一种全向覆盖多波束探测雷达系统技术方案

本发明专利技术涉及一种全向覆盖多波束探测雷达系统，用于解决飞鸟等低空慢速小目标的探测问题，包括圆柱形相控阵天线阵列、综合控制模块、频综模块、数字接收波束形成模块及数字信号处理模块。频综模块产生射频激励信号并送至圆柱形相控阵天线阵列，圆柱形相控阵天线阵列用于信号的发射与接收；当有目标时，圆柱形相控阵天线阵列接收到回波并将多通道数据传送至数字接收波束形成模块进行接收波束DBF，完成接收波束DBF后将得到的数据传送至数字信号处理模块，数字信号处理模块对得到的数据处理后得到目标的信息，并将目标点迹通过综合控制模块输出显示。本方法波束形成灵活快速，抗干扰能力强，方位全向覆盖，能够有效捕捉“低慢小”目标。标。标。

【技术实现步骤摘要】
一种全向覆盖多波束探测雷达系统


[0001]本专利技术涉及一种全向覆盖多波束探测雷达系统，该设备适用于飞鸟等低空慢速小(“低慢小”)目标的探测，属于探测雷达


技术介绍

[0002]鸟击是指鸟类和飞行器发生碰撞，对飞行器造成损害的事件。一方面，随着航空技术的发展，越来越多的人选择乘坐飞机出行。据中国民航统计数据显示，2018年中国民航旅客运输量达到6.1亿人次，航线总数为4206条，相比2017年，旅客运输量增长10.9％，新增国际航线167条。另一方面，随着生态环境的逐渐恢复，截至目前，我国鸟类已达近1200种，占世界总数的1/8，且鸟类数量连续数年保持亚洲第一。面对日益增长的航空客运量与鸟类种类和数目，航空安全不仅仅是体现航空发展的重要标准，也是关乎国计民生的重大问题。
[0003]利用雷达技术，理论上可以对机场附近的鸟类进行全天时，全天候的探测。其原理是将雷达设备安置于机场，对雷达覆盖范围内的场景目标进行探测，从而及时发现目标，对其采取相应的驱鸟措施。
[0004]然而，鸟类目标具有可观测性低、飞行速度慢、飞行高度低、RCS小和机动性强等特点，是典型的“低慢小”目标，加之现代城市环境复杂，因此对这类目标的探测带来了巨大的挑战。针对此情况，研发一款对鸟类目标探测能力强的设备迫在眉睫。
[0005]国外的探鸟雷达技术经过三十余年的发展，已经取得了较大的成果。目前美国、加拿大和荷兰已经研究出了相对成熟的探鸟雷达。而国内由于起步较晚，在该领域的发展落后于国外。
[0006]美国的Merlin雷达配备两部不同波段的雷达，一部X波段雷达用于对垂直方向进行扫描，还有一部S波段雷达进行水平扫描，整个雷达均采用T型波导阵列天线。但由于水平和垂直扫描的两部雷达设备波束覆盖范围较小，因此该雷达不属于严格意义上的三坐标雷达。Merlin雷达大多数情况被配置在机场的跑道附近。其水平扫描雷达负责对覆盖范围内的周边环境进行扫描，但不提供目标的高度信息，只起到预警作用，竖直方向的另一部雷达设备与机场跑道成一条直线，使其扫描范围能够覆盖飞机的起飞和降落，且此时能起到三坐标雷达的作用，获得目标的高度。
[0007]加拿大研发的Accipiter系列雷达采用X波段抛物面天线对鸟类目标进行探测，俯仰波束较窄(主瓣宽度仅为4
°
)，俯仰覆盖范围0～30
°
。因此，虽然其拥有较窄的波束，可以获得目标精确的高度，但覆盖范围小，有较大的局限性。
[0008]荷兰Robin雷达与美国Merlin雷达一样，由多部雷达组成。在水平方向，Robin雷达采用S波段水平扫描，其转速(45r/min)在机械扫描雷达中属于极快水平；竖直方向采用X波段天线对空域进行垂直扫描，但波束宽度较宽(20
°
)，因此目标的高度信息不够精确。同时，Robin雷达配备一部FMCW雷达，其工作模式有三种：(1)扫描模式：对俯仰和方位进行同时扫描；(2)凝视模式：对用户指定的范围进行观测；(3)跟踪模式：对用户指定的目标进行实时跟踪。
[0009]综合上述内容，美国、加拿大和荷兰等较为发达的国家已经进行了深入研究，研发了较为成熟的探鸟雷达系统，从而实现机场鸟情的探测，主要的技术指标和功能特点见表1。
[0010]表1国外鸟情探测雷达主要技术指标
[0011][0012]近年来，国内对于探鸟雷达的研究也逐渐升温，多所高等院校和研究所均进行了相关研究，但大多数研究结果仍未能实际应用于机场。

技术实现思路

[0013]为了解决现有的探鸟雷达均未能对周围环境进行全向覆盖，在大扫描角度下存在性能下降的明显问题，以及鸟类属于典型的“低慢小”目标，传统的扫描模式会导致雷达波束在目标处的有效驻留时间较少，从而出现速度模糊的问题，本专利技术提供一种可实现方位全向覆盖且能够获得目标精确的多普勒和角度信息的雷达系统。
[0014]本专利技术所述为一款基于全向覆盖的多波束探测雷达系统，整个系统包括圆柱形相控阵天线阵列、综合控制模块、频综模块、数字接收波束形成模块(即DBF模块)及数字信号处理模块。整个雷达系统各个模块之间的连接如图1所示，各个模块之间依次连接，组成整个雷达系统。
[0015]频综模块产生射频激励信号并送至圆柱形相控阵天线阵列，圆柱形相控阵天线阵列用于信号的发射与接收；当有目标时，圆柱形相控阵天线阵列接收到回波并将多通道数据传送至数字接收波束形成模块进行接收波束DBF，完成接收波束DBF后将得到的数据传送
至数字信号处理模块，数字信号处理模块对得到的数据处理后得到目标的信息，并将目标点迹通过综合控制模块输出显示。
[0016]本专利技术所述的圆柱形相控阵天线阵列共有M*N个阵元，所有阵元均匀分布在圆柱形阵面上。其中，圆柱阵面上共N个圆环均匀分布在圆柱面上，每个圆环共M个阵元(也可理解为共M条竖直放置的线阵均匀分布在圆柱面上，每条线阵由N个阵元组成)。整个阵列的所有阵元均能够完成信号的接收与发射。本设计将每列线阵看作一个TR组件，故整个阵列工作时共M个TR组件同时进行工作。当TR组件进行工作时，通过幅度与相位加权来控制发射信号的强度与指向。
[0017]本专利技术所述的综合控制模块用于实现操作者对雷达系统的控制，包括设置雷达的工作模式、控制TR组件的工作与关闭、控制DBF(数字波束形成)及数字信号处理模块的工作，从而得到目标的点迹和航迹信息，并对其进行输出。
[0018]本专利技术所述的频综模块用于产生DA时钟、基带信号、本振及校准信号，并提供TR组件上的天线单元向空中辐射电磁波。其中，频综通过DA时钟产生原始基带信号；基带信号通过频综产生的本振信号进行上变频产生射频激励信号；校准信号用于实现对各个通道的相位校准。
[0019]本专利技术所述的数字接收波束形成模块用于对接收数据进行DBF，从而实现和/差波束、低副瓣天线、自适应零点、匿影天线等功能，并将合成的数字波束传递给数字信号处理模块。
[0020]本专利技术所述的数字信号处理模块用于实现对DBF后的数字信号进行信号处理，包括脉冲压缩、脉冲多普勒处理、CFAR检测从而提取目标的距离、速度信息，并利用单脉冲测角技术实现目标的角度测量，最后通过点迹凝聚、航迹起始、预测和管理实现对目标点迹和航迹的输出。
[0021]上述鸟情探测雷达系统的目标探测过程遵循以下步骤：
[0022]S01：本专利技术所述的圆柱形相控阵雷达中，将分布在圆柱面上的M个N元均匀线性阵列按顺序进行编号，分别为1、2、3
……
M。根据之前的叙述，每个均匀线阵对应一个TR组件，故TR组件编号与线阵编号相同。由于每个均匀线阵均完全相同，故对于一个均匀线阵，将其内部的阵元进行编号，分别为1、2、3
……
N。
[0023]S02：本专利技术所述的圆柱形相控阵雷达与传统的扫描式相控阵雷达有所不同，其特点在于：方位向采取凝视工作模式，俯仰采取波束扫描模式。通过控制列天线中各个通道的发射信号相位，控制俯仰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全向覆盖多波束探测雷达系统，包括圆柱形相控天线阵列模块、综合控制模块、频综模块、数字接收波束形成模块以及数字信号处理模块，各个模块之间依次连接，组成整个雷达系统；所述的圆柱形相控天线阵列共有M*N个阵元，所有阵元均匀分布在圆柱形阵面上，其中，圆柱阵面沿纵向共有N个圆环均匀分布在圆柱面上，每个圆环共M个阵元，即共M条竖直放置的线阵均匀分布在圆柱面上，每条线阵由N个阵元组成；整个阵列的所有阵元均能够完成信号的接收与发射；每列线阵视为一个TR组件，整个阵列工作时共M个TR组件同时进行工作；频综模块产生射频激励信号并送至圆柱形相控阵天线阵列，圆柱形相控阵天线阵列用于信号的发射与接收；当有目标时，圆柱形相控阵天线阵列接收到回波并将多通道数据传送至数字接收波束形成模块进行接收波束DBF，完成接收波束DBF后将得到的数据传送至数字信号处理模块，数字信号处理模块对得到的数据处理后得到目标的信息，并将目标点迹通过综合控制模块输出显示。2.根据权利要求1所述的一种全向覆盖多波束探测雷达系统，其特征在于：圆柱形相控天线阵列方位向采取凝视工作模式，俯仰采取波束扫描模式；发射波束采取方位向全向辐射，俯仰向分时扫描的工作原理；通过控制列天线中各个通道的发射信号相位，控制俯仰向波束分时指向不同俯仰角；通过控制360
°
方位中每一列天线采用相同的幅度相位，在方位向上形成360
°
全向辐射方向图。3.根据权利要求1所述的一种全向覆盖多波束探测雷达系统，其特征在于：所述的数字接收波束形成模块对接收数据进行的数字波束形成包括：单个TR和差波束形成：每个TR为一列均匀线阵，共N个阵元，将每个TR均分为上下两个半阵，当阵列接收到回波时，首先对其进行俯仰低副瓣处理，然后将上下两部分子阵相加减，分别得到单个TR的和波束以及单个TR的差波束；子阵和差波束形成：首先，对接收方向图的形成进行说明，当得到每个TR的和差波束后，选取其中相邻的K个TR进行一个子阵和差波束的形成，该子阵记为子...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海波，崔莹莹，曾大治，于冲，
申请(专利权)人：北京理工雷科电子信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：