CN110609276B

CN110609276B - 一种抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统

Info

Publication number: CN110609276B
Application number: CN201910864054.5A
Authority: CN
Inventors: 龙腾; 常少强; 刘泉华; 毛二可; 张凯翔
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2022-05-20
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: CN110609276A

Abstract

本发明公开了一种抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统，属于雷达检测跟踪技术领域，能够获得更精确的目标距离和角度测量结果。该系统具体为：发射分系统在射频激励信号作用下产生发射信号并输出。天馈分系统接收目标回波信号并进行耦合校正后输出。频综分系统在控制信息控制下，产生射频激励信号至发射分系统，产生接收本振信号至接收分系统。接收分系统获得目标回波信号与接收本振信号进行下变频处理至中频后输出给信号处理分系统。信号处理分系统对目标回波信号进行数字下变频至基带后进行幅度和相位的补偿和数字和差处理，获得和通道信号、俯仰差通道信号和方位差通道信号，进一步获得目标的距离和角度输入至显示控制分系统进行显示。

Description

一种抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统

技术领域

本发明涉及雷达检测跟踪技术领域，具体涉及一种抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统。

背景技术

随着科学技术的发展，人们对雷达的定位已经不仅仅是实现目标探测，未来战争将是集海、陆、空、天四维一体的战争，对空间各种目标如人造卫星、弹道导弹、空间碎片以及诱饵的观测将是雷达的首要任务。为了满足空间目标探测识别等复杂场景的需要，窄带雷达已经不能满足现阶段的需求。相比于窄带雷达，宽带雷达不仅可以提供丰富的目标信息用于检测、跟踪和识别，并且对杂波抑制、电子对抗、反隐身目标的探测具有重大的意义。对于宽带雷达，由于距离跟踪测量精度远远高于角度跟踪精度，所以角度测量性能是限制宽带雷达实现目标高精度跟踪的重要因素。现有的雷达测角手段有顺序波瓣法、圆锥扫描法、单脉冲测角法等，其中单脉冲测角采用同时比较天线波束方法，具有测角速度快、高测角精度等优点，所以现有雷达多采用单脉冲技术进行角度测量。

相较于窄带，宽带单脉冲测角面临非理想因素更多，对通道间幅相不一致甚至极化不一致性也更为敏感，不利于角度测量精度的提升。不考虑天线前端极化特性，宽带单脉冲测角主要存在着以下几个问题：

第一：由于高分辨特性，多散射点目标目标变成距离延展目标，回波能量分散到更多的距离单元上且引入了更大的噪声功率，因此单个距离单元上的信噪比会降低()，导致测角性能恶化；

第二：系统不同通道间存在幅相不一致等非理想因素。非理想因素又可分为两类：一是天线方向图在宽带不同频点上的响应不一致。二是各接收信道宽带频率响应不一致。

而天线方向图及后端接收信道的频率响应不一致会对角度测量产生不利影响。窄带条件下，可认为天线方向图和后端接收信道的频率响应为某一单一频点的近似。此时接收基带信号仅在该频点存在幅度相位误差，可通过乘以相应的误差补偿因子解决。宽带条件下，通过天线及接收信道的基带信号在不同频点的幅度、相位误差均不相同，需要进行全频带补偿。另一方面，传统的幅度和差单脉冲系统是在射频前端或中频利用魔T混合器进行和差，然后将和差差三通道信号下变频至基带测角。如果和差器前的天线馈线及各接收通道宽带频率响应不一致，则和差后无法对其进行补偿，进而影响角度测量精度。

因此，如何设计宽频带单脉冲跟踪雷达系统使其能够获得更精确的目标距离和角度测量结果是目前亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统，能够对目标信号进行处理，并在进行和差之前进行数字幅相补偿，从而获得更精确的目标距离和角度测量结果。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统，包括：天馈分系统、发射分系统、频综分系统、接收分系统、信号处理分系统以及显示控制分系统。

发射分系统用于在射频激励信号作用下产生发射信号并输出。

天馈分系统采用抛物面天线接收目标回波信号并进行耦合校正后输出。

频综分系统在显示控制分系统发来的控制信息控制下，产生射频激励信号输出至发射分系统参与发射信号的产生，同时产生接收本振信号输入至接收分系统。

接收分系统获得目标回波信号与接收本振信号进行下变频处理至中频后输出给信号处理分系统。

信号处理分系统对目标回波信号进行数字下变频至基带后进行幅度和相位的补偿，获得幅相补偿后的信号，然后对幅相补偿后的信号进行数字和差处理，获得和通道信号、俯仰差通道信号和方位差通道信号，最后根据和通道信号、俯仰差通道信号和方位差通道信号获得目标的距离和角度输入至显示控制分系统进行显示。

进一步地，发射分系统包括功分器和环形器，则发射分系统产生发射信号之后，将发射信号经功分器分四路经环形器进行输出。

进一步地，天馈分系统包括四个喇叭馈源、四路接收通道以及耦合校正通道；其中一个喇叭馈源连接一路接收通道；目标回波信号经喇叭馈源进入接收通道；一路接收通道包括顺次连接的环形器、耦合器和场效应管；耦合校正通道具体为：校准用信号源经功分分别接入四个耦合器的校正信号输入端，校正信号经耦合器向后端输入。

进一步地，频综分系统产生的射频激励信号，包括：产生发射本振信号以及中频信号，并进行上变频得到射频激励信号。

进一步地，信号处理分系统包括中频采集控制模块、幅相补偿模块、数字和差模块以及参数估计模块。

中频采集控制模块对目标回波信号进行数字下变频至基带。

幅相补偿模块对数字基带的目标回波信号进行幅度和相位的补偿，获得幅相补偿后的信号。

数字和差模块，对幅相补偿后的信号进行数字和差，获得和通道信号、俯仰差通道信号和方位差通道信号。

参数估计模块根据和通道信号、俯仰差通道信号和方位差通道信号获得目标的距离和角度。

进一步地，四路接收通道分别为A通道、B通道、C通道和D通道。

数字和差模块中，幅相补偿后的信号对应A通道、B通道、C通道以及D通道的高分辨距离像分别为p₁、p₂、p₃、p₄。

则和通道信号为和通道的高分辨距离像p_sum＝p₁+p₂+p₃+p₄。

方位差通道信号为方位差通道的高分辨率距离像p_azi＝p₁+p₄-p₂-p₃。

俯仰差通道信号为俯仰差通道高分辨距离像p_ele＝p₁+p₂-p₃-p₄。

进一步地，幅相补偿模块对数字基带的目标回波信号进行幅度和相位的补偿，获得幅相补偿后的信号，具体为：

发射信号为频率步进合成宽带信号；选取通道1为参考通道。

针对数字基带的目标回波信，获取通道k第i个子脉冲相对于参考通道第i个子脉冲的脉内幅度相位误差因子

N为频率步进合成宽带信号的跳频点数。

其中c_ki＝A_1i/A_ki、

A_1i为参考通道第i个子脉冲的幅度值，A_ki为通道k第i个子脉冲的幅度值，

为参考通道第i个子脉冲的相位值、

为通道k第i个子脉冲的相位值。

取t＝iT_r+τ,i＝0...N-1，T_r为频率步进合成宽带信号的脉冲重复周期；τ为频率步进合成宽带信号的目标回波延时；获得参考通道回波不同子脉冲幅度最大值为

对z'₁(iT_r+τ)的相位进行解缠得到解缠后的子脉冲幅度最大值z”₁(iT_r+τ)，对解缠后的子脉冲幅度最大值z”₁(iT_r+τ)进行幅度和相位拟合得到拟合后的子脉冲幅度最大值z”_fix(iT_r+τ)。

利用z”_fix(iT_r+τ)和z”₁(iT_r+τ)可获得脉间幅度相位补偿因子

C_i exp{jΔφ_i},i＝1…N-1；

其中C_i＝|z”_fix(iT_r+τ)|/|z”₁(iT_r+τ)|，Δφ_i＝angle{z”_fix(iT_r+τ)}-angle{z”₁(iT_r+τ)}；

angle{·}为取相位函数。

对数字基带的目标回波信号中第k通道第i个子脉冲乘以脉内幅度相位补偿因子

再乘以脉间幅度相位补偿因子

获得幅相补偿后的信号。

有益效果：

本发明提供了一种抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统，针对宽带单脉冲测角需求，不同于传统单脉冲在射频或中频和差后输出和差差三通道信号，该系统先将各个通道回波信号变频到基带，采样后进行数字幅度相位补偿，然后对补偿后的基带信号进行数字和差，最后利用和差后的三通道基带信号进行角度测量。利用宽带数字幅相补偿技术，能够解决宽带色散及幅相失真对测角的影响。即本发明提供的系统能够在宽带条件下，通过天线及接收信道的基带信号在不同频点的幅度、相位误差均不相同，需要进行全频带补偿；并且能够对目标信号进行处理，并在进行数字和差之前进行幅相补偿，从而获得更精确的目标距离和角度测量结果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统组成框图；

图2为本发明实施例提供的抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统细节结构图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统，针对宽带单脉冲测角需求，不同于传统单脉冲在射频或中频和差后输出和差差三通道信号，该系统先将各个通道回波信号变频到基带，采样后进行数字幅度相位补偿，然后对补偿后的基带信号进行数字和差，最后利用和差后的三通道基带信号进行角度测量。利用宽带数字幅相补偿技术，能够解决宽带色散及幅相失真对测角的影响。

如图1所示，本发明实施例提供的抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统包括：天馈分系统、发射分系统、频综分系统、接收分系统、信号处理分系统以及显示控制分系统。

发射分系统用于在射频激励信号作用下产生发射信号并输出。本发明实施例中，发射分系统包括功分器和环形器，则发射分系统产生发射信号之后，将发射信号经功分器分四路经环形器进行输出。如图2所示。

本发明实施例中，天馈分系统包括四个喇叭馈源、四路接收通道以及耦合校正通道。如图2所示。

其中一个喇叭馈源连接一路接收通道；目标回波信号经喇叭馈源进入接收通道。

一路接收通道包括顺次连接的环形器、耦合器和场效应管；其中环形器、耦合器配合做收发隔离。

耦合校正通道具体为：校准用信号源经功分分别接入四个耦合器的校正信号输入端，校正信号经耦合器向后端输入。

本发明实施例中，频综分系统产生的射频激励信号，包括：产生发射本振信号以及中频信号，并进行上变频得到射频激励信号。

信号处理分系统包括中频采集控制模块、幅相补偿模块、数字和差模块以及参数估计模块。

中频采集控制模块对目标回波信号进行数字下变频至基带；具体地还可以包括脉冲压缩过程。

幅相补偿模块对数字基带的目标回波信号进行幅度和相位的补偿，获得幅相补偿后的信号；

数字和差模块，对幅相补偿后的信号进行数字和差，获得和通道信号、俯仰差通道信号和方位差通道信号；

参数估计模块根据和通道信号、俯仰差通道信号和方位差通道信号获得目标的距离和角度，其中角度包括方位角和俯仰角度。

本发明实施例针对发射信号为频率步进合成宽带信号的对该系统中的信号处理分系统具体的模块进行说明：

频率步进合成宽带信号的一般模型为：

其中t为时间轴，u(t)为子脉冲基带调制信号，T_r为脉冲重复周期(PulseRepetition Time，PRT)。

f_i＝f₀+iΔf为第i个子脉冲的载频频率，f₀为跳频起始频率，Δf为脉间跳频间隔，N为跳频点数。

对于采用本专利中新体制宽带数字和差单脉冲技术的雷达系统而言，当理想静止点目标目标位于天线的视轴中心时，各个通道接收到的回波信号分别为

其中，k＝{1,2,3,4}代表4个接收通道；A_ki代表第k个接收通道，第i个子脉冲的回波幅度；

代表第k个接收通道，第i个子脉冲的回波相位误差；τ代表目标回波延时。其余符号意义同式(1)。经过接收分系统下变频，并经中频采集控制模块下变频至基带，得到各通道基带回波信号变为

中频采集控制模块还可以进行子脉冲的脉冲压缩，经过子脉冲的脉冲压缩后各通道基带回波信号变为

其中sinc(·)为子脉冲经过脉冲压缩后的复包络。取t＝iT_r+τ，获得各通道回波不同子脉冲幅度最大值为

对z'_k(iT_r+τ)进行离散傅里叶逆变换IDFT{·}即可得到各通道的高分辨一维距离像为

当各个通道不存在幅度相位误差且理想静止点目标位于天线的视轴中心时，式(5)中A_ki＝A_qm,k≠q,i≠m为常数，且

由式(5)可知，此时各通道高分辨一维距离像为

由(6)及上文分析可知，此时p_azi(n)和p_ele(n)为0，方位和俯仰角度测量值均为0°。

当各通道存在不同的幅度相位误差时，角度测量将存在误差。需要先对各通道幅度相位误差进行补偿，然后进行角度测量。考虑到频率步进合成宽带信号子脉冲带宽相对于合成带宽较小，幅相补偿模块对数字基带的目标回波信号可以利用如下方法进行幅度相位误差补偿：

发射信号为频率步进合成宽带信号；选取通道1为参考通道；

N为频率步进合成宽带信号的跳频点数；

其中c_ki＝A_1i/A_ki、

为参考通道第i个子脉冲的相位值、

为通道k第i个子脉冲的相位值；

取t＝iT_r+τ,i＝0…N-1，T_r为频率步进合成宽带信号的脉冲重复周期；τ为频率步进合成宽带信号的目标回波延时；获得参考通道回波不同子脉冲幅度最大值为

对z'₁(iT_r+τ)的相位进行解缠得到解缠后的子脉冲幅度最大值z”₁(iT_r+τ)，对解缠后的子脉冲幅度最大值z”₁(iT_r+τ)进行幅度和相位拟合得到拟合后的子脉冲幅度最大值z”_fix(iT_r+τ)，则认为z”_fix(iT_r+τ)与不存在误差的目标回波脉间幅度、相位基本吻合。本发明实施例中采用拟合的方法得到的目标回波脉间幅度、相位误差统计最小。

C_iexp{jΔφ_i},i＝1…N-1；

angle{·}为取相位函数；

在，再乘以脉间幅度相位补偿因子C_iexp{jΔφ_i}，获得幅相补偿后的信号。采用该方法进行幅相补偿得到的幅相补偿后的信号脉间幅度、相位误差统计最小，利用该幅相补偿后的信号进行数字和差，可以获得更为精确的测角结果。

本发明实施例中四路接收通道分别为A通道、B通道、C通道和D通道；

数字和差模块中，幅相补偿后的信号对应A通道、B通道、C通道以及D通道的高分辨距离像分别为p₁、p₂、p₃、p₄；

则和通道信号为和通道的高分辨距离像p_sum＝p₁+p₂+p₃+p₄；

方位差通道信号为方位差通道的高分辨率距离像p_azi＝p₁+p₄-p₂-p₃；

在补偿完后的各通道回波数据基础上对各通道进行高分辨成像，利用频率步进合成宽带信号单脉冲角度测量模型进行方位和俯仰角度测量。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抛物面天线宽频带单脉冲跟踪雷达系统，其特征在于，包括：天馈分系统、发射分系统、频综分系统、接收分系统、信号处理分系统以及显示控制分系统；

所述发射分系统用于在射频激励信号作用下产生发射信号并输出；

所述天馈分系统采用抛物面天线接收目标回波信号并进行耦合校正后输出；

所述频综分系统在所述显示控制分系统发来的控制信息控制下，产生射频激励信号输出至所述发射分系统参与发射信号的产生，同时产生接收本振信号输入至所述接收分系统；

所述接收分系统获得所述目标回波信号与所述接收本振信号进行下变频处理至中频后输出给所述信号处理分系统；

所述信号处理分系统对所述目标回波信号进行数字下变频至基带后进行幅度和相位的补偿，获得幅相补偿后的信号，然后对所述幅相补偿后的信号进行数字和差处理，获得和通道信号、俯仰差通道信号和方位差通道信号，最后根据和通道信号、俯仰差通道信号和方位差通道信号获得目标的距离和角度输入至显示控制分系统进行显示；

所述信号处理分系统包括中频采集控制模块、幅相补偿模块、数字和差模块以及参数估计模块；

所述中频采集控制模块对所述目标回波信号进行数字下变频至基带；

所述幅相补偿模块对数字基带的目标回波信号进行幅度和相位的补偿，获得幅相补偿后的信号；

所述数字和差模块，对所述幅相补偿后的信号进行数字和差，获得和通道信号、俯仰差通道信号和方位差通道信号；

所述参数估计模块根据和通道信号、俯仰差通道信号和方位差通道信号获得目标的距离和角度；

其中，所述天馈分系统包括四个喇叭馈源、四路接收通道以及耦合校正通道；

其中，所述四路接收通道分别为A通道、B通道、C通道和D通道；

其中一个所述喇叭馈源连接一路所述接收通道；所述目标回波信号经所述喇叭馈源进入所述接收通道；

一路所述接收通道包括顺次连接的环形器、耦合器和场效应管；

耦合校正通道具体为：校准用信号源经功分分别接入四个所述耦合器的校正信号输入端，校正信号经所述耦合器向后端输入；

所述数字和差模块中，幅相补偿后的信号对应A通道、B通道、C通道以及D通道的高分辨距离像分别为p₁、p₂、p₃、p₄；

俯仰差通道信号为俯仰差通道高分辨距离像p_ele＝p₁+p₂-p₃-p₄；

其中，所述幅相补偿模块对数字基带的目标回波信号进行幅度和相位的补偿，获得幅相补偿后的信号，具体为：

所述发射信号为频率步进合成宽带信号；选取通道1为参考通道；

N为所述频率步进合成宽带信号的跳频点数；

其中c_ki＝A_1i/A_ki、

为参考通道第i个子脉冲的相位值、

为通道k第i个子脉冲的相位值；

取t＝iT_r+τ,i＝0…N-1，T_r为所述频率步进合成宽带信号的脉冲重复周期；τ为所述频率步进合成宽带信号的目标回波延时；获得参考通道回波不同子脉冲幅度最大值为

对z′₁(iT_r+τ)的相位进行解缠得到解缠后的子脉冲幅度最大值z″₁(iT_r+τ)，对解缠后的子脉冲幅度最大值z″₁(iT_r+τ)进行幅度和相位拟合得到拟合后的子脉冲幅度最大值z″_fix(iT_r+τ)；

其中，f₀为跳频起始频率，Δf为脉间跳频间隔；

利用z″_fix(iT_r+τ)和z″₁(iT_r+τ)可获得脉间幅度相位补偿因子：

其中C_i＝|z″_fix(iT_r+τ)|/|z″₁(iT_r+τ)|，Δφ_i＝angle{z″_fix(iT_r+τ)}-angle{z″₁(iT_r+τ)}；

angle{g}为取相位函数；

再对相乘后的结果乘以脉间幅度相位补偿因子C_i exp{jΔφ_i}，获得幅相补偿后的信号。

2.如权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述发射分系统包括功分器和环形器，则所述发射分系统产生发射信号之后，将所述发射信号经功分器分四路经环形器进行输出。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，频综分系统产生的射频激励信号，包括：产生发射本振信号以及中频信号，并进行上变频得到所述射频激励信号。