專利名稱：雷達裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于高速目標探測的雷達裝置，其組成為天線設備；發射設備，它在每一天線方向上，產生至少N個發射脈沖中的至少M個脈沖串，這里，M＝2，3，……，N＝2，3，…；接收設備，對于每一發射脈沖，用于每一距離的雷達回波信號的接收；連接于接收設備上的視頻處理器，包括一個N—點(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，當至少一個距離單位上的至少一個門限出現超出(crossing)時，提供用于告警產生的N個門限值。
這種雷達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個雜波圖來產生N個門限的方法。
現代雷達系統通常為三維型式。依雜波圖確定門限將要求距離—方位角—仰角單元的劃分，它除了需要相當大的硬件投資外，為了刷新雜波圖的內容，亦要求(占用)雷達系統的有效工作時間和功率預算的相當大的一部分。特別地講，如果雷達系統是一種有源相控陣類型雷達，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。
本發明克服了這個缺點，其特征在于門限電路由門限產生器組成，它在每一距離單位上根據M個多普勒頻譜實現N個門限值的產生。
根據本發明的第一個實施例，有可能通過采用技術上著名的波瓣效應來檢測高速目標。波瓣效應將引起目標周期性地消失，其原因是根據上面的方法，從距離和頻率上考慮，在目標確定中占優勢的門限將成為極其小的。因為多路效應的衰減不再出現，只要目標突然一出現，就將出現門限超出(threshold crossing)，同時目標將被探測到。
這個解決辦法完全符合相控陣雷達的搜索行為，它在一個通常選定的方向上發射許多脈沖串。然而，如果其它系統允許在一預定方向上發射足夠數量的脈沖串，這個解決辦法也可用于其它雷達系統中。因為門限值的確定不要求同時采用所有M個多普勒頻譜。相反，有可能根據由P個連續的脈沖串得到的P個多普勒頻譜來產生門限值，這里，P＝2，…，M，一般采用最新產生的多普勒頻譜。
本發明的一個最佳的實施例，其特征在于門限產生器包括根據P個多普勒頻譜來產生一個平均多普勒頻譜的累加器。
為了得到一個預置的虛警率，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。
由于目標以極高的速度到達，本發明應該被進一步深化。作為一種規律，一些有著非常小的雷達(散射)截面的目標以0.5馬赫至3馬赫的速度接近雷達裝置。首先，應該選定一個脈沖重復頻率(PRF)。傳統上，為了能在不出現反向折迭(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生優良的抑制作用，如地雜波、海雜波、雨、飛鳥及箔條干擾。然而，高PRF的一個缺點是當反向折迭(fold-back)出現在距離域(range domain)的情況下，不再能無模糊地確定目標距離。這個缺點在技術上是眾所周知的，通過附加處理建立一個無模糊目標距離這種解決方案也是公知的。
再者，反向折迭(fold-back)的一個缺點是一個遠處的小目標與(與之)很近的極強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，但是它對雷達裝置的穩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大的缺點是當前雷達技術發展的結果。雷達技術上，特別是在相控陣雷達領域，一個一般的發展趨勢是采用具有大工作比(large duty cycles)的脈沖。一方面，這是源于固態發射機不適于產生高頻脈沖的事實，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視設備探測到，如電子支援措施(ESM——Electronic Support Measures)接收機。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距離的第一個30％期間，雷達裝置處于盲態，或者至少它的功能不很理想，這個距離的目標回波看上去部分重疊于發射脈沖。無模糊雷達距離功能的最后30％次優化地工作，是由于部分與下一個發射脈沖重疊的回波。實際上，僅僅理想地得到了無模糊雷達距離的40％。在這種情況下，探測概率最小，并且，目標距離的無模糊確定是幾乎不可能的。
根據本發明的雷達裝置，其特征在于如此選擇PRF，以使在預定的探測距離內有可能無模糊地確定目標距離。這樣做的直接結果是具有一個超過PRF/2的多普勒頻率的目標將反向折迭，并且將被雜波掩蓋。根據本發明，這個可以被看成一個缺點的結果被用來增加探測概率。本發明的最佳的實施例，其特征在于至少N個發射脈沖中的連續脈沖串具有不同的雷達頻率。特別來講，如果從脈沖串到脈沖串都已經選擇了雷達頻率，以使一個多普勒頻率在大多數兩個多普勒通頻帶(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)。與屬于慢速運動的目標在不同的頻率幾乎不改變的情況相反，以高速接近的目標在多普勒頻譜上將表現出明顯的改變。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的頻譜，這樣實現了目標探測，并且阻止了目標連續地被雜波淹沒。
同樣的效果可以通過在不同的PRF上發射連續的脈沖串來得到。然而，這帶來缺點，即第二跟蹤雜波將在多普勒頻譜的不同位置連續地出現，它取決于所選的PRF。這可能增加虛警率。根據本發明的雷達裝置的特征在于M個連續脈沖串有著同樣的脈沖重復頻率。
在一個固定的PRF和不同的雷達發射頻率點上，目標將不總是引起一個門限超出。這樣，作為一個引起目標被淹沒的規律，舉例來講，一個受到反向折迭的目標可能與一個極強的雜波重合。在本發明的一個最佳實施例中，門限電路的組成為比較器電路——在每一多普勒頻率點上將前面得到的多普勒頻譜與門限值進行比較；警報產生器——如果L個連續多普勒頻譜中的至少K個顯示至少一個門限超出(crossing)時，產生警報，這里，K＝1，2，…，L＝1，2，…，K＜L。
現在將參考下面這些插圖進一步地解釋本發明
圖1表示了根據本發明的雷達裝置的一個實施例；圖2表示了視頻處理器的一個實施例的方框圖；圖3A表示了一個包含噪聲、海雜波、雨雜波和一個目標的多普勒頻譜；圖3B表示了這一具有微小雷達頻率改變的多普勒頻譜。
圖1表示了一個根據本發明的雷達裝置的實施例，包括由大量發射和接收模塊2組成的有源相控陣天線1，這些模塊在一起組成了發射設備和接收設備。相控陣天線1由控制單元3來控制，它以一種技術上已知的方式決定了天線的方位角—仰角方向，并且產生了控制著發射和接收模塊2的脈沖和本地振蕩器信號的脈沖串。接收到的雷達回波信號通常是以數字化的形式，用于被設計用來檢測高速目標的視頻處理器4。在這里，高速與以0.5至3馬赫的速度接近的目標有關，例如導彈。這些具有大約0.01平方米的(雷達散射)橫截面積的目標必須在允許一種武器(來得及)被運用的距離被探測到。這點考慮引出了一個所希望的雷達距離，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％的發射脈沖的應用。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問題，采用了無模糊地確定目標距離的脈沖串。作為一個由發射脈沖引起的重疊的結果的無模糊雷達距離的第一個33％和作為一個由下一個發射脈沖引起的重疊的結果的最后的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微秒的脈沖重復時間。這使在10—20公里距離范圍內的目標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施例的方框圖。接收到的雷達回波信號應用于多普勒濾波器組5。對于一個例如10Ghz的雷達發射頻率，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。這意味著雜波實際上將在整個頻譜范圍內出現。另外，一個在該頻譜內可能包含目標的頻譜卻不能被從雜波中區分開來。當比較幾個以同樣雷達頻率和同樣PRF注冊的連續頻譜時，目標的強度似乎明顯地變化，同時雜波強度似乎保持不變。目標強度的變化由來自著名的出現在10—20km范圍內的多徑效應導致的波瓣效應所引起，它在所選擇的雷達頻率上是極其明顯的。
這引出了本雷達裝置的第一個最佳的實施例，視頻處理器4也帶有一個累加器6和一個加法器7，累加器用于根據幾個連續譜確定平均譜，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譜的統計規律。這樣得到的平均譜和例如由多普勒濾波器組5產生的第一頻譜一起被應用于門限電路8。對于一個在強度上有增益的目標，例如一個出現于兩個波瓣間零點處的目標，這導致了一個門限超出。因為準確地知道了每一方位角—仰角方向上的所有零點的位置，所以總有可能選擇一個雷達波束靜止時間，以使探測概率是最佳的。
本雷達裝置的第二個最佳的實施例可以采用上面描述的、可參考圖2的視頻處理器4。該實施例利用了目標的極高的速度，達到了最大限度的優化。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12的多普勒頻譜，同時圖3B顯示了一個在微小的雷達頻率差得到的比較譜。這些頻譜已經利用多普勒濾波器5得到了，把它當作一個64—點濾波器來產生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頻率是10Ghz，那么在圖3B中就被固定在了10。31Ghz。因為雷達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，它在雷達頻率有微小改變時，本質上保持不變并且這樣一個平均譜仍適合于產生上述的門限。這兩個圖都表明了在雷達頻率的較小變化的影響下目標的明顯的改變。這樣，從上面描述的由頻率反向折迭導致的雷達頻率上的改變來看，一個以300米/秒的速度接近雷達裝置的目標，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行比較，門限電路8就可以產生一個門限超出。
提出由幾個連續的頻譜代替一個頻譜來產生門限超出的要求可以得到較低的虛警率。但是，鑒于一個頻譜內的目標在某些情況下可能與較強的雜波，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)連續多普勒頻譜產生一個門限超出時告警產生器就產生告警，就得到了一個最佳的探測。在這方面，一個優化的結果是K＝2，L＝3。
權利要求
1.一種用于高速目標探測的雷達裝置，其組成為天線設備；發射設備，它在每一天線方向上，產生至少N個發射脈沖中的至少M個脈沖串，這里，M＝2，3，……，N＝2，3，…；接收設備，對于每一發射脈沖，用于每一距離的雷達回波信號的接收；連接于接收設備上的視頻處理器，包括一個N—點(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，當至少一個距離單位上的至少一個門限出現超出(cro-ssing)時，提供用于告警產生的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M個多普勒頻譜，用來產生N個門限值的門限產生器。
2.如權利要求1所述的雷達裝置，其特征在于根據由P個連續脈沖得到的P個多普勒頻譜來產生門限值，這里，P＝2，…，M。
3.如權利要求2所述的雷達裝置，其特征在于門限產生器包括一個用于在P個多普勒頻譜基礎上產生一個平均多普勒頻譜的累加器。
4.如權利要求3所述的雷達裝置，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.如權利要求4所述的雷達裝置，其特征在于為了能在預定探測范圍內完成目標距離的非模糊確定，應該選定發射脈沖的脈沖重復頻率(PRF)。
6.如權利要求5所述的雷達裝置，其特征在于至少N個發射脈沖的連續脈沖串具有不同的雷達頻率。
7.如權利要求6所述的雷達裝置，其特征在于從脈沖串到脈沖串，都已經選擇了雷達頻率，以使在大多數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.如權利要求7所述的雷達裝置，其特征在于M個脈沖串有同樣的脈沖重復頻率(PRF)。
9.如權利要求7或8所述的雷達裝置，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上將最新得到的多普勒頻譜與門限值進行比較；告警產生器——如果L個連續多普勒頻譜中的至少K個顯示至少一個門限超出(thresholdcrossing)時，產生告警，這里，K＝1，2，…，L＝1，2，…，K＜L＜M。
全文摘要
本雷達裝置的組成帶有大量發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，控制單元發出許多脈沖串，它們都表現出微小的載頻差。對于每個脈沖串，視頻處理器確定一種多普勒頻譜，并且比較連續的頻譜。作為頻差的結果，雜波幾乎不能受到頻移，而在頻域中受到反向折疊的目標卻表現出一個相當大的頻移。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 優先權日1993年9月8日
發明者伯納德·蓋勒金克 申請人:荷蘭塞納拉帕拉塔公司
專業數控銑床產品供應商
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