CN114137536A - 机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法 - Google Patents

机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，包括以下步骤：步骤一、计算波束指向误差方程；步骤二、计算主波束增益和偏置角关系方程；步骤三、通过步骤一和步骤二的波束指向误差方程和主波束增益和偏置角关系方程，进行波束指向误差自适应估计；步骤四、进行载机扫描策略设定；步骤五、根据设定的载机扫描策略进行波束指向误差分解。本发明实施例通过天线波束几何形状和接受杂波信号功率估算天线指向误差，并解耦出误差分量，然后把误差分量送入空域稳定程序中，提高天线指向精度，实现气象目标的精确探测与显示，改善气象雷达探测性能。

Description

机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法。
背景技术
机载气象雷达系统常常需要探测和通告飞行危险，这依赖于相对于当地地理信息的精确天线波束指向。在机载气象雷达系统中，从雷达系统外部的姿态参考传感器获取飞机姿态数据如俯仰、横滚数据是一种常见的做法。这种姿态传感器可以是惯性参考系统、垂直陀螺仪或包含垂直陀螺仪的倾斜仪。姿态传感器是众所周知的用来降低天线波束指向精确的固定误差和时变误差；在基于垂直陀螺仪的仪器中，传感器误差为2到3度并不少见。
天线波束指向也受到雷达系统内部误差的影响，例如定位器校准、天线的机械与电子瞄准线对准以及定位器机构的下垂。对于有源相控阵天线，则单元间的互耦、天线方向图的不一致性以及天线罩的影响等都会造成波束指向偏差。目前在机载雷达领域的做法是通过人工手段，使用专用仪器设备对安装天线进行校靶，该方式程序复杂，工作量大且精细度高，稍有疏忽将造成较大指向误差。该方法对操作人员的技术经验要求高，对一些不能满足专门测量条件的雷达，则无法进行安装误差的测量。因此，迫切需要一种简单有效实现天线波束指向误差自适应补偿的处理方法。
发明内容
有鉴于此，本说明书实施例提供一种机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，以实现气象目标的精确探测与显示的目的。
本说明书实施例提供以下技术方案：一种机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，包括以下步骤：步骤一、计算波束指向误差方程；步骤二、计算主波束增益和偏置角关系方程；步骤三、通过步骤一和步骤二的波束指向误差方程和主波束增益和偏置角关系方程，进行波束指向误差自适应估计；步骤四、进行载机扫描策略设定；步骤五、根据设定的载机扫描策略进行波束指向误差分解。
进一步地，步骤一包括：步骤1.1、通过公式
Figure BDA0003358116440000021
对天线真实指向角进行第一误差估计，其中，
Figure BDA0003358116440000022
为天线真实指向角，
Figure BDA0003358116440000023
为天线指向俯仰角，
Figure BDA0003358116440000024
为真实水平线和误差水平线间夹角。
进一步地，步骤一还包括：步骤1.2、通过公式
Figure BDA0003358116440000025
对天线真实指向角进行第一误差估计，其中，
Figure BDA0003358116440000026
表示擦地角，
Figure BDA0003358116440000027
表示波束偏离中心的角度，Z表示载机无线电高度，Ri表示距离门i处的距离，ΔdBi为杂波功率变化，K为比例系数。
进一步地，步骤二具体为：主波束增益和偏置角关系为
Figure BDA0003358116440000028
其中，
Figure BDA00033581164400000214
为偏置角并且
Figure BDA0003358116440000029
dB为主波束增益。
进一步地，步骤三包括：步骤3.1、根据步骤1.2中的公式以及公式
Figure BDA00033581164400000210
获得天线真实指向角，其中，N表示使用的杂波数据单元数。
进一步地，步骤三还包括：步骤3.2、将步骤3.1与步骤1.1结合，得到天线波束指向误差自适应估计表达式
Figure BDA00033581164400000211
其中，
Figure BDA00033581164400000212
是平均指令俯仰角，
Figure BDA00033581164400000213
为指向误差。
进一步地，步骤四具体为：使载机选择平缓地形区域进行平稳飞行，并使载机采用重叠扫描方法进行扫描，且通过扫描速度、波束宽度以及帧间时间对重叠范围进行估算。
进一步地，步骤五具体为：步骤5.1、按照步骤四的载机扫描策略录取回波数据，并将录取的回波数据应用到步骤3.1中拟合得到设定范围内的指向误差；步骤5.2、将步骤5.1中的结果通过公式
Figure BDA0003358116440000031
和
Figure BDA0003358116440000032
获得横滚向和俯仰向的误差分量，其中，ΔRoll为横滚向的误差分量，ΔPitch为俯仰向的误差分量，
Figure BDA0003358116440000033
为在90°时的指向误差，
Figure BDA0003358116440000034
为在-90°时的指向误差。
与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例通过天线波束几何形状和接受杂波信号功率估算天线指向误差，并解耦出误差分量，然后把误差分量送入空域稳定程序中，提高天线指向精度，实现气象目标的精确探测与显示，改善气象雷达探测性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中固定方位角指向误差几何示意图；
图2是主波束增益与偏置角近似关系示意图；
图3是本发明实施例的方位扫描策略的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，包括以下步骤：
步骤一、计算波束指向误差方程；
步骤二、计算主波束增益和偏置角关系方程；
步骤三、通过步骤一和步骤二的波束指向误差方程和主波束增益和偏置角关系方程，进行波束指向误差自适应估计；
步骤四、进行载机扫描策略设定；
步骤五、根据设定的载机扫描策略进行波束指向误差分解。
本发明实施例通过天线波束几何形状和接受杂波信号功率估算天线指向误差，并解耦出误差分量，然后把误差分量送入空域稳定程序中，提高天线指向精度，实现气象目标的精确探测与显示，改善气象雷达探测性能。
步骤一包括：
步骤1.1、通过公式
Figure BDA0003358116440000041
对天线真实指向角进行第一误差估计，其中，
Figure BDA0003358116440000042
为天线真实指向角，
Figure BDA0003358116440000043
为天线指向俯仰角，
Figure BDA0003358116440000044
为真实水平线和误差水平线间夹角。
步骤1.2、通过公式
Figure BDA0003358116440000045
对天线真实指向角进行第一误差估计，其中，
Figure BDA0003358116440000046
表示擦地角，
Figure BDA0003358116440000047
表示波束偏离中心的角度，Z表示载机无线电高度，Ri表示距离门i处的距离，ΔdBi为杂波功率变化，K为比例系数。
如图1所示，在机载气象雷达天线存在指向误差时，其系统发出的指令俯仰角和实际的俯仰指向不一致，但存在一定的关系，该关系可以通过上述两组不同参数导出为方程。
由雷达主波束增益方向图曲线，可以得到偏离中心轴线一定方位角的功率变化幅度，进而得到主波束增益和偏置角关系方程，通常做法是测量并绘制单向天线仰角增益方向图，如图2所示，其中归一化天线增益以分贝为单位绘制为视轴偏移角的函数。
步骤二具体为：主波束增益和偏置角关系为
Figure BDA0003358116440000051
其中，
Figure BDA0003358116440000052
为偏置角并且
Figure BDA0003358116440000053
dB为主波束增益。
结合实际杂波环境应用中，取多方位角数据，多距离门数据求取参数平均值，并把采集回波数据的测量值代入误差计算方程中，即可得到波束指向误差的自适应估计值。
步骤三包括：步骤3.1、根据步骤1.2中的公式以及公式
Figure BDA0003358116440000057
获得天线真实指向角，其中，N表示使用的杂波数据单元数。
步骤3.2、将步骤3.1与步骤1.1结合，得到天线波束指向误差自适应估计表达式
Figure BDA0003358116440000054
其中，
Figure BDA0003358116440000055
是平均指令俯仰角，
Figure BDA0003358116440000056
为指向误差。
载机飞行时，进行误差校准补偿程序中，应优先选择平缓地带，平稳飞行，根据当前地理位置信息，自动选择合适俯仰波束指向和方位扫描范围包括±90度范围，使得雷达波束完全照射到地面，回波能明显区分出杂波带。
步骤四具体为：使载机选择平缓地形区域进行平稳飞行，并使载机采用重叠扫描方法进行扫描，且通过扫描速度、波束宽度以及帧间时间对重叠范围进行估算。
载机按照合理的扫描策略完成雷达杂波数据录取后，通过波束指向误差自适应估计可以得到不同方位角下的误差估计值，该误差估计值可通过方程分解为俯仰、横滚误差分量，把误差分量送入稳定补偿中，即可达到天线指向精度自适应。
步骤五具体为：
步骤5.1、按照步骤四的载机扫描策略录取回波数据，并将录取的回波数据应用到步骤3.1中拟合得到设定范围内的指向误差；
步骤5.2、将步骤5.1中的结果通过公式
Figure BDA0003358116440000061
和
Figure BDA0003358116440000062
获得横滚向和俯仰向的误差分量，其中，ΔRoll为横滚向的误差分量，ΔPitch为俯仰向的误差分量，
Figure BDA0003358116440000063
为在90°时的指向误差，
Figure BDA0003358116440000064
为在-90°时的指向误差。
本发明实施例的具体应用实例如下：
如图1所示，真实水平线和误差水平线间夹角
Figure BDA0003358116440000065
即为误差估计，规定逆时针角度为正值，顺时针角度为负值，雷达天线稳定系统试图将天线指向俯仰角
Figure BDA0003358116440000066
由于存在误差，天线真实指向角为
Figure BDA0003358116440000067
因此存在如下关系方程：
Figure BDA0003358116440000068
同样的
Figure BDA0003358116440000069
表示擦地角，
Figure BDA00033581164400000610
表示波束偏离中心的角度，计算如下：
Figure BDA00033581164400000611
Figure BDA00033581164400000612
其中，Z表示载机无线电高度，Ri表示距离门i处的距。
如图1中天线真实指向角
Figure BDA00033581164400000613
也与擦地角
Figure BDA00033581164400000614
和波束偏离中心角度
Figure BDA00033581164400000615
存在以下关系方程：
Figure BDA00033581164400000616
如图2所示，由主波束增益方向图和偏置角近似关系：
Figure BDA00033581164400000617
其中用
Figure BDA00033581164400000618
代替
Figure BDA00033581164400000619
使用多项式最小二乘回归方法计算系数k。
公式(3)即为由天线倾斜的小扰动
Figure BDA00033581164400000620
引起的，接受杂波距离单元i中估计杂波功率变化ΔdB与主波束视轴中线和杂波单元视线间的偏移角关联。
该关系方程仅存在天线主瓣检测的杂波区域有效，旁瓣区域检测无效，因此公式(5)中需满足角度偏置范围中天线增益在0dB和-15dB之间部分。
在正常载机扫描中，可利用杂波数据单元很多，因此等式(4)采用平均值，同时把等式(2)和等式(3)进行替换，得到多个数据求平均获得的天线真实指向角
Figure BDA0003358116440000071
Figure BDA0003358116440000072
其中，N表示使用的杂波数据单元数。
把等式(6)和等式(1)结合带入即可得到天线波束指向误差自适应估计表达式：
Figure BDA0003358116440000073
其中，
Figure BDA0003358116440000074
是平均指令俯仰角。
载机飞行指向误差自适应补偿程序时，优先选择平缓地形区域，在该过程中需要保持载机平稳飞行，一种典型的方位关系策略如图3所示，范围包括±90度，并且相互间有很大的重叠部分，实际中通过扫描速度和波束宽度以及帧间时间来估算重叠范围。
按照上述的载机扫描策略录取回波数据，使用上述的天线波束指向误差自适应估计计算公式，拟合得到±90范围内指向误差
Figure BDA0003358116440000075
其中j表示不同方位角。
横滚向ΔRoll、俯仰向ΔPitch误差分量可通过以下公式解耦分解，然后把误差分量送入稳定补偿程序中。
Figure BDA0003358116440000076
Figure BDA0003358116440000077
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (8)

1.一种机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、计算波束指向误差方程；
步骤二、计算主波束增益和偏置角关系方程；
步骤三、通过所述步骤一和所述步骤二的波束指向误差方程和主波束增益和偏置角关系方程，进行波束指向误差自适应估计；
步骤四、进行载机扫描策略设定；
步骤五、根据设定的载机扫描策略进行波束指向误差分解。
2.根据权利要求1所述的机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，其特征在于，所述步骤一包括：
步骤1.1、通过公式
Figure FDA0003358116430000011
对天线真实指向角进行第一误差估计，其中，
Figure FDA0003358116430000012
为天线真实指向角，
Figure FDA0003358116430000013
为天线指向俯仰角，
Figure FDA0003358116430000014
为真实水平线和误差水平线间夹角。
3.根据权利要求2所述的机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，其特征在于，所述步骤一还包括：步骤1.2、通过公式
Figure FDA0003358116430000015
对天线真实指向角进行第一误差估计，其中，
Figure FDA0003358116430000016
表示擦地角，
Figure FDA0003358116430000017
表示波束偏离中心的角度，Z表示载机无线电高度，Ri表示距离门i处的距离，ΔdBi为杂波功率变化，K为比例系数。
4.根据权利要求3所述的机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，其特征在于，所述步骤二具体为：主波束增益和偏置角关系为
Figure FDA0003358116430000018
其中，
Figure FDA0003358116430000019
为偏置角并且
Figure FDA00033581164300000110
dB为主波束增益。
5.根据权利要求4所述的机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，其特征在于，所述步骤三包括：步骤3.1、根据所述步骤1.2中的公式以及公式
Figure FDA0003358116430000021
获得天线真实指向角，其中，N表示使用的杂波数据单元数。
6.根据权利要求5所述的机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，其特征在于，所述步骤三还包括：步骤3.2、将步骤3.1与步骤1.1结合，得到天线波束指向误差自适应估计表达式
Figure FDA0003358116430000022
其中，
Figure FDA0003358116430000023
是平均指令俯仰角，
Figure FDA0003358116430000024
为指向误差。
7.根据权利要求6所述的机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，其特征在于，所述步骤四具体为：使载机选择平缓地形区域进行平稳飞行，并使载机采用重叠扫描方法进行扫描，且通过扫描速度、波束宽度以及帧间时间对重叠范围进行估算。
8.根据权利要求7所述的机载气象雷达天线波束指向自适应信号处理方法，其特征在于，所述步骤五具体为：
步骤5.1、按照步骤四的载机扫描策略录取回波数据，并将录取的回波数据应用到步骤3.1中拟合得到设定范围内的指向误差；
步骤5.2、将所述步骤5.1中的结果通过公式
Figure FDA0003358116430000025
和
Figure FDA0003358116430000026
获得横滚向和俯仰向的误差分量，其中，ΔRoll为横滚向的误差分量，ΔPitch为俯仰向的误差分量，
Figure FDA0003358116430000027
为在90°时的指向误差，
Figure FDA0003358116430000028
为在-90°时的指向误差。
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