艦載一維相掃雷達電子穩(wěn)定設(shè)計與仿真分析

秦琨

摘要：艦載搜索雷達天線一般采用機械穩(wěn)定平臺以消除船體搖擺的影響，但具有體積大、重量重等缺點，本文分析了一維相掃雷達采用電子穩(wěn)定平臺的工作原理并進行仿真分析。

關(guān)鍵詞：艦載雷達；一維相掃雷達；穩(wěn)定平臺

中圖分類號：TN95 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）10-0129-02

艦體由于海浪的沖擊和顛簸會發(fā)生搖動，帶動艦載雷達天線產(chǎn)生搖動，這種搖擺輕者影響雷達測量精度，重者造成雷達丟失目標(biāo)。為了克服艦的搖擺對雷達測量精度、探測空域帶來的影響，雷達需要采用天線穩(wěn)定系統(tǒng)。天線穩(wěn)定系統(tǒng)一般采用機電或者液壓穩(wěn)定平臺，來消除船體搖擺對天線的影響[1]；這樣的平臺體積大，重量重，可靠性低。應(yīng)用電子穩(wěn)定技術(shù)，可以取消笨重的機械穩(wěn)定平臺，減輕天線重量，提高可靠性。

1 電子穩(wěn)定平臺工作原理

艦載搜索雷達電子穩(wěn)定平臺并不是一個專門的設(shè)備，而是依靠相控陣?yán)走_資源調(diào)度器、伺服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理器、信號處理器等分系統(tǒng)協(xié)同工作來實現(xiàn)雷達的穩(wěn)定搜索。

1.1 搜索空域穩(wěn)定的保持

伺服系統(tǒng)接收艦搖信息，根據(jù)艦搖信息和天線方位值計算出不同仰角空域（大地坐標(biāo)）對應(yīng)的波束指向值（甲板坐標(biāo)）及方位補償值；資源調(diào)度器根據(jù)甲板坐標(biāo)俯仰值及波位安排形成天線波束，同時送往信號處理供其形成點跡坐標(biāo)使用；信號處理按不同波位的方位補償值建立雜波圖并形成目標(biāo)錄取點跡（甲板坐標(biāo)）；數(shù)據(jù)處理將收到的點跡變?yōu)榇蟮刈鴺?biāo)后再進行航跡跟蹤處理。經(jīng)過處理后，雷達可均勻覆蓋每一個俯仰搜索波位，并對監(jiān)視和搜索到的目標(biāo)保持連續(xù)跟蹤。

數(shù)據(jù)處理將目標(biāo)的甲板球坐標(biāo)變換到大地球坐標(biāo)，變換后可在大地坐標(biāo)系下對目標(biāo)進行跟蹤。其坐標(biāo)變換方法[5]為：

（1）

式中，（A，E）為天線的大地球坐標(biāo)，A為方位角，E為俯仰角；

（Ac，Ec）為天線的甲板球坐標(biāo)，Ac為方位角，Ec為俯仰角；

（H，P，R）為船上平臺羅經(jīng)提供的船的姿態(tài)角，H為航向角，P為縱傾角，R為橫傾角。

伺服系統(tǒng)在已知甲板方位的情況下，將大地坐標(biāo)的俯仰值變換到甲板坐標(biāo)的俯仰值，同時解算出對應(yīng)的大地坐標(biāo)方位值。由于變換好的甲板俯仰值要參加自動波束調(diào)度，故在坐標(biāo)變換前要進行數(shù)據(jù)預(yù)測。經(jīng)過推導(dǎo)，伺服系統(tǒng)的坐標(biāo)變換方法為：

（2）

式中各參數(shù)的物理意義同前所述。

1.2 轉(zhuǎn)跟蹤目標(biāo)處理

對重點目標(biāo)，數(shù)據(jù)處理將其目標(biāo)航跡參數(shù)送給資源調(diào)度器；資源調(diào)度器在天線方位下一次旋轉(zhuǎn)到該方位附近時，不斷地對目標(biāo)位置進行預(yù)測，并將預(yù)測目標(biāo)的大地坐標(biāo)變換為甲板坐標(biāo)，當(dāng)預(yù)測的目標(biāo)甲板坐標(biāo)方位值與天線實際旋轉(zhuǎn)的方位碼吻合時插入跟蹤波位，處理方法見圖1。

資源調(diào)度器將目標(biāo)預(yù)測值的大地球坐標(biāo)變換到甲板球坐標(biāo)，變換后可在當(dāng)前天線方位碼與目標(biāo)甲板坐標(biāo)一致時插入跟蹤波位。其坐標(biāo)變換方法[5]為；

（3）

式中各參數(shù)的物理意義同式（1）所述。

2 仿真分析

下面主要對測量精度和搖擺空域進行仿真分析。

2.1 測量精度分析

對于超低空目標(biāo)，由于多路徑的影響，測量得到的目標(biāo)俯仰角精度會嚴(yán)重惡化。雷達天線如果安裝在機械穩(wěn)定平臺上，方位角精度可基本不受影響，采用電子穩(wěn)定平臺，俯仰角測量精度惡化，坐標(biāo)變換后該誤差會耦合到方位角上，引起方位角精度也產(chǎn)生惡化。圖2給出了橫搖22.5°、周期11s，縱搖7.5°、周期7.5s情況下的誤差耦合仿真分析圖。

在俯仰角測量誤差0.9°（甲板坐標(biāo)）時，經(jīng)過坐標(biāo)變換后引起的方位角誤差（大地坐標(biāo)）極大值達到0.35°，均方根值為0.11°。意味著雷達的方位角測量精度將有一定程度惡化，如雷達原方位角精度為0.3度，則會惡化到。對搜索雷達而言，超低空目標(biāo)測量精度這種程度的惡化是完全可以接受的。

2.2 搖擺空域分析

艦體搖擺后，雷達觀察到的目標(biāo)甲板球坐標(biāo)與目標(biāo)實際的大地球坐標(biāo)相差較大（不考慮艏搖），且艦搖擺幅度越大，目標(biāo)俯仰角越大，二者的差值越大。甲板球坐標(biāo)方位與大地球坐標(biāo)方位不一致，將會影響雷達數(shù)據(jù)處理的航跡跟蹤方法，以及雷達資源調(diào)度器對轉(zhuǎn)跟蹤目標(biāo)的調(diào)度算法，故需對此進行仿真計算。

圖3給出了不同艦搖擺條件下，目標(biāo)俯仰角不同時，在目標(biāo)方位不斷變化時（天線2s旋轉(zhuǎn)一圈），目標(biāo)的甲板坐標(biāo)方位值與目標(biāo)的大地坐標(biāo)方位值之差的最大值（不考慮艏搖）。

以橫搖20°、周期11s，縱搖7°、周期7.5s，目標(biāo)大地坐標(biāo)俯仰角40°為例，方位最大差值達到20°。其意義為：在該海情下，對俯仰角為40°的目標(biāo)，資源調(diào)度器將目標(biāo)的大地坐標(biāo)變換為甲板坐標(biāo)至少應(yīng)提前20°，才能確保在天線掃描到對應(yīng)甲板方位時及時插入相應(yīng)跟蹤波位；數(shù)據(jù)處理器在對該目標(biāo)保持邊掃描邊跟蹤時，也需等待一定時間，待所有可能變換到同一大地坐標(biāo)方位的點跡都輸入后再進行航跡點跡相關(guān)及跟蹤濾波處理。圖3的仿真結(jié)果可以作為雷達資源調(diào)度自適應(yīng)選擇轉(zhuǎn)跟蹤目標(biāo)進行調(diào)度運算及數(shù)據(jù)處理自適應(yīng)確定延遲處理時間的依據(jù)。

3 結(jié)語

本文介紹了艦載一維相控陣搜索雷達電子穩(wěn)定平臺實現(xiàn)原理，分析了電子穩(wěn)定平臺實現(xiàn)的關(guān)鍵點；還對穩(wěn)定平臺的測量精度和搖擺空域進行了仿真分析。

參考文獻

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