CN102680968B

CN102680968B - 一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法

Info

Publication number: CN102680968B
Application number: CN201210170646.5A
Authority: CN
Inventors: 郭冬梅; 高路; 邹波; 吉峰
Original assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Current assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: CN102680968A

Abstract

本发明公开一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法，其包含：1、在方位面上产生固定形状搜索波束，天线阵面先朝向方位维起始搜索方向；2、利用天线阵面上俯仰维一维相控阵列进行俯仰维搜索波束，并利用相控阵天线波束特点在正弦空间上实现俯仰维空域搜索；3、天线阵面转动到下一方位角位置；4、判断方位维波束指向角是否转动到最大搜索方位角方向并已完成此时的俯仰维空域搜索，若是，则搜索完成，若否，则反复进行步骤2和3的搜索流程。本发明实现不同搜索方式互补混合的星载雷达相扫机扫相结合的空域搜索方法，搜索速度快，目标捕获时间短，不易丢失目标，耐冲击震动性能好，需要T/R单元少，适合在资源有限的星载平台上使用。

Description

一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法

技术领域

本发明涉及一种适用于资源有限的星载应用平台上有效载荷的空域搜索技术，具体涉及一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法。

背景技术

目前，国内星载雷达进行空域搜索均采用两维机械扫描方式，它的缺点是机械活动部件工作时对卫星本体产生扰动力矩，增加卫星姿控负担，影响平台控制精度，且耐冲击、震动性能差；在目标跟踪测量使用条件下，波束灵活性欠佳，波束指向步进较大，跟踪及测量误差较大；为保持星载平台稳定性，其搜索速度慢，很难保证雷达搜索捕获性能，不适合对高速目标进行搜索捕获。

此外，国内少数正在研究的在轨星载雷达进行空域搜索采用二维相控阵扫描方式，具有波束捷变、可靠性高、容错能力强、无机械运动部件扰动力矩影响等优点，但其缺点在于，该类扫描方式所需T/R（transmit/receive，发送与接受模块）组件数目多，研制成本高，研制难度大，重量重，功耗高，应用到资源有限的星载平台上难度大。

发明内容

本发明提供了一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法，在俯仰维采用相位扫描、在方位维采用机械扫描，实现不同搜索方式互补混合的星载雷达相扫机扫相结合的空域搜索方法，克服两维机械扫描方式的不足、机构转动慢，产生扰动力矩小，对平台稳定性影响小，搜索速度快，耐冲击、震动性能好，克服两维相位扫描方式的不足，需要T/R单元数目少，研制成本低，研制难度小，重量轻，功耗低，易于工程实现，适合在资源有限的星载平台上使用。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法，其特点是，该方法包含以下步骤：

步骤1、天线阵面在方位面上产生固定形状搜索波束，其相对于天线阵面始终保持不变，天线阵面朝向方位维起始搜索方向，方位维固定波束指向起始搜索方位角度

Figure 2012101706465100002DEST_PATH_IMAGE001

；

步骤2、利用天线阵面上俯仰维一维相控阵列，通过调整各T/R单元幅度相位对整个阵面俯仰维进行幅度与相位加权，在天线阵面不发生俯仰维转动的情况下形成俯仰维搜索波束，并利用相控阵天线波束特点在正弦空间上实现俯仰维空域搜索；

步骤2.1、根据天线阵面的尺寸、波长等参数，确定波束指向角为0o时对应的俯仰空间内波束宽度

；

步骤2.2、应用公式（3），得到波束指向角为0o时对应的正弦空间内波束宽度

；

（3）

其中，

为俯仰空间内波束宽度，

为正弦空间内波束宽度；

步骤2.3、应用公式（1），将俯仰维指定搜索范围

转化为正弦空间内搜索范围

；

（1）

其中，θ为俯仰空间上沿半圆形轨道搜索的一维相控阵波束指向角度，u为一维相控阵波束在正弦空间U轴上的投影值；

步骤2.4、根据检测概率及空域扫描速度要求，确定空域扫描的波束覆盖率

，其为相邻扫描波束重叠区域宽度与波束宽度的比值，即

（4）

步骤2.5、根据正弦空间内搜索范围

，正弦空间内波束宽度

，以及波束覆盖率

，得到相邻搜索波束间距即搜索波束跃度，因此可得正弦空间内搜索波束指向角为：

上式中，

表示对

向上取整；

步骤2.6、依次根据正弦空间内搜索波束指向角度，通过波控机计算得到各T/R单元移相值并进行移相控制，产生该指向时对应的搜索波束；

步骤2.7、相扫机扫相结合的星载雷达在该方位位置上的正弦空间内俯仰维空域搜索完成；

步骤3、天线阵面沿最大搜索方位角方向

Figure 2012101706465100002DEST_PATH_IMAGE017

，转动到下一方位角位置

；

一个方位维波束跃度：

；

其中，为波束覆盖率，

为方位维固定波束宽度；

步骤4、判断方位维波束指向角是否转动到最大搜索方位角方向

，并已完成此时的俯仰维空域搜索，若是，则跳转到步骤5，若否，则跳转到步骤2，进行此方位位置上的俯仰维空域搜索；

步骤5、星载雷达相扫机扫相结合的空域搜索完成。

本发明一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法和现有技术中星载雷达的空域搜索技术相比，其优点在于，本发明在俯仰维采用相位扫描、在方位维采用机械扫描，实现不同搜索方式互补混合的星载雷达相扫机扫相结合的空域搜索方法，在俯仰维采用快速相位搜索取代机械转动搜索，搜索速度快，目标捕获时间短，不易丢失目标，耐冲击震动性能好；

本发明在固定某一方位角度上进行俯仰维空域搜索后，方位维机械机构才转动到下一方位角度位置开始重新进行俯仰维空域搜索，因此机械转动慢，产生扰动力矩小，对平台稳定性影响小，平台控制精度高，目标跟踪测量精度高；

本发明只需天线阵面上沿俯仰维安装一维相控阵的一列相控阵T/R单元，进行俯仰维空域扫描，而不需要整个阵面上行列均安装T/R单元，因此所需T/R单元数目少，研制成本低，研制难度小，重量轻，功耗低，易于工程实现，特别适合在资源有限的星载平台上使用；

本发明在俯仰维相位扫描方法上，采用正弦空间内波束搜索方法取代传统俯仰方位空间内波束搜索方法，利用正弦空间内波束宽度不变性特点，在正弦空间内进行等间隔波束搜索，减少搜索波束个数，有效保证空间覆盖率及搜索率。

附图说明

图1为本发明一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法所适用的一种星载雷达天线的实施例的结构示意图；

图2为本发明一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法的示意图；

图3为本发明一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法的波束覆盖率示意图；

图4为本发明一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法的方法流程图；

图5为本发明一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法的方位维固定搜索波束天线方向图；

图6为本发明一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法的一维相控阵波束搜索示意图；

图7为本发明一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法的俯仰空间内搜索波束对应的天线方向图；

图8为本发明一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法的正弦空间内搜索波束对应的天线方向图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，为本发明一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法所适用的一种相扫机扫相结合的星载雷达天线的实施例。该星载雷达天线的俯仰维阵面固定设置，方位维阵面设为可转动。该星载雷达天线包含底座和设置在该底座上的天线阵面，以及设置在天线阵面背面与底座连接处的方位维机械机构，在天线阵面上设有俯仰维方向的一维相控阵。天线阵面通过背后的一维方位转动机械机构来控制天线阵面进行方位维转动，定义图1中天线阵面法向方向对应的方位角为0o，机构左右转动最大角度为

，因此方位维固定波束可进行

范围内方位维空域搜索，而天线阵面在俯仰维不发生转动，始终垂直于底座方向，通过天线阵面上俯仰维方向安装的一维相控阵实现俯仰维空域搜索。

本发明所公开的空域搜索方法在俯仰维采用相位扫描，在方位维采用机械扫描，实现相扫机扫相结合波束搜索方式的星载雷达天线空域搜索。如图2所示，为星载雷达相扫机扫相结合的空域搜索扫描示意图，纵向表示进行俯仰维上正弦空间内相位扫描的搜索波束，横向表示进行方位维上机械扫描的搜索波束，波束搜索顺序为沿箭头方向先俯仰后方位，交替进行。

如图4所示，本发明公开了一种基于星载雷达的相扫机扫相结合的空域搜索方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、如图5所示，在方位面上通过星载雷达天线设计及优化，产生固定形状搜索波束，其相对于天线阵面始终保持不变，仅当天线阵面由方位维机械机构控制在方位维中转动时，带动天线阵面发射的方位面固定波束发生相应转动，实现指定空域内的方位维搜索。

同时，搜索开始时，将天线阵面朝向方位维起始搜索方向，方位维固定波束指向起始搜索方位角度

。

在进行全空域搜索时，方位维机械机构从

转动到，带动整个天线阵面及其发射的方位维固定波束也从

转动到

Figure 2012101706465100002DEST_PATH_IMAGE029

，实现相扫机扫相结合的星载雷达在方位维

范围内的空域搜索。

步骤2、相扫机扫相结合的星载雷达在正弦空间内进行俯仰维空域搜索。

在空域搜索起始时刻，天线阵面朝向方位维起始搜索方向

，天线阵面及其发射的方位维固定波束指向起始搜索方位角

情况下，利用天线阵面俯仰维上安装的一维相控阵，通过调整各T/R单元幅度相位来对整个天线阵面俯仰维进行幅度相位加权，从而在天线阵面不发生俯仰维转动的情况下形成天线阵面俯仰维扫描波束，并利用相控阵天线波束特点在正弦空间上实现俯仰维空域搜索。

如图6所示，为一维相控阵在俯仰空间与正弦空间内波束搜索示意图，半圆形轨迹上的波束为传统俯仰空间内搜索波束，其宽度随扫描角度θ的增加而展宽，而U轴上的波束为正弦空间内搜索波束，其为俯仰空间内搜索波束在U轴上的投影，波束宽度不随扫描角度θ的增加而展宽。

如图7和图8所示，为不同空间内搜索波束对应的天线方向图。图7为俯仰空间(也称θ空间)内波束指向分别为0o、30o与60o时的天线方向图，可以看出，随着波束指向角的增大，在θ空间内的天线方向图逐渐展宽，且波束左右逐渐呈不对称状态。图8为正弦空间(也称U空间)内波束指向分别为0o、30o与60o时的天线方向图，可以看出，在U空间内不同波束指向角对应的波束宽度始终保持一致，且左右对称，在θ空间内沿半圆轨迹搜索造成的波束展宽及不对称变化过程映射到U空间内表现为波束间间距逐渐减小的变化过程。

利用相控阵天线在正弦空间内波束宽度不变特性，在正弦空间内进行相位扫描，正弦空间与俯仰空间坐标转化关系如下：

（1）

（2）

（3）

其中，θ为图6中在俯仰空间上沿半圆形轨道搜索的波束指向角度，u为其在正弦空间U轴上的投影值（无单位），

为图7中俯仰空间内波束宽度，

为图8中正弦空间内波束宽度，对于不同波束指向角θ，

不同，而

相同。因此，在正弦空间内进行空域搜索方法的设计更为合理，其具体实现包含以下步骤：

步骤2.1、根据天线阵面的尺寸、波长等参数，可以确定波束指向角为0o时对应的俯仰空间内波束宽度

。

步骤2.2、应用公式（3），可以得到波束指向角为0o时对应的正弦空间内波束宽度

。

步骤2.3、应用公式（1），将俯仰维指定搜索范围

转化为正弦空间内搜索范围

。

，如图3所示，其定义为相邻扫描波束重叠区域宽度与波束宽度的比值，即

（4）

波束覆盖率越大，则波束重叠部分越多，对重叠区内存在的微弱信号重复检测一次可以提高检测概率，但会导致扫描整个空域所需的波位数增多，从而降低空域扫描速度，因此需根据指标要求的检测概率与空域扫描速度来综合确定波束覆盖率大小，通常取30%左右。

步骤2.5、根据正弦空间内搜索范围

，正弦空间内波束宽度

，以及应用公式（4）确定的波束覆盖率

，可以得到相邻搜索波束间距即搜索波束跃度，因此可得正弦空间内搜索波束指向角为：

上式中，

表示对向上取整。

步骤2.6、依次根据正弦空间内搜索波束指向角度，通过波控机计算得到各T/R单元移相值并进行移相控制，产生该指向时对应的搜索波束。

步骤2.7、相扫机扫相结合的星载雷达在该方位位置上的正弦空间内俯仰维空域搜索完成。

步骤3、当完成在步骤2中方位角上的俯仰维空域搜索后，天线阵面随方位维机械机构向最大搜索方位角（

）方向转动一个方位维波束跃度，其中，波束覆盖率

与步骤2中一致。

为方位维固定波束宽度，由天线阵面的尺寸、波长等参数设计所确定。

即天线阵面转动到下一方位角度位置

。

，并已完成此时的俯仰维空域搜索，若是，则跳转到步骤5，若否，则跳转到步骤2，实现此方位位置上的俯仰维空域搜索，并反复重复步骤2和步骤3。

步骤5、整个指定空域（从到

）内星载雷达相扫机扫相结合的空域搜索完成。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。