权 利 要 求 书 1/2 页 1. 一 种 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 的 波 束 形 成 方 法, 该 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 包 括 : 同 步 与 扫 描 控 制 系 统 数 据 处 理 机 有 源 相 控 天 线 阵 列 和 收 发 组 件 阵 列, 所 述 的

(19) 中 华 人 民 共 和 国 国 家 知 识 产 权 局 (12) 发 明 专 利 (21) 申 请 号 201110248644.9 (22) 申 请 日 2011.08.26 (73) 专 利 权 人 中 国 科 学 院 空 间 科 学 与 应 用 研 究 中 心 地 址 100190 北 京 市 海 淀 区 中 关 村 南 二 条 1 号 (72) 发 明 人 阎 敬 业 吴 季 孙 波 吴 琼 之 南 方 (74) 专 利 代 理 机 构 北 京 法 思 腾 知 识 产 权 代 理 有 限 公 司 11318 代 理 人 杨 小 蓉 高 宇 (10) 授 权 公 告 号 CN 102955155 B (45) 授 权 公 告 日 2015.03.18 (56) 对 比 文 件 CN 1197515 A,1998.10.28, CN 102141619 A,2011.08.03, 车 佳. 米 波 有 源 相 控 阵 数 字 化 T/R 组 件 设 计. 万 方 学 位 论 文 数 据 库.2009, 车 佳. 米 波 有 源 相 控 阵 数 字 化 T/R 组 件 设 计. 万 方 学 位 论 文 数 据 库.2009, 吴 曼 青 等. 收 发 全 数 字 波 束 形 成 相 控 阵 雷 达 关 键 技 术 研 究. 系 统 工 程 与 电 子 技 术.2001, 第 23 卷 ( 第 4 期 ), 审 查 员 肖 丁 (51)Int.Cl. G01S 13/02(2006.01) G01S 7/41(2006.01) G01S 7/40(2006.01) 权 利 要 求 书 2 页 7 页 附 图 2 页 CN 102955155 B (54) 发 明 名 称 一 种 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 及 其 波 束 形 成 方 法 (57) 摘 要 本 发 明 涉 及 一 种 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 及 其 波 束 形 成 方 法, 所 述 的 收 发 组 件 阵 列 为 数 字 收 发 组 件, 包 括 : 模 拟 前 端 功 率 放 大 器 低 噪 声 放 大 器 和 前 端 数 字 单 元, 所 述 的 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 还 包 括 一 中 心 处 理 器, 该 中 心 处 理 器 采 用 层 次 化 分 布 处 理 技 术 通 过 局 域 网 与 若 干 前 端 数 字 单 元 连 接, 用 于 设 置 所 有 前 端 数 字 单 元 的 工 作 模 式 和 波 形 数 据 并 接 收 基 带 数 据, 以 保 证 经 过 数 字 合 成 后 的 目 标 回 波 数 据 的 可 靠 性, 并 通 过 时 钟 网 络 向 前 端 数 字 单 元 发 送 公 共 时 钟 信 号, 以 保 证 各 端 口 的 时 钟 信 号 同 步 ; 所 述 的 若 干 个 前 端 数 字 单 元 分 别 对 应 地 分 布 在 天 线 阵 列 内, 且 每 个 前 端 数 字 单 元 与 一 个 收 发 组 件 配 套 本 发 明 的 突 出 特 点 是 具 有 很 高 灵 活 性 数 据 处 理 方 式 灵 活 提 高 了 相 控 阵 雷 达 的 性 能

权 利 要 求 书 1/2 页 1. 一 种 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 的 波 束 形 成 方 法, 该 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 包 括 : 同 步 与 扫 描 控 制 系 统 数 据 处 理 机 有 源 相 控 天 线 阵 列 和 收 发 组 件 阵 列, 所 述 的 数 据 处 理 机, 用 于 生 成 各 个 天 线 单 元 的 独 立 的 发 射 信 号 波 形, 并 接 收 处 理 回 波 信 号 ; 所 述 的 收 发 组 件 阵 列 为 数 字 收 发 组 件, 包 括 : 模 拟 前 端 功 率 放 大 器 低 噪 声 放 大 器 和 前 端 数 字 单 元, 所 述 的 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 还 包 括 一 中 心 处 理 器, 该 中 心 处 理 器 采 用 层 次 化 分 布 处 理 技 术 通 过 局 域 网 与 若 干 前 端 数 字 单 元 连 接, 用 于 设 置 所 有 前 端 数 字 单 元 的 工 作 模 式 和 波 形 数 据 并 接 收 基 带 数 据, 以 保 证 经 过 数 字 合 成 后 的 目 标 回 波 数 据 的 可 靠 性, 并 通 过 时 钟 网 络 向 前 端 数 字 单 元 发 送 公 共 时 钟 信 号, 以 保 证 各 端 口 的 时 钟 信 号 同 步 ; 所 述 的 若 干 个 前 端 数 字 单 元 分 别 对 应 地 分 布 在 天 线 阵 列 内, 且 每 个 前 端 数 字 单 元 与 一 个 收 发 组 件 配 套 ; 所 述 的 前 端 数 字 单 元 包 括 : 数 字 处 理 芯 片 接 口 电 路 直 接 数 字 合 成 器 DDS 模 数 变 换 器 DAC 模 数 变 换 器 ADC ; 该 方 法 的 步 骤 包 括 : 1) 首 先 由 数 据 处 理 机 生 成 各 个 天 线 单 元 的 独 立 的 发 射 信 号 波 形, 发 射 信 号 波 形 的 数 据 再 通 过 主 控 计 算 机 以 及 通 讯 网 络 下 载 到 前 端 数 字 单 元, 由 前 端 数 字 单 元 中 的 DDS 和 数 模 变 换 器 DAC 产 生 同 步 模 拟 发 射 信 号 ; 2) 所 述 的 同 步 模 拟 发 射 信 号 波 形 再 由 收 发 组 件 中 的 功 率 放 大 器 经 移 相 器 移 相 后 强 制 馈 电 至 各 个 天 线 单 元, 由 天 线 阵 列 向 空 间 特 定 方 向 辐 射 ; 3) 电 磁 波 信 号 遇 到 目 标 后 发 生 散 射, 其 中 后 向 散 射 的 回 波 信 号 通 过 每 个 天 线 接 收 后, 经 每 个 收 发 组 件 内 的 低 噪 声 放 大 器 进 行 放 大, 移 相 器 移 相 后 直 接 由 前 端 数 字 单 元 对 回 波 信 号 进 行 采 样, 并 进 行 相 干 积 分 数 字 滤 波 和 数 字 正 交 检 波, 再 通 过 局 域 网 传 输 至 主 控 计 算 机, 4) 由 中 心 处 理 器 进 行 数 字 波 束 成 形 和 FFT 计 算, 计 算 后 向 散 射 功 率 和 多 普 勒 频 率, 进 而 反 演 目 标 的 分 布 和 运 动 ; 该 方 法 还 包 括 内 定 标 的 步 骤 : 所 述 数 字 收 发 组 件 的 模 拟 前 端 通 过 收 发 开 关 和 定 标 耦 合 器 及 开 关 组 合 控 制 雷 达 信 号 的 收 发, 以 单 独 标 定 每 个 收 发 组 件 的 发 射 机 及 接 收 机 的 幅 频 特 性 和 相 频 特 性, 检 测 发 射 机 匹 配 异 常 状 态, 通 过 对 每 个 收 发 组 件 的 发 射 链 路 及 接 收 链 路 的 增 益 和 相 位 进 行 监 测, 以 判 断 功 率 放 大 器 接 收 机 移 相 器 的 工 作 状 态 是 否 正 常, 检 测 到 的 各 个 单 元 的 幅 频 和 相 频 特 性, 在 波 束 合 成 之 前 可 进 行 数 字 补 偿, 以 减 小 系 统 误 差 2. 根 据 权 利 要 求 1 所 述 的 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 的 波 束 形 成 方 法, 其 特 征 在 于, 所 述 的 步 骤 3) 还 包 括 : 所 述 的 前 端 数 字 单 元 进 行 相 干 积 分 数 字 滤 波 和 数 字 正 交 检 波 后, 存 储 在 前 端 数 字 单 元 的 存 储 器 中 3. 根 据 权 利 要 求 1 所 述 的 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 的 波 束 形 成 方 法, 其 特 征 在 于, 该 方 法 还 包 括 同 步 的 步 骤 : 所 述 的 前 端 数 字 单 元 接 收 中 心 处 理 器 发 送 的 指 令 和 公 共 时 钟 信 号, 所 述 时 钟 信 号 可 以 采 用 时 钟 调 制 技 术, 将 同 步 触 发 信 号 通 过 时 钟 网 络 传 输, 所 述 同 步 时 钟 和 同 步 触 发 信 号 经 过 特 殊 的 标 定 算 法, 保 证 各 端 口 的 时 钟 信 号 同 步 4. 根 据 权 利 要 求 1 所 述 的 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 的 波 束 形 成 方 法, 其 特 征 在 于, 所 述 的 内 定 标 模 式 包 括 2 种 子 模 式 : 发 射 机 定 标 模 式 和 接 收 机 定 标 模 式 ; 所 述 的 接 收 机 定 标 模 式, 前 端 数 字 单 元 触 发 输 出 同 步 模 拟 信 号, 模 拟 信 号 经 过 开 关 组 合, 跳 过 功 率 放 大 器 直 接 馈 入 前 端 耦 合 器, 然 后 经 接 收 通 道 放 大 滤 波 后 进 行 采 集, 用 以 监 测 2

权 利 要 求 书 2/2 页 接 收 机 和 收 发 移 相 器 的 幅 相 特 性 ; 所 述 的 发 射 机 定 标 模 式, 前 端 数 字 单 元 输 出 的 同 步 模 拟 信 号 经 过 开 关 组 合, 馈 入 功 率 放 大 器 输 入 端, 经 功 率 放 大 的 信 号 在 进 入 天 线 发 射 的 过 程 中, 通 过 前 端 耦 合 器 耦 合 出 来 一 部 分, 跳 过 接 收 机 进 入 前 端 数 字 单 元 后 直 接 进 行 A/D 变 换, 用 以 检 测 发 射 机 的 幅 相 特 性 5. 根 据 权 利 要 求 1 所 述 的 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 的 波 束 形 成 方 法, 其 特 征 在 于, 该 方 法 还 进 一 步 包 括 收 发 组 件 进 行 交 叉 定 标 的 步 骤, 即 任 一 单 元 发 射 信 号, 任 一 其 它 单 元 可 通 过 单 元 天 线 的 互 藕 接 受 其 发 射 信 号, 通 过 任 意 一 对 单 元 的 交 叉 收 发 过 程, 标 定 一 对 单 元 之 间 的 同 步 时 钟 相 位 差, 通 过 改 变 发 射 信 号 初 相 以 及 对 接 收 信 号 相 位 加 权, 以 保 证 各 个 收 发 组 件 的 幅 相 一 致 性 3

1/7 页 一 种 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 及 其 波 束 形 成 方 法 技 术 领 域 [0001] 本 发 明 涉 及 用 于 实 现 雷 达 波 束 成 形 及 空 间 扫 描 的 相 控 阵 雷 达, 特 别 涉 及 一 种 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 及 其 波 束 形 成 方 法 背 景 技 术 [0002] 相 控 阵 雷 达 问 世 于 20 世 纪 60 年 代 末, 主 要 应 用 于 远 程 导 弹 的 预 警 20 世 纪 80 年 代 末, 随 着 计 算 机 超 大 规 模 集 成 电 路 固 态 微 波 功 率 放 大 器 数 字 移 相 器 等 设 备 与 器 件 的 日 趋 成 熟 和 成 本 的 下 降, 相 控 阵 雷 达 技 术 得 到 快 速 发 展, 并 在 军 事 上 得 到 广 泛 应 用 的 同 时, 逐 步 扩 展 到 民 用 领 域 [0003] 相 控 阵 雷 达 又 称 作 相 位 阵 列 雷 达, 是 一 种 以 改 变 雷 达 波 相 位 来 改 变 波 束 方 向 的 雷 达, 因 为 是 以 电 子 方 式 控 制 波 束 而 非 传 统 的 机 械 转 动 天 线 面 方 式, 故 又 称 电 子 扫 描 雷 达 [0004] 相 控 阵 雷 达 有 相 当 密 集 的 天 线 阵 列, 在 传 统 雷 达 天 线 面 的 面 积 上 可 安 装 上 千 个 相 控 阵 天 线, 任 何 一 个 天 线 都 可 收 发 雷 达 波, 而 相 邻 的 数 个 天 线 即 具 有 一 个 雷 达 的 功 能 扫 描 时, 选 定 其 中 一 个 区 块 ( 数 个 天 线 单 元 ) 或 数 个 区 块 对 单 一 目 标 或 区 域 进 行 扫 描, 因 此 整 个 雷 达 可 同 时 对 许 多 目 标 或 区 域 进 行 扫 描 或 追 踪, 具 有 多 个 雷 达 的 功 能 由 于 一 个 雷 达 可 同 时 针 对 不 同 方 向 进 行 扫 描, 再 加 之 扫 描 方 式 为 电 子 控 制 而 不 是 机 械 转 动, 因 此 资 料 更 新 率 大 大 提 高, 机 械 扫 描 雷 达 因 受 限 于 机 械 转 动 频 率 因 而 资 料 更 新 周 期 为 秒 或 十 秒 级, 电 子 扫 描 雷 达 则 为 毫 秒 或 微 秒 级 因 而, 它 更 适 于 对 付 高 机 动 目 标 此 外 由 于 可 发 射 窄 波 束, 因 而 也 可 充 当 电 子 战 雷 达 使 用, 如 电 磁 干 扰 甚 至 是 发 射 反 相 位 雷 达 波 来 抵 消 探 测 电 波 等 [0005] 相 控 阵 雷 达 的 显 著 优 点 包 括 : 雷 达 波 束 指 向 可 控, 改 变 波 束 指 向 灵 活 快 捷, 不 需 要 机 械 扫 描 ; 可 实 现 多 波 束 多 功 能, 可 以 几 乎 同 时 发 射 或 接 收 多 个 波 束 ; 利 用 分 布 式 固 态 发 射 机, 能 够 实 现 大 功 率 孔 径 积 和 可 变 功 率 孔 径 积, 发 射 功 率 大, 作 用 距 离 远 等 总 的 来 说, 相 控 阵 雷 达 技 术 解 决 了 波 束 指 向 快 速 切 换 和 发 射 功 率 的 限 制, 尤 其 适 用 于 探 测 快 速 运 动 目 标 和 多 目 标 [0006] 相 控 阵 雷 达 又 分 为 有 源 ( 主 动 ) 和 无 源 ( 被 动 ) 两 类 其 实, 有 源 和 无 源 相 控 阵 雷 达 的 天 线 阵 相 同, 二 者 的 主 要 区 别 在 于 发 射 / 接 收 元 素 的 多 少 无 源 相 控 阵 雷 达 仅 有 一 个 中 央 发 射 机 和 一 个 接 收 机, 发 射 机 产 生 的 高 频 能 量 经 计 算 机 自 动 分 配 给 天 线 阵 的 各 个 辐 射 器, 目 标 反 射 信 号 经 接 收 机 统 一 放 大 ( 这 一 点 与 普 通 雷 达 区 别 不 大 ) 有 源 相 控 阵 雷 达 的 每 个 辐 射 器 都 配 装 有 一 个 发 射 / 接 收 组 件, 每 一 个 组 件 都 能 自 己 发 射 接 收 电 磁 波, 因 此 在 频 宽 信 号 处 理 和 冗 度 设 计 上 都 比 无 源 相 控 阵 雷 达 具 有 较 大 的 优 势 正 因 为 如 此, 也 使 得 有 源 相 控 阵 雷 达 的 造 价 昂 贵, 工 程 化 难 度 加 大 [0007] 下 一 代 雷 达 系 统 在 提 高 应 用 灵 活 性 和 系 统 性 能 功 能 指 标 的 同 时, 必 须 满 足 用 户 对 雷 达 的 发 射 功 率 噪 声 系 数 线 性 度 等 技 术 指 标 的 要 求 这 些 要 求 可 以 通 过 将 数 字 电 路 尽 量 向 雷 达 天 线 扩 展 来 实 现 数 字 技 术 前 移 对 雷 达 的 灵 活 控 制 和 功 能 扩 展 起 到 关 键 作 用, 例 如 在 保 持 高 动 态 范 围 的 同 时 实 现 多 波 束, 自 适 应 干 扰 抑 制 和 多 功 能 雷 达 等 数 字 技 术 前 移 带 来 的 主 要 挑 战 是 雷 达 数 据 处 理 工 作 大 量 增 加, 需 要 采 用 分 层 次 分 布 式 的 处 理 方 法 实 现 4

2/7 页 大 量 雷 达 数 据 的 处 理 [0008] 新 式 雷 达 的 主 要 发 展 趋 势 之 一 是 实 现 数 字 化 收 发 组 件, 单 独 控 制 相 控 阵 雷 达 每 个 天 线 单 元 的 发 射 信 号 雷 达 回 波 信 号 在 前 端 首 先 进 行 预 处 理, 通 过 数 据 传 输 网 络 将 各 个 单 元 的 雷 达 回 波 信 号 送 回 中 心 处 理 器 后, 再 进 行 下 一 步 的 集 中 处 理 发 明 内 容 [0009] 本 发 明 的 目 的 在 于, 为 了 实 现 上 述 发 明 目 的, 将 数 字 收 发 组 件 的 概 念 应 用 于 相 控 阵 雷 达 系 统, 从 而 提 供 一 种 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 及 其 波 束 形 成 方 法 [0010] 为 了 实 现 上 述 发 明 目 的, 本 发 明 的 技 术 方 案 提 出 了 一 种 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达, 该 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 包 括 : 同 步 与 扫 描 控 制 系 统 数 据 处 理 机 有 源 相 控 天 线 阵 列 和 收 发 组 件 阵 列, 所 述 的 数 据 处 理 机, 用 于 生 成 各 个 天 线 单 元 的 独 立 的 发 射 信 号 波 形, 并 接 收 处 理 回 波 信 号 ; 其 特 征 在 于, 所 述 的 收 发 组 件 阵 列 为 数 字 收 发 组 件, 包 括 : 模 拟 前 端 功 率 放 大 器 低 噪 声 放 大 器 和 前 端 数 字 单 元, 所 述 的 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 还 包 括 一 中 心 处 理 器, 该 中 心 处 理 器 采 用 层 次 化 分 布 处 理 技 术 通 过 局 域 网 与 若 干 前 端 数 字 单 元 连 接, 用 于 设 置 所 有 前 端 数 字 单 元 的 工 作 模 式 和 波 形 数 据 并 接 收 基 带 数 据, 以 保 证 经 过 数 字 合 成 后 的 目 标 回 波 数 据 的 可 靠 性, 并 通 过 时 钟 网 络 向 前 端 数 字 单 元 发 送 公 共 时 钟 信 号, 以 保 证 各 端 口 的 时 钟 信 号 同 步 ; 所 述 的 若 干 个 前 端 数 字 单 元 分 别 对 应 地 分 布 在 天 线 阵 列 内, 且 每 个 前 端 数 字 单 元 与 一 个 收 发 组 件 配 套 ; 所 述 的 前 端 数 字 单 元 包 括 : 数 字 处 理 芯 片 接 口 电 路 直 接 数 字 合 成 器 DDS 模 数 变 换 器 DAC 模 数 变 换 器 ADC [0011] 作 为 上 述 技 术 方 案 的 一 种 改 进, 所 述 数 字 收 发 组 件 的 模 拟 前 端 具 有 收 发 开 关 和 定 标 耦 合 器 及 开 关 组 合, 用 于 控 制 雷 达 信 号 的 收 发, 以 单 独 标 定 每 个 收 发 组 件 的 发 射 机 及 接 收 机 的 幅 频 特 性 和 相 频 特 性, 检 测 发 射 机 匹 配 异 常 状 态 [0012] 作 为 上 述 技 术 方 案 的 一 种 改 进, 所 述 的 前 端 数 字 单 元 通 过 网 口 连 接 到 网 络 交 换 机, 再 采 用 多 个 交 换 机 级 联 的 方 式 将 所 有 设 备 连 接 到 一 起 并 连 接 到 中 心 处 理 器 [0013] 作 为 上 述 技 术 方 案 的 一 种 改 进, 所 述 的 前 端 数 字 单 元 与 收 发 组 件 之 间 通 过 射 频 信 号 接 口 收 发 信 号, 并 控 制 收 发 组 件 的 工 作, 控 制 接 口 采 用 多 路 开 关 量 和 RS485 异 步 串 口 [0014] 作 为 上 述 技 术 方 案 的 一 种 改 进, 所 述 的 同 步 与 扫 描 控 制 系 统 中 的 同 步 脉 冲 单 元 在 系 统 时 钟 驱 动 下, 根 据 主 机 通 过 网 络 传 来 的 脉 冲 重 复 周 期 等 参 数 自 动 产 生 同 步 脉 冲, 通 过 分 发 电 路 送 到 各 个 前 端 数 字 单 元 和 收 发 组 件, 以 保 证 系 统 的 相 参 性 [0015] 作 为 上 述 技 术 方 案 的 一 种 改 进, 所 述 的 收 发 组 件 工 作 于 内 定 标 模 式 或 工 作 模 式 ; [0016] 所 述 的 内 定 标 模 式, 通 过 对 每 个 收 发 组 件 的 发 射 链 路 及 接 收 链 路 的 增 益 和 相 位 进 行 监 测, 以 判 断 功 率 放 大 器 接 收 机 移 相 器 的 工 作 状 态 是 否 正 常, 检 测 结 果 同 时 用 于 进 行 单 元 一 致 性 校 正 ; [0017] 所 述 的 工 作 模 式, 经 过 校 准 的 收 发 组 件 将 以 一 定 脉 冲 重 复 频 率 产 生 的 发 射 信 号, 并 经 由 移 相 器 功 率 放 大 后 馈 送 到 天 线, 天 线 阵 列 将 合 成 波 束 向 空 间 设 定 方 向 辐 射 ; 接 收 信 号 时, 由 天 线 接 收 到 的 目 标 回 波 信 号 经 前 置 滤 波 低 噪 声 放 大 器 AGC 移 相 器 后 送 至 A/D 端 口, 前 端 数 字 单 元 完 成 数 字 正 交 检 波 等 处 理 后 通 过 高 速 网 络 传 回 主 控 计 算 机 进 行 后 续 数 据 处 理 [0018] 本 发 明 还 提 供 了 一 种 分 布 式 有 源 相 控 阵 雷 达 的 波 束 形 成 方 法, 该 方 法 的 步 骤 包 5

3/7 页 括 : [0019] 1) 首 先 由 数 据 处 理 机 生 成 各 个 天 线 单 元 的 独 立 的 发 射 信 号 波 形, 发 射 信 号 波 形 的 数 据 再 通 过 主 控 计 算 机 以 及 通 讯 网 络 下 载 到 前 端 数 字 单 元, 由 前 端 数 字 单 元 中 的 DDS 和 数 模 变 换 器 DAC 产 生 同 步 模 拟 发 射 信 号 ; [0020] 2) 所 述 的 同 步 模 拟 发 射 信 号 波 形 再 由 收 发 组 件 中 的 功 率 放 大 器 经 移 相 器 移 相 后 强 制 馈 电 至 各 个 天 线 单 元, 由 天 线 阵 列 向 空 间 特 定 方 向 辐 射 ; [0021] 3) 电 磁 波 信 号 遇 到 目 标 后 发 生 散 射, 其 中 后 向 散 射 的 回 波 信 号 通 过 每 个 天 线 接 收 后, 经 每 个 收 发 组 件 内 的 低 噪 声 放 大 器 进 行 放 大, 移 相 器 移 相 后 直 接 由 前 端 数 字 单 元 对 回 波 信 号 进 行 采 样, 并 进 行 相 干 积 分 数 字 滤 波 和 数 字 正 交 检 波, 再 通 过 局 域 网 传 输 至 主 控 计 算 机, [0022] 4) 由 中 心 处 理 器 进 行 数 字 波 束 成 形 和 FFT 计 算, 计 算 后 向 散 射 功 率 和 多 普 勒 频 率, 进 而 反 演 目 标 的 分 布 和 运 动 [0023] 作 为 上 述 技 术 方 案 的 一 种 改 进, 所 述 的 步 骤 3) 还 包 括 : 所 述 的 前 端 数 字 单 元 进 行 数 字 正 交 检 波 数 字 滤 波 相 干 积 累 后, 存 储 在 前 端 数 字 单 元 的 存 储 器 中 [0024] 作 为 上 述 技 术 方 案 的 一 种 改 进, 该 方 法 还 包 括 同 步 的 步 骤 : 所 述 的 前 端 数 字 单 元 接 收 中 心 处 理 器 发 送 的 指 令 和 公 共 时 钟 信 号, 所 述 时 钟 信 号 可 以 采 用 时 钟 调 制 技 术, 将 同 步 触 发 信 号 通 过 时 钟 网 络 传 输, 所 述 同 步 时 钟 和 同 步 触 发 信 号 经 过 特 殊 的 标 定 算 法, 保 证 各 端 口 的 时 钟 信 号 同 步 [0025] 作 为 上 述 技 术 方 案 的 一 种 改 进, 该 方 法 还 包 括 内 定 标 的 步 骤 : [0026] 所 述 数 字 收 发 组 件 的 模 拟 前 端 通 过 收 发 开 关 和 定 标 耦 合 器 及 开 关 组 合 控 制 雷 达 信 号 的 收 发, 以 单 独 标 定 每 个 收 发 组 件 的 发 射 机 及 接 收 机 的 幅 频 特 性 和 相 频 特 性, 检 测 发 射 机 匹 配 异 常 状 态, 通 过 对 每 个 收 发 组 件 的 发 射 链 路 及 接 收 链 路 的 增 益 和 相 位 进 行 监 测, 以 判 断 功 率 放 大 器 接 收 机 移 相 器 的 工 作 状 态 是 否 正 常, 检 测 到 的 各 个 单 元 的 幅 频 和 相 频 特 性, 在 波 束 合 成 之 前 可 进 行 数 字 补 偿, 以 减 小 系 统 误 差 [0027] 作 为 上 述 技 术 方 案 的 一 种 改 进, 所 述 的 内 定 标 模 式 包 括 2 种 子 模 式 : 发 射 机 定 标 模 式 和 接 收 机 定 标 模 式 ; [0028] 所 述 的 接 收 机 定 标 模 式, 前 端 数 字 单 元 输 出 模 拟 同 步 发 射 信 号, 模 拟 同 步 发 射 信 号 经 过 开 关 组 合, 跳 过 功 率 放 大 器 直 接 馈 入 前 端 耦 合 器, 然 后 经 接 收 通 道 放 大 滤 波 后 进 行 采 集, 用 以 监 测 接 收 机 和 收 发 移 相 器 的 幅 相 特 性 ; [0029] 所 述 的 发 射 机 定 标 模 式, 前 端 数 字 单 元 输 出 模 拟 同 步 发 射 信 号 经 过 开 关 组 合, 馈 入 功 率 放 大 器 输 入 端, 经 功 率 放 大 的 信 号 在 进 入 天 线 发 射 的 过 程 中, 通 过 前 端 耦 合 器 耦 合 出 来 一 部 分, 跳 过 接 收 机 进 入 前 端 数 字 单 元 后 直 接 进 行 A/D 变 换, 用 以 检 测 发 射 机 的 幅 相 特 性 ; [0030] 本 雷 达 设 计 了 独 特 的 收 发 组 件 内 定 标 模 式, 通 过 内 定 标 模 式 可 以 实 时 测 量 每 个 收 发 组 件 中 发 射 链 路 和 接 收 链 路 的 增 益 和 相 位 延 迟, 在 此 条 件 下, 可 以 通 过 不 同 单 元 的 交 叉 定 标 方 法 实 时 测 量 不 同 天 线 单 元 时 钟 的 相 位 误 差, 进 而 在 数 据 处 理 算 法 中 补 偿 该 相 位 误 差 的 影 响, 提 高 雷 达 性 能 [0031] 作 为 上 述 技 术 方 案 的 一 种 改 进, 该 方 法 还 进 一 步 包 括 收 发 组 件 进 行 交 叉 定 标 的 步 骤, 即 任 一 单 元 发 射 信 号, 任 一 其 它 单 元 可 通 过 单 元 天 线 的 互 藕 接 收 其 发 射 信 号, 通 过 任 意 6

4/7 页 一 对 单 元 的 交 叉 收 发 过 程, 可 标 定 一 对 单 元 之 间 的 同 步 时 钟 相 位 差, 通 过 改 变 发 射 信 号 初 相 以 及 对 接 收 信 号 相 位 加 权, 可 以 保 证 各 个 收 发 组 件 的 幅 相 一 致 性 [0032] 本 发 明 的 优 点 在 于, 本 发 明 将 数 字 收 发 组 件 的 概 念 应 用 于 相 控 阵 雷 达 系 统, 技 术 上 采 用 全 分 布 式 全 固 态 的 发 射 机 大 口 径 的 平 面 阵 列 有 源 相 控 天 线 阵 超 高 灵 敏 度 大 动 态 的 数 字 接 收 分 布 式 内 定 标 和 交 叉 定 标 高 速 网 络 双 向 数 据 传 输 先 进 的 数 据 和 信 号 集 中 处 理 技 术 以 及 实 时 图 像 终 端 等 本 发 明 的 分 布 式 相 控 阵 雷 达 突 出 特 点 是 具 有 很 高 灵 活 性 各 个 收 发 组 件 的 发 射 信 号 可 以 根 据 应 用 需 求 单 独 产 生, 每 个 收 发 组 件 的 回 波 信 号 可 以 单 独 处 理, 处 理 后 的 雷 达 回 波 通 过 低 成 本 局 域 网 络 送 回 中 心 处 理 器, 数 据 处 理 方 式 灵 活, 可 以 实 现 雷 达 功 能 的 灵 活 配 置 总 之,1. 实 现 了 相 控 阵 雷 达 收 发 组 件 的 内 定 标 ;2. 实 现 了 相 控 阵 雷 达 收 发 组 件 的 外 定 标 ;3. 实 现 了 相 控 阵 雷 达 收 发 组 件 一 致 性 的 实 时 测 量 ;4. 实 现 了 相 控 阵 雷 达 收 发 组 件 一 致 性 的 实 时 补 偿 ;5. 提 高 了 相 控 阵 雷 达 的 性 能 附 图 说 明 [0033] 图 1 本 发 明 的 全 分 布 式 相 控 阵 雷 达 的 系 统 框 图 [0034] 图 2 本 发 明 的 前 端 数 字 单 元 的 信 号 处 理 示 意 图 [0035] 图 3 本 发 明 的 交 叉 定 标 的 原 理 示 意 图 具 体 实 施 方 式 [0036] 为 了 更 好 地 理 解 本 发 明 的 技 术 方 案, 下 面 结 合 附 图 和 具 体 实 施 例 对 本 发 明 作 进 一 步 地 描 述 [0037] 如 图 1 所 示, 一 种 分 布 式 相 控 阵 雷 达 包 括 依 次 连 接 的 雷 达 天 线 阵 列 数 字 收 发 组 件 阵 列 时 钟 分 布 网 络 局 域 网 中 心 处 理 器, 所 述 中 心 处 理 器 通 过 局 域 网 与 所 有 数 字 收 发 组 件 连 接 ; 其 特 征 在 于, 所 述 数 字 收 发 组 件 包 括 模 拟 前 端 功 率 放 大 器 低 噪 声 放 大 器 前 端 数 字 单 元 组 成 ; 所 述 局 域 网 采 用 光 纤 双 绞 线 等 有 线 介 质 ; 所 述 中 心 处 理 器 采 用 层 次 化 分 布 处 理 技 术 [0038] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 天 线 阵 列 可 以 工 作 于 单 一 极 化 模 式 双 极 化 模 式 或 全 极 化 模 式 [0039] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 收 发 组 件 可 以 单 独 控 制, 使 每 个 单 元 相 互 独 立 的 工 作 于 收 或 发 状 态 [0040] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 收 发 组 件 可 工 作 于 交 叉 定 标 状 态, 即 任 一 单 元 发 射 信 号, 任 一 其 它 单 元 可 通 过 单 元 天 线 的 互 藕 接 受 其 发 射 信 号, 以 标 定 各 个 收 发 组 件 的 一 致 性 [0041] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 数 字 收 发 组 件 模 拟 前 端 具 有 收 发 开 关 和 定 标 耦 合 器 及 开 关 组 合, 可 以 控 制 雷 达 信 号 的 收 发 可 以 单 独 标 定 每 个 收 发 组 件 的 发 射 机 及 接 收 机 的 幅 频 特 性 和 相 频 特 性 可 以 在 检 测 发 射 机 匹 配 异 常 状 态 [0042] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 发 射 机 具 备 驻 波 保 护 装 置, 可 以 在 检 测 到 发 射 机 匹 配 异 常 状 态 后 自 动 断 电 [0043] 上 述 技 术 方 案 中, 在 发 射 机 检 测 到 匹 配 异 常 断 电 后, 经 过 一 段 时 间 后 自 动 启 动 [0044] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 接 收 机 不 需 要 对 回 波 信 号 进 行 下 变 频 处 理 [0045] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 前 端 数 字 单 元 控 制 发 射 机 的 发 射 信 号 幅 度 相 位 和 波 形 发 7

5/7 页 射 机 的 发 射 波 形 可 以 通 过 局 域 网 实 时 从 中 心 处 理 器 下 载 [0046] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 前 端 数 字 单 元 可 以 预 存 大 量 预 先 计 算 好 的 发 射 波 形, 根 据 应 用 需 求 将 指 定 的 波 形 送 到 模 拟 数 字 变 换 器 后, 经 由 发 射 机 放 大 [0047] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 前 端 数 字 单 元 直 接 采 用 高 速 模 拟 数 字 变 换 器, 对 接 收 机 输 出 的 射 频 信 号 进 行 欠 采 样 后 数 字 化, 数 字 化 的 射 频 信 号 经 数 字 变 频 后 生 成 基 带 信 号, 基 带 信 号 经 降 采 样 率 数 字 相 位 检 波 和 幅 度 相 位 预 处 理 后, 通 过 局 域 网 送 到 中 心 处 理 器 [0048] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 基 带 信 号 可 以 进 行 指 定 次 数 的 相 干 积 分, 提 高 回 波 信 号 信 噪 比 并 降 低 数 据 量 后, 经 局 域 网 送 到 中 心 处 理 器 [0049] 上 述 技 术 方 案 中, 前 端 数 字 单 元 接 收 中 心 处 理 器 发 送 的 指 令 和 公 共 时 钟 信 号, 所 述 时 钟 信 号 可 以 采 用 时 钟 调 制 技 术, 将 同 步 触 发 信 号 通 过 时 钟 网 络 传 输, 所 述 同 步 时 钟 和 同 步 触 发 信 号 经 过 特 殊 的 标 定 算 法, 保 证 各 端 口 的 时 钟 信 号 同 步 [0050] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 前 端 数 字 单 元 控 制 发 射 机 和 接 收 机 的 周 期 性 定 标 [0051] 上 述 技 术 方 案 中, 所 述 中 心 处 理 器 包 括 分 层 次 的 网 络 交 换 机 和 分 层 次 的 信 号 处 理 机, 多 台 下 位 信 号 处 理 机 分 别 处 理 一 定 数 量 单 元 的 回 波 信 号, 进 行 初 级 波 束 合 成, 一 台 上 位 信 号 处 理 机 接 收 下 位 处 理 机 的 处 理 结 果, 并 进 行 最 终 的 波 束 合 成 [0052] 全 分 布 相 控 阵 雷 达 主 要 模 块 有 天 线 阵 列 收 发 组 件 分 布 式 前 端 数 字 单 元 波 束 合 成 系 统 信 号 处 理 系 统 数 据 处 理 系 统 用 户 终 端 等 技 术 上 应 用 高 可 靠 性 全 固 态 发 射 机 低 噪 声 大 动 态 范 围 接 收 机 有 源 相 控 阵 列 天 线 数 字 信 号 处 理 实 时 图 像 终 端 等 新 技 术 和 工 艺, 具 有 高 灵 敏 度 大 动 态 可 靠 性 高 使 用 维 护 方 便 等 特 点 可 全 天 候 连 续 自 动 观 测 数 据 处 理 以 及 运 行 监 控 和 标 校 [0053] 雷 达 工 作 时, 首 先 由 主 控 计 算 机 控 制 产 生 雷 达 工 作 时 序, 控 制 各 个 前 端 数 字 单 元 产 生 同 步 发 射 信 号 该 信 号 在 T/R 组 件 中 经 过 移 相 放 大 后, 再 经 过 天 馈 系 统 辐 射 出 去, 在 空 间 进 行 功 率 合 成, 将 能 量 集 中 到 某 一 波 束 方 向 上 电 磁 波 信 号 遇 到 目 标 后 发 生 散 射, 其 中 后 向 散 射 信 号 经 雷 达 天 线 接 收 后 在 T/R 组 件 中 放 大 移 相 后 在 前 端 数 字 单 元 中 进 行 数 字 正 交 检 波 数 字 滤 波 相 干 积 累 后, 存 储 在 前 端 数 字 单 元 存 储 器 中, 最 后 由 下 位 机 通 过 以 太 网 获 取 所 有 单 元 的 数 据 存 储 于 磁 盘 阵 列, 在 上 位 机 中 进 行 数 字 波 束 成 形 和 FFT 计 算, 计 算 后 向 散 射 功 率 和 多 普 勒 频 率, 进 而 反 演 目 标 的 分 布 和 运 动 [0054] 实 施 例 1 [0055] 雷 达 工 作 时, 首 先 由 数 据 处 理 机 生 成 各 个 天 线 单 元 的 独 立 的 发 射 信 号 波 形, 波 形 数 据 通 过 主 控 计 算 机 以 及 通 讯 网 络 下 载 到 收 发 组 件 中 的 前 端 数 字 单 元 信 号 发 射 时, 前 端 数 字 单 元 将 波 形 数 据 通 过 模 数 变 换 器 (DAC) 变 成 模 拟 发 射 信 号, 模 拟 发 射 信 号 由 收 发 组 件 中 的 功 率 放 大 器 经 移 相 器 移 相 后 强 制 馈 电 至 72 个 天 线 单 元, 由 天 线 向 空 间 特 定 方 向 辐 射 8 位 移 相 器 可 以 提 供 发 射 和 接 收 信 号 的 相 位 偏 移, 相 移 步 长 为 2 每 个 T/R 组 件 的 峰 值 发 射 功 率 为 750W 信 号 接 收 时, 每 个 天 线 接 收 的 回 波 信 号 由 每 个 收 发 组 件 内 的 低 噪 声 放 大 器 进 行 放 大, 经 移 相 器 后 直 接 由 前 端 数 字 单 元 对 回 波 信 号 进 行 采 样 经 过 相 干 积 分 数 字 滤 波 和 数 字 正 交 检 波 后 在 前 端 数 字 单 元 的 控 制 下, 通 过 千 兆 网 络 由 收 发 组 件 传 输 至 主 控 计 算 机, 进 行 后 续 的 数 字 处 理 [0056] 本 实 施 例 中, 雷 达 系 统 结 构 如 图 1 所 示 72 个 前 端 数 字 单 元 分 布 在 天 线 阵 列 内, 每 个 前 端 数 字 单 元 与 一 个 收 发 组 件 配 套 前 端 数 字 单 元 与 收 发 组 件 之 间 通 过 射 频 信 号 接 口 8

6/7 页 收 发 信 号 同 时, 收 发 组 件 的 工 作 受 到 前 端 数 字 单 元 的 控 制, 控 制 接 口 采 用 多 路 开 关 量 和 RS485 异 步 串 口 所 有 前 端 数 字 单 元 通 过 网 口 连 接 到 网 络 交 换 机 采 用 多 个 交 换 机 级 联 的 方 式 将 所 有 设 备 连 接 到 一 起 并 连 接 到 主 控 计 算 机, 控 制 流 程 如 图 2 所 示 主 控 计 算 机 上 运 行 监 控 程 序 用 于 设 置 所 有 前 端 数 字 单 元 的 工 作 模 式 和 波 形 数 据 并 接 收 基 带 数 据 [0057] 为 了 保 证 系 统 的 相 参 性, 前 端 数 字 单 元 的 同 步 脉 冲 和 参 考 时 钟 需 要 统 一 分 发 其 中 时 钟 统 一 产 生 后 做 分 发, 共 需 要 73 路, 其 中 72 路 分 配 给 所 有 收 发 组 件,1 路 保 留 作 为 时 钟 测 试 端 口 同 步 脉 冲 单 元 在 系 统 时 钟 驱 动 下, 根 据 主 机 通 过 网 络 传 来 的 脉 冲 重 复 周 期 等 参 数 自 动 产 生 同 步 脉 冲, 通 过 分 发 电 路 送 到 各 个 前 端 数 字 单 元 和 收 发 组 件 [0058] 收 发 组 件 的 工 作 模 式 有 两 种 : 内 定 标 模 式 和 工 作 模 式 内 定 标 模 式 下, 通 过 对 每 个 收 发 组 件 的 发 射 链 路 及 接 收 链 路 的 增 益 和 相 位 进 行 监 测, 以 判 断 功 率 放 大 器 接 收 机 移 相 器 等 主 要 器 件 的 工 作 状 态 是 否 正 常 内 定 标 模 式 包 括 2 种 子 模 式 : 发 射 机 定 标 模 式 和 接 收 机 定 标 模 式 接 收 机 定 标 模 式 下, 前 端 数 字 单 元 输 出 同 步 模 拟 信 号, 模 拟 信 号 经 过 开 关 组 合, 跳 过 功 率 放 大 器 直 接 馈 入 前 端 耦 合 器, 然 后 经 接 收 通 道 放 大 滤 波 后 进 行 采 集, 这 一 方 法 可 以 监 测 接 收 机 和 收 发 移 相 器 的 幅 相 特 性 ; 发 射 机 定 标 模 式 下, 前 端 数 字 单 元 输 出 同 步 模 拟 信 号, 经 过 开 关 组 合, 馈 入 功 率 放 大 器 输 入 端, 经 功 率 放 大 的 信 号 在 进 入 天 线 发 射 的 过 程 中, 通 过 前 端 耦 合 器 耦 合 出 来 一 部 分, 进 入 前 端 数 字 单 元 后 直 接 进 行 A/D 变 换, 用 以 检 测 发 射 机 的 幅 相 特 性 工 作 模 式 下, 经 过 校 准 的 收 发 组 件 将 以 一 定 脉 冲 重 复 频 率 产 生 的 发 射 信 号 经 由 移 相 器 功 率 放 大 后 馈 送 到 天 线, 天 线 阵 列 将 合 成 波 束 向 空 间 设 定 方 向 辐 射 接 收 信 号 时, 由 天 线 接 收 到 的 目 标 回 波 信 号 经 前 置 滤 波 低 噪 声 放 大 器 AGC 移 相 器 等 环 节 送 至 A/ D 端 口, 前 端 数 字 单 元 完 成 数 字 正 交 检 波 等 处 理 后 通 过 高 速 网 络 传 回 主 控 计 算 机 进 行 后 续 数 据 处 理 前 端 数 字 单 元 可 以 根 据 主 控 计 算 机 下 达 的 指 令 调 整 内 校 准 模 式 和 工 作 模 式 的 参 数, 保 证 了 经 过 数 字 合 成 后 的 目 标 回 波 数 据 的 可 靠 性 [0059] 本 雷 达 设 计 了 独 特 的 收 发 组 件 内 定 标 模 式, 通 过 内 定 标 模 式 可 以 实 时 测 量 每 个 收 发 组 件 中 发 射 链 路 和 接 收 链 路 的 增 益 和 相 位 延 迟, 在 此 条 件 下, 可 以 通 过 不 同 单 元 的 交 叉 定 标 方 法 实 时 测 量 不 同 天 线 单 元 时 钟 的 相 位 误 差, 进 而 在 数 据 处 理 算 法 中 补 偿 该 相 位 误 差 的 影 响, 提 高 雷 达 性 能 [0060] 以 两 个 单 元 间 的 相 位 误 差 为 例 在 系 统 部 署 完 毕 后, 其 中 一 个 单 元 的 发 射 信 号 可 通 过 近 场 耦 合 或 天 线 旁 瓣 进 入 另 一 个 单 元 的 天 线 并 被 接 收 由 于 两 个 单 元 是 在 相 参 时 钟 和 同 步 信 号 的 推 动 下 工 作 的, 所 以 可 以 通 过 分 析 接 收 信 号 获 得 相 移 值, 该 相 移 值 由 如 下 部 分 相 加 构 成 : 发 射 起 始 相 位, 发 射 通 道 相 移, 发 射 天 线 旁 瓣 相 移, 空 间 传 输 相 移, 接 收 天 线 旁 瓣 相 移, 接 收 通 道 相 移, 接 收 起 始 相 位, 如 图 3 所 示 上 述 因 素 中, 发 射 和 接 收 通 道 相 移 是 可 以 通 过 前 述 内 定 标 测 量, 两 个 单 元 之 间 的 空 间 相 移 是 固 定 不 变 的 进 行 交 叉 定 标 时, 首 先 设 置 其 中 一 个 单 元 处 于 发 射 状 态, 另 一 个 单 元 处 于 接 收 状 态, 记 录 接 收 相 位 后, 后 再 交 换 两 个 单 元 的 收 发 方 向, 再 次 记 录 一 个 接 收 相 位 由 于 天 线 的 发 射 和 接 收 相 位 特 性 可 以 互 易, 所 以 求 取 上 述 两 个 相 移 值 之 差 应 为 两 个 单 元 固 有 相 位 相 差 的 2 倍 由 此 可 以 计 算 出 上 述 两 个 单 元 同 步 工 作 所 需 的 相 位 矫 正 量 [0061] 上 述 实 施 例 的 主 要 参 数 如 下 表 : 9

7/7 页 [0062] [0063] 最 后 所 应 说 明 的 是, 以 上 实 施 例 仅 用 以 说 明 本 发 明 的 技 术 方 案 而 非 限 制 尽 管 参 照 实 施 例 对 本 发 明 进 行 了 详 细 说 明, 本 领 域 的 普 通 技 术 人 员 应 当 理 解, 对 本 发 明 的 技 术 方 案 进 行 修 改 或 者 等 同 替 换, 都 不 脱 离 本 发 明 技 术 方 案 的 精 神 和 范 围, 其 均 应 涵 盖 在 本 发 明 的 权 利 要 求 范 围 当 中 10

附 图 1/2 页 图 1 11

附 图 2/2 页 图 2 图 3 12