CN111257840B - 一种被动雷达极化自动化补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种被动雷达极化自动化补偿系统,包括系统测试与控制单元、雷达扫描信号产生单元、雷达接收与信号处理单元、补偿数据实时存储单元、数据分析处理单元。一种被动雷达极化自动化补偿系统的设计方法，包括以下步骤：步骤1、极化补偿系统的初始化，步骤2、补偿原始数据实时采集，步骤3、原始数据导出，步骤4、原始数据预处理及参数提取，步骤5、补偿数据写入。本发明针对雷达大范围、宽频带、全极化多维补偿需求，提出了技术可行的解决方案，并付诸实施，取得了明显的效果。

Description

一种被动雷达极化自动化补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及被动雷达的极化特性补偿，特别适用于一种弹载被动雷达导引头极化特性的零位全极化补偿和二维面补偿。

背景技术

极化域是除时域、频域、时频域、时谱域、空域等信息外，又一可利用的信息资源。任意一种极化波均可分解为一对正交极化波的分量。

雷达标校从雷达的研制生产到靶场试验都是一项不可缺少的技术准备工作。其中，在极化雷达接收系统中，极化接收通道的不平衡，单极化天线极化特性中存在的交叉极化分量，以及背景杂波和噪声等因素，均会使极化雷达对目标的极化散射矩阵测量值偏离真实值。为了提高雷达的极化检测、目标识别及极化抗干扰能力，需要对雷达极化接收通路进行标校。

极化校准技术是指通过测量极化散射特性已知的定标体来标定实际极化雷达未知的系统误差参数，并利用相应的极化校准算法加以校正和补偿的技术。极化校准通过建立待测定标体的极化散射矩阵实际测量值与其真实值之间的量化关系，从测量数据中最大限度地还原出目标真实的极化散射矩阵，完成补偿过程。

通常，被动雷达导引头的极化补偿包括零位补偿和面补偿。零位补偿需要在零位处进行全频段、全极化扫描；面补偿需要在一定方位俯仰角度的二维平面内进行全频段、水平/垂直极化扫描。

现有被动雷达极化补偿技术一般采用人工或半自动操作方式，整个过程需要协调信号源、导引头、转台、变极化器、电源等多个仪器设备间的同步配合，测试流程复杂、重复性强。

1)采用人工操作，费时费力，而且易受人员操作熟练程度影响；

2)常规网口串口半自动补偿技术，数据量大，接口速率慢，耗时长，而且易于出错断链。

发明内容

根据以上现有技术中的技术问题，本发明旨在提供一种经济、高效、稳定的自动化极化补偿方法，在充分优化相关流程的基础上，在暗室环境下，自动提取雷达的补偿参数信息，采集并存储雷达的实时处理结果，并根据处理结果偏差对雷达进行校正，从而提高雷达的制导精度。

该方法提出了采用光纤传输技术、快变频控制、高速数据打包输出、大容量数据存储设备、数据处理服务器等模块或技术相结合的解决方案。

一种被动雷达极化自动化补偿系统,包括系统测试与控制单元、雷达扫描信号产生单元、雷达接收与信号处理单元、补偿数据实时存储单元、数据分析处理单元；

所述系统测试与控制单元包括雷达控制台、电源、转台，根据设置的系统参数，控制转台完成方位、俯仰角度遍历，并实时监测当前极化状态、频点、转台位置以及故障提示信息；

所述雷达扫描信号产生单元包括捷变频信号源、极化控制装置和双极化喇叭，它根据雷达控制台发来的指令产生指定频率、极化状态变化的射频信号，通过天线发射出去；

所述雷达接收与信号处理单元包括雷达和数据收发模块，雷达接收雷达扫描信号产生单元发出的相应频率、周期、脉宽、极化状态的射频信号，测量得到各通道幅度和相位信息，并将测量得到的参数与射频信号的频率、周期、脉宽、极化状态参数打包为SFP光纤数据包，由数据收发模块将其发送到补偿数据实时存储单元；

所述补偿数据实时存储单元接收数据收发模块发送的SFP光纤数据包，并实时存储到内部的SSD存储阵列中；

所述数据分析处理单元包括数据处理服务器、PCIE光纤数据转接卡；通过PCIE光纤数据转接卡将补偿数据实时存储单元中的SFP光纤数据包，通过PCIE接口传输到数据处理服务器中，处理雷达测量得到的幅度和相位值，形成最终校准数据。

一种被动雷达极化自动化补偿系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、极化补偿系统的初始化

被动雷达极化自动化补偿系统，开机运行后，首先完成极化控制表格的初始化载入，然后进行数据链路通信测试与校验，完成系统自检；

步骤2、补偿原始数据实时采集

设置系统运行参数，由雷达控制台控制信号源产生设定脉宽、周期、频率的脉冲激励信号，输送至极化控制装置；

极化控制装置按极化方式要求，产生幅度控制码和相位控制码，控制极化控制装置内部衰减器和移相器，完成变极化控制，输出确定极化状态的水平H、垂直V分量信号，并通过双极化喇叭辐射出去，同时，极化控制装置通过光纤输出当前激励信号的频率、极化幅比、极化相位差等控制参数，发送给雷达接收与信号处理单元的数据收发模块；

雷达接收喇叭辐射的射频信号，并测量接收信号的幅度和相位信息，并通过光纤实时输出给雷达接收与信号处理单元的数据收发模块；数据收发模块将当前激励信号的频率、极化幅比、极化相位差等控制参数与雷达测量结果实时打包，产生设定帧格式的数据包，并通过光纤存储在补偿数据实时存储单元中，至此，完成当前转台位置、当前频点的一次极化状态数据采集过程；

极化控制装置校验当前极化状态脉冲信号个数输出是否完成，然后，通过FPGA自动切换极化状态，输出对应的极化幅度控制码和相位控制码，进行当前频点的其它极化状态遍历过程，直至，完成当前转台位置、当前频点的数据采集。

在系统运行参数设置的转台角度范围和频率范围内，通过控制信号源和转台，切换到当前转台位置的下一个频点，直至，遍历当前转台位置的所有频点；

切换到下一个转台位置，重复上述频点和极化状态的遍历过程，直至完成系统运行参数设置的转台角度范围和频率范围内的所有状态；

步骤3、原始数据导出

通过光纤连接补偿数据实时存储单元和数据处理服务器，将存储阵列中的数据，通过PCIE光纤转接卡传输至数据处理服务器中，并存储为相应的数据文件；

步骤4、原始数据预处理及参数提取

在数据处理服务器上，对采集的原始数据进行处理；分析每一帧数据中激励信号的极化幅度控制码和相位控制码，与雷达信号处理测得的幅度和相位信息，并计算每种极化状态下多个脉冲的均值，分别提取幅度调节因子和相位差值，得到最终的补偿参数；

步骤5、补偿数据写入

将计算得到的补偿因子，烧写入雷达的FLASH存储芯片中，并在雷达工作时，调用补偿因子。

进一步，在所述步骤1中，所述系统进行开机自检与初始化，下发极化遍历表格，发送链路测试数据包，完成各个分机间的握手时序控制与链路测试包校验，确保系统工作正常；否则，系统提示链路异常。

进一步，所述步骤2中的系统运行参数包括频率遍历范围、跳频间隔、转台遍历范围以及转台运动间隔；所述极化方式包括线极化、左旋或右旋圆极化、左旋或右旋椭圆极化。

本发明有益效果如下：

1)统筹雷达、信号源、极化控制装置、转台、存储设备、测控台、电源等各分机间的协同关系，实现稳定流畅的流程配合；

2)引入光纤通信、快变频切换、LVDS高速传输等技术，实现极化补偿数据采集的高效性；

3)引入PCIE高速数据导出技术，实现极化补偿数据传输的高效性；

4)制定稳定可靠的握手通信机制及扫描状态切换条件，实现极化补偿过程的自动状态轮询；

5)引入各分机的网络远程控制功能，实现操作过程的远程集中控制；

6)引入主控系统的实时监控功能，具有完备的故障恢复、中断记忆与异常记录能力，提高系统的可控和可观测性。

附图说明

图1是本发明中被动雷达极化自动化补偿系统的工作流程图；

图2是本发明设计方法的系统结构框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明具体实施方式中实现了一种被动雷达极化自动化补偿系统的设计方法，通过引入高速光纤通信、高速实时存储与PCIE导出、FPGA实时流程控制等技术，统筹雷达、信号源、极化控制装置、转台、存储设备、雷达控制台、电源等各分机间的协同关系，使被动雷达的极化补偿过程具有快速高效、故障恢复、自动扫描的设计改进，不仅大大减少了校准时间，而且解放人力资源，节省人力成本。

一种被动雷达极化自动化补偿系统,如图2所示，包括雷达扫描信号产生单元、雷达接收与信号处理单元、补偿数据实时存储单元、数据分析处理单元、系统测试与控制单元。

系统测试与控制单元包括雷达控制台、电源、转台，根据设置的系统参数，控制转台完成方位、俯仰角度遍历，并实时监测当前极化状态、频点、转台位置以及故障提示信息。

雷达扫描信号产生单元包括捷变频信号源、极化控制装置和双极化喇叭，它根据控制台发来的指令产生指定频率、极化状态变化的射频信号，通过天线发射出去。

雷达接收与信号处理单元包括雷达和数据收发模块，雷达接收雷达扫描信号产生单元发出的相应频率、周期、脉宽、极化状态的射频信号，测量得到各通道幅度和相位信息，并将测量得到的参数与射频信号的频率、周期、脉宽、极化状态参数打包SFP光纤数据包，由数据收发模块将其发送到补偿数据实时存储单元。

补偿数据实时存储单元接收数据收发模块发送的SFP光纤数据包，并实时存储到内部的SSD存储阵列中。

数据分析处理单元包括数据处理服务器、PCIE光纤数据转接卡。通过PCIE光纤数据转接卡将补偿数据实时存储单元中的SFP光纤数据包，通过PCIE接口传输到数据处理服务器中，处理雷达测量得到的幅度和相位值，形成最终校准数据。

一种被动雷达极化自动化补偿方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、极化补偿系统的初始化

被动雷达极化自动化补偿系统，开机运行后，完成极化控制表格的初始化载入，然后进行数据链路通信握手测试与校验，完成系统自检。

1.1极化控制表格生成与参数设置

根据极化类型、变极化方式和极化个数，产生极化控制码，并下发到极化控制装置的FPGA中，便于后续查询。

1.2链路通道测试

各分机通过光纤、LVDS接口或网口方式互联，由主控设备发送链路测试包，接收设备按照既定的通信协议，反馈链路测试响应包，以确定各条链路通信正常，否则，根据链路测试识别码，区分故障链路，并报出异常信息。

步骤2、补偿原始数据实时采集

2.1激励信号产生

设置系统运行参数，包括频率遍历范围、跳频间隔、转台遍历范围与转台运动间隔。由雷达控制台控制信号源产生设定脉宽、周期、频率的脉冲激励信号，输送至极化控制装置；

为了提高信号源的控制速率，系统设计时，捷变频信号源采用微波模块实时切换技术，切换速率达到5US之内，产生周期、脉宽、个数可变的脉冲调制信号。

2.2变极化控制过程

极化控制装置按照线极化、左旋或右旋圆极化、左旋或右旋椭圆极化方式要求，产生幅度控制码和相位控制码，控制极化控制装置内部衰减器和移相器，完成变极化过程，输出确定极化状态的水平H、垂直V分量信号，并通过双极化喇叭辐射出去，同时，极化控制装置通过光纤输出控制信号给雷达接收与信号处理单元的数据收发模块，控制信号为当前激励信号的频率、极化幅比、极化相位差，发送。

极化控制装置的极化控制码字的解算不在主控计算机完成，而是采用FPGA实时控制单元替代传统的驱动接口，由FPGA实时查表输出，提高响应速度，极化切换速率小于2US。

2.3雷达信号处理

雷达控制台给雷达发指令，雷达接收到指令后，控制雷达内部接收机置频到指定频率点；接着，雷达接收机开始自校零，完成后，通知雷达控制台自校零完成，雷达具备接收条件。

随后，雷达接收喇叭辐射的射频信号，并测量接收信号的幅度和相位信息，并通过光纤实时输出给雷达接收与信号处理单元的数据收发模块。

2.4补偿原始数据打包

数据收发模块将控制信号与雷达测量结果实时打包，产生设定帧格式的数据包，并通过光纤存储在补偿数据实时存储单元中。

2.5循环嵌套遍历过程

为了完成多维度、宽频段、全极化扫描遍历过程，需要分别控制转台、信号源、极化控制装置循环切换。涉及到三级循环嵌套状态机控制，首先固定转台位置，在同一频点下，输出某一极化状态下的一串脉冲信号，完成当前转台位置、当前频点的一次极化状态数据采集过程。

接着，极化控制装置校验当前极化状态脉冲信号个数输出完成，通过FPGA自动切换极化状态，输出对应的极化幅度控制码和相位控制码，进行当前频点的其它极化状态遍历过程，直至，完成当前转台位置、当前频点的数据采集。

然后，在系统参数设置的转台角度范围和频率范围内，通过控制信号源和转台，切换到当前转台位置的下一个频点，直至，遍历当前转台位置的所有频点。

最后，切换到下一个转台位置，重复上述频点和极化状态的遍历过程，直至完成系统参数设置的转台角度范围和频率范围内的所有状态。

2.6状态监测与故障处理

系统采用上位机组网控制方式，系统测试与控制单元实时监测当前极化状态、频点、转台位置以及故障提示信息。引入主控系统的实时监控功能，具有完备的故障恢复、中断记忆与异常记录能力，提高系统的可控和可观测性。

系统设计了故障识别，当流程异常中断，可记录当前状态，并在设定时间内，刷新系统流程，重复测试故障点，避免流程中断，实现无人值守的自动校准。

步骤3、原始数据导出

通过光纤连接补偿数据实时存储单元和数据处理服务器，将存储阵列中的数据，通过PCIE光纤转接卡传输至数据处理服务器中，并存储为相应的数据文件。

步骤4、原始数据预处理及参数提取

在服务器上，对采集的原始数据进行处理。通过分析每一帧数据中，激励信号的极化幅度控制码和相位控制码，与雷达信号处理测得的幅度和相位信息，并计算每种极化状态下多个脉冲的均值，分别提取幅度调节因子和相位差值，得到最终的补偿参数。

步骤5、补偿数据写入

将计算得到的补偿因子，烧写入雷达的FLASH存储芯片中，并在雷达工作时，调用补偿因子。

系统设计时，疏理了极化补偿过程中，系统初始化、补偿数据采集、导出、生成和写入的各个环节。为了实现补偿过程的自动化，本方法的实施措施重点在于补偿原始数据的获取阶段，即步骤2和步骤3。因此，在实现过程中，本方法着重考虑了每个环节可提高速度的改进措施，包括链路速率、频点和极化特性切换时间等；并考虑了各个环节之间的并行性和流水处理，包括FPGA实时处理等技术，以提高极化状态遍历过程的速度。

由上述具体实施方式的介绍可知，本发明针对雷达大范围、宽频带、全极化多维补偿需求，提出了技术可行的解决方案，并付诸实施，取得了明显的效果：

(1)采用高速光纤通信、大容量高速存储、实时流程控制等技术，将被动雷达零位补偿和面补偿的时间缩短10倍以上；

(2)设计引入自动扫描控制和故障恢复功能，使标校测试流程实现自动化，进行无人值守测试，解放人力资源，节省人力成本；

(3)雷达自动补偿数据写入雷达后，测角精度明显提高，在全波段范围内达到0.5°。

Claims (4)

1.一种被动雷达极化自动化补偿系统,其特征是包括系统测试与控制单元、雷达扫描信号产生单元、雷达接收与信号处理单元、补偿数据实时存储单元、数据分析处理单元；

所述系统测试与控制单元包括雷达控制台、电源、转台，根据设置的系统参数，控制转台完成方位、俯仰角度遍历，并实时监测当前极化状态、频点、转台位置以及故障提示信息；

所述雷达扫描信号产生单元包括捷变频信号源、极化控制装置和双极化喇叭，它根据雷达控制台发来的指令产生指定频率、极化状态变化的射频信号，通过天线发射出去；

所述雷达接收与信号处理单元包括雷达和数据收发模块，雷达接收雷达扫描信号产生单元发出的相应频率、周期、脉宽、极化状态的射频信号，测量得到各通道幅度和相位信息，并将测量得到的参数与射频信号的频率、周期、脉宽、极化状态参数打包为SFP光纤数据包，由数据收发模块将其发送到补偿数据实时存储单元；

所述补偿数据实时存储单元接收数据收发模块发送的SFP光纤数据包，并实时存储到内部的SSD存储阵列中；

所述数据分析处理单元包括数据处理服务器、PCIE光纤数据转接卡；通过PCIE光纤数据转接卡将补偿数据实时存储单元中的SFP光纤数据包，通过PCIE接口传输到数据处理服务器中，处理雷达测量得到的幅度和相位值，形成最终校准数据。

2.一种被动雷达极化自动化补偿系统的设计方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1、极化补偿系统的初始化

被动雷达极化自动化补偿系统，开机运行后，首先完成极化控制表格的初始化载入，然后进行数据链路通信测试与校验，完成系统自检；

步骤2、补偿原始数据实时采集

设置系统运行参数，由雷达控制台控制信号源产生设定脉宽、周期、频率的脉冲激励信号，输送至极化控制装置；

极化控制装置按极化方式要求，产生幅度控制码和相位控制码，控制极化控制装置内部衰减器和移相器，完成变极化控制，输出确定极化状态的水平H、垂直V分量信号，并通过双极化喇叭辐射出去，同时，极化控制装置通过光纤输出当前激励信号的频率、极化幅比、极化相位差等控制参数，发送给雷达接收与信号处理单元的数据收发模块；

雷达接收喇叭辐射的射频信号，并测量接收信号的幅度和相位信息，并通过光纤实时输出给雷达接收与信号处理单元的数据收发模块；数据收发模块将当前激励信号的频率、极化幅比、极化相位差等控制参数与雷达测量结果实时打包，产生设定帧格式的数据包，并通过光纤存储在补偿数据实时存储单元中，至此，完成当前转台位置、当前频点的一次极化状态数据采集过程；

极化控制装置校验当前极化状态脉冲信号个数输出是否完成，然后，通过FPGA自动切换极化状态，输出对应的极化幅度控制码和相位控制码，进行当前频点的其它极化状态遍历过程，直至，完成当前转台位置、当前频点的数据采集;

在系统运行参数设置的转台角度范围和频率范围内，通过控制信号源和转台，切换到当前转台位置的下一个频点，直至，遍历当前转台位置的所有频点；

切换到下一个转台位置，重复上述频点和极化状态的遍历过程，直至完成系统运行参数设置的转台角度范围和频率范围内的所有状态；

步骤3、原始数据导出

通过光纤连接补偿数据实时存储单元和数据处理服务器，将存储阵列中的数据，通过PCIE光纤转接卡传输至数据处理服务器中，并存储为相应的数据文件；

步骤4、原始数据预处理及参数提取

在数据处理服务器上，对采集的原始数据进行处理；分析每一帧数据中激励信号的极化幅度控制码和相位控制码，与雷达信号处理测得的幅度和相位信息，并计算每种极化状态下多个脉冲的均值，分别提取幅度调节因子和相位差值，得到最终的补偿参数；

步骤5、补偿数据写入

将计算得到的补偿因子，烧写入雷达的FLASH存储芯片中，并在雷达工作时，调用补偿因子。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述系统进行开机自检与初始化，下发极化遍历表格，发送链路测试数据包，完成各个分机间的握手时序控制与链路测试包校验，确保系统工作正常；否则，系统提示链路异常。

4.如权利要求2所述的方法，其特征是所述步骤2中的系统运行参数包括频率遍历范围、跳频间隔、转台遍历范围以及转台运动间隔；所述极化方式包括线极化、左旋或右旋圆极化、左旋或右旋椭圆极化。

Images