一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统及其应用方法与流程

本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统及其应用方法。

背景技术：

随着航天技术的快速发展，卫星执行编队飞行，空间站完成与货运飞船的空间对接任务，需要为姿轨控计算机提供目标的距离、速度和角度等信息。现有的单脉冲雷达能够连续跟踪目标，并输出目标的位置测试信息。而本发明提出了一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统，是针对在空间恶劣的使用环境，对星载单脉冲雷达采取加固设计，为星载单脉冲雷达长期可靠运行提供保障。

通过专利检索，检索出相关专利3项，其中“一种单脉冲雷达系统自检与状态参数的监测结构和方法”(申请号：201310004555.9)公开了一种单脉冲雷达系统自动校准与状态参数的测试结构和方法，实现对雷达系统通达自检、校准、灵敏自动测量以及发射机状态检测。“相位单脉冲雷达系统和目标检测方法”(申请号：201380018843.8)其相位单脉冲雷达系统基于多个接收天线接收到的接收信号的相位差来检测目标的方位。“一种基于四通道单脉冲比统计特性的诱饵干扰检测方法”(申请号：201710345739.X)改进单脉冲雷达接收机，引出天线的双差信号，根据微波雷达和路、方位、俯仰和双差四个通道回波信号计算单脉冲比，实现快速检测干扰，提出相应的抗干扰措施。

以上三种专利均是针对地面使用的单脉冲雷达，提出了改进的自检检测方法和抗干扰措施，而本发明是针对在空间恶劣环境下使用的，对星载单脉冲雷达采取加固设计，更易于维护，为星载微波雷达长期可靠运行提供保障，具有创新性。

通过论文检索，检索到两篇相关论文，其中《3mm波段高分辨力单脉冲雷达技术研究》是研究了双平面振幅和差式单脉冲雷达系统及通道不一致性对跟踪性能的影响，介绍了单脉冲雷达角误差提取的方法，并分析了其测角精度；《比幅和差式单脉冲雷达微波和差器建模》是对三通道单脉冲定向雷达微波和差器进行了分析，建立了微波和差器仿真用模型。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统及其应用方法，其为基于Ku波段设计的星载高可靠自测试单脉冲雷达系统，可应用于卫星、空间站等航天器空间编队飞行、空间对接等领域，为姿轨控计算机提目标星的距离、速度、角度等测量信息。该系统可以持续测量作用范围内目标星相对卫星本体的角度、相对距离和相对速度等信息，并提供给卫星GNC 分系统，用于卫星姿轨控制，实现卫星在全视场范围内对目标星进行搜索和跟踪的目的。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统，包含：单脉冲天线，二维指向机构，高频接收机，环形器，信号处理机组件，发射机和机构控制器。所述高频接收机，发射机和机构控制器分别与所述信号处理组件连接。所述高频接收机和发射机分别通过所述环形器与所述单脉冲天线连接。所述机构控制器通过二维指向机构与所述单脉冲天线连接。所述信号处理组件向所述机构控制器发送控制指令，所述机构控制器根据该控制指令控制上述二维指向机构转动带动所述单脉冲天线指向目标；所述信号处理组件发送主振激励信号至所述发射机，所述发射机对所述主振激励信号进行功率放大合成并经所述环形器通过所述单脉冲天线向外辐射。所述单脉冲天线通过所述环形器向所述高频接收机反馈目标反射回来的回波信号。所述环形器将所述发射机的发射信号与所述高频接收机接收的所述回波信号进行隔离，实现收发分离。所述信号处理组件发送本地振荡信号至所述高频接收机，所述高频接收机根据该本地振荡信号对其接收的回波信号进行下变频到中频频段的回波信号；并将该中频频段的回波信号向所述信号处理组件反馈。所述信号处理组件计算得到目标的模拟距离信号。在雷达处与搜索目标工作模式时，所述模拟距离信号作为所述雷达系统在雷达主副瓣识别时提供判断依据。

优选地，所述单脉冲天线设有和路、俯仰、方位和保护的四路输出通道，所述单脉冲天线接收的回波信号包括和路、俯仰和方位信号。

优选地，所述高频接收机包括：和路、俯仰、方位和保护四路接收通道，且分别与所述单脉冲天线设有的和路、俯仰、方位和保护的四路输出通道相匹配。所述单脉冲天线反馈的四路回波信号中每路回波信号依次从波导接口、一限幅器、一高频接收机保护微波开关、一第一切换开关、一低噪声放大器、一镜像抑制混频器、一前置中频放大器和一第二切换开关进入对应的数据处理模块内。所述第一与第二切换开关，用于隔离出现故障的接收通道。所述四路接收通道的各高频接收机保护微波开关通过一开关驱动器进行开启或关断控制。所述四路接收通道的各第一与第二切换开关分别通过一来自姿轨控计算机输出的第一与第二开关切换脉冲进行开启或关断控制。所述四路接收通道的各镜像抑制混频器通过一功分器进行控制。

优选地，所述信号处理组件包括微波源接收机、中频接收机、数字信号处理机和二次电源。所述二次电源将整星提供的星母线电压转变成各单机工作电压分别对应为所述微波源接收机，中频接收机和数字信号处理机供电；所述中频接收机接收来自所述高频接收机输出的中频频段的和路、方位和俯仰回波信号；并将上述回波信号经过增益控制发送至所述数字信号处理机；所述数字信号处理机接收姿轨控计算机输出的指令和参数注入，并向其反馈测量数据、遥测数据；并根据接收的指令控制微波雷达待机、自主、测试等工作状态转换；负责完成目标回波信号的采样、积累，完成目标搜索、检测、跟踪和测量，输出目标相对距离、相对速度信息。

优选地，所述微波源接收机包含晶振输出单元、频率生成单元、混频单元和调制驱动单元。所述频率生成单元为高频接收机提供稳定的本地振荡信号和为混频单元提供稳定的中频信号。所述晶振输出单元为频率生成单元提供时钟基准信号。所述混频单元将频率生成单元输出的中频信号和本振信号进行下变频。所述调制驱动单元将频率生成单元输出的本地振荡信号和混频单元输出的主振信号进行功率放大，为所述发射机提供主振激励信号。

优选地，所述发射机设有整星电压转到工作电压的DC-DC转换器；所述发射机还设有至少分别单独供电的独立模块，每个模块独立完成对主振激励信号功率放大，将各个独立模块功率放大的主振激励信号进行功率合成输出；当目标接近毫米波雷达时，雷达根据目标的相对距离对应关闭其中的模块，使得系统热耗减少。

优选地，所述单脉冲天线为窄波束天线。

本发明另一个技术方案为一种基于上文所述的星载高可靠自测试单脉冲雷达系统的应用方法，包含以下过程：所述单脉冲雷达系统正常工作时，不发送自检信号，打开所述发射机，所述发射机发射的信号经过所述单脉冲天线辐射出去，最后接收目标反射回来的回波信号。单脉冲雷达系统处于自测试工作状态时，通过改变信号处理组件输出的自检信号的延时，关闭发射机。当信号处理组件接收雷达回波信号时，发送所述自检信号，该自检信号经过所述单脉冲天线进入所述高频接收机，所述信号处理组件接收高频接收机输出的雷达回波中频信号，通过AD采样、数字下变频、脉冲压缩和相参积累信号处理方法，计算得到模拟目标的距离信号。动力学仿真计算机向信号处理组件提供目标方位信息，信号处理组件向所述机构控制器输出控制指令，所述机构控制器控制二维指向机构转动，单脉冲天线指向目标，对目标进行测距和角度跟踪。

优选地，所述自检信号为所述信号处理组件通过耦合主振激励信号产生。

优选地，所述单脉冲雷达系统根据测量信息获得目标的相对距离和角度，当目标相对雷达的角度运动缓慢时，雷达降低控制毫米波伺服机构指向的数据刷新率，发射机进入间歇性发射的低功耗工作模式；当目标接近雷达时，所述单脉冲雷达系统关闭所述发射机的部分模块供电，使得保证与目标的有效作用距离，降低所述单脉冲雷达系统功耗。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明适应太空恶劣空间环境，具有高可靠性和自测试的优点，设计简单，便于工程实现。本发明利用高频接收机的开关切换矩阵，实现冗余的保护通道代替出现故障的接收通道，提高系统可靠性。通过采用模块化设计的发射机，内部分为四个独立模块分别供电，最后通过功率合成输出，具有输出功率可控和高可靠性的特点。本明具有自测试功能，通过改变自检信号的延时，实现相应距离的目标回波信号模拟，配合动力学仿真送过来的目标方位数据，在分系统联试中实现雷达闭环自测试功能。本发明具有功耗智能管理的功能，根据目标的测量信息实时调整发射脉冲发送频率，从而降低发射机平均功耗。

附图说明

图1为本发明一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统的基本组成框图；

图2为发明一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统中的高频接收机的组成框图；

图3a和3b分别是本发明在进行正常发射和接受时序图与自测试时发射和接受时序图；

图4a和4b分别是本发明在正常工作时的信息流程图和在故障时工作的信息流程图；

图5为本发明一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统中的信号处理组件的基本组成框图；

图6为本发明一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统中的发射机的基本组成框图。

图7为本发明一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统中的微波源接收机的基本组成框图。

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，本发明一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统，包含：用于控制二维伺服机构转动实现天线波束指向的舱外部件和用于处理信号的舱内部件。

上述舱外部件包括单脉冲天线10、二维指向机构11、高频接收机12和环形器13。上述舱内部件包括信号处理机组件20、发射机21和机构控制器 22。

所述高频接收机12，发射机21和机构控制器22分别与所述信号处理组件20连接。所述高频接收机12和发射机21分别通过所述环形器13与所述单脉冲天线10连接。

所述机构控制器22通过二维指向机构11与所述单脉冲天线10连接。

所述信号处理组件20向所述机构控制器22发送控制指令，所述机构控制器22根据该控制指令控制上述二维指向机构11转动带动所述单脉冲天线 10指向目标。

所述信号处理组件20发送主振激励信号至所述发射机21，所述发射机 21对所述主振激励信号进行功率放大合成并经所述环形器13通过所述单脉冲天线10向外辐射。

所述单脉冲天线10通过所述环形器13向所述高频接收机13反馈目标反射回来的回波信号。

所述信号处理组件20发送本地振荡信号至所述高频接收机13，所述高频接收机13根据该本地振荡信号对其接收的回波信号进行下变频到中频频段的回波信号；并将该中频频段的回波信号向所述信号处理组件20反馈。

所述环形器13用于将所述发射机21的发射信号与所述高频接收机13 接收的所述回波信号进行隔离，实现收发分离。

所述单脉冲天线10设有和路、方位、俯仰和保护四个回波信号通道，在雷达处与搜索目标工作模式时，为上述雷达系统在雷达主副瓣识别时提供和路参考信号作为判断依据。

具体的为，上述单脉冲天线10中的保护通道的方向为在和路方向图主波束范围内增益小于和路方向图主波束增益，在和路方向图旁瓣范围内增益大于和路方向图旁瓣增益。

当雷达截获目标后，如果保护通道信号幅度大于和路信号幅度，则雷达继续搜索其他目标；如果保护通道信号幅度小于和路信号幅度，则雷达进入跟踪工作状态，跟踪当前搜索到的目标。

在本实施例中，单脉冲天线10为窄波束天线，工作频段为Ku波段，天线口径900mm，3dB波束宽度可达到0.7°，主波束增益≥40dB。

上述二维指向机构11与机构控制器22作信息交互组成毫米波雷达伺服机构。

在本实施例中，高频接收机12和环形器13直接安装在单脉冲天线10 后面，以便减少接收通道的系统损耗。

在本实施例中，二维指向机构11的绕组和角度反馈部件采取AB机冗余设计。

如图2所示，在本实施例中，上述高频接收机12设有和路、俯仰、方位和保护这四路接收通道与单脉冲天线10设有的和路、俯仰、方位和保护的四路输出通道相匹配，增加开关切换矩阵，隔离出现故障的接收通道，提高单脉冲天线10前端的可靠性设计。

每路接收通道设有一波导接口、一限幅器、一高频接收机保护微波开关、一第一切换开关、一低噪声放大器、一镜像抑制混频器、一前置中频放大器、一第二切换开关。

上述四路接收通道的各高频接收机保护微波开关通过一开关驱动器进行开启或关断控制；即该开关驱动器通过接收信号处理组件产生的封闭脉冲信号，并根据该信号对应控制高频接收机保护微波开关的开启或关断。

上述四路接收通道的各第一与第二切换开关分别通过一来自姿轨控计算机输出的第一与第二开关切换脉冲进行控制。

上述四路接收通道的各镜像抑制混频器通过一功分器进行控制，即功分器接收频率生成单元2001输出本地振荡信号，并根据此信号对对应的镜像抑制混频器进行控制。

四路回波信号从天线波导口进入高频接收机，首先经过限幅器和保护开关，避免强信号烧毁接收前端；然后通过开关切换网络，再将回波信号送给后面的低噪声放大器、混频器和中频放大器等电路。

如图4a所示，当高频接收机12中均正常工作时，上述和路、俯仰、方位和保护回波信号通过各自的波导接口经限幅器、高频接收机保护微波开关、第一切换开关、低噪声放大器、镜像抑制混频器、前置中频放大器和第二切换开关输出至对应的数据处理模块中。

如图4b所示，对失效的通道进行故障处理。当高频接收机12中前三个通道中其中一路失效，雷达无法实现跟踪目标，假设高频接收机2的俯仰通道出现故障，雷达通过脉冲信号控制高频接收机12中的两个开关切换矩阵，将天线俯仰输出端口切换到高频接收机的保护通道上，对出现故障的俯仰通道进行隔离。即，第3个切换开关可以将俯仰路回波信号切换到第4个保护通道上，由4个保护通道上的放大器和混频器处理俯仰路回波信号，经过A/D 采集后，在FPGA内部通过数据通道选择电路，最后将数据送回到俯仰数据处理模块中。

如图5所示，上述信号处理组件20包括微波源接收机200、中频接收机 201、数字信号处理机202和二次电源203。

所述二次电源203的接收端与整星母线，其输出端与微波源接收机200，中频接收机201和数字信号处理机202连接；所述二次电源203将整提供的星母线电压转变成各单机工作电压分别对应为微波源接收机200，中频接收机201和数字信号处理机202供电。

所述微波源接收机200为所述高频接收机12提供所述本地振荡信号；为所述发射机21提供主振激励信号。

所述中频接收机201接收来自所述高频接收机12输出的中频频段的和路、方位和俯仰回波信号；并将上述回波信号经过增益控制(包括对上述回波信号的接收、放大、调理等，动态调整中频接收机的通道增益等过程)后发送至所述数字信号处理机202；所述数字信号处理机202用于接收姿轨控计算机输出的指令和参数注入，并向其反馈测量数据、遥测数据；并根据接收的指令控制微波雷达待机、自主、测试等工作状态转换；负责完成目标回波信号的采样、积累，完成目标搜索、检测、跟踪和测量，输出目标相对距离、相对速度等信息。

如图7所示，微波源接收机200主要包含晶振输出单元2000、频率生成单元2001、混频单元2002和调制驱动单元2003组成。所述频率生成单元2001 用于为高频接收机12提供稳定的本地振荡信号和为混频单元2002提供稳定的中频信号。所述晶振输出单元2000用于为频率生成单元2001提供时钟基准信号。所述混频单元2002用于将频率生成单元2001输出的中频信号和本地振荡信号进行下变频。所述调制驱动单元2003用于将频率生成单元2001 输出的本地振荡信号和混频单元2002输出的主振信号进行功率放大，为发射机21提供主振激励信号。

如图6所示，在本实施例中，发射机21属于热耗大单机，自带整星电压转到工作电压DC-DC转换器，采用独立结构安装方式，便于整星散热布局。上述发射机21内部分为四个独立模块且分别单独供电，四个独立模块为第一至第四模块；每个模块独立完成对主振激励信号功率放大，输出峰值功率为 40W，同时具有负电压保护电路设计，四个独立模块最后通过功率合成输出，总输出峰值功率不小于150W，当目标接近毫米波雷达时，雷达可根据目标的相对距离灵活关闭其中模块，减少发射机21输出峰值功率，避免高频接收机12饱和，减少系统热耗。

本发明一种星载高可靠自测试单脉冲雷达系统的工作原理为：单脉冲雷达正常工作时，不发送自检信号，打开发射机，发射信号经过天线辐射出去，最后接收目标反射回来的回波信号。

单脉冲雷达处于自测试工作状态时，本发明单脉冲雷达通过改变信号处理组件20输出的自检信号的延时，该自检信号是信号处理组件20通过耦合主振激励信号产生的，实现相应距离的目标回波信号模拟。关闭发射机21，当信号处理组件20接收雷达回波信号时，发送自检信号，该信号经过单脉冲天线10进入高频接收机12，信号处理组件20接收高频接收机12雷达回波中频信号，通过AD采样、数字下变频、脉冲压缩和相参积累等信号处理方法，计算得到模拟目标的距离信号。动力学仿真计算机向信号处理组件20 提供目标方位信息，信号处理组件20向机构控制器22输出控制指令，机构控制器22控制二维指向机构11转动，单脉冲天线10指向目标，从而实现目标测距和角度跟踪，在分系统联试中实现雷达闭环自测试功能，便于系统仿真测试，发射和接收时序变化如图3a和3b所示。

本单脉冲雷达具备功耗智能管理能力，雷达根据测量信息获得目标的相对距离和角度，当目标相对雷达的角度运动缓慢时，雷达降低控制毫米波伺服机构指向的数据刷新率，发射机21会进入“发射-暂停-发射”低功耗工作模式。当目标接近雷达时，雷达也会关闭发射机21的部分模块供电，即保证有效作用距离，又减低系统功耗。

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。