本發(fā)明涉及雷達掃描技術領域，尤其涉及一種低空慢速小目標探測雷達裝置及其探測方法。

背景技術：

鳥類是航空器飛行安全的天敵之一，自航空器出現(xiàn)以來，鳥擊事件就頻繁發(fā)生，造成的損失令人痛心疾首。目前，國際航空聯(lián)合會已經(jīng)將鳥擊事件列為“A類”航空災難。據(jù)統(tǒng)計，北美地區(qū)鳥類對軍航、民航造成的年損失達數(shù)十億，歐洲飛機起降每萬次平均鳥擊次數(shù)達到5.7次，中國大陸地區(qū)，一年發(fā)生的鳥擊事件就超過500起，造成的直接經(jīng)濟損失超過五千萬人民幣。

另外，近年來小型無人機的快速發(fā)展與其管理的嚴重滯后，讓無人機黑飛成為了航空器飛行安全的又一個威脅。2013年底，一架無人機闖進首都機場空域，導致多個航班延誤。2014年7月，倫敦一架無人機與空客A320擦肩而過，險些釀成航空災難。據(jù)FAA統(tǒng)計，2015年無人機影響飛行的事件超過1000例，是2014年的4倍。

目前，飛鳥、小型無人機等低空慢速小目標目前的探測手段有限，價格昂貴，難以達到快速三維定位、高數(shù)據(jù)率、全天時全天候工作要求。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種低空慢速小目標探測雷達裝置，包括圓柱面相控陣雷達天線、綜合控制器、發(fā)射波形產(chǎn)生單元、若干發(fā)射組件、若干幅度相位加權單元、數(shù)字信號處理單元。

所述綜合控制器、信號產(chǎn)生單元、發(fā)射波形產(chǎn)生單元順次連接，各個發(fā)射組件連接均與發(fā)射波形產(chǎn)生單元連接。

所述綜合控制器用于發(fā)送控制指令到信號產(chǎn)生單元，并設置掃描模式，根據(jù)不同的掃描模式控制各個發(fā)射組件及對應開關、陣元工作，并將數(shù)字信號處理單元形成的目標點航跡報文進行輸出。

所述圓柱面相控陣雷達天線的表面分布有M*L陣元，其中，圓柱面天線有M個列線陣，每個列線陣上有L個陣元；所述M、L為正整數(shù)，每個陣元均具能夠進行電磁波信號的發(fā)送與接收，每個陣元為接收雷達回波的一個通道,，每個列線陣對應一個L通道回波下變頻單元。

所述發(fā)射組件具有N個，所述N為圓柱面相控陣雷達同一時刻工作的列線陣個數(shù)，每個發(fā)射組件具有Q個開關，所述Q=M/N; 每個開關對應連接一個幅度相位加權單元；所述發(fā)射組件用于產(chǎn)生發(fā)射信號，并通過開關的開、合控制，選擇其中一個列線陣工作，通過幅度相位加權單元，控制發(fā)射信號的強弱和相位，通過陣元發(fā)射雷達電磁波信號。

幅度相位加權單元包含一個可調節(jié)衰減器和一個可調節(jié)移相器，用于控制對應列線陣輸出的雷達信號的強弱和相位，形成空間發(fā)射波束，實現(xiàn)不同俯仰角有不同的波束覆蓋。

所述信號產(chǎn)生單元用于根據(jù)綜合控制器的控制指令產(chǎn)生本振信號及參考信號。

所述發(fā)射波形產(chǎn)生單元根據(jù)本振信號及參考信號產(chǎn)生雷達發(fā)射射頻信號，并將發(fā)射信號被均分為N路信號，分別輸入到N個發(fā)射組件。

數(shù)字波束形成單元根據(jù)不同陣元回波數(shù)據(jù)以及陣元的序號，對陣元基帶信號解析對齊，然后進行數(shù)字波束形成，分別合成俯仰方位多波束、和差波束，并將合成的數(shù)字波束輸出到數(shù)字信號處理單元。

數(shù)字信號處理單元用于對合成的數(shù)字波束回波信號進行處理，提取出目標信息，并形成目標點航跡報文，并將報文傳輸給綜合控制器。

進一步的，所述掃描模式包括順序掃描模式、凝視掃描模式；所述順序掃描模式為沿方位波束編號進行順次掃描，所述凝視掃描模式為根據(jù)指定的方位波束編號及掃描時間進行跳躍掃描。

上述低空慢速小目標探測雷達裝置的目標探測過程包括如下步驟：

步驟一：將所述圓柱面相控陣雷達每列陣元稱為一個列線陣，天線列線陣按順序分別編號為1、2、3.....M；按照列線陣順序編號方向，分別將各個方位波束編號為方位波束1、方位波束2........ 方位波束M，各個方向波束對應不同的工作列線陣。

步驟二：將各個發(fā)射組件分別編號為T1、T2、T3....... TN，并將各個發(fā)射組件與其Q個開關、Q個列線陣的編號對應起來。

其中，T1的開關為K_T1-1、K_T1-2、…、K_T1-Q，對應的列線陣編號分別為1、N+1、2N+1、…、(Q-1)N+1；T2的開關為K_T2-1、K_T2-2、…、K_T2-Q，對應的列線陣編號分別為2、N+2、2N+2、…、(Q-1)N+2；…；TN的開關為K_TN-1、K_TN-2、…、K_TN-Q，對應的列線陣編號分別為N、2N、3N、…、QN。

步驟三：確定雷達的工作模式是順序掃描模式還是凝視掃描模式，根據(jù)掃描的方位波位編號，調整各個方位波位對應的掃描順序、掃描駐留時間。

步驟四：按步驟三確定的掃描方式開始掃描。

如需要掃描方位波束1，在方位波束1的掃描持續(xù)時間時，合上的開關為：K_T1-1、K_T2-1、…、K_TN-1，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為1,2,…,N的N個列線陣正常工作，得到方位波束1指向。

如需要掃描方位波束2，在方位波束2的掃描持續(xù)時間時，合上開關K_T2-1、…、K_TN-1、K_T1-2，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為2,3,…,N+1的N個列線陣正常工作，得到方位波束2指向。

如需要掃描方位波束3，在方位波束3的掃描持續(xù)時間時，合上開關K_T3-1…、K_TN-1、K_T1-2、K_T2-2，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為3,4,…,N+2的N個列線陣正常工作，得到方位波束3指向。

如需要掃描方位波束4，在掃描方位波束4的掃描持續(xù)時間時，合上開關K_T4-1…、K_TN-1、K_T1-2、K_T2-2、K_T3-2，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為4,5,…,N+3的N個列線陣正常工作，得到方位波束4指向。

……

如需要掃描方位波束M-1，在掃描方位波束M-1的掃描持續(xù)時間時，合上開關K_T(N-1)-Q、K_TN-Q、K_T1-1、…、K_T(N-2)-1，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為M-1,M,1，…,N-2的N個列線陣正常工作，得到方位波束M-1指向。

如需要掃描方位波束M，在掃描方位波束M的掃描持續(xù)時間時，合上開關K_TN-Q、K_T1-1、K_T2-1、…、K_T(N-1)-1，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為M,1，…,N-1的N個列線陣正常工作，得到方位波束M指向。

進一步的，在步驟四中，每個合上的開關所對應幅度相位加權單元將輸入信號分為L路信號，根據(jù)不同方位指向，俯仰波束威力覆蓋要求，調整每路信號的幅度和相位，使得輸出的波束能夠在俯仰方向形成多個固定波束，以實現(xiàn)不同俯仰角有不同的波束覆蓋。

進一步的，在步驟三中，工作的列線陣向空間輻射出由發(fā)射網(wǎng)絡產(chǎn)生的電磁波信號，當電磁波信號遇到目標時會反射回來，每個陣元單獨接收來自空間的目標回波。

進一步的，還包括步驟五：工作的列線陣接受目標回波，輸入到數(shù)字波束形成單元，數(shù)字波束形成單元根據(jù)不同陣元回波數(shù)據(jù)以及陣元的序號，對陣元基帶信號解析對齊，然后進行數(shù)字波束形成，分別合成俯仰多波束、方位和差波束，并將合成的數(shù)字波束回波信號輸出到數(shù)字信號處理單元。

進一步的，還包括步驟六：數(shù)字信號處理單元對合成的數(shù)字波束回波信號進行處理，從俯仰多波束、方位和波束、差波束中，提取出目標信息。

進一步的，步驟六中，目標信息包括目標的俯仰角、方位角、距離、方位、速度。

進一步的，步驟六中，數(shù)字信號處理單元還對目標點跡、航跡信息進行提取，形成目標的點航跡信息。

進一步的，還包括步驟七：數(shù)字信號處理單元將提取出來的目標信息或目標信息與點航跡信息形成報文，傳輸給綜合控制器，并由綜合控制器將輸出報文。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明采用開關方式實現(xiàn)圓柱面相控陣雷達天線波束方位電掃描，幅度相位加權單元實現(xiàn)雷達波束俯仰多波束覆蓋，多通道回波接收與數(shù)字波束形成得到方位和差波束、俯仰多波束，實現(xiàn)低空慢速小目標三維快速定位。

附圖說明

圖1為低空慢速小目標探測雷達原理框圖。

圖2為低空慢速小目標探測雷達原理框圖。

圖3為圓柱面相控陣雷達天線三維示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明所述低空慢速小目標探測雷達裝置包括圓柱面相控陣雷達天線、綜合控制器、發(fā)射波形產(chǎn)生單元、若干發(fā)射組件、若干幅度相位加權單元、數(shù)字信號處理單元。所述綜合控制器、信號產(chǎn)生單元、發(fā)射波形產(chǎn)生單元順次連接，發(fā)射波形產(chǎn)生單元與各個發(fā)射組件連接。

下面對各個部分的功能進行介紹。

1. 圓柱面相控陣雷達天線

圓柱面相控陣雷達天線外表面分布M*L個陣元。其中，圓形橫截面的圓周分布M個陣元，豎直方向上每個列線陣具有L個陣元；所述M、L為預先規(guī)定的整數(shù)，每個陣元均具能夠進行電磁波信號發(fā)送與接收，每個陣元單獨接收雷達信號，每列線陣對應一個L通道回波下變頻單元。

圖2為圓柱面相控陣雷達天線的三維立體圖，圖中點狀物表示天線陣元，依次分布在圓柱表面上，每一列為一個線陣列。圖3為本雷達天線在XOY面的剖面圖和XOZ面的剖面圖，天線陣元XOY平面的剖面圖為一個圓，列線陣依次編號為1,2,3,…,M-1,M，天線陣元在XOZ面的剖面圖為一列線陣，陣元依次編號為1,2,…,L。所述M、L為預先規(guī)定的整數(shù)，每個陣元均具能夠進行信號發(fā)送與接收，每列陣元對應一個L通道回波下變頻單元。

工作的列線陣處于發(fā)射狀態(tài)時，向空間輻射出由發(fā)射網(wǎng)絡產(chǎn)生的電磁波信號。當信號遇到無人機、飛鳥目標時會反射回電磁波，并且目標會對電磁波回波進行調制。當列線陣處于接收狀態(tài)時，每個陣元單獨接收來自空間的目標回波。

2.發(fā)射組件

所述發(fā)射組件個數(shù)為N，所述N為圓柱面相控陣雷達同一時刻工作的列線陣個數(shù)，每個發(fā)射組件具有Q個開關; 每個開關對應連接一個幅度相位加權單元。

同一時刻天線有N列線陣同時工作，有N*L個陣元同時工作。每個發(fā)射組件對應有Q個開關，所述Q= M/N，各個開關按規(guī)律斷開、合上。

為了方便理解，本發(fā)明對N個發(fā)射組件分別編號為T1、T2、T3....... TN。其中，開關T1對應的開關編號為、K_T1-2、…、K_T1-Q，對應的列線陣編號分別為1、N+1、2N+1、…、(Q-1)N+1；開關T2對應的開關編號為K_T2-1、K_T2-2、…、K_T2-Q，對應的列線陣編號分別為2、N+2、2N+2、…、(Q-1)N+2；…；開關TN對應的開關編號為K_TN-1、K_TN-2、…、K_TN-Q，對[x1] 應的列線陣編號分別為N、2N、3N、…、QN。任何一個發(fā)射組件Tn(n=1,2,…,N)在同一時刻有且只有一個開關合上，其他開關均處于斷開狀態(tài)，合上的開關具有電磁波信號發(fā)射功能。

3.幅度相位加權單元

每一個發(fā)射組件對應Q個開關，每個開關對應一個幅度相位加權單元。幅度相位加權單將開關要輸出的電磁波信號分為L路信號，根據(jù)不同方位指向，俯仰波束威力覆蓋要求，調整每路信號的幅度和相位，使得輸出的波束能夠在俯仰方向形成多個固定波束，以實現(xiàn)不同俯仰角有不同的波束覆蓋。俯仰方向的波束覆蓋中俯仰方向波束的個數(shù)、波束寬度、覆蓋范圍可以設置。

每個陣元對應一個接收變頻單元通道，每個列線陣對應一L個通道回波下變頻單元，整個雷達天線有M個L通道的回波下變頻單元，但是同時工作的L通道回波下變頻單元僅N個。一個發(fā)射組件一個時刻對應只有一個列線陣工作，也只有一個L通道回波下變頻單元工作。L通道回波下變頻單元將線陣各陣元回波信號分別下變頻到基帶，并對回波采樣數(shù)字化處理，將采樣后的數(shù)字回波信號傳輸?shù)綌?shù)字波束形成單元。幅度相位加權單元、列線陣、L通道回波下變頻單元構成了一個子陣。

4. 綜合控制器

所述綜合控制器用于發(fā)送控制指令到信號產(chǎn)生單元，并設置掃描模式，根據(jù)不同的掃描模式控制各個發(fā)射組件及對應開關、陣元工作，且將數(shù)字信號處理單元傳輸過來的報文進行輸出。

掃描模式包括順序掃描模式、凝視掃描模式。

所述依次掃描為沿方位波束編號進行順次掃描，每個方位波束掃描時間相同。

所述跳躍掃描為根據(jù)預先指定的方位波束編號及掃描時間進行掃描，每個方位波束掃描時間不一定相同。不同時刻可以讓波束指向同一個方向，掃描過程中波束指向并不是由波束1、波束2、…、波束M依次連續(xù)掃描，而是可以任意跳躍掃描。

5. 信號產(chǎn)生單元

所述信號產(chǎn)生單元用于根據(jù)綜合控制器的控制指令產(chǎn)生本振信號及參考信號。

6. 發(fā)射波形產(chǎn)生單元

所述發(fā)射波形產(chǎn)生單元用于根據(jù)本振信號及參考信號產(chǎn)生發(fā)射信號，所述發(fā)射信號被均分為N路信號，分別輸入到N個發(fā)射組件。

7. 數(shù)字波束形成單元

數(shù)字波束形成單元用于根據(jù)不同陣元回波數(shù)據(jù)以及陣元的序號，對陣元基帶信號解析對齊，然后進行數(shù)字波束形成，分別合成俯仰多波束、方位和差波束，并將合成的數(shù)字波束輸出到數(shù)字信號處理單元。

8. 數(shù)字信號處理單元

利用數(shù)字信號處理單元，對合成的數(shù)字波束回波信號進行處理，對雜波進行抑制和濾除，從俯仰多波束、方位和波束、差波束中，提取出目標的俯仰角、方位角信息，經(jīng)過相干、非相干處理，提取出飛鳥、無人機慢速小目標的距離、方位和速度信息，實現(xiàn)目標的三維定位和飛行速度精確測量，同時對目標點跡、航跡進行提取，形成目標的點航跡信息。

上述信息均形成報文，傳輸給綜合控制器。

下面對本系統(tǒng)的工作方法進行介紹。

步驟一：將圓柱面相控陣雷達天線沿外表面圓周方向排列的各列陣元按順序分別編號為1、2、3.....M，每列陣元稱為列線陣；按照列線陣順序編號方向，分別將各個方位波束編號為方位波束1、方位波束2........ 方位波束M；

步驟二：將各個發(fā)射組件分別編號為T1、T2、T3....... TN，并將各個發(fā)射組件與其Q個開關、Q個列線陣編號對應起來；

其中，T1的開關K_{T1-1[x2] 、}K_T1-2、…、K_T1-Q，對應的列線陣編號分別為1、N+1、2N+1、…、(Q-1)N+1；T2的開關為、[x3] K_T2-2、…、K_T2-Q，對應的列線陣編號分別為2、N+2、2N+2、…、(Q-1)N+2；…；TN的開關為K_TN-1、K_TN-2、…、K_TN-Q，對應的列線陣編號分別為N、2N、3N、…、QN；

步驟三：確定預先需要掃描的方位波束編號及各個方位波束對應的掃描順序、掃描持續(xù)時間。

步驟四：按步驟三確定的掃描方式開始掃描。

如前所述，順序掃描模式為沿方位波束編號進行順次掃描，每個方位波束掃描時間相同。跳躍掃描模式為根據(jù)并不按照方位波束編號掃描，且每個方位波束掃描時間不一定相同。下面分別對兩種模式的探測方法進行介紹。

依次模式模式：

方位向依次掃描，每個方位駐留時間相等，各發(fā)射組件開關合上與斷開的規(guī)律為：

如圖2所示，將所有開關5按順序排列，用矩陣(1)的方式表達，更容易理解天線掃描與開關斷開與閉合的規(guī)律，矩陣(1)每一行表示每個發(fā)射組件對應的開關編號，同一時刻，每一行有且僅有一個開關被選中。

(1)

掃描時刻1：合上的開關為：、K_T2-1、…、K_{TN-1[x4] ，}其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為1,2,…,N的N個列線陣正常工作，得到方位波束1指向；

掃描時刻2：斷開開關K_T1-1，合上開關K_T2-1、…、K_TN-1、K_T1-2，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為2,3,…,N+1的N個列線陣正常工作，得到方位波束2指向；

掃描時刻3：斷開開關，合上開關K_T3-1…、K_TN-1、K_T1-2、K_T2-2，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為3,4,…,N+2的N個列線陣正常工[x5] 作，得到方位波束3指向；

掃描時刻4:斷開開關KT3-1，合上開關、K_TN-1、K_T1-2、K_{T2-[x6] 2}、K_T3-2，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為4,5,…,N+3的N個列線陣正常工作，得到方位波束4指向；

……

掃描時刻M-1:斷開開關，合上開關K_T(N-1)-Q、K_TN-Q、K_T1-1、…、K_T(N-2)-1，其余開關[x7] 均處于斷開狀態(tài)，編號為M-1,M,1，…,N-2的N個列線陣正常工作，得到方位波束M-1指向；

掃描時刻M:斷開開關K_T(N-1)-Q，合上開關K、K_T1-1、K_T2-1、…、K_T(N-1)-1，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為M,1，…,N-1的N個列線陣正常工作，得到方位波束M指向；[x8]

掃描時刻M+1:斷開開關K_TN-Q，合上開關K_T1-、K_T2-1、…、K[x9] _TN-1，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為1,2,…,N的N個列線陣正常工作，得到方位波束1指向；

不同時刻采用一組開關閉合，得到一個方位上的波束，實現(xiàn)該方位向依次電掃描，以M個方位波束掃描時間為一個雷達方位向掃描周期，實現(xiàn)波束方位依次周期掃描，波束由N個相鄰的列線陣產(chǎn)生。

凝視掃描模式

方位向跳躍掃描，每個方位駐留時間不等，不同時刻可以讓波束指向同一個方向，掃描過程中波束指向并不是由波束1、波束2、…、波束M依次連續(xù)掃描，而是可以任意跳躍掃描。掃描時開關閉合與斷開規(guī)律為：

掃描時刻T:波束指向為第m波束指向(0<m<M+1)，第m指向的波束產(chǎn)生方式與掃描模式時相同，即

方位波束1指向產(chǎn)生：合上的開關、K_T2-1、…、K_TN-1，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為1,2,…,N的N個列線陣正常工作；

方位波束2指向產(chǎn)生：合上開關K_T2-1、…、K_TN-1、K_{T1[x10] -2}，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為2,3,…,N+1的N個列線陣正常工作；

……

方位波束M-1指向產(chǎn)生：合上開關、K_TN-Q、K_T1-1、…、K_T(N-2)-1，其余開關均處于斷開狀態(tài)，編號為M-1,M,1，…,N-2的N個列線陣正常工作；

方位波束M指向產(chǎn)生：合上開關K_TN-Q、K_{T1[x11] -1}、…、K_T(N-1)-1，其余開關均斷開，編號為M,1,…,N-1的N個列線陣正常工作。

凝視模式掃描主要用于對指定空域范圍內(nèi)進行目標搜索，通過增加在每個方位的駐留時間，獲取更多的回波數(shù)量，進而獲得高的積累增益，增加目標的探測精度和對弱小目標的探測概率。每個時刻的掃描波束由N個相鄰列線陣產(chǎn)生。

需要說明的是，凝視掃描模式與順序掃描模式的區(qū)別僅在于掃描的方向波束并不一定是連續(xù)的，且掃描時間不等，但是在每個方向波束上掃描時，發(fā)射組件及其開關的工作模式相同。

在步驟四中，工作的列線陣向空間輻射出由發(fā)射網(wǎng)絡產(chǎn)生的電磁波信號，當電磁波信號遇到目標時會反射回來，每個陣元單獨接收來自空間的目標回波。

在發(fā)射之前，每個合上的開關所對應幅度相位加權網(wǎng)絡將輸入信號分為L路信號，根據(jù)不同方位指向，俯仰波束威力覆蓋要求，調整每路信號的幅度和相位，使得輸出的波束能夠在俯仰方向形成多個固定波束，以實現(xiàn)不同俯仰角有不同的波束覆蓋。

步驟五：工作的列線陣接受目標回波，輸入到數(shù)字波束形成單元，數(shù)字波束形成單元根據(jù)不同陣元回波數(shù)據(jù)以及陣元的序號，對陣元基帶信號解析對齊，然后進行數(shù)字波束形成，分別合成俯仰多波束、方位和差波束，并將合成的波束輸出到數(shù)字信號處理單元。

步驟六：數(shù)字信號處理單元對合成的數(shù)字波束回波信號進行處理，對雜波進行抑制和濾除，從俯仰多波束、方位和波束、差波束中，提取出目標的俯仰角、方位角信息，經(jīng)過相干、非相干處理，提取出飛鳥、無人機慢速小目標的距離、方位和速度信息，實現(xiàn)目標的三維定位和飛行速度精確測量。優(yōu)選的，還同時對目標點跡、航跡信息進行提取，形成目標的點航跡信息。

步驟七：數(shù)字信號處理單元將提取出來的目標的距離、速度、方位角、俯仰角、點航跡信息報文傳輸給綜合控制器，并由綜合控制器將目標報文輸出。