CN116359897A - 一种全空域凝视数字阵列雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全空域凝视数字阵列雷达系统。该系统包括：数字天线阵列、射频前端、波束合成网络和控制与处理中心，所述数字天线阵列采用半球面和圆柱面相结合的结构，且圆柱阵面的高度与半球阵面的半径需满足一定的关系；发射时，雷达通过控制与处理中心控制各个子阵波束形成网络及对应的天线单元发射信号；接收时，雷达回波经数字天线阵面各接收阵元接收后形成多路回波信号，通过控制与处理中心进行目标检测和跟踪等处理。本发明中的全空域凝视数字阵列雷达系统具有超强的多目标和全空域同时监视能力，可以提高雷达对整个空域的预警效率，可以同时跟踪各个空域角度的多个目标，全空域实时监视能力强。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种全空域凝视数字阵列雷达系统。
背景技术
随着无人机蜂群等技术快速发展和各种安保需求的日益提升，雷达需要监视的目标种类和数量不断增加，探测任务变得越来越复杂，雷达系统需具备广域、多目标的实时探测能力。
目前，现有技术中的雷达系统多采用平面阵列或抛物面天线形式，只能够实现一定空域范围内的多目标分时监测，若目标分布于雷达系统周围的整个空域，则传统雷达无法同时完成对整个空域内多个目标的跟踪测量。
现有平面相控阵雷达天线多采用机械扫描和电扫描相结合的方式实现方位角和部分俯仰角的分时扫描，当对多目标进行跟踪和测量时，雷达系统的数据率低，且无法实现大俯仰角空域的覆盖。为了实现雷达的全空域实时扫描能力，最优的方式是采用半球面天线阵面，半球面天线阵面的阵元利用率高，保证了在全空域情况下天线辐射的各向均匀性。但半球面天线阵的问题在于，其有效辐射面积会随着俯仰扫描角的降低而变化。当扫描角
大于特定值时，有效面积将会减小，在极限扫描角90°时其有效辐射面积会减小到一半。为了保证数字天线阵列俯仰向的辐射均匀性，可通过向下扩展球面，从而使整个扫描过程中的天线有效面积保持恒定。
因此，研究并设计全空域多目标雷达探测系统，对解决全空域多目标的监视、测量及控制问题，具有十分重要的应用价值。
发明内容
本发明的实施例提供了一种全空域凝视数字阵列雷达系统，以实现有效地提高雷达对整个空域的预警监视效率。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种全空域凝视数字阵列雷达系统，包括：数字天线阵列、射频前端、波束合成网络和控制与处理中心，所述数字天线阵列采用半球面和圆柱面相结合的结构，且圆柱阵面的高度与半球阵面的半径需满足一定的关系；
发射时，雷达通过控制与处理中心控制各个子阵波束形成网络及对应的天线单元发射信号；接收时，雷达回波经数字天线阵面各接收阵元接收后形成多路回波信号，通过控制与处理中心进行目标检测和跟踪处理。
优选地，在进行波束扫描时，所述全空域凝视数字阵列雷达系统具备全向波束发射窄波束接收和窄波束发射窄波束接收两种波束扫描方式，全向波束发射窄波束接收用于完成对全空域目标的搜索预警，窄波束发射窄波束接收模式用于远距离目标探测和跟踪。
优选地，当系统工作于全向波束发射窄波束接收模式时，雷达阵面上的每个天线单元都作为独立的发射单元，在空间中形成具有均匀增益的全向发射波束，在接收的时候，各个天线接收单元均接收来自空间的反射信号，并通过波束合成和信号处理技术形成多个高增益窄波束，实现全空域中多个目标的同时搜索与探测。
优选地，当系统工作于窄波束发射窄波束接收模式时，雷达阵面上的各个天线单元通过馈电网络组成若干各子阵，每个子阵通过发射波束合成的方式在对应的方向上形成较窄的高增益收发波束，实现空间多个空域目标的同时远距离探测与跟踪。
优选地，所述数字天线阵列中的半球面天线阵面和圆柱面天线阵面的半径尺寸为Ra，圆柱面天线阵面的高度为
数字天线阵列的天线阵面采用截面与球面直径相等的柱面向下延伸，整个天线阵面是半球面加柱面形式，在低仰角时通过加入部分柱面阵元进行波束合成，实现整个天线阵面在全空域内跟踪目标时增益均匀性。
优选地，所述波束合成网络包括子阵级波束合成网络和子阵间波束合成网络，阵元级的幅度相位加权在子阵级波束合成网络处理器中完成，通过子阵级波束合成处理器实现相应波束的初级数字波束形成，经电光转换成光信号，由光纤传送子阵间波束形成处理器；子阵间波束形成处理器用于对各子阵输出的波束合成信号进行次级波束形成，形成多个高增益的窄波束。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明的全空域凝视数字阵列雷达系统具有超强的多目标和全空域同时监视能力，可以提高雷达对整个空域的预警监视效率。由于全空域凝视数字阵列雷达可以连续地对整个空域进行实时探测，可以同时跟踪各个空域角度的多个目标，系统数据率高，全空域实时监视能力强。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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一种全空域凝视数字阵列雷达天线中的阵面模型示意图；
图2为本发明实施例提供的一种全空域凝视数字阵列雷达全向波束发射窄波束接收模式示意图；
图3为本发明实施例提供的一种全空域凝视数字阵列雷达窄波束发射窄波束接收模式示意图；
图4为本发明实施例提供的一种全空域凝视数字阵列雷达系统的基本结构和工作原理示意图；
图5为本发明实施例提供的一种全空域凝视数字阵列雷达的波束形成原理示意图。
具体实施方式
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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，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。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
全空域探测是指在方位0～360°，俯仰0～90°空域内都可以实现对目标信号的监视，多目标监视是指对多个处于不同位置及状态的目标进行同时探测。与传统平面相控阵雷达在空间内分时形成具有固定指向的高增益窄波束扫描方式不同，全空域凝视雷达采用全数字阵列，发射信号可采用低增益的宽发射波束覆盖整个空域，在接收的时候，通过波束合成网络和信号处理技术来形成同时多波束，可极大缩短对整个探测空域的扫描时间，提高对多目标的监视及跟踪性能，从而实现全空域的快速实时扫描。
本发明实施例提供的一种全空域凝视数字天线阵列中的阵面模型示意图如图1所示，其中，半球面天线阵和圆柱面天线阵面的半径尺寸为Ra，圆柱面天线阵的高度为
本发明实施例提供的一种全空域凝视数字阵列雷达系统中的天线阵面采用截面与球面直径相等的柱面向下延伸，整个天线阵面是半球面加柱面形式。这种阵列形式可以保证天线在方位上的辐射对称性，在低仰角时通过加入部分柱面阵元进行波束合成，可以补偿天线在低仰角时的增益损失，从而保证整个天线阵面在全空域内跟踪目标时增益均匀性。
在进行波束扫描时，雷达具备全向波束发射窄波束接收和窄波束发射窄波束接收两种波束扫描方式。其中全向波束发射窄波束接收可用于完成对全空域目标的搜索预警，窄波束发射窄波束接收模式可用于远距离目标探测和跟踪。
图2为本发明实施例提供的一种全空域凝视数字阵列雷达全向波束发射窄波束接收模式示意图。当系统工作于全向波束发射窄波束接收模式时，雷达阵面上的每个天线单元都作为独立的发射单元，在空间中形成具有均匀增益的全向发射波束。在接收的时候，各个天线接收单元均接收来自空间的反射信号，并通过波束合成和信号处理技术来实现多个高增益窄波束同时形成，从而实现全空域中多个目标的同时搜索与探测。
图3为本发明实施例提供的一种全空域凝视数字阵列雷达窄波束发射窄波束接收模式示意图。当系统工作于窄波束发射窄波束接收模式时，雷达阵面上的各个天线单元通过馈电网络组成若干各子阵，每个子阵通过发射波束合成的方式在对应的方向上形成较窄的高增益收发波束，可实现空间多个空域目标的同时远距离探测与跟踪。
本发明实施例提供的一种全空域凝视数字天线阵列雷达系统的基本结构和工作原理示意图如图4所示，该系统包括数字天线阵列、射频前端、波束合成网络和控制与处理中心四个子系统组成。发射时，雷达通过控制与处理中心控制各个子阵波束形成网络及对应的天线单元发射信号，经上变频，各个天线单元在空间中形成相应的覆盖波束。接收时，雷达回波经天线阵面各接收阵元接收后形成多路回波模拟信号，经过下变频、放大器和AD采样后，转换为多路基带回波信号。经过幅相误差补偿和波束形成，可输出多个波束信号，通过控制与处理中心进行目标检测和跟踪等处理，实现对相应空域内的目标监视和测量。
其中，数字天线阵列子系统由若干接收阵元、发射阵元和收发组件(Transmitterand Receiver，T/R)组成，集成了传统雷达系统射频信号的发射和接收功能。
射频前端子系统包括上/下变频、放大器、幅相误差校正和AD(Digital to AnalogConvert，数字-模拟信号转换)/DA(Analog to Digital Convert，模拟-数字信号转换)等部分，经过上下变频，可实现射频信号与基带信号的变换。通过放大器和AD，雷达可将接收到的模拟信号变为数字信号。幅相误差校正用于对各通道的幅相不一致性进行补偿。各个天线单元的补偿因子可在雷达投入使用前，利用基准信号对各接收通道的幅相特性进行测试并生成校正系数，通过校正系数对各通道进行补偿校正，补偿后的数字信号经过串行传输，输出给后端子阵波束合成网络处理部分。
波束形成网络用于实现对发射波束和接收波束的形成与控制。为减少大规模天线收发单元带来的大量电缆和接插件，降低系统复杂性和处理的数据量，全空域凝视数字阵列雷达采用分级波束形成方式，波束合成网络包括子阵级波束合成网络和子阵间波束合成网络两部分。其中阵元级的幅度相位加权在子阵级波束合成网络处理器中完成，通过子阵级波束合成处理器中实现相应波束的初级数字波束形成(Digital Beam Forming,DBF)，经电光转换成光信号，由光纤传送子阵间波束形成处理器；子阵间波束形成处理器负责对各子阵输出的波束合成信号进行次级波束形成，最终形成多个高增益的窄波束。通过采用分级波束合成网络，可极大的减少数据传输电缆的数量和系统处理的数据量。同时，对于系统实现不同的阵面规模和功能，保证了良好的可扩展性和重构性。
控制与处理中心主要实现雷达系统的工作状态和波束扫描方式的控制，以及对接收信号进行目标检测、参数测量、跟踪与识别等处理功能，这些处理功能与传统雷达处理方式类似，本方案不再赘述。
本发明实施例提供的一种全空域凝视数字阵列雷达的波束形成原理示意图如图5所示。本发明实施例的全空域凝视数字阵列雷达系统通过波束合成网络，对各个天线单元的辐射信号进行幅相控制，实现多个天线阵列单元在期望的方向上的波束形成与覆盖。
假定天线收发单元在半球面和圆柱面上均匀排布。第n个阵元相对于相位参考点的位置矢量为(xn,yn,zn)，距离为
则根据圆柱坐标系与直角坐标系的转换关系有：
假设其辐射方向图为
该天线单元的馈电幅度和相位分别为An和ηn，当雷达工作于全向波束发射窄波束接收模式时，则整个球面阵在空间合成的总辐射方向图可以表示为：
其中，N为整个天线阵面总的有效辐射单元数，λ为雷达系统的工作波长。
在接收时，采用两级波束合成的方式实现多个空间高增益窄波束的接收。假定整个天线阵面分为K个子阵，每个子阵中的各个单元分别接收目标反射回来的电磁波信号。在进行接收波束合成时，首先子阵内的所有接收天线单元进行子阵波束形成，然后多个接收子阵在子阵间进行第二级波束形成。假定第m个目标的空间位置为
第k个子阵若要在方向/>
上进行波束形成，则子阵内波束合成模型可以表示为：
其中Nk为第k个子阵中的天线单元数，
为该接收子阵中第n个接收天线单元接收到的回波信号，/>
和/>
为该接收天线单元的幅度和相位加权因子，/>
可以表示为：
其中，
为第k个子阵中的第n个天线单元坐标位置。每个子阵在该方向进行波束合成处理后，整个天线阵面的所有K个子阵在该方向进行子阵间波束合成，子阵间的波束合成模型可以表示为：
上式中，
和/>
分别为第k个子阵波束合成信号的幅度和相位加权因子。通过上述方式进行同时多波束合成处理，则可以在整个空间形成多个高增益的窄接收波束，从事实现对整个空域内多个分布目标的同时覆盖和探测。
同理，当雷达工作于窄波束发射窄波束接收方式时，其波束形成控制方式与上述接收波束形成方式类似。
综上所述，本发明实施例针对全空域范围对多个目标进行同时探测的需求，本专利设计提出了一种全空域凝视数字阵列雷达系统。基于半球面和柱面相结合的天线阵面形式，有效解决了平面相控阵扫描数据率低，天线随扫描角度出现增益损失等问题，可实现多个目标空域的同时覆盖和探测。同时通过分级波束合成处理的方式，降低了系统结构复杂度和研制成本，有效减少了系统传输和处理的数据量，同时提高了系统的可扩展性和重构性。本发明的技术方法在全空域多目标实时探测中具有较高的应用价值，是未来相控阵雷达重要发展方向。
本发明的全空域凝视数字阵列雷达系统具有超强的多目标和全空域同时监视能力，提高雷达对整个空域的预警监视效率。由于全空域凝视数字阵列雷达可以连续地对整个空域进行实时探测，可以同时跟踪各个空域角度的多个目标，系统数据率高，全空域实时监视能力强。
本发明的全空域凝视数字阵列雷达系统具有较高的抗截获能力，提高了雷达系统的战场生存机率。全空域凝视数字阵列雷达采用全向发射天线，发射增益低，难以被截获，隐蔽性强，可有效提高装备的战场生存能力。
本发明的全空域凝视数字阵列雷达系统系统结构简单，升级与扩展能力强。由于发射端只采用全向发射天线，结构简单易于实现，同时收发单元均采用数字阵列和波束合成网络控制，可提高系统的升级扩展能力。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种全空域凝视数字阵列雷达系统，其特征在于，包括：数字天线阵列、射频前端、波束合成网络和控制与处理中心，所述数字天线阵列采用半球面和圆柱面相结合的结构，且圆柱阵面的高度与半球阵面的半径需满足一定的关系；
发射时，雷达通过控制与处理中心控制各个子阵波束形成网络及对应的天线单元发射信号；接收时，雷达回波经数字天线阵面各接收阵元接收后形成多路回波信号，通过控制与处理中心进行目标检测和跟踪处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在进行波束扫描时，所述全空域凝视数字阵列雷达系统具备全向波束发射窄波束接收和窄波束发射窄波束接收两种波束扫描方式，全向波束发射窄波束接收用于完成对全空域目标的搜索预警，窄波束发射窄波束接收模式用于远距离目标探测和跟踪。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当系统工作于全向波束发射窄波束接收模式时，雷达阵面上的每个天线单元都作为独立的发射单元，在空间中形成具有均匀增益的全向发射波束，在接收的时候，各个天线接收单元均接收来自空间的反射信号，并通过波束合成和信号处理技术形成多个高增益窄波束，实现全空域中多个目标的同时搜索与探测。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当系统工作于窄波束发射窄波束接收模式时，雷达阵面上的各个天线单元通过馈电网络组成若干各子阵，每个子阵通过发射波束合成的方式在对应的方向上形成较窄的高增益收发波束，实现空间多个空域目标的同时远距离探测与跟踪。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字天线阵列中的半球面天线阵面和圆柱面天线阵面的半径尺寸为R a，圆柱面天线阵面的高度为
数字天线阵列的天线阵面采用截面与球面直径相等的柱面向下延伸，整个天线阵面是半球面加柱面形式，在低仰角时通过加入部分柱面阵元进行波束合成，实现整个天线阵面在全空域内跟踪目标时增益均匀性。
6.根据权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，所述波束合成网络包括子阵级波束合成网络和子阵间波束合成网络，阵元级的幅度相位加权在子阵级波束合成网络处理器中完成，通过子阵级波束合成处理器实现相应波束的初级数字波束形成，经电光转换成光信号，由光纤传送子阵间波束形成处理器；子阵间波束形成处理器用于对各子阵输出的波束合成信号进行次级波束形成，形成多个高增益的窄波束。
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| CN118040306B (zh) * | 2024-04-15 | 2024-06-21 | 成都金武科技有限公司 | 一种低成本球型相控阵 |
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