CN212008911U - 一种相参化磁控管脉冲体制船用导航雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种相参化磁控管脉冲体制船用导航雷达,含雷达天线、伺服单元、收发单元和显控终端，收发单元内增设定向耦合器，雷达发射信号有适量经定向耦合器至相参接收机；回波由裂缝天线接收，并经收发开关、放电管、限幅器和射频前端进入相参接收机；相参接收机设中频处理模块和信号处理模块；中频处理模块对发射样本信号和接收信号分别进行混频滤波得中频信号后传输至低噪声中频放大器，放大后的中频信号经高速AD采集，分别由数字混频器和滤波器对中频样本信号和中频回波信号进行数字混频和滤波，同时采用回波信号随距离变化的自动增益控制的STC和AGC；信号处理模块采用DSP+FPGA+ADC架构；相参接收机连接显控终端。

Description

一种相参化磁控管脉冲体制船用导航雷达

技术领域

本实用新型属于船载导航雷达技术领域，具体涉及改造为具备相参化技术的常规磁控管脉冲体制船载导航雷达结构。

背景技术

导航雷达是船舶必备的船用电子设备之一，主要用于实现海上目标的探测与跟踪，提供导航避碰信息，保障船舶航行安全。多年来，船用导航雷达均采用磁控管脉冲体制，该体制雷达结构简洁、易于实现，其通过控制磁控管产生大功率射频脉冲信号，经过裂缝波导天线完成雷达信号的发射与接收，采用对数非相参接收机完成雷达信号的接收与处理。

随着我国各型船舶航行范围的不断扩大，海洋航行任务逐年增多，船用导航雷达在使用过程中逐渐暴露出对动目标检测能力有限，在复杂海况下对诸如漂浮物、小渔船、小冰山等小目标探测能力不足等问题。常规船用导航雷达受工作体制的限制，其对海上小目标探测能力的发展已经到达了瓶颈。现有的该体制雷达的发射脉冲初始相位、频率和幅度存在不稳定的现象，脉冲间相干特性较差，无法进行相参处理，无法快速感知目标的运动态势，对小目标探测处理手段有限。

随着高速AD、高性能DSP和FPGA芯片技术的发展以及对雷达中频相参处理技术的研究应用，使磁控管脉冲体制的导航雷达向相参化发展成为可能。因此，在我国船舶已普遍装备磁控管非相参导航雷达的前提下，以主流常规非相参磁控管导航雷达为基础，进行技术体制革新，设计磁控管脉冲体制的相参船用导航雷达，提高在复杂海况下小目标的探测能力以及目标态势感知能力，具有极其重要的实用意义。

发明内容

本实用新型的目的是，克服现有技术的非相参化磁控管脉冲体制船用导航雷达所存在的无法快速感知目标的运动态势，对小目标探测处理手段有限的缺陷，提供一种大幅提高在复杂海况下对小目标的探测能力以及目标态势感知能力的雷达装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

一种相参化磁控管脉冲体制船用导航雷达,包括磁控管脉冲体制的船用相参导航雷达天线、伺服单元、收发单元和显控终端，其特征是，在收发单元内部增设定向耦合器，雷达发射的信号中有适当比例的信号作为发射样本信号分导通过定向耦合器耦合至相参接收机；雷达回波由裂缝天线接收，并依次经过收发开关、放电管、限幅器和射频前端进入相参接收机；相参接收机设置有中频处理模块和信号处理模块；中频处理模块对耦合的发射样本信号和接收信号分别进行混频滤波得到中频信号后传输至低噪声中频放大器，经低噪声中频放大器放大后的中频信号经高速AD对中频信号进行采集，分别由数字混频器和滤波器对中频样本信号和中频回波信号进行数字混频和滤波，同时采用实现回波信号随距离变化的自动增益控制的STC(近程增益控制)和AGC(全量程增益控制)；信号处理模块采用DSP+FPGA+ADC的架构；相参接收机连接显控终端。

通过增设定向耦合器，并利用高速AD、高性能DSP和FPGA芯片技术，对发射样本信号和回波信号进行相干处理，消除回波信号由于脉间或脉内的频率不稳引起的回波相位和幅度出现的误差，提高接收信号的相位连续性和幅度一致性。对回波信号进行相参处理，抑制了部分杂波和噪声的影响，提升了复杂环境下小目标的探测能力。

本实用新型的有益效果是：

1、本装置增设定向耦合器和改造射频前端的连接，通过耦合发射样本信号至相参接收机、同时通过高速中频信号采样、数字测频与控制、频率稳定校正、接收相参处理、脉间相参积累、二维恒虚警以及海尖峰识别过滤等措施，突破了磁控管脉冲非相参原有导航雷达技术体制的限制，有效克服了发射信号功率起伏和频率偏移的影响，提高了导航雷达对复杂海况下小目标的发现能力和目标态势的感知能力；

2、根据测频获得的发射信号频率调整中频回波信号二次混频的混频本振信号和滤波器参数，在抑制噪声干扰的同时，保证有效信号的滤波输出，在一定频偏范围内随发射信号频率变化来调整滤波器中心频率和相关参数，有效抑制发射信号频率偏移的影响；

3、采用STC(近程增益控制)和AGC(全量程增益控制)技术实现回波信号随距离变化的自动增益控制，避免接收机饱和又保证了弱小信号的接收；

4、采用DSP+FPGA+ADC的架构，对发射样本信号和回波信号进行相干处理，消除回波相位和幅度出现的误差，提高接收信号的相位连续性和幅度一致性；

5、对回波信号进行相参处理，并在相参处理后形成的回波通道内利用改进的CFAR(恒虚警率检测)，有效抑制了部分杂波和噪声的影响；

6、利用目标所在的多普勒通道，得出由于目标运动产生的多普勒频偏，从而得知目标的速度；

8、通过脉间相参积累技术和发射功率补偿技术可有效提高目标检测的信杂比。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例结构框图示意图；

图2为雷达发射原始信号示意图；

图3为非相参积累结果示意图；

图4为接收相参信号示意图；

图5为相参积累结果示意图；

图6为探测1平方角反场景图；

图7为目标态势感知显示效果1之一(红色靠近、绿色远离)；

图8为目标态势感知显示效果1之二(红色靠近、绿色远离)；

图9为目标态势感知显示效果1之三(红色靠近、绿色远离)；

图10为目标态势感知显示效果2之一(运动目标逐渐从静止目标内驶出)；

图11为目标态势感知显示效果2之二(运动目标逐渐从静止目标内驶出)；

图12为磁控管脉冲相参船用导航雷达工作画面示意图。

图中，天线与伺服单元1；收发单元2；显控终端3；磁控管发射机4；定向耦合器5；相参接收机6；收发开关7；放电管和限幅器8；射频前端9；动目标A；动目标B；动目标C。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明。本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：如图1所示，一种相参化磁控管脉冲体制船用导航雷达,包括磁控管脉冲体制的船用相参导航雷达天线与伺服单元1、收发单元2和显控终端3；收发单元2内部包括磁控管发射机4，同时增设定向耦合器5，雷达发射的信号中有适当比例的信号作为发射样本信号分导通过定向耦合器5耦合至相参接收机6；雷达回波由裂缝天线接收，并依次经过收发开关7、放电管和限幅器8和射频前端9进入改进型相参接收机6；相参接收机6设置有中频处理模块和信号处理模块；中频处理模块对耦合的发射样本信号和接收信号分别进行混频滤波得到中频信号后传输至低噪声中频放大器，经低噪声中频放大器放大后的中频信号经高速AD，高速AD对中频信号进行采集，分别由数字混频器和滤波器对中频样本信号和中频回波信号进行数字混频和滤波，同时采用实现回波信号随距离变化的自动增益控制的STC(近程增益控制)和AGC(全量程增益控制)；信号处理模块采用DSP+FPGA+ADC的架构；相参接收机连接显控终端。

本装置的收发单元2保留了现有导航雷达的磁控管发射机4。在收发单元2内部增加定向耦合器5，当雷达发射时，大部分发射信号通过收发开关7的发射通道传输至天线向外辐射，有一定比例的发射信号通过定向耦合器5耦合至相参接收机6，作为发射样本信号等待处理。雷达回波由裂缝天线接收，并经过收发开关7、放电管与限幅器8、射频前端9进入新研制的相参接收机。

相参接收机6分为中频处理模块和信号处理模块。

中频处理模块对耦合的发射样本信号和接收信号分别进行混频滤波得到中频信号，再利用低噪声中频放大器对中频信号进行放大，提高信噪比。然后利用高速AD对中频信号进行采集，分别对中频样本信号和中频回波信号进行数字混频，减少因模拟传输带来的信噪比损失。根据测频获得的发射信号频率调整中频回波信号二次混频的混频本振信号和滤波器参数，在抑制噪声干扰的同时，保证有效信号的滤波输出，由于可以在一定频偏范围内随发射信号频率变化来调整滤波器中心频率和相关参数，因此可以有效抑制发射信号频率偏移的影响；根据导航雷达近程区域回波能量强、远程区域回波能量弱的特点，本装置采用STC(近程增益控制)和AGC(全量程增益控制)技术实现回波信号随距离变化的自动增益控制，使得回波信号始终处于系统动态范围之内，即避免接收机饱和又保证了弱小信号的接收，为不同海上环境提供可控增益调节，使得中频信号幅度稳定输出至信号处理模块。

信号处理模块采用DSP+FPGA+ADC的架构。对发射样本信号和回波信号进行相干处理，利用数字稳定校正技术消除回波信号由于脉间或脉内的频率不稳引起的回波相位和幅度出现的误差，提高接收信号的相位连续性和幅度一致性。对回波信号进行相参处理，并在相参处理后形成的回波通道内利用改进的CFAR(恒虚警率检测)，有效抑制了部分杂波和噪声的影响，得知目标的距离信息，利用目标所在的多普勒通道编号，可得出由于目标运动产生的多普勒频偏，从而得出目标的速度信息。通过脉间相参积累技术和发射功率补偿技术可有效提高目标检测的信杂比，提升了复杂环境下小目标的探测能力。

本装置实现了一种磁控管脉冲体制的船用相参导航雷达，通过增设并耦合发射样本信号、高速中频信号采样、数字测频与控制、频率稳定校正、接收相参处理、脉间相参积累、二维恒虚警以及海尖峰识别过滤等技术，突破了磁控管脉冲非相参原有导航雷达技术体制的限制，有效克服了发射信号功率起伏和频率偏移的影响，提高了导航雷达对复杂海况下小目标的发现能力和目标态势的感知能力，提升了船用导航雷达设备技术水平。

图2至图5为相参积累仿真效果与非相参积累效果对比示意图。其中图2显示为脉组原始回波；图3为原有技术的非相参积累结果示意图；图4为本装置接收相参信号，图5为相参积累结果示意图。

本发明提高了常规船载导航雷达在复杂海况下对诸如小渔船、小冰山等类小目标的发现能力，经实验验证，本实用新型使导航雷达在同等海况、架高等探测条件下对于1平方角反射体、高于水面1米、置于3.97海里处的小目标的发现能力可提升35％，试验场景如图6所示。

图7至图9为本实用新型导航雷达对目标态势感知的一种实施例。图7中标号A为一动目标，原显示为红色，表明该动目标A态势是正在向本船呈接近运动，故本船采取规避航线；图8中标号B为另一动目标，原显示为绿色，表明该动目标B态势是正远离本船运动，图9为相隔一定时间以后该动目标B所处的位置。

图10至图11为本实用新型导航雷达对目标态势感知的另一种实施例。图10中标号C为掩映在其周围的静目标之中的动目标，原显示为红色，表明是一个正在向本船接近的动目标C，图11为相隔一定时间以后该动目标C已经从其周围的静目标中移出。

2017年至2019年期间，利用磁控管脉冲体制船用导航雷达相参化技术在KMX52系列导航雷达上进行了样机试验，并在上海广电通信技术有限公司淀山湖724试验场通过了动目标检测能力测试和小目标发现能力测试。在动目标测试中，对湖面航道的动态船舶具有清晰的分辨和显示。在小目标发现能力测试中，对0.01m²反射体探测距离超过2海里，对1m²反射体探测距离超过3.97海里，相比非相参KMX52导航雷达小目标探测能力和探测威力显著提升。其为磁控管脉冲相参船用导航雷达在淀山湖进行湖面竹竿探测时的试验场景，竹竿放置在距离雷达2海里处，探测回波明显，发现概率为91％，满足不低于80％的雷达技术要求。参见图12。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种相参化磁控管脉冲体制船用导航雷达,包括磁控管脉冲体制的船用相参导航雷达天线、伺服单元、收发单元和显控终端，其特征是，在收发单元内部增设定向耦合器，雷达发射的信号中有适当比例的信号作为发射样本信号分导通过定向耦合器耦合至相参接收机；雷达回波由裂缝天线接收，并依次经过收发开关、放电管、限幅器和射频前端进入相参接收机；相参接收机设置有中频处理模块和信号处理模块；中频处理模块对耦合的发射样本信号和接收信号分别进行混频滤波得到中频信号后传输至低噪声中频放大器，经低噪声中频放大器放大后的中频信号经高速AD对中频信号进行采集，分别由数字混频器和滤波器对中频样本信号和中频回波信号进行数字混频和滤波，同时采用实现回波信号随距离变化的自动增益控制的STC和AGC；信号处理模块采用DSP+FPGA+ADC的架构；相参接收机连接显控终端。

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