用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种探测系法，尤其是一种用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，属于雷达探测的【技术领域】。按照本实用新型提供的技术方案，所述用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，包括雷达天线及位于所述雷达天线焦点处的收发馈线通道；所述收发馈线通道包括位于雷达天线焦点处的收发馈源；在邻近所述雷达天线的焦点处设置至少一路接收馈线通道，所述接收馈线通道包括邻近雷达天线焦点处的接收馈源，所述接收馈源通过接收馈线与第二接收机连接。本实用新型结构简单紧凑，能实现对近距离的有效探测，降低探测成本，适应范围广，安全可靠。
【专利说明】用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种探测系统，尤其是一种用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，属于雷达探测的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]雷达探测领域中，特别是当雷达发射机以脉冲方式工作时，为了实现对目标的有效探测，雷达的发射机功率一般不会做得太小，在接收机输入端必定会设置收发开关、放电管(或PIN管)、大功率限幅器等微波限幅器件，以用来保护接收机不被泄露过来的发射功率烧毁。上述保护用的微波器件存在一个“恢复时间”，即当大功率的发射脉冲过去后会延时一段时间才能恢复通道的导通状态，虽然这段时间会很短，但会存在一个C* ( τ + ΔΤ)/2的探测盲区(C:光速，τ:发射脉冲宽度，AT:恢复时间)，因此在理论上就无法做到对C*(τ + ΔΤ)/2这段极近距离内目标的探测。
[0003]为了实现近距离探测，往往只能采用双天线方案(用连续波进行探测不在本案研究的范围)。一般地，双天线方案包括第一号天线及第二号天线，用第一号天线实现雷达的发射与接收的作用(理论上可测量盲区以外的信号)，用第二号天线接收回波。由于第二号天线无发射功能，因此可以在接收通道中不用设置存在“恢复时间”的微波器件，在理论上就可以实现近距离的探测。
[0004]但上述的双天线的方案存在很多问题:1)、需要两副天线，结构复杂，成本高；2)、为了确保基本的探测性能，天线不可能做得太�。庋偷贾履勘暧肓礁碧煜呒浯嬖谝桓黾薪牵孀啪嗬朐浇眉薪窃酱蟆Ｎ巳繁Ｌ讲庑阅埽煜弑厝蛔龀捎泻芮康姆较蛐�。对于近距离的目标，第二号天线接收到的微波能量未必就会增加，而且对角度的测量精度还会下降。因此，双天线方案对极近距离探测的性能反而是下降的。
[0005]另外，在一些特殊应用场合，比如用雷达实现对昆虫的探测，往往还要求将天线波束做成圆锥扫描方式，圆锥扫描的速度会很高，而且圆锥扫描的角度是有严格要求的，这种需求若用双天线方案在工程上就很难实施。
【发明内容】
[0006]本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，其结构简单紧凑，能实现对近距离的有效探测，降低探测成本，适应范围广，安全可靠。
[0007]按照本实用新型提供的技术方案，所述用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，包括雷达天线及位于所述雷达天线焦点处的收发馈线通道；所述收发馈线通道包括位于雷达天线焦点处的收发馈源；在邻近所述雷达天线的焦点处设置至少一路接收馈线通道，所述接收馈线通道包括邻近雷达天线焦点处的接收馈源，所述接收馈源通过接收馈线与第二接收机连接。
[0008]所述收发馈线通道还包括收发开关、发射机、限幅器及第一接收机，收发开关通过收发馈线与收发馈源连接，收发开关与发射机连接，且收发开关通过限幅器与第一接收机的输入端连接。
[0009]所述发射机通过收发馈源进行信号发射时，第二接收机通过接收馈源及接收馈线接收到信号的功率不大于第二接收机所能承受的功率。
[0010]所述雷达天线包括前馈式雷达天线、后馈式雷达天线或偏馈式雷达天线。
[0011]一种类似的技术方案，所述用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，包括雷达天线及位于所述雷达天线焦点处的收发馈线通道；所述收发馈线通道包括位于雷达天线焦点处的收发馈源；在邻近所述雷达天线的焦点处设置至少一路接收馈线通道，所述接收馈线通道包括邻近雷达天线焦点处的接收馈源，所述接收馈源通过接收馈线及微波选通开关与收发馈线通道内的第一接收机的输入端连接。
[0012]所述第一接收机的输入端通过微波选通开关还与收发馈线通道的限幅器的输出端连接，限幅器的输入端与收发开关连接，收发开关与发射机连接，收发开关通过收发馈线与收发馈源连接。
[0013]本实用新型的优点:在共用同一副天线的前提下，通过设置至少一路接收馈线通道，避免使用起保护作用的限幅器，实现对极近距离目标的探测；通过设置接收馈线通道的接收馈源的空间位置，合理调整接收波束偏离天线法线方向的夹角，并与收发馈线通道共同做圆锥扫描的技术手段，实现对近距离运动目标特性的有效探测，可以解决大功率雷达探测盲区过大的技术难题，提高对极近距离目标的探测能力，在提高探测性能的同时还可降低成本，结构简单紧凑，适应范围广，安全可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型接收机系统的一种实施结构图。
[0015]图2为本实用新型接收机系统的另一种实施结构图。
[0016]图3为本实用新型在进行圆锥扫描工作探测时的示意图。
[0017]附图标记说明:1_天线、2-收发馈源、3-收发馈线、4-收发开关、5-发射机、6_限幅器、7-第一接收机、8-接收馈源、9-接收馈线、10-第二接收机及11-微波选通开关。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0019]如图1所示:为了实现近距离的目标探测，本实用新型包括雷达天线I及位于所述雷达天线I焦点处的收发馈线通道；所述收发馈线通道包括位于雷达天线I焦点处的收发馈源2 ;在邻近所述雷达天线I的焦点处设置至少一路接收馈线通道，所述接收馈线通道包括邻近雷达天线I焦点处的接收馈源8，所述接收馈源8通过接收馈线9与第二接收机10连接。
[0020]具体地，所述收发馈线通道还包括收发开关4、发射机5、限幅器6及第一接收机7，收发开关4通过收发馈线3与收发馈源2连接，收发开关4与发射机5连接，且收发开关4通过限幅器6与第一接收机7的输入端连接。
[0021]为了确保雷达对远距离目标的探测性能，往往在雷达天线I的焦点处设置收发馈源2，发射机5发射出的大功率脉冲信号经收发开关4、收发馈线3输出到收发馈源2后向雷达天线I辐射微波能量，雷达天线I再将大功率的微波能量向空间定向辐射出去。当处于接收状态时，雷达天线I将接收到的大部分能量汇聚到焦点处，设置在焦点处的收发馈源2会接收到汇聚在焦点附近的大部分能量，通过收发馈线3、收发开关4、限副器6，最后传输到第一接收机7进行放大，第一接收机7将得到的回波信息传输给信号处理终端系统，通过信号处理终端系统对第一接收机7传输的回波信息处理后，完成对目标的探测任务。上述收发过程是常规雷达的探测方法，可以有效探测到距离为:C* ( τ + ΛΤ)/2盲区以外的回波。
[0022]进一步地，所述发射机5通过收发馈源2进行信号发射时，第二接收机10通过接收馈源8及接收馈线9接收到信号的功率不大于第二接收机10所能承受的功率。
[0023]当在雷达天线I的焦点附近再设置接收馈源8时，通过接收馈线9与第二接收机10连接，在发射机5发射期间，由于接收馈线通道与收发馈线通道不在同一个支路中，耦合到第二接收机10输入端的功率Pm为:
[0024]PM=[Ps*(SJ/S)*K1+PH]*K0
[0025]其中:PS为雷达天线I向空间定向发射微波在天线口面等效面积中的功率。Sj为接收馈源8在天线口面中的功率投影面积。S为天线口面的功率投影面积。K1为接收馈源8对天线口面发射的微波的接收系数。Ph为包括收发馈源2、收发馈线3、发射机5对接收馈源8通过空间耦合的微波功率。Ktl为接收馈线9的损耗系数。
[0026]由于接收馈源8在天线口面中的功率投影面积与天线口面的功率投影面积之比是很小的，耦合到的功率[PsMSpZShK1]是不大的。对于空间耦合的功率Ph也是很小的，而且总的功率还可以通过接收馈线9的损耗系数Ktl来调节，因此完全可以确保在发射机5发射期间输入到第二接收机10输入端的功率小于或等于第二接收机10所能承受的功率，从而可以不用设置限幅器件类的微波保护器件，避免出现收发馈线通道中出现“恢复时间”以阻碍第一收机接7接收信号的情况发生。接收馈源8可通过接收馈线9直接与第一接收机10连接。当发射脉冲宽度τ时间后就可以通过第二接收机10接收天线反射回来的微波信号了，因此在探测距离方面盲区只有:C* τ /2。
[0027]接收馈源8接收信号时，输入到第二接收机10的回波信号功率Pin:
[0028]Pin= Pi* K2* K0
[0029]其中Ti为雷达天线I接收到的回波功率；K2为接收馈源8的接收系数。
[0030]虽然雷达天线I接收到的回波功率大部分集中在雷达天线的焦点处，但实际上是集中在焦点处的一个具有一定面积的“功率斑点”，接收馈源8就设置在收发馈源2附近，接收馈源8的接收系数不会太小。而且与最远距离的回波的各种衰减比较，接收系数远远大于远距离的回波衰减，近距离回波的反射功率也很强，可以确保输入到第二接收机10的回波信号功率Pin远远大于第二接收机10的灵敏度，因此，可以对近距离的目标进行有效探测。
[0031]这种状态盲区与常规雷达相比减少了 C* Δ Τ/2。比如，当发射机5的发射脉冲宽度是0.1 μ S，起保护作用的限幅器6的“恢复时间”是2 μ S，那么现有的雷达探测就无法对315m范围内的目标进行探测，但通过本实用新型实施例的方案进行探测时，就可探测到15m外的目标(仅是发射脉冲宽度引起的探测盲区)。
[0032]虽然C* Δ T/2的距离(上述实例中为300m)对雷达总的探测距离似乎微不足道，但在许多特殊的应用场合却很重要。比如，昆虫探测雷达当天线垂直向上探测时，由于大部分昆虫分布在低空飞行，按原来的探测技术是无法探测到的，就会失去很多回波信息。
[0033]本实用新型实施例中，所述雷达天线I包括前馈式雷达天线、后馈式雷达天线或偏馈式雷达天线。
[0034]如图2所示:进一步地，本实用新型包括雷达天线I及位于所述雷达天线I焦点处的收发馈线通道；所述收发馈线通道包括位于雷达天线I焦点处的收发馈源2 ;在邻近所述雷达天线I的焦点处设置至少一路接收馈线通道，所述接收馈线通道包括邻近雷达天线I焦点处的接收馈源8，所述接收馈源8通过接收馈线9及微波选通开关11与收发馈线通道内的第一接收机7的输入端连接。
[0035]所述微波选通开关11可以为多选一选择器，接收馈线通道接收到的回波信息可以通过第一接收机7传输到信号处理终端系统，收发馈线通道也可以将接收到的回波信息通过第一接收机7传输到信号处理终端系统。所述信号处理终端系统可以采用现有雷达探测系统中常用的信号处理设备，此处不再赘述。当第一接收机7通过微波选通开关11与接收馈源8、接收馈线9连接，且接收回波信号时，第一接收机7通过接收馈源8及接收馈线9接收到信号的功率不大于第一接收机7所能承受的功率，具体说明可以参考上述对第二接收机10的说明，此处不再赘述。
[0036]所述第一接收机7的输入端通过微波选通开关11还与收发馈线通道的限幅器6的输出端连接，限幅器6的输入端与收发开关4连接，收发开关4与发射机5连接，收发开关4通过收发馈线3与收发馈源2连接。
[0037]—种用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的方法，所述近距离探测的方法包括如下步骤:
[0038]a、在雷达天线I的焦点处设置收发馈线通道，并在雷达天线I的焦点处设置至少一路接收馈线通道，所述接收馈线通道包括接收馈源8及接收馈线9，接收馈源8通过接收馈线9与接收机系统连接；
[0039]所述接收机系统包括第一接收机7及第二接收机10，接收馈源8通过接收馈线9与第二接收机10的输入端连接，第一接收机7的输入端连接限幅器6，限幅器6与收发开关4连接，收发开关4与发射机5连接，且收发开关4通过收发馈线3与收发馈源2连接。
[0040]另一种实施方式中，接收机系统仅包括第一接收机7，所述接收馈源8通过接收馈线9及微波选通开关11与收发馈线通道内的第一接收机7的输入端连接。所述第一接收机7的输入端通过微波选通开关11还与收发馈线通道的限幅器6的输出端连接，限幅器6的输入端与收发开关4连接，收发开关4与发射机5连接，收发开关4通过收发馈线3与收发馈源2连接。
[0041]b、收发馈线通道的发射机5通过收发馈源2向雷达天线I辐射微波能量，雷达天线I将大功率的微波能量向空间定向辐射出去；
[0042]具体发射过程为,发射机5发射出的大功率脉冲信号经收发开关4、收发馈线3输出到收发馈源2后向雷达天线I辐射微波能量，雷达天线I再将大功率的微波能量向空间定向辐射出去。
[0043]C、当经过发射机5发射出大功率脉冲信号的发射脉冲宽度后且在达到收发馈线通道的限幅器6的恢复时间前，通过接收馈源8接收雷达天线I反射回来的微波信号，并通过接收馈线9将接收馈源8接收的回波信号通过接收机系统传输至信号处理终端系统，以实现对近距离目标的探测；
[0044]由上述可知，当发射机5发射大功率的脉冲信号时，限幅器6需要经过一个恢复时间才能进行工作，恢复时间为AT。在达到限幅器6的恢复时间前，为了实现对近距离目标的探测，需要通过接收馈线通道的接收馈源8及接收馈线9将回波信号传输到接收机系统，并通过接收机系统传输至信号处理终端系统，由信号处理终端系统对接收馈源8接收的回波信号处理后，实现对近距离目标的探测。
[0045]d、当经过限幅器6的恢复时间后，通过收发馈线通道接收雷达天线I反射回来的微波信号，经过限幅器6将接收的回波信号通过接收机系统传输至信号处理终端系统，以实现对所需距离目标的探测。
[0046]所述步骤d中，在通过收发馈线通道接收雷达天线I反射回来的微波信号，经过限幅器6将接收的回波信号通过接收机系统传输至信号处理终端系统的同时，信号处理终端系统还接收通过接收馈源8、接收馈线9传输的回波信号。通过收发馈线通道接收的回波信号在经过信号处理终端系统处理后，能实现远距离目标的探测。在具体实施时，信号处理终端系统在进行远距离探测时，可以即通过收发馈线通道的回波信号进行处理得到，也可以通过接收馈线通道的回波信号处理得到，信号处理终端系统对回波信号的处理过程为本【技术领域】人员所熟知，此处不再赘述。
[0047]所述收发馈源2及接收馈源8绕同一轴高速旋转，得到以收发馈源2为通道的收发波束的圆锥扫描，以及以接收馈源8为通道的接收波束的圆锥扫描。
[0048]如图3所示，O点为雷达天线I的中心，OF是雷达天线I的中心轴的指向(即法线方向)，以收发馈源2为通道的收发波束的指向是0A，与雷达天线I的法线之间的夹角设为α ;以接收馈源7为通道的接收波束指向是0C，与雷达天线I的法线之间的夹角设为β。当收发馈源1、接收馈源8围绕着雷达天线I的法线以角速度ω高速旋转时，则有两个波束分别以夹角α和β围绕着天线法线做角速度为ω的高速圆锥扫描。
[0049]雷达天线波束的特性(波束宽度、方向性、增益等性能指标)和天线形式、收发馈源
2、接收馈源8与雷达天线I焦距的空间位置有关。由于接收馈源8比收发馈源2远离雷达天线I的中心线，这会导致夹角β稍大于夹角α，这些特性更有利于对近距离运动目标的探测。
[0050]假设α=0.1°，当投影距离为L (假设为2000m)处，有一个运动物体M (比如昆虫M)从图3所示方向飞过雷达天线I的正前方，若雷达天线I的转速ω和雷达发射频率的组合恰好可以让波束OA (夹角为α )在每转中正对移动物体M进行两次扫描，这样可以很好地计算出移动物体M的运动速度和运动方向。若在投影距离R (假设为150m)处有一个运动特性完全一样的运动物体N (比如昆虫N)按图3所示方向飞过雷达天线I的正前方，若继续用波束OA进行探测，显然除了探测盲区的因素外，从空间关系上可以发现，波束对目标没有进行有效照射，探测性能无法保证。只有用波束OC (B卩:以较大夹角β)进行圆锥扫描才有可能进行有效探测。
[0051]夹角β的值与重点探测的距离R、天线转速ω、发射的频率以及运动目标的速度V有关。因此，可以根据需要合理设置接收馈源8的空间位置，调整其接收波束的夹角β至理想的位置对目标进行有效探测。对于需要对多段重点距离的目标进行探测，可以增设多个类似于接收馈源8和第二接收机10的接收通道来实现。
[0052]图3中，假设天线的转速ω (转/秒)与发射频率的组合恰好可以让波束OC在每转中正对运动物体N进行两次扫描，两次扫描的时间T=0.5/ ω，则波束OC的夹角β，则有
[0053]β = arctg (V/ ω /2/R)
[0054]若波束OA (夹角为α )也恰好可以在每转中正对运动物体M进行两次扫描，则β和α的关系为:
[0055]β =arctg (L.tg a /R)
[0056]设L=2000m, α =0.1。，R=150m，贝丨J:
[0057]β =arctg (2000.tg0.1/150) =1.33。。
[0058]在雷达探测领域，往往认为:1)、对雷达探测距离的研究重点是对目标的远距离探测。2)、馈源偏离天线焦点会降低雷达对目标的探测性能；3)、大夹角的圆锥扫描波束，无论对精密跟踪雷达或其它用途的雷达而言意义不大。
[0059]本实用新型实施例中，通过在雷达天线I的焦点处同时设置接收馈线通道与收发馈线通道，通过接收馈线通道在达到限幅器6的恢复时间前接收反射回波信号，实现近距离的目标探测，不仅改变了以往的认识误区，还可以拓宽雷达天馈线研究的新领域、延伸出新的研究课题，据此可开发出新的雷达品种。
[0060]本实用新型在共用同一副天线的前提下，通过设置至少一路接收馈线通道，避免使用起保护作用的限幅器6，实现对极近距离目标的探测；通过设置接收馈线通道的接收馈源8的空间位置，合理调整接收波束偏离天线法线方向的夹角，并与收发馈线通道共同做圆锥扫描的技术手段，实现对近距离运动目标特性的有效探测，可以解决大功率雷达探测盲区过大的技术难题，提高对极近距离目标的探测能力，在提高探测性能的同时还可降低成本，达到意想不到的探测效果。
【权利要求】
1.一种用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，包括雷达天线(I)及位于所述雷达天线(I)焦点处的收发馈线通道；所述收发馈线通道包括位于雷达天线(I)焦点处的收发馈源(2);其特征是:在邻近所述雷达天线(I)的焦点处设置至少一路接收馈线通道，所述接收馈线通道包括邻近雷达天线(I)焦点处的接收馈源(8)，所述接收馈源(8)通过接收馈线(9)与第二接收机(10)连接。
2.根据权利要求1所述的用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，其特征是:所述收发馈线通道还包括收发开关(4)、发射机(5)、限幅器(6)及第一接收机(7)，收发开关(4)通过收发馈线(3)与收发馈源(2)连接，收发开关(4)与发射机(5)连接，且收发开关(4)通过限幅器(6)与第一接收机(7)的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，其特征是:所述发射机(5)通过收发馈源(2)进行信号发射时，第二接收机(10)通过接收馈源(8)及接收馈线(9)接收到信号的功率不大于第二接收机(10)所能承受的功率。
4.根据权利要求1所述的用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，其特征是:所述雷达天线(I)包括前馈式雷达天线、后馈式雷达天线或偏馈式雷达天线。
5.一种用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，包括雷达天线(I)及位于所述雷达天线(I)焦点处的收发馈线通道；所述收发馈线通道包括位于雷达天线(I)焦点处的收发馈源(2);其特征是:在邻近所述雷达天线(I)的焦点处设置至少一路接收馈线通道，所述接收馈线通道包括邻近雷达天线(I)焦点处的接收馈源(8)，所述接收馈源(8)通过接收馈线(9)及微波选通开关(11)与收发馈线通道内的第一接收机(7)的输入端连接。
6.根据权利要求5所述用双路馈线实现大功率雷达近距离探测的系统，其特征是:所述第一接收机(7)的输入端通过微波选通开关(11)还与收发馈线通道的限幅器(6)的输出端连接，限幅器(6)的输入端与收发开关(4)连接，收发开关(4)与发射机(5)连接，收发开关(4 )通过收发馈线(3 )与收发馈源(2 )连接。
【文档编号】G01S7/02GK203630358SQ201320839742
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】张鹿平 申请人:张鹿平
专业数控铣床产品供应商
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