用于移动目标的相干检测的方法和雷达系统

摘要

基于对没有移动目标指示的标准不相干雷达的修改，本发明提供了一种相干雷达系统。在这种类别中的典型雷达是导航雷达，该导航雷达用低成本的部件来大量生产。这些雷达使用在发射器中的是随机相位装置的磁电管。在本发明中，正好在振幅检测过程(其中丢失相位信息)之前提取已接收的信号，并且使用模数转换器对该已接收的信号进行数字化，该模数转换器基于在被发射脉冲和已接收信号之间的相互关系来提供相干检测。

说明书

技术领域

本发明涉及目标检测的领域，特别地通过雷达系统，并且更特别 地通过使用用于移动目标的相干检测的雷达。

背景

当扫描地平线时，没有移动目标指示的雷达使用定向天线并且发 射脉冲。从发射到接收脉冲的时间提供了到反射目标的范围。通过绘 制信号接收功率和天线角，由此所产生的图像表示周围的环境。导航 雷达使用这个原理以在屏幕上绘制陆地区域和其它船舶。

图1显示了在大多数船舶上所使用的传统的导航雷达系统。该系 统应用作为发射机源的磁电管12。磁电管是在低成本下可以传送强信 号的自激振荡管。这是一种随机相位装置，这是由于在发射脉冲期间 加热管将会改变它的共振频率并且转换所发射信号的相位。把来自磁 电管12的信号通向扫描天线11。通过天线11来接收对应反射的或反 散射的信号，并且在接收通道中处理该信号，该接收通道包括部件： RF放大器14、混频器15、本机振荡器18、中频放大器与滤波器16 和检测器17。检测器17通常是晶体(二极管)振幅检测器。可以在老式 平面投影指示器(Plan Projection Indicator)(图未示)上观察到来自检测 器17的信号，或者可以在光栅显示装置(计算机屏幕)上数字化并观察 到来自检测器17的信号。

为了保护接收通道不受强发射器信号的影响，信号路由经过循环 器13。此外，在发射周期期间减弱或关闭接收通道。

为了检测在杂乱环境(例如，在陆地上方)中的目标，雷达必须包 括用于从周围的杂物中提取移动目标的装置。已经使用过多种方法， 且可以分成两大类：

·不相干检测，其中把来自两个或多个天线的已检测视频(振幅) 信号与振幅作比较来检测变化，因此不使用信号相位

·相干检测，其中使用从脉冲到脉冲变化的信号相位来提取

可以把图1中所图解的系统使用于检测移动目标，也就是说，根 据第一选项，如果在接收周期期间(扫描)存储接已收到的信号，并且 与在随后的接收周期期间所接收到的信号作比较。

典型地，不相干的移动目标指示(MTI)较慢(由于需要检测至少两 个完整的天线扫描)，并且需要目标在天线的扫描时间中以一个或多个 分辩单元的次序移动。由于仅仅使用已检测视频的事实，所以敏感度 也十分低。

大多数现代雷达系统使用相干检测，其中比较来自两个或多个脉 冲的信号相位，以用于探测朝着雷达或离开雷达的目的径向速度。这 些系统使用稳定振荡器，使用该稳定振荡器以用于生成发射器的载波 频率和用于接收器的降频转换。因此在接收器中的中频信号与取决于 目标距离的已发射脉冲信号和已接收信号相位相干。目标的朝着或离 开雷达的与波长的几分之一大小(fraction)对应的移动将导致在已接收 的信号相位中的变化。

图2显示了这种相干雷达系统的元件。这里，在信号源发生器28 中产生雷达脉冲。已产生的脉冲将来自混频器29中的稳定载波振荡 器212的信号调制。然后发射器的脉冲在功率放大器210中放大、在 滤波器211中滤波并且经由循环器23发送到天线21。在接收时使用 载波振荡器212在混频器25中降频转换信号。这样已接收的信号将 与被发射的脉冲相干。在检测器27中检测之后比较随后的脉冲。这 种系统还包括在循环器23之后的RF放大器24、混频器25和IF放大 器/滤波器26。由于在随后脉冲之间的相位差，因此移动目标将慢下 来。可以检测像载波波长的几分之一那么小的移动。

由于需要在大功率部件中的相位稳定性，因此相干雷达的结构成 本昂贵。所以先前已经应用了接收相干(coherent-on-receive)MTI的方 案，尤其是在大功率的雷达中。在这种系统中，把快速本地振荡器在 发射的短周期期间锁定到发射器的相位和频率上。在发射器脉冲之 后，设计振荡器系统以保持相位在随后的接收期间都不变。把这种振 荡器使用于已接收信号的降频转换，因此即使发射器具有随机相位也 能提供相干检测。

图3更详细地图解了这种概念。这种系统使用自由振荡 (free-running)的发射器源313。由于接收通道使用与发射源313的相位 同步的本机振荡器318，所以在接收期间建立了相位相干。这种系统 也包括RF放大器34、混频器35和IF滤波器/放大器36。

接收相干系统需要相位锁定机构，该相位锁定机构要足够快速以 在脉冲期间锁定并且足够稳定以在整个接收期间提供正确的相位。通 常依靠十分复杂的相位锁定机构来实现上述情形。该系统还需要在脉 冲中的稳定相位，因此增加了对昂贵的发射器子系统的需要。

如上所述，现有的相干雷达系统是非常昂贵的，由此限制了它们 的使用，比如对绕着机场的领空的监视。然而，在其它的领域中相干 雷达系统也是非常有用的，因此需要有带有相似特性的且较低成本的 雷达系统。

简介

本发明提供了用于检测移动目标的方法和系统。在特定的应用场 合中，基于对没有MTI的标准不相干雷达的修改，本发明提供了相干 雷达系统。在这种类别中的典型雷达是导航雷达，该导航雷达用低成 本的部件来大量生产。这种雷达使用在发射器中的磁电管，该磁电管 不仅仅具有从脉冲到脉冲的随机相位，而且相位在整个脉冲中都变 化。

该概念是基于正好在振幅检测过程(其中丢失相位信息)之前提取 已接收的信号和使用模数转换器对该信号进行数字化，该模数转换器 基于在被发射脉冲和已接收信号之间的相互关系来提供相干检测。

该方法提供成本效益方式以使用现成的低成本部件来获得相干 检测和移动目标指示。

用于相干雷达的现有方法使用复杂的硬件和专门设计的电子器 件以便获得必须的相位稳定性。本解决方案对雷达系统不提出这些要 求中的任何一个要求。

此外，可以把本发明的系统制造得比现有技术的相干雷达系统紧 凑。这主要是由于使用了磁电管，该磁电管在小空间中可以提供大功 率。这能允许在受限空间中使用相干雷达系统，该受限空间通常不能 容纳这种设备，比如在飞机中。

此外，由于已接收回波的匹配滤波器处理，所以增强了目标检测， 因此允许无意的或有意的脉冲调制。

特别地，本发明涉及用于移动目标的相干检测的方法，所述方法 包括朝着目标发射随机相位脉冲信号、接收由所述脉冲信号所产生的 回波信号、以及最后使脉冲信号与回波信号相关，如下面在权利要求 1中所要求的。

本发明还包括带有天线、随机相位发射单元、信号耦合单元、适 合于把已接收信号转调(transpose)到中频信号的接收单元、适合于数字 化该中频信号的A/D(模拟/数字)转换器和适合于使由所述发射单元所 发射的信号与已接收回波信号相关的处理单元的系统，如权利要求5 所要求的。

附图的简要描述

现在将参考附图详细描述本发明，其中：

图1是传统的导航雷达的主要部件的示意图(现有技术)，

图2是相干源雷达的主要部件的示意图(现有技术)，

图3是接收相干雷达的主要部件的示意图(现有技术)，

图4是根据本发明的雷达系统的示意图。

详细描述

本发明的概念是基于正好在振幅检测过程(其中丢失相位信息)之 前提取已接收的信号和使用模数转换器对该信号进行数字化。

图4图解了本发明。在附图中所示的系统再次使用了图1中的传 统的导航雷达的所有部件，比如天线41、磁电管42、循环器43、前 置放大器44、混频器45、本机振荡器28和IF滤波器46。尽管振幅 检测器47对于本发明并没有起任何作用，但是也可以把该振幅检测 器保留在系统中。

本发明的系统与图1中的现有技术的导航雷达相比具有两个主要 的不同之处：

增加数字化IF信号的A/D转换器415(在图4中以点轮廓显示的)， 以及即使在发射周期期间也打开接收链路。

由于在发射器系统中的大功率，所以发射器信号中的一些信号会 通过接收器系统泄漏并且到达A/D转换器415。因此，通过正好在启 动发射之前启动数字化以及当已经接收到来自最远范围的回波时停 止发射，由此所产生的来自A/D转换器的数据数组输出将包含：

·数字化的发射脉冲(在数组的开始)

·数字化的回波接收(在数组的其它部分中)

通过使数组的数字化回波接收部分与数组的数字化被发射脉冲 部分相关，提供了带有脉冲完整性(intact)的回波数组(echo-array)。然 后，可以把该数组使用于带有任何相干MTI方法的脉冲到脉冲的 MTI。

讨论中的相互关系是标准的互相关乘积z_k：

$z_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i·y_{i-k}$

其中x是数组的接收部分，而y是数组的被发射脉冲部分；i和k 是各自的数据数组中的指数。

本发明提供了带有小尺寸的成本效益的相干雷达系统。这可以扩 大相干雷达系统的应用场合，比如对使用在飞机中的气象雷达。

大体上，本发明可以使用于使用自激振荡发射器的任何移动检测 系统中，该自激振荡发射器工作在任何频率和任何介质上。一个特定 的应用场合是使用自激振荡变换器的声纳系统。在许多方面，这种系 统都紧密地与导航雷达对应，因此将不在此详细描述了。通过阅读上 面的描述，本领域中的任何一个技术人员将也能理解本发明如何被适 用在本领域中。