CN113220005A - 一种基于软件补偿的雷达调平装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种软件补偿的雷达调平装置及调平方法，利用雷达自带的驱动控制系统，经过一系列的模型算法解算，可在无需设计稳定平台或调平机构的情况下完成雷达装置调平，并克服姿态仪精度不高带来的不良影响。本发明省去了设计稳定平台或调平机构，极大的节省了设计成本，节约了设备结构空间，克服了姿态仪精度不足造成的系统调平误差，极大的提高了调平精度，使得设备的整体稳定性更好，实时性更强，可靠性更高，不受安装和环境影响，具有操作简单，方便，快捷等特点，适用于各种场合。

Description

一种基于软件补偿的雷达调平装置及其方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种基于软件补偿的雷达调平装置及其方法。

背景技术

通常情况下，雷达在正常运行前，需对它的工作平台进行手动或电动调平，保证雷达波束扫描时不会受到平台的不平度影响。针对不同类型和用途的雷达，会设计不同的调平方式。当前国内外调平设计，车载雷达一般会设计调平机构或者调平装置，舰载雷达一般设计舰载稳定平台等。这些做法首先需要设计稳定平台和电控装置；除了会增加设备成本，增大设备体积，还会增加雷达架设和撤收时间；降低雷达运行的可靠性和精度，影响雷达的性能指标；对一些特定功能的雷达，可能会没有足够空间进行调平装置的放置和安装。

综观各类雷达调平方法，一般有使用调平机构或稳定平台两种方法。对于车载调平机构需要在雷达工作面上安装3个以上的支撑腿进行调平，一般会安装4个调平腿实现雷达的调平，这种方法存在结构设计复杂，成本较高，受地形环境影响大，调平范围不足，稳定性较差，需要给予足够的空间等缺点。舰载稳定平台一般需要单独设计一个稳定平台，稳定平台由姿态仪，伺服电机，驱动器和平台控制系统组成，通过获得稳定平台的姿态角，将解算得误差送给控制系统，控制电机进行调平。这种方法也存在结构复杂，成本较高，特别是在姿态传感器精度不高的情况下，会出现调平精度较差，稳定性较差，实时性较差等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于软件补偿的雷达调平装置及其方法，一是避免设计大型的调平机构或者稳定平台，二是解决姿态传感器精度不高对系统调平精度，稳定性，实时性的影响。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种软件补偿的雷达调平装置，由雷达天线座和伺服控制柜两部分组成，所述所述伺服控制柜包括伺服控制组合12、伺服驱动器13和配电组合14，其中伺服控制组合12用于接收雷达位置信号，软件补偿雷达位置，解算雷达位置误差信号；伺服驱动器13用于控制和驱动雷达运动；配电组合14用于给各个设备模块供电；

所述伺服控制组合12实时采集雷达从当前方位匀速旋转360°过程中的方位、姿态角和寻北角，通过递归算法模型计算出雷达姿态角的最大值和此时对应方位值；然后将最大姿态角和对应的方位角使用姿态角算法模型进行解算，计算出等效横倾角和纵倾角，并把解算出的等效横倾角和纵倾角存入伺服控制组合中；雷达实时运动时，使用坐标转换算法模型将等效横倾角和纵倾角实时软件补偿到雷达实时位置目标中，再将位置误差送入伺服驱动器，驱动电机运动至实时位置，实现软件补偿调平功能。

进一步的，所述雷达天线座包括方位旋变1、方位伺服电机2、方位减速器3、俯仰旋变4、俯仰伺服电机5、俯仰减速器6、寻北仪7、姿态仪8、动力齿轮9、限位限速开关10，其中方位旋变1、方位伺服电机2、方位减速器3、俯仰旋变4、俯仰伺服电机5、俯仰减速器6、动力齿轮9、限位限速开关10组成传动系统，进行雷达方位和俯仰运动，反馈雷达实时位置，其中方位旋变1安装在动力齿轮9的转动轴上，方位伺服电机2的转动轴安装在方位减速器3中，方位减速器3的转动轴与动力齿轮9相连；俯仰旋变4安装在动力齿轮9的转动轴上，俯仰伺服电机5的转动轴安装在俯仰减速器6中，俯仰减速器6的转动轴与动力齿轮9相连；限位限速开关10安装在动力齿轮9处，用于产生安全逻辑信号、减速逻辑信号；所述寻北仪7和姿态仪8用于测量航向角和雷达姿态角。

进一步的，将最大姿态角和对应方位角使用姿态角算法模型进行解算，计算出等效横倾角和纵倾角，并把解算出的等效横倾角和纵倾角存入伺服控制组合中，具体方法为：

设天线的安装面是倾斜的，最大倾斜角θ_m，最大倾斜角时的天线方位角Am，天线当前的方位角为A，当前的倾斜角为ΔEl，则当前指向与水平面夹角存在如下关系：

通过上式，即得

ΔEl＝arcsin(sinθ_mcos(A-Am))

则等效的纵倾斜角P为：

P＝arcsin(sinθ_mcos Am)

等效的横倾斜角R为：

R＝arcsin(sinθ_msin Am)。

进一步的，雷达实时运动时，使用坐标转换算法模型将等效横倾角和纵倾角实时软件补偿到雷达实时位置目标中，再将位置误差送入伺服驱动器，驱动电机运动至实时位置，实现软件补偿调平功能，具体方法为：

设水平大地下的坐标系为水平坐标系，雷达倾斜坐落的坐标系为倾斜坐标系，即雷达安装在倾斜坐标系下，解算雷达在水平坐标系下的位置分3个步骤，将倾斜极坐标系变换为倾斜直角坐标系，将倾斜直角坐标系变换为水平直角坐标系，将水平直角坐标系变换为水平极坐标系；

(1)倾斜极坐标系转换为倾斜直角坐标系

其中，(x_c，y_c，z_c)为目标M在倾斜坐标系下的位置，Ac、Ec、S为当前雷达位置的方位角、俯仰角、与目标M的斜距；

(2)倾斜直角坐标系转换为水平直角坐标系

采用先分后合的方式将倾斜直角坐标系转换为水平直角坐标系，即先保持某一参数变化，其他参数不变；最后将各参数同时变化综合考虑进来；

①只有纵倾角P变化时，zc轴不变，Xc轴和Yc轴转过P角度，则有：

②同理，只有横倾角R变化时，Xc轴不变，Yc轴和Zc轴转过R角度，与①相似，只是把x→z，y→x，z→y，x_c→z_c，y_c→x_c，z_c→y_c，R→P；同理得到：

③寻北角H是基于水平坐标系下的数据，所以转换时不必考虑H的影响，只需要在转换结果最后，方位角加上H即可；

综合①②③，当同时进行变化时，得到：

式中，(x，y，z)为目标M在水平直角坐标系下的位置。

(3)水平直角坐标系转换为水平极坐标系

将已进行步骤(1)(2)计算出来的目标M的水平直角坐标系下的位置(x，y，z)，进行反解算得到补偿后的方位角A’和俯仰角E’，如下所示：

伺服控制组合将计算后的雷达方位角A’、俯仰角E’与当前的雷达方位角和俯仰角作差，然后将方位误差和俯仰误差送入伺服驱动器中，驱动伺服电机运送到相应位置，实现软件补偿调平功能。

一种软件补偿的雷达调平方法，基于所述的软件补偿的雷达调平装置实现雷达调平。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的软件补偿的雷达调平装置实现雷达调平。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的软件补偿的雷达调平装置实现雷达调平。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：采用姿态仪采集雷达姿态信息，利用雷达自身的驱动控制系统，使用软件算法补偿姿态信息，实现雷达调平，省去了设计稳定平台或调平机构，极大的节省了设计成本，节约了设备结构空间，克服了姿态仪精度不足造成的系统调平误差，极大的提高了调平精度，使得设备的整体稳定性更好，实时性更强，可靠性更高，不受安装和环境影响，具有操作简单，方便，快捷等特点，适用于各种场合。

附图说明

图1本发明雷达调平装置中雷达天线座的组成图，其中(a)为雷达调平装置的天线座方位运动组成图，(b)为雷达调平装置的天线座俯仰运动组成图。

图2为本发明雷达调平装置中伺服控制柜的组成图。

图3为姿态角算法模型的原理图。

图4为直角坐标系与极坐标系关系图。

图5为直角坐标系当前位置与旋转后位置关系图。

图6为雷达调平装置的软件补偿流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

图1，2为本发明基于软件补偿的雷达调平装置的组成，主要由雷达天线座和伺服控制柜两部分组成。雷达天线座由方位旋变1(位置传感器的一种，下同)，方位伺服电机2，方位减速器3，俯仰旋变4，俯仰伺服电机5，俯仰减速器6，寻北仪7，姿态仪8，动力齿轮9，限位限速开关10，光电电视11组成。伺服控制柜由伺服控制组合12，伺服驱动器13，配电组合14组成，其中：方位伺服电机2的转动轴安装在方位减速器3中，方位减速器3的转动轴与动力齿轮9相连，方位旋变1安装在动力齿轮9的转动轴上；同样，俯仰伺服电机5的转动轴安装在俯仰减速器6中，俯仰减速器6的转动轴与动力齿轮9相连，俯仰旋变4安装在动力齿轮9的转动轴上；限位限速开关10安装在动力齿轮9的附件的适当位置，用于产生安全，减速等逻辑信号；通过以上的传动系统可进行雷达方位和俯仰运动，反馈雷达实时位置。寻北仪7，姿态仪8安装在天线座适当位置，用于测量航向角(寻北角)和雷达姿态角。伺服控制组合12，伺服驱动器13，配电组合14安装在伺服控制柜中。伺服控制组合12用于接收雷达位置信号，软件补偿雷达位置，解算雷达位置误差信号；伺服驱动器13用于控制和驱动雷达运动；配电组合14用于给各个设备模块供电。

上述雷达调平装置，利用雷达自带的驱动控制系统，经过一系列的模型算法解算，可在无需设计稳定平台或调平机构的情况下完成雷达装置调平，并克服姿态仪精度不高带来的不良影响。图3，4，5为雷达调平装置调平方法的数学模型，具体操作步骤如下：

1.雷达从当前方位匀速转到360°，实时采集和记录方位角、姿态角、寻北角，将数据存入软件数组中，使用递归算法计算出转动一圈所采集数据中雷达姿态角的最大值和对应方位角；由于此算法模型运用较为成熟，在此不做赘述。

2.将最大姿态角和对应方位角使用姿态角算法模型进行解算，计算出等效横倾角和纵倾角，提高姿态仪的精度，并把解算出的等效横倾角和纵倾角存入伺服控制组合中。

如图3所示，天线的安装面是倾斜的，设最大倾斜角θ_m，最大倾斜角时的天线方位角Am，天线当前的方位角为A，当前的倾斜角为△El，则当前指向与水平面夹角存在如下关系：

通过上式可得，计算

△El＝arcsin(sinθ_mcos(A-Am))

则等效的纵倾斜角为

P＝arcsin(sinθ_mcosAm)

等效的横倾斜角为

R＝arcsin(sinθ_msinAm)

3.当雷达实时运动时，使用坐标转换算法将等效横倾角和纵倾角实时软件补偿到雷达实时方位和俯仰中，再将位置误差送入伺服驱动器，驱动电机运动至实时位置，可以消除雷达安装不平造成的误差，从而实现软件补偿调平功能。具体模型参照图4，5。

如图4，5所示，已知横倾斜角R，纵倾斜角P，寻北角(航向角)H，当前雷达位置的方位角Ac，俯仰角Ec，与目标M的斜距S，现在求经过坐标转换和软件补偿后的方位角A’，俯仰角E’。设水平大地下的坐标系为水平坐标系，雷达倾斜坐落的坐标系为倾斜坐标系，即雷达安装在倾斜坐标系下，需解算出雷达在水平坐标系下的位置。解算分3个步骤，倾斜极坐标系变换为倾斜直角坐标系，倾斜直角坐标系变换为水平直角坐标系，水平直角坐标系变换为水平极坐标系，具体如下：

(1)倾斜极坐标系转换为倾斜直角坐标系

如图4所示，设目标M在倾斜坐标系下的位置(x_c，y_c，z_c)，则有如下

(2)倾斜直角坐标系转换为水平直角坐标系

设目标M在水平直角坐标系下的位置(x，y，z)，在这里采用先分后合的方式，即先保持某一参数变化，其他参数不变；最后将各参数同时变化综合考虑进来。

①只有纵倾角P变化时，Zc轴不变，Xc轴和Yc轴转过P角度，其中(x_c,y_c,z_c)为(1)步骤运算所得；如图4所示

②同理，只有横倾角R变化时，Xc轴不变，Yc轴和Zc轴转过R角度，与式(1)相似，只是把x→z，y→x，z→y，x_c→z_c，y_c→x_c，z_c→y_c，R→P；同理可得式(2)

③寻北角(航向角)H是基于水平坐标系下的数据，所以转换时不必考虑H的影响，只需要在转换结果最后，方位角加上H即可。

综合①②③，当同时进行变化时，得到：

(3)水平直角坐标系转换为水平极坐标系

参照图4，将已进行(1)(2)步骤计算出来的目标M的水平直角坐标系下的位置(x,y,z)，进行反解算得到补偿后的方位角A’，俯仰角E’，如下所示

伺服控制组合将计算后的雷达方位角A’、俯仰角E’与当前的雷达方位角和俯仰角作差，然后将方位误差和俯仰误差送入伺服驱动器中，驱动伺服电机运送到相应位置。

图6为雷达调平装置软件设计流程图，基于所述的软件补偿的雷达调平装置实现雷达调平，根据处理流程可分为6个模块，1)数据采集模块；2)数据处理模块；3)倾斜角解算模块；4)接收目标位置模块；5)坐标变换模块；6)驱动控制模块。数据采集模块，用于采集实时方位信息和姿态角度信息，当方位转动一圈中，分别记录实时方位和姿态角，保存在软件数组中。数据处理模块，将得到的数据使用递归算法模型，求出姿态角的最大值和对应的方位角。姿态角解算模块，根据姿态角解算模型，利用上一步求得的姿态角和方位角，解算出等效的横倾角和纵倾角值。接收目标位置模块，通过各种方式，例如其他系统或者本系统发出的指令，接收雷达的目标位置。坐标变换模块，利用坐标变换，将横倾角，纵倾角叠加到目标位置中，得出软件补偿后的目标位置。驱动控制模块，把解算得到的位置与当前雷达位置作差，得到位置误差，将位置误差送入伺服驱动器，驱动伺服电机运动至指定位置，即可做到雷达调平。

本发明还提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的软件补偿的雷达调平装置实现雷达调平。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的软件补偿的雷达调平装置实现雷达调平。

本发明利用姿态仪采集雷达姿态信息，通过姿态解算模型提高姿态精度，再通过坐标解算将姿态的等效横倾角，纵倾角补偿至实时位置，可实现雷达调平。该装置和方法克服了现有雷达调平的缺陷和不足，完全不需要设计专门的稳定平台或调平机构，且解决了姿态仪精度不高对系统调平精度的影响；节省了大量的设备成本和设备空间，大大提高了调平精度高，具有稳定性好，实时性强，可靠性高，无须人工操作，不受环境和位置影响等优点。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种软件补偿的雷达调平装置，其特征在于，由雷达天线座和伺服控制柜两部分组成，所述所述伺服控制柜包括伺服控制组合12、伺服驱动器13和配电组合14，其中伺服控制组合12用于接收雷达位置信号，软件补偿雷达位置，解算雷达位置误差信号；伺服驱动器13用于控制和驱动雷达运动；配电组合14用于给各个设备模块供电；

所述伺服控制组合12实时采集雷达从当前方位匀速旋转360°过程中的方位、姿态角和寻北角，通过递归算法模型计算出雷达姿态角的最大值和此时对应方位值；然后将最大姿态角和对应的方位角使用姿态角算法模型进行解算，计算出等效横倾角和纵倾角，并把解算出的等效横倾角和纵倾角存入伺服控制组合中；雷达实时运动时，使用坐标转换算法模型将等效横倾角和纵倾角实时软件补偿到雷达实时位置目标中，再将位置误差送入伺服驱动器，驱动电机运动至实时位置，实现软件补偿调平功能。

2.根据权利要求1所述的软件补偿的雷达调平装置，其特征在于，所述雷达天线座包括方位旋变1、方位伺服电机2、方位减速器3、俯仰旋变4、俯仰伺服电机5、俯仰减速器6、寻北仪7、姿态仪8、动力齿轮9、限位限速开关10，其中方位旋变1、方位伺服电机2、方位减速器3、俯仰旋变4、俯仰伺服电机5、俯仰减速器6、动力齿轮9、限位限速开关10组成传动系统，进行雷达方位和俯仰运动，反馈雷达实时位置，其中方位旋变1安装在动力齿轮9的转动轴上，方位伺服电机2的转动轴安装在方位减速器3中，方位减速器3的转动轴与动力齿轮9相连；俯仰旋变4安装在动力齿轮9的转动轴上，俯仰伺服电机5的转动轴安装在俯仰减速器6中，俯仰减速器6的转动轴与动力齿轮9相连；限位限速开关10安装在动力齿轮9处，用于产生安全逻辑信号、减速逻辑信号；所述寻北仪7和姿态仪8用于测量航向角和雷达姿态角。

3.根据权利要求1所述的软件补偿的雷达调平装置，其特征在于，将最大姿态角和对应方位角使用姿态角算法模型进行解算，计算出等效横倾角和纵倾角，并把解算出的等效横倾角和纵倾角存入伺服控制组合中，具体方法为：

设天线的安装面是倾斜的，最大倾斜角θ_m，最大倾斜角时的天线方位角Am，天线当前的方位角为A，当前的倾斜角为ΔEl，则当前指向与水平面夹角存在如下关系：

通过上式，即得

ΔEl＝arcsin(sinθ_mcos(A-Am))

则等效的纵倾斜角P为：

P＝arcsin(sinθ_mcos Am)

等效的横倾斜角R为：

R＝arcsin(sin_θmsin Am)。

4.根据权利要求1所述的软件补偿的雷达调平装置，其特征在于，雷达实时运动时，使用坐标转换算法模型将等效横倾角和纵倾角实时软件补偿到雷达实时位置目标中，再将位置误差送入伺服驱动器，驱动电机运动至实时位置，实现软件补偿调平功能，具体方法为：

设水平大地下的坐标系为水平坐标系，雷达倾斜坐落的坐标系为倾斜坐标系，即雷达安装在倾斜坐标系下，解算雷达在水平坐标系下的位置分3个步骤，将倾斜极坐标系变换为倾斜直角坐标系，将倾斜直角坐标系变换为水平直角坐标系，将水平直角坐标系变换为水平极坐标系；

(1)倾斜极坐标系转换为倾斜直角坐标系

其中，(x_c,y_c,z_c)为目标M在倾斜坐标系下的位置，Ac、Ec、S为当前雷达位置的方位角、俯仰角、与目标M的斜距；

(2)倾斜直角坐标系转换为水平直角坐标系

采用先分后合的方式将倾斜直角坐标系转换为水平直角坐标系，即先保持某一参数变化，其他参数不变；最后将各参数同时变化综合考虑进来；

①只有纵倾角P变化时，Zc轴不变，Xc轴和Yc轴转过P角度，则有：

②同理，只有横倾角R变化时，Xc轴不变，Yc轴和Zc轴转过R角度，与①相似，只是把x→z，y→x，z→y，x_c→z_c，y_c→x_c，z_c→y_c，R→P；同理得到：

③寻北角H是基于水平坐标系下的数据，所以转换时不必考虑H的影响，只需要在转换结果最后，方位角加上H即可；

综合①②③，当同时进行变化时，得到：

式中，(x，y，z)为目标M在水平直角坐标系下的位置。

(3)水平直角坐标系转换为水平极坐标系

将已进行步骤(1)(2)计算出来的目标M的水平直角坐标系下的位置(x，y，z)，进行反解算得到补偿后的方位角A’和俯仰角E’，如下所示：

伺服控制组合将计算后的雷达方位角A’、俯仰角E’与当前的雷达方位角和俯仰角作差，然后将方位误差和俯仰误差送入伺服驱动器中，驱动伺服电机运送到相应位置，实现软件补偿调平功能。

5.一种软件补偿的雷达调平方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的软件补偿的雷达调平装置实现雷达调平。

6.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于权利要求1-4任一项所述的软件补偿的雷达调平装置实现雷达调平。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于权利要求1-4任一项所述的软件补偿的雷达调平装置实现雷达调平。

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