CN117368864A - 一种高转速全捷联毫米波相控阵雷达系统指向快速标定方法 - Google Patents

Abstract

一种全捷联毫米波相控阵雷达系统指向标定方法，主要步骤包括：将待标定系统安装于三轴转台上，基于设定的标定范围和标定粒度，计算t时刻天线方位波束指向角和俯仰波束指向角理论值，及对应的转台姿态角理论值，控制转台转至该角度；调整相控阵天线波束指向，使目标位于天线波束中心，得到此时天线方位波束指向角和俯仰波束指向角的实际值，以波束指向理论值和实际值之差，作为相控阵在该角度的指向误差，以此完成标定范围内所有角度的标校测试。这是一种系统级的高效标定测试方法，无需精确测定天线各阵元的坐标位置，能兼顾系统各环节误差对波束指向精度的影响，实现快速、高精度的高转速全捷联毫米波相控阵测试标定。

Description

一种高转速全捷联毫米波相控阵雷达系统指向快速标定方法

技术领域

本发明涉及毫米波相控阵雷达系统测试技术领域，特别涉及一种高转速全捷联毫米波相控阵雷达系统指向快速标定方法。

背景技术

相控阵雷达天线的波束扫描不需要克服机械扫描天线的扫描惯性和扫描运动系统的阻尼等不利因素，具有扫描速度快和波束赋形快等常规雷达所不具备的能力，有很大的灵活性，广泛应用于预警、制导、火控和超视距探测等领域。

在制导过程中，天线的波束指向角取决于弹目相对位置关系和弹体姿态。对于典型的平台式雷达系统而言，弹目相对位置、弹体姿态是随时间变化的慢变量，因此平台式雷达系统的波束指向角也是随时间变化的慢变量，短时间内波束指向角的变化幅度较小，对应的指向误差波动较小。与平台式雷达系统不同，高转速全捷联相控阵雷达系统采用全捷联制导体制，相控阵雷达系统直接固连在弹体上。高转速条件下，相控阵天线与弹轴同轴旋转，相控阵天线的波束指向将随弹轴的旋转周期性快速变化，短时间内相控阵天线的波束指向是与转速同频的周期性的正弦分量。相控阵天线不同指向角度的精度不同，指向角度越大精度相对越差。滚转条件下，相控阵天线的波束指向在波峰、波谷间正弦震荡，其指向误差波动范围较大。高转速全捷联制导体制下，弹体控制系统基于相控阵天线的波束指向和弹体姿态对弹体滚转进行解耦，以提取视线角速度进行弹体机动控制。高转速条件下相控阵天线指向精度波动较大，且相控阵天线指向误差与滚转耦合，这两种因素直接影响视线角速度的估计精度，进一步影响命中精度。可见，波束指向精度不仅是相控阵天线的重要技术指标之一，在全捷联跟踪制导领域对相控阵天线的波束指向精度要求更高。

影响全捷联相控阵雷达系统指向精度的因素非常多，难以通过理论分析来确定。相控阵天线的指向误差一部分来源于相控阵天线本身，如相控阵天线的制造、安装环节，例如功分器、移项器、电缆接头等元器件的不一致性，天线阵面结构例如形变、不对称等，使得相控阵天线相位发生变化，引起指向误差。同时，相控阵天线系统中移项器的量化误差、阵元间的互耦作用以及大角度时方向图畸变也直接影响指向精度。此外，指向误差另一部分来源于相控阵天线与雷达系统处理机、弹体的系统级装配等环节，例如射频线缆等器件的不一致性、阵面与弹体的平行度等产生的相位变化影响相控阵天线的指向精度。

现有的相控阵标校方法主要包括平面近场、微波暗室远场两大类。其中，平面近场扫描需要对每个通道逐次扫描，工作量巨大，且不能并行开展，耗时较大。微波暗室远场需要在每个指向角度下进行小范围的扫描，二维空域内对N个角度进行测试标定，需要在2个维度下分别进行N*N次小范围的扫描，该方法工作量巨大，耗时较多。

发明内容

本公开提供一种高转速全捷联毫米波相控阵雷达系统指向快速标定方法，使用相控阵雷达系统进行系统级整体标定，兼顾来自相控阵天线本身和相控阵与其它分机装配过程中产生的指向误差；该方法采用系统跟踪闭环方式，在每个指向角度仅进行一次扫描，通过角偏差修正波束指向，能够有效减少标定工作量，并从而实现高效、快速的高精度测试标定，满足高转速条件下全捷联跟踪制导领域对相控阵天线的波束指向精度的需求。

为实现上述目的，本公开提供的高转速全捷联毫米波相控阵系统指向标定方法，主要包括以下步骤：

将待标定雷达系统安装于测试工装上；

测量天线阵面相对于工装底端标准平面的滚转向平行度Δr；

将测试工装及雷达系统安装于三轴转台上，将转台滚转角调整至-Δr；设置包括方位向和俯仰向的二维标定范围，及标定粒度；

调整转台，使目标模拟系统与雷达系统均处于电磁零位；计算天线坐标系与转台坐标系的空间关系；

基于设定的标定范围和标定粒度，计算t时刻天线方位波束指向角理论值俯仰波束指向角理论值/>并通过天线坐标系与转台坐标系的关系，计算对应的转台姿态角理论值；

控制转台带动雷达系统运动至该转台姿态角理论值位置；

基于相控阵雷达系统的测角结果，调整相控阵天线波束指向，使目标位于天线波束中心，此时天线方位波束指向角实际值俯仰波束指向角实际值/>

基于波束指向角理论值、实际值，获得此时方位角误差俯仰角误差/>

若满足精度μ，则计算相控阵实际指向/>时的指向误差/>

根据设定的标定范围，重复以上步骤，直至以设定粒度完成标定范围内所有角度的标校测试。

进一步的，其中，使用三坐标测量台测量相控阵天线阵面相对于工装底端标准平面的滚转向平行度Δr，具体方法包括：

将待标定雷达系统及工装平放在三坐标测量台上，取天线阵面侧面的3个点形成的平面1，工装平台取3个点形成平面2，测量平面1和平面2之间的平行度，即相控阵天线阵面相对于标准地面的滚转向平行度。

进一步的，计算波束指向角和转台指向角理论值的步骤，具体包括：

S6.1，在方位向标定范围Φ、俯仰向标定范围θ范围内，以方位向标定粒度ΔΦ、俯仰向标定粒度Δθ获取在时刻t相控阵天线的方位波束指向角理论值俯仰波束指向角理论值/>

S6.2，利用天线坐标系与三轴转台坐标系的空间关系：

计算得到转台姿态角理论值，包括偏航角yaw_t、俯仰角pitch_t：

其中，o₁、o₂、o₃分别表示相控阵天线坐标系X轴与三轴转台机械轴坐标系X、Y、Z轴的方向余弦；

p₁、p₂、p₃分别表示相控阵天线坐标系Y轴与三轴转台机械轴坐标系X、Y、Z轴的方向余弦；

q₁、q₂、q₃分别表示相控阵天线坐标系Z轴与三轴转台机械轴坐标系X、Y、Z轴的方向余弦。

进一步的，其中调整天线波束指向角的步骤，具体包括：

由全捷联毫米波相控阵雷达系统计算：转台姿态角yaw_t、俯仰角pitch_t位置下，使得目标位于相控阵天线波束中心，即相控阵雷达系统的测角结果即方位、俯仰角误差为0°时，相控阵天线的方位波束指向角实际值俯仰波束指向角实际值/>并下发至全捷联毫米波相控阵雷达系统中的相控阵天线执行。

进一步，相控阵天线的方位波束指向角实际值俯仰波束指向角实际值/>的具体计算方法包括：

首先基于上一时刻相控阵天线的波束指向角实际值和/>和由全捷联毫米波相控阵雷达系统获取的俯仰角误差测量值/>方位角误差测量值/>计算波束方位、俯仰扫描角速度/>

对波束扫描角速度进行积分，并经过相应的信号处理，得到下一时刻目标位于相控阵天线波束中心时，相控阵天线的方位波束指向角实际值/>俯仰波束指向角实际值/>

与现有技术相比，本公开的有益效果是：(1)无需使用高精度仪器确定相控阵天线各个阵元的坐标位置，而是通过角偏差修正波束指向，在每个指向角度仅进行一次扫描，能够有效减少标定工作量；(2)这是一种系统级的标定测试方法，能够兼顾高转速全捷联毫米波相控阵系统源于制造环节的误差、移项器的量化误差、阵元的互耦作用、天线阵面结构例如变形和不对称、大角度条件下方向图畸变引起的指向误差等对相控阵波束指向精度的影响；(3)能够实现高效、快速的高精度测试标定，满足高转速下跟踪制导领域对相控阵指向精度的需求。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为应用于本公开所述标定方法的示例性标定系统结构图；

图2为根据本公开的示例性实施例流程图；

图3为方位波束指向角[-Φ,Φ]范围内，俯仰波束指向角为M°时，三轴转台系统的姿态角理论值yaw_t和俯仰角pitch_t的变化趋势。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本公开提供了一种高转速全捷联毫米波相控阵雷达指向标定方法。在一种示例性实施方式下，应用于该方法的标定设备如附图1所示，主要包括：

主控计算机1；

三轴转台系统2，其上安装待标定全捷联毫米波相控阵雷达系统4，与主控计算机1连接，由主控计算机1控制该三轴转台系统2将待标定全捷联毫米波相控阵雷达系统4运动至待标定姿态；

目标模拟系统5，包括目标信号源、标准喇叭和射频电缆，根据目标信号源生成的目标信号经标准喇叭向待标定全捷联毫米波相控阵雷达系统4辐射空馈；

信息采集系统3，与主控计算机1连接，记录三轴转台系统2反馈的姿态角信息、待标定全捷联毫米波相控阵雷达系统4反馈的角误差测量信息和波束指向角信息，并传输至主控计算机1进行数据存储和处理。

待标定的全捷联毫米波相控阵雷达系统4，包含相控阵天线、信号处理系统、波束控制系统，其中相控阵天线内含温度传感器，可实时检测相控阵天线的器件温度。信号处理系统基于相控阵天线反馈的目标回波信号获得角误差测量结果，并将角误差测量结果发送至波束控制系统；由波束控制系统获得下一时刻可使得目标位于波束中心时的波束指令；相控阵天线接收并执行波束控制系统计算的波束指令，并向信号处理系统实时反馈相控阵天线的实时工作温度。

基于上述设备的高转速全捷联毫米波相控阵系统指向标定方法，具体包括以下步骤：

步骤1、初始化配置微波暗室测试环境，配置所需的测试仪器和测试设备。

步骤2、使用三坐标测量台测量待标定相控阵雷达系统4中的毫米波相控阵天线阵面相对于工装底端标准平面的滚转向平行度Δr，并记录。

步骤3、将待标定相控阵雷达系统4安装在三轴转台系统2上，由主控计算机1控制，对三轴转台系统2和全捷联毫米波相控阵雷达系统4进行初始位置定位设置，并将三轴转台系统2的滚转角调整至-Δr。

步骤4、设置二维空域标定范围及标定粒度，包括方位向标定范围Φ、方位向标定粒度ΔΦ、俯仰向标定范围θ、俯仰向标定粒度Δθ。

步骤5、调整三轴转台系统2，使得目标模拟系统5与待标定全捷联毫米波相控阵雷达系统4均处于电磁零位，即待标定全捷联毫米波相控阵雷达系统4中的相控阵天线方位、俯仰波束指向角为0°，并且待标定全捷联毫米波相控阵雷达系统4中的信号处理系统获得的方位、俯仰角误差测量值为0°。

步骤6、主控计算机1基于上述步骤设定的标定范围、标定粒度，计算t时刻下相控阵天线的方位波束指向角理论值俯仰波束指向角理论值/>并通过天线坐标系与转台坐标系的空间坐标关系/>计算转台姿态角理论值，包括偏航角yaw_t、俯仰角pitch_t。

例如，俯仰指向角固定为M°时，方位在波束指向角[-Φ,Φ]范围内变化时，转台姿态角理论值yaw_t和俯仰角pitch_t按照下式计算：

附图3给出了方位波束指向角[-Φ,Φ]范围内，俯仰波束指向角为M°时，三轴转台系统2的姿态角理论值yaw_t和俯仰角pitch_t的变化趋势。

其中，[M,N]表示三轴转台系统2的偏航角yaw_t的范围，[P,Q]表示三轴转台系统2的俯仰角pitch_t的范围，均由上式计算获得。

步骤7、由主控计算机1控制三轴转台系统2带动待标定全捷联毫米波相控阵雷达系统运动至上述步骤4计算的转台姿态角yaw_t、俯仰角pitch_t位置。

步骤8、由全捷联毫米波相控阵雷达系统4计算，转台姿态角yaw_t、俯仰角pitch_t位置下使得相控阵雷达系统4的测角结果即方位、俯仰角误差为0°，即目标位于相控阵天线波束中心时，相控阵天线的方位波束指向角实际值俯仰波束指向角实际值/>并下发至全捷联毫米波相控阵雷达系统4中的相控阵天线执行。

步骤9、全捷联毫米波相控阵雷达系统4基于目标回波获得相控阵天线执行方位波束指向角实际值俯仰波束指向角实际值/>时，获得方位角误差/>俯仰角误差/>的测量值。

步骤10、由信息采集系统3采集记录同一时刻下三轴转台系统2的姿态角信息yaw_t、pitch_t，偏航、俯仰姿态角速度信息ω_yt、ω_zt，相控阵天线波束指向角实际值和理论值/>以及方位角误差/>俯仰角误差/>

步骤11、根据步骤2设定的标定范围，由主控计算机1控制，重复执行步骤4、5、6、7，直至以设定粒度完成二维空域标定范围内所有角度的标校测试。

步骤12、计算标定范围内，方位角误差俯仰角误差/>满足精度μ条件时，相控阵实际指向/>时的指向误差/>

其中，步骤2的具体过程为：

将待标定产品及工装平放在三坐标测量台上，取天线阵面侧面的3个点形成的平面1，工装平台取3个点形成平面2，测量平面1和平面2之间的平行度，即相控阵天线阵面相对于标准地面的滚转向平行度。

步骤8的具体过程为：

步骤8.1、首先基于上一时刻相控阵天线的波束指向角实际值和/>和由全捷联毫米波相控阵雷达系统获取的俯仰角误差测量值/>方位角误差测量值/>计算波束方位、俯仰扫描角速度/>

步骤8.2、对波束扫描角速度进行积分，并经过响应的信号处理，便得到下一时刻目标位于相控阵天线波束中心时，相控阵天线的方位波束指向角实际值/>俯仰波束指向角实际值/>

上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (6)

1.一种全捷联毫米波相控阵雷达系统指向标定方法，包括以下步骤：

S1，将待标定雷达系统安装于三轴转台上，并使相控阵天线与地面平行；

S2，设置方位向和俯仰向的标定范围及标定粒度；

S3，调整转台，使目标模拟系统与雷达系统均处于电磁零位；计算天线坐标系与转台坐标系的空间关系；

S4，基于设定的标定范围和标定粒度，计算t时刻天线方位波束指向角理论值俯仰波束指向角理论值/>并通过天线坐标系与转台坐标系的关系，计算对应的转台姿态角理论值；

S5，控制转台带动雷达系统运动至该转台姿态角理论值位置；

S6，基于相控阵雷达系统的测角结果，调整相控阵天线波束指向，使目标位于天线波束中心，此时天线方位波束指向角实际值俯仰波束指向角实际值/>

S7，基于波束指向角理论值、实际值，获得此时方位角误差俯仰角误差/>

S8，若满足精度μ，则计算相控阵实际指向/>时的指向误差/>

S9，根据设定的标定范围，重复步骤S4-S8，直至以设定粒度完成标定范围内所有角度的标校测试。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11，将待标定雷达系统安装于测试工装上；

S12，测量天线阵面相对于工装底端标准平面的滚转向平行度Δr；

S13、将测试工装及雷达系统安装于三轴转台上，将转台滚转角调整至-Δr。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S12的具体方法包括：

将待标定雷达系统及工装平放在三坐标测量台上，取天线阵面侧面的3个点形成的平面1，工装平台取3个点形成平面2，测量平面1和平面2之间的平行度，即相控阵天线阵面相对于工装底端标准平面的滚转向平行度。

4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

S4.1，在方位向标定范围Φ、俯仰向标定范围θ范围内，以方位向标定粒度ΔΦ、俯仰向标定粒度Δθ获取在时刻t相控阵天线的方位波束指向角理论值俯仰波束指向角理论值

S4.2，利用天线坐标系与三轴转台坐标系的空间关系：

计算得到转台姿态角理论值，包括偏航角yaw_t、俯仰角pitch_t：

其中，o₁、o₂、o₃分别表示相控阵天线坐标系X轴与三轴转台机械轴坐标系X、Y、Z轴的方向余弦；

p₁、p₂、p₃分别表示相控阵天线坐标系Y轴与三轴转台机械轴坐标系X、Y、Z轴的方向余弦；

q₁、q₂、q₃分别表示相控阵天线坐标系Z轴与三轴转台机械轴坐标系X、Y、Z轴的方向余弦。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：

由全捷联毫米波相控阵雷达系统计算：转台姿态角yaw_t、俯仰角pitch_t位置下，使得目标位于相控阵天线波束中心，即相控阵雷达系统的测角结果即方位、俯仰角误差为0°时，相控阵天线的方位波束指向角实际值俯仰波束指向角实际值/>并下发至全捷联毫米波相控阵雷达系统中的相控阵天线执行。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S6中，相控阵天线的方位波束指向角实际值俯仰波束指向角实际值/>的具体计算方法包括：

首先基于上一时刻相控阵天线的波束指向角实际值和/>和由全捷联毫米波相控阵雷达系统获取的俯仰角误差测量值/>方位角误差测量值/>计算波束方位、俯仰扫描角速度/>

对波束扫描角速度进行积分，并经过相应的信号处理，得到下一时刻目标位于相控阵天线波束中心时，相控阵天线的方位波束指向角实际值/>俯仰波束指向角实际值