CN102439479A - 雷达系统 - Google Patents

Abstract

一种用于根据由具有多个子阵列（6）的相控阵列（4）接收到的信号形成扫描的接收波束的雷达系统，包括多个相位单元（8），每个相位单元（8）被配置为从一个或多个子阵列接收所述信号。每个相位单元（8）包括波形发生器（18），其被配置为生成具有与时变相移相对应的频率的模拟波形。每个波形发生器（18）被布置为以数字方式生成模拟波形，并输出接收信号与波形的比较，其结合时变相移。该系统还包括组合单元（10），其被配置为将来自多个相位单元（8)的输出组合以形成扫描的接收波束。

Description

雷达系统

技术领域

本发明涉及从相控阵列天线接收信号的雷达系统。特别地，雷达系统控制接收波束以在区域上进行扫描。

背景技术

已知的雷达系统具有宽波束发射天线以用雷达脉冲照亮宽阔的区域。该信号被地面散射，导致回波信号被雷达系统接收到。来自更接近于雷达系统的地面点的回波在来自距离雷达系统更远的地面点的那些之前被接收到。通常，来自近地面点和远地面点的回波之间的时间延迟将超过所发射的脉冲的持续时间。因此，在任何一个时间点处，从被照亮的地面区域的仅一部分接收回波。可以使用比发射所需的更窄的天线波束来接收雷达回波。需要较窄的波束来随着时间扫描横过地面区域，以便跟踪回波信号的源的运动。

已知使用切换延迟线路来使接收波束进行扫描。相控阵列天线包括多个天线子阵列。形成阵列的天线子阵列中的每一个具有切换延迟线路，通过该切换延迟线路来接收雷达信号。切换延迟线路引入延迟，其能够在离散值之间进行选择以使接收波束进行扫描。然而，切换延迟需要有限的时间量，通常为几十纳秒。在切换期间，接收波束的特性是不确定的。另外，接收波束必须足够宽以保证其总是覆盖即时回波范围。每当波束扫描切换时，地面上的点将看到接收波束增益模式中的不同点。回波中的切换点对于不同地面位置而言将是不同的。因此，脉冲持续时间内的增益补偿是困难的，沿远离雷达系统的方向使脉冲响应功能退化。

还已知使用能够单独地从阵列的每个子阵列接收信号并使其数字化的数字波束成形器，例如根据FRONT END TECHNOLOGY FOR DIGITAL BEAMFORMING SAR Christoph Heer，Christian Fischer，Christoph Schaefer IGARSS 2008。数字波束成形器然后以数字方式施加所需要的延迟/相位位移，并以数字方式将信号组合。每个子阵列（或相位中心）需要其自己的抗混叠滤波器和数字转换器，其对于每个相位中心而言必须匹配且在信号链上是采样时序同步的。这导致具有相当大的复杂性的系统。

发明内容

本发明在第一方面提供一种用于根据由具有多个子阵列的相控阵列接收到的信号形成扫描的接收波束的雷达系统，该系统包括：多个相位单元，每个都被配置为从一个或多个子阵列接收所述信号；其中，每个相位单元包括波形发生器，其被配置为生成具有与时变相移相对应的频率的模拟波形；以及其中，每个波形发生器被布置为以数字方式生成模拟波形，并且每个相位单元被配置为输出接收信号与所述波形的比较，该输出结合了时变相移，并且该系统还包括被配置为将来自所述多个相位单元的输出组合以形成扫描的接收波束的组合单元。

因此，本发明提供了一种能够使接收波束快速且连续地扫描的改进的雷达系统。

附图说明

将参考附图仅以示例的方式描述本发明：

图1是已进行扫描的接收波束的示意性横截面图；

图2是形成本发明的雷达系统的一部分的相控阵列天线的示意性平面图；

图3是示出本发明的实施方式的图；以及

图4是示出形成本发明的一部分的直接数字合成发生器的图。

具体实施方式

图1示出被配置为检查地面100上的特征的根据本发明的雷达系统1。优选地，将雷达系统1安装在相对于地面100移动的平台中，并且特别地可以将该雷达系统1安装在卫星或飞行器中。雷达系统1优选地侧向地看，即垂直于雷达系统1的移动方向。雷达系统1可以用作合成孔径雷达。

如图1所示，雷达系统1侧向地且向下看。雷达系统1正在行进至页面中（或从页面中出来）。雷达系统1可以包括用一系列雷达脉冲照亮地面的条带（swath）102的发射天线。该发射天线具有相对宽的波束。为了从条带102接收反射回波，雷达系统1的接收波束扫描横过条带102。接收波束是相对窄的波束，从相对窄的区域104接收回波。接收波束区域104扫描横过条带102，在条带102的近部分处开始并在条带102的远部分处终止，如箭头106所指示地移动。接收波束横过条带102的扫描是连续的，并且在发射脉冲之间的时间间隔内完成。接收波束的移动速率基本上与接收回波的源移动横过条带102的速率匹配。接收波束与覆盖整个条带宽度102的波束相比具有更高的增益且更快的衰减（roll-off）。特别地，接收波束具有比发射波束更高的增益。这导致改善的仪器灵敏度和降低的范围模糊度。接收波束区域104可以在约10至400μs之间的时段内扫描横过条带102。

图2示出形成雷达系统1的一部分的包括多个子阵列6的相控阵列4。相控阵列4优选地包括在5和30个之间的子阵列6。子阵列6接收回波雷达信号，并且还可以可选地发射雷达发射脉冲。子阵列6是布置成行的细长元件。子阵列6具有总体上与雷达系统1的行进方向对准的纵轴。所示的阵列4的正面面对侧向，并且优选地向下成角度。

雷达系统包括多个相位单元8。相位单元8被连接至每个子阵列6。相位单元8从每个子阵列6接收信号14。相位单元8根据由子阵列6接收到的信号形成具有受控宽度和方向的接收波束。相位单元8有效地向由每个子阵列接收到的信号中引入相移。以函数的形式横过阵列4控制该相移。特别地，引入的相移是阵列4内的子阵列6的位置的线性函数，例如，如线9所示的那样。相位单元8因此形成接收波束。相位单元8随着时间改变所引入的相移，导致接收波束随着时间扫描横过区域。可以将相位单元8视为每个从相邻相位单元8选择具有特定相位差的接收信号的一部分，其随着时间而改变。下面描述相位单元8的其它细节。

具有波束扫描相移的接收信号被相位单元8输出，并且被组合单元10组合。组合单元10产生输出信号12。如下文将描述的，进一步处理输出信号12。

阵列4定义具有中心间隔d的N个相位中心。每个相位中心由单个子阵列6生成。可以通过横过阵列4向N个相位中心施加相移?_n通过角θ的变化使接收波束进行扫描。相移?_n如下：

?_n = 2πnsin(θ)d/λ,

其中，λ是波段中心处的波长，并且n是整数。

优选地随着时间使波束线性地扫描。因此，θ = kt，其中，k是定义波束扫描速率的常数，

 ?_n=  2πnsin(kt)d/λ，

对于小扫描角而言，?_n ≈ 2πnktd/λ。通常，?小于5°，并且因此sin(kt) ≈ kt的近似值是有效的。

优选地，每个子阵列6是等间距的，并且形成向相邻子阵列6引入不同相位的相位中心。相邻子阵列之间的相位差横过阵列4是相同的，为?_n = 2πnktd/λ。

相移?_n 随着时间线性地改变，并因此等效于f_n = nkd/λ的小频移，被称为偏移频率。雷达系统1利用偏移频率以便接收波束扫描横过条带102。

图3示出用于使用偏移频率f_n来形成接收波束的设备。从子阵列6接收多个信号14，每个相位中心一个信号。多个相位单元8中的每个都包括混频器16和本机振荡器。每个信号14被馈送到混频器16的第一输入端。每个混频器16的第二输入端接收本机振荡器波形。本机振荡器波形是以数字方式生成的模拟波形，优选地在波形发生器18中使用直接数字合成（DDS）生成。直接数字合成是已知的，并且下面描述DDS波形发生器18的优选实施例。

雷达系统1包括用于每个混频器16的单独直接数字合成发生器18，使得每个混频器16能够接收唯一频率。混频器16和DDS发生器18一起形成如关于图2所述的相位单元8。

来自天线俯仰（elevation）相位中心的信号14在混频器16中与来自发生器18的其自己的本机振荡器频率混频而得到共用标称中间频率。

来自每个混频器16的输出22在组合单元10中被组合，在那里对输出信号22求和。组合信号12被传递至反射镜带阻滤波器24。反射镜带阻滤波器24去除由混频器16生成的不想要的频率。所使用的共用标称中间频率优选地是信号14与发生器18之间的频率差。可以认为在反射镜带阻滤波器24的输出端处实现所需波束成形。

反射镜带阻滤波器24的输出被传递至接收机。接收机包括抗混叠滤波器26和模拟到数字转换器（ADC）28。接收波束被数字化为单通道。只需要一个抗混叠滤波器26和ADC 28，因此不需要匹配和同步。

优选地，存在用于由子阵列6生成的每个天线俯仰相位中心的单独混频器。替换地，由于所需的扫描角是小的，所以可以通过将一个混频器16耦合至一组多个子阵列6，通过向各组相位中心施加所需的相移来获得适当的性能。一组中的每个子阵列6将具有所施加的相同相移。这减少了所需的混频器16的数目。作为示例，形成相位中心的5或6组子阵列6可能是适当的。

现在将略述使用直接数字合成（DDS）的波形发生器的功能。多个DDC发生器18中的每个都生成不同的频率。被耦合到相邻子阵列6的DDS发生器18生成相差恒定频率（其为偏移频率f_n）的频率。因此，任何DDS发生器18将产生与中心相位中心频率相差最小频率偏移f_n的整数倍的频率。由DDS发生器18生成的频率优选地是相应子阵列位置的线性函数。

直接数字合成发生器18产生频率f_LO,n，其从基础频率f_LO偏移波束扫频所需施加的偏移频率。因此，f_LO,n = f_LO + p.f_n（或者f_LO,n = f_LO – p.f_n，如果产生的本机振荡器频率小于信号频率），其中，整数p与相位中心相对于中心相位中心的位置有关。

由每个波形发生器18生成的频率是单个频率，其为基础频率f_LO与施加的偏移频率p.f_n的和（或差）。基础频率f_LO为每个发生器18所共用。施加的偏移频率优选地是每个发生器18所唯一的，并且因此，由每个波形发生器18生成的频率是唯一的。每个本机振荡器相位必须在接收扫描操作开始时复位。开始相位被定义为使得所有本机振荡器在波束扫描的中心处（即在波束指向其标称瞄准方向的点处）具有相同相位。

由DDS发生器18生成的本机振荡器波形相互同步且与雷达载波同步。本机振荡器波形被细致地分离并同步，使用DDS来有利地实现这些。

可以认为相位单元8将选择由子阵列6接收到的频率的扩频的一部分，其与时变相位相对应。时变相位由数字控制的模拟波形的偏移频率提供。通过波形与接收信号的比较来结合时变相位，该比较由每个相位单元8中的混频器来执行。相位单元8的输出反映由波形发生器18提供的时变相移。

图4示出直接数字合成（DDC）发生器18的可能布置。DDC发生器18基本上是常规的，并且具有两个主要功能：生成所需的相位的数字表示序列的逻辑功能和将所需的相位转换成模拟余弦信号的数字到模拟转换器（DAC)。定时和控制单元36控制被加载有数字F的频率寄存器42。F以周期/样本×2ⁿ的形式表示输出频率。优选地，n＝32，使得2³²表示1个周期/样本。

加法器44将频率寄存器内容F与计时时的反馈输出相加。加法器48将来自相位偏移寄存器46的相位偏移与加法器44的输出端处的累积相位相加。以周期×2ⁿ的形式，用所需的开始相位?₀加载相位偏移寄存器46。相位偏移?_o优选地被存储为16位字。优选地，使用来自加法器48的10个最高有效位作为余弦查找表50中的地址。2¹⁰个条目跨越余弦波形的一个周期。可以忽略来自加法器的进位位，因为其也表示一个周期。

所选余弦值被传递至数字到模拟（DAC）转换器52。从DAC 52输出的信号20被馈送到相应的混频器16，如图3所示。

定时和控制单元36生成被DAC 52、并且还被加法器44、48使用的时钟信号。定时和控制单元36还生成同步信号38，其促使在加法器44的输出端处累积的相位被复位至“0”，并重新加载频率寄存器42和相位偏移寄存器46。由查找表50接收到的累积相位字随时钟周期线性地改变，并因此表示单个频率音调。

单独的DDS发生器被用于所需的每个本机振荡器波形。用同一时钟对每个DDS发生器18进行计时。优选地，时钟是雷达接收时钟，其还被用来对图3中的ADC 28进行计时。在波束扫描开始时用同一同步脉冲来使每个DDS发生器18复位。

因此在共用同步化时刻处定义每个本机振荡器的开始。每个DDC发生器18被配置为产生不同的频率。特别地，每个DDS发生器18产生与被耦合至相邻子阵列6或子阵列组6的DDS发生器18相差固定偏移频率f_n的频率。在每个DDS发生器18的频率寄存器42中使用不同值F来实现这一点。另外，存储在寄存器46中的相位偏移在DDS发生器之间可以不同以确定最初指引接收波束的角度。

通常，DDS发生器18使用500MHz时钟和32 位频率寄存器，从而允许输出频率以0.12Hz的步幅改变。所述多个DDS发生器18提供多个被准确地控制且紧密间隔的频率，在其之间具有被很好地控制的相位差。这允许接收波束的快速且连续的扫描。

可以如按照惯例已知的那样实现DDS发生器18。例如，其可以在专用芯片中实现。替换地，可以在门阵列中实现数字相位生成，该数字相位值然后被馈送到单独的数字到模拟转换器。特别地，在与用于雷达发射信号合成和/或雷达定时和控制相同的门阵列中实现数字相位发生器。

由直接数字合成生成的模拟波形优选地是余弦波形（等效于具有相移的正弦波形）。

在使用中，由形成雷达系统1的一部分的发射单元生成一系列雷达脉冲。所发射的脉冲被横过区域102的特征反射。相控阵列接收该反射，但是在任何一个时间仅从区域102的一部分接收。使接收波束从区域102的近侧向区域102的远侧向外地进行扫描，所述接收波束是由在其内接收到反射的区域104限定的。波形发生器18最初配置有开始相位以将接收波束指引至区域102的近侧。使用直接数字合成生成的波形发生器18的不同频率向接收波束中引入时变相移，其促使接收波束随着时间进行扫描。在后续发射脉冲之前，接收波束停止，并且波形发生器18复位以再次开始在区域104的近侧处被指引。

由于雷达系统1与地面之间的大的距离，在所生成的发射脉冲与进行扫描以接收回波的接收波束之间可能存在延迟。在该延迟期间可以发射其它发射脉冲。因此，虽然优选地使接收波束在发射脉冲之间进行扫描，但情况不一定是正在接收来自直接在前面的发射脉冲的回波。

上文所述的实施例提供具有恒定宽度的扫描的接收波束，并且其随着时间以恒定的角速率扫描。替换地，可以横过该扫描改变波束宽度和/或角速率。可以将雷达系统1配置为使得接收波束宽度随着波束朝向距离雷达系统1更远的地面点移动而减小。另外或替换地，可以将雷达系统1配置为使得角速率随着波束朝向距离雷达系统1更远的地面点移动而减小。波束宽度和/或角速率的变化提供接收波束在其扫描横过地面时的改善的均匀性。特别地，与上文所使用的线性近似相比，横过扫描，从其接收到回波的区域与波束覆盖区更加一致。

在本发明的另一实施例中，雷达系统1生成具有随着时间二次地改变的扫描角的接收波束。

扫描角θ = kt + ct²，其中，k和c是定义扫描速率的常数。

将相移?_n的定义用于上述每个相位中心n：

?_n=  2πnsin(kt+ct² )d/λ

因此，对于小角度而言，偏移频率f_n =  n(k+2ct)d/λ。

在每个发生器18中生成的频率随着时间线性地增加，以便生成具有随着时间二次地改变的扫描角的接收波束。如按照惯例已知的那样，波形是能够使用直接数字合成来生成的线性FM斜坡信号。在本实施例中，可以使用相位单元8，该相位单元8具有使用上述总体布置的DDS发生器18。

雷达系统1可以生成具有随着时间线性地减小的宽度的接收波束。这是通过用横过子阵列6二次地改变的附加相位加权δ?_n来修改每个DDS发生器18而实现的。对于俯仰相位中心n而言：

δ?_n= 2πa(n-n₀)²

其中，n₀是中心相位中心，并且a是常数。

对于随着时间线性地变宽的波束而言：

δ?_n(t)= 2πa(n-n₀)² (t –t₀)

其中，t₀是对波束均匀地加权的时间。

当对波束均匀地加权时，其将在其最窄处。当在要被扫描的区域的最远部分处、即在远的条带处进行指引时，这是优选的。

附加相位加权δ?_n与线性扫描相位的组合提供：

?_n(t)= 2πmktd/λ + 2πa(n-n₀)² (t –t₀)

其中，m是整数，

?_n(t)= 2π(mkd/λ + a(n-n₀)² )t   – 2πa(n-n₀)² t₀

因此：

f_n =  mkd/λ +  a(n-n₀)²

因此，可以通过用项a(n-n₀)²来修改偏移频率f_n并用项2πa(n-n₀)² t₀来修改本机振荡器的初始相位来随着时间线性地减小波束宽度。

替换地，通过将适当的相位加权组合，可以随着时间改变波束宽度和角度扫描速率两者。

已将雷达系统1描述为生成具有作为时间的线性函数减小的宽度的接收波束。替换地，波束宽度可以作为时间的不同函数而减小或改变。

可以使用本发明的雷达系统1来形成雷达系统模块。雷达系统模块被布置为被插入现有雷达系统中，而不需要现有雷达的大量的修改。该模块包括上述雷达系统的实施例，并且另外还有频率转换器。频率转换器位于反射镜带阻滤波器24之后。频率转换器被布置为使频率从共用标称中间频率增加至基本上与被子阵列接收到并传递至相位单元的信号相匹配的频率。频率转换器优选地是混频器，使用来自中心相位中心的波形发生器18作为本机振荡器。频率转换器输出与被子阵列6接收到的频率相类似的频率，并且可以将此输出馈送到常规雷达系统中而不是来自子阵列的输入。由模块执行的波束成形对于常规雷达系统而言是透明的，并且不影响常规雷达系统的进一步操作。

在另一实施例中，本发明是包括如在上述任何实施例中描述的雷达系统的卫星。该卫星优选地具有被作为侧视雷达安装的雷达系统，并优选地将充当合成孔径雷达。

天线子阵列6可以用来形成用于接收信号的接收天线和用于发射信号的发射天线两者。替换地，可以使用单独的天线作为接收天线和发射天线。单独的接收天线和发射天线可以位于同一平台上，优选地为移动平台。替换地，雷达系统可以是其中接收天线位于与发射天线不同的平台上的收发分置的雷达系统。承载接收天线的平台和/或承载发射天线的平台可以移动。

已将雷达系统1描述为对地面的条带进行成像。雷达系统1可以沿任何方向对地面的任何区域进行成像。替换地，可以将雷达系统配置为不对地面进行成像。可以将雷达系统布置为使接收波束在地面之上扫描。

Claims (15)

1.一种用于根据由具有多个子阵列的相控阵列接收到的信号形成扫描的接收波束的雷达系统，

该系统包括：

       多个相位单元，所述多个相位单元中的每个都被配置为从一个或多个子阵列接收所述信号；

       其中，每个相位单元都包括波形发生器，所述波形发生器被配置为生成具有与时变相移相对应的频率的模拟波形；以及

       其中，每个波形发生器被布置为以数字方式生成模拟波形，以及

       每个相位单元被配置为输出接收信号与波形的比较，所述输出结合时变相移，以及

该系统还包括组合单元，所述组合单元被配置为将来自所述多个相位单元的输出组合以形成扫描的接收波束。

2.如权利要求1所述的雷达系统，其中，所述波形发生器通过直接数字合成来生成数字控制的模拟波形。

3.如权利要求2所述的雷达系统，其中，使用直接数字合成的波形发生器包括：

逻辑功能，其生成所需相位的一系列数字表示；以及

数字到模拟转换器（DAC），其将所需相位转换成模拟波形。

4.如权利要求1所述的雷达系统，其中，所述多个相位单元中的每个都包括混频器，所述混频器用于将接收信号与波形进行比较，每个混频器都被配置为将来自一个或多个子阵列的所述信号与数字控制的模拟波形混频。

5.如前述权利要求中的任一项所述的雷达系统，其中，所述波形发生器是同步的，并且每个波形具有唯一频率。

6.如前述权利要求中的任一项所述的雷达系统，其中，每个相位单元中的波形发生器以数字方式存储波形的开始相位，使得接收波束在开始扫描时具有限定的方向。

7.如前述权利要求中的任一项所述的雷达系统，其中，所述数字控制的模拟波形具有根据为波形发生器所共用的基础频率和对应于时变相移的施加的偏移频率而形成的频率。

8.如前述权利要求中的任一项所述的雷达系统，其中，所述接收系统被配置为接收在区域上发射的雷达发射脉冲的回波；

其中，所生成的接收波束集中于所述区域的一部分上，

并且所述接收系统被配置为使接收波束以横过该区域基本上与所述发射脉冲的回波相匹配的速率扫描横过该区域。

9.如权利要求8所述的雷达系统，其中，所述接收系统被配置为使接收波束在比连续发射脉冲之间的时间更小的时间内扫描横过该区域。

10.如前述权利要求中的任一项所述的雷达系统，其中，每个模拟波形的频率在扫描期间改变，使得接收波束以随着时间改变的角速率进行扫描。

11.如前述权利要求中的任一项所述的雷达系统，其中，模拟波形的频率在扫描期间改变，使得接收波束宽度随着时间改变。

12.如权利要求1至9中的任一项所述的雷达系统，其中，所述模拟波形的频率在扫描期间是恒定的，使得接收波束以恒定的角速率扫描且所述接收波束具有恒定的波束宽度。

13.如前述权利要求中的任一项所述的雷达系统，其中，所述多个相位单元中的每一个被配置为从单个子阵列或从一组子阵列接收所述信号。

14.如前述权利要求中的任一项所述的雷达系统，其被配置为安装在一个或多个移动平台中并使接收波束沿着与平台的行进方向垂直的侧向方向进行扫描。

15.一种用于插入现有雷达系统中的雷达系统模块，该模块包括：

如前述权利要求中的任一项所述的雷达系统；以及

频率转换器，其被布置为将从组合单元输出的频率转换成基本上与由天线接收到的信号相同的频率。

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