CN117310714A - 机场低空探测相控阵雷达的高fov一维波束合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了雷达技术领域的机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法，包括下述步骤：S100:安装好设备后进行扫描准备；S200:计算波长并设置基本单元；S300:单元整合输出；S400:俯仰维合成和计算；S500:主、副瓣优化；S600:信号发射。本发明的有益效果是：以波段阵元个数为32x24，32列为水平方向阵元，满足方位向波束增益要求，24行为垂直方向阵元，设计频段9500～9670MHz(X波段)，由仿真情况可看出全阵面状态下可用的最大偏转角可达‑30°，半阵情况下指向角从50°开始恶化，但仍然可用，通过设计的X波段相控阵雷达，利用本发明中的方法，可将俯仰维度FOV由40°提升至90°，目标俯仰定位误差由2.5°(RMS值)提升至1.0°(实时值)。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体是机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法。
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。
对于机场低空探测雷达(详细分类包含无人机探测雷达，探鸟雷达，场面监视雷达)，由于其工作场景的特殊性，常见的体制(机械扫描雷达，传统有源相控阵雷达，数字阵列DBF雷达)均存在一些问题。难以与成熟的雷达型号统型，这些问题体现在：
机场低空探测雷达对俯仰视野范围要求高(通常要求俯仰FOV达到90度，即理论无盲区)。同时，目标反射弱，对天线增益要求高，且目标刷新率要求高(通常4秒以内)，对于纯机械扫描雷达，很难达到要求；
成本受限，数字阵列雷达(DBF)，全电扫描雷达(AESA)技术成本过高，应用非常少；
目前较成熟的做法是设计专用的一维阵列，波束宽度在3°～8°范围，俯仰维度为电扫描，水平波束固定，机械扫描。对于波束内目标角度测量采用单脉冲法。
这种方式存在一个较大的问题是，对于低高度目标，测角精度误差较大。其原因分析如下：
对于单脉冲测向的相控阵，处于接收状态时需要同时形成接收和波束、差波束(一维阵只有一个差波束；二维阵是一个水平差波束，一个俯仰差波束)。系统利用和差波束比幅比相实现对目标角度的精确估计。
一般情况下相控阵馈电网络设计，各个阵元的幅度加权是固定的，幅度加权设计以和波束低副瓣特性为准，差波束，无论2路还是1路，均通过和差器相减得到。但是，由于和波束，差波束对低副瓣的幅度加权值分布规律完全不同，故必然存在矛盾，在同一组加权值分布的情况下，和波束低副瓣和差波束低副瓣是无法同时做到的。
传统做法是确保阵面和波束的低副瓣特性，差波束不关注副瓣，仅关注零点抑制度。这对于探测目标高度3KM以上的常规雷达影响不大，但是雷达探测低空目标时，波束角度低，由于差波束副瓣抑制度差，大量地杂波由差波束副瓣进入，甚至将差通道输出饱达到和而出现失真，极大影响了对信号处理目标的幅度和相位判定，造成较大的角度误差。
因此，采用此种方案的低空探测雷达，均不同程度的存在一个问题，即在实战环境中，实测目标俯仰角误差与设计要求相差较大，只能通过软件根据实测情况补偿修正，故此类雷达对安装环境要求较高，安装后软件修正和调试也较为耗时。
发明内容
本发明的目的在于提供机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法，包括下述步骤：
S100:安装好设备后进行扫描准备；
S200:计算波长并设置基本单元；
S300:单元整合输出；
S400:俯仰维合成和计算；
S500:主、副瓣优化；
S600:信号发射；
所述步骤S100中，采用窄边波导做基本单元，经计算，阵元间距需要低于0.7倍空气中波长，所述步骤S200中，每个天线单元有2个馈电点，分别是馈电1、馈电2，经和差器形成和差输出。
作为本发明进一步的方案：本方法适用于机场低空探测雷达的高FOV相控阵上进行使用，其中相控阵包括：单元波导裂缝阵构成的天线单元，每个单元具备2个馈电接口，N个天线单元在俯仰维度组成等间距阵列；
2:波导-同轴转换器；
3:TR单元，内部有两路独立TR通道，分别通过2个波导-同轴转换器接天线单元的2个馈电口，输出通过内部和差器形成一路和输出与一路差输出；
4:波束形成网络A，实现独立加权的波束合成，输出和波束，俯仰差；
5：波束合成网络B，实现独立加权的波束合成，输出水平差；
6:波控和电源板，实现整个相控阵的供电和控制。
作为本发明进一步的方案：所述步骤S200，馈电点1与馈电点2同相合成等于和输出，馈电点1与馈电点2反相合成＝差输出。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤S300中，N个单元的和输出经和差器，其和输出形成整个阵面的和波束，N单元的和输出经和差器，其差输出形成整个阵面的俯仰差波束，N个单元的差输出直接合路，形成整个阵面的水平差波束，此处水平差的波束质量仅由天线单元加工精度决定。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤S400中，采用和差馈电分开方式，N个单元的和输出一分为二，一路去做和，一路做差，分别采用不同的口径幅度分布，可有效将差波束副瓣水平降低。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤S500中，在大扫描角度下，通常是观察雷达头顶的目标，作用距离要求不高，可以关闭半个阵，此时阵元数量减少，主波瓣变宽一倍，进一步抑制了FOV内的副瓣水平。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤S500中，阵面具有全阵和半阵两种状态，需要采用不同的口径幅度分布以优化副瓣，而且，发射态/接收态也需要配不同的衰减值。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤S600:发射状态下，只存在和波束，没有差波束，大角度扫描时，主波束副瓣恶化情况尚可接受，采用八边形阵列方式，进一步提升副瓣抑制比。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本方案解决了传统一维相控阵和差波束加权的矛盾性问题，通过增加一定的硬件，辅助以全阵/半阵的工作方式，可以使低空探测雷达实现理论无盲区效果(即FOV≥90°)，且整个FOV内雷达的和差处理结果受地杂波影响大大减少，显著提升雷达对低空目标的探测精度，同时增加的成本不高。以X波段机场低空探测相控阵雷达为例，单个天线单元由32个波导裂缝组成，垂直方向24天线单元，设计频段9500～9670MHz，本方案全阵面状态下可用的最大偏转角可达-40°，大于最大偏转角情况下进入半阵工作，可将俯仰维度FOV提升至90°，同时目标俯仰定位误差由2.5°(RMS值)提升至1.0°。
附图说明
图1为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法的方法结构示意图；
图2为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中N元天线单元等效模型的结构示意图；
图3为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中天线单元纵向组阵原理的结构示意图；
图4为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中天线单元纵向组阵外形的结构示意图；
图5为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中波束形成网络原理图的结构示意图；
图6为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中雷达阵面布置的结构示意图；
图7为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中单个天线单元水平方向的结构示意图；
图8为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中俯仰指向3°-全阵和波束的示意图；
图9为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中俯仰指向9°-全阵和波束的示意图；
图10为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中俯仰指向35°-半阵和波束的示意图；
图11为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中俯仰指向50°-半阵和波束的示意图；
图12为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中俯仰指向70°-半阵和波束的示意图；
图13为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中的相控阵正面结构示意图；
图14为本发明机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法中的相控阵背部硬件结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一端”、“一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，本发明实施例中，机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法，包括下述步骤：
S100:安装好设备后进行扫描准备；
S200:计算波长并设置基本单元；
S300:单元整合输出；
S400:俯仰维合成和计算；
S500:主、副瓣优化；
S600:信号发射；
所述步骤S100中，采用窄边波导做基本单元，经计算，阵元间距需要低于0.7倍空气中波长，所述步骤S200中，每个天线单元有2个馈电点，分别是馈电1、馈电2，经和差器形成和差输出。
请参阅图13、图14，在本实施例中，本方法适用于机场低空探测雷达的高FOV相控阵上进行使用，其中相控阵包括：单元波导裂缝阵构成的天线单元，每个单元具备2个馈电接口，N个天线单元在俯仰维度组成等间距阵列；
2:波导-同轴转换器；
3:TR单元，内部有两路独立TR通道，分别通过2个波导-同轴转换器接天线单元的2个馈电口，输出通过内部和差器形成一路和输出与一路差输出；
4:波束形成网络A，实现独立加权的波束合成，输出和波束，俯仰差；
5：波束合成网络B，实现独立加权的波束合成，输出水平差；
6:波控和电源板，实现整个相控阵的供电和控制。
请参阅图2-图12，在本实施例中，优选的，为了同时降低和/差的副瓣水平，又能保证相控阵天线的馈电网络简单，本文提出一种单脉冲相控阵天线和差馈电网络设计方法。
本实施例中提出的技术方案阐述如下：
采用一维相控阵，仅在俯仰维度做波束扫描，单轴转台带动相控阵在水平维度转动；
为保证目标测角精度，雷达需要做四象限和差单脉冲测向，但波束扫描仍仅限于俯仰维度，这样虽然增加了一倍阵元数量，但仍然比二维阵阵元数量低很多。
因为阵列要大角度扫描，为了保证副瓣不出现在视野内，经计算，阵元间距需要低于0.7倍空气中波长。，故采用窄边波导做基本单元(波导宽边阵要求宽边边长大于0.5倍空气波长，导致设计裕量非常小)。
每个天线单元有2个馈电点，分别是馈电1、馈电2，经和差器形成和差输出(水平差)。即，馈电点1与馈电点2同相合成＝和输出，馈电点1与馈电点2反相合成＝差输出；
N个单元的和输出经和差器，其和输出形成整个阵面的和波束；
N单元的和输出经和差器，其差输出形成整个阵面的俯仰差波束；
N个单元的差输出直接合路，形成整个阵面的水平差波束。此处水平差的波束质量仅由天线单元加工精度决定。
俯仰维合成是关键点：俯仰维度上扫描角度大，如果将N路和信号直接做和差，差波束副瓣在大扫描角度下(35°以上)恶化太快，容易导致地杂波进入，导致俯仰角解算误差太大。解决方案为：采用和差馈电分开方式，N个单元的和输出一分为二，一路去做和(图5中红色部分)，一路做差(图5中蓝色部分)，分别采用不同的口径幅度分布，可有效将差波束副瓣水平降低。代价是增加N个移相器和数控衰减器成本，同时电路调试测试的工作量提高一倍。但俯仰维度阵元数量不大(一般情况下小于30)，所以增加的成本可完全可以接受；
在大扫描角度下，通常是观察雷达头顶的目标，作用距离要求不高，可以关闭半个阵，此时阵元数量减少，主波瓣变宽一倍，进一步抑制了FOV内的副瓣水平；
由于阵面具有全阵和半阵两种状态，需要采用不同的口径幅度分布以优化副瓣，而且，发射态/接收态也需要配不同的衰减值；
发射状态下，只存在和波束，没有差波束，大角度扫描时，主波束副瓣恶化情况尚可接受，可以在详细设计时采用八边形阵列方式，进一步提升副瓣抑制比，代价是天线单元不可复用，加工成本略有上升。
雷达阵面架设布置见图6：
以波段阵元个数为32x24，32列为水平方向阵元，满足方位向波束增益要求，24行为垂直方向阵元，设计频段9500～9670MHz(X波段)。
由仿真情况可看出全阵面状态下可用的最大偏转角可达-30°。半阵情况下指向角从50°开始恶化，但仍然可用。
在本实施例中的参数设置见下表：
阵面仰角25°；
表一
全阵面状态下仿真指标
| 天线增益 | 30.5dBi | 31.4dBi | 31.55dBi | 31.6dBi | 31.5dBi |
| 指向角 | -40 | -30 | -20 | 3° | 9° |
| 3dB波束宽度 | 9.5 | 8.4 | 7.8 | 7.3° | 7.5° |
| 波束起止角 | -44.8～-35.3 | -34.2-25.8 | -23.9-16.1 | -0.6～6.7 | 5.2～12.7 |
| 副瓣抑制比 | 23.7dB | 24dB | 25dB | 25.5dB | 25dB |
表二
半阵面状态下仿真指标
| 增益 | 28.6dBi | 28.3dBi | 27dBi～22dBi | 25.2dBi～22dBi |
| 指向角 | 15 | 35 | 50 | 70 |
| 3dB波束宽度 | 16° | 17.2° | 31 | 20° |
| 波束起止角 | 7°～23° | 26.4～43.6° | 37～68 | 62～83 |
| 副瓣抑制比 | 25 | 25 | 17(典型) | 17(典型) |
表三
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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法，其特征在于：包括下述步骤：
S100:安装好设备后进行扫描准备；
S200:计算波长并设置基本单元；
S300:单元整合输出；
S400:俯仰维合成和计算；
S500:主、副瓣优化；
S600:信号发射；
所述步骤S100中，采用窄边波导做基本单元，经计算，阵元间距需要低于0.7倍空气中波长，所述步骤S200中，每个天线单元有2个馈电点，分别是馈电1、馈电2，经和差器形成和差输出。
2.根据权利要求1所述的机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法，其特征在于：所述步骤S200，馈电点1与馈电点2同相合成等于和输出，馈电点1与馈电点2反相合成＝差输出。
3.根据权利要求1所述的机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法，其特征在于：所述步骤S300中，N个单元的和输出经和差器，其和输出形成整个阵面的和波束，N单元的和输出经和差器，其差输出形成整个阵面的俯仰差波束，N个单元的差输出直接合路，形成整个阵面的水平差波束，此处水平差的波束质量仅由天线单元加工精度决定。
4.根据权利要求1所述的机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法，其特征在于：所述步骤S400中，采用和差馈电分开方式，N个单元的和输出一分为二，一路去做和，一路做差，分别采用不同的口径幅度分布，可有效将差波束副瓣水平降低。
5.根据权利要求1所述的机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法，其特征在于：所述步骤S500中，在大扫描角度下，通常是观察雷达头顶的目标，作用距离要求不高，可以关闭半个阵，此时阵元数量减少，主波瓣变宽一倍，进一步抑制了FOV内的副瓣水平。
6.根据权利要求1所述的机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法，其特征在于：所述步骤S500中，阵面具有全阵和半阵两种状态，需要采用不同的口径幅度分布以优化副瓣，而且，发射态/接收态也需要配不同的衰减值。
7.根据权利要求1所述的机场低空探测相控阵雷达的高FOV一维波束合成方法，其特征在于：所述步骤S600:发射状态下，只存在和波束，没有差波束，大角度扫描时，主波束副瓣恶化情况尚可接受，采用八边形阵列方式，进一步提升副瓣抑制比。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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