CN112526464B - 一种基于多通道雷达实测数据估计方位波束宽度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实测数据估计岸基多通道雷达方位波束宽度的方法，包括如下步骤：步骤1，选择用来估计方位波束宽度的强散射体目标：步骤2，计算雷达照射目标的方位角

和俯仰角

：步骤3，设置雷达相扫模式参数：步骤4，处理相扫数据：步骤5，估计3dB波束宽度。本发明所公开基于实测数据估计岸基多通道雷达方位波束宽度的方法，利用海面船只目标和多通道雷达相扫功能，实现了雷达方位波束宽度的外场标定，大大降低了外场试验成本，且可实时对雷达方位波束宽度进行外场标定，为多通道雷达的准确测量提供了有力保障。

Description

一种基于多通道雷达实测数据估计方位波束宽度的方法

技术领域

本发明属于多通道雷达波束宽度估计领域，特别涉及该领域中的一种基于实测数据估计岸基多通道雷达方位波束宽度的方法。

背景技术

波束宽度是雷达天线设计的一项重要技术指标，可在微波暗室中测得天线的波束宽度，但测试过程中雷达所用的馈线与实际整机雷达所用的馈线有所差异，尤其是多通道雷达，其体积较大，控制系统和馈线系统复杂，不便于将其放置在暗室中，整机雷达的天线波束宽度需要重新标定测量。

针对雷达波束宽度标定，国内外相关学者大多采用外定标试验：即采用接收机沿着雷达固定照射方位，移动接收雷达回波信号，进而测得雷达方位或俯仰单程天线方向图；或在天线照射方位或俯仰中心放置接收机，雷达进行机械扫描，进而标定出雷达方位或俯仰单程天线方向图。上述外定标试验原理简单，但面临定标场地选择难、试验成本高的问题，亟需一种直接通过实测数据获取天线波束宽度标定的方法。

基于雷达回波数据受到收发天线双程方向图的调制原理，可利用实测数据估计多通道雷达波束宽度，但仍面临如何利用目标散射体的回波信号替代接收机回波信号、如何利用相扫工作模式替代雷达天线机械扫描、如何处理相扫回波数据等问题，开展基于实测数据的多通道雷达天线波束宽度的方法研究，可为多通道雷达波束宽度标定提供新思路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于实测数据估计岸基多通道雷达方位波束宽度的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于实测数据估计岸基多通道雷达方位波束宽度的方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，选择用来估计方位波束宽度的强散射体目标：

利用船舶自动识别系统AIS获取岸基雷达照射海域中经过或停泊的船只信息，基于船只信息选择用于估计方位波束宽度的非合作目标，具体步骤为：

步骤11，结合雷达照射方位范围和AIS中船只的方位角度，选择长度大于100米，宽度大于30米的船只作为估计方位波束宽度的目标船只；

步骤12，判断步骤11中所选船只的航速是否为0，如果航速为0，则选择该停泊船只作为测量目标，若航速不为0，则不选该船只；

步骤2，计算雷达照射目标的方位角Φ和俯仰角Θ：

结合AIS中船只经纬度信息和雷达架设位置经纬度信息，计算雷达天线法线对准目标时需设置的方位角Φ；计算雷达天线与目标之间的直线距离D，并结合已知雷达架设高度H，计算雷达天线法线对准目标时需设置的俯仰角Θ，见下式(1)，其中arcsin(·)为反正弦函数；

步骤3，设置雷达相扫模式参数：

基于步骤2中计算所得的雷达方位角和俯仰角，仅能确定雷达相扫模式中的方位相扫中心，还需设置雷达方位扫描范围、相扫角度、相扫间隔角、相扫测量时长参数，具体步骤为：

步骤31，估计雷达天线方位波束宽度：

由N个阵元组成的一维均匀线阵，阵元间隔d＝λ/2，利用下式(2)，近似估算雷达天线方位波束宽度

其中λ＝c/f₀，c＝3×10⁸m/s为电磁波传播速度，f₀为雷达工作频率；

步骤32，设置相扫角度：

根据步骤31中估算的雷达天线方位波束宽度，设置相扫角度偏离天线法线的最大角度不超过120度，见下式(3)，以阵面天线法线为相扫角度零点，设置相扫起始角度θ_scan1和相扫终止角度θ_scan2：

步骤33，设置相扫间隔角为θ_step度；

步骤34，设置相扫间隔角θ_step对应的脉冲数为m_scan；

步骤35，设置最小测量时长：

根据步骤32-34中设置的相扫角度相关参数，结合雷达工作参数中的脉冲重复频率，计算最小测量时长t_min，见下式(4)，式中PRF为脉冲重复频率；

步骤4，处理相扫数据：

步骤41，根据步骤2中确定的雷达天线与目标之间的距离D，计算目标所在的中心距离单元r_o，见下式(5)，其中Δm为距离分辨率，

步骤42，依据所选船只目标长度L占据的距离单元数目num，确定所选船只对应的距离范围Δr，见下式(6)：

r_o-num≤Δr≤r_o+num (6)

步骤43，利用船只对应的距离范围Δr和测量数据的时间长度组成的数据矩阵，绘制距离-时间RT二维伪彩色图，并从RT图中选择一段完整的扫描信号；

步骤44，以步骤43中选择的完整扫描信号为处理对象，对Δr个距离单元对应幅度平均，得到平均距离单元

对应的幅值随M个脉冲的变化曲线，见下式(7)：

步骤45，对步骤44中M个脉冲对应的一维幅值，依次以m_scan个脉冲平均，得到M/m_scan个以θ_step为刻度的方位角对应的一维幅值图，并对M/m_scan个横坐标乘以θ_step，将一维幅值图横坐标转换为方位维度数；

步骤5，估计3dB波束宽度：

步骤51，补偿相扫带来的增益损失：对步骤45对应的方位-幅值数据Data_ys进行下式(8)的计算，补偿相扫带来的增益损失，得到补偿增益损失后的数据Data_bc，其中θ为以起点为θ_scan1，终点为θ_scan2，间隔为θ_step组成的方位向量，*表示向量乘以运算；

步骤52，寻找数据Data_bc中最大值，找出最大值下降6dB后，左右对应的方位角度θ_left、θ_right，且分别乘以相应的波束展宽因子cosθ_left、cosθ_right，根据下式(9)可得3dB波束宽度：

θ_3dB＝(θ_right·cosθ_right)-(θ_left·cosθ_left) (9)。

本发明的有益效果是：

本发明所公开基于实测数据估计岸基多通道雷达方位波束宽度的方法，利用海面船只目标和多通道雷达相扫功能，实现了雷达方位波束宽度的外场标定，大大降低了外场试验成本，且可实时对雷达方位波束宽度进行外场标定，为多通道雷达的准确测量提供了有力保障。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开方法的流程示意图；

图2是本发明实施例1所公开方法中步骤43中的距离-时间二维伪彩色图；

图3是本发明实施例1所公开方法中步骤45中的方位-幅值一维图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种基于实测数据估计岸基多通道雷达方位波束宽度的方法，在多通道雷达相扫工作模式下，选择合理的目标散射体，设置相应的相扫参数，处理目标散射体对应的相扫数据，补偿相扫带来的波束展宽和增益损失，估计雷达天线方位波束宽度。具体包括如下步骤：

步骤1，选择用来估计方位波束宽度的强散射体目标：

利用船舶自动识别系统(AIS)获取岸基雷达照射海域中经过或停泊的船只信息，基于船只信息选择用于估计方位波束宽度的非合作目标，具体步骤为：

步骤11，结合雷达照射方位范围和AIS中船只的方位角度，选择长度大于100米，宽度大于30米的船只作为估计方位波束宽度的目标船只；

步骤12，判断步骤11中所选船只的航速是否为0，如果航速为0，则选择该停泊船只作为测量目标，若航速不为0，则不选该船只；

步骤2，计算雷达照射目标的方位角Φ和俯仰角Θ：

结合AIS中船只经纬度信息和雷达架设位置经纬度信息，计算雷达天线法线对准目标时需设置的方位角Φ；计算雷达天线与目标之间的直线距离D，并结合已知雷达架设高度H，计算雷达天线法线对准目标时需设置的俯仰角Θ，见下式(1)，其中arcsin(·)为反正弦函数；

步骤3，设置雷达相扫模式参数：

基于步骤2中计算所得的雷达方位角和俯仰角，仅能确定雷达相扫模式中的方位相扫中心，还需设置雷达方位扫描范围、相扫角度、相扫间隔角、相扫测量时长参数，具体步骤为：

步骤31，估计雷达天线方位波束宽度：

根据雷达方位向天线设计形式和天线阵元方向图，初步估计雷达天线方位波束宽度。如阵元为偶极子天线，由N个阵元组成的一维均匀线阵，阵元间隔d＝λ/2，利用下式(2)，近似估算雷达天线方位波束宽度

其中λ＝c/f₀，c＝3×10⁸m/s为电磁波传播速度，f₀为雷达工作频率；

步骤32，设置相扫角度：

根据步骤31中估算的雷达天线方位波束宽度，设置相扫角度偏离天线法线的最大角度不超过120度，见下式(3)，以阵面天线法线为相扫角度零点，设置相扫起始角度θ_scan1和相扫终止角度θ_scan2：

步骤33，设置相扫间隔角为θ_step度；

步骤34，设置相扫间隔角θ_step对应的脉冲数为m_scan；

步骤35，设置最小测量时长：

根据步骤32-34中设置的相扫角度相关参数，结合雷达工作参数中的脉冲重复频率，计算最小测量时长t_min(s)，见下式(4)，式中PRF(Hz)为脉冲重复频率；

步骤4，处理相扫数据：

步骤41，根据步骤2中确定的雷达天线与目标之间的距离D，计算目标所在的中心距离单元r_o，见下式(5)，其中Δm为距离分辨率，

步骤42，依据所选船只目标长度L占据的距离单元数目num，确定所选船只对应的距离范围Δr，见下式(6)：

r_o-num≤Δr≤r_o+num (6)

步骤43，利用船只对应的距离范围Δr和测量数据的时间长度组成的数据矩阵，绘制距离-时间(Range-Time，简写为RT)二维伪彩色图，如图2所示，并从RT图中选择一段完整的扫描信号；

步骤44，以步骤43中选择的完整扫描信号为处理对象，对Δr个距离单元对应幅度平均，得到平均距离单元

对应的幅值随M个脉冲的变化曲线，见下式(7)：

步骤45，对步骤44中M个脉冲对应的一维幅值，依次以m_scan个脉冲平均，得到M/m_scan个以θ_step为刻度的方位角对应的一维幅值图，并对M/m_scan个横坐标乘以θ_step，将一维幅值图横坐标转换为方位维度数，如图3所示；

步骤5，估计3dB波束宽度：

步骤51，补偿相扫带来的增益损失：对步骤45对应的方位-幅值数据Data_ys进行下式(8)的计算，补偿相扫带来的增益损失，得到补偿增益损失后的数据Data_bc，其中θ为以起点为θ_scan1，终点为θ_scan2，间隔为θ_step组成的方位向量，*表示向量乘以运算；

步骤52，寻找数据Data_bc中最大值，找出最大值下降6dB后，左右对应的方位角度θ_left、θ_right，且分别乘以相应的波束展宽因子cosθ_left、cosθ_right，根据下式(9)可得3dB波束宽度：

θ_3dB＝(θ_right·cosθ_right)-(θ_left·cosθ_left) (9)。

Claims (1)

1.一种基于多通道雷达实测数据估计方位波束宽度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，选择用来估计方位波束宽度的强散射体目标：

利用船舶自动识别系统AIS获取岸基雷达照射海域中经过或停泊的船只信息，基于船只信息选择用于估计方位波束宽度的非合作目标，具体步骤为：

步骤11，结合雷达照射方位范围和AIS中船只的方位角度，选择长度大于100米，宽度大于30米的船只作为估计方位波束宽度的目标船只；

步骤12，判断步骤11中所选船只的航速是否为0，如果航速为0，则选择该停泊船只作为测量目标，若航速不为0，则不选该船只；

步骤2，计算雷达照射目标的方位角Φ和俯仰角Θ：

结合AIS中船只经纬度信息和雷达架设位置经纬度信息，计算雷达天线法线对准目标时需设置的方位角Φ；计算雷达天线与目标之间的直线距离D，并结合已知雷达架设高度H，计算雷达天线法线对准目标时需设置的俯仰角Θ，见下式(1)，其中arcsin(·)为反正弦函数；

步骤3，设置雷达相扫模式参数：

基于步骤2中计算所得的雷达方位角和俯仰角，仅能确定雷达相扫模式中的方位相扫中心，还需设置雷达方位扫描范围、相扫角度、相扫间隔角、相扫测量时长参数，具体步骤为：

步骤31，估计雷达天线方位波束宽度：

由N个阵元组成的一维均匀线阵，阵元间隔d＝λ/2，利用下式(2)，近似估算雷达天线方位波束宽度

其中λ＝c/f₀，c＝3×10⁸m/s为电磁波传播速度，f₀为雷达工作频率；

步骤32，设置相扫角度：

根据步骤31中估算的雷达天线方位波束宽度，设置相扫角度偏离天线法线的最大角度不超过120度，见下式(3)，以阵面天线法线为相扫角度零点，设置相扫起始角度θ_scan1和相扫终止角度θ_scan2：

步骤33，设置相扫间隔角为θ_step度；

步骤34，设置相扫间隔角θ_step对应的脉冲数为m_scan；

步骤35，设置最小测量时长：

根据步骤32-34中设置的相扫角度相关参数，结合雷达工作参数中的脉冲重复频率，计算最小测量时长t_min，见下式(4)，式中PRF为脉冲重复频率；

步骤4，处理相扫数据：

步骤41，根据步骤2中确定的雷达天线与目标之间的距离D，计算目标所在的中心距离单元r_o，见下式(5)，其中Δm为距离分辨率，

步骤42，依据所选船只目标长度L占据的距离单元数目num，确定所选船只对应的距离范围Δr，见下式(6)：

r_o-num≤Δr≤r_o+num (6)

步骤43，利用船只对应的距离范围Δr和测量数据的时间长度组成的数据矩阵，绘制距离-时间RT二维伪彩色图，并从RT图中选择一段完整的扫描信号；

步骤44，以步骤43中选择的完整扫描信号为处理对象，对Δr个距离单元对应幅度平均，得到平均距离单元

对应的幅值随M个脉冲的变化曲线，见下式(7)：

步骤45，对步骤44中M个脉冲对应的一维幅值，依次以m_scan个脉冲平均，得到M/m_scan个以θ_step为刻度的方位角对应的一维幅值图，并对M/m_scan个横坐标乘以θ_step，将一维幅值图横坐标转换为方位维度数；

步骤5，估计3dB波束宽度：

步骤51，补偿相扫带来的增益损失：对步骤45对应的方位-幅值数据Data_ys进行下式(8)的计算，补偿相扫带来的增益损失，得到补偿增益损失后的数据Data_bc，其中θ为以起点为θ_scan1，终点为θ_scan2，间隔为θ_step组成的方位向量，*表示向量乘以运算；

步骤52，寻找数据Data_bc中最大值，找出最大值下降6dB后，左右对应的方位角度θ_left、θ_right，且分别乘以相应的波束展宽因子cosθ_left、cosθ_right，根据下式(9)可得3dB波束宽度：

θ_3dB＝(θ_right·cosθ_right)-(θ_left·cosθ_left) (9)。

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