艦載一維相掃雷達電子穩定設計與仿真分析

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定平臺的工作原理并進行仿真分析。

關鍵詞：艦載雷達；一維相掃雷達；穩定平臺

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：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生搖動，帶動艦載雷達天線產生搖動，這種搖擺輕者影響雷達測量精度，重者造成雷達丟失目標。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定系統。天線穩定系統一般采用機電或者液壓穩定平臺，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。應用電子穩定技術，可以取消笨重的機械穩定平臺，減輕天線重量，提高可靠性。

1 電子穩定平臺工作原理

艦載搜索雷達電子穩定平臺并不是一個專門的設備，而是依靠相控陣雷達資源調度器、伺服系統、數據處理器、信號處理器等分系統協同工作來實現雷達的穩定搜索。

1.1 搜索空域穩定的保持

伺服系統接收艦搖信息，根據艦搖信息和天線方位值計算出不同仰角空域（大地坐標）對應的波束指向值（甲板坐標）及方位補償值；資源調度器根據甲板坐標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錄取點跡（甲板坐標）；數據處理將收到的點跡變為大地坐標后再進行航跡跟蹤處理。經過處理后，雷達可均勻覆蓋每一個俯仰搜索波位，并對監視和搜索到的目標保持連續跟蹤。

數據處理將目標的甲板球坐標變換到大地球坐標，變換后可在大地坐標系下對目標進行跟蹤。其坐標變換方法[5]為：

（1）

式中，（A，E）為天線的大地球坐標，A為方位角，E為俯仰角；

（Ac，Ec）為天線的甲板球坐標，Ac為方位角，Ec為俯仰角；

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

伺服系統在已知甲板方位的情況下，將大地坐標的俯仰值變換到甲板坐標的俯仰值，同時解算出對應的大地坐標方位值。由于變換好的甲板俯仰值要參加自動波束調度，故在坐標變換前要進行數據預測。經過推導，伺服系統的坐標變換方法為：

（2）

式中各參數的物理意義同前所述。

1.2 轉跟蹤目標處理

對重點目標，數據處理將其目標航跡參數送給資源調度器；資源調度器在天線方位下一次旋轉到該方位附近時，不斷地對目標位置進行預測，并將預測目標的大地坐標變換為甲板坐標，當預測的目標甲板坐標方位值與天線實際旋轉的方位碼吻合時插入跟蹤波位，處理方法見圖1。

資源調度器將目標預測值的大地球坐標變換到甲板球坐標，變換后可在當前天線方位碼與目標甲板坐標一致時插入跟蹤波位。其坐標變換方法[5]為；

（3）

式中各參數的物理意義同式（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，由于多路徑的影響，測量得到的目標俯仰角精度會嚴重惡化。雷達天線如果安裝在機械穩定平臺上，方位角精度可基本不受影響，采用電子穩定平臺，俯仰角測量精度惡化，坐標變換后該誤差會耦合到方位角上，引起方位角精度也產生惡化。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）時，經過坐標變換后引起的方位角誤差（大地坐標）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，雷達觀察到的目標甲板球坐標與目標實際的大地球坐標相差較大（不考慮艏搖），且艦搖擺幅度越大，目標俯仰角越大，二者的差值越大。甲板球坐標方位與大地球坐標方位不一致，將會影響雷達數據處理的航跡跟蹤方法，以及雷達資源調度器對轉跟蹤目標的調度算法，故需對此進行仿真計算。

圖3給出了不同艦搖擺條件下，目標俯仰角不同時，在目標方位不斷變化時（天線2s旋轉一圈），目標的甲板坐標方位值與目標的大地坐標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，目標大地坐標俯仰角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，資源調度器將目標的大地坐標變換為甲板坐標至少應提前20°，才能確保在天線掃描到對應甲板方位時及時插入相應跟蹤波位；數據處理器在對該目標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方位的點跡都輸入后再進行航跡點跡相關及跟蹤濾波處理。圖3的仿真結果可以作為雷達資源調度自適應選擇轉跟蹤目標進行調度運算及數據處理自適應確定延遲處理時間的依據。

3 結語

本文介紹了艦載一維相控陣搜索雷達電子穩定平臺實現原理，分析了電子穩定平臺實現的關鍵點；還對穩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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[5]曹正才. 艦載雷達常用穩定方式坐標變換[J].雷達與對抗，2010，（1）：47-52.endprint