CN106526551B - 一种雷达天线动态性能测试系统及方法 - Google Patents

一种雷达天线动态性能测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种雷达天线动态性能测试系统及方法，以低成本的无人机为载体，携带固定在机载云台上的频率源作为跟踪目标；在无人机按设计轨迹或遥控飞行过程中使用固定在地面或载体上的被测雷达天线进行捕获和跟踪；被测雷达天线系统连接一套视频摄像系统，CCD摄像头上具备十字光标和刻度线且安装在天线上，可在录制捕获跟踪全过程视频的同时提供偏差比对基准；最后根据无人机的运动状态和录像视频中跟踪目标与十字刻度之间的位置关系来确定全过程中雷达天线的指向偏差和被测对象的动态性能。本发明相对于传统测试系统成本低廉，架构简单，为中小民营企业自主考核雷达天线产品的性能提供了低成本的解决方案。

Description

一种雷达天线动态性能测试系统及方法
技术领域
本发明涉及雷达天线控制领域，具体为一种雷达天线动态性能测试系统及方法，适用于雷达天线的捕获、跟踪动态性能测试。
背景技术
早期的雷达天线系统对于其捕获跟踪性能的测试，通常采用军用飞机携带频率源，或气球挂载频率源并用汽车拖曳的方式，雷达天线固定于地面并配备方位俯仰误差的记录及屏幕显示设备进行动态捕获跟踪性能的测试。随着技术的进步，雷达天线系统在各类行业及民用领域的应用越来越广泛，众多创业型企业参与到雷达天线系统的研制中。但由于传统雷达天线测试方法对测试场地、测试设备以及至测试载体的要求过高，并且需要相关部门批准测试空域，因此无论从工作效率还是测试成本上都将无法适应当前的发展。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种雷达天线动态性能测试系统及方法，以低成本的无人机为载体，携带固定在机载云台上的频率源作为跟踪目标；在无人机按设计轨迹或遥控飞行过程中使用固定在地面或载体上的被测雷达天线进行捕获和跟踪；被测雷达天线系统连接一套视频摄像系统，CCD摄像头上具备十字光标和刻度线且安装在天线上，可在录制捕获跟踪全过程视频的同时提供偏差比对基准；最后根据无人机的运动状态和录像视频中跟踪目标与十字刻度之间的位置关系来确定全过程中雷达天线的指向偏差和被测对象的动态性能。
本发明的技术方案为：
所述一种雷达天线动态性能测试系统，其特征在于：包括地面设备和飞行设备；所述地面设备包括被测雷达天线、CCD摄像头和视频终端；飞行设备包括无人机、机载云台、频率源和十字标尺；
所述被测雷达天线本体上安装有GNSS模块、高度计以及CCD摄像头，且CCD摄像头光轴与天线电轴平行，CCD摄像头中心具备十字光标刻度线，CCD摄像头与视频终端相连接；
所述机载云台安装在无人机上，频率源安装爱机载云台上；频率源发射平面上画有已知长度的十字标尺；所述无人机上安装有GNSS模块和高度计；所述无人机能够控制机载云台保持定点指向，使无人机在运动过程中频率源始终覆盖雷达天线所在位置。
进一步的优选方案，所述一种雷达天线动态性能测试系统，其特征在于：所述视频终端具备视频显示和视频存储功能。
所述一种雷达天线动态性能测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：遥控无人机挂载频率源进行飞行，被测雷达天线开机对频率源进行目标捕获及跟踪；无人机航路数据记录和地面设备中视频终端录像均开启，并以GNSS时间作为时间戳；
步骤2：以GNSS时间为基准，建立视频录像中频率源发射面上的十字标尺与十字光标刻度中心的偏差同GNSS时间的对应关系，同时建立地面设备在测试过程中的经纬度和海拔高度数据同GNSS时间的对应关系，形成地面数据记录；
步骤3：以GNSS时间为基准，建立无人机在飞行过程中记录的经纬度数据和海拔高度数据同GNSS时间的对应关系，形成飞行数据记录；根据飞行数据记录计算出无人机飞行轨迹及轨迹各点对应的方位角和俯仰角，分别对方位角、俯仰角进行一阶和二阶微分，得到对应的角速度和角加速度；
步骤4：以GNSS时间为基准，将地面数据记录和飞行数据记录以及计算得到的轨迹各点对应的方位角、俯仰角、相应的角速度和角加速度按GNSS时间进行统一；然后利用已知长度的十字标尺对应十字光标刻度的比例确定每个刻度对应在空间上的长度，从而将被测雷达天线相对于正确指向的俯仰和方位偏差的刻度量转换为空间上的偏差长度量，计算出天线电轴在方位和俯仰上偏离正确指向的偏差角；
步骤5：计算出测试过程全部时刻的偏差角后，对应测试过程中无人机各个时刻点的速度和加速度，得到被测雷达天线的捕获性能和动态跟踪性能。
进一步的优选方案，所述一种雷达天线动态性能测试方法，其特征在于：测试过程中，无人机与被测雷达天线的最小空间距离为其中λ为被测雷达天线的信号波长，D为被测雷达天线的口径。
进一步的优选方案，所述一种雷达天线动态性能测试方法，其特征在于：测试过程中，被测雷达天线与频率源之间的俯仰夹角不小于6°。
有益效果
本发明所述系统相对于传统测试系统成本低廉，架构简单，为中小民营企业自主考核雷达天线产品的性能提供了低成本的解决方案。
本发明所述测试方法，无需向有关部门申请飞行空域，无需军方配合出动军机架次，使得测试效率有效提高，并且测试成本大大降低。
本发明所述测试方法，对环境要求较低，测试准备及测试过程耗时较短，且无人机一次升空可同时考核位于频率源覆盖区域内的多台雷达天线，为大批量考核验证雷达天线提供了可能，能够适应民用批量生产的检测需求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1无人机携带频率源与被测雷达天线空间关系示意图；
图2无人机俯视图；
图3无人机正视图；
图4无人机侧视图；
图5飞行设备框图；
图6底面设备框图；
图7测试方法原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的目的是提供一种低成本的考核雷达天线产品性能解决方案，为此本发明提出了一种雷达天线动态性能测试系统及方法，以低成本的无人机为载体，携带固定在机载云台上的频率源作为跟踪目标；在无人机按设计轨迹或遥控飞行过程中使用固定在地面或载体上的被测雷达天线进行捕获和跟踪；被测雷达天线系统连接一套视频摄像系统，CCD摄像头上具备十字光标和刻度线且安装在天线上，可在录制捕获跟踪全过程视频的同时提供偏差比对基准；最后根据无人机的运动状态和录像视频中跟踪目标与十字刻度之间的位置关系来确定全过程中雷达天线的指向偏差和被测对象的动态性能。
如图1至图6所示，该雷达天线动态性能测试系统，包括地面设备和飞行设备；所述地面设备包括被测雷达天线、CCD摄像头和视频终端；飞行设备包括无人机、机载云台、频率源和十字标尺。
所述被测雷达天线本体上安装有GNSS模块、高度计以及CCD摄像头，且CCD摄像头光轴与天线电轴平行，CCD摄像头中心具备十字光标刻度线，CCD摄像头与视频终端相连接，所述视频终端具备视频显示和视频存储功能。雷达天线系统和视频终端由外部统一供电，雷达天线由天线控制系统实现对目标的捕获和跟踪。
所述机载云台吊装在无人机下方，频率源安装爱机载云台上，云台可带动频率源进行三轴运动；频率源发射平面上画有已知长度的十字标尺；所述无人机上安装有GNSS模块和高度计，从而能够得到无人机的运动状态及与被测雷达天线之间的水平距离和高度差，用于计算被测雷达天线跟踪目标过程中的指向偏差。无人机由飞控系统控制，按遥控或预设航路飞行，机载云台受飞控系统控制实现频率源的指向控制，无人机能够控制机载云台保持定点指向，使无人机在运动过程中频率源始终覆盖雷达天线所在位置。飞行设备全系统供电由无人机电池提供。
基于上述装置，本发明提出的雷达天线动态性能测试方法包括以下步骤：
步骤1：遥控无人机挂载频率源进行飞行，测试过程中雷达天线按照天线控制系统的运行逻辑对频率源模拟信号进行捕获、跟踪；与此同时与CCD摄像头相连接的摄像系统开始实时记录雷达天线捕获、跟踪卫星的全过程视频，并以GNSS时间作为时间戳。
步骤2：视频的时间与GNSS时间同步：以GNSS时间为基准，建立视频录像中频率源发射面上的十字标尺与十字光标刻度中心的偏差同GNSS时间的对应关系，同时建立地面设备在测试过程中的经纬度和海拔高度数据同GNSS时间的对应关系，形成地面数据记录。
步骤3：以GNSS时间为基准，建立无人机在飞行过程中记录的经纬度数据和海拔高度数据同GNSS时间的对应关系，形成飞行数据记录；根据飞行数据记录计算出无人机飞行轨迹及轨迹各点对应的方位角和俯仰角，分别对方位角、俯仰角进行一阶和二阶微分，得到对应的角速度和角加速度。
步骤4：以GNSS时间为基准，将地面数据记录和飞行数据记录以及计算得到的轨迹各点对应的方位角、俯仰角、相应的角速度和角加速度按GNSS时间进行统一；然后利用已知长度的十字标尺对应十字光标刻度的比例确定每个刻度对应在空间上的长度，从而将被测雷达天线相对于正确指向的俯仰和方位偏差的刻度量转换为空间上的偏差长度量，利用三角函数关系计算出天线电轴在方位和俯仰上偏离正确指向的偏差角。
步骤5：计算出测试过程全部时刻的偏差角后，对应测试过程中无人机各个时刻点的速度和加速度，得到被测雷达天线的捕获性能和动态跟踪性能。
需要注意的是，无人机与被测雷达天线的空间距离与被测天线的口径和天线接收频率有关，测试过程中，无人机与被测雷达天线的最小空间距离为其中λ为被测雷达天线的信号波长，D为被测雷达天线的口径。不同的雷达天线可通过上述公式计算最小空间距离，以保证测试的有效性和准确性。同时，为避免信号地面反射的干扰，测试过程中，被测雷达天线与频率源之间的俯仰夹角不小于6°。
将视频图像中的偏差量换算为实际空间上的距离的统计原理如下：
已知无人机上十字线的长度为L，若某一GNSS时刻十字线的长度在视频上的长度为n倍个刻度，那么可得出一个刻度单位在当前时刻代表的空间长度l＝L/n；若当前时刻视频中十字标尺中心与十字刻度中心在方位和俯仰上分别偏离了n1和n2个刻度单位，那么即可得出此时空间上相对于十字标尺中心在方位和俯仰上的偏差分别长度为ln1和ln2。
参照附图7，设某一GNSS时刻，无人机与雷达天线的高度差AA’(BB’)可通过当前时刻无人机和天线的高度计得出，OA’可通过当前时刻无人机和雷达天线的经纬度运算得出，在ΔOA’B’中可通过勾股定理得出OB’,在ΔO B’B中再次通过勾股定理得出OB；而BC和B’A’(BA)的长度，即为上文所述的ln1和ln2，因此俯仰角度差θ1、方位角度差θ2的计算公式分别为：
通过上述计算可得出当前GNSS时刻雷达天线的指向偏差。
本实施实例由于安装在天线抛物面边缘的摄像头与天线电轴之间存在天线一个半径的距离差，因此视频上显示的俯仰偏移分量需要进行修正。参照图1所示，摄像头采集到任意时刻视频图像上的俯仰修正量应为θ3，因此在任意时刻天线电轴俯真实指向相对于频率源空间位置的俯仰偏移量应为θ1减θ3。参照图7所示，天线电轴圆点与频率源之间的距离为OA，单位为m，设天线半径为d，单位为m，因此可得出θ3的计算公式如下：
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种雷达天线动态性能测试系统，其特征在于：包括地面设备和飞行设备；所述地面设备包括被测雷达天线、CCD摄像头和视频终端；飞行设备包括无人机、机载云台、频率源和十字标尺；
所述被测雷达天线本体上安装有GNSS模块、高度计以及CCD摄像头，且CCD摄像头光轴与天线电轴平行，CCD摄像头中心具备十字光标刻度线，CCD摄像头与视频终端相连接；
所述机载云台安装在无人机上，频率源安装爱机载云台上；频率源发射平面上画有已知长度的十字标尺；所述无人机上安装有GNSS模块和高度计；所述无人机能够控制机载云台保持定点指向，使无人机在运动过程中频率源始终覆盖雷达天线所在位置。
2.根据权利要求1所述一种雷达天线动态性能测试系统，其特征在于：所述视频终端具备视频显示和视频存储功能。
3.一种利用权利要求1所述系统进行雷达天线动态性能测试的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：遥控无人机挂载频率源进行飞行，被测雷达天线开机对频率源进行目标捕获及跟踪；无人机航路数据记录和地面设备中视频终端录像均开启，并以GNSS时间作为时间戳；
步骤2：以GNSS时间为基准，建立视频录像中频率源发射面上的十字标尺与十字光标刻度中心的偏差同GNSS时间的对应关系，同时建立地面设备在测试过程中的经纬度和海拔高度数据同GNSS时间的对应关系，形成地面数据记录；
步骤3：以GNSS时间为基准，建立无人机在飞行过程中记录的经纬度数据和海拔高度数据同GNSS时间的对应关系，形成飞行数据记录；根据飞行数据记录计算出无人机飞行轨迹及轨迹各点对应的方位角和俯仰角，分别对方位角、俯仰角进行一阶和二阶微分，得到对应的角速度和角加速度；
步骤4：以GNSS时间为基准，将地面数据记录和飞行数据记录以及计算得到的轨迹各点对应的方位角、俯仰角、相应的角速度和角加速度按GNSS时间进行统一；然后利用已知长度的十字标尺对应十字光标刻度的比例确定每个刻度对应在空间上的长度，从而将被测雷达天线相对于正确指向的俯仰和方位偏差的刻度量转换为空间上的偏差长度量，计算出天线电轴在方位和俯仰上偏离正确指向的偏差角；
步骤5：计算出测试过程全部时刻的偏差角后，对应测试过程中无人机各个时刻点的速度和加速度，得到被测雷达天线的捕获性能和动态跟踪性能。
4.根据权利要求3所述一种雷达天线动态性能测试方法，其特征在于：测试过程中，无人机与被测雷达天线的最小空间距离为其中λ为被测雷达天线的信号波长，D为被测雷达天线的口径。
5.根据权利要求3所述一种雷达天线动态性能测试方法，其特征在于：测试过程中，被测雷达天线与频率源之间的俯仰夹角不小于6°。
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