专利名称：便携式民用成像监测雷达及雷达系统的制作方法
技术领域：
本实用新型主要应用于微波探测技术领域，尤其涉及一种便携式成像监测雷达。 从使用角度看，本实用新型形成的产品将在安保、智能交通管理、海面(水面)搜救等场合得到广泛应用。
背景技术：
雷达作为一种军用设备，从二战后至今都是战场侦察的主要手段。但随着微电子技术、计算机技术、信号处理技术以及雷达技术的飞速发展，结构紧凑、性能优良、价格相对低廉的小型雷达逐渐从军用领域走向民用市场。目前，雷达领域的发展方向有两个突出的特点一是朝着高性能、远距离的大型雷达方向发展，主要应用于军用领域；另一个则是朝着小型化、针对特殊用途的方向发展，主要针对民用市场。对于民用市场的来说，价格低、批量大是其需求特点，但针对具体应用，所需要的雷达领域最新技术仍然被采用。民用雷达现已使用相当普遍，如汽车测速雷达和倒车雷达、民用船只的导航雷达、 机场导航雷达、气象雷达、探地搜救雷达，等等。当前，汽车防撞雷达、探地雷达、穿墙探测雷达、周边监视雷达仍是民用雷达领域的研发热点。当前，先进的雷达成像技术已在民用市场开始应用。美国交通安全管理局于2009 年末在华盛顿展示了两款采用先进成像技术的机场安检设备。这两款设备能够扫描出藏在旅客身上的金属或非金属类的危险品。这是一款利用毫米波技术，扫描人体后呈现电脑影像的安检设备。可以说，先进的雷达成像技术正在开始走向普通民用市场。雷达成像技术起源于合成孔径微波成像雷达(SAR)，它具有全天候、全天时和远距离高分辨成像的能力。与传统的光学和红外成像技术相比，它不受雨、雾和烟等外部环境条件的影响，其图像中包含了精细、丰富的目标信息。现在，其衍生技术众多，如条带高分辨 SAR成像技术、聚束高分辨SAR成像技术、滑动聚束高分辨SAR成像技术、舰船目标ISAR成像技术、空中机动目标ISAR成像技术、空间目标ISAR成像技术、极化SAR/ISAR成像技术、 SAR-GMTI动目标检测技术、SCANSAR-GMTI广域动目标检测技术、干涉三维SAR/ISAR成像技术和自旋目标检测技术等。这些技术在国土与森林资源勘查、生态与自然灾害评估、环境监测、海洋立体测绘、海浪或海冰监测、港口或空中交通监管、非法捕鱼或走私的监管、农作物评估以及军事领域有着非常重要的应用前景。但现有用于监测、跟踪目标的成像雷达，其结构复杂，价格昂贵，操作复杂，在地面或海面搜索等领域无法进行大规模的推广。
发明内容本实用新型的主要目的是为安保和智能交通等应用领域提供一种成本低廉、性价比高的小型成像监测雷达。[0010] 本实用新型的技术方案为一种便携式民用成像监测雷达，包括雷达前端、驱动云台和电源组件，电源组件与雷达前端和驱动云台电连接，驱动云台支撑雷达前端并带动雷达前端转动，所述雷达前端包括天线、频率合成器、接收机、发射机、信号处理机和前端控制器，频率合成器产生雷达发射波形；发射机将频率合成器产生的雷达发射波形放大后由天线发送出去，天线接收目标反射的雷达回波并发送给接收机进行混频放大，接收机将放大的信号发送至信号处理机进行处理和成像；前端控制器连接并控制天线、频率合成器、接机、发射机和信号处理机。 所述天线为波导裂缝天线。所述波导裂缝天线包括发射天线、接收天线和机架，发射天线和接收天线分别固定在机架上。所述频率合成器是发射线性调频连续波的频率合成器。所述发射机为发射功率为IOmW 3W的固态发射机。所述接收机包括低噪声放大器、混频器、特性滤波器、频率开窗提取电路、宽带放大器和窄带放大器。低噪声放大器放大天线接收的雷达回波信号，放大后送入混频器进行混频，混频信号进入特性滤波器过滤杂波，频率开窗提取电路提取混频后的窄带中频信号和宽带中频信号，分别由窄带放大器和宽带放大器放大后输送给信号处理机。所述混频器采用零中频方案，其电路设计为现有技术，可滤除混频时产生的强干扰信号，同时还能保证雷达探测盲区的要求。所述信号处理机包括两路模/数转换模块和数字信号处理模块，两路模/数转换模块分别接收宽带放大器和窄带放大器输送的信号并将信号转换为数字信号，数字信号处理模块根据数字信号对运动目标进行检测、定位和跟踪并对选定的目标进行成像处理。所述数字信号处理模块包括多块DSP和一 FPGA，多块DSP (Digital Signal Processor)分别连接FPGA (Field-Programmable Gate Array)。对计算过程进行并行处理， 以满足实时探测和成像过程的复杂计算要求。所述电源组件包括电池组和转接电缆，电池组与转接电缆电连接，转接电缆与雷达前端和驱动云台电连接。所述监测雷达还包括三脚架，驱动云台置于三脚架上，雷达前端置于驱动云台上。本实用新型还提供一种雷达系统，包括监测雷达和雷达终端，监测雷达与雷达终端通过LAN电缆线连接，雷达终端控制监测雷达。监测雷达包括上述的部件。所述雷达终端为一计算机。所述计算机中具有监测雷达控制模块。该模块提供雷达人机界面，实现操作手对雷达的操控。本实用新型的有益效果本实用新型的硬件结构得到有效简化，其体积小，成本相对较低，应用广泛，尤其在目标搜索方面有非常好的应用前景1)本实用新型的雷达采用连续波体制，简化硬件结构，成本得到降低。与脉冲体制雷达相比，连续波体制雷达的硬件电路相对简单得多。对探测距离在30Km以内的近距离应用来说，采用连续波体制可以满足使用要求。2)频率合成器采用DDS锯齿波线性调频方案，简化频率合成器设计。[0028]3)采用固态发射机方案，发射功率在3W以下，易于实现。4)接收机采用零中频变频方案，简化接收机硬件。同时，在接收机中采用频率开窗技术，以提取成像区域信号单独进行处理，保证了成像区域信号的信噪比和信号质量，为进一步的信号处理打好基础。5)总体方案上，本雷达采用窄带模式工作，搜索地面(水面)运动目标，能实现目标的探测发现、定位和跟踪。一旦发现感兴趣的目标，可以人工切换到宽带模式工作，实时获取目标的宽带信息，经过特殊的信号处理算法，便可得到目标的一维像或二维像。因此， DDS采用窄带和宽带调频模式工作，通过雷达终端人机界面进行切换；接收机也采用双通道工作，能提供宽、窄两个通道的中频输出。6)信号处理机采用DSP+FPGA设计，实现多片DSP并行处理，以完成成像数据需要的大数据量实时计算。7)信号处理算法利用锯齿波调频发射信号信息和二维FFT处理技术、恒虚警检测技术完成对运动目标的检测；通过Kalman预测方法实现对目标的跟踪；通过宽带脉冲压缩技术、方位解线频调技术和成像算法实现目标的高分辨成像。8)雷达终端采用通用便携式计算机，通过LAN接口与雷达前端连接，可以实现对雷达的远距离操控，方便应用。终端软件在Windows平台上开发，容易嵌入到其它监控系统中工作，方便实现雷达与其它监控系统的联动。9)雷达在结构上将天线、频率合成器、接收机、发射机、信号处理机集成到一起，组成雷达前端，由驱动云台支撑。雷达采用机械扫描方案驱动，简化了扫描跟踪系统，降低了成本。本实用新型采用了 ISAR成像技术，把周边监视雷达和雷达宽带成像技术集成于一体，是一种方便携带的小型地面(海面)搜索、跟踪和微波成像探测雷达。它可以对地面运动目标的进行检测、跟踪和一、二维高分辨成像，便于使用部门全天候、全天时和远距离监测所关心的场所，为使用部门提供准确的目标信息。其主要监测目标为地面运动的人员、 车辆、水面和海面运动的船只等。为降低成本，本雷达采用了连续波体制，简化了硬件结构，降低了雷达成本；为保证雷达成像性能，在接收回路采用了开窗技术，确保成像过程需要的目标信号的信噪比和信号质量；同时在信号处理上采用了解线频调技术，既简化了硬件电路，又保证了成像性能。这些措施，使本实用新型雷达具有体积小、重量轻、易于操作、性能可靠及架设简单等优点，在地面、水面(海面)搜救、港口交通管理、缉私，在油田、机场、大型货场、大型水壩、输油管线等要地的安全监控，在生态保护、反恐等领域有着非常广阔的应用前景。
图1是本实用新型的便携式成像监测雷达系统结构示意图；图2是本实用新型的便携式成像监测雷达总体原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。参见图1，本实用新型的便携式民用成像检测雷达系统包括监测雷达和雷达终端1，雷达终端1通过LAN电缆线6连接并控制监测雷达，LAN电缆线6最长可达100米，如需更远，则可在LAN电缆线6接口上加接光端机即可。监测雷达包括雷达前端2、驱动云台3、 供电箱4和三脚架5，雷达前端2置于驱动云台3上，驱动云台3支撑雷达前端2并带动雷达前端2转动。驱动云台3可置于三脚架5上，用于支撑雷达前端2，供电箱4与雷达前端 2和驱动云台3电缆连接并为雷达前端2和驱动云台3供电。供电箱4为电源组件，包括电池组和转接电缆。雷达前端2上还可以加装光学观测孔8。雷达终端1实际上是一台便携式计算机，具有监测雷达控制模块。该模块提供雷达人机界面，实现操作手对雷达的操控。图2是本实用新型的便携式成像监测雷达的总体原理图。图2中表明，本雷达由雷达前端2 (虚线框内)、三脚架5、供电箱4、驱动云台3组成。其中，三脚架5用于支撑雷达前端2，供电箱4用于对雷达前端2和驱动云台3供电。雷达的绝大部分工作是由雷达前端2完成的。雷达前端2包括天线、频率合成器、 接收机、发射机、信号处理机和前端控制器，频率合成器产生雷达工作波形，向发射机提供相参发射信号，向接收机提供基准本振信号；发射机将频率合成器产生的雷达波放大后由天线发送出去，天线接收雷达回波后发送给接收机进行放大，接收机将放大的信号发送至信号处理机进行处理和成像；前端控制器连接并控制天线、频率合成器、接收机、发射机和信号处理机。雷达前端2各组成模块的功能简述如下天线采用波导裂缝天线，发射天线和接收天线分置，共同安装在一个机架上。天线增益彡27dB，发射天线和接收天线间的隔离度要求> 60dB，副瓣< 25dB。发射机采用固态发射机，发射功率在IOmW 3W间可调。频率合成器雷达工作采用线性调频连续波，由频率合成器中的DDS产生。频率合成器是雷达工作的核心，它产生雷达工作波形，向发射机提供发射基准信号，向接收机提供相参本振信号，向接收机、信号处理机提供采样信号，同步信号。接收机如图2所示，接收机由低噪声放大器、混频器、特性滤波器、频率开窗提取电路、宽带放大器和窄带放大器组成。其中，低噪声放大器是混频前的前置放大器，其噪声系数应 < ldB，增益> 25dB，它对保证接收回路的信噪比至关重要；混频器混频及中频放大采用零中频方案，电路结构简单，在混频后需采用特性滤波，以消除地杂波的近端影响，同时也把混频时的强零频干扰影响降至最低。本雷达既是一部成像探测雷达，同时又具备普通探测雷达功能，接收机的中频同时有两个通道输出，其窄带通道提供了普通探测雷达的中频信号，其宽带通道提供成像雷达所需的宽带中频信号。这两个通道信号的提取由频率开窗提取电路完成。所谓开窗，即是在接收机第一级混频后的中频信号中，通过频率开窗办法提取其中某一段频谱进行单独处理、放大，提高这段频谱的信噪比，为后续的信号处理提供高质量的信号。频率开窗提取电路提取相应的频率信号分别通过宽带放大器和窄带放大器向信号处理机输送。[0053]信号处理机图2中，信号处理机由两路A/D和数字信号处理模块组成。接收机的模拟中频输出经A/D变换后转换为纯数字信号，之后的计算和处理和存储交由数字信号处理模块完成由于信号处理的计算量很大，特别是进行成像处理时的计算量，必须要采用多CPU并行处理才能完成实时计算，因此，信号处理模块在硬件上采取多DSP加一 FPGA设计，多DSP分别与FPGA连接，以保证这部分电路的处理速度。数字信号处理模块的的算模块主要分窄带信号处理和宽带信号处理两部分。窄带信号处理主要完成对运动目标的检测发现、定位和跟踪，宽带信号处理主要完成对选定目标的成像处理，得到目标的一维和二维像，便于对目标的识别。窄带信号处理采用二维FFT 处理技术和恒虚警检测技术完成对低速运动目标的检测；通过Kalman预测方法实现对目标的跟踪。宽带信号处理通过宽带脉冲压缩技术和方位解线频调技术、成像算法实现目标的高分辨成像。由于这些算法计算量很大，故需采用多DSP并行处理方法来实现实时计算。信号处理机中的宽带和窄带工作模式由前端控制器对其进行控制。前端控制器前端控制器为一嵌入式处理模块，它直接接受雷达终端1人机界面发来的各种指令，解析后转发到雷达前端2的其它部件，以控制雷达前端2按终端人机界面的预期进行工作；此外，前端控制器还把雷达前端2各部件的工作情况和信号处理的结果发送到雷达终端1，使操作手随时掌握雷达的工作状态和目标信息。因此，前端控制器是雷达前端的控制中心，要求其工作稳定可靠，结构简单紧凑，故采用嵌入式处理模块实现。电源变换组件电源变换组件是DC-DC变换组件，它将电池组的DC电压转换成雷达前端各模块需要的电源电压。由于本雷达采用连续波体制，故需该组件的输出纹波要非常低，否则电源干扰将会严重影响雷达的正常工作。其次，由于本雷达是便携式设备，采用电池组供电，节电是本雷达的重要性能要求，因此，该电源变换组件需采用转换效率高的方案。图1中，除了雷达前端2，驱动云台3的功能如下；驱动云台3是雷达前端2的直接支撑设备，它接受前端控制器指令，带动整个雷达前端2 (主要是天线)转动，使天线对准被探测的目标。同时，它也通过前端控制器向雷达终端1提供了天线转角的实时信息，便于终端1处理。雷达前端各模块的工作流程大致如下操作手可以通过雷达终端1完成对监测雷达的操控。雷达终端1由LAN电缆线6 连接到前端控制器，前端控制器再将前端命令解析转发到其它各部件，控制各部件工作。上电后，前端控制器控制前端各部件完成初始化，等待接收雷达终端1的操控命令；雷达终端 1完成初始化后，等待操作手发送雷达工作命令。图2中，前端控制器通过线缆向频率合成器发送控制命令，确定雷达采用的工作波形和同步节拍，以操控其它各部件工作；此外，前端控制器也控制了发射机的发射功率。 频率合成器向发射机提供发射相参信号，再由发射机功率放大后由天线馈送出去。天线收到雷达回波，经低噪声放大器放大后，送到接收机的混频器，与频率合成器提供的基准本振信号混频，所得到的零中频信号再经放大、特性滤波、开窗提取，并行通过窄带、宽带放大，A/D变换，最后进入数字信号处理模块进行目标信号的处理和提取。数字信号处理模块所需的同步信号和采样信号均由频率合成器提供。前端控制器通过线缆控制了接收机的增益、频率开窗提取和宽带、窄带信号的滤波处理放大。前端控制器控制了数字信号处理模块的工作模式，实现目标的检测、跟踪、窄带识别和成像识别。此外前端控制器还连接并控制着驱动云台3的转速和转角，获取天线工作的实时角度。图2中虚线框内的雷达前端各部件安装在图1中的雷达前端2内，雷达前端2安装在驱动云台上，通过三脚架进行支撑。雷达终端通过LAN通信电缆6连接到供电箱4，再转接到雷达前端电缆7，接入雷达前端2。从图1可以看到本雷达是一种便携式设备，三脚架、驱动云台和雷达前端等都是可拆卸的，可以方便进行工作安装、拆卸和运输。此外，本实用新型的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、 制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本实用新型的公开内容，作为本领域的普通技术人员容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本实用新型描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本实用新型可以对它们进行应用。因此，本实用新型所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
权利要求1.一种便携式民用成像监测雷达，其特征在于，包括雷达前端、驱动云台和电源组件， 电源组件与雷达前端和驱动云台电连接，驱动云台支撑雷达前端并带动雷达前端转动，所述雷达前端包括天线、频率合成器、接收机、发射机、信号处理机和前端控制器，频率合成器产生雷达发射波形；发射机将频率合成器产生的雷达发射波形放大后由天线发送出去；天线接收目标反射的雷达回波并发送给接收机进行混频放大；接收机将放大的信号发送至信号处理机进行处理和成像；前端控制器连接并控制天线、频率合成器、接收机、发射机和信号处理机。
2.如权利要求1所述的便携式民用成像监测雷达，其特征在于，所述天线包括发射天线、接收天线和机架，发射天线和接收天线分别固定在机架上。
3.如权利要求1所述的便携式民用成像监测雷达，其特征在于，所述频率合成器是发射线性调频连续波的频率合成器。
4.如权利要求1所述的便携式民用成像监测雷达，其特征在于，所述发射机为发射功率为IOmW 3W的固态发射机。
5.如权利要求1所述的便携式民用成像监测雷达，其特征在于，所述接收机包括低噪声放大器、混频器、特性滤波器、频率开窗提取电路、宽带放大器和窄带放大器，低噪声放大器放大天线接收的雷达回波信号，并将放大信号送入混频器进行混频后进入特性滤波器过滤杂波，频率开窗提取电路提取混频后的窄带中频信号和宽带中频信号，分别由窄带放大器和宽带放大器放大后输送给信号处理机。
6.如权利要求1所述的便携式民用成像监测雷达，其特征在于，所述信号处理机包括两路模/数转换模块和一数字信号处理模块，两路模/数转换模块分别接收宽带放大器和窄带放大器输送的信号并将信号转换为数字信号，数字信号处理模块根据数字信号对目标进行检测、定位和跟踪并对选定目标进行成像处理。
7.如权利要求6所述的便携式民用成像监测雷达，其特征在于，所述数字信号处理模块包括多块DSP和一 FPGA，多块DSP分别连接FPGA。
8.一种便携式民用成像监测雷达系统，其特征在于，包括监测雷达和雷达终端，雷达终端通过LAN电缆线连接并控制监测雷达；所述监测雷达包括包括雷达前端、驱动云台和电源组件，电源组件与雷达前端和驱动云台电连接，驱动云台支撑雷达前端并带动雷达前端转动，所述雷达前端包括天线、频率合成器、接收机、发射机、信号处理机和前端控制器，频率合成器产生雷达发射波形；发射机将频率合成器产生的雷达发射波形放大后由天线发送出去，天线接收目标反射的雷达回波并发送给接收机进行混频放大，接收机将放大的信号发送至信号处理机进行处理和成像；前端控制器连接并控制天线、频率合成器、接收机、发射机和信号处理机。
9.如权利要求8所述的便携式民用成像监测雷达系统，其特征在于，所述雷达终端为一计算机。
10.如权利要求9所述的便携式民用成像监测雷达系统，其特征在于，所述计算机中具有提供雷达人机交互的监测雷达控制模块。
专利摘要本实用新型公开了一种便携式民用成像监测雷达及雷达系统。监测雷达包括雷达前端、驱动云台和电源组件，电源组件与雷达前端和驱动云台电连接，驱动云台支撑雷达前端并带动雷达前端转动。雷达前端包括天线、频率合成器、接收机、发射机、信号处理机和前端控制器，频率合成器产生雷达发射波形；发射机将雷达发射波形放大由天线发送；天线接收目标反射的雷达回波并发送给接收机进行混频放大，接收机将放大的信号发送至信号处理机进行处理和成像；前端控制器连接并控制天线、频率合成器、接收机、发射机和信号处理机。雷达系统包括监测雷达和与雷达连接的雷达终端。本实用新型的雷达体积小，成本低，除进行目标搜索还能实现目标成像的功能，应用广泛。
文档编号G01S7/285GK202171644SQ201120212199
公开日2012年3月21日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者刘志模, 刘永珊, 李平, 王新怀 申请人:北京华远凌进电子科技有限公司