相控阵雷达电控波束稳定方法

摘要

本发明提供一种相控阵雷达电控波束稳定方法，解决载体扰动带来的天线波束指向变化对目标探测与跟踪的影响这一问题。第一步：初始化，相控阵雷达上电，波束稳定模块各参量初始化；第二步：利用上一时刻四元数与当前时间间隔内角速度测量值，通过数值积分法解算天线相对姿态；第三步：根据上一步得到的天线相对姿态以及上一时刻目标跟踪向量，通过坐标变换反推得到保持天线波束稳定所需的波束补偿角；第四步：获取目标测量值；第五步：利用计算得到的波束补偿角、目标方位误差角和俯仰误差角共同实现波束控制，并更新目标跟踪向量、四元数用于算法迭代，从而抵消当前时间间隔内载体扰动对波束的影响，保持波束始终正对目标。

主权项

一种相控阵雷达电控波束稳定方法，其特征在于，假定坐标系o‑xyz由原坐标系o‑xyz按如下方式得到：先绕y轴旋转角度ψ，接着绕经ψ变换后的z轴旋转角度θ，最后绕经ψ、θ变换后的x轴旋转角度γ，则可得如下关系：$\left[\begin{array}{c}{x}^{\prime }\\ y^{\prime }\\ z^{\prime }\end{array}\right]=A_{z\to z^{\prime }}\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=K\left(\gamma \right)L\left(\theta \right)M\left(\psi \right)\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]$其中，坐标变换矩阵A_z→z′＝K(γ)L(θ)M(ψ)，K(γ)、L(θ)、M(ψ)分别为三步变换的变换矩阵，它们的具体表达式为：$K\left(\gamma \right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \gamma & \sin \gamma \\ 0& -\sin \gamma & \cos \gamma \end{array}\right],L\left(\theta \right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \theta & \sin \theta & 0\\ -\sin \theta & \cos \theta & 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],M\left(\psi \right)=\left[\begin{array}{ccc}\cos \psi & 0& -\sin \psi \\ 0& 1& 0\\ \sin \psi & 0& \cos \psi \end{array}\right];$将三轴陀螺仪安装在相控阵天线背面，信号处理模块进行目标的测量，稳定控制模块进行波束稳定控制，信号处理周期为T_s，波束稳定模块数据更新周期为T_d，T_s与T_d满足T_s/T_d＝N，其中N为整数，该方法包括以下步骤：第一步：相控阵雷达上电时，波束稳定模块各参量初始化，天线的姿态(ψ₀，θ₀，γ₀)＝(0，0，0)四元数Q₀＝[1 0 0 0]，目标跟踪向量ψ₀为初始时刻偏航、θ₀初始时刻俯仰、γ₀初始时刻横滚；分别为天线波束的初始时刻的方位角与俯仰角；第二步：利用t_n‑1时刻四元数与t_n时刻与t_n‑1时刻时间间隔内的角速度测量值，通过数值积分法解算天线相对姿态；t_n‑1时刻为t_n时刻的上一测量时刻；第三步：根据上一步得到的天线相对姿态以及t_n‑1时刻目标跟踪向量g_n‑1，通过坐标变换反推得到保持天线波束稳定所需的波束补偿角分别为t_n时刻补偿平台扰动所需的方位角和俯仰角；为了使扰动后波束仍旧指向g_n‑1，需要满足以下关系式：$K\left({\gamma }_n\right)L\left({\theta }_n\right)M\left({\psi }_n\right)\times g_{n-1}=M(-{\lambda }_y)L(-{\lambda }_z)\times \left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right];$其中，ψ_n为t_n‑1时刻偏航、θ_n为t_n‑1时刻俯仰、γ_n为t_n‑1时刻横滚；λ_y为天线波束的t_n‑1时刻的方位角；λ_z为天线波束的t_n‑1时刻的俯仰角；令$\chi =K\left({\gamma }_n\right)L\left({\theta }_n\right)M\left({\psi }_n\right)\times g_{n-1}=\left[\begin{array}{c}{\chi }_1\\ {\chi }_2\\ {\chi }_3\end{array}\right],$则${\lambda }_y=\arctan (-\frac{{\chi }_3}{{\chi }_1}),$λ_z＝arcsin(‑χ₂)；当前时刻抵消阵面扰动所需的波束补偿角为$\left\{\begin{array}{c}\Delta {\lambda }_{y_n}={\lambda }_y-{\lambda }_{y_{n-1}}\\ \Delta {\lambda }_{z_n}={\lambda }_z-{\lambda }_{z_{n-1}}\end{array}\right.;$第四步：获取目标测量值，若t_n时刻为信号处理帧信号到来时刻，通过信号处理相关算法和相参积累，得到t_n时刻目标方位误差角ε_y、俯仰误差角ε_z；否则，ε_y＝0、ε_z＝0；第五步：利用计算得到的波束补偿角目标方位误差角ε_y和俯仰误差角ε_z共同实现波束控制，并更新目标跟踪向量、四元数用于算法迭代，即：若目标测量值不为0，则$g_n=M(-{\psi }_n)L(-{\theta }_n)·K(-{\gamma }_n)M(-{\lambda }_{y_n})L(-{\lambda }_{z_n})·\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right];$否则，g_n＝g_n‑1，其中g_n表示为t_n时刻目标跟踪向量，从而抵消t_n时刻与t_n‑1时刻时间间隔内载体扰动对波束的影响，保持波束始终正对目标，相控阵雷达天线波束控制角度为：$\left\{\begin{array}{c}{\lambda }_{y_n}={\lambda }_{y_{n-1}}+\Delta {\lambda }_{y_n}+{ϵ}_y\\ {\lambda }_{z_n}={\lambda }_{z_{n-1}}+\Delta {\lambda }_{z_n}+{ϵ}_z\end{array}\right.;$分别为t_n时刻天线需要指向的方位角和俯仰角，分别为t_n‑1时刻天线所处的方位角和俯仰角。