基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统及方法技术方案

一种基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统，包括：雷达主机、伺服转台和控制模块，其中，雷达主机，包含：有源天线模块，用于发射宽带调频连续波信号以及同时进行回波信号的接收；以及数字模块，用于对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台的扫描角度范围和转速进行控制，将接收的回波信号进行DBF加权处理得到多路和差波束信号，并利用该多路和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理获取检测结果，该和差波束信号为和‑方位差‑俯仰差的单脉冲信号。该系统可同时大范围内实现“低慢小”目标的实时监测，能够高精度测量目标的距离、角度、速度等，大幅提高雷达的空域覆盖能力。

Low Altitude Defense Radar System and Method Based on Digital Beamforming Technology

【技术实现步骤摘要】
基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统及方法
本公开属于雷达
，涉及一种基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统及方法。
技术介绍
“低慢小”目标主要包括各类无人机、航空模型、热气球等航空器，具有低空飞行(1000m以下)、速度缓慢(小于200km/h)、小型化(雷达散射截面积小于2m2)的特征。这类目标成本低廉、携带方便且操作简便，使得它们起飞要求低、升空突然性强，使其在违法飞行作业时发现处置困难，极易对国家空防安全、社会公共安全和人身财产安全构成威胁。目前，每年均有因无人机等“低慢小”目标的违法飞行对机场、国家政要府邸以及公众聚集区域等重大安全场所造成重大安全问题的事件发生，并且事件数量逐年提升，造成严重的安全隐患与经济损失。目前，国内出台了一系列法律法规，以规范“低慢小”航空器的应用和管理，一定程度上确保低空空域安全。除此之外，还需要开展对“低慢小”航空器的探测技术研究。当前用于“低慢小”航空器探测的手段主要有低空监视雷达、光电探测、声学探测和无线电信号侦测等。光电探测易受环境光线干扰，厚云层或多云时目标红外特性不明显，逆光时目标与背景对比度低，目标特性受大气衰减、湍流影响大，加之“低慢小”航空器光电信号较弱、信噪比较低，使光电探测难度进一步增大。声学探测受环境中声音杂波影响较大，且“低慢小”航空器声音幅度较小，使得采用声学探测的作用距离不大。无线电信号侦测采用被动探测技术，受无线电发射信号位置的影响，不同位置空域的检测精度会有较大差异。因此，亟需提出一种能够克服上述技术缺陷的探测手段，实现对“低慢小”的高精度实时探测。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种基于数字波束形成技术的低空防御雷达系统及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种基于数字波束形成(DBF)技术的低空防御雷达系统，包括：雷达主机1、伺服转台2和控制模块5，其中，雷达主机1，包含：有源天线模块11，用于发射宽带调频连续波信号以及同时进行回波信号的接收；以及数字模块12，用于对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台2的扫描角度范围和转速进行控制，将接收的回波信号进行DBF加权处理得到多路和差波束信号，并利用该多路和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理获取检测结果，该和差波束信号为和-方位差-俯仰差的单脉冲信号；伺服转台2，与雷达主机1固定并电气连接，用于根据数字模块12的控制信号实现雷达主机的扫描角度和转速变化；控制模块5，与雷达主机1和伺服转台2均电气连接，用于给雷达主机1和伺服转台2配置参数，并接收和显示雷达主机1传输的检测结果。在本公开的一些实施例中，雷达系统工作于Ku频段，能进行方位向360°机械扫描与俯仰向±20°范围内的多波位电扫描，其中，利用宽带线性调频连续波信号去调频接收后脉压的方式实现距离向测距；采用左右波束单脉冲测角的方式实现方位向测角；采用俯仰向DBF形成的多波束进行比幅单脉冲测角的方式实现俯仰向测角；以及采用多脉冲相干累积多普勒锐化的方式实现目标径向速度测量。在本公开的一些实施例中，雷达主机1还包含：机壳、天线罩、风扇以及尾罩，其中，有源天线模块11、数字模块12和尾罩固定于机壳上；风扇固定于尾罩上，用于对雷达主机1进行散热；天线罩罩于有源天线模块的阵面外侧，该天线罩的材料为透波材料。在本公开的一些实施例中，有源天线模块11集成有收发天线阵面111、收发射频组件112和频率源模块113，其中，所述收发天线阵面111包括发射天线与接收天线，发射天线为1个阵面，对应1组发射通道，与收发射频组件112中的发射射频组件连接，用于将发射信号辐射出去；接收天线为m×n个阵面，m≥2，n≥2，m，n均为整数，按照方位向m列和俯仰向n行的方式组成阵列，每个阵面分别对应1组接收通道，与收发射频组件112中的接收射频组件连接，用于接收目标的回波信号；所述收发射频组件包括1组发射射频组件与m×n组接收射频组件，其中发射射频组件用于对线性调频连续波信号进行上变频和功率放大处理，并对末级功率放大具有功率检测的功能；功率放大后的发射信号分成两路，一路与发射天线阵面连接向外辐射，另一路定向耦合至1分m×n功分器，与m×n组接收射频组件的混频器连接，作为混频器的参考信号输入；每组接收射频组件与对应接收天线阵面连接，将接收的回波信号经限幅、放大和增益控制，与参考信号混频、滤波和幅度调整，最后输出信号至数字模块进行采样处理，并对输出信号具有平均输出功率检波输出功能；所述频率源模块包括：晶振、AD采样时钟子模块、DA采样时钟子模块，其中晶振与AD采样时钟子模块、DA采样时钟子模块连接，提供10MHz的稳定频率；AD采样时钟子模块与数字模块AD端连接，为其提供50MHz的稳定采样时钟；DA采样时钟子模块与数字模块DA端连接，为其提供2GHz的稳定采样时钟；作为优选，m＝2，n＝8。在本公开的一些实施例中，数字模块12包括：数据形成与接口控制子模块125，与有源天线模块11、伺服转台12连接，用于产生DA信号，对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台的扫描角度范围和转速进行控制，同时进行射频增益控制及与控制模块5之间的控制信号交互；DA子模块122，与有源天线模块11的发射射频组件连接，将该DA信号传送至发射射频通道控制发射线性调频连续波信号；AD子模块121，与有源天线模块11的接收射频组件连接，将回波信号量化采集；DBF子模块123，与AD子模块121连接，将m×n路量化采集的回波信号进行DBF加权处理，获得不同俯仰角度的和差波束信号；以及数据处理子模块124，与DBF子模块123连接，对和差波束信号进行目标检测处理，获取检测结果。在本公开的一些实施例中，伺服转台2包括：角度编码器、伺服转台控制模块和转台电机及传动机构，其中，角度编码器，用于反馈角度信息；伺服转台控制模块，用于接收来自所述角度编码器的角度信息，并用于接收数字模块的控制信号以控制转台电机及传动机构，并将转速和位置信息回传给雷达主机。在本公开的一些实施例中，雷达主机1和伺服转台2通过整机线缆进行电气连接；雷达主机1和伺服转台2通过一转接结构3进行固定连接，其中，转接结构3下方与伺服转台2连接，上方与雷达主机1连接，根据应用场景需求设计该转接结构3的固定角度，使得雷达主机以特定的俯仰角安装并扫描。在本公开的一些实施例中，控制模块5与雷达主机1及伺服转台2均通过整机线缆电气连接；可选的，该控制模块5为一控制计算机。在本公开的一些实施例中，低空防御雷达系统，还包括：配电模块4，该配电模块4与雷达主机1及伺服转台2通过整机线缆电气连接，负责将供电线缆传输而来的220VAC市电转换为雷达主机1与伺服转台2所需要的各路电压，以提供有效的电源供应。根据本公开的另一个方面，提供了一种基于本公开提及的任一种低空防御雷达系统进行低空防御的方法，包括：整个雷达系统上电后，通过控制模块5为雷达主机1及伺服转台2进行参数配置；待雷达主机1及伺服转台2开启后，伺服转台2按照配置的转角范围与转速进行扫描；雷达主机1产生并向外发射宽带调频连续波信号以及同时进行回波信号的接收，将接收的回波信号进行DBF加权处理得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字波束形成(DBF)技术的低空防御雷达系统，其特征在于，包括：雷达主机(1)、伺服转台(2)和控制模块(5)，其中，雷达主机(1)，包含：有源天线模块(11)，用于发射宽带调频连续波信号以及同时进行回波信号的接收；以及数字模块(12)，用于对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台(2)的扫描角度范围和转速进行控制，将接收的回波信号进行DBF加权处理得到多路和差波束信号，并利用该多路和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理获取检测结果，该和差波束信号为和‑方位差‑俯仰差的单脉冲信号；伺服转台(2)，与雷达主机(1)固定并电气连接，用于根据数字模块(12)的控制信号实现雷达主机的扫描角度和转速变化；控制模块(5)，与雷达主机(1)和伺服转台(2)均电气连接，用于给雷达主机(1)和伺服转台(2)配置参数，并接收和显示雷达主机(1)传输的检测结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于数字波束形成(DBF)技术的低空防御雷达系统，其特征在于，包括：雷达主机(1)、伺服转台(2)和控制模块(5)，其中，雷达主机(1)，包含：有源天线模块(11)，用于发射宽带调频连续波信号以及同时进行回波信号的接收；以及数字模块(12)，用于对发射信号参数、接收信号数字衰减以及伺服转台(2)的扫描角度范围和转速进行控制，将接收的回波信号进行DBF加权处理得到多路和差波束信号，并利用该多路和差波束信号结合采集信号时刻的扫描角度信息进行实时处理获取检测结果，该和差波束信号为和-方位差-俯仰差的单脉冲信号；伺服转台(2)，与雷达主机(1)固定并电气连接，用于根据数字模块(12)的控制信号实现雷达主机的扫描角度和转速变化；控制模块(5)，与雷达主机(1)和伺服转台(2)均电气连接，用于给雷达主机(1)和伺服转台(2)配置参数，并接收和显示雷达主机(1)传输的检测结果。2.根据权利要求1所述的低空防御雷达系统，其特征在于，所述雷达系统工作于Ku频段，能进行方位向360°机械扫描与俯仰向±20°范围内的多波位电扫描，其中，利用宽带线性调频连续波信号去调频接收后脉压的方式实现距离向测距；采用左右波束单脉冲测角的方式实现方位向测角；采用俯仰向DBF形成的多波束进行比幅单脉冲测角的方式实现俯仰向测角；以及采用多脉冲相干累积多普勒锐化的方式实现目标径向速度测量。3.根据权利要求1所述的低空防御雷达系统，其特征在于，所述雷达主机(1)还包含：机壳、天线罩、风扇以及尾罩，其中，所述有源天线模块(11)、数字模块(12)和尾罩固定于所述机壳上；所述风扇固定于尾罩上，用于对雷达主机(1)进行散热；所述天线罩罩于有源天线模块的阵面外侧，该天线罩的材料为透波材料。4.根据权利要求1所述的低空防御雷达系统，其特征在于，所述有源天线模块(11)集成有收发天线阵面(111)、收发射频组件(112)和频率源模块(113)，其中，所述收发天线阵面(111)包括发射天线与接收天线，发射天线为1个阵面，对应1组发射通道，与收发射频组件(112)中的发射射频组件连接，用于将发射信号辐射出去；接收天线为m×n个阵面，m≥2，n≥2，按照方位向m列和俯仰向n行的方式组成阵列，每个阵面分别对应1组接收通道，与收发射频组件(112)中的接收射频组件连接，用于接收目标的回波信号；所述收发射频组件包括1组发射射频组件与m×n组接收射频组件，其中发射射频组件用于对线性调频连续波信号进行上变频和功率放大处理，并对末级功率放大具有功率检测的功能；功率放大后的发射信号分成两路，一路与发射天线阵面连接向外辐射，另一路定向耦合至1分m×n功分器，与m×n组接收射频组件的混频器连接，作为混频器的参考信号输入；每组接收射频组件与对应接收天线阵面连接，将接收的回波信号经限幅、放大和增益控制，与参考信号混频、滤波和幅度调整，最后输出信号至数字模块进行采样处理，并对输出信号具有平均输出功率检波输出功能；所述频率源模块包括：晶振、AD采样时钟子模块、DA采样时钟子模块，其中晶振与AD采样时钟子模块、DA采样时钟子模块连接，提供10MHz的稳定频率；AD采样时钟子模块与数字模块AD端连接，为其提供50MHz的稳定...

【专利技术属性】
技术研发人员：董勇伟，李毅之，冀广宇，
申请(专利权)人：中科宇达北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11