[发明专利]相控阵非相干散射雷达系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种相控阵非相干散射雷达系统。

背景技术

单个自由电子对电磁波的散射称为非相干散射，也称为汤姆孙散射。1958年戈登 (W.E.Gordon)指出，电离层中的自由电子对无线电波的散射可以非相干叠加，而用地面大功率雷达有可能测到散射回波。这仅仅是可能性。同年 10月鲍尔斯(K.L.Bowles)测得了电离层的散射回波。从那时起，用大功率雷达探测电离层的这种方法称为非相干散射探测。然而，实践和理论都证实这个名称并不确切，因为真正的非相干散射要求雷达工作波长λ远小于等离子体德拜长度λ_D，实际探测中是λ大于或远大于λ_D。同时，鲍尔斯还发现接收信号的多普勒频移远小于根据电子随机热速度推算出来的预想值，这说明接收到的是等离子体热随机起伏引起的散射而不是自由电子散射。

在空间等离子体中，电子密度相对较低，所以德拜长度可以达到宏观的量级。如电离层的德拜长度为厘米级，磁层和太阳风的德拜长度为十米至百米量级。相对于p波段入射电磁波来说，前者已处在瑞利区的相对强反射区域，后两者更是进入了米散射区，所以用P波段探测电离层非相干散射是合适的。

非相干散射雷达利用高空大气中电子和等离子体热起伏的微弱散射信号，遥测高空大气的物理参数。由于这种热起伏引起的散射信号是非相干的，所以叫做非相干散射雷达。非相干散射雷达可以测量 60km 直至 2000km 甚至更高范围内的电子密度、离子成分、电子整体漂移速度、背景中性大气温度及空间电场等二十多个参量，具有测量高空大气物理参数多、精度高、测量高度范围大、距离分辨率高等突出优点，是目前地面探测空间大气环境参数最先进的手段。 

由于非相干散射雷达造价高昂，例如美国最先进的模块式非相干散射雷达单台造价约4000万美元，建造和维护起来都很不容易。因此目前全世界只有约十部非相干散射雷达，他们分别隶属于美国、欧盟、俄罗斯和日本，在整个东半球目前非常缺乏此类探测设备。另一个重要的问题是非相干散射雷达的功率很大（2兆瓦），运行费用也相当高，例如美国国家基金会支持的非相干散射雷达，每年每台雷达的运行费约为200万美元，而每台雷达的实际运行时间一般每年不超过两个月，存在设备庞大，结构复杂，维护运行费用也很高的缺陷。但是空间物理的研究需要电离层电场的连续测量。因此研究需求与非相干散射雷达建设运行成本之间的矛盾仍是困扰空间大气环境科学发展亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种相控阵非相干散射雷达系统，它具有长时间连续运行探测，建造成本低，运行费用低，工作模式可选，操作灵活等优点。

本发明是这样来实现的，它包括数字接收机、功分器、收发开关、收发组件、天线子阵、天线单元、馈线系统、信号处理机和主控计算机，其特征在于数字接收机产生激励源信号，经功分器送入N个收发开关进行预放大，其中N为正整数，然后一定功率量级的每个收发开关的输出经功分器再馈往每组N个收发组件，这样N个收发开关驱动NxN个收发组件同时工作，对发射信号进行末级放大，然后NxN个收发组件将最终的输出功率馈往NxN个天线子阵，每个天线子阵内有若干个天线单元，并经功分器驱动所有的天线单元，来自各个天线单元的等幅同相的功率信号最终在空间形成波束，沿着天线阵面的法线方向向天顶传输；空间等离子体在入射波的照射下，产生各向散射，其中部分散射能量回到雷达方向并被雷达天线所感应到，所有天线单元将感应到的微弱的回波信号馈往接收通道，通过馈线系统的综合功能，空间相参的信号得到了累加，回波信号信噪比得到提升，经过收发组件放大和再次相参合成，最终形成一路回波信号，被送入数字接收机，数字接收机对回波信号直接数字采样、数字下变频，形成中频数字信号送入信号处理机进行处理；信号处理机完成数字滤波、低通抽取、脉冲压缩、脉内相干、脉间相干、FFT和谱平均等，并最终输出结果给主控计算机进行产品处理与生成。