CN114720967A - 空对地自适应边界实时波束扫描方法 - Google Patents

空对地自适应边界实时波束扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于相控阵雷达技术领域，具体涉及空对地自适应边界实时波束扫描方法，相控阵雷达波束的捷变能力可以实现灵活的搜索扫描策略，雷达在扫描时采取合适的搜索扫描方法设计波控角序列才能有效保证搜索捕获域较高的覆盖率和较低的漏扫率，实现快速准确的捕获目标。本发明针对空地模式下，地面搜索捕获域为特定搜索区域，在笛卡尔坐标系下建立了瞬时捕获域和搜索捕获域的数学模型，利用地面波束足迹与搜索边界的关系，实时计算下一帧波控角，实现搜索捕获域的完美覆盖，解决波束重叠率高浪费搜索时间以及漏扫范围大的问题。

Description

空对地自适应边界实时波束扫描方法
技术领域
本发明属于相控阵雷达技术领域，具体涉及一种空对地自适应边界实时波束扫描方法。
背景技术
当相控阵雷达位于空中时，根据雷达和目标的位置关系，探测方式分为空对空和空对地。其中空对空搜索方式在搜索扫描设计过程中约束边界为对称的二维角度范围，根据波束宽度设计可以合理覆盖约束边界。而空对地模式的约束边界为地平面的坐标范围，直接套用空对空模式在极坐标系下根据波束宽度设计覆盖区域的方式将不适用因不同的雷达-目标几何关系，波束在地面的投影的瞬时捕获域不同，可能会造波束重叠率高浪费搜索时间的问题。且平台运动速度较大时，设计的覆盖范围与实际覆盖范围会有出入，造成漏扫范围大的问题。
空地模式雷达平台搜索扫描常用的模式是固定下视角，雷达平台在方位向扫描，扫描线由一行转到另一行靠雷达平台的飞行来实现，在扫描过程中每行的波束个数是确定的，只能适应地面区域为矩形或正方形，难以实现圆形等其他形状约束边界的覆盖。并且俯仰向行与行之间的覆盖率是由雷达平台的运动速度决定，无法自适应调整，会造成波束重叠率高浪费搜索时间的问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供空对地自适应边界实时波束扫描方法，在笛卡尔坐标系下建立了瞬时捕获域和搜索捕获域的数学模型，利用地面波束足迹与搜索边界的关系，实时计算下一帧波控角，实现搜索捕获域的完美覆盖，解决波束重叠率高浪费搜索时间以及漏扫范围大的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：空对地自适应边界实时波束扫描方法，本方法在笛卡尔坐标系下建立瞬时捕获域和搜索域的数学模型，具体扫描步骤如下：
第1步：判断每行波束X坐标是否满足在搜索范围内，满足判断条件执行步骤2~4，如果不满足终止扫描，判断公式为：
Figure RE-47947DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure RE-879637DEST_PATH_IMAGE002
为每行波束的X坐标，
Figure RE-460267DEST_PATH_IMAGE003
为目标的纵坐标，
Figure RE-351999DEST_PATH_IMAGE004
为半径，
Figure RE-67015DEST_PATH_IMAGE005
为椭圆长轴短端的距离；
第2步：判断每行波束中心坐标是否满足判断条件，判断条件为波束中心坐标到搜索圆中心坐标的距离是否小于搜索圆径加该行对应最中间波束长轴短端距离的一个比值，判断依据为：
Figure RE-718707DEST_PATH_IMAGE006
式中
Figure RE-140461DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure RE-203095DEST_PATH_IMAGE008
分为对应波束中心的X坐标和Z坐标，
Figure RE-624980DEST_PATH_IMAGE003
为目标的纵坐标，
Figure RE-939418DEST_PATH_IMAGE009
为目标的横坐标，
Figure RE-215678DEST_PATH_IMAGE004
为半径，
Figure RE-511531DEST_PATH_IMAGE010
为椭圆长轴短端的距离，k为调节系数，k的取值范围为0~1；
第3步：根据当前雷达平台的位置和速度预测下一帧的雷达平台的位置，根据该行与之相对应的波束中心坐标计算出波控角，打出当前波束，计算波控角前需要根据波束中心坐标和雷达平台的位置计算出视线单位矢量
Figure RE-621044DEST_PATH_IMAGE011
:
Figure RE-863807DEST_PATH_IMAGE012
式中
Figure RE-56891DEST_PATH_IMAGE013
为波束中心坐标，Pm为雷达平台的位置；
经过天线—雷达平台—场景转化矩阵得到北天东坐标系下的阵面法向、方位向和俯仰向，计算出波束离轴角
Figure RE-477639DEST_PATH_IMAGE014
与旋转角
Figure RE-592226DEST_PATH_IMAGE015
，进一步可在天线坐标系下计算出波束方位角和俯仰角，方位偏离角和俯仰偏离角通过先方位后俯仰的转动方式，通过离轴角
Figure RE-373100DEST_PATH_IMAGE014
和旋转角
Figure RE-623953DEST_PATH_IMAGE015
可以推算出方位角
Figure RE-543498DEST_PATH_IMAGE016
与俯仰角
Figure RE-427272DEST_PATH_IMAGE017
的计算公式为：
方位角：
Figure RE-215099DEST_PATH_IMAGE018
俯仰角：
Figure RE-382775DEST_PATH_IMAGE019
；
第4步：计算下一行波束的X坐标和判断条件，计算下一行波束的X坐标，首先要计算前一行波束长轴短端的距离，再计算下一行波束的X坐标，计算公式为：
Figure RE-394594DEST_PATH_IMAGE020
式中
Figure RE-497154DEST_PATH_IMAGE021
为雷达平台的位置，
Figure RE-619831DEST_PATH_IMAGE022
为雷达平台的X坐标，
Figure RE-127167DEST_PATH_IMAGE023
代表的是雷达平台高度，
Figure RE-106624DEST_PATH_IMAGE024
为波束中心X坐标，
Figure RE-683099DEST_PATH_IMAGE025
为俯仰向半波束宽度，
Figure RE-94620DEST_PATH_IMAGE026
为计算的波束长轴短端的距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1）能够适应地面特定边界条件下的区域覆盖，相比于在斜平面下设计波束覆盖，约束条件在地面的情况，可以避免波束从斜平面到地平面投影波束形变与实际地平面约束范围不同而造成的波束浪费或覆盖不足的情况，保证搜索捕获域较高的覆盖率和较低的漏扫率，实现快速准确的捕获目标。
2）实时设计，根据当前雷达平台的位置和速度预测下一帧雷达平台的位置。由于雷达平台是运动的，雷达平台运动对俯仰向波束影响较大所以如果在波束扫描前就确定所有波控角，会造成波束覆盖效果与预先设计波束覆盖效果不符，而实时设计就可以解决这个问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述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为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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他的附图。
图1为本发明雷达平台扫描示意图；
图2为本发明波束设计场景介绍示意图；
图3（a）为本发明波束设计场景坐标系、（b）为场景坐标系俯视图；
图4为本发明波束扫描方法流程图；
图5为本发明离轴角、旋转角、方位角和俯仰角示意图，（a）为北天东坐标系下波束的离轴角
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE027
和旋转角
Figure RE-518779DEST_PATH_IMAGE028
示意图，（b）为天线坐标系下波束的方位角
Figure RE-934717DEST_PATH_IMAGE029
与俯仰角
Figure RE-746291DEST_PATH_IMAGE030
示意图；
图6为本发明计算下一行波束X坐标示意图；
图7为本发明目标到雷达平台距离为60km，高度为15km的波束覆盖图；
图8为本发明目标到雷达平台距离为50km，高度为15km的波束覆盖图；
图9为本发明目标到雷达平台距离为40km，高度为15km的波束覆盖图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。
当搜索捕获域边界条件为圆域时，如图1所示为雷达平台扫描示意图，从图中可以看出在不同的几何关系下，在地面的瞬时捕获域也不相同，本发明可以根据当前雷达平台位置和波束中心坐标实现逐帧设计，图中OXY为地平面，椭圆ABCD和EFGH为雷达平台瞬时视场在地平面的投影，即雷达的瞬时捕获域。
如图2所示为波束设计场景图，从图3（a）所示位置开始沿箭头方向朝目标运动，定义雷达平台飞行方向为X轴，垂直地面方向为Y轴，右手定则定义Z轴方向，以搜索圆域的近端为起始，以行的方式推扫，覆盖整个圆域；图3（b）是场景坐标系俯视图，图中箭头所指方向为波束扫描方式。
如图4所示为波束扫描流程图，空对地自适应边界实时波束扫描方法，具体扫描步骤如下：
第1步：判断每行波束X坐标（与图3场景坐标系中X轴相对应）是否满足在搜索范围内，满足判断条件执行步骤2~4，如果不满足终止扫描。判断第1步是为了确定在特定几何条件下俯仰向扫描几行就能覆盖搜索区域判断公式为：
Figure RE-476349DEST_PATH_IMAGE031
（1）
式中
Figure RE-207545DEST_PATH_IMAGE032
为每行波束的X坐标，
Figure RE-482800DEST_PATH_IMAGE033
为目标的纵坐标，
Figure RE-299446DEST_PATH_IMAGE034
为半径，
Figure RE-567616DEST_PATH_IMAGE035
为椭圆长轴短端的距离；
第2步：判断每行波束中心坐标是否满足判断条件。第二步判断是为了实现波束交叠，既不会造成漏扫也不会造成资源浪费，判断条件为波束中心坐标到搜索圆中心坐标的距离是否小于搜索圆径加该行对应最中间波束长轴短端距离的一个比值。这样做的原因是：随着雷达平台的移动，雷达平台到目标的距离在改变，对应的波束足迹也不相同，所以在每行波束足迹覆盖之后计算该行最中间波束长轴短端距离。这个比值需在不同几何关系下验证得到，能够实现波束足迹覆盖圆域效果较好。
判断依据为：
Figure RE-372892DEST_PATH_IMAGE036
（2）
式中
Figure RE-333895DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure RE-106679DEST_PATH_IMAGE038
分为对应波束中心的X坐标和Z坐标，
Figure RE-178540DEST_PATH_IMAGE039
为目标的纵坐标，
Figure RE-838323DEST_PATH_IMAGE040
为目标的横坐标，
Figure RE-704648DEST_PATH_IMAGE041
为半径，
Figure RE-230307DEST_PATH_IMAGE042
为椭圆长轴短端的距离，k为调节系数，k的取值范围为0~1；
第3步：根据当前雷达平台的位置和速度预测下一帧的雷达平台的位置，根据该行与之相对应的波束中心坐标计算出波控角，打出当前波束，计算波控角前需要根据波束中心坐标和雷达平台的位置计算出视线单位矢量
Figure RE-840280DEST_PATH_IMAGE043
：
Figure RE-72678DEST_PATH_IMAGE044
（3）
式中
Figure RE-123286DEST_PATH_IMAGE045
为波束中心坐标，Pm为雷达平台的位置；
经过天线—雷达平台—场景转化矩阵得到北天东坐标系下的阵面法向、方位向和俯仰向，计算出波束离轴角
Figure RE-73925DEST_PATH_IMAGE046
与旋转角
Figure RE-487588DEST_PATH_IMAGE047
，进一步可在天线坐标系下计算出波束方位角和俯仰角即波控角，在北天东坐标系下波束的离轴角
Figure RE-636810DEST_PATH_IMAGE046
和旋转角
Figure RE-313779DEST_PATH_IMAGE047
示意图如图5中（a）所示，天线坐标系下波束的方位角
Figure RE-282872DEST_PATH_IMAGE048
与俯仰角
Figure RE-782118DEST_PATH_IMAGE049
示意图如图5中（b）所示：
方位偏离角和俯仰偏离角通过先方位后俯仰的转动方式，通过离轴角
Figure RE-785846DEST_PATH_IMAGE050
和旋转角
Figure RE-368137DEST_PATH_IMAGE051
可以推算出方位角
Figure RE-824526DEST_PATH_IMAGE052
与俯仰角
Figure RE-330725DEST_PATH_IMAGE053
的计算公式为：
方位角：
Figure RE-454539DEST_PATH_IMAGE054
（4）
俯仰角：
Figure RE-473310DEST_PATH_IMAGE055
（5）
第4步：计算下一行波束的X坐标和判断条件（与步骤1和步骤2判断波束是否能较好覆盖搜索圆域），然后重复步骤1~3，计算下一行波束的X坐标，首先要计算前一行波束长轴短端的距离，再计算下一行波束的X坐标，计算公式为：
Figure RE-416995DEST_PATH_IMAGE056
（6）
Figure RE-710573DEST_PATH_IMAGE057
（7）
Figure RE-439626DEST_PATH_IMAGE058
（8）
式中
Figure RE-426037DEST_PATH_IMAGE059
为雷达平台的位置，
Figure RE-60280DEST_PATH_IMAGE060
为雷达平台的X坐标，
Figure RE-157549DEST_PATH_IMAGE061
代表的是雷达平台高度，
Figure RE-990376DEST_PATH_IMAGE062
为波束中心X坐标，
Figure RE-918928DEST_PATH_IMAGE063
表示如图6所示为计算下一行波束X坐标示意图，
Figure RE-837206DEST_PATH_IMAGE064
为俯仰向半波束宽度，
Figure RE-472586DEST_PATH_IMAGE065
为计算的波束长轴短端的距离。
如图7所示为本发明目标到雷达平台距离为60km，高度为15km的波束覆盖图；
如图8所示为本发明目标到雷达平台距离为50km，高度为15km的波束覆盖图；
如图9所示为本发明目标到雷达平台距离为40km，高度为15km的波束覆盖图；
需要说明的是：图7、8、9中横轴对应图3（a）中的Z轴，纵轴对应图3（b）中的X轴。
本发明针对空地模式下，地面搜索捕获域为特定搜索区域，在笛卡尔坐标系下建立了瞬时捕获域和搜索捕获域的数学模型，利用地面波束足迹与搜索边界的关系，实时计算下一帧波控角，实现搜索捕获域的完美覆盖，保证搜索捕获域较高的覆盖率和较低的漏扫率，实现快速准确的捕获目标，解决波束重叠率高浪费搜索时间以及漏扫范围大的问题。
本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.空对地自适应边界实时波束扫描方法，本方法在笛卡尔坐标系下建立瞬时捕获域和搜索域的数学模型，其特征在于，具体扫描步骤如下：
第1步：判断每行波束X坐标是否满足在搜索范围内，满足判断条件执行步骤2~4，如果不满足终止扫描，判断公式为：
Figure RE-167014DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure RE-691536DEST_PATH_IMAGE002
为每行波束的X坐标，
Figure RE-180286DEST_PATH_IMAGE003
为目标的纵坐标，
Figure RE-714036DEST_PATH_IMAGE004
为半径，
Figure RE-768579DEST_PATH_IMAGE005
为椭圆长轴短端的距离；
第2步：判断每行波束中心坐标是否满足判断条件，判断条件为波束中心坐标到搜索圆中心坐标的距离是否小于搜索圆径加该行对应最中间波束长轴短端距离的一个比值，判断依据为：
Figure RE-932845DEST_PATH_IMAGE006
式中
Figure RE-721940DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure RE-528222DEST_PATH_IMAGE008
分为对应波束中心的X坐标和Z坐标，
Figure RE-906114DEST_PATH_IMAGE009
为目标的纵坐标，
Figure RE-38018DEST_PATH_IMAGE010
为目标的横坐标，
Figure RE-298098DEST_PATH_IMAGE011
为半径，
Figure RE-111333DEST_PATH_IMAGE012
为椭圆长轴短端的距离，k为调节系数，k的取值范围为0~1；
第3步：根据当前雷达平台的位置和速度预测下一帧的雷达平台的位置，根据该行与之相对应的波束中心坐标计算出波控角，打出当前波束，计算波控角前需要根据波束中心坐标和雷达平台的位置计算出视线单位矢量
Figure RE-888272DEST_PATH_IMAGE013
:
Figure RE-987815DEST_PATH_IMAGE014
式中
Figure RE-672874DEST_PATH_IMAGE015
为波束中心坐标，Pm为雷达平台的位置；
经过天线—雷达平台—场景转化矩阵得到北天东坐标系下的阵面法向、方位向和俯仰向，计算出波束离轴角
Figure RE-352117DEST_PATH_IMAGE016
与旋转角
Figure RE-720913DEST_PATH_IMAGE017
，进一步可在天线坐标系下计算出波束方位角和俯仰角，方位偏离角和俯仰偏离角通过先方位后俯仰的转动方式，通过离轴角
Figure RE-460199DEST_PATH_IMAGE016
和旋转角
Figure RE-632554DEST_PATH_IMAGE017
可以推算出方位角
Figure RE-849909DEST_PATH_IMAGE018
与俯仰角
Figure RE-853637DEST_PATH_IMAGE019
的计算公式为：
方位角：
Figure RE-701507DEST_PATH_IMAGE020
俯仰角：
Figure RE-174208DEST_PATH_IMAGE021
；
第4步：计算下一行波束的X坐标和判断条件，计算下一行波束的X坐标，首先要计算前一行波束长轴短端的距离，再计算下一行波束的X坐标，计算公式为：
Figure RE-132936DEST_PATH_IMAGE022
式中
Figure RE-991171DEST_PATH_IMAGE023
为雷达平台的位置，
Figure RE-9943DEST_PATH_IMAGE024
为雷达平台的X坐标，
Figure RE-953628DEST_PATH_IMAGE025
代表的是雷达平台高度，
Figure RE-778364DEST_PATH_IMAGE026
为波束中心X坐标，
Figure RE-694368DEST_PATH_IMAGE027
为俯仰向半波束宽度，
Figure RE-165932DEST_PATH_IMAGE028
为计算的波束长轴短端的距离。
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CN111142099A (zh) * 2020-01-06 2020-05-12 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） 解决球面相控阵天线跟踪过顶盲捕目标的方法

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CN111142099B (zh) * 2020-01-06 2023-09-29 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） 解决球面相控阵天线跟踪过顶盲捕目标的方法

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