技术领域
[0001] 本
发明涉及一种雷达系统，具体涉及一种三坐标低空小目标雷达。
背景技术
[0002]
相控阵雷达即
相位控制
电子扫描阵列雷达，利用大量个别控制的小型天线元件排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的
开关控制，基于惠更斯原理通过控制各天线元件发射的时间差，就能合成不同相位(指向)的主波束，而且在两个轴向上均可进行相位变化；与托
马斯·杨的双缝实验相似，相控阵各
移相器发射的
电磁波以建设性干涉原理强化并合成一个接近笔直的雷达主波瓣，而旁瓣则由于干涉相消而大幅减低。
[0003] 普通雷达的波束扫描是靠雷达天线的转动而实现机械扫描，这种方式波束指向不灵活，无法精确监视低空区域内高度低、速度慢、体积小的目标。
发明内容
[0004] 本发明为了克服上述
现有技术的不足，提供了一种具备高数据率，能够精确监视低空区域内高度低、速度慢、体积小目标的三坐标雷达。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术措施：
[0006] 一种三坐标低空小目标雷达包括天馈分系统、接收分系统、
信号处理分系统、波束控制分系统、转台伺服分系统、终端分系统以及电源分系统，其中，
[0007] 天馈分系统，用于接收目标回波信号以及所述波束控制分系统输出的
控制信号；所述天馈分系统与接收分系统之间双向通信连接；
[0008] 接收分系统，用于输出两路中频回波信号至
信号处理分系统的信号输入端；
[0009] 信号处理分系统，用于对两路中频回波信号进行信号处理后送入网络交换机的信号输入端；
[0010] 波束控制分系统，分别与电源分系统、网络交换机之间双向通信连接；
[0011] 转台伺服分系统，与网络交换机之间双向通信连接，市电通过转台伺服分系统连接电源分系统的信号输入端；
[0012] 终端分系统，与网络交换机之间双向通信连接，所述网络交换机的信号输入端连接北斗和/或GPS系统；
[0013] 电源分系统，用于为本雷达供电。
[0014] 优选的，所述天馈分系统包括八个四通道T/R模
块、和差波束网络以及
波导校正网络，其中，每一个所述四通道T/R模块分别连接四根波导
辐射线源，其中，[0015] 波导辐射线源，用于接收回波信号以及来自四通道T/R模块的
射频信号，在天线方位
角机械扫描的每一个脉冲周期内，32根波导辐射线源依次发射出相对于雷达天线法线方向，
俯仰角为-15°～﹢15°的8束电扫描雷达波信号；
[0016] 四通道T/R模块，用于接收分别来自和差波束网络、波束控制分系统的射频信号、控制信号，四通道T/R模块与和差波束网络之间双向通信连接；
[0017] 和差波束网络，其包括1比8功分器，和差波束网络用于接收来自接收分系统的射频信号、测试信号，输出和回波信号和差回波信号至接收分系统的信号输入端；
[0018] 波导校正网络，其与四通道T/R模块相连，波导校正网络通过第二环形器与接收分系统之间相连。
[0019] 优选的，所述接收分系统包括收发通道模块、第一开关、第二开关、第三开关、功率放大模块、
波形产生模块以及
频率源产生模块，所述频率源产生模块用于产生收发通道模块所需的
本振信号以及波形产生模块、信号处理分系统所需的
时钟信号，所述波形产生模块产生70MHz的中频发射信号至收发通道模块的信号输入端，所述第二开关的一个不动端连接第二环形器的一个输入端，所述第二环形器的另一个输入端连接波导校正网络的信号输出端，第二环形器的输出端连接第三开关的一个不动端，第二开关的另一个不动端连接和差波束网络的信号输入端，第二开关的动端连接第一开关的一个不动端，第一开关的动端连接收发通道模块的信号输出端，第一开关的另一个不动端连接功率放大模块的信号输入端，所述功率放大模块的信号输出端连接第一环形器的一个输入端，第一环形器的另一端与和差波束网络之间双向通信连接，第一环形器的输出端连接第三开关的另一个不动端，第三开关的动端连接收发通道模块的信号输入端，收发通道模块的信号输出端分别输出两路中频信号至信号处理分系统的信号输入端。
[0020] 优选的，所述信号处理分系统包括FPGA芯片，所述FPGA芯片用于对来自收发通道模块的两路中频信号分别进行
脉冲压缩处理、FIR滤波处理、恒虚警处理、滑窗检测处理，并将处理后的两路中频信号进行数据打包通过网络发送至终端计算机。
[0021] 进一步的，所述转台伺服分系统包括
电机、
驱动器、
编码器以及PLC
控制器，所述PLC控制器的信号输出端连接驱动器的信号输入端，所述编码器的信号输出端连接PLC控制器的信号输入端，所述驱动器与电机之间双向通信连接，PLC控制器与网络交换机之间双向通信连接。
[0022] 进一步的，所述电机采用西
门子公司生产的SIMOTICS GP 1LE0001系列的三相异步
电动机。
[0023] 进一步的，所述雷达天线法线方向与
水平面的预仰角为15°。
[0024] 更进一步的，8束所述电扫描雷达波信号的波位分布分别为：第一波位的中心仰角为1.6°，波束宽度为2.67°，增益为38.38dB；第二波位的中心仰角为2.8°，波束宽度为2.66°，增益为38.40dB；第三波位的中心仰角为4.3°，波束宽度为2.65°，增益为38.42dB；第四波位的中心仰角为6.3°，波束宽度为3.95°，增益为36.69dB；第五波位的中心仰角为9°，波束宽度为3.92°，增益为36.72dB；第六波位的中心仰角为11.5°，波束宽度为6.51°，增益为34.51dB；第七波位的中心仰角为16°，波束宽度为7.80°，增益为33.73dB；第八波位的中心仰角为22°，波束宽度为15.72°，增益为30.69dB。
[0025] 更进一步的，所述和差波束网络输出的和回波信号的射频频率
覆盖9370MHz～9770MHz频段，共11个工作频率点，步进为40MHz；差回波信号的射频频率覆盖9370MHz～
9770MHz频段，共11个工作频率点，步进为40MHz。
[0026] 更进一步的，所述FPGA芯片的型号为美国Altera公司生产的EP4SE360F35I3芯片。
[0027] 本发明的有益效果在于：
[0028] 1)、本发明包括天馈分系统、接收分系统、信号处理分系统、波束控制分系统、转台伺服分系统、终端分系统以及电源分系统，四通道T/R模块采用分布式T/R组件，该组件采用高度集成化设计，具有重量轻、体积小、一致性好、技术指标优良等优点，本发明能够实现搜索、
跟踪中心半径为45km范围内的低空
空域内的小型飞机、滑翔伞、无人机等空
气动力目标，精确监视低空区域内的高度低、速度慢、体积小目标，显示、输出飞行目标的距离、方位、速度和高度信息，形成低空目标的三坐标运动态势。
[0029] 2)、本三坐标雷达具备自动校正功能；双北斗/GPS模块安装在天线阵面上，完成雷达系统的
定位、定北以及授时功能；转台伺服分系统以PLC控制器作为主控制单元，采用数字编码器作为天线角度监测元件，整个转台伺服分系统具有控制灵活、体积小、重量轻、可靠性高和电机免维护等特点。
[0030] 3)、本雷达设计11个工作频率点，在9370MHz～9770MHz频段，步进为40MHz，抗干扰能力强。
附图说明
[0032] 图2为本发明的目标在6rpm模式，RCS＝2m2时的威力覆盖图；
[0033] 图3为本发明的目标在6rpm模式，RCS＝0.2m2时的威力覆盖图；
[0034] 图4为本发明的目标在12rpm模式，RCS＝2m2时的威力覆盖图；
[0035] 图5为本发明的目标在12rpm模式，RCS＝0.2m2时的威力覆盖图；
[0036] 图6为本发明的目标在24rpm模式，RCS＝2m2时的威力覆盖图；
[0037] 图7为本发明的目标在24rpm模式，RCS＝0.2m2时的威力覆盖图；
[0038] 图8为本发明对通航飞机目标的监视画面；
[0039] 图9为本发明对无人机目标的监视画面。
[0040] 图中的附图标记含义如下：
[0041] 10—天馈分系统 11—四通道T/R模块 12—和差波束网络[0042] 13—第一环形器 14—第二环形器 20—接收分系统
[0043] 21—收发通道模块 22—第一开关 23—第二开关
[0044] 24—第三开关 25—功率放大模块 26—波形产生模块[0045] 27—频率源产生模块 30—信号处理分系统 40—波束控制分系统[0046] 50—转台伺服分系统 51—电机 52—驱动器
[0047] 53—编码器 54—PLC控制器 60—终端分系统
[0048] 70—电源分系统
具体实施方式
[0049] 下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
[0050] 如图1所示，一种三坐标低空小目标雷达包括天馈分系统10、接收分系统20、信号处理分系统30、波束控制分系统40、转台伺服分系统50、终端分系统60以及电源分系统70；各系统间的数据信息通过网络交换机传递，低空特指距离地面高度3千米以下的目标；小目标特指雷达散射截面积RCS在2平方米以上的目标；
[0051] 所述天馈分系统10用于接收目标回波信号以及所述波束控制分系统40输出的控制信号；所述天馈分系统10与接收分系统20之间双向通信连接；接收分系统20用于输出两路中频回波信号至信号处理分系统30的信号输入端；信号处理分系统30用于对两路中频回波信号进行信号处理后送入网络交换机的信号输入端；所述波束控制分系统40分别与电源分系统70、网络交换机之间双向通信连接；所述转台伺服分系统50与网络交换机之间双向通信连接，市电通过转台伺服分系统50连接电源分系统70的信号输入端；所述终端分系统60与网络交换机之间双向通信连接，所述网络交换机的信号输入端连接北斗和/或GPS系统；电源分系统70用于为本雷达供电。
[0052] 具体的，终端分系统60的本质是一台显控计算机，各个分系统中均设置有监控分系统，通过电平反馈得知各个元器件的工作状态，所述转台伺服分系统50内部包括汇流环，220V市电通过汇流环连接电源分系统70的信号输入端。
[0053] 所述天馈分系统10包括八个四通道T/R模块11、和差波束网络12以及波导校正网络，每一个所述四通道T/R模块11分别连接四根波导辐射线源，其中，
[0054] 波导辐射线源，用于接收回波信号以及来自四通道T/R模块11的射频信号，在天线方位角机械扫描的每一个脉冲周期内，依次发射出相对于雷达天线法线方向，俯仰角为-15°～﹢15°渐进全覆盖的8束电扫描雷达波信号；
[0055] 四通道T/R模块11，用于接收分别来自和差波束网络12、波束控制分系统40的射频信号、控制信号，四通道T/R模块11与和差波束网络12之间双向通信连接；
[0056] 和差波束网络12，其包括1比8功分器，和差波束网络12用于接收来自接收分系统20的射频信号、测试信号，输出和回波信号和差回波信号至接收分系统20的信号输入端；
[0057] 波导校正网络，其与四通道T/R模块11相连，波导校正网络通过第二环形器14与接收分系统20之间相连。
[0058] 所述接收分系统20包括收发通道模块21、第一开关22、第二开关23、第三开关24、功率放大模块25、波形产生模块26以及频率源产生模块27，所述频率源产生模块27用于产生收发通道模块21所需的本振信号以及波形产生模块26、信号处理分系统30所需的时钟信号，所述波形产生模块26产生70MHz的中频发射信号至收发通道模块21的信号输入端，所述第二开关23的一个不动端连接第二环形器14的一个输入端，所述第二环形器14的另一个输入端连接波导校正网络的信号输出端，第二环形器14的输出端连接第三开关24的一个不动端，第二开关23的另一个不动端连接和差波束网络12的信号输入端，第二开关23的动端连接第一开关22的一个不动端，第一开关22的动端连接收发通道模块21的信号输出端，第一开关22的另一个不动端连接功率放大模块25的信号输入端，所述功率放大模块25的信号输出端连接第一环形器13的一个输入端，第一环形器13的另一端与和差波束网络12之间双向通信连接，第一环形器13的输出端连接第三开关24的另一个不动端，第三开关24的动端连接收发通道模块21的信号输入端，收发通道模块21的信号输出端分别输出两路中频信号至信号处理分系统30的信号输入端。
[0059] 所述信号处理分系统30包括FPGA芯片，FPGA芯片的型号为美国Altera公司生产的EP4SE360F35I3芯片，所述FPGA芯片用于对来自收发通道模块21的两路中频信号分别进行脉冲压缩处理、FIR滤波处理、恒虚警处理、滑窗检测处理，并将处理后的两路中频信号进行数据打包通过网络发送至终端计算机；
[0060] 信号处理分系统30根据频率源产生模块27提供的基准时钟80MHz，产生全机的工作时序，接收雷达70MHz中频信号，进行A/D
采样，数字下变频形成数字
正交I、Q信号，然后对I、Q信号进行数字脉压、MTD/MTI滤波、恒虚警处理、杂波图、滑窗检测，将目标初始参数通过网线送入终端分系统60进行
软件化点迹提取、点迹凝聚，同时接收终端分系统60命令，对转台伺服分系统50进行控制，同时采集转台伺服分系统50故障，上报显控计算机。
[0061] 所述转台伺服分系统50包括电机51、驱动器52、编码器53以及PLC控制器54，所述PLC控制器54的信号输出端连接驱动器52的信号输入端，所述编码器53的信号输出端连接PLC控制器54的信号输入端，所述驱动器52与电机51之间双向通信连接，PLC控制器54与网络交换机之间双向通信连接。
[0062] 本雷达的转速最高为24r/min，根据雷达天线的
风荷计算，风荷与天线转速成正比，因此电机的功率需要相应提高，若电机仍放置在转台内部，则转台尺寸会增大很多。在保证满足设计风速的情况下，考虑到电机安装、维修及整体布局的美观性，选择将电机51置于转台外部。减速机采用双输出的结构形式，一端
直接驱动天线运动，另一端连接汇流环并传递方位
位置信号。这种方式在结构上更加紧凑，同时避免了增加二级传动造成的
精度降低。由于本雷达的使用环境是室外，且没有天线罩的保护，因此汇流环同方位同步装置一起置于转台内部。转台底部加转接箱，对线缆接头在防雨防尘方面起到了很好的保护作用。
[0063] 所述电机51采用西门子公司生产的SIMOTICS GP 1LE0001系列的三相异步电动机，转台伺服分系统50内部包括减速机，减速机选用德国KPM传动的CAVEX
涡轮蜗杆减速机，
传动比为50，为了满足天线的高转速要求采用冷却效果更好的油润滑方式，电机51通过
联轴器与减速机相连，这种软联接的方式避免了硬联接的机械损伤，最大限度地保证了电机和减速机两个关键部件的使用寿命。
[0064] 本三坐标低空小目标雷达的监视流程如下：
[0065] 信号发射过程：终端分系统60的显控计算机发送工作指令，所述信号处理分系统30收到工作指令发出相应的时序，DDS根据时序形成中频调制信号，所述中频调制信号和频率源产生模块27产生的本振信号共同送入收发通道模块21进行上变频得到射频调制信号，射频调制信号进入功率放大模块25进行功率放大，再经过和差波束网络12功分成8路发射信号，8路发射信号分别被送入8个四通道T/R模块11，8路四通道T/R模块11对发射信号进行放大后输出32路发射信号分别至32根波导辐射线源，并在空间形成发射波束，波控分系统发出数字移相器控制码控制发射波束的空间指向；
[0066] 信号接收过程：
[0067] 32根波导辐射线源接收回波信号，回波信号经过四通道T/R模块11放大后被送入和差波束网络12形成和回波信号、差回波信号，分别送到两路接收通道中，差回波信号直接被送入收发通道模块21进行放大、混频、滤波操作，和回波信号分别经过第一环形器13、第三开关24后被送入收发通道模块21进行放大、混频、滤波操作，收发通道模块21输出两路中频回波信号至信号处理分系统30的信号输入端；所述信号处理分系统30对两路中频回波信号分别进行采样、提取、滤波后形成两路I/Q
数字信号，再分别对两路I/Q数字信号进行数字脉压处理、多普勒滤波、恒虚警处理、信号检测后进行数据打包通过网络发送至终端分系统60中进行点迹滤波和点迹凝聚；
[0068] 发射校正过程：
[0069] 其中一个四通道T/R模块11的发射支路接通，其他的四通道T/R模块11设为负载状态，所述接收分系统20通过开关网络实现对测试信号的切换，并将切换后的测试信号分别通过第一环形器13、和差波束网络12、接通发射支路的四通道T/R模块11送至波导校正网络，所述波导校正网络再将切换后的测试信号分别通过第二环形器14、第三开关24、收发通道模块21、信号处理分系统30送至终端分系统60中，实现对四通道T/R模块11的发射支路进行校正、实时故障检测、模拟目标检测；
[0070] 接收校正过程：
[0071] 其中一个四通道T/R模块11的接收支路接通，其他的四通道T/R模块11设为负载状态，所述接收分系统20通过开关网络实现对测试信号的切换，并将切换后的测试信号通过第二环形器14送至波导校正网络，所述波导校正网络再将切换后的测试信号分别通过接通接收支路的四通道T/R模块11、和差波束网络12、第一环形器13、第三开关24、收发通道模块21、信号处理分系统30送至终端分系统60中，实现对四通道T/R模块11的接收支路进行校正、实时故障检测、模拟目标检测；
[0072] 辐相校正过程：测试信号通过第二开关23进入和差波束网络12，所述和差波束网络12耦合输出和回波信号、差回波信号分别送入和通道、差通道，和通道、差通道将和回波信号、差回波信号通过收发通道模块21、信号处理分系统30送入终端分系统60进行测试。
[0073] 对于天线罩的设计，虽然单根天线罩具有迎风面积小抗风性能好的优势，但是考虑到本系统电子设备采用背负式设计安装于天线背面，不能发挥出单根罩优势，因而本系统采用整体罩。本雷达俯仰方向需要覆盖0°～30°范围，采用雷达阵面预仰15°设计，这样设计的雷达阵面俯仰扫描范围为-15°～+15°，共设置8个波位，波位分配如表1所示。
[0074] 表1：
[0075]
[0076]
[0077] 本雷达采用短脉冲加长脉冲的双脉冲线性调频或非线性调频发射波形，其中长脉冲用于探测远距离目标，不同模式、不同波位按照探测距离的远近选择不同的脉宽；短脉冲统一设置为2μs，用于长脉冲的近距离补盲。雷达系统运行模式分为工作模式和校正模式两种，工作模式根据探测距离和驻留时间又分为6rpm、12rpm、24rpm三种模式，三种工作模式的探测威力如表2所示。
[0078] 表2：
[0079]
[0080] 6rpm模式下的理论波束驻留时间为36.11ms，采取8个仰角波束的波位分配方式，为了保证足够的脉冲积累数，低波束采用三组6脉冲
滤波器的MTD处理，高波束采用3脉冲MTI处理，提高第一盲速及抑制距离折叠分别采用CPI间三重频参差及PRF三重参差的方法，兼有正常处理与超杂波检测两种检测方式。
[0081] 6rpm模式下雷达波位分配主要技术性能参数以及设置参数如表3及表4所示，目标RCS为2m2的威力覆盖图如图2所示，目标RCS为0.2m2的威力覆盖图如图3所示。
[0082] 表3：
[0083]
[0084]
[0085] 表4：
[0086]
[0087] 12rpm模式下的理论波束驻留时间为18.05ms，采取8个仰角波束的波位分配方式，为了保证足够的脉冲积累数，低波束采用三组6脉冲滤波器的MTD处理，高波束采用3脉冲对消MTI处理，提高第一盲速及抑制距离折叠分别采用CPI间三重频参差及PRF三重参差的方法，兼有正常处理与超杂波检测两种检测方式。
[0088] 12rpm模式下雷达波位分配主要技术性能参数以及设置参数如表5及表6所示，目标RCS为2m2的威力覆盖图如图4所示，目标RCS为0.2m2的威力覆盖图如图5所示。
[0089] 表5：
[0090]
[0091]
[0092] 表6：
[0093]
[0094] 24rpm模式下的波束驻留时间为9.03ms，由于时间有限，采取8个仰角波束的波位分配方式，为了保证足够的脉冲积累数，低波束采用三组6脉冲滤波器的MTD处理，高波束采用3脉冲对消MTI处理，提高第一盲速及抑制距离折叠分别采用CPI间三重频参差及PRF三重参差的方法，兼有正常处理与超杂波检测两种检测方式。
[0095] 24rpm模式下雷达波位分配主要技术性能参数以及设置参数如表7及表8所示，目标RCS为2m2的威力覆盖图如图6所示，目标RCS为0.2m2的威力覆盖图如图7所示。
[0096] 表7：
[0097]
[0098]
[0099] 表8
[0100]
[0101] 通过表格3～表格8可看出本监视方法能够精确监视低空区域内高度低、速度慢、体积小的目标。
[0102] 图8为本低空小目标雷达对通航飞机目标的监视画面，能够清楚地看出飞机起降，图9为本低空小目标雷达对无人机目标的监视画面，两幅图均能显示出目标在以雷达为中心的极
坐标系中的位置。
