一种低空慢速小目标探测雷达装置及其探测方法与流程

本发明涉及雷达扫描技术领域，尤其涉及一种低空慢速小目标探测雷达装置及其探测方法。

背景技术：

鸟类是航空器飞行安全的天敌之一，自航空器出现以来，鸟击事件就频繁发生，造成的损失令人痛心疾首。目前，国际航空联合会已经将鸟击事件列为“A类”航空灾难。据统计，北美地区鸟类对军航、民航造成的年损失达数十亿，欧洲飞机起降每万次平均鸟击次数达到5.7次，中国大陆地区，一年发生的鸟击事件就超过500起，造成的直接经济损失超过五千万人民币。

另外，近年来小型无人机的快速发展与其管理的严重滞后，让无人机黑飞成为了航空器飞行安全的又一个威胁。2013年底，一架无人机闯进首都机场空域，导致多个航班延误。2014年7月，伦敦一架无人机与空客A320擦肩而过，险些酿成航空灾难。据FAA统计，2015年无人机影响飞行的事件超过1000例，是2014年的4倍。

目前，飞鸟、小型无人机等低空慢速小目标目前的探测手段有限，价格昂贵，难以达到快速三维定位、高数据率、全天时全天候工作要求。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种低空慢速小目标探测雷达装置，包括圆柱面相控阵雷达天线、综合控制器、发射波形产生单元、若干发射组件、若干幅度相位加权单元、数字信号处理单元。

所述综合控制器、信号产生单元、发射波形产生单元顺次连接，各个发射组件连接均与发射波形产生单元连接。

所述综合控制器用于发送控制指令到信号产生单元，并设置扫描模式，根据不同的扫描模式控制各个发射组件及对应开关、阵元工作，并将数字信号处理单元形成的目标点航迹报文进行输出。

所述圆柱面相控阵雷达天线的表面分布有M*L阵元，其中，圆柱面天线有M个列线阵，每个列线阵上有L个阵元；所述M、L为正整数，每个阵元均具能够进行电磁波信号的发送与接收，每个阵元为接收雷达回波的一个通道,，每个列线阵对应一个L通道回波下变频单元。

所述发射组件具有N个，所述N为圆柱面相控阵雷达同一时刻工作的列线阵个数，每个发射组件具有Q个开关，所述Q=M/N; 每个开关对应连接一个幅度相位加权单元；所述发射组件用于产生发射信号，并通过开关的开、合控制，选择其中一个列线阵工作，通过幅度相位加权单元，控制发射信号的强弱和相位，通过阵元发射雷达电磁波信号。

幅度相位加权单元包含一个可调节衰减器和一个可调节移相器，用于控制对应列线阵输出的雷达信号的强弱和相位，形成空间发射波束，实现不同俯仰角有不同的波束覆盖。

所述信号产生单元用于根据综合控制器的控制指令产生本振信号及参考信号。

所述发射波形产生单元根据本振信号及参考信号产生雷达发射射频信号，并将发射信号被均分为N路信号，分别输入到N个发射组件。

数字波束形成单元根据不同阵元回波数据以及阵元的序号，对阵元基带信号解析对齐，然后进行数字波束形成，分别合成俯仰方位多波束、和差波束，并将合成的数字波束输出到数字信号处理单元。

数字信号处理单元用于对合成的数字波束回波信号进行处理，提取出目标信息，并形成目标点航迹报文，并将报文传输给综合控制器。

进一步的，所述扫描模式包括顺序扫描模式、凝视扫描模式；所述顺序扫描模式为沿方位波束编号进行顺次扫描，所述凝视扫描模式为根据指定的方位波束编号及扫描时间进行跳跃扫描。

上述低空慢速小目标探测雷达装置的目标探测过程包括如下步骤：

步骤一：将所述圆柱面相控阵雷达每列阵元称为一个列线阵，天线列线阵按顺序分别编号为1、2、3.....M；按照列线阵顺序编号方向，分别将各个方位波束编号为方位波束1、方位波束2........ 方位波束M，各个方向波束对应不同的工作列线阵。

步骤二：将各个发射组件分别编号为T1、T2、T3....... TN，并将各个发射组件与其Q个开关、Q个列线阵的编号对应起来。

其中，T1的开关为K_T1-1、K_T1-2、…、K_T1-Q，对应的列线阵编号分别为1、N+1、2N+1、…、(Q-1)N+1；T2的开关为K_T2-1、K_T2-2、…、K_T2-Q，对应的列线阵编号分别为2、N+2、2N+2、…、(Q-1)N+2；…；TN的开关为K_TN-1、K_TN-2、…、K_TN-Q，对应的列线阵编号分别为N、2N、3N、…、QN。

步骤三：确定雷达的工作模式是顺序扫描模式还是凝视扫描模式，根据扫描的方位波位编号，调整各个方位波位对应的扫描顺序、扫描驻留时间。

步骤四：按步骤三确定的扫描方式开始扫描。

如需要扫描方位波束1，在方位波束1的扫描持续时间时，合上的开关为：K_T1-1、K_T2-1、…、K_TN-1，其余开关均处于断开状态，编号为1,2,…,N的N个列线阵正常工作，得到方位波束1指向。

如需要扫描方位波束2，在方位波束2的扫描持续时间时，合上开关K_T2-1、…、K_TN-1、K_T1-2，其余开关均处于断开状态，编号为2,3,…,N+1的N个列线阵正常工作，得到方位波束2指向。

如需要扫描方位波束3，在方位波束3的扫描持续时间时，合上开关K_T3-1…、K_TN-1、K_T1-2、K_T2-2，其余开关均处于断开状态，编号为3,4,…,N+2的N个列线阵正常工作，得到方位波束3指向。

如需要扫描方位波束4，在扫描方位波束4的扫描持续时间时，合上开关K_T4-1…、K_TN-1、K_T1-2、K_T2-2、K_T3-2，其余开关均处于断开状态，编号为4,5,…,N+3的N个列线阵正常工作，得到方位波束4指向。

……

如需要扫描方位波束M-1，在扫描方位波束M-1的扫描持续时间时，合上开关K_T(N-1)-Q、K_TN-Q、K_T1-1、…、K_T(N-2)-1，其余开关均处于断开状态，编号为M-1,M,1，…,N-2的N个列线阵正常工作，得到方位波束M-1指向。

如需要扫描方位波束M，在扫描方位波束M的扫描持续时间时，合上开关K_TN-Q、K_T1-1、K_T2-1、…、K_T(N-1)-1，其余开关均处于断开状态，编号为M,1，…,N-1的N个列线阵正常工作，得到方位波束M指向。

进一步的，在步骤四中，每个合上的开关所对应幅度相位加权单元将输入信号分为L路信号，根据不同方位指向，俯仰波束威力覆盖要求，调整每路信号的幅度和相位，使得输出的波束能够在俯仰方向形成多个固定波束，以实现不同俯仰角有不同的波束覆盖。

进一步的，在步骤三中，工作的列线阵向空间辐射出由发射网络产生的电磁波信号，当电磁波信号遇到目标时会反射回来，每个阵元单独接收来自空间的目标回波。

进一步的，还包括步骤五：工作的列线阵接受目标回波，输入到数字波束形成单元，数字波束形成单元根据不同阵元回波数据以及阵元的序号，对阵元基带信号解析对齐，然后进行数字波束形成，分别合成俯仰多波束、方位和差波束，并将合成的数字波束回波信号输出到数字信号处理单元。

进一步的，还包括步骤六：数字信号处理单元对合成的数字波束回波信号进行处理，从俯仰多波束、方位和波束、差波束中，提取出目标信息。

进一步的，步骤六中，目标信息包括目标的俯仰角、方位角、距离、方位、速度。

进一步的，步骤六中，数字信号处理单元还对目标点迹、航迹信息进行提取，形成目标的点航迹信息。

进一步的，还包括步骤七：数字信号处理单元将提取出来的目标信息或目标信息与点航迹信息形成报文，传输给综合控制器，并由综合控制器将输出报文。

本发明的有益效果为：

本发明采用开关方式实现圆柱面相控阵雷达天线波束方位电扫描，幅度相位加权单元实现雷达波束俯仰多波束覆盖，多通道回波接收与数字波束形成得到方位和差波束、俯仰多波束，实现低空慢速小目标三维快速定位。

附图说明

图1为低空慢速小目标探测雷达原理框图。

图2为低空慢速小目标探测雷达原理框图。

图3为圆柱面相控阵雷达天线三维示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述低空慢速小目标探测雷达装置包括圆柱面相控阵雷达天线、综合控制器、发射波形产生单元、若干发射组件、若干幅度相位加权单元、数字信号处理单元。所述综合控制器、信号产生单元、发射波形产生单元顺次连接，发射波形产生单元与各个发射组件连接。

下面对各个部分的功能进行介绍。

1. 圆柱面相控阵雷达天线

圆柱面相控阵雷达天线外表面分布M*L个阵元。其中，圆形横截面的圆周分布M个阵元，竖直方向上每个列线阵具有L个阵元；所述M、L为预先规定的整数，每个阵元均具能够进行电磁波信号发送与接收，每个阵元单独接收雷达信号，每列线阵对应一个L通道回波下变频单元。

图2为圆柱面相控阵雷达天线的三维立体图，图中点状物表示天线阵元，依次分布在圆柱表面上，每一列为一个线阵列。图3为本雷达天线在XOY面的剖面图和XOZ面的剖面图，天线阵元XOY平面的剖面图为一个圆，列线阵依次编号为1,2,3,…,M-1,M，天线阵元在XOZ面的剖面图为一列线阵，阵元依次编号为1,2,…,L。所述M、L为预先规定的整数，每个阵元均具能够进行信号发送与接收，每列阵元对应一个L通道回波下变频单元。

工作的列线阵处于发射状态时，向空间辐射出由发射网络产生的电磁波信号。当信号遇到无人机、飞鸟目标时会反射回电磁波，并且目标会对电磁波回波进行调制。当列线阵处于接收状态时，每个阵元单独接收来自空间的目标回波。

2.发射组件

所述发射组件个数为N，所述N为圆柱面相控阵雷达同一时刻工作的列线阵个数，每个发射组件具有Q个开关; 每个开关对应连接一个幅度相位加权单元。

同一时刻天线有N列线阵同时工作，有N*L个阵元同时工作。每个发射组件对应有Q个开关，所述Q= M/N，各个开关按规律断开、合上。

为了方便理解，本发明对N个发射组件分别编号为T1、T2、T3....... TN。其中，开关T1对应的开关编号为、K_T1-2、…、K_T1-Q，对应的列线阵编号分别为1、N+1、2N+1、…、(Q-1)N+1；开关T2对应的开关编号为K_T2-1、K_T2-2、…、K_T2-Q，对应的列线阵编号分别为2、N+2、2N+2、…、(Q-1)N+2；…；开关TN对应的开关编号为K_TN-1、K_TN-2、…、K_TN-Q，对[x1] 应的列线阵编号分别为N、2N、3N、…、QN。任何一个发射组件Tn(n=1,2,…,N)在同一时刻有且只有一个开关合上，其他开关均处于断开状态，合上的开关具有电磁波信号发射功能。

3.幅度相位加权单元

每一个发射组件对应Q个开关，每个开关对应一个幅度相位加权单元。幅度相位加权单将开关要输出的电磁波信号分为L路信号，根据不同方位指向，俯仰波束威力覆盖要求，调整每路信号的幅度和相位，使得输出的波束能够在俯仰方向形成多个固定波束，以实现不同俯仰角有不同的波束覆盖。俯仰方向的波束覆盖中俯仰方向波束的个数、波束宽度、覆盖范围可以设置。

每个阵元对应一个接收变频单元通道，每个列线阵对应一L个通道回波下变频单元，整个雷达天线有M个L通道的回波下变频单元，但是同时工作的L通道回波下变频单元仅N个。一个发射组件一个时刻对应只有一个列线阵工作，也只有一个L通道回波下变频单元工作。L通道回波下变频单元将线阵各阵元回波信号分别下变频到基带，并对回波采样数字化处理，将采样后的数字回波信号传输到数字波束形成单元。幅度相位加权单元、列线阵、L通道回波下变频单元构成了一个子阵。

4. 综合控制器

所述综合控制器用于发送控制指令到信号产生单元，并设置扫描模式，根据不同的扫描模式控制各个发射组件及对应开关、阵元工作，且将数字信号处理单元传输过来的报文进行输出。

扫描模式包括顺序扫描模式、凝视扫描模式。

所述依次扫描为沿方位波束编号进行顺次扫描，每个方位波束扫描时间相同。

所述跳跃扫描为根据预先指定的方位波束编号及扫描时间进行扫描，每个方位波束扫描时间不一定相同。不同时刻可以让波束指向同一个方向，扫描过程中波束指向并不是由波束1、波束2、…、波束M依次连续扫描，而是可以任意跳跃扫描。

5. 信号产生单元

所述信号产生单元用于根据综合控制器的控制指令产生本振信号及参考信号。

6. 发射波形产生单元

所述发射波形产生单元用于根据本振信号及参考信号产生发射信号，所述发射信号被均分为N路信号，分别输入到N个发射组件。

7. 数字波束形成单元

数字波束形成单元用于根据不同阵元回波数据以及阵元的序号，对阵元基带信号解析对齐，然后进行数字波束形成，分别合成俯仰多波束、方位和差波束，并将合成的数字波束输出到数字信号处理单元。

8. 数字信号处理单元

利用数字信号处理单元，对合成的数字波束回波信号进行处理，对杂波进行抑制和滤除，从俯仰多波束、方位和波束、差波束中，提取出目标的俯仰角、方位角信息，经过相干、非相干处理，提取出飞鸟、无人机慢速小目标的距离、方位和速度信息，实现目标的三维定位和飞行速度精确测量，同时对目标点迹、航迹进行提取，形成目标的点航迹信息。

上述信息均形成报文，传输给综合控制器。

下面对本系统的工作方法进行介绍。

步骤一：将圆柱面相控阵雷达天线沿外表面圆周方向排列的各列阵元按顺序分别编号为1、2、3.....M，每列阵元称为列线阵；按照列线阵顺序编号方向，分别将各个方位波束编号为方位波束1、方位波束2........ 方位波束M；

步骤二：将各个发射组件分别编号为T1、T2、T3....... TN，并将各个发射组件与其Q个开关、Q个列线阵编号对应起来；

其中，T1的开关K_{T1-1[x2] 、}K_T1-2、…、K_T1-Q，对应的列线阵编号分别为1、N+1、2N+1、…、(Q-1)N+1；T2的开关为、[x3] K_T2-2、…、K_T2-Q，对应的列线阵编号分别为2、N+2、2N+2、…、(Q-1)N+2；…；TN的开关为K_TN-1、K_TN-2、…、K_TN-Q，对应的列线阵编号分别为N、2N、3N、…、QN；

步骤三：确定预先需要扫描的方位波束编号及各个方位波束对应的扫描顺序、扫描持续时间。

步骤四：按步骤三确定的扫描方式开始扫描。

如前所述，顺序扫描模式为沿方位波束编号进行顺次扫描，每个方位波束扫描时间相同。跳跃扫描模式为根据并不按照方位波束编号扫描，且每个方位波束扫描时间不一定相同。下面分别对两种模式的探测方法进行介绍。

依次模式模式：

方位向依次扫描，每个方位驻留时间相等，各发射组件开关合上与断开的规律为：

如图2所示，将所有开关5按顺序排列，用矩阵(1)的方式表达，更容易理解天线扫描与开关断开与闭合的规律，矩阵(1)每一行表示每个发射组件对应的开关编号，同一时刻，每一行有且仅有一个开关被选中。

(1)

扫描时刻1：合上的开关为：、K_T2-1、…、K_{TN-1[x4] ，}其余开关均处于断开状态，编号为1,2,…,N的N个列线阵正常工作，得到方位波束1指向；

扫描时刻2：断开开关K_T1-1，合上开关K_T2-1、…、K_TN-1、K_T1-2，其余开关均处于断开状态，编号为2,3,…,N+1的N个列线阵正常工作，得到方位波束2指向；

扫描时刻3：断开开关，合上开关K_T3-1…、K_TN-1、K_T1-2、K_T2-2，其余开关均处于断开状态，编号为3,4,…,N+2的N个列线阵正常工[x5] 作，得到方位波束3指向；

扫描时刻4:断开开关KT3-1，合上开关、K_TN-1、K_T1-2、K_{T2-[x6] 2}、K_T3-2，其余开关均处于断开状态，编号为4,5,…,N+3的N个列线阵正常工作，得到方位波束4指向；

……

扫描时刻M-1:断开开关，合上开关K_T(N-1)-Q、K_TN-Q、K_T1-1、…、K_T(N-2)-1，其余开关[x7] 均处于断开状态，编号为M-1,M,1，…,N-2的N个列线阵正常工作，得到方位波束M-1指向；

扫描时刻M:断开开关K_T(N-1)-Q，合上开关K、K_T1-1、K_T2-1、…、K_T(N-1)-1，其余开关均处于断开状态，编号为M,1，…,N-1的N个列线阵正常工作，得到方位波束M指向；[x8]

扫描时刻M+1:断开开关K_TN-Q，合上开关K_T1-、K_T2-1、…、K[x9] _TN-1，其余开关均处于断开状态，编号为1,2,…,N的N个列线阵正常工作，得到方位波束1指向；

不同时刻采用一组开关闭合，得到一个方位上的波束，实现该方位向依次电扫描，以M个方位波束扫描时间为一个雷达方位向扫描周期，实现波束方位依次周期扫描，波束由N个相邻的列线阵产生。

凝视扫描模式

方位向跳跃扫描，每个方位驻留时间不等，不同时刻可以让波束指向同一个方向，扫描过程中波束指向并不是由波束1、波束2、…、波束M依次连续扫描，而是可以任意跳跃扫描。扫描时开关闭合与断开规律为：

扫描时刻T:波束指向为第m波束指向(0<m<M+1)，第m指向的波束产生方式与扫描模式时相同，即

方位波束1指向产生：合上的开关、K_T2-1、…、K_TN-1，其余开关均处于断开状态，编号为1,2,…,N的N个列线阵正常工作；

方位波束2指向产生：合上开关K_T2-1、…、K_TN-1、K_{T1[x10] -2}，其余开关均处于断开状态，编号为2,3,…,N+1的N个列线阵正常工作；

……

方位波束M-1指向产生：合上开关、K_TN-Q、K_T1-1、…、K_T(N-2)-1，其余开关均处于断开状态，编号为M-1,M,1，…,N-2的N个列线阵正常工作；

方位波束M指向产生：合上开关K_TN-Q、K_{T1[x11] -1}、…、K_T(N-1)-1，其余开关均断开，编号为M,1,…,N-1的N个列线阵正常工作。

凝视模式扫描主要用于对指定空域范围内进行目标搜索，通过增加在每个方位的驻留时间，获取更多的回波数量，进而获得高的积累增益，增加目标的探测精度和对弱小目标的探测概率。每个时刻的扫描波束由N个相邻列线阵产生。

需要说明的是，凝视扫描模式与顺序扫描模式的区别仅在于扫描的方向波束并不一定是连续的，且扫描时间不等，但是在每个方向波束上扫描时，发射组件及其开关的工作模式相同。

在步骤四中，工作的列线阵向空间辐射出由发射网络产生的电磁波信号，当电磁波信号遇到目标时会反射回来，每个阵元单独接收来自空间的目标回波。

在发射之前，每个合上的开关所对应幅度相位加权网络将输入信号分为L路信号，根据不同方位指向，俯仰波束威力覆盖要求，调整每路信号的幅度和相位，使得输出的波束能够在俯仰方向形成多个固定波束，以实现不同俯仰角有不同的波束覆盖。

步骤五：工作的列线阵接受目标回波，输入到数字波束形成单元，数字波束形成单元根据不同阵元回波数据以及阵元的序号，对阵元基带信号解析对齐，然后进行数字波束形成，分别合成俯仰多波束、方位和差波束，并将合成的波束输出到数字信号处理单元。

步骤六：数字信号处理单元对合成的数字波束回波信号进行处理，对杂波进行抑制和滤除，从俯仰多波束、方位和波束、差波束中，提取出目标的俯仰角、方位角信息，经过相干、非相干处理，提取出飞鸟、无人机慢速小目标的距离、方位和速度信息，实现目标的三维定位和飞行速度精确测量。优选的，还同时对目标点迹、航迹信息进行提取，形成目标的点航迹信息。

步骤七：数字信号处理单元将提取出来的目标的距离、速度、方位角、俯仰角、点航迹信息报文传输给综合控制器，并由综合控制器将目标报文输出。