CN109613525A - 一维转动一维mimo雷达的快速全空域告警方法及*** - Google Patents
一维转动一维mimo雷达的快速全空域告警方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一维转动一维MIMO雷达的快速全空域告警方法及***;在雷达近距工作模式下,MIMO雷达天线发射宽波束,覆盖方位或俯仰维度。俯仰或方位维度通过一维机构转动,扫描覆盖全空域。所述一维机构包含机座、Y轴框架、轴承和驱动组件。这种MIMO雷达天线宽波束与一维机构相结合的方式,使搜索速度非常快,成本低,搜索方式简单,尤其适合近距快速全空域搜索。
Description
技术领域
本发明涉及航天领域,尤其涉及一种一维转动一维MIMO雷达的快速全 空域告警方法及***,可应用于近距离模式全空域的快速搜索领域。
背景技术
雷达在近距搜索模式下,多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)雷达全向发射相互正交的信号,使得多发射波形在空间不能同相位 叠加,这样发射波束无法形成高增益的窄波束,而是形成低增益的宽波束, 因此发射波束能够覆盖很宽的扇区。MIMO雷达在接收时,采用数字延时或 波束形成(Digital Beam Forming,DBF)技术形成多个高增益的数字接收波束, 多波束将覆盖发射宽波束所照射的空域范围,由于发射宽波束照射一个角度 很宽的扇区,这使MIMO雷达几乎可以始终探测到很广的区域范围。因此, 在近距搜索条件下,满足搜索威力的情况,MIMO雷达结合一维机构能够实 现全空域的快速搜索。
一种基于星载雷达的相扫机扫结合的空域搜索方法(CN102680968A), 在俯仰维采用相位扫描、在方位维采用机械扫描的搜索方法。一种基于全空 域预警一维旋转相控阵雷达的快速搜索方法(CN106249230A)中,方位维 采用机械扫描,俯仰维采用相位扫描的搜索同步进行的方法。两种方法在空 域搜索的过程中都需要进行相位波位扫描,扫描速度相对较慢,扫描方式复 杂,并且专利一在搜索的过程中需要停机构。
通过MIMO雷达天线发射宽波束覆盖整个方位维度,方位维不需要扫 描,俯仰维为结合一维机构扫描覆盖整个空域。因此,本发明扫描速度非常 快,扫描方式简单,在搜索全空域的过程中机构不需要停止,便于实现,成 本低。
发明内容
本发明的目的在于提供一维转动一维MIMO雷达的快速全空域告警方 法及***,利用MIMO雷达发射的宽波束能够覆盖很宽的空域范围,同时结 合一维机构在俯仰维的机动特性,达到近距全空域快速搜索的目的。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是提供一种一维转动一维MIMO 雷达***,在雷达近距工作模式下,MIMO雷达天线发射宽波束,覆盖第一 维度;并且,通过一维机构在第二维度转动,扫描覆盖全空域;第一维度是 方位维度,第二维度是俯仰维度;或者,第一维度是俯仰维度,第二维度是 方位维度。
可选地,所述一维机构包含机座、Y轴框架、轴承和驱动组件;对应于 第二维度的搜索范围为[-αmax,αmax],搜索角速度为Δθ°/s,Y轴的转动带动 MIMO雷达天线在第二维度的运动,以及送出天线指向角度信息,实时获得 天线位置角度信息。
可选地,所述轴承是真空镀钼角接触球轴承,同时承受径向和轴向载荷。
可选地,所述驱动机构包含步进电机、谐波减速器和旋转变压器,对一 维机构的转动速度与转动角度进行控制。
可选地,所述MIMO雷达天线为线性布阵,在第二维度的方向以每一列 M个阵元为一个阵列,在空间形成窄波束,构成阵列数为N的一维MIMO, 子阵之间没有重叠;各个子阵均发射覆盖相同范围的低增益宽波束;同一子 阵内的各个阵元间发射的信号相同,而每个子阵之间发射的信号是相互正交 的。
可选地,MIMO天线阵元为收发共用的,阵元间距为d;阵元数目为M ×N,第二维度对应方向的阵元数目为M,第一维度对应方向的阵元数目为 N。
可选地,MIMO雷达天线在空间发射宽波束覆盖空间的一维度,阵元间 距为d,阵元间发射的波形相互正交;MIMO雷达天线接收窄波束,并通过 数字波束形成实现同时多波束,以覆盖发射宽波束所照射的整个区域。
可选地,各个子阵的发射正交信号集:
Sn=[sn(1),sn(2),...,sn(M)]T (6)
其中,n=1,2,…,N;
子阵的加权矢量:
W=[w1,w2,...,wN]T (7)
以相位加权方式:
构建的发射导向矢量:
A(θ)=[a1(θ),a2(θ),...,aN(θ)]T (9)
其中,m=1,2,...,N,λ为波长,θ为发射波束与 阵面法线方向的夹角;
MIMO雷达天线的发射方向图基于下式获得:
本发明的另一个技术方案在于提供一种一维转动MIMO雷达的快速全 空域告警方法,适用于上述任意一种一维转动一维MIMO雷达***;
所述快速全空域告警方法,包括以下的快速搜索过程:
通过MIMO雷达阵列天线,在第一维度和第二维度产生固定形状的搜索 波束,在第二维发射宽度为θe的波束,结合一维机构在第二维度对应方向转 动实现空间第二维度的覆盖;在第一维发射波束宽度为θa的宽波束,覆盖空 间第一维度;
一维机构在第二维度对应的方向从起始位置-αmax开始搜索,在波束指 向的当前位置接收回波;一维机构每隔Δθ转动一次,一维机构转动到下一 位置,并处理前一位置的回波,检测目标;
如果搜索到达终点位置αmax,则结束搜索,全空域搜索完毕,一维机构 停止转动;期间,如果搜索到目标,转入跟踪状态,并结束全空域搜索。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、扫描速度快
与公开号CN102680968A和公开号CN106249230A的专利比较,本发明 在方位维度通过MIMO雷达发射宽波束覆盖方位向(或俯仰向),俯仰(或 方位)维度通过一维机构扫描覆盖整个空域。因此,本发明在通过MIMO雷 达天线发射宽波束覆盖空间的一维度,并且扫描整个空域的过程中不需要停 一维机构,扫描速度快,扫描方式简单。
2、一维机构设计简单
本发明一维机构组成简单,扫描方式简单,并且在扫描整个空域过程中 不需要停止机构,增加了一维机构的使用寿命。
3、MIMO雷达天线通用性强
由于MIMO雷达天线发射的波束形状可以是全向波束、宽波束和多波 束。因此,可以根据实际需求选择一种合适的波形。同时MIMO雷达天线发 射方向图可控自由度远大于一般的相控阵天线,而且MIMO雷达阵列布阵方 式多样,因此可以通过设计合适的阵元间距与布阵方式实现全空域。
4、重量轻
由于MIMO雷达天线在近距离模式下实现全空域搜索时,可以用很少的 阵元即可以实现,同时MIMO雷达天线阵元间距可以比一般相控阵天线阵元 间距大。因此,与一般相控阵天线相比MIMO雷达天线重量要轻。
5、便于实现
一维机构与MIMO雷达相结合,其中,一维机构组成简单,便于设计; MIMO雷达天线由M×N个阵元组成,阵列之间相互正交,只需要N个接收 通道。因此,本发明的一维转动一维MIMO雷达***组成简单,无需额外硬 件,便于实现。
6、成本低
一般的MIMO雷达实现全空域搜索,至少需要两个MIMO雷达天线实 现全空域搜索。因此,本发明通过一维机构与MIMO雷达相结合成本要低。
附图说明
图1是MIMO雷达与一维机构结合示意图;
图2是MIMO雷达天线示意图;
图3是MIMO雷达天线发射宽波束示意图;
图4是MIMO雷达天线接收窄波束示意图;
图5是天线俯仰波束方向图;
图6是天线方位波束方向图;
图7是本发明全空域搜索流程图;
图8是波束扫描方式图。
具体实施方式
本发明提供一维转动一维MIMO雷达的快速全空域告警方法及***,在 雷达近距工作模式下,MIMO雷达天线发射宽波束,覆盖方位(或俯仰)维 度。俯仰(或方位)维度通过一维机构转动,扫描覆盖全空域。这种MIMO 雷达天线宽波束与一维机构相结合的方法,搜索速度非常快,成本低,搜索 方式简单,尤其适合近距快速全空域搜索。
一维转动一维MIMO雷达***主要包含两个部分,一维机构的设计和 MIMO雷达天线的设计。其中,一维机构的设计,包括机构布局的设计,转 动方式的设计,驱动方式的设计和机构参数的设计。MIMO雷达天线的设计, 包括布阵方式的设计、阵元间距的设计和MIMO雷达天线方向图的设计。 MIMO雷达天线方向图的设计,MIMO雷达天线发射宽波束接收窄波束。
下文以方位维度通过MIMO雷达天线发射宽波束覆盖整个方位向,俯仰 维度通过一维机构扫描覆盖整个空域为例来说明。
如图1所示的一维机构,主要包含机座1、Y轴框架6、轴承和驱动组件。 轴承是指向机构传动的重要部件,选用真空镀钼角接触球轴承,能够同时承 受径向和轴向载荷。
转动方式的设计,是使本发明的一维机构Y轴框架在俯仰维度做转动, 实现俯仰维度的空域覆盖。驱动方式的设计,是使驱动机构主要由步进电机 3、谐波减速器4和旋转变压器5集成在一起,实现一维机构的转动速度与转 动角度的控制。
机构参数的设计包括俯仰维搜索范围的设计和搜索角速度的设计。俯仰 搜索范围设计为[-amax,αmax],在综合控制器的控制下,驱动Y轴转动。搜索 角速度设计为Δθ°/s,Y轴的转动带动MIMO雷达天线2在俯仰维的运动。 并送出天线指向角度信息,实时获得天线位置角度信息。
如图2所示,MIMO雷达天线为线性布阵,在俯仰方向以每一列M个阵 元为一个阵列,阵列数为N,子阵之间没有重叠。各个子阵均发射覆盖相同 范围的低增益宽波束。同一子阵内的各个阵元间发射的信号相同,而每个子 阵之间发射的信号是相互正交的。因发射波形相互正交,所以各子阵发射波 束在空间中不会产生相互干扰。
本发明的MIMO天线阵元为收发共用的,阵元间距为d。阵元数目为M ×N,俯仰向阵元数目为M,方位向阵元数目为N。
MIMO雷达天线方向图的设计是,MIMO雷达天线发射宽波束接收窄波 束,如图3和图4所示。其中,图3MIMO雷达天线发射宽波束示意图,MIMO 雷达天线在空间发射宽波束覆盖空间的一维度,阵元间距为d,阵元间发射 的波形相互正交。图4MIMO雷达天线接收窄波束示意图,MIMO雷达天线 接收窄波束,并通过数字波束形成实现同时多波束,以覆盖发射宽波束所照 射的整个区域。
本发明以方位向发射宽波束为例进行MIMO雷达天线发射方向图的设 计。构建各个子阵的发射正交信号集:
Sn=[sn(1),sn(2),...,sn(M)]T (11)
其中,n=1,2,…,N。
构建子阵的加权矢量:
W=[w1,w2,...,wN]T (12)
本发明以相位加权方式:
构建发射导向矢量:
A(θ)=[a1(θ),a2(θ),...,aN(θ)]T (14)
其中,m=1,2,...,N,λ为波长,θ为发射波束与阵面法线 方向的夹角。
天线发射方向图基于下式获得:
如图7所示,本发明的一维转动MIMO雷达的快速全空域告警方法,包 括以下的快速搜索步骤:
步骤一、如图5和图6所示,在方位维和俯仰维通过MIMO雷达阵列天 线设计,产生固定形状的搜索波束,在俯仰维发射宽度为θe的波束,在方位 维发射波束宽度为θa的宽波束,覆盖空间方位维度。
图5是天线俯仰波束方向图,MIMO雷达天线在俯仰维度发射宽度为θe的波束,结合一维机构在俯仰方向转动实现空间俯仰维度的覆盖。图6是天 线方位波束方向图,在方位向阵列之间相互正交,在方位维MIMO雷达天线 发射波束宽度为θa的宽波束。因此,在方位向通过宽波束实现空间方位维度 覆盖。
步骤二、一维机构在俯仰方向,机构从搜索起始位置-αmax开始搜索,波 束指向位置1,并在位置1处接收回波1。
步骤三、一维机构每隔Δθ转动一次,MIMO雷达波束扫描示意图如图8 所示。一维机构转动到下一位置,即位置2,波束指向位置2,并在位置2 处接收回波2。同时信号处理机处理回波1,并检测目标,记录检测结果。此 时将回波2送入信号处理机。
根据图8的波束扫描方式图,在方位维度通过MIMO雷达天线发射宽波 束覆盖整个方位向感兴趣的区域,一维机构在俯仰向从起始位置开始搜索, 直到搜索终点位置结束搜索。
步骤四、判断全空域搜索是否结束,如果搜索到终点位置αmax处,则结 束搜索,全空域搜索完毕,一维机构停止转动。如果全空域搜索没有结束, 则进入下一步。
步骤五、如果位置1没有检测到目标,则返回步骤三,继续进入下一位 置搜索;如果位置1搜索到目标,转入跟踪状态,并结束全空域搜索。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识 到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述 内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的 保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种一维转动一维MIMO雷达***,其特征在于,
在雷达近距工作模式下,MIMO雷达天线发射宽波束,覆盖第一维度;并且,通过一维机构在第二维度转动,扫描覆盖全空域;第一维度是方位维度,第二维度是俯仰维度;或者,第一维度是俯仰维度,第二维度是方位维度。
2.如权利要求1所述一维转动一维MIMO雷达***,其特征在于,
所述一维机构包含机座、Y轴框架、轴承和驱动组件;对应于第二维度的搜索范围为[-αmax,αmax],搜索角速度为Δθ°/s,Y轴的转动带动MIMO雷达天线在第二维度的运动,以及送出天线指向角度信息,实时获得天线位置角度信息。
3.如权利要求1所述一维转动一维MIMO雷达***,其特征在于,
所述MIMO雷达天线为线性布阵,在第二维度的方向以每一列M个阵元为一个阵列,在空间形成窄波束,构成阵列数为N的一维MIMO,子阵之间没有重叠;各个子阵均发射覆盖相同范围的低增益宽波束;同一子阵内的各个阵元间发射的信号相同,而每个子阵之间发射的信号是相互正交的。
4.如权利要求1所述一维转动一维MIMO雷达***,其特征在于,
MIMO天线阵元为收发共用的,阵元间距为d;阵元数目为M×N,第二维度对应方向的阵元数目为M,第一维度对应方向的阵元数目为N。
5.如权利要求1所述一维转动一维MIMO雷达***,其特征在于,
MIMO雷达天线在空间发射宽波束覆盖空间的一维度,阵元间距为d,阵元间发射的波形相互正交;MIMO雷达天线接收窄波束,并通过数字波束形成实现同时多波束,以覆盖发射宽波束所照射的整个区域。
6.如权利要求3所述一维转动一维MIMO雷达***,其特征在于,
各个子阵的发射正交信号集:
Sn=[sn(1),sn(2),...,sn(M)]T (1)
其中,n=1,2,…,N;
子阵的加权矢量:
W=[w1,w2,...,wN]T (2)
以相位加权方式:
构建的发射导向矢量:
A(θ)=[a1(θ),a2(θ),...,aN(θ)]T (4)
其中,λ为波长,θ为发射波束与阵面法线方向的夹角;
MIMO雷达天线的发射方向图基于下式获得:
7.一种一维转动一维MIMO雷达的快速全空域告警方法,适用于权利要求1-6中任意一项所述的一维转动一维MIMO雷达***,其特征在于,所述快速全空域告警方法,包括以下的快速搜索过程:
通过MIMO雷达阵列天线,在第一维度和第二维度产生固定形状的搜索波束,在第二维发射宽度为θe的波束,结合一维机构在第二维度对应方向转动实现空间第二维度的覆盖;在第一维发射波束宽度为θa的宽波束,覆盖空间第一维度;
一维机构在第二维度对应的方向从起始位置-αmax开始搜索,在波束指向的当前位置接收回波;一维机构每隔Δθ转动一次,一维机构转动到下一位置,并处理前一位置的回波,检测目标;
如果搜索到达终点位置αmax,则结束搜索,全空域搜索完毕,一维机构停止转动;期间,如果搜索到目标,转入跟踪状态,并结束全空域搜索。
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