一种星载大视场远距离快速告警监视系统的制作方法

本发明涉及空间有效载荷技术领域，具体涉及一种星载大视场远距离快速告警监视系统，适用于对远距离、大范围空域可能出现的威胁目标进行搜索捕获和防撞预警。

背景技术：

告警监视系统是高价值卫星携带的一种自主观测载荷，可以实现对空间威胁目标的自主观测以及自主安全保护。其主要功能是对预警视场范围内可能出现的威胁目标进行搜索、探测预警，对视场范围内出现的威胁目标进行自主测量和运动轨迹拟合，并将测量数据提供给卫星的制导、导航与控制系统(GNC系统)进行识别分析和预警判断。

现有技术的雷达载荷为单一的微波雷达或光学雷达，探测手段单一、探测距离近、探测视场小、探测精度低、可靠性低。面对告警监视系统所承担的探测任务和所处的空间环境越来越复杂多样化的现状，要求告警监视系统既要有很高的空间非合作目标搜索捕获能力，又必须具备对空间非合作目标高精度相对测量能力，还必须适应空间特殊工作环境的应用需求。

非专利文献《天基微波雷达系统方案设计研究》中介绍了天基微波雷达系统的组成，仅采用微波探测方式，探测手段单一、探测距离近、测角精度低。非专利文献《基于HLA的空间光学探测仿真系统设计》中介绍了一种基于HLA的分布式空间探测仿真体系，为进一步研究星载光学相机及其在空间探测领域的应用提供了良好的仿真支撑环境，仅限于仿真系统的设计，未涉及系统的具体搭建和实现。申请号为201410756967.2专利文献公开了一种单基地雷达系统和一种双基地雷达系统，提供了一种能够良好地对盲区进行监测的单一的微波雷达。申请号为201410076044.2专利文献公开了一种星载微波雷达系统功耗优化方法，侧重于系统功耗优化方法，未涉及星载光学相机载荷的设计。申请号为201020256179.4专利文献公开了一种不发射电波，利用高温目标探测、低空飞行目标探测、森林防火等领域的光学雷达技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种星载大视场远距离快速告警监视系统，用于对远距离、大范围空域可能出现的威胁目标进行搜索捕获和防撞预警，及对视场范围内的威胁目标进行自主测量和运动轨迹拟合，并将测量信息输出给GNC系统。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种星载大视场远距离快速告警监视系统，其特点是，包含：

雷达收发前端，所述的雷达收发前端包含一维相控阵天线、接收处理模块、一对光学相机及波控机；所述的接收处理模块设置在所述的一维相控阵天线的一面上，所述的波控机设置在所述的一维相控阵天线与接收处理模块相同的一面上，所述的一对光学相机分别设置在所述的一维相控阵天线与接收处理模块相邻的两个侧面上；

一维驱动机构，与所述的一维相控阵天线连接，用于驱动一维相控阵天线；

信号处理组件，所述的信号处理组件包含信号处理机、微波源及向告警监视系统中各电器模块提供电能的电源模块；

所述的信号处理机分别与一维驱动机构、接收处理模块、一对光学相机、波控机及微波源通信连接；

所述的微波源分别与所述的一维相控阵天线、接收处理模块及信号处理机通信连接。

所述的雷达收发前端及一维驱动机构设置在卫星舱体外，所述的信号处理组件设置在卫星舱体内。

所述的雷达收发前端、一维驱动机构及信号处理组件之间通过互连电缆连接。

所述的一对光学相机采用双视场拼接与机构步进结合的方式实现宽视场设计，用于对视场范围内的威胁目标进行识别和视线角测量，为告警监视系统测距时提供指向。

所述的一维相控阵天线包含偶数个收发模块，并且按两行平行布置，所述的一维相控阵天线在信号发射过程中，将微波源输入的主振信号分配到相应的收发模块馈出，在空间合成主波束发射信号；所述的一维相控阵天线在信号接收过程中，目标回波信号经一维相控阵天线接收后形成目标检测和微波测角用的和路信号、方位差信号及俯仰差信号。

所述的接收处理模块包含高频接收机、中频接收机及环形器；所述的高频接收机设置在所述的一维相控阵天线与接收处理模块相同的一面上，并与所述的一维相控阵天线及微波源通信连接，用于将微波源输入的本振信号分配到三路接收通道上，将射频信号下变频成中频信号，并进行中频信号预放大；所述的中频接收机设置在所述的一维相控阵天线与接收处理模块相同的一面上，并邻近所述的高频接收机，所述的中频接收机分别与所述的高频接收机及信号处理机通信连接，用于对微弱回波信号的三通道低噪声放大；所述的环形器设置在所述的一维相控阵天线与接收处理模块相同的一面上，并与所述的微波源、一维相控阵天线及高频接收机通信连接，用于一维相控阵天线的发射端口与高频接收机的输入端口之间的相互隔离，还用于接收微波源发送的主振信号传输至一维相控阵天线。

所述的一维相控阵天线还用于接收微波源发送的自检信号，并将自检信号转换成三路幅度相等、相位相对固定的信号，用于高频接收机和低频接收机的自检和幅度相位校准。

所述的信号处理机包含微波信息处理单元、光学信息处理单元及综合控制与信息融合单元；所述的微波信息处理单元与所述的中频接收机通信连接，向中频接收机发送自动增益控制信号，并接收中频接收机反馈的和路信号、方位差信号及俯仰差信号；所述的光学信息处理单元与所述的一对光学相机通信连接，向一对光学相机发送相机控制信号，并接收一对光学相机反馈的光学图像数据；所述的综合控制与信息融合单元分别与所述的波控机、一维驱动机构、微波源、微波信息处理单元及光学信息处理单元通信连接，向波控机发送波控控制信号，波控机将波控控制信号发送至一维相控阵天线内部的移相器，控制一维相控阵天线馈出的射频信号相位，使一维相控阵天线产生的波束在规定的空域内扫描；向一维驱动机构发送驱动控制信号，驱动电机转动，使一维相控阵天线实现俯仰维指向运动，并送出天线俯仰维指向角度信息，完成一维相控阵天线俯仰维位置实时角度采集；向微波源发送微波源控制信号，向微波信息处理单元发送控制信号及向光学信息处理单元发送控制信号，接收一维驱动机构反馈的天线角度信息，微波信息处理单元反馈的微波信息，光学信息处理单元反馈的光学信息，并对微波信息和光学信息进行信息融合，拟合目标轨迹。

所述的微波信息处理单元、光学信息处理单元及综合控制与信息融合单元通过一板间接插件实现相互连接。

所述的综合控制与信息融合单元还与卫星的制导、导航与控制系统通信连接。

本发明一种星载大视场远距离快速告警监视系统与现有技术相比具有以下优点：本发明中发射的信号采用Ka频段毫米波，可以设计小口径、大增益天线，实现小型化、轻量化、大作用威力微波雷达，弥补光学测量无法测距、不能全天候工作的缺陷；本发明采用光学测量，测角精度高、作用距离远、单次视场大、全视场范围搜索速度快，弥补微波雷达测角精度与单次视场范围矛盾的缺陷；本发明采用一维机扫，可以带动光学相机扫描，实现40°×160°大视场范围预警的光学探测；本发明采用一维相扫，可以简化驱动机构及其控制系统，降低系统重量和复杂度，而且通过相控阵设计，即使部分收发模块失效但不影响系统基本功能，因此可以提高系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种星载大视场远距离快速告警监视系统的整体结构示意图；

图2为本发明一种星载大视场远距离快速告警监视系统的结构框图；

图3为光学相机实现光学大视场的设计示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种星载大视场远距离快速告警监视系统，包含通过互连电缆连接的雷达收发前端100、一维驱动机构200及信号处理组件300。所述的雷达收发前端100包含一维相控阵天线101、接收处理模块102、一对光学相机103及波控机104，其中，所述的接收处理模块102包含高频接收机1021、中频接收机1022及环形器1023，波控机104上加载有波控FPGA软件。所述的信号处理组件300包含信号处理机301、微波源302及向告警监视系统中各电器模块提供电能的电源模块303；其中，所述的信号处理机301包含微波信息处理单元3011、光学信息处理单元3012及综合控制与信息融合单元3013，所述的微波信息处理单元3011上加载有信号预处理FPGA软件、微波信息处理DSP软件和微波控制FPGA软件，所述的微波信息处理单元3011与所述的中频接收机1022通信连接，所述的微波信息处理单元3011通过信号预处理FPGA软件、微波信息处理DSP软件和微波控制FPGA软件实现微波系统的时序控制、微波信号的采集、处理等功能；所述的光学信息处理单元3012上加载有光学图像预处理FPGA软件和光学信息处理DSP软件，所述的光学信息处理单元3012与所述的一对光学相机通信连接，所述的光学信息处理单元3012通过光学图像预处理FPGA软件和光学信息处理DSP软件实现光学系统的时序控制、光学图像的接收、处理、压缩、传输等功能；所述的综合控制与信息融合单元3013上加载有通讯控制FPGA软件、信息融合DSP软件和驱动控制FPGA软件，所述的综合控制与信息融合单元3013分别与所述的波控机104、一维驱动机构200、微波源302、微波信息处理单元3011及光学信息处理单元3012通信连接，综合控制与信息融合单元3013通过通讯控制FPGA软件、信息融合DSP软件和驱动控制FPGA软件实现告警监控系统的流程控制、时序控制、对外通信与数据传输等功能，负责实现一维驱动机构200的驱动控制、角度信息提取等功能，向微波信息处理单元3011发送控制信号及向光学信息处理单元3012发送控制信号，同时向接收微波信息处理单元3011和光学信息处理单元3012得到的微波信息和光学信息，对微波信息和光学信息进行信息融合，对目标轨迹进行拟合等功能。

在本实施例中，较佳的，如图2所示，所述的雷达收发前端100及一维驱动机构200设置在卫星舱体外，所述的信号处理组件300设置在卫星舱体内；优选地，一维相控阵天线101安装在一维驱动机构200上，所述的接收处理模块102设置在所述的一维相控阵天线101的一面上，所述的波控机104设置在所述的一维相控阵天线101与接收处理模块102相同的一面上，所述的一对光学相机103分别设置在所述的一维相控阵天线101与接收处理模块102相邻的两个侧面上；即设置接收处理模块102的一面为背面，另一面为正面，一对光学相机103分别位于所述的一维相控阵天线101的左右两边；所述的信号处理机301分别与一维驱动机构101、接收处理模块102、一对光学相机103、波控机104及微波源302通信连接；所述的微波源302分别与所述的一维相控阵天线101、接收处理模块102及信号处理机301通信连接。

在本实施例中，较佳的，如图2所示，所述的一维相控阵天线101包含N个收发模块，N为偶数，按两行平行布置，每行N/2个，且供电电源独立设计，各收发模块互为备份、两行收发模块也互为备份。在轨如果有部分收发模块失效，则不影响系统的功能，对系统的性能影响也较小；如果有某一行收发模块失效，则发射功率降低一半，但不影响系统的功能，系统的作用距离有所降低。是为了可靠性设计。所述的一维相控阵天线101在信号发射过程中，将微波源302输入的主振信号分配到相应的收发模块馈出，在空间合成主波束发射信号；所述的一维相控阵天线101在信号接收过程中，目标回波信号经一维相控阵天线101接收后形成目标检测和微波测角用的和路信号、方位差信号及俯仰差信号；所述的一维相控阵天线101还具有自检信号传输功能，在告警监视系统自检过程中，接收微波源302发送的自检信号，并将自检信号转换成三路幅度相等、相位相对固定的信号，用于高频接收机和低频接收机的自检和幅度相位校准。

在本实施例中，较佳的，如图2所示，所述的高频接收机1021设置在所述的一维相控阵天线与接收处理模块102相同的一面上，并与所述的微波源302通信连接，用于将微波源302输入的本振信号分配到三路接收通道上，将射频信号下变频成中频信号，并进行中频信号预放大；所述的中频接收机1022设置在所述的一维相控阵天线101与接收处理模块102相同的一面上，并邻近所述的高频接收机1021，所述的中频接收机1022分别与所述的高频接收机1021及微波信息处理单元3011通信连接，接收微波信息处理单元3011发送的自动增益控制信号，对微弱回波信号的三通道低噪声放大，以降低整个接收通道的噪声系数，提高接收机灵敏度；所述的环形器1023设置在所述的一维相控阵天线101与接收处理模块102相同的一面上，并与所述的微波源302、一维相控阵天线101及高频接收机1021通信连接，用于一维相控阵天线101的发射端口与高频接收机1021的输入端口之间的相互隔离，防止发射的大功率脉冲直接泄露到高频接收机1021输入端，烧毁高频接收机1021，还用于接收微波源302发送的主振信号传输至一维相控阵天线101。

在本实施例中，较佳的，所述的一对光学相机103与所述的光学信息处理单元3012通信连接，所述的一对光学相机103采用双视场拼接与机构步进结合的方式实现宽视场设计，用于对视场范围内的威胁目标进行识别和视线角测量，为告警监视系统测距时提供指向，最终实现对大范围空域的威胁目标的视线角跟踪与测量，并将采集到的光学图像数据发送至光学信息处理单元3012进行信息处理。

如图3所示，用20°×20°视场的一体式小型化产品为基础，视场拼接为40°×20°。用告警系统的一维驱动机构200的八次步进(留有重叠视场2°余量)实现40°×160°的告警视场全覆盖。

波控机104输出波控控制信号至一维相控阵天线101内部的移相器，控制一维相控阵天线101馈出的射频信号相位，使一维相控阵天线101产生的波束在规定的空域内扫描。具体功能由波控FPGA软件实现。

一维驱动机构200是在综合控制与信息融合单元3013驱动控制信号的控制下，驱动电机转动，使一维相控阵天线101实现俯仰维指向运动，并送出一维相控阵天线101俯仰维指向角度至综合控制与信息融合单元3013，完成一维相控阵天线101俯仰维位置实时角度采集。

在本实施例中，较佳的，电源模块303(二次电源)是将卫星提供的高电压一次电源转变成低电压二次电源，为各单机和模块工作提供相应电压的工作电源。

微波源302主要功能是在综合控制与信息融合单元3013的微波控制信号控制下，为高频接收机1021提供稳定的本振信号，同时提供主振信号。

在本实施例中，较佳的，如图2所示，微波信息处理单元3011、光学信息处理单元3012及综合控制与信息融合单元3013之间通过一板间接插件3014实现相互连接；优选地，所述的综合控制与信息融合单元3013还与卫星的制导、导航与控制系统(GNC系统)通信连接。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。