用于低空小目标探测的连续波雷达系统及其方法与流程

本发明涉及目标探测技术领域，特别涉及一种用于低空小目标探测的连续波雷达系统及其方法，适用于复杂环境下低空慢速小目标的探测。

背景技术：

低空空域开放对地面军用和民用监视雷达目标探测提出了新的需求，我国目前在低空目标监视方面尚无有效手段，不能满足低空空管、防空及安防的基本需求，迫切需要解决；以无人机为代表的低空慢速小目标技术的飞速发展和广泛应用，给国家安全带来新的挑战，要地安保、区域禁飞等迫切需要对无人机等低空慢速小目标进行有效监视。

低空目标的探测就一直是现代雷达系统所面临的重要难题之一，而对低空慢速小目标的探测更是难上加难；虽然机载预警雷达和球载雷达具有探测低空目标的优势，但是机载预警雷达和球载雷达具有系统复杂、实现困难、代价过高等方面的不利因素，利用机载预警雷达和球载雷达来实现对低空慢速小目标探测有点得不偿失。所以为了寻找一种简单、经济有效的低空慢速小目标探测方法，人们又考虑到了以地面预警雷达为背景的地基低空雷达。地基低空雷达在雷达有一定架高的情况下波束要重点指向低空，从而克服了一般地面预警雷达中存在的波束遮挡问题，使得波束能够有效地照射到低空目标。该雷达要体积小、重量轻、成本低，且便于架设，一般架设在地面制高点如山头、高的建筑物顶部等。当利用地基低空雷达来探测低空慢速小目标时，主要面临以下几个问题：

(1)低空慢速小目标的雷达散射截面积(RCS)较小，信号回波较弱，信噪比低，检测困难，必须采用有效的微弱信号检测方法。

(2)天线波束指向低空(或处于俯视工作状态)，地面杂波强度大，范围广，情况复杂：在非均匀杂波背景下对低、小、慢目标进行检测存在重大技术瓶颈，雷达接收机需要有大的动态范围，信号处理需要有强的杂波抑制能力。

(3)干扰目标多：因为低空慢速小目标飞行高度低，雷达在对其进行探测时不可避免会同时探测到地面运动目标(主要为地面运动车辆)。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种用于低空小目标探测的连续波雷达系统及其方法，用于提高雷达系统对低慢小目标的探测能力。

为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种用于低空小目标探测的连续波雷达系统，其特征在于，包括：发射模块、接收模块、信号处理模块和终端显示模块；发射模块输出端向外辐射线性调频连续波，经目标反射后进入接收模块输入端，接收模块输出端连接信号处理模块输入端，信号处理模块输出端连接终端显示模块输入端；

所述发射模块用于产生线性调频连续波，并辐射出去；辐射出去的线性调频连续波经过反射后，得到目标反射的回波信号；接收模块用于接收目标反射的回波信号，并得到Z 个中频信号，将所述Z个中频信号发送至信号处理模块；所述信号处理模块用于接收所述接收模块发送过来的所述Z个中频信号，得到真实低空小目标点迹，将真实低空小目标点迹发送至终端显示模块进行显示；

信号处理模块还用于对Z个中频信号分别进行A/D变换、数字相干检波、低通滤波处理后，得到Z个低通滤波数字信号，并根据真实低空小目标点迹对Z个低通滤波数字信号进行参数估计，进而得到真实低空小目标的俯仰角及方位角信息，然后将真实低空小目标的俯仰角及方位角信息发送至终端显示模块进行显示；Z为大于0的正整数。

技术方案二：

一种用于低空小目标探测的连续波雷达方法，应用于权利要求1所述的一种用于低空小目标探测的连续波雷达系统，所述用于低空小目标探测的连续波雷达系统，包括发射模块、接收模块、信号处理模块和终端显示模块，所述发射模块包括发射机、M个发射天线、频综器、时序控制器和M选1开关；所述接收模块包括频综器、1:Z功分器、N个接收天线、Z个b选1开关、Z个耦合器和Z个接收机；其特征在于，所述方法包括：

步骤1，时序控制器第m个时刻时向频综器提供时序信号，频综器根据所述时序信号产生对应波形，并将所述波形发送至发射机；发射机根据频综器发送过来的波形发射线性调频连续波，记为第m路发射信号；M个发射天线通过M选1开关选择一个发射天线，并将所述第m路发射信号连接至该发射天线，通过该发射天线将第m路发射信号辐射出去；其中，M、b、Z分别为大于0的正整数；

步骤2，令m的值分别取1至M，重复执行步骤1，进而分别得到第1路发射信号至第 M路发射信号，记为M路发射信号；其中每路发射信号辐射出去后都经过目标反射，并相应得到目标反射的回波信号；其中时序控制器的时刻个数与发射天线个数取值相等且一一对应；

步骤3，频综器产生所需频率信号后，通过1:Z功分器将所需频率信号分成Z路，得到Z路频率信号分量后作为Z个测试信号，分别对应送给Z个耦合器，Z路频率信号分量与Z个耦合器一一对应；N个接收天线分为a排，每排Y个接收天线，将每排的Y个接收天线分别经过X个b选1开关后，每排分别选出X个接收天线，进而得到aX个接收天线；其中，X、Y、a、N分别为大于0的正整数，aX＝Z，bX＝Y；

目标反射的回波信号分别被aX个接收天线接收，并进入各自接收天线对应的耦合器中；每个耦合器对自身接收到的测试信号和目标反射的回波信号分别进行校准，进而得到 Z个接收信号后发送至对应接收机；Z个接收机对应接收到接收信号后分别进行下变频处理和中频放大处理，进而得到Z个中频信号；其中，aY＝N；

步骤4，信号处理模块对Z个中频信号分别进行A/D变换、数字相干检波、低通滤波处理后，得到Z个低通滤波数字信号，接着对Z个低通滤波数字信号进行数字波束形成、脉冲压缩和运动目标检测，得到运动目标检测结果；

确定恒虚警检测门限，并使用恒虚警检测门限对运动目标检测结果进行恒虚警检测，得到真实低空小目标点迹，最终将真实低空小目标点迹发送至终端显示模块进行显示；

信号处理模块根据真实低空小目标点迹对Z个低通滤波数字信号进行参数估计，进而得到真实低空小目标的俯仰角及方位角信息，将真实低空小目标的俯仰角及方位角信息发送至终端显示模块进行显示。

本发明与现有技术相比有以下优点：

第一，本发明通过多选一开关实现360°电子扫描。

第二，本发明采用宽波束发射信号，并通过数字波束形成(DBF)处理完成同时多波束接收，波束驻留时间长，杂波抑制性能好，低速目标检测性能优越。

第三，圆柱阵垂直维a排天线可以用于测高。

第四，雷达系统采用线性调频连续波体制，具有发射功率低、结构简单、体积小、重量轻、可靠性高和成本低的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的一种用于低空小目标探测的连续波雷达系统框图；

图2为本发明的一种用于低空小目标探测的连续波雷达系统天线组成示意图；

图3a为发射天线水平波束方向图；

图3b为发射天线垂直波束方向图；

图3c为发射模块工作流程框图；

图4a为接收天线水平波束方向图；

图4b为接收天线垂直波束方向图；

图4c为接收模块工作流程框图；

图5为信号处理模块工作流程框图；

图6a为水平维接收同时多波束方向图；

图6b为水平维收发合成同时多波束方向图；

图6c为垂直维接收同时多波束方向图；

图6d为垂直维收发合成同时多波束方向图。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种用于低空小目标探测的连续波雷达系统框图；其中所述用于低空小目标探测的连续波雷达系统，包括发射模块、接收模块、信号处理模块和终端显示模块；发射模块输出端向外辐射线性调频连续波，经目标反射后进入接收模块输入端，接收模块输出端连接信号处理模块输入端，信号处理模块输出端连接终端显示模块输入端；本实施例中低慢小目标全称为低空、慢速、小型飞行目标，飞行高度一般在1000米以下，速度较慢，雷达反射面积很小的目标。

所述发射模块用于产生线性调频连续波，并辐射出去；辐射出去的线性调频连续波经过目标反射后，得到目标反射的回波信号；接收模块用于接收目标反射的回波信号，并得到Z个中频信号，将所述Z个中频信号发送至信号处理模块；所述信号处理模块用于接收所述接收模块发送过来的所述Z个中频信号，得到真实低空小目标点迹，将真实低空小目标点迹发送至终端显示模块进行显示。

信号处理模块还用于对Z个中频信号分别进行A/D变换、数字相干检波、低通滤波处理后，得到Z个低通滤波数字信号，并根据真实低空小目标点迹对Z个低通滤波数字信号进行参数估计，进而得到真实低空小目标的俯仰角及方位角信息，然后将真实低空小目标的俯仰角及方位角信息发送至终端显示模块进行显示；Z为大于0的正整数。

发射模块：发射模块包括发射机、M个发射天线、频综器、时序控制器和M选1开关；时序控制器输出端连接频综器输入端，频综器输出端连接发射机输入端，发射机输出端连接M选1开关输入端，M选1开关输出端连接M个发射天线；参照图2，为本发明的一种用于低空小目标探测的连续波雷达系统天线组成示意图；其中M个发射天线中每个发射天线都是一个小型喇叭，且M个喇叭被均匀放置在一个圆环上，圆环直径为d，M个发射天线都采用垂直极化方式，其水平波束方向图和垂直波束方向图分别如图3a和图3b所示。

参照图3c，为发射模块工作流程框图，发射模块的工作流程是：

1.1时序控制器第m个时刻时向频综器提供时序信号，频综器根据所述时序信号产生对应波形，并将所述波形发送至发射机；发射机根据频综器发送过来的波形发射线性调频连续波，记为第m路发射信号；M个发射天线通过M选1开关选择一个发射天线，并将所述第m路发射信号连接至该发射天线，通过该发射天线将第m路发射信号辐射出去；其中， M为大于0的正整数。

1.2令m的值分别取1至M，重复执行1.1，进而分别得到第1路发射信号至第M路发射信号，记为M路发射信号；其中每路发射信号辐射出去后都经过目标反射，并相应得到目标反射的回波信号；由于每路发射信号都为线性调频连续波，每个时刻对应选择的发射天线都不相同，即每个时刻通过时序控制器自动选择另外1个发射天线，因此使得在一个完整周期内M个发射天线都工作一遍；并且在一个完整周期内，将M个发射信号辐射出去，能够保证M个发射信号覆盖完方位360°、俯仰20°的范围；其中时序控制器的时刻个数与发射天线个数取值相等。

接收模块：参照图2，为本发明的一种用于低空小目标探测的连续波雷达系统天线组成示意图；其中所述用于低空小目标探测的连续波雷达系统为连续波雷达系统，发射模块中的M个发射天线与接收模块中的N个接收天线不可共用，所以在发射模块与接收模块之间增设挡板，挡板目的是保证收发隔离；所述挡板呈圆柱形，直径为D，高为D4，并且放置在发射模块的正下方，挡板顶部与M个发射天线之间的距离为D3。

接收模块中的N个接收天线为圆柱阵，共a行，每行Y个接收天线，一共有a×Y＝N个接收天线，圆柱阵直径为d，高为D2，并且放置在挡板的正下方，接收模块中的N个接收天线与发射模块中的M个发射天线之间距离为D1，a行中行与行之间不等间距排布，N个接收天线都采用垂直极化方式，单元形式是偶极子或其他(容易放置在圆柱的侧面上)，也就是说有Y个阵元在水平方向上围成一个圆环，构成一个圆阵，进而得到a个相同的圆阵，a个相同的圆阵不等间距排布，构成圆柱阵，其水平波束方向图和垂直波束方向图分别如图4a和图4b所示。

参照图4c，接收模块工作流程框图，接收模块包括频综器、1:Z功分器、N个接收天线、Z个b选1开关、Z个耦合器和Z个接收机，每个耦合器包括第一输入端和第二输入端；频综器输出端连接1:Z功分器输入端，1:Z功分器的Z个输出端对应连接Z个耦合器的Z个第一输入端，Z个耦合器的输出端对应连接Z个接收机的Z个输入端，N个接收天线分为a排，每排的Y个接收天线分别与X个b选1开关输入端连接，aX个b选1开关输出端对应连接Z个耦合器的Z个第二输入端，aX＝Z，aY＝N，bX＝Y；Z个耦合器和Z 个接收机一一对应，接收模块的工作流程是：

频综器产生所需频率信号后，通过1:Z功分器将所需频率信号分成Z路，得到Z路频率信号分量后作为Z个测试信号，分别对应送给Z个耦合器，Z路频率信号分量与Z个耦合器一一对应；N个接收天线分为a排，每排Y个接收天线，将每排的Y个接收天线分别经过X个b选1开关后，每排分别选出X个接收天线，进而得到aX个接收天线；目标反射的回波信号分别被aX个接收天线接收(一共aX＝Z个接收天线)，并进入各自接收天线对应的耦合器中；每个耦合器对自身接收到的测试信号和目标反射的回波信号分别进行校准，进而得到Z个接收信号后发送至对应接收机；Z个接收机对应接收到接收信号后分别进行下变频处理和中频放大处理，进而得到Z个中频信号，并将所述Z个中频信号发送至信号处理模块。

其中，所述发射模块包括的频综器和所述接收模块包括的频综器为同一个频综器，该频综器包含两个输出端，其中一个输出端连接发射机输入端，另外一个输出端连接1:Z功分器输入端。

信号处理模块：信号处理是雷达的核心部分之一(尤其对于本雷达来说更是如此)，信号处理模块主要是对Z个中频信号进行处理并提取到有用信息，完成目标探测和信息提取的处理；本雷达信号处理模块主要包括A/D变换、数字相干检波、低通滤波、同时多波束形成(DBF)、脉冲压缩、运动目标检测(MTD)、恒虚警检测(CFAR)、目标参数估计等部分。

参照图5，信号处理模块工作流程框图；接收模块输出的Z个中频信号直接送入信号处理模块，信号处理模块对Z个中频信号分别进行A/D变换、数字相干检波、低通滤波处理后，得到Z个低通滤波数字信号；接着对Z个低通滤波数字信号进行数字波束形成(DBF)、脉冲压缩和运动目标检测(MTD)，得到运动目标检测结果，并采用单元平均恒虚警检测法 (CA-CFAR)得到第一恒虚警检测门限U和第二恒虚警检测门限K，即恒虚警检测门限为 KU；使用检测门限KU对运动目标检测结果进行恒虚警检测(CFAR)，得到真实低空小目标点迹，最终将真实低空小目标点迹发送至终端显示模块进行显示；结合外部设备侦查到的目标信息和Z个低通滤波数字信号，进行目标、干扰和环境特性学习，提高或降低第二恒虚警检测门限K，得到调整后的第二恒虚警检测门限，然后使用调整后的第二恒虚警检测门限乘上第一恒虚警检测门限，得到新的检测门限，并用新的检测门限对运动目标检测结果进行恒虚警检测(CFAR)，以保证虚警概率恒定。

例如，在强杂波背景下，运动目标检测结果中必将包含杂波，此时可通过目标、干扰和环境特性学习，适当地提高第二恒虚警检测门限K，以保证虚警概率恒定；同时信号处理模块结合真实低空小目标信息对Z个低通滤波数字信号进行参数估计，即使用单脉冲测角或者波束扫描测角等方法对真实低空小目标进行参数估计，进而得到真实低空小目标的俯仰角及方位角信息，将真实低空小目标的俯仰角及方位角信息发送至终端显示模块进行显示。

具体地，由于该雷达系统为数字波束形成体制，在信号处理过程中，在通过DBF形成接收波束时会同时形成多个接收波束，目的是为了将发射波束的辐射范围覆盖完，这样等效于“宽发窄收”体制，这样的好处是接收波束在每个波位的驻留时间较长，杂波抑制能力强，这也是低空目标探测雷达系统得到强杂波抑制能力的重要条件保证。

其中接收天线同时多波束形成包括水平维天线的同时多波束形成和垂直维天线的同时多波束形成；同时垂直维的a排天线不等间隔的排布，可用于测高；需要指出的是如果为了减少边缘波束的增益损失，可以通过DBF处理增加相应的同时多波束的数目，但是这样也会适当增加运算量。

一种用于低空小目标探测的连续波雷达方法，应用于权利要求1所述的一种用于低空小目标探测的连续波雷达系统，所述用于低空小目标探测的连续波雷达系统，包括发射模块、接收模块、信号处理模块和终端显示模块，所述发射模块包括发射机、M个发射天线、频综器、时序控制器和M选1开关；所述接收模块包括频综器、1:Z功分器、N个接收天线、Z个b选1开关、Z个耦合器和Z个接收机；所述方法包括：

步骤1，时序控制器第m个时刻时向频综器提供时序信号，频综器根据所述时序信号产生对应波形，并将所述波形发送至发射机；发射机根据频综器发送过来的波形发射线性调频连续波，记为第m路发射信号；M个发射天线通过M选1开关选择一个发射天线，并将所述第m路发射信号连接至该发射天线，通过该发射天线将第m路发射信号辐射出去；其中，M、b、Z分别为大于0的正整数。

步骤2，令m的值分别取1至M，重复执行步骤1，进而分别得到第1路发射信号至第 M路发射信号，记为M路发射信号；其中每路发射信号辐射出去后都经过目标反射，并相应得到目标反射的回波信号；其中时序控制器的时刻个数与发射天线个数取值相等且一一对应。

步骤3，频综器产生所需频率信号后，通过1:Z功分器将所需频率信号分成Z路，得到Z路频率信号分量后作为Z个测试信号，分别对应送给Z个耦合器，Z路频率信号分量与Z个耦合器一一对应；N个接收天线分为a排，每排Y个接收天线，将每排的Y个接收天线分别经过X个b选1开关后，每排分别选出X个接收天线，进而得到aX个接收天线；其中，X、Y、a、N分别为大于0的正整数，bX＝Y，aX＝Z。

目标反射的回波信号分别被aX个接收天线接收，并进入各自接收天线对应的耦合器中；每个耦合器对自身接收到的测试信号和目标反射的回波信号分别进行校准，进而得到 Z个接收信号后发送至对应接收机；Z个接收机对应接收到接收信号后分别进行下变频处理和中频放大处理，进而得到Z个中频信号；其中，aY＝N。

步骤4，信号处理模块对Z个中频信号分别进行A/D变换、数字相干检波、低通滤波处理后，得到Z个低通滤波数字信号；接着对Z个低通滤波数字信号进行数字波束形成、脉冲压缩和运动目标检测，得到运动目标检测结果，采用单元平均恒虚警检测法得到第一恒虚警检测门限U和第二恒虚警检测门限K，即恒虚警检测门限为KU；使用检测门限KU 对运动目标检测结果进行恒虚警检测，得到真实低空小目标点迹，最终将真实低空小目标点迹发送至终端显示模块进行显示；结合外部设备侦查到的目标信息和Z个低通滤波数字信号，进行目标、干扰和环境特性学习，提高或降低第二恒虚警检测门限K，得到调整后的第二恒虚警检测门限，然后使用调整后的第二恒虚警检测门限乘上第一恒虚警检测门限，得到新的检测门限，并用新的检测门限对运动目标检测结果进行恒虚警检测(CFAR)，以保证虚警概率恒定。

信号处理模块根据真实低空小目标点迹对Z个低通滤波数字信号进行参数估计，进而得到真实低空小目标的俯仰角及方位角信息，将真实低空小目标的俯仰角及方位角信息发送至终端显示模块进行显示。

本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步验证：

实验中雷达系统的排布为：发射天线由12个小型喇叭组成，所有喇叭被发射天线放置在一个圆环上，接收天线为圆柱形状，共3行，每行48个，一共144个天线,通过3选 1开关，每次从48个天线中选取16个天线进行同时多波束形成。

实验中雷达系统的工作频率为X波段，波长为λ，其余参数的具体数值将由λ表示： d＝10.7λ，D＝15.3λ，D1＝10λ，D2＝6λ，D3＝8.5λ，D4＝0.7λ。接收天线水平维的阵元间距为0.7λ，垂直维的阵元间距为2λ和3λ。

下面用第18个到第33个水平维接收天线(共16个天线)来仿真水平维的同时多波束形成，同时生成7个波束，覆盖范围是168.75°-198.75°。

实验1：不考虑发射天线水平波束方向图，其仿真结果如图6a所示；由图6a可以看出不考虑发射天线方向图时，波束副瓣电平较高，达到-6.7dB。为了进一步降低波束副瓣电平，可以考虑加上发射天线水平波束方向图。

实验2：考虑发射天线水平波束方向图，其仿真结果如图6b所示。

下面用垂直维3个接收天线仿真垂直维的同时多波束形成，同时形成4个波束，4个波束的中心指向分别是2°、7°、12°和17°，覆盖15°的范围。

实验3：不考虑发射天线垂直波束方向图，其仿真结果如图6c所示；由图6c可以看出不考虑发射天线方向图时，波束副瓣电平较高；为了进一步降低波束副瓣电平，可以考虑加上发射天线垂直波束方向图。

实验4：不考虑发射天线垂直波束方向图，其仿真结果如图6d所示。

综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。