CN115079151A - 基于多普勒雷达的探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多普勒雷达的探测系统及探测方法。根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统包括第一探测装置，设置在飞行平台上，进行初次探测以探测是否存在来袭目标，并在探测到存在所述来袭目标时，获取所述来袭目标的初探来袭角度；脉冲多普勒雷达，设置在所述飞行平台上，并与所述第一探测装置相连接以获取所述初探来袭角度；所述脉冲多普勒雷达在接收到所述初探来袭角度后，根据所述初探来袭角度进行二次探测以探测是否存在所述来袭目标。根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统及探测方法，能够降低探测的虚警率。

Description

基于多普勒雷达的探测系统及探测方法

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，特别涉及一种基于多普勒雷达的探测系统及探测方法。

背景技术

雷达，是英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，意思为“无线电探测和测距”，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。

雷达自发明以来，就广泛地应用于军事领域，并且在不断地改进以适应现代战争。海湾战争中以美国为首的多国部队作战损失约40架战机，而被来袭目标击落的有27架，这其中多数战机(低速飞行平台)是光电 (IR)来袭目标击落的。美国对二战以来被击落的作战低速飞行平台的研究表明，约70％的飞行员在低速飞行平台被击中前不知道已处在被攻击的危险状态。

在光电来袭目标技术迅猛发展的同时，雷达制导型来袭目标的技术性能也在不断提高，具有飞行速度高(大大缩短了对其告警和反应时间)、覆盖频谱宽的特点，且具备有良好的抗干扰能力，命中概率明显提高。鉴于上述事实，研发人员意识到，为了提高作战低速飞行平台在现代战争中的生存能力，保护作战低速飞行平台免遭来袭目标的攻击，必须研制和装备性能可靠的机载来袭目标逼近告警系统(MAWS，Missile Approach WarningSystem)。

在现代战争中，主动来袭目标逼近告警系统是战斗机、低速飞行平台、运输机、民航客机的专用电子设备，其功能是及时探测对低速飞行平台攻击的来袭目标，给出来袭目标相对低速飞行平台的角度、距离和速度，计算出来袭目标截击前的剩余时间、并立即发出告警信号，飞行员据此决定应采取的对抗措施，或采取规避或自动开启干扰设备，以挫败来袭目标的攻击。目标逼近告警系统一般可分为主动型和被动型两种。主动型目标逼近告警系统通常采用多普勒雷达，一般工作在L波段，可对付所有威胁类型，通过采用算法可把虚警降到最低程度，可在任何气候条件下工作，探测距离较远，并且可提供来袭目标逼近速度等信息。被动型目标逼近告警系统则多运用算法，采用多谱方案来使虚警率降至最低，但一般不能提供距离信息，却可提供较长的告警时间及具有很强的识别目标和背景的能力。

国内目前无成熟产品，其中装备在固定翼低速飞行平台或旋翼低速飞行平台上的告警检测系统均还处于论证阶段，目前主要技术瓶颈如下：

1)对来袭目标侦测的虚警率较高；

2)平台飞行高度低，杂波强度大；

3)平台飞行速度较慢，杂波的多普勒分布范围较窄；

4)目标飞行速度快，雷达散射面积(Radar Cross Section,RCS)小；

5)一般的探测系统或雷达工作在下视方式下，背景杂波强，不利于检测快速运动的弱小目标；

6)对多个目标的同时跟踪的效果较差；

7)过高的工作频率会增加目标捕获的难度和增大对波束稳定和跟踪的要求，同时频率增高会展宽杂波的多普勒频率范围，减小多普勒洁净区的面积，也会使得目标的多普勒频率升高，超过重复频率后模糊，进入杂波区域，此外目标雷达散射面积会随工作频率的改变而变化。来袭目标的雷达散射面积是不一样的。一般来说，频率越低，雷达散射面积越大。

因此，希望能有一种新的基于多普勒雷达的探测系统及探测方法，能够克服上述问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于多普勒雷达的探测系统及探测方法，从而降低了探测的虚警率。

根据本发明的一方面，提供一种基于多普勒雷达的探测系统，包括第一探测装置，设置在飞行平台上，进行初次探测以探测是否存在来袭目标，并在探测到存在所述来袭目标时，获取所述来袭目标的初探来袭角度；脉冲多普勒雷达，设置在所述飞行平台上，并与所述第一探测装置相连接以获取所述初探来袭角度；所述脉冲多普勒雷达在接收到所述初探来袭角度后，根据所述初探来袭角度进行二次探测以探测是否存在所述来袭目标。

可选地，所述脉冲多普勒雷达包括探测单元，根据所述初探来袭角度在第一方向上形成第一波束以进行二次探测，并在所述二次探测中探测到存在所述来袭目标后，形成第二波束以进行三次探测。

可选地，所述脉冲多普勒雷达还包括控制单元，与所述探测单元相连接以控制所述第一波束的脉宽和/或周期，与所述探测单元相连接以控制所述第二波束的脉宽和/或周期，其中，在所述三次探测中探测到存在所述来袭目标后，所述脉冲多普勒雷达跟踪所述来袭目标；所述脉冲多普勒雷达获取所述来袭目标与所述飞行平台之间的距离；所述探测单元形成第三波束以跟踪所述来袭目标，所述控制单元根据所述距离控制所述第三波束的脉宽和/或周期。

可选地，所述探测系统包括第一脉冲多普勒雷达、第二脉冲多普勒雷达、第三脉冲多普勒雷达和第四脉冲多普勒雷达；所述第一至第四脉冲多普勒雷达的探测范围分别为水平方向上90°、俯仰方向上90°；所述第一至第四脉冲多普勒雷达的探测范围互不重合；所述探测系统还包括数据融合中心，通过网络接口分别与所述第一至第四脉冲多普勒雷达相连接以接收所述第一至第四脉冲多普勒雷达的探测结果，并融合所述第一至第四脉冲多普勒雷达的探测结果，得到告警信息；总控制器，与所述数据融合中心相连接以获取所述告警信息，其中，根据所述初探来袭角度开启相应的所述脉冲多普勒雷达。

可选地，所述探测系统还包括姿态获取单元，获取所述飞行平台的飞行姿态，其中，所述脉冲多普勒雷达与所述姿态获取单元相连接以获取所述飞行姿态，并根据所述飞行姿态调整波束方向。

可选地，所述脉冲多普勒雷达包括天线，用于发射和/或接收波束；射频前端，所述射频前端包括与所述天线相连接的收发组件、合成网络、频率综合器以及变频通道；所述收发组件用于移相、放大发射功率、接收低噪声放大和收发切换中的至少一种；所述收发组件与所述合成网络相连接以形成子阵；信号处理板，用于信号的处理。

可选地，所述第一探测装置包括光电探测单元。

根据本发明的另一方面，提供一种基于多普勒雷达的探测方法，包括通过设置在飞行平台上的第一探测装置进行初次探测，在探测到来袭目标时，获取所述来袭目标的初探来袭角度；根据所述初探来袭角度，启动脉冲多普勒雷达；以及所述脉冲多普勒雷达根据所述初探来袭角度进行二次探测以探测是否存在所述来袭目标。

可选地，所述探测方法还包括根据所述初探来袭角度启动多部脉冲多普勒雷达中的至少一个。

可选地，所述探测方法还包括在所述二次探测中探测到存在所述来袭目标后，进行三次探测；在所述三次探测中探测到存在所述来袭目标后，形成第三波束以跟踪所述来袭目标，其中，根据所述来袭目标与所述飞行平台之间的距离控制所述第三波束的脉宽和/或周期。

可选地，所述探测方法还包括根据所述初探来袭角度在第一方向上形成第一波束以进行所述二次探测，形成第二波束以进行所述三次探测，其中，所述第一波束具有第一脉宽和第一周期；所述第二波束具有第二脉宽和第二周期。

可选地，所述探测方法还包括获取所述飞行平台的飞行姿态；以及根据所述飞行姿态调整所述脉冲多普勒雷达的波束方向。

根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统及探测方法，第一探测装置在初次探测中探测到来袭目标后，通过脉冲多普勒雷达进行二次探测来进一步确认是否存在该来袭目标，从而降低了虚警率。

进一步地，脉冲多普勒雷达为多个，根据第一探测装置得到的初探来袭角度，开启相应的脉冲多普勒雷达，在提高探测准确性的同时，降低了系统功耗。

进一步地，脉冲多普勒雷达的配合使用，可提高天线增益，降低发射功率，减小主波束宽度，降低杂波功率，通过合理选择工作波段和脉冲重复频率可以使目标落在杂波区外，提高对目标的检测能力，并进一步降低虚警率；此外，还能减小探测系统体积，减轻探测系统重量。

进一步地，控制单元进行两次探测以确认来袭目标，进一步降低了虚警率；进一步地，采用不同脉宽和/或频率的波束进行探测，保证了探测的准确性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的脉冲多普勒雷达的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统的装置示意图；

图4示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统的原理框图；

图5示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测方法的方法流程图；

图6示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测方法的工作流程图；

图7示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统的可见度系数与探测概率和虚警概率关系示意图；

图8示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统的杂波和目标频谱示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

本发明实施例提供的基于多普勒雷达的探测系统及探测方法，属于雷达侦测领域中的微波、毫米波雷达技术，具体涉及脉冲雷达信号处理技术，也是一种应用于低速飞行平台的来袭目标的告警检测技术。

图1示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统的结构示意图。如图1所示，根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统包括第一探测装置100和脉冲多普勒雷达200。

具体地讲，第一探测装置100设置在飞行平台上，第一探测装置100 进行初次探测以探测是否存在来袭目标，并在探测到存在来袭目标时，获取来袭目标的来袭参数(初探来袭角度)。可选地，第一探测装置100 包括光电探测单元、红外探测单元和光雷达等中的至少一种。飞行平台包括战斗机、无人机等中的至少一种。来袭目标包括导弹、火箭弹等中的至少一种。来袭参数还包括来袭距离、来袭速度等中的至少一种。

脉冲多普勒雷达200设置在飞行平台上，脉冲多普勒雷达200与第一探测装置100相连接以获取来袭参数。脉冲多普勒雷达在接收到来袭参数后，根据来袭参数进行二次探测以探测是否存在来袭目标。

在本发明的上述实施例中，第一探测装置在初次探测中探测到来袭目标后，通过脉冲多普勒雷达进行二次探测来进一步确认是否存在该来袭目标，从而降低了虚警率。此外，脉冲多普勒雷达的使用，具有以下优点，低速飞行平台对地空来袭目标探测跟踪的工作场景要求探测系统 (目标告警检测系统)工作在下视方式下，实现在强杂波背景下检测快速飞行的小目标，因此脉冲多普勒雷达体制是一种较好的体制。由于平台运动速度相对较慢，目标与杂波在多普勒域会有显著区别，通过合理选择工作波段和脉冲重复频率可以使目标落在杂波区外，提高对目标的检测能力，并进一步降低虚警率。

图2示出了根据本发明实施例的脉冲多普勒雷达的结构示意图。如图2所示，根据本发明实施例的脉冲多普勒雷达200包括探测单元210 和控制单元220。

具体地讲，初探来袭角度例如为来袭目标相对于飞行平台的角度。探测单元210根据初探来袭角度在第一方向上形成第一波束以进行二次探测，并在二次探测中探测到存在来袭目标后，形成第二波束以进行三次探测。

控制单元220与探测单元210相连接以控制第一波束的脉宽和/或周期。控制单元220与探测单元210相连接以控制第二波束的脉宽和/或周期。

在三次探测中探测到存在来袭目标后，脉冲多普勒雷达跟踪该来袭目标。脉冲多普勒雷达获取该来袭目标与飞行平台之间的距离，探测单元210形成第三波束以根据该来袭目标，控制单元220根据该距离控制第三波束的脉宽和/或周期。

在本发明的上述实施例中，控制单元进行两次探测以确认来袭目标，进一步降低了虚警率；进一步地，采用不同脉宽和/或频率的波束进行探测，保证了探测的准确性。

图3示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统的装置示意图。如图3所示，根据本发明实施例的探测系统包括第一脉冲多普勒雷达201、第二脉冲多普勒雷达202、第三脉冲多普勒雷达203、第四脉冲多普勒雷达204、数据融合中心206和总控制器(平台航电总控) 207。

具体地讲，(在飞行平台水平飞行的情况下)第一至第四脉冲多普勒雷达201-204的探测范围分别为水平方向上90°、俯仰方向上90°，第一至第四脉冲多普勒雷达201-204的探测范围互不重合。

数据融合中心206通过网络接口(网口)分别与第一至第四脉冲多普勒雷达201-204相连接以接收第一至第四脉冲多普勒雷达201-204的探测结果，并融合第一至第四脉冲多普勒雷达201-204的探测结果，得到告警信息。可选地，各部分之间通过网口和路由器205实现连接。

总控制器207与数据融合中心206相连接以获取告警信息。

其中，根据初探来袭角度开启多部脉冲多普勒雷达中的至少一种(第一至第四脉冲多普勒雷达201-204中的至少一个)。

在本发明的可选实施例中，脉冲多普勒雷达200包括平面天线阵、射频前端和信号处理板。平面天线阵用于发射和/或接收波束。射频前端包括与平面天线阵连接的收发组件、合成网格、频率综合器以及变频通道。收发组件用于移相、放大发射功率、接收低噪声放大和收发切换中的至少一种。收发组件与合成网络相连接以形成子阵。信号处理板用于信号的处理。

图4示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统的原理框图。结合图3和图4所示内容，对一个具体实施例进行说明。

包括多个脉冲多普勒雷达200的告警检测系统可组合覆盖方位 360°、俯仰90°的空域范围，该空域范围可以完全覆盖攻击目标的飞行包线。在飞行平台上，脉冲多普勒雷达例如为4个，每个脉冲多普勒雷达可覆盖方位90°、俯仰90°的空域范围。

四部脉冲多普勒雷达(目标告警检测系统)通过网络接口和飞行平台的数据融合中心连接，数据融合中心将四部脉冲多普勒雷达上报的数据融合处理后，形成告警信息上报低速飞行平台航电总控(总控制器 207)。

在本发明的可选实施例中，探测系统还包括姿态获取单元。姿态获取单元获取飞行平台的飞行姿态。脉冲多普勒雷达与姿态获取单元相连接以获取飞行姿态，并根据飞行姿态调整波束方向。可选地，数据融合中心将来自机上惯性平台(姿态获取单元)的实时姿态数据通过RS422 转发给四部目标告警检测系统前端，目标告警检测系统前端根据平台的实时姿态数据，完成对自身波束的稳定控制和目标跟踪。由于脉冲多普勒雷达是固定连接在低速飞行平台上的，因此低速飞行平台姿态的变化会直接耦合到脉冲多普勒雷达上，导致波束失锁，角度测量误差增大。为了解决这个问题，需要主动的控制脉冲多普勒雷达波束，消除平台运动对脉冲多普勒雷达的影响，我们称之为波束稳定与跟踪。为了实现与平台的解耦合，需要通过一个惯性平台实时测量低速飞行平台的姿态变化，并通过波束控制将姿态变化补偿回来。一般低速飞行平台自身会有惯性平台，因此可以直接将惯性平台的信息引入来实现波束的稳定和跟踪。

每个脉冲多普勒雷达包括天线阵列、射频前端、信号处理板235和功率电源(二次电源)237。

天线阵列采用平面微带天线，剖面低，天线阵列的单元天线采用 SMP(Symmetrical Multi-Processing，对称多处理)接头与射频前端的收发(TR)组件231连接。

射频前端包括TR组件231、合成网络(合路器232)、频率综合器 234以及变频通道233。TR组件231完成移相、发射功率放大、接收低噪声放大以及收发切换功能。TR组件231与合成网络相连，由合成网络形成四个2×2的子阵，4个子阵与变频通道233和信号处理板235连接，接收时子阵输出射频信号被下变频和数字化后，在信号处理板235中形成数字和差波束，完成单脉冲测角。发射时中频激励信号通过变频通道 233上变频到射频后，被功分四路分别送入四个子阵，每个子阵内部完成对射频激励信号的分配、移相和放大，最后将放大后的信号通过天线向外辐射出去。频率综合器234提供单个脉冲多普勒雷达需要的变频本振信号以及数字时钟。二次电源对输入电源进行变换，提供单个脉冲多普勒雷达需要的直流供电。

信号处理板235在发射时，产生中频发射激励信号。在接收时，完成对变频接收通道输出中频信号的AD采集、数字下变频、滤波、抽取以及系统的信号处理和数据处理，并输出目标信息给上位机236。

根据本发明的另一方面，提供一种基于多普勒雷达的探测方法，例如用于如前所述的基于多普勒雷达的探测系统。

图5示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测方法的方法流程图。如图5所示，根据本发明实施例的探测方法包括以下步骤：

在步骤S101中，通过设置在飞行平台上的第一探测装置进行初次探测，在探测到来袭目标时，获取来袭目标的来袭参数；

通过设置在飞行平台上的第一探测装置进行初次探测，在探测到来袭目标时，获取来袭目标的来袭参数(初探来袭角度)。可选地，来袭参数还包括来袭距离和来袭速度等中的至少一种。可选地，初次探测的方式可以是光电探测、图像探测和激光探测等中的至少一种。

在步骤S102中，根据来袭参数，启动脉冲多普勒雷达；

根据第一探测装置获取的来袭参数，启动脉冲多普勒雷达。

在步骤S103中，脉冲多普勒雷达根据来袭参数进行二次探测以探测是否存在所述来袭目标。

脉冲多普勒雷达根据来袭参数进行二次探测以探测是否存在该来袭目标，从而进行二次确认以降低虚警率。

在本发明的可选实施例中，脉冲多普勒雷达不止一个，根据第一探测装置获取的初探来袭角度启动相应的脉冲多普勒雷达。

在本发明的可选实施例中，探测方法还包括，在二次探测中探测到存在该来袭目标后，进行三次探测；在三次探测中探测到存在该来袭目标后，形成第三波束以跟踪该来袭目标。其中，来袭参数包括来袭目标与飞行平台之间的距离，根据该距离控制第三波束的脉宽和/或周期。可选地，根据初探来袭角度在第一方向上形成第一波束以进行二次探测，形成第二波束以进行三次探测。其中，第一波束具有第一脉宽和第一周期。第二波束具有第二脉宽和第二周期。可选地，第一周期与第二周期不同，第二脉宽与第二脉宽不同。

可选地，探测方法还包括，获取飞行平台的飞行姿态，根据飞行姿态调整脉冲多普勒雷达的波束方向。

图6示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测方法的工作流程图。如图6所示，整体的工作流程是：在光电系统的角度信息引导下，在指定角度上形成发射和接收波束，对来袭目标进行二次探测和参数测量，获取来袭目标的角度、距离和速度信息，并将结果实时上报。

具体的探测方法可包括以下步骤：

在步骤S201中，光电探测来袭目标；

探测系统启动后，光电开始工作，探测方位360°、俯仰90°范围内是否有来袭目标。

在步骤S202中，判断是否发现目标；

判断是否发现来袭目标。在未发现来袭目标的情况下，继续执行步骤S201；在发现来袭目标的情况下，执行步骤S203。

在步骤S203中，根据目标角度，启动一部告警检测系统，在目标所在角度上形成波束探测；

当光电探测到来袭目标后，根据目标角度信息(来袭目标的来袭角度)，确定启动哪一部目标告警检测系统(脉冲多普勒雷达)开始探测，并将目标角度信息发送给该目标告警检测系统。目标告警检测系统接受目标引导信息后，在目标方向上形成波束，辐射宽窄脉冲串在0.2s内完成一次探测。

在步骤S204中，判断是否发现目标；

在光电判断存在来袭目标的情况下，脉冲多普勒雷达再次进行判断是否存在来袭目标。在脉冲多普勒雷达未发现来袭目标的情况下，执行步骤S205；在脉冲多普勒雷达发现来袭目标的情况下，执行步骤S206。

在步骤S205中，判断光电输出为虚警，系统停止在该方向上继续探测；

判断光电输出为虚警，脉冲多普勒雷达停止在该方向上继续探测。可选地，脉冲多普勒雷达在没有探测到该来袭目标时，上报上位机没有在该方向上探测到目标，并停止在该方向上继续探测目标。

在步骤S206中，系统在目标方向上继续形成波束探测，并跟踪目标；

如果目标告警检测系统探测到目标，就将探测信息上报给上位机，同时目标告警检测系统继续在目标方向上进行探测，经过两次探测后，目标告警检测系统形成对目标的跟踪。在跟踪过程中，将探测结果不断上报到上位机。

在步骤S207中，判断系统跟踪过程是否丢失目标；

判断脉冲多普勒雷达跟踪过程是否丢失来袭目标。在未丢失来袭目标的情况下，继续执行步骤S206；在丢失来袭目标的情况下，执行步骤 S208。

在步骤S208中，系统停止在该目标方向上继续探测。

在判断脉冲多普勒雷达丢失来袭目标的情况下，停止在该目标方向上继续探测。可选地，在步骤S208后，继续执行步骤S201。可选地，如果一部目标告警检测系统在其角度覆盖范围内没有需要继续跟踪的目标，光电系统也没有继续给目标告警检测系统目标引导信息，则这部目标告警检测系统停止所有探测工作。

在本发明的一个具体实施例中，脉冲多普勒雷达安装在低速飞行平台上，主要是在空对空条件下，对高速逼近的来袭目标进行探测并实施告警。其主要特点和要求是：

平台飞行高度低，杂波强度大；

平台飞行速度较慢，杂波的多普勒分布范围较窄；

目标飞行速度快，雷达散射面积(RCS)小；

目标告警检测系统工作在下视方式下，需要在强背景杂波下检测快速运动的弱小目标；

需要实现对多个目标的同时跟踪。

低速飞行平台对地空来袭目标探测跟踪的工作场景要求目标告警检测系统工作在下视方式下，实现在强杂波背景下检测快速飞行的小目标，因此脉冲多普勒雷达体制是一种较好的体制。由于平台运动速度相对较慢，目标与杂波在多普勒域会有显著区别，通过合理选择工作波段和脉冲重复频率可以使目标落在杂波区外，提高对目标的检测能力，并降低虚警率。

机载设备对于体积、重量和功耗是有严格约束条件的，因此可以先设定天线口径为为250mm×250mm。在这样一个口径下，频率升高，天线增益变大，主瓣宽度变窄。以下将从几个方面分析，得到对目标告警检测系统工作频率选择的约束，最终通过折中选择一个合适的工作频率。

对于系统检测可见度系数：

图7示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统的可见度系数与探测概率和虚警概率关系示意图。图7给出了脉冲多普勒雷达可见度系数和检测概率、虚警概率的关系，在一个实施例中，选取虚警概率为10^-8次，检测概率0.9，则可见度系数为14.4dB。

具体地讲，脉冲多普勒雷达和光电配合的一个重要目的是降低虚警概率。脉冲多普勒雷达与光电融合的准则是与操作，也即在方位和俯仰角度平面上，只有脉冲多普勒雷达和光电都发现了目标，目标才被确认，以下将按照这个准则讨论确定脉冲多普勒雷达检测的门限。

首先讨论融合后的虚警概率。虚警概率是指在没有目标的情况下有检测输出。按照与操作融合准则，只有脉冲多普勒雷达和光电在同一个角度区域上产生了虚警，才能够经过融合后产生虚警。由于脉冲多普勒雷达和光电系统的噪声基底是完全独立的，因此脉冲多普勒雷达和光电融合后，虚警概率是二者虚警概率的乘积。

全系统的工作过程应该是：光电有目标输出后，引导脉冲多普勒雷达在目标方向(第一方向)上形成波束进行探测，如果脉冲多普勒雷达在该目标方向上也有输出，则目标被确认，进入到目标跟踪过程。

首先讨论脉冲多普勒雷达在角度方向的虚警概率。按照目标相对载机最大速度980m/s，积累时间100ms计算，积累时间内目标移动距离为 98m，又考虑到测距精度需要达到30m，因此设脉冲多普勒雷达信号带宽为0.5MHz，距离分辨单元为300m，最大距离刻度设为6km，从500m 到6km在距离方向上共有18个单元。设重复频率为20KHz，多普勒分辨单元为1/100ms＝10Hz，多普勒方向共有2K个单元。因此一次处理脉冲多普勒雷达会产生36K个单元。脉冲多普勒雷达是恒虚警检测，设单元虚警概率为10-6，则一次检测在角度方向上的虚警概率为3.6×10-2。

脉冲多普勒雷达与光电融合后，总的虚警概率为二者的乘积，设光电的虚警概率FA_IR＝10^-8，光电数据刷新周期T_IR＝20ms，像素规模为 N_IR＝100×100＝10000，则平均产生一次虚警的时间为

秒。经过和脉冲多普勒雷达融合后，虚警时间变为200/3.6e-2＝5556秒。

在本系统中，使用脉冲多普勒雷达降低光电虚警，是指当光电在某个角度上产生虚警时，指引脉冲多普勒雷达在该角度上进行探测，如果脉冲多普勒雷达没有探测到目标，则这个虚警被消除。如果光电的虚警次数按照每小时30次计算，则每10个小时产生300次虚警，使用脉冲多普勒雷达需要将10个小时的虚警降为一次，因此需要脉冲多普勒雷达在角度上的虚警概率不大于1/300＝3.3e-3。根据前面的计算，我们需要选择脉冲多普勒雷达虚警概率为10-8，这样一次检测在角度上的虚警概率为3.6×10-4，满足要求。

对于测角精度对工作频率选择的约束：

测角精度要求是均方根误差≮4°，按照单脉冲测角的工程经验，波束宽度应该小于10倍均方根测角误差，则波束宽度要小于40°，根据波束宽度与口径、波长之间的经验公式

得到波长要大于 40/60*0.25＝0.1667m，也即频率不能够低于1800MHz。当波束扫描到边缘，口径变小，波束宽度变为

其中θ为波束指向。取θ＝45°，得到波长要大于40/60*(0.25*cosd(45))＝0.1179m，也即频率不能够低于2545MHz。

对于光电引导脉冲多普勒雷达顺利交接班对工作频率选择的约束：

光电的测角精度比较高，在静态条件下，只要脉冲多普勒雷达波束宽度大于光电测量均方根误差的6倍，即可保证在光电的引导下，将脉冲多普勒雷达的主波束正确引导到目标上，并在一个CPI(Cycles Per Instruction，平均指令周期数，表示每条计算机指令执行所需的时钟周期) 周期内，完成对目标的检测。

光电的均方根测角误差为1°，因此目标告警检测系统主波束宽度6°以上就可以保证光电引导目标告警检测系统顺利交接班。根据波束宽度与口径、波长之间的经验公式

按照250mm口径计算，波长应该不小于25mm，频率不应该超过12GHz。

对于脉冲多普勒雷达下视跟踪对工作频率选择的约束：

由于来袭目标速度范围为100～900m/s，载机速度为80m/s，那么来袭目标迎头攻击和载机的相对速度范围为180～980m/s，来袭目标迎头攻击失败脱离载机的径向速度范围为0～-980m/s，因此在整个迎头攻击过程中速度变化范围为-980～+980m/s。

来袭目标尾追攻击和载机的径向速度范围为20～820m/s，来袭目标尾追攻击失败脱离载机的径向相对速度范围为0～-820m/s，因此在整个尾追攻击过程中速度变化范围为-820～+820m/s。因此可以认为目标和载机的相对速度范围为-980～+980m/s。

如果距离不模糊，考虑20％的占空比，按照最大作用距离为5km计算，则要求重复周期≥41.7us，要求重复频率≤24KHz，此时能够不模糊测量的最大多普勒频率为12KHz，根据脉冲多普勒雷达回波多普勒频移公式

最大速度按照980m/s计算，如果目标的最大多普勒频率为 10KHz，则载波波长不能够小于0.196，频率不能够大于1837MHz，这与作用距离对频率的要求相矛盾。

在本发明的可选实施例中，采取的技术方案是使目标的距离模糊，但是速度不模糊，通过改变重复频率(改变波束的脉宽和/或周期)来解距离模糊，这个方法的代价是在起始时插入额外的CPI来解速度模糊，系统要求反应时间0.2s，因此在起始时，插入额外的CPI来解距离模糊的时间是足够的。

关于工作频率选择综合分析及结论：

由于采用有源相控阵体制，单脉冲方式测角，因此需要在方位和俯仰方向上形成差波束，方位和俯仰方向上阵元个数必须为偶数。又由于阵列天线口径为正方形，因此可以选择的阵列应该是4×4,6×6,8×8等，假设按照半波长间距来布阵，天线口径为250mm×250mm，当波束指向到方位45°和俯仰45°时，投影面积变为天线口径的 cos(45)*cos(45)＝0.5倍，设天线效率为0.7，需要的ERP为38.94dBW。则不同布阵形式下对应的中心频率、阵元数以及单个TR组件发射功率如下表。

表1阵列形式选择计算

综上所述，阵列选择4×4或6×6，频率选择2.4GHz或3.6GHz比较合适。

对于4×4阵列：

天线口面为250mm×250mm，设计为4×4阵列，扫描范围为方位俯仰±45°，4×4阵列的天线间距为250/4＝62.5mm，根据相控阵阵元间距和扫描范围、波长的关系式为：

得到

λ_min≥dx(1+|sinθ_max|)

因此，最小波长为62.5*(1+sind(45))＝106.7mm，也即频率不能够超过2812MHz。在频率分配上，2690～2900MHz频段主要被用于航空无线电导航、无线电定位、卫星地球探测和射电天文等用途，外部干扰较小。

因此，可以确定4×4系统的工作频率范围为2710～2810，中心频率 2760MHz，工作带宽100MHz。

对于6×6阵列：

6×6阵列扫描范围为方位俯仰±45°，天线间距为250/6＝41.67mm，根据公式

λ_min≥dx(1+|sinθ_max|)

得到最小波长为41.67*(1+sind(45))＝71.13mm，也即频率不能够超过 4218MHz。在频率分配上，3600～4200MHz频段主要被用于大容量微波中继通信，外部干扰较小。

因此，可以确定6×6系统的工作频率范围为4100～4200MHz，工作带宽为100MHz。

但是由于6×6系统需要的TR组件数量是4×4系统的两倍以上，因此其成本会比较高，因此本系统设计倾向于选择4×4系统。

在本申请请求保护的技术方案中，对工作波形也有特殊设计。

图8示出了根据本发明实施例的基于多普勒雷达的探测系统的杂波和目标频谱示意图。

关于脉冲重复频率的选择：

对于机载平台中使用的脉冲多普勒体制，一般有三种工作方式，分别采用低、中、高脉冲重复频率，以适应不同的战术要求。

低脉冲重复频率(LPRF)没有距离模糊，可以精确测距；但目标回波与主瓣杂波频带重叠，无法从主瓣杂波中区分目标回波，另外多普勒频率存在严重模糊，解决比较困难。因此LPRF适用于上视探测，而不能下视工作。

高脉冲重复频率(HPRF)在脉宽一定的条件下可以提高发射平均功率，同时由于高速目标信号出现在无杂波频谱区内，因此适用于迎头探测。但另一方面，在后向探测上，由于相对速度低，目标信号可能落入副瓣杂波中，这就使得后向探测能力降低。HPRF还存在距离上的模糊，为了解模糊，就需要使用多个重频转换工作，这又使设备变得复杂。

中脉冲重复频率(MPRF)兼顾了LPRF和HPRF的特点，一方面具有较好的全向探测能力；另一方面距离和速度都存在模糊，但都不严重。

MAWS属于典型的下视探测，地杂波强度大，而且要求极低的虚警概率。另一方面目标速度快，探测距离近。因此必须采用高重频，使得目标速度不模糊，目标出现在无杂波的洁净区域内，保证良好的发现概率，降低虚警率。

在光电引导下的MAWS只需要完成对目标的跟踪，不需要大范围搜索，因此即使出现距离模糊，通过重频参差也可以快速解距离模糊，不影响对目标的跟踪。

回波信号的最大多普勒频率为：

根据前面的分析，目标和载机的相对速度范围为-980～+980m/s。载机速度80m/s，在工作频率为2760MHz的条件下，目标多普勒频率范围为±18.03KHz。地杂波多普勒范围为±1.47KHz。

如果速度大小和方向均不模糊，则重频的选择应大于2倍最大多普勒频率，为36.06kHz。

如果仅仅是速度大小不模糊，速度方向可以依靠重频参差变化或者距离变化率来解出，并考虑不让高速目标落入地杂波区域，则可以选择重复频率需要超过目标最大多普勒频率和地杂波多普勒频率之和，此处为18.03+1.47＝19.5KHz，适当增加一些余量，可以选择重复频率为20KHz。考虑到20％的占空比，此时不模糊测距范围为6km，满足要求。

关于脉宽和带宽：

信号带宽和积累时间以及距离测量精度相关。

根据前面分析，目标相对平台速度最大980m/s，积累时间100ms。在100ms内距离变化最大为98m，为了不降低相参积累的效率，距离分辨率应该是距离变化范围的3倍以上，为98*3＝294m。信号带宽与距离分辨率的关系如下式：

因此信号带宽应该不能够大于0.51MHz，取信号带宽为0.5MHz。

在远距离探测情况下，根据前面分析，占空比应该不小于20％，因此远距离探测波形可选重复频率20KHz(重复周期50us)，脉宽10us，脉内采用线性调频，将10us的信号调制到0.5MHz带宽。在这个波形下，接收窗开窗范围为15us～50us，对应的探测距离范围为2250m～6000m。 100ms共有2000个脉冲，为了相参积累方便，相参脉冲个数设为2048 个。相参处理周期为102.4ms。

在近距离探测情况下，最小探测距离为500m，10us的脉宽由于距离遮挡，没有办法实现500m的探测范围，需要减小脉宽到3.3us以下，此时距离测量范围需要至少2250m。设脉宽为2us，重复周期为20us，接收开窗范围为3us～20us，对应的探测距离范围为450m～2700m。此时占空比缩小到0.1，比0.2的占空比下降了2倍，对应距离会缩减1.2574 倍，由5km下降到4.2km，仍然满足要求。100ms共有5000个脉冲，为了相参积累方便，相参脉冲个数设为4096个。相参处理周期为81.92ms。由于积累时间缩短，作用距离也会缩短，从4.2km降低到4km，仍然满足要求。

当光电给出一次目标引导后，脉冲多普勒雷达在引导角度上进行探测，发送一组宽脉冲，一组窄脉冲完成一次探测。所有脉冲发射完毕的时间为102.4+81.92＝184.32ms。系统要求反应时间0.2s，因此留给处理的时间为15.68ms，比较少。

由于近距离波形的作用距离还有较大余量，因此可以将近距离积累脉冲数减少为2048，此时相参处理周期减少为40.96ms，为原来的0.5 倍，作用距离减少为3.36km。此时一次宽窄脉冲串发射时间为143.36ms，留给信号处理的时间为56.64ms，应该是够了。

综上分析，脉冲多普勒雷达采用宽窄两种脉冲串信号进行探测，宽脉冲串脉宽10us，重复周期50us，脉内采用线性调频信号，信号带宽 0.5MHz，积累2048个脉冲，相参处理周期为102.4ms；窄脉冲串脉宽 2us，重复周期20us，脉内无调制，积累2048个脉冲，相参处理周期为 40.96ms。

在本发明的实施例中，当光电引导脉冲多普勒雷达工作时，脉冲多普勒雷达处于搜索状态，需要先发射宽脉冲串，然后发射窄脉冲串。当捕获到目标后，根据目标的距离，确定需要发射的波形，并进入到目标跟踪状态。

根据前面的分析，天线阵的基本参数为：

天线口径：250mm×250mm；

中心频率：2760MHz；

带宽：100MHz；

重量：≤0.5Kg；

单元天线面积为62.5mm×62.5mm，效率为0.7，则在中心频率 2760MHz处增益为:

((0.0625^2)*0.7*4*pi)/((300/2760)^2)＝2.9＝4.6dBi

边缘两个频率的增益是：4.5dBi@2710MHz，4.9dBi@2810MHz。

因此，可以要求单元天线增益为4dBi。合成增益为16dBi(法向)， 13dBi(45°，45°方向)。

根据本发明实施例的探测系统及探测方法，主要从来袭目标攻击低速飞行平台的过程和特点入手进行分析，结合对设备的各项技术指标要求，确定目标告警检测系统工作体制、选择工作频率、确定工作波形、明确系统组成和工作流程，有效解决国内低速机动平台应对如导弹等高速来袭目标告警检测的相关装备的技术瓶颈，同时本发明具备如下有益效果：

低速飞行平台对地空来袭目标探测跟踪的工作场景要求探测系统工作在下视方式下，实现在强杂波背景下检测快速飞行的小目标，因此脉冲多普勒雷达体制是一种较好的体制。由于平台运动速度相对较慢，目标与杂波在多普勒域会有显著区别，通过合理选择工作波段和脉冲重复频率可以使目标落在杂波区外，提高对目标的检测能力，并降低虚警率。

可增大天线增益，降低发射功率。低速飞行平台可以提供的安装空间是有限的，有限的安装空间意味着天线孔径是受限的。在一定的天线面积下，提高工作频率可以增加天线增益，从而降低发射功率，减小目标告警检测系统的体积、重量和功耗。

可提高天线增益，减小主波束宽度，降低杂波功率。主波束宽度减小后，主波束内的杂波反射面积会降低，从而降低杂波信号功率，有利于从杂波背景下检测到弱小目标。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (12)

1.一种基于多普勒雷达的探测系统，其特征在于，包括：

第一探测装置，设置在飞行平台上，进行初次探测以探测是否存在来袭目标，并在探测到存在所述来袭目标时，获取所述来袭目标的初探来袭角度；

脉冲多普勒雷达，设置在所述飞行平台上，并与所述第一探测装置相连接以获取所述初探来袭角度；所述脉冲多普勒雷达在接收到所述初探来袭角度后，根据所述初探来袭角度进行二次探测以探测是否存在所述来袭目标。

2.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述脉冲多普勒雷达包括：

探测单元，根据所述初探来袭角度在第一方向上形成第一波束以进行二次探测，并在所述二次探测中探测到存在所述来袭目标后，形成第二波束以进行三次探测。

3.根据权利要求2所述的探测系统，其特征在于，所述脉冲多普勒雷达还包括：

控制单元，与所述探测单元相连接以控制所述第一波束的脉宽和/或周期，与所述探测单元相连接以控制所述第二波束的脉宽和/或周期，

其中，在所述三次探测中探测到存在所述来袭目标后，所述脉冲多普勒雷达跟踪所述来袭目标；

所述脉冲多普勒雷达获取所述来袭目标与所述飞行平台之间的距离；所述探测单元形成第三波束以跟踪所述来袭目标，所述控制单元根据所述距离控制所述第三波束的脉宽和/或周期。

4.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述探测系统包括第一脉冲多普勒雷达、第二脉冲多普勒雷达、第三脉冲多普勒雷达和第四脉冲多普勒雷达；

所述第一至第四脉冲多普勒雷达的探测范围分别为水平方向上90°、俯仰方向上90°；所述第一至第四脉冲多普勒雷达的探测范围互不重合；

所述探测系统还包括：

数据融合中心，通过网络接口分别与所述第一至第四脉冲多普勒雷达相连接以接收所述第一至第四脉冲多普勒雷达的探测结果，并融合所述第一至第四脉冲多普勒雷达的探测结果，得到告警信息；

总控制器，与所述数据融合中心相连接以获取所述告警信息，

其中，根据所述初探来袭角度开启相应的所述脉冲多普勒雷达。

5.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述探测系统还包括：

姿态获取单元，获取所述飞行平台的飞行姿态，

其中，所述脉冲多普勒雷达与所述姿态获取单元相连接以获取所述飞行姿态，并根据所述飞行姿态调整波束方向。

6.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述脉冲多普勒雷达包括：

天线，用于发射和/或接收波束；

射频前端，所述射频前端包括与所述天线相连接的收发组件、合成网络、频率综合器以及变频通道；所述收发组件用于移相、放大发射功率、接收低噪声放大和收发切换中的至少一种；所述收发组件与所述合成网络相连接以形成子阵；

信号处理板，用于信号的处理。

7.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述第一探测装置包括光电探测单元。

8.一种基于多普勒雷达的探测方法，其特征在于，包括：

通过设置在飞行平台上的第一探测装置进行初次探测，在探测到来袭目标时，获取所述来袭目标的初探来袭角度；

根据所述初探来袭角度，启动脉冲多普勒雷达；以及

所述脉冲多普勒雷达根据所述初探来袭角度进行二次探测以探测是否存在所述来袭目标。

9.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，所述探测方法还包括：

根据所述初探来袭角度启动多部脉冲多普勒雷达中的至少一个。

10.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，所述探测方法还包括：

在所述二次探测中探测到存在所述来袭目标后，进行三次探测；

在所述三次探测中探测到存在所述来袭目标后，形成第三波束以跟踪所述来袭目标，

其中，根据所述来袭目标与所述飞行平台之间的距离控制所述第三波束的脉宽和/或周期。

11.根据权利要求10所述的探测方法，其特征在于，所述探测方法还包括：

根据所述初探来袭角度在第一方向上形成第一波束以进行所述二次探测，形成第二波束以进行所述三次探测，

其中，所述第一波束具有第一脉宽和第一周期；

所述第二波束具有第二脉宽和第二周期。

12.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，所述探测方法还包括：

获取所述飞行平台的飞行姿态；以及

根据所述飞行姿态调整所述脉冲多普勒雷达的波束方向。

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