CN105652268A - 一种用于监视雷达的波导天线波束峰值角的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于监视雷达的波导天线波束峰值角计算方法，首先，对天线部分频点波束峰值角进行测量；其次，建立天线波束峰值角与发射频率之间的相关函数；再次，依据相应准则，结合测量结果对该相关函数进行解析；最终实现发射频带范围内波导天线波束峰值角的计算。该方法可实现不同频率下天线波束峰值角的有效计算，确保监视雷达目标跟踪的方位精度。

Description

一种用于监视雷达的波导天线波束峰值角的计算方法
技术领域
本发明属于雷达目标处理领域，具体涉及一种用于监视雷达的波导天线波束峰值角的计算方法，尤其是指用于船舶交通导航系统(VesselTrafficServices，简称VTS)目标定位技术中天线波束峰值角计算技术。
背景技术
在VTS系统中，监视雷达(也称VTS雷达)通过周期扫描实现对相关水域目标的检测与跟踪。目标的方位检测与跟踪通过伺服码盘反馈角度结合天线波束指向实现。其中，伺服码盘反映天线旋转的物理位置信息，主要受到码盘方位量化精度影响，该量化精度相对固定，不随外接环境影响而发生变化；天线波束峰值角反映天线在特定发射频率下发射功率的峰值指向，由于监视雷达主要采用波导开缝天线，当发射微波频率发生变化时，天线的波束峰值角也会发生偏转。对于早期以磁控管体制监控雷达，发射频率变化范围小，天线波束变化也比较小，雷达安装调试修正后，可保证雷达的方位定位精度。但种体制雷达发射功率大、寿命低、且容易受到相近频率其它雷达的影响，因此正逐步被固态脉冲压缩雷达所替代。固态雷达具有寿命长、发射频带范围宽等优点，频率捷变、频率分集等技术可用于提高雷达抗同频异步干扰和检测能力。大的发射频率变化可引起波束峰值角较大变化，若认为波束峰值角不变，则会导致雷达方位定位误差恶化。因此，在对水面目标进行方位定位时，必须考虑天线在特定发射频率下的波束峰值角差异，确保对目标定位的方位精度。
雷达作为船舶交通管理系统的重要组成部分，其向相关水域主动发射微波信号，通过接收目标反射回波，主要实现相关水域内船舶捕捉、定位与跟踪等功能，通过数据处理，可进一步获取目标的速度、航向和运动轨迹等动态信息。影响VTS雷达性能的主要指标包括：探测距离、距离分辨率、方位分辨率和定位精度等。其中，定位精度包括距离定位精度和方位定位精度。方位定位精度主要和伺服方位量化精度、天线波束峰值角等因素有关。伺服方位量化精度相对固定，不随外接环境影响而发生变化；天线波束峰值角反映天线在特定发射频率下发射功率的峰值指向，由于监视雷达主要采用波导开缝天线，当发射微波频率发生变化时，天线的峰值波束指向也会发生偏转。为提高目标方位的定位精度，需要知道不同发射频率下雷达天线的波束峰值角信息，实现检测目标方位的修正。实际使用中，对监视雷达天线发射频率集所有频点的波束峰值角进行测量是不现实的，仅能实现对部分频点进行测量，这将限制监视雷达对发射频点的使用。
波导天线波束峰值角测量主要反映天线在特定频率下的峰值能量的指向性，由于监视雷达天线尺寸较大，因此通常采用远场测试方法，不易实现频率范围内所有频点的测量。在天线波束指向未知的前提下，这限制了监视雷达对发射频率的使用情况，无法发挥监视雷达的最大效能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中监视雷达波导天线部分频点波束峰值角未知问题，基于已知频点波束指向数据，采用拟合方式实现未知频点波束峰值角的计算，有效提高监视雷达对发射频率集合的利用效率，确保雷达跟踪目标的方位精度。
本发明的技术方案如下：
一种用于监视雷达的波导天线波束峰值角计算方法，所述方法包括：
步骤1：对波导天线特定频点的波束峰值角进行测量，获得发射频率集合{fi|i＝1,2,…n}及与其对应的波束峰值角集合{di|i＝1,2,…n}，其中n为对不同频率下天线波束峰值角测量的点数；
步骤2：以发射频率fi为自变量，以波束峰值角di为变量，构造m阶多项式方程di＝p1fi m+p2fi m-1+…+pmfi+pm+1，pj为多项式系数，其中j＝1,2,…,m+1；
步骤3：根据天线测量结果，采用特定准则对步骤2中多项式系数pj进行计算；
步骤4：根据步骤2和步骤3确定的多项式方程对所有频点下的天线波束峰值角进行计算。
进一步的，该监视雷达使用固态发射机。
进一步的，该监视雷达采用相参脉冲压缩技术。
进一步的，上述步骤1中，n不小于3，且均匀分布在雷达发射频率范围内。
进一步的，上述步骤2中，多项式的阶数m应小于步骤1中的n。
进一步的，上述步骤3中，所述特定准则是最小均方误差准则。
进一步的，上述步骤3中，所述特定准则是加权最小均方误差准则。
根据上述技术方案可见，本发明的有益效果如下：
(1)根据部分频点的天线波束峰值角测量数据，实现雷达发射频率范围内所有频点天线波束指向的计算，可用于实现对目标方位的修正；
(2)采用多项式方程对天线波束峰值角进行计算，算法简单，可操作性强；
(3)理想情况下，对波导天线波束峰值角进行3个频点的测量，就可实现对其它频率下天线波束峰值角进行有效计算。
附图说明
图1是本发明中用于监视雷达的波导天线波束峰值角计算方法流程图；
图2是本发明具体实施方式中波导天线部分频率点波束峰值角测量结果图；
图3是本发明具体实施方式中波导天线波束峰值角计算值与测量值对比图。
具体实施方式
下面结合某监视雷达对港口船舶的检测应用，对发明的技术方案详细说明。
该监视雷达使用固态发射机，采用相参脉冲压缩技术。雷达天线架设高度为50m，可实现30海里范围内船舶目标的检测与跟踪。为了获得良好的方位分辨性能，采用18英尺波导开缝天线，方位波束宽度为0.42度。该雷达的发射频率范围为9.2G～9.6G，具有抗同频异步干扰能力。即，当雷达接收到来自外界其它雷达的同频干扰时，具有自动跳频能力，达到抑制同频异步干扰的目的。其中，雷达跳频最小间隔为5MHz，在400MHz带宽范围内，具有80个频率子集可供使用。雷达初始工作频率为9.4G，天线在该频点的波束峰值指向为3.25度。雷达安装后，经指北仪测量，伺服零位为北偏东1.5度。因此，监视雷达发射功率为9.4G时，对目标的方位定位应修正4.75度。当监视雷达发射频率变化时，天线的波束峰值角也会发生偏转，相应地，跟踪目标方位信息也需要进行适应性调整，这就需要知道不同发射频率下天线的波束峰值角信息。
由以上分析可知，基于波导天线部分频点的波束峰值角测量数据，提出一种用于监视雷达的波导天线波束峰值角计算方法，所述方法包括：
步骤1：对波导天线特定频点的波束峰值角进行测量，获得发射频率集合{fi|i＝1,2,…n}及与其对应的波束峰值角集合{di|i＝1,2,…n}，其中n为对不同频率下天线波束峰值角测量的点数。测量结果如图2所示，这里n＝5；
步骤2：以发射频率fi为自变量，以波束峰值角di为变量，构造m阶多项式方程di＝p1fi m+p2fi m-1+…+pmfi+pm+1，pj为多项式系数，其中j＝1,2,…,m+1；
步骤3：根据天线测量结果，采用特定准则对步骤2中多项式系数进行计算；
步骤4：使用多项式方程对所有频点下的天线波束峰值角进行计算。
进一步的，上述步骤1中，对不同频率下天线波束峰值角测量的点数n应不小于3，且量均匀分布在雷达发射频率范围内，以减少天线波束指向计算误差。在本实施例中，n＝5；
进一步的，上述步骤2中，多项式的阶数m应小于步骤1中不同频率下的天线波束峰值角测量点数n，在本实施例中，m＝1；即，构造1阶多项式方程d＝p1f+p2；
进一步的，上述步骤3中特定准则可以是最小均方误差准则，也可以是加权最小均方误差准则。在本实施例中，采用最小均方误差准则进行多项式系数计算；
依据本发明，对于本监视雷达所使用的波导天线波束峰值角d与发射频率f之间构造的1次多项式系数分别为p1＝0.00812,p2＝-73.126。天线波束峰值角计算值与测量值对比情况如图3所示。从图中可以看出，天线波束峰值角计算值与测量值较吻合，误差最大为-0.048度，满足目标方位误差需求。若不对天线波束峰值角进行计算，则每100MHZ的频点差异，波束指向偏差约0.8度。当频率跳变较大时，跟踪目标方位精度较差。
将采用本发明对天线波束峰值角的计算，并用于监视雷达目标检测跟踪，使用不同频率下波束峰值角计算数据，结合伺服安装方位误差，通过目标方位校正，在整个发射频带范围内，对静态目标的定位精度优于0.1度，满足监视雷达方位定位精度要求。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于监视雷达的波导天线波束峰值角计算方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：对波导天线特定频点的波束峰值角进行测量，获得发射频率集合{fi|i＝1,2,…n}及与其对应的波束峰值角集合{di|i＝1,2,…n}，其中n为对不同频率下天线波束峰值角测量的点数；
步骤2：以发射频率fi为自变量，以波束峰值角di为变量，构造m阶多项式方程di＝p1fi m+p2fi m-1+…+pmfi+pm+1，pj为多项式系数，其中j＝1,2,…,m+1；
步骤3：根据天线测量结果，采用特定准则对步骤2中多项式系数pj进行计算；
步骤4：根据步骤2和步骤3确定的多项式方程对所有频点下的天线波束峰值角进行计算。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该监视雷达使用固态发射机。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该监视雷达采用相参脉冲压缩技术。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤1中，n不小于3。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤1中，n的取值均匀分布在雷达发射频率范围内。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤2中，多项式的阶数m应小于步骤1中的n。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，上述步骤3中，所述特定准则是最小均方误差准则。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，上述步骤3中，所述特定准则是加权最小均方误差准则。
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