CN112255615B - 一种雷达动平台电子波束稳定及补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，包括：姿态信息获取设备、刚体间相对坐标关系标定模块、第一姿态信息转换模块、解算模块、信号处理及数据处理模块、波控码计算模块以及第二姿态信息转换模块，通过姿态信息获取设备实时地获取纵、横摇角度值，利用第一姿态信息转换模块解算雷达波束在天线坐标系下的实际指向，得到波束指向补偿信息，实现波束指向的电子稳定；将目标坐标转换地理坐标系下，实现目标指向的修正；依据补偿指向与雷达方向图中指向增益的偏差，实时调整接收机增益完成补偿。本发明的方案能够有效解决动平台下雷达波束指向和增益的电子稳定问题，消除载体运动对雷达性能指标的影响，实现动平台和雷达的运动隔离。

Description

一种雷达动平台电子波束稳定及补偿系统

技术领域

本发明涉及雷达领域，尤其涉及一种雷达动平台电子波束稳定及补偿系统。

背景技术

本发明涉及当雷达载体平台(如：舰船、浮台或者车辆等)发生转向和纵横摇时，雷达天线随载体摇摆，导致波束相对于地理坐标系水平面发生旋转。而仰角波束始终与载体坐标系平面垂直，所以就形成了稳定的地理坐标系和天线所在的摇摆及旋转的载体坐标系，当没有转向和纵横摇发生时，两个坐标系重合；当有纵横摇发生时，波束就在地理坐标系摇摆。

当载体发生纵横摇时，波束随载体摇摆而摇摆。导致波束在方位角和俯仰角的指向发生变化，该变化影响雷达性能指标。当载体航向、纵摇、横摇会发生改变，为保证雷达侦察系统测向的稳定，使目标指向在惯性空间内稳定。需要考虑相应的技术手段实现波束指向和增益的稳定及补偿。保证雷达波束指向在惯性空间的不变；同时，波束增益满足设定的增益。用以消除或者补偿载体运动对雷达的影响，保障和提升雷达的性能。

现有的雷达运动平台运动补偿方法主要基于机械系统来隔离载体的运动，通过在天线座上安装机械伺服结构，降低船只、浮台及车辆的运动对雷达信号处理的影响。纵横摇机械稳定装置会增加设备量和重量，还需要纵横摇伺服控制，设备量的增加不仅降低雷达可靠性而且适装性变差，成本增加。所以，机械式的稳相系统结构复杂、体积庞大、成本高，难以安装和维护，难以适应需要考虑经济性和可维护性的场景，如浮台及其他船只等应用场景。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提供了一种雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，通过实时地获取在纵横摇状态下雷达波束的实时变化，从而利用这种变化调整雷达参数弥补摇摆带来的影响，解算波束实时指向及波束特征变化，得到波束指向补偿数据和增益补偿数据；最后，依据坐标变换关系，实现目标角度信息的修正。

本发明采用的技术方案如下：一种雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，包括：

姿态信息获取设备，实时获取运动载体的姿态信息；

姿态信息获取设备，实时获取运动载体的姿态信息；

刚体间相对坐标关系标定模块，用于获取雷达在部署和安装过程中天线坐标系和载体坐标系之间的姿态转换矩阵，实现载体坐标系和天线坐标系姿态信息的相互转换；

第一姿态信息转换模块，用于完成地理坐标系到载体坐标系，再结合姿态转换信息完成到天线坐标系的实时姿态转换；通过根据运动载体的姿态信息和天线坐标系和载体坐标系之间的姿态转换矩阵计算得到地理坐标系到天线坐标系下的姿态转移矩阵，该姿态转移矩阵用于求解天线坐标系下的方位角信息和俯仰角信息。

解算模块，用于天线坐标系下的姿态信息的解算；根据姿态转移矩阵得到天线坐标系下的方位角信息和俯仰角信息，并同时将解算得到的方位角信息和俯仰角信息传递给信号处理及数据处理模块与波控码计算模块；

信号处理及数据处理模块，用于增益补偿和目标角度信息获取，对接收增益进行补偿的同时，输出目标在天线坐标系下的方位信息和俯仰信息；

波控码计算模块，用于波控码的实时计算，接收解算模块求解得到的方位角信息和俯仰角信息，求解对应的波控码，并将波控码转递给TR模块实现雷达发射波束指向控制；

第二姿态信息转换模块，接收信号处理及数据处理模块计算得到的目标在天线坐标系下方位信息和俯仰信息，将目标姿态信息转换至地理坐标系下并输出，完成目标修正。

进一步的，所述姿态信息获取设备为陀螺仪、水平仪或罗盘。

进一步的，所述地理坐标系到天线坐标系下的姿态转移矩阵包括：

航向角姿态转移矩阵：

其中，T_k为因航向角改变而引起的航向角姿态转移矩阵，k为航向角；

横摇角姿态转移矩阵：

其中，T_γ为因横摇而导致的横摇角姿态转移矩阵，γ为横摇角；

纵摇角姿态转移矩阵：

其中，其中，T_θ为因纵摇导致的纵摇角姿态转移矩阵，θ为纵摇角。

进一步的，所述第一姿态信息转换模块在坐标系转换过程中，按照航向角、横摇角、纵摇角的顺序依次进行变换。

进一步的，转换姿态信息具体过程为：设

为满足波束指向的单位向量，则有

其中α和β分别为地理坐标系下的俯仰角和方位角；依次进行航向角、横摇角、纵摇角的顺序进行变换，得到天线坐标系下的姿态信息，即向量

进一步的，解算过程为：对进行解算

有：

即可得到天线坐标系下的的方位角和俯仰角为：

对tanα′与sinβ′进行反三角函数计算得到α′，β′，即天线坐标系下的方位角信息和俯仰角信息。

进一步的，信号处理及数据处理模块具体工作过程为：

增益补偿：根据雷达天线波束仰角方向图得到波束增益表，从而根据β和β′之间的俯仰角误差，补偿波束指向增益；

目标在天线坐标系中的方位角信息和俯仰角信息采用包含但不限于比幅测角、单脉冲测角及超分辨测角方法等方法进行计算；

进一步的，第二姿态信息转换模块的具体工作过程为：根据地理坐标系到天线坐标系下的姿态转移矩阵的逆矩阵将天线坐标系下目标的方位角信息和俯仰角信息转换为目标在地理坐标系下的姿态信息。

进一步的，第二姿态信息转换模块在坐标系转换过程中，按照纵摇角、横摇角、航向角的顺序依次进行变换。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明的方案能够有效解决动平台下雷达波束指向和增益的电子稳定问题，消除载体运动对雷达性能指标的影响，该方案有望在动平台下的雷达探测领域广泛应用，实现平台和雷达的运动隔离。

附图说明

图1是本发明提供的雷达动平台电子波束稳定及补偿系统组成图。

图2是本发明一实施例中的地理坐标系示意图。

图3是本发明一实施例中的阵面坐标模型图。

图4是本发明一实施例中的图舰船载体坐标系及摇摆角模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明所解决的技术问题为：结合平台提供的位姿信息和时间信息实提出运动平台上雷达波束指向和增益的稳定及补偿，分析载体纵摇、横摇、航向改变对雷达波束指向和雷达波束增益的影响，通过坐标系之间的姿态转换提出动平台雷达波束稳稳定和补偿的方法，通过对波束指向、增益及目标的角度信息进行实时补偿和修正。最终，实现运动平台下雷达波束指向和增益与载体运动的隔离，减小和消除载体运动对雷达性能指标的影响。

在此，以舰船为例，对本实施例中各坐标系及坐标系之间的关系进行说明：

地理坐标系：在导航系统中，常使用一种导航坐标系来描述两点之间的相对关系。这种导航坐标系又被称为站心直角坐标系或者地理坐标系PUNE。以P点为中心的地理坐标系定义如下：原点位于P；U轴与过P点的参考椭球面的法线重合，指向天顶；N轴垂直于U轴，指向参考椭球的短半轴；E轴垂直于U轴和N轴，最终形成左手坐标系(又可描述为：N轴即为子午线方向，向北为正，E轴沿参考椭球卯酉圈方向并指向东，U轴沿参考椭球外法线方向指向天顶)；点Q在站心直角坐标系下点的N、E、U坐标为该点在三个坐标轴上的投影长度，如图2所示。

当船体发生纵横摇时，雷达天线随船体摇摆，导致波束相对于大地坐标系水平面发生旋转，仰角波束始终与甲板坐标系平面垂直，所以就形成了稳定的大地坐标系和天线所在的摇摆及旋转的甲板坐标系，当没有纵横摇发生时，两个坐标系重合，当有纵横摇发生时，波束就在大地坐标系摇摆。

载体坐标系：载体坐标系OX_bY_bZ_b原点O位于船体摇摆中心；OY_b平行于艏艉线指向舰艏；OX_b轴与OY_b垂直且平行于甲板平面，指向右舷；OZ_b垂直于OX_bY_b平面，向上为正，如图3所示。

航向及姿态角定义：地理坐标系如图4所示，地理坐标系OXYZ(与上面的地理坐标PUNE一致)原点O位于船体摇摆中心；OX轴平行于水平面指向正东；OY轴指向水平面指向正北；OZ轴垂直于OXY平面，向上为正。

航向角H为从正北开始顺时针到舰艏方向的夹角，在水平面内测量，顺时针为正，ON与OD的夹角为航向角。纵摇、横摇定义如下，BCDEFG为水平面，MHJKL为甲板平面，纵轴JL为舰船艏艉线，O为舰船摇摆中心，A为天顶。横轴OH指向右舷为X_b轴，纵轴OJ指向舰艏为Y_b轴，OS垂直于OX_bY_b面为Z_b轴，OH、OJ、OS构成OX_bY_bZ_b舰船甲板坐标系。舰船的大地直角坐标位于水平面内，OE指向正东X轴，ON指向正北为Y轴，OA指向天顶为Z轴，OE、ON和OA构成OXYZ的地理坐标系。甲板平面的纵摇角P为舰船艏艉线与水平面的夹角，在垂直平面内测量，弧DJ为纵摇角，向上方为正。甲板平面横摇角R为甲板平面绕舰船艏艉线旋转的角度，即舰船横剖面水平面的交线与舰船横轴之间的夹角，弧HC为横摇角，右舷下为正。

姿态转移矩阵：根据两个坐标系之间的角度关系和平移关系获取两个坐标系之间的姿态转移矩阵；坐标系之间的姿态的相互转换通过姿态转移矩阵来实现，如：从地理坐标系到载体坐标系，从载体坐标系到阵面坐标系，从地理坐标系直接到阵面坐标系等等。地理坐标系到载体坐标系通常是通过载体上的GPS/北斗模块和水平仪/罗盘/陀螺等设备获取的。

具体方案如下：

如图1所示，本发明提供给了一种雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，包括：

姿态信息获取设备，实时获取运动载体的姿态信息；

刚体间相对坐标关系标定模块，用于获取雷达在部署和安装过程中天线坐标系和载体坐标系之间的姿态转换矩阵，实现载体坐标系和天线坐标系姿态信息的相互转换；

第一姿态信息转换模块，用于完成地理坐标系到载体坐标系，再结合姿态转换信息完成到天线坐标系的实时姿态转换；通过根据运动载体的姿态信息和天线坐标系和载体坐标系之间的姿态转换矩阵计算得到地理坐标系到天线坐标系下的姿态转移矩阵，该姿态转移矩阵用于求解天线坐标系下的方位角信息和俯仰角信息。

解算模块，用于天线坐标系下的姿态信息的解算；根据姿态转移矩阵得到天线坐标系下的方位角信息和俯仰角信息，并同时将解算得到的方位角信息和俯仰角信息传递给信号处理及数据处理模块与波控码计算模块；

信号处理及数据处理模块，用于增益补偿和目标角度信息获取，对接收增益进行补偿的同时，输出目标在天线坐标系下的方位信息和俯仰信息；

波控码计算模块，用于波控码的实时计算，接收解算模块求解得到的方位角信息和俯仰角信息，求解对应的波控码，并将波控码转递给TR模块实现雷达发射波束指向控制；

第二姿态信息转换模块，接收信号处理及数据处理模块计算得到的目标在天线坐标系下方位信息和俯仰信息，将目标姿态信息转换至地理坐标系下并输出，完成目标修正。

优选的，所述姿态信息获取设备为陀螺仪、水平仪或罗盘。

在具体实现过程中，首先需要通过载体平台上的位姿传感器(如：电子罗盘、陀螺仪、水平仪等)实时输出载体的姿态信息(包括：旋转、纵摇、横摇及摇摆的速度信息)。而雷达系统与载体平台之间的相对位姿关系，通过装配与校准实现，该坐标关系在雷达工作过程中是实时不变的。获取上述实时姿态变化信息后，通过坐标转换矩阵实时求取从地理坐标系到阵面坐标系的姿态转换矩阵，该功能由第一实时姿态信息转换模块执行。

同时本发明提供了定时信息接收模块，用于接收雷达重频周期同步触发脉冲控制方位角和俯仰角信息的传递；定时信息接收模块通过接受雷控系统的定时信息，按照内部触发指令在特定的时隙内将姿态转换后得到的方位角和俯仰角信息传递给信号与数据处理模块和波控码计算模块。信号处理和数据处理模块依据天线方向图完成增益的实时补偿，并求解目标角度信息；而波控码计算模块根据获得的目标在天线坐标系下的真实角度信息完成波控码的计算。

具体的，在方位面上，在雷达重频周期同步触发脉冲的作用下，根据变换公式及求解公式得到触发时刻天线坐标系下的方位角和俯仰角，实时传输给信号处理及数据处理模块，进行信号处理，信号处理模块将求解得到把阵面坐标系下目标方位角、俯仰角及原始点迹信息同步传输给数据处理，在信号处理完成雷达回波信号处理过程中应根据波束偏差角大小情况，对接收机增益进行调节，消除接收增益误差；在俯仰面上，将载体运动所得的目标在天线阵面坐标系下俯仰值用于波控码的计算，计算波控码后，在TR或其他具备相位调节功能的模块中实现俯仰面的相位补偿，实现俯仰相上的运动隔离与补偿。经过数据处理获取目标角度信息后，通过第二姿态转换模块实现目标在天线坐标系下的坐标信息到地理坐标系下位姿信息的转换，实现目标信息的修正。

雷达每一个重频周期采集载体姿态和天线座转动角度信息。

考虑到，载体姿态变化的实质就是载体坐标系与参考坐标系之间的偏差，这种偏差一般可由水平仪、电子罗盘或陀螺仪测得。横摇角在铅垂面内，航向角在水平面内，但是纵摇角一般并不在铅垂面内。

考虑载体运动的影响，其姿态变化并没有严格的顺序，但是水平仪或者电子罗盘测量载体水平姿态时是按照先横摇再纵摇的顺序进行的，因此由地理坐标系到载体坐标系的转换也应该先进行横摇转换，再进行纵摇转换。

考虑到航向角的测量是在水平面内进行的，由地理坐标系到载体坐标系的坐标变换只能按照航向角、横摇角、纵摇角的顺序进行转换。由于由地理坐标系向载体坐标系的转换须按照一定的顺序进行，因此，由载体坐标系向地理坐标系的转变或进行稳定补偿也必须按照一定的顺序进行，即纵摇角、横摇角、航向角的顺序。

也就是说所述第一姿态信息转换模块在坐标系转换过程中，按照航向角、横摇角、纵摇角的顺序依次进行变换。

其中，变换依据为地理坐标系到天线坐标系下的姿态转移矩阵，具体为：

航向角姿态转移矩阵：

其中，T_k为因航向角改变而引起的航向角姿态转移矩阵，k为航向角；

横摇角姿态转移矩阵：

其中，T_γ为因横摇而导致的横摇角姿态转移矩阵，γ为横摇角；

纵摇角姿态转移矩阵：

其中，其中，T_θ为因纵摇导致的纵摇角姿态转移矩阵，θ为纵摇角。

转换姿态信息具体过程为：当不存在航向偏差、纵横摇现象时，载体坐标系和地理坐标系重合，设

为满足波束指向的单位向量，则有

其中α和β分别为地理坐标系下的俯仰角和方位角；

依次进行航向角、横摇角、纵摇角的顺序进行变换，得到天线坐标系下的姿态信息，即向量

在对向量

进行解算，

其中，解算过程为：对进行解算

有：

即可得到天线坐标系下的的方位角和俯仰角为：

对tanα′与sinβ′进行反三角函数计算得到α′，β′，即天线坐标系下的方位角信息和俯仰角信息。

根据地理坐标系和天线坐标系下的方位角信息和俯仰角信息即可分别得到对波束指向方位角和俯仰角的影响：

对方位角的影响，可描述为初始指向α和经坐标变换后的方位角α′之差Δα，即

Δα＝α-α′

坐标变换对波束指向俯仰角的影响分析与方位角类似，可描述为初始俯仰角β和经坐标变换后的俯仰角β′之差Δβ，即Δβ＝β-β′

信号处理及数据处理模块分别进行增益补偿以及目标信息修正：

增益补偿：

依据补偿指向与雷达方向图中指向增益的偏差，实时调整接收机增益，实现增益补偿；根据影响对接收机增益进行调整，雷达天线波束仰角方向图可经过测试得到波束增益表，从而根据β和β′之间的俯仰角误差，补偿波束指向角度增益，该增益即为对空增益。依据增益大小，结合目标的RCS特性，可实现对接收机增益的自适应控制，实时控制目标回波幅度。对本工程的应用场景，该值主要影响情报雷达的气象探测功能，通过对增益的控制弥补，可实现相同海情下回波幅度相同，减小甚至消除转向、横摇及纵摇对回波幅度的影响。

目标真实的方位角信息和俯仰角信息采用包括当不限于相位法、振幅法及超分辨测角方法等方法进行计算。

第二姿态转换模块根据信号处理及数据处理模块计算得到的目标真实的方位角信息和俯仰角信息转换为地理坐标系下的目标指向信息，具体为：

假定得到目标A的角度信息为(ψ，ζ)，则天线坐标系下，目标方向的单位矢量为：

为了实现雷达所探测的目标的指向信息补偿，需要进行逆变换，将目标在天线坐标系下的坐标信息变换成地理坐标系下的信息。考虑坐标变换的顺序，按照纵摇角、横摇角、航向角变换的顺序实现坐标转换，如下：

将阵面坐标系下的空间点A经坐标变换变换至地理坐标系下的A'点，有

假定，在地理坐标系下，目标A的指向信息为(ψ′，ζ′)，结合上述两式，可得：

sinζ′＝sinγcosζcosψ+cosγsinθcosζsinψ+cosγcosθsinβ

对上式子求解反三角函数，得到ψ′，ζ′，即目标在地理坐标系下的方位信息，将其传递至雷达系统即可完成目标方位信息的电子补偿。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，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。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (9)

1.一种雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，其特征在于，包括：

姿态信息获取设备，实时获取运动载体的姿态信息；

刚体间相对坐标关系标定模块，用于获取雷达在部署和安装过程中天线坐标系和载体坐标系之间的姿态转换矩阵，实现载体坐标系和天线坐标系姿态信息的相互转换；

第一姿态信息转换模块，用于完成地理坐标系到载体坐标系，再到天线坐标系的实时姿态转换；通过根据运动载体的姿态信息和天线坐标系和载体坐标系之间的姿态转换矩阵计算得到地理坐标系到天线坐标系下的姿态转移矩阵，该姿态转移矩阵用于求解天线坐标系下的方位角信息和俯仰角信息；

解算模块，用于天线坐标系下的姿态信息的解算；根据姿态转移矩阵得到天线坐标系下的方位角信息和俯仰角信息，并同时将解算得到的方位角信息和俯仰角信息传递给信号处理及数据处理模块与波控码计算模块；

信号处理及数据处理模块，用于增益补偿和目标角度信息获取，对接收增益进行补偿的同时，输出目标在天线坐标系下的方位信息和俯仰信息；

波控码计算模块，用于波控码的实时计算，接收解算模块求解得到的方位角信息和俯仰角信息，求解对应的波控码，并将波控码转递给TR模块实现雷达发射波束指向控制；

第二姿态信息转换模块，接收信号处理及数据处理模块计算得到的目标在天线坐标系下方位信息和俯仰信息，将目标姿态信息转换至地理坐标系下并输出，完成目标修正。

2.根据权利要求1所述的雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，其特征在于，所述姿态信息获取设备为陀螺仪、水平仪或罗盘。

3.根据权利要求1所述的雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，其特征在于，所述地理坐标系到天线坐标系下的姿态转移矩阵包括：

航向角姿态转移矩阵：

其中，T_k为因航向角改变而引起的航向角姿态转移矩阵，k为航向角；

横摇角姿态转移矩阵：

其中，T_γ为因横摇而导致的横摇角姿态转移矩阵，γ为横摇角；

纵摇角姿态转移矩阵：

其中，T_θ为因纵摇导致的纵摇角姿态转移矩阵，θ为纵摇角。

4.根据权利要求3所述的雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，其特征在于，所述第一姿态信息转换模块在坐标系转换过程中，按照航向角、横摇角、纵摇角的顺序依次进行变换。

5.根据权利要求4所述的雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，其特征在于，转换姿态信息具体过程为：设

为满足波束指向的单位向量，则有

其中α和β分别为地理坐标系下的俯仰角和方位角；依次进行航向角、横摇角、纵摇角的顺序进行变换，得到天线坐标系下的姿态信息，即向量

6.根据权利要求5所述的雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，其特征在于，解算模块的具体解算过程为：进行解算

有：

即可得到天线坐标系下的方位角和俯仰角为：

sinβ′＝-cosθsinγcoskcosαcosβ-sinθsinkcosαcosβ-sinθcosksinαcosβ+cosθcosγsinβ

对tanα′与sinβ′进行反三角函数计算得到α′，β′，即天线坐标系下的方位角信息和俯仰角信息。

7.根据权利要求6所述的雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，其特征在于，信号处理及数据处理模块具体工作过程为：

增益补偿：根据雷达天线波束仰角方向图得到波束增益表，从而根据β和β′之间的俯仰角误差，补偿波束指向增益；

目标在天线坐标系中的方位角信息和俯仰角信息采用相位法、振幅法及超分辨测角方法中任一种方法进行计算。

8.根据权利要求7所述的雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，其特征在于，第二姿态信息转换模块的具体工作过程为：根据地理坐标系到天线坐标系下的姿态转移矩阵的逆矩阵将天线坐标系下目标的方位角信息和俯仰角信息转换为地理坐标系下的姿态信息。

9.根据权利要求8所述的雷达动平台电子波束稳定及补偿系统，其特征在于，第二姿态信息转换模块在坐标系转换过程中，按照纵摇角、横摇角、航向角的顺序依次进行变换。

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