据步骤2中确定的最佳阵面倾角以及相控阵雷达空间坐标系下方位向扫描范围和俯仰向扫描范围，确定相控阵雷达正弦空间扫描区域范围以及阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距；
步骤4、根据步骤3中确定的阵列天线方位向单元间距和俯仰向单元间距以及方位向波束宽度和俯仰向波束宽度的要求，确定阵列天线方位向单元数和俯仰向单元数；
步骤5、根据步骤3中确定的相控阵雷达正弦空间扫描区域范围，在正弦空间坐标系下确定波位编排；
步骤6、根据步骤5中相控阵雷达正弦空间坐标系下确定的编排波位，在相控阵雷达球坐标系下确定波束分布；
步骤7、根据步骤6中相控阵雷达球坐标系下波束分布，控制阵列天线单元幅度和相位，形成发射波束和接收波束。
9.根据权利要求8所述的收发分置连续波相控阵雷达系统的波束控制方法，其特征在于，步骤5中波束编排方式选用交错波束，方位向3dB波束宽度间隔排布，俯仰向2.2dB波束宽度间隔排布，确定正弦空间坐标系下编排波位的坐标(αij,βij)，其中αij表示第i行第j个波位的正弦空间横坐标，βij表示第i行第j个波位的正弦空间纵坐标。
10.根据权利要求9所述的收发分置连续波相控阵雷达系统的波束控制方法，其特征在于，所述步骤7具体如下：
(7.1)控制发射阵列天线单元幅度和相位，在空间完成发射波束合成，形成发射波束，发射阵列天线单元相位控制公式如下：
Figure FDA0003623840050000051
其中，
Figure FDA0003623840050000052
Figure FDA0003623840050000053
n＝0,1,…,Ns-1表示第n行天线单元，Ns表示方位向天线单元数，m＝0,1,…,Ms-1表示第m列天线单元，Ms表示俯仰向天线单元数；
(7.2)控制接收阵列天线单元幅度和相位，在阵列天线接收端合成形成接收波束，接收阵列天线单元相位控制公式如下：
Figure FDA0003623840050000054
其中，
Figure FDA0003623840050000055
Figure FDA0003623840050000056
Figure FDA0003623840050000057
Figure FDA0003623840050000058
Figure FDA0003623840050000061
Figure FDA0003623840050000062
θT表示最佳阵面倾角。
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