CN106019247A - 地物波谱rcs测量系统运载平台圆周运动方位误差修正方法 - Google Patents

地物波谱rcs测量系统运载平台圆周运动方位误差修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地物波谱RCS测量系统运载平台圆周运动方位误差修正方法，通过设置激光跟踪仪的位置和使用方法，修正地物波谱实验室南北轨道小车由于结构形变所引起的径向的运动误差。本发明控制收发天线指向球心的偏差及双站测试收发站之间的站角符合测试需求在准许误差范围内，从而提高了测试精度。

Description

地物波谱RCS测量系统运载平台圆周运动方位误差修正方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种地物波谱RCS测量系统运载平台圆周运动方位误差修正方法。
背景技术
卫星遥感地物波谱特征实验室可模拟卫星对地面物体的电磁波散射、辐射特性进行观测，并对数据进行解译与判读，揭示电磁波与地物的相互作用规律，从而为卫星侦察、民用机载及星载微波遥感、武器研制等提供科学依据。为了模拟卫星及多种雷达传感器运载平台的运动模式，实验室内建造了直径为20米的圆弧导轨。收发雷达系统均搭载在轨道小车上，在连续扫频测试过程中，雷达天线随小车在圆弧轨道上运动发射电磁波，并与矢网交互数据，通过位置信息控制电磁波的发射及接收，小车可在弧形导轨上圆周运动。
地物波谱实验室的建设长达20年之久，主要原因是实验室主体结构是球形微波暗室，由于采用钢结构主体的建造技术，在设计过程中并未考虑结构自重过大带来的型变，在重力的作用下圆弧导轨在径向和法向均产生结构型变。由于径向上的误差，使发射天线及接收线的主瓣发生偏移，无法准确的照射球心目标位置，造成测量数据不准确。同时由于电磁波发射方向偏移，双站测试中两测试雷达之间的夹角也发生改变，致使测试数据无法与仿真数据相匹配。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，提出一种地物波谱RCS测量系统运载平台圆周运动方位误差修正方法，用于修正地物波谱实验室南北轨道小车由于结构形变所引起的径向的运动误差，满足地物波谱实验室测试需求，需要保证测量系统收发天线指向误差在±0.1°范围内。
本发明提供的地物波谱RCS测量系统运载平台圆周运动方位误差修正方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：
(1)建造圆弧导轨；
(2)收发雷达系统搭载在导轨的小车上；
(3)设计所述雷达系统的圆极化天线口面尺寸，并固定所述圆极化天线，使其照射方向为圆极化天线口面中心到球形暗室球心方向；
(4)架立调整所述激光跟踪仪；
(5)将所述激光跟踪仪的红圈反射球放在所述圆极化天线口面的中心空位处，其激光反射方向指向所述激光跟踪仪；所述红圈反射球的下方使用反射球底托进行热熔胶固定；
(6)调整所述圆极化天线口面方向，使其垂直于小车沿圆弧轨道运动的切线方向；
(7)所述小车在圆弧导轨上步进运动，所述激光跟踪仪采集每个角度下所述反射球的三维空间坐标，传输到测试软件，并模拟圆周轨迹；
(8)检测得到运载平台圆周运动方位的偏移值，进行相对应运动误差补偿。
优选的，步骤(3)所述固定所述圆极化天线的步骤为：
在雷达小车上安装固定金属框架，小车搭载载重为100KG，在所述固定金属框架上安装天线转台，所述天线转台上竖直安装圆柱型滑动导轨，导轨上安装两个可延滑轨上下滑动的二维调节底座(可调节方位角和俯仰角，用于调整天线口面指向)，将所述圆极化天线安装在调节底座上。
较优选的，步骤(4)所述架立调整激光跟踪仪的步骤为：
①调整支撑三脚架，观察所述激光跟踪仪的电子水平泡，使所述激光跟踪仪与大地水平一致；
②所述运载平台通过网口连接所述激光跟踪仪，所述运载平台的测试软件初始化所述激光跟踪仪，定义所述激光跟踪仪所在位置为空间坐标(0，0，0)点，初始照射方向为X轴，垂直大地水平为Z轴。
较优选的，步骤(7)所述小车在圆弧导轨上步进运动时，其运动间隔为2度。
较优选的，步骤(8)所述检测得到运载平台圆周运动方位的偏移值的步骤为：将测试各点与反射球心连线与大地水平面的夹角为实际擦地角，通过所述测试软件得到理论擦地角位置，并计算各点与理论擦地角点之间的角度偏差和天线指向误差Δθ。
其中，所述角度偏差的求取方法包括：
A：根据圆极化天线的口面尺寸，设计与其匹配的圆形口盖，在口盖中心开口，将所述激光跟踪仪的红圈反射球固连在口盖中心处；
B：通过所述运载平台的控制端，将运载平台依次移动至(i＝1,2,3...N)处，用所述激光跟踪仪记录下红圈反射球球心点的坐标pi(x'i,y'i,z'i)；
C：利用测得的点pi，在所述测试软件中进行圆拟合，得到圆心坐标p0(x0,y0,z0)，和圆的半径，以得到的圆心坐标为新的原点(0，0，0)，平行于大地水平指向擦地角零度方向为X轴方向，垂直于大地水平向上为Z轴方向，重新定义坐标系，得到pi新的坐标pi(xi,yi,zi)；
D：计算平台实际擦地角得到运载平台位置角度偏差
其中，所述天线指向误差Δθ的求取方法包括：
I：计算所述运载平台运动至点pi时在拟合圆平面内速度方向单位矢量
II：计算所述运载平台运动至点pi时在拟合圆平面内速度的法向单位矢量其中
III：计算天线指向误差：
较优选的，步骤(8)所述进行相对应运动误差补偿包括：
角度偏差通过所述测试软件得到实际雷达小车实际的角度偏差将每点所的偏差角度，导入至雷达小车运动控制系统中的码盘角度中，对码盘上指示角度进行加减修正；
天线指向误差Δθ：在雷达系统的测试软件中，将天线指向误差Δθ修正天线方向图及数据仿真时擦地角度。
较优选的，步骤C中，将所测到点进行圆拟合时，得到所述圆极化天线口面中心点在圆弧导轨上运动的圆周，通过计算得到圆周的圆心坐标p0(x0,y0,z0)，即为所述圆弧导轨的圆心，拟合圆周的半径即为理想半径，记为R’；
将采集到的所述圆极化天线口面中心各点向圆周平面投影，投影点与圆心的连线即为各个点位置实际半径，记为R1,R2,…Rn；
将各点实际半径与理想半径做差，得到各点△R，即为个点径向误差补偿值；在所述测试软件进行数据处理时，将对应角度的△R补偿至实际半径中，使其结果与仿真数据参数一致。
较优选的，所述激光跟踪仪的型号为Leica AT402型。
本发明的技术方案中，通过测量，建立空间模型，测量出球形暗室的球心及天线口面中心点的三维坐标，并模拟出轨道平面和运动轨道的圆弧曲线，因而得到天线口面中心偏移的方向和距离，反映出轨道的型变量。通过软件补偿的方式进行误差修正，保证收发天线指向球心的偏差及双站测试收发站之间的站角符合测试需求在准许误差范围内，从而提高了测试精度。
附图说明
图1为地物波谱实验室内的圆弧轨道运动示意图；
图2为本发明实施例的流程图；
图3为本发明实施例的天线口面固定50mm反射球工装的俯视图；其中，工装外圈直径为110mm，中心孔直径为10mm，内圈直径为100mm，深度为10mm；
图4为本发明实施例的天线口面固定50mm反射球工装的底面的俯视结构图；
图5为本发明实施例的天线口面固定50mm反射球工装的底面的平视结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
地物波谱实验室内建造了直径为20米的圆弧导轨，收发雷达系统均搭载在轨道小车上，其结构如图1所示。由于径向上的误差，使发射天线及接收线的主瓣发生偏移，无法准确的照射球心目标位置，造成测量数据不准确。本实施例针对其不足之处，提出了地物波谱RCS测量系统运载平台圆周运动方位误差修正方法，提高了测试精度，其流程图如图2所示，步骤如下：
(1)建造圆弧导轨，将激光跟踪仪放置在室内中间位置；
(2)收发雷达系统搭载在导轨的小车上；
(3)设计雷达圆极化天线口面尺寸工装，将工装抠装到天线口面，锁紧工件使用M4螺钉连接，周边使用热熔胶固定；调整圆极化天线方向，使其照射方向为圆极化天线口面中心到球形暗室球心方向；
圆极化天线口面的工装结构图如图3、图4和5所示，图4和图5中，较小部分为用于将工装固定在天线口面装配附件的俯视图和平视图。
(4)架立调整激光跟踪仪，本实施例采用激光跟踪仪的型号为LeicaAT402型，其调整步骤为：
①调整支撑三脚架，观察激光跟踪仪的电子水平泡，使激光跟踪仪与大地水平一致；
②运载平台通过网口连接激光跟踪仪，运载平台的测试软件初始化所述激光跟踪仪，定义激光跟踪仪所在位置为空间坐标(0，0，0)点，初始照射方向为X轴，垂直大地水平为Z轴。
(5)将红圈反射球放在圆极化天线口面的中心空位处，其下方采用8mm圆柱形50mm反射球底托进行热熔胶固定，且红圈反射球的激光反射方向指向激光跟踪仪，使测试软件采集到红圈反射球中心点空间坐标；
(6)调整圆极化天线口面方向，使其垂直于小车沿圆弧轨道运动的切线方向；
(7)小车在圆弧导轨上步进运动，运动间隔为2度，激光跟踪仪采集每个角度下反射球的三维空间坐标，传输到测试软件，并模拟圆周轨迹；
(8)将测试各点与反射球心连线与大地水平面的夹角为实际擦地角，通过所述测试软件得到理论擦地角位置，并计算各点与理论擦地角点之间的角度偏差和天线指向误差Δθ。
其中：
角度偏差的求取方法为：
A：根据圆极化天线的口面尺寸，设计与其匹配的圆形口盖，在口盖中心开口，将所述激光跟踪仪的红圈反射球固连在口盖中心处；
B：通过所述运载平台的控制端，将运载平台依次移动至(i＝1,2,3...N)处，用所述激光跟踪仪记录下跟踪球的坐标pi(x'i,y'i,z'i)；
C：利用测得的点pi，在所述测试软件中进行圆拟合，得到圆心坐标p0(x0,y0,z0)，和圆的半径R’，以坐标为原点，得到pi新的坐标pi(xi,yi,zi)；值得注意的是：将所测到点进行圆拟合时，得到所述圆极化天线口面中心点在圆弧导轨上运动的圆周，通过计算得到圆周的圆心坐标p0(x0,y0,z0)，即为所述圆弧导轨的圆心，拟合圆周的半径即为理想半径，记为R’；
将采集到的所述圆极化天线口面中心各点向圆周平面投影，投影点与圆心的连线即为各个点位置实际半径，记为R1,R2,……Rn；
将各点实际半径与理想半径做差，得到各点△R，即为个点径向误差补偿值。在实际测试数据处理时，将对应角度的△R补偿至处理计算算法中，使其结果与仿真数据参数相一直。才能得到真实有效的实验数据。
D：计算平台实际擦地角得到运载平台位置角度偏差
天线指向误差Δθ的求取方法为：
I：计算所述运载平台运动至点pi时在拟合圆平面内速度方向单位矢量
II：计算所述运载平台运动至点pi时在拟合圆平面内速度的法向单位矢量其中
III：计算天线指向误差：
角度偏差用于修正至雷达小车运动控制系统，通过测试软件分析得到实际雷达小车实际的角度角度偏差将测量的每一个点所的偏差角度，导入至雷达小车运动控制系统中的码盘角度中，对码盘上指示角度进行加减修正。天线指向误差Δθ用于修正至雷达测试数据处理软件系统中进行补偿，将指向误差数据修正天线方向图，及数据仿真时擦地角度。使实际测试各角度参数与数据仿真角度参数一致。由于雷达测试属于近场测试，电磁波发射扇形波束，且波长很短，发射天线与目标中心距离(即实际半径R)的准确性对测试结果的影响很大，所以还需得到修正指向后实际天线至目标中心的距离进行修正。
通过上述数据的误差补偿，本发明简单、快速地修正了地物波谱实验室南北轨道小车由于结构形变所引起的径向的运动误差，满足了地物波谱实验室测试需求，提高了测试精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.地物波谱RCS测量系统运载平台圆周运动方位误差修正方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)建造圆弧导轨；
(2)收发雷达系统搭载在导轨的小车上；
(3)设计所述雷达系统的圆极化天线口面尺寸，并固定所述圆极化天线，使其照射方向为圆极化天线口面中心到球形暗室球心方向；
(4)架立调整所述激光跟踪仪；
(5)将所述激光跟踪仪的红圈反射球放在所述圆极化天线口面的中心空位处，其激光反射方向指向所述激光跟踪仪；
(6)调整所述圆极化天线口面方向，使其垂直于小车沿圆弧轨道运动的切线方向；
(7)所述小车在圆弧导轨上步进运动，所述激光跟踪仪采集每个角度下所述反射球的三维空间坐标，传输到测试软件，并模拟圆周轨迹；
(8)检测得到运载平台圆周运动方位的偏移值，进行相对应运动误差补偿。
2.如权利要求1所述的修正方法，其特征在于，步骤(3)所述固定所述圆极化天线的步骤为：
在雷达小车上安装固定金属框架，在所述固定金属框架上安装天线转台，所述天线转台上竖直安装圆柱型滑动导轨，导轨上安装两个可延滑轨上下滑动的二维调节底座，将所述圆极化天线安装在调节底座上。
3.如权利要求1所述的修正方法，其特征在于，步骤(4)所述架立调整激光跟踪仪的步骤为：
①调整支撑三脚架，观察所述激光跟踪仪的电子水平泡，使所述激光跟踪仪与大地水平一致；
②所述运载平台通过网口连接所述激光跟踪仪，并初始化所述激光跟踪仪，定义所述激光跟踪仪所在位置为空间坐标(0，0，0)点，初始照射方向为X轴，垂直大地水平为Z轴。
4.如权利要求1所述的修正方法，其特征在于，步骤(7)所述小车在圆弧导轨上步进运动时，其运动间隔为2度。
5.如权利要求1所述的修正方法，其特征在于，步骤(8)所述检测得到运载平台圆周运动方位的偏移值的步骤为：将测试各点与反射球心连线与大地水平面的夹角为实际擦地角，通过所述测试软件得到理论擦地角位置，并计算各点与理论擦地角点之间的角度偏差和天线指向误差Δθ。
6.如权利要求5所述的修正方法，其特征在于，所述角度偏差的求取方法包括：
A：根据圆极化天线的口面尺寸，设计与其匹配的圆形口盖，在口盖中心开口，将所述红圈反射球固连在口盖中心处；
B：通过所述运载平台的控制端，将运载平台依次移动至(i＝1,2,3...N)处，用所述激光跟踪仪记录下红圈反射球球心点的坐标pi(x'i,y'i,z'i)；
C：利用测得的点pi，在所述测试软件中进行圆拟合，得到圆心坐标p0(x0,y0,z0)，和圆的半径，以得到的圆心坐标为新的原点(0，0，0)，平行于大地水平指向擦地角零度方向为X轴方向，垂直于大地水平向上为Z轴方向，重新定义坐标系，得到pi新的坐标pi(xi,yi,zi)；
D：计算平台实际擦地角得到运载平台位置角度偏差
7.如权利要求6所述的修正方法，其特征在于，所述天线指向误差Δθ的求取方法包括：
I：计算所述运载平台运动至点pi时在拟合圆平面内速度方向单位矢量
II：计算所述运载平台运动至点pi时在拟合圆平面内速度的法向单位矢量其中
III：计算天线指向误差：
8.如权利要求7所述的修正方法，其特征在于，步骤(8)所述进行相对应运动误差补偿包括：
角度偏差通过所述测试软件得到实际雷达小车实际的角度偏差将每点所的偏差角度，导入所述测试软件的码盘角度中，对码盘上指示角度进行加减修正；
天线指向误差Δθ：在雷达系统的测试软件中，将天线指向误差Δθ修正天线方向图及数据仿真时擦地角。
9.如权利要求6所述的修正方法，其特征在于，步骤C中，将所测到点进行圆拟合时，得到所述圆极化天线口面中心点在圆弧导轨上运动的圆周，通过计算得到圆周的圆心坐标p0(x0,y0,z0)，即为所述圆弧导轨的圆心，拟合圆周的半径即为理想半径，记为R’；
将采集到的所述圆极化天线口面中心各点向圆周平面投影，投影点与圆心的连线即为各个点位置实际半径，记为R1,R2,…Rn；
将各点实际半径与理想半径做差，得到各点△R，即为各点径向误差补偿值；在所述测试软件进行数据处理时，将对应角度的△R补偿至实际半径，使其结果与仿真数据参数一致。
10.如权利要求1所述的修正方法，其特征在于，所述激光跟踪仪的型号为Leica AT402型。
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