一种基于相控阵天线的弹载雷达测角方法与流程

本发明涉及雷达信号处理领域，主要是一种基于相控阵天线的弹载雷达测角方法。

背景技术：
现在战争中非常具有代表性的现代武器是精确制导武器。精确制导武器在末制导阶段完成对目标的跟踪，对目标的跟踪是建立在实现对目标角度测量的基础之上的。无线电角度测量的方法有很多，分为传统测角方法和现代测角方法。传统测角方法有振幅式测角、相位式测角、单波束扫描测角以及双波束测角，而现代测角方法是基于阵列天线的角度估计方法。弹载雷达角度测量应用通常使用传统测角方法，包括单波束往返扫描测角、单波束圆锥扫描测角与比幅/比相和差双波束测角等。现有技术的缺陷为：1)机械扫描圆锥扫描测角有着速度慢、惯性大的缺点；2)电扫描圆锥扫描测角对相控阵天线的相移间隔要求很高，而现阶段毫米波段的移相器更加难以达到要求；3)比幅/比相和差双波束测角方法接收机结构复杂，特别是在双平面和差双波束测角时要进行信号处理的支路数过多。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于相控阵天线的弹载雷达测角方法。实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于相控阵天线的弹载雷达测角方法，步骤如下：步骤1、炮弹发射后进入末制导状态时，根据弹体当前姿态确定与弹体中心线垂直的目标平面，将弹体自身的方位轴与俯仰轴投影到目标平面建立二维坐标系，方位轴与俯仰轴的投影即为X轴与Y轴，弹体中心线与目标平面的交点即为坐标系原点，控制相控阵天线波束方向以偏离弹体中心线角度δ指向目标平面二维坐标系的第二象限，并设定该波束方向为波束方向A，利用接收机将回波信号下变频得到中频信号，之后利用信号处理机确定中频信号的回波信号A的振幅UA；步骤2、利用步骤1的方法，控制相控阵天线波束方向分别指向目标平面第四、第三和第一象限，并设定上述波束方向分别为波束方向B、波束方向C和波束方向D，任意相邻两个波束方向均关于二者之间的坐标轴对称，之后确定对应的回波信号B的振幅UB、回波信号C的振幅UC和回波信号D的振幅UD；步骤3、确定和信号振幅与X轴、Y轴方向差信号振幅；步骤4、根据步骤3的出的和信号振幅与X轴、Y轴方向差信号振幅确定X轴、Y轴方向的偏角值εx和εy。本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用相控阵天线进行波束扫描速度快、精度高；2)本发明所采用的波束扫描方法只需四个固定的相移值，减小了相控阵天线中移相阵列的实现难度，国内毫米波器件在工艺方面也能实现；3)本发明所使用的接收机只需要对单路信号进行处理，硬件结构简单。这是一种利用相控阵天线控制天线波束方向来模拟比幅法和差双波束测角的方法。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。附图说明图1为本发明的系统实现结构图。图2为本发明的天线波束方向示意图，其中图2(a)为波束方向A和波束方向B示意图，图2(b)为波束方向C和波束方向D示意图。图3本发明的目标平面示意图。图4本发明的半仿真X轴方向偏角值与实际偏角值的对应曲线图。具体实施方式结合附图，本发明的一种基于相控阵天线的弹载雷达测角方法，步骤如下：步骤1、炮弹发射后进入末制导状态时，根据弹体当前姿态确定与弹体中心线垂直的目标平面，将弹体自身的方位轴与俯仰轴投影到目标平面建立二维坐标系，方位轴与俯仰轴的投影即为X轴与Y轴，弹体中心线与目标平面的交点即为坐标系原点，控制相控阵天线波束方向以偏离弹体中心线角度δ指向目标平面二维坐标系的第二象限，并设定该波束方向为波束方向A，利用接收机将回波信号下变频得到中频信号，之后利用信号处理机确定中频信号的回波信号A的振幅UA；相控阵天线波束方向与弹体中心线夹角δ的范围为5°～10°。步骤2、利用步骤1的方法，控制相控阵天线波束方向分别指向目标平面第四、第三和第一象限，并设定上述波束方向分别为波束方向B、波束方向C和波束方向D，任意相邻两个波束方向均关于二者之间的坐标轴对称，之后确定对应的回波信号B的振幅UB、回波信号C的振幅UC和回波信号D的振幅UD；指向目标平面第四、第三和第一象限的相控阵天线波束方向与弹体中心线夹角均相同，该夹角与步骤1中的夹角δ相同。步骤3、确定和信号振幅与X轴、Y轴方向差信号振幅；确定和信号与X轴、Y轴方向差信号振幅所用公式为：式中，EΣ为和信号振幅，EΔx为X轴方向差信号振幅，EΔy为Y轴方向差信号振幅。步骤4、根据步骤3的出的和信号振幅与X轴、Y轴方向差信号振幅确定X轴、Y轴方向的偏角值εx和εy。确定X轴、Y轴方向的偏角值εx和εy所用公式为：式中，m＝-2F'(δ)/F(δ)，其中F(δ)为天线方向函数，F'(δ)为天线方向函数的导数，δ为相控阵天线波束方向与弹体中心线的夹角值，ηA为目标平面坐标系X轴正方向与连线OA的夹角，所述连线OA为天线波束方向A和目标平面的交点与目标平面坐标系原点O的连线，所求得的εx的大小表示X轴方向偏角的大小，εy的大小表示Y轴方向偏角的大小，符号表示偏角的方向。下面进行更详细的描述：结合图1，一种基于相控阵天线的弹载雷达测角方法的系统实现结构图，包括相控阵天线及其波束方向控制部分、发射机、接收机以及信号处理机。相控阵天线在波束方向控制下，按照波束A→B→C→D方式扫描，发射机、接收机完成回波信号混频之后的中频信号，信号处理机采用傅里叶变换法将时域信号变换为频域进行频谱分析获得不同波束方向下的回波振幅UA、UB、UC和UD,并且通过这些振幅值完成角度计算。结合图2与图3，本发明的相控阵天线波束方向扫描示意图与目标平面示意图，当波束方向为A时,回波振幅为：UA＝kF2(θ)＝kF2[δ-εcos(φ-ηA)]其中，F(θ)为天线方向性函数，θ为目标与天线中心轴的夹角，δ为天线中心轴与中心线之间的夹角，ε目标与中心线之间的误差角，k为一个比例系数，φ为目标平面坐标系X轴正方向与目标位置T和坐标系原点连线之间的夹角。由于在弹体角跟踪过程中在δ处将上式泰勒展开并忽略高次项，得到：令U0＝F2(δ)，m＝-2F'(δ)/F(δ)，得到：UA＝kU0[1+mεcos(φ-ηA)]同理，可以推导出波束方向在B、C和D时，回波振幅为由于波束A、B、C和D存在对称关系，所以有所以得到各振幅的表达式将代入上式可得考虑到由距离变化引起的误差，各振幅表达式会有所不同，在假设弹体与目标匀速运动状态下，为了消除由相对运动引起的误差，将和信号与差信号表达式变为根据计算出的和信号与X轴、Y轴方向差信号计算出X轴、Y轴方向的偏角值εx和εy：下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：仿真条件：目标εy＝0，εx为-5°～+5°，间隔1°；天线波束中心与弹体中心线夹角δ为5°。仿真步骤如下：步骤1、将目标置于εx＝-5°，εy＝0的位置，控制天线波束方向按照扫描方式A→B→C→D扫描，并获得对应振幅值UA、UB、UC和UD。步骤2、确定该目标位置下和信号振幅与X轴、Y轴方向差信号振幅。步骤3、确定该目标位置下X轴、Y轴方向的偏角值εx和εy。由于mcosηA与msinηA为固定值，所以可以用EΔx/EΣ和EΔy/EΣ来表征X轴、Y轴方向的偏角值εx和εy。步骤4、将目标置于其它10个位置，重复步骤1～步骤3，得到11组对应的EΔx/EΣ和EΔy/EΣ与实际偏角值，其中EΔy/EΣ近似为0。为了得到平滑准确的EΔx/EΣ与实际X轴方向偏角值εx的关系曲线，利用MATLAB工具对数据差值处理，绘制出如图4所示曲线。从图4所示曲线可以直观地看出本发明所述测角方法得到的偏角值与实际偏角值近似线性关系，为了得到更加精确的偏角值，可以通过类似图4关系曲线进行结果修正。