一種提高機(jī)相掃雷達(dá)波束掃描精度的方法

張曉平，陸 健，朱金門

(南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039)

·信號(hào)處理·

一種提高機(jī)相掃雷達(dá)波束掃描精度的方法

張曉平，陸 健，朱金門

(南京電子技術(shù)研究所, 南京 210039)

在機(jī)相掃雷達(dá)系統(tǒng)中，波束掃描精度不僅決定探測(cè)目標(biāo)的測(cè)角、測(cè)距精度，甚至影響跟蹤、截獲目標(biāo)的成敗。文中論述波束掃描的實(shí)現(xiàn)途徑，提出按脈沖重復(fù)頻率(PRF)實(shí)時(shí)計(jì)算波束指向參數(shù)的方法。該方法提高了波束掃描的精度，改善了目標(biāo)起伏特性，增強(qiáng)了雷達(dá)系統(tǒng)的跟蹤精度和威力。對(duì)于動(dòng)平臺(tái)雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

機(jī)相掃雷達(dá)；脈沖重復(fù)頻率；波束指向；邊跟蹤邊搜索

0 引 言

機(jī)相掃雷達(dá)是指采用一維或兩維相掃加方位機(jī)械掃描工作方式的雷達(dá)，此時(shí)回波脈沖的幅度受天線方向圖的調(diào)制。為了減小天線陣面轉(zhuǎn)動(dòng)引起的回波幅度的變化，在每個(gè)波位駐留(或每幀)，都要對(duì)波束指向進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，雷達(dá)控制系統(tǒng)在每幀采集天線陣面法線相對(duì)于正北的角度、動(dòng)態(tài)水平儀的水平偏差角等參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前幀的波束指向，使波束按照我們預(yù)定的設(shè)想空域照射，達(dá)到搜索、截獲、跟蹤目標(biāo)的目的。

現(xiàn)代雷達(dá)為了提高目標(biāo)檢測(cè)性能，普遍采用多脈沖積累技術(shù)，也就是在一個(gè)駐留(幀)發(fā)射多個(gè)脈沖[1]。由于機(jī)相掃雷達(dá)在波束相掃的同時(shí)，機(jī)械角度也在變化，在雷達(dá)天線陣面轉(zhuǎn)速較快、多脈沖波位駐留時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，由于波束指向信息是按幀計(jì)算，而不是按脈沖重復(fù)周期(PRF)計(jì)算，從本幀第二個(gè)脈沖開始，波束指向信息中使用陣面角度等信息非當(dāng)前脈沖時(shí)的陣面角度信息，嚴(yán)重影響了當(dāng)前波束掃描的精度[2]。

為此，我們通過按PRF來計(jì)算波束指向參數(shù)，來提高波束掃描的精度，解決上述問題。

1 波束指向計(jì)算

在雷達(dá)系統(tǒng)中，一般由數(shù)據(jù)處理、雷達(dá)控制和波控共同決定天線波束的掃描方法。圖1為重置波束指向的實(shí)現(xiàn)框圖。下面以一種航管雙面輻射機(jī)相掃雷達(dá)為例，來說明重置波束指向的具體步驟[3-4]。

圖1 重置波束指向?qū)崿F(xiàn)框圖

1.1 數(shù)據(jù)處理送波位信息

如圖2所示，面對(duì)主天線陣面的正面，以左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)建立笛卡爾直角坐標(biāo)系，陣面在XOY平面內(nèi)，XOZ面為大地水平面。OT為波束指向。Az為波束指向OT在XOZ平面內(nèi)的投影與OZ軸正向的夾角，逆時(shí)針為正(-90°≤Az≤90°)。El為波束指向OT與其在XOZ平面內(nèi)的投影OT′之間的夾角，大地水平面上為正(-90°≤El≤90°)。

數(shù)據(jù)處理對(duì)雷達(dá)點(diǎn)跡信息分析，把下一波位駐留的波束指向信息Az雷達(dá)大地坐標(biāo)、El雷達(dá)大地坐標(biāo)送給雷達(dá)控制。

圖2 天線陣面坐標(biāo)示意圖

1.2 雷達(dá)控制實(shí)時(shí)計(jì)算波束指向參數(shù)

雷達(dá)控制實(shí)時(shí)采集動(dòng)態(tài)水平儀的水平修正值El水平偏差角，伺服的正北、方位增量，及數(shù)據(jù)處理送來的波束指向信息。計(jì)算出天線反面機(jī)械軸指向Az反面法向，如圖3所示。

圖3 天線反面機(jī)械軸指向

在圖2中定義的Az、El與圖3中雷達(dá)波束指向(在大地坐標(biāo)系下)關(guān)系為：Az=Az雷達(dá)大地坐標(biāo)-Az反面法向，El=El雷達(dá)大地坐標(biāo)系-El水平偏差角。此時(shí)天線陣面工作在反面，對(duì)天線陣面反面一側(cè)的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。

若天線工作在正面，對(duì)天線陣面正面一側(cè)的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。Az=-(Az雷達(dá)大地坐標(biāo)-Az反面法向-180°) 。

雷達(dá)控制計(jì)算出Az、El后，根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算波束指向參數(shù)α、β。

(1)

β(f,El,Az)= mod(1.2·f·dy)·

(2)

式中：f為工作頻率點(diǎn)；dx為x軸向單元間距；dy為y軸向單元間距；Az為方位角；El為俯仰角；α為方位移相器相位增量(0°≤α<360°)；β為俯仰移相器相位增量(0°≤β<360°)。

雷達(dá)控制將α(λ,θ,φ)、β(λ,θ,φ)按13位進(jìn)行數(shù)字量化(四舍五入取整)送波控，即

(3)

式中：Δα為陣面單元移相器的方位波控增量碼，13位量化，0≤Δα<8 192；Δβ為陣面單元移相器的仰角波控增量碼，13位量化，0≤Δβ<8 192。

1.3 波控計(jì)算陣面單元波控碼

波控接收到雷達(dá)控制的波束指向參數(shù)Δα、Δβ，計(jì)算出陣面中第(m,n)個(gè)單元的相移波控碼為

(4)

式中：bxm,n為陣面單元的相位校正波控碼(8位量化預(yù)存貯,對(duì)應(yīng)0°～360°)；zkm,n為展寬波束的單元相位波控碼(8位量化預(yù)存貯,對(duì)應(yīng)0°～360°)；m為從坐標(biāo)原點(diǎn)沿x軸正向?qū)α芯幪?hào)(m=0，1，2，…，M-1)；n為從坐標(biāo)原點(diǎn)沿y軸正向?qū)π芯幪?hào)(n=0，1，2，…，N-1)；M為天線陣面列數(shù)；N為為天線陣面行數(shù)。

波控系統(tǒng)控制陣面單元移相器，形成和波束，在發(fā)射脈沖到來時(shí)，指向預(yù)定空域。

2 重置波束指向時(shí)序

傳統(tǒng)的機(jī)相掃雷達(dá)重置波束指向的時(shí)序如圖4a)所示，Mgs為幀起始信號(hào)，雷達(dá)控制在幀起始信號(hào)前300 μs(Mgs-300)采集陣面法向的角度值A(chǔ)z反面法向和動(dòng)態(tài)水平儀的水平修正值El水平偏差角，用式(1)、～式(3)，計(jì)算出波束指向參數(shù)Δα、Δβ，在幀起始信號(hào)前100 μs(Mgs-100)送給波控，波控算出每個(gè)單元的移相器值分別送到各個(gè)單元，在幀起始信號(hào)到來時(shí)，波束指向改變，指向預(yù)定的空間。通常雷達(dá)在一幀中會(huì)發(fā)射多個(gè)脈沖(M0)，用的是同一個(gè)修正值，由于天線陣面水平方向機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣從第二個(gè)脈沖開始，就會(huì)影響波束掃描的精度。

本方法的重置波束指向時(shí)序圖如圖4b)所示，M0為發(fā)射起始信號(hào)，雷達(dá)控制在發(fā)射起始信號(hào)前300μs(M0-300)采集陣面法向的角度值A(chǔ)z反面法向和動(dòng)態(tài)水平儀的水平修正值El水平偏差角，用式(1)～式(3)，計(jì)算出波束指向參數(shù)Δα、Δβ，在發(fā)射起始信號(hào)前100 μs(M0-100)送給波控，波控算出每個(gè)單元的移相器值分別送到各個(gè)單元，在發(fā)射起始信號(hào)到來時(shí)，波束指向改變，指向預(yù)定的空間。由于這種控制流程，波束指向參數(shù)計(jì)算使用的當(dāng)前陣面法向(Az反面法向)角度值(脈沖內(nèi))，使波束掃描的精度有了很大的提高。

圖4 重置波束指向時(shí)序圖

3 精度影響分析

采用按脈沖(M0)重置波束指向參數(shù)，修正了方位機(jī)掃時(shí)按波位(幀)重置波束指向帶來的波束指向的掃描偏差，減小了目標(biāo)的脈間起伏，確保雷達(dá)威力，提高了測(cè)角精度。

精度影響分析如下：一種航管雷達(dá)天線方位波束寬度為1.3°，在雷達(dá)正常轉(zhuǎn)速6 r/min情況下，轉(zhuǎn)過3 dB波束寬度時(shí)間為36.1 ms。對(duì)于重復(fù)周期為3 ms的6脈沖波位駐留，駐留時(shí)間為18 ms，在此駐留時(shí)間內(nèi)天線機(jī)械旋轉(zhuǎn)角度為0.65°。該型雷達(dá)是采用多波位幅度加權(quán)測(cè)角[5]，參見圖5所示的3波位跟蹤波位駐留示意圖，這樣在波位駐留時(shí)間內(nèi)雷達(dá)回波會(huì)帶來最大約6 dB的掃描調(diào)制，這對(duì)雷達(dá)威力會(huì)有2 dB～3 dB左右的損失，并且嚴(yán)重影響多波位幅度加權(quán)測(cè)角精度，造成不能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行正常跟蹤，這種情況在該雷達(dá)對(duì)民航目標(biāo)的跟蹤中已得到充分驗(yàn)證。

圖5 目標(biāo)TAS跟蹤波位示意圖

本方法通過機(jī)相掃雷達(dá)按脈沖重置波束指向，提高了波束掃描的精度，從而提高了雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)角精度與威力范圍。表1為某型航管雷達(dá)檢飛時(shí)，采用幀重置波束指向與脈沖重置波束指向的雷達(dá)精度與威力對(duì)比。

表1 精度威力對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

在機(jī)相掃雷達(dá)中，按發(fā)射脈沖(PRF)實(shí)時(shí)重置波束指向的方法，由于重置波束指向參數(shù)使用的當(dāng)前陣面法向角度值和動(dòng)態(tài)水平儀值，提高了機(jī)相掃雷達(dá)波束掃描的精度。本方法僅對(duì)重置波束指向時(shí)序作一定的調(diào)整，增加部分功能軟件，不更改雷達(dá)控制硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)成本低，適用于現(xiàn)役、在研的一維、兩維機(jī)相掃雷達(dá)和其他動(dòng)平臺(tái)雷達(dá)。

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張曉平 男，1959年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)控制、終端顯示技術(shù)。

陸 健 男，1979年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

A Method of Improving the Accuracy of Beam-steering Based on Mechanical Phase Scan Radar

ZHANG Xiaoping，LU Jian, ZHU Jinmen

(Nanjing Reserach Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

In the mechanical phase scan radar, the accuracy of the target's angle and ranging detection is not only determined by the beam-steering accuracy,and even affect success or failure of the tracking ang acquisiting targets. The way to realize the beam-steering is discussed in this paper. It is proposed that a method for calculating the parameters of the beam-steering in real-time by PRF. This method can improve the accuracy of beam-steering, improve the fluctuation of targets,and enhance the tracking accuracy and power of the radar system. This will be referenced by the design and application of the moving platform radar system.

mechanical phase scan radar; pulse repetition frequency; beam-steering; tracking and searching

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.005

張曉平 Email：13605164656@139.com

2015-11-16

2016-01-26

TN820.1

A

1004-7859(2016)04-0022-03