CN116136586A - 一种一维相控阵雷达搜索模式与跟踪模式切换方案 - Google Patents

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刘晓曼
李洪涛
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Abstract

本发明提出了一种一维相控阵雷达搜索模式与跟踪模式切换方案，包括搜索模式切换为跟踪模式、跟踪模式的维持与更新、跟踪模式切换为搜索模式三部分。雷达开机后以搜索模式工作，选中跟踪航迹后，上位机外推航迹并计算转台指向角和波束抬升角。当转台转到指向角的角度小于阈值时，上位机控制转台停止并发送相应的转台配置指令。在跟踪过程中，若航迹的方位角或俯仰角与波束中心的差值超过阈值，则计算转台指向角和波束抬升角后发送配置指令。从跟踪模式切入搜索模式时，首先将所跟踪的航迹置入对应的扇区中，再控制转台停止并发送相应的转台转动指令。跟传统切换方案相比，本方案能获得较强目标回波并减少模式切换所需时间，提高了探测精度与效率。

Description

一种一维相控阵雷达搜索模式与跟踪模式切换方案
技术领域
本发明属于相控阵雷达技术领域。
背景技术
相控阵雷达利用大量阵元构成的相位可变天线阵面来合成雷达波束，从根本上解决了传统机械扫描方式的许多缺陷，能够具备同时多波束独立合成控制、同时多目标跟踪处理、搜索-跟踪同时多任务并发等突出的能力和强大的灵活性。相控阵雷达的无惯性快速扫描以及灵活多变的波束指向，使其具有高数据率以及反应快速的特性。一维相控阵雷达具有搜索-跟踪任务并发的能力，拥有多维雷达的功能，在军事和实际生活中得到了广泛的应用。然而在实际使用中，相控阵雷达模式的切换需要耗费一定的时间，使得搜索-跟踪任务并发的机制在实践中不能取得理想的效果。并且，波束抬升的策略也会影响到探测精度，这些因素都影响了相控阵雷达的实际使用效果。目前，如何在实际工程中，提高探测的时间效率、提升探测精确度的相关研究成果较少，而本方案可以很好地解决这些问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一维相控阵雷达搜索模式与跟踪模式切换的方案。雷达开机后，首先处于搜索模式，当收到对某个航迹进行跟踪的指令后，雷达从搜索模式转入跟踪模式。上位机首先计算转台从当前位置转向目标位置所需的时间，根据此时间外推航迹，更新方位角和俯仰角信息。再根据更新后的方位角和俯仰角计算出转台的初始转向角和初始波束抬升角。其中初始转向角为更新后的目标方位角，初始波束抬升角由更新后的目标位置与当前波束中心在俯仰上的角度差决定，若角度差超过设定的阈值，则初始波束抬升角以0.5度为单位进行更新；若未超过0.5度，则初始波束抬升角取值为0。之后控制转台旋转至与目标位置的夹角小于等于所设定的阈值时停下，此时发送指令控制转台停止。转台停止后再发送初始指向角和初始抬升角的配置指令，转台根据指令转动，转向目标位置，同时清空除了选中航迹之外的其他航迹，雷达进入跟踪模式。雷达在跟踪模式的过程中，上位机根据航迹更新方位角与俯仰角，并实时调整转台的指向角和波束抬升角，使目标始终保持在波束中心附近。其中，波束抬升角的更新依然取决于目标位置与当前波束中心在俯仰上的角度差，若角度差超过设定的阈值，则波束抬升角以0.5度为单位进行更新；若未超过0.5度，则波束抬升角取值为0。当收到退出跟踪指令或连续丢失目标的次数大于所设定的阈值时，雷达从跟踪模式切入搜索模式。首先将当前所跟踪的航迹保存到搜索模式下对应的扇区中，然后先控制转台停止再发出相应的转台转动指令，转台收到指令后转动，雷达进入搜索模式。
实现本发明目的的技术解决方案为：
步骤1：雷达开机后，首先工作于搜索模式，转台顺时针转动对360度进行全方位搜索，探测目标并建立航迹，此时，雷达操作员或指控中心可以选择某个航迹进入跟踪模式。
步骤2：在收到进入跟踪模式的指令后，上位机首先根据选中航迹的方位和当前的转台位置，计算转台转动到目标方位需要的时间；然后基于此时间外推航迹，更新方位角和俯仰角信息；最后，基于更新后的方位和俯仰计算得到跟踪模式的初始转台指向角和初始波束抬升角。
步骤3：当转台当前的指向角转动到初始指向角所跨越的角度小于等于预定的阈值时，上位机首先发送转台停止指令，转台停止后再发送初始指向角和初始抬升角的配置指令，同时清空除了选中航迹之外的其他航迹，转台收到指令开始转动，精准转向所跟踪的航迹，雷达进入跟踪模式。
步骤4：在跟踪模式过程中，当航迹更新后，如果更新后航迹的方位角或俯仰角与波束中心的角度差超过预设的阈值，则上位机根据航迹的方位角和俯仰角再次计算转台指向角和波束抬升角后发送配置指令。
步骤5：当收到退出跟踪指令或跟踪模式下连续丢失目标的次数大于设定的阈值时，雷达从跟踪模式切入搜索模式，首先将所跟踪的航迹保存到搜索模式下所对应的扇区中，再控制转台停止，之后发送相应的转台转动指令，转台收到指令开始转动，雷达由跟踪模式切入搜索模式。
本发明的有益成果：在雷达从搜索模式切入跟踪模式时，本方案选择先外推航迹，更新目标的方位角和俯仰角，再控制转台转到更新后的目标位置附近停止，此时发出跟踪指令，控制转台精准转向目标位置，而不是在收到跟踪指令后，直接控制转台转向目标位置。此种方案能够减少一维相控阵雷达从搜索模式切换到跟踪模式所需的时间，节省了时间资源，提高了效率。在跟踪过程中，依据航迹对转台指向角和波束抬升角进行实时更新，其中波束抬升角的更新以0.5度为单位步进更新。采用此种更新方式，能在节省资源的同时保证目标始终保持在波束中心的位置，从而使得中心回波的增益最强，有效地提高了信噪比，提升探测精度。
附图说明
图1是一维相控阵雷达由搜索模式与跟踪模式切换方案流程图。
图2是实施例说明图。
具体实施方式
本发明提出了一种一维相控阵雷达搜索模式与跟踪模式切换的方案，主要步骤如下：
步骤1：雷达开机后，首先工作于搜索模式，转台顺时针转动对360度进行全方位搜索，探测目标并建立航迹，此时，雷达操作员或指控中心可以选择某个航迹进入跟踪模式。
步骤2：在收到进入跟踪模式的指令后，上位机首先根据选中的航迹方位和当前的转台位置，计算转台转动到目标方位需要的时间；然后基于此时间外推航迹，更新方位角和俯仰角信息；最后，基于更新后的方位和俯仰计算得到跟踪模式的初始转台指向角和初始波束抬升角。转台转动到目标方位所需时间的计算公式为：
Figure RE-GSB0000197788080000031
其中，t为转台转向目标位置所需的时间，ω为转台转动的速度，θ为转台转动到目标方位所跨越的角度。θ的计算公式为：
Figure RE-GSB0000197788080000032
其中，α是以正北方向为0°，顺时针旋转至目标位置所跨越的角度，β是以正北方向为0°，顺时针旋转至当前转台指向方向所跨越的角度。
计算出转台转动到目标方位所需要的时间后，根据此时间外推航迹，更新方位角和俯仰角。目标位置基于三维坐标系外推的计算公式为：
Figure RE-GSB0000197788080000041
其中，(x′，y′，z′)是目标外推后的坐标，(x，y，z)为当前测到的目标坐标，(vx，vy，vz)当前目标的径向速度分别在x、y、z三个坐标轴上的分量，t为之前计算出的转台转向目标位置所需的时间。
依据外推后的航迹更新方位角和俯仰角，方位角的更新公式为：
Figure RE-GSB0000197788080000042
俯仰角的更新公式为：
Figure RE-GSB0000197788080000043
根据更新后的方位角和俯仰角计算跟踪模式的初始转台指向角和初始波束抬升角，初始转台指向角的大小即为方位角的大小，初始波束抬升角由更新后的目标位置与当前波束中心在俯仰上的角度差决定，若角度差超过设定的阈值，则初始波束抬升角以0.5度为单位进行更新；若未超过0.5度，则初始波束抬升角取值为0。
步骤3：当转台当前的指向角转动到初始指向角的角度小于等于预定的阈值时，上位机先发送转台停止指令，转台停止后再发送初始指向角和初始抬升角的配置指令，同时清空除了选中航迹之外的其他航迹，转台收到指令开始转动，精准转向所跟踪的航迹，雷达进入跟踪模式。
步骤4：在跟踪模式过程中，当航迹更新后，如果更新后航迹的方位角或俯仰角与波束中心的角度差超过预设的阈值，则上位机根据航迹的方位角和俯仰角再次计算转台指向角和波束抬升角后发送配置指令。转台指向角为更新后航迹的方位角，波束抬升角依然由更新后航迹的方位角与当前波束中心在俯仰上的角度差决定，若角度差超过设定的阈值，则波束抬升角以0.5度为单位进行更新；若未超过0.5度，则波束抬升角取值为0。
步骤5：当收到退出跟踪指令或跟踪模式下连续丢失目标的次数大于设定的阈值时，雷达从跟踪模式切入搜索模式，首先将所跟踪的航迹保存到搜索模式下所对应的扇区中，再控制转台停止，之后发送相应的转台转动指令，转台收到指令开始转动，雷达由跟踪模式切入搜索模式。
实施例：如图2所示，假设所需跟踪目标此时与雷达的径向距离为300米，在雷达北偏东45°，与水平面夹角约为19.47°的位置，以15m/s的速度远离雷达移动。以雷达为中心建立三维坐标系，目标此刻在三维坐标系上的位置分量 (x，y，z)为(200，200，100)，速度分量(vx，vy，vz)为(10，10，5)。假设转台在搜索模式下的转速为3秒一圈，即120°/s，在跟踪模式下的转速为8秒一圈，即45°/s。此刻转台指向正东方向，即角β为90°，波束中心在俯仰上的角度为20°。选择所要跟踪的航迹后，雷达进入准备跟踪的状态。计算当前转台顺时针转向目标位置的角度差为α-β+360＝315°。若此时直接切换为跟踪模式，则转台以跟踪模式下的速度进行转动，转到目标位置需耗时7s。若按照本文方案，先计算搜索模式下转台转向目标位置所需的时间为2.625s，依据此时间外推目标位置，外推后的目标位置(x′，y′，z′)为(226.25，226.25，113.125)，目标方位更新为45°。上位机发送指令控制转台在距离目标方位15°处停下，耗时2.5s，此时，上位机发出跟踪指令，转台精准转向目标位置，耗时约为0.3s。外推后的目标与波束中心在俯仰上的偏离角为0.53°，大于阈值0.5度，则波束中心需要变化0.5°。波束按照更新后的俯仰进行抬升，雷达正式进入跟踪模式。整个过程一共耗时约为2.8s，比起直接切换成跟踪模式后转向目标位置的方案减少了4.2s，在很大程度上节省了从搜索模式切换成跟踪模式的等待时间。

Claims (4)

1.一种一维相控阵雷达搜索模式与跟踪模式切换方案，其特征在于：在一维相控阵雷达进行搜索模式与跟踪模式的切换时，采取以下步骤进行切换：
步骤1：雷达开机后，首先工作于搜索模式，转台顺时针转动对360度进行全方位搜索，探测目标并建立航迹，此时，雷达操作员或指控中心可以选择某个航迹进入跟踪模式。
步骤2：在收到进入跟踪模式的指令后，上位机首先根据选中航迹的方位和当前的转台位置，计算转台转动到目标方位需要的时间；然后基于此时间外推航迹，更新方位和俯仰角信息；最后，基于更新后的方位和俯仰计算得到跟踪模式的初始转台指向角和初始波束抬升角。
步骤3：当转台当前的指向角转动到初始指向角所跨越的角度小于等于预定的阈值时，上位机首先发送转台停止指令，转台停止后再发送初始指向角和初始抬升角的配置指令，同时清空除了选中航迹之外的其他航迹，转台收到指令开始转动，精准转向所跟踪的航迹，雷达进入跟踪模式。
步骤4：在跟踪模式过程中，当航迹更新后，如果更新后航迹的方位角或俯仰角与波束中心的角度差超过预设的阈值，则上位机根据航迹的方位角和俯仰角再次计算转台指向角和波束抬升角后发送配置指令。
步骤5：当收到退出跟踪指令或跟踪模式下连续丢失目标的次数大于设定的阈值时，雷达从跟踪模式切入搜索模式，首先将所跟踪的航迹保存到搜索模式下所对应的扇区中，再控制转台停止，之后发送相应的转台转动指令，转台收到指令开始转动，雷达由跟踪模式切入搜索模式。
2.根据权利要求1所述的相控阵雷达搜索模式与跟踪模式切换方案，其特征在于：所述的步骤2中，在雷达从搜索模式转入跟踪模式时，先计算转台当前指向角转动到目标位置所跨越的角度，由此计算出转台转动到目标位置所需的时间，然后基于此时间外推航迹，更新目标方位角和俯仰角信息。之后，再基于更新后的方位和俯仰计算得到跟踪模式的初始转台指向角和初始波束抬升角。其中，初始转台指向角为更新后的目标方位角，初始波束抬升角由更新后的目标位置与当前波束中心在俯仰上的角度差决定，若角度差超过设定的阈值，则初始波束抬升角以0.5度为单位进行更新；若未超过0.5度，则初始波束抬升角取值为0。
3.根据权利要求1所述的相控阵雷达搜索模式与跟踪模式切换方案，其特征在于：所述的步骤3中，得到跟踪模式的初始转台指向角和初始波束抬升角之后，没有按照转台直接转向目标位置的传统方案，而是控制转台继续转动，直至转台当前的指向角转动到初始指向角所跨越的角度小于等于预定的阈值，此时，上位机发送转台停止命令，待转台停止后再发送初始指向角和初始抬升角的配置指令，同时删除除了选中航迹之外的其他航迹。转台依据指令转动，转向目标方位，雷达进入跟踪模式。
4.根据权利要求1所述的相控阵雷达搜索模式与跟踪模式切换方案，其特征在于：所述的步骤4中，雷达在跟踪模式过程中，上位机根据更新的航迹实时配置转台的指向角和波束抬升角，以保证目标始终处于波束中心附近。其中，转台指向角更新为目标当前方位角，波束抬升角的更新依然由目标位置与当前波束中心在俯仰上的角度差决定，若角度差超过设定的阈值，则波束抬升角以0.5度为单位进行更新；若未超过0.5度，则波束抬升角取值为0。
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