CN111596144A - 基于无人机的线性调频雷达天线方向图测量系统及方法 - Google Patents

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CN111596144A CN202010456794.8A CN202010456794A CN111596144A CN 111596144 A CN111596144 A CN 111596144A CN 202010456794 A CN202010456794 A CN 202010456794A CN 111596144 A CN111596144 A CN 111596144A
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田应伟
文必洋
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Abstract

公开了一种基于无人机的线性调频雷达天线方向图测量系统及方法。所述方法包括：无人机上的信号源产生与天线工作频段对应的单一频率、稳定幅度信号；无人机上的坐标/轨迹记录仪获取和保存无人机飞行轨迹信息；雷达接收机接收所述信号源发射的信号，并计算不同天线通道接收信号的幅度和相位响应；计算机获取所述不同天线通道接收信号的幅度和相位响应，以及所述坐标/轨迹记录仪得到的无人机飞行轨迹信息，并通过对轨迹信息处理得到不同时刻无人机相对雷达天线的方位，进一步映射得到不同方位的天线幅度相位响应，即为天线方向图结果。本公开适用于不同频段的雷达天线方向图测量，结构简单、轻便、成本低，可有效克服天线周边地形环境带来的限制。

Description

基于无人机的线性调频雷达天线方向图测量系统及方法
技术领域
本公开涉及一种基于无人机的线性调频雷达天线方向图测量系统及方法。
背景技术
方位估计是雷达目标探测的关键步骤，其精度受天线方向图特性影响。在实际应用中，受天线周边环境的电磁耦合影响，天线方向图易偏离理想情况而发生畸变，这种畸变会导致方位估计精度下降。准确测量天线的实际方向图，能有效补偿畸变带来的影响。
线性调频波形是一种较为常见的雷达体制形式，在不同频段范围都有广泛应用。针对线性调频雷达天线方向图测量，传统方法利用应答器环绕天线移动实现测量。应答器接收雷达发射的线性调频信号，对接收到的信号进行频率、相位变换以模拟实际目标回波，并重新发射出去；雷达根据接收到的回波信号计算天线不同通道在该方位的幅度、相位响应，通过移动应答器实现不同方位的天线幅相响应(即天线方向图)测量。由于应答器结构复杂、体积大，只能通过车载、船载、人工等方式移动。因此，测量容易受天线架设环境的限制。
无人机(或无人飞行器)作为一种新兴载荷平台，可有效突破地形带来的限制，实现沿任意路径高效、灵活移动。然而，一般的小型无人机载荷能力受限，无法搭载较重的应答器；大型无人机不仅成本较高，而且飞行执照、区域、高度等受到民航空管部门的严格管制。
发明内容
本公开的至少一个实施例提供一种基于无人机的线性调频雷达天线方向图测量系统及方法。采用小型无人机搭载轻便式信号源进行发射，利用线性调频雷达接收机实现信号接收、方向图计算，同时实现天线方向图与雷达接收通道特性的快速测量。
本公开的至少一个实施例提供一种雷达天线方向图测量系统，包括：
无人机载子系统，包括产生与天线工作频段对应的单一频率、稳定幅度信号的信号源，和坐标/轨迹记录仪；
雷达接收子系统，用于接收所述信号源发射的信号，并通过混频和傅里叶变换计算不同天线通道接收信号的幅度和相位响应；
方向图计算子系统，获取所述不同天线通道接收信号的幅度和相位响应，以及所述坐标/轨迹记录仪得到的无人机飞行轨迹信息，并通过对轨迹信息处理得到不同时刻无人机相对雷达天线的方位，进一步映射得到不同方位的天线幅度相位响应，得到天线方向图结果。
本公开的至少一个实施例提供一种雷达天线方向图测量方法，包括：
无人机上的信号源产生与天线工作频段对应的单一频率、稳定幅度信号；
无人机上的坐标/轨迹记录仪获取和保存无人机飞行轨迹信息；
雷达接收机接收所述信号源发射的信号，并通过混频和傅里叶变换计算不同天线通道接收信号的幅度和相位响应；
计算机获取所述不同天线通道接收信号的幅度和相位响应，以及所述坐标/轨迹记录仪得到的无人机飞行轨迹信息，并通过对轨迹信息处理得到不同时刻无人机相对雷达天线的方位，进一步映射得到不同方位的天线幅度相位响应，得到天线方向图结果。
与现有技术相比，本公开具有以下优点和积极效果：
1、相比应答器和其他信源标校方式，单频信号源电路结构简单、性能稳定、成本低，易于小型化、轻量化设计，可灵活兼容多频段天线测量；
2、基于无人机的信号源移动方式有效克服了天线周边地形环境造成的测量限制，大大提高了测量效率，降低了测量的人力、物力成本，可广泛应用于现有雷达站天线方向图的测量与标定；
3、直接利用已有雷达接收机解析不同通道的幅度、相位响应，因此测量得到的天线方向图也直接包含了雷达不同接收通道的差异性，在完成方向图测量的同时也实现了雷达通道的校准。此外，基于傅里叶变换的相干积累处理也将大大提高回波强度和测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本公开一实施例提供的天线方向图测量系统框图。
图2为本公开一实施例提供的接收机处理结构框图。
图3为本公开一实施例提供的天线方向图测量结果。
附图标记说明：
1-方向图计算子系统，2-雷达接收子系统，3-雷达天线，4-无人机移动路径，5-无人机，6-无人机载子系统；图2中，虚线框为雷达接收子系统内部结构；图3为某三通道天线的方向图测量结果，通道2和3的结果以通道1为参考，虚线为理想方向图，实线为实测方向图。
具体实施方式
图1为本公开一实施例提供的天线方向图测量系统框图。如图1，所述天线方向图测量系统包括方向图计算子系统1、雷达接收子系统2、无人机载子系统6。无人机载子系统6包括信号源和和坐标/轨迹记录仪。所述信号源用于产生与雷达天线3工作频段对应的单一频率、稳定幅度信号。雷达接收子系统2用于接收所述信号源发射的信号，并通过混频和傅里叶变换计算不同天线通道接收信号的幅度和相位响应。方向图计算子系统1获取所述不同天线通道接收信号的幅度和相位响应，以及所述坐标/轨迹记录仪得到的无人机飞行轨迹信息，并通过对轨迹信息处理得到不同时刻无人机相对雷达天线的方位，进一步映射得到不同方位的天线幅度相位响应，即为天线方向图结果。
所述信号源和所述坐标/轨迹记录仪既可分开设计为两个模块也可联合设计为一个模块，所述信号源频率和幅度可根据测量需要进行调整，无人机5飞行方式可采用手动控制或自主导航方式，无人机5坐标信息既可以本地保存也可以通过远程方式发回地面控制端。所述信号源频率为f0；无人机5飞行过程的中保持与待测天线3间距d≥5λ，其中λ为与f0对应的电磁波波长，以保证测量时尽可能满足远场条件。下面以三通道单极子/交叉环天线为例说明方向图的测量，三通道单极子/交叉环天线的导向矢量为：
a(θ)＝[1 cos(θ+π/4)sin(θ+π/4)]
其中θ为方位角，存在畸变情况的实际天线方向图为：
a'(θ)＝[g1(θ)g2(θ)cos(θ+π/4)g3(θ)sin(θ+π/4)]
其中gi(θ)(i＝1,2,3)为各通道复数畸变因子，以通道1为参考，可以得到如下相对方向图：
Figure BDA0002509518440000031
在进行目标方位估计时，将上述相对方向图代入到现有方位估计算法中即可，方位角估计算法可选择多重信号分类等超分辨率算法，相关算法属已有成熟技术，此处不再赘述。
图2为雷达接收机处理结构框图，其中混频既可利用模拟器件实现，也可采样后在数字域实现；雷达接收机各通道采用同一时钟源以保证通道之间相干性；本振信号设置为单一频率，本振信号与无人机信号源之间的频率差通过傅里叶变换后得以检测出来，其幅度与相位信息用于估计天线通道响应。
图3为本实施例测量得到的天线相对方向图结果，其中虚线为理想方向图，实线为实测方向图，方向图畸变较为明显。

Claims (2)

1.一种雷达天线方向图测量系统，其特征在于，包括：
无人机载子系统，包括产生与天线工作频段对应的单一频率、稳定幅度信号的信号源，和坐标/轨迹记录仪；
雷达接收子系统，用于接收所述信号源发射的信号，并通过混频和傅里叶变换计算不同天线通道接收信号的幅度和相位响应；
方向图计算子系统，获取所述不同天线通道接收信号的幅度和相位响应，以及所述坐标/轨迹记录仪得到的无人机飞行轨迹信息，并通过对轨迹信息处理得到不同时刻无人机相对雷达天线的方位，进一步映射得到不同方位的天线幅度相位响应，得到天线方向图结果。
2.一种雷达天线方向图测量方法，其特征在于，包括：
无人机上的信号源产生与天线工作频段对应的单一频率、稳定幅度信号；
无人机上的坐标/轨迹记录仪获取和保存无人机飞行轨迹信息；
雷达接收机接收所述信号源发射的信号，并通过混频和傅里叶变换计算不同天线通道接收信号的幅度和相位响应；
获取所述不同天线通道接收信号的幅度和相位响应，以及所述坐标/轨迹记录仪得到的无人机飞行轨迹信息，并通过对轨迹信息处理得到不同时刻无人机相对雷达天线的方位，进一步映射得到不同方位的天线幅度相位响应，得到天线方向图结果。
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Title
庄钊文 等: "《雷达散射截面测量——紧凑场理论与技术》", 31 October 2000, 国防科技大学出版社 *

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