相控陣非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種相控陣非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)，數(shù)字接收機(jī)產(chǎn)生激勵源信號，經(jīng)功分器送入N個收發(fā)開關(guān)進(jìn)行預(yù)放大，然后一定功率量級的每個收發(fā)開關(guān)的輸出經(jīng)功分器再饋往每組N個收發(fā)組件，這樣N個收發(fā)開關(guān)驅(qū)動NxN個收發(fā)組件同時工作，對發(fā)射信號進(jìn)行末級放大，然后NxN個收發(fā)組件將最終的輸出功率饋往NxN個天線子陣，每個天線子陣內(nèi)有天線單元，并經(jīng)功分器驅(qū)動所有的天線單元，天線單元發(fā)射入射波，大氣等離子體產(chǎn)生各向散射，天線單元將感應(yīng)到的回波信號饋往接收通道，通過饋線系統(tǒng)的綜合功能，經(jīng)過收發(fā)組件放大和再次相參合成，最終形成一路回波信號，被依次送入數(shù)字接收機(jī)，信號處理機(jī)進(jìn)行處理；并最終輸出給主控計算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品處理與生成。
【專利說明】相控陣非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種相控陣非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]單個自由電子對電磁波的散射稱為非相干散射,也稱為湯姆孫散射。1958年戈登(W.E.Gordon)指出，電離層中的自由電子對無線電波的散射可以非相干疊加，而用地面大功率雷達(dá)有可能測到散射回波。這僅僅是可能性。同年10月鮑爾斯(K.L.Bowles)測得了電離層的散射回波。從那時起，用大功率雷達(dá)探測電離層的這種方法稱為非相干散射探測。然而，實踐和理論都證實這個名稱并不確切，因為真正的非相干散射要求雷達(dá)工作波長λ遠(yuǎn)小于等離子體德拜長度λΒ，實際探測中是λ大于或遠(yuǎn)大于λΒ。同時，鮑爾斯還發(fā)現(xiàn)接收信號的多普勒頻移遠(yuǎn)小于根據(jù)電子隨機(jī)熱速度推算出來的預(yù)想值，這說明接收到的是等離子體熱隨機(jī)起伏引起的散射而不是自由電子散射。
[0003]在空間等離子體中，電子密度相對較低，所以德拜長度可以達(dá)到宏觀的量級。如電離層的德拜長度為厘米級，磁層和太陽風(fēng)的德拜長度為十米至百米量級。相對于P波段入射電磁波來說，前者已處在瑞利區(qū)的相對強(qiáng)反射區(qū)域，后兩者更是進(jìn)入了米散射區(qū)，所以用P波段探測電離層非相干散射是合適的。
[0004]非相干散射雷達(dá)利用高空大氣中電子和等離子體熱起伏的微弱散射信號，遙測高空大氣的物理參數(shù)。由于這種熱起伏引起的散射信號是非相干的，所以叫做非相干散射雷達(dá)。非相干散射雷達(dá)可以測量60km直至2000km甚至更高范圍內(nèi)的電子密度、離子成分、電子整體漂移速度、背景中性大氣溫度及空間電場等二十多個參量，具有測量高空大氣物理參數(shù)多、精度高、測量高度范圍大、距離分辨率高等突出優(yōu)點(diǎn)，是目前地面探測空間大氣環(huán)境參數(shù)最先進(jìn)的手段。
·[0005]由于非相干散射雷達(dá)造價高昂，例如美國最先進(jìn)的模塊式非相干散射雷達(dá)單臺造價約4000萬美元，建造和維護(hù)起來都很不容易。因此目前全世界只有約十部非相干散射雷達(dá)，他們分別隸屬于美國、歐盟、俄羅斯和日本，在整個東半球目前非常缺乏此類探測設(shè)備。另一個重要的問題是非相干散射雷達(dá)的功率很大(2兆瓦)，運(yùn)行費(fèi)用也相當(dāng)高，例如美國國家基金會支持的非相干散射雷達(dá)，每年每臺雷達(dá)的運(yùn)行費(fèi)約為200萬美元，而每臺雷達(dá)的實際運(yùn)行時間一般每年不超過兩個月，存在設(shè)備龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用也很高的缺陷。但是空間物理的研究需要電離層電場的連續(xù)測量。因此研究需求與非相干散射雷達(dá)建設(shè)運(yùn)行成本之間的矛盾仍是困擾空間大氣環(huán)境科學(xué)發(fā)展亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供了一種相控陣非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)，它具有長時間連續(xù)運(yùn)行探測，建造成本低，運(yùn)行費(fèi)用低，工作模式可選，操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，它包括數(shù)字接收機(jī)、功分器、收發(fā)開關(guān)、收發(fā)組件、天線子陣、天線單元、饋線系統(tǒng)、信號處理機(jī)和主控計算機(jī)，其特征在于數(shù)字接收機(jī)產(chǎn)生激勵源信號，經(jīng)功分器送入N個收發(fā)開關(guān)進(jìn)行預(yù)放大，其中N為正整數(shù)，然后一定功率量級的每個收發(fā)開關(guān)的輸出經(jīng)功分器再饋往每組N個收發(fā)組件，這樣N個收發(fā)開關(guān)驅(qū)動NxN個收發(fā)組件同時工作，對發(fā)射信號進(jìn)行末級放大，然后NxN個收發(fā)組件將最終的輸出功率饋往NxN個天線子陣，每個天線子陣內(nèi)有若干個天線單元，并經(jīng)功分器驅(qū)動所有的天線單元，來自各個天線單元的等幅同相的功率信號最終在空間形成波束，沿著天線陣面的法線方向向天頂傳輸；空間等離子體在入射波的照射下，產(chǎn)生各向散射，其中部分散射能量回到雷達(dá)方向并被雷達(dá)天線所感應(yīng)到，所有天線單元將感應(yīng)到的微弱的回波信號饋往接收通道，通過饋線系統(tǒng)的綜合功能，空間相參的信號得到了累加，回波信號信噪比得到提升，經(jīng)過收發(fā)組件放大和再次相參合成，最終形成一路回波信號，被送入數(shù)字接收機(jī)，數(shù)字接收機(jī)對回波信號直接數(shù)字采樣、數(shù)字下變頻，形成中頻數(shù)字信號送入信號處理機(jī)進(jìn)行處理；信號處理機(jī)完成數(shù)字濾波、低通抽取、脈沖壓縮、脈內(nèi)相干、脈間相干、FFT和譜平均等，并最終輸出結(jié)果給主控計算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品處理與生成。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)效果是:本發(fā)明采用了先進(jìn)的軟件雷達(dá)技術(shù)，相控陣技術(shù)以及模塊化技術(shù)，并且采用小口徑面陣進(jìn)行原理實驗，具有較好的可擴(kuò)展性。它具備測量電離層的電子密度高度分布，三維離子速度，電場和風(fēng)場等關(guān)鍵參量的能力。具備電離層電場連續(xù)測量能力。是既能夠?qū)崿F(xiàn)基本非相干散射探測功能，同時又可擴(kuò)展至全功能探測的雷達(dá)系統(tǒng)。相比現(xiàn)有的非相干散射雷達(dá)，新型相控陣非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)具有長時間連續(xù)運(yùn)行探測，建造成本低，運(yùn)行費(fèi)用低，工作模式可選，操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。它具備測量電離層的電子密度高度分布，三維離子速度，電場和風(fēng)場等關(guān)鍵參量的能力，具備電離層電場連續(xù)測量能力。并且采用小口徑面陣進(jìn)行原理實驗，具有較好的可擴(kuò)展性。這樣既能滿足當(dāng)前研究的需求，同時也可滿足日后擴(kuò)展的需要。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明以64個天線子陣為例的原理方框圖。
[0010]圖2為本發(fā)明天線子陣的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖3為本發(fā)明全陣外觀結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細(xì)闡述；
以64個天線子陣結(jié)構(gòu)為例，并可擴(kuò)展；
雷達(dá)系統(tǒng)原理方框圖如圖1所示，本雷達(dá)由數(shù)字接收機(jī)、功分器、收發(fā)開關(guān)、收發(fā)組件、天線子陣、天線單元、饋線系統(tǒng)、信號處理機(jī)和主控計算機(jī)等組成。天線結(jié)構(gòu)上分成64個子陣，按8X8的方式排列。每個子陣含16個天線單元，按4X4的方式排列，形式參見圖2。因此整個天線共有32行X32列共1024個天線單元。每個天線子陣含4X4共16個相同的天線單元，由一只收發(fā)組件(T/R)驅(qū)動。因此，整個系統(tǒng)一共使用64個收發(fā)組件(T/R)。
[0013]64個收發(fā)組件按行或列分為8組。每組8只經(jīng)過I個功分器進(jìn)行分配或合成，由I個收發(fā)開關(guān)(T/R)驅(qū)動。整個系統(tǒng)一共使用8個收發(fā)開關(guān)。系統(tǒng)采用全數(shù)字接收機(jī)作為收發(fā)核心。數(shù)字接收機(jī)輸出8路激勵驅(qū)動個收發(fā)開關(guān)。從8路收發(fā)開關(guān)回來的信號被送入接收機(jī)進(jìn)行處理。接收機(jī)的數(shù)字中頻輸出送信號處理機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。信號處理控制整個系統(tǒng)的時序。主控計算機(jī)為一臺工業(yè)控制計算機(jī)。完成人機(jī)交互，完成與信號處理的交互并顯示、記錄與回放數(shù)據(jù)與產(chǎn)品。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)外形圖參為圖3。
[0014]本發(fā)明在實際操作中，其工作過程中雷達(dá)系統(tǒng)在500MHz±10MHz內(nèi)選擇固定頻點(diǎn)工作。最多可用6頻點(diǎn)。高度量程范圍60km-1000km，其中:低模式:60km — 160km ;中模式:160km — 700km ;高模式:700km — 1000km ;天線口徑在64子陣情況下為16mX16m，并可擴(kuò)展。天線體制為有源平面陣列天線。天線單元在64子陣情況下微32X32，并可擴(kuò)展；波束寬度在64子陣情況下為1.9±0.1°，可擴(kuò)展；天線增益在64子陣情況下為> 38Db,可擴(kuò)展；發(fā)射機(jī)形式為分布式固態(tài)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)；峰值發(fā)射功率在64子陣情況下為> 96KW，可擴(kuò)展；功率脈沖寬度為4μ S - 5.2mS ;工作比為最大37% ;接收機(jī)形式為數(shù)字接收機(jī)；中頻采樣深度為16位ADC ;中頻采樣速率為80MHz ;脈沖編碼方式為數(shù)字相位編碼。有限重載。
[0015]本發(fā)明研制設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)基本非相干散射探測功能的、同時又能擴(kuò)展至全功能探測的簡單雷達(dá)系統(tǒng)。滿足當(dāng)前課題研究的需求，同時滿足日后擴(kuò)展的需要。因此，將目前研制的系統(tǒng)定義為小面陣系統(tǒng)。未來可以將其擴(kuò)展到8倍，16倍甚至更大的全陣。小面陣所有的部分均可用，不會浪費(fèi)。
[0016]基于以上的原則，在設(shè)計時從研制成本出發(fā)盡量簡化設(shè)計，力爭實現(xiàn)基本的探測功能，同時考慮未來的兼容性。設(shè)計和實施中有如下考慮:
a)每個天線單元具有2個極化方向，目前僅使用其中一個，另一個預(yù)留擴(kuò)展。因此雷達(dá)僅進(jìn)行單個線極化測試； b)首先實現(xiàn)沿天線法線方向的探測，未來擴(kuò)展至掃描功能。因此目前首批安裝的收發(fā)組件將不含移相器模塊；
c)多通道功能在單部數(shù)字接收機(jī)中實現(xiàn)，方式為脈間處理。未來可擴(kuò)展至多通道并行處理能力；
d)現(xiàn)階段小面陣天線口徑大小按照研制成本設(shè)計；
e)小角度的俯仰掃描可通過手動機(jī)械方式實現(xiàn)；
f)工藝滿足長期使用要求；
g)雷達(dá)模塊化設(shè)計，可搬移和運(yùn)輸，于不同地點(diǎn)重新安裝。
[0017]所述的相控陣非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)擬用表1所示的信號模式工作。這些參數(shù)可根據(jù)最終需求更改。
[0018]表1信號模式
【權(quán)利要求】
1.一種相控陣非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)，它包括數(shù)字接收機(jī)、功分器、收發(fā)開關(guān)、收發(fā)組件、天線子陣、天線單元、饋線系統(tǒng)、信號處理機(jī)和主控計算機(jī)，其特征在于數(shù)字接收機(jī)產(chǎn)生激勵源信號，經(jīng)功分器送入N個收發(fā)開關(guān)進(jìn)行預(yù)放大，其中N為正整數(shù)，然后一定功率量級的每個收發(fā)開關(guān)的輸出經(jīng)功分器再饋往每組N個收發(fā)組件，這樣N個收發(fā)開關(guān)驅(qū)動NxN個收發(fā)組件同時工作，對發(fā)射信號進(jìn)行末級放大，然后NxN個收發(fā)組件將最終的輸出功率饋往NxN個天線子陣，每個天線子陣內(nèi)有若干個天線單元，并經(jīng)功分器驅(qū)動所有的天線單元，來自各個天線單元的等幅同相的功率信號最終在空間形成波束，沿著天線陣面的法線方向向天頂傳輸；空間等離子體在入射波的照射下，產(chǎn)生各向散射，其中部分散射能量回到雷達(dá)方向并被雷達(dá)天線所感應(yīng)到，所有天線單元將感應(yīng)到的微弱的回波信號饋往接收通道，通過饋線系統(tǒng)的綜合功能，空間相參的信號得到了累加，回波信號信噪比得到提升，經(jīng)過收發(fā)組件放大和再次相參合成，最終形成一路回波信號，被送入數(shù)字接收機(jī)，數(shù)字接收機(jī)對回波信號直接數(shù)字采樣、數(shù)字下變頻，形成中頻數(shù)字信號送入信號處理機(jī)進(jìn)行處理；信號處理機(jī)完成數(shù)字濾波、低通抽取、脈沖壓縮、脈內(nèi)相干、脈間相干、FFT和譜平均，并最終輸出結(jié)果給主控計算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品處理與生成。
【文檔編號】G01S13/88GK103592646SQ201310533425
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】姚明, 鄧曉華, 白波, 張梁民, 武文俊, 李忱, 姚琪, 顏紅 申請人:南昌大學(xué)