基于数字天线阵列的高灵敏度多功能非相干散射雷达系统的制作方法

本发明涉及雷达技术领域，尤其是涉及一种基于数字天线阵列的高灵敏度多功能非相干散射雷达系统。

背景技术：

雷达(radar)是利用电磁波探测目标的电子设备。非相干散射雷达通过发射高功率电磁波，接收电离层中自由电子的汤姆逊散射信号来获取电离层参数。传统的非相干散射雷达的天线阵列一般采用集中发射、机械扫描方式，扫描速度较慢，且系统的可靠性较差，难以满足电离层参数长时间连续探测的需要。目前世界上相控阵非相干散射雷达的发展趋势是采用分布式发射的电扫描相控阵体制，雷达波束转换速度快，系统可靠性高，能长时间持续运行。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于数字天线阵列的高灵敏度多功能非相干散射雷达系统，以降低噪声，提高雷达系统的可靠性。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于数字天线阵列的高灵敏度多功能非相干散射雷达系统，包括天线阵列及后端处理控制器；后端处理控制器用于根据预设的发射参数，生成发射指令；天线阵列用于根据发射指令生成发射信号，并发射发射信号；天线阵列还用于接收空间电磁波信号，并对空间电磁波信号进行第一信号处理；后端处理控制器还用于根据预设的工作模式，对经过信号处理的空间电磁波信号进行第二信号处理；工作模式包括空间目标跟踪模式或电离层探测模式。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述天线阵列包括多个子阵；子阵包括设定数量的t\r组件、天线单元及电源模块；一个天线单元与一个t\r组件连接；电源模块与t\r组件连接；t\r组件用于对根据雷达系统的后端处理控制器发送的发射指令产生发射信号，并对发射信号进行发射预处理；天线单元用于发射经过处理的发射信号，还用于接收空间电磁波信号；t\r组件还用于对空间电磁波信号进行接收预处理，将处理后的空间电磁波信号发送至后端处理控制器；电源模块用于为子阵供电。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述t\r组件包括发射通道及接收通道；发射通道包括依次连接的波形产生电路、第一放大滤波电路、上变频电路、第二放大滤波电路及环形器；波形产生电路用于根据雷达系统的后端处理控制器发送的发射指令产生发射信号，第一放大滤波电路用于对发射信号的功率进行放大及滤波处理；上变频电路用于对发射信号进行第一变频处理；第二放大滤波电路用于对变频处理后的发射信号进行放大及滤波处理；环形器用于控制发射信号进行单向传输；接收通道包括依次连接的限幅器、第三放大滤波电路、下变频电路、第四放大滤波电路及数据量化模块；限幅器用于将空间电磁波信号的幅度控制在设定范围内；第三放大滤波电路用于对空间电磁波信号的功率进行放大及滤波处理；下变频电路用于对发射信号进行第二变频处理；第四放大滤波电路用于对变频处理后的空间电磁波信号进行放大及滤波处理；数据量化模块用于对处理后的空间电磁波信号进行量化处理。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述t\r组件还包括极化器；极化器分别与发射通道、接收通道及天线单元连接；极化器用于根据预设的极化方向对发射信号或空间电磁波信号进行极化。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，天线阵列还包括电源电缆，t\r组件通过电源电缆与电源模块连接。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述后端处理控制器包括包括数字波束形成单元、信号处理单元和数据处理与显控单元；数字波束形成单元分别与t\r组件的接收通道及信号处理单元连接；数字波束形成单元用于根据雷达系统的指令形成指定指向波束；数字波束形成单元与t\r组件的接收通道通过光纤连接；信号处理单元设置于数字波束形成单元与数据处理与显控单元之间；信号处理单元用于根据预设的工作模式对指定指向波束进行第三信号处理；数据处理与显控单元用于根据预设的工作模式对信号处理单元的输出信号进行第四信号处理；数据处理与显控单元还用于接收用户输入的工作参数，并显示雷达系统的工作参数，工作参数包括工作波形、探测空域和工作频率的一种或多种。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，当预设的工作模式为空间目标跟踪模式时，信号处理单元对于预设的空间硬目标信号进行脉压及目标检测；数据处理与显控单元用于对预设的目标位置信息进行读取、跟踪滤波及显示；当预设的工作模式为电离层探测模式时，信号处理单元用于对预设的高度层电离层信号进行自相关函数计算，去模糊和功率谱计算；数据处理与显控单元用于对预设的电离层信息进行提取和显示。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述系统还包括频综组件；频综组件设置于天线阵列及后端处理控制器之间；频综组件用于对天线阵列的特性进行监测；特性包括发射通道特性、接收通道特性及发射功率中的一种或多种；上述频综组件还用于产生本振信号；上变频电路根据本振信号对发射信号进行第一变频处理；下变频电路根据本振信号对发射信号进行第二变频处理。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，上述系统还包括时钟定时模块；时钟定时模块用于为天线阵列及后端处理控制器提供同步时钟信号。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于数字天线阵列的高灵敏度雷达信号发射方法，该方法应用于上述系统，包括：后端处理控制器根据预设的发射参数，生成发射指令；天线阵列根据发射指令生成发射信号，并发射发射信号。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供了一种基于数字天线阵列的高灵敏度多功能非相干散射雷达系统及信号发射方法；后端处理控制器根据预设的发射参数，生成发射指令；天线阵列根据发射指令生成发射信号，并发射发射信号；天线阵列接收空间电磁波信号，并对空间电磁波信号进行第一信号处理；后端处理控制器根据预设的工作模式，对经过信号处理的空间电磁波信号进行第二信号处理。该方式在雷达探测的过程中噪声较低，灵敏度较高。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种雷达系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种天线阵列的子阵的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的天线阵列与后端处理单元的关系示意图；

图4为本发明实施例提供的基于全数字阵列的有源相控阵非相干散射雷达系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种天线阵列的阵面的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的t\r组件与天线连接的信号流向图；

图7为本发明实施例提供的一种基于数字天线阵列的高灵敏度雷达信号发射方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

非相干散射雷达通过发射高功率电磁波，从电离层微弱的散射信号中获取电离层多参量信息。非相干散射雷达能高精度地直接探测几乎整个电离层高度上的等离子体中的电子密度、温度、成分、漂移速度(电场)，还能间接探测中性背景大气的温度、风场及内磁层的不均匀体。非相干散射雷达具有测量参数多、探测高度范围大等突出优点，是目前地面探测电离层的最强大工具，研究大气层-电离层-磁层系统能量和质量输运以及太阳风-磁层相互作用效应的有力手段。

为了探测微弱的电离层散射信号，提高信号噪声比，非相干散射雷达既要具有大发射功率和高增益，以提高回波信号强度，同时又要降低系统噪声温度，以降低接收噪声。

传统的抛物面式的非相干散射雷达可以满足高功率和低噪声温度的要求，其缺陷是难以满足电离层大空域快速探测的需要。此外，传统的抛物面雷达采用集中发射接收方式，系统可靠性较低，难以满足长时间连续探测的需要。

基于此，本发明实施例提供了一种天线阵列及雷达系统，可以应用于相控阵雷达领域。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种天线阵列进行详细介绍。

参见图1所示的一种基于数字天线阵列的高灵敏度多功能非相干散射雷达系统的结构示意图；该系统包括天线阵列10及后端处理控制器20；后端处理控制器20用于根据预设的发射参数，生成发射指令；天线阵列10用于根据发射指令生成发射信号，并发射发射信号；天线阵列10还用于接收空间电磁波信号，并对空间电磁波信号进行第一信号处理；后端处理控制器20还用于根据预设的工作模式，对经过信号处理的空间电磁波信号进行第二信号处理；工作模式包括空间目标跟踪模式或电离层探测模式。

上述天线阵列包括多个子阵；该子阵包括设定数量的t\r(transmitterandreceiver，发送器与接收器)组件10、天线单元11及电源模块12，以包含四个t\r组件(第一t\r组件10a，第二t\r组件10b，第三t\r组件10c及第四t\r组件10d)及四个天线单元(第一天线单元11a，第二天线单元11b，第三天线单元11c及第四天线单元11d)的子阵为例，其结构示意图如图2所示。在一个子阵中，一个天线单元与一个t\r组件连接；电源模块与t\r组件连接；t\r组件用于对雷达系统的后端处理控制器发送的发射信号进行第一信号处理；天线单元用于发射经过处理的发射信号，还用于接收空间电磁波信号；t\r组件还用于对空间电磁波信号进行第二信号处理，将处理后的空间电磁波信号发送至后端处理控制器；电源模块用于为该子阵供电。

上述天线单元可以为通常所说的天线；天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换；一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。上述天线单元即为具有可逆性的天线，可以将发射信号转化为电磁波进行发送；也可以接收空间电磁波信号，将其转化可以处理的电信号。

具体地，t\r(发射\接收单元)组件的发射通道包括依次连接的波形产生电路、第一放大滤波电路、上变频电路、第二放大滤波电路及环形器；波形产生电路用于根据雷达系统的后端处理控制器发送的发射指令产生发射信号，第一放大滤波电路用于对发射信号的功率进行放大及滤波处理；上变频电路用于对发射信号进行第一变频处理；第二放大滤波电路用于对变频处理后的发射信号进行放大及滤波处理；第一环形器用于控制发射信号进行单向传输。

t\r组件的接收通道包括依次连接的限幅器、第三放大滤波电路、下变频电路、第四放大滤波电路及数据量化模块；限幅器用于将空间电磁波信号的幅度控制在设定范围内；第三放大滤波电路用于对空间电磁波信号的功率进行放大及滤波处理；下变频电路用于对发射信号进行第二变频处理；第四放大滤波电路用于对变频处理后的空间电磁波信号进行放大及滤波处理；数据量化模块用于对处理后的所述空间电磁波信号进行量化处理。具体地，极化器可以控制天线发射信号的极化方向的装置，选择与预设的极化方向一致的极化型式，并抑制其它型式的极化波，以获得极化匹配，实现最佳接收。

上述天线阵列还包括电源电缆，t\r组件通过电源电缆电源模块连接。上述电源单元可以为与t\r组件数量相同的多个电源，也可以为一个电源，同时为子阵中的各个t\r组件供电；进一步地，对应于t\r组件的两个通道，上述电源单元还可以包括发射电源及接收电源；发射电源与t\r组件的发射通道连接，用于为发射通道供电；接收电源与t\r组件的接收通道连接，用于为接收通道供电。

上述后端处理控制器包括数字波束形成单元、信号处理单元和数据处理与显控单元；数字波束形成单元分别与t\r组件的接收通道及信号处理单元连接；数字波束形成单元用于根据雷达系统的指令形成指定指向波束；数字波束形成单元与t\r组件的接收通道通过光纤连接；信号处理单元设置于数字波束形成单元与数据处理与显控单元之间；信号处理单元用于根据预设的工作模式对指定指向波束进行第三信号处理；工作模式包括空间目标跟综模式及电离层探测模式；数据处理与显控单元用于根据预设的工作模式对信号处理单元的输出信号进行第四信号处理；数据处理与显控单元还用于接收用户输入的工作参数，并显示雷达系统的工作参数，工作参数包括工作波形、探测空域和工作频率的一种或多种。

当预设的工作模式为空间目标跟综模式时，信号处理单元对于预设的空间硬目标信号进行脉压及目标检测；数据处理与显控单元用于对预设的目标位置信息进行读取、跟综滤波及显示；当预设的工作模式为电离层探测模式时，信号处理单元用于对预设的高度层电离层信号进行自相关函数计算，去模糊和功率谱计算；数据处理与显控单元用于对预设的电离层信息进行提取和显示。

上述系统还包括频综组件；频综组件设置于天线阵列及后端处理控制器之间，可以辅助雷达系统形成监校网络及本振网络；在实现监校网络的过程中，频综组件用于对天线阵列的特性进行监测；特性包括发射通道特性、接收通道特性及发射功率中的一种或多种；监校网络完成各通道幅度相位差异测量，配合其他分系统完成通道幅度相位差异性补偿和校正，监校网络还能配合完成系统波瓣特性测量和系统发射功率实时监测等功能。

在实现本振网络的过程中，上述频综组件还用于产生本振信号；上变频电路根据本振信号对发射信号进行第一变频处理；下变频电路根据本振信号对发射信号进行第二变频处理。本振网络为全机提供统一的本振信号，为各发射接收单元实现上下变频的功能，该功能确保系统为相参雷达系统。

此外，上述系统还包括时钟定时模块；时钟定时模块用于为天线阵列及后端处理控制器提供同步时钟信号，形成时钟网络。时钟网络为各分系统设备提供同步时钟信号，确保各设备工作节拍的同步性。

本发明实施例提供了一种基于数字天线阵列的高灵敏度多功能非相干散射雷达系统；后端处理控制器用于根据预设的发射参数，生成发射指令；天线阵列用于根据发射指令生成发射信号，并发射发射信号；天线阵列还用于接收空间电磁波信号，并对空间电磁波信号进行第一信号处理；后端处理控制器还用于根据预设的工作模式，对经过信号处理的空间电磁波信号进行第二信号处理；工作模式包括空间目标跟踪模式或电离层探测模式。该方式在雷达探测的过程中噪声较低，灵敏度较高。

本发明实施例还提供了另一种雷达系统，该系统在图1所示的系统基础上实现；该系统包括天线阵列、后端处理控制器，天线阵列与后端处理单元(相当于后端处理控制器)的关系示意图如图3所示；其中后端处理单元还包括数字波束形成单元21及信号处理单元22，数据处理与显控单元23；其中，数字波束形成单元分别与t\r组件的接收通道及信号处理单元连接；信号处理单元设置于数值波束形成单元和数据处理与显控单元之间；其中，该显示终端与后端处理控制器连接；该数字波束形成模块分别与t\r组件的接收通道及后端处理控制器连接；信号处理模块设置于数值波束形成模块与后端处理控制器之间。

上述数字波束形成单元用于根据雷达控制单元的指令形成指定指向波束；数字波束接收天线阵列全部或部分的通道回波数据(即经过t\r组件处理后的空间电磁波信号)，按系统指令形成几路工作波束(每个波束可以含有三个工作频点)，该波束的指向按控制指令指向指定角度。同时，该单元在标定测试工作状态下，具备阵面接收监测、通道幅相误差校准计算、数据传输功能，辅助完成接收波瓣测试、定向灵敏度标定等项目波束形成与数据处理。上述数字波束形成单元与t\r组件的接收通道通过光纤连接；

上述系统还包括信号处理单元；信号处理单元接收数字波束形成单元发送的指定指向波束，对该波束进行去模糊处理、功率谱计算及多波束原始信号相关计算。

此外，为了对上述雷达系统的性能进行监测，上述系统还可以包括监测网络；监测网络设置于天线阵列及后端处理控制器之间；监测网络用于对天线阵列的特性进行监测；该特性包括发射通道特性、接收通道特性及发射功率中的一种或多种。

本发明实施例采用分布式收发组件，提高了雷达的工作可靠性；采用发射和接收均数字化组件，电扫描波束灵活可变，能实现同时发射、接收多波束；扫描速度快，可实现多种工作模式工作，时空分辨率高。

本发明实施例还提供了一种基于全数字阵列的有源相控阵非相干散射雷达系统，其结构示意图如图4所示，该系统包括用于发射和接收空间电磁波的天线阵列；用于生成和放大发射信号并对回波信号进行接收的全数字t\r组件；用于形成接收波束的数字多波束形成系统；完成多波束原始信号相关、去模糊和功率谱计算的信号处理系统；完成人机交互功能的雷达控制和数据显示终端以及具有系统通道特性监测和发射功率监测功能的监测分系统。

上述全数字t\r组件与天线单元直连，减少发射和接收损耗；且每个天线单元对应一个t/r组件。在具体实施过程中，上述天线阵列可以由128个子阵构成，其结构示意图如图5所示；整个天线阵面包含的子阵数量还可根据需要调整。每个子阵由8x4＝32个天线单元、32个的t\r(transmitterandreceiver)组件、电源单元和功分器等组成。1个天线单元与1个t\r组件连接，整个天线阵面有4096个天线单元和4096个t\r组件，每个t/r组件发射峰值功率0.5kw，整个大阵发射峰值功率约2mw。

t\r组件与天线连接的信号流向图如图6所示，接收到的空间电磁波通过极化器及环形器进入接收通道，依次经过隔离限幅低噪放大器、第二滤波器、下变频(本频为500mhz)、第二放大滤波电路处理后，进入数字接收机(中频60mhz)；在发射雷达信号时，经由发射通道的波形产生电路(中频60mhz)、第一放大滤波电路、上变频(本频为500mhz)、第一滤波器、功率放大器处理后，再经过环形器处理，由天线将雷达信号发射出去(信号440mhz)；同时，监测网络对接收及发射的信号参数进行检测。

天线单元采用正交偶极子天线，发射右旋圆极化波，接收左旋圆极化波，减少极化损失。发射中心频率440mhz。发射时天线单元用于向空间辐射电磁波信号，接收时用于接收从目标返回的空间电磁波信号，完成空间传播电磁波和导行电磁波的转换。

发射时，t\r组件通过光纤接收雷达控制指令，完成中心频点为60mhz的激励信号，激励信号与500±10mhz本振信号混频，得到440±10mhz的发射信号，经过滤波和放大等处理，通过极化耦合器输送给天线单元。接收时，t\r组件接收从天线单元送回的电磁波信号，通过放大、滤波和下混频、采样量化等处理，通过光纤将接收的数字信号传输给后端处理设备中的数字波束形成单元。

上述数字波束形成系统，可同时形成多波束，对电离层目标进行多维快速精细观测。

上述监测分系统完成各通道特性测量、发射功率实时监测等功能，由耦合器、监测主网络和频综组件组成。

该系统采用分布式发射、空间功率合成方式，具有波束扫描速度快、稳定可靠的特点。因此有源相控阵体制非相干散射雷达对小尺度、快速变化的电离层空间非相干散射研究有重要意义。

对应于上述实施例，本发明实施例还提供了一种基于数字天线阵列的高灵敏度雷达信号发射方法，其流程图如图7所示；该方法应用于上述系统，包括以下步骤：

步骤s100，后端处理控制器根据预设的发射参数，生成发射指令。

步骤s102，天线阵列根据发射指令生成发射信号，并发射发射信号。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和/或装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。