CN112816944A - 一种相控阵天线波束指向稳定方法 - Google Patents

一种相控阵天线波束指向稳定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相控阵天线波束指向稳定方法，涉及雷达技术领域，该方法采用相控阵体制雷达结合姿态传感器，在载具姿态发生偏转情况下，结合姿态传感器感知的姿态角变化值以及探测目标在上一探测周期的目标坐标值确定探测目标在当前探测周期的目标坐标值，继而得到目标方位角和目标俯仰角并确定移相控制码，依靠改变移相控制码来改变波束指向，调整波束指向仍能保持对准目标，实现波束稳定；借助相控阵雷达灵活迅速的波束指向改变能力，无需转台辅助，波束指向切换速度快且不受惯性限制，可瞬间完成波束指向大角度改变。

Description

一种相控阵天线波束指向稳定方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种相控阵天线波束指向稳定方法。
背景技术
机载雷达天线在执行聚束SAR成像任务时，需要保持天线波束始终对准目标，载机平台由于受到气流、飞行路线等各种原因发生姿态角度变化，此时天线法线也会随载机平台改变偏离目标，需进行波控修正。船载跟踪雷达，对多目标进行跟踪时，一方面要求天线波束窄以提高跟踪距离和测角精度；一方面由于海上风浪造成的载船姿态频繁变化，要求波束宽度较宽防止波束指向偏离目标造成目标丢失，这两种要求在传统雷达中是矛盾的要求，需要用户在指标中做出折衷妥协。
综合看来，雷达载具受到其他因素导致载具自身和搭载的雷达姿态发生变化时，波束指向也会随之变化，此时若雷达执行的是点对点任务则波束会偏离目标，传统机械式雷达为弥补载机姿态变化导致波束指向偏离目标会使用转台，分别补偿偏航角、俯仰角和横滚角，缺点是转台体积重量较大，且受惯性影响，转动速度也受限，很难满足要求波束指向长期稳定以确保对准目标或对波束方向切换速度有较高要求的场景。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种相控阵天线波束指向稳定方法，本发明的技术方案如下：
一种相控阵天线波束指向稳定方法，该方法包括：
通过姿态传感器检测相控阵雷达所在的载具在当前探测周期相对于上一探测周期的姿态角变化值；
根据姿态角变化值以及探测目标在上一探测周期的目标坐标值确定探测目标在当前探测周期的目标坐标值，目标坐标值是探测目标在相控阵雷达的天线阵面坐标系下的坐标值；
根据探测目标在当前探测周期的目标坐标值确定相控阵雷达在当前探测周期指向探测目标的目标方位角和目标俯仰角；
确定与目标方位角和目标俯仰角对应的行相移基量和列相移基量；
根据行相移基量和列相移基量确定相控阵雷达的天线阵面的各个阵元的总移相量对应的移相控制码；
按照移相控制码控制相控阵雷达的波束指向探测目标。
其进一步的技术方案为，姿态角变化值包括偏航角变化值Δδ、滚转角变化值Δγ和俯仰角变化值Δλ，则根据姿态角变化值以及探测目标在上一探测周期的目标坐标值确定探测目标在当前探测周期的目标坐标值，包括：
确定探测目标在当前探测周期的目标坐标值为
Figure BDA0002876628730000021
其中，矩阵
Figure BDA0002876628730000022
是探测目标在上一探测周期的目标坐标值。
其进一步的技术方案为，根据探测目标在当前探测周期的目标坐标值确定相控阵雷达在当前探测周期指向探测目标的目标方位角和目标俯仰角，包括：
确定目标方位角为
Figure BDA0002876628730000023
确定目标俯仰角为
Figure BDA0002876628730000024
其中，(x1，y1，z1)是探测目标在当前探测周期的目标坐标值。
其进一步的技术方案为，确定与目标方位角和目标俯仰角对应的行相移基量和列相移基量，包括：
按照
Figure BDA0002876628730000025
计算得到行相移基量、按照
Figure BDA0002876628730000026
计算得到列相移基量，其中，f是天线工作频点，c是光速，dy是相控阵雷达的天线阵面同一行的相邻两个阵元的间距，dz是相控阵雷达的天线阵面同一列的相邻两个阵元的间距，θ是目标俯仰角，
Figure BDA0002876628730000027
是目标方位角。
其进一步的技术方案为，该方法还包括：
从存储的预定对应关系中查找到目标方位角和目标俯仰角所指示的波束位置对应的基量计算用三角函数值，基量计算用三角函数值包括
Figure BDA0002876628730000028
预定对应关系包括按照预定布相算法完成布相后，相扫范围内各个波束位置所对应的基量计算用三角函数值，波束位置由方位角和俯仰角共同指示；
基于查找到的目标方位角和目标俯仰角对应的基量计算用三角函数值计算行相移基量和列相移基量。
其进一步的技术方案为，根据行相移基量和列相移基量确定相控阵雷达的天线阵面的各个阵元的总移相量对应的移相控制码，包括：
确定天线阵面的各个阵元在阵元坐标化后的阵元中心的坐标值，天线阵面以阵面的顶角为原点，以天线阵列的行为y轴、列为z轴进行阵元坐标化；
基于各个阵元的阵元中心的坐标值以及行相移基量和列相移基量确定阵元的总移相量为
Figure BDA0002876628730000031
(Y,Z)是阵元中心的坐标值，α是行相移基量，β是列相移基量，dy是同一行的相邻两个阵元的间距，dz是同一列的相邻两个阵元的间距；
根据每个阵元的总移相量以及移相器的位数确定各个阵元的移相控制码。
其进一步的技术方案为，根据每个阵元的总移相量以及移相器的位数确定各个阵元的移相控制码，包括：
确定每个阵元的移相控制码为
Figure BDA0002876628730000032
其中，φ(Y,Z)是阵元的总移相量，φmin是移相器的最小移相量且
Figure BDA0002876628730000033
k是移相器的位数。
其进一步的技术方案为，方法由波控板数控电路实现，波控板数控电路基于FPGA及其对应的配置芯片构建，FPGA进行并行运算。
其进一步的技术方案为，FPGA采用型号为XC3SD3400A-4FG676I的芯片实现，配置芯片由型号为XCF16PFSG48C的芯片实现。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种相控阵天线波束指向稳定方法，该方法采用相控阵体制雷达结合载具姿态传感器，在载体姿态发生偏转情况下，结合欧拉角传感器感知的载体姿态变化角度，通过对相控阵阵元的相位进行控制，依靠改变移相控制码来改变波束指向，调整波束指向仍能保持对准目标，实现波束稳定。借助相控阵雷达灵活迅速的波束指向改变能力，无需转台辅助，波束指向切换速度快且不受惯性限制，可瞬间完成波束指向大角度改变。
附图说明
图1是本申请公开的相控阵天线波束指向稳定方法的方法流程图。
图2是阵元坐标化的示意图。
图3是本申请中的波控板数控电路的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种相控阵天线波束指向稳定方法，请参考图1所示的流程图，该方法包括如下步骤：
步骤S1，通过姿态传感器检测相控阵雷达所在的载具在当前探测周期相对于上一探测周期的姿态角变化值，通常采用欧拉角传感器测量姿态角变化值。在本申请中，测得的载具的姿态角参数包括偏航角δ、滚转角γ和俯仰角λ，也即载具的姿态角参数可以表示为(δ，γ，λ)，则相应的，测得的姿态角变化值包括偏航角变化值Δδ、滚转角变化值Δγ和俯仰角变化值Δλ，可以表示为(Δδ，Δγ，Δλ)。
步骤S2，根据姿态角变化值(Δδ，Δγ，Δλ)以及探测目标在上一探测周期的目标坐标值(x0，y0，z0)确定探测目标在当前探测周期的目标坐标值(x1，y1，z1)。其中，目标坐标值是探测目标在相控阵雷达的天线阵面坐标系下的坐标值。
本申请确定(x1，y1，z1)的方法为
Figure BDA0002876628730000041
其中：
Figure BDA0002876628730000042
步骤S3，根据探测目标在当前探测周期的目标坐标值(x1，y1，z1)确定相控阵雷达在当前探测周期指向探测目标的目标方位角
Figure BDA0002876628730000043
和目标俯仰角θ。本申请所采用的方法为：确定目标方位角为
Figure BDA0002876628730000044
确定目标俯仰角为
Figure BDA0002876628730000045
步骤S4，确定与目标方位角
Figure BDA0002876628730000046
和目标俯仰角θ对应的行相移基量α和列相移基量β。本申请计算行、列相移基量的方法为：按照
Figure BDA0002876628730000047
计算得到行相移基量、按照
Figure BDA0002876628730000048
计算得到列相移基量，其中f是天线工作频点，c是光速，dy是相控阵雷达的天线阵面同一行的相邻两个阵元的间距，dz是相控阵雷达的天线阵面同一列的相邻两个阵元的间距。
进一步的在本申请中，将相扫范围内各个波束位置编号，按照预定布相算法完成布相后，将各个波束位置所对应的基量计算用三角函数值存储成预定对应关系，波束编号作为寻址值，存入基量计算用三角函数值的数量由波束控制的精确度要求决定，波束位置由方位角和俯仰角共同指示，基量计算用三角函数值即包括计算行、列相移基量所用的
Figure BDA0002876628730000051
则步骤S3确定目标方位角和目标俯仰角后，可以从存储的预定对应关系中寻址查找到目标方位角和目标俯仰角所表示的波束位置对应的基量计算用三角函数值，然后用寻址得到的基量计算用三角函数值即可以按照上述公式计算得到行相移基量α和列相移基量β。
步骤S5，根据行相移基量α和列相移基量β确定相控阵雷达的天线阵面的各个阵元的总移相量对应的移相控制码，具体的：
本申请首先基于各个阵元的阵元中心的坐标值以及行相移基量α和列相移基量β确定阵元的总移相量，而在此之前，对天线阵面的各个阵元进行阵元坐标化，以阵面的顶角为原点，以天线阵列的行为y轴、列为z轴进行阵元坐标化，本申请以阵面的左下角为原点，如图2所示的示意图。在完成阵元坐标化后，可以得到天线阵面的各个阵元的阵元中心的坐标值，然后基于各个阵元的阵元中心的坐标值(Y,Z)和行相移基量α以及列相移基量β即可以得到阵元的总移相量为
Figure BDA0002876628730000052
同样的，在该公式中，dy是同一行的相邻两个阵元的间距，dz是同一列的相邻两个阵元的间距。
然后根据每个阵元的总移相量φ(Y,Z)以及移相器的位数k确定各个阵元的移相控制码，移相控制码为
Figure BDA0002876628730000053
其中φmin是移相器的最小移相量，由于采用数字移相器进行移相，移相值为离散的，最小移相量由移相器的位数k决定，则有
Figure BDA0002876628730000054
k是移相器的位数。由于相位的周期性，移相控制码也具有周期性，可以对总移相量φ(Y,Z)循环加减360°，最终可用k位二进制码表示所需的移相控制码。
步骤S6，按照移相控制码控制相控阵雷达的波束，完成一次波束控制，控制后的波束指向探测目标，也即调整波束指向仍能保持对准目标。持续循环使用步骤S1-S6进行波束控制，从而实现波束稳定。
本申请的上述方法由波控板数控电路实现，波控板数控电路基于FPGA及其对应的配置芯片构建，FPGA具有集成度高、控制灵活和运算速度高等诸多优点，本申请采用FPGA作为计算核心器件进行并行运算，与相控阵雷达有多个阵元对应，特别适合处理相控阵天线的波束控制，利用FPGA自带的ROM存储波束位置与基量计算用三角函数值之间的预定对应关系。本申请中的FPGA采用型号为XC3SD3400A-4FG676I的芯片现，配置芯片由型号为XCF16PFSG48C的芯片实现，电路工作稳定可靠。
请参考图3，除了FPGA及相应的配置芯片之外，该波控板数控电路还包括其他必备的电路，包括电平转换电路、时钟电路、各类接口以及必备的电源电路等。该波控板数控电路的输入端口为RS-422电平格式，接收指向角度信息，采用市售的RS422接收和驱动组合芯片(图3中的RS422转LVDS)。该波控板数控电路的输出端口为LVDS格式，采用SN65LVDS1DBV驱动器，输入输出组合构成电平转换电路。时钟电路采用无源晶振作为统一时钟源。各类接口除了包括控制接口、输出至TR模块的接口之外，还预留调试接口，方便调试。电源电路包括电源输入口以及市售的DC-DC芯片。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种相控阵天线波束指向稳定方法，其特征在于，所述方法包括：
通过姿态传感器检测相控阵雷达所在的载具在当前探测周期相对于上一探测周期的姿态角变化值；
根据所述姿态角变化值以及探测目标在上一探测周期的目标坐标值确定所述探测目标在当前探测周期的目标坐标值，所述目标坐标值是所述探测目标在所述相控阵雷达的天线阵面坐标系下的坐标值；
根据所述探测目标在当前探测周期的目标坐标值确定所述相控阵雷达在当前探测周期指向所述探测目标的目标方位角和目标俯仰角；
确定与所述目标方位角和目标俯仰角对应的行相移基量和列相移基量；
根据所述行相移基量和列相移基量确定所述相控阵雷达的天线阵面的各个阵元的总移相量对应的移相控制码；
按照所述移相控制码控制所述相控阵雷达的波束指向所述探测目标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述姿态角变化值包括偏航角变化值Δδ、滚转角变化值Δγ和俯仰角变化值Δλ，则所述根据所述姿态角变化值以及探测目标在上一探测周期的目标坐标值确定所述探测目标在当前探测周期的目标坐标值，包括：
确定所述探测目标在当前探测周期的目标坐标值为
Figure FDA0002876628720000011
其中，矩阵
Figure FDA0002876628720000012
(x0，y0，z0)是所述探测目标在上一探测周期的目标坐标值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述探测目标在当前探测周期的目标坐标值确定所述相控阵雷达在当前探测周期指向所述探测目标的目标方位角和目标俯仰角，包括：
确定所述目标方位角为
Figure FDA0002876628720000013
确定所述目标俯仰角为
Figure FDA0002876628720000014
其中，(x1，y1，z1)是所述探测目标在当前探测周期的目标坐标值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定与所述目标方位角和目标俯仰角对应的行相移基量和列相移基量，包括：
按照
Figure FDA0002876628720000021
计算得到所述行相移基量、按照
Figure FDA0002876628720000022
计算得到所述列相移基量，其中，f是天线工作频点，c是光速，dy是所述相控阵雷达的天线阵面同一行的相邻两个阵元的间距，dz是所述相控阵雷达的天线阵面同一列的相邻两个阵元的间距，θ是所述目标俯仰角，
Figure FDA0002876628720000023
是所述目标方位角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
从存储的预定对应关系中查找到所述目标方位角和目标俯仰角所指示的波束位置对应的基量计算用三角函数值，所述基量计算用三角函数值包括cosθ、sinθ、
Figure FDA0002876628720000024
所述预定对应关系包括按照预定布相算法完成布相后，相扫范围内各个波束位置所对应的基量计算用三角函数值，波束位置由方位角和俯仰角共同指示；
基于查找到的所述目标方位角和目标俯仰角对应的基量计算用三角函数值计算所述行相移基量和列相移基量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述行相移基量和列相移基量确定所述相控阵雷达的天线阵面的各个阵元的总移相量对应的移相控制码，包括：
确定天线阵面的各个阵元在阵元坐标化后的阵元中心的坐标值，所述天线阵面以阵面的顶角为原点，以所述天线阵列的行为y轴、列为z轴进行阵元坐标化；
基于各个阵元的阵元中心的坐标值以及所述行相移基量和列相移基量确定所述阵元的总移相量为
Figure FDA0002876628720000025
(Y,Z)是阵元中心的坐标值，α是所述行相移基量，β是所述列相移基量，dy是同一行的相邻两个阵元的间距，dz是同一列的相邻两个阵元的间距；
根据所述每个阵元的总移相量以及移相器的位数确定各个阵元的移相控制码。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述每个阵元的总移相量以及移相器的位数确定各个阵元的移相控制码，包括：
确定每个阵元的移相控制码为
Figure FDA0002876628720000031
其中，φ(Y,Z)是所述阵元的总移相量，φmin是所述移相器的最小移相量且
Figure FDA0002876628720000032
k是所述移相器的位数。
8.根据权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于，所述方法由波控板数控电路实现，所述波控板数控电路基于FPGA及其对应的配置芯片构建，所述FPGA进行并行运算。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述FPGA采用型号为XC3SD3400A-4FG676I的芯片实现，所述配置芯片由型号为XCF16PFSG48C的芯片实现。
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