一维转动一维MIMO雷达的快速全空域告警方法及系统与流程

本发明涉及航天领域，尤其涉及一种一维转动一维mimo雷达的快速全空域告警方法及系统，可应用于近距离模式全空域的快速搜索领域。

背景技术：

雷达在近距搜索模式下，多输入多输出(multipleinputmultipleoutput,mimo)雷达全向发射相互正交的信号，使得多发射波形在空间不能同相位叠加，这样发射波束无法形成高增益的窄波束，而是形成低增益的宽波束，因此发射波束能够覆盖很宽的扇区。mimo雷达在接收时，采用数字延时或波束形成(digitalbeamforming,dbf)技术形成多个高增益的数字接收波束，多波束将覆盖发射宽波束所照射的空域范围，由于发射宽波束照射一个角度很宽的扇区，这使mimo雷达几乎可以始终探测到很广的区域范围。因此，在近距搜索条件下，满足搜索威力的情况，mimo雷达结合一维机构能够实现全空域的快速搜索。

一种基于星载雷达的相扫机扫结合的空域搜索方法(cn102680968a)，在俯仰维采用相位扫描、在方位维采用机械扫描的搜索方法。一种基于全空域预警一维旋转相控阵雷达的快速搜索方法(cn106249230a)中，方位维采用机械扫描，俯仰维采用相位扫描的搜索同步进行的方法。两种方法在空域搜索的过程中都需要进行相位波位扫描，扫描速度相对较慢，扫描方式复杂，并且专利一在搜索的过程中需要停机构。

通过mimo雷达天线发射宽波束覆盖整个方位维度，方位维不需要扫描，俯仰维为结合一维机构扫描覆盖整个空域。因此，本发明扫描速度非常快，扫描方式简单，在搜索全空域的过程中机构不需要停止，便于实现，成本低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一维转动一维mimo雷达的快速全空域告警方法及系统，利用mimo雷达发射的宽波束能够覆盖很宽的空域范围，同时结合一维机构在俯仰维的机动特性，达到近距全空域快速搜索的目的。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种一维转动一维mimo雷达系统，在雷达近距工作模式下，mimo雷达天线发射宽波束，覆盖第一维度；并且，通过一维机构在第二维度转动，扫描覆盖全空域；第一维度是方位维度，第二维度是俯仰维度；或者，第一维度是俯仰维度，第二维度是方位维度。

可选地，所述一维机构包含机座、y轴框架、轴承和驱动组件；对应于第二维度的搜索范围为[-αmax,αmax]，搜索角速度为δθ°/s，y轴的转动带动mimo雷达天线在第二维度的运动，以及送出天线指向角度信息，实时获得天线位置角度信息。

可选地，所述轴承是真空镀钼角接触球轴承，同时承受径向和轴向载荷。

可选地，所述驱动机构包含步进电机、谐波减速器和旋转变压器，对一维机构的转动速度与转动角度进行控制。

可选地，所述mimo雷达天线为线性布阵，在第二维度的方向以每一列m个阵元为一个阵列，在空间形成窄波束，构成阵列数为n的一维mimo，子阵之间没有重叠；各个子阵均发射覆盖相同范围的低增益宽波束；同一子阵内的各个阵元间发射的信号相同，而每个子阵之间发射的信号是相互正交的。

可选地，mimo天线阵元为收发共用的，阵元间距为d；阵元数目为m×n，第二维度对应方向的阵元数目为m，第一维度对应方向的阵元数目为n。

可选地，mimo雷达天线在空间发射宽波束覆盖空间的一维度，阵元间距为d，阵元间发射的波形相互正交；mimo雷达天线接收窄波束，并通过数字波束形成实现同时多波束，以覆盖发射宽波束所照射的整个区域。

可选地，各个子阵的发射正交信号集：

sn＝[sn(1),sn(2),...,sn(m)]^t(6)

其中，n＝1，2，…，n；

子阵的加权矢量：

w＝[w1,w2,...,wn]^t(7)

以相位加权方式：

构建的发射导向矢量：

a(θ)＝[a1(θ),a2(θ),...,an(θ)]^t(9)

其中，m＝1,2,...,n，λ为波长，θ为发射波束与阵面法线方向的夹角；

mimo雷达天线的发射方向图基于下式获得：

本发明的另一个技术方案在于提供一种一维转动mimo雷达的快速全空域告警方法，适用于上述任意一种一维转动一维mimo雷达系统；

所述快速全空域告警方法，包括以下的快速搜索过程：

通过mimo雷达阵列天线，在第一维度和第二维度产生固定形状的搜索波束，在第二维发射宽度为θe的波束，结合一维机构在第二维度对应方向转动实现空间第二维度的覆盖；在第一维发射波束宽度为θa的宽波束，覆盖空间第一维度；

一维机构在第二维度对应的方向从起始位置-αmax开始搜索，在波束指向的当前位置接收回波；一维机构每隔δθ转动一次，一维机构转动到下一位置，并处理前一位置的回波，检测目标；

如果搜索到达终点位置αmax，则结束搜索，全空域搜索完毕，一维机构停止转动；期间，如果搜索到目标，转入跟踪状态，并结束全空域搜索。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、扫描速度快

与公开号cn102680968a和公开号cn106249230a的专利比较，本发明在方位维度通过mimo雷达发射宽波束覆盖方位向(或俯仰向)，俯仰(或方位)维度通过一维机构扫描覆盖整个空域。因此，本发明在通过mimo雷达天线发射宽波束覆盖空间的一维度，并且扫描整个空域的过程中不需要停一维机构，扫描速度快，扫描方式简单。

2、一维机构设计简单

本发明一维机构组成简单，扫描方式简单，并且在扫描整个空域过程中不需要停止机构，增加了一维机构的使用寿命。

3、mimo雷达天线通用性强

由于mimo雷达天线发射的波束形状可以是全向波束、宽波束和多波束。因此，可以根据实际需求选择一种合适的波形。同时mimo雷达天线发射方向图可控自由度远大于一般的相控阵天线，而且mimo雷达阵列布阵方式多样，因此可以通过设计合适的阵元间距与布阵方式实现全空域。

4、重量轻

由于mimo雷达天线在近距离模式下实现全空域搜索时，可以用很少的阵元即可以实现，同时mimo雷达天线阵元间距可以比一般相控阵天线阵元间距大。因此，与一般相控阵天线相比mimo雷达天线重量要轻。

5、便于实现

一维机构与mimo雷达相结合，其中，一维机构组成简单，便于设计；mimo雷达天线由m×n个阵元组成，阵列之间相互正交，只需要n个接收通道。因此，本发明的一维转动一维mimo雷达系统组成简单，无需额外硬件，便于实现。

6、成本低

一般的mimo雷达实现全空域搜索，至少需要两个mimo雷达天线实现全空域搜索。因此，本发明通过一维机构与mimo雷达相结合成本要低。

附图说明

图1是mimo雷达与一维机构结合示意图；

图2是mimo雷达天线示意图；

图3是mimo雷达天线发射宽波束示意图；

图4是mimo雷达天线接收窄波束示意图；

图5是天线俯仰波束方向图；

图6是天线方位波束方向图；

图7是本发明全空域搜索流程图；

图8是波束扫描方式图。

具体实施方式

本发明提供一维转动一维mimo雷达的快速全空域告警方法及系统，在雷达近距工作模式下，mimo雷达天线发射宽波束，覆盖方位(或俯仰)维度。俯仰(或方位)维度通过一维机构转动，扫描覆盖全空域。这种mimo雷达天线宽波束与一维机构相结合的方法，搜索速度非常快，成本低，搜索方式简单，尤其适合近距快速全空域搜索。

一维转动一维mimo雷达系统主要包含两个部分，一维机构的设计和mimo雷达天线的设计。其中，一维机构的设计，包括机构布局的设计，转动方式的设计，驱动方式的设计和机构参数的设计。mimo雷达天线的设计，包括布阵方式的设计、阵元间距的设计和mimo雷达天线方向图的设计。mimo雷达天线方向图的设计，mimo雷达天线发射宽波束接收窄波束。

下文以方位维度通过mimo雷达天线发射宽波束覆盖整个方位向，俯仰维度通过一维机构扫描覆盖整个空域为例来说明。

如图1所示的一维机构，主要包含机座1、y轴框架6、轴承和驱动组件。轴承是指向机构传动的重要部件，选用真空镀钼角接触球轴承，能够同时承受径向和轴向载荷。

转动方式的设计，是使本发明的一维机构y轴框架在俯仰维度做转动，实现俯仰维度的空域覆盖。驱动方式的设计，是使驱动机构主要由步进电机3、谐波减速器4和旋转变压器5集成在一起，实现一维机构的转动速度与转动角度的控制。

机构参数的设计包括俯仰维搜索范围的设计和搜索角速度的设计。俯仰搜索范围设计为[-amax,αmax]，在综合控制器的控制下，驱动y轴转动。搜索角速度设计为δθ°/s，y轴的转动带动mimo雷达天线2在俯仰维的运动。并送出天线指向角度信息，实时获得天线位置角度信息。

如图2所示，mimo雷达天线为线性布阵，在俯仰方向以每一列m个阵元为一个阵列，阵列数为n，子阵之间没有重叠。各个子阵均发射覆盖相同范围的低增益宽波束。同一子阵内的各个阵元间发射的信号相同，而每个子阵之间发射的信号是相互正交的。因发射波形相互正交，所以各子阵发射波束在空间中不会产生相互干扰。

本发明的mimo天线阵元为收发共用的，阵元间距为d。阵元数目为m×n，俯仰向阵元数目为m，方位向阵元数目为n。

mimo雷达天线方向图的设计是，mimo雷达天线发射宽波束接收窄波束，如图3和图4所示。其中，图3mimo雷达天线发射宽波束示意图，mimo雷达天线在空间发射宽波束覆盖空间的一维度，阵元间距为d，阵元间发射的波形相互正交。图4mimo雷达天线接收窄波束示意图，mimo雷达天线接收窄波束，并通过数字波束形成实现同时多波束，以覆盖发射宽波束所照射的整个区域。

本发明以方位向发射宽波束为例进行mimo雷达天线发射方向图的设计。构建各个子阵的发射正交信号集：

sn＝[sn(1),sn(2),...,sn(m)]^t(11)

其中，n＝1，2，…，n。

构建子阵的加权矢量：

w＝[w1,w2,...,wn]^t(12)

本发明以相位加权方式：

构建发射导向矢量：

a(θ)＝[a1(θ),a2(θ),...,an(θ)]^t(14)

其中，m＝1,2,...,n，λ为波长，θ为发射波束与阵面法线方向的夹角。

天线发射方向图基于下式获得：

如图7所示，本发明的一维转动mimo雷达的快速全空域告警方法，包括以下的快速搜索步骤：

步骤一、如图5和图6所示，在方位维和俯仰维通过mimo雷达阵列天线设计，产生固定形状的搜索波束，在俯仰维发射宽度为θe的波束，在方位维发射波束宽度为θa的宽波束，覆盖空间方位维度。

图5是天线俯仰波束方向图，mimo雷达天线在俯仰维度发射宽度为θe的波束，结合一维机构在俯仰方向转动实现空间俯仰维度的覆盖。图6是天线方位波束方向图，在方位向阵列之间相互正交，在方位维mimo雷达天线发射波束宽度为θa的宽波束。因此，在方位向通过宽波束实现空间方位维度覆盖。

步骤二、一维机构在俯仰方向，机构从搜索起始位置-αmax开始搜索，波束指向位置1，并在位置1处接收回波1。

步骤三、一维机构每隔δθ转动一次，mimo雷达波束扫描示意图如图8所示。一维机构转动到下一位置，即位置2，波束指向位置2，并在位置2处接收回波2。同时信号处理机处理回波1，并检测目标，记录检测结果。此时将回波2送入信号处理机。

根据图8的波束扫描方式图，在方位维度通过mimo雷达天线发射宽波束覆盖整个方位向感兴趣的区域，一维机构在俯仰向从起始位置开始搜索，直到搜索终点位置结束搜索。

步骤四、判断全空域搜索是否结束，如果搜索到终点位置αmax处，则结束搜索，全空域搜索完毕，一维机构停止转动。如果全空域搜索没有结束，则进入下一步。

步骤五、如果位置1没有检测到目标，则返回步骤三，继续进入下一位置搜索；如果位置1搜索到目标，转入跟踪状态，并结束全空域搜索。

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。