CN111337921B - 一种弹载毫米波雷达对地测高装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹载毫米波雷达对地测高装置，通过将至少三个微带天线单元以所述发射天线单元为中心点，以相同的间隔角度等距离设置，利用所述发射天线单元与所述至少三个微带天线的相互位置的制约，所述发射天线单元根据其与所述至少三个微带天线单元形成的雷达天线方向图，产生中心线垂直于所述第一平面的第一波束，以及环绕所述第一波束的中心线，且与所述第一波束成夹角α向外发射的第二波束，并通过选取通过第一波束与第二波束分别计算出的离地距离的最小值作为测量到的离地距离。相对于现有技术，本发明实现了单个雷达的双波束探测功能，提高对地测高的准确性的同时节约了成本。

Description

一种弹载毫米波雷达对地测高装置

技术领域

本发明涉及雷达探测领域，尤其是涉及一种弹载毫米波雷达对地测高装置。

背景技术

弹载雷达是指：将微形电子设备(包括天线、镜头、收发电路、信号处理部件、供电整理部件)都装置于炮弹头部(或火箭弹头部，或飞弹头部)而组成的雷达，它被用于对目标的距离、方位、速度等进行探测。现代弹载雷达普遍都采用毫米波雷达。

末段对地面测高是指弹头在接近地面目标的末尾飞行段需要对弹头离地高度进行精确测量，以便选择离地面目标最佳的高度进行最有效打击。即要最佳完成弹头打击任务，末段测高技术是弹载雷达最重要的功能技术，它是靠雷达波束指向技术和雷达测距技术来综合实现的。

现有的毫米波雷达探测技术应用到弹载末端测距、测高主要包括以下两种方法：一是单雷达单波束测距方法，采用一个装于弹头的小雷达，天线波束指向与弹头轴向一致，然而，在弹头落地与地面存在擦地角度时，测得的离地距离存在较大误差；二是多雷达多波束测距方法，通过在弹头侧面增装多个侧向雷达的方式，使雷达行进过程中，侧向总有一个雷达波束对准地面，以测得的最近离地距离误差较小，然而，该方法需要使用多个侧向雷达协助进行测高，成本较大。

发明内容

本申请实施例提供了一种弹载毫米波雷达对地测高装置，可以通过单个雷达发出轴向和侧向的双波束对飞弹的离地高度进行更加准确地测量。

第一方面，本申请实施例提供了一种弹载毫米波雷达对地测高装置，所述弹载毫米波雷达对地测高装置安装在飞弹的弹头上，包括：雷达天线和射频收发器；

所述雷达天线包括发射天线单元和接收天线单元，所述接收天线单元包括至少三个微带天线单元，所述射频收发器分别连接所述发射天线单元和所述至少三个微带天线单元；

所述发射天线单元与所述至少三个微带天线单元设置在与所述弹头的轴向方向的垂直的第一平面，所述至少三个微带天线单元以所述发射天线单元为中心点，以相同的间隔角度等距离设置；

所述发射天线单元根据其与所述至少三个微带天线单元形成的雷达天线方向图，产生中心线垂直于所述第一平面的第一波束，以及环绕所述第一波束的中心线，且与所述第一波束成夹角α向外发射的第二波束；

所述射频收发器从所述至少三个微带天线单元接收到的回波信号中，获取所述飞弹与地面的距离，并从中选取所述飞弹与地面的最小距离作为所述飞弹的离地高度。

可选的，所述接收天线单元包括三个微带天线单元，所述三个微带天线单元以所述发射天线单元为中心点，以间隔120°等距离设置。

可选的，所述射频收发器还用于按照以下公式，获取所述弹载毫米波雷达对地测高装置测得的对地高度的精度：

Δ＝R*(1-cos((α-β)/2))

其中，Δ为所述弹载毫米波雷达对地测高装置测得的对地高度的精度，R为所述弹载毫米波雷达对地测高装置测得的对地高度，α为所述第一波束和所述第二波束的波束间夹角，β为所述第一波束和所述第二波束的波束宽度。

可选的，还包括一透镜，所述透镜覆盖在所述雷达天线上，用于对所述雷达天线发射的电磁波进行折射；其中，所述透镜为具有中心向外凸起的中空结构，所述凸起部分呈半球形，所述透镜覆盖在所述至少三个微带天线单元上，所述凸起部分覆盖在所述发射天线单元上。

可选的，所述透镜为经表面粗糙化处理的粗糙表面透镜。

可选的，所述透镜为聚四氟乙烯材料，通过冷加工一体成型制成。

可选的，所述至少三个微带天线为插入式馈电的微带贴片天线。

第二方面，本申请实施例提供了一种对地测高弹载毫米波雷达，包括弹头、弹体和如上述任意一项所述的弹载毫米波雷达对地测高装置，所述弹头位于弹体顶部，所述弹载毫米波雷达对地测高装置设置在所述弹头内部。

在本申请实施例中，通过将至少三个微带天线单元以所述发射天线单元为中心点，以相同的间隔角度等距离设置，利用所述发射天线单元与所述至少三个微带天线的相互位置的制约，使所述雷达天线方向图在第一平面的垂直方向和所述第一平面底部以环状向外的方向的辐射强度最大，在利用发射天线单元向外发射毫米波时，所述毫米波根据所述雷达天线方向图向外辐射，在垂直于所述第一平面的形成第一波束，在所述第一平面底部形成以环状向外辐射的第二波束，从而实现单个雷达的双波束探测功能，提高对地测高的准确性的同时节约了成本。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为现有弹载毫米波雷达对地测高的过程示意图；

图2为本发明一个示例性的实施例中弹载毫米波雷达对地测高装置的结构示意图；

图3为本发明一个示例性的实施例中透镜覆盖在雷达天线后的雷达天线三维方向图

图4为本发明一个示例性的实施例中雷达天线的结构示意图；

图5为本发明一个示例性的实施例中雷达天线在E面、H面的方向图；

图6为本发明一个示例性的实施例中雷达天线的三维方向图；

图7为本发明一个示例性的实施例中透镜的结构示意图；

图8为本发明一个示例性的实施例中利用所述对地测高弹载毫米波雷达测试目标标杆的发射效果的过程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例方式作进一步地详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请实施例保护的范围。

在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“若干个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1所示，弹载毫米波雷达在末段对地面测高中将遇到三种飞弹的不同飞行状态，一是弹头近似垂直落地，二是弹头按某擦地角落地，三是接近平行地面落地。利用单波束弹载毫米波雷达测距时，其毫米波波束指向与弹头轴向一致，但波束宽度比较宽(一般可宽到60°)。

当弹头垂直落地时，直接对地面测距，测到的是地面一个区域，其中离地最近距离R就是需要测的离地高度H，因此可直接将测得的与地面的最小距离R作为弹载毫米波雷达的离地高度H；当弹头与地面形成擦地角θ落地时，将测得的与地面的最小距离R作为弹载毫米波雷达的离地高度H就有误差，其中，该误差为Δ＝R-R*sin(θ+β/2)，误差较大；特别当近似水平落地时，若还以与地面的最小距离R来判高，误差Δ接近R/2(其中β＝60°),误差太大。

请参阅图2，本发明提供了一种弹载毫米波雷达对地测高装置，包括：雷达天线1和射频收发器2；

所述雷达天线包括发射天线单元11和接收天线单元12，所述接收天线单元12包括至少三个微带天线单元121、122……12n，其中n为大于2的自然数，所述射频收发器2分别连接所述发射天线单元和所述至少三个微带天线单元；

微带天线(microstrip antenna)是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。微带天线包括微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线，在本申请实施例，所述微带天线单元为微带贴片天线。

微带贴片天线(MPA)是由介质基片、在基片一面上有任意平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成，在本申请实施例中，所述微带贴片天线可以为矩形微带贴片天线。

所述发射天线单元11与所述至少三个微带天线单元设置在与所述弹头的轴向方向的垂直的第一平面，所述至少三个微带天线单元以所述发射天线单元为中心点，以相同的间隔角度等距离设置；

所述发射天线单元11根据其与所述至少三个微带天线单元形成的雷达天线方向图，产生中心线垂直于所述第一平面的第一波束，以及环绕所述第一波束的中心线，且与所述第一波束成夹角α向外发射的第二波束；其中，0＜α＜90°。

如图3所示，所述第一波束和第二波束的夹角指的是两个波束中心线形成的夹角，所述第一波束即为所述发射天线单元11发出的轴向波束，所述第二波束即为所述发射天线单元11发出的侧向波束，所述第二波束360°环绕所述第一波束的中心线。在一个例子中，所述第一波束与第二波束的夹角α为60°。

雷达天线方向图根据方向图相乘原理形成，根据方向图相乘原理，天线阵的方向图等于单元天线的方向图与阵因子方向图的乘积，其中所述阵因子与单元天线无关，与天线的相互位置、馈电电流和相位有关。在本申请实施例中，所述雷达天线方向图与所述发射天线单元与所述至少三个微带天线的相互位置有关。通过所述发射天线单元与所述至少三个微带天线的相互位置的制约，使所述雷达天线方向图在垂直于所述第一平面和环绕所述第一波束的中心线的辐射强度最大，在利用发射天线单元向外发射毫米波时，所述毫米波根据所述雷达天线方向图向外辐射，产生中心线垂直于所述第一平面的第一波束，以及环绕所述第一波束的中心线，且与所述第一波束成夹角α向外发射的第二波束。

所述发射天线单元11与所述至少三个微带天线单元可以为同一型号的天线，所述发射天线单元11与所述至少三个微带天线单元形成一天线阵。所述发射天线单元11与所述至少三个微带天线单元的距离可以根据所述发射天线单元11与所述至少三个微带天线单元的天线型号或者天线辐射强度要求进行调整。

所述射频收发器2从所述至少三个微带天线单元接收到的回波信号中，获取所述弹头与地面的距离，并从中选取所述弹头与地面的最小距离作为所述飞弹的离地高度。

其中，所述射频收发器2根据所述至少三个微带天线单元接收到的若干回波信号，对第一波束和第二波束的回波信号进行解析，提取出测得的若干个飞弹与地面的距离，从中选取最小距离作为飞弹的离地高度。

在本申请实施例中，通过将至少三个微带天线单元以所述发射天线单元为中心点，以相同的间隔角度等距离设置，利用所述发射天线单元与所述至少三个微带天线的相互位置的制约，所述发射天线单元根据其与所述至少三个微带天线单元形成的雷达天线方向图，产生中心线垂直于所述第一平面的第一波束，以及环绕所述第一波束的中心线，且与所述第一波束成夹角α向外发射的第二波束，并通过选取通过第一波束与第二波束分别计算出的离地距离的最小值作为测量到的离地距离，从而实现单个雷达发出轴向和侧向的双波束，实现单个雷达的双波束探测功能，提高对地测高的准确性的同时节约了成本。

在一个示例性的实施例中，所述至少三个微带天线可以为插入式馈电的微带贴片天线。插入式馈电的微带贴片天线是指微带贴片天线以开槽的形式，将馈线深入贴片天线内部。可以通过调整馈线插入深度，使馈线与贴片单元达到良好的阻抗匹配。

如图4所示，在一个示例性的实施例中，所述接收天线单元包括三个微带天线单元121、122和123，所述三个微带天线单元121、122和123以所述发射天线单元11为中心点，以间隔120°等距离设置。

其中，所述三个微带天线单元121、122和123和发射天线单元11均为开槽为矩形的插入式馈电的微带贴片天线。

如图5-6所示，其分别为所述雷达天线在E面、H面的方向图和三维方向图，可以看出，所述第一波束垂直于所述第一平面，所述第二波束环绕所述所述第一波束的中心线，且与所述第一波束成夹角。

其中，发射天线单元发出的第一波束的波束宽度约为24°，第二波束的波束宽度约为24°，第一波束与第二波束的间隔角度为60°。

在一个示例性的实施例中，所述射频收发器还用于按照以下公式，获取所述双波束探测弹载毫米波雷达测得的对地高度的精度：

Δ＝R*(1-cos((α-β)/2))

其中，Δ为所述弹载毫米波雷达对地测高装置测得的对地高度的精度，R为所述弹载毫米波雷达对地测高装置测得的对地高度，α为所述第一波束和所述第二波束的波束间夹角，β为所述第一波束和所述第二波束的波束宽度。

其中，波束间夹角指的是多波束测深系统中相邻波束两对称轴线之间的夹角，在本实施例中，所述波束间夹角指的是第一波束轴线与第二波束轴线之间的夹角。

波束宽度指的是在波束最大辐射方向两侧，辐射功率下降3dB的两个方向的夹角。

如图7所示，在一个示例性的实施例中，所述的弹载毫米波雷达对地测高装置还包括一透镜，所述透镜覆盖在所述雷达天线上，用于对所述雷达天线发射的电磁波进行折射；其中，所述透镜为具有中心向外凸起的中空结构，所述凸起部分呈半球形，所述透镜覆盖在所述至少三个微带天线单元上，所述凸起部分覆盖在所述发射天线单元上。

所述透镜外表面为相互对称的弧形面，所述透镜覆盖在所述至少三个微带天线单元上，可以通过在透镜上环面上安装螺丝孔位，便于对该透镜的位置进行固定。

优选的，所述透镜可以为经表面粗糙化处理的粗糙表面透镜。

表面粗糙化处理是指利用表面粗糙处理材料进行冲击打磨，例如氧化铝、金刚砂、沙子等，使物体表面具有一定粗糙度的方法，在本申请实施例中，通过将透镜进行表面粗糙化处理，使得毫米波可以在透镜表面进行微距离散射，调整波路方向，使发射的波束更符合实际应用需求。

优选地，所述透镜为聚四氟乙烯材料，通过冷加工一体成型制成。

聚四氟乙烯具有较低的介电常数，利用聚四氟乙烯冷加工一体成型制成的透镜可有效降低损耗，保持良好的电气性能；同时，透镜坚固耐用，可适应多种拍摄环境。

如图3所示，其为透镜覆盖在雷达天线后的雷达天线三维方向图，可以看出，该透镜对第一波束和第二波束均起到聚焦作用。

本发明还提供了一种对地测高弹载毫米波雷达，包括弹头、弹体和如上述任意一项所述的弹载毫米波雷达对地测高装置，所述弹头位于弹体顶部，所述弹载毫米波雷达对地测高装置设置在所述弹头内部。

如图8所示，选择80GHz毫米波的对地测高弹载毫米波雷达，在目标与雷达探头相对处于静止状态下，目标标杆在不同方向的测量幅度(效果)进行测试，其中，目标为2cm铝质方通杆，放置在离天线9米的圆周上测试结果如下表1所示。

表1铝杆目标对波束照射后的反射强度表

从上表中数据可以看到第一波束和第二波束的对金属铝方通杆目标的反射效果：

(1)左右60°处是环状波束的波峰，波束宽度大约为24°；

(2)中心0°是轴向波束的波峰，波束宽度也大约为24°；

(3)中心轴向波束波峰幅度大约是环状波束波峰幅度的40％，说明主要收发电磁波主要能量还是在轴向波束上。

在本申请实施例中，通过所述发射天线单元与所述至少三个微带天线的相互位置的制约形成的雷达天线方向图，使得所述毫米波根据所述雷达天线方向图向外辐射，产生垂直于所述第一平面的第一波束和在所述第一平面底部以环状向外辐射的第二波束，同时，通过在雷达天线上覆盖增强毫米波的聚四氟乙烯透镜的方式对所述第一波束和第二波束进行聚焦，提高第一波束和第二波束的辐射性能，从而实现单个雷达的双波束探测功能，提高弹载毫米波雷达对地测高的准确性，节约了成本。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (8)

1.一种弹载毫米波雷达对地测高装置，其特征在于，所述弹载毫米波雷达对地测高装置安装在飞弹的弹头上，包括：雷达天线和射频收发器；

所述雷达天线包括发射天线单元和接收天线单元，所述接收天线单元包括至少三个微带天线单元，所述射频收发器分别连接所述发射天线单元和所述至少三个微带天线单元；

所述发射天线单元与所述至少三个微带天线单元设置在与所述弹头的轴向方向的垂直的第一平面，所述至少三个微带天线单元以所述发射天线单元为中心点，以相同的间隔角度等距离设置；

所述发射天线单元根据其与所述至少三个微带天线单元形成的雷达天线方向图，产生中心线垂直于所述第一平面的第一波束，以及环绕所述第一波束的中心线，且与所述第一波束成夹角α向外发射的第二波束；

所述射频收发器从所述至少三个微带天线单元接收到的回波信号中，获取所述飞弹与地面的距离，并从中选取所述飞弹与地面的最小距离作为所述飞弹的离地高度。

2.根据权利要求1所述的弹载毫米波雷达对地测高装置，其特征在于，所述接收天线单元包括三个微带天线单元，所述三个微带天线单元以所述发射天线单元为中心点，以间隔120°等距离设置。

3.根据权利要求1所述的弹载毫米波雷达对地测高装置，其特征在于，所述射频收发器还用于按照以下公式，获取所述弹载毫米波雷达对地测高装置测得的对地高度的精度：

Δ＝R*(1-cos((α-β)/2))

其中，Δ为所述弹载毫米波雷达对地测高装置测得的对地高度的精度，R为所述弹载毫米波雷达对地测高装置测得的对地高度，α为所述第一波束和所述第二波束的波束间夹角，β为所述第一波束和所述第二波束的波束宽度。

4.根据权利要求1所述的弹载毫米波雷达对地测高装置，其特征在于，还包括一透镜，所述透镜覆盖在所述雷达天线上，用于对所述雷达天线发射的电磁波进行折射；其中，所述透镜为具有中心向外凸起的中空结构，所述凸起部分呈半球形，所述透镜覆盖在所述至少三个微带天线单元上，所述凸起部分覆盖在所述发射天线单元上。

5.根据权利要求4所述的弹载毫米波雷达对地测高装置，其特征在于，所述透镜为经表面粗糙化处理的粗糙表面透镜。

6.根据权利要求4所述的弹载毫米波雷达对地测高装置，其特征在于，所述透镜为聚四氟乙烯材料，通过冷加工一体成型制成。

7.根据权利要求4所述的弹载毫米波雷达对地测高装置，其特征在于，所述至少三个微带天线为插入式馈电的微带贴片天线。

8.一种对地测高弹载毫米波雷达，其特征在于，包括弹头、弹体和如权利要求1-7任意一项所述的弹载毫米波雷达对地测高装置，所述弹头位于弹体顶部，所述弹载毫米波雷达对地测高装置设置在所述弹头内部。

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