一種提高機相掃雷達波束掃描精度的方法

張曉平，陸 健，朱金門

(南京電子技術研究所, 南京 210039)

·信號處理·

一種提高機相掃雷達波束掃描精度的方法

張曉平，陸 健，朱金門

(南京電子技術研究所, 南京 210039)

在機相掃雷達系統中，波束掃描精度不僅決定探測目標的測角、測距精度，甚至影響跟蹤、截獲目標的成敗。文中論述波束掃描的實現途徑，提出按脈沖重復頻率(PRF)實時計算波束指向參數的方法。該方法提高了波束掃描的精度，改善了目標起伏特性，增強了雷達系統的跟蹤精度和威力。對于動平臺雷達系統的設計與應用具有重要的參考價值。

機相掃雷達；脈沖重復頻率；波束指向；邊跟蹤邊搜索

0 引 言

機相掃雷達是指采用一維或兩維相掃加方位機械掃描工作方式的雷達，此時回波脈沖的幅度受天線方向圖的調制。為了減小天線陣面轉動引起的回波幅度的變化，在每個波位駐留(或每幀)，都要對波束指向進行實時修正，雷達控制系統在每幀采集天線陣面法線相對于正北的角度、動態水平儀的水平偏差角等參數，實時計算出當前幀的波束指向，使波束按照我們預定的設想空域照射，達到搜索、截獲、跟蹤目標的目的。

現代雷達為了提高目標檢測性能，普遍采用多脈沖積累技術，也就是在一個駐留(幀)發射多個脈沖[1]。由于機相掃雷達在波束相掃的同時，機械角度也在變化，在雷達天線陣面轉速較快、多脈沖波位駐留時間較長的情況下，由于波束指向信息是按幀計算，而不是按脈沖重復周期(PRF)計算，從本幀第二個脈沖開始，波束指向信息中使用陣面角度等信息非當前脈沖時的陣面角度信息，嚴重影響了當前波束掃描的精度[2]。

為此，我們通過按PRF來計算波束指向參數，來提高波束掃描的精度，解決上述問題。

1 波束指向計算

在雷達系統中，一般由數據處理、雷達控制和波控共同決定天線波束的掃描方法。圖1為重置波束指向的實現框圖。下面以一種航管雙面輻射機相掃雷達為例，來說明重置波束指向的具體步驟[3-4]。

圖1 重置波束指向實現框圖

1.1 數據處理送波位信息

如圖2所示，面對主天線陣面的正面，以左下角為坐標原點建立笛卡爾直角坐標系，陣面在XOY平面內，XOZ面為大地水平面。OT為波束指向。Az為波束指向OT在XOZ平面內的投影與OZ軸正向的夾角，逆時針為正(-90°≤Az≤90°)。El為波束指向OT與其在XOZ平面內的投影OT′之間的夾角，大地水平面上為正(-90°≤El≤90°)。

數據處理對雷達點跡信息分析，把下一波位駐留的波束指向信息Az雷達大地坐標、El雷達大地坐標送給雷達控制。

圖2 天線陣面坐標示意圖

1.2 雷達控制實時計算波束指向參數

雷達控制實時采集動態水平儀的水平修正值El水平偏差角，伺服的正北、方位增量，及數據處理送來的波束指向信息。計算出天線反面機械軸指向Az反面法向，如圖3所示。

圖3 天線反面機械軸指向

在圖2中定義的Az、El與圖3中雷達波束指向(在大地坐標系下)關系為：Az=Az雷達大地坐標-Az反面法向，El=El雷達大地坐標系-El水平偏差角。此時天線陣面工作在反面，對天線陣面反面一側的目標進行探測。

若天線工作在正面，對天線陣面正面一側的目標進行探測。Az=-(Az雷達大地坐標-Az反面法向-180°) 。

雷達控制計算出Az、El后，根據式(1)、式(2)計算波束指向參數α、β。

(1)

β(f,El,Az)= mod(1.2·f·dy)·

(2)

式中：f為工作頻率點；dx為x軸向單元間距；dy為y軸向單元間距；Az為方位角；El為俯仰角；α為方位移相器相位增量(0°≤α<360°)；β為俯仰移相器相位增量(0°≤β<360°)。

雷達控制將α(λ,θ,φ)、β(λ,θ,φ)按13位進行數字量化(四舍五入取整)送波控，即

(3)

式中：Δα為陣面單元移相器的方位波控增量碼，13位量化，0≤Δα<8 192；Δβ為陣面單元移相器的仰角波控增量碼，13位量化，0≤Δβ<8 192。

1.3 波控計算陣面單元波控碼

波控接收到雷達控制的波束指向參數Δα、Δβ，計算出陣面中第(m,n)個單元的相移波控碼為

(4)

式中：bxm,n為陣面單元的相位校正波控碼(8位量化預存貯,對應0°～360°)；zkm,n為展寬波束的單元相位波控碼(8位量化預存貯,對應0°～360°)；m為從坐標原點沿x軸正向對列編號(m=0，1，2，…，M-1)；n為從坐標原點沿y軸正向對行編號(n=0，1，2，…，N-1)；M為天線陣面列數；N為為天線陣面行數。

波控系統控制陣面單元移相器，形成和波束，在發射脈沖到來時，指向預定空域。

2 重置波束指向時序

傳統的機相掃雷達重置波束指向的時序如圖4a)所示，Mgs為幀起始信號，雷達控制在幀起始信號前300 μs(Mgs-300)采集陣面法向的角度值Az反面法向和動態水平儀的水平修正值El水平偏差角，用式(1)、～式(3)，計算出波束指向參數Δα、Δβ，在幀起始信號前100 μs(Mgs-100)送給波控，波控算出每個單元的移相器值分別送到各個單元，在幀起始信號到來時，波束指向改變，指向預定的空間。通常雷達在一幀中會發射多個脈沖(M0)，用的是同一個修正值，由于天線陣面水平方向機械轉動，這樣從第二個脈沖開始，就會影響波束掃描的精度。

本方法的重置波束指向時序圖如圖4b)所示，M0為發射起始信號，雷達控制在發射起始信號前300μs(M0-300)采集陣面法向的角度值Az反面法向和動態水平儀的水平修正值El水平偏差角，用式(1)～式(3)，計算出波束指向參數Δα、Δβ，在發射起始信號前100 μs(M0-100)送給波控，波控算出每個單元的移相器值分別送到各個單元，在發射起始信號到來時，波束指向改變，指向預定的空間。由于這種控制流程，波束指向參數計算使用的當前陣面法向(Az反面法向)角度值(脈沖內)，使波束掃描的精度有了很大的提高。

圖4 重置波束指向時序圖

3 精度影響分析

采用按脈沖(M0)重置波束指向參數，修正了方位機掃時按波位(幀)重置波束指向帶來的波束指向的掃描偏差，減小了目標的脈間起伏，確保雷達威力，提高了測角精度。

精度影響分析如下：一種航管雷達天線方位波束寬度為1.3°，在雷達正常轉速6 r/min情況下，轉過3 dB波束寬度時間為36.1 ms。對于重復周期為3 ms的6脈沖波位駐留，駐留時間為18 ms，在此駐留時間內天線機械旋轉角度為0.65°。該型雷達是采用多波位幅度加權測角[5]，參見圖5所示的3波位跟蹤波位駐留示意圖，這樣在波位駐留時間內雷達回波會帶來最大約6 dB的掃描調制，這對雷達威力會有2 dB～3 dB左右的損失，并且嚴重影響多波位幅度加權測角精度，造成不能對目標進行正常跟蹤，這種情況在該雷達對民航目標的跟蹤中已得到充分驗證。

圖5 目標TAS跟蹤波位示意圖

本方法通過機相掃雷達按脈沖重置波束指向，提高了波束掃描的精度，從而提高了雷達系統的測角精度與威力范圍。表1為某型航管雷達檢飛時，采用幀重置波束指向與脈沖重置波束指向的雷達精度與威力對比。

表1 精度威力對比

4 結束語

在機相掃雷達中，按發射脈沖(PRF)實時重置波束指向的方法，由于重置波束指向參數使用的當前陣面法向角度值和動態水平儀值，提高了機相掃雷達波束掃描的精度。本方法僅對重置波束指向時序作一定的調整，增加部分功能軟件，不更改雷達控制硬件設計，實現成本低，適用于現役、在研的一維、兩維機相掃雷達和其他動平臺雷達。

[1] 呂棟雷，胡 浩. 雷達檢測概率的計算[J]. 火力與指揮控制，2008,33(12): 144-146. Lü Donglei, HU Hao. Computing of detection probability of radar[J]. Fire Control and Command Control, 2008,33(12): 144-146.

[2] 張 驛，王 輝,溫 劍, 等. 搖擺狀態一維相控陣天線波束指向修正[J]. 電訊技術，2011,51(6): 94-97. ZHANG Yi, WANG Hui, WEN Jian, et al. Beam pointing correction for linear phased array antenna in swing state[J]. Telecommunication Engineering, 2011, 51(6): 94-97.

[3] 鄭 清. 相控陣雷達波控系統技術研究[J]. 現代雷達，2006，28(4)：53-55． ZHENG Qing. A study on technology of phased array beam steering system[J]. Modern Radar, 2006, 28(4): 53-55.

[4] 林桂道. 現代相控陣系統的波束控制設計分析[J]. 船舶科學技術，2007,29(3)：74-78. LIN Guidao. Design of beam steering in modern phased array system[J]. Ship Science and Technology, 2007, 29(3): 74-78.

[5] 張光義. 共形相控陣天線的應用與關鍵技術[J]. 中國電子科學院學報，2010, 5(4)：331-336. ZHANG Guangyi. Applications and key technologies of conformal phased array antenna[J]. Journal of CAEIT, 2010,5(4)：331-336.

張曉平 男，1959年生，高級工程師。研究方向為雷達系統控制、終端顯示技術。

陸 健 男，1979年生，高級工程師。研究方向為雷達系統設計。

A Method of Improving the Accuracy of Beam-steering Based on Mechanical Phase Scan Radar

ZHANG Xiaoping，LU Jian, ZHU Jinmen

(Nanjing Reserach Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

In the mechanical phase scan radar, the accuracy of the target's angle and ranging detection is not only determined by the beam-steering accuracy,and even affect success or failure of the tracking ang acquisiting targets. The way to realize the beam-steering is discussed in this paper. It is proposed that a method for calculating the parameters of the beam-steering in real-time by PRF. This method can improve the accuracy of beam-steering, improve the fluctuation of targets,and enhance the tracking accuracy and power of the radar system. This will be referenced by the design and application of the moving platform radar system.

mechanical phase scan radar; pulse repetition frequency; beam-steering; tracking and searching

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.005

張曉平 Email：13605164656@139.com

2015-11-16

2016-01-26

TN820.1

A

1004-7859(2016)04-0022-03