基於固定指向天線寬波束測角的雷達裝置的製作方法

2023-07-12 12:32:31 2

本發明涉及一種雷達裝置，具體是指一種採用固定指向天線的寬波束實現測角的雷達裝置，尤其適用於低成本、低功耗、結構緊湊和有輕量化要求的應用平臺上。

背景技術：

目前，單脈衝雷達大多採用兩維機械掃描方式跟蹤目標，通過機構的指向，完成測角的任務。其缺點是：1、機械活動部件的耐衝擊、抗震動性能差，裝配間隙會影響測角精度；2、跟蹤搜索響應慢，不適合對高速目標進行搜索捕獲；3、機械掃描機構增加雷達的安裝空間和重量。

此外，少數單脈衝雷達採用二維相控陣掃描方式跟蹤目標，其具有波束指向靈活、可靠性高、無機械運動部件等優點，但缺點是T/R組件數目多、研製成本高、功耗大、需要採取散熱措施。

中國專利201510103233.9一種基於相控陣天線的彈載雷達測角方法，公開了一種利用相控陣天線模擬比幅法和差雙波束測角方法；該方法研製成本高、功耗大，需要額外的冷卻單元，不適合在在低功耗、輕量化和結構緊湊的平臺上應用。中國專利201010196685.3一種用於單波束機械掃描雷達測量目標方位角的方法，在機械掃描過程中目標落在天線主波束照射範圍時，目標與天線法線不同的相對角度與兩個方位角上的二維像回波強度和差比值有固定的對應關係；該方法需要機械掃描機構，其耐衝擊、抗震動性能差，裝配間隙會影響測角精度。中國專利200580023741.0單脈衝雷達裝置及天線切換開關，利用天線陣列接收回波信號，根據接收信號的相位差解算出目標的角度，該方法需要多個接收天線和接收機等部件，增加產品重量和體積，不適合小型化和輕量化。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於固定指向天線寬波束測角的雷達裝置，研製難度小，重量輕，功耗低，易於工程實現，非常適合在空間重量資源有限的平臺上使用。

為了達到上述目的，本發明提供一種基於固定指向天線寬波束測角的雷達裝置，包含：寬波束天線，其具有和差網絡接口；發射機，其與所述的和差網絡接口連接；接收機，其與所述的和差網絡接口連接；微波源，其分別與所述的發射機以及接收機連接；恆虛警模塊，其與所述的接收機連接；角度提取模塊，其分別與所述的恆虛警模塊以及接收機連接；寬波束二維角度查找表模塊，其與所述的角度提取模塊連接；

其中，由微波源生成微波信號通過發射機被寬波束天線輻射出去，經由目標反射後的回波信號被寬波束天線接收，經過和差網絡接口分別形成和路信號、方位信號和俯仰信號，並分別傳輸至接收機進行與微波信號的下變頻；由接收機輸出的和路信號傳輸至恆虛警模塊，根據截獲準則得到目標距離信息，並傳輸至角度提取模塊；由接收機輸出的方位信號和俯仰信號傳輸至角度提取模塊，根據得到的目標距離信息，計算得到俯仰信號、方位信號分別與和路信號的歸一化數值，並通過查詢寬波束二維角度查找表模塊得到目標的角度信息；所述的寬波束二維角度查找表模塊中存儲有查找表，該查找表用於根據俯仰和方位信號相對和路信號的歸一化值，對應查詢到目標偏離天線中心法線的角度信息。

本發明的雷達裝置還包含：環形器，其分別與所述的和差網絡接口、發射機以及接收機連接；通過發射機輸出的微波信號需經過環形器放大後被寬波束天線輻射出去；由和差網絡接口形成的和路信號需經過環形器傳輸至接收機。

所述的接收機具有和路通道、方位通道以及俯仰通道，分別對應接收來自環形器的和路信號，以及來自和差網絡接口的方位信號和俯仰信號。

本發明的雷達裝置還包含：第一A/D轉換器，其連接在接收機的和路通道與恆虛警模塊之間，對完成下變頻的基帶模擬和路信號進行採樣以得到幅度量化值，使其轉換成數字和路信號；第二A/D轉換器，其連接在接收機的方位通道與角度提取模塊之間，對完成下變頻的基帶模擬方位信號進行採樣以得到幅度量化值，使其轉換成數字方位信號；第三A/D轉換器，其連接在接收機的俯仰通道與角度提取模塊之間，對完成下變頻的基帶模擬俯仰信號進行採樣以得到幅度量化值，使其轉換成數字俯仰信號。

所述環形器、發射機和接收機集成安裝在寬波束天線的背板上。

所述的恆虛警模塊得到目標距離信息的具體步驟為：

SA1、恆虛警模塊接收第一A/D轉換器輸出的數字和路信號，並對其進行遍歷，找到數字和路信號中的最大值；

SA2、對剔除最大值後的數字和路信號中的其他數據求平方和的均值，得到噪聲平均功率，並將最大值的平方除以噪聲平均功率得到目標信噪比；

SA3、將計算得到的信噪比與預先設定的截獲準則的信噪比進行比較，如果計算得到的信噪比大於截獲準則的信噪比，記錄並輸出目標位置以及和路幅度至角度提取模塊；否則，直接結束，並等到下一個重頻周期再重新開始。

所述的角度提取模塊得到目標角度信息的具體步驟為：

SB1、角度提取模塊接收由恆虛警模塊輸出的目標位置以及和路幅度，並根據目標位置分別從第二A/D轉換器輸出的數字方位信號中得到目標的方位幅度，以及從第三A/D轉換器輸出的數字俯仰信號中得到目標的俯仰幅度；

SB2、分別計算目標俯仰幅度的平方和，以及目標和路幅度的平方和，並計算兩者的比值F1；

SB3、根據比值F1，從寬波束二維角度查找表模塊中查詢得到目標的俯仰角度；

SB4、分別計算目標方位幅度的平方和，以及目標和路幅度的平方和，並計算兩者的比值F2；

SB5、根據比值F2，從寬波束二維角度查找表模塊中查詢得到目標的方位角度。

所述的寬波束二維角度查找表模塊中存儲的查找表的獲取過程，具體包含以下步驟：

SC1、將掃描架的喇叭模擬目標，採用目視的方法將喇叭移動到雷達裝置的寬波束天線的前方，上下移動喇叭，當雷達裝置測量得到的俯仰幅度最小時停止移動，該位置是寬波束天線在俯仰上的法線位置；當雷達裝置測量得到的方位幅度最小時停止移動，該位置是寬波束天線在方位上的法線位置；

SC2、設定L為目標俯仰、方位上偏離法線的角度，初始值為1度；

SC3、判定L是否超出寬波束天線的主波束寬度；如果超出，則完成俯仰、方位正向方向查找表的標定，跳轉到SC7，開始獲取俯仰、方位負向方向查找表的標定；如果沒有超出，則繼續SC4，開始獲取俯仰、方位正向方向查找表的標定；

SC4、將掃描架的喇叭移動到L位置，表示目標偏離天線的法線角度為L；

SC5、計算俯仰幅度平方和與和路幅度平方和的比值C1，以及方位幅度平方和與和路幅度平方和的比值C2；

SC6、將C1和C2的值保存到查找表中與L角度對應的位置；L增加1度，返回SC3；

SC7、完成俯仰、方位正向方向查找表的標定，設置L為-1度，移動掃描架的喇叭到L位置；

SC8、判定L是否超出寬波束天線的主波束寬度，如果超出，則完成俯仰、方位負向方向查找表的標定，查找表獲取結束；如果沒有超出，則繼續SC9，開始俯仰、方位負向方向查找表的標定；

SC9、計算俯仰幅度平方和與和路幅度平方和的比值C3，以及方位幅度平方和與和路幅度平方和的比值C4；

SC10、將C3和C4的值保存到查找表中與L角度對應的位置；L減小1度，返回SC8。

綜上所述，本發明提供的基於固定指向天線寬波束測角的雷達裝置，不再通過移動天線波束跟蹤目標獲得目標的角度，有效克服了兩維機械掃描方式和相控陣掃描方式的不足，該裝置研製難度小，重量輕，功耗低，易於工程實現，非常適合在空間重量資源有限的平臺上使用。

附圖說明

圖1為本發明中的基於固定指向天線寬波束測角的雷達裝置的結構方框圖；

圖2為本發明中的恆虛警模塊計算處理的流程圖；

圖3為本發明中的角度提取模塊計算處理的流程圖；

圖4為本發明中的存儲在寬波束二維角度查找表模塊中的查找表獲取過程的流程圖。

具體實施方式

以下結合圖1～圖4，詳細說明本發明的一個優選實施例。

如圖1所示，為本發明所提供的基於固定指向天線寬波束測角的雷達裝置，包含：寬波束天線，其具有和差網絡接口1；發射機3，其與所述的和差網絡接口1連接；接收機4，其與所述的和差網絡接口1連接；微波源9，其分別與所述的發射機3以及接收機4連接；恆虛警模塊5，其與所述的接收機4連接；角度提取模塊6，其分別與所述的恆虛警模塊5以及接收機4連接；寬波束二維角度查找表模塊7，其與所述的角度提取模塊6連接。

其中，由微波源9生成微波信號通過增強作用距離的發射機3被寬波束天線輻射出去，經由目標反射後的回波信號被寬波束天線接收，經過和差網絡接口1分別形成和路信號、方位信號和俯仰信號，並分別傳輸至接收機4進行與微波信號的下變頻；由接收機4輸出的和路信號傳輸至恆虛警模塊5，根據截獲準則得到目標距離信息，並傳輸至角度提取模塊6；由接收機4輸出的方位信號和俯仰信號傳輸至角度提取模塊6，根據得到的目標距離信息，計算得到俯仰信號、方位信號分別與和路信號的歸一化數值，並通過查詢寬波束二維角度查找表模塊7得到目標的角度信息；所述的寬波束二維角度查找表模塊7用於根據俯仰和方位信號相對和路信號的歸一化值，對應查詢到目標偏離天線中心法線的角度信息。

本發明的雷達裝置還包含：環形器2，其分別與所述的和差網絡接口1、發射機3以及接收機4連接；通過發射機3輸出的微波信號需經過環形器2放大後被寬波束天線輻射出去；由和差網絡接口1形成的和路信號需經過環形器2傳輸至接收機4；所述的環形器2用於將發射機3輸出的高功率微波信號與高靈敏度的接收機4隔離，起到收發隔離的作用，並防止燒毀接收機4。

所述的接收機4具有和路通道、方位通道以及俯仰通道，分別對應接收來自環形器2的和路信號，以及來自和差網絡接口1的方位信號和俯仰信號，並分別進行與微波信號的下變頻，通過多級增益放大、隔離輸出基帶信號，同時控制信號增益和低通濾波處理，使接收機4的輸出信號具有合適的電平和帶寬進行後續處理。

本發明的雷達裝置還包含：第一A/D(Analog to Digital，模擬到數字)轉換器81，其連接在接收機4的和路通道與恆虛警模塊5之間，對完成下變頻的基帶模擬和路信號進行採樣以得到幅度量化值，使其轉換成可供DSP(Digital Signal Processor，數位訊號處理器)或者FPGA(Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列)處理的數字和路信號；第二A/D轉換器82，其連接在接收機4的方位通道與角度提取模塊6之間，對完成下變頻的基帶模擬方位信號進行採樣以得到幅度量化值，使其轉換成可供DSP或者FPGA處理的數字方位信號；第三A/D轉換器83，其連接在接收機4的俯仰通道與角度提取模塊6之間，對完成下變頻的基帶模擬俯仰信號進行採樣以得到幅度量化值，使其轉換成可供DSP或者FPGA處理的數字俯仰信號。

為了優化整個雷達裝置的設計結構，所述環形器2、發射機3和接收機4進行一體化設計，均集成安裝在寬波束天線的背板上。

所述的恆虛警模塊5接收數字和路信號並對其進行數據遍歷，剔除最大值並計算得到信噪比，找出滿足截獲準則的目標位置，並輸出目標位置和目標和路幅度至角度提取模塊6。如圖2所示，其具體包含以下的計算處理步驟：

SA1、恆虛警模塊5接收並存儲第一A/D轉換器81輸出的數字和路信號，其中存儲單元選用DSP的數據存儲空間或者FPGA內部的塊RAM(Random Access Memory，隨機存取存儲器)；對數字和路信號進行遍歷，將每個寫入存儲單元中的數據與最大值進行比較，如果該數據大於最大值，則用氣更新最大值，否則直接進行下一個寫入數據的比較，從而找到數字和路信號中的最大值；

SA2、剔除最大值後的其它數據表示接收的噪聲電平，對剔除最大值後的數據求平方和的均值，得到噪聲平均功率，並將最大值的平方除以噪聲平均功率得到目標的信噪比；

SA3、將計算得到的信噪比與預先設定的截獲準則的信噪比進行比較，如果計算得到的信噪比大於截獲準則的信噪比，則說明雷達測量數據有效，記錄並輸出目標位置以及和路幅度至角度提取模塊6；否則，直接結束，並等到下一個重頻周期再重新開始。

所述的角度提取模塊6接收目標位置以及和路幅度，並根據目標位置分別從第二A/D轉換器82輸出的數字方位信號中得到目標的方位幅度，以及從第三A/D轉換器83輸出的數字俯仰信號中得到目標的俯仰幅度，經過歸一化處理後，其結果與目標在俯仰和方位方向上偏離天線中心法線的大小有關係，經過查表得到目標偏離天線中心法線的角度信息。如圖3所示，其具體包含以下的計算處理步驟：

SB1、角度提取模塊6接收由恆虛警模塊5輸出的目標位置以及和路幅度，並根據目標位置分別從第二A/D轉換器82輸出的數字方位信號中得到目標的方位幅度，以及從第三A/D轉換器83輸出的數字俯仰信號中得到目標的俯仰幅度；

SB2、分別計算目標俯仰幅度的平方和，以及目標和路幅度的平方和，並計算兩者的比值F1，即F1＝目標俯仰幅度的平方和/目標和路幅度的平方和；

SB3、比值F1與目標的俯仰角度具有對應關係，通過實測兩者的數據建立起具有對應關係的查找表，存儲在寬波束二維角度查找表模塊7中；可根據比值F1，從寬波束二維角度查找表模塊7中查詢得到目標的俯仰角度；

SB4、分別計算目標方位幅度的平方和，以及目標和路幅度的平方和，並計算兩者的比值F2，即F2＝目標方位幅度的平方和/目標和路幅度的平方和；

SB5、比值F2與目標的方位角度具有對應關係，通過實測兩者的數據建立起具有對應關係的查找表，存儲在寬波束二維角度查找表模塊7中；可根據比值F2，從寬波束二維角度查找表模塊7中查詢得到目標的方位角度。

如圖4所示，存儲在寬波束二維角度查找表模塊中的查找表獲取過程，具體包含以下步驟：

SC1、將掃描架的喇叭模擬目標，首先採用目視的方法將喇叭移動到雷達裝置的寬波束天線的前方，上下移動喇叭，當雷達裝置測量得到的俯仰幅度最小時停止移動，該位置是寬波束天線在俯仰上的法線位置；採用同樣的方法，當雷達裝置測量得到的方位幅度最小時停止移動，該位置是寬波束天線在方位上的法線位置；

SC2、L表示目標俯仰、方位上偏離法線的角度，初始值為1度；

SC3、判定L是否超出寬波束天線的主波束寬度；如果L超出寬波束天線的主波束寬度，則完成俯仰、方位正向方向查找表的標定，跳轉到SC7，開始獲取俯仰、方位負向方向查找表的標定；如果L沒有超出寬波束天線的主波束寬度，則繼續SC4，開始獲取俯仰、方位正向方向查找表的標定；

SC4、將掃描架的喇叭移動到L位置，表示目標偏離天線的法線角度為L；

SC5、計算俯仰幅度平方和與和路幅度平方和的比值C1，以及方位幅度平方和與和路幅度平方和的比值C2；

SC6、將C1和C2的值保存到查找表中與L角度對應的位置；L增加1度，返回SC3；

SC7、完成俯仰、方位正向方向查找表的標定，設置L為-1度，移動掃描架的喇叭到L位置；

SC8、判定L是否超出寬波束天線的主波束寬度，如果L超出寬波束天線的主波束寬度，則完成俯仰、方位負向方向查找表的標定，查找表獲取結束；如果L沒超出寬波束天線的主波束寬度，則繼續SC9，開始俯仰、方位負向方向查找表的標定；

SC9、計算俯仰幅度平方和與和路幅度平方和的比值C3，以及方位幅度平方和與和路幅度平方和的比值C4；

SC10、將C3和C4的值保存到查找表中與L角度對應的位置；L減小1度，返回SC8。

與現有技術相比，本發明提供的基於固定指向天線寬波束測角的雷達裝置，具有以下優點和有益效果：不再通過移動天線波束跟蹤目標獲得目標的角度，有效克服了兩維機械掃描方式和相控陣掃描方式的不足，該裝置研製難度小，重量輕，功耗低，易於工程實現，非常適合在空間重量資源有限的平臺上使用。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。