一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，包括由若干天線組成的均勻圓陣、天線支撐轉(zhuǎn)盤、匯流環(huán)、電機(jī)、雷達(dá)射頻接收通道；各天線均勻排列在天線支撐轉(zhuǎn)盤上，電機(jī)控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，天線接收到信號經(jīng)匯流環(huán)傳輸?shù)嚼走_(dá)射頻接收通道，通過信號干涉處理技術(shù)將該圓陣等效為一個(gè)位于圓心、具有復(fù)數(shù)方向性響應(yīng)的單鞭天線，同時(shí)通過其機(jī)械旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向圖的方位掃描，提高天線陣列流型矩陣的秩，增加該天線的獨(dú)立觀測矢量，等效于進(jìn)行了方位孔徑合成。本發(fā)明采用電小圓陣，減小了天線陣的占地面積，可提供全方位、無模糊的方位角信息，實(shí)現(xiàn)了HF/VHF/UHF等頻段雷達(dá)探測，尤其在高頻段，其探測性能可與傳統(tǒng)的占地?cái)?shù)十至數(shù)百米陣列的地波雷達(dá)相當(dāng)。
【專利說明】一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，屬雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別 涉及HF/VHF/UHF等頻段雷達(dá)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 高頻超視距雷達(dá)為了獲得足夠的方位分辨率和方向增益，短波段雷達(dá)天線陣動(dòng)輒 數(shù)百米甚至數(shù)千米，這直接影響到設(shè)備的規(guī)模、造價(jià)和安裝成本，不能滿足國家對中、低成 本超視距探測日益增長的需求。各國學(xué)者和工程技術(shù)人員圍繞地波雷達(dá)天線小型化做了很 多工作。小型天線陣雖然有成本低、輕便靈活等優(yōu)勢，但在反演結(jié)果的準(zhǔn)確性存在不足。另 夕卜，天線參數(shù)的設(shè)計(jì)受探測目標(biāo)特性的限制；對于地波雷達(dá)海洋探測，海流信息是從一階譜 中提取的，因?yàn)橥粋€(gè)譜點(diǎn)對應(yīng)的徑向流速是有限的，那么可以用少數(shù)陣元的陣列（如交 叉環(huán)/單極子）提取；而風(fēng)浪等參數(shù)的提取依賴于連續(xù)分布的海面散射源，需要大口徑陣列 才能獲得較高精度的反演結(jié)果。同時(shí)由于小型陣列的方位分辨率低、民用地波雷達(dá)發(fā)射功 率受限以及各種噪聲和干擾（包括海洋回波的干擾）等問題，對目標(biāo)尤其是小目標(biāo)和機(jī)動(dòng) 目標(biāo)的檢測概率、虛警率、定位和跟蹤精度等方面都存在需要克服的一系列問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述問題和高頻探測的特點(diǎn)，本發(fā)明提出一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑 雷達(dá)系統(tǒng)，采用緊湊的小圓陣的形式，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位角與俯仰角的雙角度估計(jì)，可提供全 方位、無模糊的方位角信息。該系統(tǒng)適用于HF/VHF/UHF等頻段雷達(dá)探測，可以適用于如岸 基平臺(tái)、海面浮標(biāo)平臺(tái)、艦船平臺(tái)和一般陸地平臺(tái)等多種平臺(tái)。
[0004] 本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，包括由兩個(gè)以上單極子天線 組成的均勻圓陣、天線支撐轉(zhuǎn)盤、匯流環(huán)、電機(jī)、雷達(dá)射頻接收通道、信號干涉處理模塊。各 單極子天線均勻排列在天線支撐轉(zhuǎn)盤上，電機(jī)控制天線支撐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，天線接收到信號后 經(jīng)匯流環(huán)傳輸?shù)嚼走_(dá)射頻接收通道，通過信號干涉處理模塊將該圓陣等效為一個(gè)位于圓 心、具有復(fù)數(shù)方向性響應(yīng)的單鞭天線，同時(shí)通過其機(jī)械旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向圖的方位掃描，提高天 線陣列流型矩陣的秩，增加該天線的獨(dú)立觀測矢量，等效于進(jìn)行了方位孔徑合成。
[0005] 所述均勻圓陣半徑為雷達(dá)發(fā)射信號波長的1/20?1/2;
[0006] 所述陣列天線的數(shù)目M彡2,通?？蔀?,3,4,6,8等均勻排列在天線支撐轉(zhuǎn)盤上； [0007]所述接收陣列天線可是單鞭天線，也可以是環(huán)天線或者其他類型的天線；
[0008] 所述天線可以是無源天線，也可以是有源天線（需要增加相應(yīng)的供電電路）；
[0009] 所述天線沿通過圓心垂直于轉(zhuǎn)盤的軸旋轉(zhuǎn)，可通過電機(jī)及其控制系統(tǒng)調(diào)整其轉(zhuǎn) 速，轉(zhuǎn)速的確定與雷達(dá)工作波形參數(shù)相關(guān)；
[0010] 所述每根天線接收到的信號均可通過匯流環(huán)獨(dú)立傳送到雷達(dá)接系統(tǒng)；
[0011] 雷達(dá)接收系統(tǒng)為傳統(tǒng)超外差接收結(jié)構(gòu)，可采用一次混頻高中頻采樣結(jié)構(gòu)或射頻直 接采樣結(jié)構(gòu)。
[0012] 所述天線支撐轉(zhuǎn)盤在電機(jī)控制下以固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)合理的波形參數(shù)，即轉(zhuǎn)盤 轉(zhuǎn)動(dòng)的角頻率ω與雷達(dá)工作時(shí)掃頻周期T之間需要滿足關(guān)系：
[0013] CO--，/=h2,3./z MTi
[0014] 每根天線在旋轉(zhuǎn)過程中視為每個(gè)工作周期將轉(zhuǎn)盤所在圓均分為K個(gè)等份（相對于 靜止坐標(biāo)系），每根天線在旋轉(zhuǎn)過程中每個(gè)工作周期均會(huì)經(jīng)過這些等份，得到這K個(gè)位置中 的任一位置的N幀數(shù)據(jù)，N通常取為256、512、1024數(shù)值。
[0015] 對K個(gè)位置接收到的信號分別進(jìn)行距離變換和多普勒變換，對方位相差π的兩個(gè) 位置接收到的多普勒譜數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理，得到干涉相加和干涉相減的兩組干涉信號。
[0016] 所述信號干涉處理模塊將該圓陣等效為一個(gè)位于圓心、具有復(fù)數(shù)方向性響應(yīng)的單 鞭天線，同時(shí)通過其機(jī)械旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向圖的方位掃描，提高天線陣列流型矩陣的秩，增加該 天線的獨(dú)立觀測矢量，等效于進(jìn)行了方位孔徑合成。
[0017] 進(jìn)一步利用天線旋轉(zhuǎn)所引入的相位信息，即天線旋轉(zhuǎn)等效于增加天線陣元，由不 同位置天線轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速引起的多普勒頻移在測向算法中為附加相位，以提高目標(biāo)方位估計(jì) 的分辨率和準(zhǔn)確度。
[0018] 所述天線陣在使用中額外在離圓陣中心整數(shù)倍半徑的距離之外增加一根或多跟 輔助接收天線，以進(jìn)一步提高雷達(dá)的方位角和俯仰角的分辨性能。
[0019] 各天線均勻排列在天線支撐轉(zhuǎn)盤上，電機(jī)控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，天線接收到信號經(jīng)匯流 環(huán)傳輸?shù)嚼走_(dá)射頻接收通道，設(shè)計(jì)合理的波形參數(shù)，每根天線在旋轉(zhuǎn)過程中可視為每個(gè)工 作周期將轉(zhuǎn)盤所在圓均分為K個(gè)等份（相對于靜止坐標(biāo)系），每根天線在旋轉(zhuǎn)過程中每個(gè)工 作周期均會(huì)經(jīng)過這些等份，可得到這K個(gè)位置的任一位置的1024幀數(shù)據(jù)。將每個(gè)位置接收 到的信號進(jìn)行距離變換和多普勒變換，對方位相差η的兩個(gè)位置接收到的多普勒譜數(shù)據(jù) 進(jìn)行干涉處理，得到干涉相加和干涉相減的兩組干涉信號?？蓪⒃搱A陣等效為一個(gè)位于圓 心、具有復(fù)數(shù)方向性響應(yīng)的單鞭天線，同時(shí)通過其機(jī)械旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向圖的方位掃描，提高天 線陣列流型矩陣的秩，增加該天線的獨(dú)立觀測矢量，等效于進(jìn)行了方向孔徑合成。
[0020] 天線陣在使用中可額外在離圓陣中心一定距離之外（如整數(shù)倍半徑的距離之外） 增加一根或多跟輔助接收天線，以進(jìn)一步提高雷達(dá)的方位分辨性能。
[0021] 本發(fā)明采用電小圓陣，減小了天線陣的占地面積，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位角與俯仰角的 雙角度估計(jì)，可提供全方位、無模糊的方位角信息，實(shí)現(xiàn)了HF/VHF/UHF等頻段雷達(dá)探測，尤 其在高頻段，其探測性能可與傳統(tǒng)的占地?cái)?shù)十至數(shù)百米陣列的地波雷達(dá)相當(dāng)，該系統(tǒng)能夠 探測海洋表面動(dòng)力學(xué)參數(shù)和海面上的低速目標(biāo)，也可探測陸地和空中的軟、硬目標(biāo)。該系統(tǒng) 可以適用于如岸基平臺(tái)、海面浮標(biāo)平臺(tái)、艦船平臺(tái)和一般陸地平臺(tái)等多種平臺(tái)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中8元雷達(dá)接收天線陣列示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中增加額外天線的新雷達(dá)接收天線陣列；
[0024] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中8元雷達(dá)接收天線陣列探測目標(biāo)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案。
[0026] 本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，包括由若干天線組成的均勻 圓陣、天線支撐轉(zhuǎn)盤、匯流環(huán)、電機(jī)、雷達(dá)射頻接收通道。
[0027] 各單極子有源天線均勻排列在天線支撐轉(zhuǎn)盤上，電機(jī)控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，天線接收到 信號經(jīng)匯流環(huán)傳輸?shù)嚼走_(dá)射頻接收通道，通過信號干涉處理將該圓陣等效為一個(gè)位于圓 心、具有復(fù)數(shù)方向性響應(yīng)的單鞭天線，同時(shí)通過其機(jī)械旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向圖的方位掃描，提高天 線陣列流型矩陣的秩，增加該天線的獨(dú)立觀測矢量，等效于進(jìn)行了方位孔徑合成。
[0028] 設(shè)共用M個(gè)單極子天線A1、A2. . .AM均勻分布在轉(zhuǎn)盤邊緣的圓周上，其中M為2,3， 4,6,8等，天線可沿通過圓心垂直于圓盤的軸旋轉(zhuǎn)，可通過電機(jī)及其控制機(jī)構(gòu)調(diào)整其轉(zhuǎn)速， 轉(zhuǎn)速的確定與雷達(dá)工作波形參數(shù)相關(guān)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角頻率ω與雷達(dá)工作時(shí)掃頻周期T之間 需要滿足關(guān)系

【權(quán)利要求】
1. 一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于：包括由兩個(gè)以上單極子 天線組成的均勻圓陣、天線支撐轉(zhuǎn)盤、匯流環(huán)、電機(jī)、雷達(dá)射頻接收通道、信號干涉處理模 塊；各單極子天線均勻排列在天線支撐轉(zhuǎn)盤上，電機(jī)控制天線支撐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，天線接收到信 號后經(jīng)匯流環(huán)傳輸?shù)嚼走_(dá)射頻接收通道，通過信號干涉處理模塊將該圓陣等效為一個(gè)位于 圓心、具有復(fù)數(shù)方向性響應(yīng)的單鞭天線，同時(shí)通過其機(jī)械旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向圖的方位掃描，提高 天線陣列流型矩陣的秩，增加該天線的獨(dú)立觀測矢量，等效于進(jìn)行了方位孔徑合成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于： 所述均勻圓陣半徑為雷達(dá)發(fā)射信號波長的1/20?1/2 ; 所述陣列天線的數(shù)目M彡2,包括2, 3,4,6,8個(gè)且均勻排列在天線支撐轉(zhuǎn)盤上； 所述陣列天線為單鞭天線或環(huán)天線； 所述天線為無源天線或者有源天線； 所述天線圍繞天線支撐轉(zhuǎn)盤的中心軸旋轉(zhuǎn)，并通過電機(jī)及其控制系統(tǒng)調(diào)整天線轉(zhuǎn)速， 轉(zhuǎn)速的確定與雷達(dá)工作波形參數(shù)相關(guān)； 所述每根天線接收到的信號均通過匯流環(huán)獨(dú)立傳送到雷達(dá)接收系統(tǒng)； 雷達(dá)接收系統(tǒng)為傳統(tǒng)超外差接收結(jié)構(gòu)，采用一次混頻高中頻采樣結(jié)構(gòu)或射頻直接采樣 結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于： 所述天線支撐轉(zhuǎn)盤在電機(jī)控制下以固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)合理的波形參數(shù)，即轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角 頻率《與雷達(dá)工作時(shí)掃頻周期T之間需要滿足關(guān)系：
每根天線在旋轉(zhuǎn)過程中視為每個(gè)工作周期將轉(zhuǎn)盤所在圓均分為K個(gè)等份，每根天線在 旋轉(zhuǎn)過程中每個(gè)工作周期均會(huì)經(jīng)過這些等份，得到這K個(gè)位置中的任一位置的N幀數(shù)據(jù)，， N通常取為256、512、1024數(shù)值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于： 對K個(gè)位置接收到的信號分別進(jìn)行距離變換和多普勒變換，對方位相差的兩個(gè)位置接收 到的多普勒譜數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理，得到干涉相加和干涉相減的兩組干涉信號。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)， 其特征在于：所述信號干涉處理模塊將該圓陣等效為一個(gè)位于圓心、具有復(fù)數(shù)方向性響應(yīng) 的單鞭天線，同時(shí)通過其機(jī)械旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向圖的方位掃描，提高天線陣列流型矩陣的秩，增 加該天線的獨(dú)立觀測矢量，等效于進(jìn)行了方位孔徑合成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1?4中任意一項(xiàng)所述的一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系 統(tǒng)，其特征在于：進(jìn)一步利用天線旋轉(zhuǎn)所引入的相位信息，即天線旋轉(zhuǎn)等效于增加天線陣 元，由不同位置天線轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速引起的多普勒頻移在測向算法中為附加相位，以提高目標(biāo) 方位估計(jì)的分辨率和準(zhǔn)確度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1?4中任意一項(xiàng)所述的一種基于旋轉(zhuǎn)天線的方位合成孔徑雷達(dá)系 統(tǒng)，其特征在于：所述天線陣在使用中額外在離圓陣中心整數(shù)倍半徑的距離之外增加一根 或多跟輔助接收天線，以進(jìn)一步提高雷達(dá)的方位角和俯仰角的分辨性能。
【文檔編號】G01S7/03GK104316925SQ201410631447
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】吳雄斌, 柳劍飛, 張?zhí)m, 馬克濤, 王立, 李川, 陳驍鋒 申請人:武漢大學(xué)