天眼探测系统的制作方法

本发明属于目标探测领域，具体属于雷达系统领域。

背景技术：

雷达是探测地面、海上、空中、临近空间与空间目标的重要设备。雷达的分类方法很多，按照雷达波束照射目标方式，可以分为三种：一是雷达波束指向目标，雷达波束随着目标的运动而运动，如对空监视雷达；二是雷达波束指向某个区域，雷达波束随着平台的运动而运动，如天基雷达；三是雷达波束指向某个方向，雷达波束不动而等待目标穿越，如电子篱笆。当然，也包括上述两种以上方式的组合，但归根结底就是两类：波束扫描雷达与波束驻留雷达。其中，波束扫描雷达探测范围受限于波束宽窄、波束扫描空间范围、扫描时间范围，也受限于目标机动能力；波束驻留雷达探测范围受限于波束宽度范围与雷达部署的地理位置。

无论是波束扫描雷达与波束驻留雷达，本质上都是目标要处在雷达波束内，才具备目标探测的基本条件，因此，实质上现有雷达存在的上述问题是受雷达波束照射目标空间范围限制。由此，转变雷达波束照射目标方式的理念，采取雷达波束对感兴趣空间全覆盖的设计思想，发明了天眼探测系统。

技术实现要素：

为解决现有雷达存在的上述问题，实现即插即用式的目标探测，发明了天眼探测系统。

S1，天眼探测系统概念与设计思想

天眼探测系统，也称为天基电子篱笆、电子瀑布或电子锥，是指以中轨、高轨与大椭圆轨道平台为基础，搭载具有一定方向性与秘钥的电磁能量发射系统，利用搭载平台高度高而覆盖范围广的特点，实现发射波束对地面、海上、空中、临近空间与太空感兴趣的区域形成全天时广域无缝覆盖，照射在该区域的目标上形成反射信号；以地面、海上、空中、临近空间与低轨道太空平台为基础，搭载球面天线或等效球面的共形天线，利用球面天线具有全向性、且各方向增益相同的特点，实现接收波束对探测区域的无扫描全向无缝覆盖，接收目标的反射信号。以收、发分离的方式实现目标探测，以群目标跟踪原理实现探测区域所有目标的态势认知。应用于静止或运动的地面目标、海上目标、空中目标的探测，也可应用于临近空间目标、轨道目标与弹道目标的探测。其中，天眼中的“天”是指天基或在太空部署发射分系统的含义，“眼”是指像眼睛一样观察大范围的含义；探测是指对目标的发现、区分、识别与跟踪，探测系统是指实现这些功能的软件与硬件的集合；中、高轨是指轨道高度距离海平面18000公里以上的高度，低轨是指轨道高度距离海平面3000公里以下的高度；群目标跟踪原理详见耿文东为第一作者的专著《群目标跟踪》，2014年1月国防工业出版社公开出版。天眼探测系统原理如图1所示。

概言之，天眼探测系统就是利用发射波束对感兴趣区域的无扫描全天时广域无缝覆盖，接收波束对探测区域的无扫描全向无缝覆盖，通过目标在发射波束与接收波束中的不间断连续穿越，采用收发分离方式实现目标探测，利用群目标跟踪原理实现探测区域内多目标的态势认知，使得用户仅需携带接收系统就可以获得全天时即插即用式的目标探测服务与态势认知服务，且一体化同时实现。

S2，天眼探测系统功能

一是地面、海面静止目标的三坐标位置测量能力，以及三维地理信息获取能力；

二是地面、海上运动目标的三坐标位置测量能力；

三是空中目标、临近空间目标、轨道目标与弹道目标的三坐标测量能力；

四是地面、海面静止目标和低速运动目标的成像能力；

五是空中、临近空间、轨道与弹道运动目标的成像能力；

六是探测区域范围内的目标态势认知能力。

上述功能既可以同时实现，也可以仅实现一种或同时实现几种。

S3，天眼探测系统组成

由发射与天线分系统、球面透镜式接收天线分系统、接收与信息处理分系统三大部分组成。

S31，发射机与发射天线分系统

由时钟、编码与同步、功率产生与平台子系统组成。平台部署的典型轨道是静止轨道、中轨轨道与大椭圆轨道，中、高轨与大椭圆轨道三种部署方案既可以单独使用，也可以组合使用。其中，平台的大椭圆轨道部署，目的是更好的覆盖高纬度地区与地球两极地区。其中，编码与同步子系统同时具有发射信号加密功能。该分系统组成如图2所示。

其中，对于中轨高度平台的发射分系统，需要采取组网方式实现大区域覆盖；高轨主要是指地球同步轨道，也称为静止轨道，一般单平台即可实现大区域覆盖；大椭圆轨道平台应用于高纬度与南北两极地区的覆盖。无论是中轨平台、高轨平台，还是大椭圆轨道平台，相较于目前的低轨道平台雷达系统来说，都具有发射信号过境照射时间长、与地球相对运动速度低特点，尤其是静止轨道平台相对于地球静止，为目标运动补偿、发射信号捕获带来了诸多方面的优势。

S32，球面接收天线分系统

采用球面接收天线，包括专用天线与兼用天线两种。其中，专用天线采用球面天线，搭载在建筑物、飞机、舰船、临近空间飞行器、卫星与地面车辆平台上；兼用天线采用民用建筑物，岛礁建筑物，钻井平台，飞机、临近空间飞行器、舰艇外表面的共形天线。该分系统组成如图3所示。

S33，接收与信息处理分系统

接收与信息处理系统由相关接收机、信号处理、数据处理与数据录取、数据传输与分发、频率与时间同步子系统，以及平台子系统组成。其中，参考信号是指接收或预存在相关接收机子系统内的发射信号，反射信号是指发射信号照射在目标表面的反射信号；数据处理子系统根据群目标跟踪原理实现探测区域内多目标态势认知，能够很好地降低指控系统的复杂程度，利于其瘦身。该分系统组成如图4所示。

上述所有平台子系统均包含供电子系统。

S4，接收平台部署原则与方案

S41，接收平台部署原则

一是低看高的原则，也就是部署位置低的接收平台用于探测相较于该平台位置高的目标。例如，地面、海面接收平台所搭载接收系统用于探测空中、临近空间或太空目标。

一是高看低的原则，也就是部署位置高的接收平台用于探测相较于该平台位置低的目标。例如，空中平台所搭载接收系统用于探测地面、海面目标。

S42，接收平台的部署方案

接收平台的部署方案，一是取决于用户所希望探测区域的范围，所希望探测区域的范围越大，则接收平台部署的位置越高，所需要部署的接收系统越多；二是取决于定位方法，采取多发单收的定位方法，则一套接收分系统即可实现目标定位，适用于飞机、卫星负载能力有限的运动平台；采取单发多收的定位方法，则需要两个以上的接收分系统才能够实现目标定位，适用于地面、岛礁、舰船作为平台的接收分系统；采用多发多收的定位方法，则需要两个以上的发射分系统与接收分系统，适用于高精度需求的用户。其中，多发单收是指两个以上的发射分系统与一个接收分系统，单发多收是指一个发射分系统与两个以上的接收分系统，多发多收是指两个以上的发射分系统与两个以上的接收分系统。

S5，发射信号直达波抑制方法

发射信号直达波是指来自于发射分系统的发射信号直接通过天线进入接收分系统的发射信号，因其相较于目标反射信号的信号强度大，因此需要对其进行抑制。采取的抑制措施就是通过目标探测方向背向发射信号方向的方法，即发射波束指向方向的区域不作为探测区域，使其无法进入接收机，以此达到抑制直达波的目的。

另外，还可以采取接收信号增强措施：一是长时间信号积累方案。发射波束覆盖范围广的特点，使得目标长时间运动在波束内，因此天眼探测系统具备反射信号信号长时间积累的条件。二是接收天线组阵方案。地面、岛礁、舰船平台具有承载能力强、稳定性好的特点，因此，接收分系统可以采用天线组阵技术来实现增强信号。

本发明具有以下有益效果：

一是颠覆了传统雷达天线需要机械扫描或电子扫描的概念。由于天基发射平台高度高而使得发射波束能够覆盖更大区域，不仅无需波束扫描就能够满足大范围覆盖要求，而且改善了机械扫描或电子扫描这种电磁能量辐射方式的非连续性，因此颠覆了传统雷达波束扫描的概念。

二是颠覆了传统雷达接收天线随动指向目标的概念。由于采用了球面天线而使得接收天线具有全向性，且具有相同的天线增益，因此无需接收天线指向目标。

三是颠覆了机动目标跟踪的概念。发射波束的广域性与接收波束的全向性，相当于目标始终运动不间断连续地运动在发射波束与接收波束内，因此大大降低了目标跟踪系统对目标机动模型的要求。

四是能够提供目标探测的即插即用式服务。由于发射波束始终覆盖监视区域，任何出现在该区域的目标就会产生回波信号，只要接收系统开机工作，就像收音机一样随时可以接收目标信号。

五是颠覆了目标跟踪与态势认知分离实现的概念，实现了目标探测与态势认知的一体化。由于监视区域内所有目标均在发射波束内与接收波束内，因此，能够同时实现目标跟踪与态势认知，且能够生成满足不同用户需求的通用态势图。

六是颠覆了传统雷达侦察监视范围与侦察监视时间受限于平台高度、平台运动、平台滞空时间问题。例如，地基雷达受限于平台高度，低轨平台天基雷达就受限于其过境时间，空基雷达受限于滞空时间与高度。

七是成为了与世界交往、融合的又一个窗口。其作用类似于全球导航定位系统，具有通过性与全球性。由于发射信号采用秘钥，使得用户的使用权具有可控性而可收费使用，因而也具有经济性。同时，可以大大减少全球雷达数量，是其经济性的又一种表现形式，进而也使得电磁环境更加洁净、电磁频谱管理更加简单。

概言之，本发明具有重大的推广价值，应用前景十分广阔。

附图说明

图1天眼探测系统原理示意图

图2发射机与发射天线框图

图3接收天线示意图

图4接收与信息处理分系统组成框图

图5颗静止轨道卫星平台部署示意图

图6天眼探测系统威力仿真结果

具体实施方式

以地球同步轨道，即静止轨道卫星为发射系统平台为例，对本发明作进一步说明。

1)发射分系统设计

采用3颗静止轨道卫星平台，部署在东经95°、115°与135°，静止轨道标称高度取35786公里，对应覆盖范围为3122公里的区域，如果发射天线中心赤道，则以赤道为中心形成了3122公里宽的一条电子倒篱笆带。如图5所示。

发射信号设计为X频段扩频体制，码长周期取1毫秒，当取频率10GHz时对应波长为3厘米时，对应天线半功率点波束宽度取5°，对应天线增益为31.2dB。发射功率取1500瓦，对应31.8dB_w。

2)接收天线设计

接收天线设计为X频段球面天线，取直径10米，对应天线增益为59.4dB。

3)接收机设计

采用X频段扩频信号相关接收机，灵敏度取-159.5dB_w。

4)平台部署方案确定

按照单发双收定位方法，采用双海基平台搭载接收天线与接收分系统的方案。

5)探测能力分析

根据双基地雷达方程，可得卫星平台发射信号到达空间某点的功率密度为：

式中，S_t，P_T，G_T，R_t，L_A分别为发射信号在空间某点功率密度、发射功率、发射天线增益与其到空间某点距离及发射信号传输的损耗。目标反射信号到达接收机的功率密度为：

式中σ_T，R_r分别为目标有效散射面积及其到接收机的距离。接收天线有效面积为：

式中A_e，G_R，λ，f_R分别为接收天线有效面积、天线增益、信号波长与接收天线方向性系数。故此，将上述各式综合整理，并且忽略接收天线方向性系数和发射信号路径大气损耗可得接收功率方程为：

按照双基地雷达公式，可得：

取100秒积累时间，可以得到探测目标不同反射面积与探测距离的关系如图6所示。