CN111880173A - 一种凝视雷达系统及其比幅比相的测向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种凝视雷达系统，包括安装在雷达支架上的1个发射天线、1个接收天线阵列，发射天线位于接收天线阵列上方，所述接收天线阵列可手动进行方位调整和俯仰调整操作，接收天线阵列采集的弹头的雷达数据，通过动目标检测MTD对弹头目标检测，获取其幅度和相位，使用比幅和比相算法对接收天线阵列的数据进行处理得到弹头相对于雷达的方向。本发明使用调频连续波体制的雷达照射观测区域，采集弹头数据并利用其对下降段弹道进行测向，测向时先采用比幅法获得粗方位角，然后再利用次角度解比相法所用相位的相位模糊，进而获得精方位角。

Description

一种凝视雷达系统及其比幅比相的测向方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种凝视雷达系统及其比幅比相的测向方法。
背景技术
利用雷达技术对炮弹进行测向测距有着天然的优势：一是不受靶场烟尘、火光、振动等影响，也不受沙尘雾霾、雨雪等气象条件影响，同时可白天和晚上全天时工作；二是测向快速、准确和全面，测向误差满足测量误差需求；三是可对齐射和密集射击的弹群快速准确测向；四是探测范围广，即可以探测和定位弹着点在落区外的目标；五是可无人值守工作，消除人员安全风险；六是操作简单，自动化程度高，可实时输出炮弹方位信息。
与炮位侦察校射雷达不同的是，该类型雷达并不在空间形成扫描波束，也不追求几十公里的远距离探测能力，而是采用固定波束始终照射下降段的炮弹目标，因此称为“凝视”。凝视雷达采用线性调频连续波体制，可采用高精度和高数据更新率弹头下降段(末段)轨迹进行精确测量，包括目标的距离、速度、方向信息。测向是凝视雷达功能实现的关键要素，其精度直接影响系统的性能。目前常用的测向方式有幅度法测向如图1所示、相位法测向如图2所示以及幅度-相位法如图3所示。
幅度法测向就是根据接收天线接收信号的相对幅度大小来确定信号的到达角，比幅法是其经典算法，常采用多个不同波束指向的天线，覆盖一定的空间，根据各天线接收同一信号的相对幅度大小来确定目标的所在方向。但其系统结构简单、性能稳定、复杂环境适应性强等特点在侦察系统中得到广泛运用，但其测向精度的提升主要依赖于天线阵方向图准确度，这使得其性能提升受噪声影响较大，测向精度不高。相位测向精度较高，系统简单，为获得较高的相位一致性，对器件性能指标要求高。同时比相测向方法存在相位模糊问题，需要多基线或短基线布设等方法来解模糊。
发明内容
发明目的
本发明提出一种凝视雷达系统及其比幅比相的测向方法，该方法使用调频连续波体制的雷达照射观测区域，采集弹头数据并利用其对下降段弹道进行测向，测向时先采用比幅法获得粗方位角，然后再利用次角度解比相法所用相位的相位模糊，进而获得精方位角。
技术方案
本发明提供了一种凝视雷达系统，包括安装在雷达支架上的1个发射天线、1个接收天线阵列，发射天线位于接收天线阵列上方，所述接收天线阵列可手动进行方位调整和俯仰调整操作，接收天线阵列采集的弹头的雷达数据，通过动目标检测MTD对弹头目标检测，获取其幅度和相位，使用比幅和比相算法对接收天线阵列的数据进行处理得到弹头相对于雷达的方向。
优选的，所述的发射天线、接收天线阵列均采用工作频段为S波段的线性调频连续波体制(LFMCW)。
优选的，所述接收天线阵列为四个接收天线，排列安装构成田字形的2×2面阵。
优选的，所述方位调整通过转台和锁定机构，旋转角度为0-360°；所述俯仰调整通过丝杆机构的伸缩杆，旋转角度0-80°。
优选的，接收天线阵列中各个接收天线以及发射天线在上、下方向和前、后方向均间隔预设距离，以提高收发隔离度。
一种凝视雷达系统比幅比相的测向方法，包括相位法测向和幅度法测向；
所述相位法测向根据不同位置的接收天线对同一信号的相对相位误差来确定信号的到达角，当平面电磁波由θ方向到达天线阵时，天线阵元数据的信号为si(t)＝s(t)ej φ(θ),相位差为
Figure BDA0002614867190000031
其中d为相邻天线见间距，λ为波长；dλ比值越大，精度越高，但无模糊测角范围越小；
所述幅度法测向包括离线预处理和实时处理，离线预处理时，首先将信号源设置成系统所采集的频段，然后调整信号源相对于接收天线阵列的空间分布，采集数据并得到它们比值，建立四通道幅度比值于空间方位对应关系表；实时处理时，将经过接收天线阵列的四通道接收信号数据进行动目标检测MTD，得到目标信息并获得四通道幅度比值，然后通过匹配查询离线预处理建立的四通道幅度比值与空间方位对应关系表，获得比幅测向角度；
比相测向利用动目标检测MTD的目标信息，分别计算四通道接收信号数据的水平相差和俯仰相差，然后通过公式
Figure BDA0002614867190000032
计算方向角度；在计算过程中，为了解相差的模糊，调整Φ+2πk中的k值，选与比幅测向最接近的角度，即为比幅-比相测向结果的输出。
本发明使用调频连续波体制的雷达照射观测区域，采集弹头数据并利用其对下降段弹道进行测向，测向时先采用比幅法获得粗方位角，然后再利用次角度解比相法所用相位的相位模糊，进而获得精方位角。本发明针对比幅法精度较差和比相法测向模糊的问题，采用比幅和比相结合的思路，先用比幅法进行粗测向，然后引导比相法进行精测向，进而获取高的测向精度，提高了凝视雷达系统的性能。
附图说明
图1为幅度法测向示意图；
图2为比相法测向示意图；
图3为幅度-相位法测向示意图；
图4为本发明提出的一种凝视雷达系统的系统框图；
图5为本发明提出的一种凝视雷达系统的结构示意图；
图6为本发明提出的一种凝视雷达系统的数据处理流程图；
图7为实际相位差和测量相位差对比图；
图8为典型比幅测向算法；
图9为比幅测向离线预处理框图；
图10为比幅测向实时处理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图4-6所示，本发明提出的一种凝视雷达系统，包括安装在雷达支架3上的发射天线1、接收天线阵列2，所述的发射天线1、接收天线阵列2均采用工作频段为S波段的线性调频连续波体制，所述接收天线阵列为四个接收天线，排列安装构成田字形的2×2面阵。
发射天线1位于接收天线阵列2上方，接收天线阵列2中各个接收天线以及发射天线1在上、下方向和前、后方向均间隔预设距离，以提高收发隔离度。所述接收天线阵列2可手动进行方位调整和俯仰调整操作，所述方位调整通过转台和锁定机构，旋转角度为0-360°；所述俯仰调整通过丝杆机构的伸缩杆，旋转角度0-80°。
接收天线阵列2中的各个接收天线采集的弹头的雷达数据，通过动目标检测MTD对弹头目标检测，获取其幅度和相位，使用比幅和比相算法对接收天线阵列的数据进行处理得到弹头相对于雷达的方向。
一种凝视雷达系统比幅比相的测向方法，包括相位法测向和幅度法测向；所述相位法测向根据不同位置的接收天线对同一信号的相对相位误差来确定信号的到达角，当平面电磁波由θ方向到达天线阵时，天线阵元数据的信号为si(t)＝s(t)ejφ(θ),相位差为
Figure BDA0002614867190000051
其中d为相邻天线见间距，λ为波长；dλ比值越大，精度越高，但无模糊测角范围越小；比相测向算法具有较高的测向精度，接收天线所收到信号的相位差是以2π为周期的,而鉴相器是以2π为模来测量2个回波之间的相位差的,因此测得的相位差的范围是(-π,π)。如果超出了这个范围便出现多值模糊，而不模糊测角范围为
Figure BDA0002614867190000052
根据实际系统，假设波长为0.1m，当采用接收天线之间的距离为0.7m，不模糊角度范围为(-3.9°，3.9°)。图7给出了实际相位差和测量相位差对比，可以看出相位模糊。
典型比幅法是常采用多个不同波束指向的天线，覆盖一定的空间，根据各天线接收同一信号的相对幅度大小来确定目标的所在方向，其处理流程如图8所示，测向精度与天线方向图精度密切相关，一旦方向图建立不准确，测向性能下降明显。
如图9、图10所示，所述幅度法测向包括离线预处理和实时处理，离线预处理时，首先将信号源设置成系统所采集的频段，然后调整信号源相对于接收天线阵列的空间分布，采集数据并得到它们比值，建立四通道幅度比值于空间方位对应关系表；实时处理时，将经过接收天线阵列的四通道接收信号数据进行动目标检测MTD，得到目标信息并获得四通道幅度比值，然后通过匹配查询离线预处理建立的四通道幅度比值与空间方位对应关系表，获得比幅测向角度。
比相测向利用动目标检测MTD的目标信息，分别计算四通道接收信号数据的水平相差和俯仰相差，然后通过公式
Figure BDA0002614867190000061
计算方向角度；在计算过程中，为了解相差的模糊，调整Φ+2πk中的k值，选与比幅测向最接近的角度，即为比幅-比相测向结果的输出。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种凝视雷达系统，包括安装在雷达支架上的1个发射天线、1个接收天线阵列，其特征在于，发射天线位于接收天线阵列上方，所述接收天线阵列可手动进行方位调整和俯仰调整操作，接收天线阵列采集的弹头的雷达数据，通过动目标检测MTD对弹头目标检测，获取其幅度和相位，使用比幅和比相算法对接收天线阵列的数据进行处理得到弹头相对于雷达的方向。
2.根据权利要求1所述的一种凝视雷达系统，其特征在于，所述的发射天线、接收天线阵列均采用工作频段为S波段的线性调频连续波体制。
3.根据权利要求1所述的一种凝视雷达系统，其特征在于，所述接收天线阵列为四个接收天线，排列安装构成田字形的2×2面阵。
4.根据权利要求1所述的一种凝视雷达系统，其特征在于，所述方位调整通过转台和锁定机构，旋转角度为0-360°；所述俯仰调整通过丝杆机构的伸缩杆，旋转角度0-80°。
5.根据权利要求1所述的一种凝视雷达系统，其特征在于，接收天线阵列中各个接收天线以及发射天线在上、下方向和前、后方向均间隔预设距离。
6.一种凝视雷达系统比幅比相的测向方法，其特征在于，包括相位法测向和幅度法测向；
所述相位法测向根据不同位置的接收天线对同一信号的相对相位误差来确定信号的到达角，当平面电磁波由θ方向到达天线阵时，天线阵元数据的信号为si(t)＝s(t)ejφ(θ),相位差为
Figure FDA0002614867180000011
其中d为相邻天线见间距，λ为波长；d/λ比值越大，精度越高，但无模糊测角范围越小；
所述幅度法测向包括离线预处理和实时处理，离线预处理时，首先将信号源设置成系统所采集的频段，然后调整信号源相对于接收天线阵列的空间分布，采集数据并得到它们比值，建立四通道幅度比值于空间方位对应关系表；实时处理时，将经过接收天线阵列的四通道接收信号数据进行动目标检测MTD，得到目标信息并获得四通道幅度比值，然后通过匹配查询离线预处理建立的四通道幅度比值与空间方位对应关系表，获得比幅测向角度；
比相测向利用动目标检测MTD的目标信息，分别计算四通道接收信号数据的水平相差和俯仰相差，然后通过公式
Figure FDA0002614867180000021
计算方向角度；在计算过程中，为了解相差的模糊，调整Φ+2πk中的k值，选与比幅测向最接近的角度，即为比幅-比相测向结果的输出。
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