一种船载多波段共面高集成相控阵雷达RCS测量系统

一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统
技术领域
1.本发明属于雷达系统与雷达测量技术领域，具体涉及一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统。


背景技术：

2.电磁隐身技术已成为世界各国武器装备系统广泛采用的技术，已在飞机、导弹等各种武器装备系统中广泛应用。其核心目标就是通过各种手段降低目标的雷达散射截面(rcs)。
3.为了评估隐身性能，需要相应的测量技术。相控阵雷达作为近些年来广泛应用的技术，具有发射功率大、抗干扰能力强等优势，将相控阵雷达应用于rcs测量领域能够充分发挥其优势。船载平台载重大，机动性好，能够进行远洋机动测试，能够满足不同测量场景需求。
4.以往的相控阵雷达设备由于不能建立回波功率与目标rcs之间的关系，为了能够进行rcs测量，需要设计多波段、船载rcs测量系统。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统，该系统能够获得多波段待测目标的电磁散射特性，同时具有较远的测量距离，还具备搜索、跟踪能力。针对船载平台遇到风浪时晃动较问题，本发明设计承载稳定平台，能够实现在船身摇摆时进行精确测试。
6.一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统，其特征在于：包括四波段雷达单元、稳定平台、电源、天线罩、温度稳定单元、综合信息处理单元；其中：
7.四波段雷达单元包括c波段雷达、x波段雷达、ku波段雷达和ka波段雷达；其中c波段雷达、x波段雷达、ku波段雷达为阵面雷达，三个雷达直接安装在四波段雷达单元框架辐射面上，ka波段雷达的天线阵面安装在四波段雷达单元框架的辐射面上，ka波段雷达的综合电子单元安装在四波段雷达单元框架的底座上；
8.稳定平台具有控制单元，控制单元收发稳定平台监控信号，控制稳定平台位姿；控制单元分别与四波段雷达单元的各波段雷达通信连接，用于与四波段雷达单元的各波段雷达传输监控与数据信号；
9.电源向稳定平台及稳定平台的控制单元供电，并包括电源接口，用于外部向船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统供电；
10.四波段雷达单元、稳定平台、温度稳定单元和电源安装在天线罩内，温度稳定单元用于控制天线罩内的温度保持稳定。
11.综合信息处理单元用于控制系统工作模式并处理雷达数据；综合信息处理单元与稳定平台的控制单元通信连接，用于双向传输指令/数据、稳定平台监控信号。
12.2.根据权利要求1所述的一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统，其
特征在于：四波段雷达单元安装在稳定平台上，稳定平台固定安装在船舱外的高处，舱外的四波段雷达单元、稳定平台、温度稳定单元和电源安装在天线罩内，综合信息处理单元安装在船舱内标准机柜上。
13.3.根据权利要求1所述的一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统，其特征在于：四波段雷达单元设计单站全相参脉冲有源相控阵体制，四波段雷达单元框架承载c波段雷达、x波段雷达、ku波段雷达和ka波段雷达，将四个波段雷达阵面共面安装，使多个波段雷达能够同时共面工作，以保证对移动目标rcs多波段测量的准确性。
14.4.根据权利要求1所述的一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统，其特征在于：
15.ka波段雷达和ku波段雷达布局在四波段雷达单元框架辐射面的上部，远离底座和左右臂状支撑结构；将雷达阵面在单元框架辐射面上靠上靠内布局安装。
16.5.根据权利要求1所述的船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统的测量方法，其特征在于：综合信息处理单元根据外部指令，控制系统在以下工作模式下工作：
17.(1)对海/空目标360
°
探测模式
18.对海/空目标360
°
探测为边扫描边跟踪(tws)工作方式；在跟踪已被检测到的目标的同时，搜索新的目标，扫描边跟踪(tws)方式中，搜索和跟踪其实是捆绑在一起的，搜索空域的周期就是跟踪数据的刷新率。
19.(2)对海/空目标扇区/小扇区探测模式
20.对海/空目标扇区/小扇区探测设计了边扫描边跟踪tws工作方式，针对已发现的重点目标，则采用扇区/小扇区探测模式；
21.(3)高分辨率一维距离像(hrrp)模式
22.高分辨率一维距离像(hrrp)模式能够快速得到目标距离向高分辨率图像，获取距离向轮廓、形状结构相关信息；在扫描模式发现目标，或利用其它手段获取目标位置后，将波束指向舰船目标，完成距离脉冲压缩和方位非相参积累；获取目标散射中心随雷达观测距离的变化，并通过该散射中心分布获取目标rcs或进行目标识别；
23.(4)逆合成孔径(isar)成像模式
24.逆合成孔径(isar)成像模式在能够扫描模式发现目标，或利用其它手段获取目标位置信息后，将波束指向目标，驻留脉冲积累后完成isar成像处理；
25.(5)目标rcs测量模式
26.目标rcs测量模式可在确定目标位置后进行rcs测量，或根据需求设置参数发射点频脉冲波形、频率步进脉冲波形、线性调频脉冲波形的不同波形进行rcs测量；
27.(6)海洋及气象环境数据采集模式
28.在不同海域、不同海况条件下，根据需求设置参数进行回波数据采集，用于丰富环境数据库，同时能够获取当前气象信息，处理气象回波数据；
29.(7)外定标模式
30.针对不同的定标场景，进行外定标试验模式.
31.本发明与现有技术相比的优点在于
32.1、本发明采用宽带宽扫有源相控阵体制，采用多波段高集成度共面设计，具有多波段、多角度、共视场测量能力。
33.2、本发明稳定平台采用方位和俯仰二维机扫提供天线阵面波束稳定指向，能够避免因风浪引起的波束指向误差。
34.3、本发明各波段雷达采用电扫实现目标的快速探测和rcs高精度测量。同时具备搜索、跟踪测量能力。
35.4、本发明能够实现在各种复杂海况条件下对复杂运动目标进行实时跟踪的同时进行多波段rcs测量。
附图说明
36.图1为根据本发明一个实施例的船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统组成及互联关系图。
37.图2为根据本发明一个实施例的船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统实物图。
38.图3为根据本发明一个实施例的单波段雷达单元组成及互联关系图。
39.图4为根据本发明一个实施例的c波段相控阵天线设计图。
40.图5为根据本发明一个实施例的x波段相控阵天线设计图。
41.图6为根据本发明一个实施例的ku波段相控阵天线设计图。
42.图7为根据本发明一个实施例的ka波段相控阵天线设计图。
43.图8为根据本发明一个实施例的船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统获取的不同目标高分辨一维距离像。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，本发明包括但不限于下述实施例。
45.如图1所示，该实施例提供了一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统。如图1所示，该系统包括四波段雷达单元、稳定平台、电源、天线罩、温度稳定单元、综合信息处理单元。
46.四波段雷达单元包括c波段雷达、x波段雷达、ku波段雷达和ka波段雷达。
47.四波段雷达单元安装在稳定平台上，稳定平台固定安装在船舱外的高处，应避免雷达波束被遮挡，舱外的四波段雷达单元、稳定平台和电源安装在天线罩内；综合信息处理单元安装在船舱内标准机柜上。多波段测量系统对外接口包括显控接口、数据接口及电源接口。
48.四波段雷达单元完成c/x/ku/ka波段雷达信号的产生、发射、接收及采集等功能，由四个波段雷达阵面构成，四波段天线采用共口面一体化设计，能够减少测量误差。
49.为了实现四波段共面设计，本发明具备高集成的硬件设计，同时采用分区布置不同波段的tr组件，实现多波段共孔径共面。突破解决了不同波段同时工作时的干扰问题，形成了高集成共面的相控阵雷达rcs测试系统。
50.稳定平台具有控制单元，控制单元收发稳定平台监控信号，控制稳定平台位姿。控制单元分别与四波段雷达单元的各波段雷达通信连接，用于与四波段雷达单元的各波段雷达传输监控与数据信号。
51.稳定平台由支撑结构、方位向驱动与测量机构、俯仰向驱动与测量机构及姿态测量装置组成，完成四波段天线单元的支撑、方位转动、俯仰转动及伺服控制等功能。结合稳定平台，本发明除了可以布置于固定平台，还可以布置在移动平台上，尤其是船在平台。通过稳定支撑结构，本发明能够实现在复杂海况下的目标、背景电磁散射特性测量。
52.电源向稳定平台及稳定平台的控制单元供电，并包括电源接口，用于外部向船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统供电。电源单元将船载电源转换为四波段雷达单元工作所需的二次电源，分配给各组成单元。其中，电源接口为系统对外接口。
53.四波段雷达单元、稳定平台、温度稳定单元和电源安装在天线罩内，温度稳定单元用于控制天线罩内的温度保持稳定。天线罩的主要作用是在透波条件下为舱外雷达设备防雨、防风、防盐雾等。
54.综合信息处理单元用于控制系统工作模式并处理雷达数据，具有显控接口、回波数据接口，显控接口、回波数据接口为系统对外接口，用于与系统外部数据交互，综合信息处理单元与稳定平台的控制单元通信连接，用于双向传输指令/数据、稳定平台监控信号。
55.空调为天线罩内的设备提供散热功能。保证本发明在全天候、全天时的情况下进行长时间测量。
56.图2为根据本发明一个实施例的船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统实物图。四波段雷达单元安装在稳定平台上，稳定平台固定安装在船舱外的高处，避免雷达波束被遮挡，舱外的四波段雷达单元、稳定平台、温度稳定单元和电源安装在天线罩内，综合信息处理单元安装在船舱内标准机柜上。
57.四波段雷达单元设计单站全相参脉冲有源相控阵体制，四波段雷达单元框架承载c、x、ku和ka四个波段雷达，将四个波段雷达阵面共面安装，使多个波段雷达可以同时共面工作，以保证对移动目标rcs多波段测量的准确性。方位机械扫描范围为360
°
，俯仰机械扫描范围为-30
°
～+60
°
，采用c、x、ku和ka四波段天线共面设计，以减少测量误差，方便进行不同波段的目标rcs比对。
58.其中c、x、ku波段雷达为阵面雷达，三个雷达直接安装在四波段雷达单元框架辐射面上，ka波段雷达的天线阵面安装在四波段雷达单元框架的辐射面上，ka波段雷达的综合电子单元安装在四波段雷达单元框架的底座上。
59.考虑到雷达工作过程中稳定平台底座及左右臂状支撑结构对雷达波近场影响，四个波段雷达在四波段雷达单元框架辐射面上的布局如下：
60.(1)考虑到ka和ku波段雷达近场影响更敏感，将这ka波段雷达和ku波段雷达布局在四波段雷达单元框架辐射面的上部，远离底座和左右臂状支撑结构；
61.(2)将雷达阵面在单元框架辐射面上靠上靠内布局安装。
62.图3为根据本发明一个实施例的单波段雷达单元组成及互联关系图。不同波段均采用有源相控阵体制，由辐射阵面、t/r组件阵列、馈电网络、波控电源、射频综合、数字综合及雷达框架组成，辐射阵面、t/r组件阵列、馈电网络、射频综合、数字综合依次连接，波控电源分别与t/r组件阵列、数字综合连接。单波段雷达单元对外接口包括电源接口，并通过光纤与稳定平台的控制单元传输监控与数据信号。
63.c波段相控阵天线辐射阵面如图4所示。c波段相控阵天线辐射阵面包括多个c波段辐射单元，c波段相控阵天线辐射阵面层电气尺寸为距离向318mm，方位向318mm，其中距离
向设置12个c波段辐射单元，方位向设置12个c波段辐射单元，c波段辐射单元间距设计为距离向26.5mm，方位向26.5mm，整个辐射阵面采用矩形排列方式，共有144个c波段辐射单元，距离向12个c波段辐射单元组成一个c波段收发通道，方位向具有12个收发通道。
64.x波段相控阵天线辐射阵面如图5所示。x波段相控阵面层电气尺寸为距离向256mm，方位向256mm，其中距离向设置16个x波段辐射单元，方位向设置16个x波段辐射单元，为实现天线的扫描要求，x波段辐射单元间距设计为距离向16mm，方位向16mm，整个辐射阵面采用矩形栅格切角的排列方式。
65.ku波段相控阵天线辐射阵面如图6所示。ku波段相控阵天线辐射阵面包括多个ku波段辐射单元，ku波段相控阵天线辐射阵面层电气尺寸为距离向192mm，方位向304mm，其中距离向设置16个ku波段辐射单元，方位向设置32个ku波段辐射单元，ku波段辐射单元间距设计为距离向12mm，方位向9.5mm，整个辐射阵面采用矩形排列方式。
66.ka波段相控阵天线辐射阵面如图7所示。ka波段相控阵天线辐射阵面采用波导缝隙阵天线形式，方位向96个ka波段辐射单元，距离向1个ka波段辐射单元，每个ka波段辐射单元由1个单通道t/r组件驱动，全阵共包含192个t/r组件。
67.该系统的主要特点是具备共面多波段有源相控阵天线，具备高集成的特性，具有较小的体积，同时采用相控阵体制，能够进行电子波束扫描，最终能够载跟踪、探测的基础上进行目标rcs测量。不同波段雷达可以获取不同的目标电磁散射特性，ku、ka波段频段较高，能更精确的描述目标的细微形状；c、x波段受大气环境带来的信号衰减较小。因此本发明设计c/x/ku/ka四波段系统。
68.综合信息处理单元根据外部指令，控制系统在以下工作模式下工作：
69.(1)对海/空目标360
°
探测模式
70.对海/空目标360
°
探测为边扫描边跟踪(tws)工作方式。tws是最常用的工作方式，指在跟踪已被检测到的目标的同时，搜索新的目标。tws方式中，搜索和跟踪其实是捆绑在一起的，搜索空域的周期就是跟踪数据的刷新率。
71.(2)对海/空目标扇区/小扇区探测模式
72.对海/空目标扇区/小扇区探测设计了边扫描边跟踪(tws)工作方式。基于相控阵雷达波束扫描的灵活性，针对已发现的重点目标，扇区/小扇区探测模式，有利于目标的位置、角度信息的确认和电磁散射特性的粗测量。
73.(3)高分辨率一维距离像(hrrp)模式
74.高分辨率一维距离像(hrrp)模式可以快速得到目标距离向高分辨率图像，获取距离向轮廓、形状结构相关信息。在扫描模式发现目标，或利用其它手段获取目标位置后，将波束指向舰船目标，完成距离脉冲压缩和方位非相参积累。图8为获取的不同目标高分辨一维距离像。能够获取目标散射中心随雷达观测距离的变化，能够通过该散射中心分布获取目标rcs或进行目标识别。
75.(4)逆合成孔径(isar)成像模式
76.逆合成孔径(isar)成像模式可在扫描模式发现目标，或利用其它手段获取目标位置信息后，将波束指向目标，驻留脉冲积累后完成isar成像处理。
77.(5)目标rcs测量模式
78.目标rcs测量模式可在确定目标位置后进行rcs测量，或根据需求设置参数发射点
频脉冲波形、频率步进脉冲波形、线性调频脉冲波形等不同波形进行rcs测量。
79.(6)海洋及气象环境数据采集模式
80.在不同海域、不同海况条件下，根据需求设置参数进行回波数据采集，用于丰富环境数据库。同时能够获取当前气象信息，处理气象回波数据。
81.(7)外定标模式
82.针对不同的定标场景，进行外定标试验模式。
83.本系统具有上电自检、周期自检和维护自检能力，具备设备自动监测和故障定位功能。
84.本系统具备单极化、双极化、四极化测量模式，不同极化的目标电磁散射特性不同，多极化情况下，可以获取更多的目标特征信息。
85.本系统具备点频脉冲波形、频率步进脉冲波形和线性调频脉冲波形能力。信号瞬时带宽大于1ghz。
86.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本实施例内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统，其特征在于：包括四波段雷达单元、稳定平台、电源、天线罩、温度稳定单元、综合信息处理单元；其中：四波段雷达单元包括c波段雷达、x波段雷达、ku波段雷达和ka波段雷达；其中c波段雷达、x波段雷达、ku波段雷达为阵面雷达，三个雷达直接安装在四波段雷达单元框架辐射面上，ka波段雷达的天线阵面安装在四波段雷达单元框架的辐射面上，ka波段雷达的综合电子单元安装在四波段雷达单元框架的底座上；稳定平台具有控制单元，控制单元收发稳定平台监控信号，控制稳定平台位姿；控制单元分别与四波段雷达单元的各波段雷达通信连接，用于与四波段雷达单元的各波段雷达传输监控与数据信号；电源向稳定平台及稳定平台的控制单元供电，并包括电源接口，用于外部向船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统供电；四波段雷达单元、稳定平台、温度稳定单元和电源安装在天线罩内，温度稳定单元用于控制天线罩内的温度保持稳定；综合信息处理单元用于控制系统工作模式并处理雷达数据；综合信息处理单元与稳定平台的控制单元通信连接，用于双向传输指令/数据、稳定平台监控信号。2.根据权利要求1所述的一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统，其特征在于：四波段雷达单元安装在稳定平台上，稳定平台固定安装在船舱外的高处，舱外的四波段雷达单元、稳定平台、温度稳定单元和电源安装在天线罩内，综合信息处理单元安装在船舱内标准机柜上。3.根据权利要求1所述的一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统，其特征在于：四波段雷达单元设计单站全相参脉冲有源相控阵体制，四波段雷达单元框架承载c波段雷达、x波段雷达、ku波段雷达和ka波段雷达，将四个波段雷达阵面共面安装，使多个波段雷达能够同时共面工作，以保证对移动目标rcs多波段测量的准确性。4.根据权利要求1所述的一种船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统，其特征在于：ka波段雷达和ku波段雷达布局在四波段雷达单元框架辐射面的上部，远离底座和左右臂状支撑结构；将雷达阵面在单元框架辐射面上靠上靠内布局安装。5.根据权利要求1所述的船载多波段共面高集成相控阵雷达rcs测量系统的测量方法，其特征在于：综合信息处理单元根据外部指令，控制系统在以下工作模式下工作：(1)对海/空目标360
°
探测模式对海/空目标360
°
探测为边扫描边跟踪(tws)工作方式；在跟踪已被检测到的目标的同时，搜索新的目标，扫描边跟踪(tws)方式中，搜索和跟踪其实是捆绑在一起的，搜索空域的周期就是跟踪数据的刷新率；(2)对海/空目标扇区/小扇区探测模式对海/空目标扇区/小扇区探测设计了边扫描边跟踪tws工作方式，针对已发现的重点目标，则采用扇区/小扇区探测模式；(3)高分辨率一维距离像(hrrp)模式高分辨率一维距离像(hrrp)模式能够快速得到目标距离向高分辨率图像，获取距离向轮廓、形状结构相关信息；在扫描模式发现目标，或利用其它手段获取目标位置后，将波束
指向舰船目标，完成距离脉冲压缩和方位非相参积累；获取目标散射中心随雷达观测距离的变化，并通过该散射中心分布获取目标rcs或进行目标识别；(4)逆合成孔径(isar)成像模式逆合成孔径(isar)成像模式在能够扫描模式发现目标，或利用其它手段获取目标位置信息后，将波束指向目标，驻留脉冲积累后完成isar成像处理；(5)目标rcs测量模式目标rcs测量模式可在确定目标位置后进行rcs测量，或根据需求设置参数发射点频脉冲波形、频率步进脉冲波形、线性调频脉冲波形的不同波形进行rcs测量；(6)海洋及气象环境数据采集模式在不同海域、不同海况条件下，根据需求设置参数进行回波数据采集，用于丰富环境数据库，同时能够获取当前气象信息，处理气象回波数据；(7)外定标模式针对不同的定标场景，进行外定标试验模式。

技术总结
该发明提供了一种船载多波段共面高集成相控阵雷达RCS测量系统，其特征在于：包括四波段雷达单元、稳定平台、电源、天线罩、温度稳定单元、综合信息处理单元；其中：四波段雷达单元包括C波段雷达、X波段雷达、Ku波段雷达和Ka波段雷达，稳定平台具有控制单元；控制单元分别与四波段雷达单元的各波段雷达通信连接，用于与四波段雷达单元的各波段雷达传输监控与数据信号；电源向稳定平台及稳定平台的控制单元供电，并包括电源接口，用于外部向船载多波段共面高集成相控阵雷达RCS测量系统供电；四波段雷达单元、稳定平台等安装在天线罩内。本发明采用宽带宽扫有源相控阵体制，采用多波段高集成度共面设计，具有多波段、多角度、共视场测量能力。量能力。量能力。


技术研发人员：张静 何焱 喻忠军 李晶 行坤
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/28