CN116087900B - 一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台 - Google Patents

一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，包括转台、雷达、陀螺仪、姿态传感器、导航模块和主控***。本发明适用于方位机扫、俯仰相扫的一维相控阵雷达行进间探测，可以对行进间探测过程中，车载平台发生的角度偏移和运动速度进行补偿，使雷达能够始终保证在规定的搜索空域内进行稳定探测；相较于采用机械自动调平结构保证雷达水平的方式，本发明通过数字计算平台计算角度偏移，调整相控阵的俯仰波束指向来实现波束稳定，补偿精度更高，并且若采用机械调平平台则需要根据载荷的重量尺寸进行设计，提高了设计难度、降低了适用性，而本发明无需对机械结构的尺寸进行新设计，提高了普适性。

Description

一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台。
背景技术
雷达根据运动目标产生的多普勒频率判断目标的速度，从而实现动目标检测。而雷达在行进间工作，地面静止目标均会产生多普勒速度，从而影响动目标检测，所以需要速度补偿，将静止目标的速度补偿至零速。同时雷达在行进间工作，车体姿态的改变会对车载雷达***的波束指向产生影响，从而影响雷达搜索覆盖范围，因此需要对雷达的波束进行补偿，使其保持原来的波束指向。
目前还没有一维相控阵雷达行进间探测车载平台的相关专利申请公开，相关的专利申请如稳定平台，专利公开号为CN211979185U《一种用于水面漂浮平台情报雷达的三轴稳定平台》，通过纵摇传动机构和横摇传动机构分别保证雷达在两个方向上平稳，通过机械调平的方式使雷达保持水平。但是该技术方案无法进行速度补偿，从而无法应用在一维相控阵雷达行进间探测平台上。
因此，需要一种用于一维相控阵雷达行进间探测的平台。
发明内容
本发明是为了解决一维相控阵雷达行进间探测的角度补偿和速度补偿问题，提供一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，可以对行进间探测过程中，车载平台发生的角度偏移和运动速度进行补偿，使雷达能够始终保证在规定的搜索空域内进行稳定探测。相较于采用机械自动调平结构保证雷达水平的方式，本发明通过数字计算平台计算角度偏移，调整相控阵的俯仰波束指向来实现波束稳定，补偿精度更高。若采用机械调平平台则需要根据载荷的重量尺寸进行设计，提高了设计难度、降低了适用性，而本发明无需对机械结构的尺寸进行新设计，提高了普适性。
本发明提供一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，包括设置在车体上的转台，连接在转台上方的雷达、陀螺仪、姿态传感器、导航模块和与转台、雷达、陀螺仪、姿态传感器、导航模块均连接的主控***，转台带动雷达在车体上转动，雷达为一维相控阵雷达；
陀螺仪实时检测车体的扰动并将数据传送给主控***，姿态传感器实时检测三轴姿态角度并将数据传送给主控***，导航模块实时检测速度以及速度方向信息并将数据传送给主控***，主控***接收扰动数据并控制转台的电机进行扰动修正，主控***接收三轴姿态角度信息并对雷达波束进行角度补偿，主控***接收速度以及速度方向信息并结合转台的当前方位指向角度对不同方位、俯仰角度的波束进行多普勒频偏修正。
本发明所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，作为优选方式，行进间探测车载平台的探测方法包括以下步骤：
S1、车体行进过程中雷达发射波束并接收回波进行处理，陀螺仪实时向主控***输出转台在水平方位向上的角加速度α；
S2、判断α是否等于0，如果否，则进入步骤S3进行修正，如果是，则返回步骤S1，继续进行探测；
S3、主控***向转台的电机发送产生-α角加速度的控制信号以进行方位速度偏移修正；
S4、根据姿态传感器实时检测的三轴姿态角度，主控***对于雷达的输出波束进行俯仰角度补偿；
S5、根据导航模块实时检测的速度以及速度方向信息和转台的当前方位指向角度，主控***对于雷达输出的不同方位、俯仰角度的波束进行速度补偿以进行多普勒频偏修正；
S6、行进间探测车载平台的修正完成，返回步骤S1，继续进行探测。
本发明所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，作为优选方式，步骤S3中，主控***根据角加速度α通过PID算法计算出电机的扭矩，通过PWM信号发送给转台的电机驱动器控制电机的转动，扰动修正后使转台的角加速度保持为0。
本发明所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，作为优选方式，步骤S4中，俯仰角度补偿的方法为：
Figure SMS_1
；
其中，E1为修正后雷达俯仰角，
Figure SMS_2
为姿态传感器实时测得雷达绕横滚轴的角度偏移，E为俯仰波束中心角，A为目标在雷达坐标系中的方位。
本发明所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，作为优选方式，步骤S5中，速度补偿为多普勒频偏修正的方法为：
Figure SMS_3
；
其中，Sd多普勒频偏修正值，j为虚数，
Figure SMS_4
为车体相对于地物运动的多普勒频率，t为时间。
本发明所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，作为优选方式，
Figure SMS_5
；
其中，
Figure SMS_6
为相对径向速度，λ为雷达工作波长。
本发明所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，作为优选方式，
Figure SMS_7
；
其中，V为导航模块检测的车体运动速度，A1为转台旋转过程中转台的纵轴与车体纵轴的角度差，A2为天线电轴与转台的纵轴之间结构角度偏差。
本发明所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，作为优选方式，
Figure SMS_8
；
其中，
Figure SMS_9
为姿态传感器实时测得雷达绕航向轴的角度偏移，/>
Figure SMS_10
为姿态传感器实时测得雷达绕俯仰轴的角度偏移。
本发明所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，作为优选方式，目标的在XOZ平面的三维坐标为
Figure SMS_11
，阵面旋转后的阵面坐标系的坐标
Figure SMS_12
。
本发明所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，作为优选方式，阵面旋转后的阵面坐标系为：
Figure SMS_13
；
其中，R为目标在雷达坐标系中的距离，
Figure SMS_14
为姿态传感器实时测得的雷达绕航向轴的角度偏移，/>
Figure SMS_15
为姿态传感器实时测得的雷达绕俯仰轴的角度偏移。
本技术方案中，雷达伺服通过高精度陀螺仪，对于车辆运动过程中的方位速度偏移进行修正；通过数字计算平台，根据姿态传感器的三轴姿态角度，对于雷达的波束进行俯仰角度补偿；根据北斗模块的速度以及速度方向信息，对不同方位、俯仰角度的波束进行速度补偿。
陀螺仪实时检测车体的扰动，将数据传送给主控***，***根据陀螺仪的反馈数据通过PID算法计算出电机的扭矩，通过PWM信号发送给电机驱动器控制电机的转动，从而抵消掉载体扰动实现转速的稳定。
雷达倾斜可以用纵摇和横滚来描述, 纵摇指雷达纵轴产生的倾斜, 横滚指雷达横轴产生的倾斜, 雷达纵轴与雷达横轴垂直。参照右手系旋转，定义雷达天线前向为纵轴正向, 雷达纵轴沿正向上倾, 则纵摇角为负, 反之纵摇角为负。沿雷达纵轴正向, 雷达纵轴的右边定义为雷达横轴正向, 雷达横轴正向下倾, 则横滚角为正, 雷达横轴正向上倾,则横滚角为负 。当雷达发生倾斜时, 即雷达产生纵摇和横滚, 搜索天线座处在一个倾斜的平面上，此时需要通过动态倾角仪的纵摇和横滚角度，以及雷达自身的方位、俯仰扫描角度，来综合计算角度偏移，在波束发射前，对波束指向进行修正。
车体纵轴指车体纵向中心线，以车体头部为车体纵轴正方向。雷达天线阵面安装在车上，天线处于转台零位时，雷达天线的电轴与车体纵轴正方向存在一定的角度偏差A1。天线方位扫描波束与转台零位的角度差为A2。
车体直线运动时，速度方向沿车体纵轴方向。车与地物的相对径向速度等于车体速度沿天线波束方位指向的分量。设车体的运动速度为V，雷达波束在俯仰上扫描时，每个波束所对应的角度不同，对应的相对径向速度也不同。
所以在对雷达信号进行采样以及数字下变频后，需要根据车体的运动速度以及车体纵轴与转台纵轴、转台纵轴与天线电轴的偏移角计算出车体相对于地物的多普勒频移，对回波进行多普勒频偏修正。
本发明具有以下优点：
本发明适用于方位机扫、俯仰相扫的一维相控阵雷达行进间探测的车载平台，可以对行进间探测过程中，车载平台发生的角度偏移和运动速度进行补偿，使雷达能够始终保证在规定的搜索空域内进行稳定探测。相较于采用机械自动调平结构保证雷达水平的方式，本发明通过数字计算平台计算角度偏移，调整相控阵的俯仰波束指向来实现波束稳定，补偿精度更高。若采用机械调平平台则需要根据载荷的重量尺寸进行设计，提高了设计难度、降低了适用性，而本发明无需对机械结构的尺寸进行新设计，提高了普适性。
附图说明
图1为一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台原理框图；
图2为一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台的探测方法流程图；
图3为一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台方位波束偏移示意图；
图4为一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台雷达波束的方位角和俯仰角度示意图；
图5为一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台行进间角度补偿计算值与实际角度偏移的对比图；
图6为一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台行进间转台转速补偿后曲线图。
附图标记：
1、转台； 2、雷达； 3、陀螺仪； 4、姿态传感器； 5、导航模块； 6、主控***。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，包括设置在车体上的转台1，连接在转台1上方的雷达2、陀螺仪3、姿态传感器4、导航模块5和与转台1、雷达2、陀螺仪3、姿态传感器4、导航模块5均连接的主控***6，转台1带动雷达2在车体上转动，雷达2为一维相控阵雷达；
陀螺仪3实时检测车体的扰动并将数据传送给主控***6，姿态传感器4实时检测三轴姿态角度并将数据传送给主控***6，导航模块5实时检测速度以及速度方向信息并将数据传送给主控***6，主控***6接收扰动数据并控制转台1的电机进行扰动修正，主控***6接收三轴姿态角度信息并对雷达波束进行角度补偿，主控***6接收速度以及速度方向信息并结合三轴姿态角度信息对不同方位、俯仰角度的波束进行多普勒频偏修正。
如图2所示，行进间探测车载平台的探测方法包括以下步骤：
S1、车体行进过程中雷达2发射波束并接收回波进行处理，陀螺仪3实时向主控***6输出转台1在水平方位向上的角加速度α；
S2、判断α是否等于0，如果否，则进入步骤S3进行修正，如果是，则返回步骤S1，继续进行探测；
S3、主控***6向转台1的电机发送产生-α角加速度的控制信号以进行方位速度偏移修正；即雷达伺服通过高精度陀螺仪，对于车辆运动过程中的方位速度偏移进行修正；
S4、根据姿态传感器4实时检测的三轴姿态角度，主控***6对于雷达2的输出波束进行俯仰角度补偿；
S5、根据导航模块5实时检测的速度以及速度方向信息和转台1当前方向指向角度，主控***6对于雷达2输出的不同方位、俯仰角度的波束进行速度补偿以进行多普勒频偏修正；
S6、行进间探测车载平台的修正完成，返回步骤S1，继续进行探测；
步骤S3中，雷达转台在方位匀速旋转过程中，方位角度的加速度为0。但当雷达处于行进间状态时，由于车载平台的运动会导致方位上存在角加速度，导致转台不再是匀速旋转。通过高精度陀螺仪能够测量出方位向上的角加速度为α，通过转台的控制器对于该角加速度进行修正，产生一个-α的角加速度，保证转台的角加速度始终为0，转台的转速处于稳定的状态，雷达的方位波束均匀覆盖探测范围。
步骤S4中，设绕航向轴、俯仰轴、横滚轴的角度偏移分别为：
Figure SMS_16
；/>
Figure SMS_17
，/>
Figure SMS_18
。天线在XOZ平面，目标在雷达坐标系中的距离方位俯仰分别为/>
Figure SMS_19
，三维坐标为
Figure SMS_20
，则
Figure SMS_21
；
因为阵面旋转导致坐标系变化，变化后的阵面坐标系的坐标
Figure SMS_22
为：
Figure SMS_23
；
天线在车载平台发生偏移后，波束指向的俯仰角度调整为：
Figure SMS_24
；/>
由于雷达为一维俯仰相扫雷达，最终只需要修正俯仰角度即可，无需调整方位角度，方位角度由陀螺仪进行补偿保证转速稳定。
步骤S5中，速度补偿的计算公式为：车体纵轴指车体纵向中心线，以车体头部为车体纵轴正方向。如图3~4所示，雷达天线阵面安装在车上，天线处于转台零位时，天线电轴与转台纵轴存在固定的结构角度偏差A2，转台旋转过程中转台纵轴与车体纵轴的角度差为A1。
转台1的内置编码器可获得当前转台1的方位指向角度，角度范围为0-360°；转台1安装在车载平台上时，会保证转台1的0°指向与车体纵轴方向水平，此时转台1的方位指向角度即为转台纵轴与车体纵轴的角度差A1。
车体直线运动时，速度方向沿车体纵轴方向。车与地物的相对径向速度等于车体速度沿天线波束方位指向的分量。设车体的运动速度为V，雷达波束在俯仰上扫描时，每个波束所对应的角度不同，对应的相对径向速度也不同。设俯仰波束中心角度为E，则相对径向速度为：
Figure SMS_25
。
设雷达工作波长为λ，则车体相对于地物运动的多普勒频率为：
Figure SMS_26
。
所以在对雷达信号进行采样以及数字下变频后，需要根据车体的运动速度以及车体纵轴与转台纵轴、转台纵轴与天线电轴的偏移角计算出车体相对于地物的多普勒频移，对回波进行多普勒频偏修正。修正公式为：
Figure SMS_27
。
如图5所示，车辆在行驶过程中，通过数字计算平台计算出的波束俯仰角度偏移与实际俯仰角度偏移数值，差距非常小，在0.1°内，角度补偿精度高。
如图6所示，车辆在行驶过程中，通过陀螺仪对车辆转速进行补偿后的转台实际转速，可以看出，在经过转速补偿后，转台的转速稳定在设置值180°/s附近。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，其特征在于：包括设置在车体上的转台（1），连接在所述转台（1）上方的雷达（2）、陀螺仪（3）、姿态传感器（4）、导航模块（5）和与所述转台（1）、所述雷达（2）、所述陀螺仪（3）、所述姿态传感器（4）、所述导航模块（5）均连接的主控***（6），所述转台（1）带动所述雷达（2）在车体上转动，所述雷达（2）为一维相控阵雷达；
所述陀螺仪（3）实时检测车体的扰动并将数据传送给所述主控***（6），所述姿态传感器（4）实时检测三轴姿态角度并将数据传送给所述主控***（6），所述导航模块（5）实时检测速度以及速度方向信息并将数据传送给所述主控***（6），所述主控***（6）接收扰动数据并控制所述转台（1）的电机进行扰动修正，所述主控***（6）接收三轴姿态角度信息并对雷达波束进行角度补偿，所述主控***（6）接收速度以及速度方向信息并结合所述转台（1）的当前方位指向角度对不同方位、俯仰角度的波束进行多普勒频偏修正；
行进间探测车载平台的探测方法包括以下步骤：
S1、车体行进过程中所述雷达（2）发射波束并接收回波进行处理，所述陀螺仪（3）实时向所述主控***（6）输出所述转台（1）在水平方位向上的角加速度α；
S2、判断α是否等于0，如果否，则进入步骤S3进行修正，如果是，则返回步骤S1，继续进行探测；
S3、所述主控***（6）向所述转台（1）的电机发送产生-α角加速度的控制信号以进行方位速度偏移修正；
所述主控***（6）根据角加速度α通过PID算法计算出电机的扭矩，通过PWM信号发送给所述转台（1）的电机驱动器控制电机的转动，扰动修正后使所述转台（1）的角加速度保持为0；
S4、根据所述姿态传感器（4）实时检测的三轴姿态角度，所述主控***（6）对于所述雷达（2）的输出波束进行俯仰角度补偿；
S5、根据所述导航模块（5）实时检测的速度以及速度方向信息和所述转台（1）的当前方位指向角度，所述主控***（6）对于所述雷达（2）输出的不同方位、俯仰角度的波束进行速度补偿以进行多普勒频偏修正；
S6、行进间探测车载平台的修正完成，返回步骤S1，继续进行探测。
2.根据权利要求1所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，其特征在于：步骤S4中，俯仰角度补偿的方法为：
Figure QLYQS_1
；
其中，E1为修正后雷达俯仰角，
Figure QLYQS_2
为所述姿态传感器（4）实时测得雷达绕横滚轴的角度偏移，E为俯仰波束中心角，A为目标在雷达坐标系中的方位。
3.根据权利要求2所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，其特征在于：步骤S5中，所述速度补偿为多普勒频偏修正的方法为：
Figure QLYQS_3
；
其中，Sd多普勒频偏修正值，j为虚数，
Figure QLYQS_4
为车体相对于地物运动的多普勒频率，t为时间。
4.根据权利要求3所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，其特征在于：
Figure QLYQS_5
；
其中，
Figure QLYQS_6
为相对径向速度，/>
Figure QLYQS_7
为雷达工作波长。
5.根据权利要求4所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，其特征在于：
Figure QLYQS_8
；
其中，V为所述导航模块（5）检测的车体运动速度，A1为所述转台（1）旋转过程中所述转台（1）的纵轴与车体纵轴的角度差，A2为天线电轴与所述转台（1）的纵轴之间结构角度偏差。
6.根据权利要求1所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，其特征在于：
目标的在XOZ平面的三维坐标为
Figure QLYQS_9
，阵面旋转后的阵面坐标系的坐标
Figure QLYQS_10
。
7.根据权利要求6所述的一种用于一维相控阵雷达的行进间探测车载平台，其特征在于：
阵面旋转后的阵面坐标系为：
Figure QLYQS_11
；
其中，R为目标在雷达坐标系中的距离，
Figure QLYQS_12
为所述姿态传感器（4）实时测得的雷达绕航向轴的角度偏移，/>
Figure QLYQS_13
为所述姿态传感器（4）实时测得的雷达绕俯仰轴的角度偏移。/>
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