[发明专利]一种基于旋转天线的方位合成孔径雷达系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于旋转天线的方位合成孔径雷达系统，属雷达技术领域，特别涉及HF/VHF/UHF等频段雷达系统。

背景技术

高频超视距雷达为了获得足够的方位分辨率和方向增益，短波段雷达天线阵动辄数百米甚至数千米，这直接影响到设备的规模、造价和安装成本，不能满足国家对中、低成本超视距探测日益增长的需求。各国学者和工程技术人员围绕地波雷达天线小型化做了很多工作。小型天线阵虽然有成本低、轻便灵活等优势，但在反演结果的准确性存在不足。另外，天线参数的设计受探测目标特性的限制；对于地波雷达海洋探测，海流信息是从一阶谱中提取的，因为同一个谱点对应的径向流速是有限的，那么可以用少数阵元的阵列(如交叉环/单极子)提取；而风浪等参数的提取依赖于连续分布的海面散射源，需要大口径阵列才能获得较高精度的反演结果。同时由于小型阵列的方位分辨率低、民用地波雷达发射功率受限以及各种噪声和干扰(包括海洋回波的干扰)等问题，对目标尤其是小目标和机动目标的检测概率、虚警率、定位和跟踪精度等方面都存在需要克服的一系列问题。

发明内容

针对上述问题和高频探测的特点，本发明提出一种基于旋转天线的方位合成孔径雷达系统，采用紧凑的小圆阵的形式，可实现目标方位角与俯仰角的双角度估计，可提供全方位、无模糊的方位角信息。该系统适用于HF/VHF/UHF等频段雷达探测，可以适用于如岸基平台、海面浮标平台、舰船平台和一般陆地平台等多种平台。

本发明涉及一种旋转天线的方位合成孔径雷达系统，包括由两个以上单极子天线组成的均匀圆阵、天线支撑转盘、汇流环、电机、雷达射频接收通道、信号干涉处理模块。各单极子天线均匀排列在天线支撑转盘上，电机控制天线支撑转盘转动，天线接收到信号后经汇流环传输到雷达射频接收通道，通过信号干涉处理模块将该圆阵等效为一个位于圆心、具有复数方向性响应的单鞭天线，同时通过其机械旋转实现方向图的方位扫描，提高天线阵列流型矩阵的秩，增加该天线的独立观测矢量，等效于进行了方位孔径合成。

所述均匀圆阵半径为雷达发射信号波长的1/20～1/2；

所述阵列天线的数目M≥2，通常可为2，3，4，6，8等均匀排列在天线支撑转盘上；

所述接收阵列天线可是单鞭天线，也可以是环天线或者其他类型的天线；

所述天线可以是无源天线，也可以是有源天线(需要增加相应的供电电路)；

所述天线沿通过圆心垂直于转盘的轴旋转，可通过电机及其控制系统调整其转速，转速的确定与雷达工作波形参数相关；

所述每根天线接收到的信号均可通过汇流环独立传送到雷达接系统；

雷达接收系统为传统超外差接收结构，可采用一次混频高中频采样结构或射频直接采样结构。

所述天线支撑转盘在电机控制下以固定转速旋转，设计合理的波形参数，即转盘转动的角频率ω与雷达工作时扫频周期T之间需要满足关系：

ω=2πMTi,i=1,2,3...n]]>

每根天线在旋转过程中视为每个工作周期将转盘所在圆均分为K个等份(相对于静止坐标系)，每根天线在旋转过程中每个工作周期均会经过这些等份，得到这K个位置中的任一位置的N帧数据，N通常取为256、512、1024数值。

对K个位置接收到的信号分别进行距离变换和多普勒变换，对方位相差π的两个位置接收到的多普勒谱数据进行干涉处理，得到干涉相加和干涉相减的两组干涉信号。

所述信号干涉处理模块将该圆阵等效为一个位于圆心、具有复数方向性响应的单鞭天线，同时通过其机械旋转实现方向图的方位扫描，提高天线阵列流型矩阵的秩，增加该天线的独立观测矢量，等效于进行了方位孔径合成。

进一步利用天线旋转所引入的相位信息，即天线旋转等效于增加天线阵元，由不同位置天线转动的转速引起的多普勒频移在测向算法中为附加相位，以提高目标方位估计的分辨率和准确度。

所述天线阵在使用中额外在离圆阵中心整数倍半径的距离之外增加一根或多跟辅助接收天线，以进一步提高雷达的方位角和俯仰角的分辨性能。