CN116359899A - 一种大空域覆盖相控阵雷达低速探测平台及方法 - Google Patents

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Abstract

本方案公开了一种大空域覆盖相控阵雷达低速探测平台及方法，提出采用帧积累技术，在一个PRT脉冲重复周期内处理多个不同指向波束，将原本一个PRT仅处理一个波束的方式改进为一个PRT处理多个不同指向的波束，通过增大PRT的方式实现更高的速度分辨精度，解决了高速度分辨精度与大空域覆盖的矛盾需求；该方案实现方式简单且不依赖硬件基础，同时能够有效提高速度分辨精度；此外，该方案提出的提高速度分辨精度的方案不会影响其他的探测性能；且帧积累技术作为一种信号处理方法适应性强，可以与其他提高速度分辨精度的方法同时应用。

Description

一种大空域覆盖相控阵雷达低速探测平台及方法
技术领域
本方案属于雷达探测技术领域，提出一种大空域覆盖相控阵雷达低速探测平台及方法。
背景技术
20世纪五十年代出现的脉冲多普勒雷达(PD雷达)，是一种基于多普勒效应和频谱分离的经典体制雷达。脉冲多普勒雷达最主要的优点在于可以从大幅度杂波背景下检测出小幅度运动目标，PD雷达理论的速度分辨精度与系统的工作波形参数相关。
为了提高实际的速度分辨精度，雷达系统可以从硬件以及信号处理两个方面去实现。
在硬件方面可以对泄露信号进行处理以提高速度分辨精度，比如，提高收发隔离度，减小泄露信号强度；进行时频域二维处理，从时间上分离泄露信号以及回波信号，从而降低泄露信号对系统的影响。
在信号处理方面可以选取合适的滤波器在零频附近得到止带凹口，抑制杂波的同时尽量保留低频信号。
上述方法都能实现提高速度分辨精度的效果，但是存在对硬件依赖性强或者实现较为复杂的问题。所以有必要实现一种对硬件要求相对较低，实现相对简单，而且能有效提高速度分辨精度的雷达系统。
发明内容
本方案的目的是针对上述问题，提供一种大空域覆盖相控阵雷达低速探测平台及方法，提出采用帧积累技术，在一个PRT脉冲重复周期内处理多个不同指向波束，将原本一个PRT仅处理一个波束的方式改进为一个PRT处理多个不同指向的波束，通过增大PRT的方式实现更高的速度分辨精度。
一种大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法，该方法包括：
根据控制参数生成并发射多个不同波束指向的波束对目标空域进行覆盖；控制参数包括波形参数。
将不同波束指向的波束作为一个混合波束；
对混合波束进行处理，使得一个脉冲重复周期PRT内包含多个波束的处理；
一个PRT内，在当前帧开始前配置并更新当前帧的波形参数以进行帧切换，一帧指一个波束的处理；
当从PRT的第一帧切换到最后一帧时，完成一次PRT处理；
如此重复N次后，完成一个CPI处理。
在上述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法中，对于一个PRT的第一帧，在第一帧开始前配置并更新第一帧波束的波形参数；
对于一个PRT的后续处理，在当前帧的时间内配置下一帧的工作参数，然后在下一帧开始之前更新下一帧波束的波形参数。
在上述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法中，控制参数由终端下发给本平台，本平台根据所述的控制参数配置并更新波形参数。
在上述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法中，一个CPI内，具有M个波束指向，N个积累，N个积累表示对N个相同指向的波束进行相参积累，表示某一指向波束需要进行N次的相参处理，即N次的发射、接收、后续处理；M个不同指向的波束构成一个混合波束，通过不同指向的波束完成对目标空域角度的覆盖。
在上述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法中，一个CPI处理包括N个PRT处理，每个PRT需要分别对混合波束中不同指向的波束进行处理。
在上述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法中，对处理后的回波数据通过SRIO传输给DSP进行后续处理；
且在传输过程中，对不同波束回波的SRIO传输地址进行分别分配。
具体为，在一个CPI内，每个PRT都需要将处理后的数据发送并存储到相应的传输地址空间，等所有PRT的数据传输完成后，发送一个中断信号给DSP，DSP收到中断后开始读取数据进行后续处理。一个CPI的传输数据包含N个积累点数下M个波束指向的数据。
在上述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法中，相邻波束通道的起始地址均偏移0x01000000，以使单波束通道最大可存储数据长度0x01000000。
在上述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法中，每个CPI处理开始时先进行起始地址的初始化，然后依次传输每帧的数据并将起始地址加上偏移地址0x01000000，存储完一个PRT的数据后开始下一PRT的传输，每帧波束的传输地址相比于前一个PRT均加上积累通道偏移地址。
一种大空域覆盖相控阵雷达低速探测平台，包括信号处理机1，所述的信号处理机1包括有FPGA和DSP，由所述的FPGA进行上述的CPI处理方法以实现大空域覆盖相控阵雷达低速探测。
在上述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测平台中，本平台的控制参数由终端下发至FPGA，然后由FPGA转发给DSP，DSP对控制参数解析后通过EMIF模块将控制参数传输给FPGA，FPGA内部的时序模块根据控制参数产生系统的工作时序并执行上述的CPI处理方法。
本方案的优点在于：
本方案针对高速度分辨精度与大空域覆盖的矛盾需求，提出了使用帧积累技术从信号处理方面提高速度分辨精度的方案，该方案实现方式简单且不依赖硬件基础，同时能够有效提高速度分辨精度；此外，本方案提出的提高速度分辨精度的方案不会影响其他的探测性能；帧积累技术作为一种信号处理方法适应性强，且可以与其他提高速度分辨精度的方法同时应用。
附图说明
图1为本发明大空域覆盖相控阵雷达低速探测的平台硬件框架；
图2为本发明大空域覆盖相控阵雷达低速探测的平台软件处理流程；
图3为本发明实现大空域覆盖相控阵雷达低速探测的帧积累时序设计图；
图4为在雷达空域覆盖范围内，由五个雷达发射波束进行覆盖的示意图；
图5为本发明大空域覆盖相控阵雷达低速探测平台在6S数据率下得到的无人机低速探测航迹；
图6为本发明大空域覆盖相控阵雷达低速探测平台在6S数据率下测试俯仰60°覆盖的无人机航迹。
附图标记：信号处理机1；收发机2；波束控制系统3；功分网络4；TR组件5；天线6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本方案做进一步详细的说明。
本方案的基础平台是相控阵体制的三坐标脉冲多普勒雷达，平台系统的硬件框架如图1。平台是脉冲体制雷达，具有发射和接收两种状态。
在发射状态，信号处理机1生成中频信号，然后由收发机2进行上变频得到射频信号。射频信号通过功分网络4P口和TR组件5放大后从天线6发射出去。在接收状态，天线6接收目标反射回来的回波信号。通过TR组件5和功分网络4放大，可以得到两路和差信号。收发机2对和差射频信号进行下变频得到中频信号，然后将中频信号传输给信号处理机1，由信号处理机1对回波信号进行处理得到目标点迹信息，终端通过光纤传输得到目标信息，然后显示出目标航迹信息。
具体地，如图2所示，本平台采用DSP+FPGA的架构完成系统的信号处理部分。在收到收发机2传输来的中频回波信号后，FPGA开始对回波信号进行预处理，并通过SRIO模块将数据传送给DSP。在DSP完成后续处理后可以得到目标信息数据，该数据通过EMIF模块传输给FPGA，然后由FPGA通过以太网传送给终端。
平台的控制参数由终端下发至FPGA，然后由FPGA转发给DSP。DSP解析后通过EMIF模块将控制参数传输给FPGA。FPGA内部的时序模块根据参数产生系统的工作时序，控制信号的生成、发射与接收。
上述基础平台不能同时满足大空域覆盖和高速度分辨精度的需求，对此，本方案提出使用帧积累技术实现大空域覆盖相控阵雷达低速探测，具体如下：
为了实现对俯仰维的空域覆盖，需要采用多个不同波束指向的波束对目标空域进行覆盖。在一定时间内，系统需要完成这些覆盖波束的相参积累处理即完成一个搜索策略，该时间称为驻留时间。雷达的速度分辨力为：
Figure BDA0004166565170000051
λ为载波的波长，N为积累点数，PRT为脉冲重复周期，N*PRT是相参处理时间CPI。积累点数N或者PRT越大，速度分辨力▽V的数值越小，表示可以分辨的速度单元越小，实现更高的速度分辨精度。
为了得到高速度分辨精度，波形的PRT时间或者积累点数N就要增加，但是完成整个搜索策略的时间需要在驻留时间内，不能无限制增加PRT时间、积累点数。为了平衡时间资源，俯仰维的波束数量可能就需要减少，导致空域覆盖范围减小，所以存在着高速度分辨精度与大空域覆盖的矛盾，目前为止未有技术能够调和该矛盾，只能在高速度分辨精度和大空域覆盖之间寻找一个平衡。本方案提出采用帧积累技术从信号处理方面提高速度分辨精度，能够有效调和高速度分辨精度与大空域覆盖的矛盾，解决同时满足高速度分辨精度和大空域覆盖的需求。
具体方式为，将不同波束指向的波束作为一个混合波束，对混合波束进行相参处理，使得波束的脉冲重复周期PRT变大，雷达的速度分辨精度变高。而且帧积累模式在提高雷达的速度分辨精度的同时，不会消耗多余的时间资源，也不会影响俯仰维的覆盖范围。
帧积累模式的一个PRT时间内需要依次处理多个不同波束指向的波束，而不是一个PRT内只处理单个波束，所以实现帧积累技术的关键在于一个PRT中对波束的切换处理。
在帧积累模式下，一个PRT内包含多个波束，需要进行多次的参数更新，一个完整的搜索策略有N个PRT，PRT内一个波束的处理作为一帧，从第一帧切换到最后一帧算作一个PRT，其参数更新时序如图3。
如图3，在PRT开始之前，系统配置第一帧的参数，然后在第一帧开始前将该波形参数更新到系统内部使用。在后续处理中，系统在当前帧的时间内配置下一帧的工作参数，然后在下一帧开始之前更新工作参数。当从第一帧切换到最后一帧时，完成一次相参处理，如此重复N次后，系统完成一个CPI的处理。
本方案提出帧积累模式，一个PRT内需处理多个波束，对此，本方案提出新的参数更新时序模式，实现一个PRT中对波束的切换处理，从而实现一个PRT内处理多个波束的要求。由于速度分辨精度与N*PRT相关，通过帧积累方式，实现了PRT的增大，所以速度分辨精度能够得到增大，而N表示积累点数，假设一个CPI中，具有M个波束指向，N个积累，N个积累表示某一指向波束需要进行N次的相参处理，即N次的发射、接收、后续处理，表示对N个相同指向的波束进行相参积累，如图4所示，在雷达空域覆盖范围内，由五个雷达发射波束进行覆盖，此时M＝5，在普通模式下，一个CPI中，雷达使用五个不同波束指向的信号对目标进行探测，在α角度上发射N次波束进行相参积累，然后依次在βγδε方向上做相同的处理。在本方案所提出的帧积累模式下，会将五个波束作为一组信号，从α到βγδε指向依次发射，五个波形发射后就是一次相参处理，然后将这个组合波束重复发射N次，完成五种指向波形的相参积累。
所以经过本方案的改进优化，在一次完整的对目标空域的搜索覆盖中，CPI时间不变，积累点数N不变，变的只有PRT增大，而PRT增大能够使速度分辨力
Figure BDA0004166565170000061
的数值减小，进而实现更高的速度分辨精度。
进一步地，本方案对不同波束之间的SRIO传输地址进行了设计分配，最多可以对16组不同的波束进行SRIO传输，其地址分配如表1，波束0的和通道地址起始位0x80080000，后续每个波束通道的起始地址偏移为0x01000000，即表示单波束通道最大可以存储的数据长度为0x01000000即224字节。该长度为所有积累通道的数据传输字节最大总长度，假如该波束的最大积累点数为1024即210，则每个PRT最大可存储的数据长度为0x4000即214个字节。每个距离单元的数据需要8字节的存储空间，则一个PRT内最多可以存储2048个距离单元的数据。数字下变频后的数据率为15M，2048个距离单元可以支持136us的PRT长度。
在每个CPI开始，需要进行起始地址的初始化，然后依次传输每帧的数据并将起始地址加上偏移地址0x01000000，存储完一个PRT的数据后开始下一PRT的传输，每帧波束的传输地址相比于前一个PRT需要加上积累通道偏移地址0x4000。
表1 SRIO地址分配
Figure BDA0004166565170000071
由于本方案中，平台采用了帧积累技术，一个PRT的信号处理中需要对多个波束进行处理，这些波束的数据最后需要通过SRIO传输给DSP进行后续处理，所以通过前述传输地址的分配能够有效区分这些波束数据。
为了验证本方案所提出帧积累技术的效果，平台在帧积累模式下进行了相关的实验验证。如图5所示，是平台在6S数据率下得到的无人机航迹。测飞人员控制无人机100m高度飞行，飞行方向为背站。在终端上可以稳定的看到无人机航迹，无人机飞行距离从490m到568m，飞行速度逐渐由4.3m/s降到0.7m/s，航迹信息与实际的飞行信息在误差范围内，0.7m/s的速度分辨率与理论符合。
如图6是6S数据率下测试俯仰60°覆盖的无人机航迹，俯仰覆盖的计算公式为：R·sin(θ)＝H，R为目标与雷达的距离，θ为俯仰角度，H为目标高度。测飞人员控制无人机飞行高度500m，飞行方向为向站。随着飞机与雷达的距离减小，俯仰角度逐渐变大，最终达到了60.48°的俯仰角度，符合俯仰覆盖需求。
从以上实验可以看到，本方案实现的大空域覆盖相控阵雷达的低速目标探测方法，雷达实际的速度分辨力可达到0.7m/s，空域覆盖可达到60°，而且不会消耗多余的时间资源，帧积累技术的使用也使得技术平台可以根据需求有效编排搜索策略中的波形参数，能够适用于不同场景。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本方案精神作举例说明。本方案所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本方案的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法，其特征在于，该方法包括：
根据控制参数生成并发射多个不同波束指向的波束对目标空域进行覆盖；
将不同波束指向的波束作为一个混合波束；
对混合波束进行处理，使得一个脉冲重复周期PRT内包含多个波束的处理；
一个PRT内，在当前帧开始前配置并更新当前帧的波形参数以进行帧切换，一帧指一个波束的处理；
当从PRT的第一帧切换到最后一帧时，完成一个PRT处理；
如此重复N次后，完成一个CPI处理。
2.根据权利要求1所述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法，其特征在于，对于一个PRT的第一帧，在第一帧开始前配置并更新第一帧波束的波形参数；
对于一个PRT的后续处理，在当前帧的时间内配置下一帧的工作参数，然后在下一帧开始之前更新下一帧波束的波形参数。
3.根据权利要求2所述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法，其特征在于，控制参数由终端下发给本平台，本平台根据所述的控制参数配置并更新波形参数。
4.根据权利要求2所述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法，其特征在于，一个CPI内，具有M个波束指向，N个积累，N个积累表示某一指向波束需要进行N次的相参处理，M个不同指向的波束构成一个混合波束，完成对目标空域角度的覆盖。
5.根据权利要求4所述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法，其特征在于，一个CPI处理包括N个PRT处理，每个PRT分别对混合波束中不同指向的波束进行处理。
6.根据权利要求2所述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法，其特征在于，对处理后的回波数据通过SRIO传输给DSP进行后续处理；
且在传输过程中，对不同波束回波的SRIO传输地址进行分别分配。
7.根据权利要求6所述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法，其特征在于，相邻波束通道的起始地址均偏移0x01000000，以使单波束通道最大可存储数据长度0x01000000。
8.根据权利要求7所述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测方法，其特征在于，每个CPI处理开始时先进行起始地址的初始化，然后依次传输每帧的数据并将起始地址加上偏移地址0x01000000，存储完一个PRT的数据后开始下一PRT的传输，每帧波束的传输地址相比于前一个PRT均加上积累通道偏移地址。
9.一种大空域覆盖相控阵雷达低速探测平台，包括信号处理机，其特征在于，所述的信号处理机包括有FPGA和DSP，由所述的FPGA进行权利要求1-8任意一项所述的CPI处理方法以实现大空域覆盖相控阵雷达低速探测。
10.根据权利要求9所述的大空域覆盖相控阵雷达低速探测平台，其特征在于，本平台的控制参数由终端下发至FPGA，然后由FPGA转发给DSP，DSP对控制参数解析后通过EMIF模块将控制参数传输给FPGA，FPGA内部的时序模块根据控制参数产生系统的工作时序并执行权利要求1-8任意一项所述的CPI处理方法。
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