雙基地雷達收發波束三維空間同步方法

宋思盛 張興 姜洋 李國卿

摘? 要：提出一種基于坐標轉換技術的雙基地雷達波束三維空間同步計算方法，可以快速生成雙基地雷達發射、接收波束在距離、方位和俯仰三維同步交匯表。該方法結合雷達產品的研制，可適用于各種應用領域的雙基地雷達波束同步的計算，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：雙基地雷達;空間同步;坐標轉換

中圖分類號：TN957 文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）23-0121-03

Abstract： In this paper， a three-dimensional synchronization calculation method of bistatic radar beam based on coordinate conversion technology is proposed， which can quickly generate the three-dimensional synchronous intersection table of bistatic radar transmitting and receiving beams in range， azimuth and pitch. Combined with the development of radar products， this method can be applied to the beam synchronization calculation of bistatic radar in various application fields， and has a broad application prospect.

Keywords： bistatic radar; space synchronization; coordinate conversion

1 概述

雙基地體制雷達[1]以其突出的抗有源干擾能力和戰場生存能力近年來逐漸成為各國研究的熱點，并在防空情報和炮兵雷達領域應用，如美軍開展了多孔徑雙基地火炮定位雷達的研制[2]。雙基地雷達收發分置，基線距離從數千米到幾十千米不等，工作時收發站天線波束必須同時照射到目標，才能對目標進行有效的檢測，空間同步是雙基地雷達“三同”關鍵技術之一。

實現雙基地雷達收發波束同步的主要包括脈沖追趕和DBF同時多波束接收兩種，脈沖追趕方式需要同時考慮時間和空間的同步，隨著DBF技術的進步及實現成本的逐漸降低，同時多波束接收逐漸成為雙基地雷達波束同步的主流方法，適用于脈沖體制和連續波信號體制的雙基地雷達。現代雙基地雷達普遍采用有源陣列天線，收發波束為可在方位和俯仰兩維進行靈活電掃描的針狀波束，但現有文獻如[3]、[4]、[5]主要基于雙基地平面模型在距離和方位兩維進行波束收發同步的理論分析和推導，已不能滿足雙基地雷達在距離、方位和俯仰三維進行同步的實際工程需求。

本文提供一種雙基地雷達收發波束三維同步計算方法，可適用于不同應用領域采用有源相控陣列天線的雙基地雷達系統中，主要解決的技術問題是給出一種實用的雙基地雷達收發波束在距離、方位和俯仰三維進行波束空間同步的方法和計算過程。

2 雙基地雷達空間同步幾何模型

雙基地雷達由發射站和接收站組成，通過發射波束和接收波束在空間交匯掃描，對任一發射波束方向，接收站在方位和俯仰兩維方向上產生多個接收波束與發射波束進行空間交匯，從而檢測交匯空間內的目標，實現對飛行器、彈丸等目標的探測、跟蹤測量。發射站、接收站和彈丸目標的空間幾何模型如圖1所示，在采用DBF技術實現空間同步的條件下接收波束個數與雷達其它工作參數之間的關系可參考文獻[6]，本文不再詳述。

3 雙基地雷達發波束三維空間同步方法

本文提出的基于坐標轉換的雙基地雷達收發波束三維空間同步方法，要進行陣面正弦空間坐標系到大地直角坐標系的轉換，大地直角坐標系之間的平移、旋轉變換，以及大地直角坐標系到陣面直角坐標系之間的轉換，采用的坐標轉換為成熟的計算公式，不再贅述，收發波束指向三維空間同步交匯表的詳細計算流程，具體包括以下步驟：

步驟一：建立以接收站為坐標原點的大地直角坐標系，其中接收站和發射站的坐標分別為R（0，0，0）和T（ET，NT，HT），根據收發站和探測區域的位置關系獲得收發站天線的方位角和俯仰傾斜角，分別為AzT、ElT、AzR和ElR。

步驟二：根據雷達工作任務，在發射站陣面正弦空間坐標系內排列M個發射波束，（？琢Tm，？茁Tm），m=1...M，？琢Tm，？茁Tm分別為發射波束的方位和俯仰正弦值;在接收站陣面正弦空間坐標系內根據一定的波束交叉點電平排列N個接收波束，接收波束的方位正弦值？琢Rn（n=1...N）為已知值，而每個接收波束的俯仰正弦值？茁Rn為待求值。

步驟三：根據坐標轉換矩陣將陣面直角坐標系下第m個發射波束指向的坐標轉換到以發射站為坐標原點的大地直角坐標系下。

聯立式（4）和式（7）得方程組如式（8）所示。若方程組有解，且求得？茁Rmn、RTmn和RRmn值均在雷達工作的正常值范圍內，則第m個發射波束與方位正弦值為？琢Rn的接收波束可完成空間交匯;若方程組無解或者有解但？茁Rmn、RTmn和RRmn值超出雷達正常值范圍，則第m個發射波束與方位正弦值為？琢Rn的接收波束不能完成空間交匯。

步驟七：重復步驟六，對第m個發射波束與所有接收波束進行交匯計算，獲得同步該發射波束的全部接收波束的俯仰正弦值、交匯點相對收發站的距離等數據。

步驟八：重復步驟三到步驟七，完成所有發射波束的接收波束簇俯仰指向與相關距離信息的計算，形成雙基地雷達的收發波束交匯表，完成雙基地雷達波束三維同步的全部計算。

依據上述方法編寫的軟件程序，完成了某型雙基地雷達戰術作戰條件下的收發波束三維空間同步表的實時計算，雷達根據同步表由發射站依次發射波束實現對給定探測區域內的連續搜索掃描，控制接收站同時形成多個指向的DBF接收波束實現對既定發射波束照射空域的全覆蓋，確保對空域內目標的探測和跟蹤，靶場試驗驗證了該方法的有效性。

4 結束語

本文針對雙基地雷達“三同”技術中的空間同步技術難題，提出一種基于坐標轉換技術的雙基地雷達波束三維空間同步計算方法，根據三維幾何模型和坐標轉換技術，可以快速的生成雙基地雷達發射、接收波束在距離、方位和俯仰三維同步交匯表，該方法具有工程實用性，已在某型雙基地體制雷達中得到應用。該方法結合雙基地雷達工程實踐，工程實用性強，可適用于各種應用領域的雙基地雷達波束同步的計算，在雙基地體制雷達中具有廣闊的應用前景，未來將帶來更大的經濟效益、軍事效益和社會效益。

參考文獻：

[1]楊振起，張永順，駱永軍.雙（多）基地雷達系統[M].北京：國防工業出版社，1998.

[2]楊春，張軍華.國外火炮定位雷達的現狀和發展趨勢[J].現代防御技術，2005（1）：52-57.

[3]趙樹杰.雙/多基地雷達空間同步技術[J].火控雷達技術，1992（3）：1-5.

[4]王庚，袁俊泉.天空雙基地預警雷達空間同步設計分析[J].空軍預警學院學報，2016（2）：89-94.

[5]周鵬.利用收發寬波束實現星機雙基地SAR的波束同步[J].遙測遙感，2008（5）：27-32.

[6]陳波，黃金杰.雙（多）基地炮位偵察校射雷達的空間同步研究[J].火控雷達技術，2007（4）：36-40.