一種TWS雷達(dá)天線水平度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方法

張 彪，任 旺，徐光輝

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

根據(jù)復(fù)雜電磁環(huán)境的現(xiàn)狀和提供高精度目標(biāo)指示的需求，機(jī)相掃描三坐標(biāo)雷達(dá)的跟蹤精度是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。在探測(cè)目標(biāo)過(guò)程中，影響雷達(dá)跟蹤精度的因素有很多，其中雷達(dá)所在平臺(tái)水平度的影響是一個(gè)不可忽視的因素。車(chē)載雷達(dá)整車(chē)調(diào)平及天線轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的晃動(dòng)，陣面受風(fēng)吹等都會(huì)影響雷達(dá)所在平臺(tái)的水平度，進(jìn)而影響雷達(dá)的測(cè)角性能。要保證雷達(dá)處于一個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)上，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，耗費(fèi)成本較高，在雷達(dá)信號(hào)處理的后端對(duì)平臺(tái)的水平度補(bǔ)償已經(jīng)成為一個(gè)通用的模式。在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件中，對(duì)雷達(dá)檢測(cè)到的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)進(jìn)行水平度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低和穩(wěn)定性高，能很好地滿足工程實(shí)際的需要。

1 TWS雷達(dá)分區(qū)處理原則

基于TWS系統(tǒng)的雷達(dá)將掃描區(qū)域平均分成n個(gè)，一般取16，24或32。每個(gè)區(qū)域稱之為扇區(qū)，分別為第0扇區(qū)，第1扇區(qū)，......，第n-1扇區(qū)，如圖1所示[1-3]。雷達(dá)數(shù)據(jù)處理在創(chuàng)建的扇區(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)行，包括點(diǎn)跡處理、航跡處理等。對(duì)空域已掃描過(guò)的扇區(qū)，用流水作業(yè)實(shí)現(xiàn)宏觀上的并行處理，當(dāng)天線掃過(guò)一個(gè)扇區(qū)時(shí)，處理向前滑動(dòng)一個(gè)扇區(qū)，重復(fù)一個(gè)流水作業(yè)[3-5]。

本文主要考慮雷達(dá)數(shù)據(jù)處理按扇區(qū)讀取到信號(hào)處理點(diǎn)跡數(shù)據(jù)后，利用天線水平數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)跡方位、俯仰進(jìn)行補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)跡處理問(wèn)題。

圖1 TWS分區(qū)及工作過(guò)程

2 天線水平度補(bǔ)償方法

天線水平儀通常置于雷達(dá)天線安裝平臺(tái)上，能快速感知安裝平臺(tái)的水平姿態(tài)，并將實(shí)時(shí)水平姿態(tài)數(shù)據(jù)傳送至雷達(dá)系統(tǒng)。由于雷達(dá)所在平臺(tái)的車(chē)載坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系不重合，以及各種因素導(dǎo)致載體不能處在水平位置，因此，需要將雷達(dá)點(diǎn)跡由車(chē)載坐標(biāo)系變換至大地坐標(biāo)系下[5-7]，需要根據(jù)天線水平度進(jìn)行方位、俯仰維上的補(bǔ)償[6]。

2.1 坐標(biāo)系規(guī)定

天線水平度補(bǔ)償時(shí)，需要規(guī)定幾個(gè)坐標(biāo)系及若干參數(shù)的定義：

① 車(chē)載坐標(biāo)系(Ac，Ec，R)：其中，Ac為天線在車(chē)體的投影與車(chē)體中軸線的夾角，順時(shí)針為正；Ec為天線在車(chē)體的投影與天線的夾角，向上為正；R為斜距，即天線與目標(biāo)的距離。

② 大地坐標(biāo)系(A，E，R)：其中，A為天線在水平面的投影與正北的夾角，順時(shí)針為正；E為天線在在水平面的投影與天線的夾角，向上為正；R為斜距，即天線與目標(biāo)的距離。

③ 車(chē)頭方向(KD)：KD為導(dǎo)航設(shè)備給出的整車(chē)方位(相對(duì)于正北)。

④ 方位碼盤(pán)值(Am)：Am為天線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所處的方位值(相對(duì)于車(chē)體中軸線的夾角)。

⑤ 橫傾、縱傾數(shù)據(jù)[8-10](GRx，GRy)：伺服輸出的天線橫傾、縱傾規(guī)定：車(chē)頭高時(shí)縱傾GRy為正，車(chē)體右側(cè)低(行車(chē)方向)時(shí)橫傾GRx為正。

2.2 水平度補(bǔ)償方法

由于水平儀給出的車(chē)搖橫傾、縱傾數(shù)據(jù)的頻率比扇區(qū)頻率大，所以一個(gè)扇區(qū)內(nèi)，可以接收若干組橫傾、縱傾數(shù)據(jù)。一個(gè)扇區(qū)內(nèi)接收車(chē)搖橫傾、縱傾數(shù)據(jù)的形式如圖2所示。

圖2 一個(gè)扇區(qū)內(nèi)接收車(chē)搖橫傾、縱傾數(shù)據(jù)的形式

雷達(dá)在第n-1扇區(qū)內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)處理接收信號(hào)處理大地坐標(biāo)系下的點(diǎn)跡(a，r，e)，同時(shí)水平儀連續(xù)發(fā)送車(chē)搖數(shù)據(jù)，雷達(dá)伺服系統(tǒng)收集到車(chē)搖數(shù)據(jù)后，再連同伺服此時(shí)所知的車(chē)頭方向及方位碼盤(pán)值轉(zhuǎn)送若干組車(chē)搖數(shù)據(jù)(GRx，GRy，Am，KD)至數(shù)據(jù)處理。由于信號(hào)處理點(diǎn)跡是大地坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，沒(méi)有考慮天線平臺(tái)水平度的影響，需要在數(shù)據(jù)處理中利用車(chē)搖數(shù)據(jù)進(jìn)行水平度補(bǔ)償[11-13]，補(bǔ)償原理如圖3所示。

圖3 水平度補(bǔ)償原理

水平度補(bǔ)償?shù)木唧w步驟如下：

① 車(chē)載坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系在方位上只相差一個(gè)車(chē)頭方向，可以先將信號(hào)處理按扇區(qū)讀取的點(diǎn)跡轉(zhuǎn)換到車(chē)載坐標(biāo)系下時(shí)，轉(zhuǎn)換至車(chē)載坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(Ac，Ec，R):

Ac=a-KD ，

(1)

Ec=e，

(2)

R=r。

(3)

② 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理根據(jù)點(diǎn)跡方位Ac以及車(chē)搖方位數(shù)據(jù)Am,尋找與方位Ac最接近的車(chē)搖方位數(shù)據(jù)Am1及Am2，找到方位Ac左右最近的2組車(chē)搖數(shù)據(jù)分別為(GRx1，GRy1，Am1，KD)和(GRx2，GRy2，Am2，KD)，其中，Am1≤Ac≤Am2。

③ 根據(jù)車(chē)搖數(shù)據(jù)的方位碼Am偏離點(diǎn)跡方位Ac的值作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)得到點(diǎn)跡方位Ac時(shí)的車(chē)搖參數(shù)。偏離方位差越大，所占的權(quán)重越小，反之，則權(quán)重越大。根據(jù)方位偏移值得到權(quán)重系數(shù)p1和p2：p1=Ac-Am1，p2=Am2-Ac。

根據(jù)權(quán)重系數(shù)計(jì)算得到點(diǎn)跡方位Ac時(shí)對(duì)應(yīng)的車(chē)搖橫傾、縱傾數(shù)據(jù)：

(4)

(5)

④ 得到水平補(bǔ)償后的大地坐標(biāo)下的點(diǎn)跡值[14-16](A，E，R)，根據(jù)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)及相對(duì)應(yīng)的車(chē)搖數(shù)據(jù)，將車(chē)載坐標(biāo)系下的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)(Ac，Ec，R)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，得到補(bǔ)償后的點(diǎn)跡方位A、俯仰E：

(KD)，

(6)

E=arcsin[cosEc·(sinGRy·cosAc-cosGRy·

sinGRx·sinAc)+cosGRy·cosGRx·sinEc]，

(7)

式中，距離R保持不變。

經(jīng)過(guò)以上幾個(gè)步驟，在信號(hào)處理點(diǎn)跡參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合相應(yīng)的車(chē)搖數(shù)據(jù)完成了雷達(dá)天線水平度的補(bǔ)償。這樣便于數(shù)據(jù)處理完成航跡處理等后續(xù)過(guò)程，得到高精度的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)。

3 水平度補(bǔ)償結(jié)果分析

采集雷達(dá)天線水平儀的水平度數(shù)據(jù)，雷達(dá)掃描一周內(nèi)采集的車(chē)體縱傾、橫傾數(shù)據(jù)如圖4所示?？梢钥闯?，隨著機(jī)-相掃描雷達(dá)在方位上的轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)體左右、前后的搖晃有時(shí)接近0.5°。一般以3°的波束寬度工作的單脈沖測(cè)角雷達(dá)，要求的精度為十分之一波束寬度(即0.3°)。此時(shí)，必須考慮車(chē)體橫傾、縱傾對(duì)雷達(dá)測(cè)角的影響[16]。

圖4 雷達(dá)掃描一周內(nèi)采集的車(chē)體縱傾、橫傾數(shù)據(jù)

某車(chē)載三坐標(biāo)搜索雷達(dá)的實(shí)際目標(biāo)飛行試驗(yàn)，通過(guò)水平補(bǔ)償前后，航跡濾波值與目標(biāo)飛行真值數(shù)據(jù)的比較，分析雷達(dá)的精度。目標(biāo)起始距離58.3 km，目標(biāo)飛行高度800 m，速度190 m/s，檢查水平補(bǔ)償前后的精度變化。進(jìn)行水平補(bǔ)償后，目標(biāo)跟蹤濾波數(shù)據(jù)與真值的比較如圖5所示。

圖5 進(jìn)行水平補(bǔ)償后，目標(biāo)跟蹤濾波數(shù)據(jù)與真值的比較

3.1 水平補(bǔ)償前后一次差比較

將水平補(bǔ)償前后的目標(biāo)跟蹤濾波數(shù)據(jù)與同時(shí)刻的真值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到方位一次差、俯仰一次差如圖6，圖7所示[16-17]。

圖6 水平補(bǔ)償前后方位濾波值與真值的一次差

圖7 水平補(bǔ)償前后俯仰濾波值與真值的一次差

通過(guò)水平度補(bǔ)償后，航跡濾波數(shù)據(jù)與真值的一次差明顯減小。

3.2 水平補(bǔ)償前后精度對(duì)比

通過(guò)水平補(bǔ)償前后的雷達(dá)濾波數(shù)據(jù)與真值在方位及俯仰上做精度分析，分別得到方位及俯仰的系統(tǒng)誤差、起伏誤差和總誤差如表1所示?？梢?jiàn)，通過(guò)這種水平補(bǔ)償方式，可以有效地提高雷達(dá)跟蹤精度[16-18]。

表1 水平補(bǔ)償前后雷達(dá)跟蹤精度對(duì)比 (°)

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著武器系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)精度提出的要求越來(lái)越高，雷達(dá)所在平臺(tái)水平度影響雷達(dá)的測(cè)量精度的問(wèn)題需要得到進(jìn)一步的重視。本文介紹的TWS雷達(dá)天線水平度補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法，通過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理后期處理，可以修正雷達(dá)信號(hào)處理前端測(cè)角帶來(lái)的誤差。通過(guò)實(shí)際飛行試驗(yàn)進(jìn)行了確認(rèn)。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單清晰，便于計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，能有效地提高雷達(dá)的跟蹤精度。下一步的工作將主要研究天線平臺(tái)隨車(chē)移動(dòng)以及不同的天線水平度對(duì)測(cè)角性能的影響。