一維有源相掃搜索雷達角度修正

王延暴　周永偉　趙迎超

(西安電子工程研究所　西安　710100)

0　引言

目前使用與研制的相控陣雷達中，還較多的采用一維相掃的相控陣天線。該天線由多個上下排列的子陣組成，每個子陣可以是陣列天線、波導裂縫天線或其他形式的天線。它們在仰角方向上進行相位掃描形成多個接收波束覆蓋探測空域，在方位上進行機械掃描。這類雷達會有一定的帶寬，不同頻點對應不同的頻偏角。為了滿足空域覆蓋要求，雷達陣面還會傾斜一定角度放置。由于頻偏角和傾斜角的存在，如果處理不當就會給雷達方位、俯仰測角帶來誤差。另外，在雷達遠場測試中往往采用將雷達旋轉(zhuǎn)90°，通過專用工裝垂直固定于天線測試轉(zhuǎn)臺上，俯仰維方向圖測試通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺方位來實現(xiàn)的測試方法，如果不進行修正也會給雷達測角帶來誤差。

1　測角誤差來源分析

1.1　頻偏角導致的方位、俯仰測角誤差

為了提高雷達的抗干擾能力，一維有源相掃相控陣雷達會覆蓋一定的帶寬，當雷達信號頻率改變后，方位上相鄰天線輻射單元的相位差會發(fā)生變化，如果方位上沒有移相器，將會導致天線波束指向發(fā)生偏移，每個頻點將會對應一個頻偏角。由于頻偏角的存在，不同俯仰的方位指向在雷達球坐標系下會發(fā)生偏移。

當頻偏角為α，俯仰角為β時，在天線陣面球坐標系下方位角變?yōu)棣痢洌鐖D1所示，可以推導出：

(1)

1.2　天線傾斜導致的方位、俯仰測角誤差

為了滿足空域探測要求，一維有源相控陣雷達天線陣面往往要往后傾斜一定的角度，由于頻偏角的存在，目標在雷達球坐標系下的俯仰就不能由天線陣面球坐標系下的俯仰加上傾斜角度而得到，需要做坐標旋轉(zhuǎn)。

當目標在天線陣面球坐標系下頻偏角為α，俯仰角為β，天線旋轉(zhuǎn)φ時，目標在雷達球坐標系下方位角變?yōu)棣痢洌┭鼋亲優(yōu)棣隆?，如圖2所示。設θ為中間變量，θ=∠AO′B，可以得出：

(2)

(3)

(4)

1.3　天線測試導致的方位、俯仰測角誤差

為了驗證雷達是否滿足指標設計要求，會對雷達進行一系列的測試，測試內(nèi)容包括接收方向圖、發(fā)射方向圖、測角曲線等。大多數(shù)一維相掃近程搜索雷達遠場測試往往采用將雷達(含天線和收發(fā)系統(tǒng))旋轉(zhuǎn)90°，通過專用工裝垂直固定于天線測試轉(zhuǎn)臺上，俯仰維方向圖測試通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺方位來實現(xiàn)的測試方法。不同頻偏角下的俯仰維方向圖通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺俯仰使波束指向遠場測試信號源，然后轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺方位。由于頻偏角的存在，轉(zhuǎn)臺方位轉(zhuǎn)動平面和遠場測試信號源不在一個平面內(nèi)，轉(zhuǎn)臺方位轉(zhuǎn)動的角度θ不能等同于天線陣面球坐標下目標的俯仰角度β，用這種測試方法會給雷達俯仰角的測試帶來誤差。本文給出了轉(zhuǎn)臺方位轉(zhuǎn)動角度θ和目標在天線陣面球坐標系下俯仰角度β的關系。

天線陣面垂直與測試轉(zhuǎn)臺安裝，天線陣面法線為XT軸，當頻偏角為α，轉(zhuǎn)臺方位轉(zhuǎn)動θ時，目標在天線陣面球坐標系下的俯仰角為β，如圖3所示?？梢缘贸觯?/p>

sinβ=sinθcosαβ=arcsin(sinθcosα)

(5)

通過公式(5)可以得出，頻偏角α越小，cosα越接近1，θ和β越接近，反之，頻偏角α越大，θ和β差別越大。

2　角度修正方法

2.1　角度修正步驟及修正公式

信號處理檢測到的一次點跡信息為天線球坐標系下結果，報給數(shù)據(jù)處理及終端的數(shù)據(jù)：距離值R，方位值M(當前的碼盤值)，俯仰值B。當前工作頻點所對應的頻偏角為A，天線傾斜角度為φ，目標在雷達球坐標系下的坐標為(R，α，β)。之前的處理往往是α=M+A，β=B+φ，有些雷達也僅僅是對方位進行了頻偏角修正，這給測角帶來了很大的誤差。

觀察圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)，圖2中中間變量θ就是轉(zhuǎn)臺方位旋轉(zhuǎn)角度。雷達測角曲線如圖4所示，橫坐標是轉(zhuǎn)臺方位轉(zhuǎn)動角度(法線指向已經(jīng)歸零)，縱坐標是信號處理檢測到的目標俯仰角度，如果在測角曲線測試中沒有對轉(zhuǎn)臺角度進行修正，并且通過測角曲線修正算法，修正測角斜率K和均值C，已經(jīng)使信號處理檢測角度和轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度重合。這種情況時，雷達的角度可以由公式(3)、公式(4)推導出，按以下公式修正：

(6)

β=arcsin(cosAsin(B+φ))

(7)

如果在雷達測角曲線測試中對轉(zhuǎn)臺角度進行了修正，圖4中橫坐標角度已經(jīng)用公式(5)進行了修正，通過測角曲線修正算法，修正測角斜率K和均值C，也使信號處理檢測角度和轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度重合。這種情況時，雷達的角度可以由公式(2)、公式(3)、公式(4)推導出，按以下公式修正：

(8)

(9)

β=arcsin(cosAsin(θ+φ))

(10)

對方位、俯仰修正完成后進入數(shù)據(jù)處理、終端后續(xù)正常的處理流程，如炮塔修正、橫滾修正、縱搖修正、航向角修正等。

當需要對目標進行燒穿時，還會出現(xiàn)由雷達球坐標系向天線陣面球坐標系反推的情況，以下給出了反推公式。數(shù)據(jù)處理按照以前反推流程推導出需燒穿的目標在雷達球坐標系下坐標為(R，α，β)，對應天線陣面球坐標系下坐標為(R，M，B)，當前工作頻點所對應的頻偏角為A，天線傾斜角度為φ。如果在雷達測角曲線測試中沒有對轉(zhuǎn)臺角度進行修正，M、B值可以由公式(6)、公式(7)推導出，按以下公式修正：

(11)

(12)

如果在雷達測角曲線測試中對轉(zhuǎn)臺角度進行了修正，M、B值可以由公式(8)、公式(9)、公式(10)推導出，按以下公式修正：

(13)

B=arcsin(sinθcosA)

(14)

(15)

2.2　檢測結果比較

角度修正在我所雷達產(chǎn)品上進行了驗證，達到了理想的效果。修正前處理為α′=M+A，β′=B+φ，修正后處理采用公式(6)，(7)。

3　結束語

本文提出的角度修正算法主要針對一維有源相掃搜索雷達，對導致這類雷達測角精度變差的誤差來源進行了分析。通過對三種情況下雷達球坐標系下的方位角度、俯仰角度推導，給出了一維有源相掃相控陣雷達方位角度、俯仰角度與頻偏角、傾斜角、轉(zhuǎn)臺角度的關系公式，并介紹了詳細的修正方法。相比常規(guī)方法，本文方法無需復雜的坐標變換，不需要分步修正，一個公式給出了三個誤差源情況下的測角結果，并且直接給出了目標在雷達球坐標系下的值。針對以上方面給出了修正方法及步驟，通過對民航的檢測，驗證了修正算法的正確性，對提高雷達角度測量精度效果顯著。

參考文獻:

[1]張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2006.

[2]Merrill I. Skolnik.雷達手冊[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2003.

[3]溫丹昊,馬 敏,劉志高.相控陣雷達波束調(diào)度中的三維坐標轉(zhuǎn)換方法[J].黑龍江科技信息, 2012(12): 25-26.

[4]張軍,劉衍,趙迎超.天線與轉(zhuǎn)臺之間的坐標關系[J].火控雷達技術,2007,36(1):30-32.