《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》是中國電子科技集團公司第三十八研究所於2014年6月27日申請的發明專利，該專利申請號為2014103062156，公布號為CN104133209A，專利公布日為2014年11月5日，發明人是孫國強、樊浩、田芳寧。
《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》包括以下步驟：接收m路射頻回波信號；將每路射頻回波信號分成n路，將n×m路射頻回波信號經波束合成為在俯仰堆疊的n路波束信號；接收n路波束信號，將n路波束信號變為預定電平的n路中頻信號；將每路中頻信號功分放大且等電平分為兩路信號；一路信號進行目標信號處理，另一路信號進行氣象信號處理；將目標信號處理數據與氣象信號處理數據在同時進行數據顯示。通過俯仰上採用多波束同時掃描、方位上機掃的方案在實現探測飛機等目標的距離、方位、高度等坐標信息的同時，完成了氣象信息的探測，大大提高了氣象數據率。該發明還涉及能實現該方法的一體化雷達系統。
2020年7月17日，《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法
- 公布號：CN104133209A
- 公布日：2014年11月5日
- 申請號：2014103062156
- 申請日：2014年6月27日
- 申請人：中國電子科技集團公司第三十八研究所
- 地址：安徽省合肥市高新技術開發區香樟大道199號
- 發明人：孫國強、樊浩、田芳寧
- 代理機構：深圳市博銳專利事務所
- 代理人：張明
- Int.Cl.：G01S13/42(2006.01)I；G01S13/95(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2014年6月，多數三坐標目標搜尋雷達通常都不具備指定空域的氣象探測能力，少數三坐標目標搜尋雷達擁有氣象探測能力，但為了保證雷達的目標搜尋功能和氣象探測功能的實現，採用獨立的兩個工作模式，兩個模式只能進行分時工作，即在進行氣象探測的時候不進行目標搜尋，或在目標搜尋的時候不進行氣象探測，也就是說氣象信息探測和目標搜尋在同一時間內只能保留一個，也就是在對覆蓋空域進行氣象探測的同時喪失了對目標進行搜尋的能力，在對目標進行搜尋的同時喪失了對覆蓋空域氣象信息的探測能力。
在氣候多變或重要飛行保障的區域，需要不間斷地檢測空中目標的飛行坐標信息和區域氣象信息，截至2014年6月，普遍的方法是使用兩台雷達，一台用於空中飛行目標搜尋引導，一台用於對相應空域進行氣象探測，使用這種方法可以解決空中目標三坐標信息和氣象信息不能同時獲取的問題。
但同時布置兩套雷達設備也帶來了3個新問題：一是增加了設備的購置和維護成本；二是兩台雷達均需要配置操作維護人員增加了人力成本；三是兩台雷達的陣地布置都需要一個無遮擋的空間，除了基地建設成本大幅度增加外，還要有足夠的空間，以避免兩個雷達互相遮擋和相互干擾問題。實際使用中，由於空間位置的限制，如艦船、島礁等，難以同時部署兩套雷達。
發明內容
專利目的
《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》的目的在於提供一種目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及目標搜尋和氣象探測的一體化處理方法，該一體化雷達系統及其一體化處理方法不但能夠同時進行目標搜尋和氣象探測，而且不需要建設兩個雷達陣地，避免了兩個雷達間的互相影響，減少了人員配置和設備購置維護成本，解決了空間位置相對較小的區域不能同時進行目標搜尋和氣象探測的問題。
技術方案
《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》包括以下步驟：接收m路射頻回波信號；將每路射頻回波信號分成n路，將n×m路射頻回波信號經波束合成為在俯仰堆疊的n路波束信號，該n路波束信號為n路射頻信號，該n路波束信號按預定的波束指向和寬度覆蓋整個仰角空域；接收該n路波束信號，將該n路波束信號變為預定電平的n路中頻信號；將每路中頻信號功分放大且等電平分為兩路信號；一路信號進行目標信號處理，另一路信號進行氣象信號處理；將目標信號處理數據與氣象信號處理數據在同時進行數據顯示。
作為上述方案的進一步改進，在每路射頻回波信號分成n路之前，將每路射頻回波信號進行限幅使信號電平在預定的範圍內。優選地，將限幅後的每路射頻回波信號進行低噪聲放大。
作為上述方案的進一步改進，接收該n路波束信號時，先對該n路波束信號分別進行補償再轉變為該n路中頻信號。優選地，該n路中頻信號先進一步信號放大，再功分放大且等電平分為兩路信號。
該發明還提供能實現上述目標搜尋和氣象探測的一體化處理方法的一種目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統，該一體化雷達系統包括陣列天線、波束形成模組、接收模組、功分放大模組、目標信號處理模組、氣象信號處理模組、終端模組；其中，該陣列天線接收m路射頻回波信號；該波束形成模組將每路射頻回波信號分成n路，將n×m路射頻回波信號經波束合成為在俯仰堆疊的n路波束信號，該n路波束信號為n路射頻信號，該n路波束信號按預定的波束指向和寬度覆蓋整個仰角空域；該接收模組接收該n路波束信號，將該n路波束信號變為預定電平的n路中頻信號；該功分放大模組將每路中頻信號功分放大且等電平分為兩路信號：一路信號傳送至該目標信號處理模組進行目標信號處理，另一路信號傳送至該氣象信號處理模組進行氣象信號處理；該終端模組將目標信號處理數據與氣象信號處理數據在同時進行數據顯示。
作為上述方案的進一步改進，該目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統還包括限幅放大模組，該限幅放大模組包括m組限幅器和m組低噪聲放大器，該m組限幅器將m路射頻回波信號進行限幅使信號電平在預定的範圍內，該m組低噪聲放大器將限幅後的每路射頻回波信號進行低噪聲放大後送給該波束形成模組。
作為上述方案的進一步改進，該波束形成模組包括波束合成器和m個1:n的分配器，該m個1:n的分配器將每路射頻回波信號分成n路送給該波束合成器，該波束合成器將n×m路射頻回波信號經波束合成為在俯仰堆疊的n路波束信號，該n路波束信號為n路射頻信號，該n路波束信號按預定的波束指向和寬度覆蓋整個仰角空域，該n路射頻信號送給該接收模組。
作為上述方案的進一步改進，該接收模組包括n個補償放大器、n個混頻器和n箇中頻放大器，該n個補償放大器對該n路射頻信號分別進行補償，補償後的n路射頻信號和一個預定的本振信號通過該n個混頻器分別進行混頻而變為n路中頻信號，然後使用n箇中頻放大器分別對n個混頻器產生的中頻信號進一步放大並送給該功分放大模組。
作為上述方案的進一步改進，該功分放大模組包括n個功分器和n個放大器，該n路中頻信號先由該n個功分器功分且等電平分為兩路信號，然後再由該n個放大器放大。
改善效果
《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》通過俯仰上採用多波束同時掃描、方位上機掃的方案在實現探測飛機等目標的距離、方位、高度等坐標信息的同時，完成了氣象信息的探測，大大提高了氣象數據率，在只增加了一個功分放大模組和信號處理模組的情況下，便實現了傳統使用一台搜尋雷達和一台氣象雷達組合的功能。該一體化設計不僅能有效縮減製造成本，節省了額外的人員配置以及基地建設，還提高了指定空域的氣象數據率。
附圖說明
圖1是《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》較佳實施方式提供的目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統的硬體框圖。
圖2是圖1中限幅放大模組的硬體框圖。
圖3是圖1中波束形成網路模組的硬體示意圖。
圖4是圖1中接收模組的硬體框圖。
圖5是圖1中功分放大模組的硬體框圖。
圖6是圖1中氣象信號處理模組的軟體框圖。
圖7是圖1種目標信號處理模組的軟體框圖。
技術領域
《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》屬於雷達技術領域，涉及目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及目標搜尋和氣象探測的一體化處理方法，具體涉及空中飛行目標的三維坐標定位和氣象信息探測的一體化設計方法。
權利要求
1.《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》的特徵在於：其包括以下步驟：接收m路射頻回波信號；將每路射頻回波信號分成n路，將n×m路射頻回波信號經波束合成為在俯仰堆疊的n路波束信號，該n路波束信號為n路射頻信號，該n路波束信號按預定的波束指向和寬度覆蓋整個仰角空域；接收該n路波束信號，將該n路波束信號變為預定電平的n路中頻信號；將每路中頻信號功分放大且等電平分為兩路信號；一路信號進行目標信號處理，另一路信號進行氣象信號處理；將目標信號處理數據與氣象信號處理數據在同時進行數據顯示。
2.如權利要求1所述的目標搜尋和氣象探測的一體化處理方法，其特徵在於：在每路射頻回波信號分成n路之前，將每路射頻回波信號進行限幅使信號電平在預定的範圍內。
3.如權利要求2所述的目標搜尋和氣象探測的一體化處理方法，其特徵在於：將限幅後的每路射頻回波信號進行低噪聲放大。
4.如權利要求1所述的目標搜尋和氣象探測的一體化處理方法，其特徵在於：接收該n路波束信號時，先對該n路波束信號分別進行補償再轉變為該n路中頻信號。
5.如權利要求4所述的目標搜尋和氣象探測的一體化處理方法，其特徵在於：該n路中頻信號先進一步信號放大，再功分放大且等電平分為兩路信號。
6.一種目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統，其特徵在於，其包括陣列天線、波束形成模組、接收模組、功分放大模組、目標信號處理模組、氣象信號處理模組、終端模組；其中，該陣列天線接收m路射頻回波信號；該波束形成模組將每路射頻回波信號分成n路，將n×m路射頻回波信號經波束合成為在俯仰堆疊的n路波束信號，該n路波束信號為n路射頻信號，該n路波束信號按預定的波束指向和寬度覆蓋整個仰角空域；該接收模組接收該n路波束信號，將該n路波束信號變為預定電平的n路中頻信號；該功分放大模組將每路中頻信號功分放大且等電平分為兩路信號：一路信號傳送至該目標信號處理模組進行目標信號處理，另一路信號傳送至該氣象信號處理模組進行氣象信號處理；該終端模組將目標信號處理數據與氣象信號處理數據在同時進行數據顯示。
7.如權利要求6所述的目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統，其特徵在於：其還包括限幅放大模組，該限幅放大模組包括m組限幅器和m組低噪聲放大器，該m組限幅器將m路射頻回波信號進行限幅使信號電平在預定的範圍內，該m組低噪聲放大器將限幅後的每路射頻回波信號進行低噪聲放大後送給該波束形成模組。
8.如權利要求6所述的目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統，其特徵在於：該波束形成模組包括波束合成器和m個1:n的分配器，該m個1:n的分配器將每路射頻回波信號分成n路送給該波束合成器，該波束合成器將n×m路射頻回波信號經波束合成為在俯仰堆疊的n路波束信號，該n路波束信號為n路射頻信號，該n路波束信號按預定的波束指向和寬度覆蓋整個仰角空域，該n路射頻信號送給該接收模組。
9.如權利要求6所述的目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統，其特徵在於：該接收模組包括n個補償放大器、n個混頻器和n箇中頻放大器，該n個補償放大器對該n路射頻信號分別進行補償，補償後的n路射頻信號和一個預定的本振信號通過該n個混頻器分別進行混頻而變為n路中頻信號，然後使用n箇中頻放大器分別對n個混頻器產生的中頻信號進一步放大並送給該功分放大模組。
10.如權利要求6所述的目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統，其特徵在於：該功分放大模組包括n個功分器和n個放大器，該n路中頻信號先由該n個功分器功分且等電平分為兩路信號，然後再由該n個放大器放大。
實施方式
為了實現在指定空域對目標進行搜尋的同時還能實時探測該空域氣象信息，《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》提出了一種目標搜尋和氣象探測的一體化處理方法。該一體化處理方法主要包括以下步驟：接收m路射頻回波信號；將每路射頻回波信號分成n路，將n×m路射頻回波信號經波束合成為在俯仰堆疊的n路波束信號，該n路波束信號為n路射頻信號，該n路波束信號按預定的波束指向和寬度覆蓋整個仰角空域；接收該n路波束信號，將該n路波束信號變為預定電平的n路中頻信號；將每路中頻信號功分放大且等電平分為兩路信號；一路信號進行目標信號處理，另一路信號進行氣象信號處理；將目標信號處理數據與氣象信號處理數據在同時進行數據顯示。
在每路射頻回波信號分成n路之前，可將每路射頻回波信號進行限幅使信號電平在預定的範圍內，並還可將限幅後的每路射頻回波信號進行低噪聲放大。在接收該n路波束信號時，可先對該n路波束信號分別進行補償再轉變為該n路中頻信號，該n路中頻信號還可先進一步信號放大，再功分放大且等電平分為兩路信號。
該一體化處理方法的實現方式具體為採用目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統。該目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統採用陣列多波束三坐標雷達技術體制，即發射為賦形波束、接收時形成n個同時多波束覆蓋相應的仰角。該目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統的硬體框圖如圖1所示。
如圖1所示，該目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統包括陣列天線1、限幅放大模組2、波束形成模組3、接收模組4、功分放大模組5、目標信號處理模組6、氣象信號處理模組7、終端模組8。通過功分放大模組5將接收模組4輸出的中頻信號分為兩路信號分別送給目標信號處理模組6和氣象信號處理模組7進行實時處理，最後把兩個模組輸出的數據送給一個終端模組8，終端模組8同時處理並顯示氣象和搜尋目標信息。
陣列天線1接收m路射頻回波信號，將接收到的該m路射頻回波信號送給限幅放大模組2。
限幅放大模組2保證接收模組4收到的信號電平在一定的範圍內，滿足接收模組4動態範圍的要求。當然，在其它實施方式中，限幅放大模組2也可以不設定。限幅放大模組2的硬體框圖如圖2所示，限幅放大模組2包括m組限幅器21和m組低噪聲放大器22。
該m組限幅器21將m路射頻回波信號進行限幅使信號電平在預定的範圍內，該m組低噪聲放大器22將限幅後的每路射頻回波信號進行低噪聲放大後送給該波束形成模組3。
如果收到的回波信號電平過高將首先被限幅器21限幅以避免對後面器件的影響，通過限幅器21的信號經過低噪聲放大器22放大後送給波束形成模組3。
波束形成模組3用於合成覆蓋俯仰角的n個接收波束，波束形成模組3的硬體框圖如圖3所示，波束形成模組3包括波束合成器31和m個1:n的分配器32。
m個1:n的分配器32將每路射頻回波信號分成n路送給波束合成器31，波束合成器31將n×m路射頻回波信號經波束合成為在俯仰堆疊的n路波束信號，該n路波束信號為n路射頻信號，該n路波束信號按預定的波束指向和寬度覆蓋整個仰角空域，該n路射頻信號送給該接收模組4。也就是說，限幅放大模組2將輸出的m路射頻回波信號送給波束形成模組3的m個分配器32，分配器32將每路射頻回波信號分成n路送給波束合成器31，波束合成器31將n×m路射頻回波信號合成為在俯仰堆疊的n路波束信號，波束形成模組3形成的n路射頻信號送給接收模組4。
接收模組4主要功能是將射頻信號下變頻為預定電平的中頻信號。接收模組4的硬體框圖如圖4所示，接收模組4包括n個補償放大器41、n個混頻器42和n箇中頻放大器43。n個補償放大器41對該n路射頻信號分別進行補償，補償後的n路射頻信號和一個預定的本振信號通過n個混頻器42分別進行混頻而變為n路中頻信號，然後使用n箇中頻放大器43分別對n個混頻器42產生的中頻信號進一步放大並送給功分放大模組5。也就是說，波束合成器31在合成每路波束信號時會有一定的損耗，在接收模組4中首先使用n個補償放大器41對其分別進行補償。補償後的射頻信號和本振信號通過混頻器42變為中頻信號，然後使用中頻放大器43對混頻器42產生的中頻信號進一步放大。接收模組4將輸出的n路中頻信號送給功分放大模組5。
功分放大模組5主要功能是將接收模組4輸出的中頻信號等電平分為兩路信號。功分放大模組5的硬體框圖如圖5所示，功分放大模組5包括n個功分器51和n個放大器52，該n路中頻信號先由該n個功分器51功分且等電平分為兩路信號，然後再由該n個放大器52放大。功分放大模組5將接收模組4輸出的n路中頻回波信號的每路功分放大為兩路，為了保證較高的接收動態和通道間的隔離度，採用先功分再放大的設計方案，保持功分放大模組5的輸入與輸出接口電平等性能相同，然後一組中頻回波信號送給氣象信號處理模組6，另外一組同時送給目標信號處理模組7。
圖6是氣象信號處理模組6的軟體框圖，氣象信號處理模組6處理從功分放大模組5輸出的其中一路的中頻信號，提取出氣象數據。氣象信號處理模組6包括以下步驟：模數變換（A/D）、脈衝壓縮、濾波和氣象信息提取。中頻回波信號先經過模數變換將功分放大模組5送來的中頻回波信號變為數位訊號，隨後經過數字脈衝壓縮和數字濾波（對於氣象信息的數字濾波主要是用於對地物抑制的信號濾波，通常使用有限脈衝回響（FIR）或無限脈衝回響（IIR）濾波器組）等過程處理後交給信息提取處理器進行信息提取處理。在信息提取處理中將回波信號經DVIP處理提取出氣象目標強度，經PPP處理提取出氣象速度及速度譜寬等信息，並能將提取的信息進行數據綜合併通過光纖送給終端模組8。氣象信號處理模組6將輸出的信號傳送給終端模組8的氣象終端模組，氣象終端模組進行後續的二次產品處理及顯示。
圖7是目標信號處理模組7的軟體框圖。目標信號處理模組7處理從功分放大模組5輸出的另外一路的中頻信號，提取出飛行目標的方位、距離和高度的原始數據信息。目標信號處理模組7的處理方式與氣象信號處理模組6的處理方式類似，它也包括模數變換（A/D）、脈衝壓縮、濾波和信息提取。回波信號首先通過正交採樣，完成接收回波信號的A/D變換。回波信號經過A/D變換將功分放大模組5送來的中頻回波信號變為數位訊號，隨後經過數字脈衝壓縮和數字濾波等過程處理後交給信息提取處理器進行信息提取處理。在這裡經過脈衝壓縮後的回波信號分別送給了時變加權AMTI濾波器和譜分析器，AMTI濾波可以完成時變加權AMTI濾波，譜分析器可以完成回波譜特性的分析。經過時變加權AMTI濾波器濾波後的數據送給信息提取器。在信息提取器中經求模、取對數處理後送給恆虛警檢測（CFAR），恆虛警檢測後的信號經過點跡凝聚最後輸出送給終端模組8處理和顯示。
兩組信號分別通過氣象信號處理模組6和目標信號處理模組7，將提取的目標和氣象數據送給同一個終端模組8進行進一步的提取和顯示。該終端模組8可包括多個顯示設備，可同時對從兩個通道處理和提取的數據進行進一步處理和顯示。
該發明通過使用一個功分放大模組5將接收模組4輸出的信號分為兩路信號，分別輸出到兩個不同的信號處理模組，同時實現指定空域的氣象信息探測和空中目標搜尋，還大大提高了氣象數據率。
該目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統採用陣列多波束三坐標雷達技術體制，即發射為賦形波束、接收時形成n個同時多波束覆蓋相應的仰角。陣列天線1的天線陣面接收的射頻回波信號經波束合成形成n個同時接收波束，按一定的波束指向和寬度覆蓋整個仰角空域。接收模組4收到的n路回波信號經低損耗射頻電纜傳輸至功分放大模組5，將每路射頻回波功分放大為兩路，一路送給氣象信號處理模組6，另一路送給目標信號處理模組7。在氣象處理模組6中對回波信號進行氣象信息的提取和處理，將得到的氣象目標強度、速度和譜寬等氣象數據綜合後送給終端模組8進行氣象產品的生成和顯示。在目標信號處理模組7中通過相關信號處理後的回波信號經求模、恆虛警處理形成n路過門限信號和目標幅度數據，點跡凝聚後送終端模組8進行數據處理和顯示。
榮譽表彰
2020年7月17日，《目標搜尋和氣象探測的一體化雷達系統及其方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。
