CN105044711A - 追踪空中目标的高精准雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种追踪空中目标的高精准雷达。追踪空中目标的高精准雷达安装在地面上、在容器中或车辆中，以确定目标参数，例如方位角(θa)、仰角(θe)、范围、速度和飞行方向，并将它们传输给武器系统，其包括带有窄光束仰角的两个直列天线(19，21)的阵列，其安装在平台(12)上，并且以至少50rpm的旋转速度围绕垂直轴旋转，其中所述的阵列的方向通过仰角定位马达(18)在0°和90°之间变化，并且精确的目标仰角(θe)由干涉测量确定。精确的目标方位角(θa)通过由所述天线(19，21)检测到的信号与+1/-1阶跃函数之间的关联性来确定，通过返回脉冲最大值的确定提供的零值转换搜索进行补充。基于之前测量中获得的范围、仰角和方位角值的历史目标速度和方向值由预测滤波器(50)确定。

Description

追踪空中目标的高精准雷达
技术领域
本发明涉及一种用于军事的雷达，该雷达能够执行对诸如直升机和其它航空器的空中移动目标的侦测、探测、分类、定位、自动追踪和图形可视化的操作，以及将这些目标的坐标传输到射击系统。
背景技术
追踪空中目标的高精准雷达被安装在地面上、在容器中或车辆中，该雷达确定相关空中目标的以下参数：
-方位角；
-仰角；
-范围；
-速度；
-飞行方向
上述五项参数被传输到需要空中目标的精确信息的另一个系统。
大多数时候，空中目标追踪雷达，本文简称为RT亦可称之为射击雷达，与本文简称为RV的侦测雷达一起工作。
RV通过几秒钟的时间采样来确定空中目标的数据，但要大大低于RT的精确度。通常来说，RV在方位角和仰角上的测量精度介于1-3度，并且采样时间在2-6秒之间变化。另一方面，它可以在非常短的时间里扫描广的飞行空间：低空仅仅4秒内，RV可以扫描60km的半径和5km的高度的空间。
因此，RV的功能是在几秒钟内确定广阔飞行空间里目标的存在。
RT的功能是在非常小的飞行空间里追踪RV已经确定的目标，该飞行空间通常指以目标为中心数百米的范围内，其中采样周期为零点几秒。因此RT计算方位角和仰角，其中精确度为零点几度，甚至为零点零几度，目标的范围、速度和方向的精确度为零点几秒。这些信息将被传输至与RT相连的武器系统。
现有技术
当前，已知三种用于所述功能的主要解决方案。第一种由装备有无电子束控制的天线以及伺服系统的雷达组成，该伺服系统将天线指向方位角和仰角。在该方案中，起初，天线根据外部传感器所提供的坐标来指向空中目标。在雷达检测到目标后，天线由雷达本身持续和自动指向目标。
前述五项参数将被传送到射击系统，该系统需要空中目标的准确信息。
第二种解决方案包括装备有天线的雷达，天线设有电子束控制和指向方位角的伺服系统。起初，天线根据外部传感器所提供的坐标来指向空中目标。在雷达检测到目标后，天线由雷达本身持续和自动指向目标。与前述雷达的区别在于，天线以机械的方式来指向方位角，而通过电子束控制以电子方式执行指向仰角和快速方位指向变体。之前所提到的五项参数将被传输到射击系统，该系统需要空中目标的准确信息。
第三种解决方案由装备有三个或四个固定天线的雷达组成，天线设有电子束控制，但无伺服系统。在测量方位角时，每个天线覆盖一个扇区。通过三个天线，测量方位角时，每个天线覆盖并负责在120度扇区内追踪目标。通过四个天线，测量方位角时，每个天线负责在90度扇区内追踪目标。根据外部传感器提供的坐标，负责相关目标扇区的天线将被激活，并通过所述天线的方位角和仰角的电子束控制来执行追踪。与上述雷达的区别在于，方位角和仰角的指向仅是由负责目标所在方位扇区的天线以电子手段执行。之前所提到的五项参数将被传输到射击系统，该系统需要空中目标的准确信息。
在现有技术的这些局限性中，事实上，第一和第二种方案只能允许一次跟踪一个空中目标。第三种方案可以同时追踪多个空中目标，但成本高、体积大和重量大。
此外，在当前已知的现有技术中，天线工作在非常窄的光束上，而且拦截目标可以轻易发现相关的电磁波辐射。该拦截由接收器进行，接收器用于接收来自雷达的电波，并且称之为ELINT或SIGINT。一旦现有技术中使用的RT检测到目标，ELINT或SIGINT系统向飞行员发出警报，提供照射方向以及可能的雷达定位。
发明目的
综上所述，本发明目的之一是提供一种系统和方法，其允许同时追踪各种目标，而且具有现有技术的雷达的相同刷新率。
另一个目的是提供一种使用减小的尺寸天线的系统。
另一个目的包括获得比当前已知的RT的更高精确度的仰角和方位角。
另一个目的是提供一种系统，该系统在重量、体积和成本上都低于现有RT。
最终，本发明旨在提供一种雷达，它的辐射不会被诸如ELINT或SIGINT的情报系统检测到。
发明内容
前述目的是通过本发明提供一种系统实现的，该系统使用了带有窄光束仰角的两个直列天线的阵列，其中通过干涉测量来确定目标的准确仰角，所述阵列的方向通过仰角定位马达在0°和90°之间变化，根据先前测量的过程数据产生的信号重新提供仰角。
根据本发明的另一个特征，每个天线的宽度在仰角上大约是3度，并且波束的宽度在方位角上是120度。
根据本发明的另一个特征，目标仰角θe的确定的精确的增加是通过使用干涉技术来获得的，例如Klausing和Wolframm在Verfahrenzurinterferometrischen(雷达干涉方法)的专利文件E19902007中所述的。
根据本发明的另一个特征，方位角分辨率的提高是通过采用孔径合成技术来实现的，这是Klausing在RadargeratmitsynthetischerAperturaufderBasisrotierenderAntennen(具有基于旋转天线的合成孔径的雷达系统)的专利DE3922086中对该技术进行了介绍，也用缩写ROSAR(旋转合成孔径雷达)表示。
根据本发明的另一个特征，该方法使用一个RV和一个RT，并涉及根据RV提供的搜索范围的初始设定逐次迭代，以及基于RT所提供的数据进行其它迭代。
根据本发明的另一个特征，通过干涉测量获得精确的仰角值，通过相关性技术获得精确的方位角值，以及通过脉冲最大值获得精确的范围值。
根据本发明的另一个特征，而且基于旧的范围、仰角和方位角的值，通过递归预测滤波器来计算被实时刷新的范围、仰角、方位角、速度和方向的值。
根据本发明的另一个特征，所使用的滤波器是卡尔曼滤波器。
根据本发明的另一个特征，上述预测滤波器提供数据以调整雷达操作和武器系统的数据。
根据本发明的另一个特征，用于操作调节的所述数据包括仰角马达的仰角、范围频带选择器的范围和方位角。
根据本发明的另一个特征，提供给武器系统的所述数据包括范围、仰角、方位角、速度和方向。
附图说明
根据优选实施例的描述，作为示例但不仅限于此，以及参照的附图，本发明的其它特征和优势将更加明显，其中：
图1示出了根据本发明原理的RT的机械构造。
图2示出了根据本发明原理的框图。
图3示出了根据本发明原理的表示与RV一起工作的RT的功能的流程图。
图4示出了根据本发明原理的处理单元的框图。
具体实施方式
参照图1，本发明的主题包括旋转部10，其由天线罩11保护，所述部由基座12、方位角马达13、旋转结合部14、电箱17、仰角马达18、低端天线19和高端天线21以及用来平衡的平衡物22组成。旋转结合部14允许外界与RT之间的通信，因为它包括电源连接15和接口通信连接16，其中所述电源可以是直流或交流电源；而且该通信可以使用RS232、RS422技术、以太网或任何其它的物理通信协议。通信接口中传输的信号包括方位角马达控制、仰角马达控制，以及由天线发送和接收的信号。
旋转轴10是垂直的，并穿过方位角马达13的中心，方位角马达13使该轴及所有旋转部件10以超过50RPM的转速旋转。通常值为60和120RPM。
图2示出了RT的框图。图1中的低端天线19和高端天线21在图2中分别以19和21表示。图1中的电箱17包括循环器23和24、功率分配器25、功率放大器26、低噪声放大器27和28，以及处理单元29。
处理单元29产生传输脉冲，其由功率放大器26放大，而且它的功率由分配器25在两个天线之间进行分配。两个分配器的输出分别传输到循环器23和24，并传输到天线19和21。
返回信号由同一天线19和21接收，其信号分别穿过循环器23和24、通过放大器27和28，最终到达处理单元29。根据分析这些信号，处理单元将信号传输至仰角马达控制，以保持视线指向目标仰角。
处理单元更为详细的描述被示出在图4中的框图中。在该图中，方框31表示控制子系统、负责所有处理单元子系统的定时、对图1和2中的方位角马达13的控制、以及生成功率放大器Tx(图2所示)的传输脉冲。
关于接收模式，Rx1和Rx2放大器的信号(在图2中分别标记为27和28)到达模数转换器32和37，其输出由范围压缩单元33和38进行范围压缩。范围频带选择器34和39定义了范围尺度，是被追踪目标周围的观察范围的三个尺度之一。例如，从通过模数转换器32和37获得的仪器的20km范围，只有一个15到18km的频带被选择用于后续处理，因为目标是在16.5km处遭遇。
在所述范围频带选择后，信号由范围压缩器35和40进行范围压缩。目标定位器36和41通过搜索方位角压缩器输出35和40的主波瓣最大值来对目标定位。
目标范围由目标定位器41提供的信号最大值来确定，目标定位器41无偏差地搜索由方框36和41提供的任何一个信号的最大范围，其具有相同振幅，但是它们的相位不同。这个范围的值被传输给预测滤波器。
为了获得方向角的目标位置，目标定位器36和41的信号由加法器42相加，获得3dB，并且通过关联器44关联加法器42的输出叶和函数+1/1搜索在方位角的最大值，以及用零值定位器45进行过零搜索。零值定位器45的零值位置提供了在方位角的目标角度的精确值，而且其精确值被传送给预测滤波器(20)。
目标仰角的高精确值通过由低端天线和高端天线接收的信号之间的干涉测量得到。干涉测量是基于两个天线之间相位的计算、这些相位转换为距离，以及分别转换为仰角。相位的计算是通过倍增器43将目标定位器输出36的高端天线信号乘以低端天线的信号共轭来得到，并且通过相位提取子系统46的反正切函数来实现相位的提取。低端天线信号的共轭信号是通过子系统转换复数信号的虚部以便共轭48从目标定位器41的低端天线信号获得的，也就是说，所述方框48从(a+bj)提取共轭，其为(a-bj)。对于将相位转换为仰角，相位提取系统46的相位乘法乘以常数-λ/(4πB)是由倍增器方框47执行的。倍增器的输出为精确的方位角值，其被传输到预测滤波器(50)。如图1所示，在倍增器47中使用的常数中，λ代表由高端天线21和低端天线19传输的电磁波波长，并且B是基线。
分别从最大值定位器49、倍增器47和零值定位器45获得的范围、仰角和方位角的精确值被输入进预测滤波器50，而目标的速度和方向由上述的滤波器基于前述那些测量中获得的范围、仰角和方位角的历史值来计算得到。
虽然它们会涉及到零点几秒的时间延迟并且具有已知的采样时间，这些数值依然是精确的，因为所述延迟是由信息处理时间产生的。这样的延迟既不被监控仰角马达接受也不被武器系统接受。这些所要求的精确测量在它们出现的时刻已经被计算。预测滤波器50基于旧的范围、仰角和方位角数值来估算出现时刻已经刷新的范围、仰角、方位角、速度和方向的数值，因为较近的数值具有比旧的数值更大的权重。所使用的滤波器为递归滤波器，优选实施例中使用的是卡尔曼滤波器。
所述的预测滤波器将仰角θe提供给图1中的仰角马达18，将范围提供给范围频带选择器34和39，以及将角度θa提供给方位角目标定位器36和41。这三个值限定了追踪目标周围的搜索空间。
同样的预测滤波器50也将范围、仰角、方位角、速度和方向提供给武器系统。
图3示出了表示与RV一起工作的RT的功能的流程图。如果没有RV信息的支持，那么范围、仰角以及方位角的信息可由另一个传感器、其它设备或者甚至专业观察人员提供。
流程开始为等待范围、仰角和方位角的信息(步骤51)，这些信息必须由RV提供。一旦这些信息就绪，步骤52，RV在以这些位置信息为中心的空间内进行搜索目标，步骤53。搜索空间大小取决于初始信息。如果信息来自于RV或者另外的传感器，则空间大小取决于信息的测量误差。范围或者仰角和方位角测量值的误差越大，相应的搜索空间大小越大。在后续的迭代中，当RT在空间中进行搜索时，空间的中心是基于RT本身的范围和方位角和仰角的信息，空间大小将会比初始的一个的少得多。
RT可能发现也可能没有发现目标；步骤54。如果目标在初始的一个空间内没有被定位，则系统会请求RV或另外的位置传感器的新的目标坐标，步骤55。
如果RT发现目标，则它会通过预测滤波器开始追踪，步骤56。在追踪期间，仰角马达会被持续监控，以便高低端天线的波瓣将总是保持最大指向目标，步骤57。方位角马达总是执行例如，60或120RPM的额定旋转。
在追踪期间，预测滤波器持续地给武器系统提供目标的范围、仰角和方位角、速度和方向的精确值，步骤58。
该过程将持续，直到RT停止追踪目标，步骤59。在这种情况下，它在以上一位置信息为中心的空间内开始搜索。如果RT失去目标，则它会再次要求RV位置，并且所有过程重新开始。

Claims (8)

1.追踪空中目标的高精准雷达，所述高精准雷达安装在地面上、在容器中或车辆中，所述高精准雷达确定目标的以下参数，即，方位角(θa)、仰角(θe)、范围、速度和飞行方向，并将它们传输给另一系统，其特征在于，所述高精准雷达包括系统，所述系统使用带有窄光束仰角的两个直列天线(19，21)的阵列，所述阵列安装在平台(12)上、并且以至少50rpm的旋转速度围绕垂直轴旋转，其中所述阵列的方向通过仰角定位马达(18)在0°和90°之间变化，所述仰角通过先前测量的过程数据产生的信号反馈被监测。
2.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述目标的精确仰角(θe)由干涉测量确定。
3.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述目标的精确方位角(θa)通过由所述天线(19，21)检测到的信号与+1/-1阶跃函数的关联性来确定、并通过由零值定位器(45)的零值转换搜索进行补充。
4.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，通过确定最大返回脉冲来提供所述目标的精确范围值。
5.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，进一步包括预测滤波器(50)，所述预测滤波器(50)基于先前测量中获得的范围、仰角和方位角的历史值来提供所述目标的速度和方向值。
6.如权利要求5所述的雷达，其特征在于，因为更新的值比旧的值有更大的权重，所以所述滤波器(50)基于旧的范围、仰角和方位角值估算已经在出现时刻刷新的范围、仰角、方位角、速度和方向值。
7.如权利要求1所述的雷达，其特征在于，它和侦测雷达(RV)一起工作，所述侦测雷达将近似的方位角、仰角和距离值提供给所述高精确雷达(RT)。
8.如权利要求7所述的雷达，其特征在于，所述目标参数是根据由所述侦测雷达(RV)提供的这些参数的初始值由所述高精确雷达(RT)通过逐次迭代而计算出的。
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