專利名稱：雷達(dá)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高速目標(biāo)探測的雷達(dá)裝置，其組成為天線設(shè)備；發(fā)射設(shè)備，它在每一天線方向上，產(chǎn)生至少N個發(fā)射脈沖中的至少M(fèi)個脈沖串，這里，M＝2，3，……，N＝2，3，…；接收設(shè)備，對于每一發(fā)射脈沖，用于每一距離的雷達(dá)回波信號的接收；連接于接收設(shè)備上的視頻處理器，包括一個N—點(diǎn)(快速傅立葉變換)多普勒濾波器組，用來將每一脈沖串和每一距離單位上的雷達(dá)回波信號處理為一個N—通頻帶(bin)多普勒頻譜，及一個門限電路，對于每一距離單位，當(dāng)至少一個距離單位上的至少一個門限出現(xiàn)超出(crossing)時，提供用于告警產(chǎn)生的N個門限值。
這種雷達(dá)裝置見于美國專利說明5,049,889。該專利說明揭示了一種通過分為距離—方位角單元的N個雜波圖來產(chǎn)生N個門限的方法。
現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)通常為三維型式。依雜波圖確定門限將要求距離—方位角—仰角單元的劃分，它除了需要相當(dāng)大的硬件投資外，為了刷新雜波圖的內(nèi)容，亦要求(占用)雷達(dá)系統(tǒng)的有效工作時間和功率預(yù)算的相當(dāng)大的一部分。特別地講，如果雷達(dá)系統(tǒng)是一種有源相控陣類型雷達(dá)，那么全部的搜索空間就不再被周期性地掃描，故基于雜波圖的門限不再有吸引力了。
本發(fā)明克服了這個缺點(diǎn)，其特征在于門限電路由門限產(chǎn)生器組成，它在每一距離單位上根據(jù)M個多普勒頻譜實(shí)現(xiàn)N個門限值的產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的第一個實(shí)施例，有可能通過采用技術(shù)上著名的波瓣效應(yīng)來檢測高速目標(biāo)。波瓣效應(yīng)將引起目標(biāo)周期性地消失，其原因是根據(jù)上面的方法，從距離和頻率上考慮，在目標(biāo)確定中占優(yōu)勢的門限將成為極其小的。因?yàn)槎嗦沸?yīng)的衰減不再出現(xiàn)，只要目標(biāo)突然一出現(xiàn)，就將出現(xiàn)門限超出(threshold crossing)，同時目標(biāo)將被探測到。
這個解決辦法完全符合相控陣?yán)走_(dá)的搜索行為，它在一個通常選定的方向上發(fā)射許多脈沖串。然而，如果其它系統(tǒng)允許在一預(yù)定方向上發(fā)射足夠數(shù)量的脈沖串，這個解決辦法也可用于其它雷達(dá)系統(tǒng)中。因?yàn)殚T限值的確定不要求同時采用所有M個多普勒頻譜。相反，有可能根據(jù)由P個連續(xù)的脈沖串得到的P個多普勒頻譜來產(chǎn)生門限值，這里，P＝2，…，M，一般采用最新產(chǎn)生的多普勒頻譜。
本發(fā)明的一個最佳的實(shí)施例，其特征在于門限產(chǎn)生器包括根據(jù)P個多普勒頻譜來產(chǎn)生一個平均多普勒頻譜的累加器。
為了得到一個預(yù)置的虛警率，門限電路可以包括一個加法器，用來增加由決定于每一多普勒頻率的附加門限值而得到的平均多普勒頻譜。
由于目標(biāo)以極高的速度到達(dá)，本發(fā)明應(yīng)該被進(jìn)一步深化。作為一種規(guī)律，一些有著非常小的雷達(dá)(散射)截面的目標(biāo)以0.5馬赫至3馬赫的速度接近雷達(dá)裝置。首先，應(yīng)該選定一個脈沖重復(fù)頻率(PRF)。傳統(tǒng)上，為了能在不出現(xiàn)反向折迭(fold-back)的情況下確定多普勒頻譜，這個PRF被選擇得較高。隨之而來的該多普勒頻譜的門限對各種類型的雜波產(chǎn)生優(yōu)良的抑制作用，如地雜波、海雜波、雨、飛鳥及箔條干擾。然而，高PRF的一個缺點(diǎn)是當(dāng)反向折迭(fold-back)出現(xiàn)在距離域(range domain)的情況下，不再能無模糊地確定目標(biāo)距離。這個缺點(diǎn)在技術(shù)上是眾所周知的，通過附加處理建立一個無模糊目標(biāo)距離這種解決方案也是公知的。
再者，反向折迭(fold-back)的一個缺點(diǎn)是一個遠(yuǎn)處的小目標(biāo)與(與之)很近的極強(qiáng)的雜波源恰好重合的可能性。這個問題在原理上也是可解決的，但是它對雷達(dá)裝置的穩(wěn)定性提出了較高的要求。
距離域上的反向折迭的另一個相當(dāng)大的缺點(diǎn)是當(dāng)前雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。雷達(dá)技術(shù)上，特別是在相控陣?yán)走_(dá)領(lǐng)域，一個一般的發(fā)展趨勢是采用具有大工作比(large duty cycles)的脈沖。一方面，這是源于固態(tài)發(fā)射機(jī)不適于產(chǎn)生高頻脈沖的事實(shí)，另一方面在于一個廣泛持有的觀念低峰值功率不太容易被監(jiān)視設(shè)備探測到，如電子支援措施(ESM——Electronic Support Measures)接收機(jī)。對于有源相控陣天線，建議采用30％以上的工作比。這意味著在無模糊雷達(dá)距離的第一個30％期間，雷達(dá)裝置處于盲態(tài)，或者至少它的功能不很理想，這個距離的目標(biāo)回波看上去部分重疊于發(fā)射脈沖。無模糊雷達(dá)距離功能的最后30％次優(yōu)化地工作，是由于部分與下一個發(fā)射脈沖重疊的回波。實(shí)際上，僅僅理想地得到了無模糊雷達(dá)距離的40％。在這種情況下，探測概率最小，并且，目標(biāo)距離的無模糊確定是幾乎不可能的。
根據(jù)本發(fā)明的雷達(dá)裝置，其特征在于如此選擇PRF，以使在預(yù)定的探測距離內(nèi)有可能無模糊地確定目標(biāo)距離。這樣做的直接結(jié)果是具有一個超過PRF/2的多普勒頻率的目標(biāo)將反向折迭，并且將被雜波掩蓋。根據(jù)本發(fā)明，這個可以被看成一個缺點(diǎn)的結(jié)果被用來增加探測概率。本發(fā)明的最佳的實(shí)施例，其特征在于至少N個發(fā)射脈沖中的連續(xù)脈沖串具有不同的雷達(dá)頻率。特別來講，如果從脈沖串到脈沖串都已經(jīng)選擇了雷達(dá)頻率，以使一個多普勒頻率在大多數(shù)兩個多普勒通頻帶(dopplerbins)間不受到反向折迭改變，從而得到了一種極好的探測(效果)。與屬于慢速運(yùn)動的目標(biāo)在不同的頻率幾乎不改變的情況相反，以高速接近的目標(biāo)在多普勒頻譜上將表現(xiàn)出明顯的改變。這引起了一個偏離上面的確定頻譜或平均頻譜的含有目標(biāo)的頻譜，這樣實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)探測，并且阻止了目標(biāo)連續(xù)地被雜波淹沒。
同樣的效果可以通過在不同的PRF上發(fā)射連續(xù)的脈沖串來得到。然而，這帶來缺點(diǎn)，即第二跟蹤雜波將在多普勒頻譜的不同位置連續(xù)地出現(xiàn)，它取決于所選的PRF。這可能增加虛警率。根據(jù)本發(fā)明的雷達(dá)裝置的特征在于M個連續(xù)脈沖串有著同樣的脈沖重復(fù)頻率。
在一個固定的PRF和不同的雷達(dá)發(fā)射頻率點(diǎn)上，目標(biāo)將不總是引起一個門限超出。這樣，作為一個引起目標(biāo)被淹沒的規(guī)律，舉例來講，一個受到反向折迭的目標(biāo)可能與一個極強(qiáng)的雜波重合。在本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中，門限電路的組成為比較器電路——在每一多普勒頻率點(diǎn)上將前面得到的多普勒頻譜與門限值進(jìn)行比較；警報產(chǎn)生器——如果L個連續(xù)多普勒頻譜中的至少K個顯示至少一個門限超出(crossing)時，產(chǎn)生警報，這里，K＝1，2，…，L＝1，2，…，K＜L。
現(xiàn)在將參考下面這些插圖進(jìn)一步地解釋本發(fā)明


圖1表示了根據(jù)本發(fā)明的雷達(dá)裝置的一個實(shí)施例；圖2表示了視頻處理器的一個實(shí)施例的方框圖；圖3A表示了一個包含噪聲、海雜波、雨雜波和一個目標(biāo)的多普勒頻譜；圖3B表示了這一具有微小雷達(dá)頻率改變的多普勒頻譜。
圖1表示了一個根據(jù)本發(fā)明的雷達(dá)裝置的實(shí)施例，包括由大量發(fā)射和接收模塊2組成的有源相控陣天線1，這些模塊在一起組成了發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備。相控陣天線1由控制單元3來控制，它以一種技術(shù)上已知的方式?jīng)Q定了天線的方位角—仰角方向，并且產(chǎn)生了控制著發(fā)射和接收模塊2的脈沖和本地振蕩器信號的脈沖串。接收到的雷達(dá)回波信號通常是以數(shù)字化的形式，用于被設(shè)計用來檢測高速目標(biāo)的視頻處理器4。在這里，高速與以0.5至3馬赫的速度接近的目標(biāo)有關(guān)，例如導(dǎo)彈。這些具有大約0.01平方米的(雷達(dá)散射)橫截面積的目標(biāo)必須在允許一種武器(來得及)被運(yùn)用的距離被探測到。這點(diǎn)考慮引出了一個所希望的雷達(dá)距離，例如20公里。一個有源相控陣能夠傳遞的有限的峰值功率提供具有一很大工作比——例如必需的33％的發(fā)射脈沖的應(yīng)用。鑒于很大的工作比和在距離上的反向折迭情況下所遇到的相關(guān)問題，采用了無模糊地確定目標(biāo)距離的脈沖串。作為一個由發(fā)射脈沖引起的重疊的結(jié)果的無模糊雷達(dá)距離的第一個33％和作為一個由下一個發(fā)射脈沖引起的重疊的結(jié)果的最后的33％，在上述兩者中都允許了一個降低的敏感度，這導(dǎo)致了一個66.6微秒的最佳脈沖長度和一個200微秒的脈沖重復(fù)時間。這使在10—20公里距離范圍內(nèi)的目標(biāo)能夠無模糊和無探測損失地被探測到。
圖2表示了視頻處理器的一個可能的實(shí)施例的方框圖。接收到的雷達(dá)回波信號應(yīng)用于多普勒濾波器組5。對于一個例如10Ghz的雷達(dá)發(fā)射頻率，由該濾波器組得到的譜覆蓋-2.5KHz到+2.5KHz的范圍，它對應(yīng)于一個-37.5米/秒到+37.5米/秒的無模糊速度范圍。這意味著雜波實(shí)際上將在整個頻譜范圍內(nèi)出現(xiàn)。另外，一個在該頻譜內(nèi)可能包含目標(biāo)的頻譜卻不能被從雜波中區(qū)分開來。當(dāng)比較幾個以同樣雷達(dá)頻率和同樣PRF注冊的連續(xù)頻譜時，目標(biāo)的強(qiáng)度似乎明顯地變化，同時雜波強(qiáng)度似乎保持不變。目標(biāo)強(qiáng)度的變化由來自著名的出現(xiàn)在10—20km范圍內(nèi)的多徑效應(yīng)導(dǎo)致的波瓣效應(yīng)所引起，它在所選擇的雷達(dá)頻率上是極其明顯的。
這引出了本雷達(dá)裝置的第一個最佳的實(shí)施例，視頻處理器4也帶有一個累加器6和一個加法器7，累加器用于根據(jù)幾個連續(xù)譜確定平均譜，加法器用于用附加的門限值來增加平均的頻譜，該門限值可以在每個多普勒頻率上選擇并且取決于特定的虛警率和連續(xù)譜的統(tǒng)計規(guī)律。這樣得到的平均譜和例如由多普勒濾波器組5產(chǎn)生的第一頻譜一起被應(yīng)用于門限電路8。對于一個在強(qiáng)度上有增益的目標(biāo)，例如一個出現(xiàn)于兩個波瓣間零點(diǎn)處的目標(biāo)，這導(dǎo)致了一個門限超出。因?yàn)闇?zhǔn)確地知道了每一方位角—仰角方向上的所有零點(diǎn)的位置，所以總有可能選擇一個雷達(dá)波束靜止時間，以使探測概率是最佳的。
本雷達(dá)裝置的第二個最佳的實(shí)施例可以采用上面描述的、可參考圖2的視頻處理器4。該實(shí)施例利用了目標(biāo)的極高的速度，達(dá)到了最大限度的優(yōu)化。將通過圖3A和圖3B來闡明該原理，圖3A中顯示了一個含有噪聲9、海雜波10、雨雜波11和一個目標(biāo)12的多普勒頻譜，同時圖3B顯示了一個在微小的雷達(dá)頻率差得到的比較譜。這些頻譜已經(jīng)利用多普勒濾波器5得到了，把它當(dāng)作一個64—點(diǎn)濾波器來產(chǎn)生64—通頻帶(BIN)多普勒頻譜，每一個有著1。15m/sec的寬度。在圖3A所示的頻譜中如果雷達(dá)頻率是10Ghz，那么在圖3B中就被固定在了10。31Ghz。因?yàn)槔走_(dá)頻率的這種改變甚至對于有著37.5米/秒徑向速度的物體，也引起不超過一個通頻帶(bin)的頻移，所以兩個圖中的雜波譜至少在本質(zhì)上是一致的。這也需要一個由累加器6確定的平均譜，它在雷達(dá)頻率有微小改變時，本質(zhì)上保持不變并且這樣一個平均譜仍適合于產(chǎn)生上述的門限。這兩個圖都表明了在雷達(dá)頻率的較小變化的影響下目標(biāo)的明顯的改變。這樣，從上面描述的由頻率反向折迭導(dǎo)致的雷達(dá)頻率上的改變來看，一個以300米/秒的速度接近雷達(dá)裝置的目標(biāo)，將大約移動8個距離單位。如果一個利用多普勒濾波器組5得到的頻譜與一個由累加器6確定和加法器7的增加的一個平均譜進(jìn)行比較，門限電路8就可以產(chǎn)生一個門限超出。
提出由幾個連續(xù)的頻譜代替一個頻譜來產(chǎn)生門限超出的要求可以得到較低的虛警率。但是，鑒于一個頻譜內(nèi)的目標(biāo)在某些情況下可能與較強(qiáng)的雜波，如海雜波10重合的情況，這樣做可能降低了探測概率。通過采用帶有一個告警產(chǎn)生器的門限電路8，如果L中的K個(K＝1，2，…，L＝1，2，…，K＜L)連續(xù)多普勒頻譜產(chǎn)生一個門限超出時告警產(chǎn)生器就產(chǎn)生告警，就得到了一個最佳的探測。在這方面，一個優(yōu)化的結(jié)果是K＝2，L＝3。
權(quán)利要求
1.一種用于高速目標(biāo)探測的雷達(dá)裝置，其組成為天線設(shè)備；發(fā)射設(shè)備，它在每一天線方向上，產(chǎn)生至少N個發(fā)射脈沖中的至少M(fèi)個脈沖串，這里，M＝2，3，……，N＝2，3，…；接收設(shè)備，對于每一發(fā)射脈沖，用于每一距離的雷達(dá)回波信號的接收；連接于接收設(shè)備上的視頻處理器，包括一個N—點(diǎn)(快速傅立葉變換)多普勒濾波器組，用來將每一脈沖串和每一距離單位上的雷達(dá)回波信號處理為一個N—通頻帶多普勒頻譜，及一個門限電路，對于每一距離單位，當(dāng)至少一個距離單位上的至少一個門限出現(xiàn)超出(cro-ssing)時，提供用于告警產(chǎn)生的N個門限值。其特征在于門限電路包括一個在每一距離單位上，根據(jù)M個多普勒頻譜，用來產(chǎn)生N個門限值的門限產(chǎn)生器。
2.如權(quán)利要求1所述的雷達(dá)裝置，其特征在于根據(jù)由P個連續(xù)脈沖得到的P個多普勒頻譜來產(chǎn)生門限值，這里，P＝2，…，M。
3.如權(quán)利要求2所述的雷達(dá)裝置，其特征在于門限產(chǎn)生器包括一個用于在P個多普勒頻譜基礎(chǔ)上產(chǎn)生一個平均多普勒頻譜的累加器。
4.如權(quán)利要求3所述的雷達(dá)裝置，其特征在于門限電路包括一個加法器，為了得到一個預(yù)定的虛警概率，它用于通過在每一多普勒頻率上確定的附加門限值來增加平均多普勒頻譜。
5.如權(quán)利要求4所述的雷達(dá)裝置，其特征在于為了能在預(yù)定探測范圍內(nèi)完成目標(biāo)距離的非模糊確定，應(yīng)該選定發(fā)射脈沖的脈沖重復(fù)頻率(PRF)。
6.如權(quán)利要求5所述的雷達(dá)裝置，其特征在于至少N個發(fā)射脈沖的連續(xù)脈沖串具有不同的雷達(dá)頻率。
7.如權(quán)利要求6所述的雷達(dá)裝置，其特征在于從脈沖串到脈沖串，都已經(jīng)選擇了雷達(dá)頻率，以使在大多數(shù)兩個多普勒通頻帶間(at most two doppler bins)，多普勒頻率不會有反向折迭改變。
8.如權(quán)利要求7所述的雷達(dá)裝置，其特征在于M個脈沖串有同樣的脈沖重復(fù)頻率(PRF)。
9.如權(quán)利要求7或8所述的雷達(dá)裝置，其特征在于門限電路的組成為比較器電路——在每一多普勒頻率點(diǎn)上將最新得到的多普勒頻譜與門限值進(jìn)行比較；告警產(chǎn)生器——如果L個連續(xù)多普勒頻譜中的至少K個顯示至少一個門限超出(thresholdcrossing)時，產(chǎn)生告警，這里，K＝1，2，…，L＝1，2，…，K＜L＜M。
全文摘要
本雷達(dá)裝置的組成帶有大量發(fā)射和接收模塊的相控陣天線、控制單元及視頻處理單元。在每一方位角——仰角方向上，控制單元發(fā)出許多脈沖串，它們都表現(xiàn)出微小的載頻差。對于每個脈沖串，視頻處理器確定一種多普勒頻譜，并且比較連續(xù)的頻譜。作為頻差的結(jié)果，雜波幾乎不能受到頻移，而在頻域中受到反向折疊的目標(biāo)卻表現(xiàn)出一個相當(dāng)大的頻移。因而一個基于平均譜的門限使探測成為可能。
文檔編號G01S13/24GK1130946SQ94193317
公開日1996年9月11日 申請日期1994年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月8日
發(fā)明者伯納德·蓋勒金克 申請人:荷蘭塞納拉帕拉塔公司