一种收发垂直波束三坐标相控阵雷达技术制造技术

本发明专利技术提供了一种收发垂直波束三坐标相控阵雷达技术，包括设计收发垂直波束相控阵天线、采用MIMO雷达处理算法，提高雷达探测数据率、采用超分辨测向技术，实现精确测向、采用和差波束测角技术，实现高精度测角。收发天线均采用一维相控阵天线，在方位维接收天线同时多波束，发射天线单波束；在俯仰维接收天线单波束，发射天线多波束；假设发射天线为N×1的向量，接收天线为1×M的向量，通过算法协同，可以同一时刻产生N×M的矩阵，实现二维相控阵的分辨能力，同时提高数据率，使之契合低慢小目标探测的要求。

A vertical beam three coordinate phased array radar technology

【技术实现步骤摘要】
一种收发垂直波束三坐标相控阵雷达技术
本专利技术涉及相控阵雷达体制，尤其涉及一种收发垂直波束三坐标相控阵雷达技术。
技术介绍
国内的无人机管制系统近年来发展迅速，但在复杂环境下可以实用的反无人机系统并不多见，其中最主要的问题是雷达在复杂环境下对无人机可靠检测的问题。无人机探测属低慢小目标探测，国内的低慢小目标探测雷达主要包括以下三类：第一类，两坐标雷达拼凑的三坐标反无人机雷达，这类雷达实现起来较为方便。但是雷达的性能无法满足复杂背景下探测需要。第二类，高性能低慢小目标探测雷达，以中电某所圆阵雷达为代表，该雷达具备边探测边扫描能力，在保证探测能力的基础上，可以对重点目标提供高数据率的跟踪能力。但是该类雷达造价高昂，其定价在400万元以上，一般应用场合难以承担该成本。第三类，低速率、高检测性能雷达，这类雷达具备边探测边扫描能力，但是在方位上是机械扫描体制，因此数据率较低，无法适用无人机机动飞行时的跟踪；另外这类雷达是机械扫描，天线方向图的调制严重影响了改善因子指标，所以在复杂背景下小目标的探测能力依然不足。此外：传统的集中式雷达体制，收发天线在波束覆盖上和波束调度上必然是完全相同的，即在同一时刻，空间的覆盖完全相同，波束的变化完全一致，这样可以保证能量的利用率。针对低慢小目标，特别是消费级无人机的探测，需要考虑如城市背景等恶劣环境，此时需要雷达的改善因子大于65dB，在此要求下，雷达必须采用相控阵体制(机械扫描体制改善因子难以超过50dB)。采用经典相控阵体制完成对目标三坐标的测量(方位、仰角、距离)，则需要采用二维相控阵，这带来了两个主要问题：a)假设1维相控阵所需通道数为N，则2维相控阵所需通道数为N2，即2维相控阵成本约为1维相控阵成本的N倍，民用领域难以承受；b)2维相控阵的三维方向图是针状波束，如果任务范围方位是90°，俯仰是20°，则立体角范围是1800°；假设针状波束方位上为7.5°，俯仰上为5°，则针状波束立体角为37.5°；设每个针状波束的探测时间为0.8s，则雷达数据率为38.4s，数据率无法满足要求。综上，国内在低慢小目标的探测上，特别是消费无人机的探测上存在严重的性能与造价之间的矛盾，所以至今少有能够满足当前市场主流需求的雷达。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种收发垂直波束三坐标相控阵雷达技术，收发天线分别采用单元数为M和N的一维向量，达到传统二维相控阵雷达M×N矩阵的分辨效果，同时提高了数据率。为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：本专利技术提供了一种收发垂直波束三坐标相控阵雷达技术，包括：S1、设计收发垂直波束相控阵天线接收天线为水平16路的一维相控阵天线，采用数字DBF技术在水平方向同时实现12个波束指向，完成水平90度的覆盖；垂直方向1路串联5～6个贴片单元，保证垂直16度的波束覆盖；发射天线采用2个16×1的一维相控阵天线，利用频率分集技术在空间上、同一时刻可以形成2个相邻波束指向，通过电子扫描分时满足波束覆盖，每个波束水平覆盖90度，垂直覆盖4度；S2、雷达工作过程雷达工作可分为两个过程：检测过程和跟踪过程；S3、采用MIMO雷达处理算法，提高雷达探测数据率；S4、采用超分辨测向技术，实现精确测向；S5、采用和差波束测角技术，实现高精度测角；为保证仰角测量精度，采用和差测角方式进行测角，通过频率分集技术实现差波束，通过发射数字波束合成技术形成和波束。进一步，所述雷达工作过程包括如下步骤：S2.1、所述检测过程中，水平方向，16路接收通道在方位90度范围内利用DBF技术同时形成12路波束，对方位90度进行凝视探测；垂直方向，设置4个预置仰角，根据具体阵地不同，调整预设仰角；S2.2、当新出现的目标为非地面目标时，则需要进行测高，此时进入跟踪模式；S2.3、在进入跟踪模式时，需对目标仰角进行粗测，根据粗测结果设置测高、仰角预置位，经过对测高仰角预置位的遍历，完成仰角精测；S2.4、在完成一次仰角精测后，雷达进入跟踪模式，并在跟踪模式中针对空中目标穿插跟踪模式。进一步，所述MIMO雷达处理算法的处理过程为：S3.1、发射天线使用两个频率，同时产生两路发射波束；S3.2、16个接收通道，每个通道接收到两个频率的发射数据，经AD采样后，对两个频率分别进行正交鉴相，形成两路基带信号；S3.3、针对每个频率做抽取和滤波，对DDC后的每个频率对应的基带信号分别进行DBF，分别形成12路接收通道；S3.4、对每个频率对应的12路接收通道分别进行动目标检测和恒虚警检测处理，形成检测视频；S3.5、对每个频率对应的12个通道的检测视频进行点迹凝聚；S3.6、对两个频率的点迹进行融合，然后进行超分辨测向和和差波束测角；S3.7、最后进行航迹跟踪。进一步，所述接收天线和所述发射天线利用收发垂直波束相控阵技术，在单个阵面下，完成方位90度、俯仰16度的空域覆盖。本专利技术的有益效果为：收发天线均采用一维相控阵天线，采用收发波束垂直部署的方案：在方位维接收天线同时多波束，发射天线单波束；在俯仰维接收天线单波束，发射天线多波束；假设发射天线为N×1的向量，接收天线为1×M的向量，通过算法协同，可以同一时刻产生N×M的矩阵，实现二维相控阵的分辨能力，使之契合低慢小目标探测的要求，同时数据率提高为二维相控阵的N×M倍，成本较2维相控阵降低(M·N)/(M+N)倍；从而以较低的成本、较高的数据率实现二维相控阵雷达的探测性能。附图说明图1为本专利技术天线布局图；图2为收发天线方位维瞬时覆盖情况；图3为收发天线俯仰维覆盖情况(分时)；图4为雷达工作流程框图；图5为收发天线俯仰维覆盖情况(瞬时)；图6为接收天线水平面波束合成12路示意图；图7为雷达信号处理过程。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。一种收发垂直波束三坐标相控阵雷达技术，包括：S1、设计收发垂直波束相控阵天线收发天线在结构上完全不同，其中天线的布局如图1所示：接收天线1为水平16路的一维相控阵天线，采用数字DBF技术在水平方向同时实现12个波束指向，完成水平90度的覆盖；垂直方向1路串联5～6个贴片单元，保证垂直16度的波束覆盖；发射天线2采用2个16×1的一维相控阵天线，利用频率分集技术在空间上、同一时刻可以形成2个相邻波束指向，通过电子扫描分时满足波束覆盖，每个波束水平覆盖90度，垂直覆盖4度；收发天线方位上波束覆盖效果如图2所示，其中，接收方向图101为多波束，发射方向图201为单波束，发射天线在方位维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种收发垂直波束三坐标相控阵雷达技术，其特征在于，包括：/nS1、设计收发垂直波束相控阵天线/n接收天线为水平16路的一维相控阵天线，采用数字DBF技术在水平方向同时实现12个波束指向，完成水平90度的覆盖；垂直方向1路串联5～6个贴片单元，保证垂直16度的波束覆盖；/n发射天线采用2个16×1的一维相控阵天线，利用频率分集技术在空间上、同一时刻可以形成2个相邻波束指向，通过电子扫描分时满足波束覆盖，每个波束水平覆盖90度，垂直覆盖4度；/nS2、雷达工作过程/n雷达工作可分为两个过程：检测过程和跟踪过程；/nS3、采用MIMO雷达处理算法，提高雷达探测数据率；/nS4、采用超分辨测向技术，实现精确测向；/nS5、采用和差波束测角技术，实现高精度测角/n为保证仰角测量精度，采用和差测角方式进行测角，通过频率分集技术实现差波束，通过发射数字波束合成技术形成和波束。/n

【技术特征摘要】
1.一种收发垂直波束三坐标相控阵雷达技术，其特征在于，包括：
S1、设计收发垂直波束相控阵天线
接收天线为水平16路的一维相控阵天线，采用数字DBF技术在水平方向同时实现12个波束指向，完成水平90度的覆盖；垂直方向1路串联5～6个贴片单元，保证垂直16度的波束覆盖；
发射天线采用2个16×1的一维相控阵天线，利用频率分集技术在空间上、同一时刻可以形成2个相邻波束指向，通过电子扫描分时满足波束覆盖，每个波束水平覆盖90度，垂直覆盖4度；
S2、雷达工作过程
雷达工作可分为两个过程：检测过程和跟踪过程；
S3、采用MIMO雷达处理算法，提高雷达探测数据率；
S4、采用超分辨测向技术，实现精确测向；
S5、采用和差波束测角技术，实现高精度测角
为保证仰角测量精度，采用和差测角方式进行测角，通过频率分集技术实现差波束，通过发射数字波束合成技术形成和波束。


2.根据权利要求1所述的一种收发垂直波束三坐标相控阵雷达技术，其特征在于，所述雷达工作过程包括如下步骤：
S2.1、所述检测过程中，水平方向，16路接收通道在方位90度范围内利用DBF技术同时形成12路波束，对方位90度进行凝视探测；
垂直方向，设置4个预置仰角，根据具体阵地不同，调整预设仰角；
S2.2、当新出现的目标为非地面目标时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓晓，钱增锋，殷前斌，
申请(专利权)人：中船重工武汉凌久电子有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42