CN110879382B - 具有地形自适应的天线波束空间配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有地形自适应的天线波束空间配置方法，主要解决现有多普勒天线在水面等地形下回波信号的频谱发生明显畸变的问题。其实现方案是：确定天线波束中心下压角γ₀和天线入射角ψ₀的取值范围；计算波束中心方向在X‑Y面的投影与Y轴的夹角α₀；选择γ₀的值，确定下压角γ方向的天线方向性系数函数f(γ)；根据选择的α₀值旋转坐标系，计算新直角坐标系下的波束中心横向倾斜角λ′₀，并确定新直角坐标系下横向倾斜角λ′方向的天线方向性系数函数g(λ′)；根据f(γ)和g(λ′)确定完整的天线方向性系数函数F(γ，λ′)；根据F(γ，λ′)和α₀值设计多普勒雷达天线。本发明设计简单、地形自适应能力好，用于多普勒导航系统。

Description

具有地形自适应的天线波束空间配置方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别是一种天线波束空间配置方法，可用于多普勒雷达的天线设计。

背景技术

多普勒雷达是一种利用多普勒效应测量载体坐标系下三轴向速度的速度传感器。多普勒雷达通过天线发射和接收电磁波，根据回波信号的频谱计算接收和发射的电磁波频率之差，即多普勒频率，再根据多普勒频率计算得到载体和地面之间的相对运动速度值。

回波信号的频谱形状直接影响多普勒雷达测速精度，而多普勒雷达回波信号的频谱形状由天线方向性系数和地面散射系数共同决定。

天线波束空间配置会直接影响不同地形条件下回波信号的频谱形状，从而影响多普勒雷达的测速精度。现有的多普勒雷达天线波束空间配置方法为：在X-Y坐标系下，将波束方向与X轴的空间夹角设为下压角γ，将波束最大值方向与X轴的空间夹角设为波束中心下压角γ₀，将波束方向与Y轴夹角的余角设为横向倾斜角λ，将波束最大值方向与Y轴夹角的余角设为波束中心横向倾斜角λ₀，波束方向与Z轴的夹角设为入射角ψ。得到多普勒雷达天线方向性系数是下压角γ和横向倾斜角λ的函数：

而散射系数是入射角ψ的函数，所以天线方向性系数变化与散射系数变化的方向不一致。这种方法具有以下缺点：在散射系数随入射角的改变变化较大的地形下，尤其是水面，回波信号的频谱发生明显畸变，导致多普勒雷达的测速误差增大。过大的测速误差将会导致计算得出的多普勒雷达载体即时速度与实际速度存在偏差，计算得出的多普勒雷达载体位置与实际位置存在偏差，测速误差越大，偏差越大，这将导致多普勒雷达的载体失效、失控、偏离航线、损毁甚至失踪。因此，必须对多普勒雷达的测速误差进行修正。

现有的多普勒雷达采用软件修正的方法对回波信号的频谱畸变导致的测速误差进行修正。这种修正方法存在以下不足：第一是对海面畸变测速误差进行统一的固定值修正，而不同海情的海面其回波信号的频谱畸变并不相同，该修正方法的修正不准确；第二是仅针对海面畸变测速误差进行了修正，而在陆地的不同地形下如沙漠等，其回波信号的频谱仍可能存在较大的畸变，该修正方法无法对陆地地形导致的畸变测速误差进行修正；第三是需要进行陆海模式的手动切换，增加了操作人员的工作量，容易出现遗漏和误操作，造成修正不正确。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种具有地形自适应的天线波束空间配置方法，以减小多普勒雷达对所有地形下，尤其是海面的测速误差，保证载体的正常飞行。

本发明的技术思路是：通过旋转天线坐标系，使得旋转后坐标系上的波束中心横向倾斜角λ′₀与入射角ψ₀相等，设计天线方向图为下压角γ和旋转后坐标系上横向倾斜角λ′的函数，并使得天线方向图变化方向与散射系数变化方向接近一致，从而减少散射系数变化导致的回波信号的频谱畸变，达到地形自适应的目的。具体实现步骤包括如下：

1)设定天线波束中心下压角γ₀的取值范围为Δγ±3°，其中Δγ的取值范围为68°～82°；

2)设定天线入射角ψ₀的取值范围为Δψ±3°，其中Δψ的取值范围为18°～32°；

3)根据天线波束中心下压角γ₀和天线入射角ψ₀计算波束中心方向在X-Y面的投影与Y轴的夹角α₀：

4)选择满足上述条件的γ₀和α₀，使α₀与γ₀的差值最小；

5)根据γ₀的值确定下压角γ方向的天线方向性系数函数为：

6)将直角坐标系X-Y绕Z轴沿顺时针方向旋转α₀角度，得到新直角坐标系X'-Y'；

7)根据α₀的值计算新直角坐标系X'-Y'下的波束中心横向倾斜角λ′₀；

8)根据λ′₀的值确定新直角坐标系X'-Y'下横向倾斜角λ′方向的天线方向性系数函数为：

9)根据下压角γ方向的天线方向性系数函数f(γ)和横向倾斜角λ′方向的天线方向性系数函数g(λ′)，确定完整的天线方向性系数函数为：

10)设计多普勒雷达天线：

10a)根据α₀的值确定天线的外形为锐角为α₀的平行四边形；

10b)根据完整的天线方向性系数函数F(γ，λ′)和天线具体形式，确定天线辐射单元X方向的间距d_x与Y方向的间距d_y；

10c)根据天线具体形式和天线辐射单元X方向的间距d_x与Y方向的间距d_y以及天线的外形，得到天线波束地面投影形状，完成天线波束的空间配置。

本发明具有如下优点：

本发明通过旋转坐标系，得到的天线方向性系数函数，该函数可以使λ′和ψ的值在天线波束中心范围内近似相等，天线的方向性系数近似为下压角γ和入射角ψ的函数，当散射系数随入射角ψ变化时，回波信号的频谱畸变很小，从而使得多普勒雷达的地形畸变测速误差很小。与现有技术相比本发明具有如下优点：

1.能实现多普勒雷达速度测量的各类地形自适应能力，无需软件进行速度修正，无需人员手动操作；

2.仅通过改变天线空间配置方法即可实现，无需增加额外硬件或软件，制作的天线外形及安装可与原有天线兼容。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为现有的多普勒雷达天线四波束空间配置图；

图3为本发明的多普勒雷达天线四波束空间配置图；

图4为现有的多普勒雷达天线B波束地面投影图；

图5为本发明的多普勒雷达天线B波束地面投影图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1.确定天线波束中心下压角γ₀的取值范围。

由于多普勒雷达天线是利用多普勒效应来测量多普勒雷达载体的速度的，其波束方向不能垂直向下，也不能水平向前，而是在载体坐标系下与XYZ三个坐标轴均有一定的夹角才能测量载体的三轴向速度。一般要求载体的前向速度，即X方向速度测量更精确，而天线波束中心下压角γ₀越小，对X方向速度测量更精确；另一方面，天线波束中心下压角γ₀越小，回波信号越弱。因此，确定天线波束中心下压角γ₀的取值范围通常为68°～82°，本实例在该范围内确定一个±3°的取值范围，即γ₀选取71°±3°。

步骤2.确定天线入射角ψ₀的取值范围。

与步骤1的原因相同，天线入射角ψ₀的取值范围通常为18°～32°。本实例选择ψ₀的取值范围为26°±3°。

步骤3.计算波束中心方向在X-Y面的投影与Y轴的夹角α₀。

参照图2的几何关系，根据

的计算公式,确定α₀的变化范围为44.87°～50.60°。

步骤4.确定γ₀和α₀的值。

利用计算机按0.01°的精度计算取值γ₀和ψ₀范围内所有组合对应的α₀，并计算所有组合下γ₀和α₀的差值；在所有的差值中，按γ₀和α₀的差值最小的原则，选择γ₀的值为72°，ψ₀的值为25.91°，计算出α₀的值为45°，此时，γ₀和α₀的差值为27°，在所有组合中最小。

步骤5.确定下压角γ方向的天线方向性系数函数。

为了达到多普勒雷达天线的波束中心下压角γ₀的值为72°的目的，需要构造天线下压角γ方向的天线方向性系数函数。如果天线不要求副瓣，则天线可用等幅分布实现，此时下压角γ方向的天线方向性系数函数为

该函数在γ＝γ₀时取得最大值。

如果天线对副瓣有要求，则需要在该函数上加窗函数，如泰勒窗函数或切比雪夫窗函数，可以有效降低天线的副瓣。

步骤6.构造新直角坐标系X'-Y'。

为了达到天线的方向性系数可近似为下压角γ和入射角ψ的函数的目的，需要将坐标系进行旋转，具体的做法是将直角坐标系X-Y绕Z轴沿顺时针方向旋转α₀角度，得到新直角坐标系X'-Y'。

步骤7.计算波束中心横向倾斜角λ′₀。

参照图3的几何关系，按照波束中心横向倾斜角公式：λ′＝sin^-1(sinλ·sinα₀+cosγ·cosα₀)，计算得到λ′₀的值为25.91°，与ψ₀的值相同，与设计思路吻合。

步骤8.确定横向倾斜角λ′方向的天线方向性系数函数。

为了达到多普勒雷达天线的横向倾斜角λ′₀的值为25.91°的目的，需要构造天线下压角λ′₀方向的天线方向性系数函数。

如果天线不要求副瓣，则天线可用等幅分布实现，此时下压角λ′方向的天线方向性系数函数为

该函数在λ′＝λ′₀时取得最大值；

如果天线对副瓣有要求，则需要在该函数上加窗函数，如泰勒窗函数或切比雪夫窗函数，可以有效降低天线的副瓣。

步骤9.确定完整的天线方向性系数函数。

由于下压角γ和横向倾斜角λ′是可分离变量，所以平面天线的方向性系数函数F(γ，λ′)为两个方向的方向性系数函数相乘，即：

步骤10.设计多普勒雷达天线。

10a)根据α₀的值确定天线的外形为锐角为α₀的平行四边形；

由于下压角γ和横向倾斜角λ′不正交，故天线外形需要布局为平行四边形，而平行四边形中的锐角与步骤6中坐标系旋转的角度α₀相等，则平行四边形的锐角为α₀；

10b)确定天线辐射单元X方向的间距d_x与Y方向的间距d_y

具体的天线形式可以是多样的，常见的天线形式有波导裂缝阵列天线和微带阵列天线，而载体要求设备重量轻，本实例中采用微带阵列天线来实现。

根据完整的天线方向性系数函数F(γ，λ′)，通过如下公式确定微带阵列天线辐射单元X方向的间距d_x与Y方向的间距d_y：

其中，f_r为天线的工作频率，c为电磁波在自由空间中的传播速度，ε_r为微带阵列天线材料的相对介电常数，m和n为空间波数，取值为整数。

10c)确定天线波束地面投影形状

微带阵列天线辐射单元X方向的间距d_x与Y方向的间距d_y保证了天线的波束最大值方向；而微带阵列天线的平行四边形外形，保证了波束中心横向倾斜角λ′₀与入射角ψ₀在同一平面且大小相等，根据确定的天线的波束最大值方向和波束中心横向倾斜角λ′₀与入射角ψ₀的几何关系，即可确定天线的空间波束形状，从而确定天线波束地面投影形状，如图5所示，从图5可见λ′和ψ₀的曲线夹角很小，从而完成天线波束的空间配置。

将图5与图4所示的现有雷达天线波束的地面投影形状进行比较可见，由于现有雷达天线满足天线方向性系数函数

其λ和ψ₀的曲线夹角很大，当散射系数随入射角ψ变化时，回波信号的频谱畸变很大，增加了多普勒雷达的地形畸变测速误差。本发明得到的天线波束地面投影形状，其λ′和ψ₀的曲线夹角很小，当散射系数随入射角ψ变化时，回波信号的频谱畸变很小，减小了多普勒雷达因地形因素影响的测速误差。

Claims (3)

1.一种具有地形自适应的天线波束空间配置方法，包括：

1)设定天线波束中心下压角γ₀的取值范围为Δγ±3°，其中Δγ的取值范围为68°～82°；

2)设定天线入射角ψ₀的取值范围为Δψ±3°，其中Δψ的取值范围为18°～32°；

3)根据天线波束中心下压角γ₀和天线入射角ψ₀计算波束中心方向在X—Y面的投影与Y轴的夹角α₀：

4)选择满足上述条件的γ₀和α₀，使α₀与γ₀的差值最小；

5)根据γ₀的值确定下压角γ方向的天线方向性系数函数为：

6)将直角坐标系X-Y绕Z轴沿顺时针方向旋转α₀角度，得到新直角坐标系X’-Y’；

7)根据α₀的值计算新直角坐标系X’-Y’下的波束中心横向倾斜角λ′₀；

8)根据λ′₀的值确定新直角坐标系X’-Y’下横向倾斜角λ′方向的天线方向性系数函数为：

9)根据下压角γ方向的天线方向性系数函数f(γ)和横向倾斜角λ′方向的天线方向性系数函数g(λ′)，确定完整的天线方向性系数函数为：

10)设计多普勒天线：

10a)根据α₀的值确定天线的外形为锐角为α₀的平行四边形；

10b)根据完整的天线方向性系数函数F(γ，λ′)和天线具体形式，确定天线辐射单元X方向的间距d_x与Y方向的间距d_y；

10c)根据天线具体形式和天线辐射单元X方向的间距d_x与Y方向的间距d_y以及天线的外形，得到天线波束地面投影形状，完成天线波束的空间配置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤7)中的波束中心横向倾斜角λ′₀，通过如下公式计算：

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤10b)中确定天线辐射单元X方向的间距d_x与Y方向的间距d_y，分别由如下公式确定：

其中，f_r为天线的工作频率，c为电磁波在自由空间中的传播速度，ε_r为微带天线的相对介电常数，m和n为空间波数，取值为整数。

Images