CN112051563B - 一种基于直达波的单脉冲测角系数自动获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于直达波的单脉冲测角系数自动获取方法，该方法用于雷达单脉冲测角部分的幅相校准系数和比例系数的自动求取。在比幅单脉冲测角中，使用相位、幅度、查斜率三种系数对测角系统进行了自动化校准，在校准过程中使用了一种数据提取准则，三种最优化准则，来实现高精度的自动化校准工作。本发明大量减少了人工系统校准的难度和时间，为批量生产产品提供了一致性和精度保证。

Description

一种基于直达波的单脉冲测角系数自动获取方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，提出了一种自动获取幅相校准系数和比例系数的雷达单脉冲测角方法，该算法用于雷达单脉冲测角部分的幅相校准系数和比例系数的自动 求取。

背景技术

在雷达系统中单脉冲比幅度测角被广泛应用，使用目标所在距离、多普勒单元处的信号和、差路数据，可以测量目标在主瓣范围内的位置。在实际工程应用中，由于 射频、装配工艺等原因，和路差路之间难以保证稳定的相位关系。所以会导致使用天 线理论差斜率进行测角时精度不足。同时由于上述原因，同一型号多个产品之间也具有差异性，导致难以高效生产和应用。在生产过程中，为了解决上述问题，往往需要 相关人员采集数据手工对数据进行分析校准，这种方法将浪费大量的人力并且对操作 人员的水品能力有较高要求，不适合实际工厂生产。针对上述问题，一种自动分析校 准学习幅相校准系数和比例系数的方法具有非常大的应用价值和实际价值。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的人工手动校准的不精准及效率低的不足之处，本发明提出一种自动获取幅相校准系数和比例系数的雷达单脉冲测角方法，该方法用于雷达单脉冲 测角部分的幅相校准系数和比例系数的自动求取。

技术方案

一种基于直达波的单脉冲测角系数自动获取方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：数据采集

在雷达正常工作并处于扇扫状态，信号源与雷达距离满足天线远场条件，扇扫范围大于天线主瓣范围；在扇扫过程中实时采集目标和差路数据和当前位置的码盘值；

步骤2：校准范围有效数据提取

对采集数据中的码盘值进行微分，并删除梯度为负部分的数据，包括码盘值和码盘值对应的同一时刻的和差路数据；具体如下：

X_lim＝{X；diff(x)>0}

其中，X为采集数据，X_lim为梯度正部分的数据；

选择数据域中靠中间的最大值为中心，主瓣范围内的数据段作为有效数据，具体如下：

X_eff＝{X_lim；X_lim∈(β/2＜＜Max(X_lim)＜＜β/2)}

其中，β为天线主瓣宽度，X_eff为提取出的有效数据；

步骤3：相位校准系数K_θ的求取

设定最优化准则为：

其中，∑和Δ分别为有效的和差路数据；

根据上述优化准则，通过二分法或遍历法找到符合上述准则函数的K_θ，之后判 断校准过后的数据在最大值左边部分相位是否为0，如不为0，K_θ＝K_θ+180；

步骤4：幅度校准系数K₁的求取

设定判别准则为：

根据上述判别准则，使用二分法或遍历法找到最优值K₁；

步骤5：差斜率校准系数K₂求取

设定判别准则为：

min std(θ_Real+θ)

其中，θ_Real为真实值，即码盘值，θ为测量值；

根据上述判别准则，使用二分法或遍历法找到最优值K₂。

步骤1中数据采集长度应大于三个扇扫周期。

有益效果

本发明提出的一种基于直达波的单脉冲测角系数自动获取方法，该方法用于雷达单脉冲测角部分的幅相校准系数和比例系数的自动求取。在比幅单脉冲测角中，使用 相位、幅度、查斜率三种系数对测角系统进行了自动化校准，在校准过程中使用了一 种数据提取准则，三种最优化准则，来实现高精度的自动化校准工作。本发明大量减少了人工系统校准的难度和时间，为批量生产产品提供了一致性和精度保证。

附图说明

图1是本发明的实现流程图，图中描述了本方法所包含的整体流程，以及不同步骤之间的对应关系。

图2是相位校准结果，图中给出了使用步骤3)得到的相位校准因子对原始数据 校准过后的相位效果。可以明显看出图中以天线幅度最大值为中心，左侧幅度为0， 并且左右幅度相差180°。

图3是幅度校准结果，图中给出了使用步骤4)得到的幅度校准因子对原始数据 校准过后的数据效果。可以看出图中经过校准的数据在适用范围内具有良好的线性， 这决定了最终的数据精度。

图4是差斜率校准结果，本图为最终的校准结果，可以看出，在本实验数据中， 本方法通过自动校准达到了低于±0.25°的精度。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实现本发明的技术思路是：首先通过固定信号源扇扫采集雷达系统方向图(包括天线、射频和信号处理后，采集对应的方向图数据)。之后对数据进行校准范围有效数 据提取、相位校准、幅度校准和差斜率校准。

上述公式为测角系统的校准公式，θ为最终测得的角误差，K₂、K₁和K_θ为需要求 得的校准系数，∑和Δ分别为频综和、差路输出经过信号处理后的复数结果。

通过上过程，将获取到雷达单脉冲测角所需要的三个校准系数具体实现步骤包括如下：

1)数据采集：

雷达正常工作并处于扇扫状态，信号源与雷达距离满足天线远场条件，扇扫范围大于天线主瓣范围。在扇扫过程中实时采集目标和差路数据和当前位置的码盘值(可 以使用雷达自带的伺服，或使用精密转台)，数据采集长度应大于三个扇扫周期，记录 数据。

2)校准范围有效数据提取：

2a)校准范围选择

在工程生产中，为了保证产品的可重复性以及一致性，校准过程往往要求采集某一固定扇扫方向的数据(顺时针或逆时针方向)。为了减少实际操作中的人工要求，并 没有要求采集数据时选取某一方向。所以在校准过程中，需要先行通过软件将不需要 的扇扫方向数据删除。在实际操作过程为：对上报数据中的码盘值进行微分，并删除 梯度为负部分的数据(包括码盘值和码盘值对应的同一时刻的和差路数据)。

X_lim＝{X；diff(x)>0}

其中X为采集数据，X_lim为梯度正部分的数据。

2b)有效数据提取

在校准过程中，我们只关注目标主瓣范围内的数据反馈，所以通过程序选择数据域中靠中间的最大值为中心，主瓣范围内的数据段作为有效数据进行后面的处理。

X_eff＝{X_lim；X_lim∈(β/2＜＜Max(X_lim)＜＜β/2)}

其中β为天线主瓣宽度，X_eff为提取出的有效数据。

3)相位校准系数K_θ的求取：

以X_eff最大幅度值为中心(最大值位置对应天线电轴正对信号源)，可以将X_eff分为两个部分，左右相位相差180°。实际情况下，二者相位差相差180°但具体值不确 定，为了得到最好的测角精度，工程上希望将数据相位校准为0°和180°。同时为了 批量产品的一致性，我们希望规定不同设备的最大值左边部分相位为0°。

在上述情况下，Δ*∑^*的虚部具有最小的能量，整个信号能量集中在实部，所以有最优化准则：

通过二分法或遍历法找到符合上述准则函数的K_θ。之后判断校准过后的数据在最大值左边部分相位是否为0。如不为0，K_θ＝K_θ+180。

4)幅度校准系数K₁的求取：

对于校准系数K₁，可以通过观测：

在主瓣范围内计算结果的线性程度来评判系数的优劣。一个合适的幅度校准系数可以使得上述公式在主瓣范围内得到一组相对笔直的直线。

所以判别准则为：

使用上述判别准则，使用二分法或遍历法找到最优值K₁。

5)差斜率校准系数K₂求取：

差斜率校准系数K₂的作用为将经过两侧校准和计算的结果与目标实际物理角度进 行校准，尽可能保证二者一致。这里的校准需要用到在采集数据时采集的码盘数据(真实值)，通过测量值和真实值之间的差异作为准则，找到最合适的校准系数。

由上所述，判别准则为：

min std(θ_Real+θ)

由于在主瓣范围内，码盘值可以看做天线电轴方向，天线顺着一个方向转动，测量角误差的变化应当与码盘值相反，使得二者相加上报的目标角度为固定值。所以主 瓣范围内测角结果的方差可以表述测角精度的情况。

通过上述准则，使用二分法或遍历法找到最优值K₂。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1数据采集：

在雷达正常工作并处于扇扫状态，信号源与雷达距离满足天线远场条件，扇扫范围大于天线主瓣范围。通过扇扫采集目标和差路位置的两个复数，同时记录当前位置 的扇扫角度。扇扫周期大于三次，记录数据。

步骤2校准范围有效数据提取：

所以在校准过程中，需要先行通过软件将不需要的扇扫方向数据删除。在实际操作过程为：对上报数据中的码盘值进行微分，并删除梯度为负部分的数据。

X_lim＝{X；diff(x)>0}

其中X为采集数据，X_lim为梯度正部分的数据。

同时我们只关注目标主瓣范围内的数据反馈，所以通过程序选择数据域中靠中间的最大值为中心，主瓣范围内的数据段作为有效数据进行后面的处理。

X_eff＝{X_lim；X_lim∈(β/2＜＜Max(X_lim)＜＜β/2)}

其中β为天线主瓣宽度，X_eff为提取出的有效数据。

步骤3相位校准系数K_θ的求取：

以X_eff最大幅度值为中心(最大值位置对应天线电轴正对信号源)，可以将X_eff分为两个部分，左右相位相差180°。实际情况下，二者相位差相差180°但具体值不确 定，为了得到最好的测角精度，工程上希望将数据相位校准为0°和180°。同时为了 批量产品的一致性，我们希望规定不同设备的最大值左边部分相位为0°。通过准则 函数和最优化方法，找到最优的校准系数。具体结果如图3所示，可以看出图中经过 校准的数据在适用范围内具有良好的线性，这决定了最终的数据精度。

步骤4幅度校准系数K₁的求取：

对于校准系数K₁，可以通过观测：

在主瓣范围内计算结果的线性程度来评判系数的优劣。一个合适的幅度校准系数可以使得上述公式在主瓣范围内得到一组相对笔直的直线。

所以判别准则为：

使用上述判别准则，使用二分法或遍历法找到最优值K₁。具体结果如图4所示， 以看出图中经过校准的数据在适用范围内具有良好的线性，这决定了最终的数据精度。

步骤5差斜率校准系数K₂求取：

差斜率校准系数K₂的作用为将经过两侧校准和计算的结果与目标实际物理角度进行校准，尽可能保证二者一致。这里的校准需要用到在采集数据时采集的码盘数据 (真实值)，通过测量值和真实值之间的差异作为准则，找到最合适的校准系数。

由上所述，判别准则为：

min std(θ_Real+θ)

通过上述准则，使用二分法或遍历法找到最优值K₂。结果如图4所示，在本实 验数据中，本方法通过自动校准达到了低于±0.25°的精度。

Claims (2)

1.一种基于直达波的单脉冲测角系数自动获取方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：数据采集

在雷达正常工作并处于扇扫状态，信号源与雷达距离满足天线远场条件，扇扫范围大于天线主瓣范围；在扇扫过程中实时采集目标和差路数据和当前位置的码盘值；

步骤2：校准范围有效数据提取

对采集数据中的码盘值进行微分，并删除梯度为负部分的数据，包括码盘值和码盘值对应的同一时刻的和差路数据；具体如下：

X_lim＝{X；diff(x)>0}

其中，X为采集数据，X_lim为梯度正部分的数据；

选择数据域中靠中间的最大值为中心，主瓣范围内的数据段作为有效数据，具体如下：

X_eff＝{X_lim；X_lim∈(-β/2＜＜Max(X_lim)＜＜β/2)}

其中，β为天线主瓣宽度，X_eff为提取出的有效数据；

步骤3：相位校准系数K_θ的求取

设定最优化准则为：

其中，∑和Δ分别为有效的和差路数据；

根据上述优化准则，通过二分法或遍历法找到符合上述准则函数的K_θ，之后判断校准过后的数据在最大值左边部分相位是否为0，如不为0，K_θ＝K_θ+180；

步骤4：幅度校准系数K₁的求取

设定判别准则为：

根据上述判别准则，使用二分法或遍历法找到最优值K₁；

步骤5：差斜率校准系数K₂求取

设定判别准则为：

min std(θ_Real+θ)

其中，θ_Real为真实值，即码盘值，θ为测量值；

根据上述判别准则，使用二分法或遍历法找到最优值K₂。

2.根据权利要求1所述的一种基于直达波的单脉冲测角系数自动获取方法，其特征在于步骤1中数据采集长度应大于三个扇扫周期。

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