一种基于旋转天线的方位合成孔径雷达系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于旋转天线的方位合成孔径雷达系统，包括由若干天线组成的均匀圆阵、天线支撑转盘、汇流环、电机、雷达射频接收通道；各天线均匀排列在天线支撑转盘上，电机控制转盘转动，天线接收到信号经汇流环传输到雷达射频接收通道，通过信号干涉处理技术将该圆阵等效为一个位于圆心、具有复数方向性响应的单鞭天线，同时通过其机械旋转实现方向图的方位扫描，提高天线阵列流型矩阵的秩，增加该天线的独立观测矢量，等效于进行了方位孔径合成。本发明专利技术采用电小圆阵，减小了天线阵的占地面积，可提供全方位、无模糊的方位角信息，实现了HF/VHF/UHF等频段雷达探测，尤其在高频段，其探测性能可与传统的占地数十至数百米阵列的地波雷达相当。

【技术实现步骤摘要】
一种基于旋转天线的方位合成孔径雷达系统
本专利技术涉及一种基于旋转天线的方位合成孔径雷达系统，属雷达
，特别涉及HF/VHF/UHF等频段雷达系统。
技术介绍
高频超视距雷达为了获得足够的方位分辨率和方向增益，短波段雷达天线阵动辄数百米甚至数千米，这直接影响到设备的规模、造价和安装成本，不能满足国家对中、低成本超视距探测日益增长的需求。各国学者和工程技术人员围绕地波雷达天线小型化做了很多工作。小型天线阵虽然有成本低、轻便灵活等优势，但在反演结果的准确性存在不足。另外，天线参数的设计受探测目标特性的限制；对于地波雷达海洋探测，海流信息是从一阶谱中提取的，因为同一个谱点对应的径向流速是有限的，那么可以用少数阵元的阵列(如交叉环/单极子)提取；而风浪等参数的提取依赖于连续分布的海面散射源，需要大口径阵列才能获得较高精度的反演结果。同时由于小型阵列的方位分辨率低、民用地波雷达发射功率受限以及各种噪声和干扰(包括海洋回波的干扰)等问题，对目标尤其是小目标和机动目标的检测概率、虚警率、定位和跟踪精度等方面都存在需要克服的一系列问题。
技术实现思路
针对上述问题和高频探测的特点，本专利技术提出一种基于旋转天线的方位合成孔径雷达系统，采用紧凑的小圆阵的形式，可实现目标方位角与俯仰角的双角度估计，可提供全方位、无模糊的方位角信息。该系统适用于HF/VHF/UHF等频段雷达探测，可以适用于如岸基平台、海面浮标平台、舰船平台和一般陆地平台等多种平台。本专利技术涉及一种旋转天线的方位合成孔径雷达系统，包括由两个以上单极子天线组成的均匀圆阵、天线支撑转盘、汇流环、电机、雷达射频接收通道、信号干涉处理模块。各单极子天线均匀排列在天线支撑转盘上，电机控制天线支撑转盘转动，天线接收到信号后经汇流环传输到雷达射频接收通道，通过信号干涉处理模块将该圆阵等效为一个位于圆心、具有复数方向性响应的单鞭天线，同时通过其机械旋转实现方向图的方位扫描，提高天线阵列流型矩阵的秩，增加该天线的独立观测矢量，等效于进行了方位孔径合成。所述均匀圆阵半径为雷达发射信号波长的1/20～1/2；所述阵列天线的数目M≥2，通常可为2，3，4，6，8等均匀排列在天线支撑转盘上；所述接收阵列天线可是单鞭天线，也可以是环天线或者其他类型的天线；所述天线可以是无源天线，也可以是有源天线(需要增加相应的供电电路)；所述天线沿通过圆心垂直于转盘的轴旋转，可通过电机及其控制系统调整其转速，转速的确定与雷达工作波形参数相关；所述每根天线接收到的信号均可通过汇流环独立传送到雷达接系统；雷达接收系统为传统超外差接收结构，可采用一次混频高中频采样结构或射频直接采样结构。所述天线支撑转盘在电机控制下以固定转速旋转，设计合理的波形参数，即转盘转动的角频率ω与雷达工作时扫频周期T之间需要满足关系：每根天线在旋转过程中视为每个工作周期将转盘所在圆均分为K个等份(相对于静止坐标系)，每根天线在旋转过程中每个工作周期均会经过这些等份，得到这K个位置中的任一位置的N帧数据，N通常取为256、512、1024数值。对K个位置接收到的信号分别进行距离变换和多普勒变换，对方位相差π的两个位置接收到的多普勒谱数据进行干涉处理，得到干涉相加和干涉相减的两组干涉信号。所述信号干涉处理模块将该圆阵等效为一个位于圆心、具有复数方向性响应的单鞭天线，同时通过其机械旋转实现方向图的方位扫描，提高天线阵列流型矩阵的秩，增加该天线的独立观测矢量，等效于进行了方位孔径合成。进一步利用天线旋转所引入的相位信息，即天线旋转等效于增加天线阵元，由不同位置天线转动的转速引起的多普勒频移在测向算法中为附加相位，以提高目标方位估计的分辨率和准确度。所述天线阵在使用中额外在离圆阵中心整数倍半径的距离之外增加一根或多跟辅助接收天线，以进一步提高雷达的方位角和俯仰角的分辨性能。各天线均匀排列在天线支撑转盘上，电机控制转盘转动，天线接收到信号经汇流环传输到雷达射频接收通道，设计合理的波形参数，每根天线在旋转过程中可视为每个工作周期将转盘所在圆均分为K个等份(相对于静止坐标系)，每根天线在旋转过程中每个工作周期均会经过这些等份，可得到这K个位置的任一位置的1024帧数据。将每个位置接收到的信号进行距离变换和多普勒变换，对方位相差π的两个位置接收到的多普勒谱数据进行干涉处理，得到干涉相加和干涉相减的两组干涉信号。可将该圆阵等效为一个位于圆心、具有复数方向性响应的单鞭天线，同时通过其机械旋转实现方向图的方位扫描，提高天线阵列流型矩阵的秩，增加该天线的独立观测矢量，等效于进行了方向孔径合成。天线阵在使用中可额外在离圆阵中心一定距离之外(如整数倍半径的距离之外)增加一根或多跟辅助接收天线，以进一步提高雷达的方位分辨性能。本专利技术采用电小圆阵，减小了天线阵的占地面积，可实现目标方位角与俯仰角的双角度估计，可提供全方位、无模糊的方位角信息，实现了HF/VHF/UHF等频段雷达探测，尤其在高频段，其探测性能可与传统的占地数十至数百米阵列的地波雷达相当，该系统能够探测海洋表面动力学参数和海面上的低速目标，也可探测陆地和空中的软、硬目标。该系统可以适用于如岸基平台、海面浮标平台、舰船平台和一般陆地平台等多种平台。附图说明图1为本专利技术实施例中8元雷达接收天线阵列示意图；图2为本专利技术实施例中增加额外天线的新雷达接收天线阵列；图3为本专利技术实施例中8元雷达接收天线阵列探测目标示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例详细说明本专利技术技术方案。本专利技术涉及一种旋转天线的方位合成孔径雷达系统，包括由若干天线组成的均匀圆阵、天线支撑转盘、汇流环、电机、雷达射频接收通道。各单极子有源天线均匀排列在天线支撑转盘上，电机控制转盘转动，天线接收到信号经汇流环传输到雷达射频接收通道，通过信号干涉处理将该圆阵等效为一个位于圆心、具有复数方向性响应的单鞭天线，同时通过其机械旋转实现方向图的方位扫描，提高天线阵列流型矩阵的秩，增加该天线的独立观测矢量，等效于进行了方位孔径合成。设共用M个单极子天线A1、A2...AM均匀分布在转盘边缘的圆周上，其中M为2，3，4，6，8等，天线可沿通过圆心垂直于圆盘的轴旋转，可通过电机及其控制机构调整其转速，转速的确定与雷达工作波形参数相关，转盘转动的角频率ω与雷达工作时扫频周期T之间需要满足关系下面以8元均匀圆阵，i＝3为实施例进行说明：转盘在电机控制下以固定转速旋转，由(1)式可知每根天线在旋转过程中可视为将转盘所在圆均分为24个固定位置(相对于静止坐标系)，每根天线在旋转过程中均会经过这些位置。以1号天线为例，经过3个扫频周期可旋转到达2号天线所在位置。相当于有24根天线组成24元圆阵，数据处理时对每个位置的信号进行处理。例如，对于位置1，1号天线的第一个扫频周期为该位置的第一帧数据，8号天线经过3个扫频周期运动到1号位置，记为位置1的第二帧数据，7号天线经过6个扫频周期运动到位置1，记为第三帧数据……以此类推，分别得到每个位置的1024帧数据。对每个位置的1024帧数据进行第一次快速傅里叶变换(FFT)(即距离变换)得到距离谱，对每个距离的回波数据进行相干积累后进行第二次FFT(即多普勒变换)就可以得到回波多普勒谱。对方位相差π的两个位置的数据求差和求和，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于旋转天线的方位合成孔径雷达系统，其特征在于：包括由两个以上单极子天线组成的均匀圆阵、天线支撑转盘、汇流环、电机、雷达射频接收通道、信号干涉处理模块；各单极子天线均匀排列在天线支撑转盘上，电机控制天线支撑转盘转动，天线接收到信号后经汇流环传输到雷达射频接收通道，通过信号干涉处理模块将该圆阵等效为一个位于圆心、具有复数方向性响应的单鞭天线，同时通过其机械旋转实现方向图的方位扫描，提高天线阵列流型矩阵的秩，增加该天线的独立观测矢量，等效于进行了方位孔径合成。

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转天线的方位合成孔径雷达系统，其特征在于：包括由两个以上单极子天线组成的均匀圆阵、天线支撑转盘、汇流环、电机、雷达射频接收通道、信号干涉处理模块；各单极子天线均匀排列在天线支撑转盘上，电机控制天线支撑转盘转动，天线接收到信号后经汇流环传输到雷达射频接收通道，通过信号干涉处理模块将该圆阵等效为一个位于圆心、具有复数方向性响应的单鞭天线，同时通过其机械旋转实现方向图的方位扫描，提高天线阵列流型矩阵的秩，增加该天线的独立观测矢量，等效于进行了方位孔径合成；所述均匀圆阵半径为雷达发射信号波长的1/20～1/2；所述天线的数目M≥2，天线均匀排列在天线支撑转盘上；所述天线为无源天线或者有源天线；所述天线围绕天线支撑转盘的中心轴旋转，并通过电机及其控制系统调整天线转速，转速的确定与雷达工作波形参数相关；所述每根天线接收到的信号均通过汇流环独立传送到雷达接收系统；雷达接收系统为传统超外差接收结构，采用一次混频高中频采样结构或射频直接采样结构；所述天线支撑转盘在电机控制下以固定转速旋转，设计合理的波形参数，即转盘转动的角频率ω与雷达工作时扫频周期T之间需要满足关系：每根天线在旋转过程中视为每个工作周期将转盘所在圆均分为K个等份，每根天线在旋转过程中每个工作周期均会...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴雄斌，柳剑飞，张兰，马克涛，王立，李川，陈骁锋，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42