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        基于運(yùn)動平臺的搜索雷達(dá)技術(shù)研究

        2022-07-22 08:24:08周永偉郝小寧董普靠
        火控雷達(dá)技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:車體指向波束

        周永偉 郝小寧 董普靠 姚 頡

        (1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局 西安 710000)

        0 引言

        伴隨防空是現(xiàn)代野戰(zhàn)防空體系的重要組成部分,其主要任務(wù)是掩護(hù)戰(zhàn)斗區(qū)域內(nèi)作戰(zhàn)部隊(duì)以及戰(zhàn)區(qū)內(nèi)其他重要目標(biāo)和部隊(duì)在集結(jié)、展開、行進(jìn)過程中不受敵方的空中襲擊。自行防空武器系統(tǒng)具有行進(jìn)間搜索、跟蹤、射擊目標(biāo)能力,使用機(jī)動、靈活,既可進(jìn)行要地防空,也可伴隨防空,廣受用戶青睞。

        本文分析了運(yùn)動平臺對自行防空武器搜索雷達(dá)的影響因素,并研究了對各種影響因素的補(bǔ)償處理方法。

        1 影響因素分析

        在運(yùn)動平臺下跟蹤目標(biāo)與處于靜止?fàn)顟B(tài)下跟蹤目標(biāo)相比,增加的影響因素主要有以下三點(diǎn):車體姿態(tài)角變化對雷達(dá)波束穩(wěn)定的影響、車體運(yùn)動對雷達(dá)回波多普勒頻率的影響、車體姿態(tài)及位置變化對TWS(邊搜索邊跟蹤)的影響。

        1.1 波束穩(wěn)定的影響

        在自行防空武器系統(tǒng)中通常會采用搜索雷達(dá)對目標(biāo)進(jìn)行檢測,由雷達(dá)向武器系統(tǒng)提供目標(biāo)信息輸出,通常包含目標(biāo)距離、方位、仰角、速度等參數(shù)。在車體處于運(yùn)動狀態(tài)時,車體平臺相對大地坐標(biāo)系產(chǎn)生的傾斜會對目標(biāo)的檢測產(chǎn)生影響。

        雷達(dá)的天線俯仰波束指向角是指雷達(dá)波束與雷達(dá)的安裝基準(zhǔn)面的夾角。當(dāng)車體處于靜止并且調(diào)平的狀態(tài)時,雷達(dá)的安裝基準(zhǔn)面與水平面平行,在雷達(dá)旋轉(zhuǎn)過程中,天線俯仰波束指向角相對于水平面是穩(wěn)定不變的;當(dāng)車體傾斜時,雷達(dá)旋轉(zhuǎn)時俯仰波束指向相對水平面會發(fā)生變化。這對雷達(dá)檢測目標(biāo)是不利的,會出現(xiàn)漏空域或波束打地的現(xiàn)象,會使雷達(dá)波束偏離目標(biāo),導(dǎo)致威力降低,誤差加大,甚至丟失目標(biāo)。

        1.2 多普勒頻率的影響

        脈沖多普勒雷達(dá)對目標(biāo)進(jìn)行相參積累的動目標(biāo)檢測(MTD)處理,利用運(yùn)動目標(biāo)和地物回波多普勒頻率的區(qū)別,將運(yùn)動目標(biāo)從地物雜波中檢測出來。當(dāng)車體處于運(yùn)動狀態(tài)時,雷達(dá)獲得的回波信息中除了包含目標(biāo)自身運(yùn)動的多普勒信息外,還包含車體運(yùn)動引入的影響,如果不對車體運(yùn)動的影響進(jìn)行補(bǔ)償則會對地物和運(yùn)動目標(biāo)的檢測產(chǎn)生混淆。

        1.3 TWS的影響

        在車體靜止時,雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理器對包含目標(biāo)距離、方位、仰角的點(diǎn)跡信息進(jìn)行處理得到航跡信息,處理基于目標(biāo)運(yùn)動模型。在車體運(yùn)動過程中由于車體位置和姿態(tài)的變化導(dǎo)致目標(biāo)的測量位置和航跡的外推位置有較大的距離差不能正確相關(guān)或正確起始航跡。

        2 運(yùn)動平臺跟蹤補(bǔ)償處理

        運(yùn)動平臺下由于車體的運(yùn)動帶來的車體速度、位置和姿態(tài)的變化導(dǎo)致了前文所述的三點(diǎn)影響,必須對其進(jìn)行補(bǔ)償。在自行防空武器系統(tǒng)中通常采用組合導(dǎo)航設(shè)備測量車體速度、位置和姿態(tài),行進(jìn)間工作補(bǔ)償原理如圖1所示。在該系統(tǒng)中使用的是一部方位機(jī)械掃描、俯仰相掃的三坐標(biāo)搜索雷達(dá)。

        圖1 運(yùn)動平臺跟蹤補(bǔ)償處理圖

        2.1 波束穩(wěn)定補(bǔ)償

        2.1.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

        在進(jìn)行波束穩(wěn)定補(bǔ)償前需要先求出波束的偏移量,計(jì)算波束的偏移需要進(jìn)行多次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行求取。在自行防空武器系統(tǒng)中,常見結(jié)構(gòu)形式為搜索雷達(dá)安裝在炮塔上,炮塔安裝在車體上,炮塔和雷達(dá)均可以全方位旋轉(zhuǎn)。其中涉及到3種坐標(biāo)系,分別是雷達(dá)坐標(biāo)系、車體坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系。系統(tǒng)可獲得如下信息:雷達(dá)測得基于雷達(dá)坐標(biāo)系的目標(biāo)數(shù)據(jù):目標(biāo)方位角、目標(biāo)俯仰角及目標(biāo)距離;炮塔相對于車體坐標(biāo)系的指向信息:炮塔方位角、炮塔俯仰角;車體相對于大地坐標(biāo)系的姿態(tài)信息:相對正北的航向角、相對水平面的縱搖角以及橫滾角。坐標(biāo)系的級聯(lián)關(guān)系如圖2所示,圖中的代表兩種坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

        圖2 坐標(biāo)系級聯(lián)關(guān)系

        即存在,

        (1)

        (2)

        1)雷達(dá)坐標(biāo)系和車體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

        雷達(dá)相對于車體只有轉(zhuǎn)動,因此,雷達(dá)坐標(biāo)系和車體坐標(biāo)系僅在方位角上相差。因此兩個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化公式為

        (3)

        (4)

        2)車體坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

        車體坐標(biāo)系相對于大地坐標(biāo)系在方位角上有、縱搖角上有,橫滾角上有的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換矩陣為

        (5)

        (6)

        由式(1)、式(3)、式(5)可得,雷達(dá)探測得到目標(biāo)的球坐標(biāo)數(shù)據(jù)在大地坐標(biāo)系的直角坐標(biāo)為

        (7)

        由式(2)、式(4)、式(6)可得,大地坐標(biāo)系到車體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法為

        (8)

        212 波束穩(wěn)定補(bǔ)償過程

        由波束控制器控制搜索雷達(dá)進(jìn)行俯仰相掃,并完成波束穩(wěn)定補(bǔ)償,其工作原理如圖3所示。波束控制器接收車體姿態(tài)信息、雷達(dá)方位指向信息和炮塔指向信息,以及設(shè)定的雷達(dá)俯仰指向角,設(shè)定目標(biāo)距離為1km(可取任意非0值, 不影響計(jì)算結(jié)果)。

        圖3 波束穩(wěn)定補(bǔ)償原理圖

        1)將上述參數(shù)代入式(7)得到大地直角坐標(biāo)系坐標(biāo),然后將其轉(zhuǎn)為大地球坐標(biāo)得到和Re;

        2)令=,將、和Re代入式(8)得到車體直角坐標(biāo)系坐標(biāo),然后將其轉(zhuǎn)為球坐標(biāo)系代入式(4),得到雷達(dá)坐標(biāo)系方位角′、俯仰角′及目標(biāo)距離′,其中?=′-即為應(yīng)補(bǔ)償?shù)母┭銎平牵?/p>

        3)波束控制器根據(jù)?求出應(yīng)設(shè)定的指向角,控制雷達(dá)波束指向。

        2.2 多普勒頻率補(bǔ)償

        在車體處于靜止?fàn)顟B(tài)時,回波的多普勒頻率和目標(biāo)相對于雷達(dá)的徑向速度以及雷達(dá)的波長有關(guān)。設(shè)目標(biāo)速度為,雷達(dá)波長為,目標(biāo)多普勒頻率為0,則有

        (9)

        如果車體運(yùn)動,則引入車體運(yùn)動帶來的多普勒頻率。由于車體運(yùn)動時主要速度分量在水平面上,指向車體航向,車體的縱搖角和橫滾角影響較小,所以在工程設(shè)計(jì)上通常不予考慮。設(shè)車體運(yùn)動速度為,雷達(dá)波長為,目標(biāo)相對車體的方位角為,相對車體的俯仰角為,在該目標(biāo)回波由于車體運(yùn)動疊加的多普勒頻率為1,則有

        (10)

        設(shè)目標(biāo)回波的實(shí)際多普勒頻率為,則有

        =0+1

        (11)

        由信號處理器完成對目標(biāo)信號的檢測,并完成對由車體運(yùn)動帶來的多普勒頻率的補(bǔ)償,其工作原理框圖如圖4所示。

        圖4 多普勒頻率補(bǔ)償原理圖

        信號處理器接收車體速度信息、炮塔指向信息、雷達(dá)工作頻率信息和雷達(dá)方位指向信息,通過式(3)計(jì)算出雷達(dá)當(dāng)前方位相對車體航向的夾角,結(jié)合波束俯仰指向角和車體速度按照式(10)計(jì)算出車體運(yùn)動引入的多普勒頻率,并送給CFAR模塊;信號處理器對接收到的中頻回波信號后受AD采樣、DDC、脈壓、MTD處理;在CFAR模塊中,計(jì)算出地物回波對應(yīng)的頻率通道號,先對數(shù)據(jù)進(jìn)行重排,將該頻率通道號移為0號通道,然后進(jìn)行CFAR處理。經(jīng)過多普勒頻率補(bǔ)償處理后,可以有效地抑制地物雜波,準(zhǔn)確地區(qū)分動目標(biāo)和地物雜波。

        2.3 TWS補(bǔ)償

        由數(shù)據(jù)處理器完成對目標(biāo)的連續(xù)跟蹤,并完成由車體運(yùn)動帶來的車體姿態(tài)、位置變化對目標(biāo)跟蹤影響的補(bǔ)償,其工作原理框圖如圖5所示。

        圖5 目標(biāo)跟蹤補(bǔ)償原理圖

        數(shù)據(jù)處理器接收點(diǎn)跡信息,把點(diǎn)跡信息轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系,然后進(jìn)行后續(xù)的航跡相關(guān)處理。如果需要可以對車體的位置信息進(jìn)行補(bǔ)償,在補(bǔ)償后再進(jìn)行后續(xù)處理,但考慮到車體運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于飛機(jī)速度,并且在行進(jìn)過程中雷達(dá)每旋轉(zhuǎn)一周對目標(biāo)數(shù)據(jù)更新一次,可以采用以戰(zhàn)車為原點(diǎn)的浮動原點(diǎn)進(jìn)行處理。在本系統(tǒng)中,戰(zhàn)車在雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一周的時間內(nèi),行進(jìn)的距離小于搜索雷達(dá)一個距離單元,故采用后一種方法。通過車體姿態(tài)補(bǔ)償后,可以消除車體姿態(tài)擾動對測量目標(biāo)位置信息的影響,然后進(jìn)行航跡起始和相關(guān)等處理,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤。

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        在某自行防空武器系統(tǒng)的研制過程中,通過外場跟飛試驗(yàn),對本文論述的補(bǔ)償方法進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)時,該系統(tǒng)在一段3km長的路線上往返行駛,最大行駛速度不大于30km/h,在行進(jìn)過程中系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤。戰(zhàn)斗機(jī)以5km為半徑按照圓形軌跡飛行,飛行航路的圓心距自行防空武器系統(tǒng)行駛路線約10km,飛行速度200m/s,飛行高度1500m。自行防空武器系統(tǒng)行進(jìn)間工作時,雷達(dá)對目標(biāo)形成的航跡如圖6所示,圓圈為目標(biāo)形成的航跡。

        圖6 行進(jìn)間工作雷達(dá)航跡圖

        通過外場跟飛試驗(yàn),驗(yàn)證了運(yùn)動平臺跟蹤技術(shù)的可行性和正確性。試驗(yàn)結(jié)果表明:在該試驗(yàn)條件下,雷達(dá)能夠有效抑制地面雜波,虛警點(diǎn)較少,并且系統(tǒng)能穩(wěn)定連續(xù)地跟蹤目標(biāo)。

        4 結(jié)束語

        本文對運(yùn)動平臺在工作時對搜索雷達(dá)的主要影響進(jìn)行了分析,研究了補(bǔ)償?shù)姆椒ǎυ撗a(bǔ)償方法在實(shí)際應(yīng)用中取得的效果進(jìn)行了簡單介紹。在運(yùn)動平臺跟蹤補(bǔ)償算法的工程實(shí)現(xiàn)過程中,還有較多的理論問題和工程實(shí)現(xiàn)問題,有待進(jìn)一步的深入分析。

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