专利名称：基于矢量网络分析仪的l波段岸基海杂波观测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及雷达杂波测试技术领域，尤其涉及一种基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统。
背景技术：
海面背景杂波是影响和限制雷达特别是低仰角探测雷达、机载和星载下视雷达目标探测性能发挥的主要因素。在陆海交界区域由于海面的异常变化引起的海杂波会造成雷达虚警大大增加。对海杂波的认识需要收集足够多的各种参数条件下的测量结果进行深入分析。为了发展高性能雷达，提高目标检测能力，从上个世纪五六十年代开始，各国利用车载散射计、机载雷达和岸基雷达系统开展了多种形式、多波段以及特殊环境下的海杂波测量，并开展海杂波的统计特性等研究。九十年代后，随着机载雷达的迅速发展和军事需求的变化，很多杂波测量工作更加具有针对性，杂波测量手段也趋于多样化，且向多频段、小擦地角、高距离分辨率扩展。国内海杂波理论研究鉴于缺乏有效实验数据的支撑，多是仿真计算，海杂波建模精度不高，研究成果的工程实用性较差。实验测量包括岸基测量和机载雷达测量，机载测量受到测量时间地点的限制，测量数据样本少，测量结果差异也很大，系统性不够。鉴于缺少观测手段，基于实测数据的研究工作较少，以岸基平台为基础的海杂波长期观测平台以及基于实测数据的海杂波均值模型的适用性研究，都还处于起步阶段。特别是近年来由于隐身目标和低空超低空突防的出现，小擦地角和高分辨率海杂波的研究成为一个重要方向，而由于缺乏有效的观测手段，小擦地角、高分辨率海杂波数据相对缺乏。根据发射信号形式的不同，杂波测量雷达有不同体制，连续波是基本配置，但是由于没有进行调制，所以无法确定距离。脉冲雷达通过测量发射脉冲和接收脉冲间的时间延迟确定距离信息，但是发射功率较大。频率步进雷达利用信号源发射跳变频率来替代扫频模式，可以增大距离分辨率，缺点是增加信号源的复杂性和整个带宽内部件的稳定性要求。此外，建立岸基海杂波长期观测站可在临海的山顶或高台上搭建，但涉及到土建、 水电等工程实施问题，建站周期较长且成本较高，实施相对困难。另外可以在距海近处的高层建筑上架设，通过实地考察，选取条件适当的高楼楼顶作为搭建平台，能大大简化工程实施上许多问题，缺点是辐射功率较大时会对周围环境产生辐射污染。所以在保证雷达性能前提下，还需要尽量降低对周围的辐射，即测试系统既要保持较远的探测距离，又要具备较小的发射功率。而且长期观测对测试系统稳定性、自动化程度等方面也有较高要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，该系统能在低辐射功率下进行远距离探测，实现小擦地角高分辨探测。为解决上述技术问题，本发明基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，主要包括矢量网络分析仪、功率放大器、低噪声放大器、收发天线和主控计算机；
其中，所述矢量网络分析仪为信号收发设备，用于在所述主控计算机控制下产生指定参数的频率步进连续波信号，该信号经所述功率放大器放大后通过所述收发天线辐射到待测海面区域；回波信号经所述收发天线接收，并通过所述低噪声放大器提高信杂比后进入所述矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪还用于在主控计算机控制下设置适当的中频带宽，并将回波信号进行时域加窗及计算处理后得到海杂波数据，主控计算机对得到的海杂波数据进行记录、分析和管理。进一步地，所述矢量网络分析仪具备信号发射和接收功能，其中，所述矢量网络分析仪的中频(IF)带宽按如下方式确定根据发射信号带宽和点数计算最大测量距离，根据发射信号带宽和要测量的距离范围确定符合条件的点数范围； 以上点数和中频带宽的两两不同组合对应不同的扫描时间，找出扫描时间满足小于1/4海浪周期时对应的中频带宽，作为所述矢量网络分析仪的中频带宽。进一步地，所述收发天线分离且均采用单偏置抛物面天线，天线座架选用方位-俯仰型转台式座架，方位转台由铝结构件形成盘式结构，其上端用螺栓连接俯仰部分， 下端用螺栓与天线安装平台相连，俯仰驱动箱置于俯仰圆筒内部，输出为与圆筒相连的一个内齿轮。更进一步地，方位驱动电机和俯仰驱动电机采用三相交流异步电机，用以驱动方位、俯仰轴转动，选用正余弦旋转变压器分别安装在天线方位轴、俯仰轴上，用以感应方位、 俯仰角度的微变；方位、俯仰轴向分别装有硬件限位装置。进一步地，主控计算机还用于通过设置批量测量参数，设定测量顺序并设置故障恢复处理实现海杂波自动测量，自动测量参数设置包括同一参数多次重复测量、同一时间段内同一参数测量、同一时间段内不同参数测量以及以上三种模式下组合测量，并将测量参数在校验后存入自动测量参数文件，测量完毕后测量数据自动入库，同时提供人工入库方式。进一步地，主控计算机还用于通过以太网线远程控制观测设备运作，采用多线程编程技术，利用集线器和通讯服务器分别控制矢网参数设置及天线转动、展开和收藏。进一步地，所述主控计算机还包括数据分析�？椋鍪莘治瞿？橛糜诮岷虾Ｑ蠡肪巢问运龊Ｔ硬ㄊ萁蟹治觯ň的Ｐ推ヅ浜头确植寄夂�。进一步地，本发明所述基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统还包括功放监测单元和温度监测单元；其中，所述功放监测单元用于监测经过所述功率放大器处理后的发射信号；所述温度监测单元用于检测机柜的工作温度。更进一步地，所述矢量网络分析仪采用UPS(不间断电源)供电，所述功率放大器采用开关稳压电源供电，所述功放监测单元和温度监测单元采用开关电源供电。进一步地，本发明所述基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统还包括监视计算机，所述监视计算机通过摄像头监视所述收发天线的转动状态，以及监视海面状况。本发明突破了频率步进连续波体制岸基海杂波观测、海杂波自动测量等关键技术，利用本发明可展开海杂波岸基平台的长期连续观测，为海杂波特性研究积累大量数据， 尤其是陆海交界区域的杂波数据，进而为雷达系统设计、信号处理与目标检测提供理论支持与技术支撑。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果I、本发明采用频率步进连续波体制构建岸基L波段海杂波长期观测系统，利用矢量网络分析仪(简称矢网)作为收发装置，通过降低中频带宽并折中考虑扫描时间与测量点数的方法，可在低发射功率下保持较远的探测距离，能在小擦地角工作，且具有小于Im 的较高分辨率，系统性能稳定，从而易于展开岸基长期测量，得到结合陆海交界区域海洋环境特点的L波段高分辨率海杂波数据，用于杂波统计特性、均值模型适用性等研究。2、实现了设备的远程控制与监视。通过合理配置设备接口，只需一条以太网线实现主控计算机对观测设备及电路的控制。采用多接口与多线程编程技术，实现了对控制设备的协调工作及设备状态监视。3、实现了海杂波的自动测量与有效管理。软件设计采用有效的数据存储格式、参数文件配置方式、工作模式及逻辑操作，设计故障恢复功能，实现了海杂波的自动观测。具备对海杂波数据和海洋环境数据的关联查询、添加、删除、备份、显示等功能，提高了数据处理效率，并设置了均值模型匹配和幅度分布拟合的数据分析�？椋惫鄣匚硬ㄌ匦陨钊敕治龊褪菅≡裉峁┎慰�。
图I (A)为本发明实施例的辐射功率估算区域示意图；图I(B)为本发明实施例的辐射功率估算密度示意图；图2为本发明实施例的系统软件工作流程示意图；图3为本发明实施例的软件设计框图；图4为本发明实施例的天伺分系统工作原理图；图5为本发明实施例的数据处理分系统工作原理与连接图；图6为本发明实施例的断点恢复事件流程示意图；图7为本发明实施例的自动入库流程示意图；图8为本发明实施例的人工入库流程示意图；图9为本发明实施例的海杂波数据处理与分析流程图。
具体实施例方式以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。本发明利用频率步进连续波体制，采用较窄的中频带宽以降低噪声门限，提高动态范围，在保持远距离探测性能的前提下降低发射功率，利用宽频率跳变波形获得高距离分辨率，从而实现岸基小擦地角高分辨率探测。本发明基于矢网构建，内置信号源，可发射指定参数下的频率步进连续波信号，且性能稳定。本发明基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统主要由天线伺服分系统、数据处理分系统两大部分组成。天伺分系统包括收发天线、天线座架单元、伺服设备以及连接线缆等。收发天线包括单偏置反射面、馈源支架和馈源；天线座架单元包括方位组合和俯仰组合；伺服设备包括天线控制单元和天线驱动单元；连接线缆包括天线控制单元和天线驱动单元与天线座架之间的伺服控制电缆以及天线控制单元和天线驱动单元之间的信号电缆。数据处理分系统包括收发设备、控制与数据分析设备。收发设备包括矢网、功率放大器、低噪声放大器、功放电源、不间断电源UPS、开关电源、极化开关、集线器、通讯服务器、功放及温度监测单元、开关驱动单元、微波电缆等。控制与数据分析设备包括主控计算机、监视计算机、数据存储器等。本发明基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统基本工作流程为矢网接收主控计算机中系统软件的参数设定，发射指定参数下的频率步进连续波信号，矢网内的信号源发射跳变频率，频率按Af(频率间隔)间隔递增，发射信号总带宽B = NX Af(N 为离散频率个数)，利用宽频率跳变波形可获得高距离分辨率。功率放大器将信号放大后通过发射天线辐射到待测海面区域，采用收发分离天线，增加收发通道间的隔离度至50dB左右，收发天线主波束对准待测区域，回波信号经接收天线通过低噪声放大器，低噪声放大器对微弱的回波信号进行放大，提高信杂比，同时低噪声放大器的强信号饱和功能对矢网接收机起到保护作用。放大后的信后进入矢网，在主控计算机控制下设置适当的中频带宽并对回波数据进行时域变换与处理后得到海杂波数据。主控计算机记录、分析和管理采集的海杂波数据。在工作过程中收发天线的展开、收藏、方位、俯仰转动由主控计算机远程控制控制伺服设备来实现。主控计算机实时监测功放状态、机柜内温度、控制极化开关。监视计算机通过摄像头监视天线转动状态，出现紧急情况人为干预措施可进一步保证天线设备安全，同时监测海面状况。观测设备与主控计算机之间只用一条以太网线连接，利于远程控制布线，然后通过集线器和通讯服务器，利用多线程编程技术，对矢网、伺服设备、监测单元、 极化开关等部分分别进行控制，实时采集与显示信号，并监视各设备运行状态。海杂波测量相较地杂波测量需要更远的探测距离。利用式(I)估算探测性能，最大探测距离为其中Pt表示发射功率； G2表示双程雷达天线增益；G2f表示双程天线方向性因子；A表示波长；0°表示后向散射系数；Φ a表示天线方位波束宽度；表示天线俯仰波束宽度；Sniin表示接收机最小可检测水平；SNRmin表示最小信杂比；L表不双向雷达系统损耗。为减小给周围环境带来的辐射污染，不能过大增加发射功率，本发明通过提高雷达系统的接收机灵敏度即降低最小可检测水平来提高雷达的探测距离。根据矢网的工作原理，通过降低系统的中频带宽，降低本底噪声，进而提高接收机灵敏度。另一方面降低中频带宽将增大矢网扫描时间，为确�：Ｔ硬ú饬渴莸恼媸敌院陀行裕谥衅荡怼⑸枋奔浜筒饬康闶湔壑锌悸牵问∪“匆韵虏街鐸)首先根据发射信号带宽和点数计算最大测量距离，根据发射信号带宽和要测量的距离范围确定符合条件的点数范围。2)以上点数和中频带宽的两两不同组合对应不同的扫描时间，找出扫描时间满足小于1/4海浪周期时对应的中频带宽参数。实际可测量距离即可根据IF带宽参数加上延迟时间影响得到。以雷达工频率
I.35GHz，带宽200MHz，海浪周期3. 9s，接收机IF带宽2kHz 20kHz为例，对应实际最大测量距离为I. 2 6. 6 km ο此外为增大探测距离对矢网采取以下措施采取平均、平滑等措施降低接收机噪声电平，删除无用迹线、断开无用标记、断开极限测试功能等一些附加功能，同时通过关闭矢网的显示以提高扫描速度。利用式⑵进行辐射功率估算，以本发明实际已应用的某测试平台为例，小擦地角工作，雷达波束下俯1.4°，平台高90m，陆海交界处与平台水平距离约I. 5km,发射功率为90W，估算区域及估算辐射功率密度如图I所示。从估算结果可以看出，辐射功率最大为
O.012W/m2，远小于国家电磁辐射标准O. 4W/m2。
权利要求
1.一种基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，其特征在于，主要包括矢量网络分析仪、功率放大器、低噪声放大器、收发天线和主控计算机；其中，所述矢量网络分析仪为信号收发设备，用于在所述主控计算机控制下产生指定参数的频率步进连续波信号，该信号经所述功率放大器放大后通过所述收发天线辐射到待测海面区域；回波信号经所述收发天线接收，并通过所述低噪声放大器提高信杂比后进入所述矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪还用于在主控计算机控制下设置适当的中频带宽，并将回波信号进行时域加窗及计算处理后得到海杂波数据，主控计算机对得到的海杂波数据进行记录、分析和管理。
2.如权利要求I所述的基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，其特征在于，所述矢量网络分析仪具备信号发射和接收功能，其中，所述矢量网络分析仪的中频带宽按如下方式确定根据发射信号带宽和点数计算最大测量距离，根据发射信号带宽和要测量的距离范围确定符合条件的点数范围；以上点数和中频带宽的两两不同组合对应不同的扫描时间，找出扫描时间满足小于 1/4海浪周期时对应的中频带宽，作为所述矢量网络分析仪的中频带宽。
3.如权利要求I所述的基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，其特征在于，所述收发天线分离且均采用单偏置抛物面天线，天线座架选用方位-俯仰型转台式座架，方位转台由铝结构件形成盘式结构，其上端用螺栓连接俯仰部分，下端用螺栓与天线安装平台相连，俯仰驱动箱置于俯仰圆筒内部，输出为与圆筒相连的一个内齿轮。
4.如权利要求3所述的基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，其特征在于，方位驱动电机和俯仰驱动电机采用三相交流异步电机，用以驱动方位、俯仰轴转动，选用正余弦旋转变压器分别安装在天线方位轴、俯仰轴上，用以感应方位、俯仰角度的微变； 方位、俯仰轴向分别装有硬件限位装置。
5.如权利要求I至4任一项所述的基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，其特征在于，主控计算机还用于通过设置批量测量参数，设定测量顺序并设置故障恢复处理实现海杂波自动测量，自动测量参数设置包括同一参数多次重复测量、同一时间段内同一参数测量、同一时间段内不同参数测量以及以上三种模式下组合测量，并将测量参数在校验后存入自动测量参数文件，测量完毕后测量数据自动入库，同时提供人工入库方式。
6.如权利要求I至4中任一项所述的基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，其特征在于，主控计算机还用于通过以太网线远程控制观测设备运作，采用多线程编程技术，利用集线器和通讯服务器分别控制矢网参数设置及天线转动、展开和收藏。
7.如权利要求I至4中任一项所述的基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，其特征在于，所述主控计算机还包括数据分析�？椋鍪莘治瞿？橛糜诮岷虾Ｑ蠡肪巢问运龊Ｔ硬ㄊ萁蟹治觯ň的Ｐ推ヅ浜头确植寄夂�。
8.如权利要求I至4中任一项所述的基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，其特征在于，还包括功放监测单元和温度监测单元；其中，所述功放监测单元用于监测经过所述功率放大器处理后的发射信号；所述温度监测单元用于监测机柜的工作温度。
9.如权利要求8所述的基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，其特征在于，所述矢量网络分析仪采用不间断电源UPS供电，所述功率放大器采用开关稳压电源供电，所述功放监测单元和温度监测单元采用开关电源供电。
10.如权利要求I至4中任一项所述的基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，其特征在于，还包括监视计算机，所述监视计算机用于通过摄像头监视所述收发天线的转动状态，以及监视海面状况。
全文摘要
本发明公开了一种基于矢量网络分析仪的L波段岸基海杂波观测系统，包括矢量网络分析仪、功率放大器、低噪声放大器、收发天线和主控计算机；其中，矢量网络分析仪为信号收发设备，用于在所述主控计算机控制下发射指定参数的频率步进连续波信号，该信号经所述功率放大器放大后通过所述收发天线辐射到待测海面区域；回波信号经所述收发天线接收，并通过所述低噪声放大器提高信杂比后进入所述矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪还用于在主控计算机控制下设置适当的中频带宽，并将回波信号进行时域加窗及计算处理后得到海杂波数据。借助于本发明的技术方案，能在低辐射功率下进行远距离探测，实现小擦地角高分辨探测，且系统性能稳定、自动化程度高。
文档编号G01S7/41GK102590792SQ201210049750
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者尹志盈, 张浙东, 张玉石, 朱秀芹, 李善斌, 李慧明, 田霞, 许心瑜 申请人:中国电子科技集团公司第二十二研究所
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