CN112255597A - 机载雷达高度表辐射功率控制方法 - Google Patents

机载雷达高度表辐射功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种机载雷达高度表辐射功率控制方法，旨在提供一种响应速度快，控制精度高的控制方法。本发明通过下述技术方案实现：机载雷达高度表根据载机飞行姿态和融合离地高度，进行机载雷达高度表允许/禁止辐射的判断；根据事先制定的开环功率控制策略，查找辐射功率档位，以此档位的功率辐射，完成机载雷达高度表的开环功率控制；辐射信号经地面反射后，机载雷达高度表接收地面回波信号，比较当前测量周期内机载雷达高度表接收信号电平和门限电平，输出当前测量周期的测高高度与下一测量周期的辐射功率，完成机载雷达高度表的闭环功率控制；机载雷达高度表输出测高高度后，再次进行下一个测量周期机载雷达高度表允许/禁止辐射的判定。

Description

机载雷达高度表辐射功率控制方法
技术领域
本发明涉及一种关于机载雷达高度表的辐射功率控制方法，用于实现机载雷达高度表传感器的低截获性能。
背景技术
雷达高度表是飞行器上重要的电子设备，作为一种主动传感器设备，它能在不同的气候条件下快速而精确地测量载机距离地面的实际高度，因此最初用于测量飞行器距离地面或者海面的高度，在后来的发展应用中逐渐拓展到其他方面，如飞机自动着陆、地形跟随回避、飞机自动导航等。由于雷达高度表存在主瓣信号被截获的风险，在实际应用中，飞行器一般采用无线电静默和超低空飞行的方式。当高度为500m时，地面或海面防空雷达的视距被限制在100km以内，存在一定的低空盲区。无源探测系统往往可以通过截获雷达高度表信号的方式来识别飞行器，进而实施干扰。如果要求雷达高度表探测到最大高度而不被截获，在灵敏度条件下应使得雷达高度表工作在门限电平之上，而截获接收机工作在门限电平之下。雷达高度表不被截获的最大作用高度与所需低截获因子有关。雷达高度表的作用高度越远，实现低截获越困难。因此，雷达高度表需要采用功率控制技术。由于雷达高度表的目标是一种面目标，传统的处理方法未能充分利用波束照射区域内的回波信号能量，造成回波能量的损失，雷达高度表的灵敏度不能够得到充分提高，制约了雷达高度表灵敏度的进一步提高。随着现代电子对抗技术的发展，基于阵列天线技术的截获接收机探测能力得到进一步提高，要真正实现雷达高度表主瓣低截获具有一定的挑战。目前，提高雷达高度表低截获性能一般采用窄波束低旁瓣天线、辐射时间控制以及辐射功率控制等方法。然而，由于雷达高度表通常采用宽波束天线，有时采用收发共用天线。因此，从天线设计的角度，实现雷达高度表的窄波束低旁瓣天线设计具有一定难度。若采用高增益多波束自适应接收天线，将使得雷达高度表系统设计的复杂性。由于截获接收机只对信号的峰值功率敏感，而雷达高度表采用匹配滤波器，对信号的平均功率敏感，连续波雷达高度表得到广泛推广，但同时也限制了辐射时间控制的使用。因此，在满足雷达高度表测高能力前提下的辐射功率控制，既可以降低雷达高度表功耗，也可以缩短被截获距离和降低被截获概率，提高雷达高度表的低截获性能。
随着技术发展，雷达高度表所需辐射功率已越来越小，但其测量对象决定其信号波束辐射方向必须垂直于机腹。而雷达高度表作为飞行器重要的高度保障设备，需全程使用，在载机机动状态下，信号波束辐射方向则会偏离地面，其辐射功率朝着非地面的方向泄露，增大被截获的可能性。考虑到雷达高度表在低空突防等作战任务中的高使用性，故必须对其采用功率控制措施以满足飞行器整体的低截获需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种能够提升低截获性能，响应速度快，控制精度高的机载雷达高度表辐射功率控制方法。
本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现：一种机载雷达高度表辐射功率控制方法，具有如下技术特征：机载雷达高度表开机前，首先根据载机飞行姿态和融合离地高度，进行机载雷达高度表允许/禁止辐射的判断；当雷达高度表允许辐射时，根据事先制定的机载雷达高度表开环功率控制策略，查找辐射功率档位，机载雷达高度表以此档位的功率辐射，完成机载雷达高度表的开环功率控制；辐射信号经地面反射后，机载雷达高度表接收地面回波信号，比较当前测量周期内机载雷达高度表接收信号电平和门限电平，根据比较结果进行机载雷达高度表辐射功率的微调，输出当前测量周期的测高高度与下一测量周期的辐射功率，完成机载雷达高度表的闭环功率控制；机载雷达高度表输出测高高度后，再次进行下一个测量周期机载雷达高度表允许/禁止辐射的判定，当机载雷达高度表允许辐射时，机载雷达高度表以闭环功率控制策略制定的新功率辐射，否则机载雷达高度表禁止辐射。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
低截获性能提升。本发明采用在载机的姿态不在姿态门限内，禁止雷达高度表辐射信号；在载机的高度不在高度门限内，禁止雷达高度表辐射信号；当载机的姿态在姿态门限内且载机的高度在高度门限内时，允许雷达高度表辐射信号，可以在保证雷达高度表测高性能的前提下，对雷达高度表进行辐射功率控制，减小雷达高度表的辐射功率，提升了雷达高度表的低截获性能。
响应速度快，控制精度高。本发明充分考虑了雷达高度表的使用要求及使用场景，首先根据制定的雷达高度表开环功率控制策略，查找辐射功率档位，以此档位的功率辐射信号；然后比较当前测量周期内接收信号电平和门限电平，根据比较结果，以闭环功率控制策略制定的新功率辐射，获得了综合开环功率控制策略和闭环功率控制策略的混合功率控制策略。这种混合功率控制策略，结合组合导航系统、信息融合等进行综合控制，响应速度快，控制精度高，控制效果最优，控制结果可靠。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
图1是本发明机载雷达高度表辐射功率控制的流程图。
图2是本发明通过信息融合得到融合离地高度的流程图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，机载雷达高度表开机前，首先根据载机飞行姿态和融合离地高度，进行机载雷达高度表允许/禁止辐射的判断；当雷达高度表允许辐射时，根据事先制定的机载雷达高度表开环功率控制策略，查找辐射功率档位，机载雷达高度表以此档位的功率辐射，完成机载雷达高度表的开环功率控制；辐射信号经地面反射后，机载雷达高度表接收地面回波信号，比较当前测量周期内机载雷达高度表接收信号电平和门限电平，根据比较结果进行机载雷达高度表辐射功率的微调，输出当前测量周期的测高高度与下一测量周期的辐射功率，完成机载雷达高度表的闭环功率控制；机载雷达高度表输出测高高度后，再次进行下一个测量周期机载雷达高度表允许/禁止辐射的判定，当机载雷达高度表允许辐射时，机载雷达高度表以闭环功率控制策略制定的新功率辐射，否则机载雷达高度表禁止辐射。
实现上述雷达高度表的低可截获性能的具体步骤包括：
步骤101，机载雷达高度表进行允许/禁止辐射信号的判断中，首先判断载机是否在姿态门限内，若载机的姿态不在姿态门限内，则禁止雷达高度表辐射信号，关闭雷达高度表；若载机的姿态在姿态门限内，则判断有无融合离地高度，若无融合离地高度，雷达高度表以最大功率进行辐射，若有融合离地高度，则判断融合离地高度是否在高度门限内，当载机的姿态在姿态门限内且载机的融合离地高度在高度门限内时，允许雷达高度表辐射信号，通过开环功率控制得到辐射信号功率档位，否则禁止雷达高度表辐射信号，关闭雷达高度表。
步骤102，在开环功率控制中，雷达高度表选择辐射功率档位进行辐射功率的快速粗调；辐射功率档位由一个与飞行器高度、飞行器姿态、雷达高度表天线增益G及波束宽度、雷达高度表载频波长λ、雷达高度表接收灵敏度、雷达高度表剩余高度衰减、大气衰减L1、外回路衰减Le、地形类别的参数有关的复杂函数计算得出。
计算机载雷达高度表当前状态的外回路衰减Le
Le＝10log10(λ2)+G+σ(0)-10log10(16π2)-10log10(h2)-L1
式中，λ为载频波长，G为天线增益，σ(0)为散射地面雷达截面积，σ(0)和地形类别有关，h为高度，h＞30m，L1为大气衰减。
雷达高度表接收天线与发射天线是分离的。在高度h＞30m时，近似认为照射区域相同，天线的影响可以忽略不计。而在高度h≤30m时，天线间距与高度可以比拟，由于间距效应现象，将引起附加的回路损耗Q，
Figure BDA0002707173250000041
式中，β＝D/[2·h·tan(θ)]，θ为半波束宽度。
另外，在高度h≤30m时，飞行器姿态被限定在3dB波束带宽内。因此，需要对外回路衰减进行修正，增加修正因子R，
Figure BDA0002707173250000042
综合回路损耗Q和修正因子R，在高度h≤30m时，外回路衰减Le和高度h的关系为Le＝10log10(λ2)+G+σ(0)-10log10(16π2)-10log10(h2)-L1+Q+R
1.将外回路衰减Le代入雷达高度表链路方程，得到机载雷达高度表在高度h上能够满足测高要求的最小发射功率Ptmin，Ptmin＝-Le+L0+δ，其中，L0为剩余高度衰减，δ为雷达高度表接收灵敏度。
根据雷达高度表最大发射功率Pt，计算功率控制量ΔP，
Figure BDA0002707173250000043
并计算辐射功率档位Ptn，Ptn＝Pt-ΔP，其中，
Figure BDA0002707173250000044
表示下取整，ΔP为功率控制步进。
步骤103，机载雷达高度表的发射机以辐射功率档位Ptn进行辐射，辐射信号经地面反射后被机载雷达高度表的接收机接收，当接收信号电平超过机载雷达高度表的门限电平时，机载雷达高度表可以完成载机离地高度的测量；当接收信号电平低于机载雷达高度表的门限电平时，机载雷达高度表无法进行载机离地高度的测量。机载雷达高度表的闭环功率控制是通过比较接收信号电平与门限电平进行下一次测量周期，机载雷达高度表辐射功率的精确微调。机载雷达高度表的闭环功率控制策略如下：首先比较当前测量周期时，机载雷达高度表接收信号电平和门限电平，若机载雷达高度表接收信号电平小于门限电平，则查找前两个测量周期时，机载雷达高度表接收信号电平和门限电平的比较结果，若前两个测量周期的结果都是接收信号电平小于门限电平，则在下个测量周期，机载雷达高度表以最大功率辐射，否则下一个测量周期，机载雷达高度表的发射功率增大一个步进，此时机载雷达高度表无法进行高度测量，机载雷达高度表的高度输出值采用上一个测量周期的高度输出值；若机载雷达高度表接收信号电平高于门限电平，则下一个测量周期机载雷达高度表的发射功率减小一个步进，此时机载雷达高度表能正常输出测高高度。机载雷达高度表接收信号电平小于门限电平时，连续三次检测是为了防止某一次因为噪声的原因将接收信号电平拉低到门限电平下，而连续三次接收信号电平未超过门限电平可以认为是地形突变等因素引起的，需要发射最大功率。
步骤104，机载雷达高度表输出测高高度后，进行下一个测量周期机载雷达高度表允许/禁止辐射的判定。若当前测量周期，载机的姿态不在姿态门限内，则下一个测量周期禁止机载雷达高度表辐射；若载机的姿态在姿态门限内，机载雷达高度表给出的测高高度不在高度门限内，则下一个测量周期禁止机载雷达高度表辐射；当载机的姿态在姿态门限内且机载雷达高度表给出的测高高度在高度门限内时，下一个测量周期，机载雷达高度表以闭环功率控制策略制定的新功率辐射信号。
参阅图2。融合离地高度由载机平台的卫星导航系统、惯性导航系统、气压高度表构成组合导航系统的输出数据经过信息融合给出。卫星导航系统输出载机平台的经度、纬度和卫星导航高度，惯性导航系统输出载机平台的惯性导航高度，气压高度表输出载机平台的气压高度。卫星导航系统输出载机平台的经度、纬度给数字高程地图，得到载机平台当前经度、纬度下的地形测绘高度，将卫星导航高度、惯性导航高度和气压高度分别与地形测绘高度作差，得到离地高度1、离地高度2和离地高度3。将3种离地高度输入至信息融合，信息融合将3种离地高度处理后输出融合离地高度。
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种机载雷达高度表辐射功率控制方法，具有如下技术特征：机载雷达高度表开机前，首先根据载机飞行姿态和融合离地高度，进行机载雷达高度表允许/禁止辐射的判断；当雷达高度表允许辐射时，根据事先制定的机载雷达高度表开环功率控制策略，查找辐射功率档位，机载雷达高度表以此档位的功率辐射，完成机载雷达高度表的开环功率控制；辐射信号经地面反射后，机载雷达高度表接收地面回波信号，比较当前测量周期内机载雷达高度表接收信号电平和门限电平，根据比较结果进行机载雷达高度表辐射功率的微调，输出当前测量周期的测高高度与下一测量周期的辐射功率，完成机载雷达高度表的闭环功率控制；机载雷达高度表输出测高高度后，再次进行下一个测量周期机载雷达高度表允许/禁止辐射的判定，当机载雷达高度表允许辐射时，机载雷达高度表以闭环功率控制策略制定的新功率辐射，否则机载雷达高度表禁止辐射。
2.如权利要求1所述的机载雷达高度表辐射功率控制方法，其特征在于：机载雷达高度表进行允许/禁止辐射信号的判断中，首先判断载机是否在姿态门限内，若载机的姿态不在姿态门限内，则禁止雷达高度表辐射信号，关闭雷达高度表；若载机的姿态在姿态门限内，则判断有无融合离地高度，若无融合离地高度，雷达高度表以最大功率进行辐射，若有融合离地高度，则判断融合离地高度是否在高度门限内，当载机的姿态在姿态门限内且载机的融合离地高度在高度门限内时，允许雷达高度表辐射信号，通过开环功率控制得到辐射信号功率档位，否则禁止雷达高度表辐射信号，关闭雷达高度表。
3.如权利要求1所述的机载雷达高度表辐射功率控制方法，其特征在于：在开环功率控制中，雷达高度表选择辐射功率档位进行辐射功率的快速粗调；辐射功率档位由一个与飞行器高度、飞行器姿态、雷达高度表天线增益G及波束宽度、雷达高度表载频波长λ、雷达高度表接收灵敏度、雷达高度表剩余高度衰减、大气衰减L1、外回路衰减Le、地形类别的参数有关的复杂函数计算得出。
4.如权利要求1所述的机载雷达高度表辐射功率控制方法，其特征在于：计算机载雷达高度表当前状态的外回路衰减Le，Le＝10log10(λ2)+G+σ(0)-10log10(16π2)-10log10(h2)-L1
式中，λ为载频波长，G为天线增益，σ(0)为散射地面雷达截面积，σ(0)和地形类别有关，h为高度，h＞30m，L1为大气衰减。
5.如权利要求1所述的机载雷达高度表辐射功率控制方法，其特征在于：雷达高度表接收天线与发射天线是分离的，在高度h≤30m时，飞行器姿态角被限定在3dB波束带宽内，并对外回路衰减进行修正，增加修正因子R，
Figure FDA0002707173240000011
综合回路损耗Q和修正因子R，在高度h≤30m时，外回路衰减Le和高度h的关系为Le＝10log10(λ2)+G+σ(0)-10log10(16π2)-10log10(h2)-L1+Q+R
将外回路衰减Le代入雷达高度表链路方程，得到机载雷达高度表在高度h上能够满足测高要求的最小发射功率Ptmin，Ptmin＝-Le+L0+δ，其中，λ为载频波长，G为天线增益，σ(0)为散射地面雷达截面积，L0为剩余高度衰减，δ为雷达高度表接收灵敏度。
6.如权利要求1所述的机载雷达高度表辐射功率控制方法，其特征在于：根据雷达高度表最大发射功率Pt，计算功率控制量ΔP，
Figure FDA0002707173240000021
并计算辐射功率档位Ptn，Ptn＝Pt-ΔP，其中，
Figure FDA0002707173240000022
表示下取整，ΔP为功率控制步进。
7.如权利要求1所述的机载雷达高度表辐射功率控制方法，其特征在于：机载雷达高度表的发射机以辐射功率档位Ptn进行辐射，辐射信号经地面反射后被机载雷达高度表的接收机接收，当接收信号电平超过机载雷达高度表的门限电平时，机载雷达高度表完成载机离地高度的测量。
8.如权利要求1所述的机载雷达高度表辐射功率控制方法，其特征在于：机载雷达高度表的闭环功率控制策略是：首先比较当前测量周期时，机载雷达高度表接收信号电平和门限电平，若机载雷达高度表接收信号电平小于门限电平，则查找前两个测量周期时，机载雷达高度表接收信号电平和门限电平的比较结果，若前两个测量周期的结果都是接收信号电平小于门限电平，则在下个测量周期，机载雷达高度表以最大功率辐射，否则下一个测量周期，机载雷达高度表的发射功率增大一个步进，若此时机载雷达高度表无法进行高度测量，机载雷达高度表的高度输出值采用上一个测量周期的高度输出值；若机载雷达高度表接收信号电平高于门限电平，则下一个测量周期机载雷达高度表的发射功率减小一个步进。
9.如权利要求1所述的机载雷达高度表辐射功率控制方法，其特征在于：机载雷达高度表输出测高高度后，进行下一个测量周期机载雷达高度表允许/禁止辐射的判定；若当前测量周期，载机的姿态不在姿态门限内，则下一个测量周期禁止机载雷达高度表辐射；若载机的姿态在姿态门限内，机载雷达高度表给出的测高高度不在高度门限内，则下一个测量周期禁止机载雷达高度表辐射；当载机的姿态在姿态门限内且机载雷达高度表给出的测高高度在高度门限内时，下一个测量周期，机载雷达高度表以闭环功率控制策略制定的新功率辐射信号。
10.如权利要求1所述的机载雷达高度表辐射功率控制方法，其特征在于：融合离地高度由载机平台的卫星导航系统、惯性导航系统、气压高度表构成组合导航系统的输出数据经过信息融合给出，卫星导航系统输出载机平台的经度、纬度和卫星导航高度，惯性导航系统输出载机平台的惯性导航高度，气压高度表输出载机平台的气压高度，卫星导航系统输出载机平台的经度、纬度给数字高程地图，得到载机平台当前经度、纬度下的地形测绘高度，将卫星导航高度、惯性导航高度和气压高度分别与地形测绘高度作差，得到离地高度1、离地高度2和离地高度3，将3种离地高度输入至信息融合，信息融合将3种离地高度处理后输出融合离地高度。
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